این مقاله به بررسی ویژگی ها و کاربردهای نیمرساناها، دیودهای نیمرسانا، و ساختارهای پیچیده آن ها می پردازد. از جمله مقاومت ویژه، عملکرد دیودهای p-n، و مزایای دیودهای سیلیکون و ژرمانیم در مدارهای الکترونیکی.
بیان ساده شده نظریه نیمرسانا
نیمرسانا ماده ای است که مقاومت ویژه آن از مقاومت ویژه عایق بسیار کمتر و در عین حال از مقاومت ویژه رسانا بیشتر است. همچنین، مقاومت ویژه نیمرسانا با افزایش دما کاهش می یابد. برای مثال، مقاومت ویژه مس برابر با ۸-۱۰ اهم متر، در حالی که مقاومت ویژه کوارتز معادل ۱۰¹² اهم متر است. مقاومت ویژه برخی مواد نیمرسانا، مانند سیلیسیم ۵/۰ اهم متر و ژرمانیم ۲۳۰۰ اهم متر، در دمای ۲۷ درجه سلسیوس اندازه گیری می شود. برای درک عملکرد نیمرساناها و ابزارهای نیمرسانا، آشنایی با مفاهیم اساسی ساختار اتمی ماده ضروری است.
دیودهای نیمرسانا
ساختمان
دیود نیمرسانا وسیله ای است که در برابر عبور جریان، در یک جهت مقاومت زیادی از خود نشان می دهد و در جهت دیگر مقاومت کمی دارد. این دیود به طور گسترده در مدارهای الکترونیکی برای اهداف مختلف مورد استفاده قرار می گیرد و عمدتاً از یک پیوند p-n تشکیل می شود که از بلور سیلیسیوم یا ژرمانیم ساخته شده است. نماد دیود نیمرسانا در شکل الف نمایش داده شده است.
جهتی که دیود در آن مقابل عبور جریان مقاومت کمتری از خود نشان می دهد، با سر پیکان مشخص شده است. دیود نیمرسانا نسبت به دیودهای گرما یونی مزایای زیادی دارد؛ این دیود نیازی به منبع گرمایی ندارد، از ابعاد کوچکتری برخوردار است، سبک تر است و قابلیت اطمینان بسیار بیشتری دارد.
ژرمانیم یا سیلیسیمی که در ساخت دیود نیمرسانا استفاده می شود، باید ابتدا تا غلظت ناخالصی کمتر از یک جزء در ۱۰¹⁰ جزء پالایش شود. سپس، اتم های ناخالصی مطلوب، که شامل اهداکنندگان یا پذیرندگان هستند، به میزان مورد نیاز به آن اضافه می شوند و ماده به صورت یک تک بلور ساخته می شود.
برای ساخت پولک ژرمانیم نوع n، مقداری ژرمانیم ذاتی را با کمی ناخالصی در یک بوته و در خلا ذوب می کنند، و سپس بلور هسته را به عمق چند میلیمتری در مذاب فرو می برند. دمای ژرمانیم مذاب کمی بالاتر از نقطه ذوب بلور هسته است، و چند میلیمتر از هسته که در مذاب غوطه ور است، ذوب می شود. این هسته با سرعت ثابتی می چرخد و به آرامی از مذاب بیرون کشیده می شود تا یک بلور نوع n تشکیل گردد. با کنترل دقیق این فرایند، می توان به غلظت ناخالصی مورد نیاز دست یافت.
یک قرص ایندیم را روی یک پولک ژرمانیم قرار می دهند و آن را در دمایی بالاتر از نقطه ذوب ایندیم ولی پایین تر از نقطه ذوب ژرمانیم گرم می کنند. ایندیم ذوب شده و ژرمانیم را حل می کند تا محلول اشباع شده ای از ژرمانیم در ایندیم ایجاد شود. سپس، پولک به آرامی سرد می شود و در حین سرد شدن، ناحیه ای از ژرمانیم نوع p در آن تولید می شود و آلیاژی از ژرمانیم و ایندیم (که عمدتاً ایندیم است) در ته پولک رسوب می کند. پیوند p-n آلیاژ سیلیسیم نیز می تواند با همین روش و با استفاده از آلومینیوم به عنوان پذیرنده، تشکیل شود.
ژرمانیم نوع p تا دمایی نزدیک به نقطه ذوب ژرمانیم گرم می شود و پیرامون آن با عنصر بخشنده آنتیموان که گازی است، احاطه می شود. اتم های آنتیموان در ژرمانیم پخش می شوند و ناحیه نوع n را تولید می کنند. اگر از بلور نوع n استفاده شود، گالیوم گازی به عنوان عنصر پذیرنده برای ایجاد ناحیه نوع p در بلور به کار می رود. هنگام ساخت وسیله ای سیلیسیمی، از بور به عنوان عنصر پذیرنده و از فسفر به عنوان عنصر بخشنده استفاده می شود.
دیود پیوندی شامل بلوری است که هم ناحیه نوع p و هم ناحیه نوع n دارد. دیودهای پیوندی معمولاً از ژرمانیم یا سیلیسیم ساخته می شوند. دیودهای ساخته شده از ژرمانیم مزیت مقاومت مستقیم کمتری دارند، در حالی که دیودهای ساخته شده از سیلیسیم مزیت داشتن ولتاژ شکست بالاتر و جریان اشباع معکوس کمتری دارند. اتصال به پیوند با سیم هایی که به هر یک از این دو ناحیه وصل شده، برقرار می شود. معمولاً برای جلوگیری از نفوذ رطوبت، کل وسیله را در محفظه ای بسته قرار می دهند.
دیودهای اتصال - نقطه ای
دیود اتصال - نقطه ای به طور عمده از یک قرص ژرمانیم نوع n تشکیل می شود که نوک یا سبیل های آن از سیم تنگستنی ساخته شده و بر روی سطح آن فشرده می شود. اتصال به سبیل از طریق دو سیم مسی انجام می گیرد. در فرایند ساخت دیود اتصال-نقطه ای، یک پالس جریان از دیود عبور می کند که موجب می شود در ناحیه ای از قرص و دقیقاً در مجاورت نوک سبیل، یک ناحیه نوع p تشکیل گردد. در این حالت، پیوند n-p که ظرفیت در قرص ایجاد می شود، به وجود می آید.
