Comprensione della teoria e del funzionamento del diodo a giunzione P-N

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PER Diodo di giunzione P-N è formato drogando un lato di un pezzo di silicio con un drogante di tipo P (Boran) e l'altro lato con un drogante di tipo N (fosforo) .Ge può essere utilizzato al posto del silicio. Il diodo a giunzione P-N è un dispositivo a due terminali. Questa è la costruzione di base del diodo a giunzione P-N. È uno dei dispositivi a semiconduttore più semplici in quanto consente alla corrente di fluire in una sola direzione, il diodo non si comporta linearmente rispetto alla tensione applicata ed ha una relazione V-I esponenziale.

Cos'è un diodo a giunzione P-N?

Un diodo a giunzione P-N è un pezzo di silicio che ha due terminali. Uno dei terminali è drogato con materiale di tipo P e l'altro con materiale di tipo N. La giunzione P-N è l'elemento base per i diodi semiconduttori. Un diodo semiconduttore facilita il flusso degli elettroni completamente in una sola direzione, che è la funzione principale del diodo semiconduttore. Può essere utilizzato anche come raddrizzatore.




Giunzione P-N

Giunzione P-N

Teoria del diodo a giunzione PN

Esistono due aree operative: tipo P e tipo N. E in base alla tensione applicata, ci sono tre possibili condizioni di 'polarizzazione' per il diodo di giunzione P-N, che sono le seguenti:



Zero Bias - Nessuna tensione esterna viene applicata al diodo di giunzione PN.
Bias in avanti - Il potenziale di tensione è collegato positivamente al terminale di tipo P e negativamente al terminale di tipo N del diodo.
Polarizzazione inversa - Il potenziale di tensione è collegato negativamente al terminale di tipo P e positivamente al terminale di tipo N del diodo.

Condizione di polarizzazione zero

In questo caso, nessuna tensione esterna viene applicata al diodo a giunzione P-N e quindi gli elettroni si diffondono sul lato P e simultaneamente i fori si diffondono verso il lato N attraverso la giunzione, quindi si combinano tra loro. A causa di ciò un campo elettrico viene generato da questi portatori di carica. Il campo elettrico si oppone all'ulteriore diffusione di portatori carichi in modo che non vi sia movimento nella regione centrale. Questa regione è nota come larghezza di esaurimento o carica spaziale.

Condizione imparziale

Condizione imparziale

Bias in avanti

Nella condizione di polarizzazione diretta, il terminale negativo della batteria è collegato al materiale di tipo N e il terminale positivo di la batteria è collegato al materiale P-Type. Questa connessione è anche chiamata come fornire una tensione positiva. Gli elettroni della regione N attraversano la giunzione ed entrano nella regione P. A causa della forza di attrazione generata nella regione P, gli elettroni vengono attratti e si muovono verso il terminale positivo. Contemporaneamente i fori vengono attratti dal terminale negativo della batteria. Dal movimento di elettroni e buchi flussi di corrente. In questa condizione, l'ampiezza della regione di svuotamento diminuisce a causa della riduzione del numero di ioni positivi e negativi.


Condizione di polarizzazione in avanti

Condizione di polarizzazione in avanti

Caratteristiche V-I

Fornendo una tensione positiva, gli elettroni ricevono energia sufficiente per superare la potenziale barriera (strato di esaurimento) e attraversare la giunzione e la stessa cosa accade anche con i buchi. La quantità di energia richiesta dagli elettroni e dai buchi per attraversare la giunzione è pari al potenziale di barriera 0,3 V per Ge e 0,7 V per Si, 1,2 V per GaAs. Questo è anche noto come caduta di tensione. La caduta di tensione attraverso il diodo si verifica a causa della resistenza interna. Questo può essere osservato nel grafico sottostante.

Polarizzazione in avanti V-I Characheristics

Caratteristiche V-I del bias in avanti

Polarizzazione inversa

Nella condizione di polarizzazione diretta, il terminale negativo della batteria è collegato al materiale di tipo N e il terminale positivo della batteria è collegato al materiale di tipo P. Questa connessione è anche nota come fornire tensione positiva. Quindi, il campo elettrico dovuto sia allo strato di tensione che a quello di esaurimento è nella stessa direzione. Questo rende il campo elettrico più forte di prima. A causa di questo forte campo elettrico, gli elettroni e le lacune vogliono che più energia attraversi la giunzione in modo che non possano diffondersi nella regione opposta. Quindi, non c'è flusso di corrente a causa della mancanza di movimento di elettroni e lacune.

Livello di esaurimento in condizione di polarizzazione inversa

Livello di esaurimento in condizione di polarizzazione inversa

Gli elettroni del semiconduttore di tipo N sono attratti verso il terminale positivo e i fori dal semiconduttore di tipo P sono attratti dal terminale negativo. Ciò porta alla riduzione del numero di elettroni nel tipo N e dei buchi nel tipo P. Inoltre, gli ioni positivi vengono creati nella regione di tipo N e gli ioni negativi vengono creati nella regione di tipo P.

Schema del circuito per la polarizzazione inversa

Schema del circuito per la polarizzazione inversa

Pertanto, la larghezza dello strato di esaurimento viene aumentata a causa del numero crescente di ioni positivi e negativi.

Caratteristiche V-I

A causa dell'energia termica nei vettori di minoranza di cristallo vengono prodotti. I portatori di minoranza indicano un buco nel materiale di tipo N e gli elettroni nel materiale di tipo P. Questi portatori di minoranza sono gli elettroni e le lacune spinti verso la giunzione P-N rispettivamente dal terminale negativo e dal terminale positivo. A causa del movimento dei portatori di minoranza, scorre pochissima corrente, che è nell'intervallo nano Ampere (per il silicio). Questa corrente è chiamata corrente di saturazione inversa. Saturazione significa che, dopo aver raggiunto il suo valore massimo, si raggiunge uno stato stazionario in cui il valore della corrente rimane lo stesso all'aumentare della tensione.

L'entità della corrente inversa è dell'ordine dei nano ampere per i dispositivi al silicio. Quando la tensione inversa viene aumentata oltre il limite, la corrente inversa aumenta drasticamente. Questa particolare tensione che causa il drastico cambiamento della corrente inversa è chiamata tensione di rottura inversa. La rottura del diodo avviene tramite due meccanismi: rottura della valanga e rottura dello Zener.

I = IS [exp (qV / kT) -1]
K - Boltzmann Constant
T - Temperatura di giunzione (K)
(kT / q) Temperatura ambiente = 0,026 V.

Di solito IS è una corrente molto piccola approssimativamente in 10-17 …… 10-13A

Pertanto, può essere scritto come

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

Grafico delle caratteristiche V-I per la polarizzazione inversa

Grafico delle caratteristiche V-I per la polarizzazione inversa

Applicazioni del diodo a giunzione PN

Il diodo a giunzione P-N ha molte applicazioni.

  • Il diodo a giunzione P-N nella configurazione a polarizzazione inversa è sensibile alla luce in un intervallo compreso tra 400 nm e 1000 nm, inclusa la luce VISIBILE. Pertanto, può essere utilizzato come fotodiodo.
  • Può anche essere utilizzato come cella solare.
  • La condizione di polarizzazione diretta della giunzione P-N viene utilizzata in tutti Applicazioni di illuminazione a LED .
  • La tensione attraverso la giunzione P-N polarizzata viene utilizzata per creare Sensori di temperatura e tensioni di riferimento.
  • È utilizzato in molti circuiti ' raddrizzatori , varactors per oscillatori controllati in tensione .

Caratteristiche V-I del diodo a giunzione P-N

Caratteristiche V-I del diodo a giunzione P-N

Caratteristiche V-I del diodo a giunzione P-N

Il grafico verrà modificato per diverso materiali semiconduttori utilizzato nella costruzione di un diodo a giunzione P-N. Il diagramma seguente mostra le modifiche.

Confronto con silicio, germanio e gallio Arsinide

Confronto con arseniuro di silicio, germanio e gallio

Si tratta di Teoria del diodo a giunzione P-N , principio di funzionamento e sue applicazioni. Riteniamo che le informazioni fornite in questo articolo siano utili per una migliore comprensione di questo concetto. Inoltre, per qualsiasi domanda riguardante questo articolo o qualsiasi aiuto nell'implementazione progetti elettrici ed elettronici, puoi avvicinarci commentando nella sezione commenti qui sotto. Ecco una domanda per te: qual è l'applicazione principale del diodo a giunzione P-N?

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