قطعات نیم رسانا، شیوه‌ی کار و زندگی ما را متحوّل کرده اند. این گونه تصور می شود که ترانزیستورها یکی از مهم ترین دستاوردهای قرن بیستم هستند و موجب پیدایش عصر کامپیوتر و الکترونیک مجتمعِ قابلِ
اطمینان شده اند (مانند تلویزیون ها و تلفن های همراه). با این همه، قطع هی نیم رسانای بنیادی تری وجود دارد. این قطعه همان دیود نیم رسانا یا دیود پیوند p-n است. دیودها پیش از ترانزیستورها ابداع شدند و برای یکسوسازی مورد استفاده قرار گرفتند، به این ترتیب که جریان متناوب را می توان به واسطه‌ی بهره‌گیری از خاصیت یکسوییِ دیودها به جریان مستقیم تبدیل کرد:
جریان معمولاً فقط در یک جهت به صورت مؤثر در دیود شارش می کند، و شارش جریان در جهت مخالف سد می شود. از این خاصیت دیودها در منابع تغذیه و نیز در بسیار از مدارهای دیگر مانند مدارهایی که در رادیوها و محدودسازها یافت می شوند، استفاده می شود. از آن جا که رسیدن به درکی از دیودها برای تشریح مبانی ترانزیستورها نیاز است، دیودها را اغلب به عنوان زیربنای ترانزیستور مطرح می کنند.
با این حال، در قرن بیست و یکم، دو صنعت اصلی و جدید دارند توسعه های بسیار سریعی را مستقیماً برپایه ی دیود پیوند p-n تجربه می کنند. سلول های خورشیدی فتوولتاییک (PV) و دیودهای نورگسیل (LED ها) هر دو پیوندهای p-n هستند که برای جذب یا گسیل نور طراحی و بهینه سازی شده اند. در هردو مورد، فرایند تبدیل انرژی میان فوتون‌ها و الکترون ها درون پیوندگاه p-n روی می‌دهد.پیامدهای این توسعه شامل تحوّلی در دو بخش صنعتی عمده می شود:
1. تولید انرژی بر هیدروکربن‌ها و انرژی هسته‌ای متکی بوده است، و اگرچه این دو مورد کماکان حائز اهمیت خواهند بود، تبدیل مستقیم انرژی تابش خورشیدی به انرژی مفید، کلید دستیابی به ذخیره ی انرژی پایدار و بلند مدت است. 97 درصد از تمامی انرژی تجدیدپذیر بر روی زمین به شکل تابش خورشیدی است.
آغاز قرن بیست و یکم شاهدِ رشد برق آسای صنعت جهانی خورشیدی فتوولتاییک به همراه حضور دولت‌های سرتاسر دنیا بوده است، و رشد بی سابقه ی تولید و به کارگیری PV اکنون در دست اقدام است. مصرف جهانی ماده ی نیم رسانای سیلیسیم برای کل صنعت میکروالکترونیک از استفاده ی صِرف آن برای سلول خورشیدی عقب افتاده است.
2. نورپردازی الکتریکی در اوایل قرن بیستم توسط لامپ رشته‌ای محقق می شد. در نیمه ی دوم قرن بیستم، پیشرفت چشم‌گیری در لامپ های فلوئورسان و لامپ های تخلیه ( که در آن ها گاز به پلاسمایی برانگیخته می‌شود که انرژی بیشتری را به طرز مؤثرتری نسبت به رشته ی تنگستن می تابد) صورت گرفت.
در قرن بیست و یکم شاهد جانشینی بالقوه ی لامپ های رشته‌ای و لامپ های فلوئورسان توسط لامپ‌های LED خواهیم بود. برای کسب آمادگی برای این تحوّل، شرکت های بزرگ نورپردازی جهان به قابلیت‌های تحقیق، توسعه و تولید LED دست یافته اند. LED ها تا هم‌اکنون به مصرف کمتر انرژی و طول عمر بیشتر در قاب‌بندی های کوچک و بادوام دست یافته اند. دیودهای نورگسیل استفاده از فلزات سنگینی مانند جیوه ی مورد استفاده در لامپ های فلوئورسان را منسوخ کرده اند.p-n است؛ مباحث با بیان مبانی نیم رسانا آغاز می شود و در نهایت به پیاده سازی عملی نیم رساناها در قطعات PV و LED ختم می شود. به انواع مختلفی از مواد نیم رسانا و ساختارهای قطعات مهم نیز پرداخته شده است.
مخاطب این کتاب، دانشجویان سال های آخر دوره ی کارشناسی به بالا است. به دانشی مقدماتی در مکانیک کوانتومی و نیز اطلاعاتی کلی از ریاضیات، شیمی و فیزیک مقدماتی نیاز است؛ ولی به به پیش زمینه ای از مواد الکترونیکی نیاز نیست. به این ترتیب، این کتاب طوری تدوین شده تا برای تمامی دانشجویان مهندسی که به قطعات نیم رسانا علاقه دارند، قابل استفاده باشد، نه فقط برای دانشجویان برق یا مهندسی فیزیک یا علوم مهندسی. این نوع تدوین از روی قصد بوده است، زیرا سلول های خورشیدی و LED ها دربرگیرنده ی رشته های مهندسی مختلفی می شوند و نباید فقط متعلق به یک شاخه ی مهندسی تلقی شوند.
در فصل 1- فیزیک مواد الکترونیکی حالت جامد به طور مفصل مطرح شده است؛ و نخست، رفتار ابتدایی الکترون ها در بلورها تشریح شده است. برخورد کمّی با الکترون ها و حفره ها در نوارهای انرژی به همراه مفاهیم مهم حامل های اضافی ارائه شده‌اند، مواردی که با اتصال قطعات نیم رسانا به منابع تغذیه یا قرار گرفتن در معرض نور، حائز اهمیت می شوند. مجموعه ای از مواد نیم رسانا و خواص مهم آن ها نیز مورد بررسی قرار گرفته است. رفتار سطوح نیم رسانا و مفاهیم به تله اندازی نیز معرفی شده اند، زیرا نقش مهمی را در عملکرد سلول خورشیدی و قطعه ی LED ایفا می کنند.
در فصل 2- فیزیک بنیادی و مدل های مهم قطعه ی پیوند p-n ارائه شده است. رویکرد اتخاذ شده به این ترتیب است که دیود را می توان به عنوان قطعه ای نیم رسانا، با توجه به نظریه ی نواری ارائه شده در فصل 1، درک کرد. انواع مختلفی از رفتار دیود مانند تونل زنی، پیوندگاه‌های ناهمگون و کنتاکت های فلز نیم رسانا به همراه رفتار شکست معکوس ارائه شده اند.
فصل 3- نظریه ی جذب و گسیل فوتون را معرفی می کند، موضوعی که کتب مربوط به قطعات نیم رسانا اغلب توجه کمی به آن می کنند. این توصیف معیار که فوتون زمانی ایجاد می شود که یک الکترون و یک حفره بازترکیب شوند، یا فوتون زمانی جذب می شود که یک الکترون و یک حفره تولید شوند، برای درک عمیق تر فرایندهای گسیل و جذب فوتون کفایت نمی کنند. در این فصل، فیزیک ایجاد فوتون با حداقل پیچیدگی ریاضیاتی توضیح داده می‌شود، و این مفاهیم با پی گیری نظریه ی تابش و تشریح دوقطبی نوسانی هم به صورت کلاسیک و هم با استفاده از مکانیک ساده ی کوانتومی، بسیار بهتر درک می شود.
بخشی از فصل 3 به تشریح اکسیتون مرتبط به نیم رساناهای غیرآلی و نیز اکسیتون مولکولی برای نیم‌رساناهای آلی می پردازد.
علاوه بر این، شکل های خطوط پیش بینی شده برای نیم رسانای با گاف مستقیم استنتاج می شوند. سرانجام، مبحثِ یکاهای نورسنجی، مفاهیم لومینانس ( درخشندگی) و مختصات رنگی را معرفی می کند، مفاهیمی که برای بررسی دیودهای نورگسیل آلی و غیرآلی ضروری هستند.
فصل 4- به سلول های خورشیدی غیرآلی می پردازد. مفاهیمی مربوط به پیوندگاه (p-n) که در فصل 2 معرفی شدند، بیشتر بسط داده می شوند تا روشن سازی پیوند p-n را دربربگیرند و از ساده ترین مدلسازی ممکن برای توصیف رفتار سلول خورشیدی استفاده شده است. سپس، ساختار و مدل واقع بینانه تری از سلول خورشیدی به همراه مسائل جذب و بازترکیب سطحی وابسته ارائه شده اند، مسائلی که باید در به کارگیری سلول های خورشیدی عملی درک شوند. مجموعه ای از فناوری های سلول خورشیدی بررسی شده اند؛ این بررسی با فناوری سلول خورشیدی سیلیسیمی حجمی تک بلوری و چندبلوری آغاز می شود.
مفاهیم مواد و قطعات سیلیسیمی بی شکل ارائه شده اند. سلول های خورشیدی ساخته شده با استفاده از نیم رساناهای دیگر مانند CdTe معرفی شده اند و در ادامه سلول های خورشیدی چندپیوندگاهی که از توده های لایه لایه ی نیم رسانای III-V با تطابق شبکه ای مطرح می شود.فصل 5- با موضوع LED های غیرآلی به بررسی ساختار ابتدایی LED و اصول عملکرد آن می پردازد.
شکلِ خط اندازه‌گیری‌شد هی LED های I II-V با پیش بینی های فصل 3 مقایسه می شود. LED ها باید طوری مهندسی شوند تا بازترکیب تابشی را به حداکثر برسانند. ساز و کارهای اتلاف انرژی نیز مورد بحث قرار گرفته اند. مجموعه هایی از توسعه‌ها که نشانگر تکاملِ قطعات LED پربازده بودند، ارائه شده اند؛ این بخش با معرفی نیم رساناها و تکنیک‌های رشد دهه ی 60 آغاز و در ادامه گرایشات موجود در دهه های آتی که مواد و شیوه های رشد نیم رسانایی بهتری را برای صنعت LED به همراه داشتند، ارائه می شود. پیوندگاه ناهمگون دوتایی معرفی شده است و چاه انرژی حاصله برمبنای چگالی حداکثر جریان که می‌تواند پیش از اشباع شدن، جای دهد، تحلیل شده است. برون جفت شدگی نوری LED ، که باید برای دستیابی به بازده ی کلی نیز به حداکثر رسانده شود، مدلسازی شده و راهبردهای بهبود برون‌جفت شدگی مورد بحث قرار گرفته اند. در آخر، مفهوم تبدیل پایین سوی طیفی با استفاده از مواد فسفری و LED سفید معرفی شده اند.
فصل 6- مفاهیم جدید لازم برای درک نیم رساناهای آلی به طور کلی را معرفی می کند، به این ترتیب که پیوندسازی مولکولی مزدوج موجب پیدایش نوارهای π و ترازهای HOMO و LUMO در نیم رساناهای آلی می شود. LED آلی معرفی شده است؛ نخست با معرفی ساده‌ترین LED دارای تک لایه ی فعال مبتنی بر پلیمر و در ادامه به ترتیب ساختارهای پیچیده تر LED ریز ملکول. نقش ه..ای لایه های گوناگون، از جمله الکترودها و لایه های انتقال و تزریق حامل، مورد بررسی قرار گرفته اند و مواد مولکولی کاندید مربوطه تشریح شده اند. از مفاهیم فصل 3، از جمله اکسیتون مولکولی و حالات یک تایی و سه تایی برای توضیح
محدودیت های بازده در لایه ی تولید نور OLED های ریز ملکول، استفاده شده است. علاوه بر این، امکان استفاده از لایه های نورگسیل فسفرسان میزبان مهمان برای بهبود بازده ی قطعه توضیح داده شده اند. سلول خورشیدی آلی معرفی شده است و مفاهیم تولید اکسیتون و گسستگی اکسیتون در مبحث پیوندگاه ناهمگونو پیوندگاه ناهمگون حجمی، تشریح شده اند. علاقه به استفاده از فولری نها دیگر مواد نانوساختار مرتبط برای پیوندگاه ناهمگون حجمی توضیح داده شده است.
در پایان تمامی فصول مسائلی مطرح شده که برای تسهیل آشنایی با مفاهیم و درک بهتر موضوعات معرفی شده در هر فصل تدوین شده اند. مسائل، در بسیاری از موارد، کمّی هستند و به محاسبات نیاز دارند؛ با این حال، تعدای از مسائل مفهومی نیز ارائه شده‌اند و طوری تدوین شده اند تا برای خواننده، تجربه ی استفاده از منابع اینترنتی و کتابخانه ای برای یافتن اطلاعات بیشتر را به همراه داشته باشند. این نوع مسائل بهتر از همه در فصول 4، 5 و 6 نمود پیدا میکنند، یعنی جایی که با مراجعه به مطالب اخیر در زمینه ی توسعه‌های سلول های خورشیدی و LED ها، پس از آشنایی با مفاهیم پایه، درک بهتری از این مباحث حاصل می شود.