الترانزستورات ج3 الوصلة PN والثنائيات Diodes ج1

تعرفنا في المقال السابق على طريقة تصنيع أنصاف النواقل من النمط N وP، لكننا لم نتحدث عن أي تطبيق ذو قيمة حقيقية لأيٍ من نصفي الناقلين بشكل وحيد في الحياة العملية، إن التطبيق الفعلي لأنصاف النواقل بدأ عندما تمت دراسة لعملية جمع نصفي ناقلين من نمطين مختلفين معاً عام 1950 ودراسة أثر هذا الربط الذي أصبح يُطلَق عليه اسم الوصلة PN أي PN Junction.

متابعة مفيدة وممتعة ..

تعاريف ومصطلحات:

العبور Diffusion Mechanism: حالة فيزيائية تكون فيها الشحنات الكهربائية للمادة في حالة حركة حرة وعفوية وتنتشر بتأثير اختلاف التركيز، ويشبه انتشارها رائحة العطر في الغرفة عند فتح غطاء عبوة العطر.

الانجراف Drift Mechanism: حركة الذرات تحت تأثير الحقل الكهربائي الخارجي، بحيث تتحرك الشحنات الموجبة في اتجاه والشحنات السالبة في اتجاه آخر، حيث يسبب اتجاه الحقل الكهربائي إعاقة لحركة الشحنات أو إعطاءها مزيداً من الطاقة والسرعة.

الحاجز الكهربائي Electric Barrier: ينتج بتأثير الحقل الكهربائي عندما يسبب إعاقة للشحنات الكهربائية، ويمنعها من العبور من منطقة تكون فيها ذات تركيز مرتفع إلى منطقة تكون فيها بتركيز منخفض.

تشكيل الوصلة PN وحصول العبور Diffusion:

نحصل على ما يعرف بالوصلة P-N من خلال إشابة قطعة من نصف ناقل، وذلك بإضافة ذرات متقبلة "Acceptor " إلى المنطقة اليسرى لتصبح من النوع P، وإضافة ذرات واهبة (مانحة) "Donor " إلى المنطقة اليمنى لتصبح من النوع N.

تتم الإشابة عادةً بطرق خاصة على قطعة واحدة، وذلك لأنه لا يتم الحصول على الوصلة بالطريقة المذكورة سابقاً بمجرد تحقيق تلامس أو اتصال بين قطعة نصف ناقل من النوع P وقطعة أخرى من النوع N، بسبب عدم ضمان تناسق التشابك البلوري بين القطعتين واستمراريته.

تتحدد الخواص الأساسية للوصلة بِ:

نوع نصف الناقل.

تركيز حاملات الشحنة في كل منطقة.

درجة الحرارة.

الشكل 1: الوصلة P-N بدون تطبيق جهد خارجي

الوصلة PN بدون تطبيق جهد خارجي:

سنعرف بعض المصطلحات:

NA: الذرات المتقبلة التي تمت إشابة المنطقة P بها.

ND: الذرات الواهبة التي تمت إشابة المنطقة N بها.

pp: تركيز حاملات الشحنة الأكثرية (الثقوب الموجبة) في المنطقة P، ويكون pp ≈ NA

np: تركيز حاملات الشحنة الأقلية (الالكترونات الحرة) في المنطقة P. وتحسب من العلاقة:

n_p=(n_i^2)/N_A

حيث ni: عدد الالكترونات الحرة ضمن حزمة النقل. (حزمة النقل: هي كمية الطاقة التي تحملها الالكترونات وتضمن بقاءها خارج الذرة).

nn: تركيز حاملات الشحنة الأكثرية (الالكترونات الحرة) في المنطقة N ،ويكون nn ≈ ND.

pn: تركيز حاملات الشحنة الأقلية (الثقوب الموجبة) في المنطقة N ،وتحسب من العلاقة:

p_n=(n_i^2)/N_D

بعد تشكيل المنطقتين P وN سيحدث ما يلي:

حركة انتقال للشحنات بين الجانبين.

تزداد في اللحظات الأولى كثافة الشحنات في المنطقة المجاورة للوصلة، حيث تبدأ الالكترونات الحرة الموجودة في مادة نصف الناقل N "المانح" بالقرب من منطقة الوصلة بالهجرة باتجاه مادة نصف الناقل P "المتقبل" (الذي يملك زيادة في عدد الثقوب الموجبة) عبر الوصلة والاندماج مع الثقوب الموجبة وتحرير أيونات سالبة.

تترك الالكترونات المهاجرة شحنة أيونات موجبة مانحة ND في مادة نصف الناقل N الذي هجرته، تترافق هجرة الالكترونات الحرة بهجرة الثقوب موجبة من مادة نصف الناقل P باتجاه مادة نصف الناقل N.

الشكل 2: مخطط مبسط لتشكل الوصلة PN

ونتيجة لذلك يتم ملء كامل الشحنة الموجودة في مادة نصف الناقل P بجوار الوصلة بالأيونات السالبة القابلة N¬¬A فتملك هذه المنطقة شحنة سالبة زائدة، في حين تكتسب المنطقة المقابلة لها والموجودة في مادة نصف الناقل N زيادة في الشحنة الموجبة.

يسمى مجمل هذه العملية من انتقال للإلكترونات والثقوب بالعبور" Diffusion ".

تستمر عملية العبور ويزداد معها عرض منطقة الوصلة D، حتى نصل لمرحلة لا تتمكن فيها أية الكترونات جديدة من عبور الوصلة، لنصل بذلك إلى حالة من التوازن أو التعادل الكهربائي الذي يولد حاجز كموني potential barrier، يحول دون تمكن مزيد من الالكترونات من القفز فوقه.

تعتبر منطقة الوصلة التي شكلت الحاجز الكموني خالية من أي شحنات حرة إضافية أي ناضبة "depleted" من حاملات الشحنة وذلك مقارنة بالمنطقتين N وP المجاورتين لها والغنيتين بتلك الشحنات، لذلك اصطلح على تسمية منطقة الوصلة بِ:

طبقة النضوب Depletion Layer أو منطقة شحنة الفراغ Space-charge Region أو منطقة الانتقال Transition Region، ويكون عرض هذه المنطقة أقل من مايكرومتر.

الشكل 3: الوصلة PN وتغير كثافة الشحنة وشدة الحقل في منطقة النضوب

يتولد فرق جهد داخلي من الحقل الكهربائي الناتج عن عملية الانتشار وذلك عبر الوصلة في الدارة المفتوحة، ويعطى فرق الجهد بالعلاقة:

تم رسم منحني شدة الحقل الكهربائي E بالنسبة للمحور X اعتماداً على العلاقة التالية:

الوصلة PN عند تطبيق جهد انحياز أمامي خارجي:

نحصل على هذه الوصلة بتطبيق جهد مناسب على طرفي نصف الناقل المشكل للوصلة PN، بحيث تكون الوصلة في وضعية انحياز أمامي (القطب الموجب للبطارية موصول مع مادة نصف الناقل من النمط P، والقطب السالب للبطارية موصول مع مادة نصف الناقل من النمط السالب N)، مما يعطي الالكترونات الحرة والثقوب طاقة إضافية.

ويمكن القول:

إنه في الواقع العملي تكون قيمة جهد الحاجز الكموني المتشكل في منطقة النضوب لنصف ناقل مصنوع من السيليكون حوالي (0.6 ~ 0.7 v)، في حين تكون قيمته في نصف ناقل مصنوع من الجرمانيوم حوالي (0.3 ~ 0.35 v).

إن طريقة التوصيل المذكورة تسبب انتشاراً من النوع الانجرافي" Drift" حيث:

تُدفع الالكترونات الحرة عالية التركيز في المنطقة N لتنتقل إلى المنطقة P، في حين تنتقل الثقوب من المنطقة P المقابلة إلى المنطقة N.

تتولى البطارية تعويض النقص الحاصل في الشحنات الحرة باستمرار، فيسري تيار كهربائي بالاتجاه الاصطلاحي (معاكس لحركة انتقال الالكترونات الحرة).

تكون قيمة التيار كبيرة نسبياً حيث تتناسب مع مجموع عدد الالكترونات الحرة والثقوب التي تخترق الوصلة والتي هي "الحاملات الأكثرية "، كما تزداد قيمته كلما زادت قيمة الجهد الخارجي المطبق.

الشكل 4: الوصلة PN في حالة انحياز أمامي

الوصلة PN عند تطبيق جهد انحياز عكسي خارجي:

نحصل على هذه الوصلة بعكس مصدر الجهد الخارجي كما في الشكل التالي:

الشكل 5: الوصلة PN في حالة انحياز عكسي

يسبب هذا الوصل:

طرداً لحاملات الأقلية في كل مادة نصف ناقل، حيث تُطرد الالكترونات الموجودة في المنطقة P إلى المنطقة N، والثقوب الموجودة في المنطقة N إلى المنطقة P.

يسري نتيجة لذلك تيار كهربائي معاكس لاتجاه حركة الالكترونات، وتكون قيمته صغيرة جداً ومتناسبة مع عدد الالكترونات الحرة والثقوب (حاملات الأقلية) التي تخترق الوصلة، ويسمى التيار الناتج بالتيار العكسي للثنائي" Reverse current ".

سنتابع في المقال القادم حديثنا عن الوصلة PN لنتناول أحد أهم تطبيقاتها وهو الثنائي Diode.

للمزيد من المعلومات عن الترانزستورات تابعوا مقالاتها

هنا

المراجع:

هنا

هنا

Solayman، Prof. Nadim. الهندسة الالكترونية 1. Hims : جامعة البعث، 2004، 6.

مراجع الصور :

هنا