همه ما درباره مواد عایق و رسانا بارها و بارها شنیده ایم ومیدانیم که هرکدام چه عملکردی دارند،مواد رسانا عامل انتقال جریان انرژی هستند و مواد عایق یا همان نارسانا در برابر عبور انرژی مقاومت می کنند.
اما دسته دیگری از مواد نیز وجود دارند که خواصی بین مواد رسانا و عایق را دارا می باشند.
نیمه هادی ها یا همان مواد نیمه رسانا به دلیل نقشی که در ساخت وسایل الکترونیکی دارند، بخش مهمی از زندگی ما هستند. نیمه هادی ها در ساخت انواع مختلف دستگاه های الکترونیکی از جمله دیودها ، ترانزیستورها و مدارهای مجتمع به کار می روند .
نیمه هادی ها دارای خواص الکتریکی خاصی هستند که آنها را قادر می سازد به عنوان پایه ای برای رایانه ها و سایر وسایل الکترونیکی عمل کنند.
عملکرد نیمه هادی ها
نیمه رساناها با فعال کردن الکترونهای ظرفیتی،که در لایه ای بیرونی اتم قرار دارند کار میکنند.
تا به الکترونهای ظرفیت اتم‌های دیگر متصل شوند. اکثر نیمه هادی ها می توانند همزمان به چهار الکترون ظرفیتی متصل شوند و به طور موثر شبکه ای از مولکول های سیلیکونی ایجاد کنند.
حفره و الکترون
وقتی که یک پیوند کوالانسی شکسته می شود، یک الکترون اتم اصلی خود را ترک میکند آنچه که بر جای می ماند یک اتم با بار مثبت است که آماده پذیرش یک الکترون را دارد. این محل خالی یک حفره نامیده می شود.
این حفره میتواند توسط الکترونی که از اتم دیگری جدا شده پرشود. اینکار باعث می شود تا حفره در محل دیگری تشکیل شود. بدین ترتیب با جابجا شدن الکترون ها، حفره ها هم جابجا خواهند شد.
مقداربارالکتریکی حفره برابر با بار الکترون اما مثبت است. در عمل تعداد حفره ها و الکترونهای آزاد (تعداد ناقل های ذاتی) با هم برابرهستند لذا بارالکتریکی کل نیمه هادی برابر با صفر است.
دوپینگ در نیمه هادی ها
دوپینگ به معنای وارد کردن ناخالصی‌ها به یک کریستال نیمه‌رسانا برای تغییر رسانایی آن است، در یک نیمه هادی خالص تعداد حفره ها و الکترون ها برابر است. اما می توان با افزودن ناحالصی به نیمه هادی این برابری را به هم زد،در واقع این فرایند جهت افزایش هدایت الکتریکی نیمه هادی انجام میشود.
سیلیکون خالص یا ژرمانیوم به ندرت به عنوان نیمه هادی استفاده می شود. نیمه هادی هایی که عملا قابل استفاده هستند باید مقدار کنترل شده ای از ناخالصی ها به آنها اضافه شود. افزودن ناخالصی باعث تغییر قابلیت هادی می شود و به عنوان یک نیمه هادی عمل می کند،برای دوپ کردن معمولا از فسفر والومینیوم استفاده میشود.
این کار باعث میشود که نیمه رسانا بتواند الکترون یا حفره بیشتری تولید کند و در نتیجه رسانایی الکتریکی آن افزایش یابد. دوپینگ معمولاً با جایگزین کردن برخی از اتم های نیمه رسانا با اتم های دارای تعداد الکترون های متفاوت در لایه والانس انجام میشود. برای مثال، اگر ژرمانیوم را با فسفر دوپ کنیم، هر اتم فسفر چهار پیوند کووالانسی با ژرمانیوم ایجاد میکند ولی چون فسفر پنج الکترون در لایه والانس دارد، یک الکترون اضافه مانده که به راحتی میتواند از پیوند خارج شود و به عنوان حامل بار عمل کند. این نوع دوپینگ نوع n نامیده میشود و ناخالصی های دوپ کننده را دوپان n میگویند. به عکس آن، اگر ژرمانیوم را با آلومینیوم دوپ کنیم، هر اتم آلومینیوم سه پیوند کووالانسی با ژرمانیوم تشکیل میدهد ولی چون ژرمانیوم چهار الکترون در لایه والانس دارد، یک پیوند ناتمام مانده که به عنوان حفره عمل میکند. حفره چشمه الکترون است و هنگام حرکت به سمت پلار خود، الکترون های همسایه را جذب مي كند. این نوع دوپینگ نوع p نامیده میشود و ناخالصي های دوپ كننده را دوپان p مي گوييم.
انواع نیمه هادی ها
۱_ نیمه هادی نوع N
یک نیمه هادی ناخالص که تعداد الکترون های آزاد آن بیشتر از حفره هایش باشد را N-Typeمیگویند.
برای ساختن نیمه هادی نوع N به سیلیکون یک ناخالصی مثل فسفر که درلایه کوالانس خود ۵ الکترون دارد، اضافه می شود. با افزودن ناخالصی، اتم های فسفر جایگزین برخی ازاتم های سیلیکون شده و هر یک با ۴ چهار اتم های مجاور پیوند کوالانسی برقرار می کنند. اما فقط ۴ الکترون الیه آخر آن در پیوند با ۴ همسایه شرکت کرده و یک الکترون لایه آخر بصورت آزاد باقی می ماند که باعث تبدیل نیمه هادی به نوع Nمیشود.
۲_ نیمه هادی نوع P
یک نیمه هادی ناخالص که حفره های آن بیشتر از الکترون های آزادش باشد راP-Typeمی گویند.
اگر ناخالصی اضافه شده ماده ای نظیر برم باشد که تعداد الکترون های لایه آخر آن ۳ عدد است، هر اتم ناخالصی فقط با ۳ اتم سیلیکون پیوند کوالانسی برقرار کرده و ایجاد یک حفره خواهد نمود.
طبقه بندی نیمه هادی ها در جدول تناوبی
۱_ نیمه رساناهای گروهIV
C(الماس)،Si،GeوSn(قلع خاکستری) همگی در این گروه قرار میگیرند.که این عناصر کاربرد گسترده ای در قطعات الکترونیکی دارند.
۲_ نیمه رساناهای گروه III_V
معروف ترین اعضای این گروه InSbوGaAsهستند.دراین ترکییات پیوندها اساسا کوالانسی هستند.
۳_ نیمه رساناهایII_VI
ZnSوCdSجز این دسته از نیمه رساناها هستند. اغلب این مواد به ساختار سولفید روی متبلور میشوند این به این معنی است که پیوند در درجه اول طبیعت کوالان دارد ولی انتقال بار در اینجا بیشتر از انتقال بار درIII_Vاست.بنابراین دراین ترکیبات سهم پیوند یونی بیشتر ومشخصه قطبی آن قوی تر است.
کاربرد نیمه رساناها
کاربرد نیمه رساناها در صنعت الکترونیک بسیار زیاد و متنوع است. برخی از این کاربردها عبارتند از:
- ساخت ادوات الکترونیکی: نیمه رساناها از مواد اصلی برای ساخت قطعات الکترونیکی مانند دیود، ترانزستور، آی سی، LED، فتودید، لِيزِر و غیره هستند. این قطعات در بسیاری از دستگاه ها و مدارهای الکترونیکی مانند رادیو، تلویزیون، رایانه، تلفن و دوربین استفاده می شوند.
- تولید انرژی: نیمه رساناها می توانند به عنوان مبدل های انرژی عمل کنند. برای مثال، صفحات فتوولتائيك خورشیدي که از نيمه رسانای دوپ شده ساخته شده اند، ميتوانند نور خورشيدي را به جريان الكتريكي تبديل كنند. يا ترموالكتريك های که از نيمه رسانای دوپ شده ساخته شده اند، ميتوانند تفاضل دمای دو سطح را به جريان الكتريكي تبديل كنند.
- حسگري: نيمه رسانای حساس به نور يك حسگر است كه با دريافت نور، جريان الكتريكي توليد ميكند. این حسگر در دوربین های ديجيتال، سلول های فوتوديود و غيره استفاده ميشود. يك حسگر دماسنج نيمه رسانای است كه با تغيير دما، مقاومت الكتريكي خود را تغيير ميدهد. این حسگر در تجهيزات پزشكي، صفحات نمایشگر و غيره استفاده مي شود.
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.