دیود پیوند p-n بایاس مستقیم

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: فرآیندی که طی آن یک دیود پیوند p-n جریان الکتریکی را در حضور ولتاژ اعمال شده اجازه می‌دهد، دیود پیوند p-n بایاس مستقیم نامیده می‌شود.

در دیود پیوند p-n بایاس مستقیم، پایانه مثبت باتری به مواد نیمه هادی نوع p و ترمینال منفی باتری به مواد نیمه هادی نوع n متصل می‌شود.

دیود بدون بایاس و دیود بایاس مستقیم

تحت هیچ ولتاژ یا شرایط بی طرفانه، دیود پیوند p-n اجازه جریان الکتریکی را نمی‌دهد. اگر ولتاژ مستقیم خارجی اعمال شده بر روی دیود پیوند p-n از صفر به ۰.۱ ولت افزایش یابد، ناحیه تخلیه اندکی کاهش می‌یابد. از این رو، جریان الکتریکی بسیار کمی در دیود پیوند p-n جریان دارد. با این حال، این جریان الکتریکی کوچک در دیود پیوند p-n ناچیز در نظر گرفته می‌شود. از این رو، آن‌ها برای هیچ کاربرد عملی استفاده نمی‌شوند.

اگر ولتاژ اعمال شده بر روی دیود پیوند p-n بیشتر افزایش یابد، آنگاه تعداد الکترون‌ها و حفره‌های آزاد بیشتری در دیود پیوند p-n ایجاد می‌شود. این تعداد زیاد الکترون‌ها و حفره‌های آزاد باعث کاهش بیشتر ناحیه تخلیه (یون‌های مثبت و منفی) می‌شود. از این رو، جریان الکتریکی در دیود پیوند p-n افزایش می‌یابد. بنابراین، منطقه تخلیه یک دیود پیوند p-n با افزایش ولتاژ کاهش می‌یابد. به عبارت دیگر، جریان الکتریکی در دیود پیوند p-n با افزایش ولتاژ افزایش می‌یابد.

جریان الکترون و حفره

جریان الکترونی

اگر دیود پیوند p-n با تقریباً ۰.۷ ولت برای دیود سیلیکون یا ۰.۳ ولت برای دیود ژرمانیوم به جلو بایاس شود، دیود پیوند p-n شروع به اجازه جریان الکتریکی می‌کند. در این شرایط، ترمینال منفی باتری تعداد زیادی الکترون آزاد را به نیمه هادی نوع n می‌رساند و تعداد زیادی سوراخ از نیمه هادی نوع p جذب یا می‌پذیرد. به عبارت دیگر، تعداد زیادی الکترون آزاد سفر خود را در ترمینال منفی آغاز می‌کنند در حالی که تعداد زیادی حفره سفر خود را در ترمینال منفی به پایان می‌رسانند.

الکترون‌های آزاد که سفر خود را از ترمینال منفی آغاز می‌کنند، میدان الکتریکی منفی بزرگی تولید می‌کنند. جهت این میدان الکتریکی منفی برخلاف جهت میدان الکتریکی مثبت ناحیه تخلیه (یون‌های مثبت) در نزدیکی پیوند p-n است.

به دلیل تعداد زیاد الکترون‌های آزاد در نیمه هادی‌های نوع n، آن‌ها از یکدیگر دفع می‌شوند و سعی می‌کنند از ناحیه‌ای با غلظت بالاتر (نیمه هادی نوع n) به ناحیه با غلظت پایین‌تر (نیمه هادی نوع p) حرکت کنند. با این حال، قبل از عبور از ناحیه تخلیه، الکترون‌های آزاد یون‌های مثبت را پیدا کرده و حفره‌ها را پر می‌کنند. الکترون‌های آزاد که حفره‌های یون‌های مثبت را پر می‌کنند، به الکترون‌های ظرفیتی تبدیل می‌شوند. بنابراین، الکترون‌های آزاد ناپدید می‌شوند.

یون‌های مثبت که الکترون می‌گیرند، به اتم‌های خنثی تبدیل می‌شوند. بنابراین، ناحیه تخلیه (میدان الکتریکی مثبت) در نیمه هادی نوع n نزدیک محل پیوند p-n کاهش می‌یابد تا زمانی که ناپدید شود.

الکترون‌های آزاد باقی مانده از ناحیه تخلیه عبور کرده و سپس وارد نیمه هادی p می‌شوند. الکترون‌های آزاد که از ناحیه تخلیه عبور می‌کنند تعداد زیادی حفره یا جای خالی در نیمه هادی نوع p پیدا می‌کنند و آن‌ها را با الکترون پر می‌کنند. الکترون‌های آزاد که حفره‌ها یا جا‌های خالی را اشغال می‌کنند به الکترون‌های ظرفیت تبدیل می‌شوند و سپس این الکترون‌ها به سمت پایانه مثبت باتری جذب می‌شوند یا به پایانه مثبت باتری ختم می‌شوند. بنابراین، حامل‌های بار منفی (الکترون‌های آزاد) که از ناحیه تخلیه عبور می‌کنند، جریان الکتریکی را از یک نقطه به نقطه دیگر در دیود پیوند p-n حمل می‌کنند.

جریان حفره

ترمینال مثبت باتری تعداد زیادی حفره را برای نیمه هادی نوع p تامین می‌کند و تعداد زیادی الکترون آزاد را از نیمه هادی نوع n جذب یا می‌پذیرد. به عبارت دیگر، تعداد زیادی از حفره‌ها سفر خود را در پایانه مثبت آغاز می‌کنند در حالی که تعداد زیادی الکترون آزاد سفر خود را در پایانه مثبت به پایان می‌برند.

حفره‌هایی که سفر خود را از ترمینال مثبت آغاز می‌کنند، یک میدان الکتریکی مثبت بزرگ در یک نیمه‌رسانای نوع p تولید می‌کنند. جهت این میدان الکتریکی مثبت برخلاف جهت میدان الکتریکی منفی ناحیه تخلیه (یون‌های منفی) در نزدیکی پیوند p-n است.

به دلیل تعداد زیاد حامل‌های بار مثبت (حفره) در نیمه هادی‌های نوع p، آن‌ها از یکدیگر دفع می‌شوند و سعی می‌کنند از یک منطقه با غلظت بالاتر (نیمه هادی نوع p) به منطقه با غلظت کمتر (نیمه هادی نوع n) حرکت کنند.. با این حال، قبل از عبور از منطقه تخلیه، برخی از حفره‌ها یون‌های منفی را پیدا کرده و موقعیت الکترون را با حفره‌ها جایگزین می‌کنند. بنابراین، حفره‌ها ناپدید می‌شوند.

یون‌های منفی که الکترون‌های خود را از دست می‌دهند به اتم‌های خنثی تبدیل می‌شوند. بنابراین، منطقه تخلیه یا یون‌های منفی (میدان الکتریکی منفی) در نیمه هادی نوع p در نزدیکی پیوند p-n کاهش می‌یابد تا زمانی که ناپدید شود.

حفره‌های باقی‌مانده از ناحیه تخلیه عبور کرده و به سمت پایانه منفی باتری جذب می‌شوند یا به پایانه منفی باتری ختم می‌شوند. بنابراین، حامل‌های بار مثبت (حفره‌ها) که از ناحیه تخلیه عبور می‌کنند، جریان الکتریکی را از یک نقطه به نقطه دیگر در دیود اتصال p-n حمل می‌کنند.

نتیجه

به یاد داشته باشید، حفره‌ها چیزی نیستند جز جای خالی که هنگام خروج الکترون‌ها از یک اتم ایجاد می‌شوند. در نیمه هادی‌های نوع p، الکترون‌های ظرفیت از یک اتم به اتم دیگر حرکت می‌کنند در حالی که حفره‌ها در جهت مخالف حرکت می‌کنند. با این حال، حفره‌ها اکثریت در نیمه هادی‌های نوع p هستند. از این رو، حفره‌ها به عنوان حامل‌های بار در نیمه هادی نوع p در نظر گرفته می‌شوند که جریان الکتریکی را از نقطه‌ای به نقطه دیگر منتقل می‌کند.

جهت واقعی جریان جهت الکترون‌های آزاد (از سمت n به سمت p) است. با این حال، جهت متعارف جریان الکتریکی جهت حفره‌ها (از سمت p به سمت n) است.