عرض ناحیه تخلیه در دیودها

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: 

منطقه تخلیه چیست؟

منطقه تخلیه منطقه‌ای نزدیک به پیوند p-n است که در آن جریان حامل‌های بار (الکترون‌ها و حفره‌های آزاد) در یک دوره معین کاهش می‌یابد و در نهایت منجر به تولید حامل‌های بار صفر می‌شود. پهنای ناحیه تخلیه بستگی به مقدار ناخالصی‌های اضافه شده به نیمه هادی دارد. ناخالصی‌ها اتم‌هایی هستند (اتم‌های پنج ظرفیتی و سه ظرفیتی) که برای بهبود رسانایی به نیمه هادی اضافه می‌شوند.

اگر اتم‌های پنج ظرفیتی به نیمه هادی خالص یا ذاتی اضافه شوند، یک نیمه هادی نوع n تشکیل می‌شود. از طرف دیگر، اگر اتم‌های سه ظرفیتی به نیمه هادی خالص اضافه شوند، یک نیمه هادی نوع p تشکیل می‌شود.

تعداد حامل‌های بار در نیمه هادی‌های نوع p و نوع n به مقدار اتم‌های ناخالصی اضافه شده (اتم‌های پنج ظرفیتی و سه ظرفیتی) بستگی دارد. اگر تعداد زیادی اتم ناخالصی به نیمه هادی‌های نوع p و n اضافه شود، تعداد زیادی حامل بار (الکترون‌های آزاد یا حفره ها) تولید می‌شود. به طور مشابه، اگر تعداد کمی اتم ناخالصی به نیمه هادی نوع p و نوع n اضافه شود، تعداد کمی حامل بار تولید می‌شود.

عرض تخلیه: نیمه هادی‌های نوع P و نوع N به شدت افزوده (دوپ) شده‌اند.

فرآیند افزودن اتم‌های ناخالصی به نیمه هادی خالص یا ذاتی را افزونگی (دوپینگ) می‌گویند. هنگامی که تعداد زیادی اتم پنج ظرفیتی به نیمه هادی ذاتی اضافه می‌شود، تعداد زیادی الکترون آزاد تولید می‌شود. نیمه هادی که دارای تعداد زیادی الکترون آزاد است، نیمه هادی نوع n نامیده می‌شود.

هنگامی که تعداد زیادی اتم ناخالصی سه ظرفیتی به نیمه هادی ذاتی اضافه می‌شود، تعداد زیادی سوراخ ایجاد می‌شود. نیمه هادی که دارای تعداد زیادی سوراخ است، نیمه هادی نوع p نامیده می‌شود.

هنگامی که یک نیمه هادی از نوع n به شدت افزوده (دوپ) شده به نیمه هادی نوع p بسیار دوپ شده متصل می‌شود، یک پیوند p-n تشکیل می‌شود. در نیمه هادی نوع n تعداد زیادی الکترون آزاد وجود دارد. به همین دلیل آن‌ها از یکدیگر دفع می‌شوند و سعی می‌کنند از منطقه با غلظت بالاتر (سمت n) به منطقه با غلظت کمتر (سمت p) حرکت کنند. به طور مشابه، در نیمه هادی‌های نوع p، سوراخ‌ها از یکدیگر دفع می‌شوند و سعی می‌کنند از منطقه با غلظت بالاتر (سمت p) به منطقه با غلظت کمتر (ن سمت) حرکت کنند. الکترون‌های آزاد که از محل پیوند عبور می‌کنند، با پر کردن حفره‌ها، الکترون‌های اضافی را در سمت p به اتم‌ها می‌دهند. اتمی که الکترون اضافی در سمت p به دست می‌آورد، تبدیل به یون منفی می‌شود. به طور مشابه، الکترون‌های آزاد که اتم‌های مادر را ترک کردند تا حفره‌های سمت p را پر کنند، یک یون مثبت در سمت n ایجاد می‌کنند.

اگر سطح افزونگی (دوپینگ) بیشتر شود، الکترون‌ها و حفره‌های آزاد بیشتری تولید می‌شوند. این یک میدان الکتریکی بزرگ در سمت n و سمت p ایجاد می‌کند. این میدان الکتریکی بر میدان الکتریکی مخالف یون‌ها (منطقه تخلیه) غالب است. از این رو، میدان الکتریکی الکترون‌های آزاد را به سمت p و حفره‌ها را به سمت n سوق می‌دهد.

در نیمه هادی‌هایی که به شدت دوپ شده اند، به دلیل تعداد زیادی حامل بار، سرعت نوترکیب بسیار سریع است. از این رو، الکترون‌های آزاد (حامل اکثریت بار) حفره‌های یون‌های مثبت در سمت n را قبل از عبور از پیوند p-n پر می‌کنند. یون مثبت (اتم باردار)، که الکترون را به دست می‌آورد، به اتم خنثی تبدیل می‌شود. به طور مشابه، حفره‌ها (حامل اکثریت بار) قبل از عبور از پیوند p-n، محل الکترون را در یون منفی اشغال می‌کنند. یون منفی که الکترون آزاد را از دست می‌دهد به یک اتم خنثی تبدیل می‌شود.

از این رو، یون‌های مثبت در سمت n و یون‌های منفی در سمت p (که به عنوان یک مانع عمل می‌کند) در یک دوره معین کاهش می‌یابند. این باعث کاهش عرض ناحیه تخلیه می‌شود. بنابراین، عرض ناحیه تخلیه در نیمه هادی به شدت دوپ شده در طی یک دوره معین کاهش می‌یابد.

عرض تخلیه: نیمه هادی‌های نوع P و نوع N اندکی افزوده(دوپ) شده‌اند

درست مانند نیمه هادی‌های نوع n و p بسیار افزوده (دوپ) شده، الکترون‌ها و حفره‌های آزاد در نیمه هادی‌های نوع n و نوع p کم دوپ شده ایجاد می‌شوند. با این حال، الکترون‌های آزاد و حفره‌های تولید شده در نیمه‌هادی‌های دارای دوپ کم در مقایسه با نیمه‌هادی‌هایی که به شدت دوپ شده‌اند، کمتر است.

الکترون‌های آزاد در نیمه‌رسانای نوع n نیروی دافعه‌ای را از یکدیگر تجربه می‌کنند و سعی می‌کنند از ناحیه با غلظت بالاتر (سمت n) به ناحیه با غلظت پایین (سمت p) حرکت کنند. به طور مشابه، سوراخ‌ها سعی می‌کنند از یک ناحیه با غلظت بالاتر (سمت p) به یک منطقه با غلظت کمتر (ن سمت) حرکت کنند.

در نیمه رسانا‌هایی که کمی دوپ شده اند، سرعت باز ترکیب بسیار کند است. از این رو، الکترون‌های آزاد از سمت n از محل پیوند عبور کرده و حفره‌های اتم‌ها را در سمت p پر می‌کنند، قبل از اینکه با یون‌های مثبت در سمت n ترکیب شوند. اتمی که یک الکترون اضافی در سمت p به دست می‌آورد، تبدیل به یون منفی می‌شود. به طور مشابه، سوراخ‌های سمت p از محل پیوند عبور می‌کنند و قبل از اینکه با یون‌های منفی در سمت p ترکیب شوند، جای الکترون را در سمت n اشغال می‌کنند. اتمی که الکترون ظرفیت را در سمت n از دست می‌دهد، به یون مثبت تبدیل می‌شود.

بنابراین، یون‌های مثبت در سمت n و یون‌های منفی در سمت p در یک دوره معین افزایش می‌یابند. این باعث افزایش عرض ناحیه تخلیه می‌شود. بنابراین، عرض ناحیه تخلیه در نیمه هادی‌های کم دوپ شده در یک دوره معین افزایش می‌یابد.