К P-N переходной диод формируется путем легирования одной стороны куска кремния примесью P-типа (боран), а другой стороны - легирующей примесью N-типа (фосфор). Вместо кремния можно использовать Ge. Диод P-N перехода представляет собой устройство с двумя выводами. Это основная конструкция диода с P-N переходом. Это одно из самых простых полупроводниковых устройств, поскольку оно позволяет току течь только в одном направлении. Диод не ведет себя линейно по отношению к приложенному напряжению и имеет экспоненциальную зависимость V-I.

Что такое диод с P-N переходом?

Диод с P-N переходом - это кусок кремния с двумя выводами. Один из выводов легирован материалом P-типа, а другой - материалом N-типа. P-N переход является основным элементом полупроводниковых диодов. Полупроводниковый диод полностью облегчает поток электронов только в одном направлении, что является основной функцией полупроводникового диода. Его также можно использовать в качестве выпрямителя.

P-N переход

Теория PN-переходного диода

Есть два рабочих региона: P-тип и N-тип. В зависимости от приложенного напряжения существует три возможных состояния «смещения» для P-N переходного диода, а именно:

Нулевое смещение - На диод PN-перехода не подается внешнее напряжение.
Смещение вперед - Потенциал напряжения подключается к клемме P-типа положительно, а к клемме N-типа диода - отрицательно.
Обратное смещение - Потенциал напряжения подключен отрицательно к клемме P-типа и положительно к клемме N-типа диода.

Условие с нулевым смещением

В этом случае к диоду P-N-перехода не подается внешнее напряжение, и поэтому электроны диффундируют к P-стороне, и одновременно дырки диффундируют к N-стороне через переход, а затем объединяются друг с другом. Благодаря этому эти носители заряда создают электрическое поле. Электрическое поле препятствует дальнейшей диффузии носителей заряда, поэтому в средней области нет движения. Эта область известна как ширина истощения или объемный заряд.

Беспристрастное состояние

Смещение вперед

В состоянии прямого смещения отрицательная клемма батареи подключена к материалу N-типа, а положительная клемма батарея соединен с материалом P-Type. Это соединение также называется подачей положительного напряжения. Электроны из N-области пересекают переход и попадают в P-область. Из-за силы притяжения, создаваемой в P-области, электроны притягиваются и движутся к положительному выводу. Одновременно отверстия притягиваются к отрицательной клемме аккумулятора. По движению электронов и дырок течет ток. В этом состоянии ширина обедненной области уменьшается из-за уменьшения количества положительных и отрицательных ионов.

Условие прямого смещения

V-I характеристики

Подавая положительное напряжение, электроны получают достаточно энергии, чтобы преодолеть потенциальный барьер (обедненный слой) и пересечь переход. То же самое происходит и с дырками. Количество энергии, необходимое электронам и дыркам для пересечения перехода, равно потенциалу барьера 0,3 В для Ge, 0,7 В для Si, 1,2 В для GaAs. Это также известно как падение напряжения. Падение напряжения на диоде происходит из-за внутреннего сопротивления. Это можно увидеть на графике ниже.

Прямое смещение V-I характеристики

Обратное смещение

В состоянии прямого смещения отрицательная клемма батареи соединена с материалом N-типа, а положительная клемма батареи соединена с материалом P-типа. Это соединение также известно как подающее положительное напряжение. Следовательно, электрическое поле, вызванное как напряжением, так и обедненным слоем, имеет одно направление. Это делает электрическое поле сильнее, чем раньше. Из-за этого сильного электрического поля электроны и дырки хотят, чтобы больше энергии пересекало переход, чтобы они не могли диффундировать в противоположную область. Следовательно, ток отсутствует из-за отсутствия движения электронов и дырок.

Слой истощения в состоянии обратного смещения

Электроны из полупроводника N-типа притягиваются к положительному выводу, а дырки из полупроводника P-типа притягиваются к отрицательному выводу. Это приводит к уменьшению количества электронов в N-типе и дырок в P-типе. Кроме того, положительные ионы создаются в области N-типа, а отрицательные ионы создаются в области P-типа.

Принципиальная схема обратного смещения

Следовательно, ширина обедненного слоя увеличивается из-за увеличения количества положительных и отрицательных ионов.

V-I характеристики

За счет тепловой энергии в кристалле образуются неосновные носители. Меньшие носители означают дырку в материале N-типа и электроны в материале P-типа. Эти неосновные носители представляют собой электроны и дырки, толкаемые к P-N переходу отрицательным и положительным полюсами соответственно. Из-за движения неосновных носителей протекает очень небольшой ток, который находится в диапазоне наноампер (для кремния). Этот ток называется током обратного насыщения. Насыщение означает, что после достижения максимального значения достигается устойчивое состояние, в котором значение тока остается неизменным с увеличением напряжения.

Величина обратного тока для кремниевых устройств порядка наноампер. Когда обратное напряжение увеличивается сверх установленного предела, то обратный ток резко увеличивается. Это конкретное напряжение, которое вызывает резкое изменение обратного тока, называется напряжением обратного пробоя. Пробой диода происходит по двум механизмам: лавинный пробой и пробой стабилитрона.

I = IS [exp (qV / kT) -1]
K - постоянная Больцмана
T - Температура перехода (K)
(kT / q) Комнатная температура = 0,026 В

Обычно IS - это очень небольшой ток примерно в 10-17… 10-13А.

Следовательно, его можно записать как

I = IS [exp (V / 0,026) -1]

График V-I характеристик для обратного смещения

Применение диода с PN переходом

Диод с P-N переходом имеет множество применений.

P-N-переходный диод в конфигурации с обратным смещением чувствителен к свету в диапазоне от 400 до 1000 нм, который включает ВИДИМОЙ свет. Поэтому его можно использовать как фотодиод.
Его также можно использовать в качестве солнечного элемента.
Условие прямого смещения P-N перехода используется во всех Применение светодиодного освещения .
Напряжение на смещенном P-N переходе используется для создания Датчики температуры , и Эталонные напряжения.
Он используется во многих схемах » выпрямители , варакторы для генераторы, управляемые напряжением .

V-I характеристики диода с P-N переходом

График будет изменен для разных полупроводниковые материалы используется в конструкции диода с P-N переходом. На диаграмме ниже показаны изменения.

Сравнение с арсинидом кремния, германия и галлия

Сравнение с арсенидом кремния, германия и галлия

“для чего используются термопары ”

Это все о Теория p-N-переходного диода , принцип работы и его применение. Мы считаем, что информация, представленная в этой статье, поможет вам лучше понять эту концепцию. Кроме того, по любым вопросам относительно этой статьи или помощи в реализации электротехнические и электронные проекты, вы можете связаться с нами, оставив комментарий в разделе комментариев ниже. Вот вам вопрос - каково основное применение диодов с P-N переходом?

Фото: