آموزش الکترونیک

دیود پیوند PN چیست؟ PN Junction Diode

دیود پیوند PN یکی از المان های اساسی در الکترونیک است. در این نوع دیود، یک طرف یک قطعه نیمه هادی را با ناخالصی پذیرنده و طرف دیگر را با ناخالصی دهنده آغشته می کنیم. یک دیود پیوند PN یک المان الکترونیکی دو ترمیناله است که می تواند به عنوان «درجه بندی پله ای» یا «درجه بندی خطی» طبقه بندی شود.

در یک دیود پیوند PN درجه بندی شده، غلظت مواد ناخالص هر دو طرف، در سمت N و سمت P تا محل پیوند یکنواخت است. اما در یک پیوند خطی درجه بندی شده، غلظت دوپینگ تقریباً به صورت خطی با فاصله از محل پیوند تغییر می کند. هنگامی که هیچ ولتاژی در دیود PN اعمال نمی کنیم، الکترون های آزاد از طریق پیوند به سمت P منتشر می شوند و حفره ها از طریق پیوند به سمت N پخش می شوند و با یکدیگر ترکیب می شوند.

بنابراین اتم های گیرنده در سمت p نزدیک لبه پیوند و اتم های دهنده در سمت n نزدیک لبه پیوند به ترتیب به یون های منفی و مثبت تبدیل می شوند. وجود یون های منفی در سمت نوع p در امتداد محل پیوند و یون های مثبت در سمت نوع n در امتداد لبه پیوند موجب ایجاد میدان الکتریکی می شود. میدان الکتریکی با انتشار بیشتر الکترون های آزاد از سمت نوع n و حفره ها از سمت نوع p دیود پیوند PN مخالف است. ما این ناحیه را در سراسر محل پیوند که در آن بارهای بدون پوشش (یونها) وجود دارد، به عنوان ناحیه تخلیه می شناسیم.

اگر ولتاژ بایاس مستقیم را به دیود پیوند p-n اعمال می کنیم. این بدان معناست که اگر طرف مثبت باتری به سمت p متصل شود، عرض نواحی تخلیه کاهش می ‌یابد و حامل ‌ها (حفره‌ ها و الکترون‌ های آزاد) در سراسر محل پیوند جریان می ‌یابند. اگر یک ولتاژ بایاس معکوس به دیود اعمال کنیم، عرض ناحیه تخلیه افزایش می ‌یابد و هیچ شارژی نمی ‌تواند در سراسر پیوند جریان یابد.

مشخصه های دیود پیوند P-N

اجازه دهید یک پیوند pn را با غلظت دهنده ND و غلظت گیرنده NA در نظر بگیریم. همچنین فرض می کنیم که تمام اتم های دهنده الکترون های آزاد اهدا کرده و به یون های دهنده مثبت تبدیل شده اند و همه اتم های گیرنده الکترون پذیرفته اند و حفره های مربوطه ایجاد کرده و تبدیل به یون گیرنده منفی شده اند. بنابراین می توان گفت غلظت الکترون های آزاد (n) و یون های دهنده ND یکسان است و به طور مشابه، غلظت حفره ها (p) و یون های گیرنده (NA) یکسان است. در اینجا حفره ها و الکترون های آزاد ایجاد شده در نیمه هادی ها به دلیل ناخالصی ها و نقص های غیرعمدی نادیده گرفته ایم.

مشخصه های دیود پیوند P-N

در سراسر پیوند pn، الکترون ‌های آزاد اهدا شده توسط اتم‌ های دهنده در سمت نوع n به سمت تایپ p منتشر شده و با حفره‌ ها دوباره ترکیب می‌ شوند. به طور مشابه، حفره های ایجاد شده توسط اتم های گیرنده در سمت نوع p به سمت نوع n منتشر شده و با الکترون های آزاد دوباره ترکیب می شوند. پس از این فرآیند نوترکیب، کمبود یا تخلیه حامل های بار (الکترون ها و حفره های آزاد) در سراسر محل پیوند وجود دارد. ناحیه ای در سراسر پیوند که در آن حامل های بار آزاد تخلیه می شوند، ناحیه تخلیه نامیده می شود. به دلیل عدم وجود حامل های بار آزاد (الکترون ها و حفره های آزاد)، یون های دهنده سمت نوع n و یون های گیرنده سمت نوع p در سراسر محل پیوند بدون پوشش می شوند. این یون های اهدا کننده بدون پوشش مثبت به سمت سمت نوع n مجاور محل پیوند و یون های گیرنده بدون پوشش منفی به سمت ضلع p نوع مجاور پیوند حرکت کرده و موجب ایجاد بار فضایی در سراسر پیوند pn می شوند. پتانسیل ایجاد شده در سراسر پیوند به دلیل این بار فضایی، ولتاژ انتشار نامیده می شود. ولتاژ انتشار در یک دیود پیوند pn را می توان به صورت بیان کرد:

مشخصه های دیود پیوند P-N

پتانسیل انتشار یک مانع بالقوه برای مهاجرت بیشتر الکترون های آزاد از سمت نوع n به سمت نوع p و حفره ها از سمت نوع p به سمت نوع n ایجاد می کند. این بدان معناست که پتانسیل انتشار از عبور حامل های بار از محل پیوند جلوگیری می کند. این ناحیه به دلیل تخلیه حامل های شارژ آزاد در این ناحیه بسیار مقاوم است. عرض ناحیه تخلیه به ولتاژ بایاس اعمال شده بستگی دارد. رابطه بین عرض ناحیه تخلیه و ولتاژ بایاس را می توان با معادله ای به نام معادله پواسون نشان داد.

فرمول جریان دیود پی ان

در اینجا ε گذردهی نیمه هادی و V ولتاژ بایاس است. بنابراین، با استفاده از ولتاژ بایاس مستقیم، عرض ناحیه تخلیه یعنی مانع پیوند pn کاهش می‌ یابد و در نهایت ناپدید می ‌شود. از این رو در غیاب مانع پتانسیل در سراسر پیوند در شرایط بایاس مستقیم، الکترون ‌های آزاد وارد ناحیه نوع p و حفره ‌ها به منطقه نوع n وارد می ‌شوند، جایی که آن ها دوباره ترکیب می ‌شوند و در هر نوترکیبی یک فوتون آزاد می ‌کنند. در نتیجه یک جریان مستقیم از دیود عبور می کند. جریان از طریق پیوند PN به صورت زیر بیان می شود:

نمودار جریان ولتاژ دیود

در اینجا، ولتاژ V در پیوند pn اعمال می شود و جریان کل I، از طریق پیوند pn جریان می یابد. Is جریان اشباع معکوس، e = بار الکترون، k ثابت بولتزمن و T دما در مقیاس کلوین است.

زمانی که V مثبت باشد، پیوند بایاس مستقیم است و زمانی که V منفی باشد، پیوند بایاس معکوس است. وقتی V منفی و کمتر از VTH باشد، جریان حداقل است. اما زمانی که V از VTH بیشتر شود، جریان ناگهان بسیار زیاد می شود. ولتاژ VTH به عنوان آستانه یا قطع ولتاژ شناخته می شود. برای دیود سیلیکونی VTH = 0.6 V. در یک ولتاژ معکوس مربوط به نقطه P، افزایش ناگهانی در جریان معکوس وجود دارد. این بخش از ویژگی ها به عنوان منطقه شکست شناخته می شود.

2.8 (5 نفر)

اگر در مورد این مطلب سوالی دارید در قسمت نظرات بپرسید

برای دریافت مطالب جدید کانال تلگرام یا پیج اینستاگرام ما را دنبال کنید.

محمد رحیمی

محمد رحیمی هستم. سعی میکنم در آیرنکس مطالب مفید قرار بدهم. سوالات مربوط به این مطلب را در قسمت نظرات همین مطلب اعلام کنید. سعی میکنم در اسرع وقت به نظرات شما پاسخ بدهم.

4 نظر

    1. سلام عزیز
      خوشحالم که از مطالب سایت رضایت داشتین

    1. سلام عزیز
      خوشحالم که رضایت داشتین

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *