نیم‌رسانا

نیمه هادی ها
(تغییرمسیر از پیوند نوع N)
کریستال سیلیکون متداول‌ترین نیمه‌رسانای مورد استفاده در میکروالکترونیک و فتوولتاییک است.

نیمه‌رسانا یا نیمه‌هادی (به انگلیسی: Semiconductor) عنصری است که رسانایی الکتریکی آن، چیزی بین رسانا (مانند مس) و عایق الکتریکی (مانند شیشه) باشد.[۱] مقاومت الکتریکی نیمه‌رسانا برخلاف فلزات، با افزایش دما کاهش می‌یابد. رسانایی این مواد را می‌توان با افزایش دقیق و کنترل‌شده ناخالصی‌ها تغییر داد، که به این فرایند، دوپینگ یا آلایش گفته می‌شود.

رسانایی نیمه‌رساناها در دمای اتاق چیزی بین رسانایی فلزات و نارساناها است. مرز نارساناها و نیمه‌رساناها، با کاف نواری تعیین می‌شود. رسانایی جامدات معیار خوبی برای قضاوت نیست چرا که ممکن است یک ماده در اثر افزایش دما، رسانایی پایین، متوسط یا بالایی از خود نشان دهد. مقدار کاف نواری و رسانایی که مبنای تعیین یک جامد به عنوان نیمه‌رسانا یا نارسانا قرار گیرد، به کاربرد آن جامد بستگی دارد. نیمه‌رساناها به دو نوع نیمه‌رسانای ذاتی و غیرذاتی تقسیم می‌شوند.

نیمه‌رساناها در دنیای امروز نقشی اساسی دارند، و تقریباً همه دستگاه‌هایی که استفاده می‌کنیم، مانند گوشی‌های همراه، تبلت‌ها، رایانه‌ها، رادیوها و … به آنها وابسته‌اند.[۲]

نیمه‌رساناها، خواص جالبی دارند. برای مثال، عبور دادن جریان تنها از یک سمت، داشتن مقاومت الکتریکی متغیر، و حساسیت به نور یا گرما. به دلیل اینکه می‌توان رسانایی نیمه‌رساناها را با فرایند آلایش تغییر داد، می‌توان از آن‌ها در کاربردهای تقویت‌کننده، قطع و وصل جریان (سوییچینگ)، و تبدیل انرژی استفاده کرد.

از نیمه‌رساناها برای ساخت قطعاتی مانند دیود، ترانزیستور، تریستور، آی سی و … استفاده می‌شود. پیدایش نیمه‌رساناها در الکترونیک، انقلابی در این علم به‌پا کرده که اختراع رایانه یکی از دستاوردهای آن است.

دانش نوین ما از خواص مواد نیمه‌رسانا در حیطه فیزیک کوانتوم و نحوه حرکت حاملان بار در ساختار بلوری است.[۳] آلایش، تعداد حاملان بار درون ساختار بلوری را افزایش می‌دهد. وقتی یک نیمه‌رسانای آلاییده، تعداد بیشتری حفره نسبت به الکترون دارد 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 (به معنای negative یا منفی) گفته می‌شود.

صنعت نیمه‌رساناها یکی از صنایع رقابتی و پول‌ساز در دنیاست. 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، اس‌کی هاینیکس، تی‌اس‌ام‌سی و مایکرون 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]

تاریخچهویرایش

رفتار نیمه‌رساناها اولین بار در میانه سده ۱۹ و اوایل قرن ۲۰ دیده شد. اولین کاربرد نیمه‌رساناها در الکترونیک در سال ۱۹۰۴ و در ساخت آشکارشاز کَت-ویسکر (یک دیود نیمه‌رسانای ابتدایی که در ساخت رادیو کاربرد داشت) بود. پیشرفت‌ها در فیزیک کوانتوم به اختراع اولین ترانزیستور در ۱۹۴۷[۷] و اولین تراشه در ۱۹۵۸ انجامید.

انواع نیمه‌رساناهاویرایش

نیمه‌رساناها، بر دو نوع هستند:

  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 اندکی دارند چرا که برای برقراری جریان الکتریکی، الکترون‌های آزاد لازم است و نوار رسانش نیمه‌رساناها پر است، و از ورود الکترون‌های آزاد جلوگیری می‌کنند. با روش‌های مختلفی مانند «آلایش» و «اثر میدان یا دروازه‌سازی» می‌توان رسانایی نیمه‌رساناها را مانند مواد رسانا افزایش داد، که به نیمه‌رساناهای نوع-n و نوع-p می‌انجامد. 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، یون‌های باردار است، که باعث پدیدآمدن 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 با نیمه‌رساناویرایش

ساخت دیود از نیمه‌رساناهاویرایش

از پیوند نیمه‌رسانای نوع n با نوع p، قطعه‌ای به نام دیود بدست می‌آید که خاصیت یکسوسازی آن کاربرد بسیاری را در الکترونیک دارد.

خاصیت دیودویرایش

دیود از نوع سیلیسیم تا ولتاژ حدود ۰/۷ ولت عایق بوده و بعد از آن به یک رسانای خوب تبدیل می‌شود. 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.

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، تریستور به دست می‌آید.

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). بایگانی‌شده از اصلی (PDF) در ۳ نوامبر ۲۰۱۹. دریافت‌شده در ۲۶ مه ۲۰۱۹.
  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.