پیوند PN — به زبان ساده (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)

در آموزش‌های قبلی مجله فرادرس، درباره مفاهیم بنیادی نیمه‌هادی‌ها بحث کردیم. در این آموزش قصد داریم اصول پیوند PN را در نیمه‌هادی‌ها بررسی کنیم.

پیوند PN، یکی از مفاهیم اساسی در الکترونیک حالت جامد است. هنگامی که یک نیمه‌هادی نوع N به نیمه‌هادی از نوع P متصل می‌شود، پیوند PN به وجود می‌آید که اساس «دیود نیمه‌هادی» (Semiconductor Diode) است. همانطور که در مبحث مفاهیم بنیادی نیمه‌هادی‌ها دیدیم، می‌توان با تزریق مقدار کمی از عنصر «آنتیموان» (Antimony) به اتم سیلیکون، به نیمه‌هادی نوع N رسید. به همین ترتیب، اگر به اتم سیلیکون، عنصر «بور» (Boron) تزریق شود، نیمه‌هادی نوع P ایجاد خواهد شد.

اساس پیوند PN

نیمه‌هادی‌های نوع N و P، از نظر الکتریکی خنثی هستند. یعنی بارهای مثبت و منفی در این نوع نیمه‌هادی‌ها، اثر یکدیگر را خنثی می‌کنند.

فیلم آموزش آشنایی با فیزیک قطعات نیم رسانا در فرادرس

کلیک کنید

اما اگر این دو نیمه‌هادی به یکدیگر متصل شوند، رفتار متفاوتی از خود نشان خواهند داد که به نام «پیوند PN» یا (PN Junction) شناخته می‌شود. شکل زیر اتصال دو نیمه‌هادی نوع N و P را نشان می‌دهد:

در لحظه ابتدایی اتصال نیمه‌هادی‌های نوع N و نوع P، بین دو طرف پیوند PN گرادیان چگالی بار بزرگی وجود دارد. در نتیجه این «گرادیان چگالی» (Density Gradient)، الکترون‌های آزاد از «اتم‌های ناخالص دهنده» (Impurity Donor Atoms) به محل اتصال پیوند مهاجرت می‌کنند تا حفره‌های نیمه‌هادی نوع P را پر کنند. این اتم‌های دهنده در ناحیه منفی یا N پیوند وجود دارند. به این ترتیب، یون‌هایی با بار الکتریکی منفی در ناحیه P پیوند ایجاد می‌شود، زیرا الکترون‌های آزادِ موجود در نیمه‌هادی نوع N به ناحیه P در محل پیوند مهاجرت کرده‌اند. همانطور که گفتیم، الکترون‌ها از سیلیکون غیرذاتی نوع N به سمت سیلیکون غیر ذاتی نوع P حرکت می‌کنند و از پیوند PN عبور می‌کنند. مهاجرت این الکترون‌ها، باعث می‌شود که چگالی بار منفی در نیمه‌هادی نوع N کاهش پیدا کند. به این ترتیب، یون‌هایی با بار مثبت در محل اتصال و ناحیه منفی یا N ایجاد می‌شود که آن را $$N_D$$ می‌نامند.

نیمه‌هادی نوع P نیز شامل «اتم‌های ناخالص پذیرنده» (Impurity Acceptor Atoms) است که دریافت‌کننده الکترون‌های آزاد هستند. حفره‌ها در اتم‌های ناخالص پذیرنده، از پیوند در خلاف جهت عبور می‌کنند تا به ناحیه N که در آن الکترون‌های آزاد زیادی وجود دارد، برسند. با حرکت حفره‌ها از ناحیه P به سمت ناحیه N، چگالی بار مثبت در ناحیه P پیوند کاهش می‌یابد. به این ترتیب، محل پیوند در ناحیه P، از یون‌هایی با بار منفی پذیرنده پر می‌شود. این چگالی بار منفی را $$N_A$$ می‌نامیم. با حرکت این حفره‌ها، چگالی بار در ناحیه N پیوند نیز مثبت می‌شود.

نفوذ در پیوند PN

همانطور که بیان شد در پیوند PN، هم بارهای مثبت (حفره‌ها) و هم بارهای منفی (الکترون‌های آزاد) امکان جابجایی دارند. حرکت بارهای مثبت و منفی یا الکترون‌ها و حفره‌ها در طول پیوند PN را «نفوذ» (Diffusion) می‌نامند. عرض لایه‌های P و N به ترتیب به چگالی بار پذیرنده ($$N_A$$) و چگالی بار دهنده ($$N_D$$) در ناحیه پیوند بستگی دارد.

فیلم آموزش فیزیک الکترونیک – بخش یکم در فرادرس

کلیک کنید

هرچه مهاجرت الکترون‌ها و حفره‌ها و عبور آنها از پیوند بیشتر شود، بار الکتریکی بیشتری در دو طرف پیوند جمع می‌شود. به این ترتیب، یک اختلاف پتانسیل بین دو طرف پیوند ایجاد می‌شود. این اختلاف پتانسیل با مهاجرت بیشتر حامل‌های بار و عبور آنها از پیوند، مخالفت می‌کند. سرانجام یک «حالت تعادل» (State of Equilibrium) در ناحیه پیوند ایجاد می‌شود که از نظر الکتریکی خنثی است. در این حالت یک ناحیه «سد پتانسیل» (Potential Barrier) در فضای اطراف پیوند ایجاد می‌شود. هنگامی که سد پتانسیل ایجاد می‌شود، حفره‌ها در ناحیه P، اتم‌های دهنده با بار مثبت را دفع می‌کنند و الکترون‌ها در ناحیه N نیز، اتم‌های پذیرنده با بار منفی را دفع خواهند کرد. به این ترتیب، از مهاجرت بیشتر حامل‌های بار ممانعت به عمل می‌آید. به دلیل وجود این اختلاف پتانسیل، حامل‌های بار آزاد در محلی که سد پتانسیل وجود دارد،‌ نمی‌مانند.

به این ترتیب، ناحیه پیوند به طور کامل از هر نوع بار آزاد خالی می‌شود. به این ناحیه در اطراف پیوند PN، «لایه تهی یا ناحیه تخلیه» (Depletion Layer) گویند.

دو طرف پیوند PN، چگالی بارهای برابر و مخالف هم دارد. به این ترتیب، شرایط بار خالص خنثی در پیوند PN همچنان برقرار خواهد ماند. فرض کنید که پهنای کل لایه تهی، D و پهنای ناحیه مثبت یا P، به اندازه $$D_P$$ و پهنای ناحیه منفی یا N، به اندازه $$D_N$$ باشد. شکل زیر، پیوند PN به همراه «عمق نفوذ» (Diffusion Depth) در هر ناحیه را نشان می‌دهد:

برای آنکه رابطه خنثی بودن بار یا تعادل بار حفظ شود، رابطه پهنای قسمت P و پهنای قسمت N به صورت زیر تعریف می‌شود:

$$D_p \times N_A = D_n \times N_D$$

از آنجا که نیمه‌هادی نوع N، الکترون‌های آزاد خود و نیمه‌هادی نوع P حفره‌های خود را از دست داده است، پتانسیل نیمه‌هادی نوع N نسبت به نیمه‌هادی نوع P، مثبت خواهد شد. وجود یون‌های ناخالص در دو طرف پیوند یک میدان الکتریکی ایجاد می‌کند. این میدان الکتریکی، باعث می‌شود پتانسیل در قسمت N پیوند نسبت به پتانسیل در قسمت P پیوند مثبت باشد. اما مسئله اصلی اینجاست که یک بار آزاد برای غلبه بر سد پتانسیل ایجاد شده و عبور از ناحیه تهی پیوند، احتیاج به انرژی بسیاری دارد.

پیوند PN بایاس صفر

میدان الکتریکی ایجاده شده به وسیله فرآیند نفوذ،‌ یک «اختلاف پتانسیل داخلی» (Built-In Potential Difference) در قسمت میانی پیوند ایجاد می‌کند. این پتانسیل مدار باز ( یا بایاس صفر)، به صورت زیر محاسبه می‌شود:

$$E_0 = V_T . ln \left ( \frac{N_D . N_A}{n_i^2}  \right )$$

که در آن، $$E_0$$ ولتاژ پیوند بایاس صفر و $$V_T$$ ولتاژ حرارتی است که در دمای اتاق برابر با $$26mV$$ فرض می‌شود. $$N_D$$ و $$N_A$$ «غلظت ناخالصی‌ها» (Impurity Concentration) و $$n_i$$ «غلظت ذاتی» (Intrinsic Concentration) است.

اگر به دو طرف پیوند PN یک ولتاژ مثبت با بایاس مستقیم متصل شود، به الکترون‌های آزاد و حفره‌ها انرژی وارد می‌شود. این ولتاژ خارجی باعث می‌شود که حامل‌های بار بر سد پتانسیل غلبه کنند. سد پتانسیل به نوع ماده نیمه‌هادی و دمای واقعی آن وابسته است. به طور معمول، در دمای اتاق، ولتاژ دو سر لایه تهی یا ولتاژ پیوند برای سیلیکون حدود 0.6 تا 0.7 ولت و برای ژرمانیم برابر 0.3 تا 0.35 ولت است. حتی اگر پیوند PN به هیچ منبع توان خارجی وصل نشود، سد پتانسیل همواره وجود خواهد داشت. یعنی جریان در پیوند PN همواره آزادانه از یک جهت (بایاس مستقیم) عبور خواهد کرد، اما امکان عبور در جهت معکوس (بایاس معکوس) را نخواهد داشت. این مورد همانند اتفاقی است که در دیود روی می‌دهد. این رفتار غیر معکوس‌شونده، از فرآیند انتقال بار در نیمه‌هادی‌های نوع N و P ناشی می‌شود.

حالت‌های الکترون در نیمه‌هادی‌ها

الکترون‌ها در یک جسم، حالت‌های مختلفی دارند که به آن، «حالت‌های الکترون» (Electron States) گفته می‌شود. تعامل اتم‌ها در شبکه یک جسم، این حالت‌ها را به «باند انرژی» (Energy Bands) تبدیل می‌کند. باندهای انرژی به وسیله «گاف‌های انرژی» (Energy Gaps) از یکدیگر جدا می‌شوند. در گاف‌های انرژی،‌ هیچ حالتی از الکترون وجود ندارد. به این معنی که یک الکترون هرگز نمی‌تواند به اندازه سطح گاف، حامل انرژی باشد.

فیلم آموزش الکترونیک 1 – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

نیمه‌هادی‌ها در دمای صفر مطلق، تا «باند والانسی» (Valence Band)، کاملا پر از الکترون هستند. به باندی که بعد از باند والانسی و باند گاف می‌آید،‌ «باند هدایتی» (Conduction Band) گفته می‌شود. در دمای صفر مطلق،‌ باند هدایتی هیچ الکترونی ندارد. باندهای بالاتر از باند هدایتی نیز خالی از الکترون هستند. الکترون‌ها در باندهایی که کاملا پر یا کاملا خالی هستند، منجر به ایجاد جریان نمی‌شوند. بنابراین یک نیمه‌هادی در دمای صفر مطلق، عایق کامل است. شکل زیر یک نیمه‌هادی را در دمای صفر مطلق نشان می‌دهد که هیچ الکترونی‌ در باند هدایتی و هیچ حفره‌ای در باند والانسی خود ندارد:

در دماهای بالاتر، انرژی حرارتی باعث می‌شود که تعدادی از الکترون‌ها از باند گاف عبور کنند و به باند هدایتی برسند. حرکت این الکترون‌ها باعث ایجاد حفره‌هایی با بار مثبت در محل قبلی الکترون‌ها می‌شود. شکل زیر این مسئله را نشان می‌دهد:

این الکترون‌های منتقل‌شده به باند هدایت به همراه حفره‌های ایجاد شده، می‌توانند باعث ایجاد جریان الکتریکی در نیمه‌هادی شوند. با افزایش دما، الکترون‌های بیشتری از باند گاف عبور کرده و به باند هدایتی می‌رسند و نیمه‌هادی، رسانای بهتری می‌شود.

همانطور که گفتیم می‌توان با ناخالص کردن نیمه‌هادی و تبدیل آن به نیمه‌هادی نوع N و نوع P، الکترون‌ها یا حفره‌های آن را افزایش داد. در نیمه‌‌هادی نوع N، الکترون‌های باند هدایتی عامل ایجاد جریان و در نیمه‌هادی نوع P، حفره‌های باند والانسی عامل ایجاد جریان هستند. شکل زیر، باند انرژی را برای نیمه‌هادی‌های نوع N و نوع P نشان می‌دهد:

یک پیوند PN در حالت تعادل را در نظر بگیرید. اگر باند انرژی الکترون را برای این پیوند رسم کنیم، خواهیم داشت:

دایره‌های توخالی در سمت چپ نمایانگر حفره‌ها یا «نقصان الکترون» (Deficiencies of Electrons) در شبکه هستند و مانند حامل‌های بار مثبت عمل می‌کنند. دایره‌های توپر در سمت راست پیوند، نمایانگر الکترون‌های موجود در نیمه‌هادی نوع N هستند. همانطور که گفتیم انتشار الکترون‌ها در نزدیکی محل پیوند برای ترکیب با حفره‌ها، یک ناحیه تهی ایجاد می‌کند. سطح انرژی نشان داده شده در این شکل، یک راه برای نمایش «شرایط تعادل» (Equilibrium Condition) در پیوند PN است. جهت بالا، نمایانگر سطح انرژی بیشتر برای الکترون است.

اثر بایاس روی الکترون‌ها در ناحیه تهی

حال فرض کنید که به این پیوند PN یک ولتاژ اعمال کنیم. با تغییر بایاس ولتاژ اعمال شده، ناحیه تهی پیوند و سطح انرژی الکترون‌ها و حفره‌ها تغییر می‌کند. در ادامه به بررسی اثر بایاس روی ولتاژ پیوند PN می‌پردازیم.

بایاس صفر یا تعادل پیوند

طبق قانون کولن، در پیوند PN پس از رسیدن به حالت تعادل، یون‌ها از مهاجرت بیشتر منع می‌شوند. به این ترتیب، حرکت الکترون‌ها از ناحیه N به ناحیه P پیوند، متوقف می‌شود و پیوند به حالت تعادل می‌رسد. الکترون‌های ناحیه N توسط یون‌های منفی در ناحیه P پیوند دفع می‌شود و قابلیت مهاجرت خود را از دست می‌دهند. این الکترون‌ها به وسیله یون‌های مثبت در ناحیه N نیز جذب می‌شوند. این دو مورد از مهاجرت بیشتر الکترون‌های ناحیه N به سمت ناحیه P جلوگیری می‌کند. شکل زیر باند انرژی الکترون‌ها و حفره‌ها را در حالت تعادل نشان می‌دهد:

در این حالت، الکترون‌های باقیمانده در نیمه‌هادی نوع N برای عبور از پیوند و حرکت در خلاف جهت میدان الکتریکی، باید بر سد پتانسیل غلبه کنند. به همین ترتیب، حفره‌ها نیز باید بر این سد غلبه کنند. لازم به یادآوری است که تعداد بسیار کمی حفره در نیمه‌هادی نوع N و تعداد بسیار کمی الکترون در نیمه‌هادی نوع P نیز وجود دارد. بنابراین امکان عبور جریان وجود ندارد. برای غلبه بر این سد پتانسیل، باید یک پتانسیل خارجی به پیوند اعمال شود.

قبل از پرداختن به میدان اعمال خارجی، باید گفت که نیمه‌هادی در خارج از ناحیه تهی نسبت به ناحیه تهی، خاصیت رسانایی بسیار بالاتری دارد. یعنی اختلاف پتانسیل اعمال شده به این پیوند، در ناحیه تهی متمرکز می‌شود و در ناحیه غیر تهیِ نیمه‌هادی خود را نشان نمی‌دهد.

بایاس مستقیم

حال فرض کنید پیوند PN به یک منبع ولتاژ متصل شود. به طوری که قطب منفی منبع ولتاژ به نیمه‌هادی نوع N و قطب مثبت آن به نیمه‌هادی نوع P وصل شود. در این حالت، میدان الکتریکی خارجی ($$E_{ext}$$) با میدان الکتریکی داخلی ($$E_0$$) مخالفت می‌کند. بنابراین، میدان الکتریکی کلی به صورت $$E_0 - E_{ext}$$ خواهد بود. شکل زیر، این پتانسیل اعمالی را نشان می‌دهد:

با اعمال این ولتاژ با پلاریته مستقیم به پیوند PN، میدان الکتریکی مخالفت‌کننده با عبور حامل‌های بار کاهش می‌یابد. بنابراین، الکترون‌ها انرژی لازم برای غلبه بر نیروی کولن در ناحیه تهی را کسب می‌کنند و بدون هیچ‌گونه مقاومتی در جهت مستقیم حرکت خواهند کرد. به این ترتیب، تعدادی از حامل‌های بار نفوذ می‌کنند. میدان الکتریکی کاهش یافته، مجددا پیوند را به شرایط تعادل می‌رساند. اما پهنای ناحیه تهی کمتر می‌شود. شکل زیر،‌ باند انرژی را در حالت بایاس مستقیم نشان می‌دهد:

با کاهش ولتاژ سد پتانسیل، بعضی الکترون‌ها و حفره‌ها به دلیل کسب انرژی حرارتی، می‌توانند از ناحیه تهی عبور کنند. اگر پتانسیل خارجی اعمال شده بزرگتر از پتانسیل داخلی باشد، سد پتانسیل معکوس می‌شود و الکترون‌ها و حفره‌ها بدون هیچ‌گونه مقاومتی از پیوند عبور می‌کنند.

مشاهده کردیم که می‌توان با اتصال دو ماده نیمه‌هادی با ناخالصی‌های متفاوت، یک پیوند PN ایجاد کرد. به قطعه الکترونیکی ایجاد شده، دیود گویند. دیودها، قطعاتی نیمه‌هادی هستند و اساس ساختارهای «یکسوساز» (Rectifier) را تشکیل می‌دهند.

بایاس معکوس

حال فرض کنید پیوند PN را به یک منبع ولتاژ به گونه‌ای وصل کنیم که نیمه‌هادی نوع N به قطب مثبت و نیمه‌هادی نوع P به قطب منفی منبع ولتاژ متصل شود. در این حالت، میدان الکتریکی خارجی ($$E_{ext}$$) با میدان الکتریکی داخلی ($$E_0$$) هم‌جهت هستند. بنابراین، میدان الکتریکی کلی به صورت $$E_0 + E_{ext}$$ خواهد بود. شکل زیر، این پتانسیل اعمالی را نشان می‌دهد:

با اعمال این ولتاژ با پلاریته معکوس به پیوند PN، الکترون‌ها قابلیت عبور از پیوند را از دست می‌دهند. این مسئله باعث می‌شود حامل‌های بار به بیرون پیوند رانده شوند. برای آنکه در این حالت هدایت صورت گیرد، الکترون‌ها باید از ناحیه N به طرف پیوند حرکت کنند. ولتاژ معکوس، الکترون‌ها را از پیوند دور می‌کند. به این ترتیب، شرایط برای رسانایی این پیوند نامساعد می‌شود. به همین دلیل، عرض ناحیه تهی بیشتر می‌شود و میدان خارجی بر خلاف حامل‌های بار عمل خواهد کرد. شکل زیر،‌ باند انرژی در حالت بایاس معکوس را نشان می‌دهد:

به این ترتیب، «حامل‌های اکثریت» (Majority Carriers) که همان الکترون‌ها در نیمه‌هادی نوع N و حفره‌ها در نیمه‌هادی نوع P هستند، عامل عبور هیچ جریانی نخواهند بود. در این حالت فقط یک جریان قابلیت عبور دارد و آن «جریان نشتی» (Leakage Current) است که «حامل‌های اقلیت» (Minority Carriers) (حفره‌ها در نیمه‌هادی نوع N و الکترون‌ها در نیمه‌هادی نوع P) ایجاد کننده آن هستند. از آنجا که این حامل‌ها تراکم چندانی ندارند، این جریان بسیار کوچک و در حد چند نانوآمپر خواهد بود.

پتانسیل داخلی با عبور حفره‌ها و الکترون‌ها از پیوند مخالفت می‌کند و به همین دلیل است که به آن سد پتانسیل می‌گویند. در عمل، پیوند PN به صورت کریستال از یک ماده ساخته می‌شود و آمیختن یا الحاق مواد مختلف برای ساخت پیوند PN پیشنهاد نمی‌شود. در نتیجه، پیوند PN مشخصات یکسوکنندگی ولتاژ-جریان (V-I) را دارد. دو طرف نیمه‌هادی به پایه‌های الکتریکی وصل می‌شود تا اتصال نیمه‌هادی به مدارهای خارجی ممکن شود. قطعه الکترونیکی منتجه را معمولا دیود پیوند PN یا به طور ساده‌تر، «دیود سیگنال» (Signal Diode) می‌نامند.

در آموزش بعدی از این سری آموزش‌ها در مجله فرادرس، درباره یکی از مشهورترین کاربردهای پیوند PN در مدارها، یعنی دیود بحث می‌کنیم. همانطور که گفتیم، با افزودن اتصالات به پایه نیمه‌هادی‌های نوع N و نوع P یک دستگاه دو با ترمینال ساخته می‌شود که به آن دیود پیوند PN گویند. با اعمال ولتاژ خارجی به دیود و بایاس مناسب، می‌توان کاری کرد که دیود جریان را از خود عبور دهد یا مانع از عبور آن شود.

در صورت علاقه‌مندی به مباحث مرتبط در زمینه فیزیک و مهندسی برق، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• القای الکترومغناطیسی— از صفر تا صد
• فیزیک الکتریسیته را به سادگی و با مجموعه مقالات وبلاگ فرادرس یاد بگیرید

^^