پیوندهای p-n و خمش نواری
اتصال نیمهرساناهای نوع p و نوع n، سطوح فرمی آنها را همتراز میکند، که منجر به خمش نوارها و ایجاد یک میدان داخلی میشود. این میدان باعث میشود جریان تنها در یک جهت به آسانی عبور کند، که اساس عملکرد دیود است.
Definition
پیوند p-n رابط بین نیمهرسانای نوع p و نوع n است؛ در حالت تعادل، نفوذ حاملها یک ناحیه تخلیه بار با یک میدان الکتریکی داخلی ایجاد میکند که نوارها را خم میکند تا سطح فرمی ثابت باشد، و یک بایاس اعمال شده این میدان را نامتعادل میکند تا جریان یکسوساز ایجاد شود.
Scope
این موضوع فیزیک پیوند p-n را پوشش میدهد: نفوذ حاملها در سراسر پیوند متالورژیکی، ناحیه تخلیه و پتانسیل داخلی حاصل، خمش نواری که سطح فرمی را یکسان میکند، و مشخصه جریان-ولتاژ یکسوساز تحت بایاس مستقیم و معکوس. این مبحث به معادله دیود شاکلی، عرض و ظرفیت لایه تخلیه، و شکست میپردازد و بلوک سازنده دیودها، ترانزیستورها و سلولهای خورشیدی را فراهم میکند.
Core questions
- چرا اتصال مواد نوع p و نوع n یک ناحیه تخلیه و یک پتانسیل داخلی ایجاد میکند؟
- چگونه خمش نواری سطح فرمی را در سراسر پیوند در حالت تعادل ثابت نگه میدارد؟
- چرا پیوند تحت بایاس مستقیم به راحتی جریان را هدایت میکند اما تحت بایاس معکوس آن را مسدود میکند؟
- چه عواملی عرض لایه تخلیه، ظرفیت پیوند و ولتاژ شکست را تعیین میکنند؟
Key concepts
- ناحیه تخلیه و پتانسیل داخلی
- خمش نواری و همترازی سطح فرمی
- بایاس مستقیم و معکوس
- معادله دیود شاکلی و یکسوسازی
- ظرفیت پیوند و شکست
Key theories
- نظریه دیود شاکلی
- شاکلی رابطه نمایی جریان-ولتاژ یک پیوند p-n ایدهآل را از نفوذ حاملهای اقلیت در سراسر ناحیه تخلیه استخراج کرد، که یکسوسازی را توضیح میدهد و مدل کمی زیربنایی دیودها و ترانزیستورهای دوقطبی را فراهم میکند.
Clinical relevance
پیوند p-n بلوک سازنده اصلی الکترونیک نیمهرسانا است: دیودهای یکسوساز و سیگنال، دیودهای ساطعکننده نور، فوتودیودها و سلولهای خورشیدی همگی پیوند هستند، و ترانزیستورهای دوقطبی و اثر میدان از ترکیب آنها ساخته میشوند.
History
اوهل (Ohl) در سال 1939 یکسوسازی را در مرز p-n سیلیکون شناسایی کرد، و نظریه پیوند شاکلی در سال 1949 عملکرد آن را توضیح داد و مستقیماً به ترانزیستور پیوندی منجر شد، کاری بنیادی که با جایزه نوبل سال 1956 که با باردین و براتین به اشتراک گذاشته شد، به رسمیت شناخته شد.
Key figures
- William Shockley
- Russell Ohl
- John Bardeen
Related topics
Seminal works
- shockley1949
- sze2007
Frequently asked questions
- چرا یک پیوند p-n تنها در یک جهت جریان را هدایت میکند؟
- بایاس مستقیم سد داخلی را کاهش میدهد، بنابراین حاملهای اکثریت به سرعت عبور میکنند و جریان به صورت نمایی افزایش مییابد؛ بایاس معکوس سد را افزایش میدهد و تنها یک جریان کوچک از حاملهای اقلیت باقی میماند، بنابراین پیوند به عنوان یک شیر یکطرفه برای جریان عمل میکند.
- خمش نواری چیست؟
- نزدیک پیوند، میدان الکتریکی داخلی ناحیه تخلیه نوارهای انرژی محلی را با موقعیت به سمت بالا یا پایین جابجا میکند؛ این خمش دقیقاً همان چیزی است که سطح فرمی را در سراسر دستگاه در حالت تعادل ثابت نگه میدارد، همانطور که برای عدم وجود جریان خالص لازم است.