بسم الله الرحمن الرحیم

1. بسم الله الرحمن الرحیم

2. دانشجو: حسن شکری استاد: مهندس رضا ایلکا موضوع: تحلیل ساختار فیزیکی دیود

3. فیزیک دیود • دیود های نیمه هادی از یک پیوند pn ساخته میشوند که از کنار هم قرار گرفتن یک نیمه هادی نوع p با یک نیمه هادی نوع n ساخته میشوند. • امروزه عمده مدارات نیمه هادی از سیلیکون ساخته میشوند. Figure 3.39 Simplified physical structure of the junction diode. (Actual geometries are given in Appendix A.)

4. سیلیکون طبیعی • سیلیکون طبیعی دارای یک ساختار شبکه ای است که در آن هر اتم سیلیکون توسط پیوندهای کووالانسی با چهار اتم دیگر پیوند برقرار میکند. • در دمای اتاق، حرارت باعث میشود تا تعدادی از پیوندهای کووالانسی شکسته شده و الکترونهای آزاد بوجود آیند. Figure 3.40 Two-dimensional representation of the silicon crystal. The circles represent the inner core of silicon atoms, with +4 indicating its positive charge of +4q, which is neutralized by the charge of the four valence electrons. Observe how the covalent bonds are formed by sharing of the valence electrons. At 0 K, all bonds are intact and no free electrons are available for current conduction.

5. حفره و الکترون • وقتی که یک پیوند کووالانسی شکسته میشود، یک الکترون اتم اصلی خود را ترک میکند آنچه که بر جای میماند یک اتم با بار مثبت است که آماده پذیرش یک الکترون را دارد. این محل خالی یک حفره نامیده میشود. • این حفره میتواند توسط الکترونی که از اتم دیگری جدا شده پرشود. اینکار باعث میشود تا حفره در محل دیگری تشکیل شود. بدین ترتیب با جابجا شدن الکترونها حفره ها هم جابجا خواهند شد. یعنی جریانی از حفره ها! • مقداربارالکتریکی حفره برابر با بار الکترون اما مثبت است. در عمل تعداد حفره ها و الکترونهای آزاد با هم برابرهستند لذا بارالکتریکی کل نیمه هادی برابر با صفر است. Figure 3.41 At room temperature, some of the covalent bonds are broken by thermal ionization. Each broken bond gives rise to a free electron and a hole, both of which become available for current conduction.

6. تولید و ترکیب • در حالت تعادل حرارتی پدیده تولید الکترون آزاد و ترکیب الکترون و حفره با نرخ واحدی رخ میدهند. • در یک درجه حرارت مشخص تعداد حفره ها و الکترونها برابر است با: • که ni برای نیمه هادی خالص از رابطه زیر حساب میشود: • در دمای اتاق داریم: فقط یکی از هر میلیارد الکترون آزاد است

7. پدیده های Diffusion و ِDrift • الکترون و حفره بر مبنای دو پدیده در داخل نیمه هادی حرکت میکنند: • Diffusion: اگر تعداد الکترونها و حفره ها در بخش هائی از یک نیمه هادی برابر نباشند، الکترونها از جائی که بیشتر هستند به سمت محلی که الکترون کمتری دارد حرکت خواهند کرد. این پدیده نفوذ نامیده میشود که باعث جریانی به نام جریان نفوذی میگردد. • البته در یک نیمه هادی خالص در تمام نقاط توازن بین حفره و الکترون وجود داشته و چنین پدیده ای رخ نمیدهد.

8. مثالی از پدیده نفوذ • در نیمه هادی شکل زیر با اعمال ناخالصی ترکیب حفره ها در طول نیمه هادی به هم خورده است. وجود این نایکنواختی باعث میشود تا جریانی از حفره در امتداد x بوجود آید. مقدار جریان با شیب پروفایل غلظت حفره ها مرتبط خواهد بود: q بار الکتریکی الکترون Dp مقداری است ثابت Jpدانسیته جریان رابطه مشابه برای جریان الکترون Figure 3.42 A bar of intrinsic silicon (a) in which the hole concentration profile shown in (b) has been created along the x-axis by some unspecified mechanism.

9. پدیده drift • Drift یا رانش مکانیزم دیگری است که باعث بوجود آمدن جریان درداخل نیمه هادی میشود. • رانش ناقلها هنگامی اتفاق می افتد که یک میدان الکتریکی به دوسر نیمه هادی اعمال میشود. الکترونها و حفره ها در اثر این میدان شتاب گرفته و به سرعتی میرسند که سرعت رانش گفته میشود. • حفره ها در اثر میدان E درراستای آن به سرعتی برابر با میرسند. در این رابطه mp موبیلیتی حفره ها بوده و برحسب cm2/ms بیان میشود.

10. جریان رانش • اگر در یک نیمه هادی چگالی حفره ها برابر با p و چگالی الکترونها برابر با n بوده و به این نیمه هادی میدان الکتریکی E اعمال شود هر دو ناقل مجبور به حرکت خواهند شد، ناقلهای مثبت یا همان حفره ها در جهت میدان و ناقلهای منفی یا الکترونها در خلاف جهت آن. • مقدار این جریان برای حفره برابر است با • و برای الکترونها داریم: • در نتیجه کل جریان حاصل از رانش برابر خواهد بود با:

11. افزودن ناخالصی به نیمه هادی • در یک نیمه هادی خالص تعداد حفره ها و الکترونها برابر است. اما میتوان با افزودن ناحالصی به نیمه هادی این برابری را به هم زد. • یک نیمه هادی ناخالص که تعداد الکترونهای آزاد آن بیشتر از حفره هایش باشد n-type و نیمه هادی با کثریت حفره ها p-type نامیده میشود. • برای ساختن نیمه هادی نوع n به سیلیکون یک ناخالصی مثل فسفر که در لایه ولانس خود 5 الکترون دارد اضافه میشود.

12. افزودن ناخالصی به نیمه هادی • با افزودن ناخالصی، اتم های فسفر جایگزین برخی ازاتم های سیلیکون شده و هر یک با 4 چهار اتم های مجاور پیوند کووالانسی برقرار میکنند. اما فقط 4 الکترون لایه آخر آن در پیوند با 4 همسایه شرکت کرده و یک الکترون لایه آخر بصورت آزاد باقی میماند که باعث تبدیل نیمه هادی به نوع n میشود. • ناخالصی مثل فسفر که یک الکترون آزاد به نیمه هادی اضافه میکندDoner نامیده میشود. Figure 3.43 A silicon crystal doped by a pentavalent element. Each dopant atom donates a free electron and is thus called a donor. The doped semiconductor becomes n type.

13. افزودن ناخالصی به نیمه هادی • اگر غلظت اتمهای بخشنده برابرND باشد در حالت تعادل حرارتی غلظت الکترونهای آزاد برابرخواهد بود با • بر طبق اصول فیزیک نیمه هادی ها در تعادل حرارتی حاصلضرب غلظت الکترون و حفره ثابت است: • لذا تعداد حفره های حاصل از یونیزه شدن حرارتی برابر است با: • نیمه هادی ناخالص از لحاظ الکتریکی خنثی است زیرا بار حاملهای اکثریت با بار اتمها خنثی میشود.

14. نیمه هادی نوع p • اگر ناخالصی اضافه شده ماده ای نظیر برم باشد که تعداد الکترونهای لایه آخر ان 3 عدد است، هر اتم ناخالصی فقط با 3 اتم سیلیکون پیوند کووالانسی برقرار کرده و ایجاد یک حفره خواهد نمود. • تعداد این حفره ها در تعادل حرارتی با غلظت اتمهای ناخالصی رابطه دارد: • تعداد الکترونهای آزاد برابر است با: Figure 3.44 A silicon crystal doped with a trivalent impurity. Each dopant atom gives rise to a hole, and the semiconductor becomes p type.

15. پیوند pn در حالت مدار باز • اگر دو قطعه نیمه هادی نوع n و p به هم متصل شوند، در محل اتصال غلظت الکترونها و حفره ها با هم برابر نبوده و لذا حفره ها از ناحیه p به سمت ناحیه n حرکت کرده و یک جریان نفوذی از p به سمت n خواهیم داشت. • به همین ترتیب الکترونها نیز از ناحیه n به ناحیه p نفوذ خواهند نمود و یک مولفه دیگر به جریان نفوذی اضافه خواهند کرد. مجموع این دوجریان یک جریان نفوذی برابر با ID ایجادخواهد کرد. Figure 3.45(a) The pn junction with no applied voltage (open-circuited terminals). (b) The potential distribution along an axis perpendicular to the junction.

16. ناحیه تخلیه • حفره هائی که از ناحیه p به ناحیه n نفوذ میکنند به سرعت با الکترونهای آزادی که به وفور در این ناحیه وجود دارند ترکیب شده و تعدادی از آنها را از گردونه فعالیت خارج میکنند. این امر باعث میشود تا حالت تعادلی که قبلا بین الکترونها و بارهای مثبت این ناحیه وجود داشت از بین رفته و در مرز بین دو ناحیه، منطقه ای بوجود آید که فاقد الکترون آزاد باشد. در نتیجه این قسمت از لحاظ الکتریکی خنثی نبوده ودارای بار مثبت خواهد شد. • به این ناحیه ناحیه تخلیه گفته میشود. • پدیده مشابهی برای الکترونهائی که از ناحیه n به ناحیه p نفوذ میکنند رخ داده و باعث میشود تا یک ناحیه تخلیه فاقد حفره در نزدیکی مرز بوجود آید. • وجود بار مثبت و منفی در اطراف ناحیه تخلیه باعث میشود تا یک میدان الکتریکی در این ناحیه بوجود آید. Figure 3.45(a) The pn junction with no applied voltage (open-circuited terminals). (b) The potential distribution along an axis perpendicular to the junction.

17. مقدار ولتاژ ناحیه تخلیه • در غیاب میدان الکتریکی خارجی، ولتاژ ناحیه تخلیه عبارت است از: • که مقدار آن برای سیلیکون در درجه حرارت معمولی برابر با 0.6 تا 0.8 ولت است. • توجه شود که اگر ولتاژ دو سر یک دیود در حالت باز اندازه گیری شود برابر با صفر خواهد بود زیرا در نقطه اتصال فلز به نیمه هادی ولتاژ کنتاکتی وجود دارد که مقدار آن دقیقا برابر با این ولتاژ خواهد شد.

18. عرض ناحیه تخلیه • عرض ناحیه تخلیه در دو طرف یکسان نبوده و بستگی به مقدار ناخالصی دو طرف دارد. اگر سطح مقطع این ناحیه A باشد برای برقراری تعادل الکتریکی داریم: • بعلت اختلاف زیاد غلظت دو طرف ممکن است عمده ناحیه تخلیه در یکطرف نیمه هادی قرار بگیرد. عرض کل ناحیه از رابطه زیر بدست می آید که معمولا بین 0.1 تا 1 میکرومتر است

19. ناحیه پیوندی pn تحت ولتاژ معکوس • اگر رفتار دیود در گرایش معکوس را با منبع جریانی برابر با Is نشان دهیم، این جریان باید توسط مدار خارجی الکترونها را از ناحیه n به ناحیه p ببرد. خروج الکترون از ناحیه n باعث خواهد شد تا تعداد بارهای مثبت آن افزایش یابد که خود به معنای اضافه شدن به عرض ناحیه تخلیه است. • اتفاق مشابهی برای حفره ها در ناحیه pمی‌افتد و با حذف آنها از این ناحیه عرض ناحیه تخلیه زیاد شده و در نتیجه ولتاژ ناحیه تخلیه نیز افزایش یافته و باعث کاهش جریان نفوذی در ناحیه تخلیه میشود. Figure 3.46 The pn junction excited by a constant-current source I in the reverse direction. To avoid breakdown, I is kept smaller than IS.Note that the depletion layer widens and the barrier voltage increases by VRvolts, which appears between the terminals as a reverse voltage.

20. پیوند pn در ناحیه شکست • اگر به دیود جریان معکوسی بزرگتر از Is اعمال شود، دو پدیده جدید با نامهای اثر زنر و اثر بهمنی در دیود اتفاق میافتند. پدیده زنر برای دیود هائی اتفاق میافتد که ولتاژ شکست آنها کمتر از 5 ولت باشد. وقتی که ولتاژ معکوس از این حد فراتر میرود میتواند باعث شکسته شدن پیوند کووالانسی و آزاد شدن الکترون حفره در ناحیه پیوندی شود. تعداد آنها بقدری خواهد بود که جریان مورد نیاز مدار خارجی در ناحیه شکست را تامین نمایند. • پدیده بهمنی وقتی اتفاق می افتد که الکترونها تحت تاثیر میدان خارجی از پیوند خود جدا شده و با سرعت به حرکت در می آیند. این الکترونهای سریع در اثر برخورد با اتمهای مجاور باعث ازاد شدن حفره الکترون دیگری میشوند که به نوبه خود میتواند الکترونهای دیگری را آزاد کند. • مقدار جریانی که در این پدیده ها از دیود عبور میکند توسط مدار خارجی محدود خواهد شد. Figure 3.48 The pnjunction excited by a reverse-current source I,where I > IS. The junction breaks down, and a voltage VZ , with the polarity indicated, develops across the junction.

21. پیوند pn در گرایش مستقیم • در گرایش مستقیم جهت جریان بگونه ای است که باعث تزریق الکترون به ناحیه n و حفره به ناحیه p میشود. تزریق حاملهای اکثریت باعث میشود تا تعدادی از بارهای ناحیه تخلیه خنثی شده و از عرض ان کاسته شود. • با کاسته شدن عرض ناحیه تخلیه ولتاژ barrier آن کاسته شده و اجازه عبور تعداد بیشتری حفره و الکترون از این ناحیه داده میشود که باعث افزایش جریان نفوذی میگردد. Figure 3.49 The pnjunction excited by a constant-current source supplying a current I in the forward direction. The depletion layer narrows and the barrier voltage decreases by V volts, which appears as an external voltage in the forward direction.

22. توزیع حاملهای تزریق شده • تزیق حاملهای اقلیت به نواحی باعث میشود تا غلظت آن در هر ناحیه از مقدار تعادل حرارتی بیشتر شود که توزیع آن مطابق شکل زیر خواهد بود. این توزیع باعث افزایش جریان نفوذ و بیشتر شدن آن از مقدار Is میشود. Figure 3.50 Minority-carrier distribution in a forward-biased pn junction. It is assumed that the p region is more heavily doped than the n region; NA @ND.

23. رابطه جریان و ولتاژ دیود • توزیع حاملها در گرایش مستقیم در لبه ناحیه تخلیه از رابطه زیر پیروی میکند. • و مقدار آن برای سایر نواحی بر اساس فاصله از رابطه زیر تبعیت میکند

24. منبع: فصل سوم از کتاب: MICROELECTRONIC CIRCUITS 5/e & Sedra/Smith