PN Junctions

The PN Junction. How Diodes Work? (English version) (Lipiec 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

PN Junctions

Dyskretne urządzenia półprzewodnikowe i obwody


Pytanie 1

Nie siedź tam! Zbuduj coś !!

Nauka matematycznego analizowania obwodów wymaga dużo nauki i praktyki. Zazwyczaj uczniowie ćwiczą poprzez pracę z wieloma problemami i sprawdzanie swoich odpowiedzi w porównaniu z tymi dostarczonymi przez podręcznik lub instruktora. Chociaż jest to dobre, istnieje o wiele lepszy sposób.

Dowiesz się o wiele więcej, budując i analizując rzeczywiste obwody, pozwalając swojemu sprzętowi testowemu dostarczać "odpowiedzi" zamiast książki lub innej osoby. Aby odnieść sukces w budowaniu obwodów, wykonaj następujące kroki:

  1. Dokładnie zmierz i zanotuj wszystkie wartości składowe przed budową obwodu, wybierając wartości rezystorów wystarczająco wysokie, aby uszkodzić jakiekolwiek aktywne komponenty, które są mało prawdopodobne.
  2. Narysuj schemat obwodu, który będzie analizowany.
  3. Ostrożnie zbuduj ten obwód na płytce protezowej lub innym dogodnym podłożu.
  4. Sprawdź dokładność konstrukcji obwodu, po każdym przewodzie do każdego punktu połączenia i sprawdzaj te elementy jeden po drugim na schemacie.
  5. Matematycznie przeanalizuj obwód, rozwiązując wszystkie wartości napięcia i prądu.
  6. Dokładnie zmierz wszystkie napięcia i prądy, aby zweryfikować dokładność analizy.
  7. Jeśli wystąpią jakiekolwiek istotne błędy (większe niż kilka procent), dokładnie sprawdź konstrukcję obwodu względem diagramu, a następnie dokładnie oblicz ponownie wartości i ponownie zmierz pomiar.

Kiedy uczniowie najpierw zapoznają się z urządzeniami półprzewodnikowymi i najprawdopodobniej ich uszkodzą poprzez niewłaściwe połączenia w swoich obwodach, polecam eksperymentować z dużymi komponentami o dużej mocy (diody prostownicze 1N4001, tranzystory mocy TO-220 lub TO-3) itp.), a zamiast tego korzysta się z zasilanych bateriami suchych ogniw. Zmniejsza to prawdopodobieństwo uszkodzenia podzespołów.

Jak zwykle, unikaj bardzo wysokich i bardzo niskich wartości rezystorów, aby uniknąć błędów pomiarowych spowodowanych przez "ładowanie" licznika (na wyższym końcu) i uniknąć wypalenia tranzystora (na niskim końcu). Polecam rezystory od 1 kΩ do 100 kΩ.

Jednym ze sposobów zaoszczędzenia czasu i zmniejszenia prawdopodobieństwa błędu jest rozpoczęcie od bardzo prostego obwodu i stopniowe dodawanie składników w celu zwiększenia jego złożoności po każdej analizie, zamiast budowania zupełnie nowego obwodu dla każdego problemu praktycznego. Inną techniką oszczędzającą czas jest ponowne użycie tych samych komponentów w różnych konfiguracjach obwodów. W ten sposób nie będziesz musiał zmierzyć wartości żadnego składnika więcej niż jeden raz.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pozwól, by elektrony same udzieliły odpowiedzi na twoje własne "problemy praktyczne"!

Uwagi:

Z mojego doświadczenia wynika, że ​​studenci potrzebują wielu ćwiczeń z analizą obwodów, aby stać się biegły. W tym celu instruktorzy zwykle zapewniają swoim uczniom wiele problemów związanych z praktyką i udzielają odpowiedzi uczniom, którzy mogą sprawdzić swoją pracę. Takie podejście sprawia, że ​​uczniowie biegle posługują się teorią obwodów, ale nie potrafią ich w pełni wykształcić.

Uczniowie nie potrzebują jedynie praktyki matematycznej. Potrzebują także prawdziwych, praktycznych ćwiczeń w budowaniu obwodów i korzystaniu z urządzeń testowych. Sugeruję następujące alternatywne podejście: uczniowie powinni budować własne "problemy praktyczne" z rzeczywistymi komponentami i próbować matematycznie przewidywać różne wartości napięcia i prądu. W ten sposób teoria matematyczna "ożywa", a uczniowie zyskują praktyczną biegłość, której nie zyskaliby jedynie przez rozwiązywanie równań.

Innym powodem zastosowania tej metody jest nauczenie studentów metody naukowej : proces testowania hipotezy (w tym przypadku matematycznych przewidywań) poprzez przeprowadzenie prawdziwego eksperymentu. Uczniowie będą również rozwijać prawdziwe umiejętności rozwiązywania problemów, ponieważ czasami popełniają błędy konstrukcyjne obwodu.

Spędź kilka chwil ze swoją klasą, aby zapoznać się z niektórymi "zasadami" budowania obwodów przed ich rozpoczęciem. Porozmawiaj o tych problemach ze swoimi uczniami w taki sam sposób, w jaki zwykle omawiasz pytania z arkusza roboczego, zamiast po prostu mówić im, czego powinni i czego nie powinni robić. Nigdy nie przestaje mnie dziwić, jak słabo studenci chwytają instrukcje, gdy są prezentowane w typowym wykładzie (monolog instruktorski)!

Uwaga dla instruktorów, którzy mogą narzekać na "zmarnowany" czas wymagany do tego, aby uczniowie zbudowali rzeczywiste obwody zamiast tylko matematycznej analizy obwodów teoretycznych:

Jaki jest cel studentów, którzy biorą udział w kursie "itemsheetpanel panel-default" itemscope>

pytanie 2

Zależność między napięciem a prądem dla złącza PN jest opisana przez to równanie, czasami określane jako "równanie diody" lub "Równanie diody Shockleya" po jego odkrywcy:

I D = I S (e ((qV D ) / NkT) - 1)

Gdzie,

I D = Prąd przez złącze PN, we wzmacniaczach

I S = Prąd nasycenia węzła PN, w amperach (zwykle 1 picoamp)

e = numer Eulera ≈ 2.718281828

q = ładunek jednostki elektronowej, 1, 6 × 10 -19 kulombów

V D = Napięcie na łączu PN, w woltach

N = współczynnik nieidentyczności lub współczynnik emisji (zwykle od 1 do 2)

k = stała Boltzmanna, 1, 38 × 10-23

T = temperatura złącza, stopnie Kelvina

Na początku to równanie może wydawać się bardzo zniechęcające, dopóki nie zdasz sobie sprawy, że są w nim naprawdę tylko trzy zmienne: I D, V D i T. Wszystkie pozostałe terminy są stałe. Ponieważ w większości przypadków zakładamy, że temperatura jest dość stała, tak naprawdę mamy do czynienia tylko z dwiema zmiennymi: prąd diodowy i napięcie diody. Opierając się na tej realizacji, należy zapisać to równanie jako proporcjonalność, a nie równość, pokazując, w jaki sposób odnoszą się dwie zmienne prądu i napięcia diody:

I D α. . .

W oparciu o to uproszczone równanie, jak wyglądałby wykres I / V dla złącza PN? Jak ten wykres porównuje się z wykresem I / V dla rezystora?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Uproszczona proporcjonalność:

I D α e V D

Wykres opisany przez "formułę diody" jest standardową krzywą wykładniczą, rosnącą gwałtownie w miarę wzrostu zmiennej niezależnej (VD, w tym przypadku). Odpowiedni wykres dla rezystora jest oczywiście liniowy.

Uwagi:

Poproś uczniów, aby naszkicowali własne interpretacje krzywej wykładniczej na tablicy, aby wszyscy mogli je zobaczyć. Nie pozwól im uciec z papugowaniem odpowiedzi: "To wykładnicza krzywa".

pytanie 3

Charakterystyczna barwna poświata od wyładowczego światła elektrycznego jest wynikiem energii emitowanej przez elektrony w atomach gazu, gdy spadają one z stanów "wzbudzonych" wysokiego poziomu z powrotem do ich stanów naturalnych ("gruntowych"). Jako ogólna zasada zachowań elektronów, muszą one absorbować energię z zewnętrznego źródła, aby przejść na wyższy poziom i uwalniają tę energię po powrocie do pierwotnego poziomu.

Biorąc pod uwagę istnienie tego zjawiska, podejrzewamy, że może wystąpić wewnątrz złącza PN, ponieważ przewodzi on prąd elektryczny "# 3"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Złącza PN emitują energię o charakterystycznej długości fali podczas przewodzenia prądu. W przypadku niektórych typów połączeń PN, długości fal znajdują się w widzialnym zakresie światła.

Pytanie uzupełniające: z jakiej praktycznej aplikacji możesz wymyślić to zjawisko?

Uwagi:

Praktyczne zastosowanie tego zjawiska powinno być oczywiste i jest bardzo powszechne w nowoczesnym sprzęcie elektronicznym. Porozmawiaj ze swoimi uczniami o efektywności energetycznej tej emisji światła w porównaniu z żarówką.

Pytanie 4

Gdy elementy półprzewodnikowe typu "P" i "N" zostaną doprowadzone do bliskiego kontaktu, wolne elektrony z części "N" będą pędzić, aby wypełnić dziury w elemencie "P", tworząc strefę po obu stronach obszaru styku pozbawionego nośniki ładunku. Jak nazywa się ta strefa i jakie są jej właściwości elektryczne?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Nazywa się to obszarem wyczerpania i zasadniczo jest to izolator w temperaturze pokojowej.

Uwagi:

Uczniowie powinni wiedzieć, że zarówno półprzewodniki typu "N", jak i "P" są elektrycznie przewodzące. Tak więc, gdy obszar zubożenia tworzy się w strefie kontaktu między dwoma różnymi typami półprzewodników, musi to mieć wpływ na przewodność od końca do końca. Zapytaj uczniów, jaki jest ten efekt i jakie czynniki mogą mieć na to wpływ.

Pytanie 5

Co dzieje się z grubością obszaru zubożenia w złączu PN, gdy przykładane jest do niego napięcie zewnętrzne?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Odpowiedź na to pytanie zależy całkowicie od polaryzacji zastosowanego napięcia! Jedna polaryzacja ma tendencję do rozszerzania obszaru zubożenia, podczas gdy przeciwna biegunowość ma tendencję do kompresji. Pozwolę ci określić, która polaryzacja wykonuje jaką akcję, na podstawie twoich badań.

Uwagi:

Zapytaj uczniów, jaki wpływ ma ta zmiana grubości warstwy zubożającej na przewodnictwo ogólne w złączu PN. W jakich warunkach przewodnictwo będzie największe, a pod jakimi warunkami konduktywność będzie najmniejsza?

Pytanie 6

Pokazane są tutaj dwa diagramy energii: jeden dla półprzewodnikowego typu "P", a drugi dla typu "N".

Dalej jest schemat energetyczny pokazujący stan początkowy, gdy te dwa kawałki materiału półprzewodnikowego są doprowadzane do kontaktu ze sobą. Nazywane jest to diagramem płaskiego pasma :

Stan reprezentowany przez diagram "flatband" jest z całą pewnością tymczasowy. Dwa różne poziomy Fermiego są niekompatybilne ze sobą w przypadku braku zewnętrznego pola elektrycznego.

Narysuj nowy diagram energii przedstawiający końcowe stany energii po wyrównaniu dwóch poziomów Fermiego.

Uwaga: E f oznacza poziom energii Fermiego, a nie napięcie. W fizyce E zawsze oznacza energię, a V - potencjał elektryczny (napięcie).

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Elektrony z kawałka N rzuciły się, aby wypełnić dziury w elemencie P, aby uzyskać niższy stan energii i wyrównać dwa poziomy Fermiego. To przemieszczenie nośników ładunku stworzyło pole elektryczne, które odpowiada nachylonym pasom energii w środkowym obszarze.

Pytanie uzupełniające: co to jest ten środkowy region o nazwie "notatki ukryte"> Uwagi:

To jedno z tych pojęć, których nie mogłem zrozumieć, gdy nie rozumiałem kwantowej natury elektronów. W modelu atomowym "planetarnym" nie ma żadnego powodu, dla którego elektrony poruszałyby się z elementu N do elementu P, gdyby nie pole elektryczne popychające je w tym kierunku. I odwrotnie, gdy pole elektromagnetyczne zostało wytworzone przez nierównowagę elektronów, swobodna planetarna teoria przewidywałaby, że elektrony przemieszczają się z powrotem tam, skąd przyszły, aby zneutralizować pole.

Kiedy zrozumiesz znaczenie skwantyzowanych stanów energii i zasadę, że cząsteczki nie "trzymają się" niepotrzebnej energii, a zatem pozostają w wysokich stanach, kiedy mogą zejść na niższy poziom, koncepcja staje się znacznie jaśniejsza.

Pytanie 7

Narysuj wykres energetyczny dla połączenia półprzewodnikowego PN pod wpływem odwrotnego napięcia zewnętrznego.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Uwaga: E f oznacza poziom energii Fermiego, a nie napięcie. W fizyce E zawsze oznacza energię, a V - potencjał elektryczny (napięcie).

Uwagi:

Bardzo ważne jest, aby uczniowie rozumieli wpływ pola elektrycznego na zakresy energii.

Pytanie 8

Narysuj schemat energetyczny złącza półprzewodnikowego PN pod wpływem zewnętrznego napięcia napięciowego.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Uwaga: E f oznacza poziom energii Fermiego, a nie napięcie. W fizyce E zawsze oznacza energię, a V - potencjał (napięcie).

Uwagi:

Bardzo ważne jest, aby uczniowie rozumieli wpływ pola elektrycznego na zakresy energii.

Pytanie 9

Narysuj wykres energetyczny dla złącza półprzewodnikowego PN pokazujący ruch elektronów i otworów przewodzących prąd elektryczny.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Aby wyraźnie widzieć działanie nośników ładunku (ruchomych elektronów i dziur), nie poruszające się elektrony w pasmach wartościowości nie są pokazane:

Znaki "+" i "-" pokazują miejsca zjonizowanych atomów akceptora i donora, które pobierały ładunki elektryczne, aby odpowiednio utworzyć dziury pasma wartościowości i elektrony pasma przewodzenia.

Uwaga: E f oznacza poziom energii Fermiego, a nie napięcie. W fizyce E zawsze oznacza energię, a V - potencjał (napięcie).

Uwagi:

Uczniowie zapewne zapytają, dlaczego w paśmie walencyjnym typu N widać kilka dziur i dlaczego w paśmie przewodzenia typu P jest kilka elektronów. Daj im znać, że tylko dlatego, że materiały typu N są specjalnie zaprojektowane do posiadania elektronów z pasmami przewodzącymi, nie oznacza to, że są całkowicie pozbawione dziur w pasmach walencyjnych i na odwrót! To, co widzą tu twoi uczniowie, to przewoźnicy mniejszościowi .

Pytanie 10

Czy jest to dioda skierowana do przodu lub przeciwnie do kierunku odwrotnego "//www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/02299x01.png">

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Ta dioda jest odwrócona.

Uwagi:

Nic tu nie można komentować!

Pytanie 11

Włóż diodę do tego schematu obwodu we właściwym kierunku, aby przesunąć ją do przodu pod wpływem napięcia baterii:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Uwagi:

Nic tu nie można komentować!

Pytanie 12

Większość podręczników powie ci, że krzemowe złącze PN spada o 0, 7 wolta, gdy naprzód jest przesunięte do przodu, a złącze germanu PN spada o 0, 3 wolta, gdy jest przesunięte do przodu. Zaprojektuj obwód, który testuje "napięcie przewodzenia" (V F ) diody łączącej PN, abyś mógł zmierzyć napięcie samodzielnie, bez użycia specjalnego miernika testującego diody.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Uwagi:

Zapytaj uczniów, w jaki sposób określiliby rozmiar rezystora do wykorzystania w tym obwodzie "testu diody". Dopuszczalne jest użycie dowolnych wartości rezystora, czy też wartość ma znaczenie znacznie "panel kontrolny panelu panelu domyślnie" itemscope>

Pytanie 13

Jeżeli złącze półprzewodnikowe PN jest odwrócone, najlepiej, aby nie przepływał przez niego prąd ciągły. Jednak w prawdziwym życiu będzie niewielka ilość prądu odchylenia zwrotnego, który przechodzi przez skrzyżowanie. Jak to jest możliwe? Co pozwala na przepływ prądu wstecznego?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Przenośniki mniejszościowe umożliwiają przepływ wsteczny przez złącze PN.

Uwagi:

Sprawdź z uczniami, czym są "przewoźnicy mniejszościowi" i zastosuj tę koncepcję w złączu PN. Śledź ruchy tych mniejszościowych nośników i porównuj je z ruchami nośników większości w przesuniętym do przodu złączu PN.

Pytanie 14

Równanie diody Shockleya w standardowej postaci jest dość długie, ale może być znacznie uproszczone w warunkach temperatury pokojowej. Zauważ, że jeśli przyjmuje się, że temperatura (T) jest temperaturą pokojową (25 o C), w równaniu są trzy stałe, które są takie same dla wszystkich połączeń PN: T, k i q.

I D = I S (e ((qV D ) / NkT) - 1)

Ilość (kT / q) jest znana jako napięcie cieplne złącza. Oblicz wartość tego napięcia termicznego, biorąc pod uwagę temperaturę pomieszczenia 25 o C. Następnie, zamień tę ilość na oryginalną "formułę diody", aby uprościć jej wygląd.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Jeśli uzyskałeś odpowiedź 2, 16 mV dla "napięcia termicznego", masz wartość temperatury w niewłaściwych jednostkach!

I D = I S (e ((V D ) / 0 0257 N) - 1)

Uwagi:

Oczywiście, studenci będą musieli zbadać różnicę między stopniami Kelvina i stopniami Celsjusza, aby z powodzeniem obliczyć napięcie termiczne dla skrzyżowania. Będą również musieli wymyślić, jak zastąpić tę liczbę w miejsce q, k i T w oryginalnym równaniu. Ten ostatni krok będzie trudny dla uczniów, którzy nie są silni w umiejętnościach algebry.

Dla tych studentów proponuję postawienie następującego pytania, aby właściwie pomyśleć o podstawianiu algebraicznym. Załóżmy, że mamy formułę y = x (ab / cd) i wiedzieliśmy, że (b / c) można zapisać jako m. W jaki sposób zastąpimy m w pierwotnym równaniu? Odpowiedź: y = x (am / d) .

Pytanie 15

Student ustawia obwód, który wygląda tak, aby zebrać dane do charakteryzowania diody:

Mierząc napięcie diody i prąd diody w tym obwodzie, uczeń generuje następującą tabelę danych:


Dioda VDioda


0, 600 V1, 68 mA


0, 625 V2, 88 mA


0, 650 V5, 00 mA


0, 675 V8, 68 mA


0, 700 V14, 75 mA


0, 725 V27, 25 mA


0, 750 V48, 2 mA


Ten student wie, że zachowanie złącza PN jest zgodne z równaniem diody Shockleya i że równanie można uprościć do następującej postaci:

I dioda = I S (e (( dioda V) / K) - 1)

Gdzie,

K = stała uwzględniająca zarówno napięcie termiczne, jak i współczynnik niejednoczeniowy

Celem tego eksperymentu jest obliczenie K i I S, aby prąd diody mógł być przewidywany dla dowolnej wartości spadku napięcia. Jednak równanie musi zostać nieco uproszczone, zanim uczeń będzie mógł kontynuować.

Przy znacznych poziomach prądu, wykładniczy termin jest znacznie większy niż jedność (e (( dioda V) / K) >> 1), więc równanie może być uproszczone jako takie:

I dioda ≈ I S (e (( dioda V) / K) )

Na podstawie tego równania określ, w jaki sposób uczeń obliczy K i I S z danych pokazanych w tabeli. Wyjaśnij także, w jaki sposób uczeń może zweryfikować dokładność obliczonych wartości.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

K ≈ 0, 04516

I S ≈ 2.869 nA

Podpowiedź: może to być trudny problem do rozwiązania, jeśli nie jesteś zaznajomiony z techniką algebraiczną dzielenia jednego równania na inny. Oto technika przedstawiona w sposób ogólny:

Podano: y 1 = topór 1 y 2 = topór 2

y 1


y 2

= topór 1


topór 2

Od tego momentu może być możliwe wykonywanie uproszczeń wcześniej. Proponuję użyć tej techniki, aby rozwiązać najpierw K.

Pytanie uzupełniające: wyjaśnij, jak ten uczeń wiedział, że "bezpiecznie" uprościć równanie Shockleya, eliminując termin "- 1". Czy tego rodzaju eliminacja jest zawsze dozwolona "uwagi ukryte"> Uwagi:

Technika algebraiczna używana do rozwiązywania K jest bardzo przydatna w przypadku niektórych rodzajów problemów.

Przedyskutuj następne pytanie ze swoimi uczniami. W dziedzinie matematyki technicznej ważne jest, aby dobrze rozumieć względne wartości terminów równania, tak aby można było "bezpiecznie" wyeliminować terminy jako technikę upraszczającą bez ponoszenia znaczących błędów. W równaniu Shockleya łatwo pokazać, że wykładniczy termin jest ogromny w porównaniu do 1 dla wartości diody V pokazanej w tabeli (przy założeniu typowej wartości napięcia termicznego), a więc część "- 1" jest bardzo bezpieczna wyeliminować.

Omów także koncepcję weryfikacji obliczonych wartości K i I S z uczniami, aby pomóc im w kultywowaniu naukowo krytycznego punktu widzenia w ich badaniach nad elektroniką.

Nawiasem mówiąc, dane w tej tabeli pochodzą z prawdziwego eksperymentu, skonfigurowanego dokładnie tak, jak pokazano na schemacie w pytaniu. Podjęto starania, aby uniknąć ogrzewania diody, obracając potencjometr do maksymalnej rezystancji między odczytami.

Pytanie 16

Aby uprościć analizę obwodów zawierających złącza PN, przyjmuje się "standardowy" spadek napięcia do przodu dla każdego złącza przewodzącego, dokładną liczbę w zależności od rodzaju materiału półprzewodnikowego, z którego wykonane jest połączenie.

Ile zakłada się spadek napięcia na przewodzącym krzemowym złączu PN? Ile jest założone napięcie dla złącza PN z przewężeniem do przodu? Wskaż niektóre czynniki, które powodują, że rzeczywisty spadek napięcia na skrzyżowaniu PN odbiega od jego "standardowej" wartości.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Krzem = 0, 7 wolta; German = 0, 3 wolta.

Temperatura, natężenie i stężenie domieszkowania wpływają na spadek napięcia w przewodzie PN.

Uwagi:

Widziałem zbyt wielu studentów, którzy mieli fałszywe wrażenie, że złącza krzemowe PN zawsze spadają o 0, 7 wolta, niezależnie od warunków. Ten "fakt" jest tak mocno podkreślany w wielu podręcznikach, że studenci zwykle nie myślą o tym, kiedy mierzą spadek napięcia diody i uważają, że jest znacznie inny niż 0, 7 wolta! Bardzo ważne jest, aby uczniowie zdali sobie sprawę, że ta wartość jest jedynie przybliżeniem, używaną w celu (znacznie) uproszczenia analizy obwodów półprzewodnikowych połączeń.

Pytanie 17


∫f (x) dx Calculus alert!


Złącze półprzewodnikowe PN skierowane do przodu nie ma "rezystancji" w taki sam sposób jak rezystor lub długość drutu. Jakakolwiek próba nałożenia Prawa Ohma na diodę jest od początku skazana na zagładę.

Nie znaczy to jednak, że nie możemy przypisać dynamicznej wartości oporu do złącza PN. Podstawowa definicja oporu pochodzi z Prawa Ohma i jest wyrażona w formie pochodnej jako takiej:

R = dV


dI

Podstawowe równanie dotyczące prądu i napięcia dla złącza PN to równanie Shockleya:

I = I S (e (qV / NkT) - 1)

W temperaturze pokojowej (około 21 stopni C lub 294 stopni K) napięcie termiczne złącza PN wynosi około 25 miliwoltów. Podstawiając 1 dla współczynnika nonideality, możemy po prostu równanie diody jako takie:

I = I S (e (V / 0, 025) - 1) lub I = I S (e 40 V - 1)

Rozróżnij to równanie w odniesieniu do V, aby określić (dI / dV), a następnie odwzajemnij, aby znaleźć matematyczną definicję dynamicznego oporu ((dV / dI)) złącza PN. Wskazówki: prąd nasycenia (I S ) jest bardzo małą stałą dla większości diod, a końcowe równanie powinno wyrażać opór dynamiczny w zakresie napięcia termicznego (25 mV) i prądu diody (I).

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

r ≈ 25 mV


ja

Uwagi:

Wynik tego wyprowadzenia jest ważny w analizie niektórych wzmacniaczy tranzystorowych, w których opór dynamiczny złącza bazowego emiter PN jest znaczący dla odchylenia i uzyskania aproksymacji. Pokazuję tutaj kroki rozwiązania, ponieważ jest to zgrabna aplikacja różnicowania (i podstawiania) w celu rozwiązania problemu w świecie rzeczywistym:

I = I S (e 40 V - 1)

dI


dV

= I S (40e 40 V - 0)

dI


dV

= 40 I S e 40 V

Teraz manipulujemy oryginalnym równaniem, aby uzyskać definicję I S e 40 V pod względem prądu, w celu zastąpienia:

I = I S (e 40 V - 1)

I = I S e 40 V - I S

I + I S = I S e 40 V

Zastępowanie tego wyrażenia w pochodnej:

dI


dV

= 40 (I + I S )

Ruch posuwisto-zwrotny w celu uzyskania napięcia nad prądem (właściwa forma dla rezystancji):

dV


dI

= 0, 025


I + I S

Teraz możemy pozbyć się obecnego terminu nasycenia, ponieważ jest on pomijalnie mały:

dV


dI

0, 025


ja

r ≈ 25 mV


ja

Stała 25 miliwoltów nie jest w żaden sposób ustawiona w kamieniu. Jego wartość zmienia się w zależności od temperatury i czasami jest podawana jako 26 mV lub nawet 30 mV.

Pytanie 18

Zmierzyć spadek napięcia przewodzenia krzemowej diody prostowniczej, na przykład modelu 1N4001. Jak blisko jest zmierzony spadek napięcia do przodu do "idealnej" wartości zwykle zakładanej dla krzemowych połączeń PN? Co się dzieje, gdy podnosisz temperaturę diody, trzymając ją palcami? Co się stanie, gdy obniżysz temperaturę diody dotykając kostki lodu?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Naprawdę myślałeś, że mam zamiar podać tutaj odpowiedź i zepsuć zabawę w tworzenie eksperymentu?

Uwagi:

Diody są wrażliwe na temperaturę, więc ten eksperyment będzie bardzo łatwy do przeprowadzenia. Możesz nie mieć lodu dostępnego w klasie, ale to jest w porządku. Twoi uczniowie powinni zdawać sobie sprawę, że takie eksperymenty są całkowicie sprawiedliwe w domu, gdzie prawdopodobnie mają dostęp do lodu.

Pytanie 19

Nieprzewodzący obszar wyczerpania złącza PN tworzy pasożytniczą pojemność między regionem półprzewodnikowym P i N. Czy zwiększanie lub zmniejszanie pojemności jako większe napięcie polaryzacji wstecznej jest stosowane do złącza PN? Wyjaśnij swoją odpowiedź.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pojemność złącza zmniejszy się wraz ze wzrostem napięcia wstecznego polaryzacji w złączu.

Pytanie dotyczące wyzwania: czy możesz wymyślić jakieś praktyczne zastosowania dla tego efektu zmiennej pojemności?

Uwagi:

To pytanie jest dobrym przeglądem teorii kondensatorów, a także okazją do wprowadzenia specjalnego rodzaju diody: varactor .

  • ← Poprzedni arkusz roboczy

  • Indeks arkusza roboczego

  • Następny arkusz roboczy →