بررسی اتصال PN در دیود (آموزش نیمه هادی P و N)

یک قطعه نیمه رسانای نوع n یا نوع p شبیه به یک مقاومت است که به تنهایی کاربرد چندانی ندارد. اما وقتی یک تولیدکننده یک کریستال سیلیکون را به گونهای دوپ میکند که یک طرف آن با مواد نوع p و طرف دیگر آن با مواد نوع n دوپ شود، چیزی جدید به وجود میآید: اتصال PN.

اتصالات PN یکی از اساسی ترین مفاهیم در دنیای الکترونیک و نیمه رساناها هستند. این اتصالات پایه و اساس بسیاری از دستگاه های الکترونیکی مانند دیودها، ترانزیستورها، سلول های خورشیدی، LED ها و مدارهای مجتمع را تشکیل میدهند. در این مقاله، به بررسی کامل اتصال PN، نحوه عملکرد آن و کاربردهایش میپردازیم.

قسمت قبلی را بخوانید: آموزش کامل نیمه هادی ها (سمی کنداکتور Semiconductor چیست؟)

معرفی مختصر نیمه هادی P و N

همانطور که میدانیم، نیمه رسانای نوع p دارای اتمهای سه ظرفیتی است که هر کدام یک حفره ایجاد میکنند. میتوانیم این را به شکل زیر تصور کنیم: هر علامت منفی دایره ای نشان دهنده اتم سه ظرفیتی و هر علامت مثبت نشان دهنده حفره در مدار ظرفیت آن است.

از طرف دیگر، نیمه رسانای نوع n دارای اتم های پنج ظرفیتی است که هر کدام یک الکترون آزاد تولید میکنند. این را نیز میتوانیم به شکل زیر تصور کنیم: هر علامت مثبت دایره ای نشان دهنده اتم پنج ظرفیتی و هر علامت منفی نشان دهنده الکترون آزادی است که آن اتم تأمین میکند.

یک تولیدکننده میتواند یک کریستال سیلیکون واحد تولید کند که یک طرف آن با مواد نوع p و طرف دیگر آن با مواد نوع n دوپ شده باشد. مرز بین این دو ناحیه، اتصال PN نامیده میشود.

این ساختار به عنوان دیود اتصالی نیز شناخته میشود. کلمه “دیود” از دو الکترود (Electrode) گرفته شده است که “Di” به معنای دو است.

حالت های بایاس اتصال PN

حالت های زیر برای تنظیم اتصال PN ممکن است.

1. تعادل یا بایاس صفر: هیچ ولتاژ خارجی به اتصال PN اعمال نشده است.
2. بایاس معکوس: ترمینال مثبت منبع به ناحیه n و ترمینال منفی منبع به ناحیه p متصل میشود.
3. بایاس مستقیم: ترمینال منفی منبع به ناحیه n و ترمینال مثبت منبع به ناحیه p متصل میشود.

بیایید هر یک از این حالات را به ترتیب بررسی کنیم.

حالت تعادل: تشکیل ناحیه تخلیه و پتانسیل سد

در حالت تعادل، بدون اعمال ولتاژ خارجی، اتصال PN به تعادل میرسد. این اتفاق چگونه رخ میدهد؟

ناحیه تخلیه

نیمه رسانای نوع n تعداد بیشتری الکترون آزاد نسبت به نیمه رسانای نوع p دارد. به دلیل غلظت بالای الکترونها در سمت n، آنها یکدیگر را دفع میکنند.

این دفع باعث میشود الکترونهای آزاد در همه جهات پخش شوند (انتشار یابند). برخی از آنها از اتصال عبور میکنند. وقتی یک الکترون آزاد وارد ناحیه p میشود، به سمت یک حفره مثبت جذب شده و با آن بازترکیب میشود. با این بازترکیب، حفره ناپدید میشود و الکترون آزاد به یک الکترون ظرفیت تبدیل میشود.

وقتی الکترون آزاد به یک حفره در سمت p میافتد، اتم سمت p یک الکترون اضافی به دست میآورد. این اتم که الکترون اضافی دارد، تعداد الکترون هایش بیشتر از پروتون ها میشود و به یک یون منفی تبدیل میشود.

به طور مشابه، هر الکترون آزادی که اتم سمت n را ترک میکند، یک حفره در اتم سمت n ایجاد میکند. این اتم که الکترون از دست داده، تعداد پروتون هایش بیشتر از الکترون ها میشود و به یک یون مثبت تبدیل میشود.

بنابراین، هر بار که یک الکترون از اتصال عبور میکند و با یک حفره بازترکیب میشود، یک جفت یون مثبت و منفی ایجاد میکند. این یون ها در دو طرف اتصال تشکیل میشوند.

هر جفت یون مثبت و منفی در اتصال، یک دوقطبی نامیده میشود. ایجاد دوقطبی ها باعث میشود ناحیه نزدیک به اتصال از حامل های بار اکثریت (الکترون ها در سمت n و حفره ها در سمت p) خالی شود. به همین دلیل این ناحیه را ناحیه تخلیه مینامیم.

سد پتانسیل

هر دوقطبی یک میدان الکتریکی بین یونهای مثبت و منفی ایجاد میکند. این میدان الکتریکی هر زمان که یک الکترون آزاد سعی میکند وارد ناحیه تخلیه شود، آن را به سمت ناحیه n بازمیگرداند.

با افزایش تعداد دوقطبی ها، قدرت میدان الکتریکی نیز افزایش مییابد. در نهایت، این میدان الکتریکی از انتشار بیشتر الکترونها در سراسر اتصال جلوگیری میکند و سیستم به تعادل میرسد.

این میدان الکتریکی معادل یک اختلاف پتانسیل به نام سد پتانسیل است. در دمای اتاق، پتانسیل سد برای دیودهای ژرمانیم حدود 0.3 ولت و برای دیودهای سیلیکون حدود 0.7 ولت است.

بایاس مستقیم

در بایاس مستقیم، ناحیه p به ترمینال مثبت منبع و ناحیه n به ترمینال منفی منبع متصل میشود. شکل زیر یک دیود با بایاس مستقیم را نشان میدهد.

در بایاس مستقیم، ناحیه p به مثبت و ناحیه n به منفی منبع متصل میشود. اگر ولتاژ اعمالی بیشتر از پتانسیل سد باشد، الکترونها و حفرهها به سمت اتصال حرکت میکنند و ناحیه تخلیه را کاهش میدهند. این امر باعث هدایت جریان از دیود میشود. در این حالت، دیود مانند یک سوئیچ باز عمل میکند و جریان به راحتی عبور میکند.

بایاس معکوس: جلوگیری از جریان

در بایاس معکوس، ناحیه p به منفی و ناحیه n به مثبت منبع متصل میشود. این کار باعث گسترش ناحیه تخلیه و جلوگیری از عبور جریان میشود. تنها یک جریان بسیار کوچک به نام جریان اشباع معکوس (ناشی از حاملهای اقلیت) وجود دارد که معمولاً ناچیز است.

جریان معکوس در یک دیود شامل جریان حاملهای اقلیت و جریان نشتی سطحی است. این جریان معکوس آنقدر کوچک است که حتی قابل توجه نیست و تقریباً صفر در نظر گرفته میشود.

جریان اشباع معکوس

همانطور که میدانیم، انرژی گرمایی به طور مداوم جفت های الکترون-حفره ایجاد میکند. فرض کنید انرژی گرمایی یک الکترون آزاد و یک حفره در داخل ناحیه تخلیه ایجاد کرده است.

ناحیه تخلیه الکترون آزاد تازه ایجاد شده را به سمت ناحیه n میراند و آن را مجبور میکند تا از انتهای راست دیود خارج شود. وقتی به انتهای راست دیود میرسد، وارد سیم خارجی میشود و به سمت ترمینال مثبت باتری جریان مییابد.

از طرف دیگر، حفره تازه ایجاد شده به سمت ناحیه p رانده میشود. این حفره اضافی در سمت p اجازه میدهد تا یک الکترون از ترمینال منفی باتری وارد انتهای چپ دیود شود و در یک حفره بیفتد.

از آنجایی که انرژی گرمایی به طور مداوم جفتهای الکترون-حفره را در داخل ناحیه تخلیه ایجاد میکند، یک جریان کوچک و پیوسته در مدار خارجی جریان مییابد. چنین جریان معکوسی که توسط حامل های اقلیت تولید شده گرمایی ایجاد میشود، جریان اشباع نامیده میشود. نام اشباع به این معنی است که افزایش ولتاژ معکوس تعداد حامل های اقلیت تولید شده گرمایی را افزایش نمیدهد.

جریان نشتی سطحی

جریان دیگری نیز در یک دیود با بایاس معکوس وجود دارد. یک جریان کوچک روی سطح کریستال جریان مییابد که به عنوان جریان نشتی سطحی شناخته میشود.

اتم های روی سطح بالا و پایین کریستال هیچ همسایه ای ندارند. آنها فقط شش الکترون در مدار ظرفیت خود دارند. این بدان معناست که هر اتم سطحی دو حفره دارد. تصویر زیر این حفره ها را در امتداد سطح کریستال نشان میدهد.

به دلیل این حفره ها، الکترون ها از طریق حفره های سطحی از ترمینال منفی باتری به ترمینال مثبت باتری حرکت میکنند. به این ترتیب، یک جریان معکوس کوچک در امتداد سطح جریان مییابد.

یک محدودیت برای میزان ولتاژ معکوسی که یک دیود میتواند قبل از تخریب تحمل کند، وجود دارد. اگر به افزایش ولتاژ معکوس ادامه دهید، دیود در نهایت به ولتاژ شکست میرسد.

وقتی به ولتاژ شکست میرسد، تعداد زیادی حامل اقلیت در ناحیه تخلیه توسط اثر آوالانش تولید میشوند و دیود شروع به هدایت شدید در جهت معکوس میکند.

اثر آوالانش

همانطور که میدانیم، یک جریان کوچک حامل اقلیت در یک دیود با بایاس معکوس وجود دارد. وقتی ولتاژ معکوس افزایش مییابد، حامل های اقلیت را مجبور میکند تا سریعتر حرکت کنند. این حامل های اقلیت که با سرعت بالا حرکت میکنند، با اتم های کریستال برخورد میکنند و الکترون های ظرفیت را آزاد میکنند، که الکترون های آزاد بیشتری تولید میکنند. این حامل های اقلیت جدید به حامل های اقلیت موجود میپیوندند و با اتم های دیگر برخورد میکنند که الکترون های بیشتری را آزاد میکنند.

یک الکترون آزاد یک الکترون ظرفیت را آزاد میکند و نتیجه آن دو الکترون آزاد است. این دو الکترون آزاد سپس دو الکترون دیگر را آزاد میکنند و نتیجه آن چهار الکترون آزاد است. به این ترتیب تعداد الکترونها به صورت تصاعد هندسی افزایش مییابد: 1، 2، 4، 8، …

این برخورد مداوم با اتم ها تعداد زیادی حامل اقلیت ایجاد میکند که مقدار قابل توجهی جریان معکوس در دیود تولید میکنند. و این فرآیند ادامه مییابد تا زمانی که جریان معکوس به اندازه کافی بزرگ شود که دیود را از بین ببرد.

نماد شماتیک دیود

شکل زیر نماد شماتیک یک دیود را نشان میدهد. نماد شبیه یک پیکان است که از سمت p به سمت n اشاره میکند. سمت p آند و سمت n کاتد نامیده میشود.

مشخصه I-V دیود

شکل زیر یک مدار دیود پایه را نشان میدهد که در آن دیود با بایاس مستقیم متصل شده است. معمولاً از یک مقاومت سری Rs برای محدود کردن مقدار جریان مستقیم IF استفاده میشود.

پس از اتصال این مدار، اگر ولتاژ و جریان دیود را برای بایاس مستقیم و معکوس اندازه گیری کنید و آن را رسم کنید، نموداری شبیه به این خواهید داشت:

این نمودار مشخصه جریان-ولتاژ (I-V) نامیده میشود. این مهمترین مشخصه دیود است زیرا تعریف میکند که چه مقدار جریان برای یک ولتاژ معین از دیود عبور میکند.

بسته به ولتاژ اعمال شده در دو سر آن، یک دیود در یکی از سه ناحیه کار میکند: بایاس مستقیم، بایاس معکوس و شکست.

ناحیه بایاس مستقیم

وقتی ولتاژ دیود کمتر از پتانسیل سد باشد، یک جریان کوچک از دیود عبور میکند. وقتی ولتاژ دیود از پتانسیل سد فراتر رود، جریان عبوری از دیود به سرعت افزایش مییابد.

ولتاژی که در آن جریان شروع به افزایش سریع میکند، ولتاژ مستقیم (VF) دیود نامیده میشود. به آن ولتاژ قطع یا ولتاژ زانو نیز میگویند. معمولاً یک دیود سیلیکونی دارای VF حدود 0.7 ولت و یک دیود مبتنی بر ژرمانیم حدود 0.3 ولت است.

ناحیه بایاس معکوس

ناحیه بایاس معکوس بین جریان صفر و شکست وجود دارد.

در این ناحیه، یک جریان معکوس کوچک از دیود عبور میکند. این جریان معکوس توسط حاملهای اقلیت تولید شده گرمایی ایجاد میشود. این جریان معکوس آنقدر کوچک است که حتی قابل توجه نیست و تقریباً صفر در نظر گرفته میشود.

ناحیه شکست

اگر به افزایش ولتاژ معکوس ادامه دهید، در نهایت به ولتاژی به نام ولتاژ شکست دیود خواهید رسید.

اگر ولتاژ معکوس از حد مشخصی (ولتاژ شکست) بیشتر شود، دیود وارد حالت شکست آوالانش میشود. در این حالت، جریان معکوس به شدت افزایش مییابد و ممکن است به دیود آسیب برساند. این پدیده در برخی کاربردها مانند دیودهای زنر مفید است.

کاربردهای اتصال PN

اتصالات PN در بسیاری از دستگاه های الکترونیکی استفاده میشوند، از جمله:

• دیودها: برای یکسوسازی جریان متناوب (AC) به مستقیم (DC).
• ترانزیستورها: برای تقویت و سوئیچینگ سیگنال ها.
• سلولهای خورشیدی: برای تبدیل نور به الکتریسیته.
• LEDها: برای تولید نور.

اتصال PN یک مفهوم کلیدی در الکترونیک است که درک آن به شما کمک میکند تا عملکرد بسیاری از دستگاه های نیمه رسانا را بهتر بفهمید. از دیودها تا ترانزیستورها و سلولهای خورشیدی، اتصالات PN نقش اساسی در فناوری های مدرن ایفا میکنند. اگر به دنبال یادگیری بیشتر درباره الکترونیک و نیمه رساناها هستید، درک اتصال PN نقطه شروع عالی است.

مقاله بعدی: بزودی…