Halbleiterbauelemente - Junction Biasing
Der Begriff Vorspannung bezieht sich auf das Anlegen von Gleichspannung zum Einrichten bestimmter Betriebsbedingungen. Oder wenn eine externe Energiequelle an einen PN-Übergang angelegt wird, spricht man von einer Vorspannung oder einfach von einer Vorspannung. Diese Methode erhöht oder verringert das Barrierepotential des Übergangs. Infolgedessen bewirkt die Verringerung des Barrierepotentials, dass Stromträger in den Verarmungsbereich zurückkehren. Die folgenden zwei Vorspannungsbedingungen werden für PN-Übergänge angewendet.
Forward Biasing - Dem Sperrpotential wird eine externe Spannung mit der gleichen Polarität hinzugefügt, wodurch sich die Breite des Verarmungsbereichs vergrößert.
Reverse Biasing - Ein PN-Übergang ist so vorgespannt, dass durch Anlegen einer externen Spannungswirkung verhindert wird, dass Stromträger in den Verarmungsbereich gelangen.
Vorwärtsvorspannung
Die folgende Abbildung zeigt eine in Vorwärtsrichtung vorgespannte PN-Sperrschichtdiode mit angelegter externer Spannung. Sie können sehen, dass der Pluspol der Batterie mit dem P-Material und der Minuspol der Batterie mit dem N-Material verbunden ist.
Es folgen die Beobachtungen -
Diese Vorspannung stößt die Hauptstromträger jedes Materials vom P- und N-Typ ab. Infolgedessen erscheint eine große Anzahl von Löchern und Elektronen an der Verbindungsstelle.
Auf der N-Seite des Übergangs bewegen sich Elektronen hinein, um die positiven Ionen im Verarmungsbereich zu neutralisieren.
Auf dem P-seitigen Material werden Elektronen aus negativen Ionen gezogen, wodurch sie wieder neutral werden. Dies bedeutet, dass die Vorwärtsvorspannung den Verarmungsbereich und damit auch das Barrierepotential zusammenbricht. Dies bedeutet, dass ein PN-Übergang, der in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, einen kontinuierlichen Stromfluss ermöglicht.
Die folgende Abbildung zeigt den Fluss der Stromträger einer in Vorwärtsrichtung vorgespannten Diode. Eine konstante Elektronenversorgung ist aufgrund einer an die Diode angeschlossenen externen Spannungsquelle verfügbar. Der Stromfluss und die Richtung des Stroms sind im Diagramm durch große Pfeile außerhalb der Diode dargestellt. Beachten Sie, dass sich der Elektronenfluss und der Stromfluss auf dasselbe beziehen.
Es folgen die Beobachtungen -
Angenommen, Elektronen fließen durch einen Draht vom negativen Batteriepol zum N-Material. Beim Eintritt in dieses Material fließen sie sofort zur Verbindungsstelle.
In ähnlicher Weise wird auf der anderen Seite eine gleiche Anzahl von Elektronen von der P-Seite gezogen und zum positiven Batteriepol zurückgeführt. Diese Aktion erzeugt neue Löcher und bewirkt, dass sie sich in Richtung der Kreuzung bewegen.
Wenn diese Löcher und Elektronen den Übergang erreichen, verbinden sie sich und verschwinden effektiv. Infolgedessen entstehen an den äußeren Enden der Diode neue Löcher und Elektronen. Diese Mehrheitsbetreiber werden kontinuierlich geschaffen. Diese Aktion wird fortgesetzt, solange die externe Spannungsquelle angelegt wird.
Wenn die Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, kann festgestellt werden, dass Elektronen durch die gesamte Struktur der Diode fließen. Dies ist bei Material vom N-Typ üblich, wohingegen in den P-Materiallöchern die beweglichen Stromträger sind. Beachten Sie, dass die Lochbewegung in eine Richtung mit einer Elektronenbewegung in die entgegengesetzte Richtung beginnen muss. Daher ist der Gesamtstromfluss die Addition von Löchern und Elektronen fließen durch eine Diode.
Rückwärtsvorspannung
Die folgende Abbildung zeigt eine in Sperrrichtung vorgespannte PN-Sperrschichtdiode mit angelegter externer Spannung. Sie können sehen, dass der Pluspol der Batterie mit dem N-Material und der Minuspol der Batterie mit dem P-Material verbunden ist. Es ist zu beachten, dass in einer solchen Anordnung die Batteriepolarität der Materialpolarität der Diode entgegengesetzt sein muss, so dass sich unterschiedliche Ladungen anziehen. Daher werden Mehrheitsladungsträger jedes Materials von der Verbindungsstelle weggezogen. Durch Sperrvorspannung ist die Diode nicht leitend.
Die folgende Abbildung zeigt die Anordnung der Mehrheitsstromträger in einer in Sperrrichtung vorgespannten Diode.
Es folgen die Beobachtungen -
Aufgrund der Schaltungswirkung werden Elektronen des N-Materials zum positiven Batteriepol gezogen.
Jedes Elektron, das die Diode bewegt oder verlässt, bewirkt, dass an seiner Stelle ein positives Ion austritt. Infolgedessen bewirkt dies eine äquivalente Zunahme der Breite des Verarmungsbereichs auf der N-Seite des Übergangs.
Die P-Seite der Diode hat einen ähnlichen Effekt wie die N-Seite. Bei dieser Aktion verlassen mehrere Elektronen den Minuspol der Batterie und treten in das Material vom Typ P ein.
Diese Elektronen bewegen sich dann sofort hinein und füllen eine Reihe von Löchern. Jedes besetzte Loch wird dann zu einem negativen Ion. Diese Ionen werden dann wiederum vom negativen Batteriepol abgestoßen und in Richtung der Verbindungsstelle getrieben. Aufgrund dessen nimmt die Breite des Verarmungsbereichs auf der P-Seite des Übergangs zu.
Die Gesamtbreite des Verarmungsbereichs hängt direkt von einer externen Spannungsquelle einer in Sperrrichtung vorgespannten Diode ab. In diesem Fall kann die Diode den Stromfluss durch den breiten Verarmungsbereich nicht effizient unterstützen. Infolgedessen beginnt sich die potentielle Ladung über den Übergang zu entwickeln und steigt an, bis das Barrierepotential der externen Vorspannung entspricht. Danach verhält sich die Diode wie ein Nichtleiter.