مواد اولیه نیمه هادی ها چیست؟

در دنیای امروز، نیمه هادی ها نقشی اساسی در زندگی ما ایفا می کنند. این مواد در ساخت بسیاری از دستگاه های الکترونیکی، از جمله رایانه ها، تلفن های هوشمند، تلویزیون ها، و وسایل نقلیه استفاده می شوند.

مواد اولیه نیمه هادی ها، موادی هستند که برای ساخت نیمه هادی ها استفاده می شوند. دو ماده اصلی نیمه هادی ها، سیلیکون و ژرمانیم هستند. سیلیکون ماده ای فراوان و ارزان است که حدود 28 درصد از پوسته زمین را تشکیل می دهد. ژرمانیم ماده ای کمیاب تر و گران تر از سیلیکون است.

در این مقاله، به بررسی مواد اولیه نیمه هادی ها خواهیم پرداخت. ابتدا، تعریفی دقیق از نیمه هادی ها ارائه خواهیم داد. سپس، ویژگی های مواد اولیه نیمه هادی ها را بررسی خواهیم کرد. در ادامه، فرآیند تولید مواد اولیه نیمه هادی ها را شرح خواهیم داد. در نهایت، کاربردهای مواد اولیه نیمه هادی ها را بررسی خواهیم کرد.

مواد اولیه نیمه هادی ها چیست؟

نیمه هادی ها موادی هستند که می توان آنها را کنترل کرد تا الکتریسیته را هدایت یا رسانا نکنند. آنها در بسیاری از وسایل الکترونیکی مانند ترانزیستورها، لیزرها، سلول های خورشیدی و حسگرها استفاده می شوند. مواد خام نیمه هادی ها معمولاً عناصر یا ترکیباتی هستند که دارای چهار الکترون ظرفیت هستند که بیرونی ترین الکترون هایی هستند که می توانند در پیوندهای شیمیایی شرکت کنند. برخی از رایج ترین مواد اولیه نیمه هادی ها عبارتند از:

سیلیکون (Si): سیلیکون پرکاربردترین ماده نیمه هادی است، زیرا فراوان، ارزان، پردازش آسان و خواص مکانیکی و الکتریکی خوبی دارد. سیلیکون از کوارتزیت، نوعی ماسه سنگ استخراج می شود و سپس خالص شده و به ساختاری شبیه الماس تبدیل می شود.

ژرمانیوم (Ge): ژرمانیوم یکی از اولین مواد نیمه هادی مورد استفاده بود، اما تا حد زیادی با سیلیکون جایگزین شده است. ژرمانیوم مانند سیلیکون دارای چهار الکترون ظرفیتی است، اما در دمای پایین تری ذوب می شود و مقاومت الکتریکی کمتری دارد. ژرمانیوم از سنگ معدن روی و زغال سنگ به دست می آید.

آرسنید گالیم (GaAs): آرسنید گالیم یک نیمه رسانای ترکیبی است که از اتم های گالیم و آرسنیک تشکیل شده است. در مجموع دارای هشت الکترون ظرفیت است که به آن تحرک الکترون بالاتر و عملکرد سریعتر از سیلیکون می دهد. آرسنید گالیم همچنین دارای یک شکاف نواری مستقیم است، به این معنی که می تواند نور را به طور موثر ساطع کند.

آرسنید گالیم برای کاربردهای فرکانس بالا مانند دستگاه های مایکروویو و نوری استفاده می شود. آرسنید گالیم از گرم کردن گالیم و آرسنیک در کوره تولید می شود.

مطلب مرتبط : بزرگترین تولید کننده زغال سنگ در جهان کدام کشور است؟

چه خواصی این مواد را نیمه هادی می کند؟

خواصی که این مواد را نیمه هادی می کند به رسانایی الکتریکی و ساختار نوار انرژی آنها مربوط می شود . رسانایی الکتریکی توانایی یک ماده برای حمل جریان الکتریکی است و ساختار نوار انرژی توزیع سطوح انرژی الکترون های یک ماده است.

رسانایی الکتریکی به تعداد و تحرک الکترون های آزاد بستگی دارد که الکترون هایی هستند که می توانند در یک ماده حرکت کنند. الکترون‌های آزاد معمولاً در نوار رسانایی یافت می‌شوند که بالاترین باند انرژی است که به طور جزئی یا کامل توسط الکترون‌ها اشغال می‌شود. نوار رسانایی از نوار ظرفیت که بالاترین باند انرژی است که به طور کامل توسط الکترون ها اشغال شده است، توسط یک شکاف باند جدا می شود که اختلاف انرژی بین آنهاست. نوار ظرفیت شامل الکترون هایی است که به اتم ها متصل هستند و در پیوندهای شیمیایی شرکت می کنند.

اندازه شکاف نواری تعیین می کند که یک ماده چقدر راحت می تواند الکتریسیته را هدایت کند. در فلزات، نوار رسانایی و باند ظرفیت همپوشانی دارند، به این معنی که همیشه الکترون‌های آزاد برای رسانایی در دسترس هستند. در عایق ها، شکاف نواری بسیار بزرگ است، به این معنی که تقریباً هیچ الکترون آزاد برای هدایت وجود ندارد.

در نیمه هادی ها، شکاف نواری به اندازه ای کوچک است که برخی از الکترون ها را می توان از باند ظرفیت به نوار رسانایی توسط انرژی گرمایی یا محرک های خارجی مانند نور یا میدان الکتریکی برانگیخت. این باعث ایجاد الکترون‌های آزاد در نوار رسانایی و فضاهای خالی در نوار ظرفیت به نام حفره می‌شود که به عنوان بارهای مثبت عمل می‌کنند. سپس الکترون‌ها و حفره‌های آزاد می‌توانند جریان الکتریکی را در جهت مخالف حمل کنند.

رسانایی الکتریکی نیمه هادی ها را می توان با افزودن ناخالصی هایی به نام ناخالصی ها به ساختار کریستالی آنها تا حد زیادی افزایش داد. این فرآیند دوپینگ نامیده می شود . بسته به نوع و مقدار ناخالصی ها، نیمه هادی ها را می توان به دو نوع دسته بندی کرد: نوع n و نوع p . نیمه هادی های نوع N با عناصری که الکترون های ظرفیت بیشتری نسبت به نیمه هادی ها دارند، مانند فسفر یا آرسنیک در سیلیکون، دوپ می شوند.

این ناخالصی ها الکترون های اضافی خود را به نوار رسانایی اهدا می کنند و الکترون های آزاد بیشتری ایجاد می کنند و نیمه هادی را دارای بار منفی می کنند. نیمه هادی های نوع P با عناصری که الکترون های ظرفیت کمتری نسبت به نیمه هادی ها دارند، مانند بور یا گالیم در سیلیکون دوپ می شوند. این ناخالصی‌ها الکترون‌ها را از باند ظرفیت می‌پذیرند و حفره‌های بیشتری ایجاد می‌کنند و نیمه‌رسانا را دارای بار مثبت می‌کنند.

با ترکیب نیمه هادی های نوع n و نوع p می توان دستگاه های مختلفی ایجاد کرد که دارای عملکردها و کاربردهای متفاوتی هستند مانند دیود، ترانزیستور، سلول خورشیدی، LED، لیزر و غیره.

مواد اولیه نیمه هادی ها چگونه به دست می آید؟

مواد اولیه نیمه هادی ها بسته به نوع و خلوص مواد از منابع مختلفی به دست می آیند. در ادامه چند نمونه از نحوه بدست آوردن رایج ترین مواد نیمه هادی آورده شده است:

سیلیکون: سیلیسیم از کوارتزیت، نوعی ماسه سنگ، استخراج می شود که از زمین استخراج می شود. کوارتزیت خرد شده و حرارت داده می شود تا ناخالصی هایی مانند آهن و آلومینیوم از بین برود. سپس کوارتزیت خالص شده در یک کوره الکتریکی ذوب می شود و به شکل یک شمش استوانه ای جامد سرد می شود. سپس شمش به دیسک های نازک یا ویفرهایی بریده می شود که برای پردازش بیشتر صیقل داده شده و تمیز می شوند.

ژرمانیوم: ژرمانیوم از سنگ معدن روی و زغال سنگ که از زمین نیز استخراج می شود به دست می آید. سنگ معدن روی بو داده و شسته می شود تا اکسید روی تولید شود که سپس با کربن احیا می شود تا فلز روی تولید شود. سپس فلز روی تقطیر می شود تا ژرمانیوم را از سایر ناخالصی ها مانند سرب و کادمیوم جدا کند. سپس ژرمانیوم با پالایش منطقه ای خالص می شود، فرآیندی که شامل ذوب یک میله ژرمانیوم و حرکت یک بخاری در امتداد آن برای جداسازی ناخالصی ها توسط نقطه ذوب آنها است.

آرسنید گالیوم: آرسنید گالیم از حرارت دادن گالیم و آرسنیک در کوره تولید می شود. گالیم از بوکسیت، سنگ معدنی حاوی آلومینیوم و سایر فلزات به دست می آید. بوکسیت برای تولید آلومینا تصفیه می شود و سپس برای تولید فلز آلومینیوم الکترولیز می شود. گالیم از آلومینیوم به عنوان یک محصول جانبی با حل کردن آن در اسید هیدروکلریک و رسوب آن با هیدروکسید سدیم استخراج می شود. آرسنیک از آرسنوپیریت، سنگ معدنی حاوی آهن و آرسنیک به دست می آید. آرسنوپیریت بو داده و اکسید می شود تا تری اکسید آرسنیک تولید شود که سپس با کربن احیا می شود تا فلز آرسنیک تولید شود.

جمع بندی و نتیجه گیری

در این مقاله، به بررسی مواد اولیه نیمه هادی ها پرداختیم. ابتدا، تعریفی دقیق از نیمه هادی ها ارائه دادیم. سپس، ویژگی های مواد اولیه نیمه هادی ها را بررسی کردیم. در ادامه، فرآیند تولید مواد اولیه نیمه هادی ها را شرح دادیم. در نهایت، کاربردهای مواد اولیه نیمه هادی ها را بررسی کردیم.

نتیجه گیری کلی این است که مواد اولیه نیمه هادی ها، موادی اساسی برای ساخت نیمه هادی ها هستند. این مواد، در بسیاری از دستگاه های الکترونیکی استفاده می شوند و نقشی اساسی در زندگی ما ایفا می کنند.

در ادامه، به چند نکته کلیدی در مورد مواد اولیه نیمه هادی ها اشاره می کنیم:

• سیلیکون و ژرمانیم، دو ماده اصلی نیمه هادی ها هستند.
• مواد اولیه نیمه هادی ها، دارای ساختار بلوری هستند.
• ناخالصی ها می توانند هدایت الکتریکی مواد نیمه هادی را افزایش یا کاهش دهند.
• مواد اولیه نیمه هادی ها، در بسیاری از دستگاه های الکترونیکی استفاده می شوند.

انتهای مطلب