Name: p-n junction diode under bias
Uploaded: 2025-05-22T09:06:15.000Z
Duration: 1 min 16 s
Channel: JoVE

Bir LED içindeki pn bağlantısı, ışık üretmek için harici önyargı gerektirir.
İleri kutuplama, pilin pozitif terminali p tarafına ve negatif terminali n tarafına bağlı olacak şekilde pn bağlantısı boyunca bir voltaj uygulanmasını içerir. Uygulanan voltaj, bağlantı potansiyeline karşı çıkar ve bariyer genişliğini azaltır.
Bu azaltılmış bariyer genişliği, çoğunluk taşıyıcı difüzyonunu artırarak akım akışını sağlar. Difüzyon akımı, sürüklenme akımından daha yüksektir ve net akım, p'den n'ye ileri yönde akar.
Difüzyon sırasında, bağlantı bölgesindeki elektronların ve deliklerin yeniden kombinasyonu fotonlar yayarak LED'in parlamasını sağlar.
Ters kutuplamada, pilin pozitif terminali n tarafına ve negatif terminali p tarafına bağlanır.
Bu, uygulanan potansiyel bağlantı potansiyeline eklendiği için LED'in parlamasını önler, bu da bariyer genişliğinin artmasına ve çoğunluk taşıyıcı difüzyonunun azalmasına neden olur.
Net akım, azınlık taşıyıcılar nedeniyle elde edilen küçük sürüklenme akımıdır.
Ters öngerilim voltajı belirli bir eşiği aşarsa, bağlantı arızası meydana gelir ve bu da büyük bir akım akışına neden olur.

p-n kavşağının eğilimi

Bir p-n bağlantı diyotunun çalışması, ileri öngerilim, ters öngerilim ve denge dahil olmak üzere çeşitli öngerilim koşullarını içerir.
Dengede, p-n bağlantısına hiçbir harici voltaj uygulanmaz. Tükenme bölgesi, yüklü dopantları, p tarafında alıcıları ve n tarafında donörleri geride bırakan taşıyıcıların difüzyonu nedeniyle bağlantı arayüzünde oluşur. Bu hareketsiz yükler, taşıyıcıların daha fazla yayılmasını önleyen bir elektrik alanı yaratır. İlgili enerji bandı diyagramı her iki taraftaki Fermi seviyelerinin hizalandığını ve dengeyi gösterdiğini göstermektedir. Kavşak boyunca yerleşik potansiyel, taşıyıcıların kavşak boyunca net akışını engeller.
Diyot ileri yönlü olduğunda, uygulanan voltaj sınır potansiyelini azaltır ve tükenme bölgesinin genişliğini daraltır. Sonuç olarak, taşıyıcılar bağlantı noktasını kolayca geçebilir ve ilgili bant diyagramı, sınır potansiyelinin azaldığını gösteren enerji bantlarının yukarı doğru büküldüğünü gösterir. İleri öngerilim altında diyot boyunca akım, uygulanan voltajla üstel olarak artar.
Ters polarmada, harici voltaj ters yönde uygulanır, tükenme bölgesini genişletir, bariyer potansiyelini arttırır, taşıyıcıların bağlantı noktasını geçmesini zorlaştırır ve akım akışını çok küçük bir ters doyma akımına düşürür. Ters öngerilim için enerji bandı diyagramı, bantların aşağıya doğru büküldüğünü gösterir, bu da artan bariyer potansiyeline işaret eder. Ters eğilimdeki akım küçük bir sabit değerdir. Doyma akımına yakındır ancak zıt işaretlidir ve tükenme bölgesi içindeki termal üretimden dolayı taşıyıcıların küçük akışını yansıtır.

P-N Kavşağının Eğilimi

Bir LED içindeki pn bağlantısı, ışık üretmek için harici önyargı gerektirir.
İleri kutuplama, pn bağlantısı boyunca bir voltaj uygulanmasını içerir.

Education

JoVE Core

Electrical Engineering

Elektrik Mühendisliği

Unit 1

Ünite 1

Basics of Semiconductors

Yarı İletkenlerin Temelleri

KEY TERMS AND CONCEPTS

TEMEL TERİMLER VE KAVRAMLAR

Biasing of P-N Junction

p-n junction diode under bias

P-N junction diodes change behavior under equilibrium, forward bias, and reverse bias. In equilibrium, no external voltage is applied across the junction. Carriers diffuse at the boundary and leave behind charged dopants. Acceptors remain on the p-side, and donors remain on the n-side. These fixed charges form a depletion region and an electric field that blocks further diffusion.

The band diagram at equilibrium shows the Fermi levels on both sides aligned. That alignment means the junction is in balance. A built-in potential also exists across the junction. This potential prevents a net flow of carriers from one side to the other.

When the diode is forward biased, the applied voltage lowers the barrier potential. It also narrows the depletion region. Carriers can then cross the junction more easily. The band diagram shows the energy bands bending upward, which matches the reduced barrier.

Forward bias also causes the current to rise quickly as the applied voltage increases. The current increases exponentially with voltage. In reverse bias, the external voltage is applied in the opposite direction. The depletion region widens, the barrier potential increases, and carrier flow becomes very small.

The reverse-bias band diagram shows the energy bands bending downward. This change reflects the higher barrier potential. The current falls to a small reverse saturation current. It stays close to that saturation value and has the opposite sign, because only a minor carrier flow remains from thermal generation within the depletion region.

P-N Junction Diode Under Bias

energy bands in solids

Valence and Conduction Bands in Silicon

Valence and conduction bands explain how electrons behave in solids. In isolated atoms, electrons occupy discrete energy levels that the Bohr model describes well. The hydrogen atom, for example, has specific electron energies labeled by the quantum number n, and higher n values give levels that are less negative and closer together. When atoms move close together in a solid, those discrete levels start to split. This happens because electron orbitals from neighboring atoms overlap. The Pauli...

semiconductors

Energy Bands in Metals and Insulators

Materials conduct electricity in different ways because their energy bands are arranged differently. Metals, semiconductors, and insulators can be compared with energy band diagrams. These diagrams show how easily electrons can move when an electric field is applied. Metals such as copper, zinc, and lead have low resistivity. Their conduction band is not fully occupied, or it overlaps with the valence band, so a band gap is essentially absent. Electrons in the highest valence energy levels can...

types of semiconductors

Intrinsic and Doped Semiconductors

Intrinsic semiconductors are very pure materials with no impurities. At absolute zero, they act as perfect insulators because the valence electrons are bound and the conduction band is empty. That means electrical conduction cannot occur under those conditions. The Fermi level helps describe the chance that an energy level is occupied by an electron at thermal equilibrium. In an intrinsic semiconductor, the Fermi level sits near the middle of the band gap at absolute zero. As temperature...

carrier generation and recombination

Semiconductor Charge Carriers: Creation and Loss

Carrier generation and recombination control how free charge carriers change inside a semiconductor. Carrier generation creates electron-hole pairs, or EHPs, when electrons move from the valence band into the conduction band and leave holes behind. Carrier recombination does the opposite and lowers the number of free carriers. In direct-bandgap semiconductors such as gallium arsenide, generation happens efficiently because energy absorption can move a valence electron straight to the...

carrier transport

Drift and Diffusion in Semiconductors

Drift and diffusion are the two main ways electric current forms in semiconductors. These charge-carrier motions help determine how semiconductor devices work and how well they perform. The carriers involved are electrons and holes. Drift current begins when an external electric field acts on charge carriers. Electrons and holes move between collisions with lattice atoms, and this motion creates drift velocity. For electrons, drift velocity depends on electron mobility and the electric field...

p-n junction

P-N Junction Depletion Region

A p-n junction forms when p-type and n-type semiconductor materials are joined together. At the boundary, holes from the p-side and electrons from the n-side diffuse into the opposite side because of the concentration gradient. This movement leaves a region with no free charge carriers near the junction, called the depletion region. The charge density in the depletion region can be described on the n-side and p-side using the donor and acceptor doping concentrations, ND and NA. The fixed...

biasing of p-n junction

P-N junction diodes change behavior under equilibrium, forward bias, and reverse bias. In equilibrium, no external voltage is applied across the junction. Carriers diffuse at the boundary and leave behind charged dopants. Acceptors remain on the p-side, and donors remain on the n-side. These fixed charges form a depletion region and an electric field that blocks further diffusion. The band diagram at equilibrium shows the Fermi levels on both sides aligned. That alignment means the junction is...

metal-semiconductor junctions

Schottky and Ohmic Metal Contacts

Metal contacts with semiconductors can form either Schottky or Ohmic junctions. The result depends on the work function of the metal, the work function of the semiconductor, and how electrons move when the two materials touch. At equilibrium, the Fermi levels align, so charge shifts until both sides match in energy. Schottky barriers form when a metal with work function Φm contacts a semiconductor with a different work function Φs. If Φm is greater than Φs, the semiconductor Fermi level starts...

biasing of metal-semiconductor junctions

How Bias Changes Metal-Semiconductor Current

Biasing metal-semiconductor junctions means applying a voltage across the junction. The metal connects to the voltage source, and the semiconductor is grounded. This setup helps control the direction and size of current in devices such as diodes, transistors, and photovoltaic cells. In a Schottky junction with an n-type semiconductor, a positive voltage on the metal lowers its Fermi level. A Fermi level is the energy level that helps describe how electrons are distributed. Lowering this level...

fermi level

Fermi Level in Semiconductors

The Fermi level is a key energy level in semiconductors. It sits between the lower-energy valence band and the higher-energy conduction band. The Fermi-Dirac function, which follows an S-shaped curve, shows the chance that an energy state is filled by an electron at a given temperature. At absolute zero, electrons occupy every energy state up to the Fermi level. States above it stay empty. As temperature rises, electrons gain energy and can move into vacant states above the Fermi level. In an...

fermi level dynamics

Vacuum Level and Schottky Barriers

Vacuum level and Schottky barriers help explain how electrons move between materials. The vacuum level is the energy needed for an electron to escape a material surface. In a semiconductor, it usually sits above the conduction band and serves as a reference for comparing electron energy. Electron affinity is the energy gap between the conduction band minimum and the vacuum level. It shows how easily a semiconductor can accept extra electrons. The work function is the least energy needed to...

key terms and concepts

Explore equilibrium, forward bias, and reverse bias in a p-n junction diode, including depletion region changes, band diagrams, and current flow.

P-N Junction Diode Under Bias | JoVE K12

JoVE Core Elektrik Mühendisliği, devre analizi teknikleriyle birlikte elektrik devrelerinin temel kavramlarını kapsayan, anlaşılması kolay animasyonlu videolar sunar. Operasyonel amplifikatörler ve devre dönüşümü kavramlarını kullanarak birinci dereceden ve ikinci dereceden devreleri içerir. Pratik tasarım örneklerinin ve gerçek dünya uygulamalarının bilim insanlarınca hazırlanan videolar aracılığıyla dahil edilmesi, karmaşık kavramları erişilebilir hale getirerek önemli bir eğitim değeri katmaktadır.

electrical engineering

P-N Junction Diode Under Bias

Description

Transcript

Tags