डायोड: पी.एन. जंक्शन, प्रकार, निर्माण और कार्य

डायोड क्या है?

सामान्य तौर पर, सभी इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को डीसी बिजली की आपूर्ति की आवश्यकता होती है, लेकिन डीसी पावर उत्पन्न करना असंभव है, इसलिए हमें कुछ डीसी पावर प्राप्त करने के लिए एक विकल्प की आवश्यकता होती है, इसलिए एसी पावर को डीसी पावर में बदलने के लिए डायोड का उपयोग चित्र में आता है । डायोड एक छोटा इलेक्ट्रॉनिक घटक है जिसका उपयोग लगभग सभी इलेक्ट्रॉनिक सर्किटों में किया जाता है ताकि केवल एक दिशा में विद्युत प्रवाह को रोका जा सके ( यूनिडायरेक्शनल डिवाइस ) है। हम कह सकते हैं कि इलेक्ट्रॉनिक घटकों के निर्माण के लिए अर्धचालक सामग्रियों का उपयोग डायोड के साथ शुरू किया गया था। डायोड के आविष्कार से पहले वैक्यूम ट्यूब के साथ थे, जहां इन दोनों उपकरणों के अनुप्रयोग समान हैं लेकिन वैक्यूम ट्यूब द्वारा कब्जा किए गए आकार डायोड की तुलना में बहुत अधिक होंगे। वैक्यूम ट्यूबों का निर्माण थोड़ा जटिल है और अर्धचालक डायोड के साथ तुलना करने पर उन्हें बनाए रखना मुश्किल होता है। डायोड के कुछ अनुप्रयोग सुधार, प्रवर्धन, इलेक्ट्रॉनिक स्विच, विद्युत ऊर्जा को प्रकाश ऊर्जा में और प्रकाश ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं।

डायोड का इतिहास:

बेल लैब्स में वर्ष 1940 में, रसेल ओहल इसके गुणों का पता लगाने के लिए एक सिलिकॉन क्रिस्टल के साथ काम कर रहा था। एक दिन गलती से जब सिलिकॉन क्रिस्टल जिसमें एक दरार होती है, जो सूर्य के प्रकाश के संपर्क में थी, तो उन्होंने क्रिस्टल के माध्यम से करंट का प्रवाह पाया और जिसे बाद में डायोड कहा जाने लगा, जो अर्धचालक युग की शुरुआत थी।

डायोड का निर्माण:

ठोस सामग्री को आमतौर पर तीन प्रकारों में वर्गीकृत किया जाता है जैसे कि कंडक्टर, इन्सुलेटर और अर्ध-चालक । कंडक्टरों में अधिकतम संख्या में मुक्त इलेक्ट्रॉन होते हैं, इंसुलेटर में कम से कम मुक्त इलेक्ट्रॉनों की संख्या होती है (नगण्य जैसे कि प्रवाह का प्रवाह बिल्कुल भी नहीं होता है) जबकि अर्ध- चालक या तो कंडक्टर या इन्सुलेटर हो सकते हैं जो इसके लिए लागू क्षमता पर निर्भर करता है। सेमी-कंडक्टर जो सामान्य उपयोग में हैं वे सिलिकॉन और जर्मेनियम हैं । सिलिकॉन को पसंद किया जाता है क्योंकि यह पृथ्वी पर प्रचुर मात्रा में उपलब्ध है और यह एक बेहतर थर्मल रेंज देता है।

अर्ध-चालक को आगे दो प्रकारों में वर्गीकृत किया जाता है जैसे कि आंतरिक और बाहरी अर्ध-चालक।

आंतरिक अर्ध-चालक:

इन्हें शुद्ध अर्ध-चालक भी कहा जाता है जहां कमरे के तापमान पर वाहक (इलेक्ट्रॉन और छेद) समान मात्रा में होते हैं। तो वर्तमान चालन छेद और इलेक्ट्रॉनों दोनों द्वारा समान रूप से होता है।

बाहरी अर्धचालक:

किसी सामग्री में छेद या इलेक्ट्रॉनों की संख्या बढ़ाने के लिए, हम बाहरी अर्ध-कंडक्टर के लिए जाते हैं, जहां सिलिकॉन में सिलिकॉन (जर्मेनियम या बस ट्रिटेंट या पेंटावैलेंट सामग्री) के अलावा अशुद्धियों को जोड़ा जाता है। शुद्ध अर्ध-चालक के लिए अशुद्धियों को जोड़ने की इस प्रक्रिया को डोपिंग कहा जाता है ।

पी और एन-प्रकार अर्धचालक का गठन:

एन-टाइप सेमीकंडक्टर:

यदि पेंटावैलेंट तत्व (वैलेंस इलेक्ट्रॉनों की संख्या पाँच हैं) को सी या जीई में जोड़ा जाता है तो नि: शुल्क इलेक्ट्रॉन उपलब्ध होते हैं। चूंकि इलेक्ट्रॉन (नकारात्मक रूप से आवेशित वाहक) संख्या में अधिक होते हैं इसलिए इन्हें एन-टाइप सेमीकंडक्टर कहा जाता है । एन-प्रकार में, अर्ध-कंडक्टर इलेक्ट्रॉन बहुमत चार्ज वाहक हैं और छेद अल्पसंख्यक चार्ज वाहक हैं।

कुछ पेंटावैलेंट तत्व फॉस्फोरस, आर्सेनिक, एंटीमनी और बिस्मथ हैं । चूँकि इनमें अतिरिक्त वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं और बाहरी धनात्मक आवेशित कण के साथ युग्मित होने के लिए तैयार होते हैं इसलिए इन तत्वों को डोनर्स कहा जाता है ।

पी-टाइप सेमीकंडक्टर

इसी तरह, अगर बोरान, एल्युमिनियम, इंडियम और गैलियम जैसे ट्रिटेंट तत्वों को सी या जीई में जोड़ा जाता है, तो एक छेद बनाया जाता है, क्योंकि इसमें कई वैलेंस इलेक्ट्रॉनों की संख्या तीन होती है। चूंकि एक इलेक्ट्रॉन को स्वीकार करने के लिए एक छेद तैयार होता है और युग्मित हो जाता है इसलिए इसे स्वीकारकर्ता कहा जाता है । चूंकि नवगठित सामग्री में छिद्रों की संख्या अधिक होती है इसलिए इन्हें पी-टाइप अर्धचालक कहा जाता है । पी-प्रकार के अर्ध-चालक छेद में बहुसंख्यक आवेश वाहक होते हैं और इलेक्ट्रॉन अल्पसंख्यक आवेश वाहक होते हैं।

PN जंक्शन डायोड:

अब, यदि हम दो प्रकार के अर्ध-चालक-पी-प्रकार और एन-प्रकार को एक साथ जोड़ते हैं तो एक नया उपकरण बनता है जिसे पीएन जंक्शन डायोड कहा जाता है । चूंकि पी प्रकार और एन प्रकार की सामग्री के बीच एक जंक्शन बनता है, इसलिए इसे पीएन जंक्शन कहा जाता है।

डायोड शब्द की व्याख्या 'डी' का अर्थ है दो और इलेक्ट्रोड से 'ऑड' प्राप्त किया जाता है। चूंकि नवगठित घटक में दो टर्मिनल या इलेक्ट्रोड हो सकते हैं (एक पी-प्रकार से जुड़ा होता है और दूसरा एन-प्रकार से जुड़ा होता है) इसे डायोड या पीएन जंक्शन डायोड या सेमी-कंडक्टर डायोड कहा जाता है ।

पी-टाइप सामग्री से जुड़े टर्मिनल को एनोड कहा जाता है और एन-टाइप सामग्री से जुड़े टर्मिनल को कैथोड कहा जाता है ।

डायोड का प्रतीक प्रतिनिधित्व इस प्रकार है।

तीर इसके माध्यम से धारा के प्रवाह को इंगित करता है जब डायोड फॉरवर्ड बायस्ड मोड में होता है, तीर की नोक पर डैश या ब्लॉक विपरीत दिशा से वर्तमान के रुकावट को इंगित करता है।

पीएन जंक्शन सिद्धांत:

हमने देखा है कि पी और एन सेमी-कंडक्टर के साथ एक डायोड कैसे बनाया जाता है, लेकिन हमें यह जानने की जरूरत है कि केवल एक दिशा में वर्तमान की अनुमति देने की एक अनूठी संपत्ति बनाने के लिए इसके अंदर क्या होता है और इसके जंक्शन पर शुरू में संपर्क के सटीक बिंदु पर क्या होता है।

जंक्शन निर्माण:

प्रारंभ में, जब दोनों सामग्रियों को एक साथ जोड़ा जाता है (बिना किसी बाहरी वोल्टेज के) एन-प्रकार में अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों और पी-प्रकार में अतिरिक्त छेद एक-दूसरे के लिए आकर्षित हो जाएंगे और पुन: संयोजित हो जाएंगे जहां इमोबिल आयनों का निर्माण होता है (डोनो आयन) और स्वीकर्ता आयन) नीचे दी गई तस्वीर के अनुसार दिखाया गया है। ये इम्बेलियन आयन इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह या उसके माध्यम से छिद्रों का प्रतिरोध करते हैं जो अब दो सामग्रियों के बीच एक अवरोधक का काम करता है (बैरियर के बनने का मतलब है कि इम्बायल आयन पी और एन क्षेत्रों में भिन्न होते हैं)। अब जो अवरोध बनता है उसे डिप्लेशन क्षेत्र कहा जाता है । इस मामले में कमी क्षेत्र की चौड़ाई सामग्री में डोपिंग एकाग्रता पर निर्भर करती है।

यदि डोपिंग सांद्रता दोनों सामग्रियों में समान है, तो स्थिर आयन पी और एन सामग्री दोनों में समान रूप से भिन्न होते हैं।

क्या होगा अगर डोपिंग एकाग्रता एक-दूसरे के साथ भिन्न हो?

ठीक है, अगर डोपिंग अलग क्षेत्र की चौड़ाई भी अलग है। इसका प्रसार अधिक हल्के डोप वाले क्षेत्र में होता है और भारी डोप वाले क्षेत्र में कम होता है ।

अब उचित वोल्टेज लागू होने पर डायोड के व्यवहार को देखें।

फारवर्ड बायस में डायोड

डायोड की संख्या होती है जिनका निर्माण समान होता है लेकिन प्रयुक्त सामग्री का प्रकार भिन्न होता है। उदाहरण के लिए, यदि हम एक प्रकाश उत्सर्जक डायोड पर विचार करते हैं तो यह एल्युमिनियम, गैलियम और आर्सेनाइड सामग्रियों से बना होता है, जो उत्तेजित होने पर प्रकाश के रूप में ऊर्जा छोड़ता है। इसी प्रकार, डायोड के गुणों में आंतरिक समाई, थ्रेशोल्ड वोल्टेज आदि की भिन्नता पर विचार किया जाता है और एक विशेष डायोड को उन पर आधारित बनाया गया है।

यहां हमने विभिन्न प्रकार के डायोड को उनके कार्य, प्रतीक और अनुप्रयोगों के साथ समझाया है:

• ज़ेनर डायोड
• एलईडी
• लेज़र डायोड
• फोटोडायोड
• वैक्टर डायोड
• Schottky डायोड
• टनल डायोड
• पिन डायोड आदि।

आइए इन उपकरणों के काम सिद्धांत और निर्माण को संक्षेप में देखें।

ज़ेनर डायोड:

इस डायोड में P और N क्षेत्र बहुत अधिक डोप किए गए हैं जैसे कि क्षय क्षेत्र बहुत संकीर्ण है। एक सामान्य डायोड के विपरीत इसका ब्रेकडाउन वोल्टेज बहुत कम होता है, जब रिवर्स वोल्टेज ब्रेकडाउन वोल्टेज से अधिक या उसके बराबर होता है, तो विखंडन क्षेत्र गायब हो जाता है और एक निरंतर वोल्टेज डायोड से गुजरता है, भले ही रिवर्स वोल्टेज बढ़ा हो। इसलिए, डायोड का उपयोग वोल्टेज को विनियमित करने और ठीक से पक्षपाती होने पर निरंतर आउटपुट वोल्टेज बनाए रखने के लिए किया जाता है । जेनर का उपयोग करके वोल्टेज को सीमित करने का एक उदाहरण यहां दिया गया है।

जेनर डायोड में टूटने को जेनर ब्रेकडाउन कहा जाता है । इसका मतलब है कि जब रिवर्स वोल्टेज को जेनर डायोड पर लागू किया जाता है तो जंक्शन पर एक मजबूत विद्युत क्षेत्र विकसित किया जाता है जो जंक्शन के भीतर सहसंयोजक बंधनों को तोड़ने के लिए पर्याप्त है और वर्तमान के बड़े प्रवाह का कारण बनता है। हिमस्खलन टूटने की तुलना में ज़ेनर ब्रेकडाउन बहुत कम वोल्टेज पर होता है।

आम तौर पर सामान्य डायोड में देखा जाने वाला हिमस्खलन टूटने के नाम पर एक और प्रकार का ब्रेकडाउन है जिसमें जंक्शन को तोड़ने के लिए बड़ी मात्रा में रिवर्स वोल्टेज की आवश्यकता होती है। इसका कार्य सिद्धांत यह है कि जब डायोड रिवर्स बायस्ड होता है, तो डायोड से छोटे लीकेज करंट गुजरते हैं, जब रिवर्स वोल्टेज को और अधिक बढ़ा दिया जाता है, तो लीकेज करंट भी बढ़ जाता है, जो जंक्शन के भीतर कुछ सहसंयोजक बंधनों को तोड़ने के लिए काफी तेज होता है, ये नए आवेश अवरोधक आगे टूट जाते हैं। शेष सहसंयोजक बांड विशाल रिसाव धाराओं का कारण बनते हैं जो डायोड को हमेशा के लिए नुकसान पहुंचा सकते हैं।

प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी):

इसका निर्माण एक साधारण डायोड के समान है लेकिन विभिन्न रंगों को उत्पन्न करने के लिए अर्ध-चालक के विभिन्न संयोजनों का उपयोग किया जाता है। यह फॉरवर्ड बायस्ड मोड में काम करता है । जब इलेक्ट्रॉन छेद पुनर्संयोजन लेता है तो एक परिणामी फोटॉन निकलता है जो प्रकाश उत्सर्जित करता है, अगर आगे के वोल्टेज में और वृद्धि होती है तो अधिक फोटोन छोड़े जाएंगे और प्रकाश की तीव्रता भी बढ़ती है लेकिन वोल्टेज को इसकी सीमा मूल्य से अधिक नहीं होना चाहिए, अन्यथा एलईडी खराब हो जाती है।

विभिन्न रंगों को उत्पन्न करने के लिए, संयोजनों का उपयोग किया जाता है AlGaAs (एल्यूमीनियम गैलियम आर्सेनाइड) - लाल और अवरक्त, GaP (गैलियम फास्फाइड) - पीला और हरा, InGaN (इंडियम गैलियम नाइट्राइड) - नीला और अल्ट्रा-वायलेट एल ई डी आदि एक साधारण एलईडी सर्किट की जाँच करें। यहाँ।

एक के लिए आईआर एलईडी हम एक कैमरा के माध्यम से अपने प्रकाश देख सकते हैं।

लेज़र डायोड:

LASER विकिरण के उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा प्रकाश प्रवर्धन के लिए खड़ा है। पीएन जंक्शन, डोप्ड गैलियम आर्सेनाइड की दो परतों द्वारा बनता है, जहां जंक्शन के एक छोर पर एक उच्च परावर्तक कोटिंग और दूसरे छोर पर एक आंशिक चिंतनशील कोटिंग लगाया जाता है। जब डायोड आगे की ओर अग्रसारित होता है, तो यह फोटॉन को रिलीज करने के समान होता है, ये अन्य परमाणुओं को हिट करते हैं, जैसे कि फोटॉन अत्यधिक रूप से जारी होंगे, जब एक फोटॉन परावर्तक कोटिंग से टकराता है और जंक्शन को फिर से टकराता है तो अधिक फोटॉन रिलीज होता है, यह प्रक्रिया दोहराती है और एक उच्च तीव्रता वाली किरण होती है। प्रकाश का केवल एक ही दिशा में छोड़ा जाता है। लेजर डायोड को ठीक से काम करने के लिए ड्राइवर सर्किट की आवश्यकता होती है।

एलएएसईआर डायोड का प्रतीकात्मक प्रतिनिधित्व एलईडी के समान है।

फोटो डायोड:

एक फोटो डायोड में, इसके माध्यम से वर्तमान पीएन जंक्शन पर लागू प्रकाश ऊर्जा पर निर्भर करता है। यह रिवर्स पूर्वाग्रह में संचालित होता है। जैसा कि पहले चर्चा की गई है, जब रिवर्स बायस्ड जो यहां डार्क करंट के रूप में कहा जाता है, एक डायोड के माध्यम से छोटे रिसाव करंट प्रवाहित होता है । जैसा कि प्रकाश (अंधेरे) की कमी के कारण करंट होता है, ऐसा कहा जाता है। इस डायोड का निर्माण इस तरह से किया जाता है कि जब प्रकाश जंक्शन से टकराता है तो यह इलेक्ट्रॉन छेद जोड़े को तोड़ने और इलेक्ट्रॉनों को उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त होता है जो रिवर्स लीकेज करंट को बढ़ाता है। यहां आप IR LED के साथ काम करने वाले Photodiode को चेक कर सकते हैं।

वैक्टर डायोड:

इसे Varicap (वेरिएबल कैपेसिटर) डायोड भी कहा जाता है। यह रिवर्स बायस्ड मोड में संचालित होता है । एक इन्सुलेटर या एक ढांकता हुआ के साथ प्लेट का संचालन करने वाले संधारित्र के अलगाव की सामान्य परिभाषा, जब एक सामान्य डायोड रिवर्स होता है, तो घटाव क्षेत्र की चौड़ाई बढ़ जाती है, क्योंकि कमी क्षेत्र एक इन्सुलेटर या एक ढांकता हुआ का प्रतिनिधित्व करता है जो अब संधारित्र के रूप में कार्य कर सकता है। रिवर्स वोल्टेज की भिन्नता के कारण पी और एन क्षेत्रों के अलग होने का कारण बनता है, जिससे डायोड को चर संधारित्र के रूप में काम करने के लिए प्रेरित किया जाता है।

चूंकि प्लेटों के बीच की दूरी में कमी के साथ समाई में वृद्धि होती है, इसलिए बड़े रिवर्स वोल्टेज का मतलब कम समाई और इसके विपरीत है।

Schottky डायोड:

एन-टाइप सेमीकंडक्टर धातु (सोना, चांदी) में शामिल हो जाता है जैसे कि उच्च ऊर्जा स्तर के इलेक्ट्रॉनों में मौजूद डायोड में इन्हें गर्म वाहक कहा जाता है इसलिए इस डायोड को हॉट कैरियर डायोड भी कहा जाता है । इसमें अल्पसंख्यक वाहक नहीं हैं और कोई भी कमी क्षेत्र मौजूद नहीं है बल्कि एक धातु अर्द्ध-चालक जंक्शन मौजूद है, जब यह डायोड आगे पक्षपाती है यह कंडक्टर का कार्य करता है लेकिन चार्ज में उच्च ऊर्जा स्तर होते हैं जो विशेष रूप से डिजिटल सर्किट में तेजी से स्विच करने में सहायक होते हैं। माइक्रोवेव अनुप्रयोगों में इस्तेमाल किया। यहाँ कार्रवाई में Schottky डायोड की जाँच करें।

सुरंग डायोड:

इस डायोड में P और N क्षेत्र बहुत अधिक लम्बे हैं, इस तरह की कमी का अस्तित्व बहुत संकीर्ण है । यह नकारात्मक प्रतिरोध क्षेत्र प्रदर्शित करता है जिसका उपयोग एक थरथरानवाला और माइक्रोवेव एम्पलीफायरों के रूप में किया जा सकता है। जब यह डायोड सबसे पहले पक्षपाती होता है, चूंकि घटता क्षेत्र इसके माध्यम से इलेक्ट्रॉनों की सुरंग को संकीर्ण करता है, तो वोल्टेज में एक छोटे से बदलाव के साथ वर्तमान तेजी से बढ़ता है। जब वोल्टेज में और वृद्धि होती है, तो जंक्शन पर अधिक इलेक्ट्रॉनों के कारण, विखंडन क्षेत्र की चौड़ाई बढ़ने लगती है जिससे आगे की धारा का अवरोध उत्पन्न होता है (जहां नकारात्मक प्रतिरोध क्षेत्र बनता है) जब आगे वोल्टेज बढ़ जाता है तो यह एक के रूप में कार्य करता है सामान्य डायोड।

पिन डायोड:

इस डायोड में, P और N क्षेत्रों को एक आंतरिक अर्धचालक द्वारा अलग किया जाता है। जब डायोड रिवर्स बायस्ड होता है तो यह एक निरंतर मूल्यवान संधारित्र के रूप में कार्य करता है। आगे की पूर्वाग्रह स्थिति में, यह एक चर प्रतिरोध के रूप में कार्य करता है जिसे वर्तमान द्वारा नियंत्रित किया जाता है। इसका उपयोग माइक्रोवेव अनुप्रयोगों में किया जाता है जिन्हें डीसी वोल्टेज द्वारा नियंत्रित किया जाता है।

इसका प्रतीकात्मक प्रतिनिधित्व सामान्य पीएन डायोड के समान है।

डायोड के अनुप्रयोग:

• विनियमित बिजली की आपूर्ति: व्यावहारिक रूप से डीसी वोल्टेज उत्पन्न करना असंभव है, उपलब्ध एकमात्र प्रकार का एसी वोल्टेज है। चूंकि डायोड यूनिडायरेक्शनल डिवाइस हैं, इसका उपयोग एसी वोल्टेज को स्पंदित डीसी में बदलने के लिए किया जा सकता है और आगे फ़िल्टरिंग सेक्शन (कैपेसिटर और इंडोर्स का उपयोग करके) के साथ एक अनुमानित डीसी वोल्टेज प्राप्त किया जा सकता है।

• ट्यूनर सर्किट: एंटीना खत्म होने के बाद से रिसीवर के अंत तक संचार प्रणालियों में, अंतरिक्ष में उपलब्ध सभी रेडियो आवृत्तियों को प्राप्त करने के लिए वांछित आवृत्ति का चयन करने की आवश्यकता होती है। तो, ट्यूनर सर्किट का उपयोग किया जाता है जो कि चर कैपेसिटर और इंडोर्स के साथ सर्किट के अलावा कुछ भी नहीं है। इस मामले में एक वैक्टर डायोड का उपयोग किया जा सकता है।

• टीवी, ट्रैफिक लाइट, डिस्प्ले बोर्ड: टीवी या डिस्प्ले बोर्ड पर छवियों को प्रदर्शित करने के लिए एलईडी का उपयोग किया जाता है। चूंकि एलईडी बहुत कम बिजली की खपत करता है इसलिए इसका उपयोग बड़े पैमाने पर एलईडी बल्ब जैसे प्रकाश व्यवस्था में किया जाता है।

• वोल्टेज रेगुलेटर: जैसा कि जेनर डायोड में बहुत कम ब्रेकडाउन वोल्टेज होता है, इसे रिवर्स बायस्ड होने पर वोल्टेज रेगुलेटर के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है।

• संचार प्रणालियों में डिटेक्टर: एक प्रसिद्ध डिटेक्टर जो डायोड का उपयोग करता है एक लिफाफा डिटेक्टर है जिसका उपयोग संशोधित सिग्नल की चोटियों का पता लगाने के लिए किया जाता है।