پیشگفتار:
از پیشرفت‌های مهندسی گرفته تا کاربردهای پزشکی یا ژئوپلیتیک، نیمه‌هادی‌ها نقشی اساسی دارند. نیمه‌هادی‌ها به‌طور باورنکردنی در زندگی ما تأثیرگذار هستند. ما همیشه در میان آنها هستیم، یا مستقیماً از آنها استفاده می‌کنیم یا از آنها سود می‌بریم.
برای درک نحوه عملکرد قطعات الکترونی‌ای چون دیودها، ترانزیستورها یا هر مدار مجتمع‌ای، ابتدا باید فهمید که نیمه‌هادی چیست. پیشتر در مطلبی با عنوان تعریف قطعه الکترونیکی چیست؟ به تعریف قطعات الکترونیکی پرداختیم که در صورت نیاز می‌توانید از آن نیز بازدید نمایید.
در این نوشتار پاسخ به این سوال که نیمه‌هادی چیست داده شده و کمی از این هم فراتر رفته‌ایم و برخی مسائل دیگر را که بعدا برای درک نحوه کار دیود و ترانزیستور به آن نیاز داریم را نیز تشریح کرده‌ایم. لازم به ذکر است که در صورت تمایل به تهیه قطعات الکترونیکی نیمه‌هادی می‌توانید از دسته مربوطه در فروشگاه کهرنیک (نیمه‌هادی‌ها) دیدن نمایید.
نیمه‌هادی چیست و علت اهمیت آن
جواب سریع به سوال نیمه‌هادی چیست این است که: نیمه‌هادی (نیمه‌رسانا یا نیم‌رسانا) ماده‌ای است که در توانایی هدایت جریان الکتریکی، بین هادی (رسانا) و عایق قرار دارد. برای اینکه مطلب روشن‌تر شود باید کمیتی به نام مقاومت ویژه را تعریف کنیم و سپس براساس آن متوجه خواهید شد که چرا نیمه‌هادی را بین هادی و عایق (از نظر توانایی هدایت الکتریکی) دسته‌بندی می‌کنند که در ادامه در این ارتباط صحبت خواهیم کرد.
اما در ارتباط با این موضوع که علت اهمیت نیمه‌هادی چیست، در بحث ما در الکترونیک؟ پاسخ اینکه در بسیاری از موارد، خواص رسانایی نیمه‌هادی‌ها ممکن است با وارد کردن ناخالصی‌ها (اضافه کردن یک عنصر دیگر) به ساختار کریستالی نیمه‌هادی مد نظر تغییر یابد و همین مساله است که آنها را در الکترونیک پراهمیت ساخته است. در واقع شما با دستکاری ساختار یک نیمه‌هادی طبیعی می‌توانید ویژگی‌های الکتریکی، نوری یا ساختاری آن را کنترل کنید لذا قطعاتی با خصوصیات مختلف و مورد نظرتان تولید نمایید.
قطعات (ساخته‌شده با مواد) نیمه‌هادی می‌توانند طیف وسیعی از خواص مفید مختلف را نشان‌دهند، مانند عبور جریان به راحتی در یک جهت نسبت به جهت دیگر، نشان دادن مقاومت متغیر و حساسیت به نور یا گرما و غیره. همچنین می‌توان از این قطعات برای تقویت، سوئیچینگ، تبدیل انرژی و ... استفاده کرد.
برخی از نمونه‌های نیمه‌هادی‌ها عبارتند از سیلیکون، ژرمانیوم، آرسنید گالیم و عناصر شبه‌فلز (Metalloid) در جدول تناوبی. پس از سیلیکون، آرسنید گالیم دومین نیمه‌هادی رایج است و در دیودهای لیزر، سلول‌های خورشیدی، مدارهای مجتمع فرکانس بالا (باند مایکروویو) و غیره استفاده می‌شود. سیلیکون یک عنصر حیاتی برای ساخت اکثر مدارهای الکترونیکی است.
چند تعریف
حامل‌های بار الکتریکی (Charge Carriers): در فیزیک حالت جامد، حامل بار به ذره یا شبه‌ذره‌ای گفته می‌شود که آزادانه حرکت می‌کند و حامل بار الکتریکی است! نمونه‌های حاملان بار عبارتند از: الکترون‌ها، یون‌ها و حفره‌ها.
حفره: در فیزیک، شیمی و مهندسی الکترونیک، حفره الکترونی (اغلب برای سادگی "حفره" نامیده می‌شود) یک شبه‌ذره است که نشان‌دهنده فقدان الکترون در مکانی (در یک اتم یا شبکه اتمی) است که می‌توانست در آن مکان یک الکترون باشد (به‌طور ساده فرض کنید الکترونی از لایه آخر یک اتم به هر دلیلی جدا شود و الکترون آزاد شود، در آن موقعیت (لایه آخر آن اتم) می‌توانست یک الکترون باشد که دیگر نیست، به جای خالی آن حفره گویند).
دوپینگ (Doping): وارد کردن عمدی ناخالصی‌ها به یک نیمه‌هادی طبیعی به منظور دستکاری خواص الکتریکی، نوری و ساختاری آن عمل دوپینگ نامیده می‌شود. توجه شود دوپینگ تعداد حامل‌های بار درون کریستال (حال ممکن است الکترون باشد یا حفره) را به‌شدت افزایش می‌دهد. در واقع به همین دلیل است که باعث تغییر در میزان رسانایی یک نیمه‌هادی طبیعی می‌شود.
نیمه‌هادی ذاتی (Intrinsic semiconductor): یک نیمه‌رسانای ذاتی که به آن نیمه‌هادی خالص، نیمه‌هادی دوپ‌نشده یا نیمه‌هادی نوع i نیز گفته می‌شود، نیمه‌هادی‌ای است که هیچ‌گونه ناخالصی قابل توجهی در آن وجود ندارد (عمل دوپینگ روی آن انجام نشده و به‌صورت طبیعی در دسته مواد نیمه‌هادی قرار می‌گیرد).
نیمه‌هادی غیرذاتی (Extrinsic semiconductor): همان‌طور که اکنون دیگر واضح است، نیمه‌هادی جدید ایجاد شده بعد از فرآیند دوپینگ را نیمه‌هادی غیرذاتی می‌نامند.
مقاومت ویژه
تا اینجا متوجه شدیم که نیمه‌هادی چیست: به ماده‌ای گفته می‌شود که ویژگی‌های آن چیزی بین مواد "رسانا" و مواد "عایق" می‌باشد، در واقع ماده‌ای است که هم برخی از خواص عایق‌ها و هم برخی از خواص هادی‌ها را دارد (از این رو از پیشوند Semi، به معنای نیمه یا جزئی، قبل از کلمه هادی (conductor) برای آن استفاده شده است که می‌شود نیمه-هادی (Semi-conductor)).
همان‌طور که می‌دانیم در مواد رسانا (مانند فلزات) جریان الکتریکی به‌خوبی از آنها عبور می‌کند درحالی‌که در مواد عایق (مانند سرامیک‌ها) جریان الکتریکی به‌سختی امکان عبور دارد. سهولت عبور جریان الکتریکی به میزان مقاومت الکتریکی ماده مربوط می‌شود. اگر مقاومت الکتریکی زیاد باشد، جریان به‌سختی جریان می‌یابد و اگر مقاومت الکتریکی ماده کم باشد، جریان الکتریکی به‌راحتی جریان می‌یابد.
مقاومت الکتریکی یک قطعه یا دستگاه الکتریکی یا الکترونیکی به‌طور کلی به‌عنوان نسبت اختلاف ولتاژ در دو سر آن به جریان عبوری از آن تعریف می‌شود، براساس قانون اهم. مشکل استفاده از مقاومت به عنوان یک معیار برای دسته‌بندی مواد به هادی، نیمه‌هادی و عایق این است که نه‌تنها این کمیت وابسته است به جنس ماده‌ای که تحت بررسی قرار دارد، بلکه بستگی زیادی به اندازه فیزیکی آن نیز دارد.
به‌عنوان مثال، اگر بخواهیم طول ماده را افزایش دهیم (آن را طولانی‌تر کنیم)، مقاومت آن نیز (متناسب با میزان افزایش طول) افزایش می‌یابد. به همین ترتیب، اگر ابعاد سطح مقطع آن را افزایش دهیم (آن را ضخیم‌تر کنیم)، مقدار مقاومت آن کاهش می‌یابد.
درحالی‌که ما به دنبال این هستیم که بتوانیم معیاری داشته باشیم برای نشان‌دادن میزان توانایی مواد در هدایت جریان الکتریکی یا ممانعت از عبور آن، بدون توجه به اندازه یا شکل ماده (یعنی این معیار وابسته به طول و یا ابعاد سطح مقطع ماده مورد آزمایش ما نباشد).
کمیتی که برای این منظور استفاده می‌شود، مقاومت ویژه نامیده و نماد یونانی ρ (Rho) به آن داده می‌شود. واحد مقاومت ویژه اهم در متر (Ω.m) است. مقاومت ویژه معکوس رسانایی (Conductivity، کمیتی دیگر) می‌باشد.
اگر مقاومت ویژه مواد مختلف با هم مقایسه شود، می‌توان آنها را به سه گروه اصلی رسانا، عایق و نیمه‌رسانا طبقه‌بندی کرد که در تصویر زیر نشان داده شده است.
کمی بیشتر در مورد نیمه‌هادی
تا اینجا به‌شکل‌های مختلف بیان شد که نیمه‌هادی چیست، که مواد نیمه‌هادی مانند سیلیکون (Si)، ژرمانیوم (Ge) و گالیم آرسنید (GaAs)، دارای خواص الکتریکی در جایی در وسط، بین خواص الکتریکی یک "رسانا" و یک "عایق" هستند. آنها هادی و عایق خوبی نیستند (از این رو نام آنها "نیمه‌هادی" است). آنها الکترون‌های آزاد بسیار کمی دارند، زیرا اتم‌های آنها در یک الگوی کریستالی به نام شبکه کریستالی در کنار هم قرار گرفته‌اند، اما الکترون‌ها هنوز می‌توانند جریان داشته باشند، البته فقط در شرایط خاص.
سیلیکون (Si) و ژرمانیوم (Ge) مواد نیمه‌هادی شناخته‌شده‌ای هستند که به‌عنوان نیمه‌رسانای ذاتی طبقه‌بندی می‌شوند (تا زمانی‌که کریستال‌های خالص باشند یعنی دستی در آنها برده نشده باشد). در این شرایط این مواد به عایق‌ها نزدیک هستند، اما همان‌طور که گفته شد با افزودن مقدار مشخصی از یک ماده دیگر (که به آن ناخالصی (Impurity) می‌گوییم و یا آلاینده (Dopant)) به این ماده نیمه‌هادی ذاتی می‌توان رسانایی آن را کنترل کرد. یعنی با افزودن درصد کمی از یک عنصر دیگر به ماده پایه، که سیلیکون یا ژرمانیوم است.
ناخالصی‌ها در دو دسته قرار می‌گیرند: دهنده (ِDonor) و پذیرنده (Acceptor). توضیح خلاصه آن‌که در صورتی که از ناخالصی دهنده استفاده شود حامل‌های بار الکتریکی از نوع الکترون در نیمه‌هادی افزایش پیدا می‌کند و به نیمه‌هادی غیرذاتی جدید، نیمه‌هادی نوع N گویند. اما اگر از ناخالصی پذیرنده استفاده شود حامل‌های بار الکتریکی از نوع حفره در نیمه‌هادی افزایش پیدا می‌کند و به نیمه‌هادی غیرذاتی جدید، نیمه‌هادی نوع P گویند. بررسی دقیق‌تر در ادامه ارائه خواهد شد.
متداول‌ترین ماده اولیه نیمه‌هادی که تاکنون استفاده می‌شود سیلیکون است. سیلیکون دارای چهار الکترون ظرفیتی در بیرونی‌ترین لایه خود است که با اتم‌های سیلیکون همسایه‌اش به اشتراک گذاشته می‌شود تا اوربیتال کامل هشت الکترونی را تشکیل دهد (برای درک بهتر به تصاویر زیر مراجعه شود). ساختار پیوند بین دو اتم سیلیکون به‌گونه‌ای است که هر اتم یک الکترون با همسایه خود به اشتراک می‌گذارد و پیوند را بسیار پایدار می‌کند.
از آنجایی که الکترون‌های آزاد بسیار کمی برای حرکت در اطراف کریستال سیلیکون وجود دارد، بلورهای سیلیکون خالص (یا ژرمانیوم) عایق‌های خوبی هستند، یا حداقل مقاومت‌های بالایی دارند. اتم‌های سیلیکون در یک الگوی متقارن مشخص قرار گرفته‌اند که آنها را به یک ساختار جامد کریستالی تبدیل می‌کند و در این شرایط اتصال یک کریستال سیلیکون به منبع تغذیه برای استخراج جریان الکتریکی از آن کافی نیست.
تصویری از کریستال سیلیکون که دارای الکترون‌های آزاد است و در بخش زیر علت آن توضیح داده شده است.
تشریح ساختار کریستال سیلیکون: هر اتم سیلیکون 4 الکترون لایه ظرفیت خود را با 4 اتم کناری به اشتراک می‌گذارد.
درباره الکترون‌های آزاد سیلیکون
تاکنون در این متن با این عبارت مواجه شدید که در کریستال سیلیکون الکترون‌های آزاد بسیار کمی وجود دارد، شاید این سوال برای شما پیش آمده باشد که با توجه به اینکه گفته شد هر اتم سیلیکون 4 الکترون لایه ظرفیت خود را با چهار اتم کناری خود به اشتراک گذاشته است، پس چگونه در کریستال آن الکترون‌های آزاد بسیار کمی وجود دارد (و نمی‌گوییم اصلا وجود ندارد)؟
در پاسخ به این سوال باید گفت (مطابق تصویر بالا سمت راست (تصویر اول)): در دمای اتاق، انرژی حرارتی موجود در هوا باعث ارتعاش اتم‌های کریستال سیلیکون می‌شود. این ارتعاشات الکترون را از مدار ظرفیت خارج می‌کند. این الکترون آزاد به‌طور تصادفی در سراسر کریستال شروع به حرکت می‌کند. خروج الکترون یک جای خالی در مدار ظرفیت ایجاد می‌کند که می‌دانیم به آن حفره می‌گویند.
در واقع با وجود اینکه در کل ساختار الکترون آزاد اضافه یا حفره اضافه وجود ندارد. اما آن‌گونه که گفته شد کریستال سیلیکون دارای الکترون‌های آزاد بسیار کمی می‌باشد.
نیمه‌هادی نوع N
برای اینکه کریستال سیلیکون ما رسانای الکتریسیته باشد، می‌توان یک ناخالصی مانند یک اتم آرسنیک (As)، آنتیموان (Sb) یا فسفر (P) را وارد ساختار کریستالی نماییم و آن را نیمه‌هادی غیرذاتی کنیم. این 3 عنصر (عناصری از گروه 5 جدول تناوبی) دارای پنج الکترون در بیرونی‌ترین مدار خود هستند که می‌توانند با اتم‌های همسایه به اشتراک بگذارند و معمولاً ناخالصی‌های پنج‌ظرفیتی (Pentavalent) نامیده می‌شوند.
پس از اضافه شدن، این کار به چهار الکترون از پنج الکترون مداری عنصر ناخالصی اجازه می‌دهد تا با اتم‌های سیلیکون (که عنصری از گروه 4 بوده و دارای چهار الکترون در باند ظرفیت است) همسایه خود پیوند برقرار کنند و یکی از الکترون‌های ظرفیت فسفر آزاد می‌شود و لذا یک "الکترون آزاد" خواهیم داشت. از آنجایی که هر اتم ناخالصی یک الکترون "اهدا" می‌کند، اتم‌های پنج ظرفیتی به‌طور کلی به‌عنوان "دهنده" شناخته می‌شوند.
آنتیموان (Sb) و همچنین فسفر (P)، اغلب به‌عنوان یک افزودنی پنج ظرفیتی به سیلیکون استفاده می‌شوند. آنتیموان دارای 51 الکترون است که در 5 لایه در اطراف هسته آن قرار گرفته‌اند که بیرونی‌ترین اوربیتال دارای 5 الکترون است.
پس واضح است که با افزودن تعداد بیشتری از اتم‌های ناخالصی الکترون‌های آزاد بیشتری در ساختار کریستال ایجاد خواهد شد. حال اگر یک منبع انرژی خارجی (منبع تغذیه) به این نیمه‌هادی غیرذاتی اعمال شود، این الکترون‌های آزاد به سمت الکترود "+" جذب می‌شوند و حرکت می‌کنند، لذا جریان الکتریکی جریان می‌یابد.
نیمه‌هادی غیرذاتی‌ای که به این شیوه ایجاد می‌شود، یعنی افزودن یک ناخالصی دهنده، نیمه‌هادی نوع N نامیده می‌شود که همان‌طور که مشاهده شد در ساختار آن الکترون آزاد ایجاد گردید بنابراین حامل‌های بار الکتریکی در آن الکترون‌ها می‌باشند.
اتم فسفر 4 الکترون از 5 الکترون لایه ظرفیت خود را با 4 اتم سیلیکون کناری به اشتراک گذاشته و 1 الکترون آزاد خواهیم داشت.
تصویر متحرکی از چگونگی ایجاد الکترون آزاد پس از اضافه کردن فسفر به کریستال سیلیکون - نحوه تشکیل نیمه‌هادی نوع N.
نیمه‌هادی نوع P
اگر شیوه دیگری در پیش بگیریم و ناخالصی "سه ظرفیتی" (Trivalent) را به ساختار کریستالی وارد کنیم، مانند آلومینیوم (Al)، بور (B) یا ایندیم (In) که تنها سه الکترون ظرفیتی در بیرونی‌ترین اوربیتال خود دارند، پیوند چهارم نمی‌تواند وجود داشته باشد (سه الکترون لایه ظرفیت ناخالصی با 3 الکترون، هرکدام متعلق به یک سیلیکون پیوند برقرار می‌کند و پیوندی با چهارمین سیلیکون نمی‌تواند برقرار شود چون کمبود الکترون وجود دارد).
بنابراین، اتصال کامل امکان‌پذیر نیست و فقدان الکترون در این موقعیت (که همان‌طور که در ابتدا تعریف کردیم به آن حفره می‌گویند) خواهیم داشت. پس در واقع افزودن این نوع از ناخالصی به ساختار کریستال باعث ایجاد حفره گردید. از آنجایی که هر اتم ناخالصی یک حفره ایجاد می‌کند، ناخالصی‌های سه ظرفیتی به‌طور کلی به‌عنوان "پذیرنده" شناخته می‌شوند زیرا الکترون‌ها را می‌پذیرند.
بور معمولاً به‌عنوان یک افزودنی سه ظرفیتی استفاده می‌شود زیرا فقط پنج الکترون دارد که در سه لایه در اطراف هسته خود قرار گرفته‌اند و بیرونی‌ترین اوربیتال فقط سه الکترون دارد.
حال اگر یک منبع انرژی خارجی (منبع تغذیه) به این نیمه‌هادی غیرذاتی اعمال شود، الکترون همسایه به سمت حفره حرکت می‌کنند و سعی در پر کردن آن دارد، اما در این حالت مکانی که الکترون همسایه در آن حضور داشت حالا تبدیل به یک حفره جدید می‌شود و این به‌نوبه خود الکترون دیگری را جذب می‌کند که به‌نوبه خود حفره دیگری ایجاد می‌کند و به نظر می‌رسد حفره‌ها به ترتیب به سمت الکترود "–" حرکت می‌کنند لذا جریان الکتریکی جریان می‌یابد.
نیمه‌هادی غیرذاتی‌ای که به این شیوه ایجاد می‌شود، یعنی افزودن یک ناخالصی پذیرنده، نیمه‌هادی نوع P نامیده می‌شود که همان‌طور که مشاهده شد در ساختار آن حفره ایجاد گردید بنابراین حامل‌های بار الکتریکی در آن حفره‌ها می‌باشند.
اتم بور 3 الکترون لایه ظرفیت خود را با 3 اتم سیلیکون کناری به اشتراک گذاشته و 1 جای خالی (حفره) خواهیم داشت.
تصویر متحرکی از چگونگی ایجاد حفره پس از اضافه کردن بور به کریستال سیلیکون - نحوه تشکیل نیمه‌هادی نوع P.
نیمه‌هادی مرکب چیست؟
نیمه‌هادی‌های مرکب نیمه‌هادی‌هایی هستند که از دو یا چند عنصر ساخته می‌شوند. سیلیکون از یک عنصر ساخته شده و بنابراین یک نیمه‌هادی مرکب نیست.
اکثر نیمه هادی‌های مرکب از ترکیب عناصر گروه III و گروه V جدول تناوبی عناصر (GaAs، GaP، InP و غیره) هستند. سایر نیمه‌هادی‌های مرکب از گروه‌های II و VI (CdTe، ZnSe و ...) ساخته شده‌اند. همچنین می‌توان از عناصر مختلف از درون یک گروه (IV) برای ساختن نیمه‌هادی‌های مرکب مانند SiC استفاده کرد.
در گذشته، نیمه‌رساناهای مرکب در کاربردهای تجاری گسترده و حجم بالای تولید (آن‌گونه که برای سیلیکون استفاده می‌شود) استفاده نمی‌شد. تولید این کریستال‌ها سخت‌تر از سیلیکون است. تعداد عیوب در آنها بیشتر و هزینه ساخت نیز بالاتر است. نیمه‌هادی‌های مرکب شکننده‌تر نیز هستند. همه این عوامل رشد نیمه‌هادی‌های مرکب را برای استفاده تجاری محدود کرده بودند.
بااین‌حال، در سال‌های اخیر، هزینه ساخت نیمه‌هادی های مرکب کاهش یافته است. هنوز هم بسیار بالاتر از سیلیکون است، اما در عین حال، خواص ویژه این کریستال‌ها برای کاربردهای خاص اهمیت بیشتری یافته است. نیمه‌هادی های مرکب به‌دلیل خواص اساسی مواد خود، می‌توانند کارهایی را انجام دهند که به سادگی با سیلیکون امکان پذیر نیست.
به‌عنوان مثال، GaAs، InP، InGaAlP، و غیره به‌طور معمول برای دستگاه‌های فرکانس بالا و دستگاه‌های نوری استفاده می‌شوند.
در سال‌های اخیر، InGaN به‌عنوان ماده‌ای برای LEDهای آبی و دیودهای لیزری مورد توجه قرار گرفته است، و SiC و GaN به‌عنوان مواد برای نیمه‌هادی‌های توان جلب توجه کرده و تجاری شده‌اند.
چند نکته
چند مطلب را نکته‌وار بیان می‌کنیم تا در صورت تمایل در مورد آنها به بررسی بپردازید:
- خواص الکتریکی یک ماده نیمه‌هادی را به غیر از دوپینگ می‌توان با اعمال میدان‌های الکتریکی یا نور نیز تغییر داد.
- جدا از دوپینگ، رسانایی یک نیمه‌هادی را می‌توان با افزایش دمای آن بهبود بخشید. این برخلاف رفتار یک فلز است که در آن رسانایی با افزایش دما کاهش می یابد.
- نسبت دوپینگ نمونه‌ای 1 در 10 میلیون است، یعنی 1 اتم ناخالصی در هر 10 میلیون اتم نیمه‌هادی.
پسگفتار
امیدوارم علاوه بر رسیدن به پاسخ این سوال که نیمه‌هادی چیست، در این نوشتار کمی بیشتر نیز با آن آشنا شده باشید. این مطلب پایه‌ای اساسی برای سایر مطالبی است که بعدتر در ارتباط با دیود، ترانزیستور و مدارهای مجتمع منتشر خواهیم کرد.
در صورت داشتن هرگونه سوالی در ارتباط با این مطلب با ما از طریق بخش نظرات در پایین همین صفحه در ارتباط باشید.
عالی بود دمتون گرم
سلامت باشید، ممنون از شما