برق سرا - نیمه هادی
بنر بالای وب سایت برق سرا https://barghsara.ir

تأمین کننده و عرضه کننده انواع قطعات یدکی ماشین الات راه سازی ولوو
تأمین کننده و عرضه کننده انواع قطعات یدکی ماشین الات راه سازی ولوو
سوزن انژکتور
پمپ سوخت
سنسورها
انواع فیلتر
ECU
عرضه کننده انواع قطعات یدکی ماشین الات راه سازی ولوو
عرضه کننده انواع قطعات یدکی ماشین الات راه سازی ولوو
سوزن انژکتور لودر
fuel pump
سنسور
filter
ای سی یو
قطعات یدکی ماشین الات راه سازی ولوو
قطعات یدکی ماشین الات راه سازی ولوو
سوزن انژکتور راهسازی
پمپ سوخت دویتس
sensor
فیلتر
ایسیو



آشنایی با نیمه هادی‌ها

اتم‌های عناصر مختلف دارای الکترونهایی هستند که در مدارهای مختلفی به دور هسته گردش می‌کنند. الکترونهایی که در مدارهای نزدیک به هسته گردش می‌کنند انرژی کمتری دارند اما از طرف هسته، نیروی جاذبه بیشتری بر آنها وارد می‌شود و در نتیجه نمی‌توان به آسانی این الکترونها را از اتم جدا کرد. در هر اتم، آخرین مدار را لایه ظرفیت یا لایه والانس می‌گویند و الکترونهای این لایه را الکترونهای ظرفیت یا والانس می‌نامند. الکترونهای والانس انرژی بیشتری نسبت به بقیه الکترونها دارند اما وابستگی آنها به هسته کمتر از بقیه الکترونها می‌باشد. در شکل (1) ساختمان اتمی اتم مس نمایش داده شده است. همانطور که در این شکل مشاهده می‌کنید اتم مس فقط یک الکترون والانس دارد.

ساختمان اتمی اتم مس
اجسام موجود در طبیعت بر اساس تعداد الکترونهای والانس اتم‌های تشکیل دهنده آنها به سه دسته اجسام هادی، اجسام عایق و اجسام نیمه هادی تقسیم می‌شوند که در ادامه به بررسی آنها می‌پردازیم.

اجسام هادی: اتم‌های تشکیل دهنده این اجسام کمتر از چهار الکترون والانس دارند و این الکترونها به راحتی از قید هسته آزاد می‌شوند. اجسام هادی الکترونهای آزاد زیادی دارند و این الکترونهای آزاد، سبب عبور جریان برق می‌شوند. به این اجسام، رسانا هم می‌گویند. فلزات یک تا سه ظرفیتی هادی‌های خوبی هستند و بهترین هادی‌ها عبارتند از: نقره، مس و طلا.

اجسام عایق: اتم‌های تشکیل دهنده این اجسام معمولاً دارای پنج تا هشت الکترون والانس هستند. به علت اینکه انرژی داده شده به اتم‌های اجسام عایق، میان تعداد زیادی الکترون والانس تقسیم می‌شود انرژی دریافت شده توسط هر الکترون بسیار ناچیز است و بنابراین این الکترونها به سختی از اتم جدا می‌شوند و همین امر سبب می‌شود که اجسام عایق در وضعیت معمولی دارای الکترونهای آزاد بسیار کمی بوده و جریان برق را از خود عبور ندهند.

اجسام نیمه هادی: اتم‌های تشکیل دهنده اجسام نیمه هادی معمولاً دارای چهار الکترون والانس می‌باشند. اجسام نیمه هادی در دمای صفر مطلق (273– درجه سانتیگراد) تقریباً عایق هستند. در دمای اتاق (25 درجه سانتیگراد)، انرژی حرارتی محیط باعث آزاد شدن تعدادی از الکترونهای والانس می‌شود و هدایت الکتریکی در جسم بالا می‌رود. در دمای اتاق، هدایت الکتریکی نیمه هادی‌ها بهتر از عایق‌ها و بدتر از هادی‌ها می‌باشد. نیمه هادی‌های پرکاربرد عبارتند از کربن، سیلیسیم (سیلیکن)، ژرمانیوم، توریم، زیرکونیوم و هافنیوم که از بین آنها سیلیسیم و ژرمانیوم در برق و الکترونیک کاربرد فراوان دارند. در ادامه به بررسی نیمه هادی‌های سیلیسیم و ژرمانیوم می‌پردازیم.

سیلیسیم دارای عدد اتمی 14 است. یعنی دارای 14 پروتون و 14 الکترون است. ژرمانیوم دارای عدد اتمی 32 است. یعنی 32 پروتون و 32 الکترون دارد. در شکل (2) ساختمان اتمی سیلیسیم و در شکل (3) ساختمان اتمی ژرمانیوم نمایش داده شده است. همانطور که در این شکل‌ها مشاهده می‌کنید هر یک از اتم‌های سیلیسیم و ژرمانیوم دارای چهار الکترون والانس هستند.

ساختمان اتمی اتم سیلیسیم
ساختمان اتمی اتم ژرمانیوم
به علت اینکه سیلیسیم و ژرمانیوم در مدار آخر خود چهار الکترون دارند، تمایل دارند که مدار آخر خود را کامل کرده و به حالت پایدار برسند. برای این منظور هر اتم با هر یک از چهار اتم مجاور خود یک الکترون به اشتراک می‌گذارد. این نوع پیوند بین اتم‌ها را پیوند اشتراکی یا کووالانسی می‌گویند. در شکل (4) پیوندهای کووالانسی بین اتم‌های سیلیسیم نمایش داده شده است.

پیوندهای کووالانسی بین اتم های سیلیسیم
در یک بلور سیلیسیم یا ژرمانیوم، در دمای صفر مطلق به علت اینکه تمامی پیوندهای کووالانسی بین اتم‌ها برقرار است و هیچ الکترون آزادی وجود ندارد بلور سیلیسیم یا ژرمانیوم یک عایق کامل می‌باشد. اما با افزایش دما جنبش الکترونهای والانس افزایش یافته و بعضی از پیوندهای کووالانسی بین اتم‌ها شکسته شده و الکترونهایی آزاد می‌شوند و به این ترتیب هدایت الکتریکی در کریستال‌های سیلیسیم و ژرمانیوم افزایش می‌یابد. هر چه دما بیشتر افزایش یابد پیوندهای کووالانسی بیشتری شکسته شده و تعداد الکترونهای آزاد بیشتر می‌شود و در نتیجه هدایت الکتریکی کریستال افزایش می‌یابد. به ازای جدا شدن هر الکترون از یک اتم، یک جای خالی الکترون در آن اتم ایجاد می‌شود که به آن حفره می‌گویند. در شکل (5) نحوه ایجاد یک حفره نمایش داده شده است.

ایجاد حفره در اثر انرژی گرمایی
الکترونهای آزاد شده در کریستال به صورت نامنظم حرکت می‌کنند. اگر به صورت اتفاقی الکترونی به حفره‌ای نزدیک شود جذب حفره می‌گردد. بنابراین تا زمانی که نیرویی از خارج بر کریستال اعمال نشود آزاد شدن الکترونها و جذب آنها به وسیله حفره‌ها به طور نامنظم ادامه می‌یابد. اما زمانی که ولتاژی به دو سر کریستال اعمال می‌شود، الکترونهای آزاد به طرف قطب مثبت باتری حرکت می‌کنند و جریانی در کریستال اعمال می‌شود که ناشی از حرکت الکترونهاست و به آن جریان الکترونها می‌گویند. جریان دیگری نیز در کریستال وجود دارد که ناشی از حرکت حفره‌هاست. اگر در اتمی حفره‌ای وجود داشته باشد این حفره از اتم مجاور، الکترونی را جذب می‌کند. اما جای الکترون جذب شده، حفره جدیدی ایجاد می‌گردد و با اینکه حفره‌ها حرکت نمی‌کنند اما به نظر می‌رسد که آنها در حال حرکت هستند. به این ترتیب وقتی الکترونی مثلاً از راست به چپ حرکت می‌کند به نظر می‌رسد که حفره از چپ به راست در حرکت است. دقت داشته باشید که همواره جهت حرکت فرضی حفره‌ها در خلاف جهت حرکت الکترونها می‌باشد.
چون تعداد الکترونهای آزاد و حفره‌های ایجاد شده در کریستال‌های سیلیسیم و ژرمانیوم در اثر انرژی گرمایی به اندازه کافی زیاد نیست این کریستال‌ها قابلیت هدایت الکتریکی خوبی ندارند. برای افزایش قابلیت هدایت الکتریکی این نیمه هادی‌ها به آنها ناخالصی اضافه می‌کنند. اضافه کردن ناخالصی به نیمه هادی‌ها به دو شکل صورت می‌گیرد.
1- ناخالص کردن کریستال نیمه هادی با اتم پنج ظرفیتی
2- ناخالص کردن کریستال نیمه هادی با اتم سه ظرفیتی

ناخالص کردن کریستال نیمه هادی با اتم پنج ظرفیتی: در این روش عناصر پنج ظرفیتی مانند آرسنیک (As)، آنتیموان (Sb) و یا فسفر (P) را که در لایه ظرفیت خود پنج الکترون دارند به کریستال سیلیسیم یا ژرمانیوم اضافه می‌کنند. به عنوان مثال در شکل (6) عنصر پنج ظرفیتی آرسنیک به کریستال سیلیسیم اضافه شده است.

ناخالص کردن بلور سیلیسیم با عناصر پنج ظرفیتی
همانطور که در شکل (6) مشاهده می‌کنید اتم ناخالصی آرسنیک با چهار اتم سیلیسیم مجاور خود تشکیل پیوند اشتراکی می‌دهد و چون در لایه ظرفیت اتم آرسنیک فقط جای 8 الکترون وجود دارد یک الکترون اتم ناخالصی به راحتی از قید هسته آزاد می‌گردد و به صورت الکترون آزاد درمی‌آید. پس با افزودن هر اتم ناخالصی، یک الکترون آزاد به وجود می‌آید. با تنظیم مقدار اتم ناخالصی، تعداد الکترونهای آزاد کریستال را کنترل می‌کنند. علاوه بر الکترونهای آزادی که از افزودن اتم ناخالصی در کریستال به وجود می‌آیند تعداد کمی الکترون نیز در اثر انرژی گرمایی محیط از قید هسته آزاد می‌شوند و جای خالی آنها حفره ایجاد می‌گردد. اتم ناخالصی که به کریستال یک الکترون آزاد می‌دهد و خود به صورت یون مثبت در می‌آید اتم اهدا کننده نام دارد. چون در این کریستال‌ها تعداد الکترونهای آزاد که عمل هدایت الکتریکی را انجام می‌دهند به مراتب بیشتر از تعداد حفره‌ها است، به الکترونهای آزاد، حامل‌های اکثریت و به حفره‌ها، حامل‌های اقلیت می‌گویند. این نوع کریستال‌ها را که حامل‌های اکثریت آنها الکترون‌ها هستند کریستال‌های نوع N می‌نامند که N از کلمه Negative به معنی منفی گرفته شده است. زیرا در این نوع کریستال‌ها بار حامل‌های اکثریت یعنی الکترونها منفی است. البته کل کریستال از نظر بار الکتریکی خنثی است زیرا بارهای مثبت و منفی آن با هم برابرند. در شکل (7) تصویری نمادین از حامل‌های اکثریت و اقلیت در نیمه هادی نوع N نمایش داده شده است. در این شکل دایره‌های سفید رنگ، بیانگر حفره و دایره‌های قرمز رنگ دنباله‌دار، بیانگر الکترونهای آزاد در حال حرکت هستند.

نیمه هادی نوع N
ناخالص کردن کریستال نیمه هادی با اتم سه ظرفیتی: هرگاه یک عنصر سه ظرفیتی مانند آلومینیوم(Al) ، گالیم (Ga) و یا ایندیم (In) را که در مدار ظرفیت خود سه الکترون دارند به کریستال سیلیسیم یا ژرمانیوم خالص اضافه کنیم الکترونهای مدار آخر عنصر ناخالصی مانند آلومینیوم با الکترونهای والانس اتم‌های مجاور خود تشکیل پیوند کووالانسی می‌دهند. به این ترتیب در مدار آخر اتم ناخالصی هفت الکترون در حال گردش هستند که در نتیجه یک جای خالی یا حفره ایجاد می‌شود. در شکل (8) اضافه کردن اتم ناخالصی آلومینیوم به کریستال سیلیسیم نمایش داده شده است.

ناخالص کردن بلور سیلیسیم با عناصر سه ظرفیتی
همانطور که در شکل (8) مشاهده می‌کنید با افزودن یک اتم سه ظرفیتی به یک کریستال نیمه هادی یک حفره ایجاد می‌شود. ممکن است الکترونی در اثر داشتن انرژی جنبشی کافی، پیوند خود با الکترون دیگر را شکسته و محل این حفره را پر نماید که در این صورت حفره جدیدی در کریستال ایجاد می‌شود. بنابراین به ازای اضافه کردن هر اتم سه ظرفیتی به یک نیمه هادی، مطمئناً یک حفره در آن نیمه هادی ایجاد می‌شود. به اتم سه ظرفیتی که قادر است یک الکترون آزاد را جذب کند اتم پذیرنده گویند. اتم پذیرنده با دریافت الکترون به صورت یون منفی درمی‌آید. در اثر گرمای محیط تعداد کمی الکترون نیز انرژی لازم را کسب می‌کنند و از هسته خود جدا می‌شوند و به صورت الکترون آزاد درمی‌آیند. بنابراین در کریستال علاوه بر تعداد زیادی حفره که حامل‌های اکثریت هستند، تعداد اندکی الکترون آزاد یعنی حامل‌های اقلیت نیز وجود دارند. چون در این نوع کریستال‌ها، حفره‌ها که دارای بار مثبت هستند حامل‌های اکثریت هستند این نوع کریستال‌ها را، کریستال‌های نوع P می‌نامند که P از کلمه Positive به معنای مثبت گرفته شده است. در شکل (9) تصویری نمادین از حامل‌های اکثریت و اقلیت در نیمه هادی نوع P نمایش داده شده است.

نیمه هادی نوع P