نیمه رسانا چیست معرفی انواع و کاربرد آنها
پیدایش نیمه رسانا در حوزه علم الکترونیک باعث ایجاد دستاوردهای متعددی شده است که اختراع کامپیوتر یکی از مهمترین آنها محسوب میشود. این سوال که نیمه رسانا چیست یکی از پرسش‌های اساسی علاقه‌مندان در این زمینه است. در بیان ساده میتوان گفت نیمه رسانا، عنصر یا ماده‌ای به حساب می‌آید که در حالت نرمال عایق بوده، اما با افزودن عناصر دیگر به آن قابلیت هدایت الکتریکی پیدا می‌کند.
در واقع نیمه رساناها عناصری هستند که رسانایی آنها مابین رسانایی هادی‌ها و غیرهادی‌ها به حساب می‌آید. نیمه رساناها انواع مختلفی دارند که هر کدام از آنها دارای خواص منحصربه‌فردی هستند. نیمه رساناها برای تولید قطعات مختلفی اعم از ترانزیستور، دیود، آیسی، سیلیکون و تریستور کاربرد دارند. هدف از نگارش این مقاله پاسخ به پرسش نیمه رسانا چیست و معرفی همه‌جانبه آن است؛ پس در ادامه با ما همراه باشید.
نیمه رسانا چیست؟
پیش از معرفی نیمه رسانا و راهنمایی در این مورد بهتر است نگاه اجمالی بر رسانا و نارسانا داشته باشیم. به طور کلی میتوان گفت اگر به هر دو مواد رسانا و نارسانا ولتاژ الکتریکی داده شود، هر کدام از آنها مقاومت متفاوتی از خود نشان میدهند؛ در این شرایط رسانا نسبت به جریان الکتریکی مقاومت بسیار پایین و نارسانا مقاومت بسیار بالایی دارد. اکنون که با هدایت الکتریکی رسانا و نارسانا آشنا شدید، می‌توانیم به پرسش نیمه رسانا چیست پاسخ دهیم. در واقع ویژگی الکتریکی نیمه رساناها چیزی بین رساناها و نارساناها است و پیش از کشف نیمه رسانا در کامپیوترها از لامپ‌های خلأ استفاده می‌کردند. نیمه رساناها انواع مختلفی دارند که در بخش‌های بعدی با آن آشنا خواهید شد. حال به این سوال می‌رسیم که برخی از مهمترین کاربردهای نیمه رسانا چیست.
- تولید قطعات الکترونیکی: همان‌طور که پیش‌تر هم به آن اشاره کردیم، نیمه رساناها کاربرد گسترده‌ای در ساخت ادوات الکترونیکی دارند؛ به طوری که به عنوان مواد اصلی برای تولید قطعاتی مانند LED و لیزر فوتودیود به حساب می‌آیند. همچنین از این ادوات در دستگاه‌ها و مدارهای الکترونیکی گوناگونی اعم از رادیو، تلویزیون، دوربین، کامپیوتر و تلفن استفاده میشود.
- حسگر: نیمه رسانایی که به نور حساس است به عنوان یک حسگر محسوب میشود که با دریافت نور می‌تواند جریان الکتریکی ایجاد کند. این حسگر در دوربین‌های دیجیتال و سلول‌های فوتودیود کاربرد دارد. یک حسگر همچنین می‌تواند یک دماسنج نیمه رسانا باشد که تغییر دما موجب تغییر مقاومت الکتریکی آن میشود و کاربرد این حسگر در تجهیزات پزشکی و صفحات نمایشگر است.
بیشتر بخوانید : برد الکترونیکی چیست؟
ویژگی نیمه رسانا
اکنون که می‌دانیم نیمه رسانا چیست و چه کاربردی دارد، به بررسی ویژگی‌های آن می‌پردازیم. نیمه رساناها ویژگی‌های متعددی دارند که یکی از مهمترین خصوصیت آنها در میان انواع ویژگی‌ها، وضعیت تغییر مقاومت ویژه الکتریکی با تغییرات دما است. همان‌طور که احتمالاً می‌دانید بالا رفتن دما، مقاومت ویژه الکتریکی مواد رسانا را افزایش می‌دهد و در نتیجه رسانای الکتریکی جسم کم میشود. مواد نیمه رسانا دقیقاً مخالف رساناها هستند و افزایش دما، مقاومت ویژه الکتریکی آنها را کاهش می‌دهد. تحقیقات مختلف نشان می‌دهد که الکترون‌ها تنها حاملان بار الکتریکی نیستند و علاوه بر الکترون، ذراتی با بار مثبت و منفی نیز در رسانایی الکتریکی نیمه رساناها موثر هستند. برای پاسخ کامل‌تر به پرسش نیمه رسانا چیست بهتر است نگاهی به نظریه نواری داشته باشیم. نظریه نواری این اتفاق را بدین صورت شرح می‌دهد: در نیمه رسانا افزون بر الکترونهای موجود در نوار رسانش، فضای خالی ایجاد شده در نوار ظرفیت نیز در رسانایی الکتریکی نقش دارد.
در واقع به بیان ساده‌تر میتوان گفت با گذار الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش، مقداری فضای خالی ایجاد شده که آن را حفره می‌نامند. الکترونهای این نوار نیز توانایی گذار را دارند و از تراز انرژی پایین به انرژی بالاتر می‌روند که در نهایت باعث رسانایی الکتریکی می‌شوند. بنا بر توضیحات مذکور، در توضیح نیمه رسانا چیست میتوان این مورد را نیز اضافه کرد که نیمه رسانا دو نوع حامل بار الکتریکی دارد که یکی الکترونهای نوار رسانش و آن یکی حفره‌های نوار ظرفیت هستند.
جهت سفارش تولید برد الکترونیکی و واردات قطعات الکترونیک از شرکت رویال صنعت سامانه مشاوره بگیرید.
انواع نیمه رسانا
همان‌طور که پیش‌تر هم در توضیحات نیمه رسانا چیست به آن اشاره کردیم، نیمه رسانا به دو دسته تقسیم‌بندی می‌شوند که عبارت‌اند از:
1.نیمه رسانای ذاتی
اگرچه نکات ذکر شده درباره نیمه رسانا چیست برای هر دو نوع آن صدق می‌کند، اما این دو نوع تفاوت‌هایی نیز دارند. نیمه رسانای فاقد ناخالصی را نیمه رسانای ذاتی می‌گویند. در این نوع نیمه رسانا، تعداد حفره‌های موجود در نوار ظرفیت با الکترونهای موجود در نوار رسانش برابر هستند. به بیان ساده‌تر نیمه رسانای ذاتی، متشکل از اتم‌های خالص یک عنصر نیمه رسانا مانند سیلیکون یا ژرمانیوم است. در این نیمه رسانا، حاملان بار الکتریکی در دمای صفر درجه کلوین وجود ندارند و با افزایش دما، جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌شوند؛ تعداد جفت‌های الکترون-حفره به دما وابسته است.
2.نیمه رسانای غیر ذاتی
منظور از آلایش نیمه رسانا، اضافه کردن ناخالصی به نیمه رسانا است و با انجام این عمل، تعداد حاملان بار الکتریکی به طور چشم‌گیری بیشتر میشود. لازم به ذکر است که ناخالصی در اینجا همان اتم‌های غیر هم‌جنس و یا اتم‌های نیمه رسانا هستند. نیمه رسانای غیر ذاتی، نیمه رسانایی است که به آن ناخالصی افزوده میشود. رسانایی الکتریکی نیمه رسانای غیر ذاتی به دلیل کاهش مقاومت ویژه الکتریکی آن به طرز قابل توجهی افزایش می‌یابد. آلایش نیمه رسانا خود به دو روش انجام میشود:
- روش اول: اتم ناخالصی دارای یک الکترون ظرفیت بیشتر از اتم‌های نیمه رسانای ذاتی باشد.
- روش دوم: اتم ناخالصی دارای یک الکترون ظرفیت کم‌تر از اتم‌های نیمه رسانای ذاتی باشد.
فرض کنید می‌خواهیم دو نیمه رسانای معروف سیلیسیوم (Si) و ژرمانیوم (Ge) که هر دو دارای چهار الکترون ظرفیت هستند را به دو روش آلایش کنیم. برای آلایش به روش اول، ناخالصی از جنس فسفر (P) یا آرسنیک (As) که پنج الکترون ظرفیت دارند را به نیمه رسانا می‌افزاییم و نیمه رسانای نوع n نامیده میشود. برای آلایش به روش دوم نیز کافی است که ناخالصی از جنس بور (B) یا آلومینیوم (Al) با سه الکترون ظرفیت را به نیمه رسانا اضافه کنیم و به آن، نیمه رسانای نوع p می‌گویند. با توجه به مثال ذکر شده به توضیحات تکمیلی هرکدام از انواع نیمه رسانای غیر ذاتی توجه کنید: - نیمه رسانای نوع n: با افزودن ناخالصی به نیمه رسانا، ساختار نواری آن نیز دستخوش تغییراتی شده و یک تراز انرژی به نام «تراز دهنده» در فاصله اندکی زیر نوار رسانش ایجاد میشود که محل قرارگیری الکترون پنجم آرسنیک است. به دلیل فاصله کم بین این تراز و نوار رسانش، الکترونهای موجود در تراز با جذب مقداری انرژی به نوار رسانش وارد می‌شوند و در رسانایی الکتریکی نقش‌آفرینی می‌کنند. اتم‌های ناخالصی که به نوار رسانش الکترون میدهند «ناخالصی دهنده» نام دارند. در این نوع نیمه رسانا، اکثر حاملان بار الکتریکی از نوع الکترونهای نوار رسانش بوده و چون الکترون‌ها بار الکتریکی منفی (negative) دارند، این نوع نیمه رساناها، نیمه رسانای n نامیده می‌شوند.
- نیمه رسانای نوع p: این نوع آلایش را میتوان نقطه مقابل آلایش قبلی در نظر داشت؛ زیرا تراز انرژی به نام «تراز پذیرنده» در فاصله اندکی بالای نوار ظرفیت ایجاد میشود. الکترون‌ها مقدار کمی انرژی جذب کرده و برای تکمیل پیوند اتمی به تراز پذیرنده، گذار می‌کنند که در نهایت حفره‌های اضافی را در نوار ظرفیت نیمه رسانا تشکیل میدهند. به اتم‌های ناخالصی که از نوار ظرفیت یک الکترون اضافی دریافت می‌کنند «ناخالصی پذیرنده» می‌گویند. حاملان بار الکتریکی در این نیمه رسانا بیشتر از نوع حفره‌های نوار ظرفیت بوده و بار الکتریکی مثبت (positive) دارند، به این نوع نیمه رساناها، نیمه رسانا p می‌گویند.
سخن پایانی
تفاوت اساسی بین رسانا، نیمه رسانا و نارسانا مربوط به وضعیت هدایت الکتریکی آنها میشود. مواد رسانا همیشه توانایی عبور جریان الکتریکی را دارند، اما مواد نارسانا برعکس عمل می‌کنند و جریان را عبور نمی‌دهند. بنا بر پاسخ به پرسش نیمه رسانا چیست دریافتید که مواد نیمه رسانا از لحاظ رسانایی الکتریکی بین رسانا و نارسانا قرار دارند و در برخی شرایط جریان را هدایت می‌کنند و در برخی شرایط نیز جریان را عبور نمی‌دهند. در مجموع میتوان گفت برای شرح پدیده رسانایی الکتریکی در جامدات، تنها نظریه کلاسیک الکترون آزاد کافی نیست و نظریه نواری این پدیده را تکمیل می‌کند. امروزه مواد نیمه رسانا کاربرد فراوانی در حوزه الکترونیک داشته و به عنوان یکی از اصلی‌ترین مواد برای ساخت قطعات مختلف شناخته می‌شوند. با این اوصاف این ماده پرکاربرد بی‌عیب نبوده و معایبی نیز دارد.
سوالات متداول
دلایل متعددی باعث این امر میشود که مهمترین آنها تعداد محدود الکترونهای آزاد و نوع پیوندهای میان اتمها (یونی یا کووالانسی) هستند.
نارساناها دارای کاربردهای متنوعی هستند که از مهمترین آنها میتوان به مدارهای مجتمع (ترانزیستورها، دیودها، آیسی و …)، LED، لیزرها و حسگرها اشاره کرد.
سیلیکون، ژرمانیوم، گالیوم آرسناید، اکسید روی و نیترید گالیوم از جمله نام‌آشناترین نیمه رساناها به حساب می‌آیند.
منظور از رسانایی الکتریکی، توانایی یک قطعه در عبور جریان الکتریکی بوده و در مجموع پنج دسته مواد برای این عمل وجود دارد که نیمه رسانا یکی از آنها است.