Vorwärtsvorspannung vs. Rückwärtsvorspannung und ihre Auswirkungen auf die Diodenfunktionalität

 

Seit dem Tag, an dem mich meine Mutter zu Weihnachten mit dem ersten Heimcomputer überrascht hat, naja, sagen wir mal vor langer Zeit, fasziniert mich die Technik. Wie auch immer, zu dieser Zeit war ich der Neid aller anderen Geeks, Nerds und Lehrer an meiner Schule. Da war ich mit beeindruckenden 64 Kilobytes an roher Rechenleistung.

Schneller Vorlauf zum heutigen Tag, und mein Laptop verwendet allein den 100,000-fachen Arbeitsspeicher. Man kann also mit Sicherheit sagen, dass sich die Computertechnologie weiterentwickelt hat. Eines hat es jedoch nicht, und das ist die Wettbewerbsfähigkeit der Computerhersteller.

Es gibt Zeiten, in denen es bei der Wahl eines Geräts oder einer Methode um einen Bedarf oder eine Funktion geht. Darüber hinaus ist das Bedürfnis nach einer bestimmten Funktionalität die vorherrschende Triebfeder bei der Auswahl eines Gerätes oder Verfahrens in der Elektronik.

Was ist Diodenvorspannung oder Vorspannung?

Bevor wir die beiden Arten von Verzerrungen vergleichen, werde ich zunächst auf ihre individuellen Charakteristika eingehen. In der Elektronik definieren wir Bias oder Biasing als eine Methode zum Festlegen eines Satzes von Strömen oder Spannungen an verschiedenen Punkten einer elektronischen Schaltung, um die richtigen Betriebsbedingungen innerhalb einer elektronischen Komponente herzustellen. Obwohl dies eine vereinfachte Version der Antwort ist, ist sie dennoch grundsätzlich richtig. Darüber hinaus gibt es beim Vorspannen die beiden Arten des Vorspannens, Vorwärtsvorspannung und Sperrvorspannung.

Wie Sie sicher wissen, funktioniert eine Diode (PN-Übergang) ähnlich wie eine Einbahnstraße, da sie den Stromfluss in eine Richtung leichter ermöglicht als in die andere. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine Diode normalerweise Strom in eine Richtung leitet und die von ihnen angelegte Spannung einer beschriebenen Vorwärtsvorspannung folgt. Wenn sich die Spannung jedoch in die umgekehrte Richtung bewegt, bezeichnen wir diese Ausrichtung als Sperrspannung. Außerdem verhindert oder blockiert eine Standard-PN-Übergangsdiode bei Sperrvorspannung typischerweise den Stromfluss, fast wie eine elektronische Version eines Rückschlagventils.

Vorwärts- bzw. Rückwärts-Bias

Bei einer Standarddiode tritt eine Vorspannung in Vorwärtsrichtung auf, wenn die Spannung an einer Diode den natürlichen Stromfluss zulässt, während eine Vorspannung in Sperrrichtung eine Spannung an der Diode in die entgegengesetzte Richtung bezeichnet.

Die während der Sperrspannung an einer Diode anliegende Spannung erzeugt jedoch keinen nennenswerten Stromfluss. Darüber hinaus ist diese besondere Eigenschaft vorteilhaft, um Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) umzuwandeln.

Es gibt eine Vielzahl anderer Anwendungen für diese Eigenschaft, einschließlich der elektronischen Signalsteuerung.

Kenntnisse über die Platzierung von Zener-Dioden können ein Design ausmachen oder zerstören.

 

Der Betrieb einer Diode

Zuvor habe ich den Standarddiodenbetrieb vereinfacht erklärt. Der detaillierte Prozess einer Diode kann etwas schwierig zu verstehen sein, da er ein Verständnis der Quantenmechanik erfordert. Der Diodenbetrieb betrifft den Fluss negativer Ladungen (Elektronen) und positiver Ladungen (Löcher). Technologisch bezeichnen wir eine Halbleiterdiode als pn-Übergang. Pn-Übergänge sind ebenfalls ein wesentlicher Bestandteil des Betriebs einer Photovoltaikzelle.

Im Allgemeinen erfordert der ordnungsgemäße Betrieb einer Diode ein weiteres wesentliches Element oder Verfahren, das als Dotierung bezeichnet wird. Sie können einen Halbleiter mit Materialien dotieren, um einen Überschuss an leicht verdrängbaren Elektronen zu ermöglichen, die wir als n-Typ oder negative Region bezeichnen. Darüber hinaus ist es auch möglich, einen Halbleiter zu dotieren, um einen Überschuss an Löchern zu fördern, um auch diese Elektronen leicht zu absorbieren, und wir bezeichnen dies als den p-Typ oder positiven Bereich. Außerdem werden die positiven und negativen Bereiche der Diode auch als Anode (P) und Kathode (N) bezeichnet.

Insgesamt sind es die Varianzen zwischen den beiden Materialien und die daraus resultierende Synergie über extrem kurze Distanzen (< Millimeter), die den Diodenbetrieb ermöglichen. Allerdings ist die Diodenfunktionalität natürlich nur möglich, wenn wir die beiden Materialarten (P, N) zusammenführen. Außerdem bildet die Verschmelzung dieser beiden Materialarten einen sogenannten pn-Übergang. Außerdem wird die Fläche zwischen den beiden Elementen als Verarmungsregion bezeichnet.

Hinweis: Beachten Sie, dass eine Diode für eine ordnungsgemäße Funktion eine minimale Schwellenspannung benötigt, um den Verarmungsbereich zu überwinden. Außerdem beträgt die minimale Schwellenspannung in den meisten Fällen für Dioden ungefähr 0.7 Volt. Außerdem erzeugt die Sperrspannung einen kleinen Strom durch die Diode, der als Leckstrom bezeichnet wird, aber normalerweise vernachlässigbar ist. Wenn Sie schließlich eine erhebliche Sperrspannung anlegen, führt dies zu einem umfassenden elektronischen Durchbruch der Diode, wodurch der Strom in die entgegengesetzte Richtung durch die Diode fließen kann.

Diodenfunktion und -betrieb Fortsetzung

Wenn die Diffusion die anschließende Bewegung von Elektronen aus dem n-Typ-Gebiet erleichtert, beginnen sie im Allgemeinen, die Löcher innerhalb des p-Typ-Gebiets zu füllen. Das Ergebnis dieser Aktion bildet negative Ionen innerhalb der p-Typ-Region, wodurch positive Ionen in der n-Typ-Region zurückbleiben. Insgesamt liegt die maßgebende Kontrolle dieser Aktion in der Richtung des elektrischen Feldes. Wie Sie sich vorstellen können, führt dies natürlich zu einem vorteilhaften elektrischen Verhalten, das natürlich davon abhängt, wie Sie die Spannung anlegen, dh Vorspannung.

Darüber hinaus gibt es im Hinblick auf eine Standard-pn-Übergangsdiode drei Vorspannungsbedingungen und zwei Betriebsbereiche. Die drei möglichen Arten von Biasing-Bedingungen sind wie folgt:

• Vorwärtsvorspannung: Diese Vorspannungsbedingung beinhaltet das Anschließen eines positiven Spannungspotentials an das P-Typ-Material und eines negativen an das N-Typ-Material über die Diode, wodurch die Breite der Diode verringert wird.

• Reverse Bias: Im Gegensatz dazu beinhaltet dieser Vorspannungszustand das Anschließen eines negativen Spannungspotentials an das P-Typ-Material und eines positiven an das N-Typ-Material über die Diode, wodurch die Breite der Diode vergrößert wird.

• Zero Bias: Dies ist ein Vorspannungszustand, bei dem kein externes Spannungspotential an die Diode angelegt wird.

Forward Biasing versus Reverse Biasing und ihre Abweichungen

Eine Sperrspannung verstärkt die Potentialbarriere und behindert den Ladungsträgerfluss. Im Gegensatz dazu schwächt eine Vorwärtsspannung die Potentialbarriere, wodurch der Strom leichter über den Übergang fließen kann.

Bei der Vorwärtsspannung verbinden wir den Pluspol der Spannungsversorgung mit der Anode und den Minuspol mit der Kathode. Im Gegensatz dazu verbinden wir bei umgekehrter Vorspannung den Pluspol der Spannungsversorgung mit der Kathode und den Minuspol mit der Anode.

• Eine Vorwärtsspannung verringert die Stärke der Potentialbarriere des elektrischen Felds über dem Potential, wohingegen eine Rückwärtsspannung die Potentialbarriere verstärkt.

• Eine Vorwärtsspannung hat eine Anodenspannung, die größer ist als die Kathodenspannung. Im Gegensatz dazu hat eine Sperrspannung eine Kathodenspannung, die größer ist als die Anodenspannung.

• Eine Vorwärtsvorspannung weist einen erheblichen Vorwärtsstrom auf, während eine Rückwärtsvorspannung einen minimalen Vorwärtsstrom aufweist.

• Die Verarmungsschicht einer Diode ist bei Vorwärtsvorspannung wesentlich dünner und bei Rückwärtsvorspannung viel dicker.

• Die Vorwärtsspannung verringert den Widerstand einer Diode und die Sperrspannung erhöht den Widerstand einer Diode.

• Der Strom fließt mühelos, während eine Vorspannung in Vorwärtsrichtung vorliegt, aber eine Vorspannung in Sperrrichtung lässt keinen Strom durch die Diode fließen.

• Die Höhe des Stroms hängt von der Vorwärtsspannung während der Vorwärtsspannung ab, jedoch ist die Strommenge bei der Rückwärtsspannung minimal oder vernachlässigbar.

• Bei Vorwärtsvorspannung fungiert ein Gerät als Leiter und bei Rückwärtsvorspannung als Isolator.

Die Planung Ihrer Schaltung basierend auf Bias-Potentialen ist das Zeichen intelligenter Analyse.

 

Die Fähigkeit einer Diode, als zwei separate, aber gleichermaßen effektive Geräte zu funktionieren, macht sie zu einer wirklich adaptiven Komponente. Die Auswirkungen der Vorspannung auf die Funktionalität einer Diode bieten eine optimale Kontrolle darüber, welche Funktion eine Diode in Ihrem Schaltungsdesign spielt. Die Verwendung von Vorwärts- und Rückwärtsvorspannung gibt einem Schaltungsdesigner eine optimale Kontrolle über die Funktionalität einer Diode.

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