آشنایی با دیود پیوندی PN 

یک دیود پیوندی PN هنگامی که یک نیمه رسانای نوع p بر یک نیمه رسانای نوع n ذوب شد، شکل می‌گیرد، که یک ولتاژ سد پتانسیل در دوسر پیوند دیود به وجود می‌آورد.

دیود پیوندی

تاثیری که در آموزش قبلی توصیف شد بدون اعمال هیچ ولتاژ بیرونی به پیوند ی در نقاط انتهایی هر دو مواد نوع N و نوع P بودیم و سپس آنها را به یک منبع باتری وصل کنیم، اکنون یک منبع انرژی اضافی برای غلبه بر سد پتانسیل وجود دارد. تاثیر اضافه کردن این منبع انرژی اضافی منجر به عبور الکترون‌های آزاد از ناحیه تهی از یک بخش تا دیگری می‌شود. رفتار پیوند PN با توجه به پهنای سد پتانسیلی یک قطعه دو ترمینال هدایتی غیر متقارن می‌شود که بیشتر معروف به دیود پیوندی PN است.

پیوند PN

یک دیود پیوندی PN ساده‌ترین قطعات نیمه رسانا است و دارای ویژگی عبور جریان تنها در یک جهت است. اگرچه، برخلاف مقاومت، یک دیود بصورت خطی با توجه به ولتاژ اعمال شده رفتار نمی‌کند زیرا که دیود دارای رابطه جریان – ولتاژ (I-V) نمایی است و درنتیجه، نمی‌توان عملکرد آن را به سادگی تنها با استفاده از یک رابطه مانند قانون اهم توصیف کرد.

به شما پیشنهاد می شود برای درک نیمه رسانا چیست مقاله ما را مطالعه نمایید.

اگر یک ولتاژ مثبت مناسب (بایاس مستقیم) بین دو انتهای پیوند PN اعمال شود، آن می‌تواند الکترون‌های آزاد و حفره‌ها را با انرژی اضافی که آنها نیاز دارند تا از پیوند عبور کنند با کاهش پهنای لایه تهی اطراف پیوند PN، تغذیه کند.

اعمال یک ولتاژ منفی (بایاس معکوس) منجر به دور شدن بارهای آزاد از پیوند و در نتیجه افزایش پهنای باند تهی می‌شود. این باعث کاهش یا افزایش مقاومت موثر خود پیوند می‌شود و شارش جریان درون دیود را مسدود می‌کند.

سپس، لایه تهی با افزایش کاربرد ولتاژ معکوس عریض‌تر می‌شود و با افزایش کاربرد ولتاژ مستقیم باریکتر می‌شود. این به دلیل تفاوت‌ها در ویژگی‌های الکتریکی در دو سمت پیوند PN است که منجر به رخ دادن تغییرات فیزیکی می‌شود. یکی از نتایج، تولید یکسوسازی است که در ویژگی های I-V ( جریان-ولتاژ) استاتیک دیودهای پیوندی PN دیدیم. یکسوسازی با یک شارش جریان غیر متقارن هنگامی که قطبیت ولتاژ بایاس تغییر می‌یابد نشان داده شد.

نماد دیود پیوندی و مشخصات I-V استاتیک

اما قبل از اینکه بتوانیم پیوند PN را به عنوان یک قطعه تجربی یا به عنوان یک قطعه یکسوکنندگی به کار ببریم نیاز داریم تا در ابتدا پیوند را بایاس کنیم یعنی یک پتانسیل ولتاژ را به دو سر آن وصل کنیم. در مجاور ولتاژ فوق، “بایاس معکوس” به عنوان یک پتانسیل ولتاژ بیرونی که سد پتانسیلی را افزایش می‌دهد عنوان می‌شود. گفته می‌شود که یک ولتاژ بیرونی که سد پتانسیلی را کاهش می‌دهد در جهت “بایاس مستقیم” عمل می‌کند.

دو ناحیه عملیاتی  و 3 وضعیت “بایاس” ممکن برای دیود پیوندی استاندارد وجود دارد و به صورت زیر هستند:

• بایاس صفر – هیچ پتانسیل ولتاژ بیرونی به دیود پیوندی PN اعمال نشده است.
• بایاس معکوس – پتانسیل ولتاژ (-Ve) را به ماده نوع P و (+Ve) را به ماده نوع N در دوسر دیود وصل می‌کنیم، که دارای تاثیر افزایش پهنای دیود پیوندی  PN است.
• بایاس مستقیم – پتانسل ولتاژ (+Ve) را به ماده نوع P و (-Ve) را به ماده نوع N در دوسر دیود وصل کرده است، که دارای تاثیر کاهش پهنای دیود پیوندی  PN است.

دیود پیوندی بایاس شده صفر

هنگامی که یک دیود در یک وضعیت بایاس صفر وصل شده است، هیچ انرژی پتانسیل بیرونی به پیوند PN اعمال نمی‌شود. اگرچه، اگر پایانه های دیود به یکدیگر وصل شوند، حفره های کمی (حامل های اکثریت) در ماده نوع  P  با انرژی کافی برای غلبه بر سد پتانسیلی در دو سر پیوند بر خلاف این پتانسیل سد حرکت خواهند کرد. این به عنوان ” جریان مستقیم” شناخته شده است و به صورت  I_Fاست.

به همین ترتیب، حفره های ایجاد شده در ماده نوع N (حامل های اقلیت)  این موقعیت را مساعد می‌بینند و در سرتاسر پیوند در جهت مثبت حرکت می‌کنند. این به عنوان “جریان معکوس” شناخته شده و به صورت I_R است. این انتقال الکترون‌ها و حفره‌ها به جلو و عقب در دوسر پیوند PN به عنوان انتشار شناخته می‌شود که در زیر نشان داده شده است.

دیود پیوندی PN بایاس صفر شده

سد پتانسیل موجود در حال حاضر مانع از انتشار بیشتر هر حامل اکثریت در دوسر پیوند می‌شود. اگرچه، سد پتانسیل به حاملان اقلیت (الکترون آزاد کم در منطقه P و حفره‌های کم در منطقه N) کمک می‌کند تا در دو سر پیوند حرکت کنند.

سپس “تعادل” یا بالانس هنگامی که حامل‌های اکثریت برابر هستند و هر دو در جهات مختلف حرکت می‌کنند، برقرار خواهد شد، بنابر این نتیجه شفاف، جریان عبوری در مدار صفر است. هنگامی که این اتفاق می‌افتد، گفته می‌شود که پیوند در حالت “تعادل دینامیکی” است.

حامل‌های اکثریت به دلیل انرژی گرمایی بصورت ثابت تولید می‌شوند بنابراین این وضعیت تعادل می‌تواند توسط افزایش دمای پیوند PN شکسته شود که باعث یک افزایش در تولید حامل‌های اقلیت می‌شود درنتیجه منجر به افزایش در جریان نشتی می‌شود اما جریان الکتریکی نمی‌تواند شارش یابد زیرا که هیچ مداری به پیوند PN وصل نشده است.

دیود پیوندی PN بایاس معکوس

هنگامی که یک دیود در وضعیت بایاس معکوس وصل شده است، یک ولتاژ مثبت به ماده نوع N و یک ولتاژ منفی به ماده نوع N اعمال می‌شود. این ولتاژ مثبت اعمال شده به ماده نوع N الکترون‌ها را  به سمت الکترودهای مثبت جذب می‌کند و از پیوند دور می‌کند، در حالیکه حفره ها در انتهای نوع P همچنان از پیوند دور شده و به سمت الکترود منفی جذب می‌شوند.

نتیجه شفاف این است که لایه تهی به دلیل فقدان الکترون‌ها و حفره‌ها  و وجود یک مسیر امپدانس بالا بیشتر یک عایق؛ عریض‌تر می‌شود. نتیجه این است که یک سد پتانسیل بالا بوجود می‌آید درنتیجه از شارش جریان درون ماده نیمه رسانا ممانعت می‌کند.

افزایش در لایه تهی بایاس معکوس

این وضعیت نشان‌دهنده یک مقدار مقاومتی بالا به پیوند PN  است و به صورت عملی جریان صفر از درون دیود پیوند با افزایش در ولتاژ بایاس عبور می‌کند. اگرچه، یک جریان نشتی کوچک درون پیوند است که می‌تواند در مقیاس میکرو آمپر (μA)  اندازه‌گیری شود.

نکته پایانی این است که اگر ولتاژ بایاس معکوس V_r اعمال شده به دیود به یک مقدار کافی به حد لازم بالا  افزایش یابد، آن باعث خواهد شد تا پیوند PN دیود بیش از حد داغ شود و منجر به شکست به دلیل تاثیر آوالانس در اطراف پیوند می‌شود. این ممکن است باعث شود که دیود اتصال کوتاه شود و منجر به شارش جریان بیشینه مداری خواهد شد، و این به عنوان یک مرحله شیب رو به پایین در منحنی مشخصات استاتیک معکوس زیر نشان داده شده است.

منحنی مشخصات معکوس دیود پیوندی

بعضی اوقات این اثر بهمن در مدارهای تثبیت کننده ولتاژ دارای کاربرد تجربی است که در آن از یک مقاومت محدودکننده سری با دیود برای محدود کردن این جریان شکست معکوس به یک مقدارحداکثر از پیش تعیین شده استفاده کرده است و بدین ترتیب یک خروجی ولتاژ ثابت در دوسر دیود تولید می‌کند. این نوع دیودها معمولاً به عنوان دیودهای زنر شناخته می شوند و در آموزش بعدی مورد بحث قرار می‌گیرد.

دیود پیوندی PN بایاس مستقیم

هنگامی که یک دیود در یک وضعیت بایاس مستقیم وصل شود، یک ولتاژ منفی به ماده نوع N و یک ولتاژ مثبت به ماده نوع P اعمال می‌شود. اگر این ولتاژ بیرونی از مقدار سد پتانسیل بزرگتر باشد، تقریبا 0/7 ولت برای سیلیکون و 0/3 ولت برای ژرمانیوم، مخالفت سدهای پتانسیل غلبه خواهد کرد و جریان شروع به شارش خواهد کرد.

این بدان دلیل است که ولتاژ منفی فشار می‌دهد یا الکترون‌ها را به سمت پیوند دفع می‌کند  و به آنها انرژی برای رد شدن و ترکیب شدن با حفره‌هایی که در جهت مخالف به سمت پیوند به وسیله ولتاژ مثبت حر کت می‌کنند، می‌دهد. این به شارش جریان به بالای نقطه ولتاژ در منحنی مشخصات منجر می‌شود که در منحنی‌های استاتیک “زانو” نامیده می‌شود و سپس یک جریان درون دیود یا یک افزایش کوچک در ولتاژ بیرونی جریان می‌یابد که در زیر نشان داده شده است.

منحنی مشخصات مستقیم دیود پیوندی

کاربرد یک ولتاژ بایاس مستقیم در دیود پیوندی منجر به نازک شدن و باریک شدن لایه تهی می‌شود که یک مسیر امپدانس پایین درون پیوند را نشان می‌دهد درنتیجه به جریان‌های بالا اجازه شارش می‌دهد. نقطه‌ای که در آن این افزایش جریان اتفاق می‌افتد در منحنی مشخصات I-V استاتیک فوق همانند نقطه “زانو” نشان داده شده است.

کاهش در لایه تهی بایاس مستقیم

این وضعیت مسیر مقاومت پایین از پیوند PN را نشان می‌دهد که شارش عبور جریان بسیار بزرگ را از دیود با تنها یک افزایش کوچک در ولتاژ بایاس ممکن می‌سازد. اختلاف پتانسیل واقعی دو سر پیوند یا دیود با عمل لایه تهی در تقریبا 0/3 ولت برای ژرمانیوم و تقریبا 0/7 ولت برای دیودهای پیوند سیلیکون ثابت نگه داشته شده است.

از آنجایی که دیود می‌تواند جریان “بی‌نهایت” را در بالای این نقطه زانو هدایت کند زیرا که  آن به طور موثر یک مدار کوتاه می‌شود، در نتیجه مقاومت‌ها به صورت سری با دیود برای محدود کردن شارش جریان آن به کار برده شده‌اند. پیش روی از مشخصات حداکثر جریان فعلی خود باعث می‌شود که دستگاه نسبت به زمان طراحی شده برای خرابی بسیار سریع دستگاه، قدرت بیشتری را در قالب گرما از بین ببرد.

خلاصه دیود پیوندی PN

ناحیه پیوند PN یک دیود پیوندی دارای مشخصات مهم پیش رو هستند:

نیمه رساناها شامل  دو نوع از حامل‌های بار متحرک “حفره‌ها” و “الکترون‌ها” هستند.

حفره‌ها به صورت مثبت شارژ می‌شوند در حالی که الکترون‌ها به صورت منفی شارژ می‌شوند.

یک نیمه رسانا ممکن است با ناخالصی‌های اهدا کننده مانند آنتیمونی (دوپینگ نوع N)  ذوپ شود بنابراین آن شامل بارهای متحرک  که در ابتدا الکترون بودند هست.

یک نیمه رسانا ممکن است با ناخالصی های پذیرنده  مانند بورون (دوپینگ نوع P) ذوپ شود بنابراین آن شامل بارهای متحرک  که اساسا حفره بودند هست.

خود ناحیه پیوندی دارای هیچ حامل بار نیست و به عنوان ناحیه تهی شناخته می‌شود.

ناحیه پیوند (تهی)  دارای یک ضخامت فیزیکی که با ولتاژ اعمال شده تغییر می‌کند.

زمانی که یک دیود بایاس صفر شده است هیچ منبع انرژی بیرونی اعمال نمی‌شود و یک سد پتانسیل طبیعی در دوسر یک لایه تهی که تقریبا 0/5 تا 0/7 ولت برای دیودهای سیلیکونی و تقریبا 0/3 ولت برای دیودهای ژرمانیوم است، گسترش یافته است.

هنگامی که یک دیود پیوندی بایاس مستقیم شده است ضخامت ناحیه تهی کاهش می‌یابد  و دیود مانند یک مدار کوتاه که شارش جریان کامل را ممکن می‌سازد، عمل می‌کند.

هنگامی که یک دیود پیوندی بایاس معکوس شد ضخامت ناحیه تهی افزایش می‌یابد  و دیود مانند یک مدار باز مسدود کننده شارش هرگونه جریان عمل می‌کند ( تنها یک جریان نشتی بسیار کوچک).

همچنین ما در بالا دیدیم که  دیود یک قطعه غیر خطی دو پایانه است که مشخصات I-V آن وابسته به قطبیت هستند که بر قطبیت ولتاژ اعمال شده VD دیود  هم بایاس مستقیم VD>0 یا بایاس معکوس VD<0 است. هر دو روش این مشخصات جریان-ولتاژ  را برای هر دو دیود ایده‌آل و برای یک دیود سیلیکونی واقعی مدل می‌کند.

مشخصات دیود پیوندی PN ایده‌آل و واقعی

در آموزش بعدی درباره دیودها، بر دیودهای سیگنال کوچک  که گاهی اوقات یک دیود سوئیچینگ نامیده می‌شوند خواهیم پرداخت که در مدارهای الکترونیکی کلی به کار می‌رود. همانطور که از نام آن پیداست، دیود سیگنال برای کاربردهای ولتاژ پایین یا سیگنال فرکانس بالا مانند مدارهای رادیو یا دیجیتال سوئیچینگ طراحی شده است.

دیودهای سیگنال مانند 1N4148 تنها جریان‌های الکتریکی بسیار کوچکی را در مخالفت با دیودهای یکسوسازی اصلی جریان بالا عبور می‌دهند به طوری که معمولا از دیودهای سیلیکونی استفاده می‌شوند. همچنین در آموزش بعدی منحنی مشخصات ولتاژ – جریان استاتیک دیود سیگنال و پارامترها را بررسی خواهیم کرد.