دیود اتصال PN

یک دیود اتصال PN زمانی ایجاد می‌شودکه یک نیمه‌هادی نوع N به یک نیمه‌هادی نوع P متصل می‌شود و یک ولتاژ مانع پتانسیل در محل اتصال دیود ایجاد می‌کند.

اثری که در مقاله قبلی توضیح داده‌شد؛ بدون اعمال ولتاژ خارجی به محل اتصال واقعی PN، حاصل می‌شود و درنتیجه، سبب در موقعیت قرارگرفتن اتصال یا تعادل می‌شود.

با این حال، اگر بخواهیم؛ در انتهای هردو نوع N و نوع P، اتصالات الکتریکی ایجاد کنیم و سپس آن‌ها را به منبع باتری، متصل کنیم؛ اکنون یک منبع انرژی اضافی برای غلبه بر مانع پتانسیل، وجود دارد.

اثر افزودن این منبع انرژی اضافی، باعث می‌شود؛ که الکترون‌های آزاد بتوانند از منطقه‌ی تخلیه، از یک طرف به طرف دیگر، عبور کنند. رفتار اتصال PN، باتوجه به عرض سد پتانسیل، یک دستگاه دو پایانه‌ای رسانای نامتقارن را ایجاد می‌کند؛ که بیشتر به‌عنوان دیود اتصال PN، شناخته می‌شود.

دیود اتصال PN، یکی از ساده‌ترین دستگاه‌های نیمه‌هادی موجود است و دارای مشخصه‌ی عبور جریان، فقط در یک جهت است. با این‌حال، برخلاف یک مقاومت، یک دیود، نسبت به ولتاژ اعمال‌شده، رفتار خطی، ندارد. زیرا دیود، دارای رابطه‌ی نمایی جریان‌ولتاژ(I-V) است و بنابراین، نمی‌توان عملکرد آن را فقط با استفاده از معادله‌ای مانند قانون اهم، توصیف کرد.

اگر ولتاژ مثبت مناسب (بایاس مستقیم) بین دو سر اتصال PN اعمال‌شود؛ می‌تواند الکترون‌ها و حفره‌های آزاد را با انرژی اضافی موردنیاز برای عبور از اتصال، تامین کند؛ زیرا عرض ناحیه‌ی تخلیه در اطراف اتصال، کاهش می‌یابد.

با اعمال ولتاژ منفی (بایاس معکوس)، بارهای آزاد از محل اتصال، خارج‌شده و درنتیجه، عرض لایه، کاهش می‌یابد. این امر، باعث افزایش یا کاهش مقدار مقاومتی موثر اتصال می‌شود؛ که شارش جریان را از طریق دیود اتصال PN، متوقف یا مسدود می‌کند.

پس، ناحیه‌ی تخلیه، با افزایش اعمال ولتاژ معکوس، گسترده می‌شود و با افزایش اعمال ولتاژ مستقیم، باریک می‌گردد. این امر، به‌دلیل تفاوت خواص الکتریکی در دو طرف اتصال PN است؛ که منجر به تغییرات فیزیکی می‌شود. یکی از نتایج آن، یک‌سوسازی است که در مشخصه‌های I-V استاتیک دیود‌های اتصال PN، مشاهده می‌شود. یکسو‌سازی در شکل زیر، توسط شارش جریان نامتقارن، زمانی‌که، قطبیت ولتاژ بایاس تغییر داده شده‌است؛ نشان داده می‌شود.

نماد دیود اتصال و مشخصه‌های استاتیک I-V

اما قبل از اینکه بتوانیم از اتصال PN، به‌عنوان یک وسیله‌ی کاربردی یا به‌عنوان یک دستگاه یکسوکننده، استفاده کنیم؛ ابتدا باید اتصال را بایاس کنیم و یعنی یک پتانسیل ولتاژ را دو سرآن، متصل کنیم. در محور ولتاژ بالا، “بایاس معکوس” به یک پتانسیل خارجی اشاره دارد؛ که مانع پتانسیل را افزایش می‌دهد. با کاهش ولتاژ خارجی، مانع پتانسیل، در جهت “بایاس مستقیم”، عمل می‌کند.

دو منطقه‌ی عملیاتی و سه شرط احتمالی “بایاس” برای دیود اتصال استاندارد وجود دارد که عبارتند از:

1. بایاس صفر: هیچ پتانسیل ولتاژ خارجی به دیود اتصال PN، اعمال نمی‌شود.
2. بایاس معکوس: پتانسیل ولتاژ منفی (-ve)  به ماده‌ی نوع P و مثبت (+ve) به ماده‌ی نوع N ،متصل می‌شود؛ که اثر آن، افزایش عرض دیود اتصال PN است.
3. بایاس مستقیم: پتانسیل ولتاژ مثبت (+ve) به ماده‌ی نوع P و منفی (-ve) به ماده‌ی نوع N ،متصل می‌شود؛ که اثر آن، کاهش عرض دیود اتصال PN است.

دیود اتصال بایاس صفر

هنگامی‌که، یک دیود در حالت بایاس صفر، متصل می‌شود؛ هیچ انرژی پتانسیل خارجی به محل اتصال PN، اعمال نمی‌شود. با این‌حال، اگر پایانه‌های دیودها، اتصال کوتاه شوند؛ چندحفره (حامل‌های اکثریت) درمواد نوع P با انرژی کافی برای غلبه بر مانع پتانسیل، از دو سر اتصال در برابر مانع پتانسیل، حرکت می‌کنند؛که به‌عنوان “جریان مستقیم“ ،IF شناخته می‌شود.

به‌همین ترتیب، حفره‌های ایجاد‌شده در مواد نوع N (حامل‌های اقلیت) این وضعیت را مطلوب دانسته و درجهت مخالف دوسر محل اتصال، حرکت می‌کنند؛ که به‌عنوان “جریان معکوس“، IRشناخته می‌شود. این انتقال الکترون‌ها و حفره‌ها به جلو یا عقب در سراسر اتصال PN، به انتشار معروف است؛ همانطورکه در شکل زیر، نشان داده شده‌است.

دیود اتصال PN بایاس صفر

مانع پتانسیل موجود درحال حاضر، مانع از انتشار بیشتر حامل‌های اکثریت در محل اتصال، می‌شود. با این‌حال، مانع پتانسیل، به حامل‌های اقلیت (چند الکترون آزاد در ناحیه P و چند حفره در ناحیه N) کمک می‌کند؛ تا از محل اتصال، عبور کنند.

پس “تعادل” یا بالانس، زمانی ایجاد می‌شود؛ که حامل‌های اکثریت برابر باشند و هردو در جهت مخالف، حرکت کنند؛ به‌طوری‌که، نتیجه‌ی خالص، شارش جریان صفر، در مدار باشد. هنگامی‌که، این اتفاق می‌افتد؛ گفته می‌شود، که اتصال در حالت “تعادل دینامیک“ است.

حامل‌های اقلیت، دائما به‌دلیل انرژی حرارتی، تولید می‌شوند و بنابراین، این حالت تعادل را می‌توان با افزایش دمای اتصال PN و افزایش تولید حامل‌های اقلیت ازبین برد و درنتیجه، منجر به افزایش جریان نشتی شد اما جریان الکتریکی، نمی‌تواند جریان یابد؛ زیرا هیچ مداری به محل اتصال PN، وصل نشده‌است.

دیود اتصال PN بایاس معکوس

هنگامی‌که، یک دیود در شرایط بایاس معکوس، متصل می‌شود؛ یک ولتاژ مثبت به مواد نوع N و یک ولتاژ منفی به مواد نوع P، اعمال می‌شود.

ولتاژ مثبت اعمال‌شده به مواد نوع N، الکترون‌ها را به سمت الکترود مثبت و دور از اتصال، جذب می‌کند؛ درحالی‌که، حفره‌های انتهای نوع P نیز، از محل اتصال به سمت الکترود منفی، کشیده می‌شود.

نتیجه‌ی خالص این است؛ که ناحیه‌ی تخلیه، به‌دلیل کمبود الکترون‌ها و حفره‌ها، گسترده‌تر است و مسیر امپدانس بالایی را نشان می‌دهد. تقریبا، یک عایق و یک سد پتانسیل بالا در سراسر محل اتصال، ایجاد می‌شود و بنابراین، از جریان در مواد نیمه‌هادی، جلوگیری می‌کند.

افزایش ناحیه‌ی تخلیه به‌دلیل بایاس معکوس

این وضعیت، نشان‌دهنده‌ی یک مقدار مقاومت بالا برای اتصال PN است و عملا، جریان صفر، با افزایش ولتاژ بایاس از طریق دیود اتصال، عبور می‌کند. با این‌حال، یک جریان نشت معکوس بسیار کوچک از محل اتصال، عبور می‌کند؛ که معمولا می‌توان آن را در میکروآمپر (uA) اندازه‌گیری کرد.

نکته‌ی آخر، اگر ولتاژ بایاس معکوس،Vr اعمال‌شده روی دیود، به مقدار کافی و اندازه‌ی کافی افزایش یابد؛ باعث می‌شود که دیود بیش از حد، گرم شود و به‌دلیل اثر بهمن، در اطراف اتصال، از کار بیفتد. این امر، ممکن است؛ باعث اتصال کوتاه‌شدن دیود شود و منجر به شارش جریان حداکثر در مدار شود و به‌صورت یک شیب رو به پایین در منحنی مشخصه‌های استاتیک معکوس، در زیر نشان داده شده‌است.

منحنی مشخصه‌های معکوس برای دیود اتصال

گاهی‌اوقات، این اثر بهمنی،کاربردهای عملی در مدارهای تثبیت‌کننده‌ی ولتاژ دارد؛ که در آن، از یک مقاومت محدودکننده‌ی سری با دیود، استفاده می‌شود تا این جریان شکست معکوس را، به حداکثر مقدار از پیش تعیین‌شده، محدود کند و درنتیجه، ولتاژ خروجی ثابتی را در دوسر دیود، تولید کند. این نوع دیودها، به‌عنوان دیودهای زنر، شناخته می‌شوند و در مقاله بعدی مورد بحث، قرار خواهند گرفت.

دیود اتصال PN بایاس مستقیم

هنگامی‌که، یک دیود در شرایط بایاس مستقیم، متصل می‌شود؛ ولتاژ منفی به مواد نوع N و ولتاژ مثبت به مواد نوع P، اعمال می‌شود. اگر این ولتاژ خارجی، بیشتر از مقدار مانع پتانسیل شود؛ تقریبا 0.7 ولت برای سیلیکون و 0.3 ولت برای ژرمانیوم، موانع پتانسیل برطرف‌شده و جریان شروع به شارش می‌کند.

این امر، به این دلیل است؛ که ولتاژ منفی، الکترون‌ها را به سمت اتصال، سوق داده یا دفع می‌کند و به آن‌ها انرژی می‌دهد تا از روی آن، عبور کرده و با حفره‌هایی که در جهت مخالف به سمت اتصال، توسط ولتاژ مثبت رانده می‌شوند؛ ترکیب شوند. این، منجر به منحنی مشخصه‌ای از جریان صفر می‌شود؛ که تا این نقطه‌ی ولتاژ، جریان می‌یابد و در منجنی‌های استاتیک، “زانو”، نامیده می‌شود و سپس جریان بالایی از طریق دیود، با افزایش کم ولتاژ خارجی، همانطور که در زیر نشان داده شده‌است؛ عبور می‌کند.

منحنی مشخصه‌های مستقیم برای یک دیود اتصال

کاربرد ولتاژ بایاس مستقیم برروی دیود اتصال، باعث می‌شود؛ که ناحیه‌ی تخلیه، بسیار نازک و باریک شود؛ که نشان‌دهنده‌ی یک مسیر امپدانس کم از محل اتصال است و درنتیجه، اجازه می‌دهد؛ جریان‌های زیادی، شارش یابند. نقطه‌ای که در آن، این افزایش ناگهانی جریان، اتفاق می‌افتد؛ در منحنی مشخصه‌های ثابت I-V در بالا، به‌عنوان نقطه‌ی “زانو”، نشان داده می‌شود.

کاهش ناحیه‌ی تخلیه به‌دلیل بایاس مستقیم

این شرایط، نشان‌دهنده‌ی مسیر مقاومت کم از طریق اتصال PN است؛ که به جریان‌های بسیار بزرگ، اجازه می‌دهد؛ تا تنها با افزایش کم ولتاژ بایاس از طریق دیود، عبور کنند. تفاوت پتانسیل واقعی در دوسر اتصال یا دیود، با عمل تخلیه در حدود 0.3 ولت برای ژرمانیوم و تقریبا 0.7 ولت، برای دیودهای اتصال سیلیکونی، ثابت نگه داشته می‌شود.

از آنجایی‌که، دیود می‌تواند جریان “بی‌نهایت” را بالای این نقطه‌ی زانو، هدایت‌کند؛ زیرا به‌طور موثر، به یک اتصال، کوتاه، تبدیل می‌شود، بنابراین، از مقاومت‌ها، به‌صورت سری برای محدودکردن شارش جریان آن، استفاده می‌شود. تجاوزکردن از مشخصات حداکثر جریان مستقیم، سبب می‌شود؛ تا دستگاه بیشتر از مقداری که برای آن طراحی شده است؛ توان را در شکل گرما، تلف کند و درنتیجه، خرابی بسیار سریع در دستگاه، ایجاد شود.

خلاصه‌ی دیود اتصال

ناحیه‌ی اتصال PN یک دیود اتصال، دارای مشخصه‌های مهم زیر است:

• نیمه‌هادی‌ها، شامل دو نوع حامل باز سیار،”حفره” و “الکترون” می‌باشند.
• حفره‌ها، دارای بار مثبت بوده؛ درحالی‌که، الکترون‌ها، دارای بار منفی می‌باشند.
• یک نیمه‌هادی، ممکن است؛ با ناخالصی‌های دهنده، مانند آنتیموان(نوع N دوپینگ) دوپینگ شود؛ به‌طوری‌که، دارای بارهای متحرکی است؛ که در درجه‌ی اول، الکترون، می‌باشند.
• یک نیمه‌هادی، ممکن است؛ با ناخالصی‌های پذیرنده، مانند بور(نوع P دوپینگ) دوپینگ شود؛ به‌طوری‌که، دارای بارهای متحرکی است؛ که عمدتا حفره، می‌باشند.
• ناحیه‌ی اتصال، خود حامل بار ندارد و به‌عنوان منطقه‌ی تخلیه، شناخته می‌شود.
• ناحیه‌ی اتصال(تخلیه) دارای ضخامت فیزیکی است؛ که با ولتاژ اعمال‌شده، متفاوت است.

هنگامی‌که، یک دیود، در حالت بایاس صفر است؛ هیچ منبع انرژی خارجی، اعمال نمی‌شود و یک سد پتانسیل طبیعی در سراسر یک ناحیه‌ی تخلیه، ایجاد می‌شود؛ که تقریبا ۰.۵ تا ۰.۷ ولت برای دیودهای سیلیکونی و تفریبا ۰.۳ ولت برای دیودهای ژرمانیوم است. هنگامی‌که، یک دیود اتصال، درحالت مستقیم باشد؛ ضخامت ناحیه‌ی تخلیه، کاهش می‌یابد و دیود مانند یک اتصال کوتاه عمل می‌کند؛ که به جریان مدار کامل، اجازه می‌دهد تا شارش یابد. هنگامی‌که، یک دیود اتصال، درحالت معکوس باشد؛ دیود مانند یک مدار باز عمل می‌کند؛ که هرگونه جریان را مسدود می‌کند(فقط یک نشت جریان بسیار کوچک، شارش می‌یابد.)

هم‌چنین در بالا دیدیم؛ که دیود، یک دستگاه دو پایانه‌ای غیرخطی است؛ که مشخصه‌ی IV آن، به قطبیت وابسته است؛ زیرا بسته به قطبیت ولتاژ اعمال‌شده،VD دیود یا بایاس مستقیم VD>0 و یا بایاس معکوس VD<۰ است. در هر صورت، می‌توانیم این مشخصه‌های ولتاژ جریان را هم برای دیود ایده‌آل و هم برای دیود سیلیکونی واقعی مانند شکل، مدل‌سازی کنیم:

مشخصه‌های ایده‌آل و واقعی دیود اتصال

در مقاله بعدی در مورد دیودها، به دیود سیگنال کوچک که گاهی‌اوقات، دیود سوئیچینگ نیز نامیده می‌شود و در مدارهای الکترونیکی عمومی، استفاده می‌شود؛ خواهیم پرداخت. همانطور که از نامش مشخص است؛ دیود سیگنال برای کاربردهای سیگنال با ولتاژ پایین یا فرکانس بالا مانند مدارهای سوئیچ رادیویی با دیجیتال، طراحی شده‌است.

دیودهای سیگنال، مانند 1N4148 برخلاف دیودهای یکسوکننده برق با جریان بالا، که معمولا از دیودهای سیلیکونی درآن‌ها، استفاده می‌شود؛ جریان‌های بسیار کمی را عبور می‌دهند. هم‌چنین منحنی و پارامترهای مشخصه‌های جریان ولتاژ استاتیک سیگنال دیود را بررسی می‌کنیم.