تبیان، دستیار زندگی

مواد رسانا و نارسانا

مواد رسانا موادی هستند که در آن ها الکترون های آزاد وجود دارد. این الکترون ها به راحتی از اتم خود جدا می شوند و درون جسم حرکت می کنند. مواد رسانا می توانند گرما و الکتریسته را انتقال دهند. مقاومت ویژه ی رساناها با افزایش دما، افزایش می یابد مانند مس و طلا در مواد نارسانا الکترون ها در قید هسته هستند و نمی توانند از اتم خود شوند. پس انتقال الکتریسته و گرما از طریق این مواد ممکن نیست مانند تفلون و پلاستیک.

بعضی مواد نیمرسانا هستند. مقاومت ویژه ی نیمرساناها با افزایش دما، کاهش می یابد مانند ژرمانیوم و سلیسیوم

نظریه ی نواری

برای جسم جامد که مجموعه ای از اتم های نزدیک به هم می باشد، ترازهای انرژی الکترون ها براساس نظریه ی نواری تعریف می شود. ویژگی های این نظریه عبارت اند از:

الف : ترازهای انرژی الکترون ها در جسم جامد (مانند مدارهای اتمی) مقدارهای انرژی ویژه ی خود را دارند.

ب : ترازهای انرژی الکترون ها در جسم جامد نیز همانند ترازهای اتمی گسسته اند

پ : هر تراز انرژی تنها توسط یک الکترون می تواند اشغال شود.

ت : از همه مهم تر این که ترازهای انرژی الکترون در جسم جامد تشکیل نوارهایی را می دهند. هر نوار شامل تعداد بسیار زیادی ترازهای گسسته است که از نظر مقدار انرژی بسیار نزدیک به هم هستند. ولی بین نوارهای مختلف در برخی از موارد ممکن است از نظر انرژی فاصله ی زیادی باشد.



در فاصله ی بین نوارهای انرژی هیچ تراز انرژی وجود ندارد. این فاصله را ناحیه ی ممنوع یا گاف انرژی می نامند.







ترازهای انرژی از پایین به بالا توسط الکترون ها اشغال می شوند تا جائیکه دیگر تراز خالی در نوار اول موجود نباشد حال اگر تعداد الکترون ها در جسم جامد بیش از تعداد ترازها در نوار اول باشد، ترازهای انرژی نوار بعدی نیز به ترتیب از پایین به بالا اشغال می شوند. آخرین نوار ممکن است پر شود یا بخشی از آن پر شود یا خالی باشد.



الکترون های نوارهای پر در رسانش الکتریکی سهمی ندارند. تنها آن دسته از الکترون ها در رسانش الکتریکی نقش دارند که در نوارهای بخشی پر هستند.



الکترون با جذب انرژی از یک تراز به تراز خالی بالاتر گذار می کند. گذار الکترون از یک تراز به تراز دیگر در همان نوار به انرژی کمی نیاز دارد. اما گذار از یک نوار به نوار دیگر انرژی بسیار زیادی لازم دارد. در این جا ذکر دو نکته ی مهم ضروری است.

1- وقتی می گوییم یک الکترون از یک تراز به تراز بالاتر می رود، منظورمان این است که الکترون انرژی خود را به مقدار معینی افزایش داده است، نه این که الکترون از جایی درون جسم جامد به جای دیگررفته است.

2- انرژی مورد نیاز الکترون برای انجام گذار بین ترازهای مختلف در یک جسم جامد از دو منبع می تواند تأمین شود. یکی میدان الکتریکی که جسم جامد در آن قرار گرفته و دیگری برانگیختگی گرمایی.

الف : ساختار نواری اجسام رسانا :

اگر در ساختار نواری جسمی نوار بخشی پر وجود داشته باشد آن جسم رسانا است. الکترون هایی را که می توانند در رسانش شرکت کنند، الکترون های رسانش و نوار بخشی پر را نوار رسانش می نامند.

ب : ساختار نواری اجسام نارسانا :

گاف انرژی بین آخرین نوار پر و اولین نوار خالی در نارسانا بزرگ است به گونه ای که هیچ الکترونی نمی تواند برانگیخته شود، در ساختار جسم نارسانا نوار بخشی پر وجود ندارد.

پ : ساختار نواری اجسام نیم رسانا :

جسم نیمه رسانا نیز مانند نارساناها دارای نوارهای پر و خالی است و نوار بخشی پر ندارد، با این تفاوت که گاف انرژی بین بالاترین نوار پر و پایین ترین نوار خالی بسیار کوچک تر از این گاف در نارساناهاست. در نیم رساناها بالاترین نوار پر را نوار ظرفیت و پایین ترین نوار خالی را نوار خالی را نوار رسانش می نامند. کوچک بودن گاف انرژی بین نوار ظرفیت و نوار رسانش موجب می شود که تعدادی از الکترون های نوار ظرفیت در دمای اتاق با برانگیختگی گرمایی انرژی لازم برای گذار را به دست آورند و نوار رسانش بروند. هر چه دما بلاتر رود تعداد بیشتری از الکترون ها می توانند این گذار را انجام دهند.

برخی از ویژگی های نیم رسانا

1- افزایش دما سبب کاهش مقاومت ویژه ی الکتریکی نیم رسانا می شود.

در جسم نیمه رسانا با افرایش دما، تعداد الکترون های نوار رسانش و تعداد ترازهای خالی نوار ظرفیت بیشتر می شود و سهم هر دو نوار در رسانش الکتریکی بیشتر می شود و مقاومت ویژه الکتریکی بیشتر کاهش می یابد.

2- برخی از نیم رساناها به گونه ای رفتار می کنند که گویی حاملان بار الکتریکی در آنها تنها الکترون های با بار منفی نیستند بلکه ذره هایی با جرمی از مرتبه جرم الکترون ولی با بار مثبت نیز حالم بار هستند. این ویژگی به این صورت است که الکترون هایی که به نوار رسانش رفته اند در رسانش الکتریکی شرکت می کنند. از طرفی پس از آنکه تعدادی از الکترون ها به نوار رسانش می روند چند تراز خالی در نوار ظرفیت پیدا می شود.

این جای خالی الکترون در نوار ظرفیت را حفره می نامند. حفره می تواند در رسانش شرکت کند. رسانش مربوط به نوار ظرفیت را می توان بر حسب حفره توضیح داد. در این صورت می گوییم حفره تراز خود را تغییر داده است. هنگامی که یک نیم رسانا در میدان الکتریکی قرار می گیرد الکترون های نوار رسانش در خلاف جهت میدان و حفره های نوار ظرفیت در جهت میدان حرکت می کنند.

برای نیم رسانایی که ناخالصی نداشته باشد تعداد الکترون های موجود در نوار رسانش و تعداد حفره های موجود در نوار ظرفیت با هم برابرند. چنین نیم رسانایی را نیم رسانایی ذاتی می گویند.

افزودن مقدار کمی ناخالصی به نیم رسانا را آلایش نیم رسانا می نامند. این عمل مقاومت الکتریکی نیم رسانا را به مقدار قابل توجهی کاهش می دهد. در مواردی که رسانش بیشتر نیم رسانا به دلیل وجود ناخالصی باشد، نیم رسانا را غیرذغاتی می گویند.

آلایش نیم رساناها به دو روش زیر انجام می شود:

1- با افزودن اتم ناخالصی که یک الکترون ظرفیت بیشتر از اتم های نیم رسانایی ذاتی داشته باشد، نیم رسانایی نوع n تشکیل می شود. الکترون اضافی روی ترازی به نام تراز دهنده قرار می گیرد که در فاصله ی کمی زیر نوار رسانش قرار دارد. الکترون های اضافی می توانند حاملان بار باشند. پس حاملان بار در نیم رسانایی n از نوع منفی (negative) هستند.

2- با افزودن اتم ناخالصی که یک الکترون ظرفیت کمتر از اتم های نیم رسانایی ذاتی داشته باشد، نیم رسانایی نوع p تشکیل می شود، در نیم رسانایی نوع p حاملان بار بیشتر  حفره ها هستند. حفره های اضافی به علت کم بودن یک الکترون روی تراز قرار می گیرد به نام تراز پذیرنده که در فاصله ی بسیار کمی در بالای نوار ظرفیت قرار دارد. در نیم رسانایی نوع p حاملان بار از نوع مثبت (positive) هستند.

دیود یا پیوند گاه p-n

اگر یک نیم رسانایی نوع n را به یک نیم رسانایی نوع p متصل کنیم، قطعه حاصل را یک پیوند p-n و مرز مشترک آن دو را پیوند گاه p-n می نامند. پیوند p-n ویژگی جالب توجهی دارد و آن این است که هر گاه در مداری قرار گیرد ، جریان الکتریکی را تنها از یک سو عبور می دهد به همین دلیل به آن یکسو کننده یا دیود می گویند و در مدارهای الکتریکی دیود را با نماد ..... نشان می دهند. پیکان جهت جریان را نشان می دهد.

ساز و کار یکسوکنندگی پیوند P-n

الکترون هایی که در طرف n در نزدیکی پیوندگاه قرار دارند به طرف p پخش می شوند یون های مثبت را بر جای می گذارند به همین ترتیب در طرف p هم حفره ها به طرف n می روند و ناحیه ای از بارهای منفی ثابت را بر جای می گذارند. وقتی الکترون ها و حفره ها به هم می رسند یکدیگر را خنثی می کنند و از تعداد حاملان بار آزاد در این ناحیه کم می شود. به همین دلیل این ناحیه از پیوندگاه را ناحیه ی تهی می نامند. ناحیه ی تهی عرض معینی دارد و از رفتن الکترون ها از ناحیه ی n و حفره ها از ناحیه p جلوگیری می کند و نمی گذارد که عرض ناحیه ی تهی بیشتر شود. جهت میدان الکتریکی ناحیه ی تهی از n به p است.