مبانی نیمه رساناها

دستگاه های نیمه رسانا اجزایی الکترونیکی هستند که در دستگاه های بسیاری مانند کامپیوترها، تلفنهای موبایل و غیره به کار میروند که ما از آنها در زندگی روزمره ی خود بهره میبریم. این ابزارها به ویژه در دستگاه های برقی از کار برد وسیعی برخوردار هستند. به سمت پایین بروید تا اطلاعاتی بیشتر پیرامون نیمه رساناها به دست آورید.
رسانا ماده ای است که وقتی به آن ولتاژ برق داده میشود مقاومت بسیار پایینی را از خود نسبت به جریان الکتریسیته به نمایش میگذارد. نا رسانا ماده ای است که وقتی به آن ولتاژ برق داده می شود مقاومت بسیار بالایی را از خود نسبت به جریان الکتریسیته به نمایش میگذارد. نیمه رساناها قطعاتی هستند که از خصوصیات الکتریکی ای بین یک ماده ی رسانا و یک ماده ی نا رسانا برخوردار هستند. قبل از پیدایش این قطعات در اوایل دهه ی 40 قرن 19 میلادی، از وجود لامپ های خلاء در کامپیوترها بهره برده می شد. بعدها این قطعه به شکل ترانزیستور جای گزین آن گردید و اندازه ی کامپیوترهای حجیم را کاهش داد و آنها را به شکل دستگاه هایی کم مصرف تغییر داد. این نوع از ترانزیستور، ترانزیستور سیلیکونی نامیده میشود و در سال 1954 به وسیله ی مایکل فارادی ابداع گردید.

نگاهی کلی

همان گونه که قبلاً هم ذکر شد این ماده از سطح رسانایی ای برابر با بین حدود یک نارسانا و یک رسانا برخوردار است. شکاف انرژی میان نوار رسانش و نوار ظرفیت در یک نا رسانا برابر است با 6eV که بدین معنی است که الکترون باید در این شکاف به انرژای به اندازه ی 6eV دست یابد تا رسانای جریان الکتریکی شود. این شکاف انرژی، شکاف ممنوعه نامیده میشود. اما این شکاف ممنوعه در مواد نیمه رسانا به نسبت نا رساناها چندان زیاد نیست و مقدار این شکاف انرژی در مواد نیمه رسانا برابر است با 1eV. رساناها دارای هم پوشانی ای از نوار رسانش و نوار ظرفت هستند و این امر دلیلی است بر این که چرا رساناهایی مانند مس قادر هستند تا به آسانی جریان الکتریسیته را هدایت نمایند.
اتمهای سیلیکون و ژرمانیوم از الگویی مشخص به نام کریستال برخوردار هستند که در طبیعت به صورت تناوبی است. آرایش تناوبی اتمها در این مواد شبکه ی کریستال نامیده می شود. مواد نیمه رسانایی مانند ژرمانیوم (Ge) و سیلیکون (Si) به "گروه چهارم عناصر" متعلق هستند و تعداد الکترون های ظرفیت در لایه ی بیرونی آنها 4 است. به منظور تکمیل نمودن به ساختار گازهای خنثی، آنها همواره در تلاش خواهند بود تا 8 الکترون را در بیرونیترین مدار تکمیل نمایند. از این رو چهار الکترون ظرفیت موجود در نیمه رساناها، به منظور رسیدن به ترکیب یک گاز نجیب با چهار الکترون از اتمهای نزدیک خود تشکیل پیوند میدهند. به این نوع از پیوند، پیوند کووالانسی گفته میشود.

انواع نیمه رسانای درونی

این شکلی خالص از یک کریستال نیمه رسانا است. الکترونهای ظرفیت در دستگاه های ذاتی انرژی گرمایی را جذب مینمایند، و به علت همین امر است که پیوند کووالانسی از هم گسسته میشود و الکترون ها آزاد میگردند. مواد نیمه رسانا از یک "ضریب دمای منفی" برخوردار هستند چرا که با افزایش دمای آنها مقاومتشان کاهش پیدا میکند که این پدیده ای منحصر به فرد است که در مواد نیمه رسانا رخ میدهد و نه در مواد رسانا. مواد نیمه رسانا رساناهای بسیار خوبی نیستند اما زمانی که الکترون های ظرفیت از منابع طبیعی مانند منابع انرژی گرمایی انرژی جذب مینمایند آن گاه انرژی جنبشی الکترونهای ظرفیت افزایش پیدا میکند و آنها کار رسانایی را به خوبی به انجام میرسانند. به عبارت ساده، هنگامی که ما دمای چنین موادی را افزایش میدهیم رسانایی آن نیز افزایش پیدا میکند.

نیمه رسانای بیرونی

زمانی که خصوصیات مواد نیمه رسانای ذاتی با افزودن ناخالصی به آنها تغییر پیدا میکنند آن گاه آنها تبدیل به مواد نیمه رسانای غیر ذاتی میشوند. این نا خالصیها میتوانند موادی پنج ظرفیتی و یا سه ظرفیتی باشند. نمونه هایی از نا خالصیها پنج ظرفیتی عبارت هستند از آنتیموان، فسفر، آرسنیک و غیره، که از "عناصر گروه 5" هستند و در بیرونیترین مدار خود دارای 5 الکترون ظرفیتی هستند. نا خالصیهای سه ظرفیتی به مانند بور، گالیم و ایندیوم از "عناصر گروه 3" هستند و در بیرونیترین مدار خود دارای سه الکترون هستند. این نا خالصیها به نسبت 1:106 افزوده میگردند، به عنوان نمونه ما به ازای هر 10 میلیون اتم نیمه رساناهای ذاتی 1 اتم ناخالص اضافه مینماییم. ماده ی نیمه رسانای ذاتی ماده ای است که پس از افزودن این ناخالصیها شکل میگیرد و فرآیند افزودن این نا خالصیها به یک ماده ی نیمه رسانای خالص مانند Si و Ge آلایش نامیده میشود. بسته به نوع نا خالصی ای (پنج ظرفیتی و یا سه ظرفیتی) که ما به ماده ی نیمه رسانای خالص می افزاییم، ماده ی نیمه رسانای غیر ذاتی در این دو گروه دسته بندی میگردد:
• نوع N
• نوع P

نوع N

نیمه رساناهای نوع N زمانی ساخته میشوند که یک نا خالصی پنج ظرفیتی به مانند آنتیموان و یا فسفر به ماده ی نیمه رسانای خالصی چون سیلیکون و ژرمانیوم افزوده گردد. چگونه چنین ماده ی نیمه رسانایی تشکیل میشود؟ این مفهوم با بیان نمونه ی زیر واضح خواهد گشت. آنتیموان، یک نا خالصی پنج ظرفیتی با یک ماده ی نیمه رسانای ذاتی، یعنی سیلیکون آلایش داده میشود. آنتیموان عنصری از گروه 5 است و دارای 5 الکترون در بیرونیترین لایه ی خود است و سیلیکون نیز عنصری از گروه 4 است که در بیرونیترین مدار خود دارای 4 الکترون است. هنگامی که 4 الکترون ظرفیتی سیلیکون با 4 الکترون ظرفیتی آنتیموان تشکیل پیوند دهند، بین اتم سیلیکون و آنتیموان پیوندی کووالانسی شکل خواهد گرفت. اما یک الکترون اضافی آنتیموان (5 الکترون ظرفیتی) در ماده ی آلایش داده شده بر جای خواهد ماند و در فرآیند رسانش ایفای نقش مینماید و تا آن جایی که به الکترونهای شار الکترون اشاره دارد اتم دهنده نامیده میشود. در مواد نیمه رسانای نوع N اکثریت حاملها را الکترونها تشکیل میدهند و حاملهایی که در اقلیت قرار دارند حفره ها (بار الکتریکی مثبت) هستند.

نوع P

نیمه رساناهای نوع P زمانی ساخته میشوند که یک نا خالصی سه ظرفیتی مانند بور و یا ایندیوم به ماده ی نیمه رسانای خالصی چون ژرمانیوم افزوده گردد. اجازه دهید تا با ذکر نمونه ای نشان دهیم که این نیمه رساناها چگونه شکل میگیرند. بورون یک نا خالصی سه ظرفیتی با سیلیکون آلایش داده میشود تا تشکیل یک نیمه رسانای نوع P غیر ذاتی دهد. بورون عنصری متعلق به گروه 3 است و دارای 3 الکترون در لایه ی ظرفیت خود است. پس از آلایش داده شدن، این سه الکترون لایه ی ظرفیت بور با سه الکترون لایه ی ظرفیت سیلیکون پیوند تشکیل میدهند (4 الکترون ظرفیت). در این مورد حفره ای در اتم بور پدید خواهد آمد چرا که بور تنها از 3 الکترون برخوردار است و در اتم باری مثبت به وجود خواهد آمد که در غیر این صورت کم بود الکترون نامیده میشود. از این رو برای پر کردن این حفره، الکترونی از اتم مجاور در جهت پر کردن این حفره حرکت میکند و بدین طریق شارش جریان به وجود می اید. ما میدانیم که شارش الکترونها موجب ایجاد جریان الکتریکی میگردد. از آن جایی که اتم بور از اتمهای مجاور خود الکترون میپذیرد به آن اتم پذیرا گفته میشود. در مواد نیمه رسانای نوع P حفره ها اکثریت حاملها را تشکیل میدهند و الکترونها در اقلیت حاملها قرار دارند.

جهت شارش جریان

جریان معمولی در جهتی خلاف با شارش الکترونها شارش پیدا میکند. جهت شارش حفره ها در خلاف جهت الکترونها است. به عبارت دیگر جهت جریان معمول در همان جهت شارش حفره ها قرار دارد.

قانون اثر جرم

قانون اثر جرم قانون بنیادی نیمه رساناها است که این گونه بیان میدارد که "تحت تعادل، محصول تمرکز الکترون و تمرکز حفره همواره برابر است با مربع تمرکز ذاتی حامل در دمایی داده شده".
np = ni2
که،
n = غلظت الکترونهای آزاد در تعادل گرمایی
p = غلظت حفره ها در تعادل گرمایی
ni = غلظت ذاتی حامل

• اینها وسایل مهمی هستند که برای ساختن قطعات اصلی الکترونیکی مانند دیود، ترانزیستور، یکسو کننده ی جریان برق، دریچه ی منطقی، ماس فت (ترانزیستور اثر میدان فلز - اکسید - نیمه رسانا)، خازن، ترمیستور، دیود نوری و غیره مورد استفاده قرار میگیرند.
• سیستم کنترل صنعتی (ICS) از چنین ابزاری بهره میبرد.
• تبدیل نمودن برق الکتریکی برای راه آهنهای الکتریکی به وسیله ی دیودهای مستقیم کننده به انجام میرسد که از مواد نیمه رسانا کننده درست میشوند.
• تمام مدارهای آنالوگ و دیجیتال از چنین دستگاه هایی استفاده میکنند.
• دستگاه های کامپیوتری مانند درایو هارد دیسک، درایوهای فلش USB، پردازنده های گرافیکی و غیره نیز از چنین موادی درست میشوند.
• تکنیکهای مدیریت برق و مدیریت گرمایی نیز شامل دستگاه های نیمه رسانا میشوند.
• هم چنین از این ابزارها در ارتباطات رادار و ماهواره ای بهره برداری میشود.
• این وسایل در بخش انرژی و در ساخت سلولهای خورشیدی مجتمع مورد استفاده قرار میگیرند.
• کار بردهای طیف نمایی پرتوی گاما نیز از وجود چنین ابزارهایی بهره میگیرند.

توزیع انرژی الکتریکی تجدید پذیر نقشی بسیار مهم در این فناوری ایفا مینماید. این فناوری در حال گسترش کار بردهای خود در حوزه ی الکترونیک زیست پزشکی نیز هست. چنین دستگاه هایی در زمینه های بسیاری مانند مخابرات و الکترونیک، مهندسی صنایع و خود رو، کامپیوتر و غیره نیز مورد استفاده قرار میگیرند. بدون چنین دستگاه هایی حتی ساخت ابزارهای حالت جامد هم ممکن نخواهد بود.