وصلة p-n

في وصلة ap-n، وبدون تطبيق جهد خارجي، يتم الوصول إلى حالة توازن يتشكل فيها فرق جهد عبر الوصلة. يُطلق على فرق الجهد هذا اسم الجهد الداخلي.${\displaystyle V_{\rm {bi}}}$.

عند نقطة الوصل، تنتقل بعض الإلكترونات الحرة من النوع n إلى النوع p نتيجةً للهجرة الحرارية العشوائية ("الانتشار"). أثناء انتشارها في النوع p، تتحد مع الفجوات الإلكترونية، مما يؤدي إلى إلغاء بعضها البعض. وبالمثل، تنتشر بعض الفجوات الموجبة من النوع p إلى النوع n وتتحد مع الإلكترونات الحرة، مما يؤدي إلى إلغاء بعضها البعض. تُعد ذرات التطعيم الموجبة الشحنة ("المانحة") في النوع n جزءًا من البلورة، ولا يمكنها الحركة. لذلك، في النوع n، تكون المنطقة القريبة من نقطة الوصل ذات شحنة موجبة ثابتة. أما ذرات التطعيم السالبة الشحنة ("المستقبلة") في النوع p، فهي أيضًا جزء من البلورة، ولا يمكنها الحركة. لذلك، في النوع p، تصبح المنطقة القريبة من نقطة الوصل سالبة الشحنة. والنتيجة هي منطقة قريبة من نقطة الوصل تعمل على صد الشحنات المتحركة بعيدًا عن نقطة الوصل بسبب المجال الكهربائي الذي تُنشئه هذه المناطق المشحونة. تفقد المنطقة القريبة من واجهة p-n حيادها الكهربائي ومعظم حاملات الشحنة المتحركة فيها، مما يشكل طبقة الاستنزاف (انظر الشكل أ ). ثم يميل المجال الكهربائي المتولد في الشحنة الفضائية إلى مقاومة المزيد من الانتشار، مما يؤدي إلى حالة التوازن.

يُظهر الشكل (أ) توزيع تركيز حاملات الشحنة عند حالة الاتزان بخطوط زرقاء وحمراء. كما يُظهر الشكل الظاهرتين المتوازنتين اللتين تُؤديان إلى حالة الاتزان.

منطقة الشحنة الفضائية هي منطقة ذات شحنة صافية ناتجة عن الأيونات الثابتة ( المانحة أو المستقبلة ) التي لم تُغطَّ بعدُ بانتشار حاملات الشحنة الرئيسية . عند الوصول إلى حالة التوازن، تُقارب كثافة الشحنة بالدالة المتدرجة المعروضة. في الواقع، بما أن المحور الصادي في الشكل (أ) ذو مقياس لوغاريتمي، فإن المنطقة تكاد تكون خالية تمامًا من حاملات الشحنة الرئيسية (مما يجعل كثافة الشحنة مساوية لمستوى التشويب الصافي)، والحافة بين منطقة الشحنة الفضائية والمنطقة المتعادلة حادة جدًا (انظر الشكل (ب) ، الرسم البياني Q(x)). تتميز منطقة الشحنة الفضائية بنفس مقدار الشحنة على جانبي واجهات p-n، وبالتالي تمتد لمسافة أبعد على الجانب الأقل تشويبًا في هذا المثال (الجانب n في الشكلين (أ) و(ب)).

في حالة الانحياز الأمامي، يُوصل النوع p بطرف كهربائي موجب، بينما يُوصل النوع n بطرف كهربائي سالب. تُظهر اللوحات مخطط نطاق الطاقة ، والمجال الكهربائي ، وكثافة الشحنة الصافية . يتغير الجهد الداخلي لأشباه الموصلات تبعًا لتركيز ذرات التطعيم. في هذا المثال، تم تطعيم كل من وصلات p و n بمستوى تطعيم 1 × 10¹⁵ سم⁻³ ⁽ 160 ميكروكولوم/سم³ ⁾ ، مما يؤدي إلى جهد داخلي يبلغ حوالي 0.59  فولت. يمكن استنتاج انخفاض عرض منطقة الاستنزاف من حركة حاملات الشحنة المتقلصة عبر وصلة p-n، مما يقلل المقاومة الكهربائية. تنتشر الإلكترونات التي تعبر وصلة p-n إلى مادة النوع p (أو الفجوات التي تعبر إلى مادة النوع n) إلى المنطقة المحايدة المجاورة. تحدد كمية انتشار الأقلية في المناطق شبه المحايدة مقدار التيار الذي يمكن أن يمر عبر الثنائي.

لا يمكن إلا لحاملات الشحنة الأغلبية (الإلكترونات في المادة من النوع n أو الفجوات في المادة من النوع p) أن تتدفق عبر أشباه الموصلات لمسافة ماكروسكوبية. وبناءً على ذلك، لننظر في تدفق الإلكترونات عبر الوصلة. يُحدث الانحياز الأمامي قوةً على الإلكترونات تدفعها من الجانب N نحو الجانب P. مع الانحياز الأمامي، تكون منطقة الاستنزاف ضيقة بما يكفي لعبور الإلكترونات الوصلة والحقن في المادة من النوع p. ومع ذلك، لا تستمر الإلكترونات في التدفق عبر المادة من النوع p إلى ما لا نهاية، لأن إعادة اتحادها مع الفجوات يُعدّ مُفضلاً من الناحية الطاقية. يُطلق على متوسط ​​المسافة التي يقطعها الإلكترون عبر المادة من النوع p قبل إعادة الاتحاد اسم طول الانتشار ، وعادةً ما يكون في حدود الميكرومترات . ^{[ 5 ]}

على الرغم من أن الإلكترونات لا تخترق سوى مسافة قصيرة داخل المادة من النوع p، فإن التيار الكهربائي يستمر دون انقطاع، لأن الفجوات (حاملات الشحنة الرئيسية) تبدأ بالتدفق في الاتجاه المعاكس. ويكون التيار الكلي (مجموع تيارات الإلكترونات والفجوات) ثابتًا مكانيًا، لأن أي تغير فيه سيؤدي إلى تراكم الشحنة بمرور الوقت (وهذا ما يُعرف بقانون كيرشوف للتيار ). ويُشابه تدفق الفجوات من المنطقة من النوع p إلى المنطقة من النوع n تمامًا تدفق الإلكترونات من النوع n إلى النوع p (حيث تتبادل الإلكترونات والفجوات أدوارها، وتنعكس إشارات جميع التيارات والفولتيات).

لذا، فإن الصورة الكلية لتدفق التيار عبر الثنائي تتضمن تدفق الإلكترونات عبر المنطقة من النوع n باتجاه الوصلة، وتدفق الفجوات عبر المنطقة من النوع p في الاتجاه المعاكس باتجاه الوصلة، وإعادة اتحاد نوعي حاملات الشحنة باستمرار بالقرب من الوصلة. تتحرك الإلكترونات والفجوات في اتجاهين متعاكسين، لكن شحناتها متعاكسة أيضاً، لذا يكون التيار الكلي في نفس الاتجاه على جانبي الثنائي، كما هو مطلوب.

تقوم معادلة شوكلي للثنائي بنمذجة الخصائص التشغيلية للانحياز الأمامي لوصلة ap-n خارج منطقة الانهيار الجليدي (التوصيل بالانحياز العكسي).

توصيل المنطقة من النوع p بالطرف السالب لمصدر الجهد، والمنطقة من النوع n بالطرف الموجب ، يُسمى بالانحياز العكسي. عند انحياز الصمام الثنائي عكسيًا، يكون الجهد عند المهبط أعلى نسبيًا من الجهد عند المصعد . لذلك، يمر تيار ضئيل جدًا حتى يتعطل الصمام الثنائي. يوضح الرسم التخطيطي المجاور هذه التوصيلات.

بسبب توصيل المادة من النوع p بالقطب السالب لمصدر الطاقة، تُسحب الفجوات الموجودة في هذه المادة بعيدًا عن الوصلة، تاركةً وراءها أيونات مشحونة، مما يؤدي إلى زيادة عرض منطقة الاستنزاف. وبالمثل، نظرًا لتوصيل المنطقة من النوع n بالقطب الموجب، تُسحب الإلكترونات بعيدًا عن الوصلة، مما يُحدث تأثيرًا مشابهًا. يؤدي هذا إلى زيادة حاجز الجهد، مُسببًا مقاومة عالية لتدفق حاملات الشحنة، وبالتالي السماح بمرور تيار كهربائي ضئيل عبر وصلة p-n. ينتج عن زيادة مقاومة وصلة p-n أنها تتصرف كعازل.

تزداد قوة المجال الكهربائي في منطقة الاستنزاف مع ازدياد جهد الانحياز العكسي. وعندما تتجاوز شدة المجال الكهربائي مستوىً حرجًا، تنهار منطقة الاستنزاف في وصلة p-n ويبدأ التيار بالتدفق، عادةً عبر عملية انهيار زينر أو انهيار الانهيار الجليدي . كلا عمليتي الانهيار هاتين غير مدمرتين وقابلتان للعكس، طالما أن كمية التيار المتدفق لا تصل إلى مستويات تتسبب في ارتفاع درجة حرارة مادة أشباه الموصلات وإلحاق الضرر الحراري بها.

يُستغل هذا التأثير لصالح دوائر منظمات الجهد باستخدام ثنائيات زينر . تتميز ثنائيات زينر بجهد انهيار منخفض ، حيث تبلغ قيمته القياسية 5.6  فولت على سبيل المثال. هذا يعني أن الجهد عند المهبط لا يمكن أن  يزيد عن الجهد عند المصعد بأكثر من 5.6 فولت تقريبًا (مع وجود ارتفاع طفيف مع التيار)، لأن الثنائي ينهار، وبالتالي يُصبح موصلًا للتيار، إذا زاد الجهد عن ذلك. هذا التأثير يحد من الجهد عبر الثنائي.

ومن التطبيقات الأخرى للتحيز العكسي ثنائيات فاراكتور ، حيث يؤدي تغيير عرض منطقة الاستنزاف (التي يتم التحكم فيها بواسطة جهد التحيز العكسي) إلى تغيير سعة الثنائي.

بالنسبة لوصلة ap–n، دع${\displaystyle C_{A}(x)}$ليكن تركيز ذرات المستقبلات سالبة الشحنة و${\displaystyle C_{D}(x)}$لتكن تراكيز ذرات مانحة موجبة الشحنة.${\displaystyle N_{0}(x)}$و${\displaystyle P_{0}(x)}$لتكن و تركيزات الإلكترونات والفجوات عند الاتزان على التوالي. وبالتالي، وفقًا لمعادلة بواسون:

$$$$$

أين${\displaystyle V}$هو الجهد الكهربائي ،${\displaystyle \rho }$هي كثافة الشحنة ،${\displaystyle \varepsilon }$هي السماحية و ${\displaystyle q}$هي مقدار شحنة الإلكترون.

في الحالة العامة، يكون للمواد المضافة توزيع تركيز يتغير بتغير العمق x، ولكن في حالة بسيطة لوصلة مفاجئة،${\displaystyle C_{A}}$يمكن افتراض أن قيمة ثابتة على الجانب p من الوصلة، وتساوي صفرًا على الجانب n، و${\displaystyle C_{D}}$يمكن افتراض أن قيمة ثابتة على الجانب n من الوصلة وتساوي صفرًا على الجانب p. لنفترض${\displaystyle d_{p}}$ليكن عرض منطقة الاستنزاف على الجانب p و${\displaystyle d_{n}}$عرض منطقة الاستنزاف على الجانب n. ثم، بما أن${\displaystyle P_{0}=N_{0}=0}$في منطقة الاستنزاف، يجب أن يكون ذلك

$${\displaystyle d_{p}C_{A}=d_{n}C_{D}}$$

لأن مجموع الشحنة الكلية على جانبي منطقة الاستنزاف p و n يساوي صفرًا. لذلك، بفرض${\displaystyle D}$و${\displaystyle \Delta V}$يمثل هذا الرسم البياني منطقة الاستنزاف بأكملها والفرق المحتمل عبرها. $${\displaystyle \Delta V=\int _{D}\int {\frac {q}{\varepsilon }}\left[(P_{0}-N_{0})+(C_{D}-C_{A})\right]\,\mathrm {d} x\,\mathrm {d} x={\frac {C_ {A} C_ {D}} {C_ {A} + C_ {D}}} {\ frac {q} {2 \ varepsilon }} (d_ {p} + d_ {n}) ^ {2}}$$

وبالتالي، السماح${\displaystyle d}$إذا كان هو العرض الكلي لمنطقة الاستنزاف، فإننا نحصل على $${\displaystyle d={\sqrt {{\frac {2\varepsilon }{q}}{\frac {C_{A}+C_{D}}{C_{A}C_{D}}}\Delta V}}}$$

${\displaystyle \Delta V}$يمكن كتابتها على النحو التالي${\displaystyle \Delta V_{0}+\Delta V_{\text{ext}}}$حيث قمنا بتقسيم فرق الجهد إلى مكونات التوازن بالإضافة إلى المكونات الخارجية. وينتج جهد التوازن عن قوى الانتشار، وبالتالي يمكننا حساب${\displaystyle \Delta V_{0}}$ من خلال تطبيق علاقة أينشتاين وافتراض أن أشباه الموصلات غير متدهورة ( أي ، حاصل الضرب${\displaystyle {P}_{0}{N}_{0}={n}_{i}^{2}}$مستقل عن طاقة فيرمي ): $$\displaystyle \Delta V_{0}={\frac {kT}{q}}\ln \left({\frac {C_{A}C_{D}}{P_{0}N_{0}}}\right)={\frac {kT}{q}}\ln \left({\frac {C_{A}C_{D}}{n_{i}^{2}}}\right)}$$ حيث T هي درجة حرارة أشباه الموصلات و k هو ثابت بولتزمان . ^{[ 6 ]}

تُحدد معادلة شوكلي للثنائي المثالي التيار المار عبر وصلة ap-n كدالة للجهد الخارجي والظروف المحيطة (درجة الحرارة، نوع أشباه الموصلات، إلخ). لفهم كيفية اشتقاقها، يجب دراسة الأسباب المختلفة للتيار. ويُفترض أن يكون اتجاه التيار الأمامي (+) معاكساً لتدرج الجهد الداخلي للثنائي عند حالة الاتزان.

• التيار الأمامي (${\displaystyle \mathbf {J} _{F}}$)
  • تيار الانتشار: تيار ناتج عن اختلالات موضعية في تركيز حاملات الشحنة${\displaystyle n}$، عبر المعادلة${\displaystyle \mathbf {J} _{D}\propto -q\nabla n}$
• التيار العكسي (${\displaystyle \mathbf {J} _{R}}$)
  • المجال الحالي
  • الجيل الحالي