Efectul descris în tutorialul anterior este obținut fără ca vreo tensiune externă să fie aplicată la joncțiunea PN reală, rezultând că joncțiunea se află într-o stare de echilibru.
Cu toate acestea, dacă am face conexiuni electrice la capetele ambelor materiale de tip N și de tip P și apoi le-am conecta la o sursă de baterii, există acum o sursă suplimentară de energie pentru a depăși bariera de potențial.
Efectul adăugării acestei surse suplimentare de energie are ca rezultat faptul că electronii liberi pot traversa regiunea de epuizare de la o parte la alta. Comportamentul joncțiunii PN în ceea ce privește lățimea barierei de potențial produce un dispozitiv conductor asimetric cu două terminale, mai bine cunoscut sub numele de diodă cu joncțiune PN.
O diodă cu joncțiune PN este unul dintre cele mai simple dispozitive semiconductoare existente și care are caracteristica de a trece curentul într-o singură direcție. Cu toate acestea, spre deosebire de un rezistor, o diodă nu se comportă liniar în raport cu tensiunea aplicată, deoarece dioda are o relație exponențială curent-tensiune ( I-V ) și, prin urmare, nu putem descrie funcționarea acesteia prin simpla utilizare a unei ecuații cum ar fi legea lui Ohm.
Dacă se aplică o tensiune pozitivă adecvată (polarizare directă) între cele două capete ale joncțiunii PN, aceasta poate furniza electronilor liberi și găurilor energia suplimentară de care au nevoie pentru a traversa joncțiunea, deoarece lățimea stratului de epuizare din jurul joncțiunii PN este redusă.
Prin aplicarea unei tensiuni negative (polarizare inversă) are ca rezultat faptul că sarcinile libere sunt îndepărtate de joncțiune, ceea ce duce la creșterea lățimii stratului de epuizare. Acest lucru are ca efect creșterea sau scăderea rezistenței efective a joncțiunii în sine, permițând sau blocând fluxul de curent prin joncțiunea PN a diodelor.
Atunci, stratul depleție se lărgește odată cu creșterea aplicării unei tensiuni inverse și se îngustează odată cu creșterea aplicării unei tensiuni directe. Acest lucru se datorează diferențelor dintre proprietățile electrice de pe cele două părți ale joncțiunii PN, ceea ce duce la modificări fizice care au loc. Unul dintre rezultate produce rectificare, după cum se observă în caracteristicile statice I-V (curent-tensiune) ale diodelor cu joncțiune PN. Rectificarea este evidențiată printr-un flux de curent asimetric atunci când polaritatea tensiunii de polarizare este modificată, așa cum se arată mai jos.
Simbolul diodei de joncțiune și caracteristicile I-V statice
Dar înainte de a putea utiliza joncțiunea PN ca dispozitiv practic sau ca dispozitiv de redresare, trebuie mai întâi să polarizăm joncțiunea, adică să conectăm un potențial de tensiune pe ea. Pe axa de tensiune de mai sus, „Polarizare inversă” se referă la un potențial de tensiune externă care mărește bariera de potențial. O tensiune externă care scade bariera de potențial se spune că acționează în direcția „polarizării în sens direct”.
Există două regiuni de funcționare și trei condiții posibile de „polarizare” pentru dioda de joncțiune standard și acestea sunt:
- 1. Polarizare zero – Diodei de joncțiune PN nu i se aplică niciun potențial de tensiune externă.
- 2. 2. Polarizare inversă – Potențialul de tensiune este conectat negativ, (-ve) la materialul de tip P și pozitiv, (+ve) la materialul de tip N de-a lungul diodei, ceea ce are ca efect creșterea lățimii diodei de joncțiune PN.
- 3. Polarizare directă – Potențialul de tensiune este conectat pozitiv, (+ve) la materialul de tip P și negativ, (-ve) la materialul de tip N de-a lungul diodei, ceea ce are ca efect Diminuarea lățimii diodei de joncțiune PN.
Diodă cu joncțiune cu polarizare zero
Când o diodă este conectată în stare de polarizare zero, nu se aplică nicio energie potențială externă joncțiunii PN. Cu toate acestea, dacă bornele diodelor sunt scurtcircuitate între ele, câteva găuri (purtători majoritari) din materialul de tip P cu suficientă energie pentru a depăși bariera de potențial se vor deplasa prin joncțiune împotriva acestui potențial de barieră. Acest lucru este cunoscut sub numele de „curent înainte” și este menționat ca IF
De asemenea, găurile generate în materialul de tip N (purtători minoritari) găsesc această situație favorabilă și se deplasează prin joncțiune în direcția opusă. Acest lucru este cunoscut sub numele de „curent invers” și este denumit IR. Acest transfer de electroni și găuri înainte și înapoi prin joncțiunea PN este cunoscut sub numele de difuzie, așa cum se arată mai jos.
Zero Biased PN Junction Diode
Bariera de potențial care există acum descurajează difuzia oricăror alți purtători majoritari prin joncțiune. Cu toate acestea, bariera de potențial îi ajută pe purtătorii minoritari (puțini electroni liberi în regiunea P și puține găuri în regiunea N) să traverseze joncțiunea.
Apoi se va stabili un „Echilibru” sau un echilibru atunci când purtătorii majoritari sunt egali și se deplasează amândoi în direcții opuse, astfel încât rezultatul net este un curent zero care circulă în circuit. Atunci când se întâmplă acest lucru, se spune că joncțiunea se află într-o stare de „Echilibru dinamic”.
Purtătorii minoritari sunt generați în mod constant datorită energiei termice, astfel încât această stare de echilibru poate fi întreruptă prin creșterea temperaturii joncțiunii PN, provocând o creștere a generării de purtători minoritari, rezultând astfel o creștere a curentului de scurgere, dar nu poate trece un curent electric deoarece nu a fost conectat niciun circuit la joncțiunea PN.
Dioda de joncțiune PN cu polarizare inversă
Când o diodă este conectată în stare de polarizare inversă, o tensiune pozitivă este aplicată materialului de tip N și o tensiune negativă este aplicată materialului de tip P.
Tensiunea pozitivă aplicată materialului de tip N atrage electronii spre electrodul pozitiv și îi îndepărtează de joncțiune, în timp ce găurile din capătul de tip P sunt, de asemenea, atrase dinspre joncțiune spre electrodul negativ.
Rezultatul net este că stratul de epuizare se lărgește din cauza lipsei de electroni și găuri și prezintă o cale de mare impedanță, aproape un izolator și se creează o barieră de potențial ridicat peste joncțiune, împiedicând astfel trecerea curentului prin materialul semiconductor.
Creșterea stratului de epuizare datorită polarizării inverse
Această condiție reprezintă o valoare ridicată a rezistenței joncțiunii PN și practic curentul care trece prin dioda de joncțiune este zero la creșterea tensiunii de polarizare. Cu toate acestea, un curent de scurgere inversă foarte mic circulă prin joncțiune, care în mod normal poate fi măsurat în microamperi, ( μA ).
Un ultim aspect, dacă tensiunea de polarizare inversă Vr aplicată diodei este crescută la o valoare suficient de mare, aceasta va face ca joncțiunea PN a diodei să se supraîncălzească și să cedeze din cauza efectului de avalanșă în jurul joncțiunii. Acest lucru poate duce la scurtcircuitarea diodei și va avea ca rezultat fluxul de curent de circuit maxim, iar acest lucru este prezentat ca o pantă descendentă în trepte în curba caracteristicilor statice inverse de mai jos.
Curba caracteristicilor inverse pentru o diodă de joncțiune
Oriceori, acest efect de avalanșă are aplicații practice în circuitele de stabilizare a tensiunii în care se utilizează o rezistență de limitare în serie cu dioda pentru a limita acest curent de rupere inversă la o valoare maximă prestabilită, producând astfel o tensiune de ieșire fixă la diodă. Aceste tipuri de diode sunt cunoscute în mod obișnuit sub denumirea de diode Zener și sunt discutate într-un tutorial ulterior.
Diodă de joncțiune PN cu polarizare directă
Când o diodă este conectată în stare de polarizare directă, o tensiune negativă este aplicată materialului de tip N și o tensiune pozitivă este aplicată materialului de tip P. Dacă această tensiune externă devine mai mare decât valoarea barierei de potențial, aproximativ 0,7 volți pentru siliciu și 0,3 volți pentru germaniu, opoziția barierelor de potențial va fi depășită și curentul va începe să circule.
Acest lucru se datorează faptului că tensiunea negativă împinge sau respinge electronii spre joncțiune dându-le energia necesară pentru a traversa și a se combina cu găurile care sunt împinse în direcția opusă spre joncțiune de către tensiunea pozitivă. Acest lucru are ca rezultat o curbă caracteristică de curgere a curentului zero până la acest punct de tensiune, numit „genunchiul” pe curbele statice și apoi o curgere mare de curent prin diodă cu o creștere mică a tensiunii externe, așa cum se arată mai jos.
Curba caracteristicilor de polarizare directă pentru o diodă de joncțiune
Aplicarea unei tensiuni de polarizare directă pe dioda de joncțiune are ca rezultat faptul că stratul de depleție devine foarte subțire și îngust, ceea ce reprezintă o cale de impedanță scăzută prin joncțiune, permițând astfel circulația unor curenți mari. Punctul în care are loc această creștere bruscă a curentului este reprezentat pe curba statică a caracteristicilor I-V de mai sus ca fiind punctul „genunchiului”.
Reducerea stratului de sărătură datorită polarizării directe
Această condiție reprezintă calea de rezistență scăzută prin joncțiunea PN care permite trecerea unor curenți foarte mari prin diodă cu o creștere mică a tensiunii de polarizare. Diferența reală de potențial prin joncțiunea sau dioda este menținută constantă prin acțiunea stratului de epuizare la aproximativ 0,3v pentru diodele cu joncțiune de germaniu și la aproximativ 0,7v pentru diodele cu joncțiune de siliciu.
Din moment ce dioda poate conduce un curent „infinit” peste acest punct de genunchi, deoarece devine efectiv un scurtcircuit, prin urmare, se folosesc rezistențe în serie cu dioda pentru a limita fluxul de curent al acesteia. Depășirea specificației sale maxime de curent direct face ca dispozitivul să disipeze mai multă putere sub formă de căldură decât cea pentru care a fost proiectat, ceea ce duce la o defecțiune foarte rapidă a dispozitivului.
Rezumat al diodei de joncțiune
Regiunea de joncțiune PN a unei diode de joncțiune are următoarele caracteristici importante:
- Semiconductorii conțin două tipuri de purtători de sarcină mobili, „găuri” și „electroni”.
- Găurile sunt încărcate pozitiv, în timp ce electronii sunt încărcați negativ.
- Un semiconductor poate fi dopat cu impurități donatoare, cum ar fi Antimoniul (dopaj de tip N), astfel încât să conțină sarcini mobile care sunt în principal electroni.
- Un semiconductor poate fi dopat cu impurități acceptoare, cum ar fi borul (dopaj de tip P), astfel încât să conțină sarcini mobile care sunt în principal găuri.
- Regiunea de joncțiune însăși nu are purtători de sarcină și este cunoscută sub numele de regiune depletivă.
- Regiunea de joncțiune (depleție) are o grosime fizică care variază în funcție de tensiunea aplicată.
- Când o diodă este polarizată la zero, nu se aplică nicio sursă de energie externă și se dezvoltă o barieră naturală de potențial de-a lungul unui strat depleție, care este de aproximativ 0,5 %.5 până la 0,7 V pentru diodele de siliciu și aproximativ 0,3 volți pentru diodele de germaniu.
- Când o diodă de joncțiune este polarizată în sens direct, grosimea regiunii de depleție se reduce și dioda se comportă ca un scurtcircuit, permițând circulația întregului circuit.
- Când o diodă de joncțiune este polarizată în sens invers, grosimea regiunii de depleție crește și dioda se comportă ca un circuit deschis care blochează orice flux de curent, (doar un curent de scurgere foarte mic va circula).
Am mai văzut mai sus că dioda este un dispozitiv neliniar cu două terminale a cărui caracteristică I-V depinde de polaritate, deoarece în funcție de polaritatea tensiunii aplicate, VD, dioda este fie polarizată în sens direct, VD > 0, fie polarizată în sens invers, VD < 0. În orice caz, putem modela aceste caracteristici curent-tensiune atât pentru o diodă ideală, cât și pentru o diodă reală de siliciu, după cum se arată:
Caracteristicile ideale și reale ale diodei de joncțiune
În următorul tutorial despre diode, vom analiza dioda de semnal mic, numită uneori diodă de comutație, care este utilizată în circuitele electronice generale. După cum îi spune și numele, dioda de semnal este proiectată pentru aplicații de semnal de joasă tensiune sau de înaltă frecvență, cum ar fi în circuitele de radio sau de comutare digitală.
Diodele de semnal, cum ar fi 1N4148, trec doar curenți electrici foarte mici, spre deosebire de diodele de redresare a rețelei de curent mare în care sunt folosite de obicei diodele de siliciu. De asemenea, în următorul tutorial vom examina curba caracteristicilor statice curent-tensiune și parametrii diodei de semnal.
