Επαφή/Δίοδος ΡΝ – Φυσική λειτουργία

Όπως αναφέρθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο, οι ημιαγωγοί με προσμίξεις είναι δυο τύπων. Οι ημιαγωγοί τύπου Ν έχουν περισσότερους αρνητικούς φορείς, δηλαδή έχουν περίσσεια ηλεκτρονίων και για το λόγο αυτό ονομάζονται τύπου Ν. Αντιθέτως οι ημιαγωγοί τύπου Ρ έχουν περίσσεια θετικών φορτίων ή οπών. Οι οπές είναι έλλειψη ηλεκτρονίων.

Όταν ένα μικρό κομμάτι ημιαγωγού τύπου Ν έλθει σ’ επαφή με κομμάτι ημιαγωγού τύπου Ρ, τότε δημιουργείται μια ένωση ΡΝ ή επαφή ΡΝ η οποία αποτελεί ένα ηλεκτρονικό εξάρτημα πολύ χρήσιμο και ονομάζεται δίοδος ΡΝ.

Η επαφή ΡΝ φαίνεται στο διπλανό σχήμα. Το σημείο της ένωσης παρίσταται με μια κάθετη διακεκομμένη γραμμή. Το τμήμα τύπου Ν αποτελείται από θετικά ιόντα πεντασθενούς στοιχείου και ελεύθερα ηλεκτρόνια. Υπάρχει επίσης μικρός αριθμός οπών. Στο τμήμα τύπου Ρ υπάρχουν αρνητικά ιόντα τρισθενούς στοιχείου, αρκετές οπές και μικρός αριθμός ηλεκτρονίων.

Την στιγμή της δημιουργίας της επαφής ΡΝ, τα ηλεκτρόνια από τον ημιαγωγό τύπου Ν που ευρίσκονται κοντά στο σημείο της ένωσης θα κινηθούν προς τον ημιαγωγό τύπου Ρ με σκοπό να επανασυνδεθούν με τις οπές που υπάρχουν εκεί. Έτσι δημιουργείται επανασύνδεση οπών και ηλεκτρονίων στα δυο τμήματα και έτσι δεξιά και αριστερά του σημείου επαφής και στο μεν ημιαγωγό τύπου Ν δημιουργείται ένα τμήμα με θετικά μόνο ιόντα χωρίς ηλεκτρόνια, στο δε ημιαγωγό τύπου Ρ δημιουργείται ένα τμήμα με αρνητικά μόνο ιόντα, χωρίς οπές. Αυτά τα δυο τμήματα είναι «απογυμνωμένα» από τους φορείς τους και αποτελούν μαζί την περιοχή απογύμνωσης όπως φαίνεται στο διπλανό σχήμα.

Έξω από την περιοχή απογύμνωσης η δομή των ημιαγωγών δεν έχει αλλάξει και αποτελείται από ιόντα και φορείς. Αυτό συμβαίνει διότι για να μπορέσει ένα ηλεκτρόνιο να επανασυνδεθεί με μια οπή ή αντίστροφα, πρέπει να υπερπηδήσει την περιοχή απογύμνωσης, η οποία όμως με τη συγκέντρωση των ιόντων σ’ αυτήν, αποτελεί ένα εμπόδιο και δημιουργεί ένα φραγμό δυναμικού. Το δυναμικό φραγμού παριστάνεται με V₀ και είναι μια διαφορά δυναμικού που η πολικότητα της αντιτίθεται στη διάχυση των φορέων.

Η επαφή ΡΝ που δημιουργήθηκε με τον πιο πάνω τρόπο λέγεται δίοδος ΡΝ διότι αφήνει να διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα από αυτήν μόνο προς μια κατεύθυνση όπως θα δούμε στη συνέχεια.

Για να δημιουργηθεί μια δίοδος ΡΝ, συνδέονται τα άκρα των δυο ημιαγωγικών τμημάτων τύπου Ρ και Ν με μεταλλικές επαφές και έτσι δημιουργείται η άνοδος της διόδου από την πλευρά του ημιαγωγού Ρ και η κάθοδος της διόδου στην πλευρά Ν. Η δίοδος ΡΝ συμβολίζεται με ένα βέλος στην πλευρά Ρ και μια γραμμή στην πλευρά Ν.

Η δίοδος ΡΝ σε ορθή και ανάστροφη πόλωση

Στην προηγούμενη παράγραφο η επαφή ΡΝ ήταν ανοικτή, δηλαδή δεν υπήρχε εξωτερική τάση στα άκρα της. Όταν εφαρμοστεί εξωτερική τάση στα άκρα μιας διόδου, υπάρχουν δυο τρόποι σύνδεσης της πηγής: κατά την ορθή και κατά την ανάστροφη φορά.

Πόλωση κατά την ορθή φορά.

Μια δίοδος είναι πολωμένη κατά την ορθή φορά εάν η εξωτερική πηγή είναι συνδεμένη στο κύκλωμα ώστε ο θετικός πόλος της να είναι στο τμήμα Ρ της διόδου και ο αρνητικός πόλος στο τμήμα Ν της διόδου. Ως γνωστόν σε μια ηλεκτρική πηγή υπάρχει μεγάλος αριθμός ηλεκτρονίων στον αρνητικό πόλο και μεγάλος αριθμός θετικών φορτίων στο θετικό πόλο. Με την αγώγιμη σύνδεση της πηγής με τη δίοδο κατά την ορθή φορά, τα θετικά φορτία από τον θετικό πόλο της πηγής πηγαίνουν στο τμήμα Ρ της διόδου και τα ηλεκτρόνια πηγαίνουν στο τμήμα Ν.

Με τον τρόπο αυτό η συγκέντρωση των οπών στο τμήμα Ρ μεγαλώνει, η περιοχή απογύμνωσης γίνεται στενότερη και ορισμένες οπές με μεγάλη κινητική ενέργεια καταφέρνουν να υπερπηδήσουν το φραγμό δυναμικού και να μπούν στο τμήμα Ν της διόδου. Η ίδια διαδικασία συμβαίνει και με τα ηλεκτρόνια της περιοχής Ν που εισέρχονται στο τμήμα Ρ.

Όσο αυξάνει η εξωτερική τάση τόσο η περιοχή απογύμνωσης γίνεται μικρότερη μέχρι που μηδενίζεται και έχουμε ροή ρεύματος στο κύκλωμα που ονομάζεται ρεύμα ορθής φοράς ή ρεύμα διάχυσης ΙF.

Η τιμή της εξωτερικής τάσης που πρέπει να εφαρμοστεί στη δίοδο για να διέλθει ρεύμα στο κύκλωμα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από το δυναμικό φραγμού που είναι μερικά δέκατα του Volt ( V>V₀=0,3V για γερμάνιο και 0,5V για πυρίτιο). Το ρεύμα έχει μικρή τιμή μέχρι μια τάση που λέγεται τάση κατωφλίου ή γόνατος Vγ, μετά την οποία το ρεύμα αυξάνεται εκθετικά. Η τάση γόνατος για μεν το γερμάνιο είναι 0,3V για δε το πυρίτιο είναι 0,7V.

Όσον αφορά δε το ρεύμα του εξωτερικού κυκλώματος αυτό είναι: I=I_F-I₀ όπου I₀ λέγεται ανάστροφο ρεύμα κόρου και είναι το ρεύμα που προέρχεται από την θερμική διέγερση του ημιαγωγού και η τιμή του είναι της τάξης των μικροαμπέρ (μΑ)

Πόλωση κατά την ανάστροφη φορά

Μια δίοδος ΡΝ είναι πολωμένη κατά την ανάστροφη φορά εάν ο θετικός πόλος της εξωτερικής πηγής είναι συνδεδεμένος με το τμήμα Ν της διόδου και ο αρνητικός πόλος με το τμήμα Ρ, όπως φαίνεται στο διπλανό σχήμα.

Μετά την αγώγιμη σύνδεση, τα θετικά φορτία από τον θετικό πόλο της πηγής εισέρχονται στο τμήμα Ν, σαν οπές και επανασυνδέονται με τα ηλεκτρόνια που υπάρχουν εκεί σε μεγάλη συγκέντρωση. Με τον ίδιο μηχανισμό, τα ηλεκτρόνια από τον αρνητικό πόλο της πηγής εισέρχονται στο τμήμα Ρ και επανασυνδέονται με τις οπές που υπάρχουν εκεί σε μεγάλη συγκέντρωση.

Με τις επανασυνδέσεις αυτές η περιοχή απογύμνωσης αυξάνει διότι δημιουργούνται περισσότερα «απογυμνωμένα» θετικά και αρνητικά ιόντα.

Ορισμένα ηλεκτρόνια που έχουν αρκετή κινητική ενέργεια διότι προκύπτουν από την διάσπαση των δεσμών των ατόμων του ημιαγωγού, υπερπηδούν και τη νέα περιοχή απογύμνωσης και έτσι στο κύκλωμα υπάρχει ρεύμα Ιο που λέγεται ανάστροφο ρεύμα κόρου και είναι πολύ μικρό (της τάξης μΑ). Το ρεύμα μπορεί να αυξηθεί με παροχή εξωτερικής ενέργειας όπως θερμική, ηλεκτρική ή φωτεινή.

Χαρακτηριστική καμπύλη διόδου ΡΝ

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, κατά την ορθή πόλωση της διόδου με την αύξηση της τάσης θα υπάρχει κατ΄ αρχή ένα μικρό ρεύμα και μετά την τάση γόνατος Vγ μια μεγάλη αύξηση του ρεύματος. Αντίθετα, κατά την ανάστροφη φορά θα υπάρχει ένα πολύ μικρό ρεύμα, σχεδόν σταθερό, το οποίο θα αυξήσει ελάχιστα την τιμή του μέχρις ότου η τάση θα φθάσει μια ορισμένη τιμή, που καλείται τάση διάσπασης ή Zener, όποτε το ρεύμα αυξάνεται απότομα. Συνεπώς υπάρχουν τρεις περιοχές στη χαρακτηριστική καμπύλη I-V μιας διόδου: η περιοχή ορθής πόλωσης, η περιοχή ανάστροφης πόλωσης και η περιοχή διάσπασης. Στο σχήμα φαίνεται η τυπική χαρακτηριστική πυριτίου.

Συμβολισμός διόδων