ما هو 다이ود PN؟

Encyclopedia

حقل: موسوعة

China

ما هو الثنائي PN؟

ثنائي PN

يعد الثنائي PN أحد المكونات الأساسية في الإلكترونيات. في هذا النوع من الثنائيات، يتم تطهير جانب واحد من شبه الموصل بشوائب قابلة للقبول (نوع P) والجانب الآخر بشوائب متبرعة (نوع N). يمكن تصنيف هذا الثنائي على أنه 'متدرج خطوة' أو 'متدرج خطيًا'.

في الثنائي PN المتدرج خطوة، تكون تركيز الشوائب موحدًا على كلا الجانبين حتى يصل إلى الوصلة. في الوصلة المتدرجة خطيًا، يتغير تركيز التطهير تقريبًا بشكل خطي مع المسافة من الوصلة. بدون تطبيق أي فولتية، تتحرك الإلكترونات الحرة إلى الجانب P والثقوب تتحرك إلى الجانب N حيث تندمج معًا.

تصبح الذرات القابلة للقبول بالقرب من الوصلة في الجانب P أيونات سالبة، وتتحول الذرات المتبرعة بالقرب من الوصلة في الجانب N إلى أيونات موجبة. هذا يخلق مجالًا كهربائيًا يعارض الانتشار الإضافي للإلكترونات والثقوب. يُسمى هذا المنطقة التي تحتوي على الأيونات غير المغطاة بالمنطقة المستنزفة.

إذا طبقنا فولتية تحيز أمامي على الثنائي PN. وهذا يعني أن الجانب الموجب من البطارية متصل بالجانب P، فإن عرض المنطقة المستنزفة يقل وتدفق الناقلات (الثقوب والإلكترونات الحرة) عبر الوصلة. إذا طبقنا فولتية تحيز عكسي على الثنائي، يزيد عرض المنطقة المستنزفة ولا يمكن لشحنة أن تتدفق عبر الوصلة.

خصائص ثنائي PN

لنفترض وجود وصلة PN بتركيز شوائب متبرعة ND وتركيز شوائب قابلة للقبول NA. لنفترض أيضًا أن جميع الذرات المتبرعة قد أطلقت إلكترونات حرة وأصبحت أيونات متبرعة موجبة وأن جميع الذرات القابلة للقبول قبلت إلكترونات وأنتجت ثقوبًا وأصبحت أيونات قابلة للقبول سالبة. لذلك يمكننا القول إن تركيز الإلكترونات الحرة (n) والأيونات المتبرعة ND هو نفسه وبالمثل، تركيز الثقوب (p) والأيونات القابلة للقبول (NA) هو نفسه. هنا، تم تجاهل الثقوب والإلكترونات الحرة التي تم إنشاؤها في نصف الموصل بسبب الشوائب غير المقصودة والعيوب.

عبر الوصلة PN، تنتشر الإلكترونات الحرة التي تم إعطاؤها بواسطة الذرات المتبرعة في الجانب N إلى الجانب P وتندمج مع الثقوب. وبالمثل، تنتشر الثقوب التي تم إنشاؤها بواسطة الذرات القابلة للقبول في الجانب P إلى الجانب N وتندمج مع الإلكترونات الحرة. بعد عملية الاندماج هذه، يكون هناك نقص أو استنزاف في حاملات الشحن (الإلكترونات الحرة والثقوب) عبر الوصلة. المنطقة عبر الوصلة حيث تستنزف حاملات الشحن الحرة تسمى المنطقة المستنزفة.

بسبب غياب حاملات الشحن الحرة (الإلكترونات الحرة والثقوب)، تصبح أيونات المتبرعين في الجانب N وأيونات القابلة للقبول في الجانب P عبر الوصلة غير مغطاة. هذه الأيونات المتبرعة الموجبة غير المغطاة نحو الجانب N المجاور للوصلة والأيونات القابلة للقبول السالبة غير المغطاة نحو الجانب P المجاور للوصلة تسبب شحنة مساحة عبر الوصلة PN. الجهد الذي يتطور عبر الوصلة بسبب هذه الشحنة المساحة يسمى الجهد الانتشار. يمكن التعبير عن الجهد الانتشار عبر الثنائي PN باستخدام المعادلة التالية. يخلق الجهد الانتشار حاجزًا جهدًا يمنع الهجرة الإضافية للإلكترونات الحرة من الجانب N إلى الجانب P والثقوب من الجانب P إلى الجانب N. وهذا يعني أن الجهد الانتشار يمنع حاملات الشحن من عبور الوصلة.

هذه المنطقة مقاومة للغاية بسبب استنزاف حاملات الشحن الحرة فيها. يعتمد عرض المنطقة المستنزفة على الفولتية المطبقة. يمكن تمثيل العلاقة بين عرض المنطقة المستنزفة والفولتية المطبقة بواسطة معادلة تسمى معادلة بواسون. هنا، ε هي النفاذية الكهربائية لنصف الموصل وV هي الفولتية المطبقة. لذا، عند تطبيق فولتية تحيز أمامي يقل عرض المنطقة المستنزفة أي الحاجز PN ويختفي في النهاية.

لذلك، في غياب الحاجز الجهد عبر الوصلة في حالة التحيز الأمامي تدخل الإلكترونات الحرة إلى منطقة P والثقوب تدخل إلى منطقة N، حيث تندمج وإطلاق فوتون في كل اندماج. نتيجة لذلك، سيكون هناك تيار أمامي يتدفق عبر الثنائي. يتم التعبير عن التيار عبر الوصلة PN كما يلي. هنا، يتم تطبيق الجهد V عبر الوصلة PN ويتدفق التيار الكلي I عبر الوصلة PN.

Is هو التيار العكسي المشبع، e = شحنة الإلكترون، k هو ثابت بولتزمان وT هي درجة الحرارة بمقياس كلفن.

يوضح الرسم البياني أدناه خصائص التيار-الجهد لثنائي PN. عندما يكون V موجبًا، تكون الوصلة متحيزة أماميًا، وعندما يكون V سالبًا، تكون الوصلة متحيزة عكسيًا. عندما يكون V سالبًا وأقل من VTH، يكون التيار ضئيلًا. ولكن عندما يتجاوز V قيمة VTH، يصبح التيار فجأة مرتفعًا جدًا. يُعرف الجهد VTH باسم الجهد العتبة أو الجهد الدخول. بالنسبة للثنائي السيليكون VTH = 0.6 V. عند الجهد العكسي المقابل للنقطة P، يكون هناك زيادة مفاجئة في التيار العكسي. يُعرف هذا الجزء من الخصائص بالمنطقة الانهيار.