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PN संधि डायोड की VI विशेषताएँ

जानु वोल्टेज:

• अग्र जानु वोल्टेज, जिसे कट-इन वोल्टेज के रूप में भी जाना जाता है, डायोड में धारा प्रवाह आरंभ करने के लिए आवश्यक न्यूनतम अग्र वोल्टेज है।
• अग्र जानु वोल्टेज घटता है: जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, वाहकों के लिए जंक्शन अवरोध को पार करने के लिए आवश्यक ऊर्जा कम हो जाती है, जिसके परिणामस्वरूप कम अग्र वोल्टेज होता है (आमतौर पर सिलिकॉन डायोड के लिए ~2 mV/°C घटता है)।

उत्क्रम संतृप्ति धारा:

• उत्क्रम संतृप्ति धारा वह छोटी धारा है जो डायोड से होकर बहती है जब वह उत्क्रम-बायस्ड होता है।
• उत्क्रम संतृप्ति धारा बढ़ती है: तापमान अर्धचालक में आंतरिक वाहक सांद्रता को बढ़ाता है, जिससे उत्क्रम संतृप्ति धारा में उल्लेखनीय वृद्धि होती है, अक्सर हर 10°C पर दोगुनी हो जाती है।

व्याख्या:

सौर सेल की I-V विशेषताएँ:

दी गई I-V अभिलाक्षणिक वक्र एक सौर सेल के व्यवहार को दर्शाता है।

सौर सेल प्रकाश के संपर्क में आने पर धारा उत्पन्न करते हैं और एक शक्ति स्रोत के रूप में कार्य करते हैं। वोल्टता शून्य होने पर भी धारा प्रवाहित होती है, जो प्रकाशवोल्टीय उपकरणों की एक प्रमुख विशेषता है।

डायोड या फोटोडायोड के विपरीत, जिन्हें संचालन के लिए बाहरी वोल्टता की आवश्यकता होती है, एक सौर सेल प्रकाश ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करके वोल्टता और धारा उत्पन्न करता है।

एक सौर सेल की I-V अभिलाक्षणिक दर्शाता है कि यह चौथे चतुर्थांश में संचालित होता है, जिसका अर्थ है कि यह बाहरी परिपथ को शक्ति प्रदान करता है न कि इसका उपभोग करता है।

सौर सेल I-V अभिलाक्षणिकों की मुख्य विशेषताएँ:

• बाहरी वोल्टता की अनुपस्थिति में धारा प्रवाहित होती है।
• वक्र चौथे चतुर्थांश में है, जो बिजली उत्पादन का संकेत देता है।
• विद्युत उत्पन्न करने के लिए प्रदीप्त परिस्थितियों में संचालित होता है।

∴ दिया गया I-V अभिलाक्षणिक एक सौर सेल से संबंधित है।

जब तापमान बढ़ता है, तो अर्धचालक डायोड की V-I (वोल्टेज-धारा) अभिलक्षणिकताएं आमतौर पर बाईं ओर स्थानांतरित हो जाती हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि तापमान में वृद्धि से आंतरिक वाहक सांद्रता में वृद्धि होती है, जिससे डायोड में आगे वोल्टेज पात कम हो जाता है। परिणामस्वरूप, V-I वक्र बायीं ओर स्थानांतरित हो जाता है।

एक PN संधि डायोड V-I अभिलक्षणिकताएं

• जब P-N संधि डायोड शून्य अभिनित स्थिति में होता है, तो कोई बाह्य वोल्टेज लागू नहीं होता है और इसका अर्थ है कि संधि पर विभव अवरोध धारा के प्रवाह की अनुमति नहीं देता है।
• जब डायोड अग्र अभिनित में होता है, तो धारा धीरे-धीरे बढ़ती है, और प्राप्त वक्र अरैखिक होता है क्योंकि डायोड पर लागू वोल्टेज विभव अवरोध को पार कर जाता है। एक बार जब डायोड विभव अवरोध पर नियंत्रण पा लेता है, तो डायोड सामान्य रूप से व्यवहार करता है, और बाह्य वोल्टेज बढ़ने पर वक्र तेजी से बढ़ता है, और प्राप्त वक्र रैखिक होता है।
• जब P-N संधि डायोड ऋणात्मक अभिनित में होता है, तो P-प्रकार ऋणात्मक टर्मिनल से जुड़ा होता है जबकि n-प्रकार बाह्य वोल्टेज के धनात्मक टर्मिनल से जुड़ा होता है। इसके परिणामस्वरूप विभव अवरोध में वृद्धि होती है। प्रारंभ में विपरीत संतृप्ति धारा प्रवाहित होती है क्योंकि संधि में अल्पसंख्यक वाहक उपस्थि होते हैं।
• जब लागू वोल्टेज बढ़ाया जाता है, तो अल्पसंख्यक आवेशों में गतिज ऊर्जा बढ़ जाएगी जो बहुसंख्यक आवेशों को प्रभावित करती है। यह वह चरण है जब डायोड टूट जाता है। इससे डायोड भी नष्ट हो सकता है।

इलेक्ट्रॉन की गतिशीलता

इलेक्ट्रॉन जैसे उपपरमाण्विक कण हर समय यादृच्छिक दिशाओं में चलते हैं।

जब इलेक्ट्रॉनों को एक विद्युत क्षेत्र के अधीन किया जाता है तो वे यादृच्छिक रूप से चलते हैं, लेकिन वे प्रयुक्त विद्युत क्षेत्र की दिशा में धीरे-धीरे एक दिशा में अपवाह करते हैं। शुद्ध वेग जिस पर ये इलेक्ट्रॉन अपवाह करते हैं उसे अपवाह वेग के रूप में जाना जाता है।

इसलिए, गतिशीलता को अपवाह वेग का प्रयुक्त विद्युत क्षेत्र से अनुपात के रूप में व्यक्त किया जा सकता है।

                ............ (i)

जहाँ, μ_H = गतिशीलता

v_d = अपवाह वेग

E = विद्युत क्षेत्र

अपवाह वेग निम्न द्वारा दिया जाता है:

अपवाह वेग का मान समीकरण (i) में रखने पर, हम निम्न प्राप्त करते हैं:​

, विश्रांति काल के संदर्भ में गतिशीलता का आवश्यक व्यंजक  है।

जहाँ, e = इलेक्ट्रॉन का आवेश

τ = विश्रांति काल 

m_e = इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान

The reverse current of a diode is very temperature sensitive.

The current doubles for every 10°C rise in temperature.

The reverse saturation current of the diode increases with an increase in the temperature.

तापमान में वृद्धि के साथ डायोड का विपरित संतृप्त धारा बढ़ती है।

गणितीय रूप से यदि विपरित संतृप्त धारा I01 तापमान T1 पर और I02 तापमान T2 पर है तो:

I02 = I01 2(T2-T1)/10

Nature of the reverse current of a silicon diode highly temperature-sensitive.

डायोड की V-I अभिलक्षणिकता

डायोड का मान प्रतिरोध, डायोड की VI अभिलक्षणों के ढाल के बराबर है।

डायोड का ढाल निम्न द्वारा दिया जाता है:

जहाँ, R_d = डायोड प्रतिरोध

ΔV = V₂ - V₁ = वोल्टेज में परिवर्तन 

ΔI = I2 - I1 = धारा में परिवर्तन ​

गणना

दिया गया​ है, ΔV = 200 - 100 = 100 V

ΔI = 20 - 5 = 15 A

Rd = 6.66 Ω 

इलेक्ट्रॉन की गतिशीलता

इलेक्ट्रॉन जैसे उपपरमाण्विक कण हर समय यादृच्छिक दिशाओं में चलते हैं।

जब इलेक्ट्रॉनों को एक विद्युत क्षेत्र के अधीन किया जाता है तो वे यादृच्छिक रूप से चलते हैं, लेकिन वे प्रयुक्त विद्युत क्षेत्र की दिशा में धीरे-धीरे एक दिशा में अपवाह करते हैं। शुद्ध वेग जिस पर ये इलेक्ट्रॉन अपवाह करते हैं उसे अपवाह वेग के रूप में जाना जाता है।

इसलिए, गतिशीलता को अपवाह वेग का प्रयुक्त विद्युत क्षेत्र से अनुपात के रूप में व्यक्त किया जा सकता है।

                ............ (i)

जहाँ, μ_H = गतिशीलता

v_d = अपवाह वेग

E = विद्युत क्षेत्र

अपवाह वेग निम्न द्वारा दिया जाता है:

अपवाह वेग का मान समीकरण (i) में रखने पर, हम निम्न प्राप्त करते हैं:​

, विश्रांति काल के संदर्भ में गतिशीलता का आवश्यक व्यंजक  है।

जहाँ, e = इलेक्ट्रॉन का आवेश

τ = विश्रांति काल 

m_e = इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान

व्याख्या:

• आयन गतिहीन वाहक होते हैं; इसलिए, उनमें कोई भी गतिशीलता नहीं होती है
• इलेक्ट्रॉन और छिद्र गतिशील आवेश वाहक होते हैं
• इलेक्ट्रॉन की गतिशीलता छिद्र की गतिशीलता का 2.5 से 3 गुना होती है
• इलेक्ट्रॉन और छिद्रों की गतिशीलता उनके प्रभावी द्रव्यमान पर निर्भर करती है।
• इलेक्ट्रॉन का प्रभावी द्रव्यमान छिद्रों के प्रभावी द्रव्यमान से कम होता है, इसलिए इलेक्ट्रॉन में छिद्र से अधिक गतिशीलता होती है।

Ge के लिए 

Si के लिए 

Ge और Si दोनों के लिए μe > 2μh

व्याख्या-

जैसे-जैसे ट्रांजिस्टर का तापमान बढ़ता है, संग्राहक धारा भी बढ़ेगी क्योंकि:

तापमान के साथ संग्राहक और आधार के बीच आंतरिक अर्धचालक धारा बढ़ती है।

अभिनतिकरण प्रतिरोध के माध्यम से इसका प्रवाह आधार को अधिक धनात्मक बनाता है, आधार-उत्सर्जक डायोड पर अग्र अभिनत को बढ़ाता है।

एक सिलिकॉन डायोड के लिए सिम्पसन 10°C तापमान वृद्धि के लिए 2 nA की वृद्धि का उद्धरण देता है।

किसी दिए गए संग्राहक धारा के लिए आवश्यक आधार-उत्सर्जक वोल्टेज कम हो जाएगा। यह कमी लगभग -2.5mV/°C है।

ध्यान दें-

डायोड की उत्क्रम संतृप्ति धारा (IS) तापमान में वृद्धि के साथ बढ़ता है, जर्मेनियम और सिलिकॉन दोनों के लिए वृद्धि 7%/ºC है और तापमान में प्रत्येक 10ºC वृद्धि के लिए लगभग दोगुना है।

जब तापमान बढ़ता है, तो अर्धचालक डायोड की V-I (वोल्टेज-धारा) अभिलक्षणिकताएं आमतौर पर बाईं ओर स्थानांतरित हो जाती हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि तापमान में वृद्धि से आंतरिक वाहक सांद्रता में वृद्धि होती है, जिससे डायोड में आगे वोल्टेज पात कम हो जाता है। परिणामस्वरूप, V-I वक्र बायीं ओर स्थानांतरित हो जाता है।

एक PN संधि डायोड V-I अभिलक्षणिकताएं

• जब P-N संधि डायोड शून्य अभिनित स्थिति में होता है, तो कोई बाह्य वोल्टेज लागू नहीं होता है और इसका अर्थ है कि संधि पर विभव अवरोध धारा के प्रवाह की अनुमति नहीं देता है।
• जब डायोड अग्र अभिनित में होता है, तो धारा धीरे-धीरे बढ़ती है, और प्राप्त वक्र अरैखिक होता है क्योंकि डायोड पर लागू वोल्टेज विभव अवरोध को पार कर जाता है। एक बार जब डायोड विभव अवरोध पर नियंत्रण पा लेता है, तो डायोड सामान्य रूप से व्यवहार करता है, और बाह्य वोल्टेज बढ़ने पर वक्र तेजी से बढ़ता है, और प्राप्त वक्र रैखिक होता है।
• जब P-N संधि डायोड ऋणात्मक अभिनित में होता है, तो P-प्रकार ऋणात्मक टर्मिनल से जुड़ा होता है जबकि n-प्रकार बाह्य वोल्टेज के धनात्मक टर्मिनल से जुड़ा होता है। इसके परिणामस्वरूप विभव अवरोध में वृद्धि होती है। प्रारंभ में विपरीत संतृप्ति धारा प्रवाहित होती है क्योंकि संधि में अल्पसंख्यक वाहक उपस्थि होते हैं।
• जब लागू वोल्टेज बढ़ाया जाता है, तो अल्पसंख्यक आवेशों में गतिज ऊर्जा बढ़ जाएगी जो बहुसंख्यक आवेशों को प्रभावित करती है। यह वह चरण है जब डायोड टूट जाता है। इससे डायोड भी नष्ट हो सकता है।

धारणा:

गतिशीलता (μ): इसे प्रति इकाई विद्युत् क्षेत्र में ड्रिफ्ट वेग के रूप में परिभाषित किया गया है अर्थात्,

जहां τ = औसत विश्राम समय, m = आवेशित कण का द्रव्यमान और q = आवेशित कण पर आवेश।

व्याख्या:

• इलेक्ट्रॉनों का प्रभावी द्रव्यमान 9.11 × 10^-31 kg है।
• संयोजन बैंड में मौजूद छिद्र नाभिक के करीब होते हैं और अधिक आकर्षण बल का अनुभव करते हैं और इसलिए इनका प्रभावी द्रव्यमान उच्च होता है।
• So, The mobility of free electrons is higher than that of holes because electrons are lighter

संकल्पना:

तापमान में वृद्धि के साथ डायोड का विपरित संतृप्त धारा बढ़ती है।

गणितीय रूप से यदि विपरित संतृप्त धारा I01 तापमान T1 पर और I02 तापमान T2 पर है तो:

I02 = I01 2(T2-T1)/10

Nature of the reverse current of a silicon diode highly temperature-sensitive.

डायोड के माध्यम से बहुत लघु धारा तब प्रवाहित होती है जब डायोड पश्च अभिनति अवस्था में होता है जिसे डायोड की पश्च धारा कहा जाता है।

एक सिलिकॉन डायोड की पश्च संतृप्ति धारा नैनो एम्पीयर (nA) के क्रम की होती है।सिलिकॉन डायोड एक अच्छे स्विच के रूप में संचालित होता है।

जर्मेनियम डायोड की पश्च संतृप्ति धारा माइक्रो-एम्पीयर (μA) के क्रम की है।

नोट :

पश्च अभिनति: जब स्थिति विपरीत होती है और n -प्रकार वाले पक्ष को p-प्रकार वाले पक्ष से अधिकतम विभव पर रखा जाता है, तो केवल पश्च संतृप्त धारा की एक छोटी मात्रा डायोड के माध्यम से प्रवाहित होती है, इस स्थिति को पश्च अभिनत के रूप में संदर्भित किया जाता है।

अग्र अभिनति: जब डायोड का p -प्रकार वाला पक्ष n -प्रकार वाले पक्ष से अधिकतम विभव से जुड़ा होता है, तो उस डायोड को अग्र अभिनत कहा जाता है, क्योंकि यह अग्र धारा को संचालित करने के लिए डायोड की क्षमता को बढ़ाता है। 

डायोड का स्थैतिक प्रतिरोध

डीसी आपूर्ति के साथ अग्र और उत्क्रम अभिनति में जुड़े होने पर डायोड द्वारा प्रस्तुत किए जाने वाले प्रतिरोध को स्थैतिक प्रतिरोध के रूप में जाना जाता है।

डायोड का स्थैतिक प्रतिरोध डायोड वोल्टेज और डायोड धारा का अनुपात होता है।

स्थैतिक प्रतिरोध निम्न द्वारा दिया जाता है:

डायोड का गतिक प्रतिरोध

एक एसी आपूर्ति के साथ अग्र और उत्क्रम अभिनति में जुड़े होने पर डायोड द्वारा प्रस्तुत किए जाने वाले प्रतिरोध को गतिक प्रतिरोध के रूप में जाना जाता है।

डायोड का गतिक प्रतिरोध डायोड वोल्टेज में परिवर्तन और डायोड धारा में परिवर्तन का अनुपात होता है।

गतिक प्रतिरोध निम्न द्वारा दिया जाता है:

The reverse current of a diode is very temperature sensitive.

The current doubles for every 10°C rise in temperature.

The reverse saturation current of the diode increases with an increase in the temperature.

तापमान में वृद्धि के साथ डायोड का विपरित संतृप्त धारा बढ़ती है।

गणितीय रूप से यदि विपरित संतृप्त धारा I01 तापमान T1 पर और I02 तापमान T2 पर है तो:

I02 = I01 2(T2-T1)/10

Nature of the reverse current of a silicon diode highly temperature-sensitive.

डायोड के माध्यम से बहुत लघु धारा तब प्रवाहित होती है जब डायोड पश्च अभिनति अवस्था में होता है जिसे डायोड की पश्च धारा कहा जाता है।

एक सिलिकॉन डायोड की पश्च संतृप्ति धारा नैनो एम्पीयर (nA) के क्रम की होती है।सिलिकॉन डायोड एक अच्छे स्विच के रूप में संचालित होता है।

जर्मेनियम डायोड की पश्च संतृप्ति धारा माइक्रो-एम्पीयर (μA) के क्रम की है।

नोट :

पश्च अभिनति: जब स्थिति विपरीत होती है और n -प्रकार वाले पक्ष को p-प्रकार वाले पक्ष से अधिकतम विभव पर रखा जाता है, तो केवल पश्च संतृप्त धारा की एक छोटी मात्रा डायोड के माध्यम से प्रवाहित होती है, इस स्थिति को पश्च अभिनत के रूप में संदर्भित किया जाता है।

अग्र अभिनति: जब डायोड का p -प्रकार वाला पक्ष n -प्रकार वाले पक्ष से अधिकतम विभव से जुड़ा होता है, तो उस डायोड को अग्र अभिनत कहा जाता है, क्योंकि यह अग्र धारा को संचालित करने के लिए डायोड की क्षमता को बढ़ाता है।