نگاه اجمالی

شاید برای افرادی که آشنایی کمتری با فیزیک دارند ، تعجب آور باشد که در مباحث فیزیک ، از واژهالکترونیک یاد شود. اما اگر مباحث مطرح در فیزیک را از نظر بگذرانیم ملاحظه می‌کنیم فیزیک و الکترونیک دو واژه‌ای هستند که با هم مانوس بوده و تقریبا وابسته به یکدیگرند. بعنوان مثالترانزیستور یک وسیله الکترونیکی است که نحوه اتصال آن در مدار در الکترونیک مورد بررسی قرار می‌گیرد. اما ساختار ترانزیستور ، مشخصه‌های ترانزیستور و اطلاعات دیگر که مربوط به ساختمان ترانزیستور است در فیزیک بحث می‌شود.

مفاهیم پایه فیزیک الکترونیک

• اجزای ساختمان ماده:
  برای توضیح پدیده‌های الکترونیکی ، فیزیکدانها فرضیه‌های مختلفی را درباره ساختمان ماده ، پیشنهاد کرده‌اند. می‌دانیم که ماده قابل تقسیم تا بینهایت نیست. کوچکترین کمیت از ماده را که می‌تواند به حالت آزاد وجود داشته باشد مولکول می‌گویند.
  کمیتی از یک جسم خالص را که فرمول شیمیایی آن جسم معرفی می‌کند، مولکول گرم و جرم مربوطه راجرم مولکولی می‌گویند. هر مولکول گرم از یک جسم خالص ، شامل تعداد N_A مولکول است، که N_A عدد آووگادرو می‌باشد. مولکولها از اتمها تشکیل شده‌اند. کوچکترین بخش از یک جسم ساده که می‌تواند در یکترکیب شیمیایی شرکت کند، اتم نام دارد همانند مولکول ، اتم نیز دارای ابعاد بسیار کوچک است.

  پیشرفت‌های امروز ، الکترونیک ، نظریه‌های آلبرت انیشتین را که از سال 1905 به بعد بنا کرد ، کاملا به اثبات می‌رساند. برخلاف آنچه که در مکانیک کلاسیک تصور می‌شود ، در فیزیک نوین جرم یک جسم کمیتی تغییر ناپذیر نیست، بلکه با بالا رفتن سرعت افزایش پیدا می‌کند. سرعت نور معرف حدی است که تجاوز از آن را نمی‌توان انتظار داشت.

 

• فلزات و نیم رساناها:
  واژه نیم رسانا را برای مشخص کردن جامداتی که مقاومت ویژه آنها خیلی بزرگتر از مقاومت ویژه یک رسانای خوب و خیلی کوچکتر از مقاومت ویژه یک عایق خوب است، به کار می‌برند. به علاوه این مقاومت ویژه می‌تواند در کرانه‌های عریض تحت تاثیر بعضی از عوامل نظیر دما ، نور ، جریانهای قوی و همچنین با افزودن ناخالصیهای معین تغییر کند. بدین ترتیب ، آنها می‌توانند به طور دائم و برگشت پذیر از حالت عایق به حالت رسانا بروند.

 

• رسانش در فلزات:
  یک رسانا در حالت عادی دارای الکترونهای آزاد است. اتمهایی که این الکترونها را از دست داده‌اند یک شبکه یونهای مثبت تشکیل می‌دهند. الکترون‌های آزاد که دیگر به اتم مشخصی تعلق ندارند، دارای یک حرکت بی‌نظمند که از این لحاظ شبیه مولکولهای گاز است. این الکترونها نقش رسانش در فلزات را ایفا می‌کنند.

 

• نیم رسانای ذاتی (خالص):
  نیم رساناهایی که بیشتر از همه مورد استفاده قرار می‌گیرند. ژرمانیوم و سیلسیوم هستند. به علت داشتن خواص مشابه ، در مورد یکی از آنها مثلا ژرمانیوم استدلال می‌کنیم. اتم ژرمانیوم دارای ظرفیت چهار است که هسته آن 32 پروتون دارد که توسط 32 الکترون احاطه شده است. این الکترونها در روی چهار لایه مدار که آخرین آنها چهار الکترون دارند توزیع شده است.
  انرژی جنبشی الکترونها در دمای محیط معمولی خیلی بیشتر از انرژی آنها در صفر مطلق است. این امر موجب بریدگی بعضی از اتصالات و تولید حاملهای بار الکتریکی می‌شود. بدبن ترتیب یک نیم رسانای ذاتی در دمای عادی به طور جزئی رساناست.

 

• نیم رسانای غیرذاتی:

  با افزودن تعداد خیلی کم از بعضی از ناخالصیها در یک نیم رسانای ذاتی می‌توان با نسبتهای قابل ملاحظه‌ای عده حاملهای بار (الکترون‌های آزاد یا حفره) را افزایش داد. بدین ترتیب مقاومت ویژه ماده کاهش می‌یابد. بلوری که بدین ترتیب آلاییده می‌شود، نیم رسانای غیرذاتی نام دارد. بعنوان مثال با اضافه کردن یک گرم آرسنیک به 10³ گرم ژرمانیوم خالص مقاومت ویژه از 50 اهم-سانتی متر به چند اهم-سانتی متر تغییر می‌کند. ناخالصیهای به کاربرده شده سه یا پنج ظرفیتی هستند که به دو نوع بلور مختلف هدایت می‌کنند.

 

فهرست مطالب:

طبقه بندی جامدات

نیروهای پیوندی در جامدات

جدول تناوبی عناصر

دسته بندی نیمه هادی ها

مقایسه سیلیکون و ژرمانیوم

مزایای سیلیکون

ساختار سیلیکون

ویژگی های مواد نیمه هادی

طبقه بندی جامدات بر اساس آرایش اتمی

اهمیت کیفیت ماده اولیه در ساخت مدارهای مجتمع

رشد بلور سیلیسیم

روش چکرالسکی

انواع شبکه های بلوری

شبکه مکعبی ساده

شبکه FCC

شبکه مکعبی بدنه مرکزدار

شبکه های بلوری الماسی

سلول واحد

شبکه زینک بلند

شاخص های میلر

رشد اپیتاکسیال سیلیسیم

نوار انرژی

منحنی هدایت جامدها نسبت به دما

نوار انرژی عایق

نوار انرژی نیمه رسانا

نوار انرژی فلزات

نیمه رسانای مستقیم و نیمه رسانای غیر مستقیم

حاملها (باربرها) در نیمه رسانا ها

الکترون ها و حفره ها

ماده ذاتی

نحوه حرکت حفره ها و شرکت آنها در جریان الکتریکی در نیمه هادی

تولید EHP

بازترکیب

ماده غیرذاتی

فرآیند آلایش

نیمه هادی نوع n

نیمه هادی نوع p

حاملهای اقلیت و اکثریت

روابط ریاضی حامل ها

اثر دما روی حامل ها

تراز فرمی

جریان الکتریکی در فلزات

رسانایی ویژه نیمه هادی ذاتی

مولفه های جریان الکتریکی در نیمه هادی ها

جریان Drift

جریان Diffusion

و…