Den effekt som beskrivs i den föregående handledningen uppnås utan att någon extern spänning läggs på den faktiska PN Junction, vilket gör att den befinner sig i ett tillstånd av jämvikt.
Hursomhelst, om vi skulle göra elektriska anslutningar i ändarna av både N-typ- och P-typ-materialet och sedan ansluta dem till en batterikälla, finns det nu en extra energikälla för att övervinna potentialbarriären.
Effekten av att lägga till denna extra energikälla resulterar i att de fria elektronerna kan korsa utarmningsområdet från den ena sidan till den andra. PN-kopplingens beteende med avseende på potentialbarriärens bredd ger upphov till en asymmetrisk ledande anordning med två terminaler, mer känd som PN-kopplingsdiod.
En PN-kopplingsdiod är en av de enklaste halvledaranordningarna som finns, och som har den egenskapen att strömmen passerar i endast en riktning. Till skillnad från ett motstånd beter sig dock en diod inte linjärt i förhållande till den applicerade spänningen eftersom dioden har ett exponentiellt förhållande mellan ström och spänning ( I-V ) och därför kan vi inte beskriva dess funktionssätt genom att helt enkelt använda en ekvation som till exempel Ohm’s lag.
Om en lämplig positiv spänning (forward bias) appliceras mellan PN-övergångens två ändar kan den förse fria elektroner och hål med den extra energi som de behöver för att korsa övergången då bredden på utarmningsskiktet runt PN-övergången minskar.
Om man applicerar en negativ spänning (reverse bias) resulterar det i att de fria laddningarna dras bort från övergången vilket resulterar i att utarmningsskiktets bredd ökar. Detta får till följd att det effektiva motståndet i själva övergångsstället ökar eller minskar, vilket möjliggör eller blockerar flödet av ström genom diodens pn-övergång.
Då blir utarmningsskiktet bredare med ökad tillämpning av en omvänd spänning och smalare med ökad tillämpning av en framåtriktad spänning. Detta beror på skillnaderna i de elektriska egenskaperna på de två sidorna av PN-övergången som resulterar i att fysiska förändringar äger rum. Ett av resultaten är likriktning, vilket framgår av PN-övergångsdiodernas statiska I-V-karakteristik (ström- och spänningsegenskaper). Likriktning visas genom ett asymmetriskt strömflöde när polariteten på förspänningen ändras som visas nedan.
Junction Diode Symbol and Static I-V Characteristics
Men innan vi kan använda PN-övergången som en praktisk anordning eller som en likriktningsanordning måste vi först förspänna övergången, dvs. koppla en spänningspotential över den. På spänningsaxeln ovan hänvisar ”Reverse Bias” till en extern spänningspotential som ökar potentialbarriären. En extern spänning som minskar den potentiella barriären sägs verka i riktning ”Forward Bias”.
Det finns två driftsområden och tre möjliga ”biasing”-förhållanden för en vanlig junction-diod och dessa är:
- 1. Nollförspänning – Ingen extern spänningspotential läggs på PN-junctiondioden.
- 2. Omvänd förspänning – Spänningspotentialen kopplas negativt (-ve) till materialet av P-typ och positivt (+ve) till materialet av N-typ över dioden, vilket leder till att PN-junction-diodens bredd ökar.
- 3. Forward Bias – Spänningspotentialen kopplas positivt, (+ve) till P-typ materialet och negativt, (-ve) till N-typ materialet över dioden vilket har effekten att PN-övergångsdiodens bredd minskar.
Zero Biased Junction Diode
När en diod är ansluten i ett nollbias-tillstånd tillförs ingen extern potentiell energi till PN-övergången. Men om diodernas terminaler kortas ihop kommer några få hål (majoritetsbärare) i P-typ-materialet med tillräckligt mycket energi för att övervinna potentialbarriären att röra sig över övergången mot denna barriärpotential. Detta kallas ”Forward Current” och betecknas som IF
Likaså finner de hål som genereras i N-typ-materialet (minoritetsbärare) att denna situation är gynnsam och rör sig över övergången i motsatt riktning. Detta kallas ”omvänd ström” och betecknas som IR. Denna överföring av elektroner och hål fram och tillbaka över PN-övergången kallas diffusion, vilket visas nedan.
Zero Biased PN Junction Diode
Den potentialbarriär som nu finns avskräcker från diffusion av fler majoritetsbärare över övergången. Potentialbarriären hjälper dock minoritetsbärare (få fria elektroner i P-regionen och få hål i N-regionen) att driva över korsningen.
Då kommer en ”jämvikt” eller balans att etableras när majoritetsbärarna är lika stora och båda rör sig i motsatta riktningar, så att nettoresultatet är noll ström som flyter i kretsen. När detta inträffar sägs korsningen befinna sig i ett tillstånd av ”dynamisk jämvikt”.
Minoritetsbärarna genereras ständigt på grund av värmeenergi, så detta jämviktstillstånd kan brytas genom att höja temperaturen i PN-övergången, vilket leder till att genereringen av minoritetsbärare ökar, vilket resulterar i en ökning av läckströmmen, men det kan inte flyta någon elektrisk ström, eftersom ingen strömkrets har anslutits till PN-övergången.
Reverse Biased PN Junction Diode
När en diod är ansluten i ett omvänt bias-tillstånd läggs en positiv spänning på N-typ materialet och en negativ spänning på P-typ materialet.
Den positiva spänningen som appliceras på N-typ-materialet drar till sig elektroner mot den positiva elektroden och bort från korsningen, medan hålen i P-typ-änden också dras bort från korsningen mot den negativa elektroden.
Nettoresultatet är att utarmningsskiktet blir bredare på grund av bristen på elektroner och hål och presenterar en hög impedansväg, nästan en isolator, och en hög potentiell barriär skapas över korsningen, vilket förhindrar att strömmen flyter genom halvledarmaterialet.
Ökning av utarmningsskiktet på grund av omvänd förspänning
Detta tillstånd representerar ett högt motståndsvärde för PN-övergången och praktiskt taget ingen ström flödar genom övergångsdioden vid en ökning av förspänningen. En mycket liten omvänd läckström flödar dock genom jonktionen som normalt kan mätas i mikroampere, ( μA ).
En sista punkt, om den omvända förspänning Vr som appliceras på dioden ökas till ett tillräckligt högt värde kommer det att leda till att diodens PN-junktion överhettas och går sönder på grund av lavineffekten runt jonktionen. Detta kan leda till att dioden kortsluts och att den maximala kretsströmmen flödar, vilket visas som en stegvis nedåtgående lutning i kurvan för de omvända statiska egenskaperna nedan.
Reverse karakteristisk kurva för en jonktionsdiod
I vissa fall har denna lavineffekt praktiska tillämpningar i spänningsstabiliserande kretsar där ett seriebegränsningsmotstånd används tillsammans med dioden för att begränsa den omvända nedbrytningsströmmen till ett förinställt maximalt värde och därigenom producera en fast spänningsutgång över dioden. Dessa typer av dioder är allmänt kända som Zenerdioder och diskuteras i en senare handledning.
Framåtriktad PN-junction-diod
När en diod är ansluten i ett framåtriktat förspänningstillstånd läggs en negativ spänning på materialet av N-typ och en positiv spänning på materialet av P-typ. Om denna externa spänning blir större än värdet på potentialbarriären, ca 0,7 volt för kisel och 0,3 volt för germanium, kommer potentialbarriärernas motstånd att övervinnas och strömmen kommer att börja flöda.
Detta beror på att den negativa spänningen trycker eller stöter bort elektroner mot korsningen vilket ger dem energi att korsa och kombinera sig med hålen som trycks i motsatt riktning mot korsningen av den positiva spänningen. Detta resulterar i en karakteristisk kurva med ett nollströmsflöde fram till denna spänningspunkt, som kallas ”knäet” på de statiska kurvorna, och sedan ett högt strömflöde genom dioden med liten ökning av den externa spänningen, vilket visas nedan.
Förward Characteristics Curve for a Junction Diode
Ansättandet av en forward biasing spänning på junction dioden resulterar i att depletionskiktet blir mycket tunt och smalt, vilket representerar en låg impedansväg genom junctionen, vilket gör det möjligt för höga strömmar att flöda. Den punkt där denna plötsliga ökning av strömmen äger rum representeras på den statiska I-V-kurvan ovan som ”knäpunkt”.
Reduktion av utarmningsskiktet på grund av framåtriktad förspänning
Detta tillstånd representerar den lågt resistenta vägen genom PN-övergången som gör att mycket stora strömmar kan flöda genom dioden med endast en liten ökning av förspänningen. Den faktiska potentialskillnaden över korsningen eller dioden hålls konstant genom verkan av utarmningsskiktet på cirka 0,3 V för germanium och cirka 0,7 V för kiselkorsningsdioder.
Då dioden kan leda ”oändlig” ström ovanför denna knäpunkt, eftersom den i praktiken blir en kortslutning, används därför motstånd i serie med dioden för att begränsa dess strömflöde. Om man överskrider dess specifikation för maximal framåtström leder det till att enheten avger mer effekt i form av värme än vad den är konstruerad för, vilket resulterar i ett mycket snabbt fel på enheten.
Sammanfattning av en jonktionsdiod
PN-övergångsregionen i en jonktionsdiod har följande viktiga egenskaper:
- Halvledare innehåller två typer av rörliga laddningsbärare, ”hål” och ”elektroner”.
- Hålen är positivt laddade medan elektronerna är negativt laddade.
- En halvledare kan vara dopad med donatorföroreningar som t.ex. antimon (N-typdopning), så att den innehåller rörliga laddningar som främst är elektroner.
- En halvledare kan vara dopad med acceptorföroreningar, t.ex. bor (dopning av P-typ), så att den innehåller rörliga laddningar som huvudsakligen är hål.
- Kopplingsområdet i sig självt har inga laddningsbärare och kallas för depletionområdet.
- Kopplingsområdet (utarmningsområdet) har en fysisk tjocklek som varierar med den applicerade spänningen.
- När en diod är nollförspänd tillförs ingen extern energikälla och en naturlig potentialbarriär utvecklas över ett utarmningsskikt som är ungefär 0.5 till 0,7 V för kiseldioder och cirka 0,3 volt för germaniumdioder.
- När en förbindningsdiod är förspänd i framåtriktad riktning minskar utarmningsområdets tjocklek och dioden fungerar som en kortslutning, vilket gör att strömmen i hela kretsen kan flöda.
- När en förbindningsdiod är förspänd i bakåtriktad riktning ökar utarmningsområdets tjocklek och dioden fungerar som en öppen krets, vilket blockerar allt strömflöde (endast en mycket liten läckström kommer att flöda).
Vi har också sett ovan att dioden är en icke-linjär anordning med två terminaler vars I-V-karakteristik är polaritetsberoende, eftersom dioden beroende på polariteten hos den applicerade spänningen VD antingen är framåtfördelad, VD > 0 eller omväntfördelad, VD < 0. Oavsett vilket kan vi modellera dessa ström-spänningsegenskaper för både en ideal diod och för en verklig kiseldiod enligt följande:
Junction Diode Ideal and Real Characteristics
I nästa handledning om dioder kommer vi att titta på småsignaldioden som ibland kallas för en kopplingsdiod och som används i allmänna elektroniska kretsar. Som namnet antyder är signaldioden utformad för lågspännings- eller högfrekventa signaltillämpningar såsom i radio- eller digitala omkopplingskretsar.
Signaldioder, såsom 1N4148, släpper bara igenom mycket små elektriska strömmar i motsats till de högströmsnätslikvidationsdioder i vilka kiseldioder vanligtvis används. Även i nästa handledning kommer vi att undersöka signaldiodens statiska ström-spänningsegenskaper kurva och parametrar.
.