Ang isang PN junction ay nagbabago ng pag-uugali nito depende sa bias na inilalapat. Ang pasulong na bias ay nagbibigay-daan sa kasalukuyang dumaloy sa pamamagitan ng pagbabawas ng hadlang sa junction, habang ang reverse bias ay humahadlang sa kasalukuyang sa pamamagitan ng pagpapalawak ng rehiyon ng pagkaubos. Ang mga epektong ito ay nakakaimpluwensya sa paggalaw ng carrier, tugon ng boltahe, pag-uugali ng temperatura, at pagkasira. Ang artikulong ito ay nagbibigay ng impormasyon tungkol sa pasulong at baligtad na bias mula sa istraktura hanggang sa tunay na pag-uugali ng circuit.
PN Junction Barrier sa Forward at Reverse Bias
Ang isang PN junction ay nilikha sa pamamagitan ng pagsali sa isang rehiyong P-type, na naglalaman ng karamihan sa mga butas, na may isang rehiyong N-type, na naglalaman ng karamihan sa mga elektron. Kapag nagtagpo ang dalawang rehiyong ito, ang mga electron at butas ay nagkakalat sa hangganan at muling pinagsama-sama, na nag-iiwan ng mga nakapirming sisingilin na ion. Ang prosesong ito ay bumubuo ng isang rehiyon ng pagkaubos na may napakakaunting mga mobile charge at isang panloob na electric field. Ang electric field ay gumagawa ng isang built-in na potensyal, o panloob na boltahe, na kumikilos bilang isang hadlang sa paggalaw ng singil.
Kapag ang junction ay pasulong-biased, ang inilapat na boltahe ay sumasalungat sa hadlang na ito at pinapayagan ang mga singil na tumawid sa junction nang mas madali. Kapag ang junction ay reverse-biased, ang inilapat na boltahe ay nagdaragdag sa hadlang, pagpapalawak ng rehiyon ng pagkaubos at paghihigpit sa kasalukuyang daloy.
Pasulong at Reverse Bias sa isang PN Junction
Pasulong na bias
Sa pasulong na bias, ang positibong terminal ng baterya ay konektado sa P side (anode), at ang negatibong terminal ay konektado sa N side (cathode). Ang inilapat na boltahe ay nagtutulak laban sa built-in na potensyal at ginagawang mas payat ang rehiyon ng pagkaubos. Pinapayagan nito ang mga carrier ng singil na tumawid sa junction nang mas madali, kaya maaaring dumaloy ang kasalukuyang.
Reverse bias
Sa reverse bias, ang positibong terminal ay konektado sa N side (cathode), at ang negatibong terminal ay konektado sa P side (anode). Ang inilapat na boltahe ay nagdaragdag sa built-in na potensyal at ginagawang mas malawak ang rehiyon ng pagkaubos. Hinaharangan nito ang karamihan sa mga carrier ng singil, kaya ang kasalukuyang daloy ay nagiging napakaliit.
Rehiyon ng pagkaubos sa Forward Bias kumpara sa Reverse Bias
| Kondisyon ng bias | Lapad ng pagkaubos | Electric field | Epekto sa kasalukuyang |
|---|---|---|---|
| Walang bias | Katamtaman | Mula sa N side hanggang P side | Isang maliit na agos lamang ang dumadaloy |
| Pasulong na bias | Nakakakuha ng thinner | Ang net field ay nagiging mas mahina | Mas madali ang mga singil na tumawid sa junction, kaya dumadaloy ang kasalukuyang |
| Reverse bias | Nagiging mas malawak | Ang net field ay nagiging mas malakas | Karamihan sa mga singil ay hinarangan, kaya isang maliit na agos ng pagtagas lamang ang dumadaloy |
Sa pasulong na bias, ang mas manipis na rehiyon ng pagkaubos ay nangangahulugang ang hadlang ay mas mababa, kaya ang mga singil ay maaaring lumipat sa buong PN junction at ang kasalukuyang ay maaaring dumaloy. Sa reverse bias, ang mas malawak na rehiyon ng pagkaubos ay ginagawang mas malakas ang hadlang, kaya ang junction ay nakaharang sa karamihan ng kasalukuyan at kumikilos halos tulad ng isang bukas na switch para sa DC.
Mga Band ng Enerhiya sa Forward Bias kumpara sa Reverse Bias
Pasulong na bias
Sa pasulong na bias, ang mga banda ng enerhiya sa mga gilid ng P at N ay ikiling upang ang hadlang sa pagitan ng mga ito ay nagiging mas mababa. Ang mga elektron sa N side at mga butas sa P side ay nangangailangan ng mas kaunting enerhiya upang tumawid sa junction. Habang ang inilapat na boltahe ay malapit sa pasulong na boltahe ng diode, maraming mga carrier ang maaaring lumipat sa kabuuan, kaya ang kasalukuyang lumalaki nang mabilis.
Reverse bias
Sa reverse bias, ang mga banda ay ikiling sa kabaligtaran na paraan, at ang hadlang ay nagiging mas mataas para sa mga carrier ng karamihan. Maliit na bilang lamang ng mga carrier ng minorya ang may sapat na enerhiya upang tumawid. Pinapayagan lamang nito ang isang maliit na reverse current na dumaloy, at mananatili itong halos pare-pareho hanggang sa maabot ng diode ang breakdown region nito.
Pag-uugali ng I-V sa Forward Bias kumpara sa Reverse Bias
Ang isang PN junction diode ay may iba't ibang pag-uugali ng kasalukuyang-boltahe (I-V) sa pasulong na bias at reverse bias. Sa pasulong na bias, ang hadlang ay ibinaba, kaya ang kasalukuyang ay maaaring lumaki nang mabilis sa sandaling ang boltahe ay sapat na mataas. Sa reverse bias, ang hadlang ay itinaas, kaya isang maliit na kasalukuyang dumadaloy lamang hanggang sa ang reverse boltahe ay nagiging sapat na malaki upang maging sanhi ng pagkasira.
| Rehiyon | Pag-sign ng boltahe | Kasalukuyang antas | Pangunahing pag-uugali |
|---|---|---|---|
| Pasulong (bago tuhod) | #CALC! | Maliit | Ang hadlang ay naglilimita pa rin sa kasalukuyang |
| Pasulong (pagkatapos ng tuhod) | + mas malaki | Malaki, mabilis na tumataas | Ang diode ay gumaganap tulad ng isang mababang landas ng paglaban |
| Baligtarin (normal) | − katamtaman | Napakaliit na pagtagas | Tanging mga carrier ng minorya ang lumipat |
| Baligtarin ang pagkasira | − malaki | Napakalaki (kung hindi limitado) | Pagkasira ng Zener o avalanche |
singilin ang daloy ng carrier sa pasulong na bias kumpara sa reverse bias
Sa isang PN junction, ang pag-uugali ng charge carrier ay lubos na nakasalalay sa inilapat na bias.
Sa ilalim ng forward bias, ang mga carrier ng karamihan ay nangingibabaw sa conduction. Ang mga elektron ay lumilipat mula sa rehiyon ng N patungo sa rehiyon ng P, habang ang mga butas ay lumilipat mula sa rehiyon ng P patungo sa rehiyon ng N. Ang rehiyon ng pagkaubos ay nagiging manipis, ang paglaban ng junction ay mababa, at ang kasalukuyang tumataas nang mabilis sa boltahe.
Sa ilalim ng reverse bias, ang mga carrier ng karamihan ay hinihila palayo sa junction, na nagpapalawak ng rehiyon ng pagkaubos. Ang kasalukuyang ay higit sa lahat dahil sa mga carrier ng minorya na swept sa junction ng electric field. Ang reverse current na ito ay nananatiling napakaliit at halos pare-pareho hanggang sa mangyari ang pagkasira.
Ang kaibahan sa pagitan ng pagpapadaloy ng mayorya-carrier sa pasulong na bias at pagpapadaloy ng minorya-carrier sa reverse bias ay tumutukoy sa pangunahing pag-uugali ng paglipat ng mga aparato ng PN junction.
Reverse Breakdown sa Reverse Bias vs Forward Bias
Sa reverse bias, kung ang reverse boltahe ay nagiging sapat na malaki, ang PN junction ay maaaring pumasok sa reverse breakdown. Hindi ito nangyayari sa normal na operasyon ng forward bias. Sa pagkasira, mabilis na tumataas ang kasalukuyan, at maaaring lumitaw ang dalawang pangunahing mekanismo: pagkasira ng Zener at pagkasira ng avalanche.
| Mekanismo | Uri ng junction | Tipikal na boltahe ng pagkasira | Pangunahing sanhi ng pagkasira |
|---|---|---|---|
| Pagkasira ng Zener | Mabigat na doped, makitid na junction | Mas mababang boltahe (ilang V) | Ang malakas na patlang ng kuryente ay nagbibigay-daan sa mga electron na lagusan sa puwang |
| Pagkasira ng avalanche | Bahagyang doped, mas malawak na junction | Mas mataas na boltahe | Ang mga mabilis na carrier ay tumama sa mga atomo at nagpapalaya ng higit pang mga carrier |
Pag-uugali ng Temperatura sa Pasulong na Bias kumpara sa Reverse Bias
Pasulong na bias
Habang tumataas ang temperatura, bumababa ang pasulong na boltahe sa buong diode. Para sa isang silikon diode, ito ay bumaba pagbabago sa pamamagitan ng tungkol sa -2 mV bawat ° C sa paligid ng normal na kasalukuyang mga antas. Sa parehong inilapat na boltahe, ang isang mas mainit na diode ay magpapahintulot sa mas pasulong na kasalukuyang daloy.
Reverse bias
Sa reverse bias, ang leakage current ay lumalaki sa temperatura dahil mas maraming mga carrier ng minorya ang nilikha ng init sa loob ng semiconductor. Ang baligtad na boltahe ng pagkasira ay maaari ring magbago sa temperatura: Ang pagkasira ng uri ng Zener ay madalas na bumababa sa init, habang ang pagkasira ng uri ng avalanche ay madalas na tumataas.
Paglipat mula sa Forward Bias sa Reverse Bias
Baligtarin ang pag-uugali ng pagbawi
• Sa ilalim ng pasulong na bias, ang mga carrier ng minorya ay itinutulak nang malalim sa mga rehiyon ng P at N.
• Kapag ang boltahe ay binaligtad, ang mga carrier na ito ay sumusuporta pa rin sa kasalukuyang para sa isang maikling panahon.
• Ang isang reverse recovery kasalukuyang dumadaloy hanggang sa ang naka-imbak na singil ay na-clear at ang diode ay maaaring ganap na harangan sa reverse bias.
Mga epekto sa operasyon ng circuit
• Nililimitahan kung gaano kabilis ang diode ay maaaring lumipat sa mga circuit ng kuryente.
• Nagdaragdag ng dagdag na pagkalugi dahil sa reverse recovery current.
• Maaaring maging sanhi ng pag-ring at ingay kapag ang mabilis na kasalukuyang pagbabago ay nakikipag-ugnayan sa circuit inductance.
Mga Paggamit ng Reverse Bias Kumpara sa Pasulong na Bias
Mga aplikasyon ng bias sa pasulong
Ginagamit ang pasulong na bias kapag kinakailangan ang kinokontrol na pagpapadalo. Kabilang sa mga karaniwang gamit ang pagwawasto, pagsangguni sa boltahe, sensing ng temperatura na may mga junction ng PN, at pag-clamp ng signal. Sa mga kasong ito, ang diode ay nagsasagawa ng kasalukuyang at nagpapanatili ng isang mahuhulaan na pagbagsak ng boltahe.
Reverse bias application
Ang reverse bias ay ginagamit kapag kinakailangan ang pagharang, paghihiwalay, o pag-uugali na nakasalalay sa boltahe. Ang mga reverse-biased junction ay lumilitaw sa mga aparatong proteksyon ng overvoltage, varactor diodes, photodiodes, at high-speed signal isolation. Ang kasalukuyang ay nananatiling minimal hanggang sa maabot ang isang tinukoy na kondisyon ng pagpapatakbo o pagkasira.
Konklusyon
Ang pasulong na bias at reverse bias ay kumokontrol kung ang isang PN junction ay nagsasagawa o hinaharangan ang kasalukuyang. Ang pasulong na bias ay nagpapababa ng hadlang at sumusuporta sa daloy ng singil, habang ang reverse bias ay nagpapalakas sa hadlang at nililimitahan ang kasalukuyang hanggang sa pagkasira. Ang lapad ng pagkaubos, mga banda ng enerhiya, mga epekto sa temperatura, pag-uugali ng paglipat, at mga mekanismo ng pagkasira ay magkasamang tumutukoy sa pagganap ng diode sa mga praktikal na elektronikong circuit.
Mga Madalas Itanong [FAQ]
Paano nakakaapekto ang doping sa isang PN junction sa ilalim ng bias?
Ang mas mabigat na doping ay nagpapaliit sa rehiyon ng pagkaubos, binabawasan ang pasulong na boltahe, at binabawasan ang reverse breakdown voltage.
Paano nagbabago ang kapasidad ng diode sa bias?
Ang reverse bias ay binabawasan ang junction capacitance, habang ang forward bias ay nagdaragdag ng epektibong capacitance dahil sa naka-imbak na singil.
Paano naiiba ang isang Schottky diode mula sa isang PN diode sa ilalim ng bias?
Ang mga diode ng Schottky ay lumipat nang mas mabilis at may mas mababang pasulong na boltahe ngunit mas mataas na pagtagas at mas mababang mga limitasyon ng boltahe ng baligtad.
Paano nakakaimpluwensya ang biasing sa ingay ng diode?
Ang pasulong na bias ay nagpapataas ng ingay ng pagbaril sa kasalukuyang; Ang reverse bias ay nananatiling tahimik hanggang sa malapit nang masira.
Paano maaaring makapinsala ang hindi wastong pagkiling sa isang diode?
Ang labis na pasulong na bias ay nagiging sanhi ng sobrang pag-init, habang ang labis na reverse bias ay humahantong sa pagkasira at pagkabigo ng pagtagas.
Paano ginagamit ang forward at reverse bias sa isang BJT?
Ang base-emitter junction ay pasulong-biased, at ang base-collector junction ay reverse-biased upang kontrolin ang kolektor kasalukuyang.
