Dynamischer Widerstand von Dioden und der Verarmungszone

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Laut Resnick, Walker & Hallidays Fundamentals of Physics (10. Auflage),

Abbildung 41-15 zeigt, warum ein pn-Übergang als Übergangsgleichrichter arbeitet. In Abb. 41-15a ist eine Batterie über die Verbindungsstelle angeschlossen, wobei ihr positiver Anschluss mit der p-Seite verbunden ist. Bei dieser in Vorwärtsrichtung vorgespannten Verbindung wird die p-Seite positiver und die n-Seite negativer, wodurch die Höhe der Potentialbarriere verringert wird v 0 von Abb. 41-12c. Mehr der Majoritätsträger können nun diese kleinere Barriere überwinden; daher der Diffusionsstrom ICH D ich F F nimmt deutlich zu.

Die Minoritätsträger, die den Driftstrom bilden, erfassen jedoch keine Barriere; Also der Driftstrom ICH D R ich F T wird durch die externe Batterie nicht beeinflusst. Das schöne Stromgleichgewicht, das bei Nullvorspannung bestand (siehe Abb. 41-12d), wird somit gestört, und wie in Abb. 41-15a gezeigt, erscheint ein großer Nettodurchlassstrom IF in der Schaltung.

Ein weiterer Effekt der Vorwärtsspannung besteht darin, die Verarmungszone zu verengen, wie ein Vergleich von Fig. 41-12b und Fig. 41-15a zeigt. Die Verarmungszone verengt sich, da die mit der Vorwärtsvorspannung verbundene reduzierte Potentialbarriere einer kleineren Raumladung zugeordnet werden muss. Da die raumladungserzeugenden Ionen auf ihren Gitterplätzen fixiert sind, kann eine Verringerung ihrer Anzahl nur durch eine Verringerung der Breite der Verarmungszone erfolgen.

Da die Verarmungszone normalerweise sehr wenige Ladungsträger enthält, ist sie normalerweise ein Bereich mit hohem spezifischem Widerstand. Wenn jedoch seine Breite durch eine Vorspannung in Durchlassrichtung wesentlich reduziert wird, wird sein Widerstand ebenfalls wesentlich reduziert, wie es mit dem großen Durchlassstrom vereinbar ist.

Meine Fragen lauten wie folgt:

  1. Nach Ansicht der Autoren wird die Verarmungszone schmaler, wenn die Diode in Vorwärtsrichtung geschaltet wird, weil die Höhe der Potentialbarriere, v 0 , nimmt ab. Höhe von v 0 ab, da die p-Seite mit dem Pluspol verbunden ist v e X T und die n-Seite ist mit dem negativen Anschluss von verbunden v e X T , so die Autoren. Kann jemand bitte einfacher und klarer erklären, warum die Höhe der potenziellen Barriere, v 0 , nimmt ab, wenn die Diode in Durchlassrichtung geschaltet wird?
  2. Wenn v e X T wird die Verarmungszone enger? Kann v e X T so stark erhöht werden, dass die Verarmungszone nicht mehr existiert? Diese Frage ist ein guter Übergang zu meiner 3. Frage.
  3. Ist die Durchlassspannung die Ursache für den dynamischen Widerstand der Diode? Wenn eine AC-Quelle, v e X T A C , wird mit der DC-Quelle addiert, v e X T , ändert sich der Widerstand der Diode mit der Zeit? Wird dieser Widerstand der Diode als dynamischer Widerstand bezeichnet?
Kennen Sie Banddiagramme? Haben Sie ein Banddiagramm für eine pn-Übergangsdiode gesehen? Was könnte Ihrer Meinung nach passieren, außer dass die Höhe der Energiebarriere unter Vorwärtsspannung abnimmt?
Ich bin nicht mit Banddiagrammen für pn-Übergangsdioden vertraut. Warum bleibt die Höhe der Verarmungszone/Energiebarriere nicht einfach konstant?

Antworten (1)

Ein Halbleiterblock hat eine gewisse Konzentration beweglicher Ladungsträger (Elektronen und Löcher) und ihre Ladung wird durch feste Ladungen in Form von ionisierten Dotierstoffen (Donor- und Akzeptor-Ionen) genau aufgehoben.

Der Verarmungsbereich ist wenig überraschend an beweglichen Ladungsträgern (Elektronen und Löchern) verarmt. Was nach der Verarmung zurückbleibt, sind die fixierten ionisierten Dotierstoffe. Diese Ladungen erzeugen ein elektrisches Feld innerhalb des Verarmungsbereichs und dies führt zu einer "eingebauten Spannung" der Diode. Das ist die Spannungsdifferenz zwischen den p- und n-Seiten der Diode. Diese Spannung ist die Potentialbarriere in der Diode. Wenn Sie eine externe Spannung an eine Diode anlegen, ändern Sie diese Spannungsdifferenz und damit die Barriere.

Wenn v e X T wird die Verarmungszone enger?

Ja. Das elektrische Feld ist das Integral der Ladung im Verarmungsbereich und das elektrische Potential ist das Integral des Feldes. Damit die Spannung abnimmt, reduzieren Sie die Gesamtladung im Verarmungsbereich erheblich. Wenn Sie dies tun, verengt sich der Verarmungsbereich.

Kann v e X T so stark erhöht werden, dass die Verarmungszone nicht mehr existiert?

Theoretisch ja, aber praktisch nein. Wenn Sie genug Spannung anlegen würden, um den Verarmungsbereich tatsächlich vollständig zu entfernen, hätten Sie eine enorme Strommenge. Eine Menge, die keine physikalische Diode aushalten könnte, ohne sich selbst zu verbrennen, zu schmelzen oder anderweitig zu zerstören.

Ist die Durchlassspannung die Ursache für den dynamischen Widerstand der Diode?

Typischerweise würden Sie in Situationen, in denen Sie ein kleines Wechselstromsignal über einem Gleichstromvorspannungspunkt haben, an dynamischen Widerstand denken. Der dynamische Widerstand einer Diode ist die Ableitung der IV-Kurve an Ihrem Arbeitspunkt. Dabei wählt Ihre DC-Vorspannung den effektiven Widerstand aus, den Ihr AC-Signal sieht. Dies setzt voraus, dass Ihr Wechselstromsignal klein genug ist, um Sie in einem ungefähr linearen Bereich der IV-Kurve der Diode zu halten. Wenn Sie nur ein Wechselstromsignal haben oder es sich um ein großes Signal handelt, würde ich nicht über die Änderung des dynamischen Widerstands während Ihrer Signalperiode sprechen, aber einige Leute könnten dies tun.

Zunächst einmal bin ich Ihnen sehr dankbar, dass Sie geantwortet haben. Ich habe noch eine Frage. Wenn v e X T kleiner als das Barrierenpotential ist, wird sich der Verarmungsbereich immer noch verengen?
@ user545735 Ja, jede externe Vorspannung ändert die Breite des Verarmungsbereichs. Rückwärtsspannung bewirkt, dass es breiter wird, Vorwärtsspannung bewirkt, dass es kleiner wird. Abgesehen davon ist die externe Vorwärtsspannung jedoch immer kleiner als das eingebaute Diodenpotential für echte Dioden. Sie würden verbrennen, wenn Sie sie weit genug vorwärts vorspannen, um das eingebaute Potenzial zu überschreiten.
Obwohl die externe Vorspannung in Durchlassrichtung anfangs kleiner als die eingebaute Spannung ist, nimmt die eingebaute Spannung nach dem Anschließen ab und wird kleiner als die externe Spannung. Somit fließt Strom. Habe ich es richtig gesagt?
@ user545735 Die eingebaute Spannung ist eine Konstante. Die externe Vorspannung ändert die Barrierenhöhe. Die Barrierenhöhe entspricht der eingebauten Spannung, wenn die externe Vorspannung 0 ist. Strom fließt unter Vorwärtsspannung, selbst wenn eine Barriere vorhanden ist, da Elektronen auf einer Energieverteilung existieren und einige genug Energie haben, um die Barriere zu überwinden.
Je mehr also die externe Vorspannung ansteigt, desto mehr nimmt die Barrierenhöhe ab, und je mehr die Barrierenhöhe abnimmt, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein freies Elektron in der Lage sein wird, die Barrierenhöhe zu überwinden und in den Halbleiter vom p-Typ einzudringen der Halbleiter vom n-Typ. Der Strom steigt also mit der Erhöhung der Vorspannung. Habe ich es jetzt verstanden?
@ user545735 Ja. Genau das passiert. Dies ist auch der Grund, warum die IV-Kurve der Diode exponentiell zur Spannung ist. Die Elektronenpopulation ist (ungefähr) eine abklingende Exponentialfunktion, wenn die Energie über der Leitungsbandkante zunimmt. (dasselbe gilt für Löcher, wenn Sie die Energie unterhalb der Valenzbandkante erhöhen). Das Reduzieren der Barriere ermöglicht es einer exponentiell ansteigenden Anzahl von Trägern, die Barriere zu überwinden.
Eindrucksvoll! Aber damit der Strom vom negativen zum positiven Anschluss der externen Vorspannung aufgebaut wird, sollten die Elektronen, die von der externen Vorspannung kommen, genug kinetische Energie haben, um die Barrierenhöhe zu überwinden, richtig? Wenn dies der Fall ist, wie kann dann ein beliebiger Strom vom negativen zum positiven Anschluss der externen Vorspannung aufgebaut werden, wenn seine Spannung kleiner als die Barrierenhöhe ist?
Macht nichts, habe die Antwort bekommen. electronic.stackexchange.com/a/570902/287085
Dynamischer Widerstand von Dioden und der Verarmungszone
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