آموزش سیلواکو “نوارهای انرژی”
نوار انرژی در نیم رسانا
یکی از نکات مهم در مورد مواد نیمه رسانا، که آن را از مواد رسانا متمایز می کند، نوع تغییر مقاومت ویژه الکتریکی آن با تغییرات دما می باشد، بر عکس مواد رسانا، افزایش دما سبب کاهش مقاومت ویژه الکتریکی می گردد. آزمایش ها نشان می دهند که ذره هایی با بار مثبت و هم جرم الکترون ها در نیمه رسانا ها در رسانایی الکتریکی نقش ایفا می کنند، این ذرات که در واقع جای خالی الکترون ها در هر لایه هستند حفره می نامند.
علاوه بر موضوع دما، با افزودن مقداری ناخالصی به ماده ی نیمه رسانا نیز می توان تعداد حامل های بار الکتریکی را به صورت قابل توجهی زیاد کرد.
میدانیم که افزایش دما باعث زیاد شدن مقاومت ویژه ی الکتریکی مواد رسانا می شود و علت این امر نیز این است که تعداد و شدت برخورد الکترون های آزاد با اتم های در حال نوسان در جسم رسانا بیشتر است.
با زیاد شدن دما ، جنبش ذرات تشکیل دهنده ی جسم رسانا بیشتر می شود و در نتیجه تعداد و شدت برخورد الکترون های آزاد با اتم های جسم زیاد می گردد.
یعنی الکترون ها که حامل بار الکتریک در اجسام رسانا می باشند ، برای انتقال دادن بار الکتریکی با مانع بیشتری برخورد می کنند و در نتیجه رسانایی الکتریکی اجسام رسانا کاهش می یابد.
آزمایش ها حاکی از آن است که، برخلاف اجسام رسانا، مواد نیمه رسانا با زیاد شدن دما سبب کاهش مقاومت ویژه ی الکتریکی می شوند مطابق تصویر زیر با مقایسه نمودن نوار های انرژی می توان این امر را توجیه نمود.
در شکل فوق ساختار نواری یک نیمه رسانا را نشان می دهیم . همانطور که در تصویر دیده می شود در دمای پایین نوار ظرفیت نیمه رسانا کاملا پر از الکترون و نوار رسانش کاملا خالی از الکترون می باشد.
با توجه به این مساله در نوار رسانش الکترونی وجود ندارد که سبب رسانایی شود.
بنابراین در دمای پایین، همانند یک نارسانا عمل می کند. با زیاد شدن دما تعدادی از الکترون های نوار ظرفیت به نار رسانش گذر می کنند.
بنابراین هم الکترون هایی که در نوار رسانش قرار دارند و هم چنین هم تعداد جاهای خالی در نوار ظرفیت سبب افزایش رسانایی الکتریکی مواد می شوند.
به همین ترتیب امکان گذار برای الکترون های نوار ظرفیت نیز فراهم می شود . به عبارت دیگر، در این صورت نوار رسانش و ظرفیت هر دو در رسانایی الکتریکی موثر هستند.
می توان نتیجه گرفت که با افزایش دما الکترون های نوار رسانش بیشتر و در نتیجه حفره های نوار ظرفیت نیز بیشتر می شوند.
این امر باعث افزایش رسانایی الکتریکی مواد نیمه رسانا می گردد اما این موضوع همین جا ختم نمی شود.
با آزمایش های مختلف دریافته اند که مقدار جریان الکتریکی در مواد نیمه رسانا بیشتر از این مساله است بنابراین این امر سبب بوجود آمدن ایده ایی به جهت وجود ذرات دیگری به عنوان حامل های بار الکتریکی مطرح شده است. این امر با توجه به موضوع نظریه نواری به این صورت توجیه می شود که در مواد نیم رسانا علاوه بر الکترون هایی که در نوار رسانش قرار ارند و در رسانایی الکتریکی نقش دارند، جاهای خالی ایجاد شده در نوار ظرفیت نیز سبب رسانایی الکتریکی می گردد.
با گذر الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش تعداد جای خالی الکترون در نوار ظرفیت ایجاد می گردد . جای خالی الکترون را حفره می نامند ، حال الکترون ها از نوار های ظرفیت می توانند به این جاهای خالی گذار کنند و از ترازهایی پایین به تراز بالا حرکت کنند این امر باعث رسانایی الکتریکی می شود.
حرکت الکترون از تراز اولیه به ترازهای دارای حفره مانند این است که حفره به ترازهای پایین تر گذار کند و می توان به جای اینکه بگوییم الکترون در نوار ظرفیت گذار کرده می توان گفت حفره ها تراز خود را تغییر داده اند، در واقع زیاد بودن تعداد الکترون ها باعث می شود که بررسی گذار آنها امری سخت باشد اما چون تعداد حفره ها به نسبت کمتر است بررسی گذار حفره ها بهتر انجام می گیرد، نکته دیگر که مهم است نحوه ی تعیین بار نوار ظرفیت می باشد، حفره ها بر عکس الکترون ها از ترازهای بالاتر به ترازهای پایین تر حرکت می کنند میدانیم بار حفره مثبت در نظر گرفته شده است.
بنابراین می توان گفت در مواد نیمه رسانا حفره ها با بار مثبت و الکترون ها با بار منفی حامل بار الکتریکی می باشند. مواد نیمه رسانایی را که ناخالصی نداشته باشند مواد ذاتی می نامند و در نیمه رساناهای ذاتی تعداد الکترون ها با تعداد حفره ها برابر می باشد.
با زیاد شدن دما می توان تعداد حامل های بار الکتریکی و در نتیجه رسانایی را افزایش داد. علاوه بر افزایش دما می توان با اضافه نمودن ناخالصی میزان حامل های بار را به طور قابل ملاحظه ایی افزایش داد.
منظور از ناخالصی، اتم های غیر همچنس با اتم های مواد نیمه رسانا می باشد. به فرآیند اضافه نمودن ناخالصی به مواد نیمه رسانا آلایش گفته می شود.
با آلایش مواد نیمه رسانا به آنها نیمه رسانای غیر ذاتی می گویند. با اضافه کردن نیمه رسانا ، مقاومت ویژه الکتریکی آن کاهش می یابد و در نهایت رسانایی الکتریکی مواد به صورت قابل ملاحظه ایی بیشتر می شود. آلایش مواد نیمه رسانا به دو روش صورت می گیرد: روش اول به این صورت است که اتم ناخالصی یک الکترون ظرفیت بیشتر از اتم های نیمه رسانای ذاتی دارد و در حالت دوم اتم ناخالصی یک الکترون کمتر از اتم های نیمه رسانای ذاتی دارد.
جهت یادگیری کامل نرم افزار سیلواکو آموزش های رایگان ما را در سایت حامی پروژه دنبال نمایید. و در صورت مشکل در انجام پروژه های سیلواکو خود با متخصصین حامی پروژه در تماس باشید. برای ارتباط با تیم تخصصی سیلواکو حامی پروژه با شماره 09934702599 تماس حاصل نمایید.