چه چیزی نیمه هادی ذاتی است

چه کسی نیمه‌رسانا ذاتی است؟

تعریف نیمه‌رسانا ذاتی

نیمه‌رسانا ماده‌ای است که رسانایی آن بین رساناهای خوب و عایق‌ها قرار دارد. نیمه‌رساناهایی که از لحاظ شیمیایی خالص هستند، یعنی بدون آلودگی، نیمه‌رسانا ذاتی یا نیمه‌رسانا غیرآغشته یا نیمه‌رسانا نوع i نامیده می‌شوند. پرکارترین نیمه‌رساناهای ذاتی سیلیکون (Si) و ژرمانیوم (Ge) هستند که به گروه IV جدول تناوب تعلق دارند. اعداد اتمی Si و Ge به ترتیب ۱۴ و ۳۲ هستند که به ترتیب الکترون‌شناسی آنها را به صورت ۱s2 2s2 2p6 3s2 3p2 و ۱s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2 می‌دهد.

هر دو عنصر Si و Ge چهار الکترون در پوسته بیرونی یا حالت ولانس خود دارند. این الکترون‌های ولانس برای خواص رسانایی نیمه‌رساناهای مسئول هستند.

شبکه بلوری سیلیکون (که حتی برای ژرمانیوم نیز مشابه است) در دو بعد مانند شکل ۱ نشان داده شده است. در اینجا مشاهده می‌شود که هر الکترون ولانس یک اتم Si با الکترون ولانس اتم Si مجاور برای تشکیل پیوند کووالانسی جفت می‌شود.

پس از جفت شدن، نیمه‌رساناهای ذاتی دارای حامل‌های بار آزاد، که الکترون‌های ولانس هستند، نیستند. در دمای ۰K، باند ولانس پر است و باند رسانایی خالی است. هیچ یک از الکترون‌های ولانس انرژی کافی برای عبور از فاصله انرژی ممنوعه را ندارند، که باعث می‌شود نیمه‌رساناهای ذاتی در دمای ۰K مانند عایق عمل کنند.

با این حال، در دمای اتاق، انرژی گرمایی ممکن است باعث شکستن چند پیوند کووالانسی شود و در نتیجه حامل‌های بار آزادی مانند شکل ۳a تولید کند. الکترون‌های تولید شده می‌توانند از باند ولانس به باند رسانایی حرکت کنند و موانع انرژی را پشت سر بگذارند (شکل ۲b). در طول این فرآیند، هر الکترون یک سوراخ در باند ولانس به جا می‌گذارد. الکترون‌ها و سوراخ‌های ایجاد شده به این طریق حامل‌های بار ذاتی نامیده می‌شوند و مسئول خواص رسانایی مواد نیمه‌رسانا ذاتی هستند.

اگرچه نیمه‌رساناهای ذاتی می‌توانند در دمای اتاق رسانایی داشته باشند، ولی رسانایی آنها به دلیل تعداد کم حامل‌های بار پایین است. با افزایش دما، بیشتر پیوند‌های کووالانسی شکسته می‌شوند و الکترون‌های آزاد بیشتری تولید می‌کنند. این الکترون‌ها از باند ولانس به باند رسانایی حرکت می‌کنند و رسانایی را افزایش می‌دهند. تعداد الکترون‌ها (ni) همیشه با تعداد سوراخ‌ها (pi) در نیمه‌رسانا ذاتی برابر است.

در صورت اعمال میدان الکتریکی به چنین نیمه‌رسانا ذاتی، جفت‌های الکترون-سوراخ می‌توانند تحت تأثیر آن میدان حرکت کنند. در این صورت، الکترون‌ها در جهت مخالف میدان اعمال شده حرکت می‌کنند در حالی که سوراخ‌ها در جهت میدان الکتریکی حرکت می‌کنند مانند شکل ۳b. این بدان معناست که جهت حرکت الکترون‌ها و سوراخ‌ها متقابل مخالف است. این به این دلیل است که وقتی یک الکترون از یک اتم به سمت چپ حرکت می‌کند و یک سوراخ در محل خود باقی می‌گذارد، الکترون از اتم مجاور در محل آن سوراخ قرار می‌گیرد. با این حال، در حال انجام این کار، یک سوراخ دیگر در محل خود باقی می‌گذارد. این می‌تواند به عنوان حرکت سوراخ‌ها (به سمت راست در این مورد) در ماده نیمه‌رسانا تلقی شود. این دو حرکت، اگرچه در جهت مخالف، باعث جریان کلی در نیمه‌رسانا می‌شوند.

به طور ریاضی چگالی حامل‌های بار در نیمه‌رساناهای ذاتی به صورت زیر داده می‌شود

در اینجا،

Nc چگالی مؤثر حالت‌های موجود در باند رسانایی است.

Nv چگالی مؤثر حالت‌های موجود در باند ولانس است.

k ثابت بولتزمن است.

T دما است.

EF انرژی فرمی است.

Ev سطح باند ولانس را نشان می‌دهد.

Ec سطح باند رسانایی را نشان می‌دهد.

h ثابت پلانک است.

mh جرم مؤثر یک سوراخ است.

me جرم مؤثر یک الکترون است.