کربن، سیلیکون و ژرمانیوم (ژرمانیوم، مانند سیلیکون، همچنین نیمه هادی) دارای خاصیت منحصر به فرد در ساختار الکترون خود هستند – هر کدام دارای چهار الکترون در مدار بیرونی است. این به آنها اجازه می دهد کریستال های خوب را تشکیل دهند. این چهار الکترون، اوراق قرضه کوانتومی کامل را با چهار اتم همسایه تشکیل می دهند و یک شبکه را ایجاد می کنند. در کربن، فرم بلورین را به عنوان الماس می شناسیم. در سیلیکون، شکل کریستالی یک ماده سمی و فلزی است.
در یک شبکه سیلیکونی، تمام اتمهای سیلیکون کاملا به چهار همسایه متصل می شوند، و هیچ الکترون آزاد برای انجام جریان الکتریکی وجود ندارد. این یک سیلیکون کریستال را یک عایق می کند تا یک هادی.

فلزات تمایل به هدایت الکتریکی خوب دارند زیرا آنها معمولا “الکترون های آزاد” دارند که می توانند بین اتم ها به راحتی حرکت کنند و برق شامل جریان الکترون ها می شود. در حالی که کریستالهای سیلیکونی به نظر می رسند، آنها در واقع فلزات نیستند. تمام الکترون های بیرونی در یک کریستال سیلیکون در اوراق قرضه کامل کوانتومی قرار دارند، بنابراین آنها نمی توانند حرکت کنند. یک کریستال سیلیکون خالص تقریبا یک عایق است – برق کم از آن جریان می یابد.
اما شما می توانید تمام این را از طریق یک روند به نام دوپینگ تغییر دهید.

دوپینگ سیلیکون
شما می توانید رفتار سیلیکون را تغییر دهید و آن را با دوپینگ آن را به یک هادی تبدیل کنید. در دوپینگ، مقدار کمی ناخالصی را در یک کریستال سیلیکون مخلوط می کنید.

دو نوع ناخالص وجود دارد:

    نوع N – در دو نوع D نوعی، فسفر یا آرسنیک به مقدار کمی به سیلیکن اضافه می شود. فسفر و آرسنیک هر کدام دارای پنج الکترون بیرونی هستند، بنابراین وقتی که آنها را به شبکه سیلیکونی می رسانند، جای آنها نیست. الکترون پنجم هیچ ارتباطی با آن ندارد، بنابراین حرکت به سمت آن آزاد است. تنها مقدار کمی از ناخالصی برای ایجاد الکترونها به اندازه کافی آزاد می شود تا جریان الکتریکی از طریق سیلیکون جریان یابد. سیلیکون N نوعی هادی خوب است. الکترونها دارای بار منفی هستند، از اینرو نام N-type هستند.
    نوع P – در نوع دو نوع D نوعی بور، یا گالیم است. بور و گالیم هر یک فقط سه الکترون بیرونی دارند. هنگامی که در شبکه سیلیکونی مخلوط می شوند، آنها “سوراخ” را در شبکه ای شکل می دهند که در آن یک الکترون سیلیکونی هیچ ارتباطی با آن ندارد. عدم وجود یک الکترون اثر یک بار مثبت را ایجاد می کند، از این رو نام P نوع است. سوراخ می تواند جریان را انجام دهد. یک سوراخ به راحتی یک الکترون را از یک همسایه می پذیرد و حفره را در یک فضا حرکت می دهد. سیلیکون نوع P هدایت خوبی است.

یک مقدار معینی از Doping نوع N یا P نوع یک بلور سیلیکون را از یک عایق خوب به یک هدایت قابل حمل (اما نه عالی) تبدیل می کند – از این رو نام “نیمه هادی” نامیده می شود.

سیلیکون N-type و P-type شگفت انگیز نیستند؛ اما زمانی که شما آنها را با هم ترکیب کردید، رفتارهای بسیار جالبی در اتصال پیدا می کنید. این چیزی است که در دیود اتفاق می افتد.

یک دیود ساده ترین دستگاه نیمه هادی ممکن است. یک دیود اجازه می دهد جریان در یک جهت، اما نه دیگری. شما ممکن است توریست ها را در یک ورزشگاه یا ایستگاه مترو ببینید که مردم را تنها در یک جهت می بیند. یک دیود یک تورنومنت یک طرفه برای الکترونها است.

هنگامی که شما سیلیکون N-type و P-type را با هم ترکیب کرده اید، همانطور که در این نمودار نشان داده شده است، یک پدیده بسیار جالب را به وجود می آورید که خواص منحصر به فرد آن را می دهد.

با وجود اینکه سیلیکون N-type یک هادی است و سیلیکون P-type نیز به صورت یک هادی است، ترکیب نشان داده شده در نمودار، هیچگونه الکتریسیته انجام نمیدهد. الکترونهای منفی سیلیکون N-type به ترمینال مثبت باتری جذب می شوند. سوراخهای مثبت سیلیکون P-type به ترمینال منفی باتری جذب می شود. هیچ جریانی در سراسر اتصال وجود ندارد، زیرا هر سوراخ و الکترون در جهت اشتباه حرکت می کنند.

اگر باتری را در اطراف تلنگر کنید، دیود برق را درست می کند. الکترون های آزاد در سیلیکون N-type توسط ترمینال منفی باتری دفع می شوند. سوراخ های سیلیکون P-type توسط ترمینال مثبت دفع می شوند. در اتصال بین سیلیکون N-type و P-type، سوراخ ها و الکترون های آزاد ملاقات می کنند. الکترون ها حفره ها را پر می کنند. این سوراخ ها و الکترون های آزاد از بین می روند و حفره ها و الکترون های جدید به جای آنها جای می گیرند. اثر این است که جریان از طریق اتصال.

دیودها و ترانزیستورها
یک دستگاه که جریان را در یک جهت مسدود می کند در حالی که اجازه جریان جریان را در جهت دیگر نامیده می شود دیود نامیده می شود. دیودها می توانند به روش های مختلفی مورد استفاده قرار گیرند. به عنوان مثال، دستگاهی که از باتریها استفاده می کند، اغلب حاوی یک دیود است که باتری را به عقب وارد می کند. دیود به راحتی هر جریان جاری را از بین بردن باتری در صورتی که معکوس شده باشد، محافظت می کند – این امر از الکترونیک حساس در دستگاه محافظت می کند.

یک رفتار نیمه هادی دیود کامل نیست، همانطور که در این نمودار نشان داده شده است:

هنگامی که متناوب به عقب، یک دیود ایده آل تمام جریان را مسدود می کند. یک دیود واقعی به نظر می رسد که شاید ۱۰ میکروپمپ از آن استفاده کند – نه خیلی زیاد، اما هنوز کامل نیست. و اگر شما به اندازه کافی ولتاژ معکوس (V) اعمال می کنید، اتصال متلاشی می شود و جریان را از طریق آن می گیرد. معمولا ولتاژ شکست ولتاژ بیشتری بیشتر از مدار می باشد، بنابراین بی اهمیت است.

هنگامی که از پیش تعریف شده، مقدار کمی ولتاژ لازم برای دریافت دیود وجود دارد. در سیلیکون، این ولتاژ حدود ۰٫۷ ولت است. این ولتاژ برای شروع فرآیند ترکیبی سوراخ الکترونی در محل اتصال مورد نیاز است.

یکی دیگر از فن آوری های برجسته که مربوط به دیود است ترانزیستور است. ترانزیستورها و دیودها بسیار مشترک هستند.
ترانزیستورها

ترانزیستور با استفاده از سه لایه به جای دو لایه استفاده شده در یک دیود ایجاد می شود. شما می توانید یک NPN یا یک ساندویچ PNP ایجاد کنید. یک ترانزیستور می تواند به عنوان یک سوئیچ یا تقویت کننده عمل کند.

یک ترانزیستور به نظر می رسد مثل دو دیود به عقب. شما تصور می کنید که هیچ جریان نمی تواند از طریق یک ترانزیستور جریان یابد؛ چرا که دیودهای عقب به عقب هر دو راه را مسدود می کنند. و این درست است با این حال، هنگامی که شما یک جریان کوچک را به لایه مرکزی ساندویچ اعمال می کنید، یک جریان بسیار بزرگتر می تواند از طریق ساندویچ به عنوان یک کل جریان داشته باشد. این یک ترانزیستور است که رفتار سوئیچینگ آن را می دهد. یک جریان کوچک می تواند جریان بزرگتر را روشن و خاموش کند.

تراشه سیلیکون یک تکه سیلیکون است که هزاران ترانزیستور را نگه می دارد. با ترانزیستورهایی که به عنوان سوئیچ عمل می کنند، می توانید دروازه های بولی ایجاد کنید، و با دروازه های بولین می توانید از تراشه های ریز پردازنده ایجاد کنید.

پیشرفت طبیعی از سیلیکون به سیلیکون doped به ترانزیستور به تراشه چیزی است که باعث شده است میکروپروسسورها و سایر دستگاه های الکترونیکی در جامعه امروز بسیار ارزان و همه جا حاضر باشند. اصول اساسی شگفت آور ساده است. معجزه این است که به طور مداوم این اصول را به نقطه ای برسانیم که امروزه ده ها میلیون ترانزیستور می توانند بر روی تراشه های یکپارچه ساخته شوند.