منطقة انخفاض

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث
أعلى: وصلة بي إن p–n junction قبل الانتشتار; أسفل: بعد الانتشار والوصول إلى حالة الاتزان

منطقة انخفاض(بالإنجليزية: Depletion region) في الفيزياء و أشباه الموصلات هي منطقة انتقالية بين طبقات شبه موصل مختلفة التشويب تقل فيها كثافة حاملات الشحنة من إلكترونات و فجوات ، ويعتمد على خواص تلك المنطقة العازلة العديد من أنواع التراسيستور المستخدمة في أغراض كثيرة . تنتشر من منطقة الانخفاض حاملات الشحنة إلى مناطق أخرى في شبه الموصل إما لقلة تركيز تشويبها أو تحت تأثير مجال كهربائي . ولا ينبقي في منطقة الانخفاض إلى شوائب متأينة إما تعطي شحانت أو تمتص شحنات .

وقد سميت تلك المنطقة منطقة انخفاض أو منطقة افتقار لانها تتكون من منطقة موصلة بعد إخلائها من جميع الشحنات المتحركة ، تاركة ورائها فجوات لا تنقل التيار. وفهم عمل منطقة الانخفاض هو المفتاح لتفسير عمل أشباه الموصلات في الإلكترونيات / مثل ثنائي قطب و ترانزستور وصلة ثنائية و ترانزستور حقلي ، وثنائي أقطاب المكثف المتغير ،وغيرها .

ستنحصر مناقشتنا التالية في عمل وصلة بي إن و مكثف موسفت ، مع أن منطقة الانخفاض تنشأ في جميع الأجهزة الأخرى المذكوة عاليا.

تكون منطقة انخفاض في وصلة بي إن[عدل]

أعلى: تركيز الإلكترونات والفجوات في الوصلة; الثاني من أعلى: توزيع كثافة الشحنات; المنحنى الثالث: توزيع المجال الكهربي ; أسفل: توزيع الجهد الكهربي.

تتكون المنطقة الثنائية في الحال في وصلة بي إن . ويمكن وصفها في حالة التوازن الحراري أو حالة السكون : في تلك الحالتين لا تتغير خواص النظام مع الزمن ، ولذلك تسميان حالة "توازن دينامي" dynamic equilibrium.[1] [2]


من معرفتنا لتركيب شبه موصل تنتشر الإلكترونات و الفجوات الإلكترونية في المناطق التي يكون فيها تركيز الإلكترونات والفجوات منخفضا ، ذلك مثلما تنتشر نقطة حبر في الماء حتى يصبح توزيعه في الماء متساويا.


وطبقا لتعريف شبه الموصل أن النوع n توجد فيه إلكترونات حرة كثيرة بالمقارنة بمنطقة النوع p من شبه الموصل ، وأن النوع P-type يوجد فيه فجوات أكثر من وجودها في منطقة n .

وبناء على ذلك عندما تتلامس منطقة مشوبة n ومنطقة مشوبة بنوع p لتكوين وصلة بي إن ، فإن بعض الإلكترونات تنزح إلى ناحية P وتنزاح بعض الفجوات إلى ناحية n. وينتج عن انتقال إلكترون من الناجية إن إلى الناحية بي وجود أيون عاطي في الناحية إن ، وبالمثل فإن انتقال فجوة (موجبة الشحنه) إلى الناحية إن فهو يترك ورائه أيونا سالبا في المنطقة P-side.

وبعد هذا الانتشار تأتي إلكترونات إلى فجوات في الناحية بي و تتعادل معها لأن الفجوات موجبة الشحنة . كذلك بالنسبة إل انتشار الفجوات إلى الناحية إن . وتكون محصلة تلك الانتقالات أنها تتعادل في منطقة الوسط ، تاركة وراء كل منها أيونات مشحونة قريبة من سطح التلامس تكون فيها حاملات الشحنات غير متحركة (تلك هي منطقة الانخفاض ، أنظر الشكل ) . الأيونات التي لم تتعادل تكون موجبة الشحنة على الناحية إن و سالبة الشحنة على الناحية بي . وينشأ عنها مجال كهربائي يعمل على توقيف عمليات انزياح الإلكترونات والفجوات . وعندما يكون المجال الكهربي كافيا لتوقيف هذه الانتقالات تكون منطقة الانخفاض قد وصلت إلى حجمها المتوازن. هذا المجال الكهربي المتكون يسمى "جهد الوصلة " .

انحياز عكسي[عدل]

في حالة الانحياز المعكوس reverse bias (أن تكون P سالبة بالنسبة لـ N) يزداد انخفاض الجهد الكهربي عبر منطقة الانخفاض . هذا يتسبب في توسيع منطقة الانخفاض ، مما يزيد جزء التيار الناشيء من انزياح الشحنات ويقلل من جزئه الناشيء من الانتشار . في تلك الحالة تكون محصلة التيار نحو اليسار كما هو مبين في شكل الوصلة p–n . وتكون كثافة حاملات الشحنات صغيرة ويمر فقط "تيار تشبع عكسي " صغير .

انحياز أمامي[عدل]

في الانحياز الأمامي تكون P موجبة الشحنة بالمقارنة بـ N ، مما يجعل منطقة الانخفاض تضيق وينخفض الحاجز الفولطي ويسهل مرور الشحنات . ويزيد جزء التيار الانتشاري diffusion component بينما dتنخفض جزؤه الانزياحي drift component . وتسير محصلة التيار إلى اليمين كما هو مبين في الشكل.

تكون كثافة الشحنات كبيرة وتتغير بطريقة أسية بتغير جهد الانحياز المطبق ، ويجعل الوصلة موصلة للتيار ويزيد من التيار المار إلى الأمام . [3]

في الانحياز الأمامي نيتغير التيار طبقا لمعادلة شوكلي للدايود.


التيار الضعيف الذي يمر في الوصلة عند توصيل جهد انحياز معكوس ، والتيار الكبير الذي يمر عند توصيل جهد انزياح أمامي هي وصف لحالة مقوم.

تكون طبقة انخفاض في مكثف موس[عدل]

مكثف شبه موصل من السيليكون المشوب P-type .

تتكون طبقة الانخفاض أيضا في مكثف موس MOS capacitor . وترى في الشكل إلى اليمين لنوع تشويب P. ونفترض أن شبه الموصل هذا متعادل في لبدء ، حيث تتوازن شحنات الفجوات مع شحنات الإلكترونات . فإذا وصلنا جهدا موجبا بالبوابة حيث يدخلها شحنات موجبة Q , فإنها تعمل على تنافر فجوات موجبة القريبة من البوابة وتترك شبه الموصل من أسفل . وتترك خلفها منطقة انخفاض تعمل كعازل لعدم وجود فجوات حرة في تلك المنطقة ، ولا يوجد فيها سوى شوائب مشحونة سالبا لا تستطيع الحركة .

وكلما زاد الجهد الموجب على البوابة كلما زادت الشحنات الموجبة فيها ، فيزداد عدد الفجوات التي تغادر سطح شبه الموصل ، مما يعمل على اتساع منطقة الانخفاض. (في شبه الموصل هذا يوجد حد يحدد مقدار اتساع منطقة الانخفاض . ويحددها هنا طبقة رقيقة مضافة مشوبة بنوع n تسمى طبقة عكسية inversion layer .)

اتساع منطقة الانخفاض[عدل]

اتساع الانخفاض يصف اتساع منطقة الانخفاض في شبه موصل مثل وصلة بي إن و مكثف موس . ويتحكم مبدأ تعادل الشحنات في منطقة الانخفاض ، نذكر هنا نوعين :


اتساع الانخفاض في وصلة بي إن[عدل]

الاتساع الكلي لمنطقة الانخفاض واعتماده على جهد الانحياز العكسي و تركيز التشويب .

الاتساع يقاس بالميكرومنر .

وتقول مبدأ "تعادل الشحنات " أن : "مجموع الشحنات الموجبة يكون مساويا لمجموع الشحنات السالبة ":

n + N_A=p + N_D\,

حيث : ,

n و p عدد الإلكترونات والفجوات,
N_D^+ و N_A^- عدد الأيونات العاطية والأيونات اللآخذة على التوالي.

فإذا افترضنا تأين كامل وأن عدد الايونات العاطية (لشحنات) و الآخدة أكبر كثيرا من عدد "بي" و "إن" (مع العلم بأن تلك تكون حرة وقابلة للحركة ) :

n, p << N_D, N_A ,

إذن:

qN_Aw_P \approx qN_Dw_N \,.

وهذه الحالة تقول أن الشحنة الكلية الموجبة العاطية تساوي تماما الشحنة الكلية السالبة الآخدة . فيكون الاتساع الكلي لمنطقة الانخفاض هو المجموع w =w_N +w_P.


الشكل أعلاه يبين أن اتساع منطقة الانخفاض (بالميكرومتر) تزداد بزيادة الجهد المطبق على شبه الموصل ، وان زيادة تركيز التشويب N_D^+ و N_A^- تقلل من اتساع منطقة الانخفاض.

اتساع منطقة الانخفاض في مكثف موس[عدل]

وكما في وصلة بي إن فإن المبدأ المتحكم في اتساع . منطقة الانخفاض هو تعادل الشحنات .

إذا وضعنا شحنة موجبة Q على البوابة , فإن الفجوات تنخفض في العدد إلى عمق w عاملة على تعرض الايونات السالبة الآخذه لموازنة شحنة البوابة . فإذا افترضنا أن تركيز التشويب N_Aالآخذ في السنتيمتر المكعب ، فيحتاج تعادل الشحنات إلى اتساع w لتحقيق العلاقة:

Q=qN_Aw \,

إذا كان اتساع الانخفاض كافيا فتظهر إلكترونات في طبقة رقيقة عند السطح بين شبه الموصل والأكسيد ، وتسمى تلك الطبقة "طبقة عكسية" لأنها مشحونة عكسيا بالنسبة إلى الفجوات الغالبة في مادة من نوع "بي" .

وعند تكون طبقة عكسية يقل امتداد اتساع الانخفاض بزيادة شحنة البوابة Q. وتصل حالة التعادل عن طريق جذب إلكترونات إلى الطبقة العكسية .


تسمى الطبقة العكسية في الموسفت "قناة الترازستور".

مراجع[عدل]

  1. ^ Robert H. Bishop (2002). The Mechatronics Handbook. CRC Press. ISBN 0-8493-0066-5. 
  2. ^ John E. Ayers (2003). Digital Integrated Circuits: Analysis and Design. CRC Press. ISBN 0-8493-1951-X. 
  3. ^ Sung-Mo Kang and Yusuf Leblebici (2002). CMOS Digital Integrated Circuits Analysis & Design. McGraw–Hill Professional. ISBN 0-07-246053-9. 

انظر أيضا[عدل]