نیمه رسانا به زبان ساده

نیمه‌رسانا چیست؟ (تعریف ساده)

نیمه‌رسانا یا نیمه‌هادی ماده‌ای است که قدرت رسانایی آن بین رساناها (مثل فلزات) و نارساناها (مثل شیشه) قرار دارد. یعنی نه کاملاً جریان برق را از خود عبور می‌دهد و نه کاملاً مانع عبور آن می‌شود.
این ویژگی باعث شده نیمه‌رساناها اساس تمام قطعات الکترونیکی و دیجیتال باشند.

• برخی مواد هستند که در شرایط عادی رسانایی کمی دارند؛
• اما اگر گرما، نور یا ناخالصی به آن‌ها اضافه شود، رسانایی‌شان بیشتر می‌شود.

به این مواد، نیمه‌رسانا می‌گویند.

نیمه‌رسانا ماده‌ای است که گاف انرژی آن متوسط است؛ بنابراین الکترون‌ها با دریافت انرژی کم می‌توانند از نوار ظرفیت به نوار رسانش بروند و باعث ایجاد جریان شوند.

این تعریف علمی‌تر همان مفهوم قبلی را توضیح می‌دهد.

عناصر نیمه‌رسانا در جدول تناوبی

عناصر نیمه‌رسانای اصلی (ذاتی)

این عناصر به‌طور طبیعی رفتار نیمه‌رسانا دارند:

🔹 گروه 14 جدول تناوبی (مهم‌ترین نیمه‌رساناها):

1. سیلیکون (Si) – مشهورترین نیمه‌رسانا

2. ژرمانیوم (Ge) – نخستین نیمه‌رساناهای الکترونیکی

3. قلع (Sn) – در برخی ساختارها رفتار نیمه‌رسانایی دارد

4. کربن (C) – به‌ویژه در ساختار گرافین و الماس نیمه‌رسانا است

این گروه، اصلی‌ترین و قطعی‌ترین نیمه‌رساناهای عنصری هستند.

عناصر دیگری که در ترکیبات نیمه‌رسانا کاربرد دارند

برخی عناصر به‌تنهایی نیمه‌رسانا نیستند، اما در ترکیبات نیمه‌رسانا (مثل GaAs) نقش اصلی دارند:

🔹 گروه 13:

5. بور (B) ← آلاینده نوع p در سیلیکون

6. آلومینیوم (Al)

7. گالیوم (Ga) ← در GaAs

8. ایندیوم (In) ← در InP

9. تالیم (Tl)

🔹 گروه 15:

10. فسفر (P) ← آلاینده نوع n

11. آرسنیک (As) ← در GaAs

12. آنتیموان (Sb)

13. بیسموت (Bi)

🔹 گروه 16 (چالکوژن‌ها):

14. سولفور (S)

15. سلنیوم (Se) ← نیمه‌رسانا بودن اثبات‌شده

16. تلوریم (Te) ← نیمه‌رسانا در برخی ساختارها

این عناصر در ترکیبات زیر استفاده می‌شوند:

• GaAs (گالیوم آرسناید)

• GaN (گالیوم نیترید)

• InP (ایندیوم فسفید)

• CdTe (کادمیم تلورید)

اما امروزه بیشتر از ترکیبات نیمه‌رسانا مانند:
GaAs (گالیوم آرسناید)، InP (ایندیوم فسفید) و GaN (گالیوم نیترید) نیز استفاده می‌شود.

مواد نیمه‌رسانا

مواد نیمه‌رسانا به دو دسته تقسیم می‌شوند:

🔸 ۱. نیمه‌رساناهای ذاتی (خالص)

فقط از یک عنصر خالص ساخته شده‌اند، مثل:

• سیلیکون خالص
• ژرمانیوم خالص

این‌ها در دمای اتاق رسانایی کمی دارند.

🔸 ۲. نیمه‌رساناهای ناخالص

به نیمه‌رسانای خالص، مقدار کمی ناخالصی اضافه می‌کنند تا رسانایی بهتر شود.
دو نوع مهم:

• نیمه‌رسانای نوع N → الکترون اضافه می‌شود
• نیمه‌رسانای نوع P → جای خالی الکترون (حفره) زیاد می‌شود

این‌ها در ساخت قطعات الکترونیکی ضروری هستند.

برخی از موادی که با نیمه سانا

قدرت رسانایی نیمه‌رساناها چقدر است؟

۱) رسانایی الکتریکی مواد مختلف (به طور تقریبی)

🔹 می‌بینی که قدرت رسانایی نیمه‌رسانا تقریباً حدود ۱۲ تا ۱۴ مرتبه کمتر از فلزات است، اما میلیون‌ها برابر بیشتر از عایق‌ها.

نکته‌ی مهم: رسانایی نیمه‌رسانا ثابت نیست!

برخلاف فلزات، رسانایی نیمه‌رسانا با شرایط محیط تغییر می‌کند:

✔ افزایش دما → رسانایی زیاد می‌شود

(برخلاف فلزات که با گرما رسانایی‌شان کم می‌شود)

✔ تابش نور → رسانایی افزایش می‌یابد

مثل سلول‌های خورشیدی

✔ افزودن ناخالصی (دوپینگ) → رسانایی بسیار زیاد می‌شود

این روش برای ساخت دیود و ترانزیستور استفاده می‌شود.

رسانایی سیلیکون و ژرمانیوم

• قدرت رسانایی نیمه‌رساناها متوسط است؛ نه مثل فلز زیاد و نه مثل عایق بسیار کم.

• رسانایی آن‌ها معمولاً بین ۱۰ به توان منفی ۶ تا ۱۰ به توان ۲ S/m است.

• رسانایی نیمه‌رساناها با دما، نور و ناخالصی تغییر می‌کند.

مثال برای نیمه‌رسانا

نمونه‌های معروف مواد نیمه‌رسانا:

• سیلیکون (Si)
• ژرمانیوم (Ge)
• گالیوم آرسناید (GaAs)
• کاربید سیلیکون (SiC)
• گرافین (در فناوری‌های نو)

انواع نیمه‌هادی

انواع مهم نیمه‌هادی‌ها:

1. نیمه‌هادی ذاتی
2. نیمه‌هادی ناخالص (N و P)
3. نیمه‌هادی ترکیبی (GaAs، GaN، InP)
4. نیمه‌هادی آلی (مواد مورد استفاده در OLED)
5. نیمه‌هادی نانوساختاری (نقاط کوانتومی، نانولوله‌ها)

قطعه الکترونیکی از مواد نیمه‌رسانا در جدول

بیشتر قطعات الکترونیکی که می‌شناسیم از نیمه‌رسانا ساخته می‌شوند، مانند:

• دیود
• ترانزیستور
• LED
• فتوسل
• تراشه‌ها و پردازنده‌ها (CPU , GPU)
• حسگرهای نوری

این قطعات معمولاً از سیلیکون یا ژرمانیوم یا ترکیبات گالیوم ساخته می‌شوند که در جدول تناوبی وجود دارند.

• نیمه‌رسانا ماده‌ای است با رسانایی متوسط که با نور، گرما یا ناخالصی می‌توان رسانایی آن را کنترل کرد.
• سیلیکون و ژرمانیوم مهم‌ترین عناصر نیمه‌رسانا در جدول تناوبی هستند.
• نیمه‌رساناها ستون اصلی دنیای مدرن الکترونیک‌اند: ترانزیستور، تراشه، موبایل، کامپیوتر و…
• انواع نیمه‌هادی شامل ذاتی، ناخالص، ترکیبی و نانوساختاری هستند.