ناحیه تخلیه

در فیزیک نیمه هادی ها، ناحیه تخلیه، لایه سد، لایه تخلیه، ناحیه پیوند و یا ناحیه بار فضایی، یک ناحیه عایق مابین دو ناحیه نیمه هادی است که همه حامل های بار آزاد ( الکترون و حفره ) را از خود به بیرون می راند. تنها ذره های باقی مانده در درون این لایه، اتم های یونیزه شده ناخالصی دهنده و گیرنده است.
علت نامگذاری ناحیه تخلیه بدین اسم اینست که این منطقه از یک ناحیه نیمه رسانا تشکیل شده است که تمامی حامل های بار ( جریان الکتریکی ) از درون آن تخلیه شده است. درک مفهوم ناحیه تخلیه یا لایه سد، کلیدی برای توضیح ادوات نیمه هادی مدرن مانند دیود، ترانزیستور دو قطبی، ترانزیستور اثر میدان و غیره است.
لایه سد بلافاصله بعد از تشکیل پیوند p - n به وجود می آید. [ ۱] فرض کنید درون کاسه ای پر از آب، یک قطره جوهر آبی رنگ بچکانیم. در این صورت، جوهر شروع به پخش شدن در سراسر کاسه آب می کند به طوری که بعد از گذشت زمان مشاهده می شود که آب درون کاسه به رنگ آبی کم رنگ درآمده است. علت این پدیده، فرایند نفوذ ( دیفوژن ) است. موقع اتصال دو نوع نیمه هادی نوع n و نیمه هادی نوع p، الکترون ها و حفره ها مانند جوهر و نیمه هادی های n و p مانند کاسه آب عمل می کند. در نیمه هادی نوع n، تعداد الکترون ها بسیار بیشتر از تعداد آن ها در نیمه هادی نوع p است ( حامل اکثریت ) و همچنین در نیمه هادی نوع p، تعداد حفره ها بسیار بیشتر از تعداد آن ها در نیمه هادی نوع n است. به همین دلیل در زمان اتصال دو نوع نیمه هادی n و p به یکدیگر، الکترون ها به داخل نیمه هادی p و حفره ها به داخل نیمه هادی n نفوذ می کنند. ( درست مانند نفوذ مولکول های جوهر در بین مولکول های آب )
نفوذ یک الکترون از ناحیه n به ناحیه p سبب به وجود آمدن یک یون مثبت دهنده در نیمه هادی n و همچنین به طور مشابه، نفوذ یک حفره سبب پیدایش یک یون منفی پذیرنده در ناحیه p می شود
پس از نفوذ الکترون به ناحیه p، این الکترون با یکی از حفره های موجود در طرف p، بازترکیب ( خنثی ) می شود. این فرایند در مورد حفره های نفوذ کرده به ناحیه n نیز صادق است. همان طور که در بالا اشاره شد، هر الکترون و حفره نفوذ کرده به سمت مقابل، یک یون باردار در نزدیکی مرز نیمه هادی n و p بر جای می گذارد. این یونها دارای بار مثبت در طرف نیمه هادی n و بار منفی در طرف نیمه هادی p هستند و به علت جرم بسیار بالا نسبت به الکترون و حفره ( هسته اتم هزاران بار سنگین تر از الکترون است ) ، نمی توانند حرکت کرده و یکدیگر را خنثی سازند و در نتیجه یک ناحیه با بارهای مثبت و منفی جدا از هم و در کنار هم به وجود می آید. این حالت سبب تشکیل یک میدان الکتریکی در این ناحیه ( ناحیه تخلیه ) می شود. این میدان الکتریکی از ادامه نفوذ الکترون ها و حفره ها به طرف مقابل جلوگیری می کند. جهت این میدان الکتریکی از سمت ناحیه n به سمت ناحیه p است. در لحظه ای که شدت میدان الکتریکی به اندازه ای برسد که نفوذ الکترون ها و حفره ها را متوقف کند، حالت تعادل به وجود می آید و به ولتاژ به وجود آمده در دو سر لایه سد ( ناحیه تخلیه ) ، ولتاژ اتصال یا پتانسیل سد گفته می شود. ( این ولتاژ در دیود سیلیسیوم معمولی حدود ۰٫۷ ولت است )