نیمه هادی چیست و چه کاربردی دارد؟

نیمه هادی چیست؟ در دهه‌های اخیر، نیمه هادی ها به عنوان پایه اصلی صنعت الکترونیک و دیجیتال شناخته شده‌اند. این مواد، که اصطلاحاً به آنها نیمه هادی گفته می‌شود، توانسته‌اند انقلابی بزرگ در فناوری و ارتباطات را به وجود آورند. امروزه، از تلفن‌های همراه تا رایانه‌ها، از تلویزیون‌ها تا دستگاه‌های پزشکی، از ابزارهای صنعتی تا لوازم خانگی، بسیاری از دستگاه‌ها و قطعات الکترونیکی از نیمه هادی ها برای عملکردهای خاص خود بهره می‌برند.

در ادامه، این مقاله به سوال نیمه هادی چیست پاسخ داده و مفاهیم بنیادی نیمه هادی ها، از جمله ساختار نیمه هادی ها و نقش آنها در تکنولوژی‌های مدرن و صنایع مختلف پرداخته و تأثیرات بزرگی که این مواد بر جوامع مدرن دارند، را بررسی خواهیم کرد.

نیمه هادی چیست؟

اجسام الکتریکی را می‌توان از لحاظ هدایت الکتریکی به سه دسته تقسیم کرد: رساناها یا اجسام هادی، نارساناها یا عایق‌ها، و نیمه رساناها یا نیمه هادی‌ها. در این دسته‌بندی، نیمه رساناها یا نیمه هادی‌ها به عنوان موادی تلقی می‌شوند که رسانایی آنها قابل کنترل است.

در پاسخی کامل تر به سوال نیمه هادی چیست باید بگوییم که نیمه هادی ها از جمله موادی هستند که رفتاری میان مواد هادی (مانند فلزات) و مواد غیرهادی (مانند عایق‌ها) دارند. به این معنا که آنها نه به طور کامل رسانا هستند و نه کاملاً نارسانا. این اجسام الکتریکی دارای الکترون‌های آزاد هستند، اما تعداد آنها نسبت به رساناها کمتر است و در یک ساختار شبکه‌ای مرتب به نام شبکه بلوری قرار دارند. با این حال، در شرایط خاص، این نیمه رساناها قادر به هدایت جریان الکتریکی هستند.

آنها قابلیت انتقال جریان الکتریکی را دارند، اما در عین حال می‌توانند جریان را به طور کنترل شده هدایت کنند. این ویژگی‌ها باعث شده است که ساختار نیمه هادی ها باعث شده تا به عنوان قطعات کلیدی در قطعات الکترونیکی مورد استفاده قرار گیرند.

برای تغییر هدایت الکتریکی نیمه رساناها، معمولاً از ناخالصی‌های مختلف استفاده می‌شود تا رسانایی آنها کنترل شود. این فرایند به نام دوپینگ شناخته می‌شود و تنها بر روی نیمه رساناها انجام می‌شود. هرچند، میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی، نور، گرما، و تغییر فرم مکانیکی شبکه بلوری آلاییده نیز می‌توانند بر روی هدایت الکتریکی نیمه هادی تأثیر بگذارند و در کنترل آن مؤثر باشند.

بیشتر بخوانید: قطعات الکترونیکی خاص را از کجا تامین کنیم

انواع نیمه هادی کدامند؟

انواع مختلفی از نیمه هادی ها وجود دارد که هرکدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند. برخی از معروف ترین انواع نیمه هادی ها عبارتند از:

نیمه هادی ذاتی

نیمه هادی ذاتی یا نیمه هادی خالص، یکی از مهم ترین انواع نیمه هادی هاست که به دلیل ساختار شیمیایی خود به عنوان نیمه هادی ذاتی شناخته می‌شود. این نوع مواد و اجسام از یک نوع عنصر ساخته شده و بنابراین ساختار خالصی دارند که برای هدایت جریان الکتریکی استفاده می‌شوند. مواد نیمه هادی ذاتی معمولاً شامل ژرمانیوم و سیلیسیم می‌شوند.

در شرایط دمایی معمول، نیمه هادی‌های ذاتی با الکترون‌های محدود و کمی که در ساختار خود دارند، به هدایت جریان الکتریکی کمک می‌کنند. این نوع نیمه هادی‌ها دارای تعداد برابری از بارهای منفی و مثبت هستند و انرژی کمتری برای یونیزاسیون در آنها وجود دارد. بنابراین، رسانایی آنها نسبت به سایر انواع نیمه هادی کمتر است.

بیشتر بخوانید: تشخیص قطعات الکترونیک اورجینال

نیمه هادی غیر ذاتی

نیمه هادی غیر ذاتی، یکی دیگر از انواع مهم نیمه هادی ها بوده که به صورت معمول از ترکیباتی از عناصر مختلف تشکیل شده است. این نوع نیمه هادی ها همچنین به عنوان نیمه هادی غیر خالص نیز شناخته می‌شوند. با افزودن اتم‌هایی که جایگزین مناسبی برای جایگاه‌های خالی در شبکه‌های بلوری نیمه هادی ها باشند، این اجسام نیمه رسانا می‌توانند رسانایی بهتری داشته باشند. ساختار نیمه هادی های غیر ذاتی عبارتند از:

نیمه هادی (P-type) نوع P

در این انواع اجسام نیمه‌هادی، عناصر ناخالصی با عناصر خالصی ترکیب می‌شوند، مانند گالیم، ایندیم، آلومینیوم و بور که به عنوان ناخالصی درآمده و با ساختارهای الکترونی مختلف پیوند می‌شوند.

در این شرایط، الکترون‌های ناخالصی به سرعت با الکترون‌های خالص پیوند می‌خورند و حفراتی در ساختار الکترونی به وجود می‌آیند که به آسانی می‌توانند الکترون‌های دیگر را جذب کنند. به این ترتیب، این اجسام نیمه‌هادی پذیرنده‌های فعالی برای الکترون‌ها هستند.

با افزایش میزان ناخالصی، تعداد حفرات نیز افزایش می‌یابد که باعث افزایش پذیرندگی این اجسام نیمه‌هادی می‌شود. به همین دلیل، این اجسام به عنوان نیمه هادی نوع P شناخته می‌شوند که حفرات حامل‌های بار مثبت هستند و نقش مهمی در انتقال بار الکتریکی ایفا می‌کنند، در حالی که الکترون‌های آزاد حامل‌های بار اقلیت هستند.

نیمه هادی (N-type) نوع N

نیمه‌هادی‌های نوع N معمولاً از نوعی عناصر خالص مانند فسفر، آرسنیک، یا انتخابی از اکسیدها و نیتریدهای فلزی ساخته می‌شوند. این عناصر، با چهار الکترون در لایه بیرونی‌شان، به عنوان ناخالصی در ساختار نیمه‌هادی ترکیب می‌شوند. در اینجا، یکی از این الکترون‌ها با یکی از الکترون‌های خالص ترکیب می‌شود و باعث می‌شود که الکترون پنجم آزاد باشد و می‌تواند جهت هدایت الکتریکی را ایجاد کند. این الکترون‌های آزاد، مسئول حمل جریان الکتریکی در نیمه‌هادی نوع N هستند، در حالی که حفرات می‌توانند به عنوان حامل‌های اقلیت در نظر گرفته شوند.

بیشتر بخوانید: واردات قطعات الکترونیک از اروپا

کاربرد نیمه هادی چیست؟

اکنون که به سوال نیمه هادی چیست پاسخ دادیم بهتر است شما را با کاربردهای آن آشنا کنیم. نیمه هادی ها به عنوان یکی از پایه‌های فناوری مدرن در حوزه‌های مختلفی از صنعت و فناوری به کار می‌روند. کاربرد نیمه هادی در تولید انواع محصولات الکترونیکی، ارتباطات، انرژی، پزشکی و صنایع دیگر بسیار گسترده است.

از نظر الکترونیکی، نیمه هادی ها برای تولید قطعات مانند میکروپروسسورها، تراشه‌های حافظه، و قطعات الکترونیکی مانند  انواع مختلف دیود، ترانزیستور و … مورد استفاده قرار می‌گیرند. در صنایع ارتباطات، نیمه هادی ها به عنوان بخشی اساسی از تجهیزات مخابراتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

همچنین، در صنعت انرژی، نیمه هادی ها برای تولید پنل‌های خورشیدی و دیودهای LED استفاده می‌شوند. در پزشکی، این مواد در تجهیزات تصویربرداری و دستگاه‌های پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. به طور کلی، کاربرد نیمه هادی در محصولات و صنایع مختلف امروزی بسیار گسترده و حیاتی است.

کدام دسته از محصولات بیشترین قطعات نیمه هادی را دارا هستند؟

با توجه به نیازهای مختلف در صنایع مختلف، نیمه هادی ها به چهار دسته اصلی تقسیم می‌شوند. این دسته‌ها شامل تراشه‌های حافظه، ریزپردازنده‌ها یا میکروکنترلرها، مدارات مجتمع یا  ICو سیستم‌های روی یک تراشه یا SOC می‌باشند.

تراشه‌های حافظه عمدتاً به عنوان انبارهای موقت داده‌ها عمل می‌کنند و اطلاعات را به پردازشگر سیستم منتقل می‌کنند. این تراشه‌ها با انواع مختلفی در بیشتر مدارات و سیستم‌های الکترونیکی و کامپیوتری استفاده می‌شوند. ریزپردازنده‌ها یا میکروکنترلرها واحدهای پردازش مرکزی هستند که منطق اصلی برای انجام وظایف در سیستم را بر عهده دارند. این پردازنده‌ها دارای تنوع زیادی هستند و در تمامی بخش‌های فناوری و صنایع مختلف استفاده می‌شوند.

مدارات مجتمع یا IC به عنوان تراشه‌های استاندارد نیز شناخته می‌شوند و در دسته‌های بزرگ برای اهداف تجاری تولید می‌شوند. مدارات مجتمع در تمامی مدارهای الکترونیک استفاده می‌شوند و دارای تنوع بسیار زیادی هستند. در نهایت، هدف اصلی سیستم‌های روی یک تراشه یا  SOC، تجمیع همه نیازهای یک سیستم بر روی یک تراشه مدار مجتمع است. این سیستم‌ها به منظور پاسخگویی به نیازهای روزافزون برای محصولات مصرفی که ویژگی‌های جدید و قیمت مناسب را ترکیب می‌کنند، طراحی شده‌اند. همچنین، SOC‌ها به منظور کاهش هزینه و طراحی کلی مدار تولید می‌شوند.

بیشتر بخوانید: واردات تجهیزات مخابراتی

جمع بندی

در این مقاله از سایت ریز موج الکترونیک رسام، به سوال نیمه هادی چیست پاسخ داده و نقش بنیادین و اهمیت استفاده از نیمه هادی ها در صنایع مختلف و کاربرد و ساختار آنها را بررسی کردیم. این مواد، به عنوان پایه اصلی صنعت الکترونیک و دیجیتال، انقلابی در فناوری و ارتباطات ایجاد کرده‌اند. از تولید محصولات الکترونیکی گرفته تا صنایع ارتباطات، انرژی و پزشکی، نیمه هادی ها به طور گسترده در تکنولوژی‌های مختلف به کار می‌روند. همچنین نیمه هادی ها یکی از مولفه‌های اساسی و حیاتی در توسعه و پیشرفت جوامع مدرن و صنایع مختلف می‌باشند.