باز کردن منو اصلی
کریستال سیلیکون متداول‌ترین نیمه‌رسانای مورد استفاده در میکروالکترونیک و فتوولتاییک است.

نیمه‌رسانا یا نیمه‌هادی (به انگلیسی: Semiconductor) عنصر یا ماده‌ای است که رسانایی الکتریکی آن حالتی بین مواد رسانا از قبیل مس و مواد عایق الکتریکی مانند شیشه باشد.[۱] مقاومت الکتریکی مواد نیمه‌رسانا برعکس فلزات، با افزایش دما کاهش می‌یابد. خواص رسانایی این مواد را می‌توان با افزایش دقیق و کنترل شده ناخالصی‌ها تغییر داد، که به این فرایند «دوپینگ» یا «آلایش» گفته می‌شود.خصلت فیزیکی مشخصه ی یک نیمه رسانا این است که رسانایی الکتریکی آن با افزایش دما افزایش می یابد.رسانایی نیمه رساناها در دمای اتاق چیزی بین رسانایی فلزات و نارساناها است.مرز بین نارساناها و نیمه رساناها به وسیله گاف نوار تعیین میشود.میزان رسانایی جامد معیار خوبی برای قضاوت نیست چرا که ممکن است یک ماده در اٍر افزایش دما رسانایی پایین،متوسط و یا بالایی از خود نشان دهد.مقدار گاف نوار و رسانایی که مبنای تعیین یک جامد به عنوان نیمه رسانا و یا نارسانا قرار گیرد به کاربرد مورد نظر آن جامد بستگی دارد.نیمه رساناها به دو نوع نیمه رسانی ذاتی و غیر ذاتی تقسیم میشوند.

نیمه‌رساناها در دنیای الکترونیک امروز نقشی اساسی دارند، و تقریباً تمامی دستگاه‌های روزمره‌ای که ما استفاده می‌کنیم، ازقبیل گوشی‌های همراه، تبلت‌ها، رایانه‌ها، رادیوها و… به آنها وابسته است.[۲]

دستگاه‌های نیمه‌رسانا می‌توانند از خود خواص جالبی نشان دهند. برای مثال عبور راحت‌تر جریان از یک سمت، داشتن مقاومت الکتریکی متغیر و حساسیت به نور یا گرما. به دلیل اینکه می‌توان رسانایی الکتریکی مواد نیمه‌رسانا را با فرایند آلایش تغییر داد می‌توان از این مواد در کاربردهای تقویت‌کننده، سوئیچینگ و قطع و وصل و تبدیل انرژی استفاده کرد.

از نیمه‌رساناها برای ساخت قطعاتی مانند دیود، ترانزیستور، تریستور، آی سی و … استفاده می‌شود. ظهور نیمه‌رساناها در علم الکترونیک انقلاب عظیمی را در این علم ایجاد کرده که اختراع رایانه یکی از دستاوردهای این انقلاب است.

دانش نوین ما از خواص مواد نیمه‌رسانا در حیطه فیزیک کوانتوم و نحوه حرکت حاملان بار در ساختار بلوری قرار دارد.[۳] آلایش، تعداد حاملان بار درون ساختار بلوری را به شدت افزایش می‌دهد. زمانیکه یک نیمه‌رسانای آلاییده حاوی تعداد بیشتری «حفره» نسبت به الکترون باشد به آن نیمه‌رسانای نوع-p (p به معنای positive یا مثبت) گفته می‌شود. اگر تعداد الکترون‌ها بیشتر از حفره‌ها باشد به آن نیمه‌رسانای نوع-n (n به معنای negative یا منفی) گفته می‌شود.

صنعت نیمه‌رساناها یکی از صنایع بسیار رقابتی و پول‌ساز در دنیا می‌باشد. پیش‌بینی می‌شود بازار جهانی این صنعت در سال ۲۰۱۸ رقمی بالغ بر ۴۷۷٫۹۴ میلیارد دلار باشد.[۴] بزرگترین تولیدکننده چیپ در حال حاضر شرکت سامسونگ می‌باشد که سهم بازار آن در سال ۲۰۱۸ برابر ۷۵٫۸۵ میلیارد دلار بوده‌است.[۴] سامسونگ، اینتل، SK Hynix، تی‌اس‌ام‌سی و MICRON بزرگترین تولیدکنندگان چیپ در دنیا هستند.[۵] بزرگترین کشورهای تولیدکننده نیمه‌رساناها به ترتیب ایالات متحده، کره جنوبی، ژاپن، اتحادیه اروپا، تایوان و چین هستند.[۶]

محتویات

تاریخچهویرایش

مشاهدات اولیه دربارهٔ رفتار نیمه‌رساناها اولین بار در میانه سده ۱۹ و اوایل قرن ۲۰ اتفاق افتاد. اولین کاربرد عملی نیمه‌رساناها در الکترونیک در سال ۱۹۰۴ و در ساخت شناساگر کتس-ویسکر (یک دیود نیمه‌رسانای ابتدایی که در ساخت رادیو کاربرد داشت) بود. پیشرفت‌های حاصل شده در فیزیک کوانتوم باعث اختراع اولین ترانزیستور در ۱۹۴۷[۷] و اولین تراشه در ۱۹۵۸ گردید.

انواع نیمه‌رساناهاویرایش

نیمه‌رساناها به دو نوع قسمت‌بندی می‌شوند.

  1. نیمه‌رسانای ذاتی (خالص)
  2. نیمه‌رسانای غیرذاتی (دارای ناخالصی)

در نیمه‌رسانای ذاتی تعداد حفره و الکترون برابر است، در صورتی که در نیمه‌رسانای غیر ذاتی چنین نیست. نیمه‌رسانای غیر ذاتی با آلاییدن نیمه‌رسانای چهار ظرفیتی با یک عنصر سه یا پنج ظرفیتی پدید می‌آید. نیمه‌رساناهای غیر ذاتی به دو دسته تقسیم می‌شوند.

  1. نوع پی p یا positive یا گیرنده الکترون آزاد (پذیرنده) که در آن تعداد حفره‌ها بیشتر است.
  2. نوع ان n یا negative یا دارنده الکترون آزاد (دهنده) که در آن تعداد الکترون‌ها بیشتر است.

خواص نیمه‌رساناویرایش

رسانایی الکتریکی متغیرویرایش

نیمه‌رساناها در حالت طبیعی خود رسانایی الکتریکی ضعیفی دارند چرا که برای ایجاد جریان الکتریکی نیاز به الکترون‌های آزاد است و نوار رسانش نیمه‌رساناها پر می‌باشد، و از ورود الکترون‌های آزاد جلوگیری می‌کنند. روش‌های مختلفی از قبیل «آلایش» و «اثر میدان یا دروازه سازی» وجود دارد که می‌توان توسط آنها رسانایی نیمه‌رساناها را مانند مواد رسانا افزایش داد. نتیجه این اصلاحات دو خروجی است: نوع-n و نوع-p. اگر تعداد الکترونها نامیزان باشد مواد تبدیل به رسانا می‌شوند.[۸]

هیتروجانکشن یا اتصال ناهمگون (Heterojunction)ویرایش

هیتروجانکشنها یا اتصال‌های ناهمگون زمانی اتفاق می‌افتند که دو ماده نیمه‌رسانا که به‌طور مختلف آلاییده شده‌اند به یکدیگر متصل شوند. برای مثال زمانیکه ژرمانیوم p-آلاییده و n-آلاییده را به هم متصل کنیم. این کار باعث تبادل الکترون و حفره بین دو ماده نیمه‌رسانای آلاییده مختلف می‌شود. ژرمانیوم n-آلاییده تعداد الکترون‌های بیشتر و ژرمانیوم p-آلاییده تعداد حفره‌های بیشتری خواهد داشت. این تبادل تحت فرآیندی به نام «بازترکیب» تا زمان ایجاد تعادل کامل ادامه خواهد داشت. در این فرایند الکترون‌های مهاجر نوع-n با حفره‌های مهاجر نوع-p در تماس قرار خواهند گرفت. یکی از محصولات این فرایند ایجاد یون‌های باردار است، که باعث ایجاد میدان الکتریکی می‌شود.[۳][۸]

الکترون‌های برانگیختهویرایش

اختلاف در پتانسیل الکتریکی در یک نیمه‌رسانا می‌تواند باعث خارج شدن از تعادل گرمایی و قرار گرفتن در یک وضعیت نامتعادل شود. این کار باعث ایجاد الکترون و حفره می‌شود، که تحت فرآیندی به نام انشتار امبایپولار (به انگلیسی: ambipolar diffusion) با یکدیگر واکنش نشان می‌دهند. هرگاه تعادل گرمایی در یک نیمه‌رسانا به هم بریزد، تعداد الکترون‌ها و حفره‌ها تغییر می‌کند. اختلاف دما یا فوتون‌ها که می‌توانند وارد سیستم شده و الکترون یا حفره ایجاد کنند می‌توانند باعث به هم خوردن این تعادل شوند.

ساطع کردن نورویرایش

در بعضی نیمه‌رساناها، الکترون‌های برانگیخته برای برگشتن به حالت عادی به جای تولید حرارت از خود نور ساطع می‌کنند.[۹] از این نیمه‌رساناها برای ساخت ال ئی دی‌ها و کوانتوم دات‌ها استفاده می‌گردد.

رسانش گرمایی بالاویرایش

از نیمه‌رساناهای با ضریب رسانش گرمای بالا می‌توان برای کاربردهایی که نیاز به دفع بالای گرما است در کاربردهای الکترونیک استفاده کرد.[۱۰]

مبدل انرژی گرماییویرایش

مواد نیمه‌رسانا ضریب توان ترموالکتریک بالایی دارند و برای استفاده در مولدهای ترموالکتریک و کولرهای ترموالکتریک بسیار کاربردی هستند.

عناصر نیمه‌رساناویرایش

از عناصر نیمه‌رسانا می‌توان به سیلیسیوم و ژرمانیوم که پایهٔ الکترونیک هستند اشاره کرد. سیلیسیوم در حالت عادی نیمه‌رسانا است و در جدول تناوبی در گروه چهار اصلی[۱۱] و زیر کربن قرار دارد و چهار ظرفیتی می‌باشد یعنی چهار الکترون در آخرین نوار خود دارد. حال اگر یکی از عناصر گروه مجاور را به سیلیسیوم بیافزاییم، باعث می‌شویم که سیلیسیوم قابلیت رسانایی بالاتری پیدا کند. اگر عنصر اضافه شده از گروه سوم اصلی باشد مثلاً آلومینیوم، آنگاه مادهٔ بدست آمده نیمه‌رسانای نوع-p می‌شود و اگر عنصر اضافه شده از گروه پنج اصلی باشد مثلاً آرسنیک، آنگاه مادهٔ بدست آمده نیمه‌رسانای نوع-n می‌شود. ژرمانیوم از این جهات مانند سیلیسیوم است ولی تفاوت‌هایی هم با آن دارد. با افزودن ۰٫۰۰۱٪ آرسنیک به ژرمانیوم رسانش آن ۱۰ هزار برابر افزایش پیدا می‌کند.

ساخت ادوات الکترونیکی بوسیله نیمه‌رساناویرایش

طریقه ساخت دیود از نیمه‌رساناهاویرایش

از پیوند نیمه‌رسانای نوع n با نوع p عنصری به نام دیود بدست می‌آید که خاصیت یکسو سازی آن بیشترین کاربرد را در الکترونیک دارد (در دیود هیچ تفاوتی بین اینکه نوع p را با نوع n پیوند دهیم یا نوع n را با نوع p پیوند دهیم وجود ندارد و در هر صورت عنصر بدست آمده دیود خواهد بود)

خاصیت دیودویرایش

دیود از نوع سیلیسیم تا ولتاژ حدود ۰/۷ ولت عایق بوده و بعد از آن به یک رسانای خوب تبدیل می‌گردد. این ولتاژ آستانهٔ تحریک برای دیودهای مختلف متفاوت است و مثلاً برای دیودهای ژرمانیومی حدود ۰/۲۵ ولت است؛ یعنی برای روشن شدن دیود سیلیسیومی ۰/۷ ولت نیاز است ولی برای روشن شدن دیود ژرمانیومی ۰/۲۵ ولت لازم است.

روش ساخت ترانزیستور از نیمه‌رساناهاویرایش

ترانزیستور از پرکاربردترین و اصلی‌ترین عناصر در مدارات الکترونیکی و مجتمع می‌باشد. اگر نوع p را با نوع n و دوباره با نوع p پیوند دهیم عنصر بدست آمده ترانزیستور pnp نام خواهد داشت. برعکس اگر اگر نوع n را با نوع p و دوباره با نوع n پیوند دهیم عنصر بدست آمده ترانزیستور npn نام خواهد داشت که بیشتر از ترانزیستور pnp در صنعت کاربرد دارد.

ساخت تریستورویرایش

با اتصال pnpn عنصر بدست آمده تریستور نام خواهد داشت. کلمه تریستور از کلمات ترانزیستور و تیراترون مشتق شده‌است.

جستارهای وابستهویرایش

  1. "Semiconductor". Wikipedia. 2019-05-21.
  2. cycles, This text provides general information Statista assumes no liability for the information given being complete or correct Due to varying update; Text, Statistics Can Display More up-to-Date Data Than Referenced in the. "Topic: Semiconductor Industry". www.statista.com. Retrieved 2019-05-25.
  3. ۳٫۰ ۳٫۱ Richard Phillips Feynman. The Feynman Lectures on Physics.
  4. ۴٫۰ ۴٫۱ "Global semiconductor industry market size 1987-2019 | Statistic". Statista. Retrieved 2019-05-25.
  5. Desk، News (۲۰۱۸-۱۱-۱۲). «Top 15 Chipmakers Expected to Outpace Market in 2018». EPS News (به انگلیسی). دریافت‌شده در ۲۰۱۹-۰۵-۲۶.
  6. Dorothea Blouin. «Semiconductors Top Markets Report» (PDF).
  7. William Shockley. Electrons and holes in semiconductors: with applications to transistor electronics.
  8. ۸٫۰ ۸٫۱ Donald Neamen. «Semiconductor Physics and Devices» (PDF).
  9. Abdul Al-Azzawi. Light and Optics: Principles and Practices.
  10. Hu, Yongjie; Nguyen, Huuduy; Wu, Huan; Li, Man; Kang, Joon Sang (2018-08-10). "Experimental observation of high thermal conductivity in boron arsenide". Science. 361 (6402): 575–578. doi:10.1126/science.aat5522. ISSN 0036-8075. PMID 29976798.
  11. «Interactive Periodic Table of the Elements». Science Notes and Projects (به انگلیسی). دریافت‌شده در ۲۰۱۹-۰۶-۰۹.