مواد نیمه رسانا، انواع و ویژگی ها
مواد نیمه رسانا، انواع و ویژگی ها:
گفتیم برای توجیه پدیدهی رسانایی الکتریکی در جامدات، دیگر نظریهی کلاسیکِ الکترون آزاد پاسخگو نیست و نظریهی نواری، که مبتنی بر فیزیک کوانتوم است، برای تفسیر این پدیده استفاده میشود. در مقالهی قبل اندکی دربارهی این نظریه صحبت کردیم و با ساختار نواری جامدات رسانا، نارسانا و نیمهرسانا آشنا شدیم. در ادامه مطلب قبلی، در این مقاله دربارهی برخی ویژگی‌های مواد نیمهرسانا سخن می‌گوییم.
برخی ویژگی های نیمه رساناها:
یکی از ویژگی‌های جالب مواد نیمهرسانا، که آنها را از مواد رسانا متمایز می‌کند، چگونگی تغییر مقاومت ویژه‌ی الکتریکی آنها با تغییرات دما است. همانطور که می‌دانیم افزایش دما موجب افزایش مقاومت ویژه‌ی الکتریکی مواد رسانا میشود. علت این پدیده نیز افزایش تعداد و شدت برخورد الکترون‌های آزاد با اتم‌های در حال نوسان در جسم رسانا است. با افزایش دما، جنبشِ ذراتِ تشکیل‌دهنده‌ی جسم بیشتر میشود و بنابراین تعداد و شدت برخورد الکترون‌های آزاد با اتم‌های جسم افزایش می‌یابد. یعنی الکترونها که حاملان بار الکتریکی در جسم جامد رسانا هستند، برای انتقال بار الکتریکی با موانع بیشتری برخورد می‌کنند و در نتیجه رسانایی الکتریکیِ جسم کاهش می‌یابد.
آزمایش نشان میدهد، برخلاف رسانا، در نیمه رسانا افزایش دما موجب کاهش مقاومت ویژه‌ی الکتریکیِ نیمهرسانا میشود. توجیه این پدیده در نیمهرسانا تنها با استفاده از نظریهی نواری امکان‌پذیر است.
در تصویر 1 ساختار نواری یک نیمهرسانا نشان داده شده است. همان‌گونه که در تصویر می‌بینیم در دماهای پایین نوار ظرفیت نیمهرسانا کاملا پُر از الکترون و نوار رسانش کاملا خالی از الکترون است. از این رو نه نوار ظرفیت در رسانش نقشی دارد (چون نوار کاملا پر است و هیچ الکترونی امکان گذار درون نوار را ندارد) و نه در نوار رسانش الکترونی هست تا موجب رسانایی الکتریکی شود. بنابراین در دماهای پایین، نیمه‌سانا مشابه نارسانا رفتار می‌کند. با افزایش دما، تعدادی از الکترون‌های نوار ظرفیت به نوار رسانش گذار می‌کنند. بدین ترتیب هم الکترون‌هایی که در نوار رسانش قرار می‌گیرند، موجب رسانایی الکتریکی می‌شوند و هم تعدادی تراز خالی در نوار ظرفیت ایجاد میشود. ازاین‌رو امکان گذار برای الکترون‌های نوار ظرفیت نیز (در همان نوار) فراهم میشود. به بیان دیگر، در این حالت هم نوار رسانش در رسانایی الکتریکی نقش دارد و هم نوار ظرفیت. به همین ترتیب با افزایش دما هم تعداد الکترون‌های نوار رسانش بیشتر میشود و هم ترازهای خالی نوار ظرفیت افزایش می‌یابد. این مسئله سبب افزایش رسانایی الکتریکی نیمهرسانا میشود. اما مسئله به همین‌جا ختم نمی‌شود.
شکل 1- ساختار نواری یک جسم نیمهرسانا
آزمایش‌های گوناگون نشان میدهد که مقدار جریان الکتریکی در نیمه رسانا بیشتر از آن است که فقط با عبور الکترونها ایجاد شده باشد. این پدیده ایده‌ی وجود ذرات دیگری را به عنوان حامل بار الکتریکی مطرح می‌کند. به عبارت دیگر ما تا کنون فقط الکترونها را به عنوان حاملان بار الکتریکی در نظر میگرفتیم، اما آزمایش‌های دقیق‌تر نشان میدهد ذراتی با بار مثبت و هم‌جرم الکترون نیز در رسانایی الکتریکی نیمه‌رساناها نقش دارند.
این اتفاق با استفاده از نظریهی نواری اینچنین توجیه میشود؛ در نیمهرسانا علاوه بر الکترون‌هایی که در نوار رسانش قرار می‌گیرند و در رسانایی الکتریکی نقش دارند، جای خالی ایجاد شده در نوار ظرفیت نیز (که به دلیل گذار الکترونها به نوار رسانش تشکیل شده)، موجب رسانایی الکتریکی میشود.
با گذار الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش، تعدادی جای خالی الکترون در نوار ظرفیت ایجاد میشود. جای خالی الکترون در نوار ظرفیت را حفره می‌گوییم. حالا با ایجاد این جاهای خالی در نوار ظرفیت، الکترون‌های این نوار هم می‌توانند گذار انجام دهند و از تراز انرژی پایین‌تر به تراز انرژی بالاتر بروند. این مسئله موجب رسانایی الکتریکی میشود.
گذار الکترون از تراز اولیه‌ی خود به تراز خالی، مشابه آن است که بگوییم حفره از تراز بالاتر به تراز اولیه‌ی الکترون گذار کرده است. بنابراین به جای آن‌که بگوییم الکترون درون نوار ظرفیت گذار کرده است، می‌گوییم حفره تراز خود را تغییر داده است. در واقع زیاد بودن تعداد الکترونها، بررسی گذار آنها را دشوار می‌کند؛ اما چون تعداد حفرهها کم است، در نظر گرفتن آنها ساده‌تر است. نکته دیگری که باید به آن اشاره کرد، نحوه تعیین بار حفره‌های نوار ظرفیت است. از آنجاییکه حفرهها، برخلاف الکترونها، از تراز بالاتر به تراز پایین‌تر گذار می‌کنند؛ قرارداد می‌کنیم که بار آنها را مثبت در نظر بگیریم.
پس در نیمهرسانا دو نوع حامل بار الکتریکی داریم؛ یکی الکترون‌های نوار رسانش و دیگری حفره‌های نوار ظرفیت.
آلایش نیمهرسانا:
نیمه‌رسانایی را که ناخالصی نداشته باشد، نیمه‌رسانای ذاتی می‌گوییم. در نیمه‌رسانای ذاتی تعداد الکترون‌های موجود در نوار رسانش با تعداد حفره‌های موجود در نوار ظرفیت با هم برابرند.
همانطور که متوجه شدیم با افزایش دما می‌توان تعداد حاملان بار الکتریکی و در نتیجه رسانایی الکتریکی را در مواد نیمهرسانا افزایش داد. علاوه بر افزایش دما، با اضافه کردن مقادیر کمی ناخالصی به ماده‌ی نیمهرسانا نیز می‌توان تعداد حاملان بار الکتریکی را به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش داد. منظور از ناخالصی، اتم‌های غیرهم‌جنس با اتم‌های نیمهرسانا است. به عمل اضافه کردن ناخالصی به نیمهرسانا، "آلایش نیمهرسانا" می‌گوییم و نیمه‌رسانایی را که به آن اتم‌های ناخالصی اضافه شده است، نیمه‌رسانای غیرذاتی می‌نامند. با افزودن ناخالصی به نیمهرسانا، مقاومت ویژه‌ی الکتریکی آن کاهش می‌یابد و در نتیجه رسانایی الکتریکی نیمهرسانا به صورت قابل توجهی بیشتر میشود.
آلایش نیمهرسانا به دو روش مختلف انجام میشود. یک روش آن است که اتم ناخالصی یک الکترون ظرفیت بیشتر از اتم‌های نیمه‌رسانای ذاتی داشته باشد و روش دیگر آن است که اتم ناخالصی یک الکترون ظرفیت کمتر از اتم‌های نیمه‌رسانای ذاتی داشته باشد. به عنوان مثال دو نیمه‌رسانای معروف که در بسیاری از قطعات الکترونیکی استفاده می‌شوند، عناصر سیلیسیوم (Si) و ژرمانیوم(Ge) هستند که هر دو چهار الکترون ظرفیت دارند. با اضافه کردن مقادیری ناخالصی از جنس فسفر(P) یا ارسنیک(As) که دارای پنج الکترون ظرفیت هستند به سیلیسیوم یا ژرمانیوم، نیمهرسانا را به روش اول آلایش کرده‌ایم. همچنین با افزودن مقادیری ناخالصی از جنس بور (B) یا آلومینیوم (Al) که دارای سه الکترون ظرفیت هستند به سیلیسیوم یا ژرمانیوم، نیمهرسانا را به روش دوم آلایش کرده‌ایم.
نیمه‌رسانایی را که به روش اول آلاییده میشود، یعنی اتم ناخالصی یک الکترون ظرفیت بیشتر از اتم نیمهرسانا داشته باشد، نیمه‌رسانای نوع n می‌گوییم و نیمه‌رسانایی را که به روش دوم آلاییده میشود، یعنی اتم ناخالصی یک الکترون ظرفیت کمتر از اتم نیمهرسانا داشته باشد، نیمه‌رسانای نوع p می‌گوییم.
الف) نیمه‌رسانای نوع n
با افزودن مقادیر کمی ناخالصی از جنس یک اتم پنج ظرفیتی مانند ارسنیک به نیمه‌رسانای سیلیسیوم که دارای چهار الکترون ظرفیت هست، نیمه‌رسانای نوع n تشکیل میشود. همان‌گونه که در تصویر 2 مشاهده می‌کنیم، چهار تا از الکترون‌های ظرفیت اتم ارسنیک با اتم‌های سیلیسیومِ همسایه پیوند تشکیل می‌دهند و در واقع این چهار الکترون به جای الکترون‌های اتم سیلیسیوم، نوار ظرفیت را پُر می‌کنند.
شکل 2- آلایش سیلیسیوم با ارسنیک
با ورود ناخالصی به نیمهرسانا، ساختار نواری نیز تغییر می‌کند و یک تراز انرژی به نام "تراز دهنده" در فاصله‌ی بسیار کمی، زیر نوار رسانش تشکیل میشود که الکترون پنجمِ اتم ارسنیک در آن قرار می‌گیرد (تصویر 3). چون فاصله‌ی این تراز از نوار رسانش بسیار کم است، الکترون‌های موجود در آن با جذب مقدار کمی انرژی وارد نوار رسانش می‌شوند و در رسانایی الکتریکی شرکت می‌کنند. اتم‌های ناخالصی را که یک الکترون اضافی به نوار رسانش می‌دهند، "ناخالصی دهنده" می‌نامیم. همانطور که متوجه شدیم در این نوع نیمهرسانا حاملان بار الکتریکی بیشتر از نوع الکترون‌های نوار رسانش هستند و از آنجاییکه الکترونها دارای بار الکتریکی منفی (negative) هستند، این نوع نیمهرسانا را نیمه‌رسانای نوع n می‌نامیم.
شکل 3- ساختار نواری سیلیسیوم آلایش شده با ارسنیک
ب) نیمه‌رسانای نوع p
اگر به نیمه‌رسانایی از جنس سیلیسیوم مقادیر کمی ناخالصی از یک اتم سه ظرفیتی مانند بور اضافه کنیم، مطابق آن‌چه در تصویر 4 مشاهده می‌کنیم، سه الکترون اتم بور با اتم‌های سیلیسیومِ همسایه پیوند تشکیل می‌دهند. برای تکمیل شدن پیوند، الکترون‌های موجود در نوار ظرفیت نیمهرسانا، جای یک الکترون ناقص را پر می‌کنند تا پیوند کامل شود. بدین ترتیب یک حفره‌ی اضافی در نوار ظرفیت نیمهرسانا تشکیل میشود.
شکل 4- آلایش سیلیسیوم با بور
در این نوع آلایش، برخلاف نوع قبل، تراز انرژی به نام "تراز پذیرنده" در فاصله‌ی کمی بالای نوار ظرفیت نیمهرسانا تشکیل میشود؛ به‌گونه‌ای که الکترونها با جذب مقدار کمی انرژی و به منظور کامل کردن پیوند اتمی، به این تراز گذار می‌کنند و موجب تشکیل حفره‌های اضافی در نوار ظرفیت نیمهرسانا می‌شوند.
این نوع اتم‌های ناخالصی را که یک الکترون اضافی از نوار ظرفیت می‌گیرند، "ناخالصی پذیرنده" می‌نامیم. از آنجاییکه حاملان بار الکتریکی در این نوع نیمهرسانا بیشتر از نوع حفره‌های نوار ظرفیت و با بار الکتریکی مثبت (positive) هستند، این نوع نیمهرسانا را نیمه‌رسانای نوع p می‌نامیم.
شکل 5- ساختار نواری سیلیسیوم آلایش شده با بور
