دیود پیوند PN – به زبان ساده

در آموزش‌های قبلی مجله فرادرس، درباره مفاهیم بنیادی نیمه‌هادی‌ها و پیوند PN صحبت کردیم. در این آموزش قصد داریم دیود پیوند PN را بررسی کنیم.

اگر یک نیمه‌هادی نوع P به نیمه‌هادی نوع N متصل شود، یک دیود پیوند PN شکل می‌گیرد. پیوند PN در این حالت، یک ولتاژ سد پتانسیل ایجاد می‌کند. در مطلب مربوط به پیوند PN دیدیم که اگر این پیوند به منبع ولتاژ خارجی متصل نباشد، در حالت تعادل قرار می‌گیرد. هرچند اگر یک منبع ولتاژ به دو سر پیوند PN متصل شود، حامل‌های بار درون پیوند PN، انرژی لازم برای غلبه بر سد پتانسیل را کسب می‌کنند.

با اعمال این ولتاژ به پیوند PN، الکترون‌های آزاد قابلیت عبور از ناحیه تهی و از یک ناحیه به ناحیه دیگر را پیدا می‌کنند. به علت وجود ناحیه تهی یا سد پتانسیل در پیوند PN، یک دستگاه رسانای نامتقارن با دو پایه شکل می‌گیرد که به آن دیود پیوند PN گویند.

دیود پیوند PN، یکی از ساده‌ترین انواع نیمه‌هادی‌ها به شمار می‌رود. مشخصه اصلی این دیود، عبور یک جهته جریان از آن است. در دیود بر خلاف مقاومت، جریان بر حسب ولتاژ اعمالی، خطی نیست. مشخصه ولتاژ-جریان در دیود پیوند PN به صورت نمایی است. بنابراین نمی‌توان مثل قانون اهم، یک رابطه ولتاژ-جریان ساده برای دیود تعریف کرد.

اگر به دو سر پیوند PN، یک ولتاژ‌ مثبت با بایاس مستقیم اعمال شود، انرژی لازم برای الکترون‌های آزاد و حفره‌ها فراهم می‌شود تا بتوانند از پیوند عبور کنند. به این ترتیب، پهنای ناحیه تهی در پیوند PN، کمتر می‌شود.

با اعمال یک ولتاژ‌ منفی با بایاس معکوس به پیوند PN، بارهای آزاد از ناحیه تهی به سمت بیرون رانده می‌شوند. این مسئله به افزایش پهنای ناحیه تهی منجر می‌شود. به این ترتیب مقاومت موثر پیوند، افزایش یا کاهش می‌یابد. بنابراین می‌توان کاری کرد که دیود پیوند PN، جریان را از خود عبور دهد یا آن را بلوکه کند.

بنابراین، عرض ناحیه تهی با اعمال ولتاژ معکوس افزایش و با اعمال ولتاژ مستقیم کاهش می‌یابد. این پدیده به علت تفاوت مشخصات الکتریکی دو طرف پیوند PN روی می‌دهد و باعث تغییرات فیزیکی در پیوند می‌شود. یکی از نتایج این تغییرات، اثر یکسوکنندگی جریان در دیود پیوند PN است که در مشخصات ولتاژ-جریان دیود نیز مشاهده می‌شود. یکسوکنندگی به وسیله مشخصات نامتقارن جریان با تغییر پلاریته ولتاژ بایاس نشان داده می‌شود. شکل زیر، مشخصه ولتاژ-جریان یک دیود را نشان می‌دهد:

قبل از آنکه از پیوند PN در مدارهای الکترونیکی به صورت عملی یا به صورت یکسوساز استفاده کنیم، لازم است بایاس پیوند PN را بررسی کنیم. منظور از بایاس پیوند PN، اختلاف پتانسیل ثابت دو سر پیوند است. در شکل بالا، «بایاس معکوس» (Reverse Bias) به پتانسیلی از ولتاژ خارجی اشاره دارد که باعث افزایش پهنای سد پتانسیل می‌شود. ولتاژی که باعث کاهش سد پتانسیل می‌شود، «بایاس مستقیم» (Forward Bias) نام دارد.

در یک دیود پیوندی استاندارد، دو ناحیه کاری و سه شرط بایاس وجود دارد که به صورت زیر هستند:

1. بایاس صفر:‌ در این حالت هیچ ولتاژ خارجی‌ به دیود پیوند PN‌ اعمال نمی‌شود و جریانی نیز از دیود عبور نمی‌کند.
2. بایاس معکوس: ولتاژ اعمال شده، پلاریته منفی دارد. به این معنی که نیمه‌هادی نوع P‌ به سر منفی منبع ولتاژ (ve-) و نیمه‌هادی نوع N به سر مثبت منبع ولتاژ (ve+) متصل می‌شود. این بایاس، باعث افزایش پهنای ناحیه تهی در دیود پیوند PN می‌شود و دیود در حالت معکوس قرار می‌گیرد و تقریبا جریانی از آن عبور نمی‌کند.
3. بایاس مستقیم: ولتاژ اعمال شده در این حالت، پلاریته مثبت دارد. به این معنی که نیمه‌هادی نوع P به سر مثبت منبع ولتاژ (ve+) و نیمه‌هادی نوع N به سر منفی منبع ولتاژ (ve-) متصل می‌شود. این بایاس، باعث کاهش پهنای ناحیه تهی در دیود پیوند PN می‌شود و جریانی در جهت مستقیم از آن عبور می‌کند.

بایاس صفر در دیود پیوند PN

اگر پیوند PN به هیچ پتانسیل خارجی‌ متصل نشود، بایاس آن صفر خواهد بود. هرچند، اگر دو سر دیود به هم متصل شود و دیود در شرایط اتصال کوتاه قرار بگیرد، تعدادی از حفره‌ها در نیمه‌هادی نوع P (حامل‌های اکثریت) انرژی کافی برای غلبه بر سد پتانسیل را کسب می‌کنند و در پیوند بر خلاف سد پتانسیل شروع به حرکت می‌کنند. این حالت، «جریان مستقیم» (Forward Current) نام دارد و با $$I_F$$ نشان داده می‌شود.

فیلم آموزش فیزیک الکترونیک – بخش یکم در فرادرس

کلیک کنید

به همین ترتیب، در نیمه‌هادی نوع N حفره‌ها که حامل‌های اقلیت محسوب می‌شوند، شرایط را مساعد می‌بینند و از پیوند در خلاف جهت عبور می‌کنند. این جریان به نام «جریان معکوس» (Reverse Current) شناخته می‌شود و با $$I_R$$ نشان داده می‌شود. انتقال الکترون‌ها و حفره‌ها در طول پیوند PN به سمت ناحیه N یا ناحیه P، «نفوذ» (Diffusion) نام دارد. شکل زیر،‌ یک پیوند PN‌ با بایاس صفر را نشان می‌دهد:

سد پتانسیل ایجاد شده در پیوند PN، از نفوذ بیشتر حامل‌های اکثریت در طول پیوند جلوگیری می‌کند. هرچند، این سد پتانسیل باعث رانده شدن حامل‌های اقلیت (الکترون‌ها در ناحیه P و حفره‌ها در ناحیه N) در طول پیوند می‌شود.

«تعادل» (Equilibrium) هنگامی روی می‌دهد که حامل‌های اکثریت در هر دو نیمه‌هادی با هم برابر باشند و در جهت‌های مخالف هم حرکت کنند. به این ترتیب جریان خالص گذرنده از مدار، صفر می‌شود. در این حالت، گفته می‌شود که مدار در حالت «تعادل پویا» (Dynamic Equilibrium) قرار گرفته است.

به دلیل انرژی حرارتی، حامل‌های اقلیت به طور پیوسته تولید می‌شوند. بنابراین با افزایش دمای پیوند PN، تولید حامل‌های اقلیت افزایش می‌یابد و شرایط تعادل در پیوند PN از بین می‌رود. به این ترتیب «جریان نشتی» (Leakage Current) افزایش می‌یابد. اما جریان الکتریکی از این پیوند نمی‌تواند عبور کند، زیرا هیچ مداری به پیوند PN متصل نیست.

بایاس معکوس در پیوند PN

اگر دیود در شرایط بایاس معکوس به منبع ولتاژ متصل شود، ولتاژ‌ مثبت منبع به پایانه N پیوند و ولتاژ منفی منبع به پایانه P پیوند اعمال می‌شود. ولتاژ مثبت اعمال شده به پایانه N پیوند، باعث جذب الکترون‌ها به سمت الکترود مثبت و دور شدن آنها از پیوند می‌شود. به همین ترتیب، حفره‌ها در نیمه‌هادی نوع P به وسیله الکترود منفی جذب و از پیوند دور می‌شوند.

در نتیجه، پهنای ناحیه تهی به دلیل فقدان الکترون‌ها و حفره‌ها در مدار افزایش می‌یابد و یک مسیر با امپدانس بالا ایجاد می‌شود. به این ترتیب، پیوند PN تبدیل به یک عایق می‌شود. به دلیل سد پتانسیل بزرگ ایجاد شده، جریان نمی‌تواند از ناحیه تهی در پیوند عبور کند.

شکل زیر، یک دیود پیوند PN را در شرایط بایاس معکوس نشان می‌دهد:

در این حالت، با افزایش ولتاژ بایاس هیچ جریانی از دیود پیوندی عبور نمی‌کند و دیود در شرایط مقاومت بالا قرار می‌گیرد. هرچند، یک جریان نشتی بسیار کوچک از پیوند عبور می‌کند که مقداری در حدود میکروآمپر دارد.

اگر ولتاژ بایاس معکوس $$V_r$$ اعمال شده به دیود، به اندازه کافی افزایش یابد، دیود پیوند PN داغ می‌شود و پدیده بهمنی در طول پیوند PN روی می‌دهد. به این ترتیب، ممکن است دیود اتصال کوتاه شده و به یکباره جریان بسیار بزرگی از آن عبور کند. شکل زیر، منحنی مشخصات ولتاژ پایدار معکوس در دیود را نشان می‌دهد. شیب منفی در این شکل، نشان‌دهنده پدیده بهمنی در دیود است.

پدیده بهمنی در مدارهای پایدار کننده ولتاژ مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این مدارها از یک مقاومت به صورت سری با دیود استفاده می‌شود تا جریان معکوس شکست محدود شود. این مقاومت را به نام مقاومت محدود کننده می‌شناسند. به این ترتیب، یک ولتاژ ثابت ماکزیمم در دو سر خروجی دیود ظاهر می‌شود. این نوع دیودها، به نام «دیود زنر» (Zender Diode) شناخته می‌شوند. در شرایط بایاس معکوس داریم:

$$\large V<0 \, \, \, , \, \, \, I_D = I_S$$

در این رابطه، $$V$$ ولتاژ منبع، $$I_D$$ جریان دیود و $$I_S$$ جریان شکست معکوس یا «جریان اشباع معکوس» (Reverse Saturation Current) در دیود است.

بایاس مستقیم در دیود پیوند PN

اتصال دیود به منبع ولتاژ با بایاس مستقیم به این معنی است که ولتاژ منفی منبع به نیمه‌هادی نوع N و ولتاژ مثبت منبع به نیمه‌هادی نوع P متصل می‌شود. اگر این ولتاژ خارجی از مقدار سد پتانسیل (حدودا برابر 0.7 ولت برای سیلیکون و ۰.۳ ولت برای ژرمانیم) بزرگتر شود، حامل‌های بار بر سد پتانسیل غلبه می‌کنند و باعث می‌شوند که از پیوند جریان عبور کند.

فیلم آموزش فیزیک الکترونیک و دیود در مبانی مهندسی برق ۱ (رایگان) در فرادرس

کلیک کنید

ولتاژ منفی منبع، الکترون‌های ناحیه N را دفع می‌کند. به این ترتیب این الکترون‌ها به سمت پیوند رانده می‌شوند و انرژی کافی برای عبور از پیوند را کسب می‌کنند. به همین صورت، حفره‌های ناحیه P به واسطه ولتاژ مثبت متصل شده به نیمه‌هادی نوع P، دفع و به سمت پیوند رانده می‌شوند و انرژی کافی برای عبور از پیوند را کسب می‌کنند. به این ترتیب جریان در پیوند افزایش پیدا می‌کند.

اگر ولتاژ بایاس مستقیم از صفر بزرگتر شود، جریان نیز از صفر بزرگتر می‌شود. این افزایش تا ولتاژی معادل پتانسیل داخلی پیوند ادامه پیدا می‌کند. از این نقطه به بعد، به دلیل حرکت الکترون‌ها و حفره‌ها در پیوند، جریان بیشتری از پیوند عبور می‌کند. این نقطه، به نام «نقطه زانویی» (knee point) مشهور است. شکل زیر منحنی ولتاژ-جریان یک دیود پیوندی با بایاس مستقیم را به همراه نقطه زانویی آن، نشان می‌دهد:

استفاده از بایاس مستقیم در دیود پیوندی باعث می‌شود که ناحیه تهی بسیار نازک و باریک شود. این مسئله نشان‌دهنده کم بودن ولتاژ سد پتانسیل در پیوند است. به این ترتیب، دیود می‌تواند جریان بزرگی را از خود عبور دهد. همانطور که گفتیم، نقطه‌ای که در آن، به یکباره جریان زیاد می‌شود، به نام نقطه زانویی شناخته می‌شود. در شرایط بایاس مستقیم داریم:

$$\large V>0 \, \, \, , \, \, \, I_D = I_S (e^{V/NV_T} - 1)$$

در این رابطه، $$V_T$$ ولتاژ معادل دمایی است و به صورت زیر محاسبه می‌شود:

$$V_T = KT/Q = T/11600$$

$$Q$$ بار الکتریکی الکترون است و مقدار آن برابر است با:

$$Q = 1.632 \times 10 ^ {-19} C$$

$$K$$ ثابت بولتزمن است و مقدار آن برابر است با:

$$K= 1.38 \times 10^{-23}$$

$$N$$ برای ژرمانیم برابر یک و برای سیلیکون برابر دو است.

شکل زیر، کم شدن پهنای ناحیه تهی در دیود پیوند PN را نشان می‌دهد:

در این حالت با افزایش ولتاژ بایاس، جریان عبوری از دیود پیوندی زیاد می‌شود و دیود در شرایط مقاومت پایین قرار می‌گیرد. در این حالت با یک افزایش کوچک در ولتاژ بایاس، جریان بسیار بزرگی از پیوند عبور می‌کند. به دلیل وجود ناحیه تهی، اختلاف پتانسیل ایجاد شده در پیوند ثابت می‌ماند. مقدار این اختلاف پتانسیل برای دیود پیوندی ژرمانیم ۰.۳ ولت و برای دیود پیوندی سیلیکون ۰.۷ ولت است.

بالاتر از نقطه زانویی،‌ قابلیت هدایت دیود به بی‌نهایت می‌رسد. به این ترتیب، دیود اتصال کوتاه می‌شود. بنابراین استفاده از مقاومت برای محدود کردن جریان عبوری از دیود، ضروری است. در دیود پیوندی با رسیدن جریان به حداکثر مقدار خود، تلفات توان در پیوند بیشتر می‌شود. توان به صورت گرما در دیود تلف می‌شود. با افزایش تلفات، دیود می‌سوزد.

جمع‌بندی

در این قسمت به جمع‌بندی مباحث دیود پیوند PN می‌پردازیم. ناحیه‌ای که در آن پیوند PN، تبدیل به دیود پیوند PN می‌شود، مشخصات مهم زیر را دارد:

• نیمه‌هادی‌ها، شامل دو نوع حامل بار متحرک (الکترون‌ها یا حفره‌ها) هستند.
• حفره‌ها حامل بار مثبت و الکترون‌ها حامل بار منفی هستند.
• با تزریق عنصر آنتیموان به نیمه‌هادی، می‌توان به ناخالصی دهنده از نوع N رسید. حامل‌های بار متحرک در این نوع نیمه‌هادی، الکترون‌ها هستند.
• با تزریق عنصر بور به نیمه‌هادی، می‌توان به ناخالصی پذیرنده از نوع P رسید. در این حالت، حفره‌ها حامل‌ بار متحرک هستند.
• در ناحیه پیوند، هیچ حامل باری وجود ندارد. به همین دلیل به آن ناحیه تهی گویند.
• با اعمال ولتاژ می‌توان ضخامتِ فیزیکیِ ناحیه تهی در پیوند را تغییر داد.
• اگر هیچ منبع ولتاژی به دیود وصل نباشد، گفته می‌شود که دیود در شرایط بایاس صفر است. ولتاژ سد پتانسیل ناحیه تهی در این حالت، برای دیودهای سیلیکونی معادل 0.5 تا 0.7 ولت و برای دیودهای ژرمانیم 0.3 ولت خواهد بود.
• اگر یک دیود پیوندی، به بایاس مستقیم وصل شود، ضخامت ناحیه تهی کاهش می‌یابد و دیود اتصال کوتاه می‌شود. در این حالت جریان بسیار بزرگی از دیود عبور می‌کند.
• اگر یک دیود پیوندی، به صورت معکوس بایاس شود، ضخامت ناحیه تهی افزایش می‌یابد و دیود مانند مدار باز عمل می‌کند. در این حالت دیود، از عبور هرگونه جریان جلوگیری می‌کند. البته یک جریان نشتی بسیار کوچک از دیود عبور می‌کند.

همانطور که گفتیم، دیود یک المان غیرخطی و با دوپایانه است که منحنی مشخصات ولتاژ-جریان آن به پلاریته ولتاژ اعمالی به آن ($$V_D$$) بستگی دارد. به این ترتیب، دیود یا به صورت مستقیم ($$V_D > 0$$) یا به صورت معکوس ($$V_D < 0$$) بایاس می‌شود. در هر دو حالت می‌توان مشخصات ولتاژ-جریان را برای یک دیود ایده‌آل و یک دیود سیلیکونی واقعی رسم کرد. شکل زیر، این منحنی را نشان می‌دهد:

در آموزش‌های بعدی از این سری آموزش‌ها در مجله فرادرس، به بررسی دیود سیگنال کوچک یا دیود کلیدزنی می‌پردازیم. این دیودها در مدارهای الکترونیکی کاربردهای بسیاری دارند. دیود سیگنال کوچک همانطور که از نام آن نیز مشخص است، در مدارهای فرکانس بالای ولتاژ پایین استفاده می‌شود. برای مثال می‌توان مدارهای کلیدزنی دیجیتال یا رادیو را نام برد. دیودهای سیگنال، مانند 1N4148 بخش بسیار کوچکی از جریان الکتریکی را از خود عبور می‌دهند. در حالی که در خطوط اصلی برق از دیودهای یکسوساز استفاده می‌شود که جریان عبوری از آنها بسیار بزرگ است. همچنین در آموزش بعدی، منحنی مشخصات ولتاژ-جریان دیود سیگنال و پارامترهای آن بررسی می‌شود.

^^