O diodă joncțiune PN este formată atunci când un semiconductor de tip p este fuzionat cu un semiconductor de tip n, creând o tensiune barieră de potențial pe joncțiunea diodei.

Efectul descris în tutorialul anterior este realizat fără ca o tensiune externă să fie aplicată pe joncțiunea PN reală, rezultând că joncțiunea este într-o stare de echilibru.

Dar, dacă am fi făcut conexiuni electrice la capetele materialelor de tip N și de tip P și apoi le-am conecta la o sursă baterie, acum ar exista o sursă suplimentară de energie pentru a depăși bariera de potențial.

Efectul adăugării acestei surse de energie suplimentare determină ca electronii liberi să poată traversa regiunea epuizată dintr-o parte în alta. Comportamentul joncțiunii PN cu privire la lățimea barierei de potențial produce un dispozitiv asimetric cu două terminale, mai bine cunoscut sub numele de dioda joncțiune PN.

O diodă joncțiune PN este unul dintre cele mai simple dispozitive semiconductoare din jur și care are caracteristica de trecere a curentului într-o singură direcție. Totuși, spre deosebire de un rezistor, o diodă nu se comportă liniar în raport cu tensiunea aplicată, deoarece dioda are o relație exponențială de curent-tensiune (I-V) și, prin urmare, nu putem descrie funcționarea sa pur și simplu folosind o ecuație cum ar fi legea lui Ohm.

Dacă se aplică o tensiune pozitivă potrivită (polarizare directă) între cele două extremități ale joncțiunii PN, aceasta poate furniza electroni liberi și goluri cu energie suplimentară necesară pentru a traversa joncțiunea, deoarece lățimea stratului de epuizare în jurul joncțiunii PN este scăzută.

Aplicând o tensiune negativă (polarizare inversă) rezultă că sarcinile libere sunt extrase din joncțiune, rezultând o creștere a lățimii stratului de epuizare. Acest lucru are ca efect creșterea sau scăderea rezistenței efective a joncțiunii în sine permițând sau blocând circulația curentului prin diodă.

Atunci, stratul de epuizare se lărgește cu o creștere a aplicării unei tensiuni inverse și se îngustează cu o creștere a aplicării unei tensiuni directe. Acest lucru se datorează diferențelor de proprietăți electrice de pe cele două părți ale joncțiunii PN, ceea ce are ca rezultat schimbări fizice. Unul dintre rezultate generează redresarea, așa cum se observă în caracteristicile statice I-V (curent-tensiune) ale diodelor joncțiune PN. Redresarea este arătată de un flux de curent asimetric atunci când polaritatea tensiunii de polarizare este modificată așa cum se arată mai jos.

Simbolul diodei joncțiune și caracteristicile statice I-V

Dar, înainte de a putea folosi joncțiunea PN ca dispozitiv practic sau ca un dispozitiv de redresare trebuie, în primul rând, să polarizăm joncțiunea, adică a conecta un potențial de tensiune peste ea. Pe axa de tensiune de mai sus, polarizarea inversă "Reverse Bias" se referă la un potențial extern de tensiune care mărește bariera de potențial. O tensiune externă care scade bariera de potențial se spune că acționează ca polarizare directă "Forward Bias".

Există două regiuni de operare și trei condiții posibile de polarizare "biasing" pentru dioda joncțiune standard și acestea sunt:

1. Zero Bias (nepolarizată) - Nu se aplică nici un potențial de tensiune externă la dioda joncțiune PN.

2. Polarizare inversă - potențialul de tensiune este conectat negativ, (-ve) la materialul tip P și pozitiv, (+ve) la materialul tip N pe diodă care are ca efect creșterea lățimii joncțiunii PN a diodei.

3. Polarizare directă - potențialul de tensiune este conectat pozitiv, (+ ve) la materialul tip P și negativ, (-ve) la materialul de tip N de-a lungul diodei care are efectul de reducere a lățimii joncțiunii PN a diodei.

Dioda joncțiune nepolarizată

Atunci când o diodă este conectată într-o stare nepolarizată, nu se aplică nici o energie potențială externă la joncțiunea PN. Totuși, în cazul în care terminalele diodelor sunt scurtcircuitate împreună, câteva goluri (purtători majoritari) din materialul tip P, cu o cantitate suficientă de energie pentru a depăși bariera de potențial, se vor deplasa prin joncțiune împotriva acestei bariere de potențial. Acesta este cunoscut sub numele de "Forward Current" - curent direct - și este referit ca IF.

De asemenea, golurile generate în materialul de tip N (purtători minoritari) găsesc această situație favorabilă și se deplasează prin joncțiune în direcția opusă. Acest lucru este cunoscut sub numele de “Reverse Current” - curent invers - și este referit ca IR. Acest transfer de electroni și goluri înainte și înapoi prin joncțiunea PN este cunoscut sub numele de difuzie, după cum se arată mai jos.

Dioda joncțiune PN nepolarizată

Bariera de potențial care există acum descurajează difuzarea altor purtători majoritari prin joncțiune. Cu toate acestea, bariera de potențial ajută purtătorii minoritari (câțiva electroni liberi în regiunea P și puține goluri din regiunea N) să se deplaseze peste joncțiune.

Atunci, se va stabili un "echilibru" când purtătorii majoritari sunt egali și ambii se mișcă în direcții opuse, astfel încât rezultatul net este zero curent care curge în circuit. Când se întâmplă acest lucru, joncțiunea se spune că se află într-o stare de "echilibru dinamic".

Purtătorii minoritari sunt generați în mod constant din cauza energiei termice, astfel încât această stare de echilibru poate fi întreruptă prin creșterea temperaturii joncțiunii PN, determinând o creștere a generării purtătorilor minoritari, rezultând o creștere a curentului de scăpări, dar un curent electric nu poate circula deoarece nu a fost conectat nici un circuit la joncțiunea PN.

Dioda joncțiune PN polarizată invers

Când o diodă este conectată într-o stare de polarizare inversă, se aplică o tensiune pozitivă materialului tip N și se aplică o tensiune negativă materialului tip P.

Tensiunea pozitivă aplicată materialului tip N atrage electroni spre electrodul pozitiv și departe de joncțiune, în timp ce golurile din capătul tip P sunt de asemenea atrase departe de joncțiune către electrodul negativ.

Rezultatul net este că stratul de epuizare crește din cauza lipsei de electroni și goluri și prezintă o cale de impedanță ridicată, aproape un izolator. Rezultatul este că se creează o barieră de potențial ridicat, împiedicând astfel circulația curentului prin materialul semiconductor.

Creșterea stratului de epuizare datorită polarității inverse

Această condiție reprezintă o valoare ridicată a rezistenței la joncțiunea PN și practic curentul zero trece prin dioda joncțiune cu o creștere a tensiunii de polarizare. Cu toate acestea, un curent de scăpări foarte mic curge prin joncțiune, care poate fi măsurat în micro-amperi, (μA).

Un punct final, dacă tensiunea de polarizare inversă Vr aplicată diodei este mărită la o valoare suficient de ridicată, va provoca supraîncălzirea și distrugerea joncțiunii PN a diodei datorită efectului de avalanșă din jurul joncțiunii. Acest lucru poate determina scurtcircuitarea diodei și va duce la curgerea curentului de circuit maxim, iar aceasta va fi prezentată ca o panta descendentă în jos în curba caracteristicilor statice inverse de mai jos.

Curba caracteristicii inverse pentru o diodă joncțiune

Uneori, acest efect de avalanșare are aplicații practice în circuitele de stabilizare a tensiunii, unde un rezistor serie de limitare este utilizat cu dioda pentru a limita acest curent de străpungere invers la o valoare maximă prestabilită, producând astfel o ieșire de tensiune fixă ​​pe diodă. Aceste tipuri de diode sunt cunoscute sub numele de diode Zener și sunt discutate într-un tutorial ulterior.

Dioda joncțiune PN polarizată direct

Atunci când o diodă este conectată într-o stare de polarizare directă, se aplică o tensiune negativă materialului tip N și o tensiune pozitivă materialului tip P. Dacă această tensiune externă devine mai mare decât valoarea barierei de potențial, aprox. 0,7 volți pentru siliciu și 0,3 volți pentru germaniu, opoziția barierei de potențial va fi depășită și curentul va începe să circule.

Acest lucru se datorează faptului că tensiunea negativă împinge sau respinge electronii spre joncțiune, oferindu-le energia să treacă și să se combine cu golurile care sunt împinse în direcția opusă spre joncțiune prin tensiunea pozitivă. Aceasta are ca rezultat curba caracteristică a curentului zero care circulă până la acest punct de tensiune, denumit "genunchi" pe curbele statice și de aici un curent ridicat circulă prin diodă, la o creștere mică a tensiunii externe, după cum se arată mai jos.

Curba caracteristicii directe pentru o diodă joncțiune

Aplicarea unei tensiuni de polarizare directă diodei joncțiune are ca rezultat faptul că stratul de epuizare devine foarte subțire și îngust, ceea ce reprezintă o cale de impedanță scăzută prin joncțiune, permițând astfel circulația unor curenți mari. Punctul de la care are loc această creștere bruscă a curentului este prezentat pe curba caracteristică statică I-V mai sus ca punct "genunchi".

Reducerea stratului de epuizare datorită polarității directe

Această condiție reprezintă cale de rezistență scăzută prin joncțiunea PN, permițând curenților foarte mari să circule prin diodă, cu numai o mică creștere a tensiunii de polarizare. Diferența de potențial prezentă pe joncțiune sau diodă este menținută constantă de acțiunea stratului de epuizare la aproximativ 0,3 V pentru germaniu și aproximativ 0,7 V pentru diodele joncțiune de siliciu.

Deoarece dioda poate conduce curent "infinit" deasupra acestui punct genunchi, devenind efectiv un scurtcircuit, sunt folosite rezistoare în serie cu dioda pentru a limita fluxul de curent. Depășirea specificației de curent direct maxim obligă dispozitivul să disipeze mai multă putere sub formă de căldură decât a fost proiectat, ceea ce duce la o defecțiune foarte rapidă a dispozitivului.

Dioda joncțiune Rezumat

Regiunea joncțiunii PN a unei diode joncțiune are următoarele caracteristici importante:

• Semiconductoarele conțin două tipuri de purtători mobili de sarcină, "goluri" și "electroni".

• Golurile sunt încărcate pozitiv în timp ce electronii sunt încărcați negativ.

• Un semiconductor poate fi dopat cu impurități donatoare, cum ar fi Antimoniu (dopaj tip N), astfel încât să conțină sarcini mobile care sunt în principal electroni.

• Un semiconductor poate fi dopat cu impurități acceptoare cum ar fi bor (dopaj tip P), astfel încât să conțină sarcini mobile care sunt în principal goluri.

• Regiunea joncțiunii însăși nu are purtători de sarcină și este cunoscută ca regiune de epuizare.

• Regiunea joncțiunii (epuizare) are o grosime fizică care variază în funcție de tensiunea aplicată.

• Atunci când o diodă este nepolarizată, nu se aplică o sursă de energie externă și se dezvoltă o barieră de potențial naturală pe un strat epuizat care este de aproximativ 0,5 până la 0,7 V pentru diodele cu siliciu și aproximativ 0,3 V pentru diodele cu germaniu.

• Atunci când o diodă joncțiune este polarizată direct, grosimea zonei de epuizare scade și dioda acționează ca un scurtcircuit care permite curgerea curentului maxim.

• Atunci când o diodă joncțiune este polarizată invers, grosimea zonei de epuizare crește, iar dioda acționează ca un circuit deschis care blochează orice flux de curent (doar un curent de scăpări foarte mic).

Am văzut mai sus că dioda este un dispozitiv cu două terminale, neliniar, a cărui caracteristică I-V este dependentă de polaritatea tensiunii aplicate VD, dioda fiind polarizată direct cu VD > 0 sau polarizată invers cu VD < 0. Oricum, putem modela aceste caracteristici de curent-tensiune atât pentru o diodă ideală, cât și pentru o diodă cu siliciu reală așa cum este arătat:

Caracteristici ideale și reale ale diodei joncțiune

În următorul tutorial despre diode, ne vom uita la dioda mică de semnal, denumită uneori diodă de comutare care este folosită în circuitele electronice generale. După cum sugerează și numele său, dioda de semnal este proiectată pentru aplicații de semnal de joasă tensiune sau înaltă frecvență, cum ar fi circuitele radio sau circuite digitale de comutare.

Diodele de semnal, cum ar fi 1N4148, trec numai curenți electrici foarte mici, spre deosebire de diodele de redresare ale curentului de mare putere, în care se utilizează de obicei diode de siliciu. De asemenea, în tutorialul următor vom examina curba și parametrii caracteristicilor statice curent-tensiune ale diodelor de semnal.

REFERINȚE:

Dioda semiconductoare

Polarizarea diodelor

Diode-curs