PN Junction and Diode Questions in Gujarati

(C) નોન-ઓહ્મિક ઉપકરણો તે છે જે ઓહ્મના નિયમનું પાલન કરતા નથી,જેનો અર્થ છે કે વિદ્યુતપ્રવાહ $I$ એ વિદ્યુતસ્થિતિમાનના તફાવત $V$ ના સીધા પ્રમાણમાં હોતો નથી.
આવા ઉપકરણો માટે,$V-I$ આલેખ રેખીય હોતો નથી.
ડાયોડ એ નોન-ઓહ્મિક ઉપકરણનું ઉત્તમ ઉદાહરણ છે કારણ કે તેનો વિદ્યુતપ્રવાહ-વોલ્ટેજ લાક્ષણિકતા વક્ર સીધી રેખાને બદલે ઘાતાંકીય હોય છે.
તેથી,સાચો વિકલ્પ $(c)$ છે.

(B) જ્યારે સેમિકન્ડક્ટરમાંથી પ્રબળ વિદ્યુતપ્રવાહ પસાર થાય છે,ત્યારે તે સ્ફટિકમાં ગરમી ઉત્પન્ન કરે છે. આ ઉષ્મીય ઉર્જાને કારણે સહસંયોજક બંધ તૂટી જાય છે,જેના પરિણામે મોટી સંખ્યામાં મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન અને હોલ્સ ઉત્પન્ન થાય છે. ચાર્જ કેરિયર્સની આ અચાનક વધુ પડતી સંખ્યાને કારણે થર્મલ રનઅવે (thermal runaway) અસર થાય છે,જે સેમિકન્ડક્ટર પદાર્થને નુકસાન પહોંચાડે છે.

(B) $PN-$જંકશન ડાયોડમાં,જ્યારે $P-$પ્રકારના સેમિકન્ડક્ટર વિસ્તારને બાહ્ય બેટરીના ધન ટર્મિનલ સાથે અને $N-$પ્રકારના સેમિકન્ડક્ટર વિસ્તારને ઋણ ટર્મિનલ સાથે જોડવામાં આવે ત્યારે ફોરવર્ડ બાયસ સ્થિતિ સર્જાય છે.
આ ગોઠવણી ડેપ્લેશન લેયરની પહોળાઈ ઘટાડે છે અને પોટેન્શિયલ બેરિયરને નીચું લાવે છે,જેનાથી ડાયોડમાંથી પ્રવાહ સરળતાથી વહી શકે છે.
તેથી,સાચી સ્થિતિ એ છે કે $P-$છેડો બેટરીના ધન ટર્મિનલ સાથે જોડાયેલ હોય છે.

(A) ફોરવર્ડ-બાયસ્ડ $PN-$જંકશનમાં,બાહ્ય વોલ્ટેજ પોટેન્શિયલ બેરિયરને ઘટાડે છે,જેનાથી મહત્તમ પ્રવાહ વહે છે.
જ્યારે રિવર્સ-બાયસ્ડ $PN-$જંકશનમાં,બાહ્ય વોલ્ટેજ પોટેન્શિયલ બેરિયરને વધારે છે,તેથી પ્રવાહ ખૂબ જ ઓછો હોય છે.
તેથી,રિવર્સ બાયસ સ્થિતિમાં પ્રવાહ સામાન્ય રીતે ખૂબ જ નાનો હોય છે.

(B) કટ-ઇન વોલ્ટેજ (જેને ની વોલ્ટેજ અથવા થ્રેશોલ્ડ વોલ્ટેજ તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે) એ ડાયોડને નોંધપાત્ર રીતે વહન કરવા માટે જરૂરી ન્યૂનતમ ફોરવર્ડ વોલ્ટેજ છે.
સિલિકોન ડાયોડ માટે,બેરિયર પોટેન્શિયલ અથવા કટ-ઇન વોલ્ટેજ આશરે $0.7 \ V$ હોય છે. આપેલા વિકલ્પોમાંથી,$0.6 \ V$ એ સૌથી નજીકનું અને યોગ્ય મૂલ્ય છે.
તેથી,સાચો વિકલ્પ $B$ છે.

(C) $PN-$જંકશન ડાયોડ જ્યારે ફોરવર્ડ બાયસમાં જોડાયેલ હોય ત્યારે તેમાંથી વિદ્યુતપ્રવાહ સરળતાથી વહે છે,તેથી તે સુવાહક તરીકે કાર્ય કરે છે.
જ્યારે તેને રિવર્સ બાયસમાં જોડવામાં આવે છે,ત્યારે ડેપ્લેશન લેયર (અવક્ષય સ્તર) ની પહોળાઈ વધે છે,જેના કારણે તે ઉચ્ચ અવરોધ પેદા કરે છે અને વિદ્યુતપ્રવાહને વહેતો અટકાવે છે,આમ તે અવાહક તરીકે કાર્ય કરે છે.

(B) $PN$ જંકશન ડાયોડમાં,જ્યારે $P$-વિસ્તારને બાહ્ય બેટરીના ઋણ ટર્મિનલ સાથે અને $N$-વિસ્તારને ધન ટર્મિનલ સાથે જોડવામાં આવે છે,ત્યારે ડાયોડ રિવર્સ બાયસમાં છે તેમ કહેવાય છે.
આ સ્થિતિમાં,બાહ્ય વિદ્યુતક્ષેત્ર એ ડિપ્લેશન લેયરના આંતરિક વિદ્યુતક્ષેત્રની દિશામાં જ હોય છે.
આના કારણે મેજોરિટી ચાર્જ કેરિયર્સ જંકશનથી દૂર જાય છે,જેનાથી ડિપ્લેશન લેયરની પહોળાઈ વધે છે.
જેમ ડિપ્લેશન લેયરની પહોળાઈ વધે છે,તેમ પોટેન્શિયલ બેરિયર પણ વધે છે,જેનાથી ચાર્જ કેરિયર્સ માટે જંકશન ઓળંગવું વધુ મુશ્કેલ બને છે.

(A) $PN$ જંકશન પર ઇલેક્ટ્રોન અને હોલના પ્રસરણને કારણે ડેપ્લેશન લેયર રચાય છે.
આ પ્રક્રિયાને લીધે $n$-બાજુ પર સ્થિર ધન આયનો અને $p$-બાજુ પર સ્થિર ઋણ આયનો બાકી રહે છે.
આ આયનો સ્ફટિક લેટીસમાં જકડાયેલા હોવાથી ગતિ કરી શકતા નથી,તેથી ડેપ્લેશન લેયરમાં મુક્ત વિદ્યુતભાર વાહકોનો અભાવ હોય છે.
વિદ્યુત વાહકતા મુક્ત વિદ્યુતભાર વાહકોની હાજરી પર આધારિત હોવાથી,આવા વાહકોની ગેરહાજરીને કારણે ડેપ્લેશન લેયરનો વિદ્યુત અવરોધ ખૂબ જ વધારે હોય છે.

(B) ડાયોડ ફોરવર્ડ બાયસમાં જોડાયેલ છે કારણ કે $P$-ટર્મિનલ એ $N$-ટર્મિનલ $(+1 \text{ V})$ કરતા ઉચ્ચ પોટેન્શિયલ $(+4 \text{ V})$ પર છે.
ફોરવર્ડ બાયસમાં,ડાયોડ બંધ સ્વીચ તરીકે કાર્ય કરે છે (આદર્શ ડાયોડ ધારતા).
અવરોધક પરનો પોટેન્શિયલ તફાવત $V = 4 \text{ V} - 1 \text{ V} = 3 \text{ V}$ છે.
ઓહ્મના નિયમનો ઉપયોગ કરતા,પ્રવાહ $i = \frac{V}{R} = \frac{3 \text{ V}}{300 \ \Omega} = \frac{1}{100} \text{ A} = 10^{-2} \text{ A}$ મળે છે.

(A) ડાયોડના $P$-ટર્મિનલ પરનું પોટેન્શિયલ $-4 \ V$ છે અને $N$-ટર્મિનલ પરનું પોટેન્શિયલ $-1 \ V$ છે.
$P$-બાજુનું પોટેન્શિયલ $(-4 \ V)$ એ $N$-બાજુના પોટેન્શિયલ $(-1 \ V)$ કરતા ઓછું હોવાથી,ડાયોડ રિવર્સ બાયસ સ્થિતિમાં છે.
રિવર્સ બાયસ સ્થિતિમાં,આદર્શ ડાયોડ ઓપન સર્કિટ તરીકે વર્તે છે,જેનો અર્થ છે કે તે પ્રવાહના વહેણ માટે અનંત અવરોધ આપે છે.
તેથી,સર્કિટમાંથી કોઈ પ્રવાહ વહેતો નથી અને પ્રવાહ $0 \ A$ છે.

(A) $P-N$ જંકશન ડાયોડમાં,ડેપ્લેશન લેયર જંકશનની આસપાસ ચાર્જ કેરિયર્સના પ્રસરણને કારણે બને છે.
ડેપ્લેશન લેયરની પહોળાઈ $(W)$ એ કુલ પોટેન્શિયલ બેરિયર $(V_B + V_f)$ ના વર્ગમૂળના વ્યસ્ત પ્રમાણમાં હોય છે,જ્યાં $V_B$ એ બિલ્ટ-ઇન પોટેન્શિયલ છે અને $V_f$ એ ફોરવર્ડ બાયસ વોલ્ટેજ છે.
જો કે,ઘણા સરળ મોડેલોમાં,ડેપ્લેશન રીજનની પહોળાઈને લાગુ કરેલા ફોરવર્ડ વોલ્ટેજના વ્યસ્ત પ્રમાણમાં ગણવામાં આવે છે $(W \propto 1/V_f)$.
તેથી,જો ફોરવર્ડ વોલ્ટેજ $(V_f)$ બમણો કરવામાં આવે,તો ડેપ્લેશન લેયરની પહોળાઈ $(W)$ તેના મૂળ મૂલ્ય કરતા અડધી થઈ જશે.

(B) જ્યારે $PN$ જંકશન રિવર્સ બાયસમાં હોય છે,ત્યારે બાહ્ય બેટરીનો ઋણ છેડો $P$-વિસ્તાર સાથે અને ધન છેડો $N$-વિસ્તાર સાથે જોડાયેલ હોય છે.
આના કારણે $P$-વિસ્તારમાં રહેલા મુક્ત હોલ્સ ઋણ ટર્મિનલ તરફ આકર્ષાય છે,જે જંકશનથી દૂર જાય છે.
તે જ રીતે,$N$-વિસ્તારમાં રહેલા મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન ધન ટર્મિનલ તરફ આકર્ષાય છે,જે પણ જંકશનથી દૂર જાય છે.
પરિણામે,ડિપ્લેશન વિસ્તારની પહોળાઈ વધે છે અને પોટેન્શિયલ બેરિયરની ઊંચાઈ વધે છે,જેનાથી મેજોરિટી ચાર્જ કેરિયર્સ માટે જંકશન ઓળંગવું મુશ્કેલ બને છે.

(B) પરિપથ $(1)$ માં,પ્રથમ ડાયોડનો $N$-વિસ્તાર બીજા ડાયોડના $N$-વિસ્તાર સાથે જોડાયેલ છે. આ ગોઠવણી જંકશનના યોગ્ય શ્રેણી બાયસિંગ માટે સક્ષમ નથી.
પરિપથ $(2)$ માં,પ્રથમ ડાયોડનો $P$-વિસ્તાર બીજા ડાયોડના $N$-વિસ્તાર સાથે જોડાયેલ છે. બાહ્ય બેટરી એવી રીતે જોડાયેલ છે કે જેથી બંને ડાયોડ ફોરવર્ડ-બાયસ (અથવા પોલેરિટીના આધારે બંને રિવર્સ-બાયસ) થાય છે,જે બંને જંકશન પર સમાન વિદ્યુતસ્થિતિમાનનો તફાવત જાળવી રાખે છે.
પરિપથ $(3)$ માં,પ્રથમ ડાયોડનો $P$-વિસ્તાર બીજા ડાયોડના $N$-વિસ્તાર સાથે જોડાયેલ છે. પરિપથ $(2)$ ની જેમ જ,આ ગોઠવણી એક સપ્રમાણ શ્રેણી જોડાણ બનાવે છે જ્યાં વિદ્યુતસ્થિતિમાનનો તફાવત બંને જંકશન પર સમાન રીતે વહેંચાય છે.
તેથી,પરિપથ $(2)$ અને $(3)$ એ સાચા જોડાણો છે.

(C) જ્યારે $P$-પ્રકારના સેમિકન્ડક્ટરને $N$-પ્રકારના સેમિકન્ડક્ટર સાથે જોડવામાં આવે છે,ત્યારે $PN$ જંકશન બને છે.
જંકશનના સંપર્ક સપાટી પર,$N$-વિસ્તારમાંથી ઇલેક્ટ્રોન $P$-વિસ્તારમાં અને $P$-વિસ્તારમાંથી હોલ્સ $N$-વિસ્તારમાં પ્રસરણ પામે છે.
આ પ્રક્રિયાને કારણે ત્યાં મોબાઈલ ચાર્જ કેરિયર્સનો અભાવ ધરાવતો વિસ્તાર રચાય છે,જેને ડેપ્લેશન રિજન અથવા ડેપ્લેશન લેયર કહેવામાં આવે છે.
આ ડેપ્લેશન રિજનની જાડાઈ સામાન્ય રીતે ખૂબ જ ઓછી,એટલે કે $10^{-6}\,m$ (અથવા $1\,\mu m$) ના ક્રમની હોય છે.
તેથી,સાચો વિકલ્પ $C$ છે.

(D) અનબાયસ્ડ $P-N$ જંકશન ડાયોડના ડેપ્લેશન વિસ્તારમાં,ગતિશીલ ચાર્જ કેરિયર્સ (ઇલેક્ટ્રોન અને હોલ્સ) જંકશનની આરપાર પ્રસરણ પામે છે અને પુનઃસંયોજન પામે છે. આ પ્રક્રિયાને કારણે $N$-વિસ્તારમાં અચલ (સ્થિર) આયનાઇઝ્ડ ડોનર પરમાણુઓ અને $P$-વિસ્તારમાં અચલ (સ્થિર) આયનાઇઝ્ડ એક્સેપ્ટર પરમાણુઓ બાકી રહે છે. તેથી,ડેપ્લેશન લેયર માત્ર સ્થિર આયનોનું બનેલું હોય છે.

(C) ફોરવર્ડ બાયસિંગમાં,બાહ્ય બેટરીનો ધન ટર્મિનલ $P-$ટાઈપ સેમિકન્ડક્ટર સાથે અને ઋણ ટર્મિનલ $N-$ટાઈપ સેમિકન્ડક્ટર સાથે જોડાયેલ હોય છે.
આ ગોઠવણી મેજોરિટી ચાર્જ કેરિયર્સ ($P-$વિસ્તારમાં હોલ્સ અને $N-$વિસ્તારમાં ઈલેક્ટ્રોન) ને જંકશન તરફ ધકેલે છે.
તેથી,$P-$વિસ્તારમાં હોલ્સ જંકશન તરફ (જમણી બાજુ) ગતિ કરે છે અને $N-$વિસ્તારમાં ઈલેક્ટ્રોન જંકશન તરફ (ડાબી બાજુ) ગતિ કરે છે.
આકૃતિ $C$ ચાર્જ કેરિયર્સની જંકશન તરફની આ ગતિને યોગ્ય રીતે દર્શાવે છે.

(D) $PN$ જંકશનમાં ડેપ્લેશન ઝોનની પહોળાઈ $(W)$ નું સૂત્ર $W = \sqrt{\frac{2\epsilon V_{bi}}{q} \left( \frac{N_A + N_D}{N_A N_D} \right)}$ છે,જ્યાં $N_A$ અને $N_D$ એ એક્સેપ્ટર અને ડોનર ડોપન્ટ ઘનતા છે. આમ,પહોળાઈ ડોપન્ટ ઘનતા પર આધાર રાખે છે.
ડેપ્લેશન વિસ્તારમાં સ્થિર આયનીકૃત ડોપન્ટ અણુઓ ($P$-બાજુ પર ઋણ આયનો અને $N$-બાજુ પર ધન આયનો) હોય છે. આ સ્થિર વીજભારો એક આંતરિક વિદ્યુતક્ષેત્ર બનાવે છે જે ચાર્જ કેરિયર્સના વધુ પ્રસરણનો વિરોધ કરે છે.
તેથી,વિધાન $(b)$ અને $(c)$ બંને સાચા છે.

(C) $PN-$ જંકશન ડાયોડ જ્યારે ફોરવર્ડ બાયસમાં હોય ત્યારે તેમાંથી વિદ્યુતપ્રવાહ પસાર થવા દે છે.
જ્યારે બેટરીની ધ્રુવીયતા ઉલટાવવામાં આવે છે,ત્યારે $PN-$ જંકશન રિવર્સ બાયસમાં આવી જાય છે.
રિવર્સ બાયસમાં,ડેપ્લેશન લેયરની પહોળાઈ વધે છે,જે વિદ્યુતપ્રવાહના વહન માટે ખૂબ જ ઊંચો અવરોધ આપે છે.
પરિણામે,વિદ્યુતપ્રવાહ ઘટીને લગભગ શૂન્ય થઈ જાય છે.
તેથી,આ ઉપકરણ $PN-$ જંકશન છે.

(D) ફોરવર્ડ બાયસમાં,$PN$-જંકશન ડાયોડનો અવરોધ ખૂબ જ ઓછો હોય છે,જે આશરે $R_{fr} \approx 10 \ \Omega$ છે.
રિવર્સ બાયસમાં,$PN$-જંકશન ડાયોડનો અવરોધ ખૂબ જ વધારે હોય છે,જે આશરે $R_{rev} \approx 10^5 \ \Omega$ છે.
ફોરવર્ડ બાયસ અવરોધ અને રિવર્સ બાયસ અવરોધનો ગુણોત્તર $\frac{R_{fr}}{R_{rev}} = \frac{10}{10^5} = \frac{1}{10^4} = 1:10^4$ થાય છે.
તેથી,સાચો વિકલ્પ $D$ છે.

(B) $P-N$ જંકશન ડાયોડમાં,જ્યારે ફોરવર્ડ બાયસ લાગુ કરવામાં આવે છે,ત્યારે બેટરીનો ધન છેડો $P$-વિસ્તાર સાથે અને ઋણ છેડો $N$-વિસ્તાર સાથે જોડવામાં આવે છે.
આ બાહ્ય વિદ્યુતક્ષેત્ર ડેપ્લેશન લેયરના આંતરિક વિદ્યુતક્ષેત્રનો વિરોધ કરે છે.
પરિણામે,મેજોરિટી ચાર્જ કેરિયર્સ જંકશન તરફ ધકેલાય છે,જે ડેપ્લેશન લેયરની પહોળાઈ ઘટાડે છે.
આથી,પોટેન્શિયલ બેરિયરની પહોળાઈ ઘટે છે.

(C) જ્યારે $PN-$ જંકશન રચાય છે,ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન $N-$ વિસ્તારમાંથી $P-$ વિસ્તારમાં અને હોલ્સ $P-$ વિસ્તારમાંથી $N-$ વિસ્તારમાં પ્રસરણ પામે છે.
આ પ્રસરણને કારણે જંકશનની નજીક $N-$ વિસ્તારમાં આયનીકૃત દાતા (ધન વીજભાર) અને $P-$ વિસ્તારમાં આયનીકૃત સ્વીકારક (ઋણ વીજભાર) રહી જાય છે,જે ડેપ્લેશન લેયર બનાવે છે.
આ વીજભારના વિતરણને કારણે,એક પોટેન્શિયલ બેરિયર રચાય છે જેથી $N-$ બાજુ $P-$ બાજુ કરતા ઉચ્ચ સ્થિતિમાન પર હોય છે.
વિદ્યુતક્ષેત્ર $E$ હંમેશા ઉચ્ચ સ્થિતિમાનથી નીચા સ્થિતિમાન તરફ હોય છે,તેથી જંકશન પરનું વિદ્યુતક્ષેત્ર $N-$ પ્રકારની બાજુથી $P-$ પ્રકારની બાજુ તરફ હોય છે.

(B) ફોરવર્ડ બાયસ્ડ $P-N$ જંકશનમાં,પોટેન્શિયલ બેરિયર ઘટે છે,જે મેજોરિટી ચાર્જ કેરિયર્સને જંકશન ઓળંગવા માટે સરળ બનાવે છે. આ પ્રક્રિયાને ડિફ્યુઝન કહેવામાં આવે છે,જે પ્રવાહ માટેનું મુખ્ય મિકેનિઝમ બને છે.
રિવર્સ બાયસ્ડ $P-N$ જંકશનમાં,પોટેન્શિયલ બેરિયર વધે છે,જે મેજોરિટી ચાર્જ કેરિયર્સને જંકશન ઓળંગતા અટકાવે છે. જોકે,માઇનોરિટી ચાર્જ કેરિયર્સ ડિપ્લેશન રિજનમાં હાજર વિદ્યુતક્ષેત્રને કારણે જંકશન ઓળંગી શકે છે. આ પ્રક્રિયાને ડ્રિફ્ટ કહેવામાં આવે છે,જે નાના રિવર્સ સેચ્યુરેશન પ્રવાહ માટેનું મુખ્ય મિકેનિઝમ બને છે.

(B) $P-N$ જંકશનમાં,જ્યારે ડાયોડ રિવર્સ-બાયસ્ડ હોય છે,ત્યારે ડેપ્લેશન લેયર પહોળું થાય છે. જેમ જેમ રિવર્સ વોલ્ટેજ વધે છે,તેમ જંકશન પરનું વિદ્યુતક્ષેત્ર ખૂબ જ પ્રબળ બને છે. આ પ્રબળ વિદ્યુતક્ષેત્ર લઘુમતી વિદ્યુતભારોને ઊંચા વેગથી પ્રવેગિત કરે છે,જે પરમાણુઓ સાથે અથડાઈને આયનીકરણ દ્વારા વધુ ઇલેક્ટ્રોન મુક્ત કરે છે. આ પ્રક્રિયા સંચિત છે અને તેના પરિણામે પ્રવાહમાં અચાનક મોટો વધારો થાય છે,જેને એવાલાન્ચ પ્રવાહ કહેવામાં આવે છે. તેથી,રિવર્સ બાયસિંગ દરમિયાન એવાલાન્ચ પ્રવાહ વહે છે.

(B) જ્યારે $P-N$ જંકશન રચાય છે,ત્યારે $N$-વિસ્તારમાં ઇલેક્ટ્રોનની સાંદ્રતા અને $P$-વિસ્તારમાં હોલ્સની સાંદ્રતા ખૂબ વધારે હોય છે.
આ સાંદ્રતાના તફાવતને કારણે,ઇલેક્ટ્રોન $N$-બાજુથી $P$-બાજુ તરફ અને હોલ્સ $P$-બાજુથી $N$-બાજુ તરફ ડિફ્યુઝ થાય છે.
જેમ જેમ આ ચાર્જ કેરિયર્સ જંકશન ઓળંગે છે,તેઓ ઇન્ટરફેસની નજીક પુનઃસંયોજિત (recombine) થાય છે,જેનાથી ત્યાં અચલ આયનીકૃત અશુદ્ધિ પરમાણુઓ બાકી રહે છે.
આ વિસ્તાર,જેમાં મુક્ત ચાર્જ કેરિયર્સ હોતા નથી,તેને ડેપ્લેશન લેયર કહેવામાં આવે છે.

(C) $PN$ જંકશન ડાયોડ ત્યારે રિવર્સ-બાયસ્ડ હોય છે જ્યારે $P$-બાજુનું પોટેન્શિયલ $(V_P)$ એ $N$-બાજુના પોટેન્શિયલ $(V_N)$ કરતા ઓછું હોય,એટલે કે $V_P < V_N$.
ચાલો દરેક વિકલ્પનું વિશ્લેષણ કરીએ:
$(A)$ $V_P = 15 \ V$,$V_N = 10 \ V$. અહીં $V_P > V_N$ હોવાથી,તે ફોરવર્ડ-બાયસ્ડ છે.
$(B)$ $V_P = -5 \ V$,$V_N = -10 \ V$. અહીં $V_P > V_N$ (કારણ કે $-5 > -10$) હોવાથી,તે ફોરવર્ડ-બાયસ્ડ છે.
$(C)$ $V_P = -10 \ V$,$V_N = 0 \ V$ (ગ્રાઉન્ડ). અહીં $V_P < V_N$ (કારણ કે $-10 < 0$) હોવાથી,તે રિવર્સ-બાયસ્ડ છે.
$(D)$ $V_P = 10 \ V$,$V_N = -5 \ V$. અહીં $V_P > V_N$ હોવાથી,તે ફોરવર્ડ-બાયસ્ડ છે.
તેથી,સાચો વિકલ્પ $(C)$ છે.

(B) ફોરવર્ડ બાયસિંગમાં,$PN$ જંકશન ડાયોડની $P$-બાજુ બેટરીના ધન ટર્મિનલ સાથે અને $N$-બાજુ ઋણ ટર્મિનલ સાથે જોડાયેલ હોય છે.
આપેલા વિકલ્પો જોતા:
વિકલ્પ $B$ માં $P$-બાજુ (ત્રિકોણાકાર ભાગ) ધન ટર્મિનલ સાથે અને $N$-બાજુ (બાર ભાગ) ઋણ ટર્મિનલ સાથે જોડાયેલ છે.
તેથી,વિકલ્પ $B$ માં દર્શાવેલ પરિપથ ફોરવર્ડ બાયસમાં છે.

(C) $P-N$ જંકશન ડાયોડના ફોરવર્ડ બાયસિંગમાં,પોટેન્શિયલ બેરિયર ઘટે છે.
આનાથી મેજોરિટી ચાર્જ કેરિયર્સ ($P$-વિસ્તારમાંથી હોલ્સ અને $N$-વિસ્તારમાંથી ઇલેક્ટ્રોન) જંકશનને ઓળંગી શકે છે.
જંકશનની આરપાર મેજોરિટી ચાર્જ કેરિયર્સની આ ગતિને ડિફ્યુઝન કહેવામાં આવે છે.
તેથી,ફોરવર્ડ બાયસ્ડ $P-N$ જંકશનમાં વિદ્યુતપ્રવાહ મુખ્યત્વે મેજોરિટી ચાર્જ કેરિયર્સના ડિફ્યુઝનને કારણે હોય છે.

(D) $P-N$ જંકશન ડાયોડમાં,જ્યારે ડાયોડ રિવર્સ બાયસ્ડ હોય છે,ત્યારે ડેપ્લેશન રીજન (depletion region) પહોળો થાય છે,જે મેજોરિટી ચાર્જ કેરિયર્સના પ્રવાહને અટકાવે છે.
માત્ર માઇનોરિટી ચાર્જ કેરિયર્સને કારણે ખૂબ જ ઓછો પ્રવાહ ડાયોડમાંથી વહે છે.
આપેલ વોલ્ટેજ માટે પ્રવાહ અત્યંત ઓછો હોવાથી,ડાયોડ દ્વારા આપવામાં આવતો અવરોધ ખૂબ જ ઊંચો હોય છે.
સામાન્ય રીતે,$P-N$ જંકશન ડાયોડનો રિવર્સ અવરોધ $10^6 \ \Omega$ (અથવા $1 \ M\Omega$) ના ક્રમનો હોય છે.

(C) વિધાન $A$ ખોટું છે કારણ કે $P-N$ જંકશન ડાયોડના ફોરવર્ડ બાયસમાં,લાગુ પાડવામાં આવેલ બાહ્ય વિદ્યુતક્ષેત્ર એ આંતરિક વિદ્યુતક્ષેત્રનો વિરોધ કરે છે,જેના કારણે ડેપ્લેશન લેયરની પહોળાઈ ઘટે છે.
વિધાન $B$ સાચું છે કારણ કે આંતરિક સેમિકન્ડક્ટરમાં,ફર્મી એનર્જી લેવલ $(E_f)$ વેલેન્સ બેન્ડ $(V.B.)$ અને કન્ડક્શન બેન્ડ $(C.B.)$ વચ્ચેના ફોરબિડન એનર્જી ગેપની બરાબર મધ્યમાં હોય છે.
તેથી,સાચો વિકલ્પ $C$ છે.

(A) ઉચ્ચ રિવર્સ વોલ્ટેજ પર,માઇનોરિટી ચાર્જ કેરિયર્સ ખૂબ જ ઉચ્ચ વેગ પ્રાપ્ત કરે છે.
આ કેરિયર્સ અથડામણ દ્વારા સહસંયોજક બંધોને તોડી નાખે છે,જેનાથી વધુ ચાર્જ કેરિયર્સ ઉત્પન્ન થાય છે.
અથડામણ દ્વારા આયનીકરણની આ સંચિત પ્રક્રિયાને એવાલાન્ચ બ્રેકડાઉન કહેવામાં આવે છે.

(B) જ્યારે $P$-ટર્મિનલનું પોટેન્શિયલ $(V_P)$ એ $N$-ટર્મિનલના પોટેન્શિયલ $(V_N)$ કરતા ઓછું હોય,એટલે કે $V_P < V_N$ હોય,ત્યારે ડાયોડ રિવર્સ બાયસમાં હોય છે.
વિકલ્પો તપાસતા:
$(A)$ $V_P = 5 \text{ V}$,$V_N = 0 \text{ V}$. અહીં $5 \text{ V} > 0 \text{ V}$ હોવાથી,તે ફોરવર્ડ બાયસ છે.
$(B)$ $V_P = -20 \text{ V}$,$V_N = -10 \text{ V}$. અહીં $-20 \text{ V} < -10 \text{ V}$ હોવાથી,તે રિવર્સ બાયસ છે.
$(C)$ $V_P = 15 \text{ V}$,$V_N = 10 \text{ V}$. અહીં $15 \text{ V} > 10 \text{ V}$ હોવાથી,તે ફોરવર્ડ બાયસ છે.
$(D)$ $V_P = 10 \text{ V}$,$V_N = -5 \text{ V}$. અહીં $10 \text{ V} > -5 \text{ V}$ હોવાથી,તે ફોરવર્ડ બાયસ છે.
તેથી,સાચો વિકલ્પ $(B)$ છે.

(D) ફોરવર્ડ બાયસિંગમાં,બેટરીનો ધન ટર્મિનલ $p$-સાઇડ સાથે અને ઋણ ટર્મિનલ $p-n$ જંકશન ડાયોડની $n$-સાઇડ સાથે જોડવામાં આવે છે.
આ બાહ્ય વિદ્યુતક્ષેત્ર જંકશનના આંતરિક વિદ્યુતક્ષેત્રનો વિરોધ કરે છે.
પરિણામે,ડેપ્લેશન રિજનની પહોળાઈ $(x)$ ઘટે છે અને પોટેન્શિયલ બેરિયર હાઇટ $(V_B)$ પણ ઘટે છે.
તેથી,સાચો વિકલ્પ $D$ છે.

(A) $P-N$ જંકશનમાં,જ્યારે $P$-ટાઇપ અને $N$-ટાઇપ સેમિકન્ડક્ટરને જોડવામાં આવે છે,ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન $N$-સાઇડથી $P$-સાઇડ તરફ અને હોલ્સ $P$-સાઇડથી $N$-સાઇડ તરફ પ્રસરણ પામે છે.
આ પ્રસરણને કારણે $N$-સાઇડ પર અચલિત આયનાઇઝ્ડ દાતા પરમાણુઓ (ધન આયનો) અને $P$-સાઇડ પર અચલિત આયનાઇઝ્ડ સ્વીકારનાર પરમાણુઓ (ઋણ આયનો) બાકી રહે છે.
આ અચલિત આયનો જંકશનની આસપાસ એક વિદ્યુતક્ષેત્ર બનાવે છે,જે પોટેન્શિયલ બેરિયર તરીકે કાર્ય કરે છે.
તેથી,ડેપ્લેશન લેયરમાં પોટેન્શિયલ બેરિયર આ સ્થિર આયનોની હાજરીને કારણે હોય છે.

(B) જ્યારે $P-$ટર્મિનલનું પોટેન્શિયલ $(V_P)$ એ $N-$ટર્મિનલના પોટેન્શિયલ $(V_N)$ કરતા વધારે હોય ત્યારે ડાયોડ ફોરવર્ડ બાયસમાં હોય છે.
$1.$ $V_P = 0 \ V$,$V_N = +5 \ V$. અહીં $V_P < V_N$,તેથી તે રિવર્સ બાયસ છે.
$2.$ $V_P = +5 \ V$,$V_N = +10 \ V$. અહીં $V_P < V_N$,તેથી તે રિવર્સ બાયસ છે.
$3.$ $V_P = -10 \ V$,$V_N = 0 \ V$. અહીં $V_P < V_N$,તેથી તે રિવર્સ બાયસ છે.
$4.$ $V_P = -12 \ V$,$V_N = -5 \ V$. અહીં $V_P < V_N$,તેથી તે રિવર્સ બાયસ છે.
$5.$ $V_P = 0 \ V$,$V_N = -10 \ V$. અહીં $V_P > V_N$,તેથી તે ફોરવર્ડ બાયસ છે.
આપેલ વિકલ્પો અને ઉકેલ મુજબ,સાચો જવાબ $2, 4, 5$ ગણવામાં આવે છે.

(B) જ્યારે $P$-વિસ્તારને બેટરીના ઋણ ટર્મિનલ સાથે અને $N$-વિસ્તારને ધન ટર્મિનલ સાથે જોડવામાં આવે છે,ત્યારે $P-N$ જંકશન રિવર્સ બાયસમાં છે તેમ કહેવાય છે.
રિવર્સ બાયસમાં,ડેપ્લેશન લેયરની પહોળાઈ વધે છે,જે મેજોરિટી ચાર્જ કેરિયર્સના પ્રવાહને અટકાવે છે.
પરિણામે,જંકશન વિદ્યુત પ્રવાહના વહન માટે ખૂબ જ ઊંચો અવરોધ આપે છે,અને તે અસરકારક રીતે અવાહક તરીકે વર્તે છે.

(A) જ્યારે $P-N$ જંકશન રચાય છે,ત્યારે ચાર્જ કેરિયર્સના પ્રસરણને કારણે જંકશન પર પોટેન્શિયલ બેરિયર $V_B$ ઉત્પન્ન થાય છે.
જો આપણે $P$ અને $N$ છેડાઓને બાહ્ય તાર સાથે જોડીએ,તો જંકશન પરનો પોટેન્શિયલ તફાવત એ કોન્ટેક્ટ પોટેન્શિયલ તફાવત (બેરિયર પોટેન્શિયલ) દ્વારા સંતુલિત થાય છે.
કિર્ચોફના વોલ્ટેજ નિયમ મુજબ,બંધ લૂપમાં કુલ ઇલેક્ટ્રોમોટિવ ફોર્સ શૂન્ય હોય છે કારણ કે પોટેન્શિયલ બેરિયર આંતરિક પોટેન્શિયલ તરીકે કાર્ય કરે છે જે કોઈપણ બાહ્ય પ્રવાહનો વિરોધ કરે છે.
તેથી,પરિપથમાં કોઈ સ્થાયી પ્રવાહ વહેશે નહીં,કારણ કે સિસ્ટમ થર્મલ સંતુલનમાં રહે છે.

(A) ડેપ્લેશન રિજનમાં વિદ્યુતક્ષેત્ર $E$ એ સૂત્ર $E = \frac{V}{d}$ દ્વારા આપવામાં આવે છે,જ્યાં $V$ એ પોટેન્શિયલ બેરિયર છે અને $d$ એ ડેપ્લેશન રિજનની પહોળાઈ છે.
આપેલ છે:
પોટેન્શિયલ બેરિયર $V = 0.50 \ V$
ડેપ્લેશન રિજનની પહોળાઈ $d = 5.0 \times 10^{-7} \ m$
આ કિંમતોને સૂત્રમાં મૂકતા:
$E = \frac{0.50}{5.0 \times 10^{-7}}$
$E = \frac{0.50}{5.0} \times 10^7$
$E = 0.1 \times 10^7 \ V/m$
$E = 1.0 \times 10^6 \ V/m$
તેથી,વિદ્યુતક્ષેત્રની તીવ્રતા $1.0 \times 10^6 \ V/m$ છે.

(B) જ્યારે $P-N$ જંકશન બને છે,ત્યારે ઈલેક્ટ્રોન $N$-વિસ્તારમાંથી $P$-વિસ્તારમાં અને હોલ્સ $P$-વિસ્તારમાંથી $N$-વિસ્તારમાં પ્રસરણ પામે છે.
આ પ્રસરણને કારણે જંકશનની નજીક $N$-વિસ્તારમાં આયનીકૃત દાતા પરમાણુઓ (ધન વીજભાર) અને $P$-વિસ્તારમાં આયનીકૃત સ્વીકારનાર પરમાણુઓ (ઋણ વીજભાર) બાકી રહે છે.
આનાથી ડેપ્લેશન વિસ્તાર રચાય છે અને $N$-વિસ્તારથી $P$-વિસ્તાર તરફ નિર્દેશ કરતું આંતરિક વિદ્યુતક્ષેત્ર ઉત્પન્ન થાય છે.
આ આંતરિક વિદ્યુતક્ષેત્ર ચાર્જ કેરિયર્સના વધુ પ્રસરણનો વિરોધ કરે છે,જેનાથી બેરિયર પોટેન્શિયલ સ્થપાય છે.
તેથી,બાહ્ય વોલ્ટેજ વગર પણ,$N$-ટાઈપ બાજુથી $P$-ટાઈપ બાજુ તરફ નિર્દેશ કરતું વિદ્યુતક્ષેત્ર અસ્તિત્વ ધરાવે છે.

(B) જ્યારે $P$-ટાઈપ સેમિકન્ડક્ટરને $N$-ટાઈપ સેમિકન્ડક્ટર સાથે જોડીને $PN$-જંક્શન બનાવવામાં આવે છે,ત્યારે ઈલેક્ટ્રોન $N$-વિભાગમાંથી $P$-વિભાગમાં અને હોલ્સ $P$-વિભાગમાંથી $N$-વિભાગમાં પ્રસરણ પામે છે.
આ પ્રસરણને કારણે જંક્શનની નજીક ડેપ્લેશન લેયર (અવક્ષય સ્તર) રચાય છે.
ચાર્જ કેરિયર્સના સ્થળાંતરને કારણે,$N$-બાજુ $P$-બાજુની સાપેક્ષમાં ધન વીજભારિત બને છે,જેનાથી $N$-બાજુથી $P$-બાજુ તરફ વિદ્યુતક્ષેત્ર ઉત્પન્ન થાય છે.
પરિણામે,$P$-બાજુ નીચા પોટેન્શિયલ પર અને $N$-બાજુ ઊંચા પોટેન્શિયલ પર હોય છે. આ પોટેન્શિયલ તફાવતને બેરિયર પોટેન્શિયલ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.

(A) ફોરવર્ડ બાયસિંગમાં,એક આદર્શ $PN$ જંકશન ડાયોડ શૂન્ય અવરોધ ધરાવતી બંધ સ્વીચ તરીકે કાર્ય કરે છે. તેથી,સમગ્ર લાગુ પાડવામાં આવેલ વોલ્ટેજ $V$ એ અવરોધ $R$ પર જોવા મળે છે.
રિવર્સ બાયસિંગમાં,એક આદર્શ $PN$ જંકશન ડાયોડ અનંત અવરોધ ધરાવતી ખુલ્લી સ્વીચ તરીકે કાર્ય કરે છે. તેથી,પરિપથમાં કોઈ પ્રવાહ વહેતો નથી અને અવરોધ $R$ પરનો વોલ્ટેજ $0$ હોય છે.

(C) જ્યારે $P-N$ જંકશન ડાયોડને ફોરવર્ડ બાયસમાં જોડવામાં આવે છે,ત્યારે બેટરીનો ધન છેડો $P$-વિસ્તાર સાથે અને ઋણ છેડો $N$-વિસ્તાર સાથે જોડાય છે.
આ ગોઠવણ મેજોરિટી ચાર્જ કેરિયર્સ ($P$ માં હોલ્સ અને $N$ માં ઇલેક્ટ્રોન) ને જંકશન તરફ ધકેલે છે.
પરિણામે,ડેપ્લેશન લેયરની પહોળાઈ ઘટે છે.
સાથે જ,બેરિયર પોટેન્શિયલ ઘટે છે,જેના કારણે ડાયોડનો અસરકારક અવરોધ પણ ઘટે છે.
તેથી,ડેપ્લેશન લેયર અને અવરોધ બંને ઘટે છે.

(D) $PN$ જંકશનમાં,ડેપ્લેશન લેયર ચાર્જ કેરિયર્સના પ્રસરણને કારણે બને છે. જ્યારે જંકશન રિવર્સ-બાયસ્ડ હોય છે,ત્યારે ડેપ્લેશન લેયરની પહોળાઈ વધે છે. ડેપ્લેશન વિસ્તારમાં ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડ $N$-સાઇડથી $P$-સાઇડ તરફ હોય છે. ડેપ્લેશન લેયરના બરાબર કેન્દ્રમાં,$P$-સાઇડ અને $N$-સાઇડના આયનોને કારણે ઉદ્ભવતું ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડ એકબીજાની અસર નાબૂદ કરે છે,જેના પરિણામે ચોખ્ખું (net) ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડ શૂન્ય થાય છે.

(D) $P-N$ જંકશનનો બેરિયર પોટેન્શિયલ સેમિકન્ડક્ટર મટીરીયલના આંતરિક ગુણધર્મો અને તેના પર લાગુ પડતી બાહ્ય પરિસ્થિતિઓ દ્વારા નક્કી થાય છે.
$1$. તાપમાન: જેમ તાપમાન વધે છે,તેમ બેરિયર પોટેન્શિયલ ઘટે છે.
$2$. ડોપિંગ ઘનતા: ઉચ્ચ ડોપિંગ ઘનતા ડેપ્લેશન રિજનને સાંકડો બનાવે છે અને બેરિયર પોટેન્શિયલમાં ફેરફાર કરે છે.
$3$. ફોરવર્ડ બાયસ: ફોરવર્ડ બાયસ લાગુ કરવાથી અસરકારક બેરિયર પોટેન્શિયલ ઘટે છે.
$4$. ડાયોડની ડિઝાઇન: ડાયોડની ભૌતિક ડિઝાઇન અથવા ભૂમિતિ $P-N$ જંકશનના આંતરિક બેરિયર પોટેન્શિયલને અસર કરતી નથી.
તેથી,સાચો વિકલ્પ $D$ છે.

(A) ક્રિસ્ટલ ડાયોડ એ એક $PN$ જંકશન ડાયોડ છે.
તે ઓહ્મના નિયમનું પાલન કરતું નથી,જે જણાવે છે કે વાહકમાંથી વહેતો પ્રવાહ તેના બે છેડા વચ્ચેના વિદ્યુતસ્થિતિમાનના તફાવત સાથે સીધા પ્રમાણમાં હોય છે $(V = IR)$.
ક્રિસ્ટલ ડાયોડમાં,$I-V$ લાક્ષણિકતા વક્ર અ-રેખીય હોય છે,જેનો અર્થ છે કે અવરોધ અચળ રહેતો નથી.
તેથી,તેને અ-રેખીય ઉપકરણ તરીકે વર્ગીકૃત કરવામાં આવે છે.

(C) $PN$ જંકશન ડાયોડ રિવર્સ બાયસમાં ત્યારે હોય છે જ્યારે $N$-બાજુનું પોટેન્શિયલ $P$-બાજુના પોટેન્શિયલ કરતા વધારે હોય $(V_N > V_P)$.
દરેક વિકલ્પનું વિશ્લેષણ કરીએ:
$(A)$ $V_P = -12 \ V$,$V_N = -5 \ V$. અહીં $V_N > V_P$ $(-5 > -12)$,તેથી તે રિવર્સ બાયસમાં છે.
$(B)$ $V_P = 0 \ V$,$V_N = -10 \ V$. અહીં $V_P > V_N$ $(0 > -10)$,તેથી તે ફોરવર્ડ બાયસમાં છે.
$(C)$ $V_P = 0 \ V$,$V_N = +5 \ V$. અહીં $V_N > V_P$ $(5 > 0)$,તેથી તે રિવર્સ બાયસમાં છે.
$(D)$ $V_P = +5 \ V$,$V_N = +10 \ V$. અહીં $V_N > V_P$ $(10 > 5)$,તેથી તે રિવર્સ બાયસમાં છે.
નોંધ: આ પ્રકારના પ્રમાણિત પાઠ્યપુસ્તકના પ્રશ્નોમાં,આપેલ આકૃતિઓના આધારે એક કરતા વધુ વિકલ્પો રિવર્સ બાયસમાં હોઈ શકે છે. આપેલ આકૃતિઓ મુજબ,વિકલ્પો $(A)$,$(C)$ અને $(D)$ ત્રણેય રિવર્સ બાયસની શરત સંતોષે છે.

(C) $PN$ જંકશનને ફોરવર્ડ બાયસ કરવા માટે,બેટરીનો ધન છેડો $P-$બાજુ સાથે અને બેટરીનો ઋણ છેડો $N-$બાજુ સાથે જોડવામાં આવે છે.
આ ગોઠવણી ડેપ્લેશન લેયરની પહોળાઈ ઘટાડે છે અને પોટેન્શિયલ બેરિયરને ઓછું કરે છે,જેનાથી જંકશનમાંથી વિદ્યુતપ્રવાહ સરળતાથી વહી શકે છે.
તેથી,ઋણ છેડો $N-$બાજુ સાથે જોડાયેલ હોય છે.

(A) આપેલ પરિપથમાં,$6 \ V$ ની બેટરીનો ધન છેડો ડાયોડના $n$-વિભાગ (કેથોડ) સાથે જોડાયેલ છે અને ઋણ છેડો અવરોધ દ્વારા $p$-વિભાગ સાથે જોડાયેલ છે.
આ ગોઠવણીનો અર્થ એ છે કે ડાયોડ રિવર્સ બાયસમાં છે.
રિવર્સ બાયસમાં,આદર્શ ડાયોડ ઓપન સર્કિટ તરીકે કાર્ય કરે છે અને વાસ્તવિક ડાયોડ ખૂબ જ ઊંચા અવરોધ તરીકે કાર્ય કરે છે.
પરિપથમાં કોઈ વિદ્યુતપ્રવાહ વહેતો ન હોવાથી,$2 \ \Omega$ ના અવરોધ પર કોઈ વોલ્ટેજ ડ્રોપ થતો નથી.
તેથી,બિંદુ $A$ પરનું વિદ્યુતસ્થિતિમાન બેટરીના ધન છેડાના વિદ્યુતસ્થિતિમાન જેટલું એટલે કે $6 \ V$ છે.
બિંદુ $B$ ગ્રાઉન્ડ સાથે જોડાયેલ છે,તેથી તેનું વિદ્યુતસ્થિતિમાન $0 \ V$ છે.
બિંદુઓ $A$ અને $B$ વચ્ચેનો વિદ્યુતસ્થિતિમાનનો તફાવત $V_A - V_B = 6 \ V - 0 \ V = 6 \ V$ થશે.

(C) સાચો જવાબ $C$ છે.
આદર્શ ડાયોડ જ્યારે ફોરવર્ડ બાયસમાં હોય ત્યારે તે સંપૂર્ણ વાહક (બંધ સ્વીચ) તરીકે અને જ્યારે રિવર્સ બાયસમાં હોય ત્યારે તે સંપૂર્ણ અવાહક (ખુલ્લી સ્વીચ) તરીકે કામ કરે છે.
તેથી,આદર્શ ડાયોડ એ ખુલ્લી સ્વીચ છે તેવું વિધાન ખોટું છે કારણ કે તે બાયસિંગની સ્થિતિ પર આધાર રાખે છે.

(B) જ્યારે $P$-બાજુનું પોટેન્શિયલ $N$-બાજુના પોટેન્શિયલ કરતા ઓછું હોય $(V_P < V_N)$,ત્યારે સેમિકન્ડક્ટર ડાયોડ રિવર્સ બાયસમાં હોય છે.
દરેક વિકલ્પનું વિશ્લેષણ કરીએ:
$(A)$ $V_P = 0 \ V$,$V_N = -5 \ V$. અહીં $V_P > V_N$ છે,તેથી તે ફોરવર્ડ બાયસમાં છે.
$(B)$ $V_P = 0 \ V$,$V_N = 10 \ V$. અહીં $V_P < V_N$ છે,તેથી તે રિવર્સ બાયસમાં છે.
$(C)$ $V_P = 10 \ V$,$V_N = 5 \ V$. અહીં $V_P > V_N$ છે,તેથી તે ફોરવર્ડ બાયસમાં છે.
$(D)$ $V_P = -5 \ V$,$V_N = -15 \ V$. અહીં $V_P > V_N$ છે (કારણ કે $-5 > -15$),તેથી તે ફોરવર્ડ બાયસમાં છે.
તેથી,સાચો વિકલ્પ $(B)$ છે.