Εξίσωση μπροστινού ρεύματος της διόδου σύνδεσης PN

Μια διασταύρωση PN λαμβάνεται όταν ένα ημιαγώγιμο υλικό όπως το πυρίτιο ή το γερμάνιο είναι εμποτισμένο με ακαθαρσίες. Η μία πλευρά του έχει πολλές ακαθαρσίες δέκτη και η άλλη πλευρά έχει μεγάλο αριθμό ακαθαρσιών δότη.

Μια ακαθαρσία δότη διαχέεται σε έναν καθαρό ημιαγωγό για να ληφθεί ένας τύπος n. Ομοίως, η ακαθαρσία της δομής διαχέεται σε υψηλότερη συγκέντρωση στην άλλη πλευρά για να γίνει τύπου p.

Μια πολωμένη προς τα εμπρός δίοδος σύνδεσης PN σχηματίζεται όταν μια μπαταρία συνδέεται στα άκρα της διασταύρωσης PN με τέτοιο τρόπο ώστε ο θετικός ακροδέκτης της μπαταρίας συνδέεται στην πλευρά p και ο αρνητικός ακροδέκτης συνδέεται στην πλευρά n .

Μερικοί σημαντικοί όροι

1. Δίοδος – Κάθε συσκευή που επιτρέπει τη ροή του ρεύματος ελεύθερα προς μία κατεύθυνση αλλά δεν επιτρέπει τη ροή ρεύματος προς την αντίθετη κατεύθυνση ονομάζεται δίοδος.
2. Επίπεδο εξάντλησης – Το στρώμα εξάντλησης είναι μια περιοχή στη δίοδο σύνδεσης PN, όπου δεν βρίσκεται κινητός φορέας. Αυτό το στρώμα λειτουργεί ως φράγμα που αντιστέκεται στη ροή ηλεκτρονίων από την πλευρά n και οπών από την πλευρά p.
3. Ρεύμα διάχυσης – Σε μια διασταύρωση PN, οι οπές διαχέονται από την πλευρά p στην n πλευρά και τα ηλεκτρόνια διαχέονται από την πλευρά n στην πλευρά p. Δημιουργείται μια κλίση δυναμικού, η οποία έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή ενός ρεύματος που ονομάζεται ρεύμα διάχυσης.
4. Ρεύμα μετατόπισης – Παράγεται λόγω της δημιουργίας ζευγών ηλεκτρονίων-οπών στο στρώμα εξάντλησης, το οποίο βρίσκεται υπό την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου. Το ρεύμα ρέει από την πλευρά n προς την πλευρά p. Το ρεύμα μετατόπισης και το ρεύμα διάχυσης βρίσκονται σε αντίθετες κατευθύνσεις.

Δίοδος σύνδεσης PN πόλωσης προς τα εμπρός

• Η διασταύρωση PN πόλωσης προς τα εμπρός προκαλεί αύξηση του δυναμικού της πλευράς p και, ως εκ τούτου, μειώνεται το ύψος του φραγμού δυναμικού.
• Το πλάτος της περιοχής εξάντλησης μειώνεται σε πόλωση προς τα εμπρός, λόγω της οποίας λαμβάνει χώρα περισσότερη διάχυση.
• Ως εκ τούτου, το ρεύμα διάχυσης αυξάνεται συνδέοντας μια μπαταρία σε μπροστινή πόλωση.
• Το ρεύμα μετατόπισης παραμένει σταθερό καθώς τα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών είναι ανεξάρτητα από ένα ηλεκτρικό πεδίο.
• Εδώ, το ρεύμα διάχυσης υπερβαίνει το ρεύμα μετατόπισης, επομένως το καθαρό ρεύμα ρέει από την πλευρά p στην πλευρά n.
• Ο ρυθμός διάχυσης αυξάνεται καθώς αυξάνεται η εφαρμοζόμενη διαφορά δυναμικού μαζί με τη μείωση του ύψους του φράγματος.
• Όταν η εφαρμοζόμενη διαφορά δυναμικού είναι πολύ υψηλή, το φράγμα δυναμικού μειώνεται στο μηδέν.
• Το ρεύμα I στο κύκλωμα αλλάζει μη γραμμικά με την εφαρμοζόμενη διαφορά δυναμικού.
• Μια διασταύρωση PN δεν υπακούει στο νόμο του Ohm.

Εξίσωση μπροστινού ρεύματος διόδου σύνδεσης PN

Σε μια δίοδο σύνδεσης p-n, το ρεύμα I μπορεί να εκφραστεί ως 

• Το I αντιπροσωπεύει το ρεύμα που διαρρέει τη δίοδο,
• Το I0 είναι το σκοτεινό ρεύμα κορεσμού,
• q είναι το φορτίο στο ηλεκτρόνιο,
• V αντιπροσωπεύει την τάση που εφαρμόζεται στη δίοδο,
• η είναι ο (εκθετικός) παράγοντας ιδεατότητας.
• (8,6×10−5eVK) είναι η σταθερά Boltzmann.
• T είναι η απόλυτη θερμοκρασία σε Kelvin.

Δυναμική αντίσταση

Η δυναμική αντίσταση είναι η συνάρτηση της διαφοράς δυναμικού λειτουργίας. Είναι ίσο με το αντίστροφο της κλίσης του i-v.

Η δυναμική αντίσταση μιας διόδου σύνδεσης pn δίνεται ως 

R =vi

Πού,

Το Δv υποδηλώνει τη μικρή μεταβολή στην εφαρμοζόμενη διαφορά δυναμικού.

Το Δi υποδηλώνει την αντίστοιχη μικρή αλλαγή στο ρεύμα.

Παραδείγματα εξίσωσης μπροστινού ρεύματος διόδου σύνδεσης PN και η σημασία τους

Δίοδος εκπομπής φωτός (LED)

Η επιπλέον ενέργεια εκπέμπεται με τη μορφή φωτονίου όταν ένα ηλεκτρόνιο αγωγιμότητας μεταβαίνει στη ζώνη σθένους για να γεμίσει μια οπή στη διασταύρωση PN. Το μήκος κύματος αυτού του φωτονίου είναι στο ορατό εύρος (380 nm-780 nm). μπορεί κανείς να δει το εκπεμπόμενο φως. Αυτού του είδους οι συνδέσεις PN είναι γνωστές ως δίοδοι εκπομπής φωτός.

Για το πυρίτιο και το γερμάνιο, το μήκος κύματος των φωτονίων πέφτει στην υπέρυθρη περιοχή.

Ανορθωτής διασταύρωσης

Όταν εφαρμόζεται μια διαφορά δυναμικού σε μια διασταύρωση PN, αυτή η συσκευή άγει ηλεκτρισμό πιο γρήγορα από τον έναν ακροδέκτη της εφαρμοζόμενης διαφοράς δυναμικού παρά από τον άλλο. Έτσι, μια διασταύρωση PN μπορεί να χρησιμεύσει ως συνάρτηση ενός ανορθωτή διασταύρωσης.

Λέιζερ διασταύρωσης

Ένα φωτόνιο δημιουργείται όταν ένα ηλεκτρόνιο μετακινείται από τη ζώνη αγωγιμότητας στη ζώνη σθένους. Αυτό το φωτόνιο διεγείρει ένα δεύτερο ηλεκτρόνιο να εισέλθει στη ζώνη σθένους, παράγοντας ένα δεύτερο φωτόνιο με διεγερμένη εκπομπή. Συμβαίνει μια αλυσιδωτή αντίδραση εκπομπής και δημιουργείται ρεύμα στο κύκλωμα. Αυτό οδηγεί στη δημιουργία φωτός λέιζερ. Για να επιτευχθεί αυτό, οι επιφάνειες της διασταύρωσης PN πρέπει να είναι επίπεδες και παράλληλες για να αντανακλούν το φως μπρος-πίσω μέσα στον κρύσταλλο. Έτσι, μια σύνδεση PN μπορεί να λειτουργήσει ως λέιζερ διασταύρωσης.

Συμπέρασμα

Μια ένωση PN είναι ένας απλός ημιαγωγός κρύσταλλος με το ένα άκρο του να σχηματίζει υλικό τύπου p και το άλλο άκρο για να σχηματίζει υλικό τύπου n. Το επίπεδο διασταύρωσης είναι το σημείο συνάντησης αυτών των δύο τύπων.

Οι δίοδοι Zener, ο ανορθωτής διασταύρωσης, το λέιζερ διασταύρωσης και μια δίοδος εκπομπής φωτός είναι παραδείγματα της εξίσωσης προς τα εμπρός ρεύματος της διόδου σύνδεσης PN.

Η μπροστινή δίοδος σύνδεσης pn έχει μεγάλη σημασία. Χρησιμοποιείται σε αισθητήρες θερμοκρασίας, τάσεις αναφοράς, ηλιακά κύτταρα και ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές.