آموزش کامل نیمه هادی ها (سمی کنداکتور Semiconductor چیست؟)

برای درک نحوه عملکرد دیودها، ترانزیستورها یا هر IC دیگر، ابتدا باید نیمه‌هادی را بشناسید. سمی کنداکتور یا نیمه هادی، ماده‌ای است که نه رساناست و نه عایق. اما چگونه؟ بیایید به صورت کامل آن را بشناسیم!

معرفی رسانا و عایق

قبل از شناخت نیمه‌هادی، بیایید بفهمیم چه چیزی یک ماده را به رسانا یا عایق تبدیل می‌کند.

رسانا (Conductor)

همه ما می‌دانیم که مس یک رسانای خوب است. دلیل این موضوع زمانی آشکار می‌شود که به ساختار اتمی آن نگاه کنیم. اتم مس دارای 29 پروتون (بار مثبت) در هسته خود است. 29 الکترون (بار منفی) نیز به دور هسته می‌چرخند. در مدار اول 2 الکترون، در مدار دوم 8 الکترون، در مدار سوم 18 الکترون و در مدار بیرونی (ظرفیت) 1 الکترون وجود دارد.

در الکترونیک، تنها مدار بیرونی اهمیت دارد، زیرا رسانایی اتم را تعیین می‌کند. به این مدار، مدار ظرفیت نیز گفته می‌شود.

برای یادگیری کامل رسانایی، مقاله رسانایی الکتریکی را مطالعه کنید.

بار خالص

برای محاسبه بار خالص یک اتم، هسته و تمام مدارهای داخلی را به عنوان هسته اتم تعریف می‌کنیم.

هسته اتم مس شامل 29 پروتون و 28 الکترون (در سه مدار داخلی) است. بنابراین، بار خالص هسته اتم مس برابر با +1 است (29 پروتون – 28 الکترون).

شکل زیر هسته و مدار ظرفیت اتم مس را نشان می‌دهد.

الکترون‌های آزاد

از آنجا که بار خالص هسته فقط +1 است، نیروی جاذبه بین هسته و الکترون ظرفیت بسیار ضعیف است. حتی یک ولتاژ کم نیز می‌تواند این الکترون را از اتم مس جدا کند و باعث جریان آن در ماده شود. به همین دلیل، الکترون ظرفیت اغلب الکترون آزاد نامیده می‌شود. جریان این الکترون‌های آزاد نیز جریان الکتریکی نام دارد.

تعداد الکترون‌های آزاد در مس (و سایر فلزات) دلیل اصلی رسانایی خوب آن‌هاست.

عایق‌ ها (Insultor)

نئون نمونه‌ای از یک عایق ایده‌آل است. بیایید به ساختار اتمی آن نگاه کنیم.

اتم نئون دارای 10 پروتون و 10 الکترون است. در مدار اول 2 الکترون و در مدار ظرفیت 8 الکترون وجود دارد.

بار خالص هسته اتم نئون برابر با +8 است (10 پروتون – 2 الکترون). شکل زیر هسته اتم نئون را نشان می‌دهد.

از آنجا که بار خالص هسته +8 است، نیروی جاذبه وارد بر الکترون‌های ظرفیت بسیار قوی است. بنابراین، به دلیل نبود الکترون‌های آزاد، عایق‌ها رسانایی ندارند.

معرفی نیمه‌ هادی‌ Semiconductor

نیمه‌هادی عنصری است که نه رسانای خوب است و نه عایق خوب. همان‌طور که انتظار می‌رود، بهترین نیمه‌هادی‌ها دارای چهار الکترون ظرفیت هستند.

سیلیکون نمونه‌ای از یک نیمه‌هادی است. بیایید به ساختار اتمی آن نگاه کنیم.

• اتم سیلیکون دارای 14 پروتون و 14 الکترون است. در مدار اول 2 الکترون، در مدار دوم 8 الکترون و در مدار ظرفیت 4 الکترون وجود دارد.
• بار خالص هسته اتم سیلیکون برابر با +4 است (14 پروتون – 10 الکترون). شکل زیر هسته اتم سیلیکون را نشان می‌دهد.

رسانایی اتم به تعداد الکترون‌های ظرفیت بستگی دارد. وقتی یک اتم فقط یک الکترون ظرفیت داشته باشد، بهترین رساناست. وقتی یک اتم هشت الکترون ظرفیت داشته باشد، بهترین عایق است.

همان‌طور که می‌بینید، اتم سیلیکون چهار الکترون ظرفیت دارد، بنابراین رسانایی الکتریکی آن بین رسانا و عایق قرار می‌گیرد. این چیزی است که سیلیکون را به یک نیمه‌هادی تبدیل می‌کند.

بلورهای سیلیکون

وقتی اتم‌های سیلیکون برای تشکیل یک بلور ترکیب می‌شوند، خود را در یک الگوی سیستماتیک قرار می‌دهند. هر اتم سیلیکون الکترون‌های ظرفیت خود را با چهار اتم همسایه به اشتراک می‌گذارد، به طوری که هر اتم هشت الکترون در مدار ظرفیت خود داشته باشد.

شکل زیر نشان می‌دهد که چگونه یک اتم سیلیکون الکترون‌ها را با چهار همسایه به اشتراک می‌گذارد.

پیوندهای کووالانسی

به دلیل اشتراک، الکترون‌های ظرفیت دیگر به یک اتم خاص تعلق ندارند. این الکترون‌های مشترک توسط اتم‌های همسایه با نیروهای مساوی و مخالف کشیده می‌شوند و باعث تشکیل یک پیوند می‌شوند. به این نوع پیوند شیمیایی، پیوند کووالانسی گفته می‌شود.

شکل زیر مفهوم پیوندهای کووالانسی را نشان می‌دهد، جایی که هر خط مستقیم نشان‌دهنده یک الکترون مشترک است.

این کشش در جهت‌های مخالف چیزی است که اتم‌های سیلیکون را به هم نگه می‌دارد و به آن‌ها استحکام می‌دهد.

حفره‌ ها

در دمای اتاق، انرژی گرمایی موجود در هوا باعث لرزش اتم‌ها در بلور سیلیکون می‌شود. این لرزش‌ها الکترون را از مدار ظرفیت جدا می‌کنند. این الکترون آزاد به طور تصادفی در سراسر بلور حرکت می‌کند.

خروج الکترون یک فضای خالی در مدار ظرفیت ایجاد می‌کند که به آن حفره گفته می‌شود. این حفره مانند یک بار مثبت رفتار می‌کند، زیرا از دست دادن الکترون یک یون مثبت ایجاد می‌کند.

وقتی یک الکترون آزاد به نزدیکی حفره می‌رسد، به سمت آن جذب شده و در آن می‌افتد. این فرآیند ترکیب الکترون آزاد و حفره، ترکیب مجدد نامیده می‌شود.

جریان الکترون‌های آزاد و حفره‌ها

بیایید یک باتری را به یک بلور سیلیکون خالص وصل کنیم. فرض کنید انرژی گرمایی یک الکترون آزاد و یک حفره ایجاد کرده است.

ولتاژ اعمال شده باعث می‌شود الکترون‌های آزاد به سمت چپ و حفره‌ها به سمت راست حرکت کنند. وقتی الکترون‌های آزاد به انتهای چپ بلور می‌رسند، وارد سیم خارجی شده و به سمت ترمینال مثبت باتری جریان می‌یابند.

از طرف دیگر، الکترون‌های آزاد در ترمینال منفی باتری به انتهای راست بلور جریان می‌یابند. آن‌ها وارد بلور شده و با حفره‌هایی که به انتهای راست بلور رسیده‌اند، ترکیب می‌شوند.

به این ترتیب، جریان ثابتی از الکترون‌های آزاد و حفره‌ها در داخل نیمه‌ هادی برقرار می‌شود.

الکترون‌های آزاد و حفره‌ها اغلب حامل‌های بار نامیده می‌شوند، زیرا بار را از یک مکان به مکان دیگر منتقل می‌کنند.

دوپینگ نیمه‌هادی

در یک بلور سیلیکون خالص، هر اتم سیلیکون از چهار الکترون ظرفیت برای پیوند با اتم‌های همسایه استفاده می‌کند. این باعث کاهش تعداد الکترون‌های موجود برای رسانایی می‌شود. به همین دلیل، سیلیکون خالص مانند یک عایق رفتار می‌کند.

برای افزایش تعداد حفره‌ها و الکترون‌های آزاد در بلور سیلیکون و در نتیجه افزایش رسانایی آن، لازم است بلور را دوپ کنیم.

دوپینگ فرآیند افزودن ناخالصی‌ها به یک بلور سیلیکون خالص برای تغییر رسانایی الکتریکی آن است. به این ناخالصی‌ها، دوپانت گفته می‌شود.

هرچه ناخالصی‌های بیشتری اضافه شود، تعداد الکترون‌های آزاد و حفره‌ها بیشتر شده و در نتیجه رسانایی افزایش می‌یابد. به عبارت دیگر، یک نیمه‌هادی با دوپینگ کم مقاومت بالایی دارد، در حالی که یک نیمه‌هادی با دوپینگ زیاد مقاومت کمی دارد.

نیمه‌ هادی نوع N

سیلیکونی که برای افزایش تعداد الکترون‌های آزاد دوپ شده است، نیمه‌هادی نوع N نامیده می‌شود، جایی که N نشان‌دهنده بار منفی است.

برای افزایش تعداد الکترون‌های آزاد، ناخالصی‌های پنج‌ظرفیتی مانند فسفر، آنتیموان یا آرسنیک به سیلیکون اضافه می‌شوند. اتم‌های پنج‌ظرفیتی، همان‌طور که از نام آن‌ها پیداست، دارای پنج الکترون ظرفیت هستند.

در نیمه‌هادی نوع N، یک اتم پنج‌ظرفیتی در مرکز قرار دارد و توسط چهار اتم سیلیکون احاطه شده است. همان‌طور که می‌دانیم، یک اتم پنج‌ظرفیتی پنج الکترون ظرفیت دارد. چهار الکترون با اتم‌های همسایه به اشتراک گذاشته می‌شوند، اما یک الکترون اضافی باقی می‌ماند (زیرا مدار ظرفیت نمی‌تواند بیش از هشت الکترون نگه دارد).

از آنجا که هر اتم پنج‌ظرفیتی در بلور سیلیکون یک الکترون آزاد تولید می‌کند، ماده دوپ‌شده تعداد زیادی الکترون آزاد دارد.

در نیمه‌هادی نوع N، از آنجا که تعداد الکترون‌های آزاد بیشتر از حفره‌ها است، الکترون‌های آزاد حامل‌های اکثریت و حفره‌ها حامل‌های اقلیت نامیده می‌شوند.

به ناخالصی‌های پنج‌ظرفیتی، ناخالصی‌های دهنده نیز گفته می‌شود، زیرا یک الکترون اضافی به بلور سیلیکون اهدا می‌کنند.

نیمه‌هادی نوع P

سیلیکونی که برای افزایش تعداد حفره‌ها دوپ شده است، نیمه‌هادی نوع P نامیده می‌شود، جایی که P نشان‌دهنده بار مثبت است.

برای افزایش تعداد حفره‌ها، ناخالصی‌های سه‌ظرفیتی مانند آلومینیوم، بور یا گالیم به سیلیکون اضافه می‌شوند. اتم‌های سه‌ظرفیتی، همان‌طور که از نام آن‌ها پیداست، دارای سه الکترون ظرفیت هستند.

در نیمه‌هادی نوع P، یک اتم سه‌ظرفیتی در مرکز قرار دارد و توسط چهار اتم سیلیکون احاطه شده است. از آنجا که اتم سه‌ظرفیتی در ابتدا فقط سه الکترون ظرفیت داشت و هر همسایه یک الکترون به اشتراک گذاشته است، فقط هفت الکترون در مدار ظرفیت وجود دارد. این بدان معناست که یک حفره در مدار ظرفیت هر اتم سه‌ظرفیتی وجود دارد.

از آنجا که هر اتم سه‌ظرفیتی در بلور سیلیکون یک حفره تولید می‌کند، ماده دوپ‌شده تعداد زیادی حفره دارد.

در نیمه‌هادی نوع P، از آنجا که تعداد حفره‌ها بیشتر از الکترون‌های آزاد است، حفره‌ها حامل‌های اکثریت و الکترون‌های آزاد حامل‌های اقلیت نامیده می‌شوند.

به اتم‌های سه‌ظرفیتی، اتم‌های پذیرنده نیز گفته می‌شود، زیرا هر حفره‌ای که ایجاد می‌کنند، می‌تواند یک الکترون آزاد را در طول فرآیند ترکیب مجدد بپذیرد.

ادامه مطلب

در آموزش بعدی، خواهیم دید که چگونه یک بلور سیلیکون از یک طرف با ماده نوع P و از طرف دیگر با ماده نوع N دوپ می‌شود تا یک پیوند PN تشکیل دهد، که می‌توان از آن برای ساخت دیود استفاده کرد.

آموزش بعدی: اتصال PN در دیود