موضوع مقاله: جریان نفوذ | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # جریان نفوذ | مقدمه: جریان نفوذ، جریانی در یک نیمه‌رسانا است که در اثر نفوذ حامل‌های بار ( الکترون‌ها و/یا حفره‌های الکترونی ) ایجاد می‌شود. | ## بخش 1: جریان نفوذ | این جریانی است که به دلیل انتقال بارها به دلیل غلظت غیر یکنواخت ذرات باردار در یک نیمه‌رسانا رخ می‌دهد. در مقابل، جریان رانشی به دلیل حرکت حامل‌های بار به دلیل نیرویی است که توسط یک میدان الکتریکی بر آنها اعمال می‌شود. Parker, 1994, هنگام توصیف بسیاری از قطعات نیمه‌هادی، لازم است بخشی از جریان نفوذی را در نظر بگیریم. در حالت تعادل در اتصال ap-n، جریان نفوذی رو به جلو در ناحیه تخلیه با یک جریان رانشی معکوس متعادل می‌شود، به طوری که جریان خالص صفر است. از طرف دیگر، اگر تحرک حامل‌ها مشخص باشد، ضریب انتشار را می‌توان از رابطه انیشتین در مورد تحرک الکتریکی تعیین کرد. نمای کلی جریان نفوذی در مقابل جریان رانشی جدول زیر دو نوع جریان را با هم مقایسه می‌کند جریان نفوذجریان سوقجریان نفوذ = جریان ایجاد شده توسط تفاوت چگالی ذرات باردارجریان سوق = جریان ایجاد شده توسط میدان الکتریکیجهت جریان نفوذ وابسته به شیب چگالی ذرات باردار استجهت جریان سوق همواره در جهت میدان الکتریکی استاز قانون فیک پیروی میکند : از قانون اهم پیروی میکند : اقدامات اپراتورها برای وقوع جریان نفوذ، هیچ میدان الکتریکی خارجی در سراسر نیمه‌رسانا لازم نیست. دلیل این امر آن است که نفوذ به دلیل تغییر غلظت ذرات حامل و نه خود غلظت‌ها رخ می‌دهد. | ## بخش 2: جریان نفوذ | ذرات حامل، یعنی حفره‌ها و الکترون‌های یک نیمه‌رسانا، از مکانی با غلظت بالاتر به مکانی با غلظت پایین‌تر حرکت می‌کنند. مشتقات در ناحیه‌ای که n و p با فاصله تغییر می‌کنند، به دلیل رسانایی، یک جریان انتشار روی آن ناحیه اعمال می‌شود. ضریب انتشار یا ضریب نفوذ است گرادیان غلظت الکترون‌ها است علامت منفی وجود دارد زیرا جهت انتشار خلاف جهت گرادیان غلظت است.ضریب نفوذ برای یک حامل بار با رابطه انیشتین به تحرک آن مربوط می‌شود: که در آن: ثابت بولتزمن است دمای مطلق است بار الکتریکی یک الکترون استحالا بیایید روی جریان پخشیدگی در یک بعد در امتداد محور x تمرکز کنیم:چگالی جریان الکترونی J e با شار، F ، به صورت زیر مرتبط است:که در آن D ضریب انتشار الکترون در محیط مورد نظر، n تعداد الکترون‌ها در واحد حجم (یعنی چگالی عددی)، q بزرگی بار الکترون، μ تحرک الکترون در محیط و E = − d Φ/ dx (اختلاف پتانسیل Φ) میدان الکتریکی به عنوان گرادیان پتانسیل الکتریکی است. طبق رابطه انیشتین در مورد تحرک الکتریکی و بنابراین، با جایگزینی E به جای گرادیان پتانسیل در معادله بالا ( ) و ضرب هر دو طرف در exp(−Φ/V t )، ( ) به صورت زیر در می‌آید:به طور مشابه برای سوراخ‌ها:توجه داشته باشید که برای الکترون‌ها، جریان نفوذی در همان جهت گرادیان چگالی الکترون است، زیرا علامت منفی بار منفی و قانون فیک یکدیگر را خنثی می‌کنند. با این حال، حفره‌ها بارهای مثبت دارند و بنابراین; علامت منفی قانون فیک به حفره‌ها منتقل می‌شود. الکترون‌ها تا زمانی که گرادیان چگالی به اندازه‌ای ایجاد شود که جریان انتشار دقیقاً با جریان رانش متعادل شود، جریان خواهند داشت (یعنی جریان رانش وجود دارد). بنابراین در حالت تعادل، هیچ جریان خالصی وجود ندارد: مثال برای بدست آوردن جریان نفوذ در یک دیود نیمه‌رسانا، لایه تخلیه باید در مقایسه با میانگین مسیر آزاد بزرگ باشد. | ## بخش 3: جریان نفوذ | با معادله چگالی جریان خالص J در یک دیود نیمه‌رسانا شروع می‌کنیم: که در آن D ضریب انتشار الکترون در محیط مورد نظر، n تعداد الکترون‌ها در واحد حجم (یعنی چگالی عددی)، q بزرگی بار الکترون، μ تحرک الکترون در محیط و E = -dΦ/dx (اختلاف پتانسیل Φ) میدان الکتریکی به عنوان گرادیان پتانسیل پتانسیل الکتریکی است. بنابراین، با جایگزینی E به جای گرادیان پتانسیل در معادله بالا (1) و ضرب هر دو طرف در، (1) به صورت زیر در می‌آید: با انتگرال‌گیری از معادله ( ) روی ناحیه تخلیه، داریم:که می‌توان آن را به صورت زیر نوشت که در آن:مخرج معادله ( ) را می‌توان با استفاده از معادله زیر حل کرد: بنابراین، را می‌توان به صورت زیر نوشت: از آنجا که است، عبارت ( x d − x /2) ≈ x d با استفاده از این تقریب، معادله ( ) به صورت زیر حل می‌شود:از آنجا که (Φi − Va) > Vt است، معادله جریان ناشی از انتشار به دست می‌آید: از معادله ( )، می‌توان مشاهده کرد که جریان به صورت نمایی به ولتاژ ورودی V a و همچنین ارتفاع مانع بستگی دارد. از معادله ( )، را می‌توان به صورت تابعی از شدت میدان الکتریکی نوشت که به صورت زیر است: با جایگذاری معادله ( ) در معادله ( ) خواهیم داشت: از معادله ( )، می‌توان مشاهده کرد که وقتی ولتاژ صفر به دیود نیمه‌هادی اعمال می‌شود، جریان رانش کاملاً جریان انتشار را متعادل می‌کند. الکترون‌ها ثابت انتشار بالاتری نسبت به حفره‌ها دارند که منجر به تعداد کمتر الکترون اضافی در مرکز در مقایسه با حفره‌ها می‌شود. به عنوان مثال، وقتی یک بایاس به دو انتهای یک قطعه نیمه‌هادی اعمال می‌شود، یا نوری در یک مکان می‌درخشد (شکل سمت راست را ببینید)، الکترون‌ها از نواحی با چگالی بالا (مرکز) به نواحی با چگالی کم (دو انتها) انتشار می‌یابند و یک گرادیان چگالی الکترونی تشکیل می‌دهند. بایزر، فیزیک، مک‌گرا-هیل (بین‌المللی)، ۱۹۸۷، فیزیک حالت جامد (ویرایش دوم)، جی آر هوک، اچ ای هال، مجموعه فیزیک منچستر، انتشارات جان وایلی و پسران، ۲۰۱۰ بن جی. | ## جمع‌بندی | استریتمن، سانتای کومار بانرجی؛ دستگاه‌های الکترونیکی حالت جامد (ویرایش ششم)، نسخه بین‌المللی پیرسون؛ صفحات ...