نیمه هادی چیست؟معرفی انواع نیمه هادی و کاربردهای آن

 خرید قطعات الکترونیکی یا قطعات نیمه هادی یا نیمه رسانا نیز به دلیل کاربرد گسترده افزایش چشمگیری پیدا کرده است. به دلیل اهمیت بالای این مواد در صنایع الکترونیکی امروز قصد داریم در این مطلب به طور مفصل به آنها بپردازیم.

نیمه هادی چیست؟

به طور کلی اجسام را می توان از لحاظ هدایت الکتریکی به سه نوع تقسیم بندی کرد که شامل رساناها یا اجسام هادی، نارساناها یا عایق ها، نیمه رساناها یا نیمه هادی ها هستند. منظور از نیمه رسانا یا نیمه هادی موادی هستند که رسانایی آنها قابل کنترل است.

از طرفی همانطور که از اسم این مواد و اجسام مشخص است جایگاهی بین رساناها و نارساناها دارند به نحوی که نه به طور کامل رسانا هستند و نه اینکه کاملا نارسانا باشند. به عبارت دیگر نیمه رساناها اجسامی هستند که الکترون های آزاد آنها بسیار کم است و در یک ساختاری به اسم شبکه کریستالی قرار دارند. با این حال تحت برخی شرایط امکان شارش بار و رسانایی وجود دارد.

لیون الکترونیک (فروشگاه قطعات الکترونیک مرجع اصلی واردات قطعات الکترونیک) در این مقاله شما را با نیمه هادی و انواع آن آشنا میکند:

معمولا برای تغییر میزان رسانایی نیمه رساناها از ناخالصی های مختلف استفاده می کنند تا هدایت پذیری آنها را کنترل کنند. به این فرایند اصطلاحا دوپینگ می گویند که فقط بر روی نیمه رساناها انجام می شود. با این حال امکان استفاده از میدان های الکتریکی و مغناطیسی، نور و گرما یا تغییر فرم مکانیکی شبکه بلوری آلاییده، بر روی رسانایی نیمه هادی تأثیر می گذارد و در کنترل آن مؤثر است.

بد نیست بدانید که قطعات نیمه هادی که در ادامه به مواد سازنده آنها اشاره خواهیم کرد، در حالت جامد و در برابر انتشار گرمایونی خلأ از هدایت الکترونیکی استفاده زیادی می کنند.

انواع نیمه هادی کدامند؟

نیمه هادی ها به طور کلی به چند دسته تقسیم بندی می شوند که عبارتند از:

نیمه هادی ذاتی (Intrinsic)

یکی از انواع نیمه هادی نیمه هادی ذاتی است که به نوع خالص هم معروف است به دلیل ساختار شیمیایی خالص به این اسم معروف شده است. این نوع مواد و اجسام از یک نوع عنصر ساخته شده اند و بنابراین ساختار خالصی دارند و با عنوان نیمه هادی ذاتی هم اشاره می شوند. از جمله مواد نیمه هادی ذاتی می توان به ژرمانیوم و سیلیسیم اشاره کرد.

نیمه هادی در شرایط  دمایی نرمال، با الکترون های کمی که محدود نشده هستند و امکان حرکت آزادانه آنها در شبکه وجود دارد به هدایت جریان الکتریسیته کمک می کنند. همچنین این اجسام از نظر بارهای منفی و مثبت تعداد برابری دارند و انرژی حرارتی هم قادر به یونیزاسیون بالایی در این مواد نیست بنابراین رسانایی اجسام نیمه هادی ذاتی یا خالص کم است.

 

خرید انواع آی سی و تراشه از فروشگاه اینترنتی لیون الکترونیک 

 

نیمه هادی غیر ذاتی (Extrinsic)

 یکی دیگر از انواع نیمه هادی، نیمه هادی های غیر ذاتی است که معمولا از عناصر مختلف تشکیل شده اند به نیمه هادی غیر خالص هم معروف هستند. این نوع اجسام نیمه رسانا را می توان با اضافه کردن اتم هایی که جایگزین مناسبی باشند به نیمه هادی هایی با رسانایی بهتر تبدیل کرد. عناصر نیمه هادی غیر ذاتی به دو دسته کلی تقسیم می شوند:

1-   نیمه هادی نوع N (N Type Semi-conductor):

چرا به این اجسام نیمه هادی تیپ N می گویند؟ وقتی یک نیمه هادی خالص یا ذاتی با یک عنصر پنج ظرفیتی به عنوان ناخالصی ترکیب می شود (مثل بیسموت، قلع، آرسنیک و فسفر)، 4 الکترون از 5 الکترون آنها با چهار الکترون عناصر نیمه هادی ذاتی مثل سیلیسیم و یا ژرمانیوم پیوند می دهد. بنابراین الکترون پنجم آزاد جهت هدایت الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرد و دهنده است.

 هر چقدر ناخالصی بیشتری اضافه شود تعداد الکترون های آزاد بیشتر شده و بنابراین حامل بافر منفی هم بیشتر می شود. به همین دلیل این اجسام، نیمه هادی نوع N می گویند. الکترون ها در این نوع اجسام حامل های اکثریت بوده و حفرات آن حامل های اقلیت هستند.

2-   نیمه هادی نوع P (P Type Semi-conductor):

 اجسام نیمه هادی نوع P متفاوت از نوع N هستند. در این اجسام نیمه هادی خالص یا غیر ذاتی با یک عنصر سه ظرفیتی مثل گالیم، ایندیم، آلومینیوم و بور به عنوان ناخالصی ترکیب شده و سه الکترون ناخالصی با چهار الکترون نیمه هادی تیپ P پیوند می خورند.

در این حالت الکترونی در ناخالصی باقی نمی ماند و اصطلاحا همان حفره شکل می گیرد بنابراین آماده پذیرش الکترون های پیوندی می شوند و پذیرنده هستند. از طرفی هر چقدر ناخالصی بیشتری استفاده شود، حفره ها که همان حامل های بار مثبت هستند بیشتر می شوند. به همین دلیل به این نوع اجسام، نیمه هادی نوع P گفته می شود. در این اجسام، حفرات حامل های اکثریت و الکترون ها حامل های اقلیت هستند.

مواد سازنده قطعات نیمه هادی

در ساخت قطعات نیمه هادی مواد سازنده مختلفی به کار رفته اند که یکی از آنها سیلیسیم است. سیلیسیم را می توان پرکاربردترین عنصر به کار رفته در ساخت قطعات نیمه هادی در نظر گرفت. سیلیسیم ماده اولیه کم هزینه ای است و اضافه کردن آن فرایند پیچیده ای ندارد. دامنه دمایی سیلیسیم نیز مناسب است و در بین مواد مختلف مزیت رقابتی دارد. بر همین اساس سیلیکون ساخته اند که برای تولید قطعات نیمه هادی به کار رفته است.

ژرمانیوم هم ماده پرکاربرد دیگری است که در ساخت قطعات نیمه هادی استفاده می شود. اما به دلیل اینکه ژرمانیوم حساسیت دمایی بیشتری نسبت به سیلیسوم دارد کاربرد پذیری آن در ساخت قطعات نیمه رسانا کمتر است. در حال حاضر شرکت IBM یکی از بزرگترین تولیدکنندگان قطعات نیمه هادی در جهان، ترکیبی از عناصر سیلیسیم و ژرمانیوم را به شکل آلیاژ برای تولید استفاده می کند.

آرسنید گالیوم هم جزو ترکیبات و مواد اولیه دیگری است که برای تولید قطعات نیمه هادی یا نیمه رسانا مورد استفاده قرار می گیرد. با این حال استفاده از این مواد برای ساخت قطعات با محدودیت سایز و اندازه همراه است. همچنین استفاده انبوه از این ماده توجیه اقتصادی ندارد چون بسیار گران قیمت تر از سیلیسیم است.

 

مقاله پیشنهادی لیون الکترونیک :  آی سی یا مدار مجتمع (IC) چیست؟

 

بیشترین تولید قطعات نیمه هادی در کدام دسته محصولات است؟

به طور کلی، بیشترین نیاز به نیمه هادی ها به چهار دسته اصلی محصول تقسیم می شوند که در ادامه به توضیح انها می پردازیم : 

تراشه های حافظه

تراشه های حافظه به عنوان انبارهای موقت داده ها عمل می‌کنند و اطلاعات را به پردازشگر سیستم منتقل می‌کنند. آیسی های حافظه دارای انواع و اقسام گوناگونی هستند و در اغلب مدارات و سیستم های الکترونیکی و کامپیوتری کاربرد دارند.

 

ریزپردازنده ها یا میکروکنترلرها

اینها واحدهای پردازش مرکزی هستند که منطق اصلی برای انجام وظایف در سیستم را بر عهده می گیرند. پردازنده ها دارای تنوع بسیار زیادی هستند و ما در همه جا با آنها برخورد می‌کنیم.

 

مدارات مجتمع  یا IC

گاهی اوقات  آنها "تراشه های استاندارد" نامیده می شوند، این تراشه ها در دسته های بزرگ برای اهداف تجاری تولید می شوند. امروزه IC ها در تمامی مدارات الکترونیک استفاده می شوند و دارای تنوع بسیار زیادی هستند.

 

SOC یا سیستم روی یک تراشه

هدف SOC اساساً تجمیع همه نیازهای یک سیستم بر روی یک تراشه مدار مجتمع است. امروزه بازار تقاضای فزاینده برای محصولات مصرفی که ویژگی های جدید و قیمت های پایین تر را ترکیب می کنند، دارد. SOC ها هم برای پاسخگویی به همین نیاز به وجود آمده اند. تا زمان طراحی و هزینه کلی مدار را کاهش دهند.

 

نیمه هادی ها چه کاربردی دارند؟

همانطور که در توضیحات ابتدایی و در بخش مقدمه به آن اشاره کردیم اجسام نیمه هادی یا نیمه رسانا کاربردهای بسیار گسترده ای دارند. تقریبا هیچ قطعه یا دستگاه الکترونیکی در جهان وجود ندارد که در ساخت آن از قطعات نیمه هادی استفاده نشده باشد.

به عنوان مثال قطعاتی مثل دیودها، ترانزیستورها، سلول های نوری، سلول های خورشیدی، چیپست ها، تریستورها، ریز پردازنده ها، پردازنده های گرافیکی و چیپست های حافظه از جمله قطعاتی هستند که در ساخت آنها از نیمه هادی استفاده شده است.

از قطعات نیمه هادی یا نیمه رسانا در ساخت قطعات گسسته و مدارهای مجتمع استفاده می کنند. این قطعات حاوی میلیاردها قطعه مختلف هستند که به شکل پیوسته در یک لایه یا نیمه ویفر تشکیل شده اند.

 

نیمه هادی چگونه کار می کند؟

نیمه رساناها با فعال کردن الکترون‌های ظرفیت، همان الکترون هایی که در لایه بیرونی اتم قرار دارند، کار می‌کنند تا به الکترون‌های ظرفیت اتم‌های دیگر متصل شوند. اکثر نیمه هادی ها می توانند همزمان به چهار الکترون ظرفیت دیگر متصل شوند و به طور موثر شبکه ای از مولکول های سیلیکونی ایجاد کنند که توسط شبکه ای از الکترون های ظرفیت به هم متصل شده‌اند.

اما برای هدایت الکتریسیته، الکترون های ظرفیت باید در سراسر مدار جریان داشته باشند. از طرفی کریستال های سیلیکون خالص به دلیل گیر افتادن الکترون های آن در شبکه، کارایی ندارند. به منظور موثر کردن آنها، ناخالصی ها (یا عناصر دیگر) به کریستال سیلیکون وارد می شوند. این ناخالصی ها هستند که الکتریسیته را قادر می سازند تا در نهایت در سراسر یک نیمه هادی جریان یابد.

مزایا و معایب قطعات نیمه هادی چیست؟

قطعات نیمه رسانا یا نیمه هادی ها نیز مانند سایر قطعاتی که در وسایل و تجهیزات الکترونیکی به کار می روند مزایا و معایب خاصی دارد که در ادامه به آنها اشاره می کنیم:

مزایای نیمه هادی

·       این قطعات جهت انتشار الکترون به توان برای گرم کردن نیاز ندارد.

·      این قطعات برای کار کردن نیاز به گرم شدن ندارند بنابراین به محض روشن شدن مدار شروع به کار می کنند

·      کارکرد این قطعات با نویز و صدا همراه نیست

·      قطعات نیمه هادی با ولتاژ پایین کار می کنند

·      مدارهایی که از این نوع قطعات ساخته شده باشند، سایز کوچکی دارند و جمع و جور هستند

·      در برابر شوک مقاومت دارند

·      نسبت به لوله های خلأ قیمت کمتری دارند بنابراین خرید قطعات الکترونیکی که در ساخت آنها از نیمه هادی استفاده شده مقرون به صرفه تر است

·      طول عمر بسیار زیادی دارند

معایب نیمه هادی

·      میزان نویز در قطعات نیمه رسانا یا نیمه هادی در مقایسه با لوله های خلأ بالاتر است

·      توان این قطعات در مقایسه با لوله های خلأ کمتر است

·      پاسخگویی این قطعات در فرکانس های بالا ضعیف است

خرید قطعات الکترونیکی

قطعات الکترونیکی در اکثریت موارد از قطعات نیمه هادی ساخته شده اند که دلیل اصلی آن مزایایی است که به آنها اشاره کردیم. برای خرید قطعات الکترونیکی می توانید از فروشگاه اینترنتی لیون الکترونیک استفاده کنید که تنوع بالای قطعات همراه با قیمت مناسب و استفاده از بهترین مواد نیمه رسانا یا نیمه هادی کیفیت بالای آنها را تضمین ساخته است.