Resistencia dinámica de los diodos y la zona de agotamiento

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Según Resnick, Walker & Halliday's Fundamentals of Physics (10ª edición),

La figura 41-15 muestra por qué una unión pn funciona como un rectificador de unión. En la figura 41-15a, una batería está conectada a través de la unión con su terminal positiva conectada en el lado p. En esta conexión de polarización directa, el lado p se vuelve más positivo y el lado n se vuelve más negativo, lo que disminuye la altura de la barrera de potencial. V 0 de la figura 41-12c. Más de los operadores mayoritarios ahora pueden superar esta barrera más pequeña; por lo tanto, la corriente de difusión I d i F F aumenta notablemente.

Los portadores minoritarios que forman la corriente de deriva, sin embargo, no perciben ninguna barrera; entonces la corriente de deriva I d r i F t no se ve afectado por la batería externa. El buen equilibrio de corriente que existía con polarización cero (ver la figura 41-12d) se altera y, como se muestra en la figura 41-15a, aparece en el circuito una gran corriente directa neta IF.

Otro efecto de la polarización directa es estrechar la zona de agotamiento, como muestra la comparación de las figuras 41-12b y 41-15a. La zona de agotamiento se estrecha porque la barrera de potencial reducida asociada con la polarización directa debe estar asociada con una carga espacial más pequeña. Debido a que los iones que producen la carga espacial están fijos en sus sitios reticulares, una reducción en su número puede ocurrir solo a través de una reducción en el ancho de la zona de agotamiento.

Debido a que la zona de agotamiento normalmente contiene muy pocos portadores de carga, normalmente es una región de alta resistividad. Sin embargo, cuando su ancho se reduce sustancialmente por una polarización directa, su resistencia también se reduce sustancialmente, como es consistente con la gran corriente directa.

Mis preguntas son las siguientes:

  1. Según los autores, la zona de agotamiento se vuelve más estrecha cuando el diodo está conectado en polarización directa debido a la altura de la barrera potencial, V 0 , disminuye. Altura de V 0 disminuye porque el lado p está conectado con el terminal positivo de V mi X t y el lado n está conectado con la terminal negativa de V mi X t , según los autores. ¿Puede alguien explicar más fácil y claramente por qué la altura de la barrera potencial, V 0 , disminuye cuando el diodo está conectado en polarización directa?
  2. Si V mi X t aumenta, ¿la zona de agotamiento se hará más estrecha? Poder V mi X t aumentar tanto que la zona de agotamiento se vuelve inexistente? Esta pregunta es una buena transición a mi tercera pregunta.
  3. ¿Es el voltaje de polarización directa la causa de la resistencia dinámica del diodo? Si una fuente de CA, V mi X t a C , se suma con la fuente DC, V mi X t , variará la resistencia del diodo con el tiempo? ¿Esta resistencia del diodo se llama resistencia dinámica?
¿Estás familiarizado con los diagramas de bandas? ¿Has visto un diagrama de bandas para un diodo de unión pn? ¿Qué crees que podría pasar aparte de que la altura de la barrera de energía disminuye bajo la polarización directa?
No estoy familiarizado con los diagramas de bandas para diodos de unión pn. ¿Por qué la altura de la zona de agotamiento/barrera de energía no permanece constante?

Respuestas (1)

Un bloque de semiconductores tiene cierta concentración de portadores de carga móviles (electrones y huecos) y su carga se anula exactamente con cargas fijas en forma de dopantes ionizados (iones donantes y aceptores)

Como era de esperar, la región de agotamiento está desprovista de portadores de carga móviles (electrones y huecos). Cuando se agota, lo que queda son los dopantes ionizados fijos. Estas cargas crean un campo eléctrico dentro de la región de agotamiento y esto conduce al "voltaje incorporado" del diodo. Esa es la diferencia de voltaje entre los lados p y n del diodo. Este voltaje es la barrera potencial en el diodo. Cuando aplica un voltaje externo a un diodo, cambia esta diferencia de voltaje y, por lo tanto, cambia la barrera.

Si V mi X t aumenta, ¿la zona de agotamiento se hará más estrecha?

Sí. El campo eléctrico es la integral de la carga en la región de empobrecimiento, y el potencial eléctrico es la integral del campo. Para que el voltaje disminuya, reduzca mucho la carga total en la región de agotamiento. Cuando lo hace, la región de agotamiento se estrecha.

Poder V mi X t aumentar tanto que la zona de agotamiento se vuelve inexistente?

En teoría sí, pero en la práctica no. Si aplicara suficiente voltaje para eliminar completamente la región de agotamiento, tendría una enorme cantidad de corriente. Una cantidad que ningún diodo físico podría soportar sin quemarse, derretirse o destruirse.

¿Es el voltaje de polarización directa la causa de la resistencia dinámica del diodo?

Por lo general, pensaría en la resistencia dinámica en situaciones en las que tiene una pequeña señal de CA sobre un punto de polarización de CC. La resistencia dinámica de un diodo es la derivada de la curva IV en su punto de operación. Al hacerlo, su polarización de CC selecciona la resistencia efectiva que ve su señal de CA. Esto supone que su señal de CA es lo suficientemente pequeña como para mantenerlo en una región aproximadamente lineal de la curva IV del diodo. Si solo tiene una señal de CA, o es una señal grande, no hablaría sobre el cambio de resistencia dinámica a lo largo del período de su señal, pero algunas personas podrían hacerlo.

En primer lugar, le estoy muy agradecido por responder. Todavia tengo una pregunta. Si V mi X t es menor que el potencial de barrera, ¿seguirá estrechándose la región de agotamiento?
@user545735 Sí, cualquier sesgo externo cambia el ancho de la región de agotamiento. El sesgo inverso hace que se ensanche, el sesgo directo hace que se haga más pequeño. Sin embargo, además de eso, la polarización directa externa siempre es más pequeña que el potencial incorporado del diodo para diodos reales. Se quemarían si los sesgas hacia adelante lo suficiente como para exceder el potencial incorporado.
Por lo tanto, aunque el voltaje de polarización directa externo es menor que el voltaje incorporado inicialmente, al conectarse, el voltaje incorporado disminuye y se vuelve menor que el voltaje externo. Por lo tanto, la corriente fluye. ¿Lo entendí bien?
@ user545735 El voltaje incorporado es una constante. El sesgo externo cambia la altura de la barrera. La altura de la barrera es igual al voltaje incorporado cuando la polarización externa es 0. La corriente fluye con polarización directa, incluso cuando hay una barrera, porque los electrones existen en una distribución de energía y algunos tienen suficiente energía para atravesar la barrera.
Por lo tanto, cuanto más aumenta la tensión de polarización externa, más disminuye la altura de la barrera, y cuanto más disminuye la altura de la barrera, mayor es la probabilidad de que un electrón libre pueda superar la altura de la barrera y entrar en el semiconductor tipo p desde el semiconductor tipo n. Entonces, la corriente aumenta con el aumento del voltaje de polarización. ¿Lo conseguí ahora mismo?
@ usuario545735 Sí. Esto es exactamente lo que sucede. Esta es también la razón por la cual la curva IV del diodo es exponencial con el voltaje. La población de electrones es (aproximadamente) un exponencial decreciente a medida que aumenta la energía por encima del borde de la banda de conducción. (lo mismo para los agujeros a medida que aumenta la energía por debajo del borde de la banda de valencia). La reducción de la barrera permite que un número exponencialmente creciente de transportistas pueda cruzar la barrera.
¡Impresionante! Pero para que la corriente se establezca desde el terminal negativo al positivo del voltaje de polarización externo, los electrones provenientes del voltaje de polarización externo deben tener suficiente energía cinética para superar la altura de la barrera, ¿verdad? Si ese es el caso, ¿cómo se puede establecer una corriente de cualquier cantidad desde el terminal negativo al positivo del voltaje de polarización externo cuando su voltaje es menor que la altura de la barrera?
No importa, obtuve la respuesta. electronics.stackexchange.com/a/570902/287085
Resistencia dinámica de los diodos y la zona de agotamiento
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