برخی ویژگی‌های نیم‌رساناها

فیزیک 2 پیش دانشگاهی

برخی ویژگی‌های نیم‌رساناها

یادآوری

با افزایش دما ،‌ مقاومت الکتریکی ویژ‌ی رساناها افزایش می‌یابد و عامل ایجاد مقاومت الکتریکی ،‌ برخورد الکترونها با اتمهای در حال نوسان است . هر چه دما بالاتر رود این نوسان‌ها پر دامنه می‌شود ، و در نتیجه مقاومت ویژه‌ی الکتریکی بیشتر می‌شود  .

در دماهای بسیار پایین نیمه رسانا مثل یک نارسانا است ، چونکه در این دماها نوار ظرفیت پر و نوار رسانش خالی می‌باشد و هیچ گذار الکترونی صورت نمی‌گیرد و الکترونها نمی‌توانند از میدان الکتریکی  انرژی کسب کنند .

برخی از ویژگیهای نیمه رساناها :

فیزیک 2 پیش دانشگاهی

برخی ویژگی‌های نیم‌رساناها

یادآوری

با افزایش دما ،‌ مقاومت الکتریکی ویژ‌ی رساناها افزایش می‌یابد و عامل ایجاد مقاومت الکتریکی ،‌ برخورد الکترونها با اتمهای در حال نوسان است . هر چه دما بالاتر رود این نوسان‌ها پر دامنه می‌شود ، و در نتیجه مقاومت ویژه‌ی الکتریکی بیشتر می‌شود  .

در دماهای بسیار پایین نیمه رسانا مثل یک نارسانا است ، چونکه در این دماها نوار ظرفیت پر و نوار رسانش خالی می‌باشد و هیچ گذار الکترونی صورت نمی‌گیرد و الکترونها نمی‌توانند از میدان الکتریکی  انرژی کسب کنند .

برخی از ویژگیهای نیمه رساناها :

الف ) در نیمه رساناها هر چه دما افزایش ، مقاومت ویژه‌ی الکتریکی کاهش می‌یابد .

اگر دما افزایش یابد تعداد کمی از الکترونها از نوار ظرفیت به نوار رسانش منتقل می‌شوند که در اثر این عمل اولا تعداد بسیار کم الکترون در نوار رسانش در رسانش الکتریکی شرکت می‌کنند . ثانیا چند تراز خالی در نوار ظرفیت ایجاد می‌شود که به علت گذار درون نواری الکترونها ، نوار ظرفیت سهمی در رسانش الکتریکی پیدا می‌کند .

در دماهای پایین بعلت کم بودن تعداد الکترونهای نوار رسانش و کم بودن تعداد ترازهای خالی در نوار ظرفیت ، مقاومت ویژه‌ی الکتریکی نیمه رساناها هنوز مقدار زیادی دارد ، که با بالا رفتن دما چون تعداد الکترونهای نوار رسانش و تعداد ترازهای خالی نوار ظرفیت بیشتر می‌شود مقاومت الکتریکی ویژه‌ی نیمه رسانا کمتر می‌شود .

ب ) در برخی از نیمه رساناها حاملان بار الکتریکی تنها الکترونها با بار منفی نیستند بلکه ذره‌هایی با جرم برابر جرم الکترون ولی با بار مثبت  نیز حامل بار هستند . نوارهای ظرفیت و رسانش یک نیمه رسانا در دمای اتاق در شکل نمایش داده شده است.

در اثر بر انگیختگی گرمایی تعدادی از الکترونهای نوار ظرفیت به نوار رسانش گذار میکنند . و این الکترونها میتوانند آزادانه در ماده حرکت کنند ، و در رسانش الکتریکی شرکت کنند . ولی پس از انکه تعدادی الکترون به نوار رسانش می‌روند چند تراز خالی در نوار ظرفیت پیدا می‌شود . این جای خالی الکترون در نوار ظرفیت را حفره می‌نامند . در این وضعیت هر الکترون درون نوار ظرفیت با کسب مقدار کمی انرژی ، گذار درون نواری انجام دهد و از تراز اولیه خود به تراز خالی منتقل شود یا به عبارت دیگر حفره ، از تراز قبلی خود به تراز اولیه الکترون رفته است ، و بدین ترتیب نقش نوار ظرفیت در رسانش را می‌توان بر مبنای گذار الکترون یا حفره بیان کنیم .

نیمه رسانای ذاتی : نیمه رسانایی که ناخالصی نداشته باشد ،‌ و تعداد الکترونهای موجود در نوار رسانش برابر تعداد حفره‌های موجود در نوار ظرفیت باشد .

هنگامیکه یک نیمه رسانا در میدان الکتریکی قرار گیرد ، الکترونهای نوار رسانش در خلاف جهت میدان و حفره‌های نوار ظرفیت در جهت میدان حرکت میکند .

مثال 3 : در کدام نیمه رسانا تعداد الکترونهای نوار رسانش با تعداد حفره‌های نوار ظرفیت برابر است ؟ چرا ؟

پاسخ:  نیمه رسانای ذاتی ، جای خالی الکترون در نوار ظرفیت را حفره می‌گوییم به تعداد الکترونهایی که به نوار رسانش منتقل می‌شوند ، حفره در نوار ظرفیت ایجاد میگردد .

یادآوری : تعداد حاملان بار ( الکترون‌های نوار رسانش و حفره‌های نوار ظرفیت ) با افزایش دما افزایش می‌یابد .

  آلایش نیمرسانا :

افزودن مقدار کمی ناخالصی ( اتم هایی است که از جنس اتم های نیمه رسانای ذاتی نباشند ) به نیمه رسانا را آلایش نیمه رسانا گویند .

آلایش نیمه رسانا روش دیگری برای افزایش تعداد حاملان بار و کم شدن مقاومت الکتریکی نیمه رسانا می باشد .

در موردی که رسانش بیشتر نیمه رسانا به دلیل وجود ناخالصی باشد ، نیمه رسانا را غیر ذاتی می گویند .

روش های آلایش نیمه رسانا :

الف )‌ روش اول آن است که اتم ناخالصی یک الکترون ظرفیت بیشتر از اتم های نیمه رسانای ذاتی داشته باشد (‌ نیمه رسانای نوع n )

ب ) روش دوم آن است که اتم ناخالصی یک الکترون ظرفیت کمتر از اتم های نیمه رسانای ذاتی داشته  باشد ( نیمه رسانای نوع p )

سیلسیوم و ژرمانیوم دو ماده نیمه رسانای چهار ظرفیتی هستند . که اگر ناخالصی پنج ظرفیتی ( آرسنیک ) یا سه ظرفیتی ( ایندیم یا آلومینیوم )‌ وارد کنیم به ترتیب نیمه رسانای غیر ذاتی نوع n  یا p بدست آورده‌ایم .

نیمه رسانای نوع n : در نیمه رسانای نوع n حاملان بار بیشتر الکترون هستند . فرض کنیم که یک اتم ناخالص پنج ظرفیتی مانند آرسنیک را به نیمه رسانایی از جنس سیلسیوم وارد کنیم ، در این صورت چهار تا از الکترون های ظرفیت آرسنیک با چهار اتم سیلسیوم مجاور پیوند کووالانسی انجام می‌دهد ، و الکترون اضافی بر روی ترازی قرار می گیرد به نام تراز دهنده و در فاصله‌ی بسیار کمی زیر نوار رسانش قرار می گیرد و مقدار کمی انرژی لازم است تا این الکترون از این تراز به نوار رسانش گذار کند و در نتیجه علاوه بر الکترون های ذاتی یک الکترون دیگر در نوار رسانش قرار می گیرد .

اتم‌های ناخالصی که یک الکترون اضافی به نوار رسانش می دهند ناخالصی دهنده می گویند .

در نیمه رسانای نوع n تراز دهنده در فاصله کمی در زیر نوار رسانش قرار دارد .

نیمه رسانای نوع P :

در نیمه رسانای نوع P حاملان بار بیشتر حفره ها هستند . فرض کنیم یک اتم ناخالصی سه ظرفیتی مانند آلومینوم را به نیمه رسانایی از جنس سیلسیوم وارد کنیم ، در این صورت سه الکترون ظرفیت اتم ناخالصی در پیوند بین اتم های سیلسیوم شرکت می‌کنند . ولی برای کامل شدن پیوند بین اتم ها یک الکترون کمبود داریم ، الکترون های موجود در نوار ظرفیت نیمه رسانا با جذب مقدار کمی انرژی جای این الکترون را پر می کنند . این عمل باعث می شود یک حفره اضافی در نوار ظرفیت ایجاد شود در نتیجه علاوه بر تراز خالی مربوط به الکترون که به نوار رسانش رفته اند ، یک تراز خالی یا حفره اضافی نیز خواهیم داشت .

در نیم رسانای نوع P تراز پذیرنده در فاصله کمی بالای نوار ظرفیت قرار دارد .

اتم های ناخالصی که یک حفره اضافی در نوار ظرفیت ایجاد می کنند اتم های ناخالصی پذیرنده می گویند .

تراکم های ناخالصی نوعاً در حدود یک اتم ناخالصی بازای هر صد میلیون اتم از جنس ماده نیمه رسانا است.