نیمرسانا

نیمرسانای ذاتی

 برای نیمرسانایی كه ناخالصی نداشته باشد ، مانند سیلیسیوم یا ژرمانیوم ، تعداد الكترون‌های موجود در نوار رسانش و تعداد حفره‌های موجود در نوار ظرفیت باهم برابر ند . یك چنین نیمرسانایی را نیمرسانای ذاتی می گویند .

تعداد ترازهای خالی در دسترس الكترون های نوار رسانش ،بیشتر از حالت های قابل  دسترسِ الكترون های نوار ظرفیت است

بنابراین حركت الكترون های نوار رسانش راحت‌تر از حركت الكترون‌های نوار ظرفیت كه باعث حركت حفره ها می‌شود ، است . می‌توان گفت سهم الكترون های نوار رسانش در رسانایی بیشتر از سهم حفره‌های نوار ظرفیت است .

 

 

 

& نكته 

هنگامی‌كه یك نیمرسانا در میدان الكتریكی قرار می‌گیرد الكترون های نوار رسانش در خلاف جهت میدان و حفره‌های نوار ظرفیت درجهت میدان حركت می‌كنـند .

 

كاهش مقاومت ویژه‌ی یك نیمرسانا در اثر افزایش دما

در دماهای بسیار پایین نیمرسانا  نوار ظرفیت پر و نوار رسانش خالی دارد . از این رو همان گونه كه پیش از این گفته شد نه ‌الكترون های نوار ظر فیت كه پر است در رسانش شركت می‌كنـند و نه در نوار رسانش الكترونی وجود دارد. از این رو در این دماها نیمرسانا مثل یك نارسانا است و الكترون‌های آن نمی‌توانند از میدان الكتریكی انرژی كسب كنـند ، ‌و مقاومت ویژه‌ی آنها بسیار بالا می‌رود در نتیجه هم تعداد بسیاركم الكترون در نوار رسانش الكتریكی شركت می‌كنـند و هم چند تراز خالی در نوار ظرفیت ایجاد می‌شود . كه گذار الكترون ها ازیك تراز پر در نوار ظرفیت به یكی از این تراز های خالی در همان نوار را میسر می‌كند و در نتیجه نوار ظرفیت نیز سهمی در رسانش  الكتریكی پیدا می‌كند واز مقاومت ویژه‌ی الكتریكی آن كاسته می‌شود ولی با توجه به كم بودن تعداد الكترون‌هایی  كه به نوار رسانش رفته‌اند و كم بودن تعداد ترازهای انرژی خالی در نوار ظرفیت ،‌ هرچه دما بالاتر رود تعداد  الكترونهای نوار رسانش و تعداد ترازهای خالی ظرفیت بیشتر می‌شود و در نتیجه سهم هردو نوار در رسانش الكتریكی افزایش می‌یابد واز مقاومت الكتریكی بیشتر كاسته می‌شود .

 

& نكته 

الكترونهایی كه در نوار ظرفیت‌اند پیش از آن كه الكترون نوار ظرفیت را ترك كند سهمی در رسانش الكتریكی ندارند ولی پس از آنكه تعدادی از الكترونها به نوار رسانش می روند ،چند تراز خالی در نوار ظرفیت  پیدا می شود . این جای خالی الكترون در نوار ظرفیت را حفره می نامند . در این وضعیت الكترون هایی كه در نوار ظرفیت مانده‌اند می‌توانند با كسب  كمی انرژی ، گذاری از تراز خود به‌یكی ازاین ترازهای خالی ( حفره )‌ انجام دهند و در رسانش شركت كنـند . در این صورت همان طور كه پیش از این گفتیم  نوار ظرفیت نیز در رسانش الكتریكی سهم دارد .این گذار الكترون از تراز اولیه‌ی خود به تراز خالی ، مشابه آن است كه حفره از تراز قبلی خود به تراز اولیه‌ی الكترون رفته است . به این ترتیب می‌توانیم به جای آن كه بگوییم « الكترون گذاری درون نوار ظرفیت انجام داده است » بگوییم  «حفره تراز خود را تغییر داده است .» بنابراین می‌توانیم رسانش مربوط به نوار ظرفیت را بر حسب حفره توضیح دهیم ، و به جای این كه تعداد بسیار زیاد الكترون‌های نوار ظرفیت را در نظر بگیریم  ، گذار تعداد كم حفره‌ها را بررسی كنیم  كه در نتیجه توضیح‌پدیده‌ها بسیار ساده‌تر می‌شود .

 

" تمرین

اگر دمای نمونه ای از نیمرسانا ی ذاتی  ( مثل سیلیسیم خالص )‌افزایش یابد :

1. تعداد حفره‌ها افزایش می یابد ولی تعداد الكترون های رسانش زیاد نمی‌شود .
2. تعداد الكترون های رسانش افزایش می یابد ولی تعداد حفره‌ها زیاد نمی‌شود .
3. گاف انرژی زیاد می‌شود .
4. رسانندگی الكتریكی افزایش می‌یابد .
5. خواص الكتریكی تغییر نمی‌كند .

 

گزينه ««  4  »»   افزايش دما حامل‌هاي بار ( الكترون ها و حفره ها ) را زياد مي‌كند .

 

& نكته 

تعداد حاملان بار  با افزایش دما  بیشتر می‌شود . علاوه بر این اضافه كردن ناخالصی  ( اتم هایی كه از جنس اتم‌های نیمرسانای ذاتی نیستند ) ‌به نیمرسانا تعداد حاملان بار را افزایش می دهد .

 

جنبه های اصلی نظریه‌ی نواری  به صورت زیر جمع‌بندی می‌شود :

 

1. وقتی اتم‌های زیادی گرد هم می‌آیند تا یك جامد تشكیل شود ، برهم‌كنش بین اتم‌ها باعث می‌شود كه ترازهای انرژی به صورت نوارهایی پخش شوند . یعنی یك تراز انرژی اتمی تبدیل به یك نوار انرژی در جامد می‌شود .
2. خواص نوارها را ویژگی‌های اتمی ، اتم‌های منزوی و فاصله‌ی بین اتم‌ها در جامد تعیین می‌كند .
3. ویژگی‌های جامد را چگونگی اشغال شدن شدن نوارها و بزرگی گاف انرژی بین آن‌ها ، تعیین می‌كند .

آلایش نیمرساناها

افزودن مقدار كمی ناخالصی به نیمرسانا را آلایش نیمرسانا میگویند . این كار تاثیر چشمگیری بر مقاومت الكتریكی نیمرسانا دارد . مقاومت نیمرسانا با افزایش ناخالصی‌ها كم می‌شود ، و رسانش الكتریكی توسط آن بهتر صورت می‌گیرد .

نیمرسانای غیرذاتی

در موردی كه رسانش بیشتر به دلیل  وجود ناخالصی باشد ، نیمرسانا را غیر ذاتی می‌گویند .

 

& نكته 

نیمرسانای غیر ذاتی می‌تواند به دو صورت وجود داشته باشد :

الف ) نیمرسانایی كه در آن وجود ناخالصی ، الكترون اضافی به نوار رسانش می‌دهد . ( نیمرسانای نوع n )

ب ) نیمرسانایی كه در آن وجود ناخالصی ، حفره‌ی اضافی در نوار ظرفیت به وجود می‌آورد . ( نیمرسانای نوع p )

برای مثال  Si  سیلیسیم و  Ge ژرمانیوم دو ماده‌ی نیمرسانا هستند كه به طور متداول در قطعه‌های الكترونیكی به طور متداول به كار می‌روند . اتم‌های هردوی این عنصرها ، هریك چهار الكترون ظرفیت دارند . در هریك از این نیمرساناها اگر به جای یكی از اتم ها ناخالصی پنج یا سه ظرفیتی وارد كنیم ،  نیمرسانا را آلاییده‌ایم و به ترتیب نیمرسانای غیرذاتی نوعn   یاp   به دست ‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌آورده‌ایم.

 

نیمرسانای نوع n

اگر یك اتم ناخالصی پنج ظرفیتی ، مانند آرسنیك ( Ar ) ، به نیمرسانایی از جنس سیلیسیم وارد كنیم همان‌گونه كه در شكل  زیر نشان داده است ،  چهارتا از الكترون‌های ظرفیت اتم آرسنیك در پیوند كووالان بین این اتم و اتم‌های سیلیسیم

 

 

 

 

همسایه شركت می‌كنـند . این چهار الكترون به جای الكترون‌های اتم Si  سیلیسیم ترازهای انرژی را در نوار ظرفیت اشغال می‌كنـند .حضوراتم ناخالصی ساختار نواری را تغییر می‌دهد . به این ترتیب كه الكترون اضافی ( الكتروم پنجم ) بر روی ترازی قرار می‌گیرد به نام تراز دهنده در فاصله ی كمی زیر نوار رسانش قرار دارد . چون فاصله‌ی این تراز از نواررسانش بسیار  كم است ، تنها مقدار كمی انرژی برای برانگیخته كردن و بردن آن از این تراز به نوار رسانش كافی است . در نتیجه در نوار رسانش علاوه بر الكترون‌های ذاتی ، یك الكترون دیگر نیز خواهیم داشت . این نوع اتم‌های ناخالصی را كه یك الكترون اضافی به نوار رسانش می‌دهند ،‌ناخالصی دهنده می‌نامند . و نیمرساناهایی را كه با اتم ‌های دهنده آلاییده شده باشند از آن‌رو نیمرسانای نوع n می‌نامند كه بیشتر حاملان بار در آن ها از نوع منفی ( ngative ) هستند ،یعنی تعداد الكترون‌ها خیلی بیش از تعداد حفره‌هاست .

 

نیمرسانای نوع P

اگر یك اتم ناخالصی سه ظرفیتی ، مانند ایندیوم ( In ) ، بور ، آلومینیوم یا گالیم ،  به نیمرسانایی از جنس سیلیسیم وارد كنیم همان‌گونه كه در شكل  زیر نشان داده است ،  سه‌تا از الكترون‌های ظرفیت اتم ناخالصی در پیوند كووالان بین این اتم و

 

 

 

 

 

اتم‌های سیلیسیم همسایه شركت می‌كنـند . در این حالت برای كامل شدن پیوند چهارم یك الكترون كم داریم . از آنجا كه تكمیل چهار زوج پیوندكووالانسی از نظر انرژی مطلوب‌تر است ،  برای تكمیل پیوند چهارم یك الكترون نوار ظرفیت به سادگی به دام می‌افتد ، با این عمل در نوار ظرفیت ، علاوه بر تراز خالی مربوط به الكترون‌‌ هایی كه به نوار رسانش رفته اند ،‌ یك حفره اضافی  به وجود می‌آید كه در رسانندگی شركت می كند ، نمودار تراز انرژی در شكل نشان داده شده است .

این نوع اتم‌های ناخالصی سه ظرفیتی یك تراز انرژی گسسته در بالای نوار ظرفیت و نزدیك به آن به وجود می آورند كه به تراز پذیرنده معروف است زیرا  می‌توانند یك الكترون را از نوار ظرفیت بپذیرد . نیمرسانایی كه با ناخالصی پذیرنده آلاییده شده باشد را نیمرسانای نوع p   می‌نامند . در نیمرسانای نوع p  رسانندگی بیشتر به واسطه‌ی حفره‌های دارای  بار مثبت ( positive ) است . دراین نوع نیمرسانا تعداد حفره‌های نوار ظرفیت خیلی بیشتر از تعداد الكترون‌های نوار رسانش است .

مقایسه‌ی نیمرساناهای  n  و p

نیمرسانای غیر ذاتی n  و p  در موارد زیر با هم تفاوت دارند .

1.    نیمرسانای نوع n  با ناخالصی  5  ظرفیتی ونیمرسانای نوع p  با ناخالصی 3 ظرفیتی آلاییده شده است .

2.    در نیمرسانای نوع n  تعداد الكترون‌های نوار رسانش بیشتر از حفره‌های نوار ظرفیت است ولی در نوع p تعداد حفره‌های نوار ظرفیت بیشتر از الكترون‌های نوار رسانش است

3.    در نیمرسانای نوع n  حاملان بار بیشتر الكترون ها  و در نیمرسانای نوع p   حاملان بار بیشتر حفره‌ها هستند .

4.    در ساختار نواری نیمرسانای نوع n  در گاف انرژی ،   تراز انرژی اتم های دهنده نزدیك به نوار رسانش است ولی در نوع p  تراز انرژی اتم های پذیرنده نزدیك به نوار ظرفیت است .

 

& نكته 

تذكر این نكته‌ی مهم لازم است كه نیمرساناهای نوع n  و p    هردو از نظر الكتریكی خنثی هستند چون از اتم‌های خنثی تشكیل شده‌اند  نامگذاری نوع n  و p   مربوط به حاملان بار الكتریكی هنگام رسانندگی است و نه خود ماده .  درنوع  n  حاملان بار بیشتر الكترون ها هستند كه با رمنفیnegative )   ( دارند  و در نوع p  حاملان بار بیشتر حفره‌ها هستند كه بار مثبت ( positive )  دارند .

 

& نكته 

افزودن حتی مقدار بسیا ركمی ناخالصی به یك نیمرسانا بر مقاومت آن تاثیر عمده می‌گذارد ، تراكم‌های ناخالصی نوعاً  در حدود یك اتم ناخالصی به ازای هر صد میلیون اتم از جنس ماده ی نارسانا ست .

 

" تمرین

 آلایش نیمرساناها چیست ؟

1.     افزودن مقدار كمی  ناخالصی به نیمرسانا

2.     افزودن مقدار كمی الكترون به نیمرسانا

3.     كاهش  ناخالصی از  نیمرسانا

4.     آلودگی نیمرسانا برای افزایش مقاومت

 

گزينه ««  1  »»

 

" تمرین

  دركدام ماده رسانش الكتریكی به علت وجود ناخالصی است ؟

1.     نیمرسانای ذاتی

2.     نیمرسانای غیرذاتی

3.     رسانای اهمی

4.     رسانای غیر اهمی

 

گزينه ««  2  »»  ناخالصي‌هايي مانند اينديوم يا گاليم يا آلومينيوم كه عناصر سه ظرفيتي هستندو آرسنيك يا فسفر يا آنتيموان كه عناصر پنج ظرفيتي هستند در يك نيمرساناي چهار ظرفيتي مانند سيليسيم يا ژرمانيوم ، سبب پيدايش حفره‌هاي بيشتر در نيمرساناي نوع  p  و يا الكترون هاي بيشتر در نيمرساناي غير ذاتي داراي ناخالصي n  است و در آن بارهاي مثبت يا منفي افزايش مي يابد و رسانش االكتريكي بهتر صورت مي‌گيرد .

 

" تمرین

در نیمرسانای نوع n  ، اتم ناخالصی ، یك الكترون ........ از اتم‌های نیمرسانای ذاتی و در نیمرسانای نوع p  ، اتم ناخالصی ، یك الكترون ........ از اتم‌های نیمرسانای ذاتی دارد.

1.     بیشتر  ،  بیشتر

2.     بیشتر  ،  كمتر

3.     كمتر ،  كمتر

4.     كمتر  ،  بیشتر

گزينه ««  2  »»

 

" تمرین

 نیمرسانای غیر ذاتی نوع n  و نوع p  به ترتیب از جانشین ساختن یك اتم ناخالص ....... و ........ ظرفیتی به جای یكی از اتم‌ها به وجود می‌آید .

1.     پنج  ،  سه

2.     سه   ،  پنج

3.     پنج  ،  چهار

4.     سه   ، چهار

 

گزينه ««  4  »»

" تمرین

 درنیمرسانا نوع n ،  حاملان بار بیشتر  .......... ودر نیمرسانای نوع p  حاملان بار بیشتر  ..........هستند

1.     الكترون‌ها ،  الكترون‌ها

2.     حفره‌ها  ، حفره‌ها

3.     حفره‌ها ،  الكترون‌ها

4.     الكترون‌ها  ،  حفره‌ها

 

گزينه ««  4  »»

" تمرین

  شكل مقابل مربوط به ساختار نواری كدام ماده است؟

 

1. نیمرسانای نوع n            2.   نیمرسانای نوع p

3.   نیمرسانای ذاتی           4.    رسانا

 

گزينه ««  1  »»

 

 

 

 

        

" تمرین

  شكل مقابل مربوط به ساختار نواری كدام ماده است؟

 

1. نیمرسانای نوع n            2.   نیمرسانای نوع p

3.   نیمرسانای ذاتی           4.    رسانا

 

گزينه ««  2  »»

 

 

 

 

" تمرین

كدام‌یك از موارد زیر برای ناخالصی دهنده در سیلیسیم مناسب‌تر است ؟

 

1. سدیم       2.   ایندیم      3.   ژرمانیوم             4.    آرگون     5. آنتیموان

 

گزينه ««  5  »»

" تمرین

  ناخالصی پذیرنده در ژرمانیوم :

1.     از لحاظ الكتریكی خنثی است

2.     بار مثبت دارد

3.     بار منفی دارد

4.     بسته به دما  1 یا  2  درست است

5.     بسته به دما  1 یا  3  درست است

1.                              

گزينه ««  5  »»

 

" تمرین

 كدام‌یك از موارد زیر به عنوان ناخالصی پذیرنده  در ژرمانیوم مناسب‌تر است ؟

 

1. منیزیم       2.  سیلیسیم 3.   فسفر               4.    گالیم     5. برم

 

گزينه ««  5  »»

پیوندگاه  p  -  n

اگر یك نیمرسانای نوع n  را  به یك نیمرسانای  نوع p  متصل كنیم ،  قطعه ی حاصل را یك پیوند p  -  n  می‌نامند . مرز مشترك پیوند  را پیوندگاه  p  -  n می‌نامند .

 

& نكته 

در واقع  این قطعات با تماس دو ماده ساخته نمی‌شوند ، بلكه یك طرف رسانای ذاتی را طوری می آلایند كه نوع n  شود و طرف دیگر را طوری می‌آلایند كه به صورت نوع p  در آید . آلایش به دقت كنترل می‌شود و ضخامت ناحیه‌ی پیوندگاه در حدود یك میكرومتر است

 

دیود

پیوند p  -  n  ویژگی جالبی دارد و آن این است كه هرگاه در مداری قرار گیرد ، جریان الكتریكی  را تنها از یك سو از خود عبور می‌دهد و مانع عبور جریان در سوی مخالف می‌شود . قطعه‌ای را كه دارای این خاصیت باشد یك دیود می‌نامند .

دیود قطعه‌ای است كه مقاومت آن برای جریان‌هایی كه در یك سوی معین می‌گذرند بسیار زیاد و برای جریان‌هایی كه در سوی مخالف‌اند عملا ناچیز است . دیود را به دلیل این ویژگی  یك‌سوكنـنده نیز می‌نامند . در مدارهای الكتریكی دیود را با نماد  یا  * یا  ) یا  +   نمایش می‌دهند . پیكان را معمولا در جهتی انتخاب می‌كنـند كه جریان می‌تواندعبوركند .

 

ساز و كار یكسوكنـندگی پیوند p  -  n

می‌دانیم كه یك نیمرسانای نوع n ،‌ الكترون آزاد و یك نیمرسانای نوع  p حفره‌ی آزاد دارد . هنگامی كه مانند شكل  پیوند  p  -  n

 

تشكیل می‌دهیم ، الكترون‌هایی كه در طرف n ، نزدیكی پیوندگاه ، قرار دارند ،به طرف p   پخش می‌شوند و یونهای مثبت را كه قادر به حركت نیستند ،‌بر جای می گذارند . به همین ترتیب در طرف p  هم حفره ها به طرف n می‌روند و ناحیه‌ای از بارهای منفی ثابت را بر جای می‌گذارند .   وقتی الكترون‌های آزاد و حفره‌های آزاد كه از دو طرف می‌آیند به یك‌دیگر  می‌رسند ،‌ یكدیگر را خنثی میكنـند واز تعداد حاملان بار در این لایه كم می‌شود . درنتیجه در ناحیه‌ی پیوندگاه تعداد حامل‌های بار آزاد بسیار كم است . به همین دلیل این ناحیه ناحیه‌ی تهی نامیده می‌شود ناحیه‌ی تهی عرض معینی دارد ، زیرا به دلیل حضور یون‌های ثابت ، یك میدان الكتریكی  داخلی به وجود می‌آید كه از رفتن الكترون‌ها از ناحیه‌ی n  و حفره‌ها از ناحیه‌ی p  جلوگیری می‌كند و نمی‌گذارد عرض ناحیه تهی بیشتر شود.جهت میدان  داخلی همان‌گونه كه در شكل نشان داده شده است از ناحیه ‌ی n  به طرف ناحیه‌ی p  است

 

 

دیود چگونه از عبور جریان الكتریكی در یك جهت جلوگیری می‌كند ؟

خصوصیت‌های ناحیه‌های مختلف یك دیود را می‌توانیم با مراجعه به نمودار پتانسیل الكتریكی شكل فوق دریابیم . میدان الكتریكی موجود در ناحیه‌ی تهی باعث می‌شود كه یك طرف این ناحیه نسبت به طرف مقابل در پتانسیل بالاتری باشد . اگر اختلاف پتانسیل دو سر ناحیه‌ی تهی را با DV_o  نمایش دهیم . نیرویی كه از میدان الكتریكی داخلی برهرحفره‌ای كه بخواهد از ناحیه‌ی p  به ناحیه n برود وارد می‌شود در جهتی است كه آن را به طرف p  می راند . در نتیجه برای غلبه بر میدان الكتریكی داخلی ، به انرژی اضافی e DV_o  نیاز خواهد داشت . نیروی وارد بر الكترونی هم كه بخواهد از ناحیه‌ی n  به ناحیه‌ی  p برود ، در جهتی است كه آن را به طرف n  می‌راند . در نتیجه الكترون ها برای عبور از ناحیه‌ی تهی نیاز به انرژی اضافی خواهند داشت .

پیش‌ولتِ موافق

انرژی اضافی لازم برای حركت الكترون‌ها از سمت راست به چپ ناحیه‌ی تهی و حفره‌ها از سمت چپ به راست ناحیه‌ی تهی را می‌توان توسط یك منبع ولتاژ خارجی تامین‌كرد . برای این كار باید ولتاژ خارجی به‌گونه‌ای به دو طرف پیوندگاه اعمال‌شود كه پایانه‌ی مثبت به p و پایانه‌ی منفی به n  وصل شود ،‌به این ترتیب اختلاف پتانسیل بین دو طرف ناحیه‌ی تهی كاهش می‌‌یابد و موجب می‌شود كه الكترون ها از n به  p و حفره‌ها از p  به   n  حركت كنـند ،‌و جریان الكتریكی را به وجو‌د آورند  . در یك چنین شرایطی می‌گوییم دیود دارای پیش‌ولتِِِ موافق است

 

پیش‌ولتِ مخالف

درصورتی كه ولتاژ خارجی در جهت عكس ( ‌پایانه مثبت به n  و پایانه منفی p به وصل شود ) اعمال شود ،‌ اختلاف پتانسیل دوسرناحیه‌ی افزایش می‌یابد و از عبور الكترون‌ها از n به  p و از عبور حفره‌ها  از p  به