Lớp tiếp giáp p-n có điện trở lớn khi nào

Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ tìm hiểu về Điốt nối PN và đặc biệt là các đặc điểm và hoạt động của Điốt nối PN. Sự hiểu biết này sẽ đặt nền tảng tốt hơn để khám phá sâu hơn các khía cạnh khác nhau của điện tử bán dẫn. Điểm nối DiodePN Điốt đặc điểm lý tưởng và thực tế Sơ lược Giới thiệu Điểm nối PN là một khối xây dựng quan trọng và nó là một trong những cấu trúc không thể thiếu được cung cấp bởi công nghệ bán dẫn trong điện tử. Các thành phần điện tử như bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực, FET và MOSFET tiếp giáp, hoặc điốt như điốt phát quang [LED] và mạch tích hợp tương tự hoặc kỹ thuật số [IC] đều được hỗ trợ trong công nghệ bán dẫn. Đặc tính thú vị của điốt bán dẫn là tạo điều kiện cho các điện tử di chuyển độc quyền theo một hướng trên nó; kết quả là nó hoạt động như một bộ chỉnh lưu của dòng điện xoay chiều. Hoạt động không thể thiếu trong diode bán dẫn là cơ sở để hiểu về tất cả các diode bán dẫn. Diode có thể được coi là một linh kiện bán dẫn lưỡng cực đơn giản. Các đặc tính của diode giống như một đồ thị của dòng điện mà một diode tạo ra khi điện áp đặt vào nó. Một diode hoàn hảo có thể được phân biệt tuyệt đối bằng đường cong dòng điện và điện áp của nó. Nó cho phép dòng điện chỉ chạy theo hướng thuận và chặn dòng điện theo hướng ngược lại một cách hiệu quả. Điều quan trọng là phải nhận ra rằng chất bán dẫn hoàn toàn là một vật liệu đơn tinh thể, được làm từ hai khối bán dẫn đối diện riêng biệt. khối liền kề được pha tạp với các nguyên tử tạp chất ngũ bội để tạo ra vùng N hoạt động như các chất cho electron là hạt mang điện tích đa số. Ranh giới tách vùng n và vùng p được gọi là đường giao nhau siêu hình. Nồng độ doping là như nhau ở mọi khối và sẽ có sự thay đổi đột ngột về doping ở điểm giao nhau. Khi đặt hai khối gần nhau hơn, các điện tử và lỗ trống khuếch tán về vùng có nồng độ thấp hơn từ vùng có nồng độ cao hơn. về phía N vùng. Khi các lỗ đi vào vùng N, chúng sẽ tái kết hợp với các nguyên tử của nhà tài trợ. Đồng thời, các nguyên tử cho nhận thêm các lỗ trống và trở thành các nguyên tử cho đứng yên mang điện tích dương. Các electron lan truyền từ vùng N sang vùng P sẽ tái kết hợp với các nguyên tử chất nhận trong vùng P. Đồng thời, nguyên tử chất nhận thừa nhận thêm các điện tử và trở thành nguyên tử chất nhận bất động mang điện tích âm. Kết quả là, một số lượng lớn các ion mang điện tích dương được tạo ra ở điểm tiếp giáp ở phía N và một số lượng lớn các ion mang điện tích âm được tạo ra ở điểm tiếp giáp ở phía P. tạo ra một điện trường trong vùng không gian gần ngã ba siêu hình. Việc hợp nhất hai vùng này ở bất kỳ nơi nào điện trường nhỏ và ở bất kỳ nơi nào có mật độ hạt tải điện tự do tương đương với mật độ pha tạp thực có thể được đặt tên là vùng điện tích không gian. Nó cũng có thể được gọi là vùng gần như trung tính. Về cơ bản, tất cả các electron và lỗ trống đều bị điện trường quét ra khỏi vùng điện tích tự do. Vùng giảm dần nơi diễn ra sự cạn kiệt của các nhà cung cấp dịch vụ di động miễn phí được gọi là Vùng cạn kiệt, giả định rằng vùng cạn kiệt xung quanh điểm nối luyện kim có các cạnh được xác định rõ ràng. Nó giả định một cách rõ ràng rằng sự chuyển đổi giữa vùng cạn kiệt và vùng điện tích không gian tự do là đột ngột. Vùng cạn kiệt chứa các ion dương đặt trước ở phía N và các ion âm đặt trước ở phía P. Chiều rộng của lớp suy giảm tỷ lệ nghịch với nồng độ chất pha tạp có trong mỗi vùng. Lực đối nghịch này thường có thể được coi là điện thế rào cản tiềm năng. Giá trị điển hình của rào cản tiềm năng đối với silic là 0.72V và đối với gecmani là 0.3V. Khi điện trường và thế năng cân bằng với nhau, thì trạng thái cân bằng sẽ đạt được kết quả là hiệu điện thế Vo nối hai bên của lớp suy giảm. Chênh lệch thế năng tiếp xúc thực phụ thuộc vào loại vật liệu và nó cao đối với loại n so với loại p. Các dải năng lượng bị uốn cong trong vùng điện tích không gian tự do, vì vị trí vùng dẫn và vùng hóa trị đối với mức năng lượng Fermi thay đổi giữa các vùng P và N. Không có sự dẫn truyền của dòng điện diễn ra ở trạng thái cân bằng này và dòng điện do khuếch tán và dòng trôi hủy bỏ đối với cả các điện tử và lỗ trống. Khả năng rào cản tích hợp duy trì sự cân bằng giữa các sóng mang điện tích đa số trong vùng N và các sóng mang điện tích thiểu số trong vùng P cũng như giữa các sóng mang điện tích đa số trong vùng P và các sóng mang điện tích thiểu số trong vùng N. Rào cản tiềm năng tích hợp cũng có thể được ước tính như sự phân biệt giữa các mức năng lượng Fermi nội tại trong các vùng P và N. tụ điện và trong quang điện tử như một điốt quang, điốt phát sáng [LED], điốt laze, máy dò ảnh hoặc pin mặt trời trong thiết bị điện tử. Hoạt động của Điốt nối PN Nếu một điện thế bên ngoài được đặt vào các đầu nối của điểm nối PN, nó sẽ làm thay đổi điện thế giữa vùng P và N. Sự khác biệt về điện thế này có thể làm thay đổi dòng chảy của phần lớn các hạt tải điện, do đó tiếp giáp PN có thể được sử dụng như một cơ hội cho sự khuếch tán của các điện tử và lỗ trống. Nếu điện áp đặt làm giảm chiều rộng của lớp suy giảm, thì diode được giả định là phân cực thuận và nếu điện áp đặt làm tăng chiều rộng lớp suy giảm thì diode được giả định là phân cực ngược. Nếu chiều rộng của lớp suy giảm không thay đổi thì nó ở trạng thái phân cực bằng không. Được áp dụng. Điốt tiếp giáp N khi không có điện áp bên ngoài. Nếu các đầu nối của diode tiếp giáp bị ngắn mạch, một số hạt mang điện tích đa số [lỗ trống] ở mặt P có đủ năng lượng để vượt qua rào cản tiềm năng di chuyển qua vùng cạn kiệt. Do đó, với sự trợ giúp của các lỗ, dòng điện bắt đầu chạy trong diode và nó được gọi là dòng chuyển tiếp. Theo cách tương tự, các lỗ trống ở phía N di chuyển qua vùng suy giảm theo hướng ngược lại và dòng điện được tạo ra theo kiểu này được gọi là dòng điện ngược. để trôi qua ngã ba PN. Kết quả là trạng thái cân bằng được thiết lập khi các hạt mang điện tích đa số có nồng độ bằng nhau ở hai bên của đường giao nhau và khi các hạt mang điện tích thiểu số chuyển động ngược chiều nhau. Một dòng điện bằng không chạy trong mạch và đường giao nhau được cho là ở trạng thái cân bằng động. Bằng cách tăng nhiệt độ của chất bán dẫn, các hạt tải điện thiểu số liên tục được tạo ra và do đó dòng điện rò rỉ bắt đầu tăng lên. Nói chung, không có sự dẫn truyền dòng điện nào xảy ra bởi vì không có nguồn bên ngoài nào được kết nối với điểm nối PN. đến phía P và cực âm được kết nối với phía N thì diode tiếp giáp được cho là được kết nối trong điều kiện phân cực thuận. Xu hướng chuyển tiếp làm giảm tiềm năng qua đường giao nhau PN. Các hạt mang điện tích đa số trong các vùng N và P bị hút về phía tiếp giáp PN và chiều rộng của lớp suy giảm sẽ giảm khi sự khuếch tán của các hạt mang điện tích đa số. Xu hướng bên ngoài gây ra sự rời khỏi trạng thái cân bằng và làm lệch mức Fermi trong các vùng P và N, cũng như trong lớp suy giảm. Vì vậy, một điện trường được tạo ra theo hướng ngược với hướng của trường hợp nhất. Sự hiện diện của hai mức Fermi khác nhau trong lớp suy giảm thể hiện trạng thái gần như cân bằng. Lượng điện tích Q được lưu trữ trong diode tỷ lệ với dòng điện I chạy trong diode. Với sự gia tăng phân cực thuận lớn hơn tiềm năng được xây dựng, ở một giá trị cụ thể, vùng suy giảm trở nên mỏng hơn rất nhiều để một số lượng lớn hạt mang điện đa số có thể vượt qua đường giao nhau PN và dẫn dòng điện. Dòng điện chạy lên đến điện thế tích hợp được gọi là dòng điện KHÔNG hoặc dòng điện KNEE. điểm KNEE của đường đặc tính IV thuận. Thứ nhất, một lượng nhỏ dòng điện được gọi là dòng bão hòa ngược tồn tại do sự hiện diện của điện thế tiếp xúc và điện trường liên quan. Trong khi các điện tử và lỗ trống đang tự do băng qua đường giao nhau và gây ra dòng khuếch tán chạy theo hướng ngược lại với dòng bão hòa ngược. Kết quả thực tế của việc áp dụng phân cực thuận là làm giảm chiều cao của hàng rào điện thế một lượng eV. Dòng điện mang phần lớn trong diode tiếp giáp PN tăng theo hệ số mũ eV / kT. Kết quả là tổng lượng dòng điện trở thành I = Is * exp [eV / kT], trong đó Is là hằng số. Các lỗ trống mang điện tích đa số tự do dư thừa và các điện tử đi vào vùng N và P tương ứng, đóng vai trò là hạt tải điện thiểu số và tái kết hợp với hạt tải điện đa số cục bộ trong vùng N và P. Do đó, nồng độ này giảm theo khoảng cách từ điểm nối PN và quá trình này được đặt tên là tiêm hạt tải điện thiểu số. Loại đặc tính thuận này cho thấy rằng điện trở là không đổi trong quá trình hoạt động của điểm nối PN. Độ dốc của đặc tính thuận của điốt tiếp giáp PN sẽ trở nên rất dốc nhanh chóng. Điều này cho thấy rằng điện trở rất thấp trong phân cực thuận của diode đường giao nhau. Giá trị của dòng điện thuận tỷ lệ thuận với nguồn điện bên ngoài và tỷ lệ nghịch với điện trở bên trong của diode đường giao nhau. dòng điện được gọi là dòng điện vô hạn. Lượng lớn dòng điện này bắt đầu chạy trên điểm KNEE trong đặc tính thuận với việc áp dụng một lượng nhỏ điện thế bên ngoài. Sự khác biệt tiềm năng trên đường giao nhau hoặc tại hai vùng N và P được duy trì không đổi bởi tác động của lớp suy giảm. Lượng dòng điện tối đa được giữ giới hạn bởi điện trở tải, bởi vì khi diode dẫn dòng điện nhiều hơn thông số kỹ thuật thông thường của diode, dòng điện vượt quá dẫn đến tản nhiệt và cũng dẫn đến hư hỏng nặng của thiết bị. Điốt nối PN phân cực ngược Khi đầu cực dương của nguồn được kết nối với phía N và đầu cực âm được kết nối với phía P, thì diode tiếp giáp được cho là được kết nối trong điều kiện phân cực ngược. Trong kiểu kết nối này, phần lớn các sóng mang điện tích được hút ra khỏi lớp cạn kiệt bởi các cực pin tương ứng của chúng được kết nối với điểm nối PN. Mức Fermi ở phía N thấp hơn mức Fermi ở phía P. Đầu cực dương hút các điện tử ra khỏi đường giao nhau ở phía N và đầu cực âm hút các lỗ trống ra khỏi đường giao nhau ở phía P. Kết quả của nó, chiều rộng của rào cản tiềm năng tăng lên cản trở dòng chảy của phần lớn sóng mang ở phía N và phía P. Chiều rộng của lớp điện tích không gian tự do tăng lên, do đó điện trường tại điểm nối PN tăng và diode tiếp giáp PN hoạt động như một điện trở. Nhưng thời gian diode hoạt động như một điện trở rất thấp. Sẽ không có sự tái tổ hợp các hạt tải điện đa số diễn ra tại điểm nối PN; do đó, không có sự dẫn của dòng điện. Dòng điện chạy trong điốt tiếp giáp PN là dòng điện rò nhỏ, do hạt tải điện thiểu số được tạo ra ở lớp suy giảm hoặc hạt tải điện thiểu số trôi qua điểm tiếp giáp PN. Cuối cùng, kết quả là sự phát triển về chiều rộng của lớp suy giảm tạo ra một đường trở kháng cao hoạt động như một chất cách điện. Tuy nhiên, dòng điện rò do các hạt tải điện thiểu số chạy trong điốt tiếp giáp PN có thể được đo bằng micro ampe. Khi điện thế phân cực ngược đối với diode tiếp giáp PN tăng lên cuối cùng dẫn đến đánh thủng điện áp ngược tiếp giáp PN và dòng điện điốt được điều khiển bởi mạch bên ngoài. Sự phá vỡ ngược phụ thuộc vào mức độ pha tạp của vùng P và N. Với sự gia tăng phân cực ngược hơn nữa, diode tiếp giáp PN trở nên ngắn mạch do mạch quá nóng và dòng điện mạch cực đại chạy trong diode tiếp giáp PN. , từ góc phần tư đầu tiên trong hình vẽ, dòng điện trong phân cực thuận là cực kỳ thấp nếu điện áp đầu vào đặt vào diode thấp hơn điện áp ngưỡng [Vr]. Điện áp ngưỡng còn được gọi là điện áp cắt. Khi điện áp đầu vào phân cực thuận vượt qua điện áp cắt [0.3 V đối với diode germani, 0.6-0.7 V đối với diode silicon], dòng điện tăng lên một cách ngoạn mục, kết quả là diode hoạt động như ngắn mạch. diode được hiển thị trong góc phần tư thứ tư của hình trên. Dòng điện trong phân cực ngược thấp cho đến khi đạt được sự cố và do đó diode trông giống như mạch hở. Khi điện áp đầu vào phân cực ngược đã đạt đến điện áp đánh thủng, dòng điện ngược sẽ tăng lên một cách ngoạn mục. Các dòng điện tử và lỗ trống riêng lẻ là các hàm liên tục và không đổi trong suốt diode tiếp giáp. Các đặc tính thực của PN Điốt tiếp giáp thay đổi theo điện thế bên ngoài được áp dụng vào điểm nối làm thay đổi các đặc tính của điốt tiếp giáp. Điốt tiếp giáp hoạt động như ngắn mạch trong phân cực thuận và hoạt động như mạch hở trong phân cực ngược. trong chất bán dẫn chuyển động tự do trong thiết bị nên chúng được gọi là hạt mang điện tích di động, hạt là hạt mang điện dương và electron là hạt mang điện âm, hạt tải điện có nhiệm vụ dẫn dòng điện. Chất bán dẫn có hai loại là chất bán dẫn nội và ngoại Chất bán dẫn bên trong là chất bán dẫn tinh khiết nhất vì chúng không có bất kỳ tạp chất nào trong đó, chất bán dẫn bên trong chứa các tạp chất được gọi là chất pha tạp làm thay đổi tính chất điện của chất bán dẫn. Chúng là tạp chất loại N và loại P. Được gọi là tạp chất cho bởi vì chúng chứa các electron là hạt tải điện đa số. Tạp chất loại được gọi là chất nhận vì chúng chứa các lỗ trống là hạt mang điện tích lớn. đơn tinh thể bằng cách nối hai chất bán dẫn loại N và loại P. Điốt tiếp giáp N là một thiết bị hai đầu cuối, các đặc tính của điốt phụ thuộc vào cực của điện thế bên ngoài đặt vào điốt tiếp giáp PN. Điểm tiếp giáp của bán dẫn N và P là miễn phí vận chuyển; do đó vùng này được gọi là vùng suy giảm Chiều rộng của vùng suy giảm thay đổi theo điện thế áp dụng bên ngoài. Khi không có điện thế bên ngoài nào được áp dụng cho điểm nối PN, điều kiện được gọi là sai lệch XNUMX. Điện thế tiếp giáp đối với điốt silicon là 0.6V - 0.7V và đối với điốt germani là 0.3V.Khi điểm tiếp giáp được phân cực theo hướng thuận, phần lớn các hạt tải điện bị hút về phía điểm giao nhau và được bổ sung tại điểm tiếp giáp. Trong điều kiện này, chiều rộng của vùng suy giảm giảm và với sự gia tăng của điện thế bên ngoài điốt hoạt động như ngắn mạch cho phép lượng dòng điện tối đa chạy qua nó. bị thu hút bởi các thiết bị đầu cuối tương ứng cách xa điểm tiếp giáp PN, do đó tránh được sự khuếch tán của các điện tử và lỗ trống tại điểm tiếp giáp. Sẽ có một lượng nhỏ dòng điện được gọi là dòng điện rò rỉ do các hạt tải điện thiểu số tại điểm nối. Dòng điện nhỏ này được gọi là dòng điện trôi. Khi điện thế phân cực ngược tăng lên nữa, diode hoạt động như mạch hở, do đó chặn dòng điện chạy qua nó. Shockley Diode: Diode tín hiệu là gì?

Để lại lời nhắn

Danh sách tin nhắn