PN Junction and Diode Questions in Hindi

(C) गैर-ओमीय उपकरण वे हैं जो ओम के नियम का पालन नहीं करते हैं,जिसका अर्थ है कि विद्युत धारा $I$ विभवांतर $V$ के सीधे समानुपाती नहीं होती है।
ऐसे उपकरणों के लिए,$V-I$ ग्राफ रैखिक नहीं होता है।
डायोड एक गैर-ओमीय उपकरण का उत्कृष्ट उदाहरण है क्योंकि इसका धारा-वोल्टेज विशेषता वक्र एक सीधी रेखा के बजाय घातांकीय होता है।
इसलिए,सही विकल्प $(c)$ है।

(B) जब किसी अर्धचालक से प्रबल विद्युत धारा प्रवाहित होती है,तो यह क्रिस्टल जालक के भीतर ऊष्मा उत्पन्न करती है। यह तापीय ऊर्जा सहसंयोजक बंधों को तोड़ने का कारण बनती है,जिससे बड़ी संख्या में मुक्त इलेक्ट्रॉन और होल उत्पन्न होते हैं। आवेश वाहकों की यह अचानक अधिकता थर्मल रनअवे (thermal runaway) प्रभाव पैदा करती है,जो अर्धचालक पदार्थ को क्षतिग्रस्त कर देती है।

(B) $PN-$जंक्शन डायोड में,फॉरवर्ड बायस तब होता है जब $P-$प्रकार के अर्धचालक क्षेत्र को बाहरी बैटरी के धनात्मक टर्मिनल से और $N-$प्रकार के अर्धचालक क्षेत्र को ऋणात्मक टर्मिनल से जोड़ा जाता है।
यह व्यवस्था अवक्षय परत (depletion layer) की चौड़ाई को कम करती है और विभव प्राचीर (potential barrier) को कम कर देती है,जिससे डायोड के माध्यम से धारा आसानी से प्रवाहित हो सकती है।
इसलिए,सही स्थिति यह है कि $P-$सिरा बैटरी के धनात्मक टर्मिनल से जुड़ा होता है।

(A) फॉरवर्ड-बायस्ड $PN-$जंक्शन में,बाहरी वोल्टेज विभव प्राचीर (potential barrier) को कम कर देता है,जिससे अधिकतम धारा प्रवाहित होती है।
जबकि रिवर्स-बायस्ड $PN-$जंक्शन में,बाहरी वोल्टेज विभव प्राचीर को बढ़ा देता है,इसलिए धारा बहुत कम होती है।
अतः,रिवर्स बायस स्थिति में धारा सामान्यतः बहुत कम होती है।

(B) कट-इन वोल्टेज (जिसे नी वोल्टेज या थ्रेशोल्ड वोल्टेज भी कहा जाता है) वह न्यूनतम फॉरवर्ड वोल्टेज है जो डायोड को महत्वपूर्ण रूप से संचालित करने के लिए आवश्यक होता है।
सिलिकॉन डायोड के लिए,बैरियर पोटेंशियल या कट-इन वोल्टेज लगभग $0.7 \ V$ होता है। दिए गए विकल्पों में से,$0.6 \ V$ सबसे निकटतम और उपयुक्त मान है।
अतः,सही विकल्प $B$ है।

(C) जब एक $PN-$जंक्शन डायोड को अग्र अभिनति (forward bias) में जोड़ा जाता है,तो यह विद्युत धारा को आसानी से प्रवाहित होने देता है,जिससे यह एक सुचालक की तरह कार्य करता है।
जब इसे पश्च अभिनति (reverse bias) में जोड़ा जाता है,तो अवक्षय परत (depletion region) की चौड़ाई बढ़ जाती है,जिससे उच्च प्रतिरोध उत्पन्न होता है और धारा का प्रवाह रुक जाता है,इस प्रकार यह एक कुचालक की तरह कार्य करता है।

(B) $PN$ जंक्शन डायोड में,जब $P$-क्षेत्र को बाहरी बैटरी के ऋणात्मक टर्मिनल से और $N$-क्षेत्र को धनात्मक टर्मिनल से जोड़ा जाता है,तो डायोड को रिवर्स बायस में कहा जाता है।
इस स्थिति में,बाहरी विद्युत क्षेत्र डिप्लेशन लेयर के आंतरिक विद्युत क्षेत्र की दिशा में ही होता है।
इसके कारण मेजोरिटी चार्ज कैरियर्स जंक्शन से दूर चले जाते हैं,जिससे डिप्लेशन लेयर की चौड़ाई बढ़ जाती है।
जैसे-जैसे डिप्लेशन लेयर की चौड़ाई बढ़ती है,पोटेंशियल बैरियर भी बढ़ जाता है,जिससे चार्ज कैरियर्स के लिए जंक्शन को पार करना अधिक कठिन हो जाता है।

(A) $PN$ जंक्शन पर इलेक्ट्रॉनों और होलों के विसरण (diffusion) के कारण अवक्षय परत का निर्माण होता है।
यह प्रक्रिया $n$-पक्ष पर स्थिर धनात्मक आयनों और $p$-पक्ष पर स्थिर ऋणात्मक आयनों को छोड़ देती है।
चूंकि ये आयन क्रिस्टल जालक में स्थिर होते हैं और गति नहीं कर सकते,इसलिए अवक्षय परत प्रभावी रूप से मुक्त आवेश वाहकों से रहित होती है।
चूंकि विद्युत चालकता मुक्त आवेश वाहकों की उपस्थिति पर निर्भर करती है,इसलिए इन वाहकों की अनुपस्थिति के कारण अवक्षय परत का विद्युत प्रतिरोध बहुत अधिक होता है।

(B) डायोड फॉरवर्ड बायस में जुड़ा है क्योंकि $P$-टर्मिनल,$N$-टर्मिनल $(+1 \text{ V})$ की तुलना में उच्च विभव $(+4 \text{ V})$ पर है।
फॉरवर्ड बायस में,डायोड एक बंद स्विच की तरह कार्य करता है (आदर्श डायोड मानते हुए)।
प्रतिरोधक के सिरों पर विभवांतर $V = 4 \text{ V} - 1 \text{ V} = 3 \text{ V}$ है।
ओम के नियम का उपयोग करते हुए,धारा $i = \frac{V}{R} = \frac{3 \text{ V}}{300 \ \Omega} = \frac{1}{100} \text{ A} = 10^{-2} \text{ A}$ प्राप्त होती है।

(A) डायोड के $P$-टर्मिनल पर विभव $-4 \ V$ है और $N$-टर्मिनल पर विभव $-1 \ V$ है।
चूंकि $P$-सिरे का विभव $(-4 \ V)$,$N$-सिरे के विभव $(-1 \ V)$ से कम है,इसलिए डायोड रिवर्स बायस स्थिति में है।
रिवर्स बायस स्थिति में,एक आदर्श डायोड ओपन सर्किट की तरह कार्य करता है,जिसका अर्थ है कि यह धारा के प्रवाह के लिए अनंत प्रतिरोध प्रदान करता है।
इसलिए,परिपथ में कोई धारा प्रवाहित नहीं होती है और धारा $0 \ A$ है।

(A) $P-N$ जंक्शन डायोड में,अवक्षय परत (depletion layer) जंक्शन के आर-पार आवेश वाहकों (charge carriers) के विसरण के कारण बनती है।
अवक्षय परत की चौड़ाई $(W)$ कुल विभव प्राचीर $(V_B + V_f)$ के वर्गमूल के व्युत्क्रमानुपाती होती है,जहाँ $V_B$ बिल्ट-इन विभव है और $V_f$ अग्र बायस वोल्टेज है।
हालाँकि,कई सरल मॉडलों में,अवक्षय क्षेत्र की चौड़ाई को आरोपित अग्र वोल्टेज के व्युत्क्रमानुपाती माना जाता है $(W \propto 1/V_f)$।
इसलिए,यदि अग्र वोल्टेज $(V_f)$ को दोगुना कर दिया जाता है,तो अवक्षय परत की चौड़ाई $(W)$ अपने मूल मान की आधी हो जाएगी।

(B) जब एक $PN$ जंक्शन रिवर्स बायस में होता है,तो बाहरी बैटरी का ऋणात्मक टर्मिनल $P$-क्षेत्र से और धनात्मक टर्मिनल $N$-क्षेत्र से जुड़ा होता है।
इसके कारण $P$-क्षेत्र में मौजूद मुक्त होल ऋणात्मक टर्मिनल की ओर आकर्षित होते हैं,जो जंक्शन से दूर चले जाते हैं।
इसी तरह,$N$-क्षेत्र में मौजूद मुक्त इलेक्ट्रॉन धनात्मक टर्मिनल की ओर आकर्षित होते हैं,जो भी जंक्शन से दूर चले जाते हैं।
परिणामस्वरूप,डिप्लेशन क्षेत्र की चौड़ाई बढ़ जाती है और पोटेंशियल बैरियर की ऊंचाई बढ़ जाती है,जिससे बहुसंख्यक आवेश वाहकों (majority charge carriers) के लिए जंक्शन को पार करना कठिन हो जाता है।

(B) परिपथ $(1)$ में,पहले डायोड का $N$-क्षेत्र दूसरे डायोड के $N$-क्षेत्र से जुड़ा है। यह विन्यास जंक्शनों के उचित श्रेणीक्रम बायसिंग की अनुमति नहीं देता है।
परिपथ $(2)$ में,पहले डायोड का $P$-क्षेत्र दूसरे डायोड के $N$-क्षेत्र से जुड़ा है। बाहरी बैटरी इस प्रकार जुड़ी है कि दोनों डायोड अग्र-बायस (या ध्रुवता के आधार पर दोनों उत्क्रम-बायस) हैं,जिससे दोनों जंक्शनों पर समान विभवांतर बना रहता है।
परिपथ $(3)$ में,पहले डायोड का $P$-क्षेत्र दूसरे डायोड के $N$-क्षेत्र से जुड़ा है। परिपथ $(2)$ की तरह ही,यह विन्यास एक सममित श्रेणीक्रम संयोजन की अनुमति देता है जहाँ विभवांतर दोनों जंक्शनों पर समान रूप से वितरित होता है।
अतः,परिपथ $(2)$ और $(3)$ सही संयोजन हैं।

(C) जब एक $P$-प्रकार के अर्धचालक को $N$-प्रकार के अर्धचालक के साथ जोड़ा जाता है,तो एक $PN$ जंक्शन बनता है।
इंटरफेस पर,$N$-क्षेत्र से इलेक्ट्रॉन $P$-क्षेत्र में और $P$-क्षेत्र से होल $N$-क्षेत्र में विसरित (diffuse) होते हैं।
यह प्रक्रिया एक ऐसा क्षेत्र बनाती है जिसमें मोबाइल आवेश वाहक नहीं होते हैं,जिसे अवक्षय परत (depletion region) कहा जाता है।
इस अवक्षय परत की मोटाई आमतौर पर बहुत कम,$10^{-6}\,m$ (या $1\,\mu m$) की कोटि की होती है।
अतः,सही विकल्प $C$ है।

(D) एक अनबायस्ड $P-N$ जंक्शन डायोड के अवक्षय क्षेत्र (depletion region) में,गतिशील आवेश वाहक (इलेक्ट्रॉन और होल) जंक्शन के आर-पार विसरित (diffuse) होकर पुनर्संयोजित हो जाते हैं। यह $N$-क्षेत्र में अचल (स्थिर) आयनित दाता परमाणुओं और $P$-क्षेत्र में अचल (स्थिर) आयनित ग्राही परमाणुओं को पीछे छोड़ देता है। इसलिए,अवक्षय परत केवल स्थिर आयनों से बनी होती है।

(C) फॉरवर्ड बायसिंग में,बाहरी बैटरी का धनात्मक टर्मिनल $P-$प्रकार के अर्धचालक से और ऋणात्मक टर्मिनल $N-$प्रकार के अर्धचालक से जुड़ा होता है।
यह विन्यास बहुसंख्यक आवेश वाहकों ($P-$क्षेत्र में होल और $N-$क्षेत्र में इलेक्ट्रॉन) को जंक्शन की ओर धकेलता है।
इसलिए,$P-$क्षेत्र में होल जंक्शन की ओर (दाईं ओर) गति करते हैं और $N-$क्षेत्र में इलेक्ट्रॉन जंक्शन की ओर (बाईं ओर) गति करते हैं।
चित्र $C$ आवेश वाहकों की जंक्शन की ओर इस गति को सही ढंग से दर्शाता है।

(D) $PN$ जंक्शन में डिप्लेशन ज़ोन की चौड़ाई $(W)$ का सूत्र $W = \sqrt{\frac{2\epsilon V_{bi}}{q} \left( \frac{N_A + N_D}{N_A N_D} \right)}$ है,जहाँ $N_A$ और $N_D$ एक्सेप्टर और डोनर डोपेंट घनत्व हैं। अतः,चौड़ाई डोपेंट घनत्व पर निर्भर करती है।
डिप्लेशन क्षेत्र में स्थिर आयनित डोपेंट परमाणु ($P$-साइड पर ऋण आयन और $N$-साइड पर धन आयन) होते हैं। ये स्थिर आवेश एक आंतरिक विद्युत क्षेत्र बनाते हैं जो आवेश वाहकों के आगे प्रसार का विरोध करता है।
इसलिए,कथन $(b)$ और $(c)$ दोनों सही हैं।

(C) $PN-$ जंक्शन डायोड अग्र अभिनति (forward bias) में होने पर धारा प्रवाहित होने देता है।
जब बैटरी की ध्रुवता उलट दी जाती है,तो $PN-$ जंक्शन उत्क्रम अभिनति (reverse bias) में हो जाता है।
उत्क्रम अभिनति में,अवक्षय परत (depletion layer) की चौड़ाई बढ़ जाती है,जो धारा के प्रवाह के लिए बहुत उच्च प्रतिरोध प्रदान करती है।
परिणामस्वरूप,धारा घटकर लगभग शून्य हो जाती है।
इसलिए,यह उपकरण $PN-$ जंक्शन है।

(D) फॉरवर्ड बायस में,$PN$-जंक्शन डायोड का प्रतिरोध बहुत कम होता है,जो लगभग $R_{fr} \approx 10 \ \Omega$ होता है।
रिवर्स बायस में,$PN$-जंक्शन डायोड का प्रतिरोध बहुत अधिक होता है,जो लगभग $R_{rev} \approx 10^5 \ \Omega$ होता है।
फॉरवर्ड बायस प्रतिरोध और रिवर्स बायस प्रतिरोध का अनुपात $\frac{R_{fr}}{R_{rev}} = \frac{10}{10^5} = \frac{1}{10^4} = 1:10^4$ होता है।
अतः,सही विकल्प $D$ है।

(B) $P-N$ जंक्शन डायोड में,जब अग्र अभिनति (forward bias) लागू की जाती है,तो बैटरी का धनात्मक सिरा $P$-क्षेत्र से और ऋणात्मक सिरा $N$-क्षेत्र से जुड़ा होता है।
यह बाहरी विद्युत क्षेत्र अवक्षय परत (depletion layer) के आंतरिक विद्युत क्षेत्र का विरोध करता है।
परिणामस्वरूप,बहुसंख्यक आवेश वाहक जंक्शन की ओर धकेले जाते हैं,जिससे अवक्षय परत की चौड़ाई कम हो जाती है।
अतः,विभव प्राचीर की चौड़ाई घट जाती है।

(C) जब एक $PN-$ जंक्शन बनता है,तो इलेक्ट्रॉन $N-$ क्षेत्र से $P-$ क्षेत्र में और होल $P-$ क्षेत्र से $N-$ क्षेत्र में विसरित (diffuse) होते हैं।
यह विसरण जंक्शन के पास $N-$ क्षेत्र में आयनित दाताओं (धनात्मक आवेश) और $P-$ क्षेत्र में आयनित ग्राही (ऋणात्मक आवेश) को छोड़ देता है,जिससे एक अवक्षय परत (depletion layer) बनती है।
इस आवेश वितरण के कारण,एक विभव प्राचीर (potential barrier) स्थापित हो जाता है जिससे $N-$ सिरा $P-$ सिरे की तुलना में उच्च विभव पर होता है।
चूंकि विद्युत क्षेत्र $E$ उच्च विभव से निम्न विभव की ओर निर्देशित होता है,इसलिए जंक्शन पर विद्युत क्षेत्र $N-$ प्रकार के सिरे से $P-$ प्रकार के सिरे की ओर निर्देशित होता है।

(B) फॉरवर्ड बायस्ड $P-N$ जंक्शन में,विभव प्राचीर (potential barrier) कम हो जाता है,जिससे बहुसंख्यक आवेश वाहक आसानी से जंक्शन को पार कर सकते हैं। इस प्रक्रिया को डिफ्यूजन कहा जाता है,जो धारा प्रवाह के लिए प्रमुख तंत्र बन जाता है।
रिवर्स बायस्ड $P-N$ जंक्शन में,विभव प्राचीर बढ़ जाता है,जो बहुसंख्यक आवेश वाहकों को जंक्शन पार करने से रोकता है। हालाँकि,अल्पसंख्यक आवेश वाहक अवक्षय क्षेत्र (depletion region) में मौजूद विद्युत क्षेत्र के कारण जंक्शन को पार कर सकते हैं। इस प्रक्रिया को ड्रिफ्ट कहा जाता है,जो छोटी रिवर्स सैचुरेशन धारा के लिए प्रमुख तंत्र बन जाता है।

(B) $P-N$ जंक्शन में,जब डायोड रिवर्स-बायस्ड होता है,तो डिप्लेशन लेयर चौड़ी हो जाती है। जैसे-जैसे रिवर्स वोल्टेज बढ़ता है,जंक्शन पर विद्युत क्षेत्र बहुत मजबूत हो जाता है। यह मजबूत विद्युत क्षेत्र अल्पसंख्यक आवेश वाहकों को उच्च वेग से त्वरित करता है,जो परमाणुओं से टकराकर आयनीकरण के माध्यम से और अधिक इलेक्ट्रॉनों को बाहर निकालते हैं। यह प्रक्रिया संचयी होती है और इसके परिणामस्वरूप करंट में अचानक बड़ी वृद्धि होती है,जिसे एवलांच करंट कहा जाता है। इसलिए,रिवर्स बायसिंग के दौरान एवलांच करंट प्रवाहित होता है।

(B) जब एक $P-N$ जंक्शन बनता है,तो $N$-क्षेत्र में इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता और $P$-क्षेत्र में होल्स की सांद्रता बहुत अधिक होती है।
इस सांद्रता प्रवणता के कारण,इलेक्ट्रॉन $N$-पक्ष से $P$-पक्ष की ओर और होल $P$-पक्ष से $N$-पक्ष की ओर विसरित (diffuse) होते हैं।
जैसे ही ये आवेश वाहक जंक्शन को पार करते हैं,वे इंटरफ़ेस के पास पुनर्संयोजित (recombine) हो जाते हैं,जिससे वहां अचल आयनित अशुद्धि परमाणु पीछे छूट जाते हैं।
यह क्षेत्र,जिसमें गतिशील आवेश वाहक नहीं होते,अवक्षय परत (depletion layer) कहलाता है।

(C) $PN$ जंक्शन डायोड तब रिवर्स-बायस्ड होता है जब $P$-सिरे का विभव $(V_P)$,$N$-सिरे के विभव $(V_N)$ से कम होता है,अर्थात $V_P < V_N$।
आइए प्रत्येक विकल्प का विश्लेषण करें:
$(A)$ $V_P = 15 \ V$,$V_N = 10 \ V$। चूंकि $V_P > V_N$ है,इसलिए यह फॉरवर्ड-बायस्ड है।
$(B)$ $V_P = -5 \ V$,$V_N = -10 \ V$। चूंकि $V_P > V_N$ (क्योंकि $-5 > -10$) है,इसलिए यह फॉरवर्ड-बायस्ड है।
$(C)$ $V_P = -10 \ V$,$V_N = 0 \ V$ (ग्राउंड)। चूंकि $V_P < V_N$ (क्योंकि $-10 < 0$) है,इसलिए यह रिवर्स-बायस्ड है।
$(D)$ $V_P = 10 \ V$,$V_N = -5 \ V$। चूंकि $V_P > V_N$ है,इसलिए यह फॉरवर्ड-बायस्ड है।
अतः,सही विकल्प $(C)$ है।

(B) फॉरवर्ड बायसिंग में,$PN$ जंक्शन डायोड का $P$-सिरा बैटरी के धनात्मक टर्मिनल से और $N$-सिरा ऋणात्मक टर्मिनल से जुड़ा होता है।
दिए गए विकल्पों को देखने पर:
विकल्प $B$ में $P$-सिरा (त्रिकोणीय भाग) धनात्मक टर्मिनल से और $N$-सिरा (बार वाला भाग) ऋणात्मक टर्मिनल से जुड़ा हुआ है।
अतः,विकल्प $B$ में दिया गया परिपथ फॉरवर्ड बायस में है।

(C) $P-N$ जंक्शन डायोड की फॉरवर्ड बायसिंग में,विभव प्राचीर (potential barrier) कम हो जाता है।
यह मेजॉरिटी आवेश वाहकों ($P$-क्षेत्र से होल्स और $N$-क्षेत्र से इलेक्ट्रॉन) को जंक्शन पार करने की अनुमति देता है।
जंक्शन के आर-पार मेजॉरिटी आवेश वाहकों की इस गति को डिफ्यूजन कहा जाता है।
इसलिए,फॉरवर्ड बायस्ड $P-N$ जंक्शन में धारा मुख्य रूप से मेजॉरिटी आवेश वाहकों के डिफ्यूजन के कारण होती है।

(D) $P-N$ जंक्शन डायोड में,जब डायोड रिवर्स बायस्ड होता है,तो डिप्लेशन रीजन (depletion region) चौड़ा हो जाता है,जो मेजॉरिटी चार्ज कैरियर्स के प्रवाह को रोकता है।
केवल माइनॉरिटी चार्ज कैरियर्स के कारण बहुत कम धारा डायोड से होकर बहती है।
चूंकि दिए गए वोल्टेज के लिए धारा बहुत कम होती है,इसलिए डायोड द्वारा प्रदान किया गया प्रतिरोध बहुत अधिक होता है।
आमतौर पर,$P-N$ जंक्शन डायोड का रिवर्स प्रतिरोध $10^6 \ \Omega$ (या $1 \ M\Omega$) की कोटि का होता है।

(C) कथन $A$ असत्य है क्योंकि $P-N$ जंक्शन डायोड के फॉरवर्ड बायस में,लगाया गया बाहरी विद्युत क्षेत्र आंतरिक विद्युत क्षेत्र का विरोध करता है,जिससे अवक्षय परत की चौड़ाई कम हो जाती है।
कथन $B$ सत्य है क्योंकि एक आंतरिक अर्धचालक में,फर्मी ऊर्जा स्तर $(E_f)$ वैलेंस बैंड $(V.B.)$ और कंडक्शन बैंड $(C.B.)$ के बीच के वर्जित ऊर्जा अंतराल के ठीक बीच में स्थित होता है।
अतः,सही विकल्प $C$ है।

(A) उच्च रिवर्स वोल्टेज पर,अल्पसंख्यक आवेश वाहक बहुत उच्च वेग प्राप्त कर लेते हैं।
ये वाहक टक्कर द्वारा सहसंयोजक बंधों को तोड़ देते हैं,जिससे और अधिक आवेश वाहक उत्पन्न होते हैं।
टक्कर द्वारा आयनीकरण की इस संचयी प्रक्रिया को एवलांच ब्रेकडाउन कहा जाता है।

(B) जब $P$-टर्मिनल का विभव $(V_P)$,$N$-टर्मिनल के विभव $(V_N)$ से कम होता है,यानी $V_P < V_N$,तब डायोड रिवर्स बायस में होता है।
विकल्पों की जाँच करने पर:
$(A)$ $V_P = 5 \text{ V}$,$V_N = 0 \text{ V}$। चूँकि $5 \text{ V} > 0 \text{ V}$,यह फॉरवर्ड बायस है।
$(B)$ $V_P = -20 \text{ V}$,$V_N = -10 \text{ V}$। चूँकि $-20 \text{ V} < -10 \text{ V}$,यह रिवर्स बायस है।
$(C)$ $V_P = 15 \text{ V}$,$V_N = 10 \text{ V}$। चूँकि $15 \text{ V} > 10 \text{ V}$,यह फॉरवर्ड बायस है।
$(D)$ $V_P = 10 \text{ V}$,$V_N = -5 \text{ V}$। चूँकि $10 \text{ V} > -5 \text{ V}$,यह फॉरवर्ड बायस है।
अतः,सही विकल्प $(B)$ है।

(D) फॉरवर्ड बायसिंग में,बैटरी का धनात्मक टर्मिनल $p$-सिरे से और ऋणात्मक टर्मिनल $p-n$ जंक्शन डायोड के $n$-सिरे से जुड़ा होता है।
यह बाहरी विद्युत क्षेत्र जंक्शन के आंतरिक विद्युत क्षेत्र का विरोध करता है।
परिणामस्वरूप,अवक्षय क्षेत्र की चौड़ाई $(x)$ कम हो जाती है और विभव अवरोध ऊंचाई $(V_B)$ भी कम हो जाती है।
इसलिए,सही विकल्प $D$ है।

(A) $P-N$ जंक्शन में,जब $P$-प्रकार और $N$-प्रकार के अर्धचालकों को जोड़ा जाता है,तो इलेक्ट्रॉन $N$-पक्ष से $P$-पक्ष की ओर और होल $P$-पक्ष से $N$-पक्ष की ओर विसरित (diffuse) होते हैं।
यह विसरण $N$-पक्ष पर अचल आयनित दाता परमाणुओं (धनात्मक आयन) और $P$-पक्ष पर अचल आयनित ग्राही परमाणुओं (ऋणात्मक आयन) को पीछे छोड़ देता है।
ये अचल आयन जंक्शन के आर-पार एक विद्युत क्षेत्र बनाते हैं,जो एक विभव प्राचीर के रूप में कार्य करता है।
इसलिए,अवक्षय परत में विभव प्राचीर इन स्थिर आयनों की उपस्थिति के कारण होता है।

(B) एक डायोड फॉरवर्ड बायस में तब होता है जब $P-$टर्मिनल का विभव $(V_P)$,$N-$टर्मिनल के विभव $(V_N)$ से अधिक होता है।
$1.$ $V_P = 0 \ V$,$V_N = +5 \ V$. यहाँ $V_P < V_N$,इसलिए यह रिवर्स बायस है।
$2.$ $V_P = +5 \ V$,$V_N = +10 \ V$. यहाँ $V_P < V_N$,इसलिए यह रिवर्स बायस है।
$3.$ $V_P = -10 \ V$,$V_N = 0 \ V$. यहाँ $V_P < V_N$,इसलिए यह रिवर्स बायस है।
$4.$ $V_P = -12 \ V$,$V_N = -5 \ V$. यहाँ $V_P < V_N$,इसलिए यह रिवर्स बायस है।
$5.$ $V_P = 0 \ V$,$V_N = -10 \ V$. यहाँ $V_P > V_N$,इसलिए यह फॉरवर्ड बायस है।
दिए गए विकल्पों और समाधान के अनुसार,सही उत्तर $2, 4, 5$ माना गया है।

(B) जब $P$-क्षेत्र को बैटरी के ऋणात्मक टर्मिनल से और $N$-क्षेत्र को धनात्मक टर्मिनल से जोड़ा जाता है,तो $P-N$ जंक्शन को रिवर्स बायस में कहा जाता है।
रिवर्स बायस में,अवक्षय परत (depletion layer) की चौड़ाई बढ़ जाती है,जो बहुसंख्यक आवेश वाहकों के प्रवाह को रोकती है।
परिणामस्वरूप,जंक्शन विद्युत धारा के प्रवाह के लिए बहुत उच्च प्रतिरोध प्रदान करता है,और प्रभावी रूप से एक कुचालक की तरह व्यवहार करता है।

(A) जब एक $P-N$ जंक्शन बनता है,तो आवेश वाहकों के विसरण (diffusion) के कारण जंक्शन पर एक विभव प्राचीर (potential barrier) $V_B$ विकसित हो जाता है।
यदि हम $P$ और $N$ सिरों को एक बाहरी तार से जोड़ते हैं,तो जंक्शन पर विभवांतर संपर्क विभव अंतर (बैरियर विभव) द्वारा पूरी तरह संतुलित हो जाता है।
किरचॉफ के वोल्टेज नियम के अनुसार,बंद लूप में कुल विद्युत वाहक बल शून्य होता है क्योंकि विभव प्राचीर एक आंतरिक विभव के रूप में कार्य करता है जो किसी भी बाहरी प्रवाह का विरोध करता है।
इसलिए,परिपथ में कोई स्थायी धारा प्रवाहित नहीं होगी,क्योंकि निकाय तापीय संतुलन में रहता है।

(A) अवक्षय परत में विद्युत क्षेत्र $E$ को सूत्र $E = \frac{V}{d}$ द्वारा ज्ञात किया जाता है,जहाँ $V$ विभव प्राचीर है और $d$ अवक्षय परत की चौड़ाई है।
दिया गया है:
विभव प्राचीर $V = 0.50 \ V$
अवक्षय परत की चौड़ाई $d = 5.0 \times 10^{-7} \ m$
इन मानों को सूत्र में रखने पर:
$E = \frac{0.50}{5.0 \times 10^{-7}}$
$E = \frac{0.50}{5.0} \times 10^7$
$E = 0.1 \times 10^7 \ V/m$
$E = 1.0 \times 10^6 \ V/m$
अतः,विद्युत क्षेत्र की तीव्रता $1.0 \times 10^6 \ V/m$ है।

(B) जब एक $P-N$ जंक्शन बनता है,तो इलेक्ट्रॉन $N$-क्षेत्र से $P$-क्षेत्र में और होल $P$-क्षेत्र से $N$-क्षेत्र में विसरित (diffuse) होते हैं।
यह विसरण जंक्शन के पास $N$-क्षेत्र में आयनित दाता परमाणुओं (धनात्मक आवेश) और $P$-क्षेत्र में आयनित स्वीकर्ता परमाणुओं (ऋणात्मक आवेश) को छोड़ देता है।
यह एक अवक्षय क्षेत्र (depletion region) बनाता है और $N$-क्षेत्र से $P$-क्षेत्र की ओर निर्देशित एक आंतरिक विद्युत क्षेत्र उत्पन्न करता है।
यह आंतरिक विद्युत क्षेत्र आवेश वाहकों के आगे विसरण का विरोध करता है,जिससे एक अवरोध विभव (barrier potential) स्थापित होता है।
इसलिए,बाहरी वोल्टेज के बिना भी,$N$-टाइप पक्ष से $P$-टाइप पक्ष की ओर निर्देशित एक विद्युत क्षेत्र मौजूद होता है।

(B) जब एक $P$-प्रकार के अर्धचालक को $N$-प्रकार के अर्धचालक के साथ जोड़कर $PN$-जंक्शन बनाया जाता है,तो इलेक्ट्रॉन $N$-क्षेत्र से $P$-क्षेत्र में और होल $P$-क्षेत्र से $N$-क्षेत्र में विसरित (diffuse) होते हैं।
यह विसरण जंक्शन के पास एक अवक्षय परत (depletion layer) बनाता है।
आवेश वाहकों के स्थानांतरण के कारण,$N$-पक्ष $P$-पक्ष की तुलना में धनावेशित हो जाता है,जिससे $N$-पक्ष से $P$-पक्ष की ओर एक विद्युत क्षेत्र उत्पन्न होता है।
परिणामस्वरूप,$P$-पक्ष निम्न विभव पर और $N$-पक्ष उच्च विभव पर होता है। इस विभवांतर को बैरियर विभव के रूप में जाना जाता है।

(A) अग्र अभिनति (forward biasing) में,एक आदर्श $PN$ जंक्शन डायोड शून्य प्रतिरोध वाली बंद स्विच के रूप में कार्य करता है। इसलिए,संपूर्ण आरोपित वोल्टेज $V$,प्रतिरोध $R$ के सिरों पर दिखाई देता है।
पश्च अभिनति (reverse biasing) में,एक आदर्श $PN$ जंक्शन डायोड अनंत प्रतिरोध वाली खुली स्विच के रूप में कार्य करता है। इसलिए,परिपथ में कोई धारा प्रवाहित नहीं होती है और प्रतिरोध $R$ के सिरों पर वोल्टेज $0$ होता है।

(C) जब एक $P-N$ जंक्शन डायोड को फॉरवर्ड बायस में जोड़ा जाता है,तो बैटरी का धनात्मक टर्मिनल $P$-क्षेत्र से और ऋणात्मक टर्मिनल $N$-क्षेत्र से जुड़ता है।
यह व्यवस्था बहुसंख्यक आवेश वाहकों ($P$ में होल्स और $N$ में इलेक्ट्रॉन) को जंक्शन की ओर धकेलती है।
परिणामस्वरूप,डिप्लेशन लेयर की चौड़ाई कम हो जाती है।
साथ ही,बैरियर विभव कम हो जाता है,जिससे डायोड का प्रभावी प्रतिरोध भी कम हो जाता है।
अतः,डिप्लेशन लेयर और प्रतिरोध दोनों घटते हैं।

(D) $PN$ जंक्शन में,डिप्लेशन परत आवेश वाहकों के विसरण (diffusion) के कारण बनती है। जब जंक्शन रिवर्स-बायस्ड होता है,तो डिप्लेशन परत की चौड़ाई बढ़ जाती है। डिप्लेशन क्षेत्र में विद्युत क्षेत्र $N$-साइड से $P$-साइड की ओर निर्देशित होता है। डिप्लेशन परत के बिल्कुल केंद्र में,$P$-साइड और $N$-साइड के आयनों के कारण उत्पन्न विद्युत क्षेत्र एक-दूसरे को निरस्त कर देते हैं,जिसके परिणामस्वरूप नेट विद्युत क्षेत्र शून्य हो जाता है।

(D) $P-N$ जंक्शन का बैरियर विभव अर्धचालक पदार्थ के आंतरिक गुणों और उस पर लागू बाहरी स्थितियों द्वारा निर्धारित होता है।
$1$. तापमान: जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है,बैरियर विभव कम हो जाता है।
$2$. डोपिंग घनत्व: उच्च डोपिंग घनत्व अवक्षय परत (depletion region) को संकरा बनाता है और बैरियर विभव में परिवर्तन लाता है।
$3$. अग्र अभिनति (Forward bias): अग्र अभिनति लागू करने से प्रभावी बैरियर विभव कम हो जाता है।
$4$. डायोड की बनावट: डायोड की भौतिक बनावट या ज्यामिति $P-N$ जंक्शन के आंतरिक बैरियर विभव को प्रभावित नहीं करती है।
अतः,सही विकल्प $D$ है।

(A) क्रिस्टल डायोड एक $PN$ जंक्शन डायोड है।
यह ओम के नियम का पालन नहीं करता है,जो बताता है कि एक चालक के माध्यम से प्रवाहित धारा उसके सिरों के बीच विभवांतर के सीधे आनुपातिक होती है $(V = IR)$।
क्रिस्टल डायोड में,$I-V$ विशेषता वक्र अ-रेखीय होता है,जिसका अर्थ है कि प्रतिरोध स्थिर नहीं रहता है।
इसलिए,इसे एक अ-रेखीय उपकरण के रूप में वर्गीकृत किया गया है।

(C) $PN$ जंक्शन डायोड रिवर्स बायस्ड तब होता है जब $N$-साइड का विभव $P$-साइड के विभव से अधिक होता है $(V_N > V_P)$।
प्रत्येक विकल्प का विश्लेषण करते हैं:
$(A)$ $V_P = -12 \ V$,$V_N = -5 \ V$। यहाँ $V_N > V_P$ $(-5 > -12)$,इसलिए यह रिवर्स बायस्ड है।
$(B)$ $V_P = 0 \ V$,$V_N = -10 \ V$। यहाँ $V_P > V_N$ $(0 > -10)$,इसलिए यह फॉरवर्ड बायस्ड है।
$(C)$ $V_P = 0 \ V$,$V_N = +5 \ V$। यहाँ $V_N > V_P$ $(5 > 0)$,इसलिए यह रिवर्स बायस्ड है।
$(D)$ $V_P = +5 \ V$,$V_N = +10 \ V$। यहाँ $V_N > V_P$ $(10 > 5)$,इसलिए यह रिवर्स बायस्ड है।
नोट: इस प्रकार के मानक पाठ्यपुस्तक प्रश्नों में,दिए गए आरेखों के आधार पर एक से अधिक विकल्प रिवर्स बायस्ड हो सकते हैं। दिए गए आरेखों के अनुसार,विकल्प $(A)$,$(C)$ और $(D)$ तीनों रिवर्स बायस की शर्त को पूरा करते हैं।

(C) $PN$ जंक्शन को फॉरवर्ड बायस करने के लिए,बैटरी का धनात्मक टर्मिनल $P-$साइड से और बैटरी का ऋणात्मक टर्मिनल $N-$साइड से जोड़ा जाता है।
यह विन्यास डिप्लेशन लेयर की चौड़ाई को कम करता है और पोटेंशियल बैरियर को घटाता है,जिससे जंक्शन से होकर विद्युत धारा आसानी से प्रवाहित हो सकती है।
इसलिए,ऋणात्मक टर्मिनल $N-$साइड से जुड़ा होता है।

(A) दिए गए परिपथ में,$6 \ V$ की बैटरी का धनात्मक सिरा डायोड के $n$-सिरे (कैथोड) से जुड़ा है और ऋणात्मक सिरा प्रतिरोधक के माध्यम से $p$-सिरे से जुड़ा है।
यह विन्यास दर्शाता है कि डायोड रिवर्स बायस में है।
रिवर्स बायस में,एक आदर्श डायोड ओपन सर्किट के रूप में कार्य करता है और एक वास्तविक डायोड बहुत उच्च प्रतिरोध के रूप में कार्य करता है।
चूंकि परिपथ में कोई धारा प्रवाहित नहीं हो रही है,इसलिए $2 \ \Omega$ के प्रतिरोधक पर कोई वोल्टेज ड्रॉप नहीं होता है।
इसलिए,बिंदु $A$ पर विभव बैटरी के धनात्मक सिरे के विभव के बराबर है,जो $6 \ V$ है।
बिंदु $B$ ग्राउंड से जुड़ा है,इसलिए इसका विभव $0 \ V$ है।
बिंदुओं $A$ और $B$ के बीच विभवांतर $V_A - V_B = 6 \ V - 0 \ V = 6 \ V$ होगा।

(C) सही उत्तर $C$ है।
एक आदर्श डायोड फॉरवर्ड बायस में होने पर एक पूर्ण कंडक्टर (बंद स्विच) के रूप में और रिवर्स बायस में होने पर एक पूर्ण इंसुलेटर (खुला स्विच) के रूप में कार्य करता है।
इसलिए,यह कथन कि एक आदर्श डायोड एक खुला स्विच है,गलत है क्योंकि यह बायसिंग की स्थिति पर निर्भर करता है।

(B) एक अर्धचालक डायोड रिवर्स बायस में तब होता है जब $P$-सिरे का विभव $N$-सिरे के विभव से कम होता है $(V_P < V_N)$।
प्रत्येक विकल्प का विश्लेषण करते हैं:
$(A)$ $V_P = 0 \ V$,$V_N = -5 \ V$. यहाँ $V_P > V_N$ है,इसलिए यह फॉरवर्ड बायस में है।
$(B)$ $V_P = 0 \ V$,$V_N = 10 \ V$. यहाँ $V_P < V_N$ है,इसलिए यह रिवर्स बायस में है।
$(C)$ $V_P = 10 \ V$,$V_N = 5 \ V$. यहाँ $V_P > V_N$ है,इसलिए यह फॉरवर्ड बायस में है।
$(D)$ $V_P = -5 \ V$,$V_N = -15 \ V$. यहाँ $V_P > V_N$ है (क्योंकि $-5 > -15$),इसलिए यह फॉरवर्ड बायस में है।
अतः,सही विकल्प $(B)$ है।