رسانش در مواد مختلف
مریم: یکی از جنبه های مهم نیمه رساناها جفت شدگی الکترون – حفره است. برای این که یک نیمه رسانا را وادار به انتقال جریان کنیم، باید الکترون را از یک تراز اشغال شده به تراز اشغال نشده ای بپرانیم. وقتی این اتفاق بیفتد یک حفره (فضای خالی) باقی خواهد ماند. این حفره می تواند با یک الکترون دیگر پر شود، که این خود یک حفره ی جدید به وجود می آورد. بنابراین می توانیم بگوییم که الکترون و حفره، همان طور که دور ماده می چرخند در رسانش ماده هم مؤثر هستند.حفره را می شود به عنوان بار مثبت (نبود بار منفی) و الکترون را به عنوان بار منفی در نظر گرفت.
علی: این کمی شبیه یک پازل ساده است که در آن شما سعی می کنید با جابه جایی اجزاء به تصویر شکل دهید. قطعاتی که جدا می شوند، مثل الکترون ها رفتار می کنند.
مریم: همان طور که قبلاً گفتیم، ظرفیت رسانایی در نیمه رساناها چیزی بین مواد رسانا و نارسانا است. اگر ما دقیق تر به مواد نگاه کنیم، می توانیم به علت این رفتار آن ها پی ببریم. قبل از شروع بحث توجه کنید که علی رغم نام پیشنهادی، نوار رسانش تنها نواری نیست که ممکن است در آن رسانش اتفاق بیفتد، رسانش ممکن است در تراز ظرفیت هم اتفاق بیفتد.
در یک رسانای خوب مانند آهن، آخرین نوار انرژی و نوار ظرفیت هر دو نیمه پر اند. معنی اش این است که الکترون ها می توانند شتاب بگیرند و به نوارهای بالاتری بروند که خالی بوده اند و انرژی بیشتری داشته اند. این کار به راحتی انجام می شود چون رساناها در تراز رسانش فضای خالی زیادی برای الکترون ها دارند.
در نیمه رساناها فاصله ی بین نوار رسانش و نوار ظرفیت ناچیز است. در دماهای خیلی پایین تمام تراز ظرفیت پر می شود و فضای خالی ای برای الکترون ها باقی نمی ماند که در آن شتاب بگیرد. به همین دلیل در دماهای پایین، نیمه رساناها درست مثل عایق عمل می کنند. در دمای اتاق، الکترون ها در تراز ظرفیت شروع به ارتعاش می کنند به طوری که بعضی از آن ها از تراز ظرفیت به جاهای خالی موجود در تراز رسانش منتقل می شوند. رسانش در دمای اتاق آن قدر ناچیز است که عملاً نمی شود گفت که جریان مشخصی عبور کرده است.
در عایق ها، نوار ظرفیت کاملاً پر است. به علاوه نوار ممنوعه ی بین نوار ظرفیت و رسانش هم خیلی عریض می باشد. هیچ الکترونی نمی تواند در دمای اتاق به طریقی به نوار رسانش بپرد. در نتیجه ماده عایق اصلاً امکان رسانایی ندارد.
علی: اگر فکر می کنید که توضیحات مریم در مورد خاصیت رسانایی در مواد مختلف کافی بوده، می توانید از این بخش صرف نظر کنید. ولی اگر کمی شک دارید، من سعی خواهم کرد که به یک روش دیگر این پدیده را برای شما توضیح بدهم. من برای توضیح بهتر از یک لیوان غیر واقعی استفاده می کنم که از قسمت های مختلف تشکیل شده باشد. هرکدام از این قسمت ها شبیه نوار های انرژی هستند و آب هم مثل الکترون هایی می ماند که این ترازها را اشغال کرده باشد. این بار لیوان فقط دو قسمت دارد. یکی متناظر تراز ظرفیت و دیگری تراز رسانش.
در یک رسانا، نوار ظرفیت نیمه پراست. معنایش این است که در لیوان ما، نوار ظرفیت تا نیمه با آب پر شده است. اگر لیوان را از این پهلو به آن پهلو کنیم، می بینیم که آب به راحتی عقب و جلو می رود. درست شبیه الکترون ها که در رسانا همین اتفاق برایشان می افتد.
دمای بالا - دمای پایین
یک نیمه رسانا در دمای پایین مثل عایق عمل می کند به خاطر این که الکترون ها فضایی ندارند که بتوانند در آن راحت جا به جا بشوند. قسمت ظرفیت کاملاً پر شده و اهمیتی ندارد که ما لیوان را چه طور حرکت بدهیم چون اصلًا فضایی برای جا به جا شدن آب وجود ندارد. در دمای اتاق، انرژی گرمایی اتم ها را به ارتعاش های ناچیز وا می دارد، همین هم برای بعضی از الکترون ها کافیست تا به محدودیت هایشان غلبه کنند و وارد نوار رسانش شوند. اگر ما بتوانیم بخشی از الکترون ها را از نوار ظرفیت به نوار رسانش انتقال بدهیم، فضای خالی برای آب (الکترون ها) ایجاد می شود تا در هر دو نوار بتوانند به راحتی جا به جا بشوند. اگر لیوان مان را کج کنیم، آب در هر دونوار رسانش و ظرفیت جا به جا می شود. بنابراین ما در دمای اتاق هم رسانای ضعیفی داریم.
در عایق ها، نوار ظرفیت کاملاً پر است و در نتیجه هیچ الکترونی امکان حرکت ندارد. در لیوان هر طور هم که لیوان را کج و کوله کنیم، هیچ آبی جا به جا نمی شود. نوار ممنوعه ی بین نوار ظرفیت و نوار رسانش خیلی زیاد است. برای انتقال آب (الکترون) از قسمت ظرفیت به رسانش نیاز به آن چنان انرژی ای داریم که قبل از انجام هر جور جهشی خود لیوان در آستانه ی شکستن قرار می گیرد.
