هدایت الکتریکی مواد نیمه هادی

نویسنده: امیر همتی

ویژگی های مواد نیمه هادی :

 

نیمه هادیها (نیمه رسانا ها) موادی هستند که از نظر هدایت الکتریکی بین هادی ها (رسانا ها) و عایق ها قرار دارند و هدایت الکتریکی (رسانایی) این مواد می تواند توسط تحریک نور، افزایش دما و تغییر میزان ناخالصی تا حدود زیادی افزایش یابد.

 

مهمترین نیمه هادیها، سیلیکن (Si) و ژرمانیم (Ge) هستند. با توجه به اینکه مواد نیمه هادی در دمای پایین (صفر مطلق) همانند عایق ها عمل می کنند یعنی 4 الکترون موجود در لایه ظرفیت، در پیوند کوالانسی (قوی ترین پیوند بین دو اتم) با اتم مجاور خود قرار می گیرند، این الکترون ها نمی توانند همانند الکترون های ظرفیت در فلزات آزادانه حرکت کنند.

 

 

نمایش دو بعدی ساختمان شبکه بلوری سیلیکن (Si) را در شکل بالا ملاحظه می کنید.

 

الکترون آزاد، حفره و نحوه حرکت آنها :

 

در نیمه هادی ها انرژی عرض نوار (انرژی لازم برای شکستن پیوند کوالانسی جهت آزاد شدن الکترون) به مراتب کوچکتر از عایق ها بوده و اما بیشتر از هادی ها می باشد. با افزایش دما از صفر مطلق بعضی پیوند های کوالانسی شکسته و الکترون های آنها جدا می شوند، که به الکترون های رها شده الکترون آزاد گفته می شود. همچنین به جای خالی الکترون آزاد شده که در پیوند به وجود آمده، حفره می گویند.

 

الکترون های آزاد می توانند به راحتی این سو و آن سو حرکت کنند اما حفره ها نه.

 

حرکت حفره ها به این صورت است که وقتی با رها شدن یک الکترون آزاد از یک پیوند کوالانسی، یک حفره برجای می ماند، یک الکترون دیگر از یک پیوند مجاور می تواند پیوند خود را شکسته و حفره قبلی را پر کند با این کار حفره جدیدی به وجود می آید که محل آن با حفره قبلی متفاوت است که می توان گفت یک جابجایی حفره صورت گرفته است.

 

در واقع حرکت حفره ها از پر شدن یک حفره توسط الکترون ظرفیت، یک اتم مجاور (و نه الکترون آزاد) ناشی می شود و قابل ذکر است که به پر شدن حفره توسط الکترون آزاد را ترکیب مجدد گویند.

 

 

شکل فوق ایجاد حفره در پیوند کوالانسی اتمهای بلور سیلیکن (Si) را نمایش می دهد.

 

ناخالصی در نیمه هادی ها :

 

علت پایین بودن هدایت الکتریکی نیمه هادی خالص نسبت به رسانایی فلزات (در دمای معمولی) این است که چگالی حاملهای بار الکتریکی در نیمه هادی خالص در مقایسه با چگالی الکترون های آزاد در فلزات بسیار ناچیز می باشد. پس باید چگالی حاملهای آزاد (الکترون های آزاد و حفره ها) در نیمه هادی را افزایش داد که این کار به 2 روش عملی می شود:

 

1- افزودن ناخالصی پنج ظرفیتی

 

2- افزودن ناخالصی سه ظرفیتی

 

نیمه هادی نوع N :

 

می توان با تزریق درصد ناچیزی از یک عنصر 5 ظرفیتی به بلور نیمه هادی، آن را تغلیظ نمود که این کار باعث افزایش چگالی الکترون های آزاد در بلور و negative شدن آن خواهد شد.

 

به همین خاطر به ناخالصی 5 ظرفیتی ناخالصی نوع N یا ناخالصی بخشنده گویند.

 

برای مثال عناصر پنج ظرفیتی : آنتیموان (Sb) ، فسفر (P) و آرسنیک (As)

 

حال فرض کنید به بلور سیلیکن (نیمه هادی خالص) تعدادی از اتمهای آنتیموان (ناخالصی 5 ظرفیتی) تزریق کنیم. هر اتم آنتیموان دارای 5 الکترون ظرفیت است و در شبکه بلور سیلیکن، 4 الکترون ظرفیت خود را در چهار پیوند کوالانسی با اتمهای سیلیکن مجاور خود به اشتراک می گذارد اما الکترون پنجم در هیچ پیوند مشترکی قرار نگرفته و تنها وابستگی ناچیزی به هسته خود دارد، که در دمای بالا (50 الی 100 درجه کلوین) انرژی لازم برای جدا شدن کامل از هسته را بدست می آورد و به صورت یک الکترون آزاد در اختیار بلور نیمه هادی قرار می گیرد بدین ترتیب افزایش ناخالصی نوع N، چگالی الکترون های آزاد را در بلور نیمه هادی بالا برده و اصطلاحا آن را به نیمه هادی نوع N تبدیل می کند.

 

 

ساختمان شبکه بلور سیلیکن با ناخالصی بخشنده آنتیموان

 

نیمه هادی نوع P :

 

می توان با تزریق درصد ناچیزی از یک عنصر 3 ظرفیتی به بلور نیمه هادی، آن را تغلیظ نمود که این کار باعث افزایش چگالی حاملهای مثبت یا حفره ها در بلور و positive شدن آن خواهد شد.

 

به همین خاطر به ناخالصی 3 ظرفیتی ناخالصی نوع P یا ناخالصی پذیرنده گویند.

 

برای مثال عناصر سه ظرفیتی : ایندیم (In) ، گالیم (Ga) و بور (B)

 

اتمهای ناخالصی 3 ظرفیتی تنها دارای سه الکترون در لایه ظرفیت می باشند که با تزریق شدن به بلور سیلیکن هر اتم ناخالصی تنها توانایی تکمیل کردن سه پیوند کوالانسی از چهار پیوند اتمهای اطراف خود را دارد و در پیوند چهارم جای یک الکترون، خالی باقی می ماند که این جای خالی در واقع یک حفره است. در این حالت نتیجه می گیریم هر اتم ناخالصی 3 ظرفیتی یک حفره اضافی در اختیار بلور قرار می دهد به همین علت به بلور نیمه هادی شامل اتمهای ناخالصی سه ظرفیتی، نیمه هادی نوع P گویند.

 

 

ساختمان شبکه بلوری سیلیکن با ناخالصی پذیرنده ایندیم

 

پیوند P-N :

 

از کنار هم قرار گرفتن نیمه هادی های نوع P و N پیوند P-N به وجود می آید. (منظور از کنار هم قرار دادن، این است که ساختمان بلور، پیوستگی خود را حفظ کند و چسباندن دو قطعه بلور به هم ممکن نیست.)

 

با توجه به این که در ناحیه N چگالی الکترون های آزاد و در ناحیه P چگالی حفره ها بیشتر است، پس می توانیم نتیجه بگیریم که در ناحیه مرزی، گرادیان (حداکثر تغییرات) چگالی حاملهای آزاد بسیار بزرگ است که این اختلاف چگالی باعث انتشار حفره ها از ناحیه P به N و انتشار الکترون های آزاد از ناحیه N به P می شود.

 

حال با آغاز انتشار حاملهای آزاد، حفره های موجود در ناحیه P که به قسمت مرزی پیوند نزدیک هستند، توسط الکترون های آزاد انتقال یافته، خنثی می شوند و همچنین الکترون های آزاد ناحیه N با حفره های منتقل شده ترکیب می شوند و به این ترتیب ناحیه ای به عرض W به وجود می آید که از حاملهای آزاد، تخلیه شده است. به این ناحیه، ناحیه تهی یا انتقال گویند.

 

عمل انتشار حاملها تا زمانی ادامه می یابد که اختلاف پتانسیل پیوند P-N در ناحیه تهی افزایش یابد و دیگر حاملهای آزاد توانایی عبور از این ناحیه را نداشته باشند.

 

 

تشکیل ناحیه تهی در اطراف پیوند P-N در شکل بالا مشهود است.

 

بایاس کردن پیوند P-N :

 

اتصال یک منبع ولتاژ به دو سر یک پیوند را بایاس کردن آن پیوند می نامند.

 

اگر قطب مثبت یک منبع ولتاژ را به نیمه هادی P و قطب منفی آن را به نیمه هادی N وصل کنیم، بایاس را مستقیم گویند و اگر قطب مثبت را به نیمه هادی N و قطب منفی را به نیمه هادی P وصل کنیم بایاس را معکوس گویند.

 

بایاس مستقیم :

 

با وصل کردن قطب مثبت منبع ولتاژ متغیر به طرف P و اتصال قطب منفی به طرف N، یک پیوند P-N حالت بایاس مستقیم ایجاد می شود که در این حالت پیوند P-N مقاومت کمی از خود نشان داده و جریان را به خوبی هدایت می کند.

 

دلیل این اتفاق بسیار ساده است و می توان اینگونه تعبیر کرد، با توجه به این که بارهای هم نام همدیگر را دفع می کنند در حالت اتصال بایاس مستقیم، دقیقا همین اتفاق رخ می دهد و قطب منفی منبع ولتاژ، الکترون های آزاد را از خود دور می کند و به طرف محل پیوند می فرستد و همین طور حفره های ناحیه P تحت تاثیر انرژی دافعه قطب مثبت به سمت ناحیه پیوند انتشار می یابند که با افزایش ولتاژ، انتشار حاملها شدت بیشتری گرفته و جریان افزایش می یابد.

 

 

در شکل فوق پیوند P-N در بایاس مستقیم را مشاهده می کنید.

 

بایاس معکوس :

 

اگر طرف N را به قطب مثبت و طرف P را به قطب منفی وصل کنیم، قطب مثبت منبع، الکترون های آزاد نیمه هادی N را به طرف خود جذب نموده و آنها را از محل پیوند دور می کند و همچنین قطب منفی منبع باعث جذب حفره های ناحیه P می شود و در نتیجه عرض ناحیه تهی افزایش می یابد پس در حالت بایاس معکوس مقاومت پیوند، بسیار بزرگ بوده و عملا جریان بسیار کوچکی از آن عبور خواهد کرد که علت عبور این جریان کوچک این است که فقط حاملهای اقلیت (حفره ها در N و الکترون های آزاد در P) می توانند به سادگی از محل پیوند عبور کنند.

4 دیدگاه. Leave new

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Fill out this field
Fill out this field
لطفاً یک نشانی ایمیل معتبر بنویسید.
You need to agree with the terms to proceed

فهرست