Shadows Of Dream

آدرس پست الکترونیکی (ایمیل) خود را در فیلد زیر وارد کنید تا آخرین مطالب این سایت برای شما ارسال شود.

آمار بازدیدها:

تعداد افراد آنلاین:

RSS:

با اصول علمی نیمه رساناها آشنا شوید

کلیدی برای ورود به آینده

حضور رایانه های قدرتمندی که در ابعاد چند سانتی متری جای می گیرند، یا ابر رایانه هایی که محاسبات پیچیده الکترونیکی را انجام می دهند، نشاندهنده یک انقلاب و یک جهش غول آساست. این جهش غول آسا ما را از جهان انیاک به جهان ابر رایانه های امروزی رسانده است. در دنیای انیاک، فضایی به ابعاد چندین متر مربع لازم بود تا دهها ابزار غول پیکر بتوانند محاسبه ای ساده را که امروزه ماشین حساب های علمی جیبی دهها بار آن را سریع تر انجام می دهند، به انجام برسانند؛ اما امروزه نه تنها سرعتها به طور چشمگیری افزایش یافته است که ابعاد هم تا حد قابل توجهی کاهش و این کاهش مرهون وجود پدیده ای به نام نیمه رسانه هاست. شاید هیچ بخشی از جامعه ما از خریداری که خاصیت نیمه رسانایی به آن وارد کرده در امان نمانده باشد.

از میکروچیپ های پردازشگر گرفته تا ترانزیستورها، هر چیزی که به نوعی به رایانه یا امواج رادیویی مربوط می شود به نوعی هم با نیمه رسانه ها طرف است. امروزه بیشتر میکروچیپ ها و ترانزیستورها از سیلیکون ساخته می شوند، شاید شما هم اصطلاح عصر سیلیکون یا اقتصاد سیلیکونی به گوشتان خورده باشد. در واقع سیلیکون به عنوان یک نیمه رسانای عالی در قلب ابزارهای الکترونیکی جای باز کرده است.

سیلیکون، عنصر فراوانی در طبیعت است. به عنوان مثال این عنصر بخش های تشکیل دهنده بلور های کوارتز یا شن های ساحلی است. اگر به جایگاه سیلیکون در جدول تناوبی عناصر نگاه کنید متوجه می شوید که این عنصر پس از آلومینیوم زیر کربن و بالای ژرمانیوم قرار گرفته است. کربن سیلیکون و ژرمانیوم (که همانند سیلیکون نیمه رساناست) دارای خاصیت ویژه ای در ساختار اتمی خود هستند. هر یک از آنها 4 الکترون در خارجی ترین اوربیتال خود جای داده اند. این موضوع باعث می شود این عناصر بتوانند ساختار های بلوری ایجاد کنند. در واقع به اشتراک گذاشته شدن این الکترون ها با هسته اتمهای همجوار باعث می شود که شبکه ای از این عناصر بتواند شکل گیرد.

نمونه بارز این شبکه کریستالی نمونه کربن آن است که ساختار زیبا و گران قیمت الماس را به وجود می آورد. درباره سیلیکون این شبکه اتمی ساختار شبه فلزی به وجود می آورند و می دانیم که ساختارهای فلزی ساختارهای بسیار رسانایی هستند. این ساختارهای رسانا به دلیل داشتن الکترونی آزاد می توانند جریان برق را انتقال دهند اما درباره سیلیکون و شبکه آن داستان کاملا به این صورت نیست، در واقع آنها فاقد لایه آزاد الکترونی هستند و محدوده حرکتی محدودی دارند. یک کریستال ناب سیلیکونی بیش از هر چیز به یک نارسا شبیه است و با یک رسانا، اما قسمت جالب داستان جایی است که شما می توانید این رفتار سیلیکون را دستکاری کنید.

با روش شیمی که به دوپینگ مشهور است این امکان به وجود می آید که رفتار الکتریکی سیلیکون تغییر کند و به یک رسانا بدل شود. این عمل با اضافه کردن درصدی ناخالص به بلور سیلیکون صورت می پذیرد. دو گونه از این ناخالصی ها وجود دارند:

گونه N: در این روش، مقداری فسفر یا آرسنیک به مقدار بسیار کم به سیلیکون اضافه می شود. هر یک از این دو عنصر 5 الکترون خارجی دارند 4 تای آنها وارد پیوند شبکه ای سیلیکون می شود و بدین ترتیب الکترون پنجم وابستگی به شبکه نخواهد داشت و آنقدر آزاد خواهد بود که همچون یک رسانا به انتقال بار الکتریکی بپردازد. این نوع سیلیکون رسانای بسیار خوبی محسوب می شود. از آنجا الکترون ها بار الکتریکی منفی (negative) دارند. به این نوع سیلیکون نیمه رسانا نوع N می گویند.

گونه P: در آلوده سازی یا دوپینگ نوع P، مقداری برون boron یا گالیوم به سیلیکون اضافه می شود. هر یک از این عناصر تنها در الکترون خارجی تفاوت دارند و هنگامی که کنار سیلیکون قرار می گیرند، حفره ای را در شبکه ایجاد می کنند. در واقع این حفره محل یکی از الکترون های سیلیکون است که بدون وابستگی باقی می ماند. غیبت این الکترون باعث ایجاد انرژی مشابه حضور یک بار مثبت می شود (positive) و به همین دلیل نام این روش P است.

با توجه به اختلاف باری که در کل مجموعه اعمال می شود، سیلیکون گونه P نیز می تواند رسانای خوبی برای الکتریسیته به حساب آید.

هر یک از این دو گونه N و P به تنهایی چندان جالب نیستند اما رفتار آنها هنگامی که کنار هم قرار می گیرند، بسیار مورد توجه است. در واقع ساختارهای پر کاربرد نیمه رساناها از کنار هم قرار دادن لایه هایی از سیلیکون N و P شکل می گیرد، مثلا به عنوان نمونه در یک ربود نورانی ساده یک لایه N و P کنار هم قرار می گیرند و جهش بار میان آنها، ساختار مجموعه را مشخص می کنند. از سوی دیگر در یک ترانزیستور از سه لایه به این منظور استفاده می شود و شما می توانید ترانزیستورهایی به صورت NPN یا PNP طراحی کنید.این ترانزیستورها با استفاده از خاصیت نیمه رسانایی و بخش الکترونی که بین لایه ها صورت می گیرد می توانند نقش یک سوئیچ یا یک تقویت کننده را بازی کنند.

یک چیپ سیلیکونی در واقع قطعه ای سیلیکونی است که هزاران ترانزیستور را در خود جای داده است. با ایفای نقش سوئیچی هر یک از ترانزیستورها شما قادر به ساخت دروازه های بولی (Boolean Gates) خواهید شد که اصول ریاضیات آنان را جبر های بولی توضیح می دهد و با کمک این ساختارها شما وارد دنیای چیپهای ریز پردازنده می شوید. ساختارهایی که با حضور خود، جهان امروز ما را دگرگون کرده اند و فصل جدیدی از علم را مقابل ما گشوده اند، اما این که پیشرفت های علمی تا چه حد ادامه خواهد یافت و آینده نیمه رساناها به کجا خواهد رسید، مقوله ای است که باید در آینده پاسخ آن را جستجو کرد.

منبع: Olive66

تمامی حقوق مطالب و طرح قالب برای Olive66 محفوظ است، نقل و استفاده از آن ها در سایت ها و وبلاگ ها تنها با ذکر منبع مجاز می باشد.