نیمه هادی چیست؟ چه انواع و کاربردی دارد؟

در کل برای همه مواد و عناصر شناخته شده، تا کنون ۳ نوع خاصیت الکتریکی تعریف شده است:

۱- هادی یا رسانا (ماده ای که به راحتی جریان الکتریکی را از خود عبور می دهد)
۲-عایق یا نارسانا ( موادی که قابلیت انتقال جریان الکتریکی را ندارند)
۳-نیمه رسانا با نیمه هادی ( موادی که در شرایط خاص می توانند انتقال جریان الکتریکی را کنترل کنند)

قطعا خود شما نمونه های واضحی برای موارد بالا دارید، برای مثال اکثر فلز ها به خصوص طلا و مس بیشترین حد رسانایی را دارند و پلاستیک و چوب و شیشه از جمله مواد عایق هستند.

اما در مورد نیمه هادی ها شاید تنها اسم ماده اسرار آمیز سیلیکون برای تان آشنا باشد. بد نیست بدانید که ژرمانیوم(Ge) و گالیوم آرسنید(GaAs) هم علاوه بر سیلیکون(Si) از نیمه هادی پرکاربرد در صنعت الکترونیک هستند.

برای درک بهتر از کارکرد این ۳ نوع خاصیت الکتریکی، به توضیحی مختصر در مورد هرکدام می پردازیم.

جریان الکتریکی تنها وقتی برقرار می‌شود که دسته های الکترونی سرتاسر ماده و در جهتی مشخص حرکت کنند. برای به حرکت درآوردن الکترون ها باید شرایطی را ایجاد کرد که بتوانند در ماده به طور آزادانه حرکت کنند.

در برخی مواد الکترون ها به صورت آزادانه از مدار اتمی حرکت می‌کنند، اما تعداد و فضای در دسترس آنها تعادل اتمی را برقرار می کند که باعث می شود ماده خنثی باشد و باری نداشته باشد. در این موارد معمولا الکترون ها آزادانه حرکت می کنند ولی به صورت تصادفی. بنابراین با به وجود آوردن اختلاف پتانسیلی در ماده هادی، الکترون ها به یک سمت کشیده شده و جریان الکتریکی را منتقل می کنند.

مواد دیگری نیز وجود دارند که الکترون های شان آزادانه حرکت نمی کند و در مدار خود محکم ایستاده اند. به همین دلیل وقتی اختلاف پتانسیل در ماده به وجود می‌آید، الکترون های بسیار اندکی به حرکت می‌افتند و در این حالت معمولا هیچ جریان الکتریکی در آن ماده منتقل نمی‌‌شود.این مواد را عایق جریان الکتریکی می نامند.

نیمه رسانه‌ها در هیچ کدام از دسته های بالا جای نمی‌گیرند. برای درک بهتر عملکرد آنها به ساختار سیلیکون در خالص ترین حالتش نگاهی می اندازیم. سیلیکون از هسته‌ای با ۳ مدار الکترونی تشکیل شده است که همه آنها دارای بار منفی هستند. هسته آن دارای نوترون های خنثی و پروتون با بار مثبت است. از آنجایی که تعداد پروتون‌ها و الکترون ها برابر است، بار کلی اتم خنثی می باشد.

مدار الکترونی نزدیک به هسته ۲ الکترون، مدار میانی ۸ و مدار خارجی در سیلیکون ۴ الکترون دارد. الکترون‌های مدار خارجی با اتم های کناری پیوند می خورند و شبکه کریستالی را شکل می دهند. وقتی که این اتفاق می‌افتد الکترونی در مدارهای خارجی باقی نمی‌ماند، در نتیجه جریانی در سیلیکون عبور نمی کند و این ماده تبدیل به عایق الکتریکی می گردد.

برای اینکه بتوانیم از سیلیکون یا دیگر عناصر نیمه هادی در صنایع الکترونیک بهره ببریم، لازم است که مقدار اندکی ناخالصی را به آنها اضافه کنیم. اگر ماده ای که به عنوان ناخالصی اضافه می‌کنیم دارای ۵ الکترون در آخرین مدار اتمی خود باشد، می تواند در شبکه کریستالی با سیلیکون ترکیب شده و یک الکترون آزاد نیز باقی بماند.

این الکترون برای انتقال جریان الکتریکی استفاده می شود، به شرطی که اختلاف پتانسیل مناسب در آن ماده ایجاد شود. حالتی که ناخالصی باعث به وجود آمدن الکترون اضافه می‌شود را نیمه هادی نوع (n type) nمی‌نامند و مواد مورد استفاده در این روش معمولاً فسفر و آرسنیک هستند.

در نقطه مقابل میتوان ماده ناخالصی که ۳ الکترون در مدار خارجی اش دارد را به نیمه هادی افزود، که با این‌کار حفره‌ای(فقدان جفت الکترونی) در شبکه کریستالی ایجاد شده که باعث آزاد شدن الکترون در نیمه هادی می شود. این نوع نیمه هادی ها را نوع (p type)p می نامند و معمولا از بور و آلومینیوم به عنوان ناخالصی استفاده می شود.

قبل از اینکه نیمه هادی ها بر صنایع الکترونیک چیره شوند، از لوله‌های خلاء استفاده می‌شد. در این لوله‌ها اتصال بین الکترون‌ها در حالت گازی برقرار می‌شد، ولی در نیمه هادی ها این اتصال در حالت جامد(solid state) ایجاد می‌شود.

دلیل اصلی استفاده از نیمه هادی ها و برتری شان نسبت به لوله های خلاء، قابلیت تنظیم رسانایی در حاملان شارژ (الکترون‌ها و حفره ها) می باشد. این کار به وسیله عوامل خارجی یا داخلی مانند میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی، نور، دما و انحراف های مکانیکی انجام می‌شود.

در کل دو نوع ماده نیمه‌هادی وجود دارد که یکی را نیمه هادی خالص و دیگری را نیمه هادی ترکیبی می نامند.

۱-ژرمانیوم : این ماده بود که در ساخت ترانزیستورها به کار گرفته شده رمانی و رنگی خاکستری و متالیک براق دارد. این ماده مانند شیشه شکننده و حساس است و قابلیت دوپینگ با مواد بسیاری را دارد.

۲-سیلیکون: این ماده نسبت ژرمانیوم فرآیند مشکل تری برای تولید و رسیدن به خلوص های بالا را دارد، زیرا نقطه ذوب آن ۱۴۲۰ درجه سانتی گراد است. سیلیکون در برابر تشعشعات هسته‌ای بسیار حساس است، زیرا وزن اتمی پایینی دارد و ممانند ژرمانیوم، می‌تواند با مواد زیادی دوپینگ شود.

دو موردی که در بالا ذکر شد مواد خالصی بودند که ذاتا خاصیت نیمه هادی دارند. اما مواد و عناصر دیگری نیز وجود دارند که از ترکیب آنها می توان به خواص نیمه هادی ها دست پیدا کرد مانند:

• گالیوم آرسنید
• ایندیوم آنتمونید
• کادمیوم سولفید
• سولفید روی
• اکسید مس
• اکسید روی
• سیلیکون کربید

شاید بتوان گفت که امروزه هیچ دستگاه الکترونیکی را پیدا نمی کنید که در آن از نیمه هادی استفاده نشده باشد. اما برای آشناتر شدن تعدادی از قطعاتی که از نیمه هادی ها ساخته شده اند را برای تان مثال می زنیم‌:

• انواع مختلف دیود
• انواع مختلف ترانزیستور
• سلول های نوری
• سلول های خورشیدی
• تریستورها
• چیپست ها
• ریزپردازنده ها
• پردازنده های گرافیکی
• چیپست های حافظه

در این قسمت تعدادی از کمپانی های بزرگ و شناخته شده ای را نام می بریم که در صنعت نیمه هادی ها فعالیت گسترده‌ای دارند و عمده درآمد خود را از تولید قطعات نیمه هادی به دست می آورند:

• اینتل (سازنده پردازنده های کامپیوتر، لپ تاپ و سرور)
• سامسونگ (سازنده تلفن همراه‌، پردازنده، چیپ های حافظه و...)
• توشیبا (سازنده چیپ حافظه، لوازم خانگی، IC ها و دیگر قطعات SMD)
• کوالکام (تولید کننده پردازنده معروف تلفن های همراه)
• AMD (سازنده پردازنده های کامپیوتر های شخصی، لپ‌تاپ، کنسول های پلی استیشن و ایکس باکس و کارت‌های گرافیک)