زمان مطالعه: ۷ دقیقه

با سلام و احترام خدمت شما مخاطبین عزیز وبلاگ بین جو (Binjo)، در این مقاله قصد داریم تا ساختار و ویژگی‌های مواد نیمه رسانا را بررسی کنیم. ساختار و اساس قطعات الکترونیکی نظیر دیود و ترانزیستور‌، مواد نیمه رسانا است.

قبل از اینکه شروع به مطالعه این مقاله کنید، پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر مقاله زیر داشته باشید.

مقاومت ویژه مواد نیمه رسانا

مواد نیمه رسانا به واسطه ویژگی‌های جالب توجهی که دارند، به طور کامل متفاوت از مواد رسانا رفتار می‌کنند. یکی از ویژگی‌های مهم مواد نیمه رسانا رفتار مقاومت ویژه الکتریکی آن‌ها نسبت به دما است.

همان‌طور که در مقاله (مقاومت الکتریکی و عوامل موثر) بر آن دیدیم، در عموم مواد رسانا، پارامتر مقاومت ویژه الکتریکی با دما رابطه‌ای مستقیم داشته و با افزایش دما، افزایش می‌یابد. همان‌طور که می‌دانید، عامل ایجاد مقاومت الکتریکی در مواد، برخورد الکترون‌های آزاد با اتم‌های در حال نوسان است. پس می‌توان گفت که با افزایش دما، بر دامنه نوسان اتم‌ها افزوده شده و در نتیجه تعداد برخورد‌ها افزایش می‌یابد.

در مواد نیمه رسانا این قضیه متفاوت است. به طوری که با افزایش دما، مقاومت ویژه مواد نیمه رسانا کاهش پیدا می‌کند. دلیل این امر را می‌توان با توجه به ساختار نواری مواد نیمه رسانا توجیه کرد.

ساختار نواری نیمه رسانا
شماتیکی از ساختار نواری ماده نیمه هادی

نیمه رساناها در دماهای بسیار پایین، دارای نوار ظرفیت کاملاً پر و نوار رسانش کاملاً خالی هستند. به همین جهت نه الکترون‌های نوار ظرفیت (پر) می‌توانند در رسانش شرکت کنند و در نوار رسانش الکترونی وجود دارد که با جذب انرژی به ترازهای بالاتر گذار کند. پس مواد نیمه رسانا در دماهای بسیار پایین همانند مواد نارسانا رفتار می‌کنند.

حال اگر دما را به تدریج زیاد کنیم، مشاهده خواهیم کرد که تعدادی از الکترون‌ها از نوار ظرفیت به نوار رسانش گذار می‌کنند. در نتیجه تعداد کمی الکترون در نوار رسانش وجود دارند که با جذب انرژی می‌توانند در فرآیند رسانش الکتریکی شرکت کنند. همچنین به واسطه گذار بین نواری برخی از الکترون‌ها از نوار ظرفیت به نوار رسانش، تعدادی تراز در نوار ظرفیت خالی شده که در نتیجه امکان گذار درون نواری را برای الکترون‌های درون نوار ظرفیت فراهم می‌کند.

پس به طور کلی، با افزایش دما هم نوار ظرفیت و هم نوار رسانش، سهمی در رسانش الکتریکی خواهند داشت و در نتیجه از مقامت ویژه الکتریکی مواد نیمه رسانا کاسته می‌شود.

با افزایش قابل توجه دما، به واسطه افزایش گذار الکترون‌ها از نوار ظرفیت به نوار رسانش، تعداد الکترون‌های نوار رسانش و تعداد ترازهای خالی نوار ظرفیت بیشتر می‌شود. در نتیجه با افزایش بیشتر دما، مقدار مقاومت ویژه الکتریکی نیز بیشتر کاهش پیدا می‌کند.

حاملان بار الکتریکی در مواد نیمه رسانا

همان‌طور که می‌دانید به طور کلی هر جا از انتقال بار الکتریکی صحبت می‌کنیم، منظورمان الکترون‌های آزاد به عنوان حاملان بار هستند. در مورد نیمه رساناها کمی قضیه متفاوت است. آزمایشات مختلف نشان می‌دهند که در مواد نیمه رسانا علاوه بر الکترون‌ها (بار منفی)، ذره‌هایی دیگر نیز حامل بار هستند. این ذرات جرمی در مرتبه جرم الکترون ولی با بار مثبت هستند. این حاملان بار مثبت به حفره موسوم هستند.

حال شکل زیر را در نظر بگیرید. این شکل ساختار نواری یک نیمه رسانا را در دما اتاق نشان می‌دهد.

ساختار نواری نیمه رسانا
شماتیکی از ساختار نواری ماده نیمه هادی در دمای اتاق

همان‌طور که گفته شد در دمای عادی با فرض آنکه نوار ظرفیت کاملاً پر باشد، الکترون‌های آن نمی‌توانند در فرآیند رسانش شرکت کنند. با افزایش دما یا هر گونه تحریک خارجی دیگری، برخی از الکترون‌های نوار ظرفیت به نوار رسانش گذار می‌کنند. در نتیجه این امر، چند تراز در نوار ظرفیت خالی می‌شود. به جای خالی الکترون‌ها در نوار ظرفیت، حفره گفته می‌شود.

الکترون حفره
تشکیل زوج الکترون حفره به واسطه افزایش دما ماده نیمه هادی

با خالی شدن تعدادی از ترازها در نوار ظرفیت، سایر الکترون‌های نوار ظرفیت می‌توانند با کسب انرژی به یکی از آن ترازهای گذار انجام دهند (گذار درون نواری) و در نتیجه در فرآیند رسانش الکتریکی شرکت کنند. به این ترتیب نوار ظرفیت نیز می‌تواند در فرآیند رسانش الکتریکی سهم داشته باشد.

این پدیده را با استفاده از تعریف حفره ها نیز می‌توان بیان کرد. در واقع گذار الکترون‌ها از تراز اولیه خود به ترازهای خالی مشابه آن است که حفره (جای خالی الکترون در تراز) از تراز اولیه خود (تراز خالی از الکترون) به تراز اولیه الکترون برود. پس دو عبارت (گذار دورن نواری الکترون) و (تغییر تراز حفره) یک مفهوم را می‌رسانند. با توجه به این نکته پدیده رسانش الکتریکی را می‌توان بر حسب حفره توضیح داد.

پس به طور کلی پدیده رسانش الکتریکی در مواد نیمه رسانا توسط دو حامل بار الکترون (در نوار رسانش) و حفره (در نوار ظرفیت) بررسی می‌شود.

تعریف حفره این مزیت را دارد که هنگام اعمال میدان الکتریکی به یک ساختار نیمه رسانا، حفره در جهت خطوط میدان الکتریکی حرکت می‌کند. بدیهی است که الکترون با بار منفی در خلاف جهت خطوط میدان الکتریکی حرکت می‌کند.

نیمه هادی در میدان الکتریکی
شمایی از حرکت الکترون‌های آزاد در ماده نیمرسانا به واسطه اعمال ولتاژ (میدان الکتریکی)

لازم به ذکر است که در مواد نیمه رسانا خالص تعداد الکترون‌های موجود در نوار رسانش با تعداد حفره های موجود در نوار ظرفیت با یکدیگر برابر هستند. در این صورت به نیمه رساناهایی که ناخالصی نداشته باشند، نیمه رسانای ذاتی گفته می‌شود.

نیمه رسانا ذاتی
شماتیکی از تشیکل زوج الکترون حفره ، ترکیب الکترون با حفره در یک ماده نیمرسانا

آلایش مواد نیمه رسانا

در دو بخش قبل دیدیم که با افزایش دما تعداد حاملان بار در مواد نیمه رسانا، یعنی الکترون‌های نوار رسانش و حفره‌های نوار ظرفیت، افزایش پیدا می‌کند. در نتیجه با افزایش دما، رسانش الکتریکی این دست از مواد بیشتر می‌شود.

روشی دیگر جهت افزایش رسانش الکتریکی که در صنعت به وفور از آن استفاده می‌شود، افزودن ناخالصی به ساختار مواد نیمه رسانا است. بدیهی است که منظورمان از ناخالصی، اتم‌هایی است که جنسشان متفاوت با جنس اتم‌های ماده نیمه رسانای ذاتی باشد. افزودن مقدار کمی ناخالصی به مواد نیمه رسانا به آلایش نیمه رسانا موسوم است.

با انتخاب صحیح جنس ماده‌ای که به عنوان ناخالصی به ساختار ماده نیمه رسانای ذاتی افزوده می‌شود، می‌توان مقاومت نیمه رساناها را به طرز چشمگیری کاهش داد که در نهایت به بهبود فرآیند رسانش الکتریکی منجر می‌شود. لازم به ذکر است که در مواردی که فرآیند رسانش الکتریکی به دلیل وجود ناخالصی رخ می‌دهد، نیمه رسانا را غیر ذاتی می‌نامند.

آلایش مواد نیمه رسانا به دو طریق زیر با انتخاب نوع ماده (ساختار) ناخالص صورت می‌گیرد.

  • نیمه رسانای نوع n : اگر اتم ناخالصی، یک الکترون ظرفیت بیشتر از اتم‌های نیمه رسانای ذاتی داشته باشد.
  • نیمه رسانای نوع p : اگر اتم ناخالصی، یک الکترون ظرفیت کمتر از اتم‌های نیمه رسانای داتی داشته باشد.

دو ماده بسیار پرکاربرد نیمرسانا در صنعت الکترونیک، سیلسیوم و ژرمانیوم هستند. اتم‌های هر دوی این عنصر، هر یک دارای چهار الکترون ظرفیتی هستند. حال اگر به این مواد، اتم‌های ناخالصی با پنج یا سه الکترون ظرفیتی وارد کنیم، به ترتیب نیمرسانای غیر ذاتی نوع n یا نوع p ساخته‌ایم.

الکترون ظرفیتی سیلیکون و ژرمانیوم
ساختار الکترونی سیلیسیوم (سیلیکون) و ژرمانیوم

نیمه رسانای نوع n

برای آنکه نیمرسانایی از نوع n داشته باشیم، می‌توانیم به ساختار نیمرسانای ذاتی سیلیسوم (سیلیکون)، اتم‌های ناخالصی پنج ظرفیتی نظیر ارسنیک وارد کنیم. همان طور که در شکل زیر مشخص است،چهار تا از پنج الکترون ظرفیتی اتم ارسنیک در پیوند کووالان با اتم‌های سیلیسیوم مجاور (همسایه) شرکت می‌کند.

لازم به ذکر است که این چهار الکترون، به جای الکترون‌های اتم سیلیسیوم، ترازهای انرژی در نوار ظرفیت را اشغال می‌کنند.

همانطور که در شکل فوق مشاهده می‌فرمایید، حضور اتم‌های ناخالصی، ساختار نواری را دچار تغییر می‌کند. این تغییر به گونه‌ای است که الکترون اضافی پنجم از اتم ارسنیک، بر روی ترازی موسوم به تراز دهنده قرار می‌گیرد. تراز دهنده، در فاصله بسیار کمی در زیر نوار رسانش قرار دارد. از آنجایی که این فاصله بسیار کم است، الکترون‌های روی این تراز با دریافت مقدار کمی انرژی می‌توانند برانگیخته و به ترازهایی در نوار رسانش گذار کنند.

با این اوصاف هنگام اعمال انرژی (دادن گرما، میدان الکتریکی، تابش فوتون) به این ساختار (نیمرسانای آلاییده شده به عنصر ناخالصی پنج ظرفیتی : نوع n)، علاوه بر اینکه الکترون‌های ذاتی می‌توانند به نوار رسانش گذار کنند، الکترون‌های اضافی اتم‌های ناخالصی نیز می‌توانند از تراز دهنده به نوار رسانش گذار کنند. چنین اتم‌های ناخالصی که الکترون‌های اضافی به نوار رسانش می‌دهند، به ناخالصی دهنده موسوم هستند.

لازم به ذکر است که نیمرسانای آلاییده به اتم‌های دهنده، به نیم رسانای نوع n موسوم هستند. چرا که بیشتر حاملان بار در آن‌ها از نوع منفی (negaticve) است.

نیمه رسانای نوع p

حال فرض کنید که به ساختار نیمرسانای خالص سیلیسیوم، اتم‌های ناخالصی سه ظرفیتی نظیر ایندیوم یا آلومینیوم اضافه کنیم. با توجه به شکل زیر، از آنجایی که اتم‌های ناخالصی سه ظرفیتی هستند، برای کامل شدن پیوند بین اتم‌‌های ناخالصی با اتم‌های سیلیسیوم یک الکترون کم است. در واقع نبود الکترون به این معنی است که یک حفره اضافی در نوار ظرفیت ایجاد می‌شود.

با این اوصاف هنگام اعمال انرژی (دادن گرما، میدان الکتریکی، تابش فوتون) به این ساختار (نیمرسانای آلاییده شده به عنصر ناخالصی سه ظرفیتی : نوع p)، علاوه بر اینکه الکترون‌های ذاتی می‌توانند به نوار رسانش گذار کنند و ایجاد حفره در نوار ظرفیت نمایند، حفره‌های اضافی (یا ترازهای خالی) اتم‌های ناخالصی نیز در نوار ظرفیت موجود می‌شوند. چنین اتم‌های ناخالصی که حفره اضافی به نوار ظرفیت می‌دهند، به ناخالصی پذیرنده موسوم هستند.

در شکل فوق مشاهده می‌کنید که افزودن ناخالصی پنج ظرفیتی نیز ساختار نواری را دچار تغییر می‌کند. تراز پذیرنده ناشی از اتم‌های ناخالصی در فاصله کمی در بالای نوار ظرفیت قرار دارند. با این اوصاف در دمای اتاق نیز الکترون‌ها می‌توانند به تراز پذیرنده گذار کنند که در نتیجه این گذار حفره در نوار ظرفیت ایجاد می‌شود.

لازم به ذکر است که نیمرسانای آلاییده به اتم‌های پذیرنده، به نیم رسانای نوع p موسوم هستند. چرا که بیشتر حاملان بار در آن‌ها از نوع مثبت (Positive) است.

به طور کل حتی مقدار بسیار کمی ناخالصی درون یک نیمرسانا ذاتی (خالص) بر مقاومت الکتریکی آن تاثیر چشم‌گیری دارد. عموماُ مقدار تراکم‌های ناخالصی در حدود یک اتم به ازای هر ۱۰۰ میلیون اتم از ماده نیمرسانای خالص است.

امیدواریم تا این مقاله مورد پسند شما عزیزان واقع شده باشد. در انتها پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر سایر مقالات حوزه فیزیک نیز داشته باشید.