10.7 : Vorspannung des P-N-Übergangs

Der Betrieb einer P-N-Übergangsdiode umfasst verschiedene Vorspannungsbedingungen, darunter Vorwärtsvorspannung, Rückwärtsvorspannung und Gleichgewicht.

Im Gleichgewicht wird keine externe Spannung über den P-N-Übergang angelegt. Die Verarmungszone wird an der Übergangsschnittstelle aufgrund der Diffusion von Trägern gebildet, die geladene Dotierstoffe, Akzeptoren auf der P-Seite und Donatoren auf der N-Seite hinterlassen. Diese unbeweglichen Ladungen erzeugen ein elektrisches Feld, das eine weitere Diffusion von Trägern verhindert. Das zugehörige Energiebanddiagramm zeigt, dass die Fermi-Niveaus auf beiden Seiten ausgerichtet sind, was auf Gleichgewicht hinweist. Das eingebaute Potenzial über dem Übergang verhindert den Nettofluss von Trägern über den Übergang.

Wenn die Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, verringert die angelegte Spannung das Sperrpotenzial und verengt die Breite der Verarmungszone. Infolgedessen können Träger den Übergang leicht überqueren, und das entsprechende Banddiagramm zeigt, dass sich die Energiebänder nach oben biegen, was auf die Verringerung des Sperrpotenzials hinweist. Der Strom durch die Diode bei Vorwärtsvorspannung steigt exponentiell mit der angelegten Spannung.

Bei Sperrvorspannung wird die externe Spannung in die entgegengesetzte Richtung angelegt, wodurch die Verarmungszone erweitert und das Sperrpotential erhöht wird, wodurch es für Ladungsträger schwieriger wird, die Verbindung zu überqueren, und der Stromfluss auf einen sehr kleinen Sperrsättigungsstrom reduziert wird. Das Energiebanddiagramm bei Sperrvorspannung zeigt, dass sich die Bänder nach unten biegen, was auf ein erhöhtes Sperrpotential hinweist. Der Strom bei Sperrvorspannung ist ein kleiner konstanter Wert. Er liegt nahe am Sättigungsstrom, hat jedoch das entgegengesetzte Vorzeichen, was den geringen Ladungsträgerfluss aufgrund der Wärmeerzeugung innerhalb der Verarmungszone widerspiegelt.