چه چیزی نیمهرسانا ذاتی است
چیست که میگوییم نیمهرسانا ذاتی؟
تعریف نیمهرسانا ذاتی
نیمهرسانا موادی هستند که رسانایی آنها بین رساناهای خوب و عایقها قرار دارد. نیمهرساناهایی که از لحاظ شیمیایی خالص هستند، به معنای آنکه بدون آلودگی، نیمهرسانا ذاتی یا نیمهرسانا غیرآلوده یا نوع i (i-type) نامیده میشوند. رایجترین نیمهرساناهای ذاتی سیلیکون (Si) و ژرمانیوم (Ge) هستند که به گروه IV جدول تناوبی تعلق دارند. عدد اتمی Si و Ge به ترتیب 14 و 32 است که به ترتیب ترتیب الکترونی آنها به صورت 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 و 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2 است.
هر دو Si و Ge چهار الکترون در پوسته خارجی یا والانس خود دارند. این الکترونهای والانس مسئول ویژگیهای رسانایی نیمهرساناهای هستند.
شبکه بلوری سیلیکون (که برای ژرمانیوم نیز مشابه است) در دو بعد مانند شکل 1 نشان داده شده است. در اینجا مشاهده میکنیم که هر الکترون والانس یک اتم Si با الکترون والانس اتم Si مجاور جفت میشود تا پیوند کووالانسی را تشکیل دهد.
پس از جفت شدن، نیمهرساناهای ذاتی دارای حاملهای بار آزاد که الکترونهای والانس هستند، نیستند. در دمای صفر کلوین، باند والانس پر است و باند رسانا خالی است. هیچ الکترون والانس انرژی کافی برای عبور از فاصله انرژی ممنوعه ندارد که باعث میشود نیمهرساناهای ذاتی در دمای صفر کلوین مانند عایق عمل کنند.
با این حال، در دمای اتاق، انرژی حرارتی ممکن است چندین پیوند کووالانسی را بشکند و این باعث ایجاد الکترونهای آزاد مانند شکل 3a میشود. الکترونهای تولید شده برای عبور از باند والانس به باند رسانا، موانع انرژی را شکست میدهند (شکل 2b). در طول این فرآیند، هر الکترون یک سوراخ در باند والانس باقی میگذارد. الکترونها و سوراخهای ایجاد شده به این روش حاملهای بار ذاتی نامیده میشوند و مسئول ویژگیهای رسانایی مواد نیمهرسانا ذاتی هستند.
اگرچه نیمهرساناهای ذاتی میتوانند در دمای اتاق رسانایی داشته باشند، ولی رسانایی آنها به دلیل تعداد کم حاملهای بار کم است. با افزایش دما، پیوندهای کووالانسی بیشتری شکسته میشوند و الکترونهای آزاد بیشتری تولید میکنند. این الکترونها از باند والانس به باند رسانا حرکت میکنند و رسانایی را افزایش میدهند. تعداد الکترونها (ni) همیشه با تعداد سوراخها (pi) در نیمهرسانا ذاتی برابر است.
در صورت اعمال یک میدان الکتریکی به چنین نیمهرسانا ذاتی، جفتهای الکترون-سوراخ میتوانند تحت تأثیر آن میدان حرکت کنند. در این صورت، الکترونها در جهت مخالف میدان الکتریکی حرکت میکنند و سوراخها در جهت میدان الکتریکی حرکت میکنند مانند شکل 3b. این بدان معناست که جهت حرکت الکترونها و سوراخها متقابل است. این به این دلیل است که وقتی یک الکترون از یک اتم به سمت چپ حرکت میکند و یک سوراخ در جای خود باقی میگذارد، الکترون از اتم مجاور آن سوراخ را پر میکند. با این حال، در حالی که این کار را انجام میدهد، یک سوراخ دیگر در جای خود باقی میگذارد. این میتواند به عنوان حرکت سوراخها (به سمت راست در این مورد) در ماده نیمهرسانا تفسیر شود. این دو حرکت، اگرچه در جهت متقابل هستند، منجر به جریان کلی الکتریکی در نیمهرسانا میشوند.
به صورت ریاضی، چگالی حاملهای بار در نیمهرساناهای ذاتی به صورت زیر بیان میشود
در اینجا،
Nc چگالی موثر حالتها در باند رسانا است.
Nv چگالی موثر حالتها در باند والانس است.
k ثابت بولتزمن است.
T دمای محیط است.
EF انرژی فرمی است.
Ev سطح باند والانس را نشان میدهد.
Ec سطح باند رسانا را نشان میدهد.
h ثابت پلانک است.
mh جرم موثر سوراخ است.
me جرم موثر الکترون است.
