شیمی و تکنولوژی نیمه هادی ها

شیمی و تکنولوژی نیمه رسانا ها

1- رسانایی الکتریکی به چه چیز میگویند؟

توانایی یک قطعه را در عبور جریان الکتریسیته را رسانایی میگوییم. جمعا ما پنج دسته مواد (حالت جامد) برای انتقال الکتریسیته داریم که به ترتیب 1- ابررساناها 2-رساناها 3-نیم رساناها 4- نارساناها 5-ابرنارساها که در این مقاله میخواهیم به خواص و شیمی نیم رساناها بپردازیم .

1-1نیم رسانا چیست ؟

نیم رسانا به انگلیسی (Semiconductor) به قطعه یا بهتر بگوییم به ماده ای گفته میشود که جریان الکتریسیته را به شکل نیمه یا بهتر بگوییم کنترل شده عبور دهد . نیم رسانایی یک ویژگی فیزیکی است اما در حالت کلی برای به دست آوردن ویژگی فیزیکی ما نیاز داریم از ماده ای استفاده کنیم که دارای ساختار و مولکول مخصوص استفاده کنیم . 

2-1 کاربرد نیم رساناها

مهم ترین کاربرد نیم رساناها وسایل الکترونیک میباشد به شکلی که اگر نیم رساناها نبودند هم اکنون رایانه شخصی و گوشی تلفن همراه و.. وجود نداشتند و صنعت الکترونیک و تکنولوژی انتقال داده و در نتیجه اینترنت جهانی به هیچ عنوان وجود نداشت . بیشترین استفاده ماده نیمه هادی در دیود ها و ترانزیستورها و LED های صفحه نمایشگر است.

1-ویفر سیلیکونی ساخته شده از مقدار زیاد سیلیسیوم خالص برای تولید پردازنده های رایانه و گوشی هوشمند

3-1 ویژگی نیم رسانایی از کجاست؟!

در واقع خاصیت نیم رسانایی از ساختارهای الکترونی و بلورین مولکول ناشی میشود ، بدین شکل که در مواد رسانا(مانند بیشتر فلزات) الکترون های آزاد فراوان داریم که حرکت هر الکترون از اتم به اتم دیگر باعث ایجاد خاصیت رسانایی میگردد برعکس در نارسانا ها ما الکترون آزادی نداریم که اتم به اتم در حرکت باشد و الکترون ها صرفا بین اتم ها به اشتراک گذاشته شده اند(مانند پلیمرها) ؛ در نیم رسانا ها ما الکترون ها یا فضاهای خالی داریم که با مقدار مشخصی انرژی(جریان برق) برانگیخته میشوند این برانگیختگی باعث جریان الکتریکی در قطعه نیم رسانای ما میگردد ، این کمیت در واقع همان نمودار مقاومت ویژه(رسانش الکتریکی) مواد میباشد .

2-نمودار باند گپ مواد رسانا و نارسانا و نیم رسانا

همانگونه که در تصویر شماره2 می بینید شکاف انرژی وجود دارد بنابراین رسانا نیست اما آنقدر بزرگ نیست که خاصیت نارسانایی داشته باشد .

2- عنصر سیلیسیوم (شیمی و تکنولوژی)

سیلیسیوم عنصر چهاردهم جدول تناوبی از گروه چهاردهم هست که ظاهری فلزی دارد اما از لحاظ برخی خواص شیمایی و الکتریکی خواصی بین فلز و نافلز دارد از جمله این خاصیت رسانایی برق است که نیمه رساناست ساختار بلورین سیلیسوم خالص به شکلی است که هر اتم چهار الکترون لایه بیرونی خود را به اشتراک گذاشته است.

3-هر اتم سیلیسیوم با اتم کناری جمعا هشت الکترون به اشتراک میگذارند

1-2 انواع نیمه رسانا ها

a- نیم رسانای نوع P یا مثبت که گیرنده الکترون می نامند

b- نیم رسانای نوع n یا منفی که دهنده الکترون می نامند

در عمل برای افزایش هدایت پذیری نیم رسانا ها باید آن ها را تقویت یا دوپ(dop) کرد

اگر از گروه بالاتر جدول تناوبی برای تقویت نیم رسانا عنصر انتخاب گردد نیم رسانای نوع n به دست می آید مانند افزودن فسفر که از گروه 15 جدول میباشد که دارای تک الکترون آزاد است .

4-نیم رسانای نوع n دوپ شده با فسفر

اما اگر از گروه پایین تر جدول تناوبی عنصری را برای دوپ کردن  انتخاب کنیم به دلیل دارا بودن حفره (اوربیتال خالی) ایجاد نیم رسانای نوع p میکند .

5 -مکانیسم انتقال الکترون در نیم رسانای نوع p

3- کاربرد نیم رسانا ها

همانطور که گفته شد عموم کاربرد نیم رساناها در قطعات و وسایل الکترونیکی و حتی الکتریکی هستند بنابراین مهمترین قظعاتی که از نیم رساناها استفاده میکنند عبارت است از :

1. ترانزیستورها و به طبع آن پردازنده های گوشی همراه و رایانه ها و دستگاه ها
2. دیود ها که یک سو کننده جریان هستند و دیود های نور گسیل (LED) در صفحات نمایشگر نوعی دیود هستند.
3. صفحات فتوولتاییک خورشیدی که از نیم رساناهای دوپ شده ساخته میشوند .
4. سنسور ها و شناساگرها

4- نقش دانش شیمی در فن آوری نیم رسانا ها

دانش شیمی در فن آوری و صنعت نیم رساناها مهمترین نقش را دارد چرا که درک ساختار و مکانیسم و به ویژه تولید و کنترل کیفی بهینه نیم رساناها نیازمند دانستن شیمی ماده است ، در این صنعت نیازمند مواد باخلوص بسیار بسیار بالا هستیم در بیشتر موارد خلوص ماده استفاده شده حتی از صنعت سخت گیر و مهم دارویی بالاتر است!

از جمله مهم ترین کاربرد شیمی میتوان در طراحی پردازنده های رایانه و گوشی همراه (CPU) اشاره کرد! که استفاده از انواع متریال را امکان پذیر میکند ، چرا که  سعی در بهبود عملکرد  آنها است . مورد دیگر کاربرد شیمی در تولید پردازنده ها میباشد ، در هسته پردازنده شما چندین میلیون ترانزیستور در سطح یک سانتی متر مربع دارید اما برای تولید خوب و سریع این قطعه تقریبا از هیچ روش مکانیکی نمیتوان استفاده کرد به همین جهت از باید از روش های کنترل شده و دقیق شیمیایی مانند لیتوگرافی بهره گرفت ، همچنین جدیدا استفاده از تکنولوژی لیزر برای ایجاد تراشه نیازمند درک ساختار مواد و برهمکنش آن با لیزر میباشد .