Ano ang PN Junction Diode?

Ano ang PN Junction Diode?

PN Junction Diode

Ang PN junction diode ay isang pangunahing komponente sa elektronika. Sa uri ng diode na ito, ang isang bahagi ng semiconductor ay doped (pinaglagyan) ng acceptor impurities (P-type) at ang kabilang bahagi naman ay doped ng donor impurities (N-type). Ang diode na ito maaaring ikategorya bilang 'step graded' o 'linearly graded' junction.

Sa step graded PN junction diode, ang concentration ng dopant ay uniform sa parehong bahagi hanggang sa junction. Sa linearly graded junction, ang concentration ng doping ay nagbabago halos linear sa distansya mula sa junction. Kung walang voltage na inilapat, ang mga free electrons ay lumilipat patungo sa P-side at ang mga holes ay lumilipat patungo sa N-side, kung saan sila'y pagsasama-sama.

Ang mga acceptor atoms malapit sa junction sa P-side ay naging negative ions, at ang mga donor atoms malapit sa junction sa N-side ay naging positive ions. Ito ay lumilikha ng electric field na kontra sa karagdagang diffusion ng electrons at holes. Ang rehiyon na ito na may uncovered ions ay tinatawag na depletion region.

Kung ilalapat natin ang forward bias voltage sa p-n junction diode. Ibig sabihin, kung ang positive side ng battery ay konektado sa P-side, ang lapad ng depletion region ay bumababa at ang mga carriers (holes at free electrons) ay lumilipat sa pamamagitan ng junction. Kung ilalapat naman natin ang reverse bias voltage sa diode, ang lapad ng depletion ay tumataas at walang charge na maaaring lumipat sa pamamagitan ng junction.

P-N Junction Diode Characteristics

Isaalang-alang natin ang pn junction na may donor concentration ND at acceptor concentration NA. Isaalang-alang din natin na lahat ng donor atoms ay nag-donate ng free electrons at naging positive donor ions at lahat ng acceptor atoms ay tumanggap ng electrons at lumikha ng corresponding holes at naging negative acceptor ions. Kaya masasabi natin na ang concentration ng free electrons (n) at donor ions ND ay pareho at ganoon din ang concentration ng holes (p) at acceptor ions (NA) ay pareho. Dito, pinag-ibayo namin ang mga holes at free electrons na nilikha sa semiconductors dahil sa unintentional impurities at defects.

Sa pamamagitan ng pn junction, ang mga free electrons na idinonate ng donor atoms sa n-type side ay lumilipat sa p-type side at pagsasama-sama sa holes. Ganoon din, ang mga holes na nilikha ng acceptor atoms sa p-type side ay lumilipat sa n-type side at pagsasama-sama sa free electrons. Pagkatapos ng proseso ng recombination, may kakulangan o depletion ng charge carriers (free electrons at holes) sa paligid ng junction. Ang rehiyon sa paligid ng junction kung saan ang free charge carriers ay nawawala ay tinatawag na depletion region.

Dahil sa pagkakawala ng free charge carriers (free electrons at holes), ang mga donor ions ng n-type side at acceptor ions ng p-type side sa paligid ng junction ay naging uncovered. Ang mga positive uncovered donor ions patungo sa n-type side malapit sa junction at ang negative uncovered acceptors ions patungo sa p-type side malapit sa junction ay nagdudulot ng space charge sa pamamagitan ng pn junction. Ang potential na nabuo sa paligid ng junction dahil sa space charge na ito ay tinatawag na diffusion voltage. Ang diffusion voltage sa pamamagitan ng pn junction diode maaaring ipahayag bilang The diffusion potential lumilikha ng potential barrier para sa karagdagang migration ng free electrons mula sa n-type side patungo sa p-type side at holes mula sa p-type side patungo sa n-type side. Ibig sabihin, ang diffusion potential ay sumusunod sa charge carriers na lumampas sa junction.

 Ang rehiyon na ito ay mataas ang resistance dahil sa depletion ng free charge carriers sa rehiyon na ito. Ang lapad ng depletion region ay depende sa inilapat na bias voltage. Ang relasyon sa pagitan ng lapad ng depletion region at bias voltage maaaring ipahayag gamit ang ekwasyon na tinatawag na Poisson Equation. Dito, ε ang permittivity ng semiconductor at V ang biasing voltage. Kaya, sa pag-apply ng forward bias voltage, ang lapad ng depletion region i.e. pn junction barrier ay bumababa at sa huli ay nawawala.

Kaya, sa pagkakawala ng potential barrier sa paligid ng junction sa forward bias condition, ang mga free electrons ay pumapasok sa p-type region at ang mga holes ay pumapasok sa n-type region, kung saan sila'y pagsasama-sama at irelease ng photon sa bawat recombination. Bilang resulta, magkakaroon ng forward current na lumilipat sa pamamagitan ng diode. Ang current sa pamamagitan ng PN junction maaaring ipahayag bilang Here, voltage V ang inilapat sa pamamagitan ng pn junction at ang kabuuang current I, ay lumilipat sa pamamagitan ng pn junction.

I s ay reverse saturation current, e = charge ng electron, k ay Boltzmann constant at T ang temperature sa Kelvin scale.

Ang graph sa ibaba ay nagpapakita ng current-voltage characteristic ng PN junction diode. Kapag ang V ay positibo, ang junction ay forward biased, at kapag ang V ay negatibo, ang junction ay reverse biased. Kapag ang V ay negatibo at mas mababa kaysa sa VTH, ang current ay minimal. Ngunit kapag ang V ay lampa sa VTH, ang current ay biglang naging mataas. Ang voltage VTH ay kilala bilang threshold o cut in voltage. Para sa Silicon diode, VTH = 0.6 V. Sa reverse voltage na kaukulang sa point P, may biglaang pagtaas ng reverse current. Ang bahaging ito ng characteristics ay kilala bilang breakdown region.

Step Graded Junction

Sa step graded junction, ang concentration ng dopants ay uniform hanggang sa junction sa parehong bahagi.

Depletion Region

Ang depletion region ay nabubuo sa junction kung saan ang free electrons at holes ay pagsasama-sama, lumilikha ng lugar na walang free charge carriers.

Forward Bias

Ang pag-apply ng forward bias ay binabawasan ang lapad ng depletion region, nagpapahintulot sa current na lumipat.

Reverse Bias

Ang pag-apply ng reverse bias ay dinadagdagan ang lapad ng depletion region, nagpapahinto sa current flow hanggang sa maabot ang breakdown voltage.