Polovodičová dióda je elektronická súčiastka, ktorá vedie prúd iba v jednom smere. Tento jav je spôsobený vlastnosťami PN prechodu, ktorý vzniká spojením polovodičov typu P a N. Rozumieme tomu, kedy je PN prechod polarizovaný v priepustnom a kedy v závernom (nepriepustnom) smere, je kľúčové pre pochopenie správania diód a ich aplikácií v elektronike.
Vznik PN prechodu
Ak prepojíme dva polovodiče s rôznym typom vodivosti (jeden typu P s druhým typu N), vtedy vznikne difúzia voľných elektrónov z časti N do časti P a naopak, difúzia dier z časti P do časti N. V časti N v blízkosti rozhrania zostanú nevykompenzované kladné ióny donorov. V blízkosti rozhrania sa utvára PN prechod ako elektrická dvojvrstva s iónmi opačnej polarity. Vzniknuté elektrické pole zabraňuje ďalšej difúzii majoritných voľných častíc s nábojom.
Ak sa vezme do úvahy stav, pri ktorom k prechodu PN nie je pripojený vonkajší zdroj napätia, na rozhraní obidvoch polovodičových vrstiev sa stýkajú kladné diery z vrstvy P so zápornými elektrónmi z vrstvy N. Je pochopiteľné, že nastane rekombinácia. Pri nej budú z vrstvy N ubúdať záporné elektróny, takže kladné náboje jadier prevládnu nad zápornými nábojmi elektrónov. Vo vrstve P budú rekombináciou ubúdať kladné diery. Priechod sa bude polarizovať, medzi vrstvami P a N vznikne potenciálový rozdiel. S pribúdajúcou rekombináciou sa bude potenciálový rozdiel zväčšovať a zväčší sa až na takú hodnotu, že elektrické pole, ktoré vznikne na prechode, bude ďalej rekombinácii zabraňovať, pretože z vrstvy N bude odďaľovať elektróny od rozhrania a z vrstvy P vytláčať z rozhrania diery. Medzi vrstvami vznikne pásmo bez voľných nosičov, tzv. potenciálová bariéra medzi vrstvou P a N, ktorú nemožno merať priamymi metódami. Tok majoritných nosičov cez rozhranie PN pri rekombinácii je vyrovnaný toku minoritných nosičov, ktoré potenciálová bariéra vytláča v opačnom smere na rozhranie.
PN prechod v nepriepustnom smere
Ak kladnú svorku zdroja pripojíme k polovodiču typu N a zápornú svorku k polovodiču typu P, tak elektrické pole prechodu PN sa účinkom elektrického napätia zo zdroja napätia zosilní. Odpor prechodu sa tak podstatne zväčší. Dióda je zapojená v nepriepustnom smere, nosiče náboja sa pohybujú od PN prechodu. Obvodom prechádza iba veľmi malý prúd tvorený iba menšinovými voľnými časticami, tzv. zvyškový prúd. Tento prúd je takmer nemerateľný.
V závernom smere reálnej diódy sa vplyvom vysokého priloženého napätia pripočíta ku saturačnému prúdu aj zvodový prúd vznikajúci tepelným generovaním v širokom OPN (oblasti priestorového náboja). Z dôvodu veľkého odporu OPN oproti zvyšku diódy sa na nej rozloží väčšina priloženého napätia a s rastúcim záverným napätím sa rozširuje OPN a zvyšuje sa v nej intenzita elektrického poľa E. Pri napätí blížiacom sa UBR, elektrón urýchľovaný veľkým poľom získava na vzdialenosti kratšej, ako je stredná voľná dráha l takú energiu, že dokáže pri zrážkach s atómami mriežky vyraziť valenčný elektrón. Vzniká tzv. nárazová ionizácia a dochádza k párovaniu elektrónov a dier.
Tunelový jav
V klasickej fyzike nie je možné z principiálneho hľadiska, aby častice s kinetickou energiou nižšou ako je výška potenciálovej bariéry túto bariéru prekonali - dokážu sa jedine od nej odraziť. Je však rozdiel, ak hovoríme o kvantovej mechanike. Častica má aj napriek tomu, že má energiu nedostatočne veľkú na prechod cez bariéru, určitú pravdepodobnosť na jej prekonanie. Naopak, častice s energiou väčšou ako je výška bariéry túto bariéru obecne prekonať nemusí. Tento jav sa nazýva tunelový jav. Vzniká pri koncentráciách ND a NA, ktoré sú rádovo okolo hodnôt 10^24m^-3 a viac, čo znamená, že P-N prechod je veľmi úzky. Ak máme diódu polarizovanú v závernom smere, je bariérou šírka zakázaného pásma. Cez ňu môžu prechádzať valenčné elektróny z valenčného pásma polovodiča P na voľné energetické hladiny vo vodivostnom pásme polovodiča N - dochádza ku generovaniu párov elektrón-diera, čo spôsobuje zvýšenie záverného prúdu.
Vysvetlenie kvantového tunelovania | Perimetrický inštitút pre teoretickú fyziku
Prierazné napätie a jeho dôsledky
Pri určitom napätí dochádza na V-A charakteristike ku kolmému zvýšeniu prúdu v oboch smeroch. Zvyšujúci prúd diódy majú na svedomí novo vznikajúce elektróny a diery, ktoré sa pohybujú v navzájom opačnom smere daným elektrickým poľom E. Nárast prúdu spôsobuje výkonovú stratu, ktorá sa mení na teplo. Veľká výkonová strata môže zničiť diódu, ak je na dióde veľké napätie a zároveň, ak nie je prúd diódou obmedzený a dôjde k nárastu prúdu nad možnú technickú hranicu. Energiu potrebnú pre nárazovú ionizáciu musia elektróny a diery získavať na kratšej dráhe, ale nato potrebujú vyššie urýchľovacie napätie (UBR rastie s teplotou).
Charakteristika PN prechodu a diódy
Závislosť elektrického odporu polovodiča s prechodom PN od polarity vonkajšieho zdroja napätia pripojeného k polovodiču nazývame diódový jav. Polovodič s prechodom PN nazývame polovodičová dióda.
Schottkyho dióda
Hlavný rozdiel vo V-A charakteristikách medzi P-N prechodom a Schottkyho diódou je spôsobený tým, že pri P-N prechode je vznik priepustného prúdu určený injekciou minoritných nosičov cez bariéru a pri Schottkyho dióde naopak emisiou majoritných nosičov cez bariéru. Zásadné vplyvy, ktoré sa nenachádzajú u P-N prechodu, je existencia nežiadúcich nečistôt na rozhraní kov-polovodič, tzv. povrchové stavy, a znižovanie energetickej bariéry e.ΦBn s rastúcim elektrickým poľom prechodu. Konštrukcia typickej Schottkyho diódy v jednorozmernom zjednodušení poukazuje na obr.1.18.
Východisková doštička má veľkú vodivosť (N+), aby nespôsobovala veľký sériový odpor a tvorila dobrý ohmický kontakt pre vývod katódy. Na tejto doštičke je vytvorená epitaxná vrstva rovnakej veľkosti, ale o niekoľko rádov nižšiu dotáciu, aby došlo k vytvoreniu usmerňujúceho kontaktu. Čím je hrúbka tejto vrstvy väčšia, tým väčšie je prierazné napätie, ale tiež sériový odpor. Definície hraničných parametrov Schottkyho diód sú zhodné s definíciami diód s P-N prechodom.
P-i-N dióda
Dióda P-i-N predstavuje veľmi rozšírené konštrukčné usporiadanie. P-i-N dióda je v priepustnom smere zaplavovaná nábojom v smere od anódy aj katódy, preto je na nej malý úbytok napätia aj pri veľkej šírke oblasti N potrebnej pre dosiahnutie veľkého napätia UBR.
tags: #pn #prechod #nepriepisny #smer