Een positieve spanning aan de p-kant en een negatieve aan de n-kant. De barrière wordt lager en er loopt gemakkelijk stroom. In omgekeerde richting spreekt men van sperrichting (reverse bias), waarbij nauwelijks stroom loopt.
Japanse benaming: 順方向バイアス
“Voorwaartse voorspanning (forward bias)” komt voor in 3 oefenvragen uit 2 onderwerpen, bijv. PN-overgang en diode, Halfgeleiderfysica.
Vakgebied: PN-overgang en diode
In evenwicht heeft een pn-overgang een barrière door de ingebouwde spanning, en de diffusiestroom van meerderheidsladingsdragers die die barrière proberen over te steken, heft de driftstroom die door het junctieveld wordt teruggeduwd precies op, zodat de netto stroom nul is. Voorwaartse voorspanning, waarbij de p-zijde positief wordt gemaakt, werkt de ingebouwde spanning tegen en verlaagt de barrière. Gaten van de p-zijde en elektronen van de n-zijde diffunderen dan in grote aantallen naar de overkant en worden geïnjecteerde minderheidsladingsdragers die recombineren terwijl ze zich verspreiden. Diffusie weegt nu zwaarder dan drift, en de stroom stijgt exponentieel volgens I ≈ Is(exp(qV/nkT) − 1).
Bij kamertemperatuur is kT/q ongeveer 26 mV, dus een ideale diode (idealiteitsfactor n = 1) heeft ongeveer 60 mV meer voorwaartse spanning nodig voor elke vertienvoudiging van de stroom, of in het algemeen n × 60 mV; de helling van een semilogaritmische I-V-grafiek geeft n. Omdat de stijging exponentieel is, lijkt een siliciumdiode bij typische kleinsignaalstromen rond 0,6–0,7 V aan te gaan, al is er geen scherpe drempel. Bij constante stroom daalt de voorwaartse spanning van een siliciumovergang met ruwweg 2 mV per °C, een eigenschap die voor temperatuurmeting wordt gebruikt.
Sperspanning verhoogt de barrière en verbreedt de depletielaag, waardoor er tot de doorslag alleen een minieme stroom van thermisch gegenereerde minderheidsladingsdragers overblijft. Ook de dominante capaciteit verschilt. Bij sperspanning is dat de depletiecapaciteit (junctiecapaciteit). Bij voorwaartse voorspanning creëren geïnjecteerde minderheidsladingsdragers die bij de overgang zijn opgeslagen een diffusiecapaciteit, ruwweg Cd ≈ τI/(nkT/q), die met de stroom groeit en enkele nanofarads kan bereiken. Die opgeslagen lading moet worden verwijderd voordat een diode of transistor kan uitschakelen, wat de schakelsnelheid beperkt.
Een bipolaire transistor in het actieve gebied heeft een basis-emitterovergang in voorwaartse richting; in verzadiging staat ook de basis-collectorovergang in voorwaartse richting, wat een VCE van slechts ongeveer 0,1–0,2 V geeft, maar door opgeslagen lading een traag uitschakelgedrag. Leds zenden licht uit wanneer voorwaarts geïnjecteerde ladingsdragers stralend recombineren. Een PIN-diode met voorwaartse voorspanning overspoelt haar intrinsieke laag met ladingsdragers, wat haar weerstand verlaagt (geleidbaarheidsmodulatie), en dat maakt haar bruikbaar als RF-schakelaar. Optische modulatoren in silicium die bij voorwaartse voorspanning ladingsdragers injecteren, zijn efficiënt maar worden beperkt door levensduren van ladingsdragers in de orde van nanoseconden, dus snelle ontwerpen gebruiken in plaats daarvan depletie bij sperspanning.
Antwoord: C. Een gradiënt in de ladingdragerconcentratie (concentratieverschil)
Ladingdragers hebben de neiging zich te verspreiden van een plaats met hoge naar een plaats met lage concentratie, en de stroom die door deze concentratiegradiënt vloeit, is de diffusiestroom (J = qD·dn/dx). De oorzaak verschilt van de driftstroom, die door een elektrisch veld wordt versneld. In een pn-junctie heffen beide elkaar in evenwicht precies op zodat de stroom 0 is, en bij voorwaartse voorspanning wint de diffusiestroom en vloeit er stroom. Ook de stroom door de basis van een bipolaire transistor is hoofdzakelijk diffusiestroom.
Antwoord: A. De p-zijde positief en de n-zijde negatief maken
Wanneer de p-zijde (anode) positief en de n-zijde (kathode) negatief wordt gemaakt, werkt de externe spanning de ingebouwde potentiaal tegen, daalt de potentiaalbarrière en worden meerderheidsladingdragers over de junctie naar de andere zijde geïnjecteerd. Dit is voorwaartse voorspanning, en de stroom neemt exponentieel toe met de spanning. Bij omgekeerde aansluiting wordt de barrière hoger en vloeit slechts een zeer kleine stroom van thermisch gegenereerde minderheidsladingdragers. Bij gelijke potentiaal zijn diffusie en drift in evenwicht en is de stroom 0.
Verbind de p-zijde (anode) met de positievere potentiaal en de n-zijde (kathode) met de negatievere, zodat de aangelegde spanning de barrière van de overgang verlaagt.
Het aantal ladingsdragers met genoeg energie om de barrière over te steken volgt een boltzmannverdeling, dus het verlagen van de barrière met V vermenigvuldigt de geïnjecteerde stroom met ongeveer exp(qV/kT).
Junctiecapaciteit komt voort uit de depletielaag en domineert bij sperspanning. Diffusiecapaciteit komt voort uit minderheidsladingsdragers die bij voorwaartse voorspanning worden opgeslagen en groeit ruwweg evenredig met de stroom.
In een pn-junctie heffen beide elkaar in evenwicht precies op zodat de stroom 0 is, en bij voorwaartse voorspanning wint de diffusiestroom en vloeit er stroom.
Wat is de oorzaak van een diffusiestroom in een halfgeleide…Dit is voorwaartse voorspanning, en de stroom neemt exponentieel toe met de spanning.
Hoe wordt de spanning aangelegd om een pn-junctiediode in v…Bij voorwaartse voorspanning worden aan beide zijden van de junctie minderheidsladingdragers geïnjecteerd en opgeslagen, en omdat hun hoeveelheid met de spanning verandert, werkt dit als een capaciteit.
Welke capaciteit ontstaat bij een in voorwaartse richting v…Diffusiecapaciteit Junctiecapaciteit (depletiecapaciteit) Uitputtingslaag (depletion layer) Geleidbaarheidsmodulatie Idealiteitsfactor Ingebouwde spanning (built-in potential) Lawinedoorslag (avalanche breakdown) Ohms contact Schottky-barrièrediode Sperherstelltijd (reverse recovery time)