دیود چیست و چگونه کار می کنند؟

 موادنیمه رسانا را از دیدگاه نظریه‌ی نواری بررسی کردیم. همچنین آموختیم که در نیمه­ رسانا می­توان با افزودن مقادیر کمی ناخالصی رسانش الکتریکی را به صورت شگفت­ انگیزی افزایش داد. گفتیم سیلیسیوم (Si) و ژرمانیوم (Ge) دو نیمه ­رسانای معروف هستند که هر کدام 4 الکترون ظرفیت دارند. اگر آن­ها را با عناصری که اتم‌هایشان 5 الکترون ظرفیت دارند، نظیر ارسنیک (As) یا فسفر (P) آلایش دهیم، نیمه­ رسانای نوع n تولید می­شود و اگر آن­ها را با عناصری که اتم­‌هایشان 3 الکترون ظرفیت دارند، نظیر بور (B) یا آلومینیوم (Al) آلایش دهیم، نیمه­ رسانای نوع p تولید می­شود.

اشاره کردیم که در نیمه­ رسانای نوع n، الکترون­های نوار رسانش بیشتر از حفره­ های نوار ظرفیت نقش حامل­های بار الکتریکی را دارند. بنابراین می­گوییم در نیمه­ رسانای نوع n الکترون­ها حامل اکثریت هستند (در مقابل حفره­ ها حامل اقلیت هستند). در نیمه­ رسانای نوع p، حفره­ های نوار ظرفیت بیشتر از الکترون­های نوار رسانش نقش حامل­های بار الکتریکی را دارند. بنابراین می­گوییم در نیمه­ رسانای نوع p حفره­ ها حامل اکثریت هستند (در مقابل الکترون­ها حامل اقلیت هستند). اکنون در ادامه­ ی مباحث قبل می­خواهیم درباره­ی یک ویژگی بسیار جالب نیمه­ رسانا صحبت کنیم. این ویژگی اساسِ کارِ بسیاری از قطعات الکترونیکی است که ما در رایانه، تلفن همراه، حافظه و ... از آن‌ها استفاده می­کنیم.

2-یک ماجرای جالب

.

.

.

لطفا وارد نشوید!

اگر یک نیمه­ رسانای نوع n را به یک نیمه­ رسانای نوع p متصل کنیم، قطعه­ ای حاصل می­شود که آن را پیوند p-n می­گوییم. پیوند p-n ویژگی جالب توجهی دارد که شنیدن آن خالی از لطف نیست.

همانگونه که می­دانیم حامل­ های اکثریت در نیمه­ رسانای نوع n از جنس الکترون­های آزاد و در نیمه­ رسانای نوع p از جنس حفره­ های آزاد هستند. در اثر اتصال این دو نیمه­ رسانا به یکدیگر، تعدادی از الکترون­های نیمه­ رسانای نوع n به سمت نیمه­ رسانای نوع p می­روند و تعدادی از حفره­ های نیمه­ رسانای نوع p به سمت نیمه­ رسانای 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 شیشه­ ای مثل بِشِر یا لیوان، یک قطره­چکان.

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

تصویر1: لحظات اولیه چکاندن قطره

تصویر2: توزیع یکنواخت 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 گونه­ ای 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 قطعه­ ی نیمه­ رسانای نوع n و  pبه یکدیگر، تعدادی از الکترون­ها که در نیمه‌رسانای نوع n حامل اکثریت هستند، در اثر پدیده­ی نفوذ به سمت نیمه­ رسانای نوع p می­روند. همچنین تعدادی از حفره­ ها که در نیمه­ رسانای نوع p حامل اکثریت هستند نیز در اثر پدیده­ی نفوذ به سمت نیمه­ رسانای نوع n می­روند.

تصویر3- یک پیوند p-n

به تصویر3 نگاه کنید. در اثر انتقال الکترون­ها از n به p، تعدادی از اتم­های نیمه­ رسانا در سمت n که یک الکترون خود را از دست داده­ اند، به یونی با بار مثبت تبدیل می­شوند. همچنین به صورت برعکس، در اثر انتقال حفره­ ها از p به n، تعدادی از اتم­های نیمه­ رسانا در سمت p که یک حفره از دست داده‌اند، به یونی با بار منفی تبدیل می­شوند. می­دانیم که بر خلاف الکترون­ها و حفره­ ها که می­توانند آزادانه حرکت کنند، یون­ ها در جای خود ثابت می ­مانند و حرکت نمی­کنند. الکترون­های آزاد و حفره­های آزاد که از دو طرف می­ آیند با یکدیگر ترکیب می­شوند و اثر هم را خنثی می­کنند. بنابراین تعداد حاملان بار الکتریکی، که همان الکترون­ها و حفره­ ها 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 میله­ ی کوچک شیشه ­ای (در همه­ ی آزمایشگاه­ ها می­توانید پیدا کنید)، مقداری پارچه­ ی پشمی، تکه ­های کوچک کاغذ.

شرح فعالیت:

1-یک میله­ ی شیشه­ ای را با پارچه­ ی پشمی مالش دهید و سپس آن را به تکه­ های کاغذ نزدیک کنید. چه روی می­دهد؟

2-هر دو میله­ ی شیشه­ ای را با پارچه­ ی پشمی مالش دهید و آن ها را به یکدیگر نزدیک کنید. این بار چه روی می­دهد؟

فضایی که پیرامون اجسام باردار الکتریکی شکل می­ گیرد و در این فضا به اجسام دیگر نیروی جاذبه یا دافعه الکتریکی وارد می‌شود را میدان الکتریکی می­گوییم. قرار می‌گذاریم (قرارداد می‌کنیم) 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. این 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 ناحیه­ ی تهی نامیدیم. ناحیه­ ی 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 حفره­ ها بار الکتریکی مثبت دارند و به صورت خودبخودی هم­ جهت میدان الکتریکی حرکت می­کنند). تصویر5 را ببینید.

تصویر5- ایجاد ناحیه تهی و جهت میدان الکتریکی داخلی

بنابراین نفوذ الکترون­های آزاد و حفره­ های آزاد تا جایی ادامه می­یابد که میدان الکتریکی داخلی دیگر اجازه­ ی نفوذ حاملان بار را ندهد. در این هنگام عرض ناحیه­ ی تهی دیگر بیشتر نمی­شود و تقریبا ثابت می­ماند.

این 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 ناحیه­ ی تهیِ پیوندِ p-n، مانع از ادامه­ ی 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 نیمه­ رسانای 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 پایانه­ ی منفی را به p و پایانه­ ی 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 قطعه­ ای 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.

/ 0 نظر / 4 بازدید