علاء البصري
03-29-2014, 11:39 AM
السيلكون مثلا مادة لها تكافؤ 4 أي ان لها بالمدار الخارجي 4 الكترونات حرة الحركة وبالتالي عندما نقوم بأدخال ذرات(مشوبة للمادة) من إحدى العناصر ذات التكافؤ 3 ( مثلا عنصر بورون، عنصر الألومنيوم، عنصر
الغاليوم أو عنصر الإنديوم) حتى تركيز 1% من المادة فأن شريحة السيلكون في درجة حرارة الغرفة تصبح غنية بالفجوات (holes) حيث تحتاج الذرة الي طاقة [0.025[ev] لكي تستطيع أن تستوعب الكترون ويصبح لها تكافؤ 4 وبالتالي يصبح هناك فجوة حره الحركة من المعروف ان الطاقة الحرارية في درجة حرارة الغرفة هي KT/q=0.026 ev
وبالتالي نستطيع أن نفرض ان درجة حرارة الغرفة كافية لكي نحصل على أيونات سالبة بالتركيز الذي تم أدخاله وبالتالي تصبح شريحة السيلكون تحتوي على تركيز فجوات (holes) حرة يعادل تركيز المادة الملوثة وهكذا هو الحال بالنسبة لشريحة السيلكون من نوع n حيث يتم ادخال ملوثات من إحدى العناصر ذات التكافؤ 5 مثلا (الأنتيمون ,النيتروجين, الفوسفور أو الزرنيخ) بدرجة حرارة الغرفة تصبح الشريحة غنية بالأكترونات الحرة.
المبدأ الأساسي
وصلة م س أو وصلة PN حيث N:negative و P:positive, هي شبه موصل سالب (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%B4%D8%A8%D9%87_%D9%85%D9%88%D8% B5%D9%84_%D8%B3%D8%A7%D9%84%D8%A8)و شبه موصل موجب (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%B4%D8%A8%D9%87_%D9%85%D9%88%D8% B5%D9%84_%D9%85%D9%88%D8%AC%D8%A8) تم وصلهما ومن هنا أتى اسم وصلة pn. في الموصلات الكهربائية الاعتيادية (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D9%85%D9%88%D8%B5%D9%84_%D9%83%D9% 87%D8%B1%D8%A8%D8%A7%D8%A6%D9%8A) (كسلك النحاس (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%B3%D9%84%D9%83_%D8%A7%D9%84%D9% 86%D8%AD%D8%A7%D8%B3) مثلا)، الإلكترون (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%84%D8%A5%D9%84%D9%83%D8%A A%D8%B1%D9%88%D9%86) الذي يقبع في نطاق التوصيل (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D9%86%D8%B7%D8%A7%D9%82_%D8%A7%D9% 84%D8%AA%D9%88%D8%B5%D9%8A%D9%84) هو المسؤول عن توصيل الكهرباء (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%AA%D9%88%D8%B5%D9%8A%D9%84_%D8% A7%D9%84%D9%83%D9%87%D8%B1%D8%A8%D8 %A7%D8%A1) ولذلك يسمى حامل شحنة (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%AD%D8%A7%D9%85%D9%84_%D8%B4%D8% AD%D9%86%D8%A9) في حالة السلك النحاسي, في أشباه الموصلات (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%A3%D8%B4%D8%A8%D8%A7%D9%87_%D8% A7%D9%84%D9%85%D9%88%D8%B5%D9%84%D8 %A7%D8%AA) هناك حاملان للكهرباء, الإلكترون (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%84%D8%A5%D9%84%D9%83%D8%A A%D8%B1%D9%88%D9%86) الموجود في نطاق التوصيل (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D9%86%D8%B7%D8%A7%D9%82_%D8%A7%D9% 84%D8%AA%D9%88%D8%B5%D9%8A%D9%84) وأيضا ما اصطلح على تسميته فجوة الإلكترون (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D9%81%D8%AC%D9%88%D8%A9_%D8%A7%D9% 84%D8%A5%D9%84%D9%83%D8%AA%D8%B1%D9 %88%D9%86) والتي تقبع في نطاق التكافؤ (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D9%86%D8%B7%D8%A7%D9%82_%D8%A7%D9% 84%D8%AA%D9%83%D8%A7%D9%81%D8%A4), فهناك حاملان للشحنة في أشباه الموصلات وليس واحد, بينما في العوازل الكهربائية (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%B9%D8%A7%D8%B2%D9%84_%D9%83%D9% 87%D8%B1%D8%A8%D8%A7%D8%A6%D9%8A), الفجوة الموجودة في نطاق التكافؤ (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D9%86%D8%B7%D8%A7%D9%82_%D8%A7%D9% 84%D8%AA%D9%83%D8%A7%D9%81%D8%A4) هي حاملة الشحنة.
شبه الموصل السالب يملك إلكترونات حره يمكنها حمل الشحنة وشبه الموصل الموجب يملك فجوات حرة يمكنها بدورها حمل الشحنة كذلك, وعند وصلهما ببعض يتم تسخير كلا الحاملين لنقل الشحنة (الكهرباء (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%84%D9%83%D9%87%D8%B1%D8%A 8%D8%A7%D8%A1)). إضافة الفجوات والإلكترونات الحرة إلى شبه الموصل يتم بواسطة عملية تدعى التشويب (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%84%D8%AA%D8%B4%D9%88%D9%8 A%D8%A8). والتشويب باختصار يقوم بتحويل شبه الموصل الذاتي (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%B4%D8%A8%D9%87_%D8%A7%D9%84%D9% 85%D9%88%D8%B5%D9%84_%D8%A7%D9%84%D 8%B0%D8%A7%D8%AA%D9%8A) إلى شبه موصل دخيل (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%B4%D8%A8%D9%87_%D9%85%D9%88%D8% B5%D9%84_%D8%AF%D8%AE%D9%8A%D9%84), لإن شبه الموصل الذاتي وإن كان يملك عدد من الإلكترونات والفجوات الحرة إلا أنها أعدادها ليست كافية كما أنها تركيزها يعتمد بشكل رئيسي على درجة الحرارة (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%84%D8%AD%D8%B1%D8%A7%D8%B 1%D8%A9) والتي بدورها تحكم عملية التأين الحراري (http://ar.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%AA%D8%A3%D9%8A% D9%86_%D8%AD%D8%B1%D8%A7%D8%B1%D9%8 A&action=edit&redlink=1) .
الفكرة بشكل مبسط
الفكرة تكمن في تشويب أو تلويث شبه موصل نقي(semiconductor) في أحد جانبيها بشوائب خماسية التكافؤ والجانب الآخر بشوائب ثلاثية التكافؤ . يسمى السطح الفاصل بينهما بالملتقى أو المفرق (PN Junction) إذ تتولد طبقة رقيقة على جانبي الملتقى تسمى طبقة الاستنزاف(depletion region) وهي لاتحتوي على نواقل للشحنة الحرة (وسمكها 1 ميكرومتر تقريباً). وذلك بسبب انتقال الكترونات من المنطقة (N) إلى المنطقة (P) بهدف احداث توازن حيث الانتقال يكون من المنطقة كثيرة الاكلترونات الحرة إلى المنطقة قليلة الالكترونات الحرة وانتقال فجوات من المنطقة(P) حيث تركيز الفجوات عالي إلى المنطقة (N) حيث التركيز منخفض ,انتقال الفجوات يولد آيونات سالبة في المنطقة (P) وانتقال الالكترونات يولد آيونات موجبة في المنطقة (N) على جانبي الملتقى وبذلك يتكون فرق جهد كهربائي يسمى بالحاجز الجهدي ((Barrier potential - V built-in )) على جانبي الملتقى مولداً مجالاً كهربائياً معاكساً لحركة نواقل الشحنة وينمو هذا المجال حتى يصبح كافياً لايقاف هذا الانتقال فيحصل التوازن. ويكون فرق الجهد في هذه الحالة يساوي ((0،7 فولط للسيلكون و 0،3 للجرمانيوم)) بدرجة الحرارة الاعتيادية ويتغير مقدار فرق الجهد هذا مع تغير درجة الحرارة ونسبة الشوائب المضافة.
خصائص الوصلة
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/fa/Pn-junction-equilibrium-graphs.png/220px-Pn-junction-equilibrium-graphs.png (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D9%85%D9%84%D9%81:Pn-junction-equilibrium-graphs.png)
يمكن دراسة خواص الوصلة عند حالة وجود وعدم وجود جهد خارجي على طرفيها:
1- بدون وضع أي قوة خارجية (كهرباء أو جهد) تنتقل بعض الإلكترونات الزائدة في المنطقة n إلى المنطقة ذات الفجوات p وتشكل منطقة متعادلة ([[منطقة النضوب (http://ar.wikipedia.org/w/index.php?title=%D9%85%D9%86%D8%B7% D9%82%D8%A9_%D8%A7%D9%84%D9%86%D8%B 6%D9%88%D8%A8&action=edit&redlink=1)]]) وتصبح هذه المنطقة عازلة. تسمى هذه العملية انتشار ناقلات الشحنات. بسبب سماكة هذه المنطقة العازلة (حوالي ميكرون (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D9%85%D9%8A%D9%83%D8%B1%D9%88%D9%8 6)) يصبح الجهد غير كاف للتغلب على منطقة النضوب فتتوقف عملية الانتشار. ولكن كلما ازدادت درجة الحرارة كلما ازدادت المنطقة العازلة وبالتالي ازدادالحقل الكهربائي. يكون جهد العتبة لهذه المنطقة حوالي 0.7 فولت في المواد المصنوعة من السيلكون (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%84%D8%B3%D9%8A%D9%84%D9%8 3%D9%88%D9%86) وحوالي 0.3V في الجرمانيوم (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%84%D8%AC%D8%B1%D9%85%D8%A 7%D9%86%D9%8A%D9%88%D9%85).
2- وضع قوة خارجية (جهد):
الانحياز العكسي (حالة العزل) عندما نطبق جهد على الوصلة الثنائية بحيث يكون القطب الموجب متصل ب n والقطب السالب متصل ب p مما يؤدي إلى ذهاب جزء من إلكترونات الرقاقة n إلى القطب الموجب وبالتالي توسع منطقة العزل بين n و p أي منع مرور التيار الكهربائي ويتشكل جهد يسمى جهد الانتشار.
الانحياز الأمامي (حالة النقل)عندما نطبق جهد على الوصلة pn بحيث يكون القطب السالب متصل ب n
والقطب الموجب متصل ب p مما يؤدي إلى قذف الإلكترونات بسرعة من الرقاقة n إلى الرقاقة P وبالتالي مرور التيار من p إلى n وزوال جهد الانتشار. استخدام الوصلة الثنائية لتقويم التيار تستخدم الوصلة لتقويم التيار لا نها تسمح لانصاف الدبدبات بالمرور عندما يكون جهد البلورة الموجبة موجب وجهد البلورة السالبة سالب
الغاليوم أو عنصر الإنديوم) حتى تركيز 1% من المادة فأن شريحة السيلكون في درجة حرارة الغرفة تصبح غنية بالفجوات (holes) حيث تحتاج الذرة الي طاقة [0.025[ev] لكي تستطيع أن تستوعب الكترون ويصبح لها تكافؤ 4 وبالتالي يصبح هناك فجوة حره الحركة من المعروف ان الطاقة الحرارية في درجة حرارة الغرفة هي KT/q=0.026 ev
وبالتالي نستطيع أن نفرض ان درجة حرارة الغرفة كافية لكي نحصل على أيونات سالبة بالتركيز الذي تم أدخاله وبالتالي تصبح شريحة السيلكون تحتوي على تركيز فجوات (holes) حرة يعادل تركيز المادة الملوثة وهكذا هو الحال بالنسبة لشريحة السيلكون من نوع n حيث يتم ادخال ملوثات من إحدى العناصر ذات التكافؤ 5 مثلا (الأنتيمون ,النيتروجين, الفوسفور أو الزرنيخ) بدرجة حرارة الغرفة تصبح الشريحة غنية بالأكترونات الحرة.
المبدأ الأساسي
وصلة م س أو وصلة PN حيث N:negative و P:positive, هي شبه موصل سالب (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%B4%D8%A8%D9%87_%D9%85%D9%88%D8% B5%D9%84_%D8%B3%D8%A7%D9%84%D8%A8)و شبه موصل موجب (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%B4%D8%A8%D9%87_%D9%85%D9%88%D8% B5%D9%84_%D9%85%D9%88%D8%AC%D8%A8) تم وصلهما ومن هنا أتى اسم وصلة pn. في الموصلات الكهربائية الاعتيادية (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D9%85%D9%88%D8%B5%D9%84_%D9%83%D9% 87%D8%B1%D8%A8%D8%A7%D8%A6%D9%8A) (كسلك النحاس (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%B3%D9%84%D9%83_%D8%A7%D9%84%D9% 86%D8%AD%D8%A7%D8%B3) مثلا)، الإلكترون (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%84%D8%A5%D9%84%D9%83%D8%A A%D8%B1%D9%88%D9%86) الذي يقبع في نطاق التوصيل (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D9%86%D8%B7%D8%A7%D9%82_%D8%A7%D9% 84%D8%AA%D9%88%D8%B5%D9%8A%D9%84) هو المسؤول عن توصيل الكهرباء (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%AA%D9%88%D8%B5%D9%8A%D9%84_%D8% A7%D9%84%D9%83%D9%87%D8%B1%D8%A8%D8 %A7%D8%A1) ولذلك يسمى حامل شحنة (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%AD%D8%A7%D9%85%D9%84_%D8%B4%D8% AD%D9%86%D8%A9) في حالة السلك النحاسي, في أشباه الموصلات (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%A3%D8%B4%D8%A8%D8%A7%D9%87_%D8% A7%D9%84%D9%85%D9%88%D8%B5%D9%84%D8 %A7%D8%AA) هناك حاملان للكهرباء, الإلكترون (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%84%D8%A5%D9%84%D9%83%D8%A A%D8%B1%D9%88%D9%86) الموجود في نطاق التوصيل (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D9%86%D8%B7%D8%A7%D9%82_%D8%A7%D9% 84%D8%AA%D9%88%D8%B5%D9%8A%D9%84) وأيضا ما اصطلح على تسميته فجوة الإلكترون (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D9%81%D8%AC%D9%88%D8%A9_%D8%A7%D9% 84%D8%A5%D9%84%D9%83%D8%AA%D8%B1%D9 %88%D9%86) والتي تقبع في نطاق التكافؤ (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D9%86%D8%B7%D8%A7%D9%82_%D8%A7%D9% 84%D8%AA%D9%83%D8%A7%D9%81%D8%A4), فهناك حاملان للشحنة في أشباه الموصلات وليس واحد, بينما في العوازل الكهربائية (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%B9%D8%A7%D8%B2%D9%84_%D9%83%D9% 87%D8%B1%D8%A8%D8%A7%D8%A6%D9%8A), الفجوة الموجودة في نطاق التكافؤ (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D9%86%D8%B7%D8%A7%D9%82_%D8%A7%D9% 84%D8%AA%D9%83%D8%A7%D9%81%D8%A4) هي حاملة الشحنة.
شبه الموصل السالب يملك إلكترونات حره يمكنها حمل الشحنة وشبه الموصل الموجب يملك فجوات حرة يمكنها بدورها حمل الشحنة كذلك, وعند وصلهما ببعض يتم تسخير كلا الحاملين لنقل الشحنة (الكهرباء (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%84%D9%83%D9%87%D8%B1%D8%A 8%D8%A7%D8%A1)). إضافة الفجوات والإلكترونات الحرة إلى شبه الموصل يتم بواسطة عملية تدعى التشويب (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%84%D8%AA%D8%B4%D9%88%D9%8 A%D8%A8). والتشويب باختصار يقوم بتحويل شبه الموصل الذاتي (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%B4%D8%A8%D9%87_%D8%A7%D9%84%D9% 85%D9%88%D8%B5%D9%84_%D8%A7%D9%84%D 8%B0%D8%A7%D8%AA%D9%8A) إلى شبه موصل دخيل (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%B4%D8%A8%D9%87_%D9%85%D9%88%D8% B5%D9%84_%D8%AF%D8%AE%D9%8A%D9%84), لإن شبه الموصل الذاتي وإن كان يملك عدد من الإلكترونات والفجوات الحرة إلا أنها أعدادها ليست كافية كما أنها تركيزها يعتمد بشكل رئيسي على درجة الحرارة (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%84%D8%AD%D8%B1%D8%A7%D8%B 1%D8%A9) والتي بدورها تحكم عملية التأين الحراري (http://ar.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%AA%D8%A3%D9%8A% D9%86_%D8%AD%D8%B1%D8%A7%D8%B1%D9%8 A&action=edit&redlink=1) .
الفكرة بشكل مبسط
الفكرة تكمن في تشويب أو تلويث شبه موصل نقي(semiconductor) في أحد جانبيها بشوائب خماسية التكافؤ والجانب الآخر بشوائب ثلاثية التكافؤ . يسمى السطح الفاصل بينهما بالملتقى أو المفرق (PN Junction) إذ تتولد طبقة رقيقة على جانبي الملتقى تسمى طبقة الاستنزاف(depletion region) وهي لاتحتوي على نواقل للشحنة الحرة (وسمكها 1 ميكرومتر تقريباً). وذلك بسبب انتقال الكترونات من المنطقة (N) إلى المنطقة (P) بهدف احداث توازن حيث الانتقال يكون من المنطقة كثيرة الاكلترونات الحرة إلى المنطقة قليلة الالكترونات الحرة وانتقال فجوات من المنطقة(P) حيث تركيز الفجوات عالي إلى المنطقة (N) حيث التركيز منخفض ,انتقال الفجوات يولد آيونات سالبة في المنطقة (P) وانتقال الالكترونات يولد آيونات موجبة في المنطقة (N) على جانبي الملتقى وبذلك يتكون فرق جهد كهربائي يسمى بالحاجز الجهدي ((Barrier potential - V built-in )) على جانبي الملتقى مولداً مجالاً كهربائياً معاكساً لحركة نواقل الشحنة وينمو هذا المجال حتى يصبح كافياً لايقاف هذا الانتقال فيحصل التوازن. ويكون فرق الجهد في هذه الحالة يساوي ((0،7 فولط للسيلكون و 0،3 للجرمانيوم)) بدرجة الحرارة الاعتيادية ويتغير مقدار فرق الجهد هذا مع تغير درجة الحرارة ونسبة الشوائب المضافة.
خصائص الوصلة
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/fa/Pn-junction-equilibrium-graphs.png/220px-Pn-junction-equilibrium-graphs.png (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D9%85%D9%84%D9%81:Pn-junction-equilibrium-graphs.png)
يمكن دراسة خواص الوصلة عند حالة وجود وعدم وجود جهد خارجي على طرفيها:
1- بدون وضع أي قوة خارجية (كهرباء أو جهد) تنتقل بعض الإلكترونات الزائدة في المنطقة n إلى المنطقة ذات الفجوات p وتشكل منطقة متعادلة ([[منطقة النضوب (http://ar.wikipedia.org/w/index.php?title=%D9%85%D9%86%D8%B7% D9%82%D8%A9_%D8%A7%D9%84%D9%86%D8%B 6%D9%88%D8%A8&action=edit&redlink=1)]]) وتصبح هذه المنطقة عازلة. تسمى هذه العملية انتشار ناقلات الشحنات. بسبب سماكة هذه المنطقة العازلة (حوالي ميكرون (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D9%85%D9%8A%D9%83%D8%B1%D9%88%D9%8 6)) يصبح الجهد غير كاف للتغلب على منطقة النضوب فتتوقف عملية الانتشار. ولكن كلما ازدادت درجة الحرارة كلما ازدادت المنطقة العازلة وبالتالي ازدادالحقل الكهربائي. يكون جهد العتبة لهذه المنطقة حوالي 0.7 فولت في المواد المصنوعة من السيلكون (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%84%D8%B3%D9%8A%D9%84%D9%8 3%D9%88%D9%86) وحوالي 0.3V في الجرمانيوم (http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%84%D8%AC%D8%B1%D9%85%D8%A 7%D9%86%D9%8A%D9%88%D9%85).
2- وضع قوة خارجية (جهد):
الانحياز العكسي (حالة العزل) عندما نطبق جهد على الوصلة الثنائية بحيث يكون القطب الموجب متصل ب n والقطب السالب متصل ب p مما يؤدي إلى ذهاب جزء من إلكترونات الرقاقة n إلى القطب الموجب وبالتالي توسع منطقة العزل بين n و p أي منع مرور التيار الكهربائي ويتشكل جهد يسمى جهد الانتشار.
الانحياز الأمامي (حالة النقل)عندما نطبق جهد على الوصلة pn بحيث يكون القطب السالب متصل ب n
والقطب الموجب متصل ب p مما يؤدي إلى قذف الإلكترونات بسرعة من الرقاقة n إلى الرقاقة P وبالتالي مرور التيار من p إلى n وزوال جهد الانتشار. استخدام الوصلة الثنائية لتقويم التيار تستخدم الوصلة لتقويم التيار لا نها تسمح لانصاف الدبدبات بالمرور عندما يكون جهد البلورة الموجبة موجب وجهد البلورة السالبة سالب