Physical Electronics(ECE3540) The PN junction...

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Physical Electronics(ECE3540) The PN junction Diodes ennessee Technological University, Fall 2013 Group (13)

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  • Physical Electronics(ECE3540)

    The PN junction Diodes

    ennessee Technological University, Fall 2013 

    Group (13)

  • N junction 

     p–n junction is a boundary or 

    terface between two types of 

    emiconductor material, p‐type

    nd n‐type, inside a single crystal 

    f semiconductor. 

    he total charge on each side of 

    he junction must be equal and 

    pposite to maintain a neutral 

    harge condition around the 


  • N junction Diode

     p–n junction diode is made of a crystal 

    f semiconductor. Impurities are added 

    o it to create a region on one side that 

    ontains negative charge carriers

    lectrons), called n‐type semiconductor, 

    nd a region on the other side that 

    ontains positive charge carriers (holes), 

    alled p‐type semiconductor.

    Typical diode packages in same alignmendiode symbol. Thin bar depicts the cathod

  • N junction Distance

     N‐type material has lost electrons and 

    ype has lost holes, the N‐type material 

    come positive with respect to the P‐type.

  • N junction Distance

    s electric field created by the diffusion process has created a "built‐in potential 

    erence" across the junction with an open‐circuit (zero bias) potential of:


    s the zero bias junction voltage

    s the intrinsic concentration.

    the thermal voltage of 26mV at room temperature

    and NA are the impurity concentrations

  • ow Current Diodes

    hese diodes body is about 3mm long can 

    arry maximum forward current of about 

    00mA and withstand a reverse voltage of 

    5V without breaking down.

  • edium current Diodes

    hese diodes can pass a forward current of 

    bout 500 mA and can withstand a reverse 

    oltage of 250 V.

  • gh Current Diode

    hese current diodes or power diodes  can carry a 

    orward current of many amperes and can 

    ithstand several hundred volts of reverse 


  • ener Diode

    is basically the same as the

    tandard PN junction diode but

    re specially designed to have a

    w pre-determined Reverse

    reakdown Voltage that takes

    dvantage of this high reverse

    oltage. The zener diode is the

    mplest types of voltage regulator

    nd the point at which a zener

    ode breaks down or conducts is

    alled the "Zener Voltage" ( Vz ). Electronic symbol

  • ener Diode I‐V Characteristics

    he diodes anode connects to the negative 

    upply. From the I‐V characteristics curve 

    bove, we can see that the zener diode has 

     region in its reverse bias characteristics of 

    most a constant negative voltage 

    egardless of the value of the current 

    owing through the diode and remains 

    early constant even with large changes in 

    urrent as long as the zener diodes current 

    emains between the breakdown current 

    Z(min) and the maximum current rating 

    Zener Diode I‐V Characteristics

  • ercise

    5.0V stabilised power supply is required to be produced from a

    2V DC power supply input source. The maximum power rating 

    f the zener diode is 2W. Using the zener regulator circuit above


  • olution for ( a , b )

    e maximum current flowing through the zener diode.

    e minimum value of the series resistor, RS

  • olution for ( c, d )

    e load current IL if a load resistor of 1kΩ is connected across the Z


    he zener current IZ at full load.

  • unnel Diode

     tunnel diode or Esaki diode is a type of 

    emiconductor that is capable of very fast 

    peration, well into the microwave

    equency region, made possible by the use 

    f the quantum mechanical effect called 


  • p

    There are 3 possible biasing conditions:

    1. Zero Bias  No external voltage  is applied to the


    2. Reverse Bias effect of Increasing the PN‐junction width.

    3. Forward Bias  effect of Decreasing the PN‐junction width.

  • ro biased junction diode

    n a diode is Zero Biased, no external energy source is applied and a natural Potent

    er is developed across a depletion layer which is approximately 0.5 to 0.7v for silic

    es and approximately 0.3 of a volt for germanium diodes.

  • hen a junction diode is Reverse Biased, the thickness of the depletion region 

    creases and the diode acts like an open circuit blocking any current flow, (only 

     very small leakage current).

    Reverse resistance of a diode ranges from 5MΩ to 1000MΩ

  •  junction diode is Forward Biased, the thickness of the depletion region reduces

    de acts like a short circuit allowing full current to flow.

  • p

    Forward Biased Diode Reverse Biased Diode

     the junction temperature increases the de's characteristic shifts to the left.

    oth, Silicon and Germanium this shift isabout 0.25mV/°C

    an increase in the temperature causes ain saturation current (leakage)

    Every increase of 10°C in junction temresults in approximate doubling of this

    e generates heat and if the ambient temperature is high, this heat may not be diss

    gh and will change the diode's parameters (characteristics).

  • • Reverse Bias   the diode is reverse‐biased, a very small drift current due to thermal excitation fl the junction. This current (reverse saturation current,I0) is given, according to themann equation, by the formula

    K0 is a constant depending on the pn junction geometry and V0 is the built‐in      of the diode (see chapter “Semiconductor Materials: pn junction”)

    Forward Bias

    e diode is forward‐biased through a voltage V, a small drift current flows againe junction. In that case, however, there is an additional component, the diffusionVd, given by the formula:

  • eo link: e P‐N junction – How diodes work?


  • eference 

    orr, Wayne. "The PN Junction." PN Junction Theory for Semiconductor Diodes.

    ayne Storr, 1999. Web. 31 Oct. 2013.

    chey, Jason. "P–n Junction." Wikipedia. Wikimedia Foundation, 28 Oct. 2013. 

    eb. 31 Oct. 2013.