PN-Übergangstheorie für Halbleiterdioden

Halbleiterbauelemente sind Bauelemente, die eine höhere Leitfähigkeit als Isolatoren und eine geringere Leitfähigkeit als Leiter aufweisen. Sie werden hauptsächlich unterteilt in intrinsisch Und extrinsisch Halbleiter. Störstellenhalbleiter werden anschließend unterteilt in N-Typ Und P-Typ Halbleiter. Diese Halbleitermaterialien vom N-Typ und P-Typ werden kombiniert, um Halbleiterdioden mit PN-Übergang herzustellen.

P-Typ-Halbleiter

P-Typ-Halbleiter sind Elemente einer Gruppe wie Silizium (Si) oder Germanium (Ge), die mit Elementen der Gruppe dotiert sind die bekannt sind als dreiwertig Verunreinigungen wie Bor (B) oder Aluminium (Al). Mit anderen Worten können wir sagen, dass reinen Halbleitern eine Verunreinigung hinzugefügt wird, um P-Typ-Halbleiter herzustellen. Sie haben ein zusätzliches Loch oder eine positive Ladung, weil die äußerste Schale ein ungepaartes Elektron hat.

N-Typ-Halbleiter

N-Typ-Halbleiter sind Elemente einer Gruppe wie Silizium (Si) oder Germanium (Ge), die mit Elementen der Gruppe dotiert sind auch bekannt als fünfwertig Verunreinigungen wie Phosphor (P) oder Antimon (Sb). Diese Art von Halbleiter hat ein zusätzliches Elektron oder eine negative Ladung, da die äußerste Umlaufbahn von Silizium oder Germanium ein zusätzliches Elektron erhält, wenn es mit der Gruppe dotiert ist Elemente.

Aufbau einer PN-Übergangsdiode

Wenn ein P-Typ- und ein N-Typ-Halbleitermaterial kombiniert werden, entsteht zwischen ihnen eine Verbindung, die als PN-Übergang. Während der Bildung eines PN-Übergangs versuchen Elektronen aus N-Typ-Material, in Richtung der Löcher im P-Typ-Material zu driften, und Löcher aus P-Typ-Material bewegen sich in Richtung der Elektronen im N-Typ-Material. Dies führt zur Bildung eines Verarmungsbereich zwischen P-Typ- und N-Typ-Material, das als potenzielle Barriere für den Stromfluss fungiert.

Somit wird der PN-Übergang zu einem Halbleiterbauelement mit zwei Anschlüssen, das entweder den Stromfluss zulässt oder blockiert. P-Typ Material, Löcher sind die Mehrheit von Ladungsträgern und in N-Typ Material, freie Elektronen sind die Mehrheit von Ladungsträgern.

Vorwärtsvorspannungszustand der PN-Übergangsdiode

Im vorwärts vorgespannten Zustand einer PN-Übergangsdiode verhält sie sich wie ein Leiter und lässt Strom durchfließen. Die Verbindungen werden so hergestellt, dass der Pluspol der Batterie mit dem P-Typ-Material und das N-Typ-Material mit dem Minuspol der Batterie integriert ist.

Die angelegte Spannung muss größer sein als die Potentialbarriere der Diode. Beispielsweise hat die Si-Diode eine Potentialbarriere von 0,7 V und die Germaniumdiode hat eine Potentialbarriere von 0,3 VWenn an den PN-Übergang eine Durchlassspannung angelegt wird, ist das elektrische Feld der Verarmungszone dem von der Batterie angelegten elektrischen Feld entgegengesetzt.

Wenn sich beide elektrischen Felder addieren, ist das resultierende elektrische Feld kleiner als beide. Somit wird dem Stromfluss der geringste Widerstand entgegengesetzt und die Diode leitet den Strom.

Sperrvorspannungszustand der PN-Übergangsdiode

Im Sperrzustand der PN-Übergangsdiode verhält sie sich wie ein Isolator und lässt keinen Strom durch. Die Verbindungen sind so ausgeführt, dass der Pluspol der Batterie mit N-Typ-Material und das P-Typ-Material mit dem Minuspol der Batterie integriert ist.

Wenn an den PN-Übergang eine Sperrspannung angelegt wird, weist das elektrische Feld der Verarmungszone die gleiche Richtung auf wie das von der Batterie angelegte elektrische Feld.

Wenn sich beide elektrischen Felder addieren, ist das resultierende elektrische Feld größer als beide und es bildet sich eine sehr dicke Verarmungszone. Somit wird dem Stromfluss ein großer Widerstand entgegengesetzt und die Diode leitet keinen Strom. Wenn die Sperrspannung sehr groß ist, kann dies dazu führen, dass die Diode im Sperrzustand durchschlägt und auf unbestimmte Zeit leitet.

IV-Kennlinien für Halbleiterdioden

Die IV-Kennlinien von Halbleiterdioden erklären die Ströme und Spannungen von PN-Übergängen in Vorwärts- und Rückwärtsspannung. Im IV-Kennliniendiagramm Stromspannung wird entlang der x-Achse Und aktuell wird entlang der y-Achse.

Wie die Grafik unten zeigt, in einem Vorwärtsspannung Wenn Spannung an den PN-Übergang angelegt wird, beginnt die Diode langsam zu leiten. Nach einiger Zeit, wenn die Diode die Potentialbarriere vollständig überwunden hat, beginnt sie vollständig zu leiten. Zu diesem Zeitpunkt steigt der Strom durch die Diode bei derselben angelegten Spannung schnell an.

Doch in Sperrspannungsbedingungen, Wenn eine Sperrspannung an den PN-Übergang angelegt wird, leitet dieser keinen Strom. Aufgrund der in P-Typ- und N-Typ-Material vorhandenen Minoritätsladungsträger fließt jedoch ein kleiner Sperrleckstrom. Dieser Strom fließt, weil Löcher von der negativen Seite und Elektronen von der positiven Seite der Batterie angezogen werden. Diese Minoritätsladungsträger streichen über die Verarmungszone und verursachen einen Sperrleckstrom.

Rückwärtsdurchbruchspannung

Im umgekehrten Fall, wenn die angelegte Sperrspannung so groß ist, dass sie die dicke Verarmungszone überwindet, führt dies dazu, dass die Diode abbauen. In diesem Zustand werden Stromstöße durch die Diode beobachtet und sie beginnt zu leiten. Die Spannung, ab der eine Diode durchbricht, wird als Die Spannung unterbrechen.

Anwendungen der PN-Übergangsdiode

Dioden sind die Grundbausteine ​​der modernen Elektronik. PN-Übergangsdioden werden hauptsächlich als Leuchtdioden (LEDs) und Fotodioden verwendet. Darüber hinaus werden sie auch in Solarzellen, Gleichrichtern, Begrenzern, Klemmern, Logikgattern, Steuerschaltungen und spannungsgesteuerten Oszillatoren verwendet.

Abschluss

PN-Übergangshalbleiterdioden sind einfache Geräte, die durch die Kombination von P-Typ- und N-Typ-Materialien hergestellt werden. Diese Materialien werden durch Dotierung von drei- oder fünfwertigen Elementen der Gruppen Ⅲ und Ⅴ in reinen Halbleitern erzeugt. Dioden können sich sowohl als Leiter als auch als Isolatoren in Vorwärts- bzw. Rückwärtsspannung verhalten. Sie haben auch eine Reihe von Anwendungen im Bereich der modernen Elektronik.

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