PN přechod mění své chování v závislosti na aplikovaném předpětí. Předpětí umožňuje proud proudu snížením bariéry přechodu, zatímco zpětné předpětí blokuje proud rozšířením oblasti vyčerpání. Tyto efekty ovlivňují pohyb nosičů, odezvu napětí, chování při teplotě a průlom. Tento článek poskytuje informace o předpětí a zpětném směru mezi konstrukcí a skutečným chováním obvodu.
PN přechodová bariéra v předem a zpětném směru
PN spojení vzniká spojením oblasti typu P, která obsahuje převážně otvory, s oblastí typu N, která obsahuje převážně elektrony. Když se tyto dvě oblasti setkají, elektrony a díry se rozptylují přes hranici a znovu se kombinují, přičemž zůstávají pevně nabité ionty. Tento proces vytváří oblast vyčerpání s velmi malým počtem pohyblivých nábojů a vnitřním elektrickým polem. Elektrické pole vytváří vestavěný potenciál, tedy vnitřní napětí, které působí jako bariéra proti pohybu náboje.
Když je přechod předsměrně polarizovaný, aplikované napětí tuto bariéru odporuje a umožňuje nábojům snadněji přecházet přes přechod. Když je přechod zpětně polarizován, aplikované napětí přidává k bariéře, čímž se rozšiřuje oblast vyčerpání a omezuje průtok proudu.
Předné a zpětné zkreslení v PN junction
Přednost
Při směrném předpojení je kladný pól baterie připojen k straně P (anodě) a záporný pól k straně N (katodě). Aplikované napětí tlačí proti vestavěnému potenciálu a způsobuje, že oblast vyčerpání je tenčí. To umožňuje nosičům náboje snáze přecházet přes spoj, takže proud může proudit.
Zpětné zkreslení
Při reverzním předpětí je kladný pól připojen k N straně (katodě) a záporný pól k P-straně (anodě). Aplikované napětí přidává k vestavěnému potenciálu a rozšiřuje oblast vyčerpání. To blokuje většinu nosičů náboje, takže proud je velmi malý.
Oblast vyčerpání v předním směru vs zpětný směr
| Stav zkreslení | Šířka vyčerpání | Elektrické pole | Vliv na proud |
|---|---|---|---|
| Žádná zaujatost | Medium | Ze strany N na stranu P | Pouze malý proud teče |
| Přednost | Ztenčuje | Síťové pole slábne | Náboje přecházejí přechodem snadněji, takže proud teče |
| Zpětné zkreslení | Rozšiřuje se | Síťové pole zesílí | Většina náloží je zablokovaná, takže teče jen malý únikový proud |
Při předpěčném směru znamená tenčí oblast vyčerpání nižší bariéru, takže náboje mohou přecházet přes PN přechod a proud může téct. Při opačném předpětí širší oblast vyčerpání bariéru zesiluje, takže přecházka blokuje většinu proudu a chová se téměř jako otevřený vypínač pro stejnosměrný proud.
Energetické pásma v předklonu vs zpětném směru
Forward bias
Při předklonu se energetické pásy na stranách P a N naklánějí, takže bariéra mezi nimi klesá. Elektrony na straně N a díry na straně P potřebují méně energie k překročení přechodu. Jak se aplikované napětí blíží napětí diody, mnoho nosných může přejít přes ně, takže proud rychle roste.
Zpětné předpětí
Při reverzním předklonu se pásy naklánějí opačným směrem a bariéra se u většinových nosičů zvyšuje. Pouze malý počet menšinových nositelů má dostatek energie na přechod. To umožňuje pouze malý zpětný proud, který zůstává téměř konstantní, dokud dioda nedosáhne průlomové oblasti.
I–V chování v předním směru vs zpětný směr
PN spojová dioda má odlišné chování proud–napětí (I–V) v směru předpětí a zpětném napětí. Při předpěčném předpětí se bariéra snižuje, takže proud může rychle růst, jakmile je napětí dostatečně vysoké. Při zpětném předpětí je bariéra zvednuta, takže teče jen malý proud, dokud zpětné napětí nedosáhne tolik, aby způsobilo průlom.
| Region | Znaménko napětí | Aktuální úroveň | Hlavní chování |
|---|---|---|---|
| Dopředu (před kolenem) | #CALC! | Malé | Bariéra stále omezuje proud |
| Dopředu (za kolenem) | + větší | Velký, rychle stoupající | Dioda funguje jako cesta s nízkým odporem |
| Reverz (normální) | − střední | Velmi malý únik | Pohybují se pouze menšinové operátory |
| Reverzní rozklad | − velký | Velmi velké (i když ne omezené) | Zenerova nebo lavinová porucha |
Tok nosiče náboje v předsměrném směru vs. v opačném směru
V PN přechodu závisí chování nosiče náboje silně na aplikovaném předpětí.
Při předním zkreslení dominují vodivost většinové nosiče. Elektrony se pohybují z oblasti N do oblasti P, zatímco díry se pohybují z oblasti P do oblasti N. Oblast vyčerpání se ztenčuje, odpor přechodu je nízký a proud rychle roste s napětím.
Při reverzním zkreslení jsou většinové nosiče odtaženy od spoje, čímž se rozšiřuje oblast vyčerpání. Proud je způsoben především menšinovým nosičem, který elektrické pole přenáší přes křižovatku. Tento zpětný proud zůstává velmi malý a téměř konstantní až do průrazu.
Kontrast mezi vedením většinového nosiče v předním směru a vedením menšinového nosiče v opačném směru definuje základní přepínací chování PN přestupových zařízení.
Reverzní rozklad v opačném směru vs forward bias
Při zpětném napětí, pokud je zpětné napětí dostatečně vysoké, může PN přechod vstoupit do reverzního průlomu. To se při běžném provozu s předním předklonem neděje. Při poruchě proud rychle stoupá a mohou se objevit dva hlavní mechanismy: Zenerův průlom a lavinový průlom.
| Mechanismus | Typ spoje | Typické průrazné napětí | Hlavní příčina rozpadu |
|---|---|---|---|
| Zenerův rozpis | Silně dopingovaný, úzký rozcestí | Nižší napětí (několik V) | Silné elektrické pole umožňuje elektronům tunelovat přes mezeru |
| Porucha laviny | Lehce dopingované, širší spoj | Vyšší napětí | Rychlé nosiče zasáhnou atomy a uvolní další nosiče |
Chování teploty při předním předklonu vs. zpětném směru
Přednost
Jak teplota stoupá, pokles napětí na diodě klesá. U křemíkové diody se tato hodnota snižuje přibližně o −2 mV na °C v okolí normálních proudových hodnot. Při stejném aplikovaném napětí umožní teplejší dioda více proudu v přímém směru.
Zpětné zkreslení
Při zpětném předpětí proud úniku roste s teplotou, protože uvnitř polovodiče vzniká více menšinových nosičů. Zpětné průrazné napětí se může měnit i s teplotou: Zenerův průraz často klesá s teplem, zatímco průraz typu lavina často stoupá.
Přechod z předního zkreslení na zpětné zkreslení
Chování zpětného obnovení
• Při forward bias jsou menšinové operátory tlačeny hluboko do oblastí P a N.
• Když je napětí obrácené, tyto nosné stále krátkodobě podporují proud.
• Zpětný obnovovací proud teče, dokud není uložený náboj odstraněn a dioda se plně neblokuje v zpětném předpětí.
Vliv na provoz obvodu
• Omezuje, jak rychle může dioda přepínat v napájecích obvodech.
• Přidává další ztráty kvůli zpětnému zpětnému proudu.
• Může způsobit zvonění a šum, když rychlé změny proudu interagují s indukčností obvodu.
Použití zpětného zkreslení ve srovnání s předním zkreslením
Aplikace předního zkreslení
Předpětí se používá, když je potřeba řízené vedení. Typické použití zahrnuje usměrňování, referenci napětí, měření teploty pomocí PN přechodů a stahování signálu. V těchto případech dioda vede proud a udržuje předvídatelný úbytek napětí.
Aplikace reverzního biasu
Reverzní předpětí se používá, když je potřeba blokování, izolace nebo chování závislé na napětí. Přechody s opačným předpětím se vyskytují v zařízeních proti přepětí, varaktorových diodách, fotodiodách a vysokorychlostní izolaci signálu. Proud zůstává minimální, dokud není dosaženo definovaného provozního stavu nebo poruchy.
Závěr
Předpětí a zpětné napětí určují, zda PN přechod vede nebo blokuje proud. Předpětí snižuje bariéru a podporuje tok náboje, zatímco zpětné napětí posiluje bariéru a omezuje proud až do průlomu. Šířka vyčerpání, energetické pásma, teplotní vlivy, spínací chování a průrazové mechanismy společně definují výkon diod v praktických elektronických obvodech.
Často kladené otázky [FAQ]
Jak ovlivňuje doping PN junction pod zkreslením?
Silnější dopování zužuje oblast vyčerpání, snižuje napětí v provozu a snižuje zpětné průrazné napětí.
Jak se mění kapacita diody s předpětím?
Zpětné předpětí snižuje kapacitu přechodu, zatímco předpětí zvyšuje efektivní kapacitu díky uloženému náboji.
Jak se Schottkyho dioda liší od PN diody při předpětí?
Schottkyho diody přepínají rychleji a mají nižší napětí v směru, ale vyšší úniky a nižší limity zpětného napětí.
Jak předpětí ovlivňuje šum diody?
Přední předklon zvyšuje šum střely proudem; Zpětné zkreslení zůstává tiché až do téměř kolapsu.
Jak může nesprávné předpětí poškodit diodu?
Nadměrné předpětí způsobuje přehřívání, zatímco nadměrné zpětné napětí vede k poruchám a únikům.
Jak se používá předpětí a zpětné napětí v BJT?
Spoj báze–emitora je předsměrně polarizovaný a spoj báze–kolektor je zpětně polarizován pro řízení proudu sběrače.
