محاسبه جریان دریفت و دیفیوژن در نیمه هادی (مهندسی برق _الکترونیک)
پژوهشگر و نویسنده: دکتر ( افشین رشید )
نکته : به طور کلی در الکترونیک انتشار با پخش مولکولی به معنی (diffusion) میباشد.
یک نیمه هادی ماده ای با ویژگی های هادی و عایقس (الکتریکی) است. یک نیمه هادی می تواند جریان را در وضعیت های خاصی عبور دهد ولی همیشه جریان را عبور نمی دهد. این ویژگی نیمه هادی آن را به ابزاری مناسب برای استفاده الکتریکی با یک رفتار کنترل شده در جایی که نیاز است بدل کرده است.
هدایت نیمه هادی به چندین عامل مثل جریان یا ولتاژ اعمالی به الکترود کنترلی یا شدت منتشر کردن ساطع کردن مادون قرمز (IR)،نور مرئی، فرا بنفش (UV) یا اشعه های X بستگی دارد.
بنابراین می توانیم بگوییم نیمه هادی ماده ای است که هدایت الکتریکی بیشتری از عایق دارد و این مقدار کمتر از هادی است. نمونه ها نیمه هادی ها عبارتند از: دیودها ، ترانزیستورها ، و بسیاری از سلول های فتوولتائیک.
همانطور که قبلا گفتم نیمه هادی ویژگی دوگانه دارد ، هم عایق و هم هادی الکتریکی است. این ویژگی نیمه هادی به نا خالصی های اضافه شده به مواد سازنده نیمه هادی بستگی دارد(نیمه هادی خالص نیمه هادی خالص نام دارد). نا خالصی های اضافه شده به مواد سازنده نیمه هادی برای تغییر ویژگی الکتریکی نا خالص ساز نام دارند و فرآیند افزودن نا خالصی دوپینگ( نا خالص سازی) نام دارد.
انواع نیمه هادی
نیمه هادی نوع N گونه ای است که جریان را از الکترون های با بار منفی حمل می کند. این بسیار مشابه با جریان درون سیم است.
نیمه هادی نوع P گونه ای است که جریان غالبا در جایی که کمبود الکترون وجود دارد که به آن مکان حفره می گویند حمل می کند. حفره بار مثبت دارد. این بار معادل بار الکترون است. این حفره ها در جهت مخالف الکترون ها جریان دارند.
عملکرد نیمه هادی
یک نیمه هادی می تواند به کنترل جریان الکتریکی کمک کند. کاربر اساسی نیمه هادی ON و OFF کردن شار یا الکتریسیته در مواقع مورد نیاز است. یک نیمه هادی می تواند به عنوان لوله خلاء با صد برابر حجم بیشتر عمل کند. مدار مجتمع ساده (IC) مثل تراشه ریز پردازنده می تواند مانند مجموعه ای از لوله های خلاء عمل کند.
مواد سازنده نیمه هادی ها
برای ساخت نیمه هادی از چند نوع ماده و عنصر استفاده می شود. نیمه هادی نباید هادی قوی و یا هادی ضعیف الکتریسیته باشد. ویژگی های آن را می توان با افزودن یا حذف اتم ها/نا خالصی ها تغییر داد. مواد نیمه هادی عبارتند از: تیموان ، آرسنیک ، بور ، کربن ، ژرمانیوم ، گالیم آرسنید ، سلنیوم ، سیلیکون ، سیلیکون کاربید ، گوگرد ، تلوریوم ، اکسید اکثر فلزات.
سیلیکون ماده ای است که بسیار به عنوان ماده نیمه مورد استفاده قرار می گیرد.
ابر رسانا
ابر رسانا یک آلیاژ میان فلزی یا ترکیبی از هدایت الکتریکی بدون مقاومت در پایین تر از دمایی خاص است.
وقتی تنظیم شود ، جریان الکتریکی برای همیشه در حلقه بسته مواد ابر رسانا جاری خواهد شد.
دیود
دیود قطعه ای الکترونیکی است که اجازه می دهد تا جریان فقط در یک جهت عبور کند. این نیمه هادی است که فقط متشکل از پیوند p-n است. آنها در اغلب موارد برای تبدیل جریان AC به DC به کار می روند چون فقط بخش مثبت موج را عبور می دهند و بخش منفی سیگنال AC را بلوک می کنند ، اگر آنها به صورت معکوس در مدار قرار داده شوند فقط بخش منفی را عبور داده و بخش مثبت را بلوک می کنند.
دیود ساده ترین نیمه های است و بهترین قطعه برای یادگیری نحوه کار نیمه هادی می باشد.
ترانزیستور
ترانزیستور قطعه نیمه هادی است که از قطعات جامد ماده نیمه هادی ساخته شده است برای تقویت و سوئیچ کردن سیگنال های الکترونیکی به کار می رود. ترانزیستور فقط می تواند در یک جهت فعال باشد و می تواند در مقاومت بار خود جریان بیشتر یا کمتری را جاری نماید.
ترانزیستور نمونه مناسب دیگری برای قطعه نیمه هادی است.
ساخت نیمه هادی
ساخت نیمه هادی به مهارت و تجربه نیاز دارد. مواد شیمیایی که باید استفاده شوند باید خالص و بدون هیچ گونه نا خالصی باشند. فرآیند افزودن کنترل شده نا خالصی ها به نیمه هادی دوپینگ(نا خالص سازی) نام دارد.
مراحل ساخت نیمه هادی ها عبارتند از:
- طراحی/ایجاد پوشش
- الگو سازی
- ساخت ویفر(لایه)
- ساختار قطعه/ ساختار لایه عایق قطعه
- ساختار قطعه/ساختار ترانزیستور
- فلز دار کردن
- مونتاژ و تست
پژوهشگر و نویسنده: دکتر ( افشین رشید )