برق , مهندسی 340 بازدید

مبانی نیمه‌هادی‌ها

در مدارهای الکتریکی پرکاربردترین قطعه‌ی «پسیو» (passive) مقاومت و پرکاربردترین قطعه‌ی «اکتیو» (active) «دیود» (diode) است. برخلاف مقاومت‌ها، رفتار دیود با ولتاژ اعمالی به آن خطی نیست و منحنی I-V دیود به صورت نمایی است. در نتیجه نمی‌توان عملکرد دیود را به راحتی و مانند مقاومت با استفاده از قانون اُهم بررسی کرد. دیود یک قطعه‌ی نیمه‌هادی است که جریان را تنها در یک جهت عبور می‌دهد و مانند یک شیر الکتریکی یک طرفه عمل می‌کنند. قبل از بررسی نحوه‌‌ی عملکرد دیودهای سیگنال و قدرت، لازم است با مفاهیم اساسی نیمه‌هادی‌ها آشنا شویم.

دیودها از یک ماده‌ی نیمه‌هادی با یک ناحیه‌ی مثبت (P (Positive و یک ناحیه‌ی منفی (N (Negative ساخته شده‌اند. مقدار مقاومت این ماده‌ی نیمه‌هادی، از مقاومت یک هادی بیشتر و از مقاومت یک عایق کمتر است. اما ماهیت نیمه‌هادی‌ها چگونه است؟ برای درک بهتر این موضوع ابتدا نگاهی به هادی‌ها و عایق‌ها می‌اندازیم.

مقاومت الکتریکی

عموماً مقدار مقاومت یک قطعه‌ی الکتریکی طبق قانون اهم و به صورت «نسبت اختلاف پتانسیل دو سر آن به جریان عبوری از آن» تعریف می‌شود. بزرگترین مشکلی که در تعریف مقاومت الکتریکی با استفاده از قانون اهم وجود دارد، وابستگی زیاد آن به اندازه‌ی فیزیکی ماده‌ی مورد اندازه‌گیری علاوه بر جنس ماده‌ی سازنده است. برای مثال، اگر طول ماده را افزایش دهیم، مقاومت آن نیز به همان نسبت افزایش می‌یابد. به همین ترتیب اگر عرض آن را افزایش دهیم (ضخیم‌تر شود) مقدار مقاومت آن کاهش خواهد یافت. لذا می‌خواهیم توانایی یک ماده در هدایت یا مخالفت با جریان را بدون توجه به اندازه و شکل آن مشخص کنیم.

کمیتی که این مقاومت خاص را مشخص می‌کند، «مقاومت ویژه» (Resistivity) نام دارد و با علامت لاتین «ρ»  نشان داده می‌شود. یکای اندازه‌گیری مقاومت ویژه اُهم‌متر (Ω.m) است. رسانایی ویژه (conductivity) معکوس مقاومت ویژه است. مواد مختلف بر اساس مقاومت ویژه‌ای که دارند، به سه دسته‌ی هادی (رسانا)، عایق و نیمه‌هادی تقسیم می‌شوند. در نمودار زیر این موضوع بهتر نشان داده شده‌است:

جدول مقاومت ویژه

توجه کنید مقاومت ویژه‌ی هادی‌هایی مانند طلا و نقره بسیار نزدیک به هم است، اما در مقابل مقاومت ویژه‌ی عایق هایی مانند شیشه و کوآرتز تفاوت بسیار زیادی با هم دارند. همچنین مقدار مقاومت ویژه‌ی هر ماده در یک زمان خاص، به دمای محیط نیز وابستگی زیادی دارد، زیرا فلزات هدایت کننده‌ی گرمایی نیز هستند.

رساناها

از مطالب بالا می‌دانیم رساناها، موادی هستند که مقاومت ویژه‌ی بسیار اندکی دارند (معمولاً در حد چند میکرو اُهم‌متر). این مقاومت کم که ناشی از وجود الکترون‌های آزاد بسیار زیاد در ساختار اتمی آن‌ها است، باعث می‌شود جریان الکتریکی به راحتی از درون رساناها عبور کند. اما این الکترون‌های آزاد تنها در صورتی درون یک هادی جریان می‌یابند که توسط اختلاف پتانسیل الکتریکی تحریک شوند.

با اعمال اختلاف پتانسیل مثبت به دو سر ماده‌ی رسانا، الکرون‌های آزاد از اتم اصلی خود جدا شده، درون ماده حرکت می‌کنند و باعث یک رانش الکترونی به نام «جریان الکتریکی» می‌شوند. با اعمال اختلاف پتانسیل، هرچه جدا کردن الکترون‌ها از اتم‌های تشکیل دهنده‌شان راحت‌تر باشد، آزادی این الکترون‌ها برای حرکت در طول یک رسانا نیز بیشتر خواهد بود. تعداد الکترون‌های جاری شده نیز به مقاومت آن رسانا بستگی دارد.

فلزاتی مانند مس، آلومینیوم، نقره و یا غیرفلزاتی مثل کربن به عنوان رساناهای خوب شناخته می‌شوند. در این مواد به دلیل وجود تعداد الکترون‌های کم در لایه‌ی ظرفیت، این الکترون‌ها به راحتی از لایه‌ی الکترونی کنده می‌شوند. الکترون‌ها با جدا شدن از اتم به‌طور آزادانه در ماده جریان یافته و مانند یک دومینو به اتم‌های دیگر می‌پیوندند؛ و لذا جریان الکتریکی در ماده تولید خواهد شد. همانگونه که در شکل زیر نشان داده شده‌است، مس و آلومینیوم اصلی‌ترین رساناها در تولید کابل‌های الکتریکی هستند.

به‌طورکلی، بیشتر فلزات به دلیل مقاومت ویژه‌ی بسیار کم (معمولاً در حد چند میکرو اُهم‌متر μΩ.m) رسانایی الکتریکی خوبی دارند. اگرچه فلزاتی مانند مس و آلومینیوم رسانایی الکتریکی خوبی دارند، با این حال رسانای ایده‌آلی نبوده و در برابر عبور جریان اندکی مقاومت نشان می‌دهند. مقدار انرژی تلف شده در فرآیند عبور جریان الکتریکی، به شکل گرما ظاهر می‌شود. این گرما علت اصلی گرم شدن رساناها و به ویژه مقاومت‌هاست. همچنین مقاومت رساناها متناسب با دمای محیط افزایش می‌یابد، زیرا هدایت گرمایی بالایی دارند.

عایق‌ها

عایق‌ها اغلب از مواد غیرفلزی ساخته شده‌اند که الکترون‌های آزاد خیلی کمی دارند و یا اصلاً ندارند. زیرا الکترون‌ها در لایه‌ی ظرفیت خارجی به شدت در قید هسته‌ی مثبت بوده و نمی‌توانند آزادانه در ساختار اتم حرکت کنند. لذا اگر اختلاف پتانسیل به دو سر ماده اعمال شود، هیچ جریانی در آن ایجاد نخواهد شد، زیرا الکترون آزادی برای حرکت وجود ندارد.عایق‌ها مقاومت ویژه‌ی بسیار زیادی و در حد چند میلیون اُهم‌متر دارند، و معمولاً تغییرات عادی دما، عایق‌ها را تحت تأثیر قرار نمی‌دهد (اگرچه ماده‌ای مانند چوب که عایق است، در دمای بسیار زیاد به ذغال که یک رسانا است تبدیل می‌شود).

سنگ مرمر، کوآرتز ذوب شده، P.V.C، پلاستیک، کائوچو و … مثال‌های خوبی از عایق هستند.عایق‌ها نقش بسیار مهمی در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی دارند، زیرا بدون آن‌ها مدارهای الکتریکی اتصال کوتاه شده و به خوبی عمل نخواهند کرد. برای مثال عایق‌هایی از جنس شیشه یا چینی در ایزوله کردن و عایق‌بندی کابل‌های انتقال هوایی استفاده می‌شوند، رزین اپوکسی (epoxy-glass resin) در ساخت بردهای مدار چاپی یا PCB کاربرد دارد و PVC برای ایزوله کردن کابل‌های الکتریکی مناسب است.

نیمه‌هادی‌ها

مواد نیمه‌هادی مانند سیلیسیم (Si)، ژرمانیوم (Ge) و گالیم آرسناید (GaAs) ویژگی‌های الکتریکی خاصی دارند که آنها را در دسته‌ای بین رساناها و عایق‌ها قرار می‌دهد. این مواد نه رسانای خوبی هستند و نه عایق خوبی، به همین خاطر است که «نیمه‌هادی» نامیده می‌شوند. این مواد الکترون‌های آزاد بسیار کمی دارند، زیرا اتم‌های آنها به صورت یک شبکه‌ی کریستال و بسیار نزدیک به یکدیگر گروه‌بندی شده‌اند. با این وجود الکترون‌ها تحت شرایط خاصی قادر به جریان یافتن درون ماده هستند. توجه کنید شبکه‌ی بلوری سیلیسیم، سیلیکون نام دارد. هدایت الکتریسیته در نیمه‌هادی‌ها را می‌توان با جایگزینی یا اضافه کردن اتم‌های دهنده (donor) یا پذیرنده (acceptor) به این ساختار کریستالی، بهبود بخشید. با این عمل تعداد الکترون‌های آزاد از تعداد حفره‌ها بیشتر خواهد شد و یا بالعکس. برای این کار به ماده‌ی اصلی که معمولاً سیلیکون یا ژرمانیوم است، درصد کمی ناخالصی اضافه می‌کنند.

از آنجا که سیلیکون و ژرمانیوم به تنهایی ناخالصی ندارند، نیمه‌هادی ذاتی نامیده می‌شوند. اما می‌توان با کنترل مقدار ناخالصی اضافه شده به این نیمه‌هادی‌ها، رسانایی آن‌ها را کنترل کرد. با افزودن ناخالصی‌هایی به نام دهنده و پذیرنده به نیمه‌هادی ذاتی، به ترتیب الکترون آزاد و حفره تولید خواهد شد. فرآیند اضافه کردن اتم‌های دهنده و پذیرنده به اتم‌های نیمه‌هادی (یک اتم ناخالصی به ازای هر 10 میلیون (یا بیشتر) اتم نیمه‌هادی)، «آلایش» (Doping) نام دارد. اتم‌های دهنده و پذیرنده روی هم رفته به نام «ناخالصی» شناخته می‌شوند و می‌توان با ناخالص سازی یک ماده‌ی سیلیکونی (که یک نیمه‌هادی ذاتی است) به وسیله‌ی تعداد مناسبی ناخالصی، آن را به یک نیمه‌هادی تبدیل کرد.

امروزه پرکاربردترین نیمه‌هادی ذاتی سیلیکون است. اتم سیلیسیم در بیرونی‌ترین لایه‌ی الکترونی 4 الکترون ظرفیت داشته و این الکترون‌ها را با اتم سیلیسیم مجاور به اشتراک می‌گذارد تا لایه‌ی ظرفیت هر دو اتم با 8 الکترون پر شود. در پیوند بین دو اتم سیلیسیم، هر اتم با اتم مجاورش یک الکترون به اشتراک گذاشته و باعث پایداری بیشتر پیوند می‌شود. از آنجا که الکترون‌های آزاد بسیار کمی برای حرکت درون بلور سیلیکونی وجود دارد، در نتیجه بلورهای سیلیکونی یا ژرمانیومی خالص، عایق‌های بسیار خوبی هستند و یا حداقل اینکه مقاومت بسیار زیادی دارند.

اتم‌های سیلیسیم به صورت متقارن در کنار یکدیگر قرار گرفته و یک ساختار بلوری مستحکم ایجاد می‌کنند. بلوری از سیلیس خالص (سیلیسیم دی‌اکسید یا شیشه) عموماً به عنوان یک کریستال ذاتی (بدون هیچ ناخالصی) شناخته می‌شود و در نتیجه هیچ الکترون آزادی ندارد. در نتیجه نمی‌توان به راحتی و با اتصال یک منبع تغذیه به بلور سیلیکونی، در آن جریان الکتریکی ایجاد کرد. اما ایجاد یک قطب مثبت (positive) و یک قطب منفی (negative) درون سیلیکون، باعث جاری شدن الکترون‌ها و در نتیجه تولید جریان الکتریکی توسط سیلیکون خواهد شد. این قطب‌ها با آلایش سیلیکون و افزودن ناخالصی‌های معینی به آن تولید می‌شوند. شکل پایین ساختار و شبکه‌ی یک بلور خالص و طبیعی از سیلیکون‌ها را نشان می‌دهد.

مبانی نیمه‌هادی نوع N

با افزودن تعدادی اتم ناخالصی از نوع آرسنیک، آنتیموان یا فسفر به ساختار بلوری، بلور سیلیکون توانایی هدایت الکریسیته پیدا خواهد کرد و به یک «نیمه‌هادی غیرذاتی» تبدیل می‌شود. در بیرونی‌ترین مدار الکترونی این اتم‌ها، پنج الکترون وجود دارد که قابلیت به اشتراک گذاری با اتم‌های مجاور دارند؛ به همین علت معمولاً به عنوان «ناخالصی‌های پنج‌ظرفیتی» شناخته می‌شوند. از بین پنج الکترون ظرفیتی، چهار الکترون با سیلیسیم‌های مجاور پیوند برقرار کرده و یک الکترون آزاد باقی می‌ماند. با اعمال اختلاف پتانسیل، این الکترون آزاد از مدار والانس یک اتم به اتم دیگر حرکت نامنظمی دارد و ساکن نیست. از آن‌جایی که هر اتم ناخالصی یک الکترون «می‌دهد»، اتم‌های پنج‌ظرفیتی به عنوان «اتم‌های دهنده» شناخته می‌شوند.

آنتیموان (با نماد اتمی Sb) و فسفر (با نماد اتمی P) به عنوان اتم‌های پنج‌ظرفیتی به سیلیسیم افزوده می‌شوند. اتم آنتیموان 51 الکترون دارد که در پنج لایه‌ی الکترونی اطراف هسته قرار گرفته‌اند و لایه‌ی ظرفیت آن پنج الکترون دارد. از آنجا که نیمه‌هادی‌های تولید شده در اثر این فرآیند، الکترون‌های اضافی با بار منفی دارند، نیمه‌هادی‌  نوع N نامیده می‌شوند. در این نیمه‌هادی‌ها، الکترون‌ها «حامل‌های اکثریت» بوده و حفره‌های تولید شده، «حامل‌های اقلیت» نامیده می‌شوند.

با تحریک نیمه‌هادی توسط یک منبع تغذیه‌ی خارجی، تعدادی الکترون از اتم‌های سیلیسیم جدا شده و به سرعت الکترون‌های آزاد متعلق به اتم‌های آنتیموان، جانشین آنها می‌شوند. البته این عمل باعث ایجاد یک الکترون اضافی می‌شود که این الکترون در طول کریستال حرکت کرده و بار منفی ایجاد می‌کند. در نیمه هادی نوع N، چگالی اتم‌های دهنده بسیار بیشتر از چگالی اتم‌های پذیرنده است. در نتیجه تعداد الکترون ها بسیار بیشتر از حفره ها بوده و باعث ایجاد یک قطب منفی می‌شود.

اتم آنتیموان و آلایش آن

مبانی نیمه‌هادی نوع P

از آنجایی که ناخالصی‌هایی مانند آلومینیوم، بور و ایندیم در لایه‌ی ظرفیت خود تنها سه الکترون دارند، «ناخالصی سه ظرفیتی» نامیده می‌شوند. با افزودن این نوع ناخالصی به ساختار بلوری، چهارمین پیوند بسته، شکل نخواهد گرفت. در نتیجه، پیوند کاملی برقرار نخواهد شد و در ساختار کریستالی فراوانی حفره‌ها یا حامل‌های بار مثبت بیشتر از الکترون‌ها خواهد بود.

با پدید آمدن حفره در بلور سیلیکون، الکترون مجاوری جذب آن شده و با حرکت به داخل حفره، آن را پر خواهد کرد. اگرچه الکترونی که حفره را پر می‌کند، حفره‌ی دیگری به وجود می‌آورد. به همین ترتیب، الکترون دیگری جذب حفره‌ی جدید شده و حفره‌ی دیگری تولید خواهد شد. با رخ دادن این سلسله اتفاقات، به نظر خواهد رسید حفره‌ها به عنوان بار مثبت در ساختار بلوری حرکت می‌کنند (جریان قراردادی).

حرکت حفره‌ها باعث کمبود الکترون در بلور سیلیکون شده و آن را تبدیل به قطب مثبت می‌کند. از آن جایی که ناخالصی‌های سه‌ظرفیتی به صورت پیوسته الکترون‌های آزاد یا اضافی را می‌پذیرند، به عنوان «ناخالصی پذیرنده» شناخته می‌شوند. اتم بور (با نماد B) دارای پنج الکترون است که در سه لایه‌ی الکترونی اطراف هسته قرار گرفته‌اند و لایه‌ی ظرفیت آن تنها سه الکترون دارد. تزریق اتم بور به عنوان ناخالصی سه‌ظرفیتی باعث تولید نیمه‌هادی نوع P می‌شود. در این نوع نیمه‌هادی‌ها تعداد حفره ها بسیار بیشتر از الکترون هاست، در نتیجه حفره‌ها حامل‌های اکثریت و الکترون‌های آزاد حامل‌های اقلیت خواهند بود.

اتم بور و آلایش آن

خلاصه‌ی مبانی نیمه‌هادی‌ها

نوع N (به‌طور مثال آلایش شده به‌وسیله‌ی آنتیموان)

این نیمه‌هادی‌ها با افزودن اتم‌های ناخالصی پنج‌ظرفیتی (اتم‌های دهنده) به وجود می‌آیند و به دلیل هدایت جریان با حرکت الکترون‌ها، نیمه‌هادی نوع N نامیده می‌شوند.
در این نوع نیمه‌هادی‌ها:

  1. 1. اتم‌های دهنده بار مثبت دارند.
  2. تعداد بسیار زیادی الکترون آزاد وجود دارد.
  3. در مقایسه با تعداد الکترون‌های آزاد، تعداد حفره‌ها بسیار کم است.
  4. آلایش نیمه‌هادی، اتم‌های دهنده با بار مثبت و الکترون‌های آزاد با بار منفی ایجاد می‌کند.
  5. تأمین انرژی الکترون‌های آزاد با بار منفی و حفره‌هایی با بار مثبت ایجاد می‌کند.

نوع P (به‌طور مثال آلایش شده به‌وسیله‌ی بور)

این نیمه‌هادی‌ها با افزودن اتم‌های ناخالصی سه‌ظرفیتی (اتم‌های پذیرنده) به وجود می‌آیند و به دلیل هدایت جریان با حرکت حفره‌ها، نیمه‌هادی نوع P نامیده می‌شوند.
در این نوع نیمه‌هادی‌ها:

  1. اتم‌های پذیرنده بار منفی دارند.
  2. تعداد بسیار زیادی حفره وجود دارد.
  3. در مقایسه با تعداد حفره‌ها، تعداد الکترون‌های آزاد بسیار کم است.
  4. آلایش نیمه‌هادی، اتم‌های پذیرنده با بار منفی و حفره‌هایی با بار مثبت ایجاد می‌کند.
  5. تأمین انرژی، حفره‌هایی با بار مثبت و الکترون‌های آزاد با بار منفی ایجاد می‌کند.
  6. در کل هر دو نیمه‌هادی نوع N و P به خودی خود خنثی هستند.

آنتیموان (Sb) و بور (B) شبه فلزاتی هستند که به دلیل در دسترس بودن، نسبت به دیگر ناخالصی‌ها در عمل آلایش، کاربرد بیشتری دارند. اگرچه عناصر سه‌ظرفیتی و پنج‌ظرفیتی مختلفی در جدول تناوبی وجود دارد که برای عمل آلایش نیمه‌هادی‌ها مناسب هستند، می‌توان با استفاده از عناصر شیمیایی مختلف و افزودن آن‌ها به عنصر پایه‌ای سیلیسیم یا ژرمانیوم، انواع مختلفی از نیمه‌هادی‌ها را تولید کرد. از این مواد در ساخت قطعات الکترونیکی مختلف، میکروپروسسورها و سلول‌های خورشیدی استفاده می‌شود.

جدول تناوبی نیمه‌هادی‌ها

عناصر گروه 15 عناصر گروه 14 عناصر گروه 13
5 الکترون در بیرونی‌ترین لایه

(بار منفی)

4 الکترون در بیرونی‌ترین لایه

(خنثی)

3 الکترون در بیرونی‌ترین لایه

(بار مثبت)

(6)

کربن (C)

(5)

بور (B)

(15)

فسفر (P)

(14)

سیلیسیم (Si)

(13)

آلومینیوم (Al)

(33)

آرسنیک (As)

(32)

ژرمانیوم (Ge)

(31)

گالیم (Ga)

(51)

آنتیموان (Sb)

امیدواریم این مقاله مورد توجه شما قرار گرفته باشد. اگر به مطالعه بیشتر در این زمینه علاقه‌مند هستید، مطالب زیر را به شما پیشنهاد می‌کنیم:

#

بر اساس رای 3 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *