فصل اول

توانائي شناخت و بررسي عملكرد قطعات الکترونيكي

مقدمه

براي درك اصول كار ديود و ترانريستور و مدارهاي مجتمع مي بايد نيمه هاديها را مورد بررسي قراردهيم موادي كه نه هادي و نه عايق هستند. نيمه هاديها داراي الكترونهاي آزاد مي باشند. اما آنچه كه طرز كارشان را عجيب مي كند وجود حفره در آنهاست. در اين مبحث شما مطالبي در مورد نيمه هاديها و حفره ها فراخواهيدگرفت.

هادیها

فلز مس هادي خوبي است. دليل اين امر واضح مي شود اگر نگاهي به ساختمان اتمي در شكل   (1-5) بياندازيد. هسته در مركز داراي 29 پروتون (بار مثبت) است. وقتي اتم مس خنثي باشد، 29 الكترون (بار منفي)به دور هسته در مدارهاي مشابه سيارات در گردش مي باشد.

(1-5) اتم مس

مدارهاي پايدار:

با توجه شكل (1-5) هسته ي بار مثبت الكترونهاي با بارمنفي در حال حركت را بخود جلب       مي كند. دليل اينكه الكترونها به هسته كشيده نمي شوند. بخاطر وجود نيروي گريز از مركز است كه در اثر حركت دوراني آنها ايجاد مي شود.

اگر يك بار الكترون در يك مدار پايدار قرارداشته به اين معني است كه نيروي گريز از مركز آن دقيقا" با نيروي جاذبه هسته برابر شده است. الكترونهای مدار پائين تر (نزديك به هسته) با سرعت بيشتر الكترونهاي در سطوح بالاتر آهسته تر حركت مي كنند. به اين دليل كه نيروي گريز از مركز متناسب با سرعت است، هر چه الكترونها به هسته نزديك تر باشند بدليل نيروي جاذبه بيشتر مي بايد سريعتر حركت نمايند و در مدارهاي بالاتر بدليل كمتر بودن نيروي جاذبه ، حركت الكترونها آهسته تر است.

هسته و الكترونهاي آزاد

با مراجعه به شكل(1-5) ساختمان اتمي فلز مس هسته و الكترونهاي داخلي چندان در الكترونيك مورد علاقه نمي باشند. توجه ما بيشتر بر بالاترين مدار است كه به آن مدار ظرفيت يا والانس مي گوئيم. چون اين مداراست كه در مشخصات الكتريكي اتم مؤثر مي باشد. براي تأكيد اين موضوع ، اغلب هسته داراي بار 29+ مي باشد و با الكتريكي سه مدار اول 28- است. اگر اينطور عمل كنيم بار هسته برابر 1+ شده و يك الكترون با بار 1- بدور آن وجود خواهد داشت.

ايده اصلي

مهم ترين ايده ائي كه شما بايد از اتم مس داشته باشيد اينست:

چون الكترون ظرفيت با نيروي كمي در قيد هسته است، بكمك نيروي خارجي مي توان اين الكترون را از قيد هسته رها نمود. مس به اين دليل هادي بسيار خوبي است كه ولتاژ كمي مي تواند باعث شودالكترونهاي ازاد آن از اتمي به اتم ديگر روند هاديهاي خوب نظير نقره، مس و طلا داراي يك الكترون ظرفيت اند.

نيمه هاديها:

نيمه ها ديها داراي ظرفيت 4 بوده به اين معني كه يك اتم مجزا داراي چهار الكترون در مدار ظرفيت یا والانس مي باشند. مقدار الكترونهاي مدار ظرفيت عامل مهمي در بيان مشخصات الكترويكي عناصر است هاديها عموما" داراي يك الكترون ظرفيت، نيمه هاديها داراي 4 الكترون ظرفيت و عايقها داراي 8 الكترون ظرفيت در مدار آخر خود هستند.

ژرمانيوم:

ژرمانيوم مثالي از يك نيمه هادي است. در شكل (1-6) ساختمان اتم ژرمانيوم و سلیسيم ديده         مي شود هسته ژرمانيوم داراي 32 پروتون است و 32 الكترون به ترتيب در مدار اول 2 عدد، در مدار دوم 8 عدد: در مدار سوم 18 عدد و در مدار آخر با ظرفيت 4 عدد قرار گرفته اند.

اتم سلیسیم                                           اتم ژرمانیوم (1-6)

سلیسيم:

معمول ترين نيم هادي در الكترونيك سیلیسيم است. يك اتم منفرد سیلیسيم داراي 14 پرتون و14 الكترون است. چنانكه در شكل (1-6) ديده مي شود. اولين مدار داراي 2 الكترون، دومي داراي 8 الكترون و چهار الكترون باقيمانده در مدار خارجي قرار مي گيرند.

در شكل (1-6) ساختمان اتمي سيليكون هسته و دو مدار اوليه را مي توان به عنوان هسته با بار 4+ در نظر گرفت و مدار آخر را با چهار الكترون به عنوان الكترونهاي مدار ظرفيت نشان داد . وجود چهار الكترون در مدار ظرفيت نشانه اين است كه سیلیسيم نيمه هادي است.

كريستال سیلیسيم:

وقتي اتم هاي سلیسيم گرد هم مي آيند تا يك جسم جامد را تشكيل دهند. اتم ها بگونه اي منظم در كنار هم قرار مي گيرند كه به آن كريستال مي گوئيم هر اتم سلیسيم چهار الكترون مدار آخر خود را با چهار اتم ديگر به اشتراك گذاشته به نحوي كه هر اتم سیلیسيم در مدار آخر خود 8 الكترون داشته باشد. به اين عمل پيوند كووالانت گويند. اين پيوند در شكل (1-7) نمايش داده شده است.

پیوند کووالانت (1-7)

هر گاه اتمي در مدار آخر خود هشت الكترون داشته باشد از نظر شيميائي حالت پايدار پيدا مي كند در شكل يك اتم سلیسيم در مركز و چهار اتم در اطراف آن مشاهده مي شود. هر اتم همسايه يك الكترون با اتم مركزي به اشتراك گذاشته بدين ترتيب اتم مركز ظاهرا" داراي 8 الكترون در مدار ظرفيت خود است، در واقع هيچيك از اين الكترونها متعلق به اتم خاصي نبوده بلكه در بين اتم هاي مجاور به اشتراك قرار دارند. مثلا" دو الكتروني را در نظر بگيريد كه بين اتم مركز و اتم سمت راست آن قرار دارند.

دو اتم مزبور دو الكترون مورد اشتراك را با نيروئي مساوي بسمت هم مي كشند و بنابراين دو الكترون در حالت تعادل اين دو اتم مجاور در حالت تعادل باقي مي مانند و به همين علت به اين نوع پيوند، پيوند كوالانت يا اشتراكي گفته مي شود. در يك كريستال سلیسيم ميلياردها اتم وجود دارند كه اتم ها هر يك داراي 8 الكترون اشتراكي بوده كه در قيد پيوند كووالانت مي باشند و كريستال سیلیسيم را بصورت جامد تشكيل  مي دهند.

همانطور كه اشاره شد از نظر شيميائي اتم هائي كه 8 الكترون در مدار آخر خود دارند حالت پايدار داشته و به همين دليل احتياج به الكترون ديگري ندارد. در ضمن الكترونهاي مزبور تحت نيروي زيادي در قيد هسته بوده و براحتي نمي توانند از آن جدا شوند. به همين علت در حالت عادي مثلا" دماي اتاق (25 درجه سانتي گراد)سیلیسيم عايق خوبي است.

ايجاد حفره: در دماي محيط انرژي حرارتي هوا باعث مي شود كه اتم هاي كريستال سلیسيم شروع به لرزش كرده و هر چه دما بيشتر باشد اين لرزش مكانيكي قوي تر مي شود. وقتي يك جسم گرم را لمس نمائيد حرارتي كه احساس مي شود بدليل لرزش اتم هاي سیلیسيم باعث مي شود كه الكتروني در پيوند كوالانت از قيد هسته جدا شده و اين الكترون جدا شده مطابق شكل(1-8) زير بصورت یك الكترون آزاد در آيد. در واقع اين الكترون انرژي بيشتري يافته تا در مدار بالاتري از هسته قرار گیرد. در عين حال خروج يك الكترون يك محل خالي در مدار ظرفيت ايحاد مي كند كه به آن حفره گويند. اين محل خالي همانند يك بار مثبت عمل مي نمايد چرا كه قادر است يك الكترون آزاد در نزديكي خود را حذب كرده و بدام اندازد.

انرژی حرارتی باعث ایجاد زوج الکترون – حفره می شود(1-8)

تركيب مجدد  Recombination

در يك كريستال خالص سلیسيم انرژي حرارتي باعث ايجاد تعداد مساوي الكترون و حفره مي شود. الكترونهاي آزاد بصورت برگردان در كريستال حركت مي كنند. اگر بصورت اتفاقي يك الكترون آزاد به يك حفره نزديك شود جذب آن شده و درون آن مي افتد. اين عمل را تركيب مجدد گويند.

مدت زماني كه از ايجاد الكترون آزاد تا عمل تركيب مجدد طول مي كشد را اصطلاحا" طول عمر               (life time) مي گويند. اين زمان بين چند نانو ثانيه تا چند ميكرو ثانيه متغير است كه بستگي به عوامل زيادي دارد.

ايده اصلي

در يك كريستال سلیسيم در هر لحظه وقايع زير در حال انجام است.

1- تعدادي الكترون و حفره در حال ايجادند.

2- تعدادي الكترون و حفره هم در حال تركيب مجددند.

3- تعدادي الكترون و حفره هم در حالت میاني هستند به اين معني كه قبلا" ايجاد شده اما هنوز تركيب نشده اند.

مثال:

اگر در يك كريستال سیلیسيم يك ميليون الكترون آزاد وجود داشته باشد. چند حفره وجود دارد؟ اگر درجه حرارت افزايش يابد تعداد الكترون و حفره هاي آزاد چه تغييري مي كند؟

پاسخ: اگر به شكل (1-8) توجه شود مي بينيم كه وقتي يك الكترون آزاد مي شود در همان زمان، يك حفره هم ايجاد مي شود بنابراين هميشه در يك كريستال خالص سيلیسيم تعداد الكترونهاي آزاد با حفره ها مساويست و اگر يك ميليون الكترون آزاد داشته باشيم يك ميليون هم حفره خواهيم داشت درجه حرارت بالاتر باعث افزايش لرزش اتم ها شده و بدين ترتيب الكترونهاي آزاد و حفره هاي بيشتري ايجاد مي شوند. اما در هر حال مستقل از ميزان درجه حرارت در يك كريستال خالص سیلیسيم همواره تعداد الكترونهاي آزاد با تعداد حفره هاي موجود مساوي خواهد بود.

نيمه هاديهاي ذاتي(خالص)(Intrinsic)

نيمه هادي ذاتي يك نيمه هادي خالص است. در يك كريستال اگر تعداد الكترونها و حفره ها مساوي باشند آن را نيمه هادي ذاتي مي نامند در درجه حرارت اتاق كريستال سیلیسيم تقريبا" شبيه عايق عمل مي نمايد. چون داراي تعداد كمي الكترون و حفره است كه در اثر انرژي حرارتي محيط ايجاد شده اند.

جريان الكترونهاي آزاد.

در شكل (1-9) يك كريستال سیلیسم نشان داده شده است كه بين دو صفحه فلزي بار دار قرار دارد. فرض كنيد انرژي حرارتي يك الكترون و يك حفره ايجاد كرده باشد الكترون آزاد در سمت راست كريستال در مدار بالاتري قرار گرفته است و بخاطر بار منفي صفحه سمت راست، به سمت چپ رانده مي شود. به اين ترتيب كه الكترون از يك مدار بزرگ به مدار ديگر حركت كرده تا به صفحه بار دار و مثبت برسد.

حرکت الکترون و حفره (1-9)

جريان حفره ها

در شكل بالا به حفره موجود در سمت چپ توجه نمائيد اين حفره الكترون ظرفيت در نقطه A را جذب مي كند و باعث مي شود الكترون مزبور درون آن بيافتد . اين در واقع عمل تركيب مجدد يك الكترون آزاد با حفره نمي باشد. چرا كه در اينجا يك الكترون ظرفيت درون حفره افت دماست در هر حال وقتي الكترون موجود در محل A بداخل حفره بيافتد. در محل A يك حفره ايجاد مي شود. نتيجه عمل اينست كه بگوئيم حفره از محل قبلي خود بسمت راست حركت كرده است. به همين ترتيب حفره جديد در محل A الكترون ظرفيت ديگري را بخود جذب مي كند. بدين صورت الكترونهاي ظرفيت در جهت فلشهاي نشان داده شده در شكل حركت كرده باعث حركت حفره در مسير A-B-C-D-E-F مي شوند.

دو نوع جريان:

شكل (1-10) يك نيمه هادي ذاتي را نشان مي دهد كه داراي مقدار الكترونها و حفره هاي مساوي است و اين بخاطر انرژي حرارتي است كه توليد زوجهاي الكترون – حفره نموده است. ولتاژ اعمال شده باعث اعمال نيروبه الكترونها در جهت چپ و حفره ها سمت راست مي شود.

نیمه هادی ذاتی (1-10)

 

وقتي الكترونها به انتهاي سمت چپ كريستال مي رسند وارد صفحه فلزي سمت چپ كريستال شده و از طريق سيم خارجي به قطب مثبت باطري وارد مي شوند. از طرف ديگر الكترونهاي آزاد از قطب منفي باطري و سيم مربوطه از انتهاي سمت راست كريستال به آن وارد مي شوند وبا حفره ها ئي كه در اثر ولتاژ اعمال شده به سمت راست كريستال رانده شده اند تركيب مي شوند. بدين ترتيب يك جريان پايدار الكترونها و حفر ها در داخل نيم هادي بوجود مي آيد. در شكل كشيده شده(1-10)

حركت الكترونها وحفره ها در خلاف جهت هم است . از اين پس، جريان در نيمه هادي را تركيب دو نوع حركت الكترونهاي آزاد در يك جهت و حفره ها  در جهت مخالف در نظر مي گیريم الكترونهاي آزاد و حفره ها را حاملهاي جريان مي ناميم چرا كه در واقع اين ها حاملهاي بار الكتريكي از محلي به محل ديگر مي باشند.

اعمال ناخالصی

يك روش براي افزايش هدايت يك نيمه هادي افزودن ناخالصی به نيمه هادي است كه به آن دوپينگ(Doping)گويند. با اين عمل نيمه هادي بدست آورده كه به آن نيمه هادي ناخالص (Extrinsic)         مي گويند داراي هدايت الكتريكي بيشتري است.

افزايش الكترونهاي آزاد

چگونه نيمه هادي ناخالص بدست مي آيد. اولين قدم ذوب كريستال است اين باعث مي شود پيوندهاي كوالانت شكسته شده وسیلیسيم تبديل به مايع شود. براي افزايش تعداد الكترونهاي آزاد اتم هاي عناصر پنچ ظرفيتي به اين محلول سیلیسيم افزوده مي شود. اتم هاي عناصر پنچ ظرفيتي داراي پنج الكترون آزاد در مدار ظرفيت خود هستند. براي مثال عناصرارسينيك، آنتيموان و فسفر را مي توان براي اين منظور استفاده كرد. از آنجائيكه اين عناصر باعث ايجاد الكترون اضافي در كريستال سیلیسيم مي شوند. به انها ناخالص هاي بخشنده مي گويند.

پس از سرد شدن سیلیسيم و جامد شدن مجدد، كريستال سیلیسيم شكل گرفته منتهي هر اتم ناخالص توليد يك الكترون آزاد مي نمايد. در شكل (1-11) يك اتم پنج ظرفيتي در وسط با چهار اتم سیلیسيم احاطه شده و يك الكترون آزاد هم ايجاد شده است. همانند قبل اتم هاي مجاور هر كدام يك الكترون با اتم مركزي به اشتراك گذارده تا الكترونهاي آن به 8 برسد. اما اين بار الكترون پنجم در مدار بالاتري قرار مي گيرد وبه عبارت ديگر يك الكترون آزاد را ايجاد مي كند.

                                  (1-11)ب                                  (1-11)الف

با شرحی كه داده شده هر اتم پنج ظرفيتي يا اتم بخشنده توليد يك الكترون آزاد مي كند و بدين ترتيب است كه سازنده ميزان هدايت نيمه هادي ناخالص را كنترل مي كند. هر چه ناخالصي بيشتري اعمال شود ميزان هدايت افزايش مي يابد. ناخالصي بيشتر هدايت بيشتر (مقاومت كمتر) و ناخالصي كمتر هدايت كمتر (مقاومت بيشتر)را ايجاد مي كند.

افزايش تعداد حفره ها

حال چگونه مي توان در سیلیسيم خالص حفره اضافي ايجاد كرد؟ با اعمال ناخالصي سه ظرفيتي تا كه در آن اتم ها در مدار ظرفيت خود داراي سه الكترون مي باشند. از قبيل آلومينيوم، برون، و گاليم مي توان حفره اضافي ايجاد نمود. در شكل (1-11) ب يك اتم سه ظرفيتي در مركز قرار دارد كه توسط چهار اتم سيلیسيم احاطه شده است و هر یك از آنها يك الکترون با اتم مركزي به اشتراك مي گذارند، از آنجائيكه اتم سه ظرفيتي داراي سه الكترون ظرفيت بوده و چهار الكترون هم از چهار اتم مجاور به اشتراك گرفته است. فقط هفت الكترون در مدار ظرفيت خود داشته كه اين به معني وجود يك حفره در مدارظرفيت آن مي باشد. اتم سه ظرفيتي را به همين دليل پذيرنده گويند چرا كه هر حفره مي تواند يك الكترون آزاد را در عمل تركيب مجدد بپذيرد. قبل از آنكه سازنده بتواند به يك نيمه هادي، ناخالص اعمال كند، مي بايست ابتدا كريستال خالص توليد نمايد سپس با كنترل ميزان ناخالصي اعمال شده مي تواند دقيقا" خواص نيمه هادي را تعيين كند.

از نظر تاريخي، كريستال خالص رژمانيوم ساده تر از كريستال خالص سيلیسيم بدست مي آمده به همين علت است كه قطعات نيمه هادي اوليه اغلب از جنس رژمانيوم ساخته شدند. پس از آن روشهاي خالص سازي پيشرفت كرد و كريستال هاي خالص سيلیسيم هم در دسترس قرار گرفت بخاطر مزايائي كه سيلیسيم نسبت به رژمانيوم دارد امروز در اكثر موارد از سيلیسيم براي ساخت قطعات نيمه هادي استفاده مي شود.

چنانچه ديديم در نيمه هادي خالص مي توان با اعمال ناخالصي توليد الكترون اضافي و يا حفره اضافي نمود كه بر اين اساس دو نوع نيمه هادي ايجاد مي شود.

نيمه هادي نوع اطلاعات در مورد الکترونیک و برق , ,
:: بازدید از این مطلب : 2014