ادوات برپایه نیمه‌هادی‌ها و کاربردهای نانوفناوری

۱-مقدمه

از مهم‌ترین ادوات الکترونیکی که در آنها از نیمه‌هادی‌ها استفاده می‌شود و نانوفناوری به صورت گسترده در آنها استفاده شده است می‌توان به دیودها، دیودهای نورافشان($\mathrm{LED}$) ^[۱]، ترانزیستورها و سلول‌های خورشیدی اشاره نمود. در این ادوات الکترونیکی معمولا از ترکیب نیمه‌هادی‌ها استفاده می‌شود که در ادامه این ادوات معرفی شده و اساس کارکرد آنها توضیح داده خواهد شد.

۲- دیود^[۲]

دیود از اتصال یک نیمه‌رسانا نوع n به یک نیمه‌رسانا نوع p تشکیل شده است. وظیفه دیود در مدار، یک‌سو‌سازی جریان الکتریکی است. یعنی با کنترل آن می‌توان تعیین نمود که جریان برقرار باشد یا نباشد.

در شکل۱ اتصال این دو نوع نیمه‌رسانا به هم نمایش داده شده است. در نیمه‌رسانا نوع n به زمینه سیلیسیوم(Si) ناخالصی آرسنیک(As) اضافه شده است و در نیمه‌رسانای نوع p به زمینه سیلیسیوم ناخالصی بور(B) اضافه شده است.

شکل۱- اتصال نیمه‌رسانا نوع n به نیمه‌رسانا نوع p و تشکیل دیود [۱]

همان‌طور که در شکل۱ مشاهده می‌کنید، نیمه‌رسانای نوع n دارای حامل‌های بار منفی (الکترون) و نیمه‌رسانا نوع p دارای حامل‌های بار مثبت (حفره) هستند. باید دقت کنید که بار کلی هر دو نوع نیمه‌هادی نوع n و p خنثی است؛ چراکه به همان میزان که حامل بار منفی در نیمه‌رسانای نوع n وجود دارد، به همان میزان کاتیون آرسنیک وجود دارد. در نیمه‌رسانای نوع p نیز به اندازه حامل بار مثبت، آنیون‌های بور وجود دارد.

همان‌طور که می‌دانید، الکترون‌ها و حفرات تمایل دارند تا به یکدیگر نزدیک شوند و بازترکیب ^[۳] اتفاق بیفتد. در نتیجۀ این بازترکیب گرما و نور آزاد می‌شود. در اینجا نیز، الکترون‌ها و حفراتی که در نزدیکی حدفاصل سطح اتصال این دو نوع نیمه‌رسانا هستند به یکدیگر نزدیک شده و بازترکیب می‌نمایند. در شکل2 دو نیمه‌رسانا بعد از بازترکیب الکترون‌ها و حفرات نزدیک سطح اتصال نمایش داده شده است [۱].

شکل۲- بازترکیب الکترون‌ها و حفرات و ایجاد ناحیه تهی [۱]

پس از بازترکیب الکترون‌ها و حفرات نزدیک سطح اتصال، ناحیه‌ای به وجود می‌آید که به آن ناحیه تهی گفته می‌شود. در این ناحیه هیچ‌گونه الکترون و حفره‌ای وجود ندارد و به همین دلیل به آن ناحیه تهی گفته می‌شود. همانطور که مشاهده می‌کنید، پس از بازترکیب، در سمت نیمه‌رسانای نوع n، صرفا کاتیون‌های آرسنیک باقی می‌مانند و در سمت نیمه‌رسانای نوع p صرفا آنیون‌های بور باقی می‌مانند. در اثر حضور کاتیون‌ها و آنیون‌ها در ناحیه تهی، یک میدان الکتریکی داخلی از سمت مثبت به منفی ایجاد می‌شود. همانطور که مشاهده می‌کنید،جهت این میدان الکتریکی داخلی که در شکل۲ با E₀ نمایش داده شده، از سمت نیمه‌رسانا نوع n به سمت نیمه‌رسانای نوع p است.

ایجاد میدان الکتریکی داخلی از بازترکیب باقی الکترون‌های سمت نیمه‌رسانای نوع n با حفرات سمت نیمه‌رسانای نوع p جلوگیری می‌کند؛ چراکه حفرات نمی‌توانند خلاف جهت میدان حرکت کنند و الکترون‌ها هم نمی‌توانند در جهت میدان حرکت کنند.

قابل ذکر است که دلیل بزرگتر بودن ناحیه تهی در قسمت نیمه‌رسانای نوع n این است که میزان ناخالصی اضافه شده در این ناحیه بیشتر از نیمه‌رسانای نوع p بوده است. وگرنه در صورتی‌که میزان اضافه شدن آرسنیک و بور یکسان باشد، عرض ناحیه تهی در هر دو قسمت یکسان می‌بود.

اکنون باتوجه به اینکه هرکدام از نیمه‌رساناهای نوع n و p به کدام قطب یک منبع ولتاژ خارجی وصل شوند، می‌توان تعیین نمود که جریان در مدار برقرار شود یا خیر. در ادامه دو نوع بایاس مستقیم و معکوس که درواقع به نحوه اتصال نیمه‌رساناها به منبع ولتاژ مربوط هستند، توضیح داده شده است [۱].

۱-۲- بایاس مستقیم^[۴]

اگر نیمه‌رسانای نوع n به قطب منفی و نیمه‌رسانای نوع p به قطب مثبت وصل شود، بایاس مستقیم برقرار می‌شود. در این صورت جریان الکتریکی از دیود عبور می‌کند. این حالت در شکل۳ نمایش داده شده است.

شکل۳- بایاس مستقیم [۲]

در این حالت به علت وجود باتری، میدان الکتریکی خارجی از قطب مثبت به سمت قطب منفی ایجاد می‌شود، یعنی از سمت نیمه‌رسانای نوع p به سمت نیمه‌رسانای نوع n. همان‌طور که دیدید، میدان الکتریکی داخلی از سمت نیمه‌رسانای نوع n به سمت نیمه رسانای نوع p بود. درنتیجه میدان الکتریکی خارجی در خلاف جهت میدان الکتریکی داخلی ایجاد شده است و باعث تضعیف آن شده است. درنتیجه این امر ناحیه تهی کوچک می‌شود. با کوچکتر شدن ناحیه تهی، امکان حرکت جریان الکتریکی در مدار به وجود می‌آید و دیگر ناحیه تهی جلوی آنرا نمی‌تواند بگیرد. پس در این حالت که بایاس مستقیم نام دارد، جریان الکتریکی برقرار می‌شود.

۲-۲- بایاس معکوس^[۵]

این حالت برعکس بایاس مستقیم است. در این حالت نیمه‌رسانای نوع n به قطب مثبت و نیمه‌رسانای نوع p به قطب منفی متصل می‌شود. این حالت در شکل۴ نمایش داده شده است.

شکل۴- بایاس معکوس [۲]

در حالت بایاس معکوس، میدان الکتریکی خارجی از سمت قطب مثبت به سمت قطب منفی، یعنی از نیمه‌رسانای نوع n به سمت نیمه‌رسانای نوع p به وجود می‌آید. در این حالت میدان الکتریکی خارجی نیز در جهت میدان الکتریکی داخلی است و درنتیجه یک میدان الکتریکی قوی از سمت نیمه‌رسانای نوع n به سمت نیمه‌رسانای نوع p به وجود می‌آید و ناحیه تهی بزرگتر می‌شود. با بزرگتر‌شدن ناحیه تهی، جریان الکتریکی نمی‌تواند از دیود عبور کند. پس با برقرار شدن بایاس معکوس جریانی از دیود نمی‌تواند عبور کند [۱].

۳- دیود نورافشان (LED)

LEDها نیز دسته‌ای از دیودها هستند که وظیفه‌شان تسهیل بازترکیب و ایجاد نور است. در LEDها نیز دو نوع نیمه‌رسانای نوع n وp به یکدیگر متصل می‌شوند. هنگامی که به LED‌ها بایاس مستقیم اعمال شود از خود نور ساطع می‌کنند. در نتیجه اعمال بایاس مستقیم، ناحیه تهی کوچک می‌شود و الکترون‌های نیمه‌رسانای نوع n و حفرات نیمه‌رسانای نوع p می‌توانند با یکدیگر بازترکیب کنند. همان‌طور که گفته شد نتیجه بازترکیب یا نور است و یا گرما. در LED‌ها انتخاب مواد و شرایط به گونه‌ای است که ضمن رخ‌دادن بازترکیب بیشتر نور ساطع شود [۱]. شماتیک عملکرد LED‌ها در شکل۵ آورده شده است.

شکل۵- نحوه عملکرد LED

قابل ذکر است که همانطور که گفته شد، در LED‌ها بیشتر انرژی بازترکیب به صورت نور آزاد می‌شود؛ در صورتی‌که در دیودهای معمولی بیشتر این انرژی به صورت گرما آزاد می‌شود. دلیل این امر مستقیم بودن گاف انرژی نیمه‌هادی‌های مورداستفاده در LEDها است.

از جمله چالش‌های موجود در LED‌ها می‌توان به محدودیت در نورهای ساطع شده از آنها اشاره نمود. همانطور که گفته شد، نور ساطع شده از دیودها به گاف انرژی نیمه‌هادی‌های مورداستفاده بستگی دارد. در بسیاری از موارد، تنظیم دقیق گاف انرژی این نیمه‌هادی‌ها به صورت دلخواه امکان پذیر نیست. هم‌چنین معمولا بازه امواج مرئی تابیده شده توسط دیودها وسیع است و نور دیده شده از امواج مرئی با رنگ‌های مختلف نزدیک به رنگ موردنظر تشکیل شده است. درنتیجه این امر، تولید نور نسبتا تک‌فام با LED‌ها امری مشکل است [۱].

برای حل این مشکلات فناوری نانو راهکارهای متعددی ارائه نموده است. یکی از این راهکارها استفاده از نقاط کوانتومی درLEDها است. با استفاده از نقاط کوانتومی دو مشکل مورد ذکر رفع می‌شود؛ چراکه با کنترل سنتز نقاط کوانتومی می‌توان گاف انرژی آنها را کنترل نمود و مشخص نمود که چه موج مرئی از آنها ساطع شود.یکی از مثال‌های استفاده از نقاط کوانتومی در این کاربردها، تلویزیون‌های$\mathrm{QLED}$‌^[۶] است. در این تلویزیون‌ها از نقاط کوانتومی جهت ارائه تصاویر با کیفیت استفاده شده است (شکل۶). برای اطلاع از چگونگی کاربرد نقاط کوانتومی در LEDها به مقاله "نقاط کوانتومی" مراجعه نمایید.

شکل۶- در تلویزیون‌های QLED از نقاط کوانتومی استفاده شده است.

۴- ترانزیستورها^[۷]

ترانزیستورها انواع مختلفی دارند، ترانزیستورهای پیوندی دو قطبی$\left(\mathrm{BJT}\right)$ ^[۸]، ترانزیستورهای پیوندی اثر میدان$\left(\mathrm{JFET}\right)$ ^[۹]و ترانزیستورهای اثر میدانی نیمه‌رسانای اکسید-فلز$\left(\mathrm{MOSFET}\right)$ ^[۱۰] نمونه‌ای از این ترانزیستورها هستند. در اینجا صرفا ترانزیستور MOSFET که پرکاربردتر است توضیح داده می‌شود.

ترانزیستورهای MOSFET بسیار متداولند چراکه ضمن عملکرد مطلوب توان کمی مصرف می‌کنند و ساخت آنها نیز از نظر اقتصادی به‌صرفه است. در شکل۷ شماتیک یک ترانزیستور MOSFET نمایش داده شده است.

شکل۷- شماتیک ترانزیستور MOSFET از نوع $\mathrm{NMOS}$ [۱]

همان‌طور که در شکل۷ مشاهده می‌کنید، ترانزیستور MOSFET از دو الکترود فلزی به نام سورس^[۱۱] و درین^[۱۲] تشکیل شده که در نیمه‌هادی از نوع n یا p قرارگرفته‌اند (در اینجا در نوع n قرار گرفته‌اند). بین این دو نیمه‌هادی نوع n، نیمه‌هادی نوع p قرار گرفته است. هم‌چنین الکترود فلزی دیگری تحت عنوان گیت^[۱۳] نیز بر روی عایق سیلیکایی موجود در ترانزیستور قرار گرفته است. شکل۷ متعلق به یک ترانزیستور MOSFET از نوع NMOS در حالت خاموش است. اگر جای نیمه‌هادی‌های نوع n و p در تصویر شماره۷ عوض می‌شد ترانزیستور MOSFET نوع p بدست می‌آمد. هم‌چنین منظور از علامت مثبت در بالای نیمه‌هادی‌های نوع n در تصویر این است که میزان ناخالصی اضافه شده زیادتر از حالت عادی است و اصطلاحا به صورت سنگین دوپ شده است.

همان‌طور که در شکل۷ مشخص است، مشابه توضیحات ارائه شده در بخش‌های قبل، بین دو نیمه‌هادی نوع n و p ناحیه تهی به وجود آمده است و حامل‌های بار در آن ناحیه‌ها نمی‌توانند حرکت کنند. حال اگر از بیرون، هرکدام از الکترودهای سورس، درین و گیت را به باتری وصل کنیم، می‌توانیم عبور یا عدم عبور جریان از ترانزیستور را کنترل کنیم. این مورد در شکل۸ نمایش داده شده است.

شکل۸- شماتیک ترانزیستور NMOS در حالت روشن [۱]

مطابق شکل۸ مشاهده می‌کنید که در صورتی‌که بین سورس و گیت و همین‌طور بین سورس و درین اختلاف پتانسیل الکتریکی ایجاد شود تغییراتی در نیمه‌هادی‌های زیرین به وجود می‌آید. اگر ولتاژ اعمالی به قدر کافی باشد، بین دو نیمه‌هادی نوع n که در زیر الکترودهای فلزی سورس و درین قرار دارند یک کانال ایجاد می‌شود. این کانال از درون نیمه‌هادی نوع p ایجاد می‌شود. با ایجاد کانال، الکترون‌ها می‌توانند بین سورس و درین جابجا شوند.

درنتیجه مشاهده کردید که با کنترل ولتاژ در این ترانزیستورها می‌توان تعیین نمود که جریان برقرار شود و یا نشود. عموما در مدارهای دیجیتال از ترانزیستورها به همین منظور (یعنی کلید الکترونیکی) استفاده می‌شود. قابل ذکر است که اگر ترانزیستور MOSFET از نوع PMOS بود، بین دو نیمه‌هادی نوع p کانال ایجاد می‌شد و حفرات از درون کانال عبور می‌کردند [۱,۳].

۵- سلول‌های خورشیدی^[۱۴]

وظیفه سلول‌های خورشیدی، تولید الکتریسیته از نور خورشید است. سلول‌های خورشیدی انواع مختلفی دارند. از جمله آنها می‌توان به سلول‌های خورشیدی نیمه‌هادی- نیمه‌هادی (نوع n و p)، سلول‌های خورشیدی شاتکی اتصال فلز- نیمه‌هادی، سلول‌های خورشیدی سیلیکونی، سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای و سلول‌های خورشیدی پروسکایتی اشاره نمود. برای آشنایی بیشتر با سلول‌های خورشیدی نیمه رسانا به مقاله‌ "انرژی خورشیدی"مراجعه نمایید.

۶- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

دیودها از اتصال نیمه‌هادی‌های نوع n وp تشکیل شده‌اند. وظیفه دیودها یک‌سوسازی جریان الکتریکی در اثر اعمال بایاس به آنهاست. دیود‌های نورافشان، دسته‌ای خاص از دیودها هستند که وظیفه‌شان ساطع نمودن نور است. این دیودها در حالت بایاس مستقیم انرژی را به صورت نور مرئی منتشر می‌کنند. ترانزیستورها انواع مختلفی دارند که یکی از مرسوم‌ترین آنها ترانزیستورهای MOSFET هستند. در صورت اعمال اختلاف پتانسیل مناسب، بین سورس و درین در این ترانزیستورها کانال ایجاد می‌شود و جریان الکتریکی عبور می‌کند.

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر به صفحه مقالات آموزشی سایت باشگاه نانو مراجعه نمایید.

۷- مراجع

[1].Kasap, Safa O. Principles of electronic materials and devices. Tata McGraw-Hill, 2006.

[2]. https://www.physics-and-radio-electronics.com

[3]. Lundstrom, Mark. "Elementary scattering theory of the Si MOSFET." IEEE Electron Device Letters 18.7 (1997): 361-363.

۸- پاورقی‌ها

[1] Light emitting diode

[2] Diode

[3] Recombination

[4] Forward bias

[5] Reverse bias

[6] Quantum dot light emitting diode

[7] Transistors

[8] Bipolar junction transistor

[9] Junction gate field-effect transistor

[10] Metal-oxide semiconductor field-effect transistor

[11]source

[12]drain

[13]gate

[14] Solar cells