نیمه رسانا چیست و اساس نیمه رسانا ها 

در این مقاله به بررسی اینکه نیمه رسانا چیست می پردازیم و بایستی گفت  اگر مقاومت ها اساسی ترین قطعات غیر فعال در مدارات الکتریکی و الکترونیکی هستند، پس باید سیگنال دیود ها را اساسی ترین قطعات فعال در نظر بگیریم.

اساس نیمه رسانا ها

بر خلاف مقاومت، دیود با توجه به ولتاژ اعمال شده، بصورت خطی رفتار نمی‌کند و رابطه بین V_I بصورت نمایی است و در نتیجه نمی توان به سادگی با استفاده از قانون اهم همانطور که برای مقاومت ها انجام شد، رفتار دیود ها را توصیف کرد.

دیود ها از قطعات نیمه رسانای یک طرفه پایه هستند، که فقط به جریان اجازه شارش در یک جهت از خود را می‌دهند و بیشتر شبیه به یک شیر برقی یک مسیره رفتار می کنند ( شرط بایاس مستقیم). اما قبل از اینکه بر چگونگی رفتار دیود های سیگنال و قدرت بپردازیم، در ابتدا نیاز است تا مفهوم ساختار پایه نیمه رساناها را درک کنیم. دیود ها از یک قطعه واحد از مواد نیمه رسانا  که دارای “ناحیه-P ” مثبت در یک انتها  و “ناحیه –N ” منفی در سمت دیگر هستند، ساخته شده اند که دارای مقدار مقاومت ویژه در جایی بین رسانا و نارسانا هستند. اما ماده نیمه رسانا چیست؟ ابتدا باید ببینیم چه چیزی قطعه ای را رسانا و یا نارسانا می‌کند.

مقاومت نیمه رسانا

در راستای بررسی نیمه رسانا چیست بایستی گفت مقاومت الکتریکی، یک جز یا قطعه الکتریکی است که عموما بصورت نسبت اختلاف ولتاژ دو سر مقاومت به جریان عبوری از آن تعریف می‌شود که همان اصل قانون اهم است. مشکل استفاده از مقاومت به عنوان یک وسیله اندازه گیری این است که وابستگی زیادی به سایز فیزیکی موادی که اندازه گیری می‌شود و همچنین موادی که از آن ساخته شده است دارد. برای مثال، اگر ما مجبور به افزایش طول مواد( طولانی تر کردن آن) باشیم، مقاومت آن نیز متناسب با آن افزایش خواهد یافت.

به همین ترتیب، اگر ابعاد یا سایز مواد را افزایش دهیم (ضخیم تر کردن آن)، مقدار مقاومت آن کاهش خواهد یافت. در نتیجه ما می‌خواهیم مواد را بگونه ای تعریف کنیم که توانایی آن در هدایت (رسانش ) یا مخالفتش با شارش جریان الکتریکی از آن بدون توجه به سایز و شکل آن نشان دهیم.

مقداری که برای نشان دادن این مقاومت خاص بکاربرده می‌شود، مقاومت ویژه خوانده می‌شود و دارای نماد یونانی [latex] rho [/latex]  (رو) است. مقاومت ویژه در واحد اهم-متر ( Ωm)  اندازه گیری می‌شود. مقاومت ویژه، معکوس رسانایی(قابلیت هدایت) است.

اگر مقاومت ویژه مواد گوناگون مقایسه شود، آنها می توانند در سه گروه اصلی، رساناها، نارساناها و نیمه رساناها همانطور که در زیر نشان داده شده است، گروه بندی شوند.

نمودار مقاومت ویژه

توجه نمایید که حاشیه (مرز) بسیار کوچکی بین  مقاومت ویژه رساناها مانند نقره و طلا در مقایسه با مرز بسیار بزرگتر مقاومت ویژه نارساناها مانند شیشه و کوارتز وجود دارد. این تفاوت در مقاومت ویژه به دلیل دمای محیط آنها است بطوریکه فلزها رساناهای بهتر گرما نسبت به نارساناها هستند.

رساناها

از مطالب بالا متوجه شدیم که رساناها موادی هستند که دارای مقدار مقاومت ویژه خیلی کم، معمولا در مقیاس میکرو-اهم در هر مترهستند. این مقدار پایین به آنها اجازه عبور آسان جریان الکتریکی را می‌دهد زیرا که در ساختار اتم اصلی آن تعداد زیادی الکترون آزاد شناور وجود دارد. اما این الکترون ها تنها از طریق یک رسانا یا هادی و در صورت بودن محرکی برای حرکت آنها شارش می‌یابند و آن محرک همان ولتاژ الکتریکی است.

زمانی که یک پتانسیل ولتاژ مثبت به ماده ای اعمال می‌شود، این “الکترون های آزاد” اتم اصلی خود را ترک کرده و با همدیگر حرکت می کنند و یک رانش الکترونی را تشکیل می‌دهند که بیشتر به عنوان جریان شناخته می‌شود. چگونگی حرکت “آزادانه” این الکترون ها درون رسانا بستگی به این دارد که آنها چقدر آسان می توانند از اتم های تشکیل دهنده خود زمانی که ولتاژ اعمال می‌شود، جدا شوند. مقدار الکترونی که جریان می‌یابد به مقدار مقاومت ویژه ای که رسانا دارد بستگی دارد.

فلزهایی مانند کوپر، آلومینیوم، نقره و یا غیر فلزهایی مانند کربن مثال هایی از رساناهای خوب هستند زیرا که این مواد دارای الکترون خیلی کم در “لایه والانسی” یا حلقه بیرونی شان هستند که این باعث خارج شدن آسان آنها از مدار اتمی شان می‌شود.

این پیوند ضعیف مولکولی رساناها  باعث می‌شود تا آنها آزادانه داخل ماده تا زمانی که به اتم دیگر بپیوندند شارش یابند که این یک “تاثیر دومینو” درون ماده ایجاد می‌کند و متعاقبا باعث ایجاد جریان الکتریکی می‌شود. کوپر، آلومینیوم از رساناهای اصلی استفاده شده در کابل های الکتریکی است که در شکل نشان داده شده است.

به طور کلی، اکثر فلزها به دلیل داشتن مقاومت ویژه خیلی پایین معمولا در اندازه های میکرو-اهم در متر([latex] mu .Omega .m [/latex]) رساناهای خوب الکتریسیته هستند.

اگرچه فلزهایی مانند کوپر، آلومینیوم رسانای  خوب الکتریسیته هستند ولی دارای بعضی مقاومتهایی به شارش الکترون ها هستند و در نتیجه هدایت پذیری کاملی ندارند.

نارساناها

در سمت دیگر نارسانا‌ها دقیقا در جهت مخالف با رساناها هستند. آنها عموما از موادی غیر فلزی ساخته شده اند که دارای”الکترون آزاد” خیلی کم برای شارش در ساختار اتمی شان هستند زیرا که الکترون ها در لایه والانسی بیرونی شان درای پیوند قوی اتمی با هسته هستند و در نتیجه به سختی از اتم کنده می شوند.

در بیان دیگر، الکترون ها در اتم اصلی شان گیر افتاده اند و نمی توانند آزادانه در اطراف حرکت کنند در نتیجه اگر ولتاژی به ماده اعمال شود، هیچ جریانی برقرار نخواهد شد زیرا که هیچ “الکترون آزاد” ای برای حرکت وجود ندارد و این باعث خاصیت غیر رسانایی این مواد می شود.

نارساناها هم چنین دارای مقاومت ویژه بالایی هستند، میلیون ها اهم در متر و عموما تحت تاثیر تغییرات دمایی قرار نمی‌گیرند ( اگرچه در در دماهای خیلی بالا چوب ذغال شده و از یک نارسانا به رسانا تبدیل می‌شود).  سنگ مرمر، کوارتز دوپ شده، پلاستیک های PVC، لاستیک و غیره مثالهایی از نارساناهای خوب هستند.

نارساناها نقش بسیار مهمی در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی ایفا می کنند، زیرا که بدون آنها مدار های الکتریکی با هم اتصال کوتاه خواهند داشت و کار نخواهند کرد. برای مثال، نارساناهای ساخته شده از شیشه یا چینی برای عایق بندی و پشتیبانی از سرباره کابل های انتقال استفاده می‌شوند در حالی که مواد رزین شیشه-اپوکسی برای ساخت بردهای مدار چاپی، ¹PCB و غیره استفاده می‌شوند.

نیمه رسانا ها

مواد نیمه رسانا مانند سیلیکون(Si)، ژرمانیوم (Ge)، گالیوم آرسنید (GaAs) درای مشخصه های الکتریکی هستند و جایگاهشان در وسط بین “رساناها” و ” نارساناها” قرار دارد. آنها نه رسانای خوبی هستند و نه نارسانای خوب( از این رو نام آنها “نیمه”-رسانا است). آنها “الکترون های آزاد” خیلی کمی دارند زیرا که اتم های آنها بصورت خیلی نزدیک به هم در یک الگوی کریستالی به نام “شبکه کریستالی” قرار گرفته اند. اما همچنان الکترون ها تحت شرایط خاصی قادر به شارش هستند.

توانایی نیمه رساناها برای انتقال الکتریسیته می تواند بصورت خوب توسط جابه جایی یا اضافه کردن اتم های اهدا کننده و دریافت کننده مشخص به این ساختار کریستالی اثبات شود، بدین ترتیب الکترون های آزاد بیشتری نسبت به حفره ها و برعکس تولید شده و این یعنی افزودن درصد کوچکی از عناصر دیگر مانند سیلیکون و یا ژرمانیوم به ماده پایه است. سیلیکون و ژرمانیوم به خودی خود به عنوان نیمه هادی های ذاتی طبقه بندی می‌شوند، یعنی از نظر شیمیایی آنها خالص و حاوی چیزی جز مواد نیمه رسانا نیستند. اما با کنترل میزان ناخالصی های اضافه شده به این ماده نیمه رسانای ذاتی می توان هدایت پذیری آن را کنترل کرد. ناخالصی های گوناگون که اهدا کننده و دریافت کننده خوانده می‌شوند، می توانند به این ماده ذاتی برای تولید به ترتیب الکترون های آزاد و حفره ها اضافه شوند.

این پروسه افزودن اتم های اهدا کننده و دریافت کننده به اتم های نیمه رسانا (یک اتم ناخالصی به ازای هر 10 میلیون اتم(یا بیشتر) از نیمه رسانا ها) دوپینگ نامیده می‌شود.

همانطور که سیلیکون دوپ شده دیگر خالص نیست، در مجموع این اتم های اهدا کننده و دریافت کننده به عنوان “ناخالصی ها” شناخته می‌شوند و با دوپینگ کردن این مواد سیلیکونی با تعداد کافی از ناخالصی ها، می توان آن را به مواد نیمه رسانای نوع-P و نوع-N تبدیل کرد. تاکنون متداولترین ماده پایه(اولیه) مواد نیمه رسانا، سیلیکون است. سیلیکون دارای 4 الکترون والانس در بیرونی ترین لایه اتمی اش است که با اتم های سیلیکون همسایه خود برای تشکیل مدار کامل 8 الکترونی، به اشتراک می‌گذارد. ساختار پیوند بین این دو اتم سیلیکون به گونه ای است که هر اتم، یک الکترون را با همسایه خود برای پایدار کردن پیوند به اشتراک می گذارد.

از آنجایی که تعداد بسیار کمی الکترون آزاد برای حرکت درکریستال سیلیکون وجود دارد، کریستال‌های سیلیکون خالص( یا ژرمانیوم) در نتیجه عایق خوبی خواهند بود و یا حداقل مقاومت بسیار بالایی خواهند داشت.

اتم های سیلیکون در یک الگوی متقارن مشخص قرار گرفته اند که این آنها را به یک ساختار جامد بلوری تبدیل می‌کند. عموما گفته می‌شود که کریستال سیلیکا خالص( سیلیکون دی اکسید یا شیشه) یک کریستال ذاتی است( هیچ ناخالصی ندارد) و در نتیجه الکترون‌های آزاد ندارد.

اما اتصال ساده یک کریستال سیلیکون به یک منبع باتری برای استخراج جریان الکتریکی از آن کافی نیست. برای انجام این کار باید یک قطب”مثبت” و یک قطب “منفی” در سیلیکون ایجاد کنیم که به الکترون ها و در نتیجه جریان الکتریکی اجازه شارش به بیرون از سیلیکون را بدهد. این قطب ها توسط دوپینگ سیلیکون با ناخالصی های مشخص ایجاد می‌شوند.

ساختار یک اتم سیلیکون

دیاگرام بالا ساختار و شبکه یک کریستال خالص “نرمال” از سیلیکون را نشان می‌دهد.

اساس نیمه رسانای نوع-N

برای اینکه کریستال سیلیکون ما بتواند الکتریسیته را هدایت کند، باید اتمی ناخالصی مانند آرسنیک، آنتیمون یا فسفر را معرفی کنیم، اضافه کردن آنها به  ساختار کریستالی آن را غیر ذاتی می کند (ناخالصی ها اضافه شده اند). این اتم ها  در بیرونی ترین مدار خود 5 الکترون بیرونی دارند تا بتوانند با اتم ها ی همسایه به اشتراک بگذارند و عموما ناخالصی هایی “پنج ظرفیتی” نامیده می شوند.

این به چهار تا از پنج الکترون مداری خود در هنگام اعمال ولتاژ(شارش الکترون) اجازه می‌دهد تا با اتم های سیلیکون همسایه خود که یک “الکترون آزاد”  رها می کنند، پیوند یابند تا در حرکت بمانند. از آنجایی که هر اتم ناخالصی یک الکترون را “اهدا می کند” ، اتم های پنج ظرفیتی  معمولاً به عنوان “اهدا کننده” شناخته می شوند.

²آنتیمون (با نماد Sb) همانند ³فسفوریوس( با نماد P) غالبا به عنوان یک افزودنی پنج ظرفیتی به سیلیکون استفاده می‌شوند. آنتیمون دارای 51 الکترون است که در 5 لایه اطراف هسته آن آرایش یافته اند و بیرونی ترین مدار آن 5 الکترون دارد. مواد پایه نیمه رسانای حاصل، دارای الکترون های حامل جریان بیش از حد است که هر کدام دارای بار منفی است و در نتیجه به عنوان ماده نوع-N با الکترون‌هایی که “حامل های اکثریت” و حفره هایی که “حامل های اقلیت” خوانده می شوند،  طبقه بندی می‌شود.

هنگامی که توسط یک منبع انرژی خارجی تحریک می شود ، الکترون هایی که از اتم های سیلیکون توسط این محرک تغذیه  می شوند به سرعت با الکترونهای آزاد موجود از اتم های آنتیمون دوپ شده جایگزین می شوند. اما این اقدام همچنان یک الکترون اضافی (الکترون آزاد شده) به جا می گذارد که در اطراف کریستال دوپ شده شارش می‌یابد و باعث باردارشدن منفی آن می شود.

زمانی که چگالی اهدا کننده آن از چگالی پذیرنده آن بیشتر باشد، ماده نیمه رسانا به صورت نوع -N طبقه بندی می شود، به عبارت دیگر، آن الکترون بیشتری نسبت به حفره دارد و در نتیجه همان طور که نشاده داده شده است قطب منفی ایجاد می‌کند.

دوپینگ و اتم آنتیمون

دیاگرام بالا ساختار و شبکه ناخالصی اهدا کننده اتم انتیمون را نشان می‌دهد.

اساس نیمه رسانا نوع P

اگر به سمت دیگر برویم و ناخالصی های “سه ظرفیتی” (3-الکترون) را در ساختار کریستالی معرفی کنیم مانند آلومینیوم، بورون یا ایندیوم که تنها دارای 3 الکترون والانس در بیرونی ترین مدارشان هستند، 4 امین پیوند بسته نمی تواند تشکیل شود. در نتیجه، ارتباط کامل امکان پذیر نیست و به مواد نیمه رسانا  فراوانی هایی از حامل های دارای بار مثبت که به عنوان حفره ها در ساختار کریستالی شناخته شده اند، اهدا می‌کند به طوری که در این ساختار الکترون‌ها به طور کامل از دست رفته اند.

از آنجایی که اکنون در کریستال حفره داریم، الکترون های همسایه به آن وصل شده و تلاش برای رفتن به داخل حفره برای پوشاندن آن را می کنند. الکترون برای پر کردن حفره ها از حفره ای به حفره دیگر حرکت می‌کند. این در چرخش باعث می‌شود تا الکترون دیگری جذب شود که خود نیز باعث ایجاد حفره دیگری پشت ان می‌شود و ظاهری را ارائه می‌دهد که گویی حفره ها در قالب بار مثبت در داخل ساختار کریستال در حال حرکت هستند( شارش جریان قراردادی).

این جابه جایی حفره ها باعث کمبود الکترون ها در سیلیکون می‌شود و باعث تبدیل تمامی کریستال دوپ شده به قطب مثبت می‌شود. از انجایی که هر اتم خالص یک حفره تولید می‌کند، ناخالصی های 3 ظرفیتی به دلیل اینکه انها بصورت پیوسته الکترون های آزاد را “می پذیرند”  عموما به عنوان “دریافت کننده” شناخته می‌شوند.

⁴بورون( با نمادB) بصورت رایج به عنوان یک افزاینده 3 ظرفیتی بکار می‌رود، زیرا که آن تنها دارای 5 الکترون است که در 3 لایه دور هسته خود با بیرونی ترین مدار که تنها دارای 3 الکترون است، ارایش یافته است. دوپینگ اتم های بورن باعث می‌شود تا هدایت (رسانایی) بطور عمده شامل حامل های بار مثبت شود که این نیز منجر به ماده نیمه رسانا از  نوع-P با حفره های مثبت که “حامل های اکثریت” و الکترونهای آزاد که “حامل های اقلیت” خوانده می‌شوند، می‌شود.

زمانی که چگالی دریافت کننده آن از چگالی اهدا کننده آن بیشتر باشد، ماده نیمه رسانا به صورت نوع -P طبقه بندی می شود، به عبارت دیگر، آن حفره های بیشتری نسبت به الکترون دارد.

دوپینگ و اتم بورون

دیاگرام بالا ساختار و شبکه ناخالصی دریافت کننده اتم بورون را نشان می‌دهد.

خلاصه اساس نیمه رسانا 

نوع-N(برای مثال دوپ شده با آنتیمون)

این ها موادی با اتم های ناخالصی 5 ظرفیتی (اهدا کننده) هستند که اضافه شده و توسط حرکت”الکترون” رسانش پیدا می کنند و در نتیجه نیمه رسانای نوع– N خوانده می‌شوند.

در نیمه رسانای نوعN- داریم:

1. اهدا کننده ها بصورت مثبت باردار می‌شوند.
2. تعداد بسیار زیادی الکترون آزاد وجود دارد.
3. تعداد کمی از حفره ها در ارتباط با تعدادی از الکترون های آزاد هستند.
4. نتیجه دوپینگ:

اهدا کننده های باردار شده بصورت مثبت

الکترون های آزاد باردارشده بصورت منفی

5. نتیجه منبع انرژی:

حفره های باردار شده بصورت مثبت

الکترون های آزاد باردارشده بصورت منفی

نوع-P (برای مثال دوپ شده با بورون)

این ها موادی با اتم های ناخالصی 3ظرفیتی (دریافت کننده) هستند که اضافه شده و توسط حرکت”حفره ها” رسانش پیدا می کنند و در نتیجه نیمه رسانای نوع-P خوانده می‌شوند.

در نیمه رسانای نوع –P داریم:

1. دریافت کننده ها بصورت مثبت باردار می‌شوند.
2. تعداد بسیار زیادی حفره وجود دارد.
3. تعداد کمی از الکترون ها در ارتباط با تعدادی از حفره ها هستند.
4. نتیجه دوپینگ:

دریافت کننده های باردار شده بصورت منفی

حفره های باردارشده بصورت مثبت

5. نتیجه منبع انرژی:

حفره های باردار شده بصورت مثبت

الکترون های آزاد باردارشده بصورت منفی

و هر دو نوع N,P به خودی خود از نظر الکتریکی خنثی هستند.

آنتیمون و بورون از رایجترین عامل های دوپینگ مورد استفاده هستند که در مقایسه با انواع دیگر ماده ها بیشتر در دسترس هستند. آنها همچنین به عنوان ” شبه فلز ” طبقه بندی می‌شوند. اگرچه، جدول تناوبی تعدادی از دیگر عناصر شیمیایی متفاوت با 3 یا 5 الکترون در بیرونی ترین لایه شان که آنها را برای دوپینگ مناسب کرده است را هم گروه کرده است.

این عناصر شیمیایی دیگر، همچنین می توانند به عنوان عامل های دوپینگ برای ماده پایه سیلیکون یا ژرمانیوم برای تولید انواع مختلف از مواد نیمه هادی پایه برای استفاده در قطعات نیمه هادی الکترونیکی، میکرو پردازنده و سلول های خورشیدی بکار روند. این مواد نیمه رسانای اضافی در جدول پایین آورده شده اند.

جدول تناوب نیمه هادی

امیدواریم در این مقاله مفهوم نیمه رسانا چیست رادرک کرده باشید، درآموزش بعدی پیرامون نیمه هادی ها و دیودها، ما به دنبال پیوند دو ماده پایه  نیمه رسانا نوع-  Nو نوع-P برای تشکیل یک اتصال PN که می تواند برای تولید دیودها استفاده شود، خواهیم بود.به شما پیشنهاد می کنیم برای کسب اطلاعات در حوزه نظریه پیوند PN مقاله ما را مطالعه نمایید.

1. Printed Circuit Board
2.  Antimony(سنگ معدن)
3.  Phosphorus
4. Boron