دید کلی

اتصال P-N پیوند پله‌ای بسیار ساده است. این اتصال دارای ناخالصی یکنواخت نوع P در یک طرف از پیوند تیز و ناخالصی نوع N در طرف دیگر است. می‌دانیم که ماده نوع N ماده‌ای است که الکترونها در آن حاملهای اکثریت‌اند و ماده نوع P ماده ای است که در آن حفره‌ها حاملهای اکثریت‌اند. این نوع اتصال مدل بسیار خوبی برای پیوندهای آلیاژی و رونشستی است. تفاوت ناخالصی در طرفین پیوند منجر به اختلاف پتانسیل بین این دو ماده می‌شود، این نتیجه منطقی است، چون ما انتظار انتقال بار در اثر نفوذ بین ماده نوع P (حفره زیاد) و ماده نوع N (الکترون زیاد) را داریم.

مولفه‌های جریان

چهار نوع مولفه جریان وجود دارد که بر اثر رانش و نفوذ الکترونها ، حفره‌ها از پیوندگاه می‌گذرند، ترکیب این چهار مولفه جریانی در حالت تعادل باعث جریان معدل صفر می‌شود. البته با اعمال ولتاژ از بیرون به پیوند (بایاس پیوند) برخی از مولفه‌های جریان نسبت به دیگری افزایش یافته و جریانی مخالف بوجود می‌آورد.

مکانیزم اتصال

فرض کنید پیوند P-N از کنار هم قرار دادن نواحی جداگانه نیم رسانای نوع p و نوع n تشکیل شود. قبل از اتصال ماده نوع N دارای ترکم بزرگی از الکترونها و تعداد اندکی حفره است. در حالی که در ماده P عکس آن صادق است. به محض اتصال دو ناحیه انتظار داریم که به دلیل وجود شیب زیاد در تراکم باربرها در پیوندگاه نفوذ باربرها آغاز شود، بنابراین حفره‌ها از طرف P به طرف N و الکترونها از N به P نفوذ کنند، در عین حال به دلیل ایجاد یک میدان الکتریکی مخالف در محل پیوند نفوذ باربرها دائمی نخواهد بود. اگر دو ناحیه به صورت جعبه‌هایی از مولکولهای قرمز و سبز هوا بود، بعد از اتصال دو جعبه می‌توانستیم مخلوط همگنی بدست آوریم، در صورتی که برای ذرات باردار این حادثه رخ نمی‌دهد.

میدان الکتریکی در محل اتصال

جهت میدان الکتریکی در محل اتصال از طرف بار مثبت به طرف بار منفی است. بنابراین میدان در جهت مخالف جریان نفوذی هر یک از انواع باربرهاست. بنابراین میدان یک مولفه رانش جریان از N به P و در خلاف جهت جریان نفوذی ایجاد می‌کند. از آنجایی که هیچگونه معدل جریانی نمی‌تواند در شرایط تعادل در پیوند وجود داشته باشد. پس جریان ناشی از رانش باربرها در میدان E باید دقیقا جریان نفوذی را خنثی نماید.

به علاوه از آنجایی که هیچگونه تجمع الکترونها یا حفره‌ها در طرفین پیوند به صورت تابعی از زمان نمی‌تواند بوجود آید، جریانهای نفوذ و رانش برای هر یک از انواع باربرها باید یکدیگر را خنثی کنند. بنابراین میدان E تا آن حد افزایش می‌یابد که جریان کل در حالت تعادل به صفر برسد، میدان الکتریکی در ناحیه‌ای به پهنای W حول پیوندگاه ظاهر و یک اختلاف پتانسیل تعادلی در طول W برقرار می‌شود.

ناحیه گذر

یک پتانسیل ثابت در ماده نوع N و یک پتانسیل ثابت در ماده نوع P و یک اختلاف پتانسیل بین این دو وجود دارد، ناحیه Wناحیه گذر نامیده می‌شود.

پتانسیل اتصال

اختلاف پتانسیل پتانسیل اتصال نامیده می‌شود، و این پتانسیل یک سری پتانسیل داخلی است که برای حفظ تعادل در پیوند لازم است و به معنایپتانسیل بیرونی نیست. پتانسیل اتصال را نمی‌توان با قرار دادن یک ولت متر در دو سر قطعه اندازه گیری کرد، زیرا در محل هر کاوه ولت متر پتانسیل اتصال جدید تشکیل شده و را خنثی می‌کند.

جدایی نوارهای انرژی

پتانسیل اتصال سبب جدایی نوارهای انرژی می‌شود. نوارهای انرژی هدایت و ظرفیت در P پیوند به اندازه بالاتر از طرف N قرار می‌گیرند. جدایی این نوارها در حالت تعادل دقیقا به اندازه لازم برای ثابت شدن تراز فرمی در سراسر قطعه است.

بار فضا در محل پیوند

در ناحیه گذر الکترونها و حفره‌ها در حال گذر از یک طرف پیوند به طرف دیگر هستند، برخی از الکترونها از N به P نفوذ و برخی توسط میدان الکتریکی از P به N کشیده می‌شوند. با اینحال در هر لحظه تعداد بسیار کمی باربر در ناحیه گذر وجود دارد، با تقریب جذب می‌توان فرض کرد که وجود بار فضا در ناحیه گذر تنها به دلیل وجود یونهای دهنده و پذیرنده است.

فهرست مطالب:

مقدمه

کاربردهای پیوند P-N

بررسی پیوند پله ای در حالت تعادل

حاملهای اکثریت و اقلیت در مواد نوع N و P

جریان نفوذی پیوند P-N

جهت میدان الکتریکی در پیوند

جریان کل در پیوند

ناحیه بار فضایی یا ناحیه تهی

پتانسیل اتصال در پیوند بدون بایاس

جریان ها در پیوند P-N

دیاگرام نوار انرژی در پیوند

نمودار میدان الکتریکی در پیوند

تقریب تهی

محاسبه بار الکتریکی در نواحی P و N

حل رابطه پوآسن برای ناحیه تهی

محاسبه میدان الکتریکی در ناحیه تهی

محاسبه عرض ناحیه تهی

محاسبه میزان پیشرفتگی ناحیه تهی در دو طرف N و P

بایاس مستقیم و معکوس پیوند P-N

جریان نفوذی

جریان رانش

جریان اشباع معکوس

رابطه جریان-ولتاژ پیوند (رابطه شاکلی)

معادله دیود

و…