دوستان نیمه‌هادی! قسمت اول (ماجراهای سِمی‌کاندکتور و دیودجادو)

Semiconductor Friends

ماجراهای سِمی‌کاندکتور و دیودجادو

متریال‌های "نیمه رسانا" اجزاء مهم دستگاه های الکترونیکی هستند از دیود و ترانزیستورهای ساده در مدارهای ساده تا تلفن‌ها، کامپیوترها و تجهیزات زیرساخت اینترنت ، قمر‌های مصنوعی و میکروشیپ‌ها..
بر خلاف یک مقاومت که از اجزاء غیرفعال (Passive) با رفتار خطی (Linearly) در مدارهای الکتریکی یا الکترونیکی به شمار می‌رود، قطعه نیمه‌هادی به عنوان مثال دیود (Diode) با توجه به رابطه نمایی ولتاژ و جریان اعمال شده به صورت خطی عملکردی که به سادگی با استفاده از قانون اهم قابل توصیف باشد، نشان نمی‌دهد..
دیودها قطعات نیمه‌هادی یک جهته هستند و فقط اجازه عبور یک‌طرفه جریان (شبیه شیر الکتریکی) می‌دهند (Forward Biased Condition) اما نه همیشه!
عموما دیودها یک تکه نیمه‌هادی دارای "دو بخش مثبت و منفی در طرفین" هستند (پیوند P,N) و مقاومتی بین رسانا (conductor) و عایق (insulator) در آن‌ها برقرار است.

ماجراهای سِمی‌کاندکتور و دیودجادو اولین بار در میکروشیپ پدیدار شد.. قسمتهای جالب این موضوع را دنبال کنید..

مقاومت ویژه (Resistivity)

مقاومت به فیزیک ماده بستگی دارد به صورت ساده با افزایش طول ماده مقاومت افزایش و با افزایش قطر ماده مقاومت کاهش می‌یابد. مواد را می توان به سه گروه اصلی رسانا، عایق و نیمه‌رسانا طبقه‌بندی کرد بنابراین مقاومت ویژه (Resistivity) هر ماده لزوما به اندازه و شکل ماده مرتبط نیست. از عوامل دیگر تاثیر گذار روی مقاومت و برعکس آن رسانایی گرماست. برای هدایت یا مخالفت با جریان الکتریکی این خواص مورد توجه است.

Resistivity Chart
این تفاوت در مقاومت تا حدی به دلیل دمای محیط آنها است زیرا فلزات نسبت به عایق ها رسانای گرما بسیار بهتری هستند

رسانا‌ها (Conductors)

مواد رسانا مقاومت بسیار کمی دارند (میکرو اهم بر متر، μΩ.m) (وجود تعداد زیادی الکترون آزاد در ساختار اصلی اتم خود)، این مقدار کم اجازه می دهد جریان الکتریکی به راحتی عبور کند. و این الکترون ها برای جریان یافتن (تحریک) در هادی به چیزی مانند پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) نیاز دارند.
هنگامی که ولتاژ مثبت به ماده اعمال شود، این "الکترون های آزاد" اتم منبع خود را ترک می کنند و با هم از طریق ماده حرکت می‌کنند و یک رانش الکترونی را تشکیل می دهند که بیشتر به عنوان جریان شناخته می شود. اینکه چگونه این الکترون‌ها می‌توانند آزادانه در یک رسانا حرکت کنند، به این بستگی دارد که با اعمال ولتاژ چقدر راحت از اتم‌های تشکیل‌دهنده خود دل بکنند. مقدار الکترون‌هایی که جریان می یابند هم به مقدار مقاومت هادی بستگی دارد. (ماجرای جریان چیست از مثبت به منفی می رود یا برعکس؟)

نمونه رساناهای خوب عموماً فلزاتی مانند مس، آلومینیوم، نقره یا غیرفلزاتی مانند کربن هستند، زیرا این مواد الکترون‌های کمی در "پوسته ظرفیت" یا حلقه بیرونی خود دارند در نتیجه به راحتی از مدار اتم خارج می شوندو آزادانه در میان مواد جریان پیدا کنند تا زمانی که به اتم‌های دیگر بپیوندند و با ایجاد «اثر دومینو» ”Domino Effect“ جریان الکتریکی را شکل دهند.
انرژی که در فرآیند عبور جریان الکتریکی (به خاطر مقاومت مسیر و برخورد الکترون ها به هم) از دست می رود، به صورت گرما ظاهر می شود به همین دلیل با افزایش مقاومت هادی (با افزایش دمای محیط) ، هادی‌ها و به ویژه مقاومت‌ها داغ می شوند.

عایق‌ها (Insulators)

عایق ها دقیقا برعکس هادی ها هستند. آنها از مواد، عموماً غیرفلز، ساخته شده‌اند که «الکترون‌های آزاد» بسیار کمی دارند یا اصلاً در ساختار اتمی اصلی خود شناور نیستند، زیرا الکترون‌های موجود در لایه ظرفیت بیرونی به شدت توسط هسته داخلی با بار مثبت جذب می‌شوند.
به عبارت دیگر، الکترون‌ها به اتم منبع چسبیده‌اند و نمی‌توانند آزادانه به اطراف حرکت کنند، بنابراین اگر ولتاژ پتانسیل به ماده اعمال شود، جریانی برقرار نمی‌شود چون «الکترون‌های آزاد» نداریم.
عایق ها مقاومت بسیار بالایی دارند، میلیون‌ها اهم بر متر، و عموماً تحت تأثیر تغییرات دمایی معمولی قرار نمی گیرند (اگرچه در دماهای بسیار بالا چوب به زغال چوب (کربن) تبدیل می شود و از عایق به هادی تبدیل می شود). نمونه هایی از عایق های خوب سنگ مرمر، کوارتز ذوب شده، پلاستیک PVC، لاستیک و غیر ذلک است!
عایق‌ها نسبت به رسانا و نیمه‌رسانا‌ها چیزهای بی‌مصرفی نیستند، عایق‌ها در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی نقش بسیار مهمی دارند، زیرا بدون آنها مدارهای الکتریکی اتصال کوتاه می شوند و کار نمی‌کنند! به عنوان مثال، از عایق های ساخته شده از شیشه یا چینی برای ساپورت کابل‌های هوایی، مواد رزین‌شیشه‌ای اپوکسی در ساخت بردهای مدار چاپی (PCB) و میکروشیپ و از PVC برای عایق کاری کابل‌های الکتریکی استفاده می شود.

چگونه در (کار) خانه نیمه‌رسانا بسازیم؟ (Making semiconductors at home)

مواد نیمه هادی مانند سیلیکون (Si)، ژرمانیوم (Ge) و آرسنید گالیم (GaAs)، دارای خواص الکتریکی بینابینی، بین خواص الکتریکی یک 'رسانا' و یک 'عایق' هستند. آنها هادی و عایق خوبی نیستند (از این رو نام آنها 'نیمه رسانا' است). آنها «الکترون‌های آزاد» بسیار کمی دارند، زیرا اتم‌های آن‌ها در یک الگوی کریستالی به نام «شبکه کریستالی» در کنار هم قرار گرفته‌اند، اما الکترون‌ها هنوز می‌توانند در شرایط خاصی جریان داشته باشند.
توانایی نیمه هادی ها برای هدایت الکتریسیته را می توان با جایگزینی یا افزودن اتم های دهنده یا گیرنده خاصی به این ساختار کریستالی بهبود بخشید و در نتیجه الکترون های آزاد بیشتری نسبت به حفره‌ها تولید کرد یا برعکس، که با افزودن درصد کمی از عنصر دیگر به ماده پایه، سیلیکون یا ژرمانیوم امکان‌پذیر است. سیلیکون و ژرمانیوم به تنهایی به عنوان نیمه‌رسانای ذاتی طبقه‌بندی می‌شوند، یعنی از نظر شیمیایی خالص هستند و چیزی جز مواد نیمه رسانا ندارند. اما با کنترل مقدار ناخالصی‌های اضافه شده به این ماده نیمه‌رسانای ذاتی میتوان رسانایی آن را کنترل کرد. ناخالصی‌های مختلفی به نام دهنده (donors) یا پذیرنده (acceptors) می تواند به این مواد اصلی اضافه شود تا الکترون‌ها یا حفره‌های آزاد تولید شود.
این فرآیند افزودن اتم های دهنده یا پذیرنده به اتم های نیمه هادی (از قرار 1 اتم ناخالصی در هر 10 میلیون (یا بیشتر) اتم نیمه هادی) دوپینگ (Doping) نامیده می شود. از آنجایی که سیلیکون دوپ شده دیگر خالص نیست، این اتم های دهنده و گیرنده در مجموع به عنوان "ناخالصی" نامیده می شوند و با دوپ کردن مواد سیلیکونی با تعداد کافی ناخالصی، می‌توانیم آن را به نیمه‌رسانای نوع N یا P که در بالاتر میکروشیپ اشاره کرد تبدیل کنیم. (N-type or P-type semi-conductor material)

بر اساس اخبار رسیده از یک منبع موثق این هم کار خودمونه ، عموما جوانان پنهان ایرانی که در سال‌های اخیر از بی‌توجهی‌های مسپولان بعضا مزخرف ای.ا..ی به ستوه آمده در زیرزمین‌های چین (چین شهری است از توابع آریزونا در میکروشیپ) به این تیپ کارها مشغولند (شکافت اتم).

پس این نرشتگان به چه کاری مشغولند؟ که مثل چرندگان راست راست می‌چرخند در هوای سر ماه که حقوق‌شان را بگیرند.. پس این نرشتگان به چه کاری مشغولند، که مرگ تو را ندیدند.. کاش پر وبال‌شان در آتش آفتاب تیر بسوزد و ما با ذغال ناجورشان شعار برای خیابانی بنویسیم.. پس این فرشتگان پیر شده ، جز جانسوزی ، به چه کار دیگری مشغولند ، که فریادشان به گوش کسی نمی‌رسد؟!

ساختار اتم سیلیکُن و نیمه‌رسانا‌های بی‌ظرفیت!

متداول ترین مواد اولیه نیمه‌هادی که تاکنون استفاده می‌شود سیلیکون (silicon) است. سیلیکون دارای چهار الکترون ظرفیتی (والانس یا Valence electron) در آخرین لایه خود است که با اتم‌های سیلیکون همسایه‌اش به اشتراک می‌گذارد تا ناحیه اوربیتال (Orbital) کامل هشت الکترونی را تشکیل دهد. ساختار پیوند بین دو اتم سیلیکون به گونه ای است که هر اتم یک الکترون با همسایه خود به اشتراک می گذارد و پیوند بسیار پایدار تشکیل می‌شود. از آنجایی که الکترون‌های آزاد بسیار کمی برای حرکت در اطراف کریستال سیلیکون وجود دارد، بلورهای سیلیکون خالص (یا ژرمانیوم) عایق‌های خوبی هستند، یا حداقل مقاومت‌هایی با ارزش بسیار بالا هستند.
اتم های سیلیکون در یک الگوی متقارن مشخص قرار گرفته اند و آنها را به یک ساختار جامد کریستالی تبدیل می کند. کریستال سیلیس خالص (دی اکسید سیلیکون یا شیشه - از شن تا پردازنده) به طور کلی به عنوان یک کریستال ذاتی (بدون ناخالصی) گفته می شود و بنابراین الکترون آزاد ندارد.

اتصال ساده یک کریستال سیلیکون به منبع تغذیه (باتری) برای برقراری جریان الکتریکی در آن کافی نیست اما می‌توان با ایجاد قطب «مثبت» و «منفی» در سیلیکون به الکترون‌ها و در نتیجه جریان الکتریکی اجازه خروج از سیلیکون دهیم. این قطب‌ها با دوپینگ ناخالصی‌های خاصی در سیلیکون ایجاد می شوند.

"شکل بالا ساختار و شبکه یک کریستال خالص «معمولی» سیلیکُن را نشان می دهد"

نیمه هادی نوع منفی (N-type Semiconductor)

برای اینکه کریستال سیلیکون ما بتواند الکتریسیته را هدایت کند، باید یک اتم ناخالصی مانند آرسنیک، آنتیموان یا فسفر را وارد ساختار بلوری کنیم و آن را برون‌گرا کنیم (ناخالصی اضافه می‌شود). این اتم ها دارای پنج الکترون بیرونی در بیرونی‌ترین مدار خود هستند تا با اتم‌های همسایه (میکرو.شیپ) به اشتراک بگذارند و معمولاً ناخالصی های "پنج ظرفیتی" (Pentavalent) نامیده می شوند.
این به چهار الکترون از پنج الکترون مداری اجازه می‌دهد تا با اتم های سیلیکون همسایه خود پیوند برقرار کنند و یک "الکترون آزاد" را با اعمال ولتاژ الکتریکی (جریان الکترون) به تحرک وا دارد. از آنجایی که هر اتم ناخالصی یک الکترون قرمز "اهدا" می‌کند، اتم های پنج ظرفیتی به طور کلی به عنوان "دهنده" (donors) شناخته می شوند.
آنتیموان (antimony نماد Sb) و همچنین فسفر (نماد P)، اغلب به عنوان یک افزودنی پنج ظرفیتی به سیلیکون استفاده می شود. آنتیموان دارای 51 الکترون است که در 5 لایه در اطراف هسته خود دارد. بیرونی‌ترین اوربیتال (مدارهای الکترونی) دارای پنج الکترون است. مواد اولیه نیمه هادی به دست آمده دارای الکترون‌های حامل جریان اضافی هستند که هر کدام دارای بار منفی هستند و بنابراین به عنوان یک ماده از نوع N با الکترون‌ها "حامل اکثریت" (Majority Carriers) نامیده می شود در حالی که حفره‌های حاصل "حامل اقلیت" (Minority Carriers) نامیده می شوند.
هنگامی که توسط یک منبع انرژی خارجی تحریک میشود، الکترون های آزاد شده از اتم های سیلیکون توسط این تحریک به سرعت با الکترون های آزاد موجود از اتم های آنتیموان دوپ شده جایگزین می شوند. اما این عمل همچنان یک الکترون اضافی (الکترون آزاد شده) را در اطراف کریستال دوپ شده شناور می گذارد و آن را دارای بار منفی می کند.
در نتیجه یک ماده نیمه هادی زمانی که ظرفیت از دست دادن الکترون آن (donor density) بیشتر از ظرفیت گیرندگی آن باشد، به عنوان نوع N طبقه بندی می‌شود، به عبارت دیگر، الکترون های بیشتری نسبت به حفره ها دارد و یک قطب منفی ایجاد می کند. (الکترون از کدوم سمتی میره؟)

واشکافی نیمه‌هادی - اتم آنتیموان و دوپینگ (Semiconductors – The Antimony Atom and Doping)
نمودار بالا ساختار و شبکه اتم ناخالصی دهنده آنتیموان را نشان می دهد

نیمه هادی نوع مثبت (P-type Semiconductor)

اگر به سمت دیگری از انستیتو میکرو_شیپ برویم و ناخالصی «سه ظرفیتی» (3 الکترونی) را به ساختار کریستالی تزریق کنیم، مانند آلومینیوم، بور یا ایندیم (Aluminium, Boron or Indium) که تنها سه الکترون ظرفیتی (والانسی) در بیرونی‌ترین اوربیتال (سکوی پرتاب میکرو:شیپ) خود دارند، پیوند باند چهارم و اتصال کاملی در ماده نیمه‌رسانا شکل نمی‌گیرد و حامل‌های بار مثبت اضافی را در آن شارژ می‌کند که به عنوان حفره در ساختار کریستال شناخته می‌شوند و الکترون‌ها را به طور مؤثری قورت (جذب) می‌دهند.
وقتی حفره ای در کریستال سیلیکون وجود دارد الکترون همسایه به سمت آن جذب می‌شود و سعی میکند برای پر کردن آن به درون سوراخ حرکت کند. با این حال، الکترونی که حفره را پر می کند، حفره دیگری را در حین حرکت پشت خود بر جای میگذارد. این به نوبه خود الکترون دیگری را جذب می کند که به وسع خود حفره دیگری در پشت خود ایجاد میکند و به همین ترتیب این حکایتگر این است که حفره ها به عنوان یک بار مثبت در ساختار کریستالی حرکت می‌کنند!!  (conventional current flow) (جهت جریان قراردادی که قبلا نوابق میکروشیپ در موردش صحبت کردند).
این بی‌قراری حفره‌ها منجر به کمبود الکترون در سیلیکون میشود و کل کریستال دوپ شده را به یک قطب مثبت تبدیل می کند. از آنجایی که هر اتم ناخالصی یک حفره ایجاد میکند، ناخالصی های سه ظرفیتی به طور کلی به عنوان "پذیرنده" (Acceptors) شناخته می شوند زیرا به طور مداوم الکترونهای اضافی یا آزاد را قورت می‌دهند.
Boron (نماد B) معمولاً به عنوان یک افزودنی سه ظرفیتی استفاده می شود زیرا فقط پنج الکترون دارد که در سه لایه در اطراف هسته خود قرار گرفته اند و بیرونی ترین اوربیتال (سکو) فقط سه الکترون دارد. دوپینگ اتم‌های بور باعث می‌شود که رسانایی عمدتاً از حامل‌های بار مثبت تشکیل شود که در نتیجه ماده‌ای از نوع P (P-type) ایجاد می‌شود که حفره‌های مثبت آن «حامل اکثریت» نامیده می‌شوند در حالی که الکترون‌های آزاد «حامل اقلیت» نامیده می‌شوند.
پس یک ماده اولیه نیمه‌هادی زمانی که چگالی گیرندگی آن بیشتر از چگالی دهندگی آن باشد، به عنوان نوع P طبقه‌بندی می‌شود و حفره‌های بیشتری نسبت به الکترون‌ها دارد. افتاد یا بیشتر توضیح بدم؟ 👎😉👎

مبانی نیمه هادی - دوپینگ اتمی بور (Semiconductor Basics – The Boron Atom and Doping)
نمودار بالا ساختار و شبکه پذیرنده و چرک (ناخالصی) اتم بور را نشان می دهد

حامل‌های اقلیت و اکثریت

حامل بار (به انگلیسی: Charge Carrier) در علم فیزیک، به ذره آزاد غیر مقیدی (کافر) گفته می‌شود که بار الکتریکی حمل می‌کند. عامل حرکت حاملان بار، نیرویی‌ست که از سوی میدان الکتریکی به ذرات حامل بار وارد می‌آید و این فرایند باعث ایجاد جریان الکتریکی می‌شود. الکترون‌ها و یون‌ها نمونه‌هایی از حاملان بارند.

در فلزها، حاملان بار الکترون‌های لایه ظرفیت هستند که به راحتی از اتم جدا شده و در شبکه بلوری فلز به حرکت در می‌آید. مجموعه این الکترون‌ها در شبکه، ابر الکترونی به وجود می‌آورند که به آن گاز فرمی می‌گویند. در الکترولیت‌ها، مانند آب نمک، حاملان بار آنیون‌ها و کاتیون‌هااند. در پلاسما، الکترون‌ها و کاتیون‌های حاصل از یونش گاز موجود، حاملان بارند.

در نیمه هادیها نیز جفت الکترون و حفره حاملان بارند.
حامل‌های بار فراوانتر به حامل‌های اکثریت معروف هستند، که اصولاً مسئول حمل و نقل جریان در یک تکه نیمه‌رسانا هستند.
در نیمه هادی نوع N، تعداد الکترون‌ها خیلی بیشتر از حفره‌ها است و به الکترون‌ها حامل‌های اکثریت (حامل‌های بار فراوان) و حفره‌ها حامل‌های اقلیت (حامل‌های بار کمتر) گفته می‌شود. در نیمه هادی نوع P، تعداد حفره‌ها خیلی بیشتر از الکترون هاست و به حفره‌ها حامل اکثریت و به الکترون‌ها حامل اقلیت می‌گویند.

حامل‌های اقلیت نقش مهمی در ترانزیستورهای دوقطبی و سلول‌های خورشیدی ایفا می‌کنند. نقش آن‌ها در ترانزیستورهای میدان تأثیر (FETها) کمی پیچیده‌تر است: به عنوان مثال، یک MOSFET دارای مناطق نوع p و نوع n است. عملکرد ترانزیستور شامل حامل‌های اکثریت مناطق منبع و رشته است، اما این حامل‌ها از طریق بدنه نوع مخالف عبور می‌کنند، جایی که حامل‌های اقلیت هستند. با این حال، حامل‌های عبوری به طور قابل توجهی بیشتر از نوع مخالف خود در منطقه انتقال عددی هستند (در واقع، حامل‌های نوع مخالف توسط یک میدان الکتریکی که یک لایه معکوس ایجاد می‌کند، حذف می‌شوند)، بنابراین به طور سنتی برای حامل‌ها نامگذاری منبع (SOURCE) و رشته (DRAIN) انتخاب می‌شود، و FETها به عنوان دستگاه‌های "حامل‌های اکثریت" شناخته می‌شوند!
منبع : و

خلاصه مبانی نیمه رسانا های لعنتی عزیز در بالا گفته شد

به علاوه اینها (منبع : یک مدرس امریکایی بیکار) :

نوع N (به عنوان مثال دوپ شده با آنتیموان) N-type (e.g. doped with Antimony)

اینها موادی هستند که دارای اتمهای ناخالصی پنج ظرفیتی (Donors) هستند و با حرکت "الکترون‌ها" هدایت می شوند و بنابراین نیمه هادی های نوع N نامیده می شوند.

در N-type ها این حالات وجود دارد :
1. اهداکنندگان مثبت شارژ شدند.
2. تعداد زیادی الکترون آزاد وجود دارد.
3. تعداد کمتری حفره نسبت به تعداد الکترون‌های آزاد وجود دارد.
4. دوپینگ ارائه می‌دهد:
       اهداکنندگان دارای بار مثبت
       الکترون های آزاد با بار منفی
5. اعمال انرژی می دهد:
       الکترون های آزاد با بار منفی
       حفره هایی با بار مثبت

نوع P (به عنوان مثال دوپ شده با بور) (P-type (e.g. doped with Boron))

اینها موادی هستند دارای اتمهای ناخالص سه ظرفیتی (پذیرنده) و با حرکت "حفره‌ها" هدایت می شوند و بنابراین نیمه هادی های نوع P نامیده می شوند.
در P-type ها این حالات وجود دارد :
1. پذیرنده ها دارای بار منفی هستند.
2. تعداد زیادی حفره وجود دارد.
3. تعداد کمتر الکترون آزاد نسبت به تعداد حفره ها.
4. دوپینگ ارائه می دهد:
       گیرنده های دارای بار منفی
       حفره هایی با بار مثبت
5.اعمال انرژی می دهد:
       حفره هایی با بار مثبت
       الکترون های آزاد با بار منفی

و هر دو نوع P و N به طور کلی، از نظر الکتریکی خنثی هستند.
Antimony (Sb) و Boron (B) دو مورد از متداول ترین عوامل دوپینگی هستند که در مقایسه با سایر انواع مواد در دسترس تر هستند. آنها همچنین به عنوان "metalloids" طبقه بندی می شوند. با این حال، جدول تناوبی تعدادی از عناصر شیمیایی مختلف دیگر را با سه یا پنج الکترون در بیرونی‌ترین لایه مداری خود در کنار هم قرار می‌دهد و آنها را به عنوان ماده دوپینگ مناسب می‌کند.
این عناصر شیمیایی دیگر میتوانند به عنوان عوامل دوپینگ برای مواد پایه سیلیکون (Si) یا ژرمانیوم (Ge) برای تولید انواع مختلفی از مواد نیمه هادی اساسی برای استفاده در اجزای نیمه هادی الکترونیکی، ریزپردازنده ها و کاربردهای سلول خورشیدی استفاده شوند. این مواد نیمه هادی در زیر آورده شده است :

در قسمت بعدی در مورد نیمه‌رساناها و دیودها، به اتصال دو ماده اولیه نیمه‌رساناها P-type و مواد N-type برای ایجاد یک "اتصال PN" می‌پردازیم که میتوانید از آن برای تولید دیود استفاده نمایید...

#میکروشیپ

منابع : ترجمه و گردآوری مطالب از بلاگ‌های خارجی که به دلایل مبهمی هنوز ف...ر نشده است، توسط #میکروشیپ در بین مطالب لینک داده شده است؛

مرتبط : 

آشنایی با دیودها (دیود معمولی ، زنر و...)

جریان پارادوکس جهانی چیست؟

اگر اشکالی در مطالب وجود دارد لطفا اطلاع دهید..

برگرفته از: دوستان نیمه‌هادی! قسمت اول (ماجراهای سِمی‌کاندکتور و دیودجادو)

برگرفته از: دوستان نیمه‌هادی! قسمت اول (ماجراهای سِمی‌کاندکتور و دیودجادو)