ไดโอด P–N

ประเภทส่วนประกอบ	เซมิคอนดักเตอร์
หลักการ ทำงาน	รอยต่อ p–n
ชื่อพิน	A: แอโนด, K: แคโทด
สัญลักษณ์อิเล็กทรอนิกส์

ไดโอด p–n เป็น ไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ชนิดหนึ่งที่ใช้โครงสร้าง รอย ต่อ p–nไดโอดชนิดนี้สามารถนำกระแสไฟฟ้าได้เพียงทิศทางเดียว โดยสร้างขึ้นจากการเชื่อมต่อ ชั้นเซมิคอนดักเตอร์ชนิด pเข้ากับ ชั้นเซมิคอนดักเตอร์ชนิด nไดโอดเซมิคอนดักเตอร์มีประโยชน์หลายอย่าง เช่น การแปลงกระแสสลับเป็นกระแสตรง การตรวจจับสัญญาณวิทยุ และการปล่อยและตรวจจับแสง

ภาพแสดงโครงสร้างสองแบบจากหลายโครงสร้างที่เป็นไปได้สำหรับไดโอดเซมิคอนดักเตอร์p–n ซึ่งทั้งสองแบบได้รับการปรับปรุงเพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่อุปกรณ์สามารถทนได้ในสภาวะไบแอ ส ย้อนกลับ โครงสร้างด้านบนใช้เมซาเพื่อหลีกเลี่ยงความโค้งแหลมของบริเวณ p ⁺ที่อยู่ติดกับ ชั้น n-โครงสร้างด้านล่างใช้ แหวนป้องกัน p- ที่เจือจางเล็กน้อย ที่ขอบมุมแหลมของชั้นp ⁺เพื่อกระจายแรงดันไฟฟ้าออกไปในระยะทางที่มากขึ้นและลดสนามไฟฟ้า (ตัวยกเช่นn ⁺หรือn− หมายถึง ^{ระดับ}การเจือจางของสารเจือปนที่หนักกว่าหรือเบากว่า)

ไดโอดในอุดมคติจะมีค่าความต้านทานเป็นศูนย์เมื่อได้รับแรงดันไบแอสตรงและมีค่าความต้านทานเป็นอนันต์ (ไม่นำกระแส) เมื่อ ได้ รับแรงดันไบแอสกลับด้านหากต่อเข้ากับวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ ไดโอดเซมิคอนดักเตอร์จะทำหน้าที่เป็นตัว เรียงกระแสทางไฟฟ้า

ไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ไม่สมบูรณ์แบบ ดังแสดงในรูป ไดโอดจะไม่นำกระแสอย่างมีนัยสำคัญจนกว่าจะถึงแรงดันหัวเข่าที่ไม่เป็นศูนย์ (หรือ แรงดัน เปิดแรงดันตัดหรือแรงดันเกณฑ์) ซึ่งค่าของแรงดันนี้ขึ้นอยู่กับเซมิคอนดักเตอร์ (ดูใน หัวข้อ ไดโอด § แรงดันเกณฑ์ไปข้างหน้าสำหรับเซมิคอนดักเตอร์ต่างๆ ) เหนือแรงดันนี้ ความชันของกราฟกระแส-แรงดันจะไม่เป็นอนันต์ (ความต้านทานขณะเปิดไม่เป็นศูนย์) ในทิศทางย้อนกลับ ไดโอดจะนำกระแสรั่วไหลที่ไม่เป็นศูนย์ (แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนด้วยมาตราส่วนที่เล็กกว่าในรูป) และที่แรงดันย้อนกลับที่มากพอสมควรต่ำกว่า แรงดัน พังทลายกระแสจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วมากเมื่อแรงดันย้อนกลับเป็นลบมากขึ้น

ดังแสดงในรูป ความต้านทาน ขณะเปิดหรือปิดคือค่าผกผันของความชันของกราฟลักษณะเฉพาะกระแส-แรงดัน ณ จุด ไบแอส ที่เลือกไว้ :

${\displaystyle r_{\text{D}}=\left.{\frac {\Delta v_{\text{D}}}{\Delta i_{\text{D}}}}\right|_{v_{\text{D}}=V_{\text{bias}}}\ ,}$

โดยที่ความต้านทานและการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไดโอดที่จุดไบแอส${\displaystyle r_{\text{D}}}$${\displaystyle i_{\text{D}}}$${\displaystyle \Delta v_{\text{D}}}$${\displaystyle V_{\text{bias}}\,.}$

ในที่นี้จะพิจารณาการทำงานของ ไดโอด p–n แบบฉับพลัน คำว่า "ฉับพลัน" หมายความว่า การเจือสารแบบ p และ n แสดง การเปลี่ยนแปลง แบบขั้นบันไดที่ระนาบที่สารทั้งสองมาบรรจบกัน จุดประสงค์คือเพื่ออธิบายสภาวะไบแอสต่างๆ ในรูปที่แสดงลักษณะกระแส-แรงดัน การทำงานจะอธิบายโดยใช้แผนภาพการโค้งงอ ของแถบพลังงาน ซึ่งแสดงให้เห็นว่าพลังงานของแถบนำไฟฟ้าต่ำสุดและพลังงานของแถบวาเลนซ์สูงสุดเปลี่ยนแปลงอย่างไรตามตำแหน่งภายในไดโอดภายใต้สภาวะไบแอสต่างๆ สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม โปรดดูบทความ สารกึ่งตัวนำและแผนภาพแถบพลังงาน

รูปแสดงไดอะแกรมการโค้งงอของแถบพลังงานสำหรับ ไดโอด p–nกล่าวคือ ขอบแถบพลังงานสำหรับแถบนำไฟฟ้า (เส้นบน) และแถบวาเลนซ์ (เส้นล่าง) แสดงเป็นฟังก์ชันของตำแหน่งบนทั้งสองด้านของรอยต่อระหว่าง วัสดุชนิด p (ด้านซ้าย) และ วัสดุชนิด n (ด้านขวา) เมื่อ นำบริเวณชนิด pและ ชนิด nของสารกึ่งตัวนำชนิดเดียวกันมาอยู่ใกล้กันและลัดวงจรหน้าสัมผัสไดโอดทั้งสองระดับเฟอร์มิครึ่งการครอบครอง (เส้นตรงแนวนอนประสี) จะอยู่ที่ระดับคงที่ ระดับนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าในบริเวณที่ไม่มีสนามไฟฟ้าบนทั้งสองด้านของรอยต่อ การครอบครองของโฮลและอิเล็กตรอนนั้นถูกต้อง (ดังนั้น ตัวอย่างเช่น ไม่จำเป็นที่อิเล็กตรอนจะต้องออกจาก ด้าน nและเดินทางไปยัง ด้าน pผ่านการลัดวงจรเพื่อปรับการครอบครอง)

อย่างไรก็ตามระดับเฟอร์มิ ที่ราบเรียบ ต้องการให้แถบพลังงาน ด้าน p -type เคลื่อนตัวสูงกว่าแถบพลังงานที่สอดคล้องกัน ด้าน n -type ทำให้เกิดขั้นบันได (หรือกำแพงกั้น) ที่ขอบแถบพลังงาน ซึ่งแสดงด้วยφBขั้นบันไดนี้บังคับให้ความหนาแน่นของอิเล็กตรอน_ด้าน p มีค่าBoltzmann factorน้อยกว่าด้านnซึ่งสอดคล้องกับความหนาแน่นของอิเล็กตรอนที่ต่ำกว่าใน บริเวณ pสัญลักษณ์แสดงถึงแรงดันความร้อนซึ่งกำหนดโดยที่T  = 290  เคลวิน ( อุณหภูมิห้อง ) แรงดันความร้อนมีค่าประมาณ 25 mV ในทำนองเดียวกัน ความหนาแน่นของโฮลด้านnมีค่า Boltzmann factorน้อยกว่าด้านpการลดลงแบบผกผันของความหนาแน่นของตัวพาประจุส่วนน้อยข้ามรอยต่อนี้บังคับให้ ผลคูณ pnของความหนาแน่นของตัวพาประจุเป็น ${\displaystyle e^{-\varphi _{\text{B}}/V_{\text{T}}}}$${\displaystyle V_{\text{T}}}$${\displaystyle V_{\text{T}}={\tfrac {k_{\text{B}}T}{q}}.}$

${\displaystyle p\,n=p_{\text{B}}\,n_{\text{B}}\,e^{-\varphi _{\text{B}}/V_{\text{T}}}}$

ณ ตำแหน่งใดๆ ภายในไดโอดที่สมดุล^{[ 1 ]}โดยที่และคือความหนาแน่นของตัวพาประจุส่วนใหญ่ใน ด้าน pและ ด้าน nตามลำดับ ${\displaystyle p_{\text{B}}}$${\displaystyle n_{\text{B}}}$

ผลจากการเปลี่ยนแปลงขอบแถบพลังงานนี้ ทำให้ บริเวณพร่องประจุใกล้รอยต่อขาดทั้งโฮลและอิเล็กตรอน ก่อให้เกิดบริเวณฉนวนที่มีประจุเคลื่อนที่ น้อย มาก อย่างไรก็ตาม มี ประจุ คงที่ที่ไม่เคลื่อนที่เนื่องจากไอออนของสารเจือปน การที่แทบไม่มีประจุเคลื่อนที่ในชั้นพร่องประจุหมายความว่าประจุเคลื่อนที่ที่มีอยู่ไม่เพียงพอที่จะสมดุลกับประจุคงที่ที่เกิดจากไอออนของสารเจือปน: ประจุลบทางด้านp -type เนื่องจากสารเจือปนตัวรับ และประจุบวกทาง ด้าน n -type เนื่องจากสารเจือปนตัวให้ เนื่องจากประจุนี้จึงมีสนามไฟฟ้าในบริเวณนี้ ซึ่งกำหนดโดยสมการของปัวซงความกว้างของบริเวณพร่องประจุจะปรับตัวเพื่อให้ประจุลบของตัวรับทางด้านp สมดุลกับประจุบวกของตัวให้ทางด้าน nอย่างพอดีดังนั้นจึงไม่มีสนามไฟฟ้าภายนอกบริเวณพร่องประจุทั้งสองด้าน

ในการต่อวงจรแบบนี้ จะไม่มีการจ่ายแรงดันไฟฟ้าและไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านไดโอด หากต้องการให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านไดโอดจะต้องทำการไบ แอสไปข้างหน้า ดังที่จะอธิบายต่อไป

ในสภาวะไบแอสตรง ขั้วบวกของแบตเตอรี่จะเชื่อมต่อกับ วัสดุชนิด pและขั้วลบจะเชื่อมต่อกับ วัสดุชนิด nทำให้เกิดการฉีดประจุบวก (โฮล) เข้าไปใน วัสดุชนิด pและประจุลบ (อิเล็กตรอน) เข้าไปใน วัสดุชนิด nอิเล็กตรอนใน วัสดุชนิด nเรียกว่า ตัวนำ ส่วนใหญ่ในฝั่งนั้น แต่อิเล็กตรอนที่ไปถึง ฝั่งวัสดุชนิด pเรียกว่า ตัวนำ ส่วนน้อย ส่วน ประจุบวก ( โฮล) ก็ใช้คำอธิบายเดียวกัน คือ เป็นตัวนำส่วนใหญ่ใน ฝั่งวัสดุชนิด pและเป็นตัวนำส่วนน้อยในฝั่งวัสดุชนิด n

การให้ไบแอสไปข้างหน้าจะแยกระดับการครอบครองครึ่งหนึ่งของสารกึ่งตัวนำทั้งสองชนิดออกจากกันด้วยปริมาณของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ ซึ่งจะลดระยะห่างของ ขอบแถบพลังงานของสารกึ่งตัวนำชนิด pให้มีพลังงานใกล้เคียงกับสาร กึ่งตัวนำชนิด nมากขึ้น ดังแสดงในแผนภาพ ขั้นบันไดที่ขอบแถบพลังงานจะลดลงตามแรงดันไฟฟ้าที่ใช้(แผนภาพการโค้งงอของแถบพลังงานแสดงในหน่วยโวลต์ ดังนั้นจึงไม่มีประจุอิเล็กตรอนปรากฏให้เห็นว่าแปลงเป็นพลังงาน) ${\displaystyle \varphi _{\text{B}}-v_{\text{D}}.}$${\displaystyle v_{\text{D}}}$

ภายใต้ไบแอสไปข้างหน้ากระแสการแพร่ (ซึ่งเป็นกระแสที่ขับเคลื่อนโดยความชันของความเข้มข้น) จะไหลของโฮลจากด้านpไปยัง ด้าน nและของอิเล็กตรอนในทิศทางตรงกันข้ามจาก ด้าน nไปยัง ด้าน pความชันที่ขับเคลื่อนการถ่ายโอนนี้ถูกตั้งค่าดังนี้: ในเนื้อวัสดุที่อยู่ห่างจากส่วนต่อประสาน ตัวนำส่วนน้อยมีความเข้มข้นต่ำมากเมื่อเทียบกับตัวนำส่วนใหญ่ ตัวอย่างเช่น ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนใน ด้าน p (ซึ่งเป็นตัวนำส่วนน้อย) ต่ำกว่าใน ด้าน n (ซึ่งเป็นตัวนำส่วนใหญ่) หลายเท่า ในทางกลับกัน ใกล้กับส่วนต่อประสาน การใช้แรงดันไฟฟ้าจะลดขั้นในขอบแถบและเพิ่มความหนาแน่นของตัวนำส่วนน้อยด้วยปัจจัย Boltzmannเหนือค่าในเนื้อวัสดุ ภายในรอยต่อ ผลคูณ pnจะเพิ่มขึ้นเหนือค่าสมดุลเป็น: ^{[ 1 ]}${\displaystyle e^{-\varphi _{\text{B}}/V_{\text{T}}}}$${\displaystyle v_{\text{D}}}$${\displaystyle e^{v_{\text{D}}/V_{\text{T}}}}$

${\displaystyle p\,n=\left(p_{\text{B}}\,n_{\text{B}}\,e^{-\varphi _{\text{B}}/V_{\text{T}}}\right)e^{v_{\text{D}}/V_{\text{T}}}\ .}$

ดังนั้น ความแตกต่างของความหนาแน่นของพาหะส่วนน้อยส่วนเกินจำนวนมากที่บริเวณรอยต่อกับความหนาแน่นต่ำในเนื้อวัสดุ เป็นตัวขับเคลื่อนการแพร่กระจายของพาหะส่วนน้อยจากบริเวณรอยต่อเข้าสู่เนื้อวัสดุ พาหะส่วนน้อยที่ถูกฉีดเข้าไปจะมีจำนวนลดลงเมื่อเคลื่อนที่เข้าสู่เนื้อวัสดุด้วย กลไกการ รวมตัวใหม่ซึ่งจะผลักดันความเข้มข้นส่วนเกินไปสู่ค่าในเนื้อวัสดุ

การรวมตัวใหม่สามารถเกิดขึ้นได้จากการพบกันโดยตรงกับตัวพาประจุส่วนใหญ่ ซึ่งจะทำลายตัวพาประจุทั้งสอง หรือผ่านศูนย์กลางการรวมตัวใหม่ซึ่งเป็นข้อบกพร่องที่ดักจับโฮลและอิเล็กตรอนสลับกัน ช่วยให้เกิดการรวมตัวใหม่ ตัวพาประจุส่วนน้อยมีอายุขัย จำกัด และอายุขัยนี้จะจำกัดระยะทางที่พวกมันสามารถแพร่กระจายจากด้านตัวพาประจุส่วนใหญ่ไปยังด้านตัวพาประจุส่วนน้อย ซึ่งเรียกว่าความยาวการแพร่กระจายในไดโอดเปล่งแสงการรวมตัวใหม่ของอิเล็กตรอนและโฮลจะมาพร้อมกับการเปล่งแสงที่มีความยาวคลื่นสัมพันธ์กับช่องว่างพลังงานระหว่างแถบวาเลนซ์และแถบนำไฟฟ้าดังนั้นไดโอดจึงแปลงกระแสไฟฟ้าไปข้างหน้าบางส่วนให้เป็นแสง

ภายใต้ไบแอสไปข้างหน้า เส้นครึ่งความหนาแน่นสำหรับโฮลและอิเล็กตรอนจะไม่คงที่ตลอดทั้งอุปกรณ์เหมือนเมื่ออยู่ในสภาวะสมดุล แต่จะกลายเป็นระดับควาซีเฟอร์มิที่แปรผันตามตำแหน่ง ดังแสดงในรูป ระดับควาซีเฟอร์มิของอิเล็กตรอนจะเลื่อนไปตามตำแหน่ง จากระดับเฟอร์มิสมดุลครึ่งความหนาแน่นในเนื้อวัสดุn- bulk ไปยัง ระดับสมดุลครึ่งความหนาแน่นสำหรับโฮลที่อยู่ลึกเข้าไปใน เนื้อวัสดุ p- bulk ส่วนระดับควาซีเฟอร์มิของโฮลจะตรงกันข้าม ระดับควาซีเฟอร์มิทั้งสองจะไม่ทับซ้อนกัน ยกเว้นในส่วนลึกของเนื้อวัสดุ

ภาพแสดงให้เห็นว่าความหนาแน่นของพาหะส่วนใหญ่ลดลงจากระดับความหนาแน่นของพาหะส่วนใหญ่ในวัสดุเนื้อเดียวกัน ไปสู่ระดับที่ต่ำกว่ามากที่ด้านบนของกำแพงกั้น ซึ่งลดลงจากค่าสมดุลด้วยปริมาณไบแอสไดโอดไปข้างหน้าเนื่องจากกำแพงกั้นนี้ตั้งอยู่ในวัสดุที่มีการเจือปนตรงข้าม พาหะที่ถูกฉีดเข้าไปที่ตำแหน่งกำแพงกั้นจึงกลายเป็นพาหะส่วนน้อย เมื่อการรวมตัวเกิดขึ้น ความหนาแน่นของพาหะส่วนน้อยจะลดลงตามความลึกไปสู่ค่าสมดุลสำหรับพาหะส่วนน้อยในเนื้อวัสดุ ซึ่งต่ำกว่าความหนาแน่นของ พาหะส่วนใหญ่ในเนื้อวัสดุก่อนการฉีดเข้าไป ในจุดนี้ ระดับควาซีเฟอร์มิจะกลับมารวมกับตำแหน่งระดับเฟอร์มิในเนื้อวัสดุอีกครั้ง ${\displaystyle (n_{\text{B}},p_{\text{B}})}$${\displaystyle e^{-(\varphi _{\text{B}}-v_{\text{D}})/V_{\text{T}}}}$${\displaystyle \varphi _{\text{B}}}$${\displaystyle v_{\text{D}}.}$${\displaystyle e^{-\varphi _{\text{B}}/V_{\text{T}}}}$${\displaystyle (n_{\text{B}},p_{\text{B}})}$

การลดขั้นของขอบแถบพลังงานยังหมายความว่าภายใต้ไบแอสไปข้างหน้า บริเวณการพร่องประจุจะแคบลงเนื่องจากโฮลถูกผลักเข้าไปจาก ด้าน pและอิเล็กตรอนจากด้าน n

ใน ไดโอด p–n แบบง่าย กระแสไปข้างหน้าจะเพิ่มขึ้นแบบเอกซ์โปเนนเชียลตามแรงดันไบแอสไปข้างหน้าเนื่องจากการเพิ่มขึ้นแบบเอกซ์โปเนนเชียลของความหนาแน่นของตัวนำ ดังนั้นจึงมีกระแสอยู่เสมอแม้ที่ค่าแรงดันที่ใช้มีค่าน้อยมาก อย่างไรก็ตาม หากสนใจระดับกระแสที่เฉพาะเจาะจง จะต้องมีแรงดัน "หัวเข่า" ก่อนที่จะถึงระดับกระแสนั้น (~0.7 V สำหรับไดโอดซิลิคอน ไดโอดอื่นๆ ที่ระบุไว้ในDiode § Forward threshold voltage สำหรับสารกึ่งตัวนำต่างๆ ) ^{[ 2 ]}เหนือหัวเข่า กระแสจะยังคงเพิ่มขึ้นแบบเอกซ์โปเนนเชียล ไดโอดพิเศษบางชนิด เช่น วารักเตอร์บางชนิด ได้รับการออกแบบมาโดยเจตนาเพื่อรักษาระดับกระแสให้ต่ำจนถึงแรงดันหัวเข่าบางค่าในทิศทางไปข้างหน้า

ในสภาวะไบแอสย้อนกลับ ระดับการครอบครองของโฮลมีแนวโน้มที่จะคงอยู่ที่ระดับของสารกึ่งตัวนำ ชนิด pในขณะที่ระดับการครอบครองของอิเล็กตรอนจะเป็นไปตามระดับของสารกึ่งตัวนำชนิดnในกรณีนี้ขอบแถบพลังงานของสารกึ่งตัวนำชนิดp จะสูงขึ้นเมื่อเทียบกับสารกึ่งตัวนำชนิด nโดยไบแอสย้อนกลับดังนั้นระดับการครอบครองของทั้งสองชนิดจึงแยกออกจากกันอีกครั้งด้วยพลังงานที่กำหนดโดยแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ ดังแสดงในแผนภาพ พฤติกรรมนี้หมายความว่าขั้นบันไดของขอบแถบพลังงานเพิ่มขึ้นและบริเวณการพร่องประจุจะกว้างขึ้นเนื่องจากโฮลถูกดึงออกจาก ด้าน pและอิเล็กตรอนถูกดึงออกจากด้าน n${\displaystyle v_{\text{R}},}$${\displaystyle \varphi _{\text{B}}+v_{\text{R}},}$

เมื่อมีการให้ไบแอสย้อนกลับ สนามไฟฟ้าในบริเวณพร่องประจุจะเพิ่มขึ้น ทำให้ดึงอิเล็กตรอนและโฮลให้ห่างออกจากกันมากกว่าในกรณีที่ไม่มีไบแอส ดังนั้น กระแสไฟฟ้าที่ไหลจึงเกิดจากกระบวนการสร้างพาหะที่อ่อนมากภายในบริเวณพร่องประจุ อันเนื่องมาจากข้อบกพร่องในการสร้างและการรวมตัวใหม่ในบริเวณนี้ กระแสไฟฟ้าที่น้อยมากนี้เป็นที่มาของกระแสรั่วไหลภายใต้ไบแอสย้อนกลับ ในโฟโตไดโอดกระแสย้อนกลับจะถูกสร้างขึ้นโดยการสร้างโฮลและอิเล็กตรอนในบริเวณพร่องประจุด้วยแสงตกกระทบ จึงแปลงแสงตกกระทบส่วนหนึ่งให้เป็นกระแส ไฟฟ้า

เมื่อแรงดันไบแอสย้อนกลับมีค่าสูงมากจนถึงแรงดันพังทลาย กระบวนการสร้างประจุในบริเวณพร่องประจุจะเร่งตัวขึ้น ทำให้เกิด สภาวะ ลูกโซ่ซึ่งอาจทำให้เกิดการทำงานผิดปกติและทำลายไดโอดได้

พฤติกรรมกระแส-แรงดัน DC ของ ไดโอด p–n ในอุดมคติ ถูกควบคุมโดยสมการไดโอด Shockley : ^{[ 3 ]}

${\displaystyle I_{\text{D}}=I_{\text{R}}\left(e^{\frac {V_{\text{D}}}{nV_{\text{T}}}}-1\right),}$

ที่ไหน

${\displaystyle V_{\text{D}}}$คือแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่ตกคร่อมไดโอด

${\displaystyle I_{\text{R}}}$คือกระแสอิ่มตัวย้อนกลับซึ่งเป็นกระแสที่ไหลเมื่อไดโอดได้รับไบแอสย้อนกลับ (กล่าวคือมีค่ามากและเป็นลบ)${\displaystyle V_{\text{D}}}$

${\displaystyle n}$เป็นปัจจัยความสมบูรณ์แบบที่นำมาใช้เพื่อจำลองอัตราการเพิ่มขึ้นที่ช้ากว่าที่คาดการณ์ไว้โดยกฎของไดโอดในอุดมคติ

${\displaystyle V_{\text{T}}}$คือค่าแรงดันความร้อนโดยประมาณเท่ากับ 25 มิลลิโวลต์ ที่อุณหภูมิT  = 290 เคลวิน${\displaystyle {\tfrac {k_{\text{B}}T}{q}},}$

สมการนี้ไม่ได้จำลองพฤติกรรมที่ไม่เป็นไปตามอุดมคติ เช่น การรั่วไหลย้อนกลับที่มากเกินไป หรือปรากฏการณ์การชำรุดเสียหาย

เมื่อใช้สมการนี้ ความต้านทานขณะเปิดไดโอดคือ

${\displaystyle r_{\text{D}}={\frac {1}{di_{\text{D}}/dv_{\text{D}}}}\approx {\frac {nV_{\text{T}}}{i_{\text{D}}}},}$

ยิ่งกระแสสูงขึ้น ความต้านทานก็จะยิ่งต่ำลง หมายเหตุ: ในการอ้างถึง กระแสและแรงดันของไดโอดแบบ ดิฟเฟอเรนเชียลหรือแบบแปรผันตามเวลาจะใช้ ตัวอักษรพิมพ์เล็ก และ${\displaystyle i_{\text{D}}}$${\displaystyle v_{\text{D}}}$

ชั้นพร่องประจุระหว่าง ด้าน nและpของ ไดโอด p–nทำหน้าที่เป็นบริเวณฉนวนที่แยกหน้าสัมผัสไดโอดทั้งสองออกจากกัน ดังนั้น ไดโอดที่อยู่ในสภาวะไบแอสย้อนกลับจะแสดงค่าความจุของชั้นพร่องประจุซึ่งบางครั้งอาจเรียกอย่างคลุมเครือว่าค่าความจุของรอยต่อคล้ายกับตัวเก็บประจุแบบแผ่นขนานที่มีฉนวนคั่นระหว่างหน้าสัมผัส ในสภาวะไบแอสย้อนกลับ ความกว้างของชั้นพร่องประจุจะกว้างขึ้นเมื่อไบแอสย้อนกลับเพิ่มขึ้นและค่าความจุจะลดลงตามไปด้วย ดังนั้น รอยต่อจึงทำหน้าที่เป็นตัวเก็บประจุที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า ในแบบจำลองหนึ่งมิติแบบง่าย ค่าความจุของรอยต่อคือ: ${\displaystyle v_{\text{R}}}$

${\displaystyle C_{\text{J}}=\kappa \varepsilon _{0}{\frac {A}{w(v_{\text{R}})}}\ ,}$

โดยพิจารณาจากพื้นที่ของอุปกรณ์ค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าสัมพัทธ์ของสารกึ่งตัวนำค่าคงที่ทางไฟฟ้าและความกว้างของการพร่อง (ความหนาของบริเวณที่ความหนาแน่นของพาหะเคลื่อนที่นั้นน้อยมาก) ${\displaystyle A}$${\displaystyle \kappa }$${\displaystyle \varepsilon _{0}}$${\displaystyle w}$

ในสภาวะไบแอสตรง นอกจากความจุของชั้นพร่องที่กล่าวมาข้างต้นแล้ว ยังมีการฉีดและการแพร่กระจายของประจุพาหะส่วนน้อยเกิด ขึ้นด้วย ความจุจากการแพร่กระจายมีอยู่เพื่อแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงของประจุพาหะส่วนน้อยที่เกิดขึ้นเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงในสภาวะไบแอสตรง ในแง่ของประจุพาหะส่วนน้อยที่เก็บไว้ กระแสไดโอดจะเป็นดังนี้:

${\displaystyle i_{\text{D}}={\frac {Q_{\text{D}}}{\tau }}\ ,}$

โดยที่ประจุเกี่ยวข้องกับการแพร่กระจายของตัวพาประจุส่วนน้อย และคือเวลาผ่านซึ่งเป็นเวลาที่ประจุส่วนน้อยใช้ในการผ่านบริเวณการฉีด โดยทั่วไปคือ 0.1–100 ns [ ^{4 ] บน}พื้นฐานนี้ ความจุการแพร่กระจายจะคำนวณได้ดังนี้: ${\displaystyle Q_{\text{D}}}$${\displaystyle \tau }$

${\displaystyle C_{\text{D}}={\frac {dQ_{\text{D}}}{dv_{\text{D}}}}=\tau {\frac {di_{\text{D}}}{dv_{\text{D}}}}={\frac {i_{\text{D}}\tau }{V_{\text{T}}}}\ .}$

โดยทั่วไปแล้ว สำหรับระดับกระแสไฟฟ้าปกติในสภาวะไบแอสตรง ค่าความจุนี้จะสูงกว่าค่าความจุของชั้นพร่องประจุมาก

ไดโอดเป็นอุปกรณ์ที่ไม่เป็นเชิงเส้นสูง แต่สำหรับการเปลี่ยนแปลงสัญญาณขนาดเล็ก การตอบสนองของมันสามารถวิเคราะห์ได้โดยใช้วงจรสัญญาณขนาดเล็กโดยอาศัย จุด ไบแอ ส DC นิ่งที่เลือกไว้ (หรือจุด Q) ซึ่งสมมติว่าสัญญาณจะเปลี่ยนแปลงรอบจุดนั้นวงจรสมมูลสำหรับไดโอดที่ขับเคลื่อนด้วยแหล่งกำเนิด Nortonที่มีกระแสและความต้านทานแสดงไว้ในภาพ โดยใช้กฎกระแสของ Kirchhoffที่จุดเอาต์พุต: ${\displaystyle I_{\text{S}}}$${\displaystyle R_{\text{S}}}$

${\displaystyle I_{\text{S}}=\left(j\omega (C_{\text{J}}+C_{\text{D}})+{\frac {1}{r_{\text{D}}}}+{\frac {1}{R_{\text{S}}}}\right)V_{\text{O}}\ ,}$

โดยมีค่าความจุการแพร่ของไดโอดค่าความจุของรอยต่อไดโอด (ค่าความจุของชั้นพร่อง) และ ค่าความต้านทาน ขณะเปิดหรือปิดของไดโอดทั้งหมดนี้อยู่ที่จุด Q นั้น แรงดันเอาต์พุตที่วงจรนี้ให้ได้จึงเป็นดังนี้: ${\displaystyle C_{\text{D}}}$${\displaystyle C_{\text{J}}}$${\displaystyle r_{\text{D}}}$

${\displaystyle {\frac {V_{\text{O}}}{I_{\text{S}}}}={\frac {(R_{\text{S}}{\mathit {\parallel }}r_{\text{D}})}{1+j\omega (C_{\text{D}}+C_{\text{J}})(R_{\text{S}}{\mathit {\parallel }}r_{\text{D}})}}\ ,}$

โดยที่||แสดงถึงความต้านทานแบบขนาน วงจรขยายสัญญาณแบบทรานส์เรซิสแตนซ์นี้แสดงความถี่มุมหรือความถี่ตัดซึ่งแสดงด้วยสัญลักษณ์: ${\displaystyle f_{\text{c}}}$

${\displaystyle f_{\text{c}}={\frac {1}{2\pi (C_{\text{D}}+C_{\text{J}})(R_{\text{S}}{\mathit {\parallel }}r_{\text{D}})}}\ ,}$

และสำหรับความถี่ อัตราขยายจะลดลงตามความถี่ เนื่องจากตัวเก็บประจุจะลัดวงจรตัวต้านทานสมมติว่า เช่นเดียวกับกรณีที่ไดโอดเปิดอยู่และนิพจน์ที่พบข้างต้นสำหรับความต้านทานและความจุของไดโอดจะให้ผลลัพธ์ดังนี้: ${\displaystyle f\gg f_{\text{c}}}$${\displaystyle r_{\text{D}}.}$${\displaystyle C_{\text{D}}\gg C_{\text{J}}}$${\displaystyle R_{\text{S}}\gg r_{\text{D}},}$

${\displaystyle f_{\text{c}}={\frac {1}{2\pi n\tau }}\ ,}$

ซึ่งเชื่อมโยงความถี่มุมกับเวลาการส่งผ่านของไดโอด

สำหรับไดโอดที่ทำงานในสภาวะไบแอสย้อนกลับ ค่าจะเป็นศูนย์ และคำว่าความถี่มุมมักถูกแทนที่ด้วย คำว่า ความถี่ตัดในทุกกรณี ในสภาวะไบแอสย้อนกลับ ความต้านทานของไดโอดจะค่อนข้างมาก แม้จะไม่เป็นอนันต์อย่างที่กฎของไดโอดในอุดมคติแนะนำ และสมมติฐานที่ว่ามันน้อยกว่าความต้านทานนอร์ตันของตัวขับอาจไม่ถูกต้อง ความจุของรอยต่อมีขนาดเล็กและขึ้นอยู่กับไบแอสย้อนกลับดังนั้นความถี่ตัดคือ: ${\displaystyle C_{\text{D}}}$${\displaystyle v_{\text{R}}.}$

${\displaystyle f_{\text{c}}={\frac {1}{2\pi \,C_{\text{J}}(R_{\text{S}}{\mathit {\parallel }}r_{\text{D}})}}\ ,}$

และแปรผันตามไบแอสย้อนกลับเนื่องจากความกว้างของบริเวณฉนวนที่พร่องตัวพาเคลื่อนที่เพิ่มขึ้นตามไบแอสย้อนกลับของไดโอดที่เพิ่มขึ้น ทำให้ความจุลดลง^{[ 5 ]}${\displaystyle w(v_{\text{R}})}$

• ไดโอดพิน
• รอยต่อ p–n
• ไดโอด § ไดโอดเซมิคอนดักเตอร์

บทความนี้ได้นำเนื้อหาจากบทความ " ไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ " ของCitizendium มาใช้ ซึ่งได้รับอนุญาตภายใต้Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported Licenseแต่ไม่ใช่ภายใต้GFDL