چه چیزی پن جانکشن دایود است

چه چیزی دیود پی‌ان است؟

دیود پی‌ان

دیود پی‌ان یک مولفه اساسی در الکترونیک است. در این نوع دیود، یک سمت نیمه‌رسانا با آلاینده‌های قبول‌کننده (نوع پی) و سمت دیگر با آلاینده‌های دهنده (نوع ان) آلایش می‌شود. این دیود می‌تواند به عنوان یک «پله‌ای» یا «خطی‌گرادی» طبقه‌بندی شود.

در دیود پی‌ان پله‌ای، غلظت آلاینده‌ها در هر دو سمت تا محل اتصال یکنواخت است. در اتصال خطی‌گرادی، غلظت آلاینده‌ها تقریباً به صورت خطی با فاصله از محل اتصال تغییر می‌کند. بدون اعمال ولتاژ، الکترون‌های آزاد به سمت پی حرکت می‌کنند و حفره‌ها به سمت ان حرکت می‌کنند و با هم ترکیب می‌شوند.

اتم‌های قبول‌کننده نزدیک به محل اتصال در سمت پی به یون‌های منفی تبدیل می‌شوند و اتم‌های دهنده نزدیک به محل اتصال در سمت ان به یون‌های مثبت تبدیل می‌شوند. این ایجاد یک میدان الکتریکی که جلوگیری از انتشار بیشتر الکترون‌ها و حفره‌ها می‌کند. این منطقه با یون‌های بدون پوشش به نام منطقه خالی شدن شناخته می‌شود.

اگر ولتاژ جلوگیری را به دیود پی‌ان اعمال کنیم. یعنی اگر سمت مثبت باتری به سمت پی متصل شود، عرض منطقه خالی شدن کاهش می‌یابد و حامل‌های بار (حفره‌ها و الکترون‌های آزاد) از محل اتصال عبور می‌کنند. اگر ولتاژ معکوس را به دیود اعمال کنیم، عرض منطقه خالی شدن افزایش می‌یابد و هیچ باری از محل اتصال عبور نمی‌کند.

ویژگی‌های دیود پی‌ان

فرض کنید یک اتصال پی‌ان با غلظت دهنده ND و غلظت قبول‌کننده NA داریم. همچنین فرض کنید که تمام اتم‌های دهنده الکترون‌های آزاد داده و به یون‌های مثبت دهنده تبدیل شده‌اند و تمام اتم‌های قبول‌کننده الکترون جذب کرده و حفره‌های متناظر ایجاد کرده و به یون‌های منفی قبول‌کننده تبدیل شده‌اند. بنابراین می‌توانیم بگوییم غلظت الکترون‌های آزاد (n) و یون‌های دهنده ND یکسان است و به طور مشابه غلظت حفره‌ها (p) و یون‌های قبول‌کننده (NA) یکسان است. در اینجا، ما حفره‌ها و الکترون‌های آزادی که به دلیل آلاینده‌های و اعوجاج‌های ناخواسته در نیمه‌رساناهای ایجاد شده‌اند را نادیده گرفته‌ایم.

در اتصال پی‌ان، الکترون‌های آزادی که توسط اتم‌های دهنده در سمت ان ایجاد شده‌اند به سمت پی منتقل می‌شوند و با حفره‌ها ترکیب می‌شوند. به طور مشابه، حفره‌هایی که توسط اتم‌های قبول‌کننده در سمت پی ایجاد شده‌اند به سمت ان منتقل می‌شوند و با الکترون‌های آزاد ترکیب می‌شوند. پس از این فرآیند ترکیب، کمبود یا خالی شدن حامل‌های بار (الکترون‌های آزاد و حفره‌ها) در محل اتصال وجود دارد. منطقه‌ای که در آن حامل‌های بار آزاد کاهش می‌یابد به نام منطقه خالی شدن شناخته می‌شود.

به دلیل عدم وجود حامل‌های بار آزاد (الکترون‌های آزاد و حفره‌ها)، یون‌های دهنده در سمت ان و یون‌های قبول‌کننده در سمت پی در محل اتصال بدون پوشش می‌شوند. این یون‌های مثبت بدون پوشش در سمت ان و یون‌های منفی بدون پوشش در سمت پی موجب ایجاد بار فضایی در اتصال پی‌ان می‌شوند. ولتاژی که به دلیل این بار فضایی در محل اتصال ایجاد می‌شود به نام ولتاژ انتشار شناخته می‌شود. ولتاژ انتشار در یک دیود پی‌ان می‌تواند با یک معادله بیان شود. این ولتاژ انتشار مانع از مهاجرت بیشتر الکترون‌های آزاد از سمت ان به سمت پی و حفره‌ها از سمت پی به سمت ان می‌شود. یعنی ولتاژ انتشار مانع از عبور حامل‌های بار از محل اتصال می‌شود.

 این منطقه به دلیل کاهش حامل‌های بار آزاد در آن مقاومت بالایی دارد. عرض منطقه خالی شدن به ولتاژ اعمال شده بستگی دارد. رابطه بین عرض منطقه خالی شدن و ولتاژ اعمال شده می‌تواند با یک معادله به نام معادله پواسون نشان داده شود. در اینجا، ε دی‌الکتریک نیمه‌رسانا و V ولتاژ اعمال شده است. بنابراین، با اعمال ولتاژ جلوگیری عرض منطقه خالی شدن یعنی مانع اتصال پی‌ان کاهش می‌یابد و در نهایت ناپدید می‌شود.

بنابراین، در غیاب مانع ولتاژ در شرایط ولتاژ جلوگیری الکترون‌های آزاد وارد منطقه پی می‌شوند و حفره‌ها وارد منطقه ان می‌شوند، جایی که با هم ترکیب شده و در هر ترکیب یک فوتون آزاد می‌کنند. در نتیجه، جریان جلوگیری از طریق دیود عبور می‌کند. جریان از طریق اتصال پی‌ان با یک معادله بیان می‌شود. در اینجا، ولتاژ V به اتصال پی‌ان اعمال شده و جریان کل I از طریق اتصال پی‌ان عبور می‌کند.

I s جریان اشباع معکوس، e = بار الکترون، k ثابت بولتزمن و T دما در مقیاس کلوین است.

نمودار زیر مشخصه جریان-ولتاژ یک دیود پی‌ان را نشان می‌دهد. وقتی V مثبت است، اتصال جلوگیری شده و وقتی V منفی است، اتصال معکوس شده است. وقتی V منفی و کمتر از VTH است، جریان حداقل است. اما وقتی V بیش از VTH می‌شود، جریان ناگهان بسیار بالا می‌شود. ولتاژ VTH به عنوان ولتاژ آستانه یا ورودی شناخته می‌شود. برای دیود سیلیکون VTH = 0.6 V است. در ولتاژ معکوس متناظر با نقطه P، افزایش ناگهانی در جریان معکوس رخ می‌دهد. این بخش از مشخصه به عنوان منطقه انهدام شناخته می‌شود.

اتصال پله‌ای

در اتصال پله‌ای، غلظت آلاینده‌ها تا محل اتصال در هر دو سمت یکنواخت است.

منطقه خالی شدن

منطقه خالی شدن در محل اتصال تشکیل می‌شود که در آن الکترون‌های آزاد و حفره‌ها با هم ترکیب می‌شوند و منطقه‌ای بدون حامل‌های بار آزاد ایجاد می‌کنند.

ولتاژ جلوگیری

اپلیکیشن ولتاژ جلوگیری عرض منطقه خالی شدن را کاهش می‌دهد و اجازه می‌دهد جریان عبور کند.

ولتاژ معکوس

اپلیکیشن ولتاژ معکوس عرض منطقه خالی شدن را افزایش می‌دهد و جریان را مسدود می‌کند تا رسیدن به ولتاژ انهدام.