منو
 صفحه های تصادفی
قیام سالار الدوله
راهنمایی های معاویه به یزید
انواع خانواده
فهرست بیماریها
عمق ظاهری و عمق واقعی
شورش افغانهای غلجایی
درمان زگیل های کف پایی
هوا سقوط اجسام را آهسته می کند
حدیث منزلت
توصیف امام باقر علیه السلام از دنیا برای جابر بن یزید جعفی
 کاربر Online
425 کاربر online

طبیعت جریان الکتریکی در نیم رساناها

تازه کردن چاپ
مهندسی و فن‌آوری > مهندسی > مهندسی برق
علوم طبیعت > فیزیک > الکتریسیته و مغناطیس > الکتریسیته
علوم طبیعت > فیزیک > فیزیک جامد و الکترونیک > فیزیک الکترونیک
(cached)

دید کلی

بیشترین مواد نه به دی الکتریکهای خوب مانند کهربا ، کوارتز یا سفال تعلق دارند و نه رساناهای خوب مثل فلزات ، بلکه میان آنها جای بینابینی را اشغال می‌کنند. این مواد را نیم رسانا می‌نامند. رسانندگی اجسام گوناگون در گستره وسیعی تغییر می‌کند. دی الکتریکهای خوب دارای رسانندگی ناچیزی هستند از 10- 8 تا 18 - 10 ثانیه بر متر (s/m) ، در حالی که رسانندگی فلزات ، بر عکس آنها ، کاملا زیاد است: از 6 - 10 تا 8 - 10 ثانیه بر متر. از نظر رسانندگی نیم رساناها بین این دو حد قرار دارند.



img/daneshnameh_up/b/bc/semiconductor1.JPG




رسانش در نیم رساناها

نیم رساناهای به اصطلاح الکترونیکی ، از توجه علمی و فنی خاصی برخوردارند مثل فلزات ، عبور جریان الکتریکی از داخل نیم رساناها هیچ گونه تبدیل شیمیایی به همراه ندارد. این امر ما را به این نتیجه می‌رساند که حاملهای بار آزاد در نیم رساناها الکترونها هستند نه یونها. به عبارتی دیگر ، این مواد ، درست مثل فلزات ، رسانش الکترونی دارند.

ولی این که در رسانندگی فلزات و نیم رساناها به شدت متفاوت است نشان می‌دهد که باید ، در شرایط عبور جریان الکتریکی از فلزات و نیم رساناها اختلاف کیفی نسبتا عمیقی وجود داشته باشد. تعدادی ویژگیهای دیگر نیز در خواص الکتریکی نیم رساناها وجود دارد که اختلاف اساسی در ساز و کار رسانشی فلزات و نیم رساناها را آشکار می‌کند.

رسانندگی در نیم رساناها

  • رسانندگی برابر است با جریانی که بر اثر میدان الکتریکی با شدت 1V/m (یک ولت بر متر) از واحد سطح مقطع رسانایی می‌گذرد. هر چه سرعت بدست آمده u حاملهای بار در این میدان بالاتر و چگالی عددی حاملهای بار n ، یعنی تعدادشان در واحد حجم بیشتر باشد، شدت جریان الکتریکی قویتر خواهد بود.

  • در اجسام جامد و مایع و گازها تحت شرایط متعارفی ، سرعت حاملها به سبب اصطکاکی که در برابر حاملهای متحرک وجود دارد با شدت میدان الکتریکی متناسب است. در این موارد ، سرعت u متناظر با شدت میدان الکتریکی 1V/m (ولت بر متر) ، تحرک بار نام دارد.

  • اگر بارها در امتداد میدان با سرعت u حرکت کنند، همه بارهایی که با فاصله u (یا فاصله کمتر) از سطح مقطع واحد هستند، در واحد زمان از میان آن می‌گذرند. این بارها حجم u (متر مکعب) را پر می‌کنند و تعدادشان nq است. بارهایی که در واحد زمان از واحد سطح مقطع می گذرند برابرند با nuq ، در اینجا q بار یک حامل بار است، در نتیجه رسانندگی بار nuq می‌باشد.



تصویر




  • اختلاف در رسانندگی فلزات و نیم رساناها به اختلاف بسیار زیاد در چگالی عددی حاملهای بار وابسته است. اندازه گیری نشان می‌دهند که یک متر مکعب فلز دارای 1028 تا 1029 الکترون است، یعنی به ازای هر اتم فلز حدود یک الکترون آزاد وجود دارد. در نیم رساناها چگالی عددی الکترونهای رسانش کسری از میلیونیم این رقم می‌باشد.

  • اختلاف مهم دیگر در خواص الکتریکی فلزات و نیم رساناها این است که رسانندگی آنها به طرق مختلف به دما وابستگی دارد. به خوبی می‌دانیم که مقاومت رساناها با دما افزایش می‌یابد، یعنی رسانندگی آنها با دما کاهش می‌یابد. اما بر عکس آنها رسانندگی نیم رساناها با افزایش دما زیاد می‌شود. بر اثر گرم کردن تحرک الکترونها در فلزات کاهش می‌یابد، در حالیکه در نیم رساناها این تحرک بسته به محدوده دمای تحت بررسی ممکن است با افزایش دما بیشتر یا کمتر شود.




تصویر




  • اینکه رسانندگی نیم رساناها با دما به رغم کاهش تحرک حاملهای بار ، افزایش می‌یابد، نشان می‌دهد که با افزایش دما ، تعداد الکترونهای آزاد در نیم رساناها خیلی سریع رشد می‌کند و اثر این عامل از کاهش تحرک قویتر است. در دمای خیلی پایین (در نزدیکی صفر مطلق) در نیم رساناها تعداد الکترونهای آزاد به میزان قابل اغماض کم است. با بالا رفتن دما ، تعداد الکترونهای آزاد به شدت رشد می‌کند و در دمای به قدر کافی بالا ممکن است رسانندگی نیم رساناها به رسانندگی فلزات برسد.

    این بستگی شدید تعداد الکترونهای آزاد به دما مشخصترین خصلت نیم رساناهاست، که آنها را از فلزات که تعداد الکترونهای آزادشان به دما بستگی ندارد، جدا می‌کند. این ویژگی نشان می‌دهد که در نیم رسانا برای انتقال یک الکترون از حالت مقید که در آن نمی‌تواند از حالتی به حالت دیگر حرکت کند، به حالت آزاد که در این حالت در جسم آزادانه پرسه می‌زند، باید به الکترون مقداری انرژی W داده شود. این مقدار انرژی W که آنرا انرژی یونش می‌نامند، برای موارد مختلف ، متفاوت است. اما بطور کلی از چند دهم تا چند الکترون ولت می‌رسد.

  • در دماهای عادی ، انرژی میانگین حرکت گرمایی خیلی پایینتر از انرژی یونش است، ولی معلوم شده است که بعضی از ذرات (بویژه برخی از الکترونها) دارای سرعتها و انرژیهایی هستند که به مقدار زیادی از مقدار میانگین بیشتر است. بخش کوچکی از الکترونها آنقدر انرژی دارند که برای گذاشتن آنها از حالت مقید به حالت آزاد کافی است. همین الکترونها حتی در دمای عادی عبور جریان الکتریکی در نیم رسانا را تآمین می‌کنند.

  • با افزایش دما تعداد الکترونهای آزاد به سرعت رشد می‌کند. به عنوان مثال ، اگر انرژی w لازم برای آزاد کردن یک الکترون در دمای عادی یک الکترون ولت (1ev) باشد، فقط یک الکترون از 1013 اتم دارای انرژی گرمایی به قدر کافی بالا برای رهایی خود خواهد بود.

  • چگالی عددی الکترونهای آزاد خیلی پایین است (حدود 1016m-3). اما باز هم برای ایجاد جریانهای قابل اندازه گیری کافی است. اگر دما تا 80 - درجه سانتیگراد پایین آورده شود، تعداد الکترونهای آزاد تا حدود 1.500000000 مقدار متناظر با دمای عادی کاهش می‌یابد و جسم عملا دی الکتریک می‌شود. برعکس ، اگر دما تا 200 درجه سانتیگراد بالا برود، تعداد الکترونهای آزاد 20000 برابر و در دمای 800 درجه سانتیگراد این تعداد 500000000 برابر می‌شود. به رغم کاهش تحرک الکترونهای آزاد ، که اثر مخالف بوجود می‌آورد، رسانندگی جسم افزایش می‌یابد.




img/daneshnameh_up/5/59/semiconductor.jpg




  • اختلاف اساسی بین نیم رساناها و فلزات در این است که در نیم رساناها برای انتقال الکترون از حالت مقید به حالت غیر مقید باید مقدار انرژی لازم به الکترون داده شود، ولی در فلزات ، حتی در دمای بسیار پایین ، تعداد زیاد الکترونهای آزاد وجود دارد. نیروهای اندرکنش بین مولکولی در فلزات خودشان به قدر کافی قوی هستند تا بخشی از الکترونها را آزاد کنند.

  • افزایش خیلی سریع تعداد الکترونهای آزاد با دما در نیم رساناها مربوط به این واقعیت است، که تغییر مقاومت الکتریکی با دما در نیم رساناها 10 تا 20 برابر فلزات است. در فلزات به ازای تغییر دمای یک درجه سانتیگراد رسانندگی بطور متوسط 0.3% تغییر می‌کند، در حالیکه در نیم رساناها همین اندازه تغییر در دما موجب 3 تا 6% تغییر در رسانندگی می‌شود و افزایش دما به اندازه 100 درجه سانتیگراد رسانندگی آنها را 50 برابر می‌کند.

مباحث مرتبط با عنوان



تعداد بازدید ها: 18476


ارسال توضیح جدید
الزامی
big grin confused جالب cry eek evil فریاد اخم خبر lol عصبانی mr green خنثی سوال razz redface rolleyes غمگین smile surprised twisted چشمک arrow



از پیوند [http://www.foo.com] یا [http://www.foo.com|شرح] برای پیوندها.
برچسب های HTML در داخل توضیحات مجاز نیستند و تمام نوشته ها ی بین علامت های > و < حذف خواهند شد..