PN Bağlantılı Diyot / PN Junction

PN Bağlantılı Diyot, P-tipi ve N-tipi iki yarı iletken malzemenin kaynaştırılması/bağlanması ile oluşturulur.

Önceki derste, bir silisyum atomunu az miktarda Antimon ile katkılayarak N-tipi bir yarı iletken malzemenin nasıl yapıldığını ve ayrıca Bor ile başka bir silisyum atomunu katkılayarak P-tipi bir yarı iletken malzemenin nasıl yapıldığını gördük.

Buraya kadar her şeyi anladıysak gayet güzel, ancak bu yeni katkılı N-tipi ve P-tipi yarı iletken malzemeler, elektriksel olarak nötr oldukları için kendi başlarına çok az şey yaparlar. Bununla birlikte, bu iki yarı iletken malzemeyi birleştirirsek (veya kaynaştırırsak) çok farklı bir şekilde davranırlar, birleşirler ve genellikle “ PN Bağlantısı ” olarak bilinen şeyi üretirler .

N-tipi yarı iletken ve P-tipi yarı iletken malzemeler ilk kez bir araya getirildiğinde, PN bağlantısının her iki tarafı arasında çok büyük bir yoğunluk gradyanı oluşur. Sonuç, verici safsızlık atomlarından bazı serbest elektronların, negatif iyonlar üreten P-tipi malzemedeki delikleri doldurmak için bu yeni oluşturulmuş bağlantı boyunca göç etmeye başlamasıdır.

Elektronlar P-tipi silisyum, N-tipi silisyum PN birleşme yeri boyunca taşınmış olduğundan, ancak, geride pozitif yüklü verici iyonları ( ND  negatif tarafında) ve hemen karşısında alıcı katkılı deliklere çok sayıda serbest elektronun bulunduğu bölgeye zıt yönde birleşirler.

Bunun bir sonucu olarak, bağlantı boyunca p-tipi yük yoğunluğu negatif yüklü alıcı iyonları (NA doldurulur ) ve birleşme noktaları boyunca N-tipi yük yoğunluğu pozitif olmaktadır. PN bağlantısı boyunca elektronların ve deliklerin bu yük transferi difüzyon olarak bilini . Bu P ve N katmanlarının genişliği, sırasıyla alıcı yoğunluğu NA ve donör yoğunluğu ND ile her bir tarafın ne kadar yoğun bir şekilde katkılandığına bağlıdır.

Bu süreç, bağlantıyı geçen elektronların sayısı, daha fazla yük taşıyıcının bağlantı üzerinden geçmesini engelleyecek veya engelleyecek kadar büyük bir elektrik yüküne sahip olana kadar ileri geri devam eder. Sonunda, verici atomlar delikleri iterken ve alıcı atomlar elektronları iterken bağlantı alanı çevresinde bir “potansiyel bariyer” bölgesi üreten bir denge durumu (elektriksel olarak nötr durum) meydana gelecektir.

Hiçbir serbest yük taşıyıcısı potansiyel bir engelin olduğu bir konumda duramayacağından, bağlantının her iki tarafındaki bölgeler, bağlantıdan daha uzaktaki N ve P tipi malzemelere kıyasla artık tamamen daha fazla serbest taşıyıcıdan yoksun hale gelir. PN bağlantısının etrafındaki bu alan artık Tükenme Katmanı yani Depletion Layer olarak adlandırılmaktadır.

pn bağlantılı diyot
PN Bağlantısı

Bir PN Bağlantısının her iki tarafındaki toplam yük, bağlantı çevresinde nötr bir şarj koşulu sağlamak için eşit ve zıt olmalıdır. Tükenme katman bölgesi bir mesafe varsa bu nedenle bir mesafe ile silisyum içine nüfuz etmesi gereken Dp pozitif tarafı için ve bir mesafe Dn gerekir : ikisi arasında bir ilişki vermek gerekirse olumsuz tarafı için   Dp * N A  = Dn*N D   yük nötrlüğünü korumak için bu denge olarak da adlandırılır.

PN Bağlantılı Diyot Mesafesi

pn bağlantılı diyot

N tipi malzeme elektron kaybettiğinden ve P tipi delikler kaybettiğinden, N tipi malzeme P tipine göre pozitif hale gelmiştir. Daha sonra, bağlantının her iki tarafında safsızlık iyonlarının varlığı, bu bölge boyunca, N tarafı P tarafına göre pozitif bir voltajda olan bir elektrik alanının kurulmasına neden olur. Şimdi sorun şu ki, serbest bir şarj, tükenme bölgesi kavşağını geçebilmesi için şu anda var olan engeli aşmak için fazladan bir enerji gerektiriyor.

Difüzyon işlemi tarafından yaratılan bu elektrik alanı, bağlantı boyunca bir açık devre (sıfır sapma) potansiyeli ile “yerleşik bir potansiyel farkı” yarattı:

pn bağlantılı diyot

Burada: E o sıfır yanlı bağlantı voltajıdır, V T oda sıcaklığında 26mV’lik termal voltajdır, N D ve N A safsızlık konsantrasyonlarıdır ve n i içsel konsantrasyondur.

PN bağlantısının iki ucu arasına uygulanan uygun bir pozitif voltaj (ileri polarlı), serbest elektronlara ve deliklere ekstra enerji sağlayabilir. Şu anda var olan bu potansiyel engeli aşmak için gereken harici voltaj, kullanılan yarı iletken malzemenin tipine ve gerçek sıcaklığına çok bağlıdır.

Tipik olarak oda sıcaklığında, tükenme katmanı boyunca silisyum için voltaj yaklaşık 0,6 – 0,7 volt ve germanyum için yaklaşık 0,3 – 0,35 volttur. Bu potansiyel engel, diyotlarda görüldüğü gibi, cihaz herhangi bir harici güç kaynağına bağlı olmasa bile her zaman var olacaktır.

Bağlantı boyunca bu yerleşik potansiyelin önemi, bağlantı boyunca hem deliklerin hem de elektronların akışına karşı çıkması ve bu nedenle potansiyel bariyer olarak adlandırılmasıdır. Pratikte, iki ayrı parçayı basitçe birleştirmek veya birleştirmek yerine, tek bir malzeme kristalinde bir PN bağlantısı oluşturulur.

Bu işlemin sonucu, PN bağlantısının doğrultucu akım-gerilim (IV veya I–V) özelliklerine sahip olmasıdır. Elektrik kontakları, harici bir devreye elektrik bağlantısının yapılabilmesi için yarı iletkenin her iki tarafına kaynaştırılmıştır. Elde edilen elektronik cihaza genel olarak PN bağlantı Diyotu veya sadece Sinyal Diyotu denir.

Daha sonra burada, doğrultucuların, her türlü transistörün, LED’lerin, güneş pillerinin temel yarı iletken yapısı olarak kullanılabilen diyot adı verilen elektronik bir cihaz üretmek için farklı katkılı yarı iletken malzemeleri birleştirerek veya dağıtarak bir PN bağlantısının yapılabileceğini gördük.

PN Bağlantılı Diyotun Özellikleri

Bir p-tipi yarı iletken, bir n-tipi yarı iletkene kaynaştırıldığında, diyot bağlantısı boyunca potansiyel bir bariyer voltajı oluşturarak bir PN-bağlantı diyotu oluşur.

Bir PN Bağlantı Diyotu en basit yarı iletken cihazlardan biridir ve sadece bir yönde akım geçirme özelliğine sahiptir. Bununla birlikte, bir dirençten farklı olarak, diyot üstel bir akım-voltaj (IV) ilişkisine sahip olduğundan, diyot uygulanan gerilime göre doğrusal davranmaz ve bu nedenle çalışmasını Ohm yasası gibi bir denklem kullanarak tanımlayamayız.

PN bağlantısının iki ucu arasına uygun bir pozitif voltaj (ileri polarlama) uygulanırsa, PN bağlantısı etrafındaki tükenme tabakasının genişliği azaldıkça bağlantıyı geçmek için ihtiyaç duydukları ekstra enerji ile serbest elektronlar ve delikler sağlayabilir.

Negatif bir voltaj (ters polarlama) uygulamak, serbest yüklerin bağlantıdan çekilmesine neden olur ve bu da tükenme katmanı genişliğinin artmasına neden olur. Bu, bağlantının kendisinin etkin direncini artırma veya azaltma etkisine sahiptir ve diyotların pn-bağlantısı boyunca akımın akışına izin verir veya engeller.

Daha sonra, tükenme katmanı, ters voltaj uygulamasındaki bir artışla genişler ve ileri voltaj uygulamasındaki bir artışla daralır. Bunun nedeni, PN bağlantısının iki tarafındaki elektriksel özelliklerdeki farklılıklar nedeniyle meydana gelen fiziksel değişikliklerdir. Sonuçlardan biri, PN bağlantı diyotlarının statik IV (akım-voltaj) özelliklerinde görüldüğü gibi doğrultma üretir. Doğrultma, öngerilim voltajının polaritesi aşağıda gösterildiği gibi değiştirildiğinde asimetrik bir akım akışı ile gösterilir.

PN Diyot Sembolü ve Statik IV Karakteristikleri

pn bağlantılı diyot

Standart PN Bağlantılı Diyotu için iki çalışma bölgesi ve üç olası “polarlanma” koşulu vardır ve bunlar:

  • 1. Sıfır Polarlanma – PN bağlantı diyotuna harici voltaj potansiyeli uygulanmaz.
  • 2. Ters Polarlanma – Gerilim potansiyeli, diyot boyunca , PN bağlantı diyotunun genişliğini artırma etkisine sahip olan, P tipi malzemeye negatif, (-ve) ve pozitif, (+ve) N tipi malzemeye bağlanır .
  • 3. İleri Polarlanma – Gerilim potansiyeli pozitif, (+ve) P tipi malzemeye ve negatif, (-ve) diyot boyunca N tipi malzemeye bağlanır, bu da PN bağlantı diyotlarının genişliğini azaltma etkisine sahiptir .

Sıfır Polarlı/Öngerilimli PN Bağlantılı Diyot

Sıfır polarlama koşulunda bir diyot bağlandığında, PN bağlantısına harici potansiyel enerji uygulanmaz. Ancak diyot terminalleri birbirine kısa devre yaparsa, potansiyel bariyeri aşmak için yeterli enerjiye sahip P-tipi malzemedeki birkaç delik (çoğunluk taşıyıcı), bu bariyer potansiyeline karşı bağlantı boyunca hareket edecektir. Bu, “İleri/Doğru Akım” olarak bilinir ve IF olarak adlandırılır.

Aynı şekilde N-tipi malzemede (azınlık taşıyıcılar) oluşan delikler de bu durumu uygun bulmakta ve bağlantı boyunca ters yönde hareket etmektedir. Bu, “Ters Akım” olarak bilinir ve IR olarak adlandırılır. Elektronların ve deliklerin PN bağlantısı boyunca ileri geri transferi, aşağıda gösterildiği gibi difüzyon olarak bilinir.

pn bağlantılı diyot
Sıfır Polarlı PN Bağlantılı Diyot

Şu anda var olan potansiyel engel, daha fazla çoğunluk taşıyıcısının kavşak boyunca yayılmasını engellemektedir. Bununla birlikte, potansiyel bariyer, azınlık taşıyıcıların (P-bölgesinde birkaç serbest elektron ve N-bölgesinde birkaç delik) bağlantı boyunca kaymasına yardımcı olur.

Ardından, çoğunluk taşıyıcılar eşit olduğunda ve her ikisi de zıt yönlerde hareket ettiğinde bir “Denge” veya denge kurulacaktır, böylece net sonuç devrede sıfır akım akar. Bu gerçekleştiğinde, bağlantının “ Dinamik Denge ” durumunda olduğu söylenir .

Azınlık taşıyıcıları, termal enerji nedeniyle sürekli olarak üretilir, bu nedenle, bu denge durumu, azınlık taşıyıcılarının oluşumunda bir artışa neden olan PN bağlantısının sıcaklığını yükselterek bozulabilir, böylece kaçak akımda bir artışa neden olur. PN bağlantısına herhangi bir devre bağlanmadığından, bir elektrik akımı akamaz.

Ters Polarlı PN Bağlantılı Diyot

Ters polarlanma durumunda bir diyot bağlandığında, N tipi malzemeye pozitif voltaj ve P tipi malzemeye negatif voltaj uygulanır.

N-tipi malzemeye uygulanan pozitif voltaj, elektronları pozitif elektrota doğru ve bağlantı noktasından uzağa çekerken, P-tipi uçtaki delikler de bağlantı noktasından negatif elektrota doğru çekilir.

Net sonuç, tükenme tabakasının elektron ve delik eksikliği nedeniyle daha da büyümesi ve yüksek bir empedans yolu sunması, neredeyse bir yalıtkan olması ve bağlantı boyunca yüksek potansiyel bir bariyer oluşturulması, böylece akımın yarı iletken malzemeden akmasını engellemesidir.

pn bağlantılı diyot
Ters Polarlanma Nedeniyle Tükenme Katmanında Artış

Bu durum, PN bağlantısına karşı yüksek bir direnç değerini temsil eder ve ön gerilimde bir artışla bağlantı diyotundan pratik olarak sıfır akım akar. Bununla birlikte, normalde mikro amper ( μA ) cinsinden ölçülebilen bağlantıdan çok küçük bir ters kaçak akım akar.

Son bir noktada, diyota uygulanan ters polarlama gerilimi Vr yeterince yüksek bir değere yükseltilirse, diyotun PN bağlantısının aşırı ısınmasına ve bağlantı çevresindeki çığ etkisi nedeniyle arızalanmasına neden olacaktır. Bu, diyotun kısa devre yapmasına neden olabilir ve maksimum devre akımı akışına neden olur ve bu, aşağıdaki ters statik karakteristik eğrisinde aşağı doğru bir eğim olarak gösterilir.

PN Bağlantılı Diyotun Ters Karakteristik Eğrisi

pn bağlantılı diyot

Bazen bu çığ etkisinin, bu ters kırılma akımını önceden belirlenmiş bir maksimum değere sınırlamak için diyot ile bir seri sınırlama direncinin kullanıldığı ve böylece diyot boyunca sabit bir voltaj çıkışı ürettiği voltaj stabilize edici devrelerde pratik uygulamaları vardır. Bu tür diyotlar genellikle Zener Diyotları olarak bilinir ve daha sonraki bir derste tartışılacaktır.

İleri Polarlı PN Bağlantılı Diyot

İleri polarlanma durumunda bir diyot bağlandığında , N tipi malzemeye negatif voltaj ve P tipi malzemeye pozitif voltaj uygulanır. Bu harici voltaj, potansiyel bariyerin değerinden büyük olursa, Silisyum için 0,7 volt ve germanyum için 0,3 volt, potansiyel engeller aşılacak ve akım akmaya başlayacaktır.

Bunun nedeni, negatif voltajın elektronları birleşme noktasına doğru itmesidir ve onlara çaprazlama ve pozitif voltaj tarafından birleşmeye doğru zıt yönde itilen deliklerle birleşme için enerji verir. Bu, statik eğrilerde “dirsek” olarak adlandırılan bu voltaj noktasına kadar akan sıfır akımın bir karakteristik eğrisi ile sonuçlanır ve daha sonra aşağıda gösterildiği gibi harici voltajda çok az artışla diyottan yüksek bir akım akar.

PN Bağlantılı Diyot için İleri Karakteristik Eğrisi

pn bağlantılı diyot

Bağlantı diyotuna ileri polarlama voltajının uygulanması, tükenme katmanının çok ince ve dar olmasına neden olur, bu da bağlantı boyunca düşük empedans yolunu temsil eder ve böylece yüksek akımların akmasına izin verir. Akımdaki bu ani artışın meydana geldiği nokta, yukarıdaki statik IV karakteristik eğrisinde “dirsek” noktası olarak gösterilir.

pn bağlantılı diyot
İleriye Yönelik Sapma Nedeniyle Tükenme Katmanında Azalma

Bu durum, ön gerilimde sadece küçük bir artışla çok büyük akımların diyottan akmasına izin veren PN bağlantısı boyunca düşük direnç yolunu temsil eder. Bağlantı veya diyot boyunca gerçek potansiyel fark, tükenme katmanının etkisi ile germanyum için yaklaşık 0.3v ve silisyum bağlantı diyotları için yaklaşık 0.7v’de sabit tutulur.

Diyot bu dirsek noktasının üzerinde “sonsuz” akımı iletebildiğinden, etkin bir şekilde kısa devre haline geldiğinden, akım akışını sınırlamak için diyotla seri olarak dirençler kullanılır. Maksimum ileri akım spesifikasyonunun aşılması, cihazın tasarlandığından daha fazla ısı şeklinde güç harcamasına neden olur ve bu da cihazın çok hızlı bir şekilde arızalanmasına neden olur.

Özetle

PN Bağlantı Diyotunun bağlantı bölgesi aşağıdaki önemli özelliklere sahiptir:

  • Yarı iletkenler iki tür yük taşıyıcı içerir, “Delikler” ve “Elektronlar”.
  • Elektronlar negatif yüklü iken delikler pozitif yüklüdür.
  • Bir yarı iletken, Antimon (N-tipi katkılama) gibi donör safsızlıkları ile katkılanabilir, böylece esas olarak elektronlar olan hareketli yükler içerir.
  • Bir yarı iletken, Boron (P-tipi katkılama) gibi alıcı safsızlıklar ile katkılanabilir, böylece esas olarak delikler olan hareketli yükler içerir.
  • Bağlantı bölgesinin kendisinde yük taşıyıcı yoktur ve tükenme bölgesi olarak bilinir.
  • Bağlantı (tükenme) bölgesi, uygulanan voltajla değişen fiziksel bir kalınlığa sahiptir.
  • Bir diyot sıfır polarlı olduğunda, hiçbir harici enerji kaynağı uygulanmaz ve bir tükenme katmanı boyunca silisyum diyotlar için yaklaşık 0,5 ila 0,7v ve germanyum diyotlar için yaklaşık 0,3 volt olan doğal bir Potansiyel Bariyer geliştirilir.
  • Bir bağlantı diyotu ileri polarlı olduğunda, tükenme bölgesinin kalınlığı azalır ve diyot, tam devre akımının akmasına izin veren bir kısa devre gibi davranır.
  • Bir bağlantı diyotu ters polarlı olduğunda, tükenme bölgesinin kalınlığı artar ve diyot, herhangi bir akım akışını engelleyen bir açık devre gibi davranır (yalnızca çok küçük bir kaçak akım akacaktır).

Yukarıda ayrıca diyotun, IV karakteristiği uygulanan voltajın polaritesine bağlı olarak polariteye bağlı olan iki terminalli doğrusal olmayan cihaz olduğunu gördük, VD diyot ya da ileri polarlı , V D  > 0 veya Ters Eğimli , V D  < 0 . Her iki durumda da, hem ideal bir diyot hem de gerçek bir silisyum diyot için bu akım-voltaj özelliklerini gösterildiği gibi modelleyebiliriz:

PN Bağlantılı Diyot İdeal ve Gerçek Karakteristikleri

pn bağlantılı diyot

Diyotlarla ilgili bir sonraki derste, genel elektronik devrelerde kullanılan ve bazen anahtarlama diyotu olarak adlandırılan küçük sinyal diyotuna bakacağız. Adından da anlaşılacağı gibi, sinyal diyotu, radyo veya dijital anahtarlama devreleri gibi düşük voltajlı veya yüksek frekanslı sinyal uygulamaları için tasarlanmıştır.

1N4148 gibi sinyal diyotları, genellikle silisyum diyotların kullanıldığı yüksek akımlı ana doğrultma diyotlarının aksine çok küçük elektrik akımlarını geçirir. Ayrıca bir sonraki derste Sinyal Diyotu statik akım-voltaj karakteristik eğrisini ve parametrelerini inceleyeceğiz.