Dioda złącza PN

Efekt opisany w poprzednim tutorialu jest osiągany bez zewnętrznego napięcia przyłożonego do rzeczywistego złącza PN, co powoduje, że złącze jest w stanie równowagi.

Jednakże, jeśli wykonamy połączenia elektryczne na końcach materiałów typu N i typu P, a następnie podłączymy je do źródła baterii, to teraz istnieje dodatkowe źródło energii do pokonania bariery potencjału.

Efekt dodania tego dodatkowego źródła energii powoduje, że wolne elektrony są w stanie przekroczyć region zubożenia z jednej strony na drugą. Zachowanie złącza PN w odniesieniu do szerokości bariery potencjału powoduje powstanie asymetrycznego, przewodzącego urządzenia dwukońcówkowego, lepiej znanego jako dioda złącza PN.

Dioda złącza PN jest jednym z najprostszych urządzeń półprzewodnikowych, które charakteryzuje się tym, że przepuszcza prąd tylko w jednym kierunku. Jednakże, w przeciwieństwie do rezystora, dioda nie zachowuje się liniowo w odniesieniu do przyłożonego napięcia, ponieważ dioda ma wykładniczą zależność prądowo-napięciową (I-V) i dlatego nie możemy opisać jej działania po prostu używając równania takiego jak prawo Ohma.

Jeżeli pomiędzy dwa końce złącza PN przyłożone jest odpowiednie dodatnie napięcie (forward bias), może ono dostarczyć wolnym elektronom i dziurom dodatkowej energii, której potrzebują do przekroczenia złącza, ponieważ szerokość warstwy zubożenia wokół złącza PN zmniejsza się.

Przyłożenie ujemnego napięcia (reverse bias) powoduje, że wolne ładunki są odciągane od złącza, co powoduje zwiększenie szerokości warstwy zubożenia. Ma to wpływ na zwiększenie lub zmniejszenie efektywnej rezystancji samego złącza umożliwiając lub blokując przepływ prądu przez diodę pn-junction.

Wtedy warstwa deplecjacyjna poszerza się wraz ze wzrostem przyłożenia napięcia wstecznego i zwęża się wraz ze wzrostem przyłożenia napięcia do przodu. Wynika to z różnic we właściwościach elektrycznych po obu stronach złącza PN, co powoduje zmiany fizyczne. Jednym z rezultatów jest prostowanie, które widać na statycznej charakterystyce I-V (prądowo-napięciowej) diody PN. Prostowanie objawia się niesymetrycznym przepływem prądu, gdy polaryzacja napięcia biasu jest zmieniona, jak pokazano poniżej.

Symbol diody złączowej i statyczna charakterystyka I-V

Ale zanim będziemy mogli użyć złącza PN jako praktycznego urządzenia lub jako urządzenia prostowniczego, musimy najpierw spolaryzować złącze, to znaczy podłączyć potencjał napięcia przez nie. Na osi napięć powyżej, „Reverse Bias” odnosi się do zewnętrznego potencjału napięciowego, który zwiększa barierę potencjału. Zewnętrzne napięcie, które obniża barierę potencjału mówi się, że działa w kierunku „Forward Bias”.

Istnieją dwa obszary działania i trzy możliwe warunki „biasowania” dla standardowej diody Junction i są to:

• 1. Zero Bias – żaden zewnętrzny potencjał napięcia nie jest przyłożony do diody złączowej PN.
• 2. Reverse Bias – potencjał napięcia jest podłączony ujemnie, (-ve) do materiału typu P i dodatnio, (+ve) do materiału typu N w poprzek diody, co ma wpływ na zwiększenie szerokości diody PN.
• 3. Forward Bias – potencjał napięcia jest podłączony dodatnio, (+ve) do materiału typu P i ujemnie, (-ve) do materiału typu N w poprzek diody, co ma wpływ na Zmniejszenie szerokości diody PN.

Zero Biased Junction Diode

Gdy dioda jest podłączona w stanie Zero Bias, żadna zewnętrzna energia potencjalna nie jest przyłożona do złącza PN. Jeśli jednak końcówki diody są zwarte, kilka dziur (nośników większościowych) w materiale typu P o energii wystarczającej do pokonania bariery potencjału będzie poruszać się przez złącze wbrew potencjałowi bariery. Jest to znane jako „Prąd Forward” i jest określane jako IF

Analogicznie, dziury powstałe w materiale typu N (nośniki mniejszościowe), uznają tę sytuację za korzystną i przemieszczają się przez złącze w przeciwnym kierunku. Jest to znane jako „prąd wsteczny” i określane jako IR. Ten transfer elektronów i dziur tam i z powrotem przez złącze PN jest znany jako dyfuzja, jak pokazano poniżej.

Zero Biased PN Junction Diode

Bariera potencjału, która teraz istnieje, zniechęca do dyfuzji jakichkolwiek nośników większościowych przez złącze. Jednak bariera potencjału pomaga nośnikom mniejszościowym (kilka wolnych elektronów w regionie P i kilka dziur w regionie N) dryfować w poprzek złącza.

Wtedy „Równowaga” lub równowaga zostanie ustanowiona, gdy nośniki większościowe są równe i oba poruszają się w przeciwnych kierunkach, tak że wynikiem netto jest zerowy prąd płynący w obwodzie. Kiedy to nastąpi, mówi się, że złącze jest w stanie „równowagi dynamicznej”.

Nośniki mniejszościowe są stale generowane z powodu energii termicznej, więc ten stan równowagi może zostać przerwany przez podniesienie temperatury złącza PN powodując wzrost generacji nośników mniejszościowych, co skutkuje wzrostem prądu upływu, ale prąd elektryczny nie może płynąć, ponieważ żaden obwód nie został podłączony do złącza PN.

Dioda z odwróconym biasem złącza PN

Gdy dioda jest podłączona w stanie odwróconego biasu, dodatnie napięcie jest przyłożone do materiału typu N, a ujemne napięcie jest przyłożone do materiału typu P.

Pozytywne napięcie przyłożone do materiału typu N przyciąga elektrony w kierunku elektrody dodatniej i z dala od złącza, podczas gdy dziury w końcu typu P są również przyciągane z dala od złącza w kierunku elektrody ujemnej.

Wynikiem netto jest to, że warstwa zubożenia poszerza się z powodu braku elektronów i dziur i przedstawia ścieżkę o wysokiej impedancji, prawie izolator i wysoka bariera potencjału jest tworzona w poprzek złącza, zapobiegając w ten sposób przepływowi prądu przez materiał półprzewodnikowy.

Wzrost warstwy zubożającej spowodowany odwrotnym biasem

Ten stan przedstawia wysoką wartość rezystancji złącza PN i praktycznie zerowy prąd przepływa przez diodę złącza przy wzroście napięcia biasu. Jednakże, bardzo mały wsteczny prąd upływu przepływa przez złącze, który może być mierzony w mikroamperach, ( μA ).

Jeden ostatni punkt, jeśli odwrotne napięcie biasowe Vr przyłożone do diody jest zwiększone do wystarczająco wysokiej wartości, spowoduje to przegrzanie złącza PN diody i awarię z powodu efektu lawinowego wokół złącza. Może to spowodować zwarcie diody, co spowoduje przepływ maksymalnego prądu w obwodzie, a to jest pokazane jako stopniowy spadek na poniższej krzywej odwrotnej charakterystyki statycznej.

Krzywa charakterystyki odwrotnej dla diody złączowej

Niekiedy ten efekt lawinowy ma praktyczne zastosowanie w obwodach stabilizujących napięcie, gdzie szeregowy rezystor ograniczający jest używany z diodą w celu ograniczenia tego prądu wstecznego do wstępnie ustawionej wartości maksymalnej, wytwarzając w ten sposób stałe napięcie wyjściowe przez diodę. Tego typu diody są powszechnie znane jako diody Zenera i są omówione w dalszej części poradnika.

Dioda typu PN Junction Forward Biased

Gdy dioda jest podłączona w stanie Forward Bias, do materiału typu N jest przyłożone napięcie ujemne, a do materiału typu P napięcie dodatnie. Jeśli to zewnętrzne napięcie stanie się większe niż wartość bariery potencjału, ok. 0,7 V dla krzemu i 0,3 V dla germanu, opozycja barier potencjału zostanie pokonana i zacznie płynąć prąd.

Dzieje się tak, ponieważ napięcie ujemne popycha lub odpycha elektrony w kierunku złącza, dając im energię do przejścia i połączenia się z dziurami popychanymi w przeciwnym kierunku w kierunku złącza przez napięcie dodatnie. Powoduje to powstanie krzywej charakterystyki z zerowym prądem płynącym do tego punktu napięcia, zwanego „kolanem” na krzywych statycznych, a następnie duży przepływ prądu przez diodę przy niewielkim wzroście napięcia zewnętrznego, jak pokazano poniżej.

Krzywa charakterystyki do przodu dla diody złączowej

Przyłożenie napięcia biasującego do przodu do diody złączowej powoduje, że warstwa zubożenia staje się bardzo cienka i wąska, co stanowi ścieżkę o niskiej impedancji przez złącze, umożliwiając w ten sposób przepływ dużych prądów. Punkt, w którym następuje nagły wzrost prądu, jest przedstawiony na powyższej statycznej krzywej charakterystyki I-V jako punkt „kolana”.

Zmniejszenie warstwy zubożenia spowodowane napięciem biasu

Ten stan reprezentuje ścieżkę o niskiej rezystancji przez złącze PN, pozwalającą na przepływ bardzo dużych prądów przez diodę przy niewielkim wzroście napięcia biasu. Rzeczywista różnica potencjałów na złączu lub diodzie jest utrzymywana na stałym poziomie przez działanie warstwy zubożającej, wynoszącym około 0,3 V dla diod germanowych i około 0,7 V dla diod krzemowych.

Ponieważ dioda może przewodzić „nieskończony” prąd powyżej tego punktu kolanowego, ponieważ efektywnie staje się zwarciem, dlatego rezystory są używane szeregowo z diodą, aby ograniczyć jej przepływ prądu. Przekroczenie maksymalnego prądu wyjściowego powoduje, że urządzenie rozprasza więcej energii w postaci ciepła niż zostało zaprojektowane, co prowadzi do bardzo szybkiej awarii urządzenia.

Dioda złączowa Podsumowanie

Obszar złącza PN diody złączowej ma następujące ważne właściwości:

• Półprzewodniki zawierają dwa rodzaje ruchomych nośników ładunku, „dziury” i „elektrony”.
• Dziury są dodatnio naładowane, podczas gdy elektrony ujemnie naładowane.
• Półprzewodnik może być domieszkowany zanieczyszczeniami donorowymi, takimi jak antymon (domieszkowanie typu N), tak że zawiera ładunki ruchome, które są przede wszystkim elektronami.
• Półprzewodnik może być domieszkowany zanieczyszczeniami akceptorowymi, takimi jak Bor (domieszkowanie typu P), tak aby zawierał ładunki ruchome, którymi są głównie dziury.
• Sam region złącza nie posiada nośników ładunku i jest znany jako region zubożenia.
• Region złącza (depletion) ma fizyczną grubość, która zmienia się wraz z przyłożonym napięciem.
• Gdy dioda jest Zero Biased nie jest przyłożone żadne zewnętrzne źródło energii i naturalna bariera potencjału jest rozwijana w poprzek warstwy depletion, która wynosi około 0.5 do 0,7 V dla diod krzemowych i około 0,3 V dla diod germanowych.
• Gdy dioda jest Forward Biased grubość obszaru deplecjacji zmniejsza się i dioda działa jak zwarcie pozwalając na przepływ prądu w pełnym obwodzie.
• Gdy dioda jest Reverse Biased grubość obszaru deplecjacji zwiększa się i dioda działa jak obwód otwarty blokując przepływ prądu (płynie tylko bardzo mały prąd upływu).

Widzieliśmy również powyżej, że dioda jest dwukońcówkowym urządzeniem nieliniowym, którego charakterystyka I-V zależy od polaryzacji, ponieważ w zależności od polaryzacji przyłożonego napięcia VD dioda jest albo Forward Biased, VD > 0 lub Reverse Biased, VD < 0. W każdym razie możemy modelować te charakterystyki prądowo-napięciowe zarówno dla idealnej diody, jak i dla rzeczywistej diody krzemowej, jak pokazano na rysunku:

Dioda złączowa Charakterystyka idealna i rzeczywista

W następnym przewodniku o diodach przyjrzymy się małej diodzie sygnałowej, czasami nazywanej diodą przełączającą, która jest używana w ogólnych obwodach elektronicznych. Jak sama nazwa wskazuje, dioda sygnałowa jest przeznaczona do zastosowań związanych z sygnałami o niskim napięciu lub wysokiej częstotliwości, np. w obwodach radiowych lub cyfrowych układach przełączających.

Diody sygnałowe, takie jak 1N4148, przepuszczają tylko bardzo małe prądy elektryczne, w przeciwieństwie do wysokoprądowych diod prostowniczych, w których zwykle stosuje się diody krzemowe. Również w następnym tutorialu zajmiemy się statyczną charakterystyką prądowo-napięciową diody Signal oraz jej parametrami.

.