Warning: Trying to access array offset on value of type bool in /home/disanoor/public_html/wp-content/plugins/elementor-pro/modules/dynamic-tags/tags/post-featured-image.php on line 36

Warning: Trying to access array offset on value of type bool in /home/disanoor/public_html/wp-content/plugins/elementor-pro/modules/dynamic-tags/tags/post-featured-image.php on line 36

Warning: Trying to access array offset on value of type bool in /home/disanoor/public_html/wp-content/plugins/elementor-pro/modules/dynamic-tags/tags/post-featured-image.php on line 36

Warning: Trying to access array offset on value of type bool in /home/disanoor/public_html/wp-content/plugins/elementor-pro/modules/dynamic-tags/tags/post-featured-image.php on line 36

نیمه هادی چیست ؟


Warning: Trying to access array offset on value of type bool in /home/disanoor/public_html/wp-content/plugins/elementor-pro/modules/dynamic-tags/tags/post-featured-image.php on line 36

چکیده:

نیمه هادی‌ها پایه علم الکترونیک محسوب می‌شوند و ساخت بسیاری از قطعات الکترونیکی مانند: دیودها، ترانزیستورها و حتی اختراع رایانه مرهون ظهور نیمه هادی‌ها است. برای درک بیشتر رفتار قطعات در مدارات الکترونیکی بهتر است ابتدا با ساختار مواد نیمه هادی آشنا شویم. در ساخت قطعات الکترونیکی به نوع نیمه هادی دقت ویژه‌ای می شود. به عنوان مثال در دیودهای ساطع کننده نور به دلیل اثر مستقیم انرژی (انرژی لازم برای ایجاد الکترون آزاد در نیمه هادی برای انتقال جریان) بر تابش نور و همچنین اثر افزایش دما بر انرژی، در صنعت هر روزه به دنبال ساخت ترکیبات نیمه هادی جدیدی با انرژی بالاتر هستند.

مهم ترین ویژگی نیمه هادی ها  که آن ها را از سایر مواد رسانا و عایق متمایز می کند؛ کنترل رسانایی آن ها توسط انسان است. رسانایی الکتریکی نیمه هادی ها با اضافه کردن ناخالصی به بلور نیمه هادی خالص (نیمه هادی ذاتی) افزایش می یابد؛ در نتیجه ی آن، نیمه هادی نوع n و نوع p پدید آمده است. یک دیود از پیوند دو نیمه هادی نوع  N و نوع P  ساخته می شود که در مقاله بعدی به توضیح آن می‌پردازیم.

ساختار اتمی عناصر

همه مواد از ذرات کوچکی به نام اتم ساخته شده‌اند. اتم‌ها متشکل از دو قسمت اصلی هسته و لایه‌های  الکترون هستند. هسته محل تجمع بار های مثبت و لایه های الکترون شامل تعداد مشخصی الکترون با بار منفی در هر لایه هستند. هسته با عنوان بار مخالف نیروی جاذبه به الکترون‌ها وارد می کند.

این جاذبه الکترون‌ها را در قید هسته نگه می دارد و مانع حرکت آزادانه‌شان می‌شود. هرچه الکترون در لایه های بالاتری قرار بگیرد و به عبارتی فاصله بیشتری نسبت به هسته داشته باشد، بدیهی است که انرژی کمتری نیاز دارد تا از مدار هسته آزاد شود .

شکل الکترون و هسته اتم
شکل الکترون و هسته اتم

آخرین لایه هر اتم را لایه والانس یا لایه ظرفیت می نامند. به دلیل انرژی آزاد سازی نسبتا کم  الکترون ها درلایه والانس،هدایت الکتریکی توسط الکترون های این لایه انجام می شود.

هدایت الکتریکی عناصر

اجسام از لحاظ هدایت الکتریکی به سه دسته تقسیم می شوند.

رساناها(هادی ها):

الکترون های لایه ظرفیتی آن ها می توانند  با اعمال انرژی کمی آزاد شوند و هدایت جریان را به عهده بگیرند.

نارساناها(عایق ها):

نارسانا ها الکترون آزاد ندارند و در شرایط عادی جریان الکتریکی را از خود عبور نمیدهند.

نیمه رساناها (نیمه هادی ها):

میزان رسانایی نیمه هادی‌ها قابل کنترل است. در نیمه هادی های خالص که به آن‌ها نیمه هادی ذاتی نیز گفته می شود چگالی الکترون‌ها و حفره‌ها برابر هستند.  (حفره‌ا درواقع جای خالی الکترون هستند. طبق تئوری حفره‌ها، هر الکترون به محض آزاد شدن و ایجاد حفره توسط حفره دیگری جذب می شود. به همین دلیل در هر بلور نیمه هادی، الکترون ها مدام در حال جابه جایی هستند.) همچنین نیمه هادی‌ها درلایه ظرفیت خود دارای 4 الکترون هستند.

 

 

باندهای انرژی در عناصرمختلف:

برای آزاد شدن الکترون ها از لایه ظرفیت و برقراری جریان، باید به الکترون های ظرفیت انرژی داده شود. وظیفه برقراری جریان را الکترون های آزاد بر عهده می گیرند. (الکترون آزاد در واقع همان الکترون لایه ظرفت بوده که پس از دریافت انرژی لازم، از قید هسته رها شده و می تواند آزاده حرکت کند.)

  • در رساناها به دلیل اینکه لایه ظرفیت در فاصله نسبتا زیادی از هسته قرار دارد، الکترون ظرفیت برای آزاد سازی از قید هسته به مقدار انرژی کمی نیاز دارد و به راحتی از مدار اتم خود جدا می شود.
  • در عایق‌ها انرژی برای آزاد سازی الکترون ظرفیت خیلی زیاد است.
  • در نیمه هادی‌ها انرژی آزاد سازی الکترون قابل کنترل است.

سطوح انرژی برای الکترون های عناصر به سه سطح دسته بندی می شود:

1.     باند ظرفیت

در این باند الکترون ها با اعمال تحریک انرژی خارجی از قید هسته آزاد می شوند.

2.     باند ممنوعه

این باند درواقع نشان دهنده مقدار انرژی لازم برای آزادکردن الکترون های ظرفیتی می باشد.

3.     باند هدایت

این باند جایگاه الکترون های آزاد است که به راحتی با تحریک میدان الکتریکی به حرکت در می آیند و برقراری جریان الکتریکی را بر عهده می گیرند.

باندهای انرژی

انرژی نیمه هادی های رایج در ساخت قطعات الکترونیکی:

کلمه‌ایی که تحت عنوان  انرژی نیمه هادی بیان می شود، مقدار انرژی است که الکترون از باند ظرفیت به باند هدایت می رود. به عبارت دیگر میزان انرژی است که لازم دارد تا الکترون آزاد تولید کند تا عمل رسانش الکتریکی را انجام دهد. واحد انرژی نیمه هادی الکترون ولت است. انرژی نیمه هادی با افزایش دما کاهش می یابد و یا به عبارتی خاصیت آن به سمت مواد رسانا میل می‌کند.

انواع نیمه هادی در ساخت دیودها و قطعات الکترونیک:

نیمه هادی ها تنها از یک عنصر و یا ترکیبی از چند عنصر مختلف هستند. در ابتدا از نیمه هادی ژرمانیوم درساخت ادوات الکترونیکی استفاده می شد اما امروزه در صنایع به دلایل زیر معمولا از سیلیسیوم استفاده می کنند:

  • سیلیسیوم به راحتی در طبیعت یافت می شود .
  • خالص سازی آن راحت تر از ژرمانیوم است.
  • در دماهای بالا خاصیت خود را از دست نداده و در برابر درجه حرارت مقاوم است.
  • همانطور که در شکل 2 مشاهده می کنید، انرژی آزاد سازی الکترون در سیلیسیوم  نسبت به ژرمانیوم  بیشتر است.
  • باتوجه به انرژی بیشتر، سیلیسیوم دارای پایداری بهتری نسبت به ژرمانیوم می باشد.

در بسیاری از قطعات الکترونیکی مانند دیودهای ساطع کننده نور (led)، سیلیسیوم به دلیل داشتن انرژی کم، نیمه هادی مناسبی برای عملکرد صحیح آن‌ها نیست.

نیمه هادی مناسب در دیود های ساطع کننده نور ( led ):

نخستین led ها از نیمه هادی گالیوم آرسناید (GaAs) ساخته شدند. همان طور که در جدول زیر مشاهده می کنید؛ انرژی گالیوم آرسناید بیشتر از سیلیسیوم می باشد.

در دیودهای ساطع کننده نور، هنگامی که ولتاژی به دو سر آن‌ها اعمال می شود انرژی لازم برای انتقال الکترون ها از باند ظرفیت به باند هدایت فراهم می شود و الکترون ظرفیتی به الکترون هدایت تبدیل می شود. زمانی که الکترون انرژی خود را از دست می دهد و به باند پایین تر سقوط می کند این انرژی از دست رفته به صورت نور از LED ساطع می گردد. در دماهای بالاتر و در هنگام گرم شدن LED انرژی لازم برای انتقال الکترون از باند ظرفیت به باند هدایت  کم تر می شود و به عبارتی شار نوری کاهش می یابد و راندمان LED به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. همین امر سبب شده است تا در صنعت به جای استفاده از نیمه هادی های سیلیسیوم و ژرمانیوم از نیمه هادی های ترکیبی استفاده کنند و هر روزه با پیشرفت علم با ترکیب عناصر، نیمه هادی‌هایی با انرژی بیشتر و پایداری بهتر برای  LED ها ساخته شود. ما در محصولات دیسانور توانسته ایم از مناسب ترین نوع LED استفاده نماییم.

نیمه هادی نوع n وp

تنها الکترون های ظرفیتی هستند که در واکنش های شیمیایی شرکت می کنند. هنگامی که اتم، یک الکترون در واکنش شیمیایی دریافت کند تبدیل به یون مثبت و اگر یک الکترون از دست بدهد تبدیل به یون منفی خواهد شد.(انتقال الکترون فقط در لایه ظرفیت انجام می شود.) برای افزایش رسانایی نیمه هادی های ذاتی به آن ها ناخالصی اضافه می شود. با افزودن ناخالصی به بلور نیمه هادی ذاتی، تبدیل به نیمه هادی نوع p و نیمه هادی نوعn  می شود. در نیمه هادی های خالص مانند: بلور سیلیسیوم و ژرمانیوم، 4 الکترون در لایه  ظرفیت وجود دارد. به همین دلیل برای افزایش ناخالصی باید به نیمه هادی ها ناخالصی 3 یا 5 ظرفیتی(به معنای عنصری با 3 یا5 الکترون لایه ظرفیت) اضافه شود.

نیمه هادی نوع n

با اضافه کردن اتم 5 ظرفیتی مانند آرسنیک به بلور نیمه هادی خالص(که دارای 4  الکترون ظرفیتی است)  پیوند کووالانسی  بین اتم های آرسنیک و نیمه هادی به وجود می آید؛ در نتیجه الکترون باقی مانده  به صورت الکترون آزاد باقی می ماند. در این حالت به دلیل اینکه تعداد الکترون های آزاد بیشتر از حفره می باشد هدایت جریان را الکترون ها بر عهده می گیرند. در این حالت به نیمه هادی که الکترون ها در آن هدایت جریان را بر عهده دارند، نیمه هادی نوع n گفته می شود.

نیمه هادی نوع n
نیمه هادی نوع n

نیمه هادی نوع p

با اضافه کردن اتم 3 ظرفیتی مانند آلومینیوم به بلور نیمه هادی خالص(که دارای 4  الکترون ظرفیتی است)  پیوند کووالانسی  بین اتم های آلومینیوم و نیمه هادی به وجود می آید در نتیجه کمبود الکترون آلومینیوم به صورت حفره در آمده و به عبارت دیگر یک حفره در این پیوند به وجود می آید و هدایت جریان را به عهده می گیرد. در این حالت به نیمه هادی که الکترون ها در آن هدایت جریان را بر عهده دارند، نیمه هادی نوع p گفته می شود.

در نهایت پیوند نیمه هادی های نوع N و نوع P منجر به ساخت دیود می شود. در مقاله بعد با ماهیت دیود و طرز کار آن بیشتر آشنا می شویم.

هیچ داده ای یافت نشد

2 پاسخ

  1. خیلی عالی بود حداقل چیزی که تونستم از این مطلب یاد بگیرم این بود که اتم با گرفتن الکترون تبدیل به یون مثبت و با دادن الکترون تبدیل به یون منفی میشود

دیدگاهتان را بنویسید

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

دنبال چه چیزی میگردید ؟!