مبانی نیمه هادی

اگر مقاومت‌ها اساسی‌ترین المان پسیو در مدار ‌باشند؛ باید یک دیود سیگنال را به‌عنوان اساسی‌ترین المان اکتیو مدار در نظر بگیریم.

با این‌حال، برخلاف یک مقاومت، دیود باتوجه به ولتاژ اعمال‌شده رفتار خطی نشان نمی‌دهد؛ زیرا دارای رابطه‌ی I-V نمایی است و بنابراین نمی‌توان آن را به‌سادگی با استفاده از قانون اهم، مانند مقاومت‌ها توصیف کرد.

دیودها  قطعاتی نیمه‌هادی یک طرفه‌ای می‌باشند که تنها اجازه می‌دهند جریان فقط در یک جهت از طریق آنها، جریان یابد و بیشتر شبیه به یک شیر الکتریکی یک طرفه عمل می‌کنند (وضعیت بایاس مستقیم). اما قبل از اینکه به‌نحوه‌ی عملکرد سیگنال یا پاور دیود (یا دیود قدرت) نگاه کنیم؛ ابتدا باید ساختار و مفهوم اصلی نیمه‌هادی‌ها را درک کنیم.

دیودها، از یک قطعه‌ی واحد از مواد نیمه‌رسانا ساخته می‌شوند که در یک انتها دارای یک ناحیه P مثبت (P-region) و طرف دیگر آن، یک ناحیه‌ی N منفی (N-region) است و دارای مقدار مقاومتی درجایی بین یک رسانا و یک عایق است.

اما ماده “نیمه‌رسانا” چیست؟ در ابتدا بیایید ببینیم چه‌چیزی سبب هادی‌بودن یا عایق‌بودن می‌شود.

مقاومت

درحالت‌کلی، مقدار مقاومت الکتریکی یک المان یا قطعه الکتریکی یا الکترونیکی، برابر با نسبت اختلاف ولتاژ به جریان عبوری از آن تعریف می‌شود، که اساس قانون اهم است. مشکل استفاده از مقاومت برای اندازه‌گیری، این است که بسیار به اندازه‌ی فیزیکی مواد اندازه‌گیری‌شده و هم‌چنین موادی که از آن ساخته‌شده است بستگی دارد. به‌عنوان مثال، اگر بخواهیم طول ماده را افزایش دهیم ( باعث طولانی‌ترین شدن آن می‌شود) مقاومت آن نیز به نسبت، افزایش می‌یابد.

به‌همین‌ترتیب، اگر قطر یا اندازه‌ی آن را افزایش دهیم (ضخیم‌تر شود) مقدار مقاومت آن، کاهش می‌یابد. بنابراین، ما می‌خواهیم مواد را به‌گونه‌ای تعریف کنیم؛ که نشان‌دهنده‌ی توانایی آن‌ها برای هدایت یا مخالفت با جریان الکتریکی از طریق آن، بدون درنظرگرفتن اندازه یا شکل آن باشد.

کمیتی که برای نشان‌دادن مقدار مقاومتی خاص، استفاده می‌شود؛ مقاومت، نامیده می‌شود و نماد یونانی p به آن داده می‌شود. مقاومت با اهم‌متر (Ω.m) اندازه‌گیری می‌شود و معکوس رسانایی است.

اگر مقاومت مواد مختلف مقایسه شود؛ می‌توان آن‌ها را در سه گروه اصلی، هادی‌ها، عایق‌ها و نیمه‌هادی‌ها، طبقه‌بندی کرد.

نمودار مقاومت

هادی ها

با توجه به نمودار بالا، می‌دانیم که رساناها، موادی هستند که مقاومت آن‌ها معمولا میکرواهم بر متر است. این مقدار کم، به آن‌ها اجازه می‌دهد تا به‌راحتی جریان الکتریکی را به دلیل وجود الکترون‌های آزاد فراوان در داخل ساختار اتمی اصلی خود، شناور کنند. اما این الکترون‌ها تنها درصورتی از طریق یک هادی جریان می‌یابند؛ که چیزی باعث تحریک آنها شود و این عامل، ولتاژ الکتریکی است.

هنگامی‌که یک پتانسیل ولتاژ مثبت، برروی ماده اعمال می‌شود؛ این “الکترون‌های آزاد”، اتم مادر خود را ترک کرده و از طریق یک ماده‌ای که دریفت الکترون را شکل می‌دهد؛ باهم حرکت می‌کنند و یک حرکت الکترونی را تشکیل می‌دهند که بیشتر به‌عنوان جریان، شناخته می‌شود. اینکه این الکترون‌ها، “آزادانه” از طریق یک رسانا حرکت کنند؛ بستگی به این دارد که هنگام اعمال ولتاژ به آسانی می‌توانند از اتم‌های تشکیل‌دهنده‌ی خود، خارج شوند. مقدار الکترون‌های جریان‌یافته، بستگی به میزان مقاومت هادی دارد.

نمونه‌هایی از رسانای خوب، معمولا فلزاتی مانند مس، آلومینیوم، نقره یا غیر فلزات مانند کربن است؛ زیرا این مواد، دارای الکترون‌های بسیار کمی در پوسته یا حلقه‌ی بیرونی خود می‌باشند و درنتیجه، آنها به راحتی از مدار اتم خارج می‌شوند.

این به آنها اجازه می‌دهد تا آزادانه از طریق مواد عبور کنند؛ تا زمانی‌که با اتم‌های دیگربه‌هم پیوسته و “اثر دومینو” را از طریق مواد ایجاد کرده و درنتیجه، جریان الکتریکی ایجاد کنند. مس و آلومینیوم، رسانای اصلی مورداستفاده در کابل‌های برق هستند.

به‌طورکلی، اکثر فلزات، رسانای خوب الکتریسته می‌باشند؛ زیرا مقادیر مقاومت بسیار کمی دارند که معمولا در ناحیه‌ی میکرواهم بر متر (uΩ.m) است.

درحالی‌که، فلزاتی مانند مس و آلومینیوم، رسانای الکتریسیته بسیار خوبی هستند؛ اما هنوز دربرابر جریان الکترون‌ها مقاومت داشته و درنتیجه، رسانایی کاملی ندارند.

انرژی از دست‌رفته در روند عبور جریان الکتریکی، به شکل گرما ظاهر می‌شود. به‌همین دلیل است که رساناها و به‌ویژه مقاومت‌ها با افزایش مقاومت رساناها با دمای محیط، گرم می‌شوند.

عایق ها

 عایق‌ها، دقیقا برعکس هادی‌ها هستند. آنها از موادی، عموما غیر از فلزات ساخته شده‌اند و دارای تعداد بسیار کمی الکترون آزاد شناور در ساختار اتم اصلی خود می‌باشند و یا هیچ الکترونی ندارند؛ زیرا الکترون‌های موجود در لایه‌ی خارجی ظرفیت آن‌ها، به شدت توسط هسته‌ی داخلی با بار مثبت جذب می‌شوند.

به‌ عبارت‌دیگر، الکترون‌ها به اتم مادر چسبیده‌اند و نمی‌توانند آزادانه در اطراف حرکت کنند. بنابراین، اگر ولتاژ پتانسیلی روی مواد اعمال شود؛ هیچ جریانی شارش نخواهد یافت و دلیل آن، وجود نداشتن الکترون آزاد برای حرکت است و این امر به این مواد، خواص عایق‌بودن، می‌بخشد.

عایق‌ها، هم‌چنین دارای مقاومت‌های بسیار بالا،میلیون‌ها اهم در متر، می‌باشند و عموما تحت تاثیر شرایط محیطی، قرار نمی‌گیرند (اگرچه، در دمای بسیار بالا، چوب ذغال می‌شود و از عایق به رسانا، تبدیل می‌گردد) نمونه‌هایی از عایق‌های بسیار خوب، عبارتند از: سنگ مرمر، کوارتز ذوب‌شده، پلاستیک PVC، لاستیک و غیره.

عایق‌ها، نقش بسیار مهمی در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی ایفا می‌کنند؛ زیرا بدون آنها مدارهای الکتریکی، اتصال کوتاه می‌شوند و کار نمی‌کنند. به‌عنوان مثال، عایق‌های ساخته‌شده از شیشه یا پرسلن، برای عایق‌بندی و پشتیبانی از کابل‌های انتقال هوایی استفاده می‌شود؛ درحالی‌که، مواد رزین اوپکسی-شیشه برای ساخت تابلوهای مدار چاپی،PCB و … بکار می‌رود و PCV، در عایق‌کاری کابل‌های الکتریکی همانطور که دیدید؛ کاربرد دارد.

مبانی نیمه‌هادی ها

مواد نیمه‌رسانا مانند سیلیکون (Si)، ژرمانیم (Ge) و گالیم آرسنید (GaAs)، دارای خواص الکتریکی در جایی در وسط، یعنی بین خواص “رسانا” و “عایق” می‌باشند. آنها هادی و عایقی خوب نیستند ( از این‌رو نام آنها، “نیمه”‌رسانا است). آن‌ها، “الکترون‌های آزاد” بسیار کمی دارند؛ زیرا اتم‌های آنها در یک الگوی بلوری به‌نام شبکه‌ی کریستالی به‌هم نزدیک شده‌اند و الکترون‌ها تنها در شرایط خاص، قادر به حرکت هستند.

توانایی نیمه‌هادی‌ها در هدایت الکتریسیته را می‌توان با جایگزینی یا افزودن اتم‌های دهنده یا گیرنده‌ی خاصی به این ساختار بلوری و تولید الکترون‌های آزاد بیشتر از حفره‌ها یا برعکس، تا حد زیادی، بهبود بخشید. این امر، با افزودن درصدکمی از عنصر دیگر به مواد پایه سیلیکون یا ژرمانیم امکان‌پذیر است.

سیلیکون یا ژرمانیوم، به‌عنوان نیمه‌های ذاتی، طبقه‌بندی می‌شوند؛ یعنی از نظر شیمیایی خالص می‌باشند و چیزی جز مواد نیمه‌رسانا ندارند. اما با کنترل میزان ناخالصی‌های اضافه‌شده به این ماده نیمه‌هادی ذاتی، می‌توان هدایت آن را کنترل کرد. ناخالصی‌های مختلفی، به‌نام اهداکننده یا پذیرنده، می‌تواند به این ماده ذاتی اضافه شوند تا به ترتیب، الکترون یا حفره آزاد تولید کنند.

این فرآیند افزودن اتم‌ها دهنده یا پذیرنده، به اتم‌های نیمه‌هادی (به‌ترتیب ۱ اتم ناخالصی در هر ۱۰ میلیون (یا بیشتر) اتم‌های نیمه‌هادی) دوپینگ، نامیده می‌شود. از آنجایی‌که، سیلیکون دوپینگ‌شده‌، دیگر خالص نیست؛ این اتم‌های دهنده و پذیرنده، در مجموع، “ناخالصی” نامیده می‌شوند و با دوپینگ این مواد سیلیکون با تعداد کافی ناخالصی، می‌توانیم آنها را به‌نوع نیمه‌رسانای N یا P تبدیل کنیم.

متداول‌ترین مواد اولیه نیمه‌هادی، سیلیکون است. سیلیکون دارای چهار الکترون ظرفیت در بیرونی‌ترین پوسته‌ی خود است؛ که با اتم‌های سیلیکون مجاور خود به اشتراک می‌گذارد و مدار کامل هشت الکترون را تشکیل می‌دهد. ساختار پیوند بین دو اتم سیلیکون به‌گونه‌ای است؛ که هر اتم یک الکترون با همسایه‌ی خود دارد و این پیوند را پایدار می‌کند.

از آنجایی‌که، الکترون‌های آزاد کمی برای حرکت در اطراف کریستال سیلیکون، موجود است؛ بنابراین، کریستال‌های سیلیکون خالص ( یا ژرمانیوم) عایق‌های خوبی هستند یا حداقل مقاومت‌هایی با مقداربالا دارند.

اتم‌های سیلیکون در یک الگوی متقارن مشخص، قرار گرفته‌اند و آنها را به یک ساختار جامد کریستالی، تبدیل کرده‌است. به‌طورکلی، یک کریستال از سیلیس خالص ( دی‌اکسید سیلیکون یا شیشه) یک کریستال ذاتی است (هیچ‌گونه ناخالصی ندارد) و بنابراین، هیچ الکترون آزادی ندارد.

اما به‌سادگی، اتصال یک کریستال سیلیکون به منبع باتری برای خروج جریان الکتریکی از آن کافی نیست. برای انجام این کار، ما باید یک قطب “مثبت” و یک قطب “منفی” در داخل سیلیکون ایجاد کنیم،که باعث می‌شود الکترون‌ها و درنتیجه، جریان الکتریکی از سیلیکون، خارج شود. این قطب‌ها توسط دوپینگ سیلیکون با ناخالصی‌های خاص، ایجاد می‌شوند.

ساختار یک اتم سیلیکون

تصویر بالا، ساختار و شبکه‌ی یک کریستال خالص معمولی سیلیکون را نشان می‌دهد

مبانی نیمه‌هادی نوع N

برای اینکه کریستال سیلیکون ما، الکتریسیته را هدایت‌کند؛ ما باید یک اتم ناخالصی مانند آرسنیک، آنتیموان یا فسفر را در ساختار کریستالی آن وارد کنیم که باعث خارجی‌شدن آن، می‌شود ( ناخالصی‌ها اضافه‌ می‌شوند) این اتم‌ها، دارای پنج الکترون بیرونی، در خارجی‌ترین مدار خود برای اشتراک با اتم‌های مجاور هستند و معمولا ناخالصی‌های “پنج ظرفیتی” نامیده می‌شوند.

این به چهار عدد از پنج الکترون مداری اجازه می‌دهد؛ تا با اتم‌های سیلیکون مجاور خود، پیوند برقرار کنند و در صورت اعمال ولتاژ الکتریکی (جریان الکترون) یک الکترون آزاد، حرکت‌کند. از آنجایی‌که، هر اتم ناخالص یک الکترون “اهدا می‌کند”؛ اتم‌های پنج‌ظرفیتی، عموما به‌صورت “اهداکننده” شناخته می‌شوند.

آنتیموان (نماد Sb) و فسفر (نماد P) اغلب به‌عنوان افزون‌شونده پنج ظرفیتی برای سیلیکون، استفاده می‌شود. آنتیموان، دارای 51 الکترون است؛ که در پنج لایه در اطراف هسته‌ی خود قرار گرفته‌اند و بیرونی‌ترین آن دارای پنج الکترون است. مواد پایه‌ی نیمه‌هادی حاصل‌شده، دارای بیش‌از حد الکترون‌های حامل جریان است؛ که هرکدام دارای بار منفی هستند و بنابراین، نام ماده‌ای از نوع N، به آن داده می‌شود. در این ماده، به الکترون‌ها “حامل‌های اکثریت” و به حفره‌های بدست‌آمده از نتیجه‌ی این فرآیند، “حامل‌های اقلیت” می‌گویند.

هنگامی‌که، توسط یک منبع تغذیه‌ی خارجی، تحریک می‌شود؛ الکترون‌های آزادشده از اتم‌های سیلیکون، توسط این تحریک، به‌سرعت با الکترون‌های آزاد موجود از اتم‌های دوپینگ‌شده‌ی آنتیموان، جایگزین می‌شوند. اما این عمل، هنوز یک الکترون اضافی (الکترون آزاد‌شده) را در اطراف کریستال دوپینگ، شناور می‌گذارد و باعث بار منفی می‌شود.

سپس یک ماده‌ی نیمه‌هادی، به‌عنوان نوع N، طبقه‌بندی می‌شود؛ درحالی‌که، چگالی دهنده آن، بیشتر از چگالی گیرنده‌ی آن است و به عبارت دیگر، الکترون‌های بیشتری نسبت به حفره‌ها، دارد و درنتیجه، یک قطب منفی، ایجاد می‌کند.

اتم آنتیموان و دوپینگ

تصویر بالا، ساختار و شبکه‌ی اتم ناخالص اهدا‌کننده‌ی آنتیموان را نشان می‌دهد

مبانی نیمه‌هادی نوع P

اگر راه دیگری را طی کنیم و ناخالصی “سه‌ظرفیتی” (۳ الکترون) را در ساختار کریستالی مانند آلومینیوم، بور یا ایندیوم وارد کنیم؛ که تنها سه الکترون ظرفیت در بیرونی‌ترین مدار آنها موجود است؛ چهارمین باند بسته، نمی‌تواند تشکیل شود. بنابراین، اتصال کامل، امکان‌پذیر نیست و به مواد نیمه‌هادی مقدار زیادی از حامل‌های دارای بار مثبت داده می‌شود؛ که در ساختار کریستال به حفره، معروف می‌باشند و مکان‌هایی هستند؛ که الکترون به‌طور موثری از آنجا، رفته‌است.

همانطور که در حال حاضر، یک حفره در کریستال سیلیکون وجود دارد؛ یک الکترون مجاور به آن جذب می‌شود و سعی می‌کند؛ برای پرکردن آن، به داخل حفره حرکت کند. با این‌حال، الکترونی که حفره را پر می‌کند؛ حین حرکت حفره دیگری را پشت سر خود، باقی می‌گذارد. این به‌ نوبه‌ی خود، حفره‌ی دیگری را در پشت آن، ایجاد می‌کند و به‌همین ترتیب، ظاهر می‌شوند؛ که حفره‌ها به‌عنوان بار مثبت از طریق ساختار کریستال (شارش جریان قراردادی) در حال حرکت هستند.

این حرکت حفره‌ها، منجر به کمبود الکترون در سیلیکون می‌شود؛ که کل کریستال دوپینگ‌شده را به قطب مثبت، تبدیل می‌کند.ار آنجایی‌که، هر اتم ناخالص، حفره‌ای ایجاد می‌کند؛ ناخالصی‌های سه‌ظرفیتی، عموما به‌عنوان “پذیرنده“ شناخته می‌شوند؛ زیرا دائما الکترون‌های اضافی یا آزاد را “می‌پذیرند”.

بور (B) معمولا به‌عنوان یک افزون‌شونده سه‌ظرفیتی مورداستفاده قرار می‌گیرد؛ زیرا دارای تنها پنج الکترون است که در سه لایه‌ در اطراف پوسته‌ی خود قرار گرفته‌اند و بیرونی‌ترین لایه‌ی آن تنها دارای سه الکترون است. دوپینگ اتم‌های بور، باعث می‌شود؛ که هدایت عمدتا از حامل‌های بار مثبت تشکیل‌شده و درنتیجه نام ماده‌ای از نوع P، به آن داده می‌شود. در این ماده، به حفره‌ها “حامل‌های اکثریت” و به الکترون‌ها، “حامل‌های اقلیت” می‌گویند.

هنگامی‌که، توسط یک منبع تغذیه‌ی خارجی، تحریک می‌شود؛ الکترون‌های آزادشده از اتم‌های سیلیکون، توسط این تحریک، به‌سرعت با الکترون‌های آزاد موجود از اتم‌های دوپینگ‌شده‌ی آنتیموان، جایگزین می‌شوند. اما این عمل، هنوز یک الکترون اضافی (الکترون آزاد‌شده) را در اطراف کریستال دوپینگ، شناور می‌گذارد و باعث بار منفی می‌شود.

سپس یک ماده‌ی نیمه‌هادی، به‌عنوان نوع P، طبقه‌بندی می‌شود؛ درحالی‌که، چگالی گیرنده آن، بیشتر از چگالی دهنده‌ی آن است و بنابراین، یک نیمه‌های نوع P، دارای حفره‌های بیشتری نسبت به الکترون‌ها است.

اتم بور و دوپینگ

تصویر بالا، ساختار و شبکه‌ی اتم ناخالص پذیرنده‌ی بور را نشان می‌دهد

خلاصه‌ی مبانی نیمه‌هادی‌ها

نوع N( مثال: دوپینگ‌شده با آنتیموان)

این مواد، موادی می‌باشند؛ که اتم‌های ناخالصی پنج‌ظرفیتی (اهداکننده) با حرکت الکترون اضافه‌شده و هدایت می‌شوند و بنابراین، نیمه‌هادی‌های نوع N نامیده می‌شوند.

در نیمه‌هادی‌های نوع N، موارد زیر، وجود دارد:

1. اهداکننده‌ها دارای بار مثبت می‌باشند
2. تعداد زیادی الکترون آزاد، وجود دارد.
3. تعداد کمی حفره نسبت به تعداد الکترون‌های آزاد، وجود دارد.
4. نتیجه‌ی دوپینگ خواهد بود:

• اهداکنند‌ها دارای بار مثبت
• الکترون‌های آزاد با بار منفی

5. نتیجه‌ی تامین انرژی، خواهدبود:

• الکترون‌های آزاد با بار منفی
• حفره‌ها با بار مثبت

نوع P (مثال: دوپینگ‌شده با بور)

این مواد، موادی می‌باشند؛ که اتم‌های ناخالصی سه‌ظرفیتی (گیرنده) با حرکت حفره اضافه‌شده و هدایت می‌شوند و بنابراین، نیمه‌هادی‌های نوع P نامیده می‌شوند.

در نیمه‌هادی‌های نوع P، موارد زیر، وجود دارد:

1. پذیرنده‌ها دارای بار منفی هستند.
2. تعداد زیادی حفره، وجود دارد.
3. تعداد کمی الکترون آزاد نسبت به تعداد حفره، وجود دارد.
4. نتیجه‌ی دوپینگ خواهد بود:

• پذیرنده‌ها دارای بار منفی
• حفره‌ها با بار مثبت

5. نتیجه‌ی تامین انرژی، خواهدبود:

• حفره‌ها با بار مثبت
• الکترون‌های آزاد با بار منفی

و هردو نوع P و N، درحالت‌کلی، به‌تنهایی از نظر الکتریکی، خنثی می‌باشند.

آنتیموان (Sb) و بور (B)، دو مورد از متداول‌ترین عوامل دوپینگ می‌باشند؛ زیرا در مقایسه با انواع دیگر مواد، بیشتر در دسترس می‌باشند. آنها، هم‌چنین به‌عنوان “متالوئید”، طبقه‌بندی می‌شوند. با این‌حال، جدول تناوبی، تعداد دیگری عناصر شیمیایی مختلف را درکنار هم قرار می‌دهد؛ که با داشتن سه یا پنج الکترون در بیرونی‌ترین لایه‌ی مداری خود، آنها را به‌عنوان یک ماده‌ی دوپینگ، مناسب می‌کند.

این عناصر شیمیایی دیگر، هم‌چنین می‌توانند به‌عنوان عوامل دوپینگ در مواد پایه‌ی سیلیکون (Si) یا ژرمانیوم (Ge) برای تولید انواع مختلف مواد پایه‌ی نیمه‌هادی برای استفاده در قطعات نیمه‌هادی الکترونیکی، ریزپردازنده و سلول‌های خورشیدی، استفاده شوند. این مواد نیمه‌های اضافه‌شونده در زیر آورده شده‌است.

جدول تناوبی نیمه‌هادی‌ها

در مقاله بعدی در ارتباط با نیمه‌هادی‌ها و دیودها به پیوستن دو ماده‌ی پایه‌ی نیمه‌هادی، مواد نوع P و نوع N، برای ایجاد اتصال PN که می‌تواند برای تولید دیودها استفاده شود می‌پردازیم.