A Diodo de connexió P-N es forma dopant un costat d’una peça de silici amb un dopant de tipus P (Boran) i l’altre costat amb un dopant de tipus N (fòsfor). Es pot utilitzar Ge en lloc de silici. El díode d’unió P-N és un dispositiu de dos terminals. Aquesta és la construcció bàsica del díode d’unió P-N. És un dels dispositius semiconductors més simples, ja que permet que el corrent flueixi només en una direcció. El díode no es comporta linealment respecte a la tensió aplicada i té una relació V-I exponencial.

Què és un díode d'unió P-N?

Un díode d’unió P-N és un tros de silici que té dos terminals. Un dels terminals està dopat amb material de tipus P i l’altre amb material de tipus N. La unió P-N és l’element bàsic per als díodes semiconductors. Un díode semiconductor facilita el flux d’electrons completament només en una direcció, que és la funció principal del díode semiconductor. També es pot utilitzar com a rectificador.

P-N Junction

Teoria del díode de la unió PN

Hi ha dues regions operatives: tipus P i tipus N. I en funció de la tensió aplicada, hi ha tres possibles condicions de 'polarització' per al díode de connexió P-N, que són les següents:

Biaix zero - No s’aplica cap tensió externa al díode d’unió PN.
Biaix endavant - El potencial de tensió està connectat positivament al terminal de tipus P i negativament al terminal de tipus N del díode.
Biaix invers - El potencial de tensió està connectat negativament al terminal de tipus P i positivament al terminal de tipus N del díode.

Condició esbiaixada zero

En aquest cas, no s’aplica cap tensió externa al díode d’unió P-N i, per tant, els electrons es difonen cap al costat P i simultàniament els forats es difonen cap al costat N a través de la unió, i després es combinen entre ells. A causa d'això, aquests portadors de càrrega generen un camp elèctric. El camp elèctric s’oposa a una major difusió de portadors carregats de manera que no hi hagi moviment a la regió mitjana. Aquesta regió es coneix com a amplada d’esgotament o càrrega d’espai.

Condició imparcial

Biaix endavant

En la condició de biaix cap endavant, el terminal negatiu de la bateria està connectat al material de tipus N i el terminal positiu de la bateria està connectat al material de tipus P. Aquesta connexió també es diu que dóna tensió positiva. Els electrons de la regió N creuen la cruïlla i entren a la regió P. A causa de la força d’atracció que es genera a la regió P, els electrons s’atrauen i es mouen cap al terminal positiu. Simultàniament, els forats són atrets pel terminal negatiu de la bateria. Pel moviment d’electrons i forats flueix corrent. En aquesta condició, l'amplada de la regió d'esgotament disminueix a causa de la reducció del nombre d'ions positius i negatius.

Condició de biaix cap endavant

Característiques V-I

En subministrar tensió positiva, els electrons obtenen prou energia per superar la barrera potencial (capa d’esgotament) i creuar la unió i passa el mateix amb els forats. La quantitat d'energia necessària pels electrons i els forats per creuar la unió és igual al potencial de barrera 0,3 V per Ge i 0,7 V per Si, 1,2 V per GaAs. Això també es coneix com caiguda de tensió. La caiguda de tensió a través del díode es produeix a causa de la resistència interna. Això es pot observar al gràfic següent.

Característiques del biaix cap endavant

Biaix invers

En la condició de biaix cap endavant, el terminal negatiu de la bateria està connectat al material de tipus N i el terminal positiu de la bateria al material de tipus P. Aquesta connexió també es coneix com a tensió positiva. Per tant, el camp elèctric a causa de la capa de tensió i d’esgotament es troba en la mateixa direcció. Això fa que el camp elèctric sigui més fort que abans. A causa d’aquest fort camp elèctric, els electrons i els forats volen més energia per creuar la unió, de manera que no es poden difondre cap a la regió oposada. Per tant, no hi ha flux de corrent a causa de la manca de moviment d’electrons i forats.

Capa d’esgotament en condició de polarització inversa

Els electrons del semiconductor de tipus N s’atrauen cap al terminal positiu i els forats del semiconductor de tipus P s’atrauen cap al terminal negatiu. Això condueix a la reducció del nombre d'electrons del tipus N i dels forats del tipus P. A més, es creen ions positius a la regió de tipus N i ions negatius a la regió de tipus P.

Diagrama de circuits de polarització inversa

Per tant, l'amplada de la capa d'esgotament s'incrementa a causa del nombre creixent d'ions positius i negatius.

Característiques V-I

A causa de l'energia tèrmica en els cristalls es produeixen portadors minoritaris. Els portadors de minories signifiquen un forat en el material tipus N i els electrons en el material tipus P. Aquests portadors minoritaris són els electrons i els forats empesos cap a la unió P-N pel terminal negatiu i el terminal positiu, respectivament. A causa del moviment de portadors minoritaris, flueix molt poc corrent, que es troba en el rang de nano Ampere (per al silici). Aquest corrent s’anomena corrent de saturació inversa. La saturació significa que, després d’assolir el seu valor màxim, s’assoleix un estat estacionari en què el valor actual es manté amb l’augment del voltatge.

La magnitud del corrent invers és de l’ordre dels nanoamperis per als dispositius de silici. Quan el voltatge invers augmenta més enllà del límit, el corrent invers augmenta dràsticament. Aquesta tensió particular que causa el canvi dràstic del corrent invers s’anomena tensió de ruptura inversa. La ruptura dels díodes es produeix per dos mecanismes: la ruptura de l’allau i la ruptura de Zener.

I = IS [exp (qV / kT) -1]
K - Constant de Boltzmann
T - Temperatura de connexió (K)
(kT / q) Temperatura ambient = 0,026V

Normalment IS és un corrent molt petit aproximadament entre 10-17 ... 10-13A

Per tant, es pot escriure com

I = IS [exp (V / 0.026) -1]

Gràfic de característiques V-I per al biaix invers

Aplicacions del díode d'unió PN

El díode d’unió P-N té moltes aplicacions.

El díode de connexió P-N en la configuració esbiaixada inversament és sensible a la llum d'un rang d'entre 400nm i 1000nm, que inclou llum VISIBLE. Per tant, es pot utilitzar com a fotodiode.
També es pot utilitzar com a cèl·lula solar.
La condició de biaix cap endavant de la unió P-N s'utilitza en tots Aplicacions d’il·luminació LED .
La tensió a través de la unió P-N esbiaixada s’utilitza per crear Sensors de temperatura , i tensions de referència.
S’utilitza en molts circuits ” rectificadors , varactors per oscil·ladors controlats per tensió .

Característiques V-I del díode de la unió P-N

El gràfic es canviarà per diferents materials semiconductors s’utilitza en la construcció d’un díode d’unió P-N. El diagrama següent mostra els canvis.

Comparació amb l’arsinida de silici, germani i gal

Comparació amb silici, germani i arseniur de gal

“què significa ethernet en termes informàtics ”

Es tracta de Teoria del díode d’unió P-N , principi de funcionament i les seves aplicacions. Creiem que la informació que es proporciona en aquest article és útil per a una millor comprensió d’aquest concepte. A més, per a qualsevol consulta sobre aquest article o qualsevol ajuda en la implementació projectes elèctrics i electrònics, podeu acostar-vos-hi comentant a la secció de comentaris següent. Aquí teniu una pregunta: quina és l’aplicació principal del díode d’unió P-N?

Crèdits fotogràfics: