ZU PN-Sperrschichtdiode wird durch Dotieren einer Seite eines Siliziumstücks mit einem Dotierstoff vom P-Typ (Boran) und der anderen Seite mit einem Dotierstoff vom N-Typ (Phosphor) gebildet. Ge kann anstelle von Silizium verwendet werden. Die PN-Sperrschichtdiode ist ein Gerät mit zwei Anschlüssen. Dies ist der Grundaufbau der PN-Sperrschichtdiode. Es ist eines der einfachsten Halbleiterbauelemente, da Strom nur in eine Richtung fließen kann. Die Diode verhält sich in Bezug auf die angelegte Spannung nicht linear und hat eine exponentielle V-I-Beziehung.

Was ist eine PN-Sperrschichtdiode?

Eine PN-Sperrschichtdiode ist ein Stück Silizium mit zwei Anschlüssen. Einer der Anschlüsse ist mit Material vom P-Typ und der andere mit Material vom N-Typ dotiert. Der PN-Übergang ist das Grundelement für Halbleiterdioden. Eine Halbleiterdiode erleichtert den Elektronenfluss vollständig nur in eine Richtung - was die Hauptfunktion der Halbleiterdiode ist. Es kann auch als Gleichrichter verwendet werden.

P-N-Kreuzung

Theorie der PN-Sperrschichtdioden

Es gibt zwei Betriebsbereiche: P-Typ und N-Typ. Und basierend auf der angelegten Spannung gibt es drei mögliche Vorspannungsbedingungen für die PN-Sperrschichtdiode:

Null Vorspannung - An die PN-Sperrschichtdiode wird keine externe Spannung angelegt.
Forward Bias - Das Spannungspotential ist positiv an den P-Typ-Anschluss und negativ an den N-Typ-Anschluss der Diode angeschlossen.
Reverse Bias - Das Spannungspotential ist negativ an den P-Typ-Anschluss und positiv an den N-Typ-Anschluss der Diode angeschlossen.

Null vorgespannter Zustand

In diesem Fall wird keine externe Spannung an die PN-Sperrschichtdiode angelegt, und daher diffundieren die Elektronen zur P-Seite und gleichzeitig diffundieren Löcher zur N-Seite durch den Übergang und verbinden sich dann miteinander. Aufgrund dessen wird von diesen Ladungsträgern ein elektrisches Feld erzeugt. Das elektrische Feld wirkt einer weiteren Diffusion geladener Ladungsträger entgegen, so dass im mittleren Bereich keine Bewegung stattfindet. Dieser Bereich ist als Verarmungsbreite oder Raumladung bekannt.

Unvoreingenommener Zustand

Forward Bias

Im Vorwärtsvorspannungszustand ist der Minuspol der Batterie mit dem Material vom N-Typ und der Pluspol von verbunden die Batterie ist mit dem P-Typ-Material verbunden. Diese Verbindung wird auch als positive Spannung bezeichnet. Elektronen aus der N-Region kreuzen den Übergang und treten in die P-Region ein. Aufgrund der Anziehungskraft, die im P-Bereich erzeugt wird, werden die Elektronen angezogen und bewegen sich in Richtung des positiven Anschlusses. Gleichzeitig werden die Löcher vom Minuspol der Batterie angezogen. Durch die Bewegung von Elektronen und Löchern fließt Strom. In diesem Zustand nimmt die Breite des Verarmungsbereichs aufgrund der Verringerung der Anzahl positiver und negativer Ionen ab.

Vorwärtsvorspannungsbedingung

V-I Eigenschaften

Durch die Zufuhr einer positiven Spannung erhalten die Elektronen genug Energie, um die Potentialbarriere (Verarmungsschicht) zu überwinden und den Übergang zu überqueren, und dasselbe passiert auch mit den Löchern. Die Energiemenge, die die Elektronen und Löcher zum Überqueren des Übergangs benötigen, entspricht dem Barrierepotential von 0,3 V für Ge und 0,7 V für Si, 1,2 V für GaAs. Dies wird auch als Spannungsabfall bezeichnet. Der Spannungsabfall an der Diode tritt aufgrund des Innenwiderstands auf. Dies ist in der folgenden Grafik zu sehen.

Vorwärtsvorspannung V-I Eigenschaften

Reverse Bias

Im Vorwärtsvorspannungszustand ist der Minuspol der Batterie mit dem Material vom N-Typ verbunden und der Pluspol der Batterie ist mit dem Material vom P-Typ verbunden. Diese Verbindung wird auch als positive Spannung bezeichnet. Daher ist das elektrische Feld sowohl aufgrund der Spannungs- als auch der Verarmungsschicht in die gleiche Richtung. Dies macht das elektrische Feld stärker als zuvor. Aufgrund dieses starken elektrischen Feldes möchten Elektronen und Löcher, dass mehr Energie den Übergang durchquert, damit sie nicht in den entgegengesetzten Bereich diffundieren können. Daher gibt es keinen Stromfluss aufgrund der fehlenden Bewegung von Elektronen und Löchern.

Verarmungsschicht in umgekehrt vorgespanntem Zustand

Die Elektronen vom Halbleiter vom N-Typ werden zum positiven Anschluss und die Löcher vom Halbleiter vom P-Typ zum negativen Anschluss angezogen. Dies führt zu einer Verringerung der Anzahl der Elektronen im N-Typ und der Löcher im P-Typ. Zusätzlich werden positive Ionen im Bereich vom N-Typ und negative Ionen im Bereich vom P-Typ erzeugt.

Schaltplan für Sperrvorspannung

Daher wird die Verarmungsschichtbreite aufgrund der zunehmenden Anzahl positiver und negativer Ionen erhöht.

V-I Eigenschaften

Aufgrund der Wärmeenergie in Kristallen entstehen Minoritätsträger. Minoritätsträger bedeuten ein Loch in Material vom N-Typ und Elektronen in Material vom P-Typ. Diese Minoritätsträger sind die Elektronen und Löcher, die vom negativen bzw. positiven Anschluss in Richtung PN-Übergang gedrückt werden. Aufgrund der Bewegung von Minoritätsträgern fließt sehr wenig Strom, der im Nano-Ampere-Bereich (für Silizium) liegt. Dieser Strom wird als umgekehrter Sättigungsstrom bezeichnet. Sättigung bedeutet, dass nach Erreichen seines Maximalwerts ein stationärer Zustand erreicht wird, bei dem der Stromwert mit zunehmender Spannung gleich bleibt.

Die Größe des Rückstroms liegt in der Größenordnung von Nanoampere für Siliziumbauelemente. Wenn die Sperrspannung über den Grenzwert hinaus erhöht wird, steigt der Sperrstrom drastisch an. Diese spezielle Spannung, die die drastische Änderung des Rückstroms verursacht, wird als Rückwärtsdurchbruchspannung bezeichnet. Der Diodenausfall erfolgt durch zwei Mechanismen: Lawinendurchbruch und Zenerdurchbruch.

I = IS [exp (qV / kT) -1]
K - Boltzmann-Konstante
T - Sperrschichttemperatur (K)
(kT / q) Raumtemperatur = 0,026 V.

Normalerweise ist IS ein sehr kleiner Strom, ungefähr in 10-17 …… 10-13A

Daher kann es geschrieben werden als

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

V-I-Charakteristikdiagramm für die umgekehrte Vorspannung

Anwendungen der PN-Sperrschichtdiode

Die PN-Sperrschichtdiode hat viele Anwendungen.

Die PN-Sperrschichtdiode in der in Sperrrichtung vorgespannten Konfiguration ist lichtempfindlich in einem Bereich zwischen 400 nm und 1000 nm, einschließlich SICHTBAREM Licht. Daher kann es als Fotodiode verwendet werden.
Es kann auch als Solarzelle verwendet werden.
Die Vorwärtsvorspannungsbedingung des PN-Übergangs wird in allen verwendet LED-Beleuchtungsanwendungen .
Die Spannung über dem vorgespannten PN-Übergang wird zum Erzeugen verwendet Temperatursensoren und Referenzspannungen.
Es wird in vielen Schaltkreisen verwendet. “ Gleichrichter , Varaktoren für spannungsgesteuerte Oszillatoren .

V-I-Eigenschaften der PN-Sperrschichtdiode

Das Diagramm wird für verschiedene geändert Halbleitermaterialien wird beim Aufbau einer PN-Sperrschichtdiode verwendet. Das folgende Diagramm zeigt die Änderungen.

Vergleich mit Silizium, Germanium und Galliumarsinid

Vergleich mit Silizium, Germanium und Galliumarsenid

“Was ist kvl in Schaltungen? ”

Hier dreht sich alles um die Theorie der P-N-Sperrschichtdiode , Arbeitsprinzip und seine Anwendungen. Wir glauben, dass die Informationen in diesem Artikel für Sie hilfreich sind, um dieses Konzept besser zu verstehen. Darüber hinaus für Fragen zu diesem Artikel oder Hilfe bei der Implementierung Elektro- und Elektronikprojekte, Sie können sich an uns wenden, indem Sie im Kommentarbereich unten einen Kommentar abgeben. Hier ist eine Frage an Sie: Was ist die Hauptanwendung der PN-Sperrschichtdiode?

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