نیمه هادی‌ها در الکترونیک

نمونه‌هایی از نیمه هادی ها

گالیم آرسنید، ژرمانیوم و سیلیسیم از نیمه‌هادی‌های متداولی هستند که از آن‌ها استفاده می‌شود. برای مثال، سیلیسیم در ساخت مدارهای الکترونیکی و گالیم آرسنید در سلول‌های خورشیدی، دیودهای لیزر و… به کار می‌روند.

حفره و الکترون در نیمه هادی ها

حفره‌ها و الکترون‌ها انواع حامل‌های بار هستند که گذر جریان در نیمه هادی ها را ممکن می‌کنند. حفره‌ها (الکترون‌های ظرفیت) حامل بار الکتریکی مثبت هستند، در حالی که الکترون‌ها ذراتی با بار منفی‌اند. الکترون‌ها و حفره‌ها هر دو از نظر اندازه برابر، اما از نظر قطبیت مخالف هستند.

حرکت الکترون‌ها و حفره‌ها

در یک نیمه‌هادی‌، تحرک الکترون‌ها از حفره‌ها بیشتر است. این عمدتاً به دلیل ساختارهای مختلف باند و ساز و کارهای پراکندگی آن‌ها است.

الکترون‌ها در باند هدایت حرکت می‌کنند در حالی که حرکت حفره‌ها در باند ظرفیت است. هنگامی که یک میدان الکتریکی اعمال می‌شود، حفره‌ها به دلیل تحرک محدودی که دارند، نمی‌توانند مانند الکترون آزادانه حرکت کنند. جابه‌جایی الکترون‌ها از لایه‌های داخلی آن‌ها به لایه‌های بالاتر منجر به ایجاد حفره‌هایی در نیمه هادی ها می‌شود. از آنجا که حفره‌ها از طریق هسته در معرض نیروی اتمی بیشتری نسبت به الکترون هستند، تحرک کمتری دارند.

تحرک ذرات در یک نیمه‌هادی بیشتر است، اگر:

  • جرم موثر ذرات کمتر باشد.
  • زمان بین رخدادهای پراکندگی بیشتر باشد.

برای سیلیکون ذاتی در 300 کلوین، تحرک الکترون‌ها 1500cm2(V.s)-1 و تحرک حفره‌ها 475cm2(V.s)-1 است.

مدل پیوند الکترون‌ها در سیلیکون با ظرفیت 4 در زیر نشان داده شده است. در اینجا، وقتی یکی از الکترون‌های آزاد (نقاط آبی) از موقعیت شبکه خارج می‌شود، یک حفره ایجاد می‌کند (نقاط خاکستری). این حفره ایجادشده، بار مخالف الکترون را می‌گیرد و می‌توان آن را به عنوان حامل‌ بار مثبت در شبکه در نظر گرفت.

نظریه نوار نیمه هادی ها

معرفی نظریه نوار در طی انقلاب کوانتومی در علم اتفاق افتاد. والتر هیتلر و فریتز لندن نوارهای انرژی را کشف کردند. می‌دانیم که الکترون‌های یک اتم در سطوح مختلف انرژی وجود دارند. وقتی می‌خواهیم شبکه‌ای از ماده جامد را با N اتم تشکیل دهیم، پس هر سطح از یک اتم باید به سطح N در ماده جامد تقسیم شود. این تقسیم سطح انرژی کاملاً بسته‌بندی شده نوارهای انرژی را تشکیل می‌دهد. شکاف بین نوارهای مجاور نشان‌دهنده طیفی از انرژی فاقد الکترون هستند که نوار ممنوعه نامیده می‌‌شود.

نوار هدایت و نوار ظرفیت در نیمه هادی ها

در این بخش با نوار هدایت و نوار ظرفیت در نیمه هادی ها آشنا می‌شویم.

نوار ظرفیت

نوار انرژی سطوح انرژی الکترون‌های ظرفیت به عنوان نوار ظرفیت شناخته می‌شود. این نوار بالاترین نوار انرژی است. در مقایسه با عایق‌ها، نوار ممنوعه در نیمه هادی ها کوچک‌تر است. این امر موجب می‌شود الکترون‌های نوار ظرفیت با دریافت هرگونه انرژی خارجی به نوار هدایت بپرند.

نوار هدایت

این نوار پایین‌ترین نوار است که شامل سطوح انرژی حامل‌های بار مثبت (حفره‌ها) یا منفی (الکترون‌های آزاد) است. نوار هدایت دارای الکترون‌های رسانا و در نتیجه جریان است. باند هدایت دارای سطح انرژی بالایی است و به طور کلی خالی است. نوار هدایت در نیمه هادی ها الکترون‌ها را از نوار ظرفیت می‌پذیرد.

تراز فِرمی در نیمه هادی ها چیست؟

تراز فِرمی (با EF مشخص می‌شود) بین نوارهای ظرفیت و هدایت وجود دارد. این سطح بالاترین میزان اشغال اوربیتال مولکولی در صفر مطلق است. در این حالت، حامل‌های بار حالات کوانتومی خاص خود را دارند و به طور کلی با یکدیگر تعامل ندارند. هنگامی که دما از صفر مطلق بالا می‌رود، این حامل‌های بار شروع به اشغال حالت‌های بالاتر از تراز فرمی می‌کنند.

در یک نیمه‌هادی از نوع p، تراکم حالت‌های پر نشده افزایش می‌یابد. بنابراین، الکترون‌های بیشتری را در سطح انرژی پایین‌تر جای می‌گیرند. با این حال، در یک نیمه‌هادی نوع n، چگالی حالت‌ها افزایش می‌یابد، بنابراین الکترون‌های بیشتری را در سطح انرژی بالاتر جای می‌دهد.

مشخصات نیمه هادی ها

نیمه هادی ها می‌توانند در شرایط خاصی برق را انتقال دهند. این خاصیت منحصر به فرد، آن‌ها را به موادی عالی برای هدایت الکتریسیته به صورت کنترل شده تبدیل می‌کند.

برخلاف هادی‌ها، حامل‌های بار در نیمه هادی ها فقط به دلیل انرژی خارجی (تحریک حرارتی) به وجود می‌آیند. این امر باعث می‌شود تعداد مشخصی از الکترون‌های ظرفیت از شکاف انرژی عبور کرده و به درون نوار هدایت بروند و مقدار مساوی از حالت‌های انرژی اشغال‌نشده، یعنی حفره‌ها، را بر جای بگذارند. رسانایی ناشی از الکترون‌ها و حفره‌ها به اندازه یکسانی مهم است. مشخصات نیمه هادی ها 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

چرا مقاومت نیمه هادی ها با دما کاهش می‌یابد؟

تفاوت مقاومت بین هادی‌ها و نیمه هادی ها به دلیل تفاوت آن‌ها در تراکم حامل بار است. مقاومت نیمه هادی ها با دما کاهش می‌یابد، زیرا تعداد حامل‌های بار با افزایش دما به سرعت افزایش می‌یابد؛ یعنی ضریب دمای منفی.

برخی از خصوصیات مهم نیمه هادی ها عبارتند از:

  • نیمه‌هادی در صفر کلوین مانند یک عایق عمل می‌کند. با افزایش دما نیز به عنوان یک رسانا کار می‌کند.
  • به دلیل خصوصیات الکتریکی استثنایی، نیمه هادی ها را می‌توان با آلاییدن (افزودن ناخالصی) اصلاح کرد و قطعات نیمه‌هادی را برای تبدیل انرژی، سوئیچ‌ کردن و تقویت‌کنندگی مناسب ساخت.
  • تلفات برق کمتری دارند.
  • اندازه نیمه هادی ها کوچک‌تر است و وزن کمتری دارند.
  • مقاومت آن‌ها از هادی‌ها بیشتر، اما از غیرهادی‌ها کمتر است.
  • مقاومت مواد نیمه‌هادی با افزایش دما کاهش می‌یابد و بالعکس.

انواع نیمه هادی ها

نیمه هادی ها را می‌توان به صورت زیر دسته‌بندی کرد:

  • نیمه‌هادی ذاتی (خالص)
  • نیمه‌هادی غیرذاتی (دارای ناخالصی)

نیمه هادی ذاتی

نیمه‌هادی نوع ذاتی از مواد نیمه‌هادیِ از نظر شیمیایی بسیار خالص ساخته شده است. این نیمه‌هادی فقط از یک نوع عنصر تشکیل شده است.

ساز و کار هدایت نیمه‌هادی‌های ذاتی (الف) در حضور میدان الکتریکی (ب) در صورت عدم وجود میدان الکتریکی

ژرمانیوم (Ge) و سیلیکون (Si) متداول‌ترین انواع عناصر نیمه‌هادی ذاتی هستند. آن‌ها چهار الکترون ظرفیت دارند (چهارظرفیتی هستند) که با پیوند کووالانسی در دمای صفر مطلق به اتم متصل می‌شوند.

وقتی دما افزایش می‌یابد، در اثر برخورد، تعداد کمی الکترون محدود نشده هستند و می‌توانند آزادانه در شبکه حرکت کنند، بنابراین در موقعیت اصلی (حفره) خود غیبت ایجاد می‌شود. این الکترون‌ها و حفره‌های آزاد به هدایت الکتریسیته در نیمه‌هادی کمک می‌کنند. حامل‌های بار منفی و مثبت از نظر تعداد برابر هستند. انرژی حرارتی قادر به یونیزه کردن چند اتم در شبکه است و از این رو رسانایی آن‌ها کمتر است.

نیمه هادی غیرذاتی

با افزودن تعداد کمی از اتم‌های جایگزین مناسب به نام ناخالصی می‌توان رسانایی نیمه هادی ها را بسیار بهبود بخشید. به فرایند افزودن اتم‌های ناخالصی به نیمه‌هادی خالص آلاییدن یا دوپینگ گفته می‌شود. معمولاً فقط یک اتم در 107 تا با یک اتم آلاییده در نیمه‌رسانای ناخالص‌شده جایگزین می‌شود. یک نیمه‌هادی غیرذاتی را می‌توان به صورت زیر طبقه‌بندی کرد:

  • نیمه‌هادی نوع N
  • نیمه‌هادی نوع P
انواع نیمه هادی غیرذاتی

نیمه هادی نوع n

هنگامی که یک نیمه‌هادی خالص (سیلیکون یا ژرمانیوم) توسط ناخالصی پنج ظرفیتی (P ،As ،Sb ،Bi) ناخالص شود، چهار الکترون از پنج الکترون با چهار الکترون Ge یا Si پیوند می‌خورند.

پنجمین الکترون دوپینگ آزاد می‌شود. بنابراین، اتم ناخالصی یک الکترون آزاد برای هدایت در شبکه می‌دهد و دهنده نامیده می‌شود. از آنجا که تعداد الکترون آزاد با افزودن ناخالصی افزایش می‌یابد، حامل‌های بار منفی نیز افزایش می‌یابند. از این رو به آن نیمه‌هادی نوع n گفته می‌شود.

کریستال به طور کلی خنثی است، اما اتم دهنده به یون مثبت بی‌حرکت تبدیل می‌شود. از آنجا که رسانایی به دلیل تعداد زیادی الکترون آزاد است، الکترون‌های نیمه‌هادی نوع n حامل‌های اکثریت هستند و حفره‌ها حامل‌های اقلیت.

نیمه هادی نوع p

هنگامی که یک نیمه‌هادی خالص با یک ناخالصی سه ظرفیتی ناخالص شود (B ،Al ،In ،Ga)، پس از آن، سه الکترون ظرفیت پیوند ناخالصی با سه الکترون از چهار الکترون نیمه‌هادی پیوند می‌خورند.

این امر باعث عدم وجود الکترون (حفره) در ناخالصی می‌شود. این اتم‌های ناخالصی که آماده پذیرش الکترون‌های پیوندی هستند «پذیرنده» نامیده می‌شوند.

با افزایش تعداد ناخالصی‌ها، حفره‌ها (حامل‌های بار مثبت) افزایش می‌یابند. از این رو به آن نیمه‌هادی نوع p گفته می‌شود.

کریستال در کل خنثی است، اما پذیرنده‌ها به یون منفی بی‌حرکت تبدیل می‌شوند. از آنجا که رسانایی به دلیل حفره‌های زیاد است، حفره‌های نیمه‌هادی نوع p حامل‌های اکثریت و الکترون‌ها حامل اقلیت هستند.

قطعه نیمه هادی چیست؟

قطعات نیمه‌هادی چیزی جز قطعاتی الکترونیکی نیستند که از خصوصیات الکترونیکی مواد نیمه‌رسانا مانند سیلیکون، ژرمانیم و آرسنید گالیم و همچنین نیمه‌هادی‌های آلی بهره می‌برند. قطعات نیمه‌هادی در بسیاری از کاربردها جای لوله‌های خلأ را گرفته‌اند. این قطعات از هدایت الکترونیکی در حالت جامد و در مقابل انتشار گرمایونی در خلأ زیاد بهره می‌برند. قطعات نیمه‌هادی هم برای قطعات گسسته و هم برای مدارهای مجتمع تولید می‌شوند که از چند تا میلیاردها قطعه ساخته شده و به هم پیوسته در یک لایه یا نیمه ویفر نیمه‌هادی ساخته شده‌اند.

رسانایی نیمه‌هادی را می‌توان توسط میدان الکتریکی یا مغناطیسی، در معرض نور یا گرما یا با تغییر شکل مکانیکی شبکه تک‌بلوری آلاییده کنترل کرد. بنابراین، نیمه هادی ها می‌توانند حسگرهای عالی بسازند. رسانایی جریان در یک نیمه‌هادی ناشی از حرکات الکترون و حفره است که در مجموع به عنوان حامل بار شناخته می‌شود. ناخالصی سیلیکون با افزودن مقدار کمی اتم ناخالصی انجام می‌شود و همچنین برای فسفر یا بور، تعداد الکترون‌ها یا حفره‌های داخل نیمه‌هادی را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهد.

منبع : فرادرس

اشتراک گذاری:

مطالب زیر را حتما مطالعه کنید

دیدگاهتان را بنویسید