آشنایی با انواع نیمه هادی ها و پیوند p-n

ساختار مواد

اتم ها مطابق مدل بور ( Bohr model ) دارای ساختار نجومی ( Planetary structure ) هستند. نوترون­ها و پروتون­ها با هم در مرکز اتم قرار دارند که هسته نامیده می شود. الکترون ها در اطراف هسته مطابق الگوی خاص خود می چرخند. در این مدل الکترون ها نقش سیاره ها و هسته نقش خورشید را بازی میکند.

تعداد پروتون­ها در یک اتم عدد اتمی ( Atomic number ) را مشخص میکنند. وزن اتمی ( Atomic weight ) تقریباً برابر تعداد پروتون ها بعلاوه تعداد نوترون ها است. الکترون ها در مدارها و یا لایه های با فاصله مشخص از هسته اتم به دور آن می­چرخند. هر لایه دارای ۲n2 الکترون است که در آن n شماره لایه است با این استثناء که تعداد الکترون های آخرین لایه که به لایه ظرفیت مشهور است به ۸ الکترون محدود می شود. هر لایه دارای یک انرژی مشخص متناظر با آن است. هر چه لایه به هسته نزدیکتر باشد نیرویی که آنرا به هسته مقید می­کند بیشتر است. بدین معنی که الکترون­های لایه اول تحت کشش شدید هسته هستند در حالی که به الکترون­های لایه آخر کمتر نیرو وارد می­شود. الکترون­های آخرین لایه که بیشتر امکان فرار کردن از هسته را دارند مسئول انجام واکنش­های شیمیایی و همچنین هدایت الکتریکی هستند. الکترون­های لایه آخر، الکترون های ظرفیت نامیده می شوند. الکترون­های ظرفیت که در آخرین لایه می چرخند دارای بالاترین سطح انرژی هستند و برای جدا شدن از اتم مقدار انرژی کمی نیاز دارند. لایه­های انرژی نزدیک­تر به هسته سطح انرژی کمتری دارند. شکل زیر مفهوم سطح انرژی را نشان می­دهد.

Mafhome sathe energy

هنگامی که یک اتم از یک منبع گرمایی و یا از نور انرژی دریافت می کند سطح انرژی الکترون­ها افزایش می­یابد. هنگامی که سطح انرژی الکترون افزایش می یابد به مدار بالاتر می رود که از هسته دورتر است. چنانچه الکترون­های ظرفیت از این انرژی بهره­مند شوند می خواهند به مدار بالاتر پرش نمایند و چون در آخرین مدار قرار دارند بنابراین کلاً از جاذبه هسته اتم خارج می­شوند و تبدیل به الکترون آزاد می شوند که کار هدایت جریان الکتریکی را انجام می دهد. هر چه تعداد الکترون­های آزاد بیشتر باشد هدایت الکتریکی ماده بیشتر خواهد بود.

 


تئوری باند انرژی ( Energy-band theory )

الکترون­های لایه ظرفیت بالاترین سطح انرژی الکترون­های یک اتم را دارا هستند و کمتر از بقیه تحت جاذبه هسته اتم هستند. این الکترون­ها عمل ترکیب شیمیایی و پیوند با اتم های مجاور را بعهده دارند. در مواد جامد اتم­ها به یکدیگر بسیار نزدیک هستند و عملاً الکترون­های لایه آخر بین چند اتم مشترک هستند. بنابراین الکترون­های لایه آخر از نیروهای مربوط به چند اتم تاثیر می­پذیرند. پیوند تشکیل شده در اثر اشتراک الکترون های ظرفیت اتم های مجاور با یکدیگر را پیوند هم ­ظرفیت گویند. بنابراین الکترونهای ظرفیت بدلیل آنکه در پیوند هم ظرفیت اتم های مجاور هستند آزاد نخواهند بود.

الکترون­های ظرفیت دارای بالاترین سطح انرژی هستند و بدلیل آنکه تشکیل پیوند هم ظرفیت می­دهند سطوح انرژی متناظر با الکترون­های ظرفیت با یکدیگر ادغام می­شود. این ادغام یک باند انرژی ( Energy band ) را شکل می­دهد. بصورت مشابه سطوح انرژی الکترون های موجود در مدارهای اول، دوم و … ادغام می شوند تا باندهای انرژی مختلفی را شکل دهند. بنابراین برخلاف آنکه در اتم های جدا از هم سطوح انرژی کاملاً مجزایی وجود دارد، سطوح انرژی با فاصله کم در جامدات وجود دارد که به آنها باندهای انرژی می گوییم. از میان همه باندهای انرژی ، سه باند انرژی به شرح زیر از اهمیت زیادی برخوردار است.

الف) باند ظرفیت که از ادغام سطوح انرژی متناظر با الکترون های ظرفیت تشکیل می شود .

ب) باند هدایت ( Conduction band ) که از ادغام سطوح انرژی متناظر با الکترون های آزاد تشکیل می شود .

در حالت عادی باند هدایت خالی است و با دادن انرژی الکترون های ظرفیت به باند هدایت پرش می کنند و آزاد می­شوند. هنگام پریدن از باند ظرفیت به باند هدایت، الکترون ها بایستی از یک گپ یا فاصله انرژی عبور نمایند.

ج) باند ممنوع ( Forbidden band or gap ) : گپ انرژی که باند ظرفیت را از باند هدایت جدا می­کند، گپ یا باند ممنوع نامیده می شود و با EG نشان داده می شود. الکترون­ها نمی­توانند در باند ممنوع حضور داشته باشند. انرژی داده شده به الکترون­های ظرفیت بایستی از باند ممنوع بیشتر باشد تا آنها بتوانند از باند ظرفیت به باند هدایت وارد شوند. شکل زیر دیاگرام باند انرژی مواد جامد را نشان می دهد.

diagram of energy bandهمانگونه که می­دانید در سیستم واحدهای M.K.S. واحد انرژی ژول است. اما این واحد برای بیان سطح انرژی الکترون­ها بسیار بزرگ است. بنابراین از یک واحد انرژی دیگر بنام الکترون ولت eV استفاده می نماییم. طبق تعریف یک الکترون ولت انرژی لازم برای عبور یک الکترون از پتانسیل یک ولتی است. بنابراین

 

این مطلب را از دست ندهید :  بخش دوم آموزش AVR : اجزای مدارهای الکتریکی و الکترونیکی

ElectronVolt

برای مواد هادی باند ممنوعه وجود ندارد و باند ظرفیت با باند هدایت همپوشانی دارد. برای مواد عایق باند ممنوع بسیار بزرگ و حدود ۷ الکترون ولت است بگونه­ای که امکان پرش برای الکترون­های ظرفیت از باند ظرفیت به باند هدایت وجود ندارد مگر در دماها یا ولتاژهای خیلی بالا که به آن ولتاژ شکست عایقی گفته می شود. مواد نیمه هادی دارای گپ ممنوعه نازک و در حدود یک الکترون ولت هستند. در این مواد حرارت موجود در دمای اتاق کافی است که الکترون ها را از باند ظرفیت به باند هدایت بالا ببرد. اما در دمای صفر کلوین یا ۲۷۳- درجه سلسیوس کلیه الکترون ها در باند ظرفیت قفل شده­اند و عنصر مثل یک عایق کامل عمل می­کند. گپ ممنوعه برای نیمه هادی ها با درجه حرارت تغییر می کند. بعنوان نمونه نیمه هادی سیلیسیوم و ژرمانیوم مطابق روابط زیر با دما تغییر می­کند که در آن T دمای مطلق برحسب کلوین و EG برحسب الکترون ولت است.

Gap Energy for Si And Gediagram of energy band 2


معرفی نیمه ­هادی­های از نوع p و n

اتم از بارهای الکتریکی مثبت و منفی به میزان برابر تشکیل شده و از نظر الکتریکی خنثی است. پروتون­ها بارهای الکتریکی مثبت را تشکیل داده و در هسته اتم قرار می­گیرند. الکترون­ها در مدارهای مختلف اطراف هسته می ­چرخند.

یک عنصر در صورت کامل بودن تعداد الکترون­های آخرین لایه (shell) پایدار نامیده می­شود. ظرفیت کامل لایه اول ۲ الکترون، لایه دوم ۸ الکترون، لایه سوم ۱۸ الکترون، لایه چهارم ۳۲ الکترون و . . . است. تعداد الکترون­های آخرین لایه، شماره گروه آن عنصر را نشان می­دهد. جدول (۲-۱) جدول تناوبی عناصر را نشان می­دهد.

بعنوان مثال عنصر سیلیسیم (Si) در لایه اول دارای ۲ الکترون، لایه دوم ۸ الکترون و لایه سوم ۴ الکترون است. یعنی دو لایه اول کامل است ولی لایه بیرونی که لایه ظرفیت است با داشتن ۴ الکترون نیمه پر است. اتم ژرمانیوم با در اختیار داشتن ۱۸ الکترون به لایه سوم در لایه چهارم دارای ۴ الکترون است. بنابراین سیلیسیم و ژرمانیوم از گروه چهار است و می­تواند الکترون های لایه ظرفیت را با اتم­های مجاور تقسیم نماید. هر عنصری که در لایه ظرفیت آن از ۴ الکترون تشکیل شده باشد یک نیمه هادی ذاتی یا خالص ( Pure or intrinsic semiconductor ) نامیده می­شود. شکل زیر ساختمان اتمی سیلیسیم و ژرمانیوم را نشان می دهد.

Structure Of si And Ge

الکترون­های ظرفیت سیلیسیوم در لایه سوم و برای ژرمانیوم در لایه چهارم قرار دارند بنابراین الکترون­های ظرفیت ژرمانیوم کمتر در جاذبه هسته قرار داشته و در دماهای بالا ناپایدارتر از سیلیسیوم هستند. بهمین دلیل در ساخت نیمه هادی­ها بیشتر از سیلیسیم استفاده می­شود.

انرژی دادن به سیلسیم خالص مثلاً از نوع حرارتی منتج به آزاد شدن الکترون از لایه آخر می­شود. این عمل سبب هادی شدن سیلیسیم می­شود که به آن هدایت ذاتی (intrinsic conduction) گویند. ناخالصی در نیمه هادی ذاتی بسیار کم و از مرتبه یک در ۱۰۰ میلیون است.

افزودن ناخالصی به سیلسیم می­تواند موجب هدایت غیرذاتی (extrinsic conduction) شود. اتم سیلیسیم همیشه در جستجوی راهی برای پر کردن لایه­ی آخر است تا ۸ الکترونش را کامل کند. برای انجام این کار، این الکترو نها را با ۴ تا از اتم های سیلیکون همسایه اش شریک خواهد کرد. هر اتم تمایل دارد که موقعیت خود را با اتم های همسایه اش حفظ کند، در نتیجه هر اتم از ۴ سمت به ۴ همسایه­اش متصل می شود. وقتی انرژی به سیلیکون خالص اضافه می شود (مثلاً به صورت گرما)، می تواند موجب شود که پیوند تعدادی از الکترون ها شکسته شود و اتم هایشان را ترک کنند و یک حفره در هر نمونه بوجود آید. سپس این الکترون­ها، به طور اتفاقی پیرامون شبکه ی بلوری پراکنده می شوند و حفره ی دیگری را جستجو می کنند که درون آن سقوط کنند. این الکترون ها حامل­های آزاد نامیده می شوند و می توانند جریان الکتریکی را جا به جا کنند. اما تعداد کمی از آن ها در سیلیکون خالص وجود دارند و خیلی مفید نیستند.

هنگامی که یک اتم الکترون از دست می دهد بار خالص آن مثبت است که به آن یون مثبت و هنگامی که یک الکترون دریافت می­کند به آن یون منفی گویند. به فرایندی که منجر به تشکیل یون­های مثبت و منفی می شود یونیزاسیون ( Ionization ) گویند .

سیلیکون ناخالص که با اتم­های فسفر ترکیب شده است، داستانی متفاوت دارد. انرژی بسیار کمتری برای ضربه زدن به یکی از الکترون های سست و اضافی فسفر، صرف می شود. چرا که آن ها در یک پیوند، مقید نشده اند و همسایگانشان مانع آنها نیستند. به همین خاطر بیشتر این الکترون ها با دریافت انرژی آزاد می شوند و در نتیجه نسبت به سیلیکون خالص، حامل های آزاد بسیار بیشتری در سیلیکون نا خالص داریم. این فرایند را ناخالص­سازی گویند. سیلیکون بدست آمده بدلیل پخش الکترون های آزاد، نوع  N (Negative) نامیده می­شود. سیلیکون آلاییده ی نوع N به دلیل پخش الکترو نهای آزاد رسانای بسیار بهتری نسبت به سیلیکون خالص است. در واقع فقط بخشی از سلول خورشیدی از نوع آلاییده N است. سایر قسمت ها با بور آلائیده می شود که به جای ۴ الکترون فقط ۳ الکترون در لایه ی بیرونی خود دارد. بدین ترتیب سیلیکون نوع P بدست می آید. سیلیکون نوع P به جای داشتن الکترون های آزاد، حفره ی آزاد دارد. حفره ها در واقع فقدان الکترون ها هستند. پس آن ها بار قرینه مثبت حمل می کنند. بر این اساس و طبق خواص فیزیکى لایه چهارم جدول مندلیف با آلائیدن و اعمال ناحالصی مانند بور و فسفر به ماده ی اصلی می توان لایه نازک از نوع P و N تهیه نمود. وقتی حفره ها و الکترون ها در پیوندگاه بین سیلیکون نوع P و N ترکیب شوند، خنثایی از دست می رود. در نهایت یک میدان الکتریکی جداگانه ی دوجانبه بوجود می آید. شرح زیر مراحل این نوع هدایت را توضیح می­دهد.

الف) افزودن ناخالصی از گروه V (دهنده الکترون) باعث فزونی الکترون در نیمه هادی شده و دوپینگ ( Doping ) از نوع n را ایجاد می­کند. در این حالت الکترون­ها حامل­های اکثریت و حفره ­ها حامل­های اقلیت هستند.

ب) افزودن ناخالصی از گروه III (گیرنده الکترون) موجب کمبود الکترون در نیمه هادی شده و دوپینگ ( Doping ) از نوع p را ایجاد می کند. در این حالت حفره ها حامل اکثریت و الکترون ها حامل های اقلیت هستند.

 

این مطلب را از دست ندهید :  آشنایی با ترانزیستورهای دوقطبی پیوندی BJT

پیوند PN

شکل زیر ساختمان یک پیوند حاصل از اتصال نیمه هادی نوع N با نیمه هادی نوع P را نشان می­دهد.

pn Junction Structure

عملکرد ناحیه تهی نزدیک به عایق است. ولتاژ ایجاد شده در ناحیه تهی برای نیمه رسانای سیکیون تقریباً برابر ۵۶۰ میلی ولت است. اتصال باطری در جهت مستقیم مطابق شکل زیر بایاس مستقیم (forward) پیوند PN می­ شود.

pn Junction Forward Bias

نتیجه این نوع اتصال کوچک شدن ناحیه تهی و عبور جریان به معادله

Diode Current Eq

خواهد بود که در آن IR جریان معکوس، Vj ولتاژ پیوند،q بار الکترون، T دمای مطلق و k ثابت بولتزمن است .

اتصال باطری در جهت معکوس نیز مطابق شکل زیر موجب بایاس معکوس (reverse ) اتصال PN می شود.

pn Junction Reverse Bias

نتیجه این نوع اتصال بزرگتر شدن ناحیه تهی و ممانعت از عبور جریان است. در عمل عبور جریان کوچکی مشاهده می شود که به آن جریان نشتی (leakage current) گفته می شود .

شکل زیر نمودار جریان – ولتاژ پیوند را در حالت بایاس مستقیم و بایاس معکوس نشان می دهد.

Diode Current Voltage

 

این مطلب را از دست ندهید :  آشنایی با ترانزیستورهای دوقطبی پیوندی BJT

مقادیر عناصر (rating)

اندازه­های حداکثر است که یک عنصر بدون خراب شدن می تواند تحمل کند مقادیر (rating) آن عنصر نامیده می شود. این اندازه ها از جمله پارامترهای محدود کننده است. مهمترین مقادیر عناصر عبارتند از:

  • ولتاژ حداکثر معکوس
  • ولتاژ حداکثر معکوس تکرار شونده
  • ولتاژ مستقیم حداکثر (برای کلیدهای کنترل پذیر)
  • جریان مستقیم متوسط حداکثر IF(AV)
  • جریان مستقیم موثر حداکثر IF(RMS)
  • جریان حداکثر گذرای غیر تکراری مجاز
  • تلفات توان حداکثر
  • دمای حداکثر پیوند برحسب درجه سلسیوس ( oC ) (Junction Temperature)
  • دمای بهره برداری (operating temperature)
  • دمای ذخیره (Storage Temperature)
  • نرخ زمانی افزایش جریان حداکثر

 


مشخصات دیودها (characteristics)

کارآیی عنصر تحت شرایط خاص مشخصات عنصر نامیده می شود. مشخصات را می توان پارامترهای توصیفی عناصر نامید. مشخصات عنصر شامل دو دسته مشخصات استاتیک و دینامیک به شرح زیر است.

الف) مشخصات استاتیک :

  • حداکثر افت ولتاژ مستقیم
  • حداکثر جریان نشتی معکوس
  • حداکثر تلفات توان مستقیم
  • تلفات توان معکوس
  • بهره توانی عنصر (توان کنترل شده به توان مورد نیاز برای فرمان)
  • مشخصه فیوزی I2t
  • مقاومت حرارتی پیوند به بدنه و برای قطعات قابل اتصال به خنک کننده و پیوند به هوا برای قطعات با پکیج غیر قابل اتصال به خنک کننده ( oC/W )

 

ب) مشخصات دینامیک :

  • زمان کلید زنی یا مدت زمانی که برای یک روشن شدن و خاموش شدن متوالی نیاز است. زمان کلید زنی بالا موجب ایجاد تلفات زیاد در کاربردهای با فرکانس بالا می شود. (حداکثر فرکانس کاری)
  • حداکثر نرخ افزایش ولتاژ در جهت مستقیم بدون روشن شدن ناخواسته
  • ظرفیت خازنی پیوند
  • زمان روشن شدن ton
  • زمان بازیابی معکوس ( trr ) یا زمان خاموش شدن toff

 


پایان

 

7+
این مطلب را با دوستانتان به اشتراگ بگذارید

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

9 − دو =