بیایید سفر خود را به جهان نیمه‌رساناها با نگاهی به کتاب‌های تاریخی آغاز کنیم. در سال‌های اولیه قرن نوزدهم، چیز زیادی از جهان در ابعاد اتمی‌نمی‌دانستیم و اطلاعات ما از جهان زیر اتمی‌نیز بسیار کمتر بود. فیزیک تا حدود زیادی، با آرامش از همان قوانین کلاسیک خود پیروی می‌کرد. ولی کشفیات جدید مانند‌اشعه ایکس رونتگن، الکترون‌های تامسون و دستاورد رادرفورد درباره ساختار هسته‌ای اتم نشان داد که به قوانین جدیدی نیازمندیم. به عنوان نمونه دانشمندانی مانند پلانک، اینشتین، بوهر، پائولی و هایزنبرگ در تکامل و فهم اینکه نیاز به تدوین نمونه کوانتوم مکانیکی داریم نقش مهمی‌داشتند. تکامل فیزیک کوانتومی بر مبنای «فیزیک حالت جامد» انجام شده است که شامل نظمی‌است که به توضیح ساختار درونی اتم‌ها و خواص الکترونیکی موادی که در زندگی روزمره خود می‌بینیم، مانند فلزات، پلاستیک‌ها و شیشه، می‌پردازد. نگاه جدید به علم فیزیک در سال 1947 رایج شد. با ادامه دادن راه پیشینیان، ویلیام شاکلی، جان باردین و والتر براتین اثر ترانزیستوری را با ساخت یک ترانزیستور اولیه، کشف کردند. بخش مهم این کشف استفاده از نیمه‌رساناها و تئوری‌ای بود که در پس آنها قرار داشت. در سال 1956 این سه برای تحقیقات خود روی نیمه‌رساناها و کشف اثر ترانزیستوری آنها جایزه نوبل را دریافت کردند.
از آن زمان نیمه‌رساناها پیشرفت زیادی کرده‌اند. ترانزیستورهای امروزی واقعا کوچک و جمع و جورند که در ابعاد میلیونی روی ورقه‌های سیلیسیومی‌و با عنوان مدارهای مجتمع جمع شده‌اند. مدارهای مجتمع نخستین‌بار توسط جک کیلبی و رابرت نویز اختراع شد. این اختراع در تکنولوژی دیجیتالی امروز مانند کامپیوترها نقش مهمی بازی می‌کند. فهرستی نامتناهی از لوازم را می‌توان در نظر گرفت که بدون این اختراع امروز از آنها خبری نبود: DVD، لوح‌های فشرده، موبایل و حتی اینترنت!
قبل از شروع بهتر است مشخص کنیم که اصلا الکتریسیته چیست. الکتریسیته را می‌توان به عنوان جریان الکترون‌ها مشاهده کرد. الکترون‌ها ذرات بسیار ریزی با بار منفی هستند. در نتیجه با یک تعریف اولیه می‌توان الکتریسیته را جریانی از الکترون‌ها دانست که از نقطه‌ای به نقطه دیگر جاری می‌شود. یک راه خوب برای توصیف جریان الکتریکی عبور کننده از کابل، تصور لوله‌ای است که از تیله‌های به هم چسبیده پر شده باشد. اگر ما تیله جدیدی را از یک طرف لوله وارد کنیم، تیله دیگری از طرف دیگر لوله بیرون رانده می‌شود. کلمه «رسانایی» معمولا برای توانایی اجسام در انتقال الکتریسیته استفاده می‌شود. این قابلیت در اجسام مختلف متفاوت است. فلزاتی مانند مس و طلا رساناهای خوبی هستند و در مقابل پلاستیک و شیشه رساناهای بسیار ضعیفی‌اند و در واقع اصلا رسانایی ندارند. موادی که ابدا جریان را انتقال نمی‌دهند، عایق نام دارند. نیمه‌رساناها، مانند سیلیسیوم، موادی هستند که رسانش در آنها حالتی بین رسانا و عایق دارد.
چرا نیمه‌رساناها؟
چرا نیمه‌رساناها تا این حد اهمیت دارند؟ به یک دلیل: ما براحتی می‌توانیم عبور جریان از درون آنها را کنترل کنیم. ما این امکان را در فلزات نداریم چراکه فلزات تقریبا در هر شرایطی جریان را از خود عبور می‌دهند. به همین دلیل نیمه‌رساناها برای ساختن لوازم الکتریکی مانند ترانزیستورها کاملا ایده‌آل هستند. ترانزیستورها می‌توانند به عنوان کلیدهای
خاموش / روشن یا تقویت‌کننده استفاده شوند و از عناصر کلیدی مدارهای مجتمع به شمار می‌آیند. از نمونه‌های مدارهای مجتمع می‌توان از میکروپروسسور
[ریز پردازشگر]، مدارهای کامپیوتری یا مدارهای حافظه نام برد که شامل میلیون‌ها ترانزیستور است که روی ورقه کوچکی از سیلیسیوم سوار شده باشند.
مواد نیمه‌رسانا
نیمه‌رساناها می‌توانند تنها از یک ماده تشکیل شده باشند یا به صورت ترکیبی از مواد مختلف باشند. در نیمه‌رساناهای اولیه معمولا از فلز ژرمانیوم استفاده می‌شده است اما امروزه در صنعت نیمه‌رساناها معمولاً از سیلیسیوم استفاده می‌شود. سیلیسیوم براحتی در طبیعت یافت می‌شود. ماسه معمولی که در ساحل دریاچه‌ها و کویر وجود دارد، چیزی جز ترکیب یک اتم سیلیسیوم با 2 اتم هیدروژن نیست، ولی برای تهیه سیلیسیوم خالص برای تولیدات صنعتی، مانند مدارهای کامپیوتری نیاز به خالص‌سازی آن در یک فرآیند بسیار حساب شده است. یکی از دلایل رواج سیلیسیوم پایداری آن است و اینکه می‌توان آن را تا درجه زیادی بدون از دست دادن خواص گرم کرد. معنی‌اش این است که مهندس‌ها می‌توانند مطمئن باشند که ماده، حتی تحت شرایط خاص مطابق انتظار آنها رفتار خواهد کرد. برای فهم قوانین حاکم بر نیمه‌رساناها، بهتر است که با ساختار اتم‌ها و مفهوم ترازهای انرژی در آنها آشنا شویم. این همان نقطه شروع ما است.
ساختار اولیه اتم‌ها
از آنجا که بیشتر مواد از اتم‌ها تشکیل شده‌اند، ما کارمان را با ساختار اتمی نسبتا ساده‌ای شروع خواهیم کرد. اتم از 3 ذره بسیار کوچک اولیه به عنوان پروتون، نوترون و الکترون تشکیل شده است. پروتون‌ها بار مثبت دارند، در حالی‌که الکترون‌ها به صورت منفی باردار شده‌اند و نوترون‌ها نیز خنثی هستند. پروتون‌ها و نوترون‌ها هسته اتم‌ها را تشکیل می‌دهند و الکترون‌ها به دور این مرکز می‌چرخند. به تمام اتم‌ها یک عدد اتمی‌نسبت داده می‌شود. این عدد برابر با تعداد پروتون‌ها در اتم است. تا زمانی که بار مثبت با بار منفی برابر باشد، یک اتم خنثی به نظر می‌رسد. می‌توان اتم را مانند خورشید در نظر گرفت که سیاره‌ها دور آن می‌چرخند.
پوسته و ترازهای انرژی
تا اینجا گفتیم که اتم‌ها شامل هسته و الکترون‌های چرخان به دور آن می‌شود. قبل از بحث عمیق‌تر نیاز داریم درباره خاصیت مهمی از الکترون‌ها بیشتر بدانیم. الکترون تلاش می‌کند تا انرژی/ سرعت خود را در پایین‌ترین حد ممکن نگه دارد. اصل نگه‌داشتن انرژی در حالت کمینه در طبیعت بسیار رایج است. اگر بخواهم خودم را مثال بزنم، ترجیح می‌دهم در خانه مقابل تلویزیون بنشینم (انرژی جنبشی خود را حداقل کنم) تا اینکه در همین حوالی به آهستگی بدوم (انرژی جنبشی زیاد). هر اتم تعداد مشخصی الکترون دارد. به عنوان مثال سیلیسیوم 14 تا دارد. این الکترون‌ها بسته به انرژی‌شان به مدارهایی تقسیم شده‌اند. هر چه الکترون‌ها به مرکز اتم نزدیک‌تر باشند، انرژی آنها کمتر است. این بدان معناست که الکترون‌ها ترازهای اتمی را از پایین به بالا پر می‌کنند. بالاترین ترازی که توسط الکترون‌های موجود در هر اتم اشغال می‌شود، تراز ظرفیت نام دارد و الکترون‌هایی که این تراز را اشغال می‌کنند نیز الکترون‌های ظرفیتند. دقت کنید که تراز ظرفیت بیرونی‌ترین تراز الکترونی نیست، بلکه بیرونی‌ترین ترازی است که توسط الکترون‌ها اشغال شده باشد. ترازهای خالی دیگری ورای این تراز وجود خواهند داشت. ما می‌توانیم اتم و لایه‌های آن را به لیوانی که از آب (الکترون‌ها) پر شده باشد، تشبیه کنیم. اگر شما آب را درون لیوان بریزید، از پایین به بالا شروع به پر کردن لیوان می‌کند و نه از بالا به پایین. سطح آب داخل لیوان متناظر با تراز ظرفیت در اتم خواهد بود. مثال آب در لیوان بد نیست ولی شاید زیادی ساده شده است. همان طور که قبلا گفتیم، الکترون‌ها به پوسته‌هایی تقسیم می‌شوند که هرچه از هسته دورتر می‌شوند، انرژی‌شان افزایش می‌یابد، اما نگفتیم که الکترون‌ها فقط می‌توانند ترازهای انرژی مشخصی را اشغال کنند. بین این ترازهای مجاز انرژی، نواحی غیرمجاز قرار دارند با انرژی‌هایی که هیچ الکترونی نمی‌تواند داشته باشد. خوب، برای اینکه مثال لیوان آب را واقعی‌تر کنیم، نیاز به یک لیوان واقعی‌تر داریم. این لیوان از قسمت‌هایی تشکیل شده است که می‌تواند نمادی از ترازهای انرژی باشد و هر قسمت با آب پر شده است. موانع میان بخش‌ها مانند باندهای غیرمجاز انرژی‌اند و نمی‌توانند آب را درون خود نگه دارند.
حالا ما مدل اتمی‌داریم با یک مرکز و الکترون‌هایی که با انرژی مشخصی به دور آن می‌چرخند. با مقادیر انرژی مشخصی که به عنوان پوسته شناخته می‌شود. پوسته‌های انرژی به وسیله نوارهای ممنوعه از هم جدا می‌شوند. (اختلاف انرژی‌ها) برای اینکه الکترونی از تراز انرژی پایین‌تر به تراز انرژی بالاتر برود، باید به اندازه این اختلاف انرژی به انرژی آن اضافه شود. الکترونی که این انرژی را گرفته و به تراز بالاتر رفته، الکترون برانگیخته نام دارد. ولی با توجه به اینکه الکترون تمایل به ماندن در پایین‌ترین سطح انرژی را دارد، سریعا انرژی دریافتی را آزاد می‌کند (مثلاً از طریق گسیل نور) و مجددا به شرایط اولیه‌اش که به عنوان تراز پایه شناخته می‌شود، بر می‌گردد.
در مقیاس بزرگ‌تر
اگر ما به یک ماده جامد نگاه کنیم، می‌بینیم که از تعداد زیادی اتم تشکیل شده که چنان در کنار هم قرار گرفته‌اند که بعضی از الکترون‌های خود را به اشتراک گذاشته‌اند. این الکترون‌های به اشتراک گذاشته شده باعث بستگی اتم‌ها به یکدیگر می‌شود و ساختاری کریستالی را به وجود می‌آورد که آن را به عنوان بلورکریستال می‌شناسیم. مواد جامد دور و اطراف شما، مانند آهن به کار رفته در دوچرخه شما، ساختار اتمی‌ای را تشکیل می‌دهند که محکم به هم چسبیده است. اگر ما به سیلیسیوم جامد نگاه کنیم، می‌بینیم که از تعداد بسیار زیادی اتم سیلیسیوم تشکیل شده که در کنار هم قرار گرفته‌اند. وقتی اتم‌ها با یکدیگر برهم‌کنش می‌کنند، پوسته‌های اتمی‌یک اتم با پوسته‌های اتمی اتم مجاورش برهم‌کنش خواهد کرد. از نظر انرژی، پوسته‌های انرژی‌ای روی هم می‌افتند که مربوط به نوارهایی با انرژی یکسان در هر اتم باشند. بین نوارها هیچ الکترونی اجازه حضور ندارد. با این توضیح خیلی ساده، می‌توان یک جامد را شکل پهن شده یک اتم مجزا در نظر گرفت. بالاترین نوار انرژی که به وسیله الکترون‌ها اشغال شده نوار ظرفیت نام نامیده می‌شود. نوار انرژی‌ای را که کمی‌بالاتر از نوار ظرفیت است نوار رسانش می‌گویند. شکاف انرژی بین این دو نوار را هم نوار ممنوعه می‌نامند.
جفت شدگی الکترون- حفره
یکی از جنبه‌های مهم نیمه‌رساناها جفت‌شدگی الکترون – حفره است. برای اینکه یک نیمه‌رسانا را وادار به انتقال جریان کنیم، باید الکترون را از یک تراز اشغال شده به تراز اشغال نشده‌ای بپرانیم. وقتی این اتفاق بیفتد یک حفره باقی خواهد ماند. این حفره می‌تواند با یک الکترون دیگر پر بشود که این خودش یک حفره جدید به وجود می‌آورد، بنابراین می‌توانیم بگوییم الکترون و حفره همان‌طور که دور ماده می‌چرخند در رسانش ماده هم موثرند. حفره را می‌شود به‌عنوان بار مثبت (نبود بار منفی) در نظر گرفت.
رسانش در انواع مختلف مواد
همان‌طور که قبلا گفتیم، ظرفیت رسانایی در نیمه‌رساناها چیزی بین مواد رسانا و نارساناست. اگر ما دقیق‌تر به مواد نگاه کنیم، می‌توانیم به علت این رفتار آنها پی ببریم. قبل از شروع بحث توجه کنید که به‌رغم نام پیشنهادی، نوار رسانش تنها نواری نیست که رسانش ممکن است در آن اتفاق بیفتد، رسانش ممکن است در تراز ظرفیت هم اتفاق بیفتد. در یک رسانای خوب مانند آهن، آخرین نوار انرژی و نوار ظرفیت هر دو نیمه پر هستند. پس الکترون‌ها می‌توانند شتاب بگیرند و به نوارهای بالاتری بروند که خالی بوده‌اند و انرژی بیشتری داشته‌اند. این کار براحتی انجام می‌شود چون در رساناها فضای خالی زیادی برای الکترون‌ها در تراز رسانش وجود دارد. در نیمه‌رساناها فاصله بین نوار رسانش و نوار ظرفیت ناچیز است. در دماهای خیلی پایین تمام تراز ظرفیت پرمی‌شود و فضای خالی‌ای برای الکترون‌ها باقی نمی‌ماند که در آن شتاب بگیرند. به همین دلیل در دماهای پایین، نیمه‌رساناها درست مثل عایق عمل می‌کنند. در عایق‌ها، نوار ظرفیت کاملا پر است به علاوه نوار ممنوعه بین نوار ظرفیت و رسانش هم خیلی عریض است. هیچ الکترونی نمی‌تواند در دمای اتاق به طریقی به نوار رسانش بپرد، در نتیجه ماده عایق اصلا امکان رسانایی ندارد.
تزریق (دوپینگ)
حالا می‌خواهیم درباره تزریق صحبت کنیم، شاید معنای معادل انگلیسی آن Dope شما را یاد ورزشکارانی می‌اندازد که از تزریق داروهای غیرمجاز نیروزا برای موفقیت استفاده می‌کنند. هرچند دوپینگ در ورزش خلاف محسوب می‌شود، در نیمه‌رساناها قضیه متفاوت است. در هر دو مورد ما یک ماده خالص مثل ورزشکار یا نیمه‌رسانا داریم که ماده‌ای از خارج به آن اضافه می‌شود تا کارکرد آن را عوض کند، بنابراین در فرآیند تزریق ما تعدادی از اتم‌های یک ماده دیگر را به یک نیمه‌رسانای خالص اضافه می‌کنیم. با این کار می‌توان رسانایی نیمه‌رسانا را تا حد خیلی زیادی افزایش داد. ما 2 نوع تزریق داریم، نوع p برای حالت «منفی» است. در این مورد دانستن 2 اصطلاح هم اهمیت دارد: p و n. نیمه‌رسانای خالص تزریق نشده را نیمه‌رسانای ذاتی و نیمه‌رسانای تزریق شده را نیمه‌رسانای غیرذاتی می‌نامند. قبل از اینکه به چند نمونه از نیمه‌رساناهای تزریق شده نگاهی بیندازیم، نگاهی به اتم‌های سیلیسیوم در سیلیسیوم خالص و نحوه عملکرد آنها برای تشکیل شبکه بلوری ماده می‌پردازیم. در سیلیسیوم هر اتم 4 الکترون ظرفیت دارد که با 4 اتم همسایه به اشتراک گذاشته شده و پیوند دوگانه به وجود آورده است. در دماهای پایین این پیوند بسیار پایدار است، نوار ظرفیت به‌طور کامل پر شده، بنابراین رسانش امکانپذیر نیست.
تزریق نوع p: زمانی اتفاق می‌افتد که اتم‌هایی که الکترون‌های رسانش کمتری دارند، به نیمه‌رسانا اضافه می‌شوند و در نتیجه در نوارهای بلور کمبود الکترون خواهیم داشت. در این صورت حفره‌های مثبتی که می‌توانند نقش حامل‌های جریان را بازی کنند، شکل می‌گیرند. موادی که حفره‌ها را به مجموعه اضافه می‌کنند «پذیرنده» نام دارند چون آنها الکترون‌ها را از اتم‌های همسایه می‌پذیرند. در نیمه‌رساناهای نوعp حامل‌های اصلی بار حفره‌ها هستند، نه الکترون‌ها. این یک مدل سیلیسیوم است که در آن یک اتم سیلیسیوم با یک اتم بروم جایگزین شده است. اتم بروم نسبت به سیلیسیوم در نوار ظرفیت یک الکترون کمتر دارد که آن را به صورت یک اتم پذیرنده درآورده است. نبود الکترون باعث به وجود آمدن حفره‌ای می‌شود که می‌تواند توسط الکترون‌های اتم‌های مجاور پر شود. با حرکت دادن این حفره، الکترون‌های در حال حرکت حفره جدیدی درست می‌کنند که آن هم به نوبه خودش با الکترون‌های دیگری پر خواهد شد.
تزریق نوع n: در تزریق نوعn شما اتمی‌به مجموعه می‌افزایید که در نوار ظرفیت‌اش یک الکترون اضافه دارد. این پدیده باعث به‌وجود آمدن وضعیتی در شبکه می‌شود که در آن الکترون‌های اضافه هیچ جایگاهی درون بلور ندارند، در نتیجه مقدار انرژی‌ای که برای جهش این الکترون‌ها به نوار رسانش مورد نیاز است، بسیار ناچیز است. اتم‌هایی که به مجموعه الکترون می‌دهند را «دهنده» می‌نامند. حامل‌های اصلی جریان در نیمه‌رساناهای نوع n الکترون‌ها هستند.
این یک نمونه سیلیسیوم است که در آن یک اتم آرسنیک جایگزین یکی از اتم‌های سیلیسیوم شده است. اتم آرسنیک که یک دهنده است، الکترون‌های ظرفیت بیشتری نسبت به سیلیسیوم دارد. الکترون‌های اضافی مشارکت قوی‌ای در هیچ‌یک از نوارهای انرژی نخواهند داشت چرا که جایگاه طبیعی‌ای برای آنها در داخل شبکه وجود ندارد، بنابراین آنها اساسا آزادند درون بلور حرکت کنند و در انتقال جریان درون جسم مشارکت داشته باشند.
دیگر حتما حسابی از دست من و لیوانم خسته شده‌اید ولی می‌خواهم به‌عنوان آخرین مثال هم از آن استفاده کوچکی کرده باشم.
تزریق نوعp: در لیوان، معادل این است که ما کمی‌آب را از قسمت مربوط به رسانش بیرون ببریم. به عبارت دیگر، حفره‌های هوا (حفره‌های مثبت) در این قسمت ایجاد کنیم. حالا اگر لیوان را کج کنیم، فضای کافی برای آب (الکترون) وجود دارد تا در یک جهت حرکت کند و برای حفره‌های ایجاد شده (کمبود الکترون‌ها) که در جهت مخالف حرکت کند. (همان‌طور که حباب‌های هوا در آب حرکت می‌کنند).
تزریق نوعn: n در تزریق نوع n نشان دهنده «منفی» است. علت‌اش هم این است که در مقایسه با اتم‌های نیمه‌رسانا، این اتم‌ها تعداد بیشتری الکترون ظرفیت دارند. در نیمه‌رسانای جفت شده نوع n نوار ظرفیت پر است پس جایی برای جابه‌جا شدن الکترون‌ها باقی نمی‌ماند. در عوض این الکترون‌های اضافه به نوار رسانش منتقل می‌شوند. در لیوان ما، می‌بینیم که هیچ آبی در قسمت ظرفیت جابه‌جا نمی‌شود. در عوض آب اضافه (الکترون‌ها) به قسمت رسانش منتقل می‌شوند.
جمع‌بندی
حالا کم‌کم داریم به پایان بحث نزدیک می‌شویم. امروزه، کامپیوتر و تراشه‌های کامپیوتری همه جا هستند. کلید این انقلاب تکنیکی نیمه‌رساناها هستند. اینها موادی هستند که قابلیت انتقال جریان را در حالتی بین رساناها (فلزات) و عایق‌ها دارند. نیمه‌رساناها به ناخالصی بسیار حساس‌اند. با اضافه کردن مقادیر بسیار ناچیزی از مواد به آنها در فرآیندی که «تزریق» نام گرفته، ما می‌توانیم توانایی آنها را در انتقال جریان تا حد بسیار بالایی تغییر دهیم. با ترکیب تزریق‌های مختلف در نیمه‌رساناها، می‌توانیم جریان را به قسمت‌های مختلف هدایت کنیم. همچنین می‌توانیم جریان را با استفاده از سیستم‌های کنترل خارجی ولتاژ مانند ترانزیستورها کنترل کنیم. امروزه، مهندسان قادرند ساختارهای بسیار پیچیده‌ای مانند ریزپردازشگرها را روی قطعات بسیار کوچک نیمه‌رساناها بسازند. در روزهای اولیه صنعت نیمه‌رسانا از ماده ژرمانیوم بسیار استفاده می‌شد اما امروزه سیلیسیوم موثرتر به نظر می‌رسد.
نیمه‌رساناها در آینده
در جهانی که در آن کامپیوترها هر روز سریع‌تر و سریع‌تر می‌شوند، عناصر نیمه‌رسانایی مانند ترانزیستورها و تراشه‌ها باید کوچک‌تر و کوچک‌تر شوند. این بدان معناست که در نهایت ما به یک حالت حدی می‌رسیم که در آن مشخص می‌شود در چه حالتی سیلیسیوم بیشترین سرعت و بازدهی را دارد. (در واقع ابزارهایی که تنها توسط یک الکترون کار کنند هم ساخته شده‌اند). ممکن است از خودتان بپرسید: «بعد از آن چه اتفاقی می‌افتد؟» نمی‌شود با قطعیت گفت، ولی دانشمندان امروزه به دنبال مواد جدیدی می‌گردند یا تلاش می‌کنند که مواد قدیمی را بهبود دهند. در آینده مولکول‌های بزرگ ممکن است کار ترانزیستورهای امروزی را انجام دهند. این حوزه الکترونیک مولکولی نامیده می‌شود. پس با امید می‌توان انتظار داشت که (اگر به حوزه کامپیوتر علاقه‌مندید) کامپیوترها با قدرت به بقایشان ادامه دهند.
درباره نیمه‌رسانا و نقش آن در فناوری
راهی برای کوچک کردن جهان
بیایید سفر خود را به جهان نیمه‌رساناها با نگاهی به کتاب‌های تاریخی آغاز کنیم. در سال‌های اولیه قرن نوزدهم، چیز زیادی از جهان در ابعاد اتمی‌نمی‌دانستیم و اطلاعات ما از جهان زیر اتمی‌نیز بسیار کمتر بود. فیزیک تا حدود زیادی، با آرامش از همان قوانین کلاسیک خود پیروی می‌کرد. ولی کشفیات جدید مانند‌اشعه ایکس رونتگن، الکترون‌های تامسون و دستاورد رادرفورد درباره ساختار هسته‌ای اتم نشان داد که به قوانین جدیدی نیازمندیم. به عنوان نمونه دانشمندانی مانند پلانک، اینشتین، بوهر، پائولی و هایزنبرگ در تکامل و فهم اینکه نیاز به تدوین نمونه کوانتوم مکانیکی داریم نقش مهمی‌داشتند. تکامل فیزیک کوانتومی بر مبنای «فیزیک حالت جامد» انجام شده است که شامل نظمی‌است که به توضیح ساختار درونی اتم‌ها و خواص الکترونیکی موادی که در زندگی روزمره خود می‌بینیم، مانند فلزات، پلاستیک‌ها و شیشه، می‌پردازد. نگاه جدید به علم فیزیک در سال 1947 رایج شد. با ادامه دادن راه پیشینیان، ویلیام شاکلی، جان باردین و والتر براتین اثر ترانزیستوری را با ساخت یک ترانزیستور اولیه، کشف کردند. بخش مهم این کشف استفاده از نیمه‌رساناها و تئوری‌ای بود که در پس آنها قرار داشت. در سال 1956 این سه برای تحقیقات خود روی نیمه‌رساناها و کشف اثر ترانزیستوری آنها جایزه نوبل را دریافت کردند.
از آن زمان نیمه‌رساناها پیشرفت زیادی کرده‌اند. ترانزیستورهای امروزی واقعا کوچک و جمع و جورند که در ابعاد میلیونی روی ورقه‌های سیلیسیومی‌و با عنوان مدارهای مجتمع جمع شده‌اند. مدارهای مجتمع نخستین‌بار توسط جک کیلبی و رابرت نویز اختراع شد. این اختراع در تکنولوژی دیجیتالی امروز مانند کامپیوترها نقش مهمی بازی می‌کند. فهرستی نامتناهی از لوازم را می‌توان در نظر گرفت که بدون این اختراع امروز از آنها خبری نبود: DVD، لوح‌های فشرده، موبایل و حتی اینترنت!
قبل از شروع بهتر است مشخص کنیم که اصلا الکتریسیته چیست. الکتریسیته را می‌توان به عنوان جریان الکترون‌ها مشاهده کرد. الکترون‌ها ذرات بسیار ریزی با بار منفی هستند. در نتیجه با یک تعریف اولیه می‌توان الکتریسیته را جریانی از الکترون‌ها دانست که از نقطه‌ای به نقطه دیگر جاری می‌شود. یک راه خوب برای توصیف جریان الکتریکی عبور کننده از کابل، تصور لوله‌ای است که از تیله‌های به هم چسبیده پر شده باشد. اگر ما تیله جدیدی را از یک طرف لوله وارد کنیم، تیله دیگری از طرف دیگر لوله بیرون رانده می‌شود. کلمه «رسانایی» معمولا برای توانایی اجسام در انتقال الکتریسیته استفاده می‌شود. این قابلیت در اجسام مختلف متفاوت است. فلزاتی مانند مس و طلا رساناهای خوبی هستند و در مقابل پلاستیک و شیشه رساناهای بسیار ضعیفی‌اند و در واقع اصلا رسانایی ندارند. موادی که ابدا جریان را انتقال نمی‌دهند، عایق نام دارند. نیمه‌رساناها، مانند سیلیسیوم، موادی هستند که رسانش در آنها حالتی بین رسانا و عایق دارد.
چرا نیمه‌رساناها؟
چرا نیمه‌رساناها تا این حد اهمیت دارند؟ به یک دلیل: ما براحتی می‌توانیم عبور جریان از درون آنها را کنترل کنیم. ما این امکان را در فلزات نداریم چراکه فلزات تقریبا در هر شرایطی جریان را از خود عبور می‌دهند. به همین دلیل نیمه‌رساناها برای ساختن لوازم الکتریکی مانند ترانزیستورها کاملا ایده‌آل هستند. ترانزیستورها می‌توانند به عنوان کلیدهای
خاموش / روشن یا تقویت‌کننده استفاده شوند و از عناصر کلیدی مدارهای مجتمع به شمار می‌آیند. از نمونه‌های مدارهای مجتمع می‌توان از میکروپروسسور
[ریز پردازشگر]، مدارهای کامپیوتری یا مدارهای حافظه نام برد که شامل میلیون‌ها ترانزیستور است که روی ورقه کوچکی از سیلیسیوم سوار شده باشند.
مواد نیمه‌رسانا
نیمه‌رساناها می‌توانند تنها از یک ماده تشکیل شده باشند یا به صورت ترکیبی از مواد مختلف باشند. در نیمه‌رساناهای اولیه معمولا از فلز ژرمانیوم استفاده می‌شده است اما امروزه در صنعت نیمه‌رساناها معمولاً از سیلیسیوم استفاده می‌شود. سیلیسیوم براحتی در طبیعت یافت می‌شود. ماسه معمولی که در ساحل دریاچه‌ها و کویر وجود دارد، چیزی جز ترکیب یک اتم سیلیسیوم با 2 اتم هیدروژن نیست، ولی برای تهیه سیلیسیوم خالص برای تولیدات صنعتی، مانند مدارهای کامپیوتری نیاز به خالص‌سازی آن در یک فرآیند بسیار حساب شده است. یکی از دلایل رواج سیلیسیوم پایداری آن است و اینکه می‌توان آن را تا درجه زیادی بدون از دست دادن خواص گرم کرد. معنی‌اش این است که مهندس‌ها می‌توانند مطمئن باشند که ماده، حتی تحت شرایط خاص مطابق انتظار آنها رفتار خواهد کرد. برای فهم قوانین حاکم بر نیمه‌رساناها، بهتر است که با ساختار اتم‌ها و مفهوم ترازهای انرژی در آنها آشنا شویم. این همان نقطه شروع ما است.
ساختار اولیه اتم‌ها
از آنجا که بیشتر مواد از اتم‌ها تشکیل شده‌اند، ما کارمان را با ساختار اتمی نسبتا ساده‌ای شروع خواهیم کرد. اتم از 3 ذره بسیار کوچک اولیه به عنوان پروتون، نوترون و الکترون تشکیل شده است. پروتون‌ها بار مثبت دارند، در حالی‌که الکترون‌ها به صورت منفی باردار شده‌اند و نوترون‌ها نیز خنثی هستند. پروتون‌ها و نوترون‌ها هسته اتم‌ها را تشکیل می‌دهند و الکترون‌ها به دور این مرکز می‌چرخند. به تمام اتم‌ها یک عدد اتمی‌نسبت داده می‌شود. این عدد برابر با تعداد پروتون‌ها در اتم است. تا زمانی که بار مثبت با بار منفی برابر باشد، یک اتم خنثی به نظر می‌رسد. می‌توان اتم را مانند خورشید در نظر گرفت که سیاره‌ها دور آن می‌چرخند.
پوسته و ترازهای انرژی
تا اینجا گفتیم که اتم‌ها شامل هسته و الکترون‌های چرخان به دور آن می‌شود. قبل از بحث عمیق‌تر نیاز داریم درباره خاصیت مهمی از الکترون‌ها بیشتر بدانیم. الکترون تلاش می‌کند تا انرژی/ سرعت خود را در پایین‌ترین حد ممکن نگه دارد. اصل نگه‌داشتن انرژی در حالت کمینه در طبیعت بسیار رایج است. اگر بخواهم خودم را مثال بزنم، ترجیح می‌دهم در خانه مقابل تلویزیون بنشینم (انرژی جنبشی خود را حداقل کنم) تا اینکه در همین حوالی به آهستگی بدوم (انرژی جنبشی زیاد). هر اتم تعداد مشخصی الکترون دارد. به عنوان مثال سیلیسیوم 14 تا دارد. این الکترون‌ها بسته به انرژی‌شان به مدارهایی تقسیم شده‌اند. هر چه الکترون‌ها به مرکز اتم نزدیک‌تر باشند، انرژی آنها کمتر است. این بدان معناست که الکترون‌ها ترازهای اتمی را از پایین به بالا پر می‌کنند. بالاترین ترازی که توسط الکترون‌های موجود در هر اتم اشغال می‌شود، تراز ظرفیت نام دارد و الکترون‌هایی که این تراز را اشغال می‌کنند نیز الکترون‌های ظرفیتند. دقت کنید که تراز ظرفیت بیرونی‌ترین تراز الکترونی نیست، بلکه بیرونی‌ترین ترازی است که توسط الکترون‌ها اشغال شده باشد. ترازهای خالی دیگری ورای این تراز وجود خواهند داشت. ما می‌توانیم اتم و لایه‌های آن را به لیوانی که از آب (الکترون‌ها) پر شده باشد، تشبیه کنیم. اگر شما آب را درون لیوان بریزید، از پایین به بالا شروع به پر کردن لیوان می‌کند و نه از بالا به پایین. سطح آب داخل لیوان متناظر با تراز ظرفیت در اتم خواهد بود. مثال آب در لیوان بد نیست ولی شاید زیادی ساده شده است. همان طور که قبلا گفتیم، الکترون‌ها به پوسته‌هایی تقسیم می‌شوند که هرچه از هسته دورتر می‌شوند، انرژی‌شان افزایش می‌یابد، اما نگفتیم که الکترون‌ها فقط می‌توانند ترازهای انرژی مشخصی را اشغال کنند. بین این ترازهای مجاز انرژی، نواحی غیرمجاز قرار دارند با انرژی‌هایی که هیچ الکترونی نمی‌تواند داشته باشد. خوب، برای اینکه مثال لیوان آب را واقعی‌تر کنیم، نیاز به یک لیوان واقعی‌تر داریم. این لیوان از قسمت‌هایی تشکیل شده است که می‌تواند نمادی از ترازهای انرژی باشد و هر قسمت با آب پر شده است. موانع میان بخش‌ها مانند باندهای غیرمجاز انرژی‌اند و نمی‌توانند آب را درون خود نگه دارند.
حالا ما مدل اتمی‌داریم با یک مرکز و الکترون‌هایی که با انرژی مشخصی به دور آن می‌چرخند. با مقادیر انرژی مشخصی که به عنوان پوسته شناخته می‌شود. پوسته‌های انرژی به وسیله نوارهای ممنوعه از هم جدا می‌شوند. (اختلاف انرژی‌ها) برای اینکه الکترونی از تراز انرژی پایین‌تر به تراز انرژی بالاتر برود، باید به اندازه این اختلاف انرژی به انرژی آن اضافه شود. الکترونی که این انرژی را گرفته و به تراز بالاتر رفته، الکترون برانگیخته نام دارد. ولی با توجه به اینکه الکترون تمایل به ماندن در پایین‌ترین سطح انرژی را دارد، سریعا انرژی دریافتی را آزاد می‌کند (مثلاً از طریق گسیل نور) و مجددا به شرایط اولیه‌اش که به عنوان تراز پایه شناخته می‌شود، بر می‌گردد.
در مقیاس بزرگ‌تر
اگر ما به یک ماده جامد نگاه کنیم، می‌بینیم که از تعداد زیادی اتم تشکیل شده که چنان در کنار هم قرار گرفته‌اند که بعضی از الکترون‌های خود را به اشتراک گذاشته‌اند. این الکترون‌های به اشتراک گذاشته شده باعث بستگی اتم‌ها به یکدیگر می‌شود و ساختاری کریستالی را به وجود می‌آورد که آن را به عنوان بلورکریستال می‌شناسیم. مواد جامد دور و اطراف شما، مانند آهن به کار رفته در دوچرخه شما، ساختار اتمی‌ای را تشکیل می‌دهند که محکم به هم چسبیده است. اگر ما به سیلیسیوم جامد نگاه کنیم، می‌بینیم که از تعداد بسیار زیادی اتم سیلیسیوم تشکیل شده که در کنار هم قرار گرفته‌اند. وقتی اتم‌ها با یکدیگر برهم‌کنش می‌کنند، پوسته‌های اتمی‌یک اتم با پوسته‌های اتمی اتم مجاورش برهم‌کنش خواهد کرد. از نظر انرژی، پوسته‌های انرژی‌ای روی هم می‌افتند که مربوط به نوارهایی با انرژی یکسان در هر اتم باشند. بین نوارها هیچ الکترونی اجازه حضور ندارد. با این توضیح خیلی ساده، می‌توان یک جامد را شکل پهن شده یک اتم مجزا در نظر گرفت. بالاترین نوار انرژی که به وسیله الکترون‌ها اشغال شده نوار ظرفیت نام نامیده می‌شود. نوار انرژی‌ای را که کمی‌بالاتر از نوار ظرفیت است نوار رسانش می‌گویند. شکاف انرژی بین این دو نوار را هم نوار ممنوعه می‌نامند.
جفت شدگی الکترون- حفره
یکی از جنبه‌های مهم نیمه‌رساناها جفت‌شدگی الکترون – حفره است. برای اینکه یک نیمه‌رسانا را وادار به انتقال جریان کنیم، باید الکترون را از یک تراز اشغال شده به تراز اشغال نشده‌ای بپرانیم. وقتی این اتفاق بیفتد یک حفره باقی خواهد ماند. این حفره می‌تواند با یک الکترون دیگر پر بشود که این خودش یک حفره جدید به وجود می‌آورد، بنابراین می‌توانیم بگوییم الکترون و حفره همان‌طور که دور ماده می‌چرخند در رسانش ماده هم موثرند. حفره را می‌شود به‌عنوان بار مثبت (نبود بار منفی) در نظر گرفت.
رسانش در انواع مختلف مواد
همان‌طور که قبلا گفتیم، ظرفیت رسانایی در نیمه‌رساناها چیزی بین مواد رسانا و نارساناست. اگر ما دقیق‌تر به مواد نگاه کنیم، می‌توانیم به علت این رفتار آنها پی ببریم. قبل از شروع بحث توجه کنید که به‌رغم نام پیشنهادی، نوار رسانش تنها نواری نیست که رسانش ممکن است در آن اتفاق بیفتد، رسانش ممکن است در تراز ظرفیت هم اتفاق بیفتد. در یک رسانای خوب مانند آهن، آخرین نوار انرژی و نوار ظرفیت هر دو نیمه پر هستند. پس الکترون‌ها می‌توانند شتاب بگیرند و به نوارهای بالاتری بروند که خالی بوده‌اند و انرژی بیشتری داشته‌اند. این کار براحتی انجام می‌شود چون در رساناها فضای خالی زیادی برای الکترون‌ها در تراز رسانش وجود دارد. در نیمه‌رساناها فاصله بین نوار رسانش و نوار ظرفیت ناچیز است. در دماهای خیلی پایین تمام تراز ظرفیت پرمی‌شود و فضای خالی‌ای برای الکترون‌ها باقی نمی‌ماند که در آن شتاب بگیرند. به همین دلیل در دماهای پایین، نیمه‌رساناها درست مثل عایق عمل می‌کنند. در عایق‌ها، نوار ظرفیت کاملا پر است به علاوه نوار ممنوعه بین نوار ظرفیت و رسانش هم خیلی عریض است. هیچ الکترونی نمی‌تواند در دمای اتاق به طریقی به نوار رسانش بپرد، در نتیجه ماده عایق اصلا امکان رسانایی ندارد.
تزریق (دوپینگ)
حالا می‌خواهیم درباره تزریق صحبت کنیم، شاید معنای معادل انگلیسی آن Dope شما را یاد ورزشکارانی می‌اندازد که از تزریق داروهای غیرمجاز نیروزا برای موفقیت استفاده می‌کنند. هرچند دوپینگ در ورزش خلاف محسوب می‌شود، در نیمه‌رساناها قضیه متفاوت است. در هر دو مورد ما یک ماده خالص مثل ورزشکار یا نیمه‌رسانا داریم که ماده‌ای از خارج به آن اضافه می‌شود تا کارکرد آن را عوض کند، بنابراین در فرآیند تزریق ما تعدادی از اتم‌های یک ماده دیگر را به یک نیمه‌رسانای خالص اضافه می‌کنیم. با این کار می‌توان رسانایی نیمه‌رسانا را تا حد خیلی زیادی افزایش داد. ما 2 نوع تزریق داریم، نوع p برای حالت «منفی» است. در این مورد دانستن 2 اصطلاح هم اهمیت دارد: p و n. نیمه‌رسانای خالص تزریق نشده را نیمه‌رسانای ذاتی و نیمه‌رسانای تزریق شده را نیمه‌رسانای غیرذاتی می‌نامند. قبل از اینکه به چند نمونه از نیمه‌رساناهای تزریق شده نگاهی بیندازیم، نگاهی به اتم‌های سیلیسیوم در سیلیسیوم خالص و نحوه عملکرد آنها برای تشکیل شبکه بلوری ماده می‌پردازیم. در سیلیسیوم هر اتم 4 الکترون ظرفیت دارد که با 4 اتم همسایه به اشتراک گذاشته شده و پیوند دوگانه به وجود آورده است. در دماهای پایین این پیوند بسیار پایدار است، نوار ظرفیت به‌طور کامل پر شده، بنابراین رسانش امکانپذیر نیست.
تزریق نوع p: زمانی اتفاق می‌افتد که اتم‌هایی که الکترون‌های رسانش کمتری دارند، به نیمه‌رسانا اضافه می‌شوند و در نتیجه در نوارهای بلور کمبود الکترون خواهیم داشت. در این صورت حفره‌های مثبتی که می‌توانند نقش حامل‌های جریان را بازی کنند، شکل می‌گیرند. موادی که حفره‌ها را به مجموعه اضافه می‌کنند «پذیرنده» نام دارند چون آنها الکترون‌ها را از اتم‌های همسایه می‌پذیرند. در نیمه‌رساناهای نوعp حامل‌های اصلی بار حفره‌ها هستند، نه الکترون‌ها. این یک مدل سیلیسیوم است که در آن یک اتم سیلیسیوم با یک اتم بروم جایگزین شده است. اتم بروم نسبت به سیلیسیوم در نوار ظرفیت یک الکترون کمتر دارد که آن را به صورت یک اتم پذیرنده درآورده است. نبود الکترون باعث به وجود آمدن حفره‌ای می‌شود که می‌تواند توسط الکترون‌های اتم‌های مجاور پر شود. با حرکت دادن این حفره، الکترون‌های در حال حرکت حفره جدیدی درست می‌کنند که آن هم به نوبه خودش با الکترون‌های دیگری پر خواهد شد.
تزریق نوع n: در تزریق نوعn شما اتمی‌به مجموعه می‌افزایید که در نوار ظرفیت‌اش یک الکترون اضافه دارد. این پدیده باعث به‌وجود آمدن وضعیتی در شبکه می‌شود که در آن الکترون‌های اضافه هیچ جایگاهی درون بلور ندارند، در نتیجه مقدار انرژی‌ای که برای جهش این الکترون‌ها به نوار رسانش مورد نیاز است، بسیار ناچیز است. اتم‌هایی که به مجموعه الکترون می‌دهند را «دهنده» می‌نامند. حامل‌های اصلی جریان در نیمه‌رساناهای نوع n الکترون‌ها هستند.
این یک نمونه سیلیسیوم است که در آن یک اتم آرسنیک جایگزین یکی از اتم‌های سیلیسیوم شده است. اتم آرسنیک که یک دهنده است، الکترون‌های ظرفیت بیشتری نسبت به سیلیسیوم دارد. الکترون‌های اضافی مشارکت قوی‌ای در هیچ‌یک از نوارهای انرژی نخواهند داشت چرا که جایگاه طبیعی‌ای برای آنها در داخل شبکه وجود ندارد، بنابراین آنها اساسا آزادند درون بلور حرکت کنند و در انتقال جریان درون جسم مشارکت داشته باشند.
دیگر حتما حسابی از دست من و لیوانم خسته شده‌اید ولی می‌خواهم به‌عنوان آخرین مثال هم از آن استفاده کوچکی کرده باشم.
تزریق نوعp: در لیوان، معادل این است که ما کمی‌آب را از قسمت مربوط به رسانش بیرون ببریم. به عبارت دیگر، حفره‌های هوا (حفره‌های مثبت) در این قسمت ایجاد کنیم. حالا اگر لیوان را کج کنیم، فضای کافی برای آب (الکترون) وجود دارد تا در یک جهت حرکت کند و برای حفره‌های ایجاد شده (کمبود الکترون‌ها) که در جهت مخالف حرکت کند. (همان‌طور که حباب‌های هوا در آب حرکت می‌کنند).
تزریق نوعn: n در تزریق نوع n نشان دهنده «منفی» است. علت‌اش هم این است که در مقایسه با اتم‌های نیمه‌رسانا، این اتم‌ها تعداد بیشتری الکترون ظرفیت دارند. در نیمه‌رسانای جفت شده نوع n نوار ظرفیت پر است پس جایی برای جابه‌جا شدن الکترون‌ها باقی نمی‌ماند. در عوض این الکترون‌های اضافه به نوار رسانش منتقل می‌شوند. در لیوان ما، می‌بینیم که هیچ آبی در قسمت ظرفیت جابه‌جا نمی‌شود. در عوض آب اضافه (الکترون‌ها) به قسمت رسانش منتقل می‌شوند.
جمع‌بندی
حالا کم‌کم داریم به پایان بحث نزدیک می‌شویم. امروزه، کامپیوتر و تراشه‌های کامپیوتری همه جا هستند. کلید این انقلاب تکنیکی نیمه‌رساناها هستند. اینها موادی هستند که قابلیت انتقال جریان را در حالتی بین رساناها (فلزات) و عایق‌ها دارند. نیمه‌رساناها به ناخالصی بسیار حساس‌اند. با اضافه کردن مقادیر بسیار ناچیزی از مواد به آنها در فرآیندی که «تزریق» نام گرفته، ما می‌توانیم توانایی آنها را در انتقال جریان تا حد بسیار بالایی تغییر دهیم. با ترکیب تزریق‌های مختلف در نیمه‌رساناها، می‌توانیم جریان را به قسمت‌های مختلف هدایت کنیم. همچنین می‌توانیم جریان را با استفاده از سیستم‌های کنترل خارجی ولتاژ مانند ترانزیستورها کنترل کنیم. امروزه، مهندسان قادرند ساختارهای بسیار پیچیده‌ای مانند ریزپردازشگرها را روی قطعات بسیار کوچک نیمه‌رساناها بسازند. در روزهای اولیه صنعت نیمه‌رسانا از ماده ژرمانیوم بسیار استفاده می‌شد اما امروزه سیلیسیوم موثرتر به نظر می‌رسد.
نیمه‌رساناها در آینده
در جهانی که در آن کامپیوترها هر روز سریع‌تر و سریع‌تر می‌شوند، عناصر نیمه‌رسانایی مانند ترانزیستورها و تراشه‌ها باید کوچک‌تر و کوچک‌تر شوند. این بدان معناست که در نهایت ما به یک حالت حدی می‌رسیم که در آن مشخص می‌شود در چه حالتی سیلیسیوم بیشترین سرعت و بازدهی را دارد. (در واقع ابزارهایی که تنها توسط یک الکترون کار کنند هم ساخته شده‌اند). ممکن است از خودتان بپرسید: «بعد از آن چه اتفاقی می‌افتد؟» نمی‌شود با قطعیت گفت، ولی دانشمندان امروزه به دنبال مواد جدیدی می‌گردند یا تلاش می‌کنند که مواد قدیمی را بهبود دهند. در آینده مولکول‌های بزرگ ممکن است کار ترانزیستورهای امروزی را انجام دهند. این حوزه الکترونیک مولکولی نامیده می‌شود. پس با امید می‌توان انتظار داشت که (اگر به حوزه کامپیوتر علاقه‌مندید) کامپیوترها با قدرت به بقایشان ادامه دهند.
ارسال نظر
پربیننده