क्या है PN जंक्शन डायोड?

पीएन जंक्शन डायोड क्या है?

पीएन जंक्शन डायोड

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

स्टेप ग्रेडेड पीएन जंक्शन डायोड में, डोपिंग घनत्व दोनों तरफ जंक्शन तक समान होता है। लिनियर ग्रेडेड जंक्शन में, डोपिंग घनत्व जंक्शन से दूरी के साथ लगभग रेखीय रूप से बदलता है। किसी भी वोल्टेज लगाए बिना, मुक्त इलेक्ट्रॉन पी-तरफ चले जाते हैं और छिद्र एन-तरफ चले जाते हैं, जहाँ वे संयोजित होते हैं।

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

अगर हम पीएन जंक्शन डायोड पर फॉर्वर्ड बायस वोल्टेज लगाते हैं, तो अर्थात् बैटरी की धनात्मक तरफ को पी-तरफ से जोड़ते हैं, तो डीप्लीशन क्षेत्र की चौड़ाई कम हो जाती है और चालक (छिद्र और मुक्त इलेक्ट्रॉन) जंक्शन से गुजरते हैं। अगर हम डायोड पर रिवर्स बायस वोल्टेज लगाते हैं, तो डीप्लीशन क्षेत्र की चौड़ाई बढ़ जाती है और कोई चार्ज जंक्शन से गुजर नहीं सकता।

पी-एन जंक्शन डायोड की विशेषताएं

आइए हम एक पीएन जंक्शन को दाता घनत्व ND और स्वीकारक घनत्व NA के साथ ध्यान में लें। आइए यह भी मान लें कि सभी दाता परमाणुओं ने मुक्त इलेक्ट्रॉन दान किए हैं और धनात्मक दाता आयन बन गए हैं और सभी स्वीकारक परमाणुओं ने इलेक्ट्रॉन स्वीकार किए हैं और संबंधित छिद्र बनाए हैं और ऋणात्मक स्वीकारक आयन बन गए हैं। इसलिए हम कह सकते हैं कि मुक्त इलेक्ट्रॉन (n) और दाता आयन ND की सांद्रता एक ही है और इसी तरह, छिद्र (p) और स्वीकारक आयन (NA) की सांद्रता एक ही है। यहाँ, हमने अनिच्छा से दुष्प्रभाव और दोषों के कारण अर्धचालकों में बने छिद्र और मुक्त इलेक्ट्रॉनों को नजरअंदाज किया है।

पीएन जंक्शन पर, एन-टाइप तरफ दाता परमाणुओं द्वारा दान किए गए मुक्त इलेक्ट्रॉन पी-टाइप तरफ फैलते हैं और छिद्रों के साथ संयोजित होते हैं। इसी तरह, पी-टाइप तरफ स्वीकारक परमाणुओं द्वारा बने छिद्र एन-टाइप तरफ फैलते हैं और मुक्त इलेक्ट्रॉनों के साथ संयोजित होते हैं। इस संयोजन प्रक्रिया के बाद, जंक्शन पर चालक (मुक्त इलेक्ट्रॉन और छिद्र) की कमी या डीप्लीशन होती है। जंक्शन के पार जहाँ चालक की कमी होती है, वह क्षेत्र डीप्लीशन क्षेत्र कहलाता है।

मुक्त चालक (मुक्त इलेक्ट्रॉन और छिद्र) की अनुपस्थिति के कारण, एन-टाइप तरफ दाता आयन और पी-टाइप तरफ स्वीकारक आयन जंक्शन के पार अवरुद्ध हो जाते हैं। इन धनात्मक अवरुद्ध दाता आयनों और ऋणात्मक अवरुद्ध स्वीकारक आयनों के कारण पीएन जंक्शन पर एक स्थानिक चार्ज बनता है। इस स्थानिक चार्ज के कारण जंक्शन पर विकसित होने वाला विभव डिफ्यूजन विभव कहलाता है। पीएन जंक्शन डायोड पर डिफ्यूजन विभव को व्यक्त किया जा सकता है। डिफ्यूजन विभव एन-टाइप तरफ से पी-टाइप तरफ इलेक्ट्रॉनों और पी-टाइप तरफ से एन-टाइप तरफ छिद्रों के आगे के प्रवाह के लिए एक विभव बाधा बनाता है। अर्थात डिफ्यूजन विभव चालक को जंक्शन पार गुजरने से रोकता है।

 यह क्षेत्र मुक्त चालक की कमी के कारण उच्च प्रतिरोधी होता है। डीप्लीशन क्षेत्र की चौड़ाई लगाए गए बायस वोल्टेज पर निर्भर करती है। डीप्लीशन क्षेत्र की चौड़ाई और बायस वोल्टेज के बीच का संबंध एक समीकरण द्वारा व्यक्त किया जा सकता है, जिसे पॉयसन समीकरण कहा जाता है। यहाँ, ε अर्धचालक की परमिटिविटी है और V बायसिंग वोल्टेज है। तो, एक फॉर्वर्ड बायस वोल्टेज के आवेशन पर डीप्लीशन क्षेत्र की चौड़ाई, अर्थात पीएन जंक्शन बाधा कम हो जाती है और अंततः गायब हो जाती है।

इसलिए, फॉर्वर्ड बायस स्थिति में जंक्शन पर विभव बाधा की अनुपस्थिति में मुक्त इलेक्ट्रॉन पी-टाइप क्षेत्र में प्रवेश करते हैं और छिद्र एन-टाइप क्षेत्र में प्रवेश करते हैं, जहाँ वे संयोजित होते हैं और प्रत्येक संयोजन पर एक फोटॉन छोड़ते हैं। इस परिणामस्वरूप, डायोड में एक फॉर्वर्ड धारा बहती है। पीएन जंक्शन के माध्यम से धारा को व्यक्त किया जा सकता है। यहाँ, वोल्टेज V पीएन जंक्शन पर लगाया जाता है और कुल धारा I, पीएन जंक्शन के माध्यम से बहती है।

I s रिवर्स संतृप्त धारा, e = इलेक्ट्रॉन का आवेश, k बोल्ट्जमन नियतांक और T केल्विन पैमाने में तापमान है।

नीचे दिए गए ग्राफ में पीएन जंक्शन डायोड का वोल्टेज-धारा विशेषता दिखाया गया है। जब V धनात्मक होता है, तो जंक्शन फॉर्वर्ड बायसित होता है, और जब V ऋणात्मक होता है, तो जंक्शन रिवर्स बायसित होता है। जब V ऋणात्मक होता है और VTH से कम होता है, तो धारा न्यूनतम होती है। लेकिन जब V VTH से अधिक होता 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 है। रिवर्स वोल्टेज पर 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 घनत्व समान होता है।

डीप्लीशन क्षेत्र

डीप्लीशन क्षेत्र जंक्शन पर बनता है जहाँ मुक्त इलेक्ट्रॉन और छिद्र संयोजित होते हैं, जिससे एक क्षेत्र बनता है जहाँ कोई मुक्त चालक नहीं होते।

फॉर्वर्ड बायस

फॉर्वर्ड बायस लगाने से डीप्लीशन क्षेत्र की चौड़ाई कम हो जाती है, जिससे धारा बह सकती है।

रिवर्स बायस

रिवर्स बायस लगाने से डीप्लीशन क्षेत्र की चौड़ाई बढ़ जाती है, जिससे धारा बहने से रोका जाता है, जब तक ब्रेकडाउन वोल्टेज नहीं पहुंचता।