دیود ها
مبانی نیمه هادی
دیود ها – اگر مقاومتها اساسی‌ترین مؤلفه غیرفعال در مدارهای‌الکتریکی یا الکترونیکی هستند،بنابراین باید دیود سیگنال را به عنوان اساسی‌ترین مؤلفه فعال در‌نظر بگیریم.
با این حال، برخلاف یک مقاومت، یک دیود با توجه به ولتاژ اعمال‌شده به صورت خطی رفتار نمی‌کند.
زیرا دارای رابطه نمایی I-V است و بنابراین نمی‌تواند به سادگی با استفاده از قانون اهم توضیح داده شود.
دیود ها وسایل اصلی نیمه‌هادی یک‌طرفه هستند که تنها جریان‌را در‌جریان می‌گذارند و فقط به یک شیر‌الکتریکی یک طرفه عمل می‌کنند.
اما قبل‌از اینكه نگاهی به نحوه‌عملکرد دیود های سیگنال یا نیرو بیندازیم،ابتدا لازم است نحوه‌ساخت و مفهوم اساسی نیمه‌هادی‌ها را بفهمیم.
دیود ها از یک قطعه ماده نیمه هادی ساخته شده اند که دارای یک “ناحیه P” مثبت در یک انتها و یک “ناحیه N” منفی در طرف دیگر هستند ، و در جایی بین یک هادی و یک عایق دارای یک مقدار مقاومت هستند.
اما ماده “نیمه هادی” چیست؟
در ابتدا اجازه دهید نگاه کنیم که چه چیزی باعث می شود هادی یا نیمه هادی ها ساخته شوند.
یادگیری دیود و عملکرد آن یکی از مباحث مهم در الکترونیک میباشد.
مقاومت
مقاومت‌الکتریکی یک قطعه الکتریکی یا الکترونیکی معمولاً به عنوان نسبت‌اختلاف ولتاژ در‌جریان جاری موجود در‌آن،اصول اولیه قانون اهم تعریف میشود.
مشکل‌استفاده از مقاومت به عنوان یک‌اندازه‌گیری این است که اندازه فیزیکی‌ماده به اندازه موادی که از‌آن ساخته شده‌است، بستگی زیادی دارد.
به عنوان مثال، اگر بخواهیم طول مواد‌را افزایش دهیم (آن را طولانی‌تر کنیم)مقاومت آن نیز به نسبت افزایش خواهد یافت.
به همین ترتیب، اگر قطر یا اندازه آنرا بزرگتر کنیم (آن را ضخیم تر کنیم) مقدار مقاومت آن کاهش می‌یابد.
بنابراین می‌خواهیم قادر باشیم مواد‌را به‌روشی تعریف کنیم که توانایی آن‌برای هدایت یا مخالفت با جریان‌الکتریکی از‌طریق آن مشخص کند.
مهم نیست که اندازه یا شکل آن چه باشد.
مقداری که برای نشان دادن این مقاومت خاص استفاده میشود، مقاومت ویژه نامیده میشود و به سمبل یونانیρ ،(Rho)داده میشود.
مقاومت ویژه (Resistivity) در اهم متر با علامت (Ω.m)اندازه گیری می شود. مقاومت ، معکوس برای هدایت است.دیود
اگر مقاومت مواد مختلف مقایسه شود،می‌توان آنها را در سه گروه اصلی :
- رسانا
- عایق
- و نیمه رسانا طبقه بندی کرد که در شکل زیر مشاهده می شود.
نمودار مقاومت ویژه
توجه کنید که بین مقاومت رساناهای مانند نقره و طلا حاشیه بسیار کمی وجود دارد.
در مقایسه با حاشیه بسیار بزرگتر برای مقاومت عایق ها بین شیشه و کوارتز.
این تفاوت در مقاومت به دلیل بخشی از دمای محیط آنها است زیرا فلزات، رساناهای بهتری برای حرارت هستند.
هادی ها (رسانا ها)
از بالا می دانیم که هادی ها موادی هستند که مقاومت بسیار کمی دارند، معمولاً در میکرو اهم در متر.
این مقدار‌کم امکان می‌دهد جریان‌الکتریکی را به‌دلیل وجود مقدار‌زیادی الکترون آزاد که در‌ساختار اتم اصلی خود شناور هستند راحت عبور‌دهند.
اما‌این الکترون‌ها فقط در‌صورت‌وجود چیزی‌‌که بتواند حرکت آنها‌را تحریک کند از‌طریق یک هادی جریان می‌یابند و این یک ولتاژ‌الکتریکی است.
هنگامی که یک پتانسیل ولتاژ مثبت برای ماده اعمال می شود ، این “الکترون های آزاد” اتم پدر و مادر خود را ترک کرده و از طریق مواد تشکیل یک رانش الکترونی ، که معمولاً به عنوان جریان شناخته می شوند ، با هم سفر می کنند.
اینکه چگونه این الکترون ها به طور “آزاد” از طریق یک هادی حرکت می کنند بستگی به این دارد که در صورت اعمال ولتاژ چقدر به راحتی می توانند از اتم های تشکیل دهنده خود جدا شوند.
سپس مقدار الکترونهایی که جریان می یابند بستگی به میزان مقاومت هادی دارد.
نمونه هایی از رسانای خوب به طور کلی فلزاتی مانند مس، آلومینیوم ، نقره یا غیر فلزات مانند کربن هستند.
زیرا این مواد الکترون بسیار‌کمی در”Valence Shell”بیرونی یا حلقه خود دارند، در‌نتیجه آنها به راحتی از مدار اتم خارج می‌شوند.
این به آنها اجازه می دهد تا آزادانه از طریق مواد جریان پیدا کنند.
تا زمانی که با سایر اتم ها به هم بپیوندند ، “اثر دومینو” را از طریق ماده تولید کنند و بدین ترتیب جریان الکتریکی ایجاد کنند.
مس و آلومینیوم اصلی ترین رسانای مورد استفاده در کابل های برقی است همانطور که نشان داده شده است.
کابل برق
به طور‌کلی، بیشتر فلزات رسانای خوبی برای الکتریسیته هستند،زیرا مقادیر مقاومت بسیار کمی دارند، معمولاً در منطقه میکرو‌اَهم در متر(μΩ.m).
در حالی که فلزات مانند مس و آلومینیوم رسانای بسیار خوبی هستند.
اما هنوز مقاومت کمی در برابر جریان الکترون ها دارند و در نتیجه عملکرد کاملی ندارند.
انرژی حاصل از عبور جریان الکتریکی از بین می رود ، به صورت گرما ظاهر می شود ، به همین دلیل با افزایش مقاومت رساناها با افزایش دمای محیط ، هادی ها و به خصوص مقاومتها داغ می شوند.
عایق ها
از طرف دیگر عایق ها دقیقاً نقطه مقابل هادی ها هستند.
آنها از موادی ساخته شده اند ، بطور کلی غیر فلزات ، که تعداد کمی از الکترونهای آزاد در آن وجود ندارد و در ساختار اتم اصلی خود حرکت می کنند زیرا الکترون های موجود در پوسته ظرفیت بیرونی به شدت توسط هسته داخلی با بار مثبت جذب می شوند.
به عبارت‌دیگر، الکترون ها به اتم پدر و مادر گیر کرده اند و نمی‌توانند آزادانه به دور خود حرکت کنند.
بنابراین اگر یک ولتاژ بالقوه بر روی مواد اعمال شود ، هیچ جریان دیگری جریان نخواهد یافت.
زیرا هیچ “الکترون آزاد” در دسترس برای حرکت نیست و این مواد خواص شان را به عایق می دهد.
عایق ها نیز مقاومت‌های بسیار بالایی دارند، میلیون ها اهم بر متر.
عموما تحت‌تاثیر تغییرات دمای معمولی قرار نمی‌گیرند(اگر چه در دماهای بسیار بالا، چوب به زغال تبدیل میشود و از یک عایق به یک هادی تغییر می‌کند).
نمونه‌هایی از مقره‌های خوب مرمر، کوارتز، plastics PVC، لاستیک و غیره هستند.
عایق‌ها نقش مهمی در مدارهای‌الکتریکی و الکترونیکی ایفا می‌کنند، زیرا بدون آنها مدارهای‌لکتریکی با هم کوتاه می‌شوند و کار نمی‌کنند.
به عنوان مثال ، عایقهای ساخته شده از شیشه یا چینی برای عایق کاری و حمایت از کابلهای انتقال سربار استفاده می شوند در حالی که از مواد رزین اپوکسی شیشه ای برای ساخت تابلوهای مدار چاپی ، PCB و غیره استفاده می شود در حالی که PVC برای عایق کاری کابل های برقی همانطور که نشان داده شده است استفاده می شود.
مبانی نیمه هادی
مواد نیمه‌هادی مانند سیلیکون(Si)، ژرمانیوم(Ge)و گالیم آرسنید(GaAs)دارای خواص الکتریکی در جایی در وسط ، بین مواد “رسانا” و “عایق” هستند.
آنها رسانای خوبی نیستند و مقره های خوبی نیستند (از این رو نام آنها “نیمه هادی” ها) است.
آنها”الکترون های آزاد”بسیار کمی دارند زیرا اتم های آنها از نزدیک با هم در‌یک الگوی بلوری به نام”شبکه کریستالی”قرار گرفته‌اند.
اما الکترون ها هنوز هم قادر به جریان هستند اما تنها در شرایط ویژه.
با استفاده از جایگزینی یا افزودن برخی از اتمهای دهنده یا گیرنده به این ساختار بلوری ، در نتیجه توانایی تولید نیمه هادی ها برای انتقال برق تا حد زیادی بهبود می یابد و در نتیجه ، تولید الکترون های بیشتری نسبت به سوراخ ها یا برعکس.
یعنی با افزودن درصد کمی از عنصر دیگر به مواد پایه ، یا سیلیکون یا ژرمانیم.
سیلیکون‌و ژرمانیوم به خودی‌خود به عنوان نیمه‌هادی‌های ذاتی طبقه‌بندی می‌شوند، یعنی آنها از‌نظر شیمیایی خالص‌هستند و چیزی جز ماده‌نیمه‌رسانا ندارند.
اما با کنترل میزان ناخالصی های اضافه شده به این ماده نیمه‌هادی ذاتی، می توان هدایت آن را کنترل کرد.
ناخالصی‌های مختلفی به نام اهداکننده یا پذیرنده می‌تواند به این ماده‌ذاتی اضافه‌شود تا به ترتیب الکترون یا سوراخ ایجاد شود.
Doping
به این فرآیند افزودن اتمهای اهداکننده یا پذیرنده به اتمهای نیمه هادی (ترتیب 1 اتم ناخالصی در هر 10 میلیون یا بیشتر اتمهای نیمه هادی) Doping گفته می شود.
همانطور که سیلیکون دوپ شده دیگر خالص نیست، این اتمهای دهنده و گیرنده در مجموع به عنوان “ناخالصی” خوانده می‌شوند.
با دوپینگ این مواد سیلیکون با تعداد کافی ناخالصی،می‌توانیم آنرا به نوع N یا نوع P تبدیل کنیم.مواد نیمه رسانا.
متداول ترین ماده اولیه مواد نیمه هادی تا کنون سیلیکون است.
سیلیکون دارای چهار‌الکترون ولتاژ در‌بیرونی‌ترین پوسته خود است که با‌اتم‌های‌سیلیکون همسایه خود در‌اختیار دارد تا هشت‌الکترون مداری کامل‌را تشکیل دهد.
ساختار پیوند بین دو‌اتم سیلیکون به گونه‌ای است که هر اتم یک‌الکترون را با همسایگان خود به اشتراک می‌گذارد و پیوند را بسیار پایدار می‌کند.
از آنجا که تعداد بسیار کمی الکترون آزاد برای حرکت در بلور سیلیکون در دسترس است ، بنابراین کریستال های سیلیکون خالص (یا ژرمانیوم) عایق های خوبی هستند یا حداقل مقاومت بسیار کمی دارند.
اتمهای سیلیکون در یک الگوی متقارن مشخص قرار گرفته اند و آنها را به یک ساختار جامد بلوری تبدیل می‌کنند.
به‌طور کلی به‌کریستال سیلیس‌خالص(دی اکسید سیلیکون یا شیشه)گفته میشود که یک‌کریستال ذاتی است(ناخالصی ندارد)و به‌همین دلیل هیچ الکترون آزاد ندارد.
اما به سادگی اتصال کریستال سیلیکون به منبع باتری برای استخراج جریان الکتریکی از آن کافی نیست.
برای انجام این‌کار، باید قطبی”مثبت”و”منفی”در‌داخل سیلیکون ایجاد کنیم که به الکترون‌ها اجازه می‌دهد و بنابراین جریان‌الکتریکی از سیلیکون خارج می‌شوند.
این قطب ها با پرتاب سیلیکون با ناخالصی های خاص ایجاد می شوند.
ساختمان یک اتم سیلیکون
نمودار فوق ساختار و شبکه یک بلور خالص “عادی” از سیلیکون را نشان می دهد.
مبانی نیمه هادی از نوع N
برای اینکه کریستال سیلیکون ما بتواند الکتریسیته شود ، باید یک اتم ناخالصی مانند آرسنیک ، آنتیموان یا فسفر را به ساختار بلوری وارد کنیم و آن را به صورت بیرونی (ناخالصی ها اضافه می شود).
این اتم‌ها دارای پنج‌الکترون بیرونی در‌مداری بیرونی خود‌هستند که با اتمهای همسایه مشترک هستند و معمولاً ناخالصی‌های “پنتاوالنت” نامیده می‌شوند.
این اجازه می دهد تا چهار از پنج الکترون مداری به اتم های سیلیکون همسایه خود پیوند دهند و در هنگام استفاده از یک ولتاژ الکتریکی (جریان الکترونی) یک “الکترون آزاد” را ترک کنند.
از آنجا که هر اتم ناخالصی یک الکترون”اهدا می کند”، اتم های پنتاوالنت معمولاً به عنوان “اهدا کننده” شناخته می‌شوند.
آنتیموان (نماد Sb) و همچنین فسفر(نماد P)، اغلب به عنوان یک ماده افزودنی پنتاوالنت سیلیکون مورد استفاده قرار می‌گیرند.
آنتیموان دارای 51 الکترون است که در‌پنج پوسته در‌اطراف هسته خود مرتب شده‌اند که بیرونی‌ترین مدار آن دارای پنج‌الکترون است.
مواد اولیه مبانی نیمه هادی حاصل از الکترونهای حامل جریان اضافی ، هرکدام دارای بار منفی هستند.
بنابراین به عنوان ماده‌ای از نوعN با الکترونهایی به نام”حامل های عمده”شناخته می‌شوند در‌حالی که سوراخهای حاصله”حامل های اقلیت”نامیده می‌شوند.
هنگامی که توسط یک منبع انرژی خارجی تحریک می شود ، الکترون های آزاد شده از اتم های سیلیکون با این تحریک به سرعت توسط الکترون های آزاد موجود از اتم های آنتیموان دوپ شده جایگزین می شوند.
اما این عمل هنوز یک الکترون‌اضافی(الکترون آزاد شده)در‌اطراف کریستال دوپ شده شناور می‌کند و آنرا به صورت منفی شارژ می‌کند.
سپس یک ماده نیمه هادی به عنوان نوع N طبقه بندی می شود که چگالی اهدا کننده آن از چگالی گیرنده آن بیشتر باشد ، به عبارت دیگر ، الکترون های بیشتری نسبت به سوراخ ها دارد و بدین ترتیب یک قطب منفی را ایجاد می کند همانطور که نشان داده شده است.
آنتیموان اتم و دوپینگ
نمودار بالا، ساختار و شبکه اتم ناخالصی دهنده Antimony را نشان می‌دهد.
مبانی نیمه هادی نوع P
اگر به روش دیگری برویم و یک ناخالصی “Trivalent” (۳ – الکترون)را به ساختار بلوری معرفی کنیم، مانند آلومینیوم، بور یا ایندیوم، که تنها سه الکترون ظرفیت موجود در بیرونی‌ترین اوربیتال خود دارند، این پیوند بسته چهارم را نمی توان شکل داد.
بنابراین،اتصال کامل ممکن نیست، و به مواد نیمه‌هادی فراوانی از حاملهای بار‌مثبت شناخته‌شده به عنوان سوراخ‌هایی در ساختار بلور که در آن الکترونهای به طور موثر گم می‌شوند، می‌دهد.
چون اکنون سوراخی در‌بلور سیلیکون وجود‌دارد، یک‌الکترون مجاور به آن جذب میشود و سعی خواهد‌کرد تا آن را پر کند.
با این حال، الکترون که سوراخ را پر می‌کند، سوراخ دیگری را پشت سر می‌گذارد و حرکت می‌کند.
این به نوبه خود یک الکترون دیگر را جذب می‌کند که به نوبه خود یک سوراخ دیگر پشت آن ایجاد می‌کند، و به همین ترتیب، ظاهر شدن حفره‌ها به عنوان بار مثبت از طریق ساختار بلوری (جریان جاری متداول)را ایجاد می‌کند.
چطور انجام میشود؟
این حرکت حفره ها منجر به کمبود الکترون در سیلیکون می شود که تمام کریستال دوپ شده را به قطب مثبت تبدیل می کند. از آنجا که هر اتم ناخالصی باعث ایجاد سوراخ می شود ، ناخالصی های سه گانه معمولاً به عنوان “پذیرنده” شناخته می شوند زیرا دائماً “الکترون های اضافی یا آزاد” را می پذیرند.
بور (نماد B) معمولاً به عنوان یک افزودنی سه ظرفیتی مورد استفاده قرار می گیرد.
زیرا تنها پنج‌الکترون با سه‌پوسته در اطراف هسته خود ترتیب داده شده‌است که بیرونی‌ترین مدار آن تنها دارای سه‌الکترون است.
دوپینگ اتم های بورون باعث می شود که رسانایی عمدتاً از حاملهای با بار مثبت انجام شود که منجر به تولید ماده ای از نوع P با سوراخ های مثبت “حامل های عمده” می شود ، در حالی که الکترونهای آزاد “حامل های اقلیت” نامیده می شوند.
سپس ماده اولیه مقطع نیمه‌هادی به عنوان نوعP طبقه‌بندی میشود که چگالی پذیرنده آن از چگالی اهداکننده آن بیشتر است.
بنابراین ، یک نیمه هادی از نوع P سوراخ های بیشتری نسبت به الکترون ها دارد.
Boron Atom و Doping
نمودار بالا ساختار و شبکه اتم ناخالصی پذیرنده Boron را نشان می دهد.
خلاصه مبانی نیمه هادی مربوط به بحث دیود ها
نوع N (مثلاً با آنتیموان دوپ شده)
اینها موادی هستند که دارای اتمهای ناخالصی Pentavalent (Donors) با حرکت”الکترون”هستند که به آنها اضافه‌شده و از آنها استفاده میشود.
به همین دلیل نیمه هادی های نوع N نامیده می شوند.
در نیمه هادی های نوع N وجود دارد:
۱. اهدا کنندگان به طور مثبت باردار هستند.
۲. تعداد زیادی الکترون آزاد وجود دارد.
۳. تعداد کمی از سوراخ‌ها در رابطه با تعداد الکترونهای آزاد.
۴. آلوده کردن به موارد زیر:
اهدا کنندگان مثبت.
الکترونهای آزاد را به طور منفی باردار می‌کند.
۵. تامین انرژی به شما می‌دهد:
الکترونهای آزاد را به طور منفی باردار می‌کند.
حفره ها را به طور مثبت باردار می‌کند.
نوع P (به عنوان مثال با Boron دوپ شده است)
اینها موادی هستند که دارای اتم‌های‌ناخالصی Trivalent(گیرنده ها)با حرکت”سوراخ”هستند که به آنها اضافه شده و از آنها استفاده میشود .
به همین دلیل نیمه هادی های نوع P نامیده می شوند.
در این نوع مواد:
- پذیرندگان بار منفی دارند.
- تعداد زیادی سوراخ وجود دارد.
- تعداد کمی از الکترون های آزاد در رابطه با تعداد سوراخ ها.
- آلوده کردن به موارد زیر:
پذیرندگان دارای بار منفی
سوراخهای دارای بار مثبت
- تامین انرژی می دهد:
سوراخهای دارای بار مثبت
الکترونهای آزاد با بار منفی.
و هر دو نوع P و N به عنوان یک کل ، به خودی خود بی طرف هستند.
دیودآنتیموان(Sb) و بورون(B)دو‌مورد متداول در‌استفاده از دوپینگ هستند زیرا در مقایسه با سایر انواع مواد چرب تر در دسترس هستند.
آنها همچنین به عنوان “متالوئید” طبقه بندی می شوند.
با این حال ، جدول های دوره ای تعدادی عنصر شیمیایی مختلف دیگر را با هم سه یا پنج الکترون در خارجی ترین پوسته مداری خود جمع می کنند و آنها را به عنوان یک ماده دوپینگ مناسب می کنند.
این عناصر شیمیایی دیگر همچنین می توانند به عنوان مواد دوپینگ به عنوان ماده اصلی سیلیکون (Si) یا ژرمانیوم (Ge) استفاده شوند تا انواع مختلفی از مواد اصلی نیمه هادی برای استفاده در اجزای نیمه هادی الکترونیکی ، ریزپردازنده و کاربردهای سلول خورشیدی تولید شود. این مواد نیمه هادی اضافی در زیر آورده شده است.دیود
جدول دوره ای نیمه هادی ها
| Elements Group 13 | Elements Group 14 | Elements Group 15 |
| 3-Electrons in Outer Shell (Positively Charged) |
4-Electrons in Outer Shell (Neutrally Charged) |
5-Electrons in Outer Shell (Negatively Charged) |
| (5)
Boron ( B ) |
(6)
Carbon ( C ) |
|
| (13)
Aluminium ( Al ) |
(14)
Silicon ( Si ) |
(15)
Phosphorus ( P ) |
| (31)
Gallium ( Ga ) |
(32)
Germanium ( Ge ) |
(33)
Arsenic ( As ) |
| (51)
Antimony ( Sb ) |
در آموزش بعدی پیرامون نیمه هادی ها و دیود ها ، ما به دنبال پیوستن به دو ماده اولیه مقدمات نیمه هادی ، مواد نوع P و N برای ایجاد یک اتصال PN خواهیم بود که می تواند برای تولید دیود ها استفاده شود.
در آینده مطالب بیشتری در بحث دیود ها برای شما عزیزان قرار خواهیم داد.