منطقة النضوب

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 39 صور
الموسوعة الحرة

في فيزياء أشباه الموصلات ، تُعرف منطقة الاستنزاف ، أو طبقة الاستنزاف ، أو منطقة الوصل ، أو منطقة الشحنة الفضائية ، بأنها منطقة عازلة داخل مادة شبه موصلة موصلة ومطعمة ، حيث تنتشر حاملات الشحنة المتحركة ، أو تُجبر على الابتعاد بفعل مجال كهربائي . العناصر الوحيدة المتبقية في منطقة الاستنزاف هي شوائب مانحة أو مستقبلة متأينة. تُسمى هذه المنطقة من الأيونات الموجبة والسالبة غير المغطاة بمنطقة الاستنزاف نظرًا لنضوب حاملات الشحنة فيها، فلا يتبقى أي حاملات قادرة على نقل التيار. يُعد فهم منطقة الاستنزاف أساسيًا لشرح إلكترونيات أشباه الموصلات الحديثة : فالثنائيات ، وترانزستورات الوصلة ثنائية القطب ، وترانزستورات تأثير المجال ، وثنائيات السعة المتغيرة ، جميعها تعتمد على ظواهر منطقة الاستنزاف.

التكوّن في وصلة ap–n

الشكل 1. أعلى: وصلة p-n قبل الانتشار؛ أسفل: بعد الوصول إلى حالة التوازن
الشكل 2. من الأعلى إلى الأسفل؛ الأعلى: تركيزات الثقوب والإلكترونات عبر الوصلة؛ الثاني: كثافات الشحنة؛ الثالث: المجال الكهربائي؛ الأسفل: الجهد الكهربائي
الشكل 3. في وصلة PN في وضع الانحياز الأمامي، يقل عرض منطقة الاستنزاف . يتم تطعيم كل من الوصلتين p و n بمستوى تطعيم 1e15/سم3، مما يؤدي إلى جهد داخلي يبلغ حوالي 0.59 فولت. لاحظ اختلاف مستويات شبه فيرمي لحزمة التوصيل وحزمة التكافؤ في منطقتي n و p (المنحنيات الحمراء).

تتشكل منطقة استنزاف بشكل فوري عبر وصلة p-n . ويُمكن وصفها بسهولة أكبر عندما تكون الوصلة في حالة توازن حراري أو في حالة استقرار : في كلتا الحالتين، لا تتغير خصائص النظام مع مرور الوقت؛ فهي في حالة توازن ديناميكي . [ 1 ] [ 2 ]

تنتشر الإلكترونات والفجوات إلى المناطق ذات التركيزات المنخفضة منها، تمامًا كما ينتشر الحبر في الماء حتى يتوزع بالتساوي. وبحسب التعريف، يحتوي شبه الموصل من النوع N على فائض من الإلكترونات الحرة (في نطاق التوصيل ) مقارنةً بشبه الموصل من النوع P ، بينما يحتوي شبه الموصل من النوع P على فائض من الفجوات (في نطاق التكافؤ ) مقارنةً بشبه الموصل من النوع N. لذلك، عند وضع أشباه موصلات مطعمة بالنوع N وأخرى مطعمة بالنوع P معًا لتشكيل وصلة، تهاجر الإلكترونات الحرة في نطاق التوصيل من النوع N (تنتشر) إلى نطاق التوصيل من النوع P، وتهاجر الفجوات في نطاق التكافؤ من النوع P إلى نطاق التكافؤ من النوع N.

بعد انتقال الإلكترونات، تتلامس الإلكترونات المنتشرة مع الفجوات وتُزال عن طريق إعادة التركيب في الجانب الموجب (P). وبالمثل، تُعاد تركيب الفجوات المنتشرة مع الإلكترونات الحرة فتُزال في الجانب السالب (N). والنتيجة النهائية هي اختفاء الإلكترونات والفجوات المنتشرة. في منطقة الجانب السالب (N) القريبة من سطح الوصلة، تختفي الإلكترونات الحرة في نطاق التوصيل نتيجةً لـ (1) انتشار الإلكترونات إلى الجانب الموجب (P) و(2) إعادة تركيب الإلكترونات مع الفجوات المنتشرة من الجانب الموجب (P). كما تختفي الفجوات في منطقة الجانب الموجب (P) القريبة من سطح الوصلة لسبب مماثل. ونتيجةً لذلك، تُستنفد حاملات الشحنة الأغلبية (الإلكترونات الحرة لأشباه الموصلات من النوع السالب (N)، والفجوات لأشباه الموصلات من النوع الموجب (P)) في المنطقة المحيطة بسطح الوصلة، ولذلك تُسمى هذه المنطقة بمنطقة الاستنزاف . وبسبب انتشار حاملات الشحنة الأغلبية الموصوف أعلاه، تُصبح منطقة الاستنزاف مشحونة. الجانب الشمالي (N) من الموصل مشحون بشحنة موجبة، والجانب الموجب (P) مشحون بشحنة سالبة. يُولّد هذا مجالًا كهربائيًا يُقاوم انتشار الشحنة. عندما يصبح المجال الكهربائي قويًا بما يكفي لإيقاف انتشار الثقوب والإلكترونات، تصل منطقة الاستنزاف إلى حالة التوازن. يُحدد تكامل المجال الكهربائي عبر منطقة الاستنزاف ما يُسمى بالجهد الداخلي (ويُسمى أيضًا جهد الوصلة أو جهد الحاجز أو جهد التلامس ).

من الناحية الفيزيائية، ينتقل الشحن في أشباه الموصلات عبر جزأين: (1) انجراف حاملات الشحنة بفعل المجال الكهربائي، و(2) انتشار حاملات الشحنة نتيجة لتغير تركيزها مكانيًا. في الجانب الموجب (P) من منطقة الاستنزاف، حيث تنجرف الفجوات بفعل المجال الكهربائي بموصلية كهربائية σ وتنتشر بثابت الانتشار D ، تُعطى كثافة التيار الكلية بالعلاقة التالية:

ج=σهـ-هـد∇ص{\displaystyle {\bf {J}}=\sigma {\bf {E}}-eD\nabla p}،

أينهـ{\displaystyle {\bf {E}}}يمثل σ المجال الكهربائي، وe الشحنة الأولية (1.6 × 10⁻¹⁹ كولوم )، و p كثافة الفجوات (عددها في وحدة الحجم). يتسبب المجال الكهربائي في انجراف الفجوات على طول اتجاه المجال، وفي حالة الانتشار، تتحرك الفجوات في اتجاه تناقص التركيز، لذا ينتج عن تدرج الكثافة الموجب تيار سالب للفجوات . (إذا كانت حاملات الشحنة إلكترونات، تُستبدل كثافة الفجوات p بكثافة الإلكترونات n بإشارة سالبة؛ وفي بعض الحالات، يجب تضمين كل من الإلكترونات والفجوات). عندما يتوازن مُركّبا التيار، كما هو الحال في منطقة استنزاف وصلة p-n عند التوازن الديناميكي ، يكون التيار صفرًا بسبب علاقة أينشتاين ، التي تربط D بـ σ .

التحيز الأمامي

يؤدي الانحياز الأمامي (تطبيق جهد موجب على الجانب الموجب بالنسبة للجانب السالب) إلى تضييق منطقة الاستنزاف وخفض حاجز حقن حاملات الشحنة (كما هو موضح في الشكل على اليمين). بتفصيل أكثر، تحصل حاملات الشحنة الرئيسية على بعض الطاقة من مجال الانحياز، مما يُمكّنها من دخول المنطقة ومعادلة الشحنات المعاكسة. كلما زاد الانحياز، زادت عملية المعادلة (أو حجب الأيونات في المنطقة). يمكن إعادة اتحاد حاملات الشحنة مع الأيونات، لكن الطاقة الحرارية تُعيد حاملات الشحنة المُعاد اتحادها فورًا إلى وضعها الأصلي نظرًا لقرب مستوى فيرمي . عندما يكون الانحياز قويًا بما يكفي لجعل منطقة الاستنزاف رقيقة جدًا، يزداد مُكوّن الانتشار للتيار (عبر سطح التلامس) بشكل كبير، بينما يقل مُكوّن الانجراف. في هذه الحالة، يتدفق التيار الصافي من الجانب الموجب إلى الجانب السالب. تكون كثافة حاملات الشحنة كبيرة (تتغير أُسّيًا مع جهد الانحياز المُطبق)، مما يجعل التلامس موصلًا ويسمح بمرور تيار أمامي كبير. [ 3 ] يُقدّم الوصف الرياضي للتيار بواسطة معادلة شوكلي للثنائي . يُعد التيار المنخفض الذي يتم توصيله تحت الانحياز العكسي والتيار الكبير تحت الانحياز الأمامي مثالاً على التقويم .

الانحياز العكسي

في حالة الانحياز العكسي (تطبيق جهد سالب على الجانب الموجب بالنسبة للجانب السالب)، يزداد فرق الجهد عبر منطقة الاستنزاف. بمعنى آخر، تُدفع حاملات الشحنة الأغلبية بعيدًا عن الوصلة، تاركةً وراءها المزيد من الأيونات المشحونة. وبالتالي، تتسع منطقة الاستنزاف ويصبح مجالها أقوى، مما يزيد من مُركِّبة الانجراف للتيار (عبر سطح الوصلة) ويقلل من مُركِّبة الانتشار. في هذه الحالة، يتدفق التيار الصافي من الجانب السالب إلى الجانب الموجب. تكون كثافة حاملات الشحنة (معظمها من حاملات الشحنة الأقلية) منخفضة، ولا يمر سوى تيار تشبع عكسي ضئيل جدًا . يُعد هذا الوضع مثاليًا للثنائيات الضوئية ، حيث يُحفز امتصاص الضوء في منطقة الاستنزاف تيارًا ضوئيًا، والذي عادةً ما يُطغى عليه تيار الحقن في حالة الانحياز الأمامي.

تحديد عرض طبقة الاستنزاف

من خلال تحليل الاستنزاف الكامل كما هو موضح في الشكل 2، يمكن تقريب الشحنة بانخفاض مفاجئ عند نقاطها الحدية، وهو في الواقع انخفاض تدريجي يُفسر بمعادلة بواسون . وبالتالي، تكون قيمة كثافة التدفق [ 4 ].

سؤالنxن=qشمالدسؤالصxص=-qشمالأ{\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {Q_{n}}{x_{n}}}&=qN_{d}\\{\frac {Q_{p}}{x_{p}}}&=-qN_{a}\\\end{aligned}}}

أينسؤالن{\displaystyle Q_{n}}وسؤالص{\displaystyle Q_{p}}يمثلان مقدار الشحنة السالبة والموجبة على التوالي،xن{\displaystyle x_{n}}وxص{\displaystyle x_{p}}تمثل المسافة بين الشحنة السالبة والموجبة على التوالي، مع وجود الصفر في المركز. شمالأ{\displaystyle N_{a}}وشمالد{\displaystyle N_{d}}تمثل هذه القيم كمية ذرات المستقبل والمانح على التوالي وq{\displaystyle q}هي شحنة الإلكترون .

بأخذ تكامل كثافة التدفقد{\displaystyle D}فيما يتعلق بالمسافةدx{\displaystyle dx}لتحديد المجال الكهربائيهـ{\displaystyle E}(أي قانون جاوس ) يُنشئ الرسم البياني الثاني كما هو موضح في الشكل 2:

هـ=∫ددxϵs{\displaystyle E={\frac {\int D\,dx}{\epsilon _{s}}}}

أينϵs{\displaystyle \epsilon _{s}}هي سماحية المادة. ويحدد تكامل المجال الكهربائي بالنسبة للمسافة الجهد الكهربائيV{\displaystyle V}وهذا يساوي أيضًا الجهد الداخليΔV{\displaystyle \Delta V}كما هو موضح في الشكل 2.

V=∫هـدx=ΔV{\displaystyle V=\int Edx=\Delta V}

ثم يتم ترتيب المعادلة النهائية بحيث تكون دالة عرض طبقة الاستنزافxن{\displaystyle x_{n}}سيعتمد ذلك على الجهد الكهربائيV{\displaystyle V}.

xن=2ϵsqشمالأشمالد1شمالأ+شمالد(ΔV)xص=2ϵsqشمالدشمالأ1شمالأ+شمالد(ΔV)\begin{aligned}x_{n}&=\sqrt {\frac {2\epsilon _{s}}{q}}{\frac {N_{a}}{N_{d}}}{\frac {1}{N_{a}+N_{d}}}(\Delta V)}}\\x_{p}&=\sqrt {\frac {2\epsilon _{s}}{q}}{\frac {N_{d}}{N_{a}}}{\frac {1}{N_{a}+N_{d}}}(\Delta V)}}\\\end{aligned}}}

في ملخص،xن{\displaystyle x_{n}}وxص{\displaystyle x_{p}}يمثلان عرض طبقة الاستنزاف السالبة والموجبة على التوالي بالنسبة للمركز، شمالأ{\displaystyle N_{a}}وشمالد{\displaystyle N_{d}}يمثل تركيز ذرات المستقبل والمانح على التوالي،q{\displaystyle q}هي شحنة الإلكترون وΔV{\displaystyle \Delta V}هو الجهد الداخلي، والذي عادة ما يكون المتغير المستقل . [ 4 ]

التكوين في مكثف MOS

بنية معدن-أكسيد-شبه موصل على السيليكون من النوع P

مثال آخر على منطقة الاستنزاف يظهر في مكثف MOS . يوضح الشكل على اليمين هذه المنطقة لركيزة من النوع P. بافتراض أن شبه الموصل متعادل الشحنة في البداية، حيث تتوازن شحنة الثقوب تمامًا مع الشحنة السالبة الناتجة عن شوائب التطعيم المستقبلة . عند تطبيق جهد موجب على البوابة، وذلك بإدخال شحنة موجبة Q ، فإن بعض الثقوب الموجبة الشحنة في شبه الموصل الأقرب إلى البوابة تتنافر مع الشحنة الموجبة على البوابة، وتخرج من الجهاز عبر الموصل السفلي. تاركةً وراءها منطقة استنزاف عازلة لعدم وجود ثقوب متحركة، بل فقط شوائب مستقبلة سالبة الشحنة غير متحركة. كلما زادت الشحنة الموجبة على البوابة، زاد الجهد المطبق عليها، وزاد عدد الثقوب الخارجة من سطح شبه الموصل، مما يؤدي إلى اتساع منطقة الاستنزاف. (في هذا الجهاز، يوجد حد أقصى لعرض منطقة الاستنزاف. ويُحدد هذا الحد بظهور طبقة انعكاس من حاملات الشحنة في طبقة رقيقة، أو قناة ، بالقرب من السطح. وينطبق ما سبق ذكره على الفولتيات الموجبة المنخفضة بما يكفي لعدم تشكل طبقة انعكاس.)

إذا كانت مادة البوابة من السيليكون متعدد التبلور من نوع معاكس لنوع أشباه الموصلات الأساسية، فسيتشكل نطاق استنزاف تلقائي إذا تم توصيل البوابة كهربائيًا بالركيزة، بنفس الطريقة الموصوفة لوصلة p-n أعلاه. لمزيد من المعلومات حول هذا الموضوع، انظر تأثير استنزاف السيليكون متعدد التبلور .

يعتمد العرض الكلي لمنطقة الاستنزاف على الانحياز العكسي المطبق وتركيز الشوائب.

ينص مبدأ حياد الشحنات على أن مجموع الشحنات الموجبة يجب أن يساوي مجموع الشحنات السالبة:

ن+شمالأ=ص+شمالد،{\displaystyle n+N_{A}=p+N_{D}\,,}

حيث يمثل n و p عدد الإلكترونات والفجوات الحرة، وشمالد{\displaystyle N_{D}}وشمالأ{\displaystyle N_{A}}يمثل عدد الذرات المانحة والمستقبلة المتأينة "لكل وحدة طول"، على التوالي. وبهذه الطريقة، كلاهماشمالد{\displaystyle N_{D}}وشمالأ{\displaystyle N_{A}}يمكن اعتبارها كثافات مكانية للتطعيم. إذا افترضنا تأينًا كاملاً وأنن،ص≪شمالد،شمالأ{\displaystyle n,p\ll N_{D},N_{A}}، ثم:

qشمالأwP≈qشمالدwشمال{\displaystyle qN_{A}w_{P}\approx qN_{D}w_{N}\,}.

أينwP{\displaystyle w_{P}}و wشمال{\displaystyle w_{N}}يمثلان عرض منطقة الاستنزاف في أشباه الموصلات من النوعين p و n على التوالي. يضمن هذا الشرط أن تتوازن شحنة المستقبل السالبة الصافية تمامًا مع شحنة المانح الموجبة الصافية. عرض منطقة الاستنزاف الكلي في هذه الحالة هو المجموعw=wشمال+wP{\displaystyle w=w_{N}+w_{P}}يُقدَّم اشتقاق كامل لعرض منطقة الاستنزاف في المرجع [ 5 ] . يعتمد هذا الاشتقاق على حل معادلة بواسون في بُعد واحد - البُعد العمودي على الوصلة المعدنية. ينعدم المجال الكهربائي خارج منطقة الاستنزاف (كما هو موضح في الشكل أعلاه)، وبالتالي ينص قانون جاوس على أن كثافة الشحنة في كل منطقة متوازنة - كما هو مبين في المعادلة الأولى في هذا القسم الفرعي. بمعالجة كل منطقة على حدة وتعويض كثافة الشحنة لكل منطقة في معادلة بواسون، نحصل في النهاية على نتيجة لعرض منطقة الاستنزاف. وهذه النتيجة هي:

w≈[2ϵرϵ0q(شمالأ+شمالدشمالأشمالد)(Vبأنا-V)]12{\displaystyle w\approx \left[{\frac {2\epsilon _{r}\epsilon _{0}}{q}}\left({\frac {N_{A}+N_{D}}{N_{A}N_{D}}}\right)\left(V_{bi}-V\right)\right]^{\frac {1}{2}}}

أينϵر{\displaystyle \epsilon _{r}}هي السماحية العازلة النسبية لأشباه الموصلات،Vبأنا{\displaystyle V_{bi}}هو الجهد المدمج، و V{\displaystyle V}يمثل الانحياز المطبق. لا تنقسم منطقة الاستنزاف بشكل متناظر بين منطقتي n و p، بل تميل نحو الجانب الأقل تشويبًا. [ 6 ] يتطلب التحليل الأكثر شمولًا مراعاة وجود بعض حاملات الشحنة بالقرب من حواف منطقة الاستنزاف. [ 7 ] يؤدي هذا إلى إضافة حد -2kT/q في المجموعة الأخيرة من الأقواس أعلاه.

عرض منطقة الاستنزاف في مكثف MOS

كما هو الحال في وصلات p-n، فإن المبدأ الحاكم هنا هو حياد الشحنة. لنفترض وجود ركيزة من النوع P. إذا وُضعت شحنة موجبة Q على بوابة مساحتها A ، فسيتم استنزاف الثقوب إلى عمق w، مما يكشف عن عدد كافٍ من المستقبلات السالبة لموازنة شحنة البوابة تمامًا. بافتراض أن كثافة الشوائب هيشمالأ{\displaystyle N_{A}}عدد المستقبلات لكل وحدة حجم، ثم تتطلب حيادية الشحنة أن يكون عرض منطقة الاستنزاف w محققًا للعلاقة التالية:

سؤال/أ=qشمالأw{\displaystyle Q/A=qN_{A}w\,}

إذا اتسع عرض منطقة الاستنزاف بدرجة كافية، تظهر الإلكترونات في طبقة رقيقة جدًا عند سطح التماس بين أشباه الموصلات والأكسيد، تُسمى طبقة الانعكاس لأنها تحمل شحنة معاكسة لشحنة الفجوات السائدة في مادة من النوع P. عند تكوّن طبقة الانعكاس، يتوقف عرض منطقة الاستنزاف عن التوسع مع زيادة شحنة البوابة Q. في هذه الحالة، يتحقق التعادل الكهربائي بجذب المزيد من الإلكترونات إلى طبقة الانعكاس. في ترانزستور MOSFET ، تُسمى طبقة الانعكاس هذه بالقناة .

المجال الكهربائي في طبقة الاستنزاف وانحناء النطاق

يرتبط بطبقة الاستنزاف تأثير يُعرف باسم انحناء النطاق . يحدث هذا التأثير لأن المجال الكهربائي في طبقة الاستنزاف يتغير خطيًا في الفضاء من قيمته (القصوى).هـم{\displaystyle E_{m}}عند البوابة إلى الصفر عند حافة عرض الاستنزاف: [ 8 ]

هـم=سؤالأϵ0=qشمالأwϵ0،{\displaystyle E_{m}={Q \over A\epsilon _{0}}=qN_{A}{w \over \epsilon _{0}},\,}

أينϵ0{\displaystyle \epsilon _{0}} = 8.854×10⁻¹² فاراد / متر، حيث فاراد هي وحدة قياس المجال الكهربائي ، ومتر هي وحدة قياس الطول. يؤدي هذا المجال الكهربائي المتغير خطيًا إلى جهد كهربائي يتغير تربيعيًا في الفضاء. وتنحني مستويات الطاقة، أو نطاقات الطاقة، استجابةً لهذا الجهد.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ روبرت هـ. بيشوب (2002). دليل الميكاترونيات . مطبعة سي آر سي. رقم ISBN 0-8493-0066-5.
  2. ↑ جون إي. آيرز (2003). الدوائر المتكاملة الرقمية: التحليل والتصميم . مطبعة سي آر سي. رقم ISBN 0-8493-1951-X.
  3. ↑ سونغ-مو كانغ ويوسف ليبلبيجي (2002). تحليل وتصميم الدوائر المتكاملة الرقمية بتقنية CMOS . ماكجرو-هيل بروفيشنال. ISBN 0-07-246053-9.
  4. 1 2 "التحليل الكهروستاتيكي لثنائي pn" . ecee.colorado.edu . تم الاطلاع عليه بتاريخ 26-09-2018 .
  5. ↑ بييريت، روبرت ف. (1996). أساسيات أجهزة أشباه الموصلات . أديسون-ويسلي. الصفحات من 209 إلى 216. ISBN  0201543931.
  6. ↑ ساسيكالا، ب؛ أفزال خان؛ س. بورانشاندرا؛ ب. ساسيكالا (2005). مقدمة في الهندسة الكهربائية والإلكترونية وهندسة الاتصالات . فاير وول ميديا. ISBN 978-81-7008-639-0.
  7. ↑ كيتل، سي؛ كرومر، إتش. (1980). الفيزياء الحرارية . دبليو إتش فريمان. رقم ISBN 0-7167-1088-9.
  8. ↑ واين م. ساسلو (2002). الكهرباء والمغناطيسية والضوء . إلسيفير. ISBN 0-12-619455-6.