دیود اتصال PN

هنگامی که یک  دیود نیمه هادی نوع p به یک نیمه هادی نوع n متصل می شود و ولتاژ سد بالقوه ای را از طریق اتصال دیود ایجاد می کند ، یک دیود اتصال PN تشکیل می شود.

تاثیری که در ‌آموزش قبلی شرح داده‌شد بدون اعمال ولتاژ‌خارجی به‌محل اتصال واقعی PN و در‌نتیجه اتصال در‌حالت تعادل حاصل می‌شود.

با این وجود‌،‌اگر بخواهیم اتصالات الکتریکی را در انتهای مواد N-type و P-type ایجاد کنیم و سپس آنها را به منبع باتری متصل کنیم‌،‌اکنون یک منبع انرژی اضافی برای غلبه بر سد پتانسیل وجود دارد.

اثر افزودن این منبع‌انرژی اضافی منجر به عبور الکترونهای آزاد از منطقه تخلیه از یک طرف به طرف دیگر می‌شود.

رفتار اتصال PN در رابطه با عرض مانع احتمالی‌،‌یک‌دستگاه انتهایی نامتقارن را ایجاد می‌کند‌،‌که به آن دیود اتصال PN می‌گویند.

دیود اتصال pn  یکی از ساده‌ترین دستگاه های نیمه هادی در‌اطراف است که دارای ویژگی عبور‌جریان فقط در یک‌جهت است.

با این حال ، بر خلاف مقاومت ، یک دیود با توجه به ولتاژ اعمال شده رفتار خطی ندارد.

رابطه جریان – ولتاژ

زیرا دیود دارای یک‌رابطه جریان-ولتاژ‌(I-V) نمایی‌است و بنابراین ما نمی‌توانیم عملکرد آن‌را فقط با‌استفاده از یک‌معادله مانند قانون اهم توصیف‌کنیم.

اگر ولتاژ مثبت (بایاس رو به جلو) بین دو انتهای محل اتصال PN اعمال شود ، می تواند با عبور از عرض لایه تخلیه اطراف محل اتصال PN ، الکترون و سوراخ های آزاد را با انرژی اضافی مورد نیاز برای عبور از محل اتصال تأمین کند. .

با اعمال ولتاژ منفی‌(بایاس معکوس)‌ ،‌بارهای آزاد از محل اتصال خارج می‌شوند و در نتیجه عرض لایه تخلیه افزایش می‌یابد.

این اثر باعث افزایش یا کاهش مقاومت موثر محل‌اتصال می‌شود که جریان جاری را از طریق اتصال دیودها مسدود می‌کند.

سپس لایه کاهش با افزایش اعمال ولتاژ معکوس گسترش می یابد و با افزایش اعمال ولتاژ جلو باریک می شود.

این به دلیل تفاوت در خصوصیات الکتریکی در دو طرف اتصال PN و در نتیجه ایجاد تغییرات فیزیکی است.

یکی از نتایج‌، اصلاحاتی را ایجاد می‌کند که در ویژگی های ثابت I-V (ولتاژ جریان) دیودهای اتصال PN دیده می‌شود.

هنگامی که قطبیت ولتاژ بایاس مانند تصویر زیر تغییر می یابد ، اصلاح با جریان نامتقارن جریان نشان داده می‌شود.

نماد دیود اتصال و ویژگی های I-V استاتیک

اما قبل از اینکه بتوانیم از نقطه اتصال PN به عنوان یک ابزار عملی و یا به عنوان یک ابزار اصلاح کننده استفاده کنیم، باید ابتدا نقطه اتصال را منحرف کنیم که پتانسیل ولتاژ را به آن متصل می‌کند.

در محور ولتاژ بالا، “جهت گیری معکوس” به پتانسیل ولتاژ خارجی اشاره دارد که مانع پتانسیل را افزایش می‌دهد.

یک ولتاژ خارجی که مانع بالقوه را کاهش می‌دهد، گفته می‌شود که در جهت “جهت گیری به جلو” عمل می‌کند.

دو منطقه عملیاتی و سه شرایط احتمالی “بایاس” برای دیود اتصال متقابل استاندارد وجود دارد و این موارد عبارتند از:

1. بایاس صفر – هیچ پتانسیل ولتاژ خارجی به دیود اتصال PN اعمال نمی شود.
2. بایاس معکوس – پتانسیل ولتاژ منفی ، (-ve) به ماده P و مثبت ، (+ ve) به ماده N از طریق دیود متصل می شود که تأثیر افزایش عرض دیود اتصال PN را دارد.
3. بایاس به جلو – پتانسیل ولتاژ به ماده P از نوع P مثبت و منفی ، از نوع دیود منفی ، (-ve) به ماده N متصل می شود که تأثیر آن در کاهش عرض دیودهای اتصال PN است.

دیود اتصال بایاس صفر

هنگامی که یک دیود در شرایط صفر بایاس متصل می‌شود‌، هیچ انرژی پتانسیل خارجی به محل اتصال PN اعمال نمی‌شود.

اگر پایانه های دیودها با هم کوتاه شوند ، چند سوراخ (حامل های اکثریت) در ماده P با انرژی کافی برای غلبه بر سد پتانسیل ، از طریق محل اتصال در برابر این پتانسیل سد حرکت می کنند.

این به عنوان “جریان رو به جلو” شناخته می شود و به عنوان IF مورد اشاره قرار می گیرد.

به‌همین ترتیب‌،‌حفره‌های ایجاد‌شده در مواد نوع N‌(حامل های اقلیت)‌،‌این وضعیت را مطلوب می‌دانند و از‌جهت اتصال در‌جهت مخالف حرکت می‌کنند.

این به عنوان “جریان معکوس” شناخته می شود و به عنوان IR شناخته می شود.

این انتقال الکترون‌ها و سوراخ‌ها به‌جلو و عقب از طریق اتصال PN به‌عنوان انتشار شناخته می‌شود‌،‌همانطور که در زیر نشان‌داده‌شده‌است.

دیود اتصال pn بایاس صفر

سد بالقوه ای که اکنون وجود دارد ، نفوذ حامل های اکثریت بیشتری را از طریق محل اتصال منحرف می‌کند.

با این حال‌،‌مانع‌احتمالی به حامل‌های اقلیت‌(تعداد‌کمی الکترون آزاد در‌منطقه P و چند سوراخ در منطقه N) کمک می‌کند تا از‌محل‌اتصال‌عبور‌کنند.

سپس هنگامی که حامل‌های اکثریت برابر باشند و هر‌دو در جهت‌های مخالف حرکت کنند‌، یک “تعادل” برقرار خواهد شد .

به طوری که نتیجه خالص جریان صفر جریان در مدار است.

هنگامی که این اتفاق می افتد گفته می شود که اتصال در حالت “تعادل پویا” است.

حامل های اقلیت به طور مداوم به دلیل انرژی حرارتی تولید می شوند.

بنابراین این حالت تعادل می تواند با افزایش درجه حرارت اتصال PN باعث افزایش تولید حامل های اقلیت شود.

در‌نتیجه منجر به افزایش جریان نشت می‌شود اما جریان‌الکتریکی نمی‌تواند جریان یابد از‌آنجا که هیچ‌مدار به اتصال PN متصل نشده‌است.

دیود اتصال pn بایاس معکوس

وقتی دیود در‌شرایط بایاس معکوس متصل می‌شود‌،‌ولتاژ مثبتی به‌ماده نوع N و ولتاژ منفی روی ماده نوع P اعمال می‌شود.

ولتاژ مثبت اعمال شده به ماده نوع N الکترونها را به سمت الکترود مثبت و از محل اتصال دور می‌کند.

در حالی که سوراخهای انتهای نوع P نیز از محل اتصال به سمت الکترود منفی جذب می شوند.

نتیجه خالص این است که لایه‌تخلیه به دلیل کمبود‌الکترون و سوراخ گسترده‌تر می‌شود و یک‌مسیر با امپدانس‌بالا را نشان می‌دهد.

تقریبا یک‌عایق و یک‌سد پتانسیل بالا در‌سراسر محل اتصال ایجاد می‌شود بنابراین از جریان جاری در‌مواد نیمه هادی جلوگیری می‌کند.

افزایش در لایه Depletion به دلیل بایاس معکوس

این‌شرایط نشان‌دهنده یک مقدار مقاومت‌بالا در‌محل اتصال PN است و تقریباً جریان‌صفر از‌طریق دیود اتصال با افزایش ولتاژ بایاس جریان‌می‌یابد.

با این حال ، یک جریان نشت معکوس بسیار کوچک از طریق محل اتصال که به طور معمول می تواند در میکرو آمپر اندازه گیری شود ، (μA) جریان می یابد.

نکته آخر ، اگر ولتاژ بایاس معکوس Vr اعمال شده به دیود به اندازه کافی کافی بالا رود ، این امر باعث می شود محل اتصال PN دیود بیش از حد گرم شود و به دلیل اثر بهمن در اطراف محل اتصال ، خراب شود.

این ممکن است باعث کوتاه شدن دیود شود و منجر به جریان حداکثر جریان مدار شود.

به این به صورت یک گام به سمت پایین در منحنی ویژگی های استاتیک معکوس در زیر نشان داده شده‌است.

منحنی خصوصیات معکوس برای یک دیود اتصال

گاهی اوقات این اثر بهمن در مدارهای تثبیت کننده ولتاژ که در آن یک مقاومت محدود کننده سری با دیود استفاده می شود ، کاربردهای عملی دارد تا این جریان خرابی معکوس را به حداکثر مقدار از پیش تعیین شده محدود کند و در نتیجه یک ولتاژ ثابت از دیود تولید کند.

این نوع دیودها معمولاً به عنوان دیودهای زنر شناخته می شوند و در آموزش بعدی به آنها پرداخته می شود.

دیود اتصال  pn رو به جلو

هنگامی که یک دیود در‌شرایط Forward Bias متصل می‌شود‌،‌یک ولتاژ‌منفی به مواد‌نوع N و یک‌ولتاژ مثبت به‌مواد نوع P اعمال‌می‌شود.

اگر این ولتاژ خارجی بیشتر از مقدار مانع احتمالی شود ، تقریباً 0.7 ولت برای سیلیسیم و 0.3 ولت برای ژرمانیم ، مقاومت در برابر موانع بالقوه برطرف می شود و جریان شروع به جاری شدن می کند.

زیرا ولتاژ منفی الکترونها را به سمت محل اتصال سوق می دهد یا آنها را دفع می کند و به آنها انرژی عبور داده و با سوراخهایی که در جهت مخالف به سمت محل اتصال توسط ولتاژ مثبت رانده می شوند ترکیب می شود.

این منجر به یک منحنی مشخصه جریان‌صفر تا این نقطه ولتاژ می‌شود که در منحنی های استاتیک “زانو” نامیده می‌شود.

سپس یک جریان جریان بالا از طریق دیود با کمی افزایش ولتاژ خارجی مانند شکل زیر نشان داده می شود.

منحنی خصوصیات رو به جلو برای یک دیود اتصال

استفاده از ولتاژ بایاس متقابل بر روی دیود اتصال باعث می شود که لایه تخلیه بسیار نازک و باریک شود که نشان دهنده یک مسیر امپدانس کم از طریق اتصال است و در نتیجه اجازه می دهد جریان های زیادی جریان داشته باشند.

نقطه‌ای که این افزایش ناگهانی جریان اتفاق می‌افتد در‌منحنی خصوصیات I-V استاتیک در بالا به عنوان نقطه‌”زانو” نشان داده می‌شود.

کاهش در لایه Depletion به خاطر جهت گیری رو به جلو

این‌شرایط نشان‌دهنده مسیر مقاومت‌کم از‌طریق اتصال PN است که باعث‌می‌شود جریان‌های بسیار‌زیادی از‌طریق دیود فقط با‌افزایش کمی ولتاژ بایاس عبور‌کنند.

اختلاف پتانسیل واقعی در میان محل اتصال یا دیود با عملکرد لایه تخلیه تقریباً در 0.3 ولت برای ژرمانیم و تقریباً 0.7 ولت برای دیودهای اتصال سیلیکونی ثابت نگه داشته می شود.

دیود می تواند جریان “نامحدود” بالای این نقطه زانو را به عنوان اتصال کوتاه تبدیل کند.

بنابراین مقاومت ها به صورت سری با دیود استفاده می شوند تا جریان فعلی آن را محدود کنند.

فراتر رفتن از حداکثر مشخصات جریان جلو باعث می شود تا دستگاه بیش از آنچه که برای آن طراحی شده بود ، به صورت گرما پراکنده شود و منجر به خرابی بسیار سریع دستگاه شود.

خلاصه دیود اتصال

منطقه اتصال PN یک دیود اتصال دارای ویژگی های مهم زیر است:

• نیمه هادی ها شامل دو نوع حامل شارژ متحرک ، “حفره” و “الکترون” هستند.
• حفره ها بار مثبت دارند در حالی که الکترون ها منفی هستند.
• یک نیمه هادی ممکن است با ناخالصی های دهنده مانند Antimony (دوپینگ نوع N) دوپ شود.

به طوری که حاوی بارهای متحرک است که در درجه اول الکترون هستند.

• یک نیمه هادی ممکن‌است با ناخالصی‌های‌گیرنده مانند بور (دوپینگ نوع P) دوپ شود‌،‌به‌طوری که حاوی بارهای‌متحرک است که‌عمدتا سوراخ‌هستند.
• منطقه تقاطع خود حامل بار نیست و به عنوان منطقه تخلیه شناخته می شود.
• منطقه اتصال (تخلیه) دارای ضخامت فیزیکی است که با ولتاژ اعمال شده متفاوت است.
• هنگامی که یک دیود بی طرف است هیچ منبع انرژی خارجی اعمال نمی شود و یک مانع پتانسیل طبیعی در سراسر یک لایه تخلیه ایجاد می شود که تقریباً برای دیودهای سیلیکونی 0.5 تا 0.7 ولت و برای دیودهای ژرمانیم تقریباً 0.3 ولت است.
• هنگامی که یک دیود اتصالی Forward Biased است ، ضخامت منطقه تخلیه کاهش می یابد و دیود مانند یک اتصال کوتاه عمل می کند و اجازه می دهد جریان مدار کامل جریان یابد.
• هنگامی که دیود اتصال معکوس باشد ، ضخامت ناحیه تخلیه افزایش می یابد.

دیود مانند یک‌مدار باز عمل می‌کند و هر‌جریان را مسدود می‌کند‌،‌(فقط یک جریان نشت بسیار کوچک جریان می یابد).

همچنین در بالا مشاهده کردیم که دیود دو دستگاه غیر خطی انتهایی است که ویژگی IV وابسته به قطب است.

بسته به‌قطب ولتاژ اعمال شده‌، VD دیود یا بایاس جلو ، VD> 0 یا معکوس معکوس ، VD <0 است.

به‌هر صورت می‌توانیم این مشخصات ولتاژ‌جریان را هم برای یک دیود ایده‌آل و هم برای یک دیود سیلیکونی واقعی همانطور که نشان‌داده‌شده مدل کنیم:

ویژگی های ایده آل و واقعی دیود اتصال

در آموزش بعدی در مورد دیودها ، ما به دیود سیگنال کوچک که گاهی اوقات دیود سوئیچینگ نامیده می شود ، نگاه می کنیم که در مدارهای الکترونیکی عمومی استفاده می شود.

همانطور که از نام آن پیداست‌،‌دیود سیگنال برای‌برنامه‌های سیگنال‌ولتاژ پایین یا فرکانس بالا مانند مدارهای رادیویی‌یا ‌سوئیچ دیجیتال طراحی شده‌است.

دیودهای سیگنال مانند 1N4148 فقط جریانهای الکتریکی بسیار کمی را عبور می دهند در مقابل دیودهای تصحیح شبکه با جریان بالا که در آنها دیودهای سیلیکونی معمولاً استفاده می شود.

همچنین در آموزش بعدی منحنی و پارامترهای مشخصه جریان ولتاژ استاتیک Signal Diode را بررسی خواهیم کرد.