PN-переход меняет своё поведение в зависимости от приложенного смещения. Прямое смещение позволяет току течь за счёт уменьшения барьера соединения, а обратное смещение блокирует ток, расширяя область обеднения. Эти эффекты влияют на движение носителя, отклик напряжения, температурное поведение и пробои. В этой статье представлена информация о прямом и обратном смещении от структуры к реальному поведению цепи.
Барьер соединения PN при прямом и обратном смещении
PN-переход создаётся путем соединения области типа P, которая в основном содержит дыры, с областью типа N, содержащей в основном электроны. Когда эти две области встречаются, электроны и дырки диффундируют по границе и рекомбинируются, оставляя после себя фиксированные заряженные ионы. Этот процесс формирует область истощения с очень малым количеством подвижных зарядов и внутренним электрическим полем. Электрическое поле создаёт встроенный потенциал, или внутреннее напряжение, которое служит барьером для движения заряда.
При прямом смещении перехода приложенное напряжение противостоит этому барьеру и позволяет зарядам легче пересекать переход. При обратном смещении перехода приложенное напряжение увеличивается к барьеру, расширяя область истощения и ограничивая ток тока.
Прямое и обратное смещение в PN-соединении
Прямое смещение
При прямом смещении положительный вывод батареи подключён к стороне P (анод), а отрицательный вывод — к стороне N (катод). Приложенное напряжение нарушает встроенный потенциал и делает область обеднения тоньше. Это позволяет носителям заряда легче пересекать соединение, чтобы ток мог протекать.
Обратное смещение
При обратном смещении положительный терминал соединяется со стороной N (катодом), а отрицательный — с стороной P (анод). Приложенное напряжение увеличивает встроенный потенциал и расширяет область истощения. Это блокирует большинство носителей заряда, поэтому ток становится очень малым.
Область обеднения при прямом смещении против обратного смещения
| Условие смещения | Ширина истощения | Электрическое поле | Влияние на ток |
|---|---|---|---|
| Без предвзятости | Средний | С стороны N на сторону P | Течёт только небольшой ток |
| Прямое смещение | Становится худее | Чистое поле становится слабее | Заряды легче пересекают соединение, поэтому ток течёт |
| Обратное смещение | Становится шире | Чистое поле становится сильнее | Большинство зарядов заблокированы, поэтому протекает лишь небольшой ток утечки |
При прямом смещении более тонкая область обеднения означает, что барьер ниже, поэтому заряды могут перемещаться через PN-переход, а ток течёт. При обратном смещении более широкая область обеднения делает барьер прочнее, поэтому переход блокирует большую часть тока и ведёт себя почти как открытый выключатель для постоянного тока.
Энергетические диапазоны при прямом смещении против обратного смещения
Прямое смещение
При прямом смещении энергетические полосы на сторонах P и N наклоняются, так что барьер между ними становится ниже. Электроны на стороне N и отверстия на стороне P требуют меньше энергии для пересечения перехода. Когда приложенное напряжение приближается к прямому напряжению диода, многие несущие могут перемещаться, поэтому ток быстро растёт.
Обратное смещение
При обратном смещении полосы наклоняются в противоположную сторону, и барьер становится выше для большинства носителей. Только небольшое число авианосцев из меньшинств обладает достаточной энергией для перехода. Это позволяет протекать лишь небольшой обратный ток, который остаётся почти постоянным до тех пор, пока диод не достигнет зоны пробоя.
Поведение I–V при прямом смещении против обратного смещения
PN-диод с переходом отличается поведением по отношению ток-напряжение (I–V) при прямом смещении и обратном смещении. При прямом смещении барьер понижается, поэтому ток может быстро расти, когда напряжение становится достаточно высоким. При обратном смещении барьер поднимается, поэтому течёт лишь крошечный ток, пока обратное напряжение не станет достаточно большим для пробоя.
| Регион | Знак напряжения | Текущий уровень | Основное поведение |
|---|---|---|---|
| Вперёд (до колена) | #CALC! | Маленький | Барьер всё ещё ограничивает ток |
| Вперёд (после колена) | + больше | Большой, быстро растёт | Диод действует как путь с низким сопротивлением |
| Обратная (нормальная) | − умеренный | Очень маленькая протечка | Только миноритарные перевозчики переезжают |
| Обратный полом | − большой | Очень большой (если не ограниченный) | Зенер или лавина |
Поток носителя заряда при прямом смещении против обратного смещения
В PN-соединении поведение носителя заряда сильно зависит от приложенного смещения.
При прямом смещении большинство носителей доминируют в проводимости. Электроны перемещаются из области N в область P, а дыры — из области P в область N. Область обеднения становится тонкой, сопротивление переходу низкое, а ток быстро увеличивается с напряжением.
При обратном смещении большинство носителей оттягиваются от развязки, расширяя область обеднения. Ток в основном обусловлен меньшинственными носителями, проходящими через соединение электрическим полем. Этот обратный ток остаётся очень малым и почти постоянным до момента пробоя.
Контраст между проводимостью большинства несущих в прямом смещении и проводимостью меньшинства несущей при обратном смещении определяет основное поведение коммутационных устройств PN-перехода.
Обратный баланс между обратной смещетой и прямым смещением
При обратном смещении, если обратное напряжение становится достаточно большим, PN-переход может войти в обратный пробой. Это не происходит при обычной работе с прямым смещением. При пробое ток быстро растёт, и могут появиться два основных механизма: прорыв Зенера и лавинный прорыв.
| Механизм | Тип развязки | Типичное напряжение пробоя | Основная причина поломки |
|---|---|---|---|
| Breakdown Zener | Сильно легированный, узкий перекрёсток | Низкие напряжения (несколько В) | Сильное электрическое поле позволяет электронам туннелировать через зазор |
| Срыв лавины | Слегка легированный, более широкий переход | Более высокие напряжения | Быстрые носители попадают в атомы и освобождают больше носителей |
Температурное поведение при прямом смещении и обратном смещении
Смещение вперёд
По мере повышения температуры прямое падение напряжения на диод снижается. Для кремниевого диода это снижается примерно на −2 мВ на °C при нормальных уровнях тока. При том же приложенном напряжении более горячий диод пропускает больше прямого тока.
Обратное смещение
При обратном смещении ток утечки растёт с температурой, потому что больше меньшинственных носителей образуется из-за тепла внутри полупроводника. Обратное пробой также может изменяться с температурой: пробой типа Зенера часто снижается с нагревом, а лавинный пробой часто увеличивается.
Переход от прямого смещения к обратному смещению
Поведение обратного восстановления
• При прямом смещении миноритарные носители сталкиваются глубоко в области P и N.
• При обратном напряжении эти несущие всё ещё поддерживают ток в течение короткого времени.
• Ток обратного восстановления течёт до тех пор, пока накопленный заряд не будет очищен и диод не сможет полностью заблокировать обратное смещение.
Влияние на работу цепи
• Ограничивает скорость переключения диода в силовых цепях.
• Добавляет дополнительные потери из-за тока обратного восстановления.
• Может вызывать звон и шум при быстром взаимодействии тока с индуктивностью цепи.
Применение обратного смещения по сравнению с прямым смещением
Приложения с прямым смещением
Прямое смещение применяется, когда требуется контролируемая проводимость. Типичные применения включают ректификацию, ссылку на напряжение, температурное измерение с помощью PN-переходов и зажим сигнала. В таких случаях диод проводит ток и поддерживает предсказуемое падение напряжения.
Применение обратного смещения
Обратное смещение применяется, когда требуется блокировка, изоляция или поведение, зависящее от напряжения. Обратно-смещённые переходы встречаются в устройствах защиты от перенапряжения, варакторных диодах, фотодиодах и высокоскоростной изоляции сигналов. Ток остаётся минимальным до достижения определённого рабочего состояния или поломки.
Заключение
Прямое смещение и обратное смещение определяют, проводит ли PN-переход ток или блокирует ток. Прямое смещение снижает барьер и поддерживает поток заряда, а обратное смещение усиливает барьер и ограничивает ток до пробоя. Ширина истощения, энергетические полосы, температурные эффекты, поведение при переключении и механизмы пробоя вместе определяют работу диода в практических электронных схемах.
Часто задаваемые вопросы [FAQ]
Как легирование влияет на PN-соединение при смещении?
Более тяжёлое легирование сужает область обеднения, снижает прямое напряжение и снижает обратное пробивное напряжение.
Как изменяется ёмкость диода при смещении?
Обратное смещение уменьшает ёмкость соединения, тогда как прямое смещение увеличивает эффективную ёмкость за счёт накопленного заряда.
Чем диод Шоттки отличается от PN-диода при смещении?
Диоды Шоттки переключаются быстрее и имеют более низкое прямое напряжение, но более высокую утечку и меньшие пределы обратного напряжения.
Как смещение влияет на шум диода?
Прямое смещение повышает шум выстрела с током; Обратный смещение остаётся незаметным до почти пробоя.
Как неправильное смещение может повредить диод?
Избыточное прямое смещение вызывает перегрев, а избыточное обратное смещение приводит к пробою и сбоям утечки.
Как используются прямое и обратное смещение в BJT?
Переход база–эмиттер имеет прямое смещение, а переход база–коллектор — обратное смещение для управления током коллектора.
