ترکیبات و مکانیزم نيمه رسانا

در اواسط قرن نوزدهم با فراگير شدن راديو و تلويزيون ضرورت بهبود بخشيدن به كيفيت لامپهاي ديودي وتريودي احساس گرديد . تا اينكه در 23 دسامبر 1947 ترانزيستور توسط سه فيزيكدان به نامهاي شاكلي ، باردين وبرتين به صنعت الكترونيك معرفي گرديد.
اولين ترانزيستور دنيا از يك نارساناي مثلثي تشكيل شده كه توسط دوسوزن طلا به نيمه رساناي ژرمانيم متصل ميشود .اين ترانزيستور برعكس لامپهاي ديودي براي به گرما احتياج نداشت وسريعا به كار مي افتاد و همچنين بسيار سبكتر و ارزانتر از لامپهاي ديودي بود .
بدين ترتيب شاكلي و همكاران وي به كمك فيزيك نيمه رسانا انقلابي را در عرصه الكترونيك پديد اوردند وبه پاس اين اختراع مهم اين محققان مفتخر به دريافت جايزه نوبل گرديدند.
ترانزيستور به سرعت روند تكاملي خود را طي مينمود به طوريكه در سال 1948 ترانزيستور صفحه اي ساخته شد.
امروزه ترانزيستورها عموما pnp,npn هستند كه بعنوان كليد قطع و وصل جريان ويا بعنوان تقويت كننده در مدارات الكترونيكي استفاده مي شوند.
در سالهاي 1950 و 1970 به دليل استفاده از ترانزيستور حجم وسايل ا لكترونيكي بسار كوچك شد به همين دليل به واژه ميكروالكترونيك متدول گرديد.
ميكروالكترونيك نيز بسرعت رشد مي كرد .بطوريكه امروزه با استفاده از فن سا ختمان اكسيد فلز مي توان تعداد زيادي از ترانز يستورها را بر روي يك نيمه رسانا جا داد. امروزه از اكسيدهاي نيمه رسانا مانند اكسيد روي در ترانزيستورهاي با سرعت انتقال بالا استفاده مي گرد.

( ترانزيستورهاي فايل افكت -FET) جديدا محققان ژاپني هيدو هوسونو و كولت كاگوش از يك صفحه نيمه رساناي كريستال مجرد درترانزستورهاي فايل افكت استفاده كردند كه سرعت انتقال ان 80 سانتيمتر مربع ولت بر ثانيه است كه دها بار سريعتر از ترانزيستورهاي قبلي مي باشد(ساختمان مولكولي ان در شكل زير ديده مي شود)

اگرچه اين ترانزيستور فعلا بسيار گران است ولي اين تحقيقات نشان داد كه امكان رسيدن به سرعتهاي بالا وجود دارد.
نیمه‌رسانا یا نیمه‌هادی عنصر یا ماده‌ای است که در حالت عادی عایق باشد ولی با افزودن مقداری ناخالصی قابلیّت هدایت الکتریکی را پیدا می‌کند (منظور از ناخالصی عنصر یا عناصر دیگری است غیر از عنصر اصلی یا پایه، بر فرض مثال، اگر عنصر پایه سلیسیوم باشد ناخالصی می‌تواند آلومنیوم یا فسفر باشد.) نیمه‌‌رسانا‌ها در لایه ظرفیت خود چهار اتم دارند. مقاومت الکتریکی نیمه‌رساناها بین رساناها و نارساناها می‌باشد. از نیمه رساناها برای ساخت قطعاتی مانند دیود، ترانزیستور، تریستور، آی سی ... استفاده می‌شود. ظهور نیمه رساناها در علم الکترونیک انقلاب عظیمی را در این علم ایجاد کرده که اختراع رایانه یکی از دستاوردهای این انقلاب است.
عناصر نیم رسانا
از عناصر نیمه رسانا می‌توان به سلیسیوم و ژرمانیوم که پایهٔ الکترونیک هستند اشاره کرد. سلیسیوم در حالت عادی نیمرسانا است و در جدول تناوبی در گروه چهار اصلی و زیر کربن قرار دارد و چهار ظرفیتی می‌باشد یعنی چهار الکترون در اخرین باند خود دارد. حال اگر یکی از عناصر گروه مجاور را به سلیسیوم بیافزاییم باعث می‌شویم که سلیسیوم قابلیت رسانایی بالاتری پیدا کند.اگر عنصر اضافه شده از گروه سوم اصلی باشد مثلا آلومینیوم آنگاه مادهٔ بدست آمده نیمه رسانای نوع پی P می‌شود و اگر عنصر اضافه شده از گروه پنج اصلی باشد مثلا آرسنیک آنگاه مادهٔ بدست آمده نیمه‌رسانای نوع ان N می‌شود. ژرمانیوم از این جهات مانند سیلیسیوم است ولی تفاوت‌هایی هم با آن دارد.
ساخت ادوات الکترونیکی بوسیله نیم رسانا
طریقه ساخت دیود از نیمه رساناها
از پیوند نیمه رسانای نوع N با نوع P عنصری به نام دیود بدست می‌آید که خاصیت یکسو سازی آن بیشترین کاربرد را در الکترونیک دارد (در دیود هیچ تفاوتی بین اینکه نوع P را با نوع N پیوند دهیم یا نوع N را با نوع P پیوند دهیم وجود ندارد و در هر صورت عنصر بدست آمده دیود خواهد بود).
خاصیت دیود
دیود از نوع سیلیسیم تا ولتاژ حدود 0.7 ولت عایق بوده و بعد از آن به یک رسانای خوب تبدیل می‌گردد.این ولتاژ آستانهٔ تحریک، برای دیودهای مختلف متفاوت است و مثلا برای دیودهای ژرمانیومی حدود 2.5 ولت است؛ یعنی برای روشن شدن دیود سلیسیومی 0.7 ولت نیاز است ولی برای روشن‌شدن دیود ژرمانیومی 2.5 ولت لازم است.
روش ساخت ترانزیستور از نیمه رساناها
حال اگر پیوند نوع P را با نوع N و دوباره با نوع P پیوند دهیم عنصر بدست آمده ترانزیستور نام خواهد داشت که پرکاربردترین و اصلی‌ترین عنصر در مدارات الکترونیکی ومجتمع می‌باشد (در ترانزیستور اگر نوع P را با نوع N و سپس با نوع P پیوند دهیم ترانزیستور بدست آمده PNP نام خواهد داشت و اگر نوع N را با نوع P و دوباره با نوع N پیوند دهیم عنصر بدست آمده ترانزیستور NPN نام خواهد داشت که بیشتر از ترانزیستور PNP در صنعت کاربرد دارد).
نیمه‌رسانای ذاتی
به انگلیسی: Intrinsic semiconductor به نیمه‌رساناهایی گفته می‌شود که حاوی هیچ‌گونه ناخالصی نباشند. در این نیمه‌رساناها تعداد الکترون‌های نوار رسانش دقیقاً برابر با تعداد حفره‌ها در نوار ظرفیت است.
تعداد الکترون‌ها و یا حفره‌ها در این مواد غلظت حامل ذاتی نامیده می‌شود که آن را می‌توان از انتگرال‌گیری ضرب احتمال پر بودن حالت انرژی E (که از تابع فرمی بدست می‌آید) در دانسیته حالت آن انرژی بر روی تمام انرژی‌های برابر و یا بیشتر از لبهٔ جذب رسانش بدست آورد:

 

نیمه‌رسانای غیرذاتی
 به انگلیسی: (Extrinsic semiconductor) به نیمه‌رساناهایی گفته می‌شود که ناخالصی‌هایی در ساختار آنها وارد شده و انرژی نوارهای انرژی آن را تغییر داده باشد.
اگر ظرفیت اتم ناخالصی با اتم‌ها فاز مادر متفاوت باشد، الکترون و یا حفره‌ی به وجود آمده در اثر جایگزین شدن این اتم در شبکه می‌تواند آزادانه در نیمه‌رسانا حرکت کند و در نتیجه رسانایی آن را تغییر می‌دهد.
نیمه‌هادی نوعN
گونه‌ای از نیمه‌هادی‌های غیرذاتی است که آلایش آن به وسیلهٔ اتم‌های دهنده انجام شده‌است و به این وسیله الکترون‌های آزاد بیشتری در مادهٔ نیمه‌رسانای میزبان فراهم آمده است. (برای نمونه با تزریق فسفر در سیلیسیم)
به بیان دیگر نیمه‌هادی‌های نوع اِن، از ترکیب یک نیمه‌هادی خالص با عناصری که دارای اتم‌های پنج‌ظرفیتی هستند (مانند آرسنیک)به دست می‌آید. در پیوند کووالانسی بین اتم ناخالصی با اتم‌های نیمه‌هادی میزبان، یک الکترون اضافه به وجود خواهد آمد که از مدار والانس یک اتم به اتم دیگر حرکت نامنظمی دارد و پایدار نیست. با توجه به بیشتر بودن تعداد الکترون‌ها از حفره‌ها در نیمه‌هادی نوع اِن، در این نیمه‌هادی به الکترون‌ها حامل‌های اکثریت و به حفره‌ها حامل‌های اقلیت گفته می‌شود.
نیمه‌هادی نوع پی گونه‌ای از نیمه‌هادی‌ها است که به وسیلهٔ آلایش یک نیمه‌رسانای با اتم‌های پذیرنده به دست می‌آید و از این راه حامل‌های بار آزاد مثبت (حفره‌ها) در نیمه‌هادی افزایش می‌یابند.
در لایهٔ آخر نیمه‌هادی‌های خالص مانند سیلیسیم یا ژمانیم تنها چهار الکترون والانس وجود دارد. ناخالصی تزریق‌شده به نیمه‌هادی عنصری با اتم‌های سه‌ظرفیتی مانند آلمینیوم است. در نتیجه در چهار پیوند کووالانسی ایجاد شده به بین اتم‌های ناخالصی و نیمه‌هادی، یکی از پیوندها ناقص خواهد شد و حفره‌ای به وجود می‌آید که الکترون‌های لایهٔ والانس اتم‌های مجاور دائماً سعی می‌کنند آن را پر کنند و بنابراین حفره پایدار نخواهد ماند. با توجه به بیشتربودن تعداد حفره‌ها از الکترون‌ها در این نیمه‌هادی به حفره‌ها حامل‌های اکثریت و به الکترون‌ها حامل‌های اقلیت گفته می‌شود و کریستال حاصل را نیمه‌هادی نوع پی (پی مخفف positive در انگلیسی و به معنای مثبت است) می‌گویند.