अवक्षय क्षेत्र

अर्धचालक भौतिकी में, घटाव क्षेत्र, जिसे कमी परत, कमी क्षेत्र, जंक्शन क्षेत्र, अंतरिक्ष चार्ज क्षेत्र या अंतरिक्ष चार्ज परत भी कहा जाता है, एक प्रवाहकीय, डोपेड अर्धचालक सामग्री के भीतर एक इन्सुलेटिंग क्षेत्र है, जहां मोबाइल चार्ज वाहक दूर हो गए हैं, या है, या है।एक विद्युत क्षेत्र द्वारा मजबूर किया गया।कमी क्षेत्र में छोड़े गए एकमात्र तत्व आयनित दाता या स्वीकर्ता अशुद्धियां हैं।

इस क्षेत्र में वाहक की कमी के कारण खुला सकारात्मक और नकारात्मक आयनों के इस क्षेत्र को कमी क्षेत्र कहा जाता है।

कमी क्षेत्र का नाम इसलिए रखा गया है क्योंकि यह सभी मुक्त चार्ज वाहकों को हटाकर एक संवाहक क्षेत्र से बनता है, जिससे कोई भी करंट ले जाने के लिए कोई नहीं होता है।कमी क्षेत्र को समझना आधुनिक अर्धचालक इलेक्ट्रॉनिक्स की व्याख्या करने के लिए महत्वपूर्ण है: डायोड, द्विध्रुवी जंक्शन ट्रांजिस्टर, फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर, और चर कैपेसिटेंस डायोड सभी कमी क्षेत्र की घटनाओं पर भरोसा करते हैं।

एक पी -एन जंक्शन में गठन


एक कमी क्षेत्र तुरंत एक पी -एन जंक्शन के पार बनता है।यह सबसे आसानी से वर्णित किया जाता है जब जंक्शन थर्मल संतुलन में या स्थिर अवस्था में होता है: इन दोनों मामलों में सिस्टम के गुण समय में भिन्न नहीं होते हैं;उन्हें गतिशील संतुलन कहा गया है। इलेक्ट्रॉन और छेद उनमें से कम सांद्रता वाले क्षेत्रों में फैलते हैं, जितना कि स्याही पानी में फैल जाती है जब तक कि यह समान रूप से वितरित नहीं किया जाता है। परिभाषा के अनुसार, एन-प्रकार के अर्धचालक में पी-प्रकार सेमीकंडक्टर की तुलना में मुफ्त इलेक्ट्रॉनों (चालन बैंड में) की अधिकता होती है, और पी-प्रकार में एन-टाइप की तुलना में छेद (वैलेंस बैंड में) की अधिकता होती है । इसलिए, जब एन-डॉप्ड और पी-डॉप्ड अर्धचालक को एक जंक्शन बनाने के लिए एक साथ रखा जाता है, तो एन-साइड कंडक्शन बैंड में मुक्त इलेक्ट्रॉनों को पी-साइड चालन बैंड में माइग्रेट (डिफ्यूज़), और पी-साइड वैलेंस बैंड माइग्रेट में छेद एन-साइड वैलेंस बैंड में।

स्थानांतरण के बाद, विसरित इलेक्ट्रॉन छेद के संपर्क में आते हैं और पी-साइड में पुनर्संयोजन द्वारा समाप्त हो जाते हैं। इसी तरह, विसरित छेदों को मुक्त इलेक्ट्रॉनों के साथ पुनर्संयोजित किया जाता है, इसलिए एन-साइड में समाप्त हो जाता है। शुद्ध परिणाम यह है कि विसरित इलेक्ट्रॉनों और छेद चले गए हैं। जंक्शन इंटरफ़ेस के पास एक एन-साइड क्षेत्र में, चालन बैंड में मुक्त इलेक्ट्रॉनों को (1) पी-साइड के लिए इलेक्ट्रॉनों के प्रसार और (2) इलेक्ट्रॉनों के पुनर्संयोजन के कारण छेदों के लिए चले गए हैं जो कि पी से अलग हैं। पक्ष। इंटरफ़ेस के पास एक पी-साइड क्षेत्र में छेद भी एक समान कारण से चले गए हैं। नतीजतन, बहुसंख्यक चार्ज वाहक (एन-टाइप सेमीकंडक्टर के लिए मुक्त इलेक्ट्रॉन, और पी-प्रकार सेमीकंडक्टर के लिए छेद) जंक्शन इंटरफ़ेस के आसपास के क्षेत्र में समाप्त हो जाते हैं, इसलिए इस क्षेत्र को कमी क्षेत्र या कमी क्षेत्र कहा जाता है। ऊपर वर्णित बहुसंख्यक चार्ज वाहक प्रसार के कारण, कमी क्षेत्र का शुल्क लिया जाता है; इसका एन-साइड सकारात्मक रूप से चार्ज किया जाता है और इसका पी-साइड नकारात्मक रूप से चार्ज किया जाता है। यह एक विद्युत क्षेत्र बनाता है जो चार्ज प्रसार का विरोध करने वाला बल प्रदान करता है। जब छेद और इलेक्ट्रॉनों के आगे प्रसार को रोकने के लिए विद्युत क्षेत्र पर्याप्त रूप से मजबूत होता है, तो कमी क्षेत्र संतुलन तक पहुंचता है। कमी क्षेत्र में विद्युत क्षेत्र को एकीकृत करना यह निर्धारित करता है कि अंतर्निहित वोल्टेज क्या कहा जाता है (जिसे जंक्शन वोल्टेज या बैरियर वोल्टेज या संपर्क क्षमता भी कहा जाता है)।

शारीरिक रूप से, अर्धचालक उपकरणों में चार्ज ट्रांसफर (1) विद्युत क्षेत्र द्वारा चार्ज वाहक बहाव और (2) स्थानिक रूप से भिन्न वाहक एकाग्रता के कारण चार्ज वाहक प्रसार से होता है। घटाव क्षेत्र के पी-साइड में, जहां विद्युत चालकता   'के साथ विद्युत क्षेत्र द्वारा छेद बहते हैं और प्रसार स्थिर' 'डी' 'के साथ फैलते हैं, शुद्ध वर्तमान घनत्व द्वारा दिया जाता है

$$ {\bf{J}}=\sigma {\bf{E}}-e D \nabla p $$,

कहाँ पे $$ {\bf{E}}$$ विद्युत क्षेत्र है, ई प्राथमिक चार्ज है (1.6 × 10−19 coulomb), और P छेद घनत्व (प्रति यूनिट मात्रा प्रति संख्या) है।विद्युत क्षेत्र क्षेत्र की दिशा के साथ छेद बहाव बनाता है, और प्रसार छेद के लिए एकाग्रता में कमी की दिशा में आगे बढ़ता है, इसलिए छेद के लिए एक सकारात्मक घनत्व ढाल के लिए एक नकारात्मक वर्तमान परिणाम।(यदि वाहक इलेक्ट्रॉन हैं, तो छेद घनत्व पी को इलेक्ट्रॉन घनत्व एन द्वारा नकारात्मक संकेत के साथ बदल दिया जाता है; कुछ मामलों में, दोनों इलेक्ट्रॉनों और छेद को शामिल किया जाना चाहिए।) जब दो वर्तमान घटक संतुलन बनाते हैं, जैसा कि पी -एन जंक्शन की कमी में है।गतिशील संतुलन पर क्षेत्र, वर्तमान आइंस्टीन संबंध के कारण वर्तमान शून्य है, जो डी से σ से संबंधित है।

फॉरवर्ड बायस
फॉरवर्ड बायस (एन-साइड के संबंध में पी-साइड के लिए एक सकारात्मक वोल्टेज को लागू करना) घटने वाले क्षेत्र को कम करता है और वाहक इंजेक्शन (दाईं ओर चित्र में दिखाया गया है) के लिए बाधा को कम करता है। अधिक विस्तार से, बहुसंख्यक वाहक पूर्वाग्रह क्षेत्र से कुछ ऊर्जा प्राप्त करते हैं, जिससे वे इस क्षेत्र में जा सकते हैं और विपरीत आरोपों को बेअसर कर सकते हैं। अधिक पूर्वाग्रह अधिक तटस्थता (या क्षेत्र में आयनों की स्क्रीनिंग) होता है। वाहक को आयनों के लिए पुनर्संयोजित किया जा सकता है, लेकिन थर्मल ऊर्जा तुरंत पुनर्संयोजित वाहक को संक्रमण करती है क्योंकि फर्मी ऊर्जा निकटता में है। जब पूर्वाग्रह पर्याप्त मजबूत होता है कि कमी क्षेत्र बहुत पतला हो जाता है, तो वर्तमान का प्रसार घटक (जंक्शन इंटरफ़ेस के माध्यम से) बहुत बढ़ जाता है और बहाव घटक कम हो जाता है। इस मामले में, शुद्ध वर्तमान पी-साइड से एन-साइड तक बहता है। वाहक घनत्व बड़ा है (यह लागू पूर्वाग्रह वोल्टेज के साथ तेजी से भिन्न होता है), जंक्शन प्रवाहकीय बनाता है और एक बड़े आगे वर्तमान की अनुमति देता है। वर्तमान का गणितीय विवरण शॉक्ले डायोड समीकरण द्वारा प्रदान किया गया है।रिवर्स पूर्वाग्रह के तहत आयोजित कम वर्तमान और आगे के पूर्वाग्रह के तहत बड़े वर्तमान सुधार का एक उदाहरण है।

रिवर्स बायस
रिवर्स पूर्वाग्रह के तहत (एन-साइड के संबंध में पी-साइड में एक नकारात्मक वोल्टेज को लागू करना), कमी क्षेत्र में संभावित ड्रॉप (यानी, वोल्टेज) बढ़ जाता है।अनिवार्य रूप से, अधिकांश वाहक को जंक्शन से दूर धकेल दिया जाता है, जिससे अधिक चार्ज किए गए आयनों को पीछे छोड़ दिया जाता है।इस प्रकार कमी क्षेत्र को चौड़ा किया जाता है और इसका क्षेत्र मजबूत हो जाता है, जो वर्तमान के बहाव घटक (जंक्शन इंटरफ़ेस के माध्यम से) को बढ़ाता है और प्रसार घटक को कम करता है।इस मामले में, नेट करंट एन-साइड से पी-साइड तक बहता है।वाहक घनत्व (ज्यादातर, अल्पसंख्यक वाहक) छोटा है और केवल एक बहुत छोटा रिवर्स संतृप्ति वर्तमान प्रवाह है।

कमी परत की चौड़ाई का निर्धारण
एक पूर्ण कमी विश्लेषण से जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है, चार्ज को अचानक अपनी सीमा बिंदुओं पर गिरा दिया जाएगा, जो वास्तव में धीरे -धीरे और पॉइसन के समीकरण द्वारा समझाया गया है।प्रवाह घनत्व की मात्रा तब होगी

$$ \begin{align} \frac{Q_n}{x_n} &=qN_d \\ \frac{Q_p}{x_p} &=-qN_a \\ \end{align} $$ कहाँ पे $$ Q_n $$ तथा $$ Q_p $$ क्रमशः नकारात्मक और सकारात्मक आवेश की मात्रा हैं, $$ x_n $$ तथा $$ x_p $$ केंद्र में शून्य के साथ क्रमशः नकारात्मक और सकारात्मक आवेश के लिए दूरी हैं, $$ N_a $$ तथा $$ N_d $$ क्रमशः स्वीकर्ता और दाता परमाणुओं की मात्रा हैं और $$ q $$ इलेक्ट्रॉन चार्ज है।

फ्लक्स घनत्व का अभिन्न अंग $$ D $$ दूरी के संबंध में $$ dx $$ विद्युत क्षेत्र निर्धारित करने के लिए $$ E $$ (यानी गॉस का नियम) दूसरा ग्राफ बनाता है जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है:

$$ E=\frac{\int D\,dx}{\epsilon_s} $$ कहाँ पे $$ \epsilon_s $$पदार्थ की पारगम्यता है।दूरी के संबंध में विद्युत क्षेत्र को एकीकृत करना विद्युत क्षमता निर्धारित करता है $$ V $$।यह भी वोल्टेज में निर्मित के बराबर होगा $$ \Delta V $$जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है।

$$ V=\int E dx=\Delta V $$ अंतिम समीकरण को तब व्यवस्थित किया जाएगा ताकि कमी परत की चौड़ाई का कार्य $$ x_n $$विद्युत क्षमता पर निर्भर होगा $$ V $$.

$$ सारांश, $$ x_n $$ तथा $$ x_p $$ केंद्र के संबंध में क्रमशः नकारात्मक और सकारात्मक कमी परत की चौड़ाई हैं, $$ N_a $$ तथा $$ N_d $$ क्रमशः स्वीकर्ता और दाता परमाणुओं की मात्रा हैं, $$ q $$ इलेक्ट्रॉन चार्ज है और $$ \Delta V $$ अंतर्निहित वोल्टेज है, जो आमतौर पर स्वतंत्र चर है।

एक MOS संधारित्र में गठन
एक कमी क्षेत्र का एक और उदाहरण MOS संधारित्र में होता है। यह एक पी-टाइप सब्सट्रेट के लिए दाईं ओर आंकड़े में दिखाया गया है। यह मानते हुए कि सेमीकंडक्टर शुरू में चार्ज तटस्थ है, चार्ज के साथ, स्वीकर्ता डोपिंग अशुद्धियों के कारण नकारात्मक चार्ज द्वारा संतुलित छेद के कारण चार्ज के साथ। यदि अब एक सकारात्मक वोल्टेज गेट पर लागू किया जाता है, जो कि गेट पर सकारात्मक चार्ज क्यू को पेश करके किया जाता है, तो गेट के पास अर्धचालक में कुछ सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए छेद गेट पर सकारात्मक चार्ज द्वारा निरस्त किए जाते हैं, और डिवाइस से बाहर निकलते हैं। निचला संपर्क। वे एक क्षीण क्षेत्र को पीछे छोड़ देते हैं जो इन्सुलेट कर रहा है क्योंकि कोई मोबाइल छेद नहीं रहता है; केवल इमोबाइल, नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए स्वीकर्ता अशुद्धियों। अधिक से अधिक सकारात्मक चार्ज गेट पर रखा जाता है, अधिक सकारात्मक लागू गेट वोल्टेज, और अधिक छेद जो अर्धचालक सतह को छोड़ते हैं, घटाव क्षेत्र को बढ़ाते हैं। (इस डिवाइस में एक सीमा है कि कमी की चौड़ाई कितनी व्यापक हो सकती है। यह सतह के पास एक पतली परत, या चैनल में वाहक की एक उलटा परत की शुरुआत द्वारा निर्धारित की जाती है। उपरोक्त चर्चा सकारात्मक वोल्टेज के लिए लागू होती है जो काफी कम है। कि एक उलटा परत नहीं बनती है।)

यदि गेट सामग्री बल्क सेमीकंडक्टर के विपरीत प्रकार का पॉलीसिलिकॉन है, तो एक सहज कमी क्षेत्र बनता है यदि गेट को सब्सट्रेट के लिए विद्युत रूप से छोटा किया जाता है, तो बहुत ही तरीके से जैसा कि ऊपर पी -एन जंक्शन के लिए वर्णित है। इस पर अधिक जानकारी के लिए, पॉलीसिलिकॉन की कमी प्रभाव देखें. चार्ज न्यूट्रैलिटी का सिद्धांत कहता है कि सकारात्मक आरोपों का योग नकारात्मक आरोपों के योग के बराबर होना चाहिए:


 * $$n + N_A=p + N_D\,,$$

जहां n और p मुक्त इलेक्ट्रॉनों और छेदों की संख्या हैं, और $$N_D$$ तथा $$N_A$$ क्रमशः आयनित दाताओं और स्वीकर्ताओं की संख्या प्रति यूनिट लंबाई की संख्या है।इस तरह, दोनों $$N_D$$ तथा $$N_A$$ स्थानिक घनत्व को डोपिंग के रूप में देखा जा सकता है।अगर हम पूर्ण आयनीकरण और वह मान लें $$n, p \ll N_D, N_A $$, फिर:


 * $$qN_Aw_P \approx qN_Dw_N \,$$।

कहाँ पे $$w_P$$ तथा $$w_N$$ क्रमशः पी और एन सेमीकंडक्टर में कमी की चौड़ाई हैं।यह स्थिति यह सुनिश्चित करती है कि शुद्ध नकारात्मक स्वीकर्ता चार्ज नेट पॉजिटिव डोनर चार्ज को बिल्कुल संतुलित करता है।इस मामले में कुल कमी की चौड़ाई राशि है $$w =w_N +w_P$$।कमी की चौड़ाई के लिए एक पूर्ण व्युत्पत्ति संदर्भ में प्रस्तुत की गई है। यह व्युत्पत्ति एक आयाम में पॉइसन समीकरण को हल करने पर आधारित है - मेटालर्जिकल जंक्शन के लिए सामान्य आयाम।विद्युत क्षेत्र की कमी की चौड़ाई (उपरोक्त चित्र में देखा गया) के बाहर शून्य है और इसलिए गॉस के नियम का अर्थ है कि प्रत्येक क्षेत्र संतुलन में चार्ज घनत्व-जैसा कि इस उप-धारा में पहले समीकरण द्वारा दिखाया गया है।प्रत्येक क्षेत्र का अलग -अलग इलाज करना और प्रत्येक क्षेत्र के लिए चार्ज घनत्व को पॉइसन समीकरण में प्रतिस्थापित करना अंततः कमी की चौड़ाई के परिणामस्वरूप होता है।कमी की चौड़ाई के लिए यह परिणाम है:

$$ w \approx \left[ \frac{2\epsilon_r\epsilon_0}{q} \left(\frac{N_A + N_D}{N_A N_D}\right) \left(V_{bi} - V\right)\right]^\frac{1}{2} $$ कहाँ पे $$\epsilon_r $$ अर्धचालक के सापेक्ष ढांकता हुआ पारगम्यता है, $$V_{bi}$$ अंतर्निहित वोल्टेज है, और $$ V $$ लागू पूर्वाग्रह है।कमी क्षेत्र एन और पी क्षेत्रों के बीच सममित रूप से विभाजित नहीं है - यह हल्के से डोप किए गए पक्ष की ओर बढ़ेगा। एक अधिक पूर्ण विश्लेषण ध्यान में रखेगा कि घटाव क्षेत्र के किनारों के पास अभी भी कुछ वाहक हैं। यह ऊपर के कोष्ठक के अंतिम सेट में एक अतिरिक्त -2kt/q शब्द की ओर जाता है।

मोस कैपेसिटर में कमी की चौड़ाई
जैसा कि पी -एन जंक्शनों में, यहां का शासी सिद्धांत चार्ज न्यूट्रैलिटी है।आइए हम एक पी-टाइप सब्सट्रेट मानते हैं।यदि सकारात्मक चार्ज क्यू को एरिया ए के साथ गेट पर रखा जाता है, तो छेद को गेट चार्ज को संतुलित करने के लिए पर्याप्त नकारात्मक स्वीकर्ताओं को उजागर करने वाले एक गहराई डब्ल्यू तक कम कर दिया जाता है।डोपेंट घनत्व को मानते हुए $$N_A$$ प्रति यूनिट वॉल्यूम को स्वीकार करने वाले, फिर तटस्थता को चार्ज करने के लिए संबंध को संतुष्ट करने के लिए कमी की चौड़ाई की आवश्यकता होती है:


 * $$Q/A=qN_Aw \,$$

यदि कमी की चौड़ाई पर्याप्त चौड़ी हो जाती है, तो इलेक्ट्रॉनों को अर्धचालक-ऑक्साइड इंटरफ़ेस में एक बहुत पतली परत में दिखाई देते हैं, जिसे एक उलटा परत कहा जाता है क्योंकि वे उन छेदों से विपरीत रूप से चार्ज किए जाते हैं जो पी-प्रकार की सामग्री में प्रबल होते हैं।जब एक उलटा परत बन जाती है, तो गिरावट की चौड़ाई गेट चार्ज  q  में वृद्धि के साथ विस्तार करना बंद कर देती है।इस मामले में, तटस्थता को उलटा परत में अधिक इलेक्ट्रॉनों को आकर्षित करके प्राप्त किया जाता है।MOSFET में, इस उलटा परत को चैनल के रूप में संदर्भित किया जाता है।

कमी परत और बैंड झुकने में विद्युत क्षेत्र
कमी परत के साथ जुड़ा हुआ एक प्रभाव है जिसे बैंड झुकने के रूप में जाना जाता है।यह प्रभाव इसलिए होता है क्योंकि कमी परत में विद्युत क्षेत्र इसके (अधिकतम) मूल्य से अंतरिक्ष में रैखिक रूप से भिन्न होता है $$E_m$$ घटते चौड़ाई के किनारे पर शून्य पर गेट पर:
 * $$E_m={Q\over A\epsilon_0}=qN_A{w\over \epsilon_0}, \,$$

कहाँ पे$$\epsilon_0$$& nbsp; = 8.854 × 10−12 f/m, f farad है और m मीटर है।यह रैखिक रूप से अलग-अलग विद्युत क्षेत्र एक विद्युत क्षमता की ओर जाता है जो अंतरिक्ष में द्विघात रूप से भिन्न होता है।ऊर्जा स्तर, या ऊर्जा बैंड, इस क्षमता के जवाब में झुकते हैं।

यह भी देखें

 * कैपेसिटेंस वोल्टेज प्रोफाइलिंग
 * धातु -ऑक्साइड -सेमिकंडक्टर संरचना
 * अर्धचालक डायोड

संदर्भ
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