Ιδιότητες του P-N Junction στο Forward Bias

Οι ημιαγωγοί είναι υλικά που έχουν αγωγιμότητα μεταξύ ενός αγωγού (μετάλλων) και ενός μη αγωγού ή μονωτή.

Οι ημιαγωγοί μπορεί να είναι καθαρά στοιχεία, τα οποία περιλαμβάνουν πυρίτιο ή γερμάνιο, ή ίσως είναι κάποιες άλλες ενώσεις, συμπεριλαμβανομένων κραμάτων όπως το αρσενίδιο του γαλλίου ή το σεληνιούχο κάδμιο.

Οι ημιαγωγοί που έχουν πολλούς φορείς αρνητικού φορτίου από τους φορείς θετικού φορτίου περιλαμβάνουν ημιαγωγούς τύπου Ν. Οι ημιαγωγοί που έχουν μεγάλο αριθμό φορέων φορτίου ως οπές είναι ημιαγωγοί τύπου P.

Υπάρχουν δύο ζώνες — ζώνη αγωγιμότητας και ζώνη σθένους. Οι ζώνες αγωγιμότητας έχουν ηλεκτρόνια στο εσωτερικό κέλυφος, τα οποία μπορούν να συμμετέχουν στη διαδικασία αγωγής. Στη ζώνη σθένους, τα ηλεκτρόνια είναι παρόντα στο εξωτερικό περίβλημα ή τα ηλεκτρόνια σθένους υπάρχουν.

Σε εγγενείς και ημιαγωγούς (καθαρό πυρίτιο), ένα μικρό κλάσμα ηλεκτρονίων σθένους μπορεί να φτάσει στη ζώνη αγωγιμότητας. Όταν φτάσουν στη ζώνη αγωγιμότητας, αυτές οι μικρές ποσότητες ηλεκτρονίων σθένους μπορούν να αλλάξουν δραστικά τις ιδιότητες αγωγιμότητας του ημιαγωγού.

Σημασία σύνδεσης PN

Η διασταύρωση PN είναι το όριο μεταξύ δύο τύπων ημιαγωγού υλικού (το ένα είναι τύπου n και το άλλο είναι τύπου p). Η πλευρά P αντιπροσωπεύει τη θετική πλευρά και έχει περίσσεια οπών, ενώ η πλευρά n αντιπροσωπεύει την αρνητική πλευρά που έχει περίσσεια ηλεκτρονίων.

Σχηματισμός διασταύρωσης PN

Μια διασταύρωση P-N είναι μια βασική συσκευή ημιαγωγών. Όταν η πλευρά τύπου P έρχεται σε επαφή με την πλευρά τύπου Ν για να σχηματίσει ένα ενιαίο κομμάτι, το συγκρότημα που προκύπτει ονομάζεται δίοδος διασταύρωσης.

Η διαφορά δυναμικού που αναπτύσσεται κατά μήκος της διασταύρωσης λόγω της μετανάστευσης των πλειοψηφικών φορέων φορτίου (θετικού ή αρνητικού) ονομάζεται φραγμός δυναμικού.

Εμπρός πολωμένη διασταύρωση PN

Όταν μια εξωτερική πηγή συνεχούς ρεύματος συνδέεται στη δίοδο διακλάδωσης με το τμήμα P συνδεδεμένο στον θετικό πόλο και το τμήμα N συνδεδεμένο στον αρνητικό πόλο, η δίοδος σύνδεσης λέγεται ότι είναι πολωμένη προς τα εμπρός.

Αντίστροφη πολωμένη διασταύρωση PN

Η διασταύρωση PN λέγεται ότι έχει αντίστροφη πόλωση όταν ο θετικός ακροδέκτης της εξωτερικής μπαταρίας στο κύκλωμα συνδέεται στο τμήμα N και ο αρνητικός ακροδέκτης συνδέεται στο τμήμα P.

Η ροή των μειοψηφικών φορέων κατά μήκος της διασταύρωσης και από τα δύο τμήματα της διόδου διακλάδωσης είναι υπεύθυνη για το αντίστροφο ρεύμα.

Χαρακτηριστικά της διόδου σύνδεσης PN σε μπροστινή πόλωση

• Όταν ο θετικός πόλος ή το άκρο της εξωτερικής μπαταρίας συνδέεται στον θετικό πόλο ή στη θετική πλευρά και ο αρνητικός πόλος συνδέεται στον αρνητικό πόλο ή την αρνητική πλευρά, τότε το δυναμικό η διαφορά είναι στην αντίθετη κατεύθυνση από το δυναμικό φραγμού.
• Όταν η διασταύρωση PN είναι πολωμένη προς τα εμπρός, το εφαρμοζόμενο θετικό δυναμικό απωθεί τις οπές στην περιοχή P ή τη θετική περιοχή και το εφαρμοζόμενο αρνητικό δυναμικό απωθεί το ηλεκτρόνιο στην αρνητική περιοχή. Το φορτίο κινείται προς τη διασταύρωση.
• Μόλις η πόλωση προς τα εμπρός γίνει μεγαλύτερη από το πιθανό φράγμα της διασταύρωσης, το προς τα εμπρός ρεύμα αυξάνεται γραμμικά.
• Στην πόλωση προς τα εμπρός, όταν το ρεύμα αυξάνεται γραμμικά και γρήγορα πάνω από την τάση του γόνατος, υπάρχει μια διακύμανση στο ρεύμα, με την αύξηση της πόλωσης προς τα εμπρός να είναι εξαιρετικά αργή κάτω από την τάση του γόνατος.
• Στη διασταύρωση προς τα εμπρός στη διασταύρωση PN, το στρώμα εξάντλησης γίνεται λεπτό επειδή η πολικότητα της εξωτερικής πηγής DC αντιτίθεται στην πλασματική μπαταρία που ανέπτυξε τη διασταύρωση.
• Έχει ως αποτέλεσμα την πτώση του δυναμικού κατά μήκος της διασταύρωσης και κάνει το στρώμα εξάντλησης λεπτό, το οποίο, σε περίπτωση απώλειας, οδηγεί στη χαμηλή αντίσταση της διόδου σύνδεσης.

Η δράση της διασταύρωσης P-N 

Μια δίοδος σύνδεσης p-n έχει πόλωση προς τα εμπρός όταν η θετική και η αρνητική πλευρά συνδέονται στους θετικούς και αρνητικούς πόλους της μπαταρίας, αντίστοιχα.

Στις διόδους διασταύρωσης PN με πόλωση προς τα εμπρός, τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν από τον αρνητικό ακροδέκτη της μπαταρίας στο εσωτερικό της διόδου και αυτή διασχίζει τη θέση P για να συνδυαστεί με τις οπές. Στη συνέχεια, εκπέμπονται ηλεκτρόνια από τον θετικό πόλο p της P πλευράς της μπαταρίας. Αυτό δημιουργεί περισσότερες ελεύθερες οπές που μπορούν να ταξιδέψουν στο εσωτερικό και στη συνέχεια συνδυάζονται με τα ηλεκτρόνια. Έτσι, το στρώμα εξάντλησης, μαζί με το δυναμικό φραγμού της διασταύρωσης, μειώνεται και στη συνέχεια μειώνεται η συνολική αντίσταση της διόδου.

Συμπέρασμα

Σε μια διασταύρωση PN, όταν η πόλωση προς τα εμπρός αυξηθεί ακόμη και ελαφρώς πέρα ​​από το ασφαλές όριο, θα καταστραφεί. Είναι λόγω του μεγάλου αριθμού φορέων φόρτισης στο μπροστινό ρεύμα. Αν και οι φορείς φορτίου αποκτούν πολύ μικρή κινητική ενέργεια και μπορούν να παράγουν πολύ μικρή ποσότητα θερμότητας, η συνολική θερμότητα που παράγεται από όλους τους φορείς είναι αρκετά καλή για να διαρρήξει τον ομοιοπολικό δεσμό. Σύμφωνα με τις σημειώσεις μας για τη διασταύρωση PN, όταν μια διασταύρωση PN είναι πολωμένη προς τα εμπρός, το πλάτος του στρώματος εξάντλησης μειώνεται. ως αποτέλεσμα, προσφέρει χαμηλή αντίσταση κατά την προκατάληψη προς τα εμπρός.

Η ροή των πλειοψηφικών φορέων κατά μήκος της διασταύρωσης και από τα δύο τμήματα της διόδου διακλάδωσης είναι υπεύθυνη για το μπροστινό ρεύμα.