Voorwaartse voorspanning versus sperrichting: breedte van de uitputtingslaag, barrière, stroom, capaciteit en toepassingen
Een pn-junctiediode gedraagt zich heel anders afhankelijk van de richting waarin de spanning wordt aangelegd. Bij voorwaartse voorspanning (doorlaatrichting) wordt de p-kant positief en de n-kant negatief gemaakt. De barrière van de junctie daalt, meerderheidsladingsdragers worden over de junctie geïnjecteerd en de stroom stijgt exponentieel met de spanning. Bij voorspanning in sperrichting wordt de p-kant negatief en de n-kant positief gemaakt. De barrière stijgt, de uitputtingslaag wordt breder en er loopt slechts een zeer kleine sperstroom. De doorlaatrichting wordt gebruikt voor gelijkrichting en om leds licht te laten uitzenden; de sperrichting voor lichtdetectie, spanningsgestuurde capaciteit en, met doorslag, spanningsstabilisatie.
| Kenmerk | Voorwaartse voorspanning (doorlaatrichting) | Sperrichting (reverse bias) |
|---|---|---|
| Hoe de spanning wordt aangelegd | p-kant (anode) positief, n-kant (kathode) negatief | p-kant (anode) negatief, n-kant (kathode) positief |
| Breedte van de uitputtingslaag | Smaller; evenredig met √(Vbi − V), waarbij Vbi de ingebouwde potentiaal is | Breder; evenredig met √(Vbi + VR). Als VR veel groter is dan de ingebouwde potentiaal, geeft vier keer de spanning ongeveer twee keer de breedte |
| Barrièrehoogte | Verlaagd tot q(Vbi − V) | Verhoogd tot q(Vbi + VR) |
| Stroom en beweging van ladingsdragers | Meerderheidsladingsdragers komen over de barrière, worden aan de andere kant geïnjecteerd en diffunderen daar als minderheidsladingsdragers (diffusiestroom) | Een zeer kleine stroom van thermisch gegenereerde minderheidsladingsdragers die door het veld in en nabij de uitputtingslaag worden meegevoerd |
| Stroom-spanningsrelatie | I ≈ Is·exp(qV/nkT). Met idealiteitsfactor n = 1 stijgt de stroom bij kamertemperatuur ongeveer tienvoudig per 60 mV. Silicium geleidt doorgaans een merkbare stroom vanaf ongeveer 0,6 tot 0,7 V | Een kleine stroom die nauwelijks van de spanning afhangt (ideaal −Is; in de praktijk komt er generatiestroom in de uitputtingslaag bij). Hij stijgt sterk met de temperatuur |
| Dominante capaciteit | Diffusiecapaciteit, door opgeslagen geïnjecteerde minderheidsladingsdragers; ze groeit ruwweg evenredig met de stroom (Cd ≈ τI/(nkT/q)) | Junctiecapaciteit (uitputtingscapaciteit), C = εA/W; ze daalt naarmate de sperspanning toeneemt |
| Rekenvoorbeeld (abrupte junctie, p-kant 1×10¹⁹ cm⁻³, n-kant 1×10¹⁶ cm⁻³, kamertemperatuur, uitputtingsbenadering) | Ingebouwde potentiaal ongeveer 0,89 V. Breedte van de uitputtingslaag ongeveer 0,34 µm bij 0 V en ongeveer 0,23 µm bij 0,5 V voorwaartse voorspanning | Breedte van de uitputtingslaag ongeveer 0,87 µm bij 5 V sperspanning en ongeveer 1,6 µm bij 20 V. De junctiecapaciteit bij 5 V is ongeveer 0,39 keer de waarde bij 0 V |
| Doorslag | Treedt niet op; bij hoge stroom beperken serieweerstand en opwarming de stroom | Boven een bepaalde spanning laat lawine- of zenerdoorslag de stroom sterk stijgen |
| Typische toepassingen | De geleidende richting in gelijkrichtschakelingen, lichtemissie in leds en laserdiodes, de basis-emitterjunctie van een BJT, temperatuursensoren | Fotodiodes, varactordiodes (variabele capaciteit), zenerdiodes (in doorslag gebruikt), lawinefotodiodes, junctie-isolatie tussen componenten |
De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.