نظریه‌ی اتصال PN

یک اتصال PN، زمانی ایجاد می‌شود؛ که یک ماده‌ی نوع N با یک ماده‌ی نوع P، ترکیب شود و یک دیود نیمه‌هادی ایجادکند.

در مقاله قبلی نحوه‌ی ساخت مواد نیمه‌هادی نوع N را با دوپینگ اتم سیلیکون با مقادیر کمی از آنتیموان و هم‌چنین نحوه‌ی ساخت مواد نیمه‌هادی نوع P را با دوپینگ یک اتم سیلیکون دیگر با بور مشاهده کردیم.

این نحوه‌ی ساخت، به خودی خود خوب است؛ اما این مواد نیمه‌هادی نوع N و نوع P، به‌تازگی دوپینگ‌شده، به‌خودی خود بسیار کم مورداستفاده قرار می‌گیرند؛ زیرا از نظر الکتریکی، خنثی می‌باشند. با این‌حال، اگر این دو ماده‌ی نیمه‌هادی را به‌هم وصل کنیم (یا به‌هم متصل کنیم)؛ آنها به طرز متفاوتی رفتار می‌کنند و باهم ادغام می‌شوند و چیزی را تولید می‌کنند؛ که عموما به‌عنوان “اتصال “PN، شناخته می‌شود.

وقتی مواد نیمه‌هادی نوع N و نوع P ، بهم متصل می‌شوند؛ یک گرادیان چگالی بسیار بزرگ بین دو طرف اتصال PN، وجود دارد. نتیجه این است؛ که برخی از الکترون‌های آزاد، از اتم‌های ناخالص دهنده شروع به حرکت در سراسر این اتصال تازه تشکیل‌شده می‌کنند تا حفره‌های نوع P را که یون‌های منفی تولید می‌نمایند؛ پرکنند.

با این‌حال، از آنجایی‌که، الکترون‌ها از محل اتصال PN از سیلیکون نوع N به سیلیکون نوع P حرکت کرده‌اند؛ یون‌های دهنده‌ی دارای بار مثبت (ND) را محل منفی، پشت سر می‌گذارند و حفره‌های ناخالصی گیرنده در سراسر اتصال، در جهت مخالف ناحیه‌ای که تعداد زیادی الکترون آزاد وجود دارد؛ حرکت می‌کنند.

درنتیجه، چگالی بار نوع P در طول اتصال با یون‌های پذیرنده بار منفی (NA) پر می‌شود و چگالی بار نوع N در طول اتصال مثبت می‌شود. این انتقال بار الکترون‌ها و حفره‌ها در سراسر اتصال PN با نام انتشار، معروف است. عرض این لایه‌های P و N بستگی به میزان سنگینی هر طرف به ترتیب با چگالی گیرنده، NAو چگالی اهداکننده، ND دارد.

این روند تا زمانی ادامه می‌یابد؛ که تعداد الکترون‌هایی که از محل اتصال عبور کرده‌اند؛ دارای بار الکتریکی کافی برای دفع یا جلوگیری از عبور حامل‌های بار دیگر، از محل اتصال باشند. سرانجام، یک حالت تعادل (وضعیت خنثی از نظر الکتریکی) ایجاد می‌شود؛ که یک منطقه‌ی “مانع پتانسیلی” در اطراف محل اتصال ایجاد می‌کند؛ زیرا اتم‌های دهنده‌، حفره‌ها و اتم‌های پذیرنده، الکترون‌ها را دفع می‌کنند.

از آنجایی‌که، هیچ حامل بار آزادی، نمی‌تواند در موقعیتی که مانع احتمالی وجود دارد، قرار گیرد؛ مناطق موجود در دو طرف اتصال، در مقایسه با مواد نوع N و نوع P، دورتر از محل اتصال، قرارگرفته و کاملا محروم از هرگونه حامل آزاد خواهندبود. این ناحیه در اطراف اتصال PN، ناحیه‌ی تخلیه نامیده می‌شود.

اتصال PN

کل بار در هر طرف یک اتصال PN، باید مساوی و مخالف باشد؛ تا حالت بار خنثی در اطراف اتصال، حفظ گردد. اگر ناحیه‌ی لایه‌ی تخلیه، دارای فاصله‌ی D، باشد؛ بنابراین، با فاصله‌ی DP برای طرف مثبت و فاصله‌ی Dn برای طرف منفی، به این سیلیکون، نفوذ کند که سبب رابطه‌ی  بین آنها می‌شود؛ که به‌منظور حفظ خنثی‌بودن بار است و تعادل نیز، نامیده می‌شود.

فاصله‌ی اتصال PN

از آنجایی‌که، مواد نوع N، الکترون‌های خود و مواد نوع P، حفره‌های خود را از دست می‌دهند؛ مواد نوع N نسبت به نوع P، مثبت‌شده‌اند. پس وجود یون‌های ناخالصی درهر دو طرف اتصال، باعث ایجاد میدان الکتریکی در سراسر این منطقه از سمت N با ولتاژ مثبت نسبت به سمت P می‌شود. اما مشکل در اینجا، این است، که یک بار آزاد، به مقداری انرژی اضافی برای غلبه بر سد موجود، نیاز دارد؛ تا بتواند از محل اتصال منطقه‌ی تخلیه، عبور کند.

این میدان الکتریکی ایجادشده، توسط فرآیند انتشار، “اختلاف پتانسیل داخلی” را در سراسر اتصال با پتانسیل مدار باز (بایاس صفر) ایجاد کرده‌است:

درجایی‌که: E۰ ، ولتاژ اتصال بایاس صفر، VT ، ولتاژ حرارتی برابر با 26 میلی‌ولت در دمای اتاق، ND  و NA ،غلظت ناخالصی و ni ، غلظت ذاتی است.

ولتاژ مثبت مناسب (بایاس مستقیم) که بین دو سر اتصال PN، اعمال می‌شود؛ می‌تواند الکترون‌ها و حفره‌های آزاد را با انرژی اضافی، تولید نماید. ولتاژ خارجی موردنیاز برای غلبه بر این مانع احتمالی که اکنون موجود است؛ بستگی زیادی به‌نوع مواد نیمه‌هادی مورداستفاده و دمای واقعی آن دارد.

معمولا، در دمای اتاق، ولتاژ روی لایه‌ی تخلیه برای سیلیکون حدود ۰.۶ تا ۰.۷ ولت و برای ژرمانیوم حدود ۰.۳ تا ۰.۳۵ ولت است. این مانع احتمالی، همیشه وجود خواهد داشت؛ حتی اگر دستگاه، به منبع تغذیه‌ی خارجی، متصل نباشد، همانطور که در دیودها، دیده می‌شود.

اهمیت این پتانسیل داخلی در محل اتصال، این است؛ که با جریان حفره‌ها و الکترون‌ها در سراسر اتصال، مخالفت می‌کند و به‌همین دلیل، به آن مانع پتانسیل می‌گویند. در عمل، یک اتصال PN در یک کریستال ماده، تشکیل می‌شود؛ نه اینکه فقط دو قطعه‌ی جداگانه را به‌هم متصل یا ادغام کند.

 نتیجه‌ی این فرآیند این است؛ که اتصال PN، دارای مشخصه‌های اصلاح‌کننده‌ی جریان ولتاژ (IV یا I-V) است. کنتاکت‌های الکتریکی، در هردو طرف نیمه‌های جوش خورده‌اند؛ تا اتصال الکتریکی به یک مدار خارجی، امکان‌پذیر شود. دستگاه الکترونیکی حاصله که ساخته می‌شود؛ معمولا دیود اتصال PN یا دیود سیگنال، نامیده می‌شود.

پس دراینجا دیدیم، که یک اتصال PN را می‌توان با اتصال یا پخش مواد نیمه‌هادی متفاوت به‌وجود آورد و یک دستگاه الکترونیکی به‌نام دیود را تولید کرد؛ که می‌تواند به‌عنوان ساختار نیمه‌هادی اصلی یکسوکننده‌ها، انواع ترانزیستورها، LEDها ،سلول‌های خورشیدی و بسیاری دیگر از چنین دستگاه‌های حالت جامدی، مورداستفاده قرار گیرد.

در مقاله بعدی درمورد اتصال PN ،ما به یکی از جالب‌ترین کاربردهای اتصال PN یعنی، استفاده از آن‌ها در مدارها به‌عنوان دیود می‌پردازیم. با افزودن اتصالات به انتهای هرماده‌ی نوع P و نوع N، می‌توانیم یک دستگاه دو پایانه‌ای به نام دیود اتصال PN تولید کنیم؛ که می‌تواند توسط یک ولتاژ خارجی بایاس شود تا جریان را از طریق آن مسدود کند یا عبور دهد.