نظریه پیوند PN
پیوند PN هنگامی تشکیل‌می‌شود که یک‌ماده از نوع N با یک‌ماده از نوع P ترکیب شده و یک‌دیود نیمه‌هادی ایجاد‌می‌کند.
در آموزش قبلی ما نحوه ساخت یک ماده نیمه هادی نوع N با دوپینگ یک اتم سیلیکون با مقدار کمی آنتیموان و همچنین نحوه ساخت یک ماده نیمه هادی نوع P با دوپینگ یک اتم سیلیکون دیگر با بورون را مشاهده کردیم.
پیوند PN
این بسیار‌خوب است،اما این مواد‌نیمه‌رسانای نوع N و P تازه دوپ شده به دلیل خنثی بودن از نظر الکتریکی،بسیارکمکار می‌کنند.
با این حال، اگر این دو ماده نیمه‌هادی را به هم متصل کنیم(یا فیوز کنیم)، آنها رفتاری کاملاً متفاوت دارند.
اگر با هم ادغام می شوند و آنچه را که به عنوان “پیوند PN” شناخته می شود ، تولید می‌کنند.
وقتی مواد‌نیمه‌هادی نوعNو مواد نیمه‌رسانای نوعPبرای اولین‌بار به یکدیگر‌متصل می‌شوند،یک‌گرادیان چگالی بسیار بزرگ بین دو طرف اتصال PN وجود دارد.
نتیجه این است که برخی از الکترون های رایگان از اتم های ناخالصی دهنده برای پر کردن سوراخ های موجود در ماده P که تولید کننده یون های منفی هستند شروع به حرکت در این محل اتصال تازه شکل گرفته می کنند.
با این حال،از آنجا که الکترون‌ها از طریق اتصال PN از سیلیکون نوع N به سیلیکون نوع P منتقل شده‌اند،
یون های اهدا کننده دارای بار مثبت (ND) را در سمت منفی پشت سر گذاشته و اکنون سوراخ های ناخالصی گیرنده از آن محل عبور می کنند در خلاف جهت منطقه ای که تعداد زیادی الکترون آزاد وجود دارد.
در نتیجه ، چگالی بار نوع P در طول محل اتصال با یونهای پذیرنده با بار منفی (NA) پر می‌شود.
در نتیجه چگالی بار نوع N در طول محل اتصال مثبت می شود.
این انتقال بار الکترون ها و سوراخ ها از طریق اتصال PN به عنوان انتشار شناخته می شود.
عرض این لایه‌‌های P و N بستگی به‌میزان سنگینی هر‌طرف به‌ترتیب با چگالی گیرنده NA و چگالی اهدا‌کننده ND دارد.
این روند به جلو و عقب ادامه می یابد تا اینکه:
تعداد الکترونهایی که از محل‌اتصال عبور کرده‌اند بار‌الکتریکی کافی برای‌دفع یا جلوگیری از عبور دیگر حامل‌های بار از‌محل اتصال داشته‌باشند.
سرانجام هنگامی که اتم‌های اهدا کننده سوراخ ها را مسدود می‌کنند و اتم های پذیرنده الکترون ها را دفع می‌کنند،
یک حالت تعادل (وضعیت خنثی الکتریکی) ایجاد می‌شود و یک منطقه “مانع بالقوه” در اطراف منطقه محل اتصال ایجاد می‌کند.
از آنجا که هیچ حامل بار آزاد نمی‌تواند در موضعی قرار گیرد که یک مانع بالقوه وجود دارد،
مناطق در دو طرف نقطه اتصال اکنون به طور کامل از هر حامل آزاد در مقایسه با مواد نوع N و P بیشتر از نقطه اتصال تخلیه می‌شوند.
این ناحیه در اطراف محل PN مذکور در حال حاضر لایه تخلیه (Depletion) نامیده می‌شود.
محل اتصال PN
برای حفظ وضعیت بار‌خنثی در اطراف محل اتصال، بار کلی در هر‌طرف یک اتصال PN باید برابر و مخالف باشد.
اگر منطقه لایه‌تخلیه دارای فاصله D باشد،بنابراین باید با‌فاصلهDp برای سمت مثبت و فاصلهDn برای سمت منفی به سیلیکون نفوذ‌کند:
رابطه‌ی بین دو: Dp * NA = Dn * ND به منظور حفظ بی طرفی شارژ، تعادل نیز نامیده می‌شود.
فاصله پیوند PN
از آنجا که ماده‌نوعN الکترون از دست‌داده و نوعP حفره از دست داده‌است،ماده نوع N نسبت‌به نوع P مثبت شده‌است.
سپس وجود یونهای ناخالصی در دو‌طرف محل‌اتصال باعث‌ایجاد یک میدان‌الکتریکی در‌سراسر این منطقه با ضلعN در ولتاژ‌مثبت نسبت‌به سمتP می‌شود.
اکنون مسئله این است که شارژ رایگان برای غلبه بر سدی که اکنون وجود دارد ، به انرژی اضافی نیاز دارد تا بتواند از محل اتصال منطقه تخلیه عبور کند.
این میدان‌الکتریکی ایجاد‌شده توسط فرآیند انتشار،یک “اختلاف بالقوه داخلی” را در سراسر محل‌اتصال با پتانسیل مدار باز(تعصب صفر) ایجاد کرده‌است:
در فرمول بالا:
Eo ولتاژ اتصال بایاس صفر است
VT ولتاژ حرارتی 26 میلی ولت در دمای اتاق
ND و NA غلظت ناخالصی
و ni غلظت ذاتی است.
ولتاژ‌مثبت مناسب(بایاس رو به جلو)که بین دو انتهای اتصال PN اعمال می‌شود می‌تواند الکترون‌ها و سوراخ‌های آزاد‌را با انرژی‌اضافی تأمین‌کند.
ولتاژ خارجی مورد نیاز برای غلبه بر این سد پتانسیل که اکنون وجود دارد بسیار به نوع ماده نیمه هادی استفاده شده و درجه حرارت واقعی آن بستگی دارد.
به طور معمول در‌دمای اتاق ولتاژ در‌سراسر لایه‌تخلیه سیلیسیم حدود 0.6-0.7 ولت و برای ژرمانیم حدود 0.3-0.35 ولت است.
این مانع احتمالی همیشه وجود خواهد‌داشت حتی اگر دستگاه به منبع برق خارجی متصل نباشد،همانطور که در دیودها دیده می‌شود.
اهمیت این پتانسیل داخلی در آن محل اتصال این است که با جریان سوراخ ها و الکترون ها از طریق محل اتصال مخالف است و به همین دلیل است که به آن سد پتانسیل می گویند.
در عمل،یک پیوند PN به جای اینکه به‌سادگی دو‌قطعه جداگانه را به‌هم پیوند دهد یا با‌هم ترکیب شود،در یک‌کریستال ماده تشکیل‌می‌شود.
نتیجه این فرآیند این است که اتصال PN دارای خصوصیات جریان ولتاژ (IV یا I-V) اصلاح کننده است.
تماس‌های الکتریکی در هر دو طرف نیمه‌هادی ذوب شده اند تا اتصال الکتریکی به یک مدار خارجی امکان پذیر شود.
سگنال دیود
دستگاه الکترونیکی حاصل که ساخته شده است معمولاً یک دیود اتصال PN یا به سادگی سیگنال دیود نامیده می شود.
سپس ما در اینجا دیدیم که یک نقطه اتصال PN را می توان با اتصال یا پخش کردن مواد نیمه‌هادی با هم ترکیب کرد تا یک دستگاه الکترونیکی به نام دیود را تولید کند که می‌تواند به عنوان ساختار اصلی نیمه‌هادی، همه انواع ترانزیستورها، سلول‌های خورشیدی و بسیاری دیگر از این دستگاه‌های حالت جامد استفاده شود.
در آموزش‌بعدی پیرامون پیوندPN، خواهیم‌دید که یکی از جالب‌ترین کاربردهای اتصال PN، استفاده از آن در‌مدارها به عنوان دیود است.
با افزودن اتصالات به هر انتهای مواد P-type و N-type می توان یک دستگاه دو ترمینال به نام PN Junction Diode تولید کرد که می تواند توسط یک ولتاژ خارجی متمایل شود تا جریان را از طریق آن مسدود کرده یا اجازه دهد.