PN Kavşak Diodu nedir?

PN Kavşak Diodu Nedir?

PN Kavşak Diodu

PN kavşak diodu, elektronikte temel bir bileşendir. Bu tip diodda, yarıiletkenin bir tarafı kabul edici katkı maddeleri (P-tipi) ile, diğer tarafı ise verici katkı maddeleri (N-tipi) ile doygunlaştırılır. Bu diod, 'adım gradyanlı' veya 'doğrusal gradyanlı' kavşak olarak sınıflandırılabilir.

Adım gradyanlı PN kavşak diodunda, her iki taraftaki katkı maddesi konsantrasyonu kavşak kadar düzgün olur. Doğrusal gradyanlı kavşakta, katkı maddesi konsantrasyonu kavşaktan olan uzaklığa neredeyse doğrusal olarak değişir. Herhangi bir gerilim uygulanmadığında, serbest elektronlar P-taraflarına ve delikler N-taraflarına hareket eder, burada birleşirler.

Kavşak yakınlarındaki P-tarafındaki kabul edici atomlar negatif iyonlar, N-tarafındaki verici atomlar pozitif iyonlar haline gelir. Bu, elektronların ve deliklerin daha fazla difüzyonunu engelleyen bir elektrik alan oluşturur. Kapalı iyonlar bulunan bu bölge tükenmiş bölge olarak adlandırılır.

Eğer, pn kavşak diode'ye ileriya doğru sapma gerilimi uygularsak. Yani, pilin pozitif tarafı P-taraflarına bağlanırsa, tükenmiş bölgenin genişliği azalır ve taşıyıcılar (delikler ve serbest elektronlar) kavşak üzerinden akar. Eğer diode'ye ters sapma gerilimi uygularsak, tükenmiş bölgenin genişliği artar ve yük taşıyıcılar kavşak üzerinden geçemez.

PN Kavşak Diodu Özellikleri

ND verici konsantrasyonu ve NA kabul edici konsantrasyonu olan bir pn kavşak düşünelim. Tüm verici atomların serbest elektronları bağışlamış ve pozitif verici iyonlar haline geldiğini, tüm kabul edici atomların elektronları kabul etmiş ve karşılık gelen delikler yaratmış, negatif kabul edici iyonlar haline geldiğini varsayalım. Dolayısıyla, serbest elektronların (n) ve verici iyonların ND konsantrasyonlarının aynı olduğunu ve benzer şekilde, deliklerin (p) ve kabul edici iyonların (NA) konsantrasyonlarının aynı olduğunu söyleyebiliriz. Burada, istemsiz katkı maddeleri ve defektlerden kaynaklanan delikler ve serbest elektronları göz ardı ettik.

pn kavşak boyunca, n-tipi tarafındaki verici atomlar tarafından bağışlanan serbest elektronlar P-taraflarına difüze ederek deliklerle birleşir. Benzer şekilde, P-taraflarındaki kabul edici atomlar tarafından yaratılan delikler n-taraflarına difüze ederek serbest elektronlarla birleşir. Bu yeniden birleşme işleminden sonra, kavşak boyunca yük taşıyıcıların (serbest elektronlar ve delikler) eksikliği veya tükenmesi olur. Yük taşıyıcıların tükenmesi olduğu bölge tükenmiş bölge olarak adlandırılır.

Serbest yük taşıyıcılarının (serbest elektronlar ve delikler) yokluğu nedeniyle, n-tipi tarafındaki verici iyonlar ve P-taraflardaki kabul edici iyonlar kavşak boyunca kapalı kalır. Bu pozitif kapalı verici iyonlar, n-tipi tarafındaki kavşak yanına ve negatif kapalı kabul edici iyonlar, P-taraflarındaki kavşak yanına yerleştirilerek, pn kavşak boyunca bir alanda yük oluşturur. Bu alana bağlı olarak geliştirilen potansiyel, difüzyon voltajı olarak adlandırılır. Bir pn kavşak diodunun difüzyon voltajı, difüzyon potansiyeli ifade edilir. Difüzyon potansiyeli, n-tipi tarafından P-taraflarına serbest elektronların ve P-taraflarından n-tipi tarafına deliklerin daha fazla göçünü önler. Yani, difüzyon potansiyeli, yük taşıyıcıların kavşak boyunca geçişini önler.

 Bu bölge, serbest yük taşıyıcılarının tükenmesi nedeniyle yüksek dirençlidir. Tükenmiş bölgenin genişliği, uygulanan sapma gerilimine bağlıdır. Tükenmiş bölgenin genişliği ile sapma gerilimi arasındaki ilişki, Poisson Denklemi adı verilen bir denklemle temsil edilebilir. Burada, ε yarıiletkenin dielektrik sabiti ve V sapma gerilimidir. Yani, ileriye doğru sapma gerilimi uygulandığında, tükenmiş bölgenin genişliği, yani pn kavşak bariyeri azalır ve nihayetinde ortadan kalkar.

Dolayısıyla, ileriye doğru sapma koşulu altında kavşak boyunca potansiyel bariyer olmadığından, serbest elektronlar P-taraflarına ve delikler n-taraflarına girer, burada birleşerek her bir yeniden birleşmede bir foton salınır. Sonuç olarak, diod üzerinden ileriye doğru bir akım akar. PN kavşak boyunca geçen akım, burada, pn kavşak üzerine uygulanan gerilim V ve pn kavşak boyunca geçen toplam akım I olarak ifade edilir.

I s ters doygunluk akımı, e = elektron yükü, k Boltzmann sabiti ve T Kelvin ölçeğinde sıcaklık.

Aşağıdaki grafik, bir PN kavşak diodunun akım-gerilim karakteristiğini göstermektedir. V pozitif olduğunda, kavşak ileriye doğru saplanmış olur, V negatif olduğunda, kavşak tersine saplanmış olur. V negatif ve VTH'dan küçük olduğunda, akım minimaldir. Ancak V, VTH'yi aşarsa, akım aniden çok yüksek hale gelir. VTH gerilimi, eşik veya kesme gerilimi olarak bilinir. Silikon diod için VTH = 0.6 V. Ters gerilim, P noktasına karşılık gelen değerde, ters akım aniden artar. Bu karakteristik bölüm, çökme bölgesi olarak adlandırılır.

Adım Gradyanlı Kavşak

Adım gradyanlı kavşakta, katkı maddelerinin konsantrasyonu her iki tarafta da kavşak kadar düzgündür.

Tükenmiş Bölge

Tükenmiş bölge, serbest elektronlar ve delikler birleştiği, serbest yük taşıyıcısı bulunmayan bir alanda oluşur.

İleriye Doğru Sapma

İleriye doğru sapma uygulandığında, tükenmiş bölgenin genişliği azalır, böylece akım akar.

Tersine Sapma

Tersine sapma uygulandığında, tükenmiş bölgenin genişliği artar, akım akışını çökme gerilimine ulaşana kadar bloke eder.