Nini ni diodi ya tovuti ya PN?

Ni ni nini PN Junction Diode?

PN Junction Diode

PN junction diode ni muundo muhimu katika viwango vya umeme. Katika aina hii ya diode, upande mmoja wa semiconductori unaopimwa na impurities za kubadilisha (P-type) na upande mwingine unaopimwa na impurities za kuongeza (N-type). Diode hii inaweza kugawanyika kama 'step graded' au 'linearly graded' junction.

Katika PN junction diode ya step graded, kiwango cha dopant ni sawa kwenye pande zote hadi kituo. Katika linearly graded junction, kiwango cha doping kinabadilika kulingana na umbali kutoka kwenye kituo. Bila kuweka voltage, electrons wazima huenda kwenye upande wa P na holes huenda kwenye upande wa N, ambako wanajumuisha.

Atoms za acceptor karibu na kituo kwenye upande wa P hujifunza ions chanya, na atoms za donor karibu na kituo kwenye upande wa N hujifunza ions hasi. Hii hutengeneza electric field ambayo inasihi diffusion zaidi ya electrons na holes. Eneo hili linalojumuisha ions zisizofanikiwa kunyakuliwa kinatafsiriwa kama depletion region.

Ikiwa tunatengeneza forward bias voltage kwenye p-n junction diode. Hiyo ni kusema ikiwa upande mzuri wa battery unahusishwa kwenye upande wa P, basi urefu wa depletion region hutokosekana na carriers (holes na electrons wazima) hutoka kwenye kituo. Ikiwa tunatengeneza reverse bias voltage kwenye diode, urefu wa depletion hutolewa na hakuna charge inaweza kutoka kwenye kituo.

Sifa za P-N Junction Diode

Tutathibitisha pn junction na kiwango cha donor ND na kiwango cha acceptor NA. Tutaamini pia kwamba atoms zote za donor zimependeleza electrons wazima na kujifunza ions positive na atoms zote za acceptor zimekuwa na electrons na kujenga holes na kujifunza ions negative. Hivyo tunaweza kusema kiwango cha electrons wazima (n) na ions za donor ND ni sawa na vivyo hivyo, kiwango cha holes (p) na ions za acceptor (NA) ni sawa. Hapa, tumeingiza holes na electrons wazima waliojengwa kwenye semiconductors kutokana na impurities na defects isiyotumaini.

Kwenye pn junction, electrons wazima waliopendelezwa na atoms za donor kwenye upande wa n-type hutoka kwenye upande wa p-type na kukujumuisha na holes. Vivyo hivyo, holes waliojengwa na atoms za acceptor kwenye upande wa p-type hutoka kwenye upande wa n-type na kukujumuisha na electrons wazima. Baada ya proses hii ya kujumuisha, kuna utokoseko au depletion wa charge carriers (electrons wazima na holes) kwenye kituo. Eneo lenye depletion ya charge carriers kwenye kituo kinatafsiriwa kama depletion region.

Kwa sababu ya ukosefu wa charge carriers (electrons wazima na holes), ions za donor kwenye upande wa n-type na ions za acceptor kwenye upande wa p-type kwenye kituo hujifunza. Ions hizi positive za donor zinazokuwa zisizofanikiwa kunyakuliwa kwenye upande wa n-type na ions negative za acceptor zinazokuwa zisizofanikiwa kunyakuliwa kwenye upande wa p-type husababisha space charge kwenye pn junction. Potential linaloondoka kwenye kituo kutokana na space charge hii kinatafsiriwa kama diffusion voltage. Diffusion potential kwenye pn junction diode inaweza kutafsiriwa kama The diffusion potential hutengeneza potential barrier kwa migration zaidi ya electrons wazima kutoka kwenye upande wa n-type kwenye upande wa p-type na holes kutoka kwenye upande wa p-type kwenye upande wa n-type. Hiyo ni kusema diffusion potential huhisiwi charge carriers kupitia kituo.

 Eneo hili linaloonyeshwa ni la resistance kwa sababu ya depletion ya charge carriers wazima kwenye eneo hili. Urefu wa depletion region unategemea kwenye applied bias voltage. Muhaka kati ya urefu wa depletion region na bias voltage inaweza kutafsiriwa kwa equation inayoitwa Poisson Equation. Hapa, ε ni permittivity ya semiconductori na V ni biasing voltage. Kwa hiyo, kwenye application ya forward bias voltage urefu wa depletion region i.e. pn junction barrier hutokosekana na hatimaye hutokosa.

Hivyo, kwa ukosefu wa potential barrier kwenye kituo kwenye tofauti ya forward bias electrons wazima huenda kwenye eneo la p-type na holes huenda kwenye eneo la n-type, ambapo wanajumuisha na kukurusha photon kwenye haraka yoyote. Mara moja, itakuwa na current wa mbele unalipimwa kwenye diode. Current kwenye PN junction inatefsiriwa kama Hapa, voltage V iliyolipimwa kwenye pn junction na total current I, unalipimwa kwenye pn junction.

I s ni reverse saturation current, e = charge of electron, k ni Boltzmann constant na T ni temperature kwenye Kelvin scale.

Grafu ifuatayo inaonyesha current-voltage characteristic ya PN junction diode. Waktu V ni positive, kituo kina forward biased, na wakati V ni negative, kituo kina reverse biased. Waktu V ni negative na chini ya VTH, current ni ndogo. Lakini wakati V hutoa VTH, current hujihisi sana. Voltage VTH inatafsiriwa kama threshold au cut in voltage. Kwa Silicon diode VTH = 0.6 V. Kwenye reverse voltage inayotegemea kwa point P, kuna ongezeko la reverse current. Sehemu hii ya characteristics inatafsiriwa kama breakdown region.

Step Graded Junction

Katika step graded junction, kiwango cha dopants ni sawa hadi kituo kwenye pande zote.

Depletion Region

Depletion region hutengenezwa kwenye kituo ambapo electrons wazima na holes hujumuisha, kutengeneza eneo lenye ukosefu wa charge carriers wazima.

Forward Bias

Kutengeneza forward bias hutokosekana urefu wa depletion region, kuwaambia current kutoka.

Reverse Bias

Kutengeneza reverse bias hutolewa urefu wa depletion region, kuzuia current kutoka hadi kufikia breakdown voltage.