up
Search      menu
علم و تکنولوژی :: مقاله نيمه رسانا PDF
QR code - نيمه رسانا

نيمه رسانا

چطور نيمه رساناها کار مي کنند؟

نيمه رساناها (Semi-Conductors) در زندگي ما و بهتر بگوييم در قدم گذاردن بشر به عصر ديجيتال و فيزيک و الکترونيک نوين؛ نقش تاريخي ايفا کرده اند.
نيمه رساناها را در درون دستگاه هاي گوناگوني يافت مي کنيد. اساس ساخت پردازشگر ها و ريز پردازنده ها و تمام دستگاه هايي که به نحوي اطلاعات و عملياتي را پردازش مي کنند، نيمه رساناست. از کامپيوتر شخصي شما گرفته تا پخش کننده mp۳ و دستگاه هاي عکس برداري پزشکي MRI.
نيمه رسانا در ساده ترين شکل خود يک «ديود» (Diode) يا يکسو کننده است و براي درک ساختار نيمه رساناها بهتر است از مطالعه روي ديود شروع کنيم. در ادامه به چگونگي ساخت ديود مي پردازيم.
سيليکون يکي از عناصر سازنده زمين و بعد از اکسيژن بيشترين فراواني را در پوسته زمين دارد به طوري که ۲۵.۷٪ از جرم پوسته زمين از سيليکون تشکيل شده است.
سيليکون عنصر چهاردهم جدول تناوبي عناصر است و با نماد Si شناخته مي شود. سيليکون در حالت آزاد به صورت جامد سخت و شفافي يافت مي شود.
کربن، ژرمانيم و سيليکون (ژرمانيم نيز مانند سيليکون يک نيمه رسانا است) همگي خواص مشابهي در لايه ظرفيت الکتروني خود دارند که آن ها را از باقي عناصر متمايز مي سازد. دارا بودن ۴ الکترون در اربيتال آخر آن ها و نيمه پر بودن لايه ظرفيت خواصي مانند تشکيل کريستال و خاصيت ها ترکيبي منحصر بفردي را براي اين عناصر بوجود آورده است.
شبکه يوني در کربن به شکل کريستال شفاف است ولي در سيليکون به شکل جامد نقره اي رنگ است.
فلزات به دليل دارا بودن الکترون هاي آزاد در لايه ظرفيت خود معمولاً رساناهاي خوبي براي جريان برق هستند. با اينکه بلور سيليکون شبيه فلز است ولي خواص فلزي ندارد.
الکترون ها لايه خارجي در سيليکون در قيد جاذبه بين يکديگر هستند و در ضمن گاف انرژي در بين لايه هاي پر و خالي براي انتقال الکترون کافي نيست.
تمامي اين شرايط را مي توان تغيير داد و مي توان سيليکون را تبديل به ماده ديگري کرد که خواص رسانايي الکتريکي را داشته باشد. اين کار طي پروسه اي به نام ناخالص سازي انجام مي شود.
در اين روش به شبکه يوني سيليکون ناخالصي هايي اضافه مي شود.
ناخالصي هايي که به ساختار شبکه سيليکون اضافه مي شود را مي توان با دو دسته تقسيم کرد:
▪ نوع N: با اضافه کردن ناخالصي هايي از قبيل فسفر و يا آرسنيک در مقادير بسيار کم. آرسنيک و فسفر هر دو پنج الکترون در لايه ظرفيت خود دارند به همين دليل الکترون پنجم لايه هاي ظرفيت آن ها مي تواند به عنوان الکترون آزاد عمل کند و کار انتقال جريان را انجام دهد. اين نوع سيليکون رساناي خوبي است. الکترون بار منفي و يا Negative دارد به همين دليل به اين نوع N مي گويند.
▪ نوع P: در اينجا عناصر بور و گاليم به سيليکون اضافه مي شوند. اين دو عنصر سه الکترون در لايه ظرفيت خود دارند. وقتي به شبکه يوني سيليکون وارد مي شوند حفره هايي را ايجاد مي کنند که باعث مي شود که الکترون سيليکون پيوند خود را از دست بدهد. وقتي يکي از الکترون ها از شبکه يوني خارج شود، خاصيت مثبت الکتريکي در ماده ايجاد مي شود. به اين ترتيب حفره و يا بهتر بگوييم فضاي خالي الکترون مي تواند ميزبان خوبي براي الکترون از اتم کناري باشد و به اين ترتيب جريان مي تواند به راحتي در آن شارش کند. از اين رو اين نوع را P مي نامند که اين نوع داراي بار مثبت يا Positive است.
مقدار کمي ناخالصي مي تواند سيليکون عايق را به رساناي تقريباً خوبي تبديل کند. از اين رو به آن نيمه رسانا مي گويند.
نوع N و P به تنهايي کار زيادي انجام نمي دهند ولي هنگامي که به هم متصل مي شوند رفتار الکتريسيته اي جالبي از خود نشان مي دهند. با قرار دادن اين دو به هم ديود ايجاد مي شود.
ديود جريان را تنها در يک جهت از خود عبور مي دهد. به همين دليل آن را يکسو کننده نيز مي نامند. قسمت مثبت يعني P يا حفره به طرف منفي باتري متصل و N يا الکترون به طرف مثبت آن. هيچ جرياني از محل اتصال عبور نمي کند زيرا الکترون ها در N و P در خلاف يکديگر حرکت مي کنند.
اگر باتري را در جهت ديگر متصل کنيد الکترون هاي قسمت N توسط قطب منفي دفع و حفره هاي P توسط قطب مثبت دفع مي شوند. در محل اتصال حفره ها و الکترون ها به هم مي رسند و محل حفره ها با الکترون ها پر مي شود و جريان در محل اتصال شارش مي کند.
از لحاظ الکتريکي يک ديود هنگامي عبور جريان را از خود ممکن مي سازد که شما با برقرار کردن ولتاژ در جهت درست (+ به آند و - به کاتد) آنرا آماده کار کنيد. مقدار ولتاژي که باعث مي شود تا ديود شروع به هدايت جريان الکتريکي نمايد ولتاژ آستانه يا (forward voltage drop) ناميده مي شود که چيزي حدود ۰٫۶ تا ۰٫۷ ولت مي باشد.
اما نکته مهم آنکه تمام ديودها يک آستانه براي حداکثر ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژمعکوس بيش از آن شود ديويد مي سوزد و جريان را در جهت معکوس هم عبور مي دهد. به اين ولتاژ آستانه شکست گفته مي شود.
در ادامه به کاربرد هاي ديود ها و ترانزيستور ها مي پردازيم. تا اينجا دريافتيم که ديود وسيله اي است که جريان را در جهتي حرکت مي دهد در حالي که در جهت ديگر آن را متوقف مي کند.
کاربرد هاي زيادي از همين خاصيت مي شود. براي مثال وسايلي که نيروي محرکه الکتريکي آن ها از باتري تأمين مي شود داراي ديود هستند و اگر باتري را در جهت اشتباه بزنيد ديود جلوي عبور جريان را مي گيرد و به دستگاه آسيبي نمي رسد.
ترانزيستور مجموعه اي از ديود هاي متصل به هم است. اين اتصال ها که معمولاً به صورت NPN و يا PNP انجام مي شنوند به صورت يک سوئيچ عمل مي کند. شايد فکر کنيد که با اين کار ديگر هيچ مقداري جريان از ترانزيستور گذر نمي کند. دقيقاً همين طور است.ولي اگر جريان به محل مياني ترانزيستور داده شود مي تواند جريان بسيار کمي را به جريان زيادي در يک جهت تبديل کند.
همين واقعيت است که خاصيت سوئيچ بودن را به ترانزيستور مي دهد و مي تواند با جرياني کم روشن و خاموش شود.
با استفاده از همين حقايق امروزه ميليون ها ترانزيستور پردازشگر ها را تشکيل مي دهند که در حقيقت ميليون ها سوئيچ متصل به هم هستند.
همانطور که مي دانيد اساس ديجيتال واحد هاي باينري يا صفر-و-يک است. به اين ترتيب اين سوئيچ ها مي توانند ميليون ها محاسبه و عمليات منطقي را انجام دهند که مي تواند به پردازش هاي بزرگي ختم شود

رسانايي خاصيتي از مواد است که باعث انتقال انرژي الکتريکي در آنها مي شود. اين خاصيت در مواد مختلف، يکسان نيست. طلا و نقره رسانا هاي خيلي خوبي هستند در ...

رسانايي خاصيتي از مواد است که باعث انتقال انرژي الکتريکي در آنها مي شود. اين خاصيت در مواد مختلف، يکسان نيست. طلا و نقره رسانا هاي خيلي خوبي هستند در ...

رسانايي خاصيتي از مواد است که باعث انتقال انرژي الکتريکي در آنها مي شود. اين خاصيت در مواد مختلف، يکسان نيست. طلا و نقره رسانا هاي خيلي خوبي هستند در ...

رسانايي خاصيتي از مواد است که باعث انتقال انرژي الکتريکي در آنها مي شود. اين خاصيت در مواد مختلف، يکسان نيست. طلا و نقره رسانا هاي خيلي خوبي هستند در ...

● کاربرد ابررسانا در سيم و کابل کشف متحول کننده ابررساناهاي دما بالا در سال ۱۹۸۶ منجر به تحول و توليد نوع جديدي از کابلها در سيستمهاي قدرت شد. در ايال ...

پيلهاي خورشيدي زميني که معمولاً از سيلسيوم تک بلوري تهيه مي شوند. پيلهاي معمولي از نوع n روي p از قرصهاي گردسيليسيومي به ضخامت ۳ ۰ ميليمتر تهيه مي شون ...

تصور جهان پيشرفته کنوني بدون وجود مواد پليمري مشکل مي باشد. امروزه اين مواد جزيي از زندگي ما شده اند و در ساخت اشياي مختلف ، از وسايل زندگي و مورد مصر ...

زمان ظهور نانوسراميک ها را مي توان دهه ۹۰ ميلادي دانست. در اين زمان بود که با توجه به خواص بسيار مطلوب پودرهاي نانوسراميکي، توجهاتي به سمت آنها جلب شد ...

دانلود نسخه PDF - نيمه رسانا