نظریه پیوند PN 

یک پیوند PN هنگامی شکل می‌گیرد که یک ماده نوع N با یک ماده نوع P با یکدیگر ذوب شده و تشکیل یک دیود نیمه رسانا را می‌دهند.

نظریه پیوند PN

در آموزش قبلی نحوه ایجاد یک ماده نیمه رسانا نوع N با دوپینگ یک اتم سیلیکون با مقدار کوچکی از آنتیمونی و همچنین نحوه ایجاد ماده نیمه رسانا نوع P با دوپینگ اتم سیلیکون دیگر با اتم بورون را دیدیم.

اینها همه عالی و خوب هستند، اما این مواد نیمه رسانای نوع P و N جدیدا دوپ شده به خودی خود کار کمی انجام می‌دهند زیرا آنها از نظر الکتریکی خنثی هستند. اگرچه، اگر ما این دو ماده نیمه رسانا را با یکدیگر پیوند ( یا ذوب کنیم) دهیم، آنها بسیار متفاوت رفتار می‌کنند، با یکدیگر ادغام شده و آنچه که عموما معروف به ” پیوند PN ” است را تولید می‌کنند.

به شما پیشنهاد می شود برای درک نیمه رسانا چیست مقاله ما را مطالعه نمایید.

هنگامی که مواد نیمه رسانای نوع N و P برای بار اول به یکدیگر وصل می‌شوند، یک گرادیان چگالی بسیار بزرگ بین هر دو بخش پیوند PN بوجود می‌آید. نتیجه این است که بعضی از الکترون های آزاد از اتم های ناخالصی اهدا کننده شروع به مهاجرت در سرتاسر این پیوند تازه تشکیل شده برای پر کردن حفره ها در ماده نوع P  می‌کنند و یونهای منفی تولید می‌کنند.

اگرچه، به دلیل اینکه الکترونها در سرتاسر پیوند PN از سیلیکون نوع N به سیلیکون نوع P منتقل شده اند، یون های اهداکننده دارای بار مثبت (N_D) را در سمت منفی رها می‌کنند و اکنون حفره ها از ناخالصی گیرنده در سرتاسر محل پیوند در جهت مخالف به منطقه ای که تعداد زیادی الکترون آزاد وجود دارد نقل مکان می‌کنند.

به عنوان نتیجه، چگالی بار نوع P همراه با پیوند با یونهای گیرنده بار منفی (N _A) پر می‌شود و چگالی بار نوع N همراه با پیوند مثبت می‌شود. این انتقال بار الکترونها و حفره ها در سرتاسر پیوند  PNبصورت انتشار شناخته می‌شود. پهنای این لایه های P و N به اینکه به چه آسانی هر طرف به ترتیب با چگالی گیرنده N_A و چگالی اهدا کننده N_D دوپ شده باشند، بستگی دارد.

این فرآیند به جلو و عقب ادامه می یابد تا زمانی که تعداد الکترون هایی که از پیوند عبور کرده اند، یک بار الکتریکی به اندازه کافی بزرگ برای دفع یا جلوگیری از عبور حامل های بار بیشتر از پیوند دارند. سرانجام حالت تعادل (وضعیت خنثی الکتریکی) یک منطقه “مانع بالقوه” در اطراف منطقه پیوند ایجاد خواهد کرد، زیرا اتم های اهدا کننده حفره ها را دفع می کنند و اتم های گیرنده الکترون ها را دفع می کنند.

از آنجا که هیچ یک از حاملان بار آزاد نمی توانند در موقعیتی که مانع بالقوه وجود داشته باشد، قرار بگیرند، مناطق در هر دو طرف پیوند اکنون در مقایسه با مواد نوع N و P  در دورتر از پیوند کاملاً از هر نوع حامل های آزاد بیشتر تخلیه می شوند. این منطقه در اطراف پیوند PN اکنون لایه تخلیه نامیده می‌شود.

پیوند PN

برای بدست آوردن شرایط بار خنثی در اطراف پیوند، بار کلی در هر بخش یک پیوند PN باید برابر و مخالف با یکدیگر باشند. اگر منطقه لایه تخلیه دارای فاصله D باشد، بنابراین باید با فاصله D_p از طرف مثبت به داخل سیلیکون نفوذ کرده و مسافت D_n را برای طرف منفی برقرار کند و رابطه ای بین این دو بصورت D_p × N_A = D_n × N_P  است که به منظور حفظ خنثایی بار است که تعادل نیز خوانده می شود.

فاصله پیوند PN

از آنجا که ماده نوع N دارای الکترونهای از دست رفته و نوع P دارای حفره های از دسته رفته هستند، مواد نوع N نسبت به نوع P مثبت شده اند. سپس وجود یون های ناخالصی در هر دو طرف پیوند باعث ایجاد یک میدان الکتریکی در سرتاسر این منطقه با یک ولتاژ مثبت در سمت N نسبت به سمت P می‌شود.

مشکل اکنون این است که یک بار آزاد برای غلبه بر موانعی که اکنون وجود دارد، به انرژی اضافی نیاز دارد تا بتواند از پیوند منطقه تخلیه عبور کند. این میدان الکتریکی به وجود آمده توسط فرآیند انتشار، یک “اختلاف بالقوه داخلی” را در سرتاسر پیوند با پتانسیل مدار باز (بایاس صفر) ایجاد کرده است:

[latex] E_{0}=V_{T}ln(frac{N_{D}.N_{A}}{n_{i}^{2}})[/latex]

بطوریکه: E_o ولتاژ پیوند بایاس صفر، V_T ولتاژ حرارتی 26mV در دمای اتاق، N_D و N_A غلظت ناخالصی و n_i غلظت ذاتی است.

یک ولتاژ مثبت مناسب (بایاس مستقیم) که بین دو انتهای پیوند PN اعمال شده است می تواند الکترون ها و حفره ها را با انرژی اضافی تغذیه کند. ولتاژ خارجی مورد نیاز برای غلبه بر این مانع بالقوه که اکنون وجود دارد، بیشتر به نوع ماده نیمه رسانا مورد استفاده و دمای واقعی آن بستگی دارد.

به طور معمول در دمای اتاق، ولتاژ در سرتاسر لایه تخلیه برای سیلیکون حدود [latex] 0.7-0.6 [/latex] ولت و برای ژرمانیوم حدود [latex] 0.35-0.3 [/latex] ولت است. این مانع بالقوه  همیشه وجود خواهد داشت حتی اگر دستگاه به هیچ منبع تغذیه خارجی متصل نشود، که در دیودها نیز مشاهده شد.

اهمیت این پتانسیل  ایجاد شده در داخل در سرتاسر پیوند، این است که هم با جریان حفره ها و هم الکترونها در پیوند مخالف است و به همین دلیل است که آن را مانع بالقوه می نامند. در عمل، یک پیوند PN در داخل یک کریستال تنها از مواد ایجاد می شود نه اینکه فقط دو قطعه جداگانه به سادگی به یکدیگر پیوند داده شوند.

نتیجه این فرایند این است که پیوند PN دارای ویژگی های جریان-ولتاژ یکسو کننده (IV یا I-V) است. کنتاکتهای الکتریکی به هر دو طرف نیمه رسانا وصل شده تا امکان اینکه یک اتصال الکتریکی به یک مدار خارجی تبدیل شود را ممکن سازند. دستگاه الکترونیکی حاصل که ساخته شده است معمولاً یک دیود پیوندی PN یا به سادگی دیود سیگنال گفته می شود.

سپس ما در اینجا دیدیم که یک پیوند PN می‌تواند با اتصال یا پخش کردن مواد نیمه رسانای دوپ شده متفاوت با یکدیگر برای تولید یک وسیله الکترونیکی به نام دیود ایجاد شود که می تواند به عنوان ساختار نیمه رسانای اولیه یکسو کننده ها، تمام انواع ترانزیستورها، LED ها، سلولهای خورشیدی و بسیاری از قطعات حالت جامد دیگر، استفاده شود.

در آموزش بعدی پیرامون پیوند PN، خواهیم دید که یکی از جالب ترین کاربردهای پیوند PN ، استفاده از آن در مدارهایی به عنوان دیود است. با افزودن اتصالات به هر دو انتهای مواد نوع P و نوع N می توانیم یک قطعه دو پایه به نام دیود پیوندی PN تولید کنیم که می تواند توسط یک ولتاژ خارجی بایاس شود تا یا مانع شارش جریان شود و یا اجازه عبور جریان از آن را بدهد.