آیا نیمه هادی جدید انقلابی در عصر دیجیتال ایجاد می کند؟

کلیک - بازدهی بالا در لامپ‌های LED که در خانه شما قرار دارد، همراه با همه آنچه که در یک صفحه نمایش و یا مدار کنترل قرار دارد: اتومبیل، یخچال فریزر، اجاق گاز، ماشین قهوه ساز و یا موارد مثل اینها همگی از نیمه‌ هادی تشکیل شده اند. خیلی سخت می‌توان دستگاه مدرنی را پیدا کنید که در آن نیمه هادی وجود نداشته باشد.در حالیکه اکثر مردم نام سیلیکون و Silicon Valley را شنیده اند اما نمی‌دانند که سیلیکون تنها یک نمونه از کلاس مواد است.سیلیکون با وجود موارد استفاده زیادی که داراست اما دارای محدودیت‌های مکانیکی نیز است. به ویژه از نظر مهندسی استفاده برای تولید یا پردازش نور از جمله این محدودیت‌ها است. لذا جستجو برای نیمه هادی‌های جدید امری اجتناب ناپذیر است. اما این نوآوری درمواد از کجا پدید خواهد آمد؟

یک نیمه هادی چیست؟

همانگونه که از نام نیمه هادی بر می‌آید، نیمه هادی ها، مواد الکتریسیته را در برخی دماها و نه همه دماها هدایت می‌کنند. بر خلاف این، بسیاری از فلزات در هر درجه‌ای رسانا هستند و مواد دیگری همچون پلاستیک، شیشه و سنگ عایق اند.

با این حال، این مهمترین ویژگی آنها نیست. اگر در پروسه ساخت یک نیمه هادی روال درستی طی شود می توان فعایت بیشتری از جمله محدود کردن جریان و یا تقویت یک سیگنال را از آن شاهد بود.

دیودها و ترانزیستورها که در تمامی ابزار مدرن ما وجود دارند ازترکیبی از این مواد بوجود می آیند. این عناصر در مدار بسیار کارایی دارند. تبدیل ولتاژ برق شهر به ولتاژی که کامپیوتر با آن کار می‌کند، پردازش اطلاعات در قابل کدهای ۰ و ۱ از این جمله اند.

همچنین نیمه هادی ها توانایی جذب نور و تبدیل آن به جریان و یا ولتاژ را دارند. آنها در بایاس معکوس می توانند از خود نور ساطع کنند. لیزر، چراغ‌های LED،  دوربین‌های دیجیتال و بسیاری از دستگاه‌های دیگر با استفاده از این ویژگی ساخته می‌شوند.

ظهور سیلیکون

به نظر می‌رسد این اکتشاف بسیار مهم در سال ۱۸۳۰ میلادی انجام شده باشد. در سال ۱۸۸۰ میلادی الکساندر گراهام بل با استفاده از سلنیوم انتقال صدا را که فراتر از یک پرتو نور است آزمایش کرد. همچنین سلنیوم برای اولین بار در سال ۱۸۸۰ میلادی در برخی از سلول‌های خورشیدی نیز استفاده شد.

محدویت‌های کلیدی در ناتوانی خالص سازی عناصر وجود داشته است. ناخالصی کوچک – مثلاً یک در تریلیون- رفتار یک نیمه هادی را تغییر می‌دهد. تکامل تکنولوژی در این زمینه سبب خلوص بیشتر مواد و در نتیجه تولید نیمه‌هادی های با کیفیت‌تر می‌شود.

اولین ترانزیستور نیمه هادی ژرمانیوم در سال ۱۹۸۴ میلادی ساخته شد. اما سیلیکون به سرعت تبدیل به نیمه هادی غالب شد. سیلیکون از نظر مکانیکی قوی‌تر، دارای خلوص بهتر و نسبتاً آسان تر و دارای خواص الکتریکی مناسبی است.

نکته قابل توجه این است که ۲۸٫۲ درصد از پوسته زمین را سیلیکون تشکیل داده است، این باعث می‌شود سیلیکون را خاک ارزان قیمت بدانیم. این نیمه هادی تقریباً در ساخت تمام دیودها و ترانزیستورها به کار می‌رود و هنوز هم در هر تراشه کامپیوتری وجود دارد. تنها مشکل موجود ناکارآمدی در تبدیل نور به سیگنال الکتریکی و تبدیل سیگنال الکتریکی به نور است.

استفاده از نیمه هادی‌ها در پردازنده‌های کامپیوتری متصل شده توسط سیم‌های فلزی مشکل بزرگی نیست، اما استفاده از نیمه‌هادی ها در پانل‌های خورشیدی، سنسور دوربین و دیگر کاربردهای نوری یک ضعف بزرگ سیلیکون است که مانعی بر سر راه پیشرفت آن محسوب می‌شود.

کشف نیمه‌هادی جدید

در جدول تناوبی عناصر، تلاش‌هایی برای کشف نیمه ‌هادی‌های جدید آغاز شده است. عناصر موجود در ستون چهارم این جدول می‌توانند ۴ الکترون را با همسایگان خود به اشتراک بگذارند. قویترین عنصر گروه چهارم کربن است که فرمی شبیه الماس دارد. الماس عایقی قوی محسوب می‌شود. تفاوت الماس با کربن در این است که الماس در هنگام عبور جریان می‌سوزد.

قلع (Sn) و سرب (Pb) عناصر دیگری از این ردیف هستند که در زیر کربن قرار دارند، آنها دارای خصوصیات فلزی بیشتری هستند. زمانی که در معرض مقدار کمی انرژی قرار بگیرند مانند اکثر فلزات، الکترون های آزاد پیوندهای آنان را شکسته جریان را از خود عبور می‌دهند.

برای کشف موادی که بتوانند به خوبی با نور کار کنند، باید در گام اول هر دو طرف ستون چهارم جدول تناوبی، یعنی ستون سوم و پنجم عناصر را مورد بررسی قرار دهیم. ترکیب عناصر ستون سوم و ستون پنجم جدول تناوبی منجر به تولید موادی با خواص نیمه هادی می‌شود. این مواد ترکیبی از عناصر ستون سوم و پنجم، مانند گالیوم آرسنید (GaAs) در ساخت لیزر، لامپ‌های LED، آشکارسازهای نوری و بسیاری از دستگاه‌های دیگر استفاده می‌شوند. آنها خصوصیاتی دارند که سیلیکون فاقد آنهاست.

اما اگر سیلیکون در تبدیل نور به الکتریسیته نامناسب است، چرا از آن در سلول‌های خورشیدی استفاده می‌شود؟ هزینه سیلیکون بسیار پایین‌تر از مواد ترکیبی است. سیلیکون را می‌توان از هر پاکت بیل که حاوی خاک تصفیه شده است استخراج کرد ولی عناصر تشکیل دهنده مواد ترکیبی بسیار نادر هستند.

پانل‌های خورشیدی سیلیکونی استاندارد نور خورشید را با راندمان۱۰ الی ۱۵ درصد به جریان الکتریکی تبدیل می‌کنند. پانل‌های خورشیدی که از عناصر ترکیبی ستون سوم و پنجم تشکیل می‌شوند سه برابر راندمان بالاتری نسبت به پانل‌های خورشیدی سیلیکونی دارند، اما هزینه ساخت آنها بیش از سه برابر هزینه ساخت پانل‌های خورشیدی سیلیکونی است. همچنین مواد ترکیبی بسیار شکننده تر از سیلیکون هستند و این عاملی است که کار را برای پانل‌های خورشیدی گسترده سخت می‌کند.

با این حال، افزایش سرعت الکترون در مواد ترکیبی باعث ساخت ترانزیستورهایی با سرعت بالاتر از آنچه که تاکنون دیده‌اید می‌شود. به کمک این مواد ممکن است در آینده پرتوهای نوری جایگزین کابل های ارتباطی شوند که این امر به طور قابل توجهی باعث بهبود سرعت جریان داده‌ها می‌شود.

علاوه بر ساخت مواد ترکیبی از عناصر ستون سوم و پنجم جدول تناوبی، از ترکیب عناصر ستون دوم و ششم نیز استفاده می شود. این مواد شامل برخی از سولفید‌ها و اکسیدها می‌شود که در سال ۱۸۰۰ میلادی تحقیقاتی در ارتباط با آنها صورت پذیرفت. ترکیبی از روی، کادمیوم، جیوه و تلوریوم در کارخانه‌هایی مثلFirst Solar، در ساخت دوربین‌های مادون قرمز و سلول‌های خورشیدی استفاده می‌شوند. این مواد به شدت شکننده و برای ساخت بسیار چالش برانگیز هستند.

آینده نیمه‌ هادی‌ها

موارد استفاده مواد نیمه هادی‌ جدید چیست؟

گالیوم نیترید، ماده‌ای ترکیبی از عناصر ستون سوم و پنجم است که دارای قدرت بالا در الکترونیک نیمه هادی است. این ماده ترکیبی ستون فقرات سیستم شبکه برق محسوب می شود. از این ماده برای انتقال ولتاژ بالا و خطوط بازگشتی شبکه استفاده می‌شود. مواد جدید (آنتیموان و بیسموت) کاربردهایی در حوزه پزشکی، نظامی و غیرنظامی و همچنین مخابراتی دارند. دانشمندان در حال بررسی ترکیب عناصر برای دستیابی به نیمه هادی‌های جدید با راندمان بالا هستندکه قیمت آنها از سیلیکون کمتر باشد.

عدم توانایی موثر سیلیکون در مهار نور بدین معنا نیست که آن را برای همیشه باید کنار بگذاریم. محققان در حال تحقیق برای بهبود سیلیکون در فوتونیک سیلیکونی می‌باشند.

یکی از روش ها، گنجاندن مقدار کمی از یکی از عناصر ستون پنجم جدول تناوبی مانند قلع به سیلیکون یا ژرمانیوم است. این ترکیب منجر به تغییر خواصی می شود که در جذب و انتشار نور موثر است.

منبع: phys