تعریف قطعه نیمه هادی و انواع آن

انواع نیمه هادی ها:

نیمه هادی ها را می توان به صورت زیر دسته بندی کرد:

• نیمه هادی ذاتی (خالص).
• نیمه هادی غیرذاتی (دارای ناخالصی).

نیمه هادی ذاتی:
نیمه هادی نوع ذاتی از مواد نیمه هادیِ از نظر شیمیایی بسیار خالص ساخته شده است. این نیمه هادی فقط از یک نوع عنصر تشکیل شده است.

ساز و کار هدایت نیمه هادی های ذاتی (الف) در حضور میدان الکتریکی (ب) در صورت عدم وجود میدان الکتریکی
ژرمانیوم (Ge) و سیلیکون (Si) متداول ترین انواع عناصر نیمه هادی ذاتی هستند. آن ها چهار الکترون ظرفیت دارند (چهارظرفیتی هستند) که با پیوند کووالانسی در دمای صفر مطلق به اتم متصل می شوند.

وقتی دما افزایش می یابد، در اثر برخورد، تعداد کمی الکترون محدود نشده هستند و می توانند آزادانه در شبکه حرکت کنند، بنابراین در موقعیت اصلی (حفره) خود غیبت ایجاد می شود. این الکترون ها و حفره های آزاد به هدایت الکتریسیته در نیمه هادی کمک می کنند.

حامل های بار منفی و مثبت از نظر تعداد برابر هستند. انرژی حرارتی قادر به یونیزه کردن چند اتم در شبکه است و از این رو رسانایی آن ها کمتر است.

نیمه هادی غیرذاتی:
با افزودن تعداد کمی از اتم های جایگزین مناسب به نام ناخالصی می توان رسانایی نیمه هادی ها را بسیار بهبود بخشید. به فرایند افزودن اتم های ناخالصی به نیمه هادی خالص آلاییدن یا دوپینگ گفته می شود. معمولاً فقط یک اتم در 107 تا با یک اتم آلاییده در نیمه رسانای ناخالص شده جایگزین می شود.

یک نیمه هادی غیرذاتی را می توان به صورت زیر طبقه بندی کرد:

• نیمه هادی نوع N.
• نیمه هادی نوع P.

نیمه هادی نوع n:
هنگامی که یک نیمه هادی خالص (سیلیکون یا ژرمانیوم) توسط ناخالصی پنج ظرفیتی (P، As، Sb، Bi) ناخالص شود، چهار الکترون از پنج الکترون با چهار الکترون Ge یا Si پیوند می خورند.

پنجمین الکترون دوپینگ آزاد می شود. بنابراین، اتم ناخالصی یک الکترون آزاد برای هدایت در شبکه می دهد و دهنده نامیده می شود. از آنجا که تعداد الکترون آزاد با افزودن ناخالصی افزایش می یابد، حامل های بار منفی نیز افزایش می یابند. از این رو به آن نیمه هادی نوع n گفته می شود.

کریستال به طور کلی خنثی است، اما اتم دهنده به یون مثبت بی حرکت تبدیل می شود. از آنجا که رسانایی به دلیل تعداد زیادی الکترون آزاد است، الکترون های نیمه هادی نوع n حامل های اکثریت هستند و حفره ها حامل های اقلیت.

نیمه هادی نوع p:
هنگامی که یک نیمه هادی خالص با یک ناخالصی سه ظرفیتی ناخالص شود (B، Al، In، Ga)، پس از آن، سه الکترون ظرفیت پیوند ناخالصی با سه الکترون از چهار الکترون نیمه هادی پیوند می خورند.

این امر باعث عدم وجود الکترون (حفره) در ناخالصی می شود. این اتم های ناخالصی که آماده پذیرش الکترون های پیوندی هستند «پذیرنده» نامیده می شوند.

با افزایش تعداد ناخالصی ها، حفره ها (حامل های بار مثبت) افزایش می یابند. از این رو به آن نیمه هادی نوع p گفته می شود.

کریستال در کل خنثی است، اما پذیرنده ها به یون منفی بی حرکت تبدیل می شوند. از آنجا که رسانایی به دلیل حفره های زیاد است، حفره های نیمه هادی نوع p حامل های اکثریت و الکترون ها حامل اقلیت هستند.

قطعه نیمه هادی چیست؟
قطعات نیمه هادی چیزی جز قطعاتی الکترونیکی نیستند که از خصوصیات الکترونیکی مواد نیمه رسانا مانند سیلیکون، ژرمانیم و آرسنید گالیم و همچنین نیمه هادی های آلی بهره می برند. قطعات نیمه هادی در بسیاری از کاربردها جای لوله های خلأ را گرفته اند.

این قطعات از هدایت الکترونیکی در حالت جامد و در مقابل انتشار گرمایونی در خلأ زیاد بهره می برند. قطعات نیمه هادی هم برای قطعات گسسته و هم برای مدارهای مجتمع تولید می شوند که از چند تا میلیاردها قطعه ساخته شده و به هم پیوسته در یک لایه یا نیمه ویفر نیمه هادی ساخته شده اند.

رسانایی نیمه هادی را می توان توسط میدان الکتریکی یا مغناطیسی، در معرض نور یا گرما یا با تغییر شکل مکانیکی شبکه تک بلوری آلاییده کنترل کرد.

بنابراین، نیمه هادی ها می توانند حسگرهای عالی بسازند. رسانایی جریان در یک نیمه هادی ناشی از حرکات الکترون و حفره است که در مجموع به عنوان حامل بار شناخته می شود.

ناخالصی سیلیکون با افزودن مقدار کمی اتم ناخالصی انجام می شود و همچنین برای فسفر یا بور، تعداد الکترون ها یا حفره های داخل نیمه هادی را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد.

هنگامی که یک نیمه هادی آلاییده حاوی حفره های اضافه باشد، نیمه هادی «نوع p» (مثبت برای حفره ها) نامیده می شود و هنگامی که حاوی مقداری بیش از حد الکترون آزاد باشد، نیمه هادی «نوع n» (منفی برای الکترون ها) شناخته می شود.

به پیوند تشکیل شده در جایی که نیمه هادی های نوع n و p از هم متصل می شوند پیوند p-n گفته می شود.

دیود:
دیود نیمه هادی قطعه ای است که به طور معمول از یک اتصال p-n منفرد ساخته می شود. محل پیوند یک نیمه هادی نوع p و n یک ناحیه تخلیه را تشکیل می دهد که در آن هدایت جریان با کمبود حامل های بار متحرک است.

هنگامی که قطعه بایاس مستقیم است، این ناحیه تخلیه کاهش می یابد و این امر منجر به رسانایی قابل توجهی می شود.

هنگامی که دیود بایاس معکوس است، جریان کمتری را می توان به دست آورد و ناحیه تخلیه را می توان گسترش داد.

قرار گرفتن یک نیمه هادی در معرض نور می تواند جفت حفره-الکترون ایجاد کند که باعث افزایش تعداد حامل های آزاد و در نتیجه رسانایی می شود. دیودهای بهینه شده برای استفاده از این پدیده به عنوان فوتودیود شناخته می شوند. از دیودهای نیمه رسانای مرکب نیز برای تولید دیودهای نوری، ساطع کننده نور و دیودهای لیزر استفاده می شود.

ترانزیستور:
ترانزیستورهای پیوندی دوقطبی توسط دو پیوند p-n، در دو پیکربندی p-n-p یا n-p-n تشکیل می شوند. بیس، ناحیه بین پیوندها، به طور معمول بسیار باریک است. ناحیه های دیگر و پایانه های مربوط به آن ها به عنوان امیتر و کلکتور شناخته می شوند.

جریان کوچکی که از طریق محل اتصال بین بیس و امیتر تزریق می شود، خصوصیات محل اتصال کلکتور بیس را تغییر می دهد، بنابراین می تواند جریان هدایت کننده را برقرار کند. حتی اگر بایاس باشد این یک جریان بزرگ تر بین کلکتور و امیتر ایجاد می کند و توسط جریان بیس امیتر کنترل می شود.

نوع دیگری از ترانزیستور به نام ترانزیستور اثر میدان، با این اصل کار می کند که با وجود یک میدان الکتریکی رسانایی نیمه هادی می تواند کم یا زیاد شود. یک میدان الکتریکی می تواند تعداد الکترون ها و حفره های یک نیمه هادی را افزایش دهد، در نتیجه رسانایی آن تغییر می کند.

میدان الکتریکی می تواند توسط یک پیوند pn با بایاس معکوس اعمال شود و ترانزیستور اثر میدان میدان (JFET) را تشکیل دهد یا توسط الکترود عایق شده از مواد فله توسط یک لایه اکسید ایجاد شود و یک MOSFET تشکیل شود.

الکترود گیت ماسفت برای تولید یک میدان الکتریکی شارژ می شود که می تواند هدایت «کانال» بین دو ترمینال (سورس و درین) را کنترل کند.

بسته به نوع حامل در کانال، قطعه ممکن است کانال n (برای الکترون ها) یا کانال p (برای حفره ها) باشد.