سلام، امیدوارم حال همه شما عالی باشه. در آموزش قبلی به بررسی اصول نیمه هادی ها پرداختیم که در آنجا به طور خلاصه در مورد PN Junction صحبت کردیم. در این آموزش قصد داریم نگاه دقیق تری بر مفهوم پیوند PN یا PN Junction داشته باشیم.

اما قبل از پرداختن به جزئیات PN Junction، ابتدا باید چند تا مفهوم از مقالات قبلی را یادآوری می کنیم:

مبانی نیمه هادی

همانطور که می دانیم، قدرت رسانایی یک ماده نیمه هادی چیزی مابین یک هادی و یک عایق قرار دارد. بنابراین بسته به شرایط اعمال شده می تواند به عنوان یک هادی خالص و یا به عنوان یک عایق خالص عمل کند.

نیمه هادی ها به دو نوع تقسیم می شوند:

نیمه هادی ذاتی

نیمه هادی غیرذاتی

مفهوم نیمه هادی ذاتی

یک نیمه هادی خود به شکل خالص به عنوان نیمه هادی ذاتی نامیده می شود.

در این حالت، بیرونی ترین پوسته والانس نیمه هادی دارای تعداد مساوی الکترون و حفره است (که 4 است).

این چهار الکترون والانس در بیرونی‌ترین پوسته یک نیمه‌رسانای ذاتی در موقعیت‌های خود متصل می‌مانند و بنابراین در این حالت، هدایت جریان مجاز نیست.

بنابراین، یک نیمه هادی ذاتی به عنوان یک عایق خالص عمل می کند.

عنصر سیلیکون (Si) یا ژرمانیوم (Ge) در شکل خالص خود یک نیمه رسانای ذاتی است.

نیمه هادی غیرذاتی

به منظور افزایش قدرت رسانایی نیمه هادی ها، با روشی به نام دوپینگ، مقدار کمی ناخالصی (به نسبت 1 به 106) به آنها اضافه می شود.

این گونه نیمه هادی های دوپ شده/ناخالص، نیمه هادی های غیرذاتی نامیده می شوند.

ناخالصی های اضافه شده در نیمه هادی ها دو نوع هستند.

پنج ظرفیتی (آرسنیک، آنتیموان، فسفر و غیره).

سه ظرفیتی (آلومینیوم، بور، ایندیم، گالیم و غیره)

اگر نیمه هادی با ناخالصی پنج ظرفیتی دوپینگ شود، نیمه هادی نوع N نامیده می شود.

اگر عنصر دوپینگ مورد استفاده سه ظرفیتی باشد، نیمه هادی غیرذاتی تولید شده نیمه هادی نوع P نامیده می شود.

بنابراین، اکنون باید نحوه شکل گیری نیمه هادی های نوع N و نوع P را درک کنیم، زیرا PN Junction از به هم پیوستن این دو نوع تشکیل می شود.

نیمه هادی های نوع N

نیمه هادی های خالص معمولاً به ستون چهارم جدول تناوبی تعلق دارند و بنابراین دارای تعداد مساوی الکترون و حفره در لایه والانس خود (که تا 4 است) هستند.

بنابراین، در شکل خالص، هیچ الکترون آزاد یا حفره‌ای برای هدایت الکتریسیته وجود ندارد و بنابراین به عنوان یک عایق عمل می‌کند. 

عناصر پنج ظرفیتی متعلق به ستون پنجم جدول تناوبی هستند و در بیرونی ترین پوسته خود 5 الکترون دارند.

بنابراین، هنگامی که یک نیمه هادی خالص یعنی سیلیکون (Si) با یک ناخالصی پنج ظرفیتی یعنی بور (B) دوپ شود، چهار الکترون ظرفیتی بور (B) یک پیوند کووالانسی با نزدیکترین اتم سیلیکون (Si) ایجاد می کنند، اما پنجمین الکترون یک جفت پیدا نمی کند و به یک الکترون آزاد تبدیل می شود.

این الکترون آزاد توانایی رسانایی نیمه هادی را افزایش می دهد.

از آنجایی که یک الکترون حامل بار منفی است، به چنین نیمه هادی های غیرذاتی، نیمه هادی های نوع منفی یا نیمه هادی های نوع N می گویند.

در نیمه هادی های نوع N، اکثر حامل های بار الکترون های آزاد (منفی) هستند، در حالی که حفره ها (مثبت) به تعداد بسیار کمی وجود دارند (به نام حامل های بار اقلیت).

حال بیایید نگاهی به نحوه شکل گیری نیمه هادی های نوع P بیندازیم:

نیمه هادی های نوع P

هنگامی که یک نیمه هادی با یک ناخالصی سه ظرفیتی یعنی آلومینیوم (Al) دوپ می شود، نیمه هادی بیرونی تولید شده نیمه هادی نوع P نامیده می شود و دارای حفره هایی با بار مثبت به عنوان حامل های بار عمده است.

عناصر سه ظرفیتی متعلق به ستون سوم جدول تناوبی هستند و در بیرونی ترین پوسته خود (پوسته ظرفیت) 3 الکترون دارند.

بنابراین، اگر سیلیکون (Si) را با آلومینیوم (Al) دوپ کنیم، 3 الکترون ظرفیت عنصر ناخالصی (Al) یک پیوند کووالانسی با اتم‌های سیلیکون (Si) همسایه ایجاد می‌کنند.

الکترون 4 ظرفیتی Si یک جفت پیدا نمی کند و بنابراین یک حفره با بار مثبت ایجاد می شود. حفره یک فضای خالی است، دارای بار مثبت است و آماده است تا یک الکترون را در خود جای دهد (در صورت وجود).

این حفره ایجاد شده در کریستال Si، رسانایی آن را افزایش می دهد و به این نیمه هادی دوپ شده، نیمه هادی نوع مثبت یا نیمه هادی نوع P می گویند.

تا کنون با افزودن ناخالصی های پنج ظرفیتی و سه ظرفیتی به ترتیب در کریستال های نیمه هادی جداگانه، نیمه هادی های نوع N و P را ایجاد کرده ایم. اکنون، قصد داریم هر دو ناخالصی را در یک کریستال نیمه هادی اضافه کنیم تا یک PN Junction ایجاد کنیم. 

پیوند PN چیست؟

هنگامی که یک کریستال نیمه هادی با ناخالصی های پنج ظرفیتی (یعنی بور) و سه ظرفیتی (یعنی آلومینیوم) دوپ شود، یک سد خاص در مرز دو منطقه (نوع N و P-Type) ایجاد می شود که جریان بار را متوقف می کند. این مانع پیوند PN (PN Junction) نامیده می شود.

ابتدایی ترین قطعه نیمه هادی به نام دیود یک کاربرد عملی از پیوند PN یا PN Junction است.

تشکیل اتصال PN

همانطور که می دانیم، الکترون ها اکثریت حامل های بار در نیمه هادی های نوع N و حفره ها اکثریت حامل های بار در نیمه هادی های نوع P هستند.

حال، وقتی یک کریستال Si را با هر دو ناخالصی دوپ می کنیم، یک ناحیه نوع N در یک طرف و یک ناحیه نوع P در طرف دیگر کریستال ایجاد می شود.

الکترون‌ها (در ناحیه N) در نزدیکی مرز برانگیخته شده و در ناحیه نوع P منتشر می‌شوند. به طور مشابه، حفره ها (در ناحیه P-Type) نزدیک به مرز به سمت منطقه N-Type حرکت می کنند.

این حرکت یک اختلاف پتانسیل در مرز دو منطقه ایجاد می کند که به تدریج افزایش می یابد و در یک نقطه، جریان بیشتر الکترون ها یا حفره ها در ناحیه مجاور را محدود می کند. (انتشار (دیفیوژن) الکترون-حفره متوقف می شود)

این ناحیه در مرز با الکترون ها در ناحیه نوع P و با حفره ها در ناحیه نوع N ناحیه تخلیه (Depletion) نامیده می شود.

عرض این ناحیه تخلیه بستگی به مقدار ناخالصی اضافه شده به نیمه هادی دارد.

این اتصال/مرز مناطق نوع P و نوع N، PN Junction نامیده می شود.

در رسانایی معمولی، زمانی که هیچ ولتاژی در اتصال PN اعمال نمی شود، گفته می شود که اتصال در حالت تعادل است. اختلاف پتانسیل در محل اتصال در آن حالت پتانسیل داخلی نامیده می شود که 0.7 ولت برای سیلیکون (Si) و 0.3 ولت برای ژرمانیوم (Ge) است.

هنگامی که یک ولتاژ خارجی در اتصال PN اعمال می شود، بسته به قطبیت ولتاژ خارجی دو رفتار از اتصال PN دریافت می کنیم، به نام:

بایاس مستقیم.

بایاس معکوس.

اتصال PN با بایاسینگ مستقیم

اگر ترمینال مثبت باتری به ناحیه P و ترمینال منفی به ناحیه N وصل شود، گفته می شود که اتصال PN در حالت بایاس مستقیم کار می کند.

ولتاژ خارجی باید بیشتر از پتانسیل داخلی باشد، یعنی 0.7 ولت برای Si و 0.3 ولت، به طوری که می تواند منطقه تخلیه را ذوب کند.

در حالت بایاسینگ مستقیم، حفره ها به سمت ناحیه N حرکت می کنند و الکترون ها به سمت ناحیه P حرکت می کنند.

در نتیجه، عرض ناحیه تخلیه شروع به کاهش می کند و در نهایت تخلیه می شود.

به محض حذف منطقه تخلیه، جریان از طریق نیمه هادی شروع به جریان می کند. می توان گفت نیمه هادی به عنوان یک هادی عمل می کند.

در این حالت، نیمه هادی دارای حداکثر رسانایی و مقاومت بسیار کم است.

بایاس معکوس در اتصال PN

اگر ناحیه P با ترمینال منفی منبع خارجی و ناحیه N با پایانه مثبت وصل شود، PN-Junction در حالت بایاس معکوس عمل می کند.

همانطور که ناحیه P به ولتاژ منفی وصل می شود، حفره های ناحیه P به سمت ولتاژ خارجی جذب می شوند، بنابراین شروع به دور شدن از منطقه تخلیه کنید. در مورد الکترون ها هم همینطور خواهد بود.

بنابراین، هیچ جریانی از طریق اتصال PN در حالت بایاس معکوس جریان نخواهد داشت.

اتصال PN به عنوان یک سوئیچ یک طرفه

در یک سیم رسانای معمولی، جریان می تواند در هر دو جهت جریان یابد، اما در یک اتصال PN، جریان فقط در یک جهت جریان می یابد و در جهت مخالف مسدود می شود. بنابراین، می توانیم بگوییم که یک PN-Junction یک سوئیچ یک طرفه است که به جریان اجازه می دهد فقط در یک جهت جریان یابد. که می توان از آن برای جلوگیری از EMF برگشتی تولید شده توسط موتورها استفاده کرد. این سوئیچ یک طرفه به معنای واقعی کلمه انقلابی در الکترونیک ایجاد کرد.

منطقه شکست

در حالی که اتصال PN در حالت بایاس معکوس کار می کند، اگر ولتاژ خارجی از حد معینی فراتر رود، اتصال PN فرو می ریزد و منجر به جریان بیش از حد (اتصال کوتاه) می شود. این ولتاژ خارجی ولتاژ شکست نامیده می شود و اتصال PN در منطقه شکست کار می کند.

پیوند PN نمی‌تواند از ناحیه خرابی بازیابی شود، بنابراین باید آن را دور انداخت، اگرچه چند مزیت نیز دارد که در مقاله دیود زنر به آنها اشاره کرده ایم.

ولتاژ شکست به نیمه هادی مورد استفاده و مقدار ناخالصی اضافه شده بستگی دارد.

منحنی مشخصه اتصال PN

شکل زیر منحنی مشخصه I در مقابل V یک دیود سیلیکونی را نشان می دهد:

همانطور که در منحنی مشخصه بالا مربوط به پیوند PN می بینیم، دارای دو بخش است یعنی بایاس مستقیم و بایاس معکوس.

در حالت بایاس مستقیم، اگر ولتاژ کمتر از پتانسیل داخلی باشد (یعنی 0.7 برای Si)، مقدار کمی جریان از طریق اتصال PN در جریان است، اما اگر ولتاژ بر پتانسیل داخلی غلبه کند، جریان به صورت نمایی افزایش می یابد و به حداکثر مقدار خود می رسد و می توان گفت PN Junction در حال هدایت است.

در حالت بایاس معکوس، تا زمانی که به ولتاژ شکست نرسیده باشد، هیچ جریانی از اتصال PN عبور نمی کند.

در ولتاژ شکست، جریان در جهت مخالف شروع به جریان می کند و می توان گفت اتصال PN فرو می ریزد.

جریان کوچکی که در شرایط عادی بایاس معکوس جریان می یابد، به عنوان جریان نشتی شناخته می شود. ژرمانیوم (Ge) در مقایسه با سیلیکون (Si) جریان نشتی بیشتری دارد.