PN जंक्शन डायोड क्या है?

पीएन जंक्शन डायोड क्या है?

पीएन जंक्शन डायोड

पीएन जंक्शन डायोड इलेक्ट्रॉनिक्स में एक मूलभूत घटक है। इस प्रकार के डायोड में, अर्धचालक के एक तरफ स्वीकार्ता दोष (पी-टाइप) और दूसरी तरफ दाता दोष (एन-टाइप) से डोपिंग की जाती है। यह डायोड 'स्टेप ग्रेडेड' या 'लिनियरली ग्रेडेड' जंक्शन के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है।

स्टेप ग्रेडेड पीएन जंक्शन डायोड में, डोपिंग सांद्रता दोनों तरफ जंक्शन तक समान रहती है। लिनियरली ग्रेडेड जंक्शन में, डोपिंग सांद्रता जंक्शन से दूरी के साथ लगभग रेखीय रूप से बदलती है। किसी भी वोल्टेज लगाने के बिना, स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन पी-तरफ चले जाते हैं और छेद पी-तरफ चले जाते हैं, जहाँ वे संयुक्त होते हैं।

जंक्शन के पास पी-तरफ के स्वीकार्ता परमाणु ऋणात्मक आयन बन जाते हैं, और जंक्शन के पास एन-तरफ के दाता परमाणु धनात्मक आयन बन जाते हैं। यह एक विद्युत क्षेत्र बनाता है जो इलेक्ट्रॉन और छेदों के आगे के फैलाव को विरोध करता है। यह अवरुद्ध आयनों वाला क्षेत्र अवरुद्ध क्षेत्र कहलाता है।

अगर, हम पी-एन जंक्शन डायोड पर फॉरवर्ड बायस वोल्टेज लगाते हैं। यानी अगर बैटरी का धनात्मक तरफ पी-तरफ से जुड़ा है, तो अवरुद्ध क्षेत्र की चौड़ाई कम हो जाती है और इलेक्ट्रॉन और छेद जंक्शन पर पार होते हैं। अगर हम डायोड पर रिवर्स बायस वोल्टेज लगाते हैं, तो अवरुद्ध क्षेत्र की चौड़ाई बढ़ जाती है और कोई आवेश जंक्शन पर पार नहीं हो सकता।

पी-एन जंक्शन डायोड की विशेषताएँ

आइए एक पीएन जंक्शन को ध्यान में रखें, जिसमें दाता सांद्रता ND और स्वीकार्ता सांद्रता NA है। आइए यह भी मान लें कि सभी दाता परमाणुओं ने स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन दान किया है और धनात्मक दाता आयन बन गए हैं और सभी स्वीकार्ता परमाणुओं ने इलेक्ट्रॉन स्वीकार किया है और संबंधित छेद बनाए हैं और ऋणात्मक स्वीकार्ता आयन बन गए हैं। तो हम कह सकते हैं कि स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन (n) और दाता आयन ND की सांद्रता समान है और इसी तरह, छेद (p) और स्वीकार्ता आयन (NA) की सांद्रता समान है। यहाँ, हमने अनिच्छित दोषों और दोषों के कारण अर्धचालकों में बने छेदों और स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनों को नजरअंदाज किया है।

पीएन जंक्शन पर, एन-टाइप तरफ दाता परमाणुओं द्वारा दान किए गए स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन पी-टाइप तरफ फैलते हैं और छेदों के साथ संयुक्त होते हैं। इसी तरह, पी-टाइप तरफ स्वीकार्ता परमाणुओं द्वारा बने छेद एन-टाइप तरफ फैलते हैं और स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनों के साथ संयुक्त होते हैं। इस पुनर्योजन प्रक्रिया के बाद, जंक्शन पर छेदों (स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन और छेद) की कमी होती है। जंक्शन पर जहाँ स्वतंत्र आवेश वाहक फैलते हैं, वह क्षेत्र अवरुद्ध क्षेत्र कहलाता है।

स्वतंत्र आवेश वाहक (स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन और छेद) की अनुपस्थिति के कारण, एन-टाइप तरफ के दाता आयन और पी-टाइप तरफ के स्वीकार्ता आयन अवरुद्ध हो जाते हैं। जंक्शन के पास एन-टाइप तरफ धनात्मक अवरुद्ध दाता आयन और पी-टाइप तरफ ऋणात्मक अवरुद्ध स्वीकार्ता आयन जंक्शन पर अंतरिक्ष आवेश का कारण बनते हैं। इस अंतरिक्ष आवेश के कारण जंक्शन पर विकसित होने वाली विभव को फैलाव विभव कहा जाता है। पी-एन जंक्शन डायोड पर फैलाव विभव को व्यक्त किया जा सकता है। फैलाव विभव एन-टाइप तरफ से पी-टाइप तरफ फैलने वाले स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनों और पी-टाइप तरफ से एन-टाइप तरफ फैलने वाले छेदों के लिए एक विभव बाधा बनाता है। यानी फैलाव विभव आवेश वाहकों को जंक्शन पार करने से रोकता है।

 यह क्षेत्र स्वतंत्र आवेश वाहकों की कमी के कारण अत्यधिक प्रतिरोधी होता है। अवरुद्ध क्षेत्र की चौड़ाई लगाए गए बायस वोल्टेज पर निर्भर करती है। अवरुद्ध क्षेत्र की चौड़ाई और बायस वोल्टेज के बीच का संबंध एक समीकरण द्वारा व्यक्त किया जा सकता है, जिसे पोइसन समीकरण कहा जाता है। यहाँ, ε अर्धचालक की परमेयता है और V बायसिंग वोल्टेज है। इसलिए, एक फॉरवर्ड बायस वोल्टेज के लगाने पर अवरुद्ध क्षेत्र की चौड़ाई, यानी पी-एन जंक्शन बाधा, कम होती है और अंततः गायब हो जाती है।

इसलिए, फॉरवर्ड बायस स्थिति में जंक्शन पर कोई विभव बाधा नहीं होने पर स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन पी-टाइप क्षेत्र में प्रवेश करते हैं और छेद एन-टाइप क्षेत्र में प्रवेश करते हैं, जहाँ वे संयुक्त होते हैं और प्रत्येक पुनर्योजन पर एक फोटॉन रिहायश करते हैं। इस परिणामस्वरूप, डायोड में एक फॉरवर्ड धारा बहती है। पीएन जंक्शन से गुजरने वाली धारा को व्यक्त किया जा सकता है। यहाँ, वोल्टेज V पीएन जंक्शन पर लगाया जाता है और कुल धारा I, पीएन जंक्शन से गुजरती है।

I s विपरीत संतृप्त धारा, e = इलेक्ट्रॉन का आवेश, k बोल्ट्जमैन स्थिरांक और T केल्विन पैमाने में तापमान है।

नीचे दिए गए ग्राफ में पीएन जंक्शन डायोड की धारा-वोल्टेज विशेषताएँ दिखाई गई हैं। जब, V धनात्मक होता है, तो जंक्शन फॉरवर्ड बायस होता है, और जब V ऋणात्मक होता है, तो जंक्शन रिवर्स बायस होता है। जब V ऋणात्मक और VTH से कम होता है, तो धारा न्यूनतम होती है। लेकिन जब V VTH से अधिक हो जाता है, तो धारा अचानक बहुत ऊंची हो जाती है। वोल्टेज VTH को थ्रेशहोल्ड या कट इन वोल्टेज कहा जाता है। सिलिकॉन डायोड के लिए VTH = 0.6 V होता है। रिवर्स वोल्टेज के लिए बिंदु P के संगत, रिवर्स धारा में अचानक वृद्धि होती है। इस विशेषता का यह भाग ब्रेकडाउन क्षेत्र के रूप में जाना जाता है।

स्टेप ग्रेडेड जंक्शन

स्टेप ग्रेडेड जंक्शन में, दोनों तरफ जंक्शन तक डोपिंग की सांद्रता समान रहती है।

अवरुद्ध क्षेत्र

अवरुद्ध क्षेत्र जंक्शन पर बनता है, जहाँ स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन और छेद पुनर्योजित होते हैं, जिससे एक क्षेत्र बनता है जिसमें कोई स्वतंत्र आवेश वाहक नहीं होते।

फॉरवर्ड बायस

फॉरवर्ड बायस लगाने से अवरुद्ध क्षेत्र की चौड़ाई कम हो जाती है, जिससे धारा बहने लगती है।

रिवर्स बायस

रिवर्स बायस लगाने से अवरुद्ध क्षेत्र की चौड़ाई बढ़ जाती है, जिससे धारा रोक दी जाती है, जब तक ब्रेकडाउन वोल्टेज नहीं पहुँच जाती।