دیود پی‌ان چیست

دیود پی‌ان چیست؟

دیود پی‌ان

دیود پی‌ان یک مولفه اساسی در الکترونیک است. در این نوع دیود، یک سمت نیمه‌رسانا با آلاینده‌های قبول‌کننده (پی‌تاپ) و سمت دیگر با آلاینده‌های دهنده (ان‌تاپ) ترکیب شده است. این دیود می‌تواند به عنوان یک «پله‌ای» یا «خطی‌گرادیان» طبقه‌بندی شود.

در دیود پی‌ان پله‌ای، غلظت آلاینده‌ها در هر دو سمت تا محل اتصال یکنواخت است. در اتصال خطی‌گرادیان، غلظت آلایش 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 و اتم‌های دهنده نزدیک به محل اتصال در سمت ان به یون‌های مثبت تبدیل می‌شوند. این امر یک میدان الکتریکی ایجاد می‌کند که مانع از انتشار بیشتر الکترون‌ها و حفره‌ها می‌شود. این منطقه با یون‌های بی‌پوشش به ناحیه خالی از شارژ معروف است.

اگر ولتاژ جلوسو به دیود پی‌ان اعمال شود. یعنی اگر سمت مثبت باتری به سمت پی متصل شود، عرض ناحیه خالی از شارژ کاهش می‌یابد و حامل‌ها (حفره‌ها و الکترون‌های آزاد) از طریق محل اتصال جریان می‌یابند. اگر ولتاژ عقب‌سو به دیود اعمال شود، عرض ناحیه خالی از شارژ افزایش می‌یابد و هیچ شارژی نمی‌تواند از طریق محل اتصال جریان یابد.

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 را داده‌اند و به یون‌های مثبت تبدیل شده‌اند و تمام اتم‌های قبول‌کننده الکترون جذب کرده‌اند و حفره‌های متناظر را ایجاد کرده‌اند و به یون‌های منفی تبدیل شده‌اند. بنابراین می‌توانیم بگوییم که غلظت الکترون‌های آزاد (n) و یون‌های دهنده ND یکسان هستند و به طور مشابه، غلظت حفره‌ها (p) و یون‌های قبول‌کننده (NA) یکسان هستند. در اینجا، ما حفره‌ها و الکترون‌های آزادی که به دلیل آلودگی‌ها و نقص‌های غیرمورد نظر در نیمه‌رساناها ایجاد شده‌اند را نادیده گرفته‌ایم.

در طول اتصال پی‌ان، الکترون‌های آزاد که توسط اتم‌های دهنده در سمت ان‌تاپ ارائه شده‌اند به سمت پی‌تاپ منتشر می‌شوند و با حفره‌ها ترکیب می‌شوند. به طور مشابه، حفره‌هایی که توسط اتم‌های قبول‌کننده در سمت پی‌تاپ ایجاد شده‌اند به سمت ان‌تاپ منتشر می‌شوند و با الکترون‌های آزاد ترکیب می‌شوند. پس از این فرآیند ترکیب، کمبود یا خالی شدن حامل‌های شارژ (الکترون‌های آزاد و حفره‌ها) در طول محل اتصال رخ می‌دهد. منطقه‌ای که در آن حامل‌های شارژ آزاد کاهش می‌یابند به ناحیه خالی از شارژ معروف است.

به دلیل فقدان حامل‌های شارژ آزاد (الکترون‌های آزاد و حفره‌ها)، یون‌های دهنده در سمت ان‌تاپ و یون‌های قبول‌کننده در سمت پی‌تاپ در طول محل اتصال بی‌پوشش می‌شوند. این یون‌های مثبت بی‌پوشش در سمت ان‌تاپ و یون‌های منفی بی‌پوشش در سمت پی‌تاپ یک شارژ فضایی در طول محل اتصال پی‌ان ایجاد می‌کنند. پتانسیلی که در نتیجه این شارژ فضایی در طول محل اتصال ایجاد می‌شود به نام ولتاژ انتشار شناخته می‌شود. ولتاژ انتشار در یک دیود پی‌ان می‌تواند به صورت زیر بیان شود. ولتاژ انتشار مانع از مهاجرت بیشتر الکترون‌های آزاد از سمت ان‌تاپ به سمت پی‌تاپ و حفره‌ها از سمت پی‌تاپ به سمت ان‌تاپ می‌شود. به عبارت دیگر، ولتاژ انتشار مانع از عبور حامل‌های شارژ از محل اتصال می‌شود.

 این منطقه به دلیل کاهش حامل‌های شارژ آزاد در این منطقه مقاومت بالایی دارد. عرض ناحیه خالی از شارژ به ولتاژ بایاس اعمال شده بستگی دارد. رابطه بین عرض ناحیه خالی از شارژ و ولتاژ بایاس می‌تواند با یک معادله به نام معادله پواسون نمایش داده شود. در اینجا، ε پرمیتیویت نیمه‌رسانا و V ولتاژ بایاس است. بنابراین، با اعمال ولتاژ جلوسو عرض ناحیه خالی از شارژ یعنی مانع پی‌ان کاهش می‌یابد و در نهایت ناپدید می‌شود.

بنابراین، در غیاب مانع پتانسیل در شرایط جلوسو الکترون‌های آزاد وارد منطقه پی‌تاپ می‌شوند و حفره‌ها وارد منطقه ان‌تاپ می‌شوند، جایی که با هم ترکیب می‌شوند و در هر ترکیب یک فوتون آزاد می‌کنند. در نتیجه، جریان جلوسو از طریق دیود جریان می‌یابد. جریان از طریق اتصال پی‌ان به صورت زیر بیان می‌شود. در اینجا، ولتاژ V اعمال شده بر روی اتصال پی‌ان و جریان کل I از طریق اتصال پی‌ان جریان می‌یابد.

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، محل اتصال جلوسو است و وقتی V منفی است، محل اتصال عقب‌سو است. وقتی V منفی و کمتر از VTH است، جریان حداقل است. اما وقتی V از VTH بیشتر شود، جریان به طور ناگهانی بسیار زیاد می‌شود. ولتاژ VTH به عنوان ولتاژ آستانه یا ولتاژ برش شناخته می‌شود. برای دیود سیلیکون VTH = 0.6 V است. در ولتاژ معکوس متناظر با نقطه P، جریان معکوس به طور ناگهانی افزایش می‌یابد. این بخش از مشخصه به عنوان منطقه شکست شناخته می‌شود.

اتصال پله‌ای

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

ناحیه خالی از شارژ

ناحیه خالی از شارژ در محل اتصال تشکیل می‌شود که در آن الکترون‌های آزاد و حفره‌ها با هم ترکیب می‌شوند و منطقه‌ای بدون حامل‌های شارژ آزاد ایجاد می‌کنند.

بایاس جلوسو

اپلیکیشن بایاس جلوسو عرض ناحیه خالی از شارژ را کاهش می‌دهد و اجازه می‌دهد جریان جریان یابد.

بایاس عقب‌سو

اپلیکیشن بایاس عقب‌سو عرض ناحیه خالی از شارژ را افزایش می‌دهد و جریان را مسدود می‌کند تا رسیدن به ولتاژ شکست.