دیود چيست و چگونه کار می کند؟ - نانو الکترونیک3

در مقاله‌های قبلی با مواد نیمه‌رسانا و برخی ویژگی‌های آن آشنا شدیم و اين مواد را از دیدگاه نظریه‌ی نواری بررسی کرديم. همچنین آموختیم که در نیمه‌رسانا می‌توان با افزودن مقادیر کمی ناخالصی رسانش الکتریکی را به صورت شگفت‌انگیزی افزایش داد. گفتیم سیلیسیوم (Si) و ژرمانیوم (Ge) دو نیمه‌رسانای معروف هستند که هر کدام 4 الکترون ظرفیت دارند. اگر آن‌ها را با عناصری که اتم‌هايشان 5 الکترون ظرفیت دارند، نظیر ارسنیک (As) یا فسفر (P) آلایش دهیم، نیمه‌رسانای نوع n تولید می‌شود و اگر آن‌ها را با عناصری که اتم‌‌هايشان 3 الکترون ظرفیت دارند، نظیر بور (B) یا آلومینیوم (Al) آلایش دهیم، نیمه‌رسانای نوع p تولید می‌شود.

 

اشاره کرديم که در نیمه‌رسانای نوع n، الکترون‌‌های نوار رسانش بیشتر از حفره‌های نوار ظرفیت نقش حامل‌‌های بار الکتریکی را دارند. بنابراین می‌‌گوییم در نیمه‌رسانای نوع n الکترون‌‌ها حامل اکثریت هستند (در مقابل حفره‌ها حامل اقلیت هستند). در نیمه‌رسانای نوع p، حفره‌های نوار ظرفیت بیشتر از الکترون‌‌های نوار رسانش نقش حامل‌‌های بار الکتریکی را دارند. بنابراین می‌‌گوییم در نیمه‌رسانای نوع p حفره‌ها حامل اکثریت هستند (در مقابل الکترون‌‌ها حامل اقلیت هستند). اکنون در ادامه‌ی مباحث قبل می‌‌خواهیم درباره‌‌ی یک ویژگی بسیار جالب نیمه‌رسانا صحبت کنیم. این ویژگی اساسِ کارِ بسیاری از قطعات الکترونیکی است که ما در رایانه، تلفن همراه، حافظه و ... از آن‌ها استفاده می‌‌کنیم.

 

یک ماجرای جالب

اگر یک نیمه‌رسانای نوع n را به یک نیمه‌رسانای نوع p متصل کنیم، قطعه‌ای حاصل می‌‌شود که آن را پیوند p-n می‌‌گوییم. پیوند p-n ویژگی جالب توجهی دارد که شنيدن آن خالی از لطف نيست.

همانگونه که می‌‌دانیم حامل‌های اکثریت در نیمه‌رسانای نوع n از جنس الکترون‌‌های آزاد و در نیمه‌رسانای نوع p از جنس حفره‌های آزاد هستند. در اثر اتصال این دو نیمه‌رسانا به یکدیگر، تعدادی از الکترون‌‌های نیمه‌رسانای نوع n به سمت نیمه‌رسانای نوع p می‌‌روند و تعدادی از حفره‌های نیمه‌رسانای نوع p به سمت نیمه‌رسانای نوع n منتقل می‌‌شوند. علت این انتقال پدیده‌‌ای به نام نفوذ است که ما بارها آن را پیرامون خود مشاهده کردیم.

 

فعالیت1

مواد و وسایل مورد نیاز: مقداری جوهر رنگی، مقداری آب، یک ظرف شیشه‌ای مثل بِشِر یا لیوان، یک قطره‌‌چکان.

شرح فعالیت: مقداری آب درون ظرف شیشه‌ای بریزید به گونه‌ای که ظرف تقریبا پُر شود. با استفاده از قطره‌‌چکان یک قطره جوهر رنگی درون آب بیاندازید. چه روی می‌‌دهد؟

 

تصویر1: لحظات اوليه چکاندن قطره

تصویر2: توزيع يکنواخت قطره رنگی در آب

                            

همان‌‌گونه که در تصویر1 مشاهده می‌‌کنیم ذرات جوهر از جایی که تعدادشان بیشتر است به جایی که تعدادشان کمتر است منتقل می‌‌شوند؛ به گونه‌ای که به تدریج در همه جا به یک اندازه توزیع می‌شوند و تمامی آب رنگی می‌‌شود (تصویر2). به این پدیده، یعنی انتقال خودبخودی ذرات از جایی که تعدادشان بیشتر است به جایی که تعدادشان کمتر است، نفوذ می‌‌گوییم.

هنگام اتصال دو قطعه‌ی نیمه‌رسانای نوع n و  pبه یکدیگر، تعدادی از الکترون‌‌ها که در نیمه‌رسانای نوع n حامل اکثریت هستند، در اثر پدیده‌‌ی نفوذ به سمت نیمه‌رسانای نوع p می‌‌روند. همچنین تعدادی از حفره‌ها که در نیمه‌رسانای نوع p حامل اکثریت هستند نیز در اثر پدیده‌‌ی نفوذ به سمت نیمه‌رسانای نوع n می‌‌روند.

 

تصویر3- یک پیوند p-n

 

به تصویر3 نگاه کنید. در اثر انتقال الکترون‌‌ها از n به p، تعدادی از اتم‌‌های نیمه‌رسانا در سمت n که یک الکترون خود را از دست داده‌اند، به یونی با بار مثبت تبدیل می‌‌شوند. همچنین به صورت برعکس، در اثر انتقال حفره‌ها از p به n، تعدادی از اتم‌‌های نیمه‌رسانا در سمت p که یک حفره از دست داده‌اند، به یونی با بار منفی تبدیل می‌‌شوند. می‌‌دانیم که بر خلاف الکترون‌‌ها و حفره‌ها که می‌‌توانند آزادانه حرکت کنند، یون‌ها در جای خود ثابت می ‌‌مانند و حرکت نمی‌‌کنند. الکترون‌‌های آزاد و حفره‌‌های آزاد که از دو طرف می‌آیند با یکدیگر ترکیب می‌‌شوند و اثر هم را خنثی می‌‌کنند. بنابراین تعداد حاملان بار الکتریکی، که همان الکترون‌‌ها و حفره‌ها هستند، در این ناحیه کم می‌‌شود. این ناحیه را که تعداد حاملان بار الکتریکی در آن بسیار کم است، ناحیه‌‌ی تهی می‌‌گوییم.

 

فعالیت2

مواد و وسایل مورد نیاز: 2 میله‌ی کوچک شیشه ‌‌ای (در همه‌ی آزمایشگاه‌ها می‌‌توانید پیدا کنید)، مقداری پارچه‌ی پشمی، تکه ‌‌های کوچک کاغذ.

 

شرح فعالیت:

1-یک میله‌ی شیشه‌ای را با پارچه‌ی پشمی مالش دهید و سپس آن را به تکه‌های کاغذ نزدیک کنید. چه روی می‌‌دهد؟

 

2-هر دو میله‌ی شیشه‌ای را با پارچه‌ی پشمی مالش دهید و آن ها را به یکدیگر نزدیک کنید. این بار چه روی می‌‌دهد؟

 

فضایی که پیرامون اجسام باردار الکتریکی شکل می‌گیرد و در این فضا به اجسام دیگر نیروی جاذبه یا دافعه الکتریکی وارد می‌شود را میدان الکتریکی می‌‌گوییم. قرار می‌گذاريم (قرارداد می‌کنيم) که جهت میدان الکتریکی از بار مثبت به سمت بار منفی باشد. اگر جسمی باردار درون میدان الکتریکی قرار گیرد، از بار همنام خود دفع شده و به بار ناهمنام خود جذب می‌‌شود. اين سبب می‌شود که اجسام با بار مثبت درون میدان الکتریکی هم‌‌جهت میدان (به سمت بار منفی) حرکت ‌‌کنند و اجسام با بار منفی، خلاف جهت میدان (به سمت بار مثبت) حرکت کنند.

 

تصویر4- میدان الکتریکی- بار منفی خلاف جهت میدان و بار مثبت هم‌جهت میدان حرکت می‌کند. جهت میدان الکتریکی با بردارهای آبی مشخص شده است.

 

همان‌گونه که بیان کردیم در اثر پدیده‌ی نفوذ، حامل‌های اکثریت بار الکتریکی از هر دو طرف به سمت یکدیگر حرکت می‌‌کنند و اثر هم را خنثی می‌‌کنند. بنابراین یون‌‌های ثابت با بار مثبت در سمت n و یون‌‌های ثابت با بار منفی در سمت p باقی می‌‌ماند. این ناحیه را ناحیه‌ی تهی نامیدیم. ناحیه‌ی تهی دارای عرض محدودی است. زیرا در اثر وجود یون‌‌های ثابت مثبت و منفی در طرفین آن، یک میدان الکتریکی داخلی در ناحیه‌‌ی تهی به وجود می‌‌آید. از آن‌‌جاییکه جهت میدان الکتریکی از مثبت به منفی است، پس جهت این میدان داخلی از سمت یون‌‌های مثبت به سمت یون‌‌های منفی است، یعنی از n به p. وجود این میدان الکتریکی داخلی، مانع ادامه ‌‌ی نفوذ الکترون‌‌های آزاد به سمت p و حفره‌‌های آزاد به سمت n می‌‌شود (زیرا الکترون‌‌ها بار الکتریکی منفی دارند و به صورت خودبخودی خلاف جهت میدان الکتریکی حرکت می‌‌کنند. همچنین حفره‌ها بار الکتریکی مثبت دارند و به صورت خودبخودی هم‌جهت میدان الکتریکی حرکت می‌‌کنند). تصویر5 را ببینید.

 

تصویر5- ایجاد ناحیه تهی و جهت میدان الکتریکی داخلی

 

بنابراین نفوذ الکترون‌‌های آزاد و حفره‌های آزاد تا جایی ادامه می‌‌یابد که میدان الکتریکی داخلی دیگر اجازه‌ی نفوذ حاملان بار را ندهد. در این هنگام عرض ناحیه‌ی تهی دیگر بیشتر نمی‌‌شود و تقریبا ثابت می‌‌ماند.

 

اين ویژگی جالب سبب می‌شود که که هرگاه پیوند p-n در مدار الکتریکی قرار بگیرد، جریان الکتریکی را فقط از یک سو عبور ‌‌دهد. در واقع الکترون‌‌ها از یک سو اجازه‌‌ی عبور دارند و از سوی دیگر اجازه‌ی عبور ندارند! (لطفا وارد نشوید!)

 

همان‌‌گونه که بیان کردیم میدان الکتریکی داخلی در ناحیه‌ی تهیِ پیوندِ p-n، مانع از ادامه‌ی نفوذ حاملان بار الکتریکی در دو طرف می‌‌شود و بنابراین جریان الکتریکی نمی‌‌تواند از آن عبور کند. اکنون اگر یک میدان الکتریکی قوی‌‌تر از میدان الکتریکی داخلی و خلاف جهت آن، به دو طرف پیوند p-n اعمال کنیم، اثر میدان داخلی از بین می‌‌رود و در اثر این میدان الکترون‌‌های آزاد می‌توانند منتقل شوند. برای این کار کافی است پایانه ‌‌ی مثبت منبع ولتاژ (نظیر یک باتری) را به سمت p و پایانه ‌‌ی منفی منبع ولتاژ را به سمت n متصل کنیم. در پیوندهای p-n که از ماده نیمه‌رسانای سیلیسیوم ساخته می‌‌شوند و در قطعات الکترونیکی استفاده می‌‌شود، برای غلبه بر میدان الکتریکی داخلی، تقریبا ولتاژ 7/0 ولت کافی است. بنابراین با این کار الکترون‌‌های آزاد می‌‌توانند هم‌‌جهت میدان الکتریکی داخلی (در واقع خلاف جهت میدان الکتریکی خارجی که بزرگتر است) حرکت کنند و موجب رسانش الکتریکی شوند (تصویر6).

 

تصویر6- اتصال منبع ولتاژ الکتریکی به یک پیوند p-n به صورتی که پایانه مثبت به p و پایانه منفی به n متصل است.

 

اما اگر جهت پایانه ‌‌های باتری را برعکس متصل کنیم، یعنی پایانه‌ی منفی را به p و پایانه‌ی مثبت را به n اتصال دهیم، میدان الکتریکی خارجی هم جهت میدان الکتریکی داخلی ایجاد می‌‌شود و جریان الکتریکی برقرار نمی‌‌شود (تصویر7).

 

تصویر7- اتصال منبع ولتاژ الکتریکی به یک پیوند p-n به صورتی که پایانه مثبت به n و پایانه منفی به p متصل است.

 

در الکترونیک به قطعه‌ای که دارای یک پیوند p-n هست، دیود می‌‌گوییم. در تصویر8 یک دیود واقعی را مشاهده می‌‌کنیم.

 

تصویر8- یک دیود واقعی که از یک پیوند p-n تشکیل شده است.

این مقاله را در سایت باشگاه نانو هم می توانید مطالعه کنید