PN spoj spremeni svoje vedenje glede na uporabljeno pristranskost. Prednapetost omogoča pretok toka z zmanjšanjem pregrade za stik, medtem ko obratna napetost blokira tok z razširitvijo območja izčrpanosti. Ti učinki vplivajo na gibanje nosilcev, napetostni odziv, temperaturno vedenje in preboj. Ta članek ponuja informacije o prednapetosti naprej in nazaj med strukturo in vedenjem realnega vezja.
PN spojna pregrada v smeri naprej in nazaj
PN spoj nastane z združitvijo P-tip regije, ki vsebuje večinoma luknje, z N-tipno regijo, ki vsebuje predvsem elektrone. Ko se ti dve regiji srečata, se elektroni in luknje razpršijo čez mejo in ponovno združijo, pri čemer za seboj ostanejo fiksni nabiti ioni. Ta proces tvori območje izčrpavanja z zelo malo gibljivimi naboji in notranjim električnim poljem. Električno polje proizvaja vgrajen potencial oziroma notranjo napetost, ki deluje kot ovira za gibanje naboja.
Ko je spoj naprej polariziran, se nanesena napetost upira tej oviri in omogoča lažji prehod nabojev. Ko je spoj obratno polariziran, se uporabljena napetost poveča na pregrado, kar razširi območje izčrpanosti in omeji pretok toka.
Naprej in nazaj pristranskost v PN stičišču
Pristranskost naprej
Pri smeri naprej je pozitivni pol baterije priključen na stran P (anodo), negativni pol pa na stran N (katodo). Uporabljena napetost pritiska na vgrajeni potencial in naredi območje izčrpanosti tanjše. To omogoča, da nosilci naboja lažje prečkajo spoj, tako da lahko teče tok.
Obratna pristranskost
Pri obratni polarizaciji je pozitivni priključek priključen na stran N (katodo), negativni priključek pa na stran P (anodo). Uporabljena napetost poveča vgrajeni potencial in poveča območje izčrpanosti. To blokira večino nosilcev naboja, zato postane tok zelo majhen.
Območje izčrpanosti v predsodku v primerjavi z obratno pristranskostjo
| Pogoj pristranskosti | Širina izčrpanosti | Električno polje | Vpliv na tok |
|---|---|---|---|
| Brez pristranskosti | Medium | Od N strani do P strani | Teče le majhen tok |
| Naprej pristranskost | Postane tanjši | Neto polje postane šibkejše | Naboji lažje prečkajo spoj, zato tok teče |
| Obratna pristranskost | Postaja širše | Neto polje postane močnejše | Večina nabojev je blokiranih, zato teče le majhen uhajajoči tok |
Pri prednapetosti tanjše območje izčrpanosti pomeni, da je pregrada nižja, zato se lahko naboji premikajo čez PN spoj in tok lahko teče. Pri obratni polarizaciji širše območje izčrpanosti okrepi pregrado, zato spoj blokira večino toka in se obnaša skoraj kot odprto stikalo za enosmerni tok.
Energijski pasovi v predsodku proti obratni pristranskosti
Naprej pristranskost
Pri naprej nagibu se energijski pasovi na strani P in N nagnejo, zato se pregrada med njima zniža. Elektroni na strani N in luknje na strani P potrebujejo manj energije, da prečkajo spoj. Ko se priključena napetost približa napetosti diode v smeri naprej, se lahko veliko nosilcev premika čez, zato tok hitro narašča.
Obratna pristranskost
Pri obratni pristranskosti se pasovi nagnejo v nasprotno smer, ovira pa postane višja za večine nosilcev. Le majhno število manjšinskih nosilcev ima dovolj energije za prehod. To omogoča le majhen obratni tok, ki ostane skoraj konstanten, dokler dioda ne doseže območja preboja.
I–V vedenje pri predsodku naprej v primerjavi z obratno pristranskostjo
PN spojna dioda ima drugačno obnašanje tok–napetost (I–V) v smeri naprej in v povratni polarizaciji. Pri prednapetosti v smeri naprej se pregrada zniža, zato lahko tok hitro naraste, ko je napetost dovolj visoka. Pri obratni polarizaciji se pregrada dvigne, tako da teče le majhen tok, dokler vzvratna napetost ne postane dovolj velika, da povzroči preboj.
| Regija | Napetostni znak | Trenutna raven | Glavno vedenje |
|---|---|---|---|
| Naprej (pred kolenom) | #CALC! | Majhen | Pregrada še vedno omejuje tok |
| Naprej (za kolenom) | + večje | Velik, hitro naraščajoč | Dioda deluje kot pot z nizkim uporom |
| Obratno (normalno) | − zmerno | Zelo majhno puščanje | Premikajo se le manjšinski operaterji |
| Obratna razčlenitev | − large | Zelo velik (če ne omejen) | Zener ali prelom plazov |
Pretok nosilcev naboja pri naprej pristranskosti v primerjavi z obratno pristranskostjo
V PN spoju je vedenje nosilca naboja močno odvisno od uporabljene pristranskosti.
Ob predsodku naprej prevladujejo nosilci večine pri prevodu. Elektroni se premikajo iz območja N v območje P, medtem ko se luknje premikajo iz območja P v območje N. Območje izčrpanosti postane tanko, spojni upor je nizek, tok pa hitro narašča z napetostjo.
Pri obratni pristranskosti se večinski nosilci odmaknejo od spoja, kar razširi območje izčrpanosti. Tok je predvsem posledica manjšinskih nosilcev, ki jih električno polje pomete čez spoj. Ta obratni tok ostaja zelo majhen in skoraj konstanten, dokler ne pride do preboja.
Kontrast med prevodnostjo večinskega nosilca v smeri naprej in prevodnostjo med manjšinskim nosilcem v obratni polarizaciji določa osnovno preklopno vedenje PN spojnih naprav.
Obratna razčlenitev obratne pristranskosti v primerjavi s prednjo pristranskosti
Pri obratni polarizaciji, če vzvratna napetost postane dovolj velika, lahko PN spoj preide v obratno preboj. To se ne zgodi pri običajnem naprednem delovanju. V primeru prekinitve tok hitro narašča, pojavita se lahko dva glavna mehanizma: Zenerjev prelom in plazni prelom.
| Mehanizem | Tip stika | Tipična prebojna napetost | Glavni vzrok okvare |
|---|---|---|---|
| Zenerjeva razčlenitev | Močno dopirano, ozko križišče | Nižje napetosti (nekaj V) | Močno električno polje omogoča elektronom, da tunelirajo čez vrzel |
| Razboj plazov | Rahlo dopiran, širši spoj | Višje napetosti | Hitri nosilci zadenejo atome in osvobodijo več nosilcev |
Obnašanje temperature pri naprej pristranskosti v primerjavi z obratno pristranskostjo
Naprej pristranskost
Ko temperatura naraste, padec napetosti v smeri naprej čez diodo pade. Pri silicijevi diodi se ta zmanjša za približno −2 mV na °C okoli običajnih tokovnih vrednosti. Pri enaki dodani napetosti bo bolj vroča dioda dovolila večji tok naprej.
Obratna pristranskost
Pri obratni polarizaciji uhajalni tok raste s temperaturo, ker se zaradi toplote znotraj polprevodnika ustvari več manjšinskih nosilcev. Tudi obratna napetost preboja se lahko spreminja s temperaturo: Zenerjev preboj pogosto upada s toploto, medtem ko se preboj pri plazu pogosto povečuje.
Preklop iz naprej v obratno pristranskost
Obnašanje obratnega okrevanja
• Zaradi napredne pristranskosti so manjšinski operaterji potisnjeni globoko v regiji P in N.
• Ko se napetost obrne, ti nosilci še vedno za kratek čas podpirajo tok.
• Obratni povratni tok teče, dokler shranjeni naboj ni odstranjen in dioda lahko popolnoma blokira v obratni polarizaciji.
Učinki na delovanje vezja
• Omejuje, kako hitro lahko dioda preklaplja v napajalnih vezjih.
• Doda dodatne izgube zaradi obratnega toka za povratek.
• Lahko povzroči zvonjenje in šum, ko hitre spremembe toka vplivajo na induktivnost vezja.
Uporaba obratne pristranskosti v primerjavi s prednjo pristranskostjo
Uporaba pristranskosti naprej
Prednapetost naprej se uporablja, kadar je potrebna nadzorovana prevodnost. Tipične uporabe vključujejo usmerjevanje, referenco napetosti, merjenje temperature s PN spoji in sponko signala. V teh primerih dioda prevaja tok in ohranja predvidljiv padec napetosti.
Uporaba obratne pristranskosti
Obratna pristranskost se uporablja, kadar je potrebna blokada, izolacija ali vedenje, odvisno od napetosti. Obratno polarizirani spoji se pojavljajo v napravah za zaščito pred prenapetostjo, varaktorskih diodah, fotodiodah in visokohitrostni izolaciji signala. Tok ostaja minimalen, dokler ni dosežen določen delovni pogoj ali prekinitev.
Zaključek
Prednapetost naprej in obratna napetost določata, ali PN spoj prevaja ali blokira tok. Prednapetost zniža pregrado in podpira pretok naboja, medtem ko obratna polarizacija krepi pregrado in omejuje tok do preboja. Širina izčrpanosti, energijski pasovi, temperaturni učinki, preklopno vedenje in mehanizmi preboja skupaj določajo delovanje diod v praktičnih elektronskih vezjih.
Pogosta vprašanja [FAQ]
Kako dopiranje vpliva na PN spoj pod pristranskostjo?
Močnejše dopiranje zoži območje izčrpanosti, zmanjša napetost v smeri naprej in zniža napetost obratnega preboja.
Kako se kapacitivnost diode spreminja zaradi polarizacije?
Povratna napetost zmanjša kapacitivnost spoja, medtem ko sprednja polarizacija poveča efektivno kapacitivnost zaradi shranjenega naboja.
Kako se Schottkyjeva dioda razlikuje od PN diode pri polarizaciji?
Schottkyjeve diode preklapljajo hitreje in imajo nižjo napetost v smeri naprej, vendar večjo puščanje in nižje omejitve vzvratne napetosti.
Kako polarizacija vpliva na šum diode?
Naprej nagib poveča šum izstrelka zaradi toka; Obratna pristranskost ostane tiha do skorajšnjega zloma.
Kako lahko nepravilna polarizacija poškoduje diodo?
Prekomerna naprej pristranskost povzroča pregrevanje, medtem ko prekomerna vzvratna polarizacija vodi do okvare in uhajanja.
Kako se v BJT uporablja prednapetost naprej in nazaj?
Stik baza–emiter je naprej polariziran, stik baza–kolektor pa je usmerjen v obratno polarizacijo za nadzor toka med zbiralcem.
