در این مطلب به بررسی این که در مورد نیمه‌رسانا می‌پردازیم و نیمه‌رسانا یا نیمه‌هادی (Semiconductor) عنصر یا ماده‌ای است که در حالت عادی عایق باشد، ولی با افزودن مقداری ناخالصی قابلیت هدایت الکتریکی پیدا کند. در این مقاله ما به معرفی نیمه‌رسانا‌ها و بررسی آن‌ها خواهیم پرداخت. برای آشنایی با این قطعات با ما همراه باشید.

نیمه‌رسانا (Semiconductor) چیست؟

نیم‌رسانا یا نیمه‌هادی (Semiconductor) عنصر یا ماده‌ای می‌باشد که در حالت نرمال عایق باشد، اما با اضافه کردن مقداری ناخالصی قابلیت هدایت الکتریکی پیدا کند. (منظور از ناخالصی عنصر یا عناصر دیگری‌ست غیر از عنصر اصلی یا پایه. مثلاً اگر عنصر پایه سلیسیوم باشد ناخالصی می‌تواند آلومنیوم یا فسفر باشد) نیمه‌رساناها در نوار ظرفیت خود چهار الکترون دارند. میزان مقاومت الکتریکی نیمه‌رساناها بین رساناها و نارساناها است. از نیمه‌رساناها برای ایجاد قطعاتی مانند آی‌سی، ترانزیستور، تریستور، دیود، سیلیکون و... استفاده می‌شود. پیدایش نیمه‌رساناها در علم الکترونیک انقلاب بزرگی را در این علم ایجاد کرده که ابداع رایانه یکی از حاصل‌های این انقلاب است.

همچنین بخوانید: داستان شرکت TSMC غول تايوانی صنعت نيمه هادی و پردازنده ها

تاریخچه نیمه‌رساناها

مشاهدات اولیه در مورد رفتار نیمه‌رساناها اولین بار در میانه سده ۱۹ و اوایل قرن ۲۰ اتفاق افتاد. اولین استفاده عملی نیمه‌رساناها در الکترونیک در سال ۱۹۰۴ و در ایجاد شناساگر کتس-ویسکر (یک دیود نیمه‌رسانای ابتدایی که در ساخت رادیو کاربرد داشت) بود. توسعه‌‌های حاصل شده در فیزیک کوانتوم سبب ابداع اولین ترانزیستور در 1947 و اولین تراشه در ۱۹۵۸ گردید.

محصولات فروشگاه سورن:
خرید آی سی شارژ

انواع نیمه‌رساناها

نیمه‌رساناها به دو نوع قسمت‌بندی می‌شوند.

• نیمه‌رسانای ذاتی (خالص)

• نیمه‌رسانای غیرذاتی (دارای ناخالصی)

در نیمه‌رسانای ذاتی تعداد حفره و الکترون برابر است، در صورتی که در نیمه‌رسانای غیر ذاتی چنین نیست. نیمه‌رسانای غیر ذاتی با آلاییدن نیمه‌رسانای چهار ظرفیتی با یک عنصر سه یا پنج ظرفیتی پدید می‌آید. نیمه‌رساناهای غیر ذاتی به دو دسته تقسیم می‌شوند.




نوع پی p یا positive یا گیرنده الکترون آزاد (پذیرنده) که در آن تعداد حفره‌ها بیشتر است.
نوع ان n یا negative یا دارنده الکترون آزاد (دهنده) که در آن تعداد الکترون‌ها بیشتر است.

محصولات فروشگاه سورن:
آی سی سی پی یو

مشخصات نیمه‌رساناها

نیمه‌رساناها می‌توانند در شرایط خاصی برق را انتقال دهند. این خصیصه خاص، آن‌ها را به موادی عالی برای هدایت الکتریسیته به صورت کنترل شده تبدیل می‌کند. علی‌رغم رساناها، حامل‌های بار در نیمه‌رساناها فقط به دلیل انرژی خارجی (تحریک حرارتی) پدید می‌آیند. این امر سبب می‌شود تعداد مشخصی از الکترون‌های ظرفیت از شکاف انرژی عبور کرده و به درون نوار هدایت بروند و مقدار برابر از حالت‌های انرژی اشغال‌ نشده، یعنی حفره‌ها را بر جای بگذارند. رسانایی برگرفته از الکترون‌ها و حفره‌ها به اندازه یکسانی مهم است. ویژگی‌ها نیمه‌رساناها به صورت زیر است:

• مقاومت ویژه: ^5-10 تا 10⁶ اهم-متر

• رسانایی: 10⁵ تا ^6-10 مهو بر متر

• ضریب مقاومت دما: منفی

• عبور جریان: بسته به الکترون و حفره

محصولات فروشگاه سورن:
آی سی تاچ

عناصر اصلی نیمه‌رسانا

از عناصر نیمه‌رسانا می‌توان به سلیسیوم و ژرمانیوم که پایه الکترونیک هستند اشاره کرد. سلیسیوم در حالت نرمال نیمه‌رسانا می‌باشد و در جدول تناوبی در گروه چهار اصلی و زیر کربن قرار دارد و چهار ظرفیتی می‌باشد یعنی چهار الکترون در آخرین باند خود دارد. حال اگر یکی از عناصر گروه مجاور را به سلیسیوم بیافزاییم، باعث می‌شویم که سلیسیوم قابلیت رسانایی بالاتری پیدا کند.



اگر عنصر اضافه شده از گروه سوم اصلی باشد مثلاً آلومینیوم، آنگاه ماده بدست آمده نیمه‌رسانای نوع پی P می‌شود و اگر عنصر اضافه شده از گروه پنج اصلی باشد مثلاً آرسنیک، آنگاه ماده بدست آمده نیمه‌رسانای نوع ان N می‌شود. ژرمانیوم از این جهات مانند سیلیسیوم است اما تفاوت‌هایی هم با آن دارد. با افزودن ٪۰/۰۰۱ آرسنیک به ژرمانیوم رسانش آن ۱۰ هزار برابر افزایش پیدا می‌کند!

محصولات فروشگاه سورن:
آی سی بیس باند

خواص نیمه‌رسانا

رسانایی الکتریکی متغیر

نیمه‌رساناها در حالت عادی خود رسانایی الکتریکی ضعیفی دارند به دلیل آن که برای ساخت جریان الکتریکی نیاز به الکترون‌های آزاد است و نوار رسانش نیمه‌رساناها پر است و از ورود الکترون‌های آزاد جلوگیری می‌کنند. متدهای متعددی از قبیل «آلایش» و «اثر میدان یا دروازه سازی» وجود دارد که می‌توان از طریق آن‌ها رسانایی نیمه‌رساناها را مانند مواد رسانا افزایش داد. نتیجه این اصلاحات دو خروجی است: نوع-n و نوع-p. اگر تعداد الکترون‌ها نامیزان باشد مواد تبدیل به رسانا می‌شوند.

هیتروجانکشن یا اتصال ناهمگون (Heterojunction)

Heterojunction یا اتصال‌های ناهمگون وقتی اتفاق می‌افتند که دو ماده نیمه‌رسانا که به‌طور متعدد آلاییده شده‌اند به یکدیگر اتصال شوند. برای مثال زمانی که ژرمانیوم p-آلاییده و n-آلاییده را به هم وصل کنیم. این کار سبب تبادل الکترون و حفره بین دو ماده نیمه‌رسانای آلاییده متعدد می‌شود. ژرمانیوم n-آلاییده تعداد الکترون‌های بیشتر و ژرمانیوم p-آلاییده تعداد حفره‌های بیشتری خواهد داشت. این تبادل تحت روندی به نام «بازترکیب» تا زمان ایجاد تعادل کامل ادامه خواهد داشت. در این روند الکترون‌های مهاجر نوع-n با حفره‌های مهاجر نوع-p در تماس قرار خواهند گرفت. یکی از محصولات این روند ایجاد یون‌های باردار است، که سبب ایجاد میدان الکتریکی می‌شود.

الکترون‌های برانگیخته

اختلاف در پتانسیل الکتریکی در یک نیمه‌رسانا می‌تواند سبب خارج شدن از تعادل گرمایی و قرار گرفتن در یک وضعیت نامتعادل شود. این کار سبب ساخت الکترون و حفره می‌شود، که تحت روندی به نام انشتار امبایپولار (به انگلیسی: Ambipolar Diffusion) با یکدیگر واکنش نشان می‌دهند. هرگاه تعادل گرمایی در یک نیمه‌رسانا به هم بریزد، تعداد الکترون‌ها و حفره‌ها تغییر می‌کند. اختلاف دما یا فوتون‌ها که می‌توانند وارد سیستم شده و الکترون یا حفره ایجاد کنند می‌توانند سبب به هم خوردن این تعادل شوند.

ساطع کردن نور

در برخی نیمه‌رساناها، الکترون‌های برانگیخته برای برگشتن به حالت نرمال به جای تولید حرارت از خود نور ساطع می‌کنند. از این نیمه‌رساناها برای ساخت ال‌ای‌دی‌ها و کوانتوم دات‌ها استفاده می‌گردد.

رسانش گرمایی بالا

از نیمه‌رساناهای با ضریب رسانش گرمای بالا می‌توان برای کاربردهایی که نیاز به دفع بالای گرما است در کاربردهای الکترونیک استفاده کرد.

مبدل انرژی گرمایی

مواد نیمه‌رسانا ضریب توان ترموالکتریک بالایی دارند و برای استفاده در مولدهای ترموالکتریک و کولرهای ترموالکتریک بسیار کاربردی هستند.

محصولات فروشگاه سورن:
خرید آی سی سامسونگ

ساخت ادوات الکترونیکی بوسیله نیمه‌رسانا

طریقه ساخت دیود از نیمه‌رساناها

از پیوند نیمه‌رسانای نوع n با نوع p عنصری به نام دیود بدست می‌آید که خاصیت یکسوسازی آن بیشترین استفاده را در الکترونیک دارد (در دیود هیچ تفاوتی بین اینکه نوع p را با نوع n پیوند دهیم یا نوع n را با نوع p پیوند دهیم وجود ندارد و در هر صورت عنصر بدست آمده دیود خواهد بود)

خاصیت دیود

دیود از نوع سیلیسیم تا ولتاژ حدود ۰/۷ ولت عایق بوده و بعد از آن به یک رسانای خوب تبدیل می‌گردد. این ولتاژ آستانهٔ تحریک برای دیودهای متعدد متفاوت است و مثلاً برای دیودهای ژرمانیومی حدود ۰/۲۵ ولت است؛ یعنی برای روشن شدن دیود سیلیسیومی ۰/۷ ولت نیاز است اما جهت روشن شدن دیود ژرمانیومی ۰/۲۵ ولت لازم است.

روش ساخت ترانزیستور از نیمه‌رساناها

ترانزیستور از پرکاربردترین و اصلی‌ترین عناصر در مدارات الکترونیکی و مجتمع می‌باشد. اگر نوع p را با نوع n و دوباره با نوع p پیوند دهیم عنصر بدست آمده ترانزیستور pnp نام خواهد داشت. برعکس اگر اگر نوع n را با نوع p و دوباره با نوع n پیوند دهیم عنصر بدست آمده ترانزیستور npn نام خواهد داشت که بیشتر از ترانزیستور pnp در صنعت کاربرد دارد.

قراردادن دو الکترون پیش هم باعث تغییر محل اوربیتال‌ها می‌شود و باعث ایجاد پیوند کووالانسی خواهد شد. طبق اصل طرد پاولی هر حالت فقط می‌تواند شامل یک الکترون باشد. این کار می‌تواند با اتم‌های دیگری ادامه یابد. به یاد دارید این فلز است، نه نیم‌رسانا.

ادامه چینش مکعب‌ها بلور را ایجاد می‌کند.

برای این جسم جامد منظم، ساختار نواری می‌تواند محاسبه یا اندازه‌گیری شود.

ساخت تریستور

با اتصال pnpn عنصر بدست آمده تریستور نام خواهد داشت. کلمه تریستور از کلمات ترانزیستور و تیراترون مشتق شده‌ است.

محصولات فروشگاه سورن:
آی سی آیفون

مزایای و معایب قطعات نیمه‌رسانا

مزایا:

برخی از مزایای قطعات نیمه‌رسانا به شرح زیر است:

• از آنجا که قطعات نیمه‌رسانا هیچ رشته‌ای ندارند، بنابراین برای گرم کردن آن‌ها نیازی به توان نیست تا سبب انتشار الکترون شود.
• از آنجا که نیازی به گرمایش نیست، قطعات نیمه‌رسانا به محض روشن شدن مدار کار می‌کنند.
• در هنگام کار، قطعات نیمه‌رسانا هیچ صدای زیاد از حدی تولید نمی‌کنند.
• قطعات نیمه‌رسانا در مقایسه با لوله‌های خلأ در ولتاژ پایین کار می‌کنند.
• مدارهای مربوط به قطعات نیمه‌رسانا به دلیل اندازه‌های کوچک، بسیار جمع و جور هستند.
• قطعات نیمه‌رسانا ضدشوک هستند.
• قطعات نیمه‌رسانا در مقایسه با لوله‌های خلأ ارزان‌تر هستند.
• عمر قطعات نیمه‌رسانا تقریباً نامحدود است.

معایب:

برخی از معایب قطعات نیمه‌رسانا به شرح زیر است:

• سطح نویز در قطعات نیمه‌رسانا در مقایسه با لوله‌های خلأ بیشتر است.
• قطعات نیمه‌رسانا عادی نمی‌توانند به اندازه لوله‌های خلأ معمولی توان داشته باشند.
• در دامنه فرکانس بالا، پاسخگویی ضعیفی دارند.

محصولات فروشگاه سورن:
آی سی تغذیه

سخن آخر

همان‌طور که مطالعه کردید در این مقاله ما به معرفی نیمه‌رسانا‌ها و بررسی آن‌ها پرداختیم. لطفا نظرات خود را با سورن‌استور در میان بگذارید.

فروشگاه آنلاین قطعات موبایل سورن استور؛ با چند سال سابقه‌ی درخشان در توزیع گوشی و فروش قطعات موبایل و لوازم جانبی گوشی و تبلت، لپ تاپ، در سراسر ایران، تقاضای تمام مشتریان جهت دسترسی به قطعات باکیفیت و اصلی را پاسخ‌گو بوده است.

مقالات مرتبط:
معرفی 11 شرکت برتر تولید کننده نیمه رسانا های جهان