نیم‌رسانا

تاریخچه

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 و اولین تراشه در ۱۹۵۸ گردید.

رسانایی الکتریکی متغیر

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.

هیتروجانکشن یا اتصال ناهمگون (Heterojunction)

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.

الکترون‌های برانگیخته

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 نور

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

رسانش گرمایی بالا

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

مبدل انرژی گرمایی

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

عناصر نیمه‌رسانا

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 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.

طریقه ساخت دیود از نیمه‌رساناها

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 دیود

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 نیمه‌رساناها

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 تریستور

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