فیزیک الکترونیک، نیمه هادی و دیودها

[sting]

مقدمه ای بر فیزیک الکترونیک
از نظر هدایت الکتریکی اجسام را می توان به سه دسته ی کلی تقسیم کرد:
1) هادیها:عناصر یا ترکیباتی هستند که جریان الکتریکی را بخوبی از خود عبور می دهند.فلزات یک تا سه ظرفیتی هستند. مس،نقره و آلومینیوم از بهترین هادیها هستند.
2) نیمه هادیها:اجسامی هستند که مدار آخر آنها دارای 4الکترون می باشند و در صفر مطلق عایق هستند ولی در دمای معمولی تقریبا هادی هستند. هدایت الکتریکی در نیمه هادی ها قابل کنترل است. از انواع نیمه هادی ها می توان کربن، سیلیسیم و ژرمانیم را نام برد.
3) عایق ها:اجسامی هستند که در شرایط معمولی ، جریان الکتریکی را از خود عبور نمی دهند و در مدار آخر عایق ها بیش از 4 الکترون وجود دارد . مانند شیشه،هوا،روغن،پلاستیک و ... .
از نظر کاربرد در مهندسی برق، موادی که مقاومت ویژه ی کمتر از
.cm Ω 0.01 دارند هادی و موادی که مقاومت ویژه ی بیشتر از.cm Ω 105 داشته باشند عیق محسوب می شوند. مقاومت ویژه ی نیمه هادی بیشتر از .cm Ω 0.01و کمتر از .cm Ω 105 است.
باندهای انرژی

براساس مدل اتمی بوهر تجمع الکترون ها در اطراف هسته را می توان به صورت پوسته هایی(لایه هایی) در نظر گرفت. هر چه یک لایه ی الکترونی از مرکز اتم دورتر باشد انرژی وابستگی الکترون های آن به هسته کمتر خواهد بود. در هر اتم، الکترون های آخرین لایه را الکترون های ظرفیت (والانس) می نامند. در ساختمان هر اتم منفرد برای هر الکترون سطح انرژی خاصی مطابق با شکل زیر وجود دارد.
در حقیقت،هر ماده دارای سطوح مجاز انرژی برای الکترون ها در ساختمان اتمی خود می باشد. هرچه الکترونی از هسته دورتر باشد دارای سطح انرژی بالاتری است و هر الکترونی که اتم خود را ترک کند نسبت به الکترونی که به هسته متصل است سطح انرژی بالاتری را داراست. در بین سطوح انرژی مجزا، شکاف ها وجود دارند که در یک اتم در یک اتم منفرد هیچگاه الکترونی را در آنها نمی توان یافت.
انرژی لازم برای آزاد کردن الکترون های ظرفیت بسیار کم و مقدار آن در حدود 0.01ev (الکترون ولت)می باشد. J 10-19×.61=1×W=QV,1ev=1.6×10-19
انرژی لازم برای آزاد کردن یک الکترون را انرژی عرض نوار گویند و آن را با EG نمایش می دهند.
سطوح انرژی برای هادی ها بشکل زیر است:
در باند ظرفیت، الکترون ها با تحریک انرژی خارجی از مدار جدا می شوند.
در باند هدایت الکترون های آزاد با تحریک خارجی از جمله میدان الکتریکی می توانند به راحتی در داخل اجسام به حرکت در آیند.
باند ممنوعه، باندی است که نشان می دهد چه مقدار انرژی لازم است تا الکترون ها از مدار آزاد گردند. در هادی ها باند ممنوعه وجود ندارد و باند ظرفیت و هدایت در هم ادغام شده اند.
سطوح انرژی عایق ها بصورت زیر می باشد:
در عایق ها، مقدار انرژی لازم برای آزاد سازی الکترون های ظرفیت، زیاد می باشد و بیشتر از پنج الکترون ولت(ev) می باشد.
سطوح انرژی نیمه هادی ها بصورت زیر می باشد:
در نیمه هادی ها، مقدار انرژی لازم برای آزاد کردن الکترون های ظرفیت، حدود (1.5_0.5) الکترون ولت (ev) می باشد.
نیمه هادی ها:
نیمه هادی ها گروهی از مواد هستند که از نظر توانایی هدایت الکتریکی، بین هادی و عایق قرار دارند. هدایت الکتریکی نیمه هادی ها تحت تاثیر عواملی چون تحریک نوری، افزایش دما و تغییر میزان ناخالصی به نحو قابل ملاحظه ای تغییر می یابد. این خاصیت مهم مبنای کار بسیاری از قطعه های نیمه هادی است که در در الکترونیک مورد استفاده قرار می گیرند.
هدایت الکتریکی در نیمه هادی ها توسط دو نوع حامل بار الکتریکی یعنی الکترون های آزاد و حفره هاصورت می گیرد. در این مواد الکترون های ظرفیت نمی توانند آزادانه به هر سو حرکت نمایند، بلکه در پیوند های کوالان بین اتم ها محصورند. مهمترین نیمه هادی ها در الکترونیک سیلیکان و ژرمانیم هستند. این دو عنصر، علی رغم داشتن چهار الکترون ظرفیت، در دمای معمولی از هدایت الکتریکی خوبی برخوردار نیستند. با افزایش دما از صفر مطلق، شبکه ی بلوری سیلیکن شروع به ارتعاش نموده و بعضی از پیوندهای کوالان شکسته و الکترون های آن ها جدا می شوند. الکترون های جدا شده بصورت الکترون های آزاد عمل نموده و در فضای بین اتم ها شروع به حرکت می نمایند. در حقیقت با شکستن هر پیوند و رها شدن یک الکترون،یک جای خالی در پیوند ها باقی می ماند که به آن یک حفره می گویند.
در بلور خالص به ازای هر حفره یک الکترون آزاد و بالعکس خواهیم داشت. در واقع در بلور خالص همواره تعداد حفره ها و الکترون های آزاد با هم مساویند.
در نیمه هادی ها نه تنها الکترون های آزاد ، بلکه حفره ها نیز به صورت حامل های بارهای الکتریکی در هدایت جریان دخالت می نمایند.هر حفره عملا جای خالی یک بار منفی است، نمایانگر یک بار مثبت است. وقتی یک پیوند شکسته و یک الکترون آزاد می شود، مجموعه -ی باقی مانده که شامل یک حفره است عملا دارای بار مثبت است. اما تنها دارا بودن بار مثبت برای شرکت حفره ها در جریان الکتریکی کافی نیست، بلکه جابه جایی این حامل های بار مثبت است که مولفه ای از جریان الکتریکی را به وجود می آورد. اما حفره ی به جامانده پس از جدا شدن یک الکترون آزاد نمی تواند تحت تاثیر میدان الکتریکی حرکت کند، اگر حفره جابجا شود ساختمان بلوری بهم ریخته و نیمه هادی ممکن است بسیاری از خواص خود را از دست بدهد. نحوه ی حرکت حفره ها و شرکت آنها در جریان الکتریکی در نیمه هادی به این صورت است که وقتی با رها شدن یک الکترون آزاد از یک پیوند کوالان یک حفره بر جای می ماند، یک الکترون از یک پیوند مجاور می تواند به آسانی پیوند خود را شکسته و حفره قبلی را پر نماید. با این کار حفره جدیدی بوجود می آید که محل آن با محل حفره ی قبلی متفاوت است. به عبارت دیگر یک جابجایی حفره صورت گرفته است که جهت آن در خلاف جهت انتقال الکترون بوده است.
در شکل بالا یک الکترون ظرفیت اتم شماره ی 4، پیوند خود را شکسته و حفره موجود در اتم شماره ی 3 را پر می کند. در واقع حرکت حفره ها از پر شدن یک حفره توسط الکترون ظرفیت یک اتم مجاور و نه توسط یک الکترون آزاد ناشی می شود. پر شدن حفره توسط یک الکترون آزاد ناشی می شود. پر شدن حفره توسط یک الکترون آزاد را ترکیب مجدد می گویند. هر ترکیب مجدد منجر به از دست رفتن یک الکترون آزاد و یک حفره می شود، بدون اینکه حفره ی جدیدی بوجود آید. در این ترکیب، الکترون آزاد انرژی اضافی خود را به صورت حرارت یا نور از دست می دهد.

مواد ناخالص نوع n​

و p
مشخصات مواد نیمه هادی می تواند با افزودن ناخالصی معینی به مواد نیمه هادی نسبتا خالص بطور کامل تغییر یابد. این ناخالصی ها، هرچند یک در ده میلیون هم باشند، می توانند به اندازه ی کافی ساختمان باند های انرژی را تا حد تغییر خاصیت الکترونیکی ماده دگرگون سازند. ماده ی نیمه هادی که تحت تاثیر چنین عمل نفوذ ناخالصی قرار گرفته باشد، ماده ی ناخالصی نامیده می شود.
ماده ی نوع n
نوع n با افزودن عناصر 5ظرفیتی از قبیل آنتیموان (Sb) فسفر(P) و آرسنیک (As) به ماده ی نیمه هادی، ساخته می شود. این تزریق ناخالصی به نیمه هادی باعث افزایش چگالی الکترون های آزاد در بلور خواهد شد.
بدین لحاظ به ناخالصی های پنج ظرفیتی، ناخالصی نوع N یا ناخالصی بخشنده گویند.فرض کنید به بلور سیلیکن، تعدادی از اتم های آنتیموان را تزریق کنیم. هر اتم پنج ظرفیتی آنتیموان دارای پنج الکترون ظرفیت است و در شبکه بلور سیلیکن چهار الکترون ظرفیت خود را در چهار پیوند کووالان با اتم های سیلیکن مجاور خود به اشتراک می گذارد. الکترون پنجم در هیچ پیوند مشترکی قرار نگرفته و فقط وابستگی ناچیزی به هسته ی اتم آنتیموان دارد. بسیار ناچیزی به هسته ی اتم آنتیموان دارد. این الکترون در دماهای 50 تا 100 درجه ی کلوین انرژی لازم را برای جدا شدن از اتم مادر خود بدست آورده و بصورت الکترون آزاد در اختیار شبکه بلور سیلیکن قرار می گیرد. بدین ترتیب افزایش ناخالصی نوع N، چگالی الکترون های آزاد را در بلور نیمه هادی بالا برده و به نیمه هادی نوع Nمعروف است. هر چند تعداد زیادی حامل های آزاد در ماده نوع Nبوجود آمده اند اما ماده هنوز از نظر الکتریکی خنثی است. زیرا تعداد پروتون های با بار مثبت در هسته هنوز با الکترون های با بار منفی آزاد موجود در ماده و الکترون های مدار برابر می باشد.
نیمه هادی نوع P
تزریق عناصر سه ظرفیتی از قبیل ایندیمIn))، گالیم(Ga) و بور باعث افزایش چگالی حامل های مثبت یا حفره های در بلور می شود. ناخالصی های سه ظرفیتی در آخرین نوار ظرفیت خود تنها سه الکترون دارند. بنابراین چنانچه این اتم ها به سیلیکن یا ژرمانیم تزریق شوند، هر اتم ناخالصی با سه الکترون ظرفیت خود تنها سه پیوند کوالان از چهار پیوند اتم های اطراف خود را تکمیل نموده و در پیوند چهارم هم جای یک الکترون باقی می ماند. این جای خالی در واقع یک حفره _ی جدید است که در بلور بوجود آمده است. شکل زیر شبکه ی بلور سیلیکن با یک اتم ایندیم را نشان می دهد.
به ازای هر اتم ناخالصی سه ظرفیتی یک حفره اضافی در اختیار بلور قرار می _گیرد. اتم های ناخالصی در دمای معمولی بسرعت یونیزه می شوند. این یونیزه شدن بدین صورت است که یک الکترون از یک اتم سیلیکن مجاور، پیوند خود را شکسته و این حفره ی اضافی را پر می کند. در نتیجه یک اتم سیلیکن شامل حفره بوجود می آید.
لازم به ذکر می باشد که میزان ناخالصی لازم، برای اینکه در رسانایی یک نیمه هادی تغییر قابل توجهی ایجاد شود بسیار ناچیز است. بعنوان مثال: اگر بازای هر 108 اتم سیلیکن فقط یک اتم ناخالصی اضافه شود در دمای c30 رسانایی ویژه ی آن حدود 24000 برابر می شود.
تزریق اتم های ناخالصی نوع N نه تنها باعث افزایش تعداد الکترون های آزاد می _شود، بلکه تعداد حفره ها را از میران مربوط به نیمه هادی خالص کاهش می دهد. زیرا با افزایش الکترون های آزاد شانس ترکیب مجدد آنها با حفره ها افزایش یافته و تعدادی از حفره های موجود در اثر این نوع ترکیب ها از بین می روند. به همین ترتیب در نیمه هادی نوعP تعداد الکترون های آزاد از تعداد آنها در نیمه هادی خالص کمتر است.
در نیمه هادی نوع N، الکترون های آزاد حامل های اکثریت و حفره ها حامل های اقلیت هستند. در نیمه هادی نوع P، حامل های اکثریت حفره ها و حامل های اقلیت الکترون های آزاد هستند. هدایت الکتریکی در نیمه هادی عمدتا توسط حامل های اکثریت صورت می گیرد.
پیوند P-N
لحظه ای که دو قطعه ی نیمه هادی نوع P و N را به هم پیوند می دهیم، از آنجاییکه الکترون ها و حفره ها قابل انتقالند، الکترون های موجود در نیمه هادی نوع N بخاطر بار الکتریکی مثبت حفره ها، جذب حفره ها می گردند. لذا در محل اتصال نیمه هادی نوع P و N، نه الکترون آزاد وجود دارد و نه حفره. به این محل که در آن الکترون ها و حفره ها وجود ندارند، ناحیه ی تخلیه می گویند.
هر اتم بخشنده با از دست دادن الکترون پنجم خود بصورت یک یون مثبت در می آید. به همین ترتیب اتم های پذیرنده در دمای معمولی یونیزه شده و بصورت یک یون مثبت در می _آیند.در بخشی از ناحیه ی تهیکه در طرف N قرار دارد یون های مثبت ساکن و در طرف P یون های منفی قرار گرفته اند. وجود بارهای ساکن در طرفین پیوند، یک اختلاف پتانسیل الکتریکی داخلی بین دو ناحیه ی P و Nبوجود می آورد. این اختلاف پتانسیل به اختلاف پتانسیل سد معروف است. زیرا این اختلاف پتانسیل از عبور الکترون ها و حفره ها از ناحیه ی تخلیه جلوگیری خواهد کرد. در چنین حالتی، بارهای مثبت در نیمه هادی نوع N، حفره های موجود در نیمه هادی نوع P، را و بارهای الکتریکی منفی در نیمه هادی نوع P، الکترون های نیمه هادی نوع N، رادر اطراف ناحیه ی تخلیه دفع می _کنند.
مقدار پتانسیل سد برای نیمه هادی سیلیکن حدود 0.6 ولت و برای نیمه هادی نوع ژرمانیم حدود0.2 ولت می باشد.
دیود پیوندی
به اتصال PN دیود پیوندی گفته می شود. سر طرفP را اصطلاحا قطب مثبت یا آند و سر طرف N را قطب منفی یا کاتد می نامند.
بایاس دیود
وصل کردن ولتاژ به دیود را بایاس کردن دیود می نامند. اتصال ولتاژ به دیود به دو صورت امکان پذیر است. بایاس مستقیم و بایاس معکوس.
بایاس مستقیم: اگر نیمه هادی نوع P را به قطب مثبت باتری و نیمه هادی نوع N را به قطب منفی آن وصل نماییم، می گوییم دیود در حالت بایاس مستقیم است.
در حالت بایاس مستقیم قطب مثبت منبع حفره ها را در ماده P و قطب منفی منبع الکترون ها را در ماده ی N تحت فشار قرار می دهد. تحت این فشار الکترون های آزاد نیمه هادی نوعN، به سمت محل پیوند رانده شده و از طرفی حفره های نیمه هادی نوع P نیز به طرف محل پیوند رانده می شوند. با افزایش ولتاژ باتری (V)، ولتاژ عمدتا بر روی ناحیه ی Pظاهر می شود. زیرا به علت وجود حامل های بار آزاد در قسمت های دیگر دو ناحیه از خود مقاومت کمی نشان داده و افت ولتاژ روی آنها ناچیز است. در این حالت ولتاژ باتری با ولتاژ داخلی مخالفت خواهد کرد. در حقیقت ولتاژ خارجی باعث تضعیف شدت میدان الکتریکی در ناحیه ی تخلیه شده و در نتیجه کاهش سد پتانسیل در این ناحیه را به دنبال خواهد داشت و راه را برای نفوذ حفره های رانده شده از P به طرف N و همچنین برای نفوذ الکترون های آزاد رانده شده ازN به طرف P را فراهم فراهم می سازد. حفره های رانده شده از P بعد از عبور از ناحیه ی تخلیه جذب قطب منفی خواهند شد و الکترون های آزاد رانده شده از Nهم بعد از عبور از ناحیه ی تخلیه جذب قطب مثبت خواهند شد بدین ترتیب جریان ایجاد خواهد شد. با افزایش بیشتر ولتاژ باتری این جریان بیشتر خواهد شد. اما اگر ولتاژ باتری برابر اختلاف پتانسیل سد شود، میدان الکتریکی ناشی از ولتاژ باتری، میدان الکتریکی ناحیه ی تخلیه را خنثی کرده و عرض ناحیه ی تخلیه بسیار کوچک خواهد شد. در این حالت روند افزایش جریان سریع خواهد شد و به ازای تغییرات کوچکی در ولتاژ، جریان بشدت افزایش می یابد. این ولتاژ حدی به ولتاژ آستانه ی هدایت دیود معروف است و با Vɣ نمایش می دهند.Vɣsi=.06v , Vɣge=0.2v در ولتاژ های بیشتر از Vɣروند افزایش جریان سریع تر خواهد شد و می توان نشان داد که رابطه ی ولتاژ- جریان دیود به صورت زیر است:
VD:ولتاژ دو سر دیود ID=IS(eVD/ɳVT -1) ،IS:جریان اشباع معکوس ، ɳ:پارامتر ثابت استکه به جنس و ساختار دیود بستگی دارد. در جریان های پایین si=2ɳ ، ge=1ɳ ، در جریان های بالا 1=ɳ است. VTدر دمای معمولی معادل mv26 می -باشد.
بایاس معکوس
در این حالت قطب مثبت منبع ولتاژ را به طرف N و قطب منفی منبع را به طرف P وصل می نماییم. قطب مثبت منبع، الکترون های آزاد نیمه هادی N را به طرف خود جذب نموده و آنه را از محل پیوند دور می کند. همچنین قطب منفی منبع باعث جذب حفره های ناحیه ی P از محل پیوند می شود. بدین ترتیب عرض ناحیه -ی تهی افزایش می یابد. در این حالت جهت ولتاژ منبع طوری است که باعث تقویت شدت میدان الکتریکی در ناحیه ی خنثی و در نتیجه افزایش ارتفاع سد پتانسیل پیوند شده و از نفوذ حامل های اکثزیت نیمه هادی P یعنی حفره ها به سمت راست و همچنین انتشار حامل های اکثریت نیمه هادی N یعنی الکترون های آزاد به سمت چپ پیوند جلوگیری می کند بنابراین در این حالت جریان حامل های اکثریت صفر بوده و فقط حامل های اقلیت می توانند به سادگی از محل پیوند عبور نمایند. با افزایش ولتاژ معکوس جریان حامل های اقلیت از صفرشروع به افزایش نموده و سریعا به حداکثر مقدار خود می رسد. حداکثر این جریان معکوس را جریان اشباع معکوس پیوند می گویند. جریان اشباع معکوس بسیار کوچک بوده و با افزایش ولتاژ معکوس (قبل از شکست معکوس) تغییری نمی کند، زیرا تعداد حامل های اقلیت که به وجود آورنده ی این جریان هستند، محدود می باشند. چگالی حامل های اقلیت به عواملی از قبیل دما، تابش نور، میزان ناخالصی و جنس دیود بستگی دارد. منحنی مشخصه ی ولتاژ0 جریان دیود به صورت زیر است:

ولتاژ شکست معکوس دیود
چنانچه ولتاژ معکوس دیود افزایش یابد
به نقطه ای خواهیم رسید که جریان معکوس دیود به طور ناگهانی شروع به افزایش سریع می نماید، پدیده ای که در این حالت رخ می دهد را پدیده ی شکست معکوس و ولتاژی که در آن این پدیده آغاز می شود را ولتاژ شکست معکوس دیود گویند. شکست دیود می تواند ناشی از دو پدیده ی شکست بهمنی و شک سن زنر باشد.
پدیده ی شکست بهمنی
با افزایش ولتاژ معکوس دیود، عرض ناحیه ی خنثی بیشتر می شود و شدت میدان الکتریکی در این ناحیه افزایش می یابد. در این حالت حامل های اقلیت تحت تاثیر این میدان الکتریکی سرعت بیشتری پیدا خواهند کرد و انرژی جنبشی این حامل ها افزایش می یابد. این حامل ها می توانند با اتم های سیلیکن واقع در ناحیه ی تهی برخورد نموده و ضمن شکستن پیوند های کووالان آنها تعدادی حامل جدید آزاد نمایند. حامل های جدید نیز تحت تاثیر میدان الکتریکی زیاد در ناحیه ی خنثی قرار گرفته و پس از برخورد با اتم های دیگر، حامل های بیشتری را از پیوندهای کووالان آنها جدا می سازند. بنابراین تعداد حامل هایی که می توانند در ایجاد جریان نقش داشته باشند به طور ناگهانی افزایش یافته و باعث ازدیاد سریع جریان می شوند. این پدیده را که موجب افزایش سریع جریان معکوس می شود، به پدیده ی شکست بهمنی معروف است. پدیده ی شکست بهمنی، پدیده ی غالب در ولتاژهای شکست بیشتر از 6 ولت است. با افزایش دما ولتاژ شکست بهمنی افزایش می یابد.

پدیده ی شکست زنز
در این حالت با افزایش ولتاژ معکوس دیود شدت میدان الکتریکی در ناحیه ی خنثی ممکن است به حدی برسد که بتواند مستقیما پیوندهای ک.والان اتم های سیلیکن ناحیه ی خنثی را شکسته و الکترون های زیادی را آزاد نماید. این پدیده نیز باعث افزایش سریع جریان معکوس دیود می شود. پدیده ی شکست زنر، پدیده ی غالب در دیودهای با ولتاژ شکست زیر 6 ولت می باشد. با افزایش دما ولتاژ شکست زنر کاهش می یابد. حداکثر ولتاژ معکوسی که می توان قبل از ناحیه ی شکست به دیود اعمال کرد ولتاژ پیک معکوس نامیده می شو