диод pn-перехода

Электропроводность полупроводникового материала находится между электропроводностью проводника, такого как металлическая медь, и изолятора, такого как стекло. Его удельное сопротивление уменьшается с повышением температуры, в то время как металлы имеют обратный эффект. Добавляя примеси (легирование) в структуру кристалла, его проводящие характеристики могут быть изменены выгодным образом. Полупроводниковый переход образуется, когда в одном и том же кристалле возникают две различные легированные области. Диоды, транзисторы и большая часть современной электроники построены на поведении носителей заряда, таких как электроны, ионы и электронные дырки, в этих соединениях.

Кремний, германий, арсенид галлия и элементы так называемой металлоидной лестницы периодической таблицы являются примерами полупроводников. Арсенид галлия является вторым по распространенности полупроводником после кремния и используется в лазерных диодах, солнечных элементах, интегральных схемах микроволнового диапазона и других устройствах. Кремний является важнейшим компонентом в производстве большинства электрических цепей.

PN-соединение

Inside a semiconductor, a p-n junction is an interface or a border between two semiconductor material types, namely the p-type and the n-type.

Сторона p или положительная сторона полупроводника имеет избыток дырок, тогда как сторона n или отрицательная сторона имеет избыток электронов. Процесс легирования используется для создания pn-перехода в полупроводнике.

Формирование PN-соединения

Когда мы используем различные полупроводниковые материалы для формирования р-n-перехода, возникает граница зерен, которая препятствует движению электронов с одной стороны на другую за счет рассеяния электронов и дырок, поэтому мы используем процедуру легирования.

Например, рассмотрим лист кремниевого полупроводника p-типа, который очень тонкий. Часть Si p-типа будет заменена кремнием n-типа, если добавить небольшое количество пятивалентной примеси. Этот лист теперь будет иметь области как p-типа, так и n-типа, а также соединение между ними. Диффузия и дрейф — это два вида процессов, происходящих после образования р-n-перехода. Как мы все знаем, концентрация дырок и электронов на двух сторонах перехода различается: дырки с p-стороны диффундируют на n-сторону, а электроны с n-стороны диффундируют на p-сторону. Это вызывает диффузионный ток, протекающий через соединение.

Когда электрон диффундирует с n-стороны на p-сторону, он оставляет ионизированный донор на n-стороне, которая остается неподвижной. На n-стороне перехода по мере развития процесса образуется слой положительного заряда. Когда дырка перемещается с p-стороны на n-сторону, ионизированный акцептор остается на p-стороне, вызывая образование слоя отрицательных зарядов на p-стороне перехода. Зона истощения определяется как область положительного и отрицательного заряда на каждой стороне соединения. Направление электрического поля от положительного заряда к отрицательному заряду создается благодаря этой области положительного пространственного заряда на каждой стороне перехода. Электрон на p-стороне перехода перемещается на n-сторону перехода под действием электрического поля. Дрейф — это название, данное этому движению. Мы можем заметить, что дрейфовый ток течет в направлении, противоположном диффузионному току.

Условия смещения для p-n-переходного диода

В диоде с p-n переходом есть две рабочие области:

1. р-тип
2. n-тип

Приложенное напряжение определяет одно из трех условий смещения для диодов с p-n переходом:

• На диод с pn-переходом не подается внешнее напряжение, пока он находится под нулевым смещением .
• Прямое смещение: p-тип подключен к положительной клемме потенциала напряжения, а n-тип подключен к отрицательной клемме.
• Обратное смещение: p-тип подключен к отрицательной клемме потенциала напряжения, а n-тип подключен к положительной клемме.

Прямое смещение

The p-n junction is said to be forward-biased when the p-type is connected to the positive terminal of the battery and the n-type to the negative terminal. The built-in electric field at the p-n junction and the applied electric field are in opposing directions when the p-n junction is forward biased. 

Результирующее электрическое поле меньше, чем встроенное электрическое поле, когда оба электрических поля складываются вместе. В результате зона истощения становится менее стойкой и тоньше. При высоком приложенном напряжении сопротивление зоны обеднения становится незначительным. При 0,6 В сопротивление области обеднения в кремнии становится совершенно незначительным, позволяя току свободно течь по ней.

Обратное смещение

The p-n junction is said to be reverse-biased when the p-type is linked to the negative terminal of the battery and the n-type is attached to the positive side. The applied electric field and the built-in electric field are both in the same direction in this situation.

Результирующее электрическое поле имеет то же направление, что и встроенное электрическое поле, что приводит к более резистивной и толстой зоне истощения. Если приложенное напряжение увеличивается, область истощения становится более устойчивой и толще.

Формула соединения PN

Формула p-n перехода, основанная на встроенной разности потенциалов, создаваемой электрическим полем, выглядит следующим образом:

E _{о знак} равно V _T l _n [ N _D - N _A / n _i ² ]

куда,

• Напряжение перехода при нулевом смещении равно E ₀ .
• При комнатной температуре V _T тепловое напряжение 26 мВ.
• Концентрации примесей обозначаются буквами N _D и N _A .
• Собственная концентрация обозначается n _i

Протекание тока в диоде pn-перехода

Когда напряжение увеличивается, электроны перемещаются с n-стороны на p-сторону перехода. Миграция дырок с p-стороны на n-сторону перехода происходит аналогичным образом при повышении напряжения. В результате между терминалами с обеих сторон существует градиент концентрации.

В результате развития градиента концентрации будет происходить перемещение носителей заряда из областей с более высокой концентрацией в области с более низкой концентрацией. Протекание тока в цепи обусловлено движением носителей заряда внутри p-n-перехода.

V-I Characteristics of PN Junction Diode

A curve between the voltage and current across the circuit defines the V-I properties of p-n junction diodes. The x-axis represents voltage, while the y-axis represents current. The V-I characteristics curve of the p-n junction diode is shown in the graph above. With the help of the curve, we can see that the diode works in three different areas, which are:

• Zero bias
• Forward bias
• Reverse bias

There is no external voltage provided to the p-n junction diode while it is at zero bias, which implies the potential barrier at the junction prevents current passage.

When the p-n junction diode is in forwarding bias, the p-type is linked to the positive terminal of the external voltage, while the n-type is connected to the negative terminal. The potential barrier is reduced when the diode is placed in this fashion. When the voltage is 0.7 V for silicon diodes and 0.3 V for germanium diodes, the potential barriers fall and current flows.

The current grows slowly while the diode is under forwarding bias, and the curve formed is non-linear as the voltage supplied to the diode overcomes the potential barrier. Once the diode has crossed the potential barrier, it functions normally, and the curve rises quickly as the external voltage rises, yielding a linear curve.

When the PN junction diode is under negative bias, the p-type is linked to the negative terminal of the external voltage, while the n-type is connected to the positive terminal. As a result, the potential barrier becomes higher. Because minority carriers are present at the junction, reverse saturation current occurs at first.

When the applied voltage is raised, the kinetic energy of the minority charges increases, affecting the majority charges. This is the point at which the diode fails. The diode may be destroyed as a result of this.

Применение диода PN-перехода

• Когда диод с p-n-переходом имеет обратное смещение, диод можно использовать в качестве фотодиода, поскольку он чувствителен к свету.
• Его можно использовать в качестве солнечной батареи.
• Диод можно использовать в светодиодном освещении, когда он смещен в прямом направлении.
• Многие электрические схемы используют его в качестве выпрямителя, а варакторы используют его в качестве генератора, управляемого напряжением.

Пример вопроса

Вопрос 1: Что такое обратное сопротивление?

Отвечать:

The resistance supplied by a p-n junction diode when it is reverse biased is known as reverse resistance.

Вопрос 2: Что такое динамическое сопротивление диода?

Отвечать:

The ratio of change in voltage to change in current is known as dynamic resistance of a diode.

Вопрос 3: Что такое статическое сопротивление диода?

Отвечать:

The ratio of the DC voltage put across the diode to the DC current flowing through it is known as the diode’s static resistance.

Вопрос 4: Что такое обратное смещение?

Отвечать:

When the p-type is connected to the negative terminal of the battery and the n-type is connected to the positive side, the p-n junction is said to be reverse biased. In this case, the applied electric field and the built-in electric field are both pointing in the same direction. Because the generated electric field is in the same direction as the built-in electric field, the depletion zone becomes more resistive and thicker. The depletion region becomes more resistive and thicker as the applied voltage is raised.

Вопрос 5: Что такое прямое смещение?

Отвечать:

When the p-type is linked to the positive terminal of the battery and the n-type to the negative terminal, the p-n junction is said to be forward-biased. When the p-n junction is forward biased, the built-in electric field and the applied electric field are in opposite directions. When both electric fields are put together, the resulting electric field is smaller than the built-in electric field. As a result, the depletion zone grows narrower and less resistive. The resistance of the depletion zone becomes negligible when the applied voltage is large. At 0.6 V, the resistance of the depletion region in silicon is negligible, enabling current to readily flow through it.