युक्तियाँ: P-N संधि, ज़ेनर, BJT, MOS संधारित्र, MOSFET व अनुमापन, LED, फोटोडायोड व सौर सेल

p-प्रकार सिलिकॉन को n-प्रकार सिलिकॉन के संपर्क में रखें। p-क्षेत्र में फर्मी स्तर अंतराल में नीचे बैठता है और n-क्षेत्र में अंतराल में ऊपर, और साम्य पर एकल फर्मी स्तर को सम्पूर्ण संरचना के आर-पार सपाट चलना ही पड़ता है — साम्य का यही अर्थ है। उसे संतुष्ट करने का एकमात्र उपाय पट्टों को मोड़ना है, और कुल मोड़ अंतर्निर्मित विभव है। विवर p से n की ओर विसरित होते हैं और इलेक्ट्रॉन n से p की ओर, प्रत्येक पीछे एक आयनित अपमिश्रक छोड़ जाता है जिसे वह उदासीन नहीं कर सकता, अतः स्थिर आवेश का अवक्षय क्षेत्र बन जाता है: p-पक्ष पर ऋणात्मक ग्राही आयन, n-पक्ष पर धनात्मक दाता आयन। उस द्विध्रुव का क्षेत्र आगे के विसरण का विरोध करता है, और साम्य तब प्राप्त होता है जब अपवाह विसरण को ठीक निरसित कर दे — जो, पिछले अध्याय के आइंस्टाइन तर्क से, ठीक वही शर्त है जो विभव को नियत करती है। बोल्ट्ज़मान संबंध में दोनों पक्षों की इलेक्ट्रॉन-सांद्रता रखने पर V_bi = (kT/q) ln(N_A N_D/n_i²) मिलता है। संदर्भ संधि हेतु V_bi = 0.0259 × ln(10¹⁷ × 10¹⁶/2.25 × 10²⁰) = 0.0259 × ln(4.44 × 10¹²) = 0.0259 × 29.12 = 0.754 V। ध्यान दें कि वे 0.754 V किसी बाह्य साधन ने नहीं दिए और उनके कारण कोई धारा प्रवाहित नहीं होती — आप उसे डायोड के सिरों पर वोल्टमीटर से नाप नहीं सकते, क्योंकि दोनों धातु-संपर्कों पर संपर्क-विभव उसे ठीक निरसित कर देते हैं।

अब पॉयसों समीकरण ज्यामिति देता है। संधि के आर-पार आवेश-उदासीनता N_A x_p = N_D x_n की अपेक्षा करती है — आवेश के दोनों खंड समान व विपरीत होने ही चाहिए — और V_bi पुनः पाने हेतु क्षेत्र का दो बार समाकलन W = √(2ε_s V_bi (1/N_A + 1/N_D)/q) देता है। संदर्भ संधि हेतु 1/N_A + 1/N_D = 10⁻¹⁷ + 10⁻¹⁶ = 1.1 × 10⁻¹⁶ cm³, और ε_s = 1.036 × 10⁻¹² F/cm रखने पर W = 0.328 µm मिलता है। तत्पश्चात् उसे बाँटें: x_n/x_p = N_A/N_D = 10, अतः x_n = 0.298 µm तथा x_p = 0.0298 µm। अवक्षय क्षेत्र का इक्यानबे प्रतिशत मंद अपमिश्रित पक्ष पर पड़ता है, और वह एक असममिति पाठ्यक्रम के शेष भाग से होकर चलती है। इसी कारण एक-पक्षीय संधि (मान लें p+n) का विश्लेषण ऐसे होता है मानो अवक्षय क्षेत्र पूर्णतः मंद अपमिश्रित क्षेत्र में हो; इसी कारण मंद अपमिश्रित पक्ष भंजन वोल्टता नियत करता है; इसी कारण फोटोडायोड का अवशोषक क्षेत्र लगभग नैज स्तर से बनाया जाता है; तथा इसी कारण द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर का संग्राहक मंद अपमिश्रित होता है जबकि उसका उत्सर्जक अधिक।

अग्र अभिनति बाधा को V से नीचा कर देती है, अतः प्रत्येक अवक्षय-किनारे पर निवेशित अल्पसंख्यक-वाहक सांद्रता exp(V/V_T) से गुणित हो जाती है। प्रत्येक अर्ध-उदासीन क्षेत्र में पिछले अध्याय के अल्पसंख्यक-वाहक विसरण समीकरण को हल करके दोनों विसरण धाराएँ जोड़ने पर आदर्श डायोड समीकरण I = I_S (exp(V/nV_T) − 1) मिलता है, I_S = qA(D_p p_n0/L_p + D_n n_p0/L_n) सहित। उस समीकरण के तीन पाठ व्युत्पत्ति से अधिक महत्व रखते हैं। प्रथम, I_S में अल्पसंख्यक-वाहक साम्य सांद्रताएँ हैं, अतः वह n_i² के समानुपाती है — जिसका अर्थ है कि I_S, exp(−E_g/kT) के रूप में बदलता है और सिलिकॉन में प्रत्येक 15 °C हेतु स्थूलतः एक कोटि बढ़ता है। द्वितीय, उत्क्रम अभिनति में चरघातांकी मर जाता है और I → −I_S, वोल्टता से स्वतंत्र धारा, और वही उत्क्रम-अभिनत संधि को प्रतिरोधक के बजाय धारा-स्रोत बनाता है। तृतीय, आदर्शता गुणक n तब 1 होता है जब विसरण प्रभावी हो और 2 की ओर बढ़ता है जब अवक्षय क्षेत्र के भीतर पुनर्संयोजन प्रभावी हो, जो निम्न-धारा क्षेत्र है। व्यावहारिक रूप से, नियत धारा पर अग्र वोल्टता लगभग 2 mV/°C गिरती है, और धारा के एक दशक परिवर्तन की लागत 2.303 × 25.9 = 59.6 mV है — वही 'प्रति दशक 60 mV' जो प्रत्येक अनुरूप अभिकल्पक उद्धृत करता है।

लघु-संकेत कार्य हेतु डायोड दो धारिताओं के समांतर एक प्रतिरोध है। गतिक प्रतिरोध r_d = dV/dI = nV_T/I है, अतः I = 1 mA व n = 1 पर r_d = 0.0259/10⁻³ = 25.9 Ω — कंठस्थ करने योग्य संख्या, क्योंकि वह r_d ≈ 26/I(mA) Ω को एक-सेकंड की गणना बना देती है। संधि (अवक्षय) धारिता C_j = ε_s A/W उत्क्रम अभिनति में प्रभावी है, आकस्मिक संधि हेतु (V_bi + V_R)^(−1/2) के रूप में गिरती है, और वैरैक्टर उसी का दोहन करता है। विसरण (संचयन) धारिता C_d = τ I/V_T अग्र अभिनति में प्रभावी है और किसी ज्यामितीय पृथक्करण के बजाय अर्ध-उदासीन क्षेत्रों में संचित आवेश को निरूपित करती है; वह धारा के समानुपाती है, अतः अग्र-अभिनत डायोड में विशाल है और इसीलिए डायोड तत्काल बंद नहीं होता। संधि द्वारा उत्क्रम वोल्टता सहन करने से पूर्व उस संचित आवेश को हटाना ही पड़ता है, और वही उत्क्रम प्रत्यावर्तन काल है — तथा, जैसा पिछला अध्याय बता चुका, इसीलिए द्रुत डायोडों का जीवनकाल जानबूझकर स्वर्ण अथवा प्लैटिनम से मारा जाता है। किसी क्रांतिक उत्क्रम वोल्टता से आगे संधि दो सुभिन्न क्रियाविधियों में से एक द्वारा भंजित होती है, और पाठ्यक्रम उनके दोहन हेतु बने डायोड का नाम लेता है।

द्विध्रुवी संधि ट्रांजिस्टर एक उत्सर्जक, एक आधार व एक संग्राहक है — n-p-n अथवा p-n-p — और सम्पूर्ण चातुर्य ज्यामितीय है। उत्सर्जक-आधार संधि को अग्र-अभिनत करें और उत्सर्जक आधार में बृहत् अल्पसंख्यक-वाहक जनसंख्या निवेशित करता है। आधार-संग्राहक संधि को उत्क्रम-अभिनत करें ताकि उसका क्षेत्र वहाँ पहुँचने वाली किसी भी वस्तु को बहा ले जाए। अब आधार को अल्पसंख्यक-वाहक विसरण लंबाई से बहुत पतला बनाएँ: पिछले अध्याय में निकाली 45.5 µm इलेक्ट्रॉन विसरण लंबाई के सम्मुख 0.5 µm चौड़े आधार हेतु अनुपात नब्बे-से-एक है, अतः लगभग प्रत्येक निवेशित इलेक्ट्रॉन विसरण द्वारा आधार पार कर जाता है और पुनर्संयोजित होने के बजाय संग्रहित हो जाता है। अतः I_C, उत्सर्जक-आधार वोल्टता से नियंत्रित है और V_CB से लगभग स्वतंत्र — एक धारा-नियंत्रित धारा-स्रोत, और, निर्णायक रूप से, निर्गम धारा निवेश संधि से नियत होती है, और वही उसे प्रवर्धक बनाता है। दो गुणता-अंक उभयनिष्ठ-आधार लब्धि α = I_C/I_E तथा उभयनिष्ठ-उत्सर्जक लब्धि β = I_C/I_B हैं, जो β = α/(1 − α) व α = β/(1 + β) से संबंधित हैं। चार प्रचालन-विधाएँ दोनों संधि-अभिनतियों से निकलती हैं: दोनों अग्र अर्थात् संतृप्ति, दोनों उत्क्रम अर्थात् कट-ऑफ़, उत्सर्जक अग्र व संग्राहक उत्क्रम अर्थात् सक्रिय क्षेत्र, तथा उसका विपरीत उत्क्रम-सक्रिय, जिसकी लब्धि दयनीय है क्योंकि संग्राहक कभी उत्सर्जक बनने हेतु अभिकल्पित ही नहीं था।

तीन द्वितीयक प्रभाव आदर्श धारा-स्रोत को वास्तविक युक्ति बना देते हैं, और तीनों आधार से आते हैं। आधार-चौड़ाई मॉडुलन, अर्ली प्रभाव: V_CE बढ़ाना आधार-संग्राहक अवक्षय क्षेत्र को चौड़ा करता है, जो संग्राहक पक्ष से आधार में खा जाता है, प्रभावी आधार चौड़ाई W_B छोटी करता है, उसके आर-पार अल्पसंख्यक-वाहक प्रवणता तीक्ष्ण करता है और अतः I_C बढ़ाता है। वह सक्रिय-क्षेत्र अभिलक्षणों को परिमित प्रवणता देता है, जिसका वर्णन अर्ली वोल्टता V_A से होता है — V_CE अक्ष पर बहिर्वेशित अंतःखंड — तथा निर्गम प्रतिरोध r_o = V_A/I_C। V_A = 50 V व I_C = 1 mA सहित r_o = 50 kΩ, अतः V_CE को 2 V से 10 V करना I_C को 8/50 = 16 प्रतिशत बढ़ा देता है। पंच-थ्रू: V_CE पर्याप्त दूर धकेलें और संग्राहक अवक्षय क्षेत्र उत्सर्जक तक पूरा पहुँच जाता है, W_B → 0, और ट्रांजिस्टर केवल एक लघुपथ है। उच्च-धारा ह्रास: बृहत् I_C पर आधार में निवेशित अल्पसंख्यक घनत्व आधार-अपमिश्रण की स्पर्धा करता है, उच्च-स्तर निवेशन आ जाता है, और β गिरता है — और इसीलिए ट्रांजिस्टर का β किसी मध्य-परिसर धारा पर शिखर बनाता है और दोनों छोरों पर झुक जाता है। लघु-संकेत में BJT का अभिलक्षण g_m = I_C/V_T से होता है, जो 1 mA पर 10⁻³/0.0259 = 38.6 mA/V है, तथा β = 100 पर r_π = β/g_m = 2.59 kΩ। सुंदर परिणाम पर ध्यान दें: नैज लब्धि g_m r_o = (I_C/V_T)(V_A/I_C) = V_A/V_T = 50/0.0259 = 1930, अभिनति धारा से पूर्णतः स्वतंत्र।

BJT में गति इससे नियत है कि वाहक आधार पार करने में कितना समय लेता है। W_B चौड़ाई के आधार के आर-पार विसरण अग्र संचरण काल τ_F = W_B²/2D_n लेता है, और D_n = 20.7 cm²/s सहित W_B = 0.5 µm = 5 × 10⁻⁵ cm हेतु वह (5 × 10⁻⁵)²/(2 × 20.7) = 6.03 × 10⁻¹¹ s = 60.3 ps है। तत्संबंधी एकांक-लब्धि आवृत्ति f_T ≈ 1/2πτ_F = 2.64 GHz है, और वह आवृत्ति जिस पर स्वयं β एक तक गिर गया है, f_β = f_T/β = 26.4 MHz। W_B में वर्ग ही अभिकल्प-शिक्षा है: आधार चौड़ाई आधी करना संचरण काल एक-चौथाई कर देता है, और इसीलिए द्विध्रुवी प्रौद्योगिकी का सम्पूर्ण इतिहास पतले आधारों का इतिहास है, तथा इसीलिए विषम-संधि द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर — जो मंद अपमिश्रित आधार की आवश्यकता के बिना निवेशन दक्षता पाने हेतु विस्तृत-अंतराल उत्सर्जक प्रयुक्त करता है — आधार को अधिक अपमिश्रित कर सकता है, उसे अत्यंत पतला बना सकता है, और सैकड़ों गीगाहर्ट्ज़ तक पहुँच सकता है। वही आधार-पतलापन, निस्संदेह, पंच-थ्रू को निकट लाता है, अतः प्रतिकरण हेतु आधार-अपमिश्रण घटाया नहीं जा सकता। प्रत्येक द्विध्रुवी अभिकल्प वही सौदा है: लब्धि पतला मंद अपमिश्रित आधार चाहती है, भंजन मोटा अधिक अपमिश्रित।

MOS संधारित्र एक धातु अथवा पॉलीसिलिकॉन गेट, एक पतला ऑक्साइड, तथा एक अर्धचालक आधार है — सामान्य संधारित्र, सिवाय इसके कि उसकी एक पट्टिका अर्धचालक है और अतः एक से अधिक प्रकार से अनुक्रिया कर सकती है। 10 nm ऑक्साइड के नीचे N_A = 10¹⁷ cm⁻³ का p-प्रकार आधार लें। प्रति एकांक क्षेत्रफल ऑक्साइड धारिता C_ox = ε_ox/t_ox = 3.9 × 8.854 × 10⁻¹⁴/10⁻⁶ = 3.453 × 10⁻⁷ F/cm² है, जो अभिन्यास अभियंता की इकाइयों में 3.45 fF/µm² है। अब गेट वोल्टता को व्यापित करें और तीन क्षेत्र क्रम से प्रकट होते हैं। गेट को ऋणात्मक करें और विवर — बहुसंख्यक वाहक — पृष्ठ की ओर आकर्षित होते हैं: संचयन, ऑक्साइड पर ही गतिशील आवेश की पतली चादर, अतः संरचना C_ox मान की सरल समांतर-पट्टिका संधारित्र है। गेट को तनिक धनात्मक करें और विवर दूर धकेल दिए जाते हैं, पीछे अगतिशील ऋणात्मक ग्राही आयन छोड़ते हुए: अवक्षय, और धारिता अब C_ox के श्रेणी में एक अवक्षय धारिता ε_s/W_d है जो W_d बढ़ने पर सिकुड़ती है, अतः कुल गिरता है। और धकेलें और पृष्ठ-विभव पट्टों को इतना मोड़ देता है कि पृष्ठ n-प्रकार हो जाता है: व्युत्क्रमण, p-प्रकार अपमिश्रित आधार में पृष्ठ पर गतिशील इलेक्ट्रॉन-चादर।

प्रबल व्युत्क्रमण परंपरागत रूप से उस बिंदु के रूप में परिभाषित है जहाँ पृष्ठ इलेक्ट्रॉन-सांद्रता पिंड विवर-सांद्रता के बराबर हो, जो तब होता है जब पृष्ठ-विभव 2φ_F तक पहुँचे, जहाँ φ_F = V_T ln(N_A/n_i) वह दूरी है जितनी पिंड का फर्मी स्तर नैज स्तर से बैठा है। हमारे आधार हेतु φ_F = 0.0259 × ln(10¹⁷/1.5 × 10¹⁰) = 0.407 V — पिछले अध्याय में निकाली समरूप संख्या, क्योंकि वह समरूप राशि ही है — अतः प्रबल व्युत्क्रमण को 2φ_F = 0.814 V का पृष्ठ-विभव चाहिए। वहाँ पहुँचने की तीन लागतें हैं, और देहली वोल्टता उनका योग है: V_T = V_FB + 2φ_F + Q_dep/C_ox। समतल-पट्ट वोल्टता V_FB गेट व आधार के बीच कार्य-फलन अंतर तथा किसी भी स्थिर ऑक्साइड आवेश का भुगतान करती है, और इस आधार पर n+ पॉलीसिलिकॉन गेट हेतु वह लगभग −0.9 V है। 2φ_F पट्टों को मोड़ता है। और Q_dep/C_ox वह गेट वोल्टता है जो अवक्षय आवेश को सँभालते ऑक्साइड के आर-पार गिरती है, जहाँ Q_dep = √(2qε_s N_A × 2φ_F) = √(2 × 1.6 × 10⁻¹⁹ × 1.036 × 10⁻¹² × 10¹⁷ × 0.814) = 1.643 × 10⁻⁷ C/cm², जिससे Q_dep/C_ox = 1.643 × 10⁻⁷/3.453 × 10⁻⁷ = 0.476 V। जोड़ने पर: V_T = −0.9 + 0.814 + 0.476 = 0.390 V। अवक्षय आवेश को ज्यामिति के सम्मुख प्रति-जाँचें: W_dmax = √(2ε_s × 2φ_F/qN_A) = 1.027 × 10⁻⁵ cm = 103 nm, तथा qN_A W_dmax = 1.643 × 10⁻⁷ C/cm² ✓, भिन्न मार्ग से वही संख्या।

MOS संधारित्र में n+ स्रोत व n+ ड्रेन जोड़ें और व्युत्क्रमण-स्तर ऐसा चैनल बन जाता है जिसके पास जाने का स्थान है। देहली से ऊपर चैनल में किसी बिंदु पर गतिशील चादर-आवेश Q_n = C_ox(V_GS − V_T − V(x)) है, और चैनल के अनुदिश अपवाह धारा का समाकलन ट्रायोड (रैखिक) व्यंजक I_D = µ_n C_ox (W/L)[(V_GS − V_T)V_DS − V_DS²/2] देता है। V_DS बढ़ाएँ और ड्रेन-छोर पर चैनल-आवेश सिकुड़ता जाता है जब तक, V_DS = V_GS − V_T पर, वह शून्य तक पहुँच जाए — चैनल पिंच-ऑफ़ हो जाता है, और उस बिंदु के आगे का V_DS चैनल बदलने के बजाय ड्रेन के निकट लघु अवक्षयित क्षेत्र में अवशोषित हो जाता है। अतः संतृप्ति में धारा बढ़ना बंद कर देती है: I_D = ½ µ_n C_ox (W/L)(V_GS − V_T)²। संदर्भ युक्ति हल करें: t_ox = 10 nm से C_ox = 3.453 × 10⁻⁷ F/cm², पृष्ठ गतिशीलता µ_n = 400 cm²/V·s लें (पिंड-मान का स्थूलतः आधा, क्योंकि चैनल में वाहकों का प्रकीर्णन ऑक्साइड अंतरापृष्ठ से होता है), अतः µ_n C_ox = 138 µA/V²। W/L = 10, V_GS = 1.2 V तथा ऊपर निकाली V_T = 0.390 V सहित अतिचालन V_ov = 0.810 V है और I_D = ½ × 138 × 10⁻⁶ × 10 × 0.810² = 454 µA। ट्रांसकंडक्टेंस g_m = µ_n C_ox (W/L)V_ov = 1.12 mA/V है, और प्रति-जाँच g_m = 2I_D/V_ov = 2 × 454 × 10⁻⁶/0.810 = 1.12 mA/V ✓।

वर्ग-नियम से तीन विचलन स्वयं परीक्षणीय हैं। चैनल-लंबाई मॉडुलन MOSFET का अर्ली प्रभाव है: पिंच-ऑफ़ से आगे ड्रेन के निकट अवक्षयित क्षेत्र V_DS के साथ बढ़ता है, प्रभावी चैनल छोटा करता हुआ, अतः I_D = ½µ_nC_ox(W/L)V_ov²(1 + λV_DS) और निर्गम प्रतिरोध r_o = 1/λI_D है। λ = 0.05 V⁻¹ व I_D = 454 µA पर वह 44.1 kΩ है, जो नैज लब्धि g_m r_o = 49 देता है — द्विध्रुवी अंक से चालीस गुना बुरा, और वही कारण कि अनुरूप MOS अभिकल्प कैस्कोडन पर इतना अधिक टिकता है। पिंड प्रभाव: देहली वोल्टता युक्ति का अचर नहीं बल्कि स्रोत-से-पिंड वोल्टता का फलन है, V_T = V_T0 + γ(√(2φ_F + V_SB) − √(2φ_F)), हमारी युक्ति हेतु γ = √(2qε_sN_A)/C_ox = 0.527 V^½ सहित। पिंड पर केवल V_SB = 1 V रखें और ΔV_T = 0.527 × (√1.814 − √0.814) = 0.527 × (1.347 − 0.902) = 0.234 V, अतः V_T, 0.390 V से 0.624 V तक बढ़ जाता है, 60 प्रतिशत की वृद्धि। इसीलिए CMOS गेट में श्रेणी ट्रांजिस्टरों का ढेर उस वोल्टता पर स्विच नहीं करता जिस पर निचला करता है, और इसीलिए अनुरूप युक्ति का स्रोत जहाँ भी अभिन्यास अनुमति दे अपने ही पिंड से बाँध दिया जाता है।

स्थिर-क्षेत्र (डेनार्ड) अनुमापन एक ही निर्देश वाला विधान है: प्रत्येक लंबाई व प्रत्येक वोल्टता को उसी गुणक S से भाग दें, और अपमिश्रण को S से गुणा करें। ऐसा करें और युक्ति के भीतर विद्युत क्षेत्र अपरिवर्तित रहता है, अतः जो भौतिकी भंग हो सकती थी — भंजन, वेग-संतृप्ति, ऑक्साइड विश्वसनीयता — वह बिगड़ती नहीं। तत्पश्चात् प्रत्येक अन्य राशि बीजगणित से निकलती है, और बीजगणित कंठस्थ करने के बजाय एक बार करना उचित है, क्योंकि परीक्षा व्यक्तिगत प्रविष्टियाँ पूछती है। ऑक्साइड मोटाई t_ox, S से भाजित होती है, अतः प्रति एकांक क्षेत्रफल C_ox, S से गुणित होती है, किंतु गेट क्षेत्रफल S² से भाजित होता है, अतः गेट धारिता S से भाजित होती है। धारा I ∝ (W/L)µC_ox V², (1)(S)(1/S²) = 1/S के रूप में अनुमापित होती है, अतः धारा S से भाजित होती है। विलंब CV/I, (1/S)(1/S)/(1/S) = 1/S के रूप में अनुमापित होता है, अतः परिपथ S से तीव्रतर हो जाते हैं। शक्ति VI, (1/S)(1/S) = 1/S² के रूप में अनुमापित होती है, और चूँकि क्षेत्रफल भी S² से भाजित होता है, शक्ति-घनत्व स्थिर है — और वही सम्पूर्ण प्रयोजन है, तथा वही वचन जिसने उद्योग को उसी पैकेज व उसी पंखे को रखते हुए दो-एक वर्ष में ट्रांजिस्टर-संख्या दुगुनी करने दी।

LED प्रत्यक्ष-अंतराल पदार्थ में अग्र-अभिनत संधि है, ऐसे व्यवस्थित कि निवेशित वाहक विकिरणी रूप से पुनर्संयोजित हों। फोटॉन-ऊर्जा स्थूलतः वर्जित अंतराल पर निकलती है, अतः उत्सर्जित तरंगदैर्घ्य पदार्थ से λ(nm) = 1240/E_g(eV) द्वारा नियत है — वह संबंध जिसे एक बार E = hc/λ से व्युत्पन्न करना और तत्पश्चात् बिना सोचे प्रयोग करना उचित है। E_g = 1.42 eV पर गैलियम आर्सेनाइड 1240/1.42 = 873 nm पर उत्सर्जित करता है, निकट अवरक्त में, और सुदूर-नियंत्रक तथा अल्प-दूरी तंतु-कड़ी को ठीक वही चाहिए। 650 nm पर दृश्य लाल पाने हेतु अंतराल 1240/650 = 1.91 eV होना चाहिए, जो मिश्रातु बनाकर प्राप्त होता है — ऐलुमिनियम गैलियम आर्सेनाइड अथवा गैलियम आर्सेनाइड फॉस्फाइड। 450 nm पर नीले हेतु 1240/450 = 2.76 eV चाहिए, और इसीलिए नीली व श्वेत LED इंडियम गैलियम नाइट्राइड हैं: गैलियम नाइट्राइड का अपना 3.4 eV अंतराल 365 nm पर उत्सर्जित करता, पराबैंगनी में, अतः अंतराल नीचे लाने हेतु इंडियम जोड़ा जाता है। और सिलिकॉन, 1.12 eV पर, यदि उत्सर्जित करता ही तो 1107 nm पर करता — जो, अप्रत्यक्ष होने से, वह प्रभावी रूप से नहीं करता। जानने योग्य दक्षता-अंक हैं आंतरिक क्वांटम दक्षता (प्रति निवेशित वाहक-युग्म जनित फोटॉन), निष्कर्षण दक्षता (वे फोटॉन जो पुनः अवशोषित होने अथवा उच्च-अपवर्तनांक अर्धचालक पृष्ठ पर पूर्ण आंतरिक परावर्तन के बजाय निकल जाते हैं), तथा उनका गुणनफल, बाह्य क्वांटम दक्षता।

फोटोडायोड उसी संधि को उल्टा चलाता है: उसे उत्क्रम-अभिनत करें ताकि उसका अवक्षय क्षेत्र चौड़ा व उसका क्षेत्र प्रबल हो, अंतराल से अधिक ऊर्जा के फोटॉनों को उस क्षेत्र के भीतर इलेक्ट्रॉन-विवर युग्म बनाने दें, और क्षेत्र उनके पुनर्संयोजित होने से पूर्व उन्हें पृथक् कर देता है, प्रकाशिक शक्ति के समानुपाती प्रकाश-धारा देता हुआ। गुणता-अंक अनुक्रियता R = ηqλ/hc है, जो व्यावहारिक इकाइयों में R = ηλ(µm)/1.24 A/W है। λ = 0.85 µm पर क्वांटम दक्षता η = 0.8 वाले सिलिकॉन फोटोडायोड हेतु R = 0.8 × 0.85/1.24 = 0.548 A/W, अतः 10 µW आपाती प्रकाश 0.548 × 10 = 5.48 µA प्रकाश-धारा देता है। फोटॉन गिनकर उसे जाँचें: 850 nm पर प्रत्येक फोटॉन 1240/850 = 1.459 eV = 2.337 × 10⁻¹⁹ J वहन करता है, अतः 10 µW, 10⁻⁵/2.337 × 10⁻¹⁹ = 4.28 × 10¹³ फोटॉन प्रति सेकंड है; 80 प्रतिशत दक्षता पर वह 3.42 × 10¹³ इलेक्ट्रॉन प्रति सेकंड है, अथवा 3.42 × 10¹³ × 1.6 × 10⁻¹⁹ = 5.48 µA ✓। ध्यान दें कि अनुक्रियता तरंगदैर्घ्य के साथ क्या करती है: वह λ के साथ रैखिकतः बढ़ती है, क्योंकि दीर्घ-तरंगदैर्घ्य फोटॉन कम ऊर्जा वहन करता है अतः वही प्रकाशिक शक्ति अधिक फोटॉन देती है — और तत्पश्चात् वह कटऑफ़ तरंगदैर्घ्य λ_c = 1.24/E_g के आगे शून्य तक ढह जाती है, जो सिलिकॉन हेतु 1.107 µm है। वही एक संख्या कारण है कि सिलिकॉन फोटोडायोड उन 1.31 व 1.55 µm तरंगदैर्घ्यों पर व्यर्थ हैं जिन्हें प्रकाशिक तंतु वस्तुतः प्रयुक्त करता है, तथा वे अभिग्राही जर्मेनियम (λ_c = 1.88 µm) अथवा इंडियम गैलियम आर्सेनाइड (λ_c ≈ 1.65 µm) क्यों हैं।

फोटोडायोड के दो परिष्करण पाठ्यक्रम की सूची पूर्ण करते हैं। PIN फोटोडायोड p+ व n+ क्षेत्रों के बीच मंद अपमिश्रित, लगभग नैज स्तर डाल देता है, जो एक साथ दो कार्य करता है: वह अवक्षय क्षेत्र को चौड़ा बना देता है, अतः आपाती प्रकाश का अधिक भाग क्षेत्र के भीतर अवशोषित होता है जहाँ वाहक संग्रहित होंगे, न कि उसके बाहर जहाँ उन्हें धीरे-धीरे भीतर विसरित होना पड़ता; और वह संधि धारिता घटा देता है, चूँकि C_j = ε_s A/W है और W अब सम्पूर्ण नैज स्तर है। दोनों गति सुधारते हैं, और चौड़ाई अवशोषण (जो उसे मोटा चाहता है) व संचरण काल (जो उसे पतला चाहता है) के बीच सौदे के रूप में चुनी जाती है। हिमस्खलन फोटोडायोड संधि को भंजन से ठीक नीचे अभिनत करता है ताकि प्रत्येक प्रकाश-जनित वाहक संघट्ट-आयनन प्रेरित करे और सिरे तक पहुँचने से पूर्व दस से सौ के गुणक M से गुणित हो जाए, आंतरिक लब्धि व प्रभावी अनुक्रियता M × R देता हुआ। पेच यह है कि गुणन सांख्यिक प्रक्रिया है, अतः वह संकेत के साथ रव भी प्रवर्धित करता है और अपना एक आधिक्य-रव गुणक जोड़ देता है; हिमस्खलन फोटोडायोड केवल तब जीतता है जब सीमा अनुवर्ती प्रवर्धक का रव हो, फोटोडायोड का नहीं। दोनों युक्तियाँ वही बात भी सिद्ध करती हैं जिससे खंड आरंभ हुआ: कुछ नया प्रस्तुत नहीं किया गया है। PIN डायोड वह संधि है जिसकी अवक्षय चौड़ाई जानबूझकर चुनी गई, और हिमस्खलन फोटोडायोड वह संधि है जो उसी क्षेत्र में अभिनत है जिसका वर्णन ज़ेनर खंड पहले ही कर चुका।