مقایسه رسانا و نیمرسانا

در شكل زیر تفاوت پر شدن و فاصله بین نوارها در رسانا، نارسانا و نیمرسانا را می بینید.

شكل زیر نوار انرژی یك نارسانا را نشان می دهد. همان طور كه می بینید فاصله بین نوار رسانش و نوار ظرفیت حدود 3 تا 6 الكترون ولت است. با توجه به بحث ما كه رسانندگی الكتریكی مواد است و در چنین بحثی مواد در میدان الكتریكی قرار می گیرند (به باتریی وصل می شوند) و در این میدان انرژیی در حد ١eV به الكترون ها داده می شود، به نظر شما چنین انرژیی می تواند الكترونی را از نوار ظرفیت به نوار رسانش ببرد؟

(الف)

بدیهی است این انرژی نمی تواند الكترونی را از نوار ظرفیت به نوار رسانش منتقل كند. از طرفی با توجه به پر بودن نوار ظرفیت، هیچ الكترونی نیز نمی تواند تراز خود را در نوار ظرفیت تغییر دهد.

بنابراین انرژی داده شده نمی تواند هیچ تغییری در آرایش الكترون ها ایجاد كند و جسم نارسانا هیچ تحرّكی برای عبور جریان از خود نشان نمی دهد.

شكل زیر نوار ترازهای انرژی یك رسانا را نشان می دهد. همان طور كه می بینید تفاوت آن با انرژی نوار نارسانا در این است كه نوار رسانش نیمه پر است. حال با دادن انرژی ایی در حد ١eV می توان الكترون های نوار رسانش را به تراز بالاتر در همان نوار برد.

بدین ترتیب جسم خاصیت رسانندگی بالایی از خود نشان می دهد. البته در این جا هم الكترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش نخواهد رفت و با توجه به پر بودن نوار ظرفیت می توان گفت كه الكترون های نوار ظرفیت هیچ نقشی در رسانندگی الكتریكی ندارند.

(ب)

شكل زیر نوار انرژی نیمرسانا را نشان می دهد. همان طور كه می بینید گاف انرژی بین نوار ظرفیت و نوار رسانش كمتر از 2eV است. به عنوان مثال گاف انرژی برای ژرمانیم 0/65eV و برای سیلیسیوم 1/14eV است. بنابراین با اعمال میدان الكتریكی می توان انتظار داشت كه الكترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش انتقال یابد و در رسانش الكتریكی شركت كند.

(پ)

حال می توانیم سراغ بررسی تأثیر دما روی رسانندگی رسانا و نیمرسانا برویم.وقتی دمای رسانا افزایش می یابد تحرّك الكترون ها و اتم ها زیاد می شود ولی تعداد الكترون های رسانش تغییر نمی كند. بنابراین مقاومتی كه اتم ها در مقابل حركت الكترون ها نشان می دهند به خاطر افزایش تحرّكشان، زیاد می شود و بدین ترتیب رسانندگی رسانا با افزایش دما، كاهش می یابد.

در مقابل وقتی در نیمرسانا دما افزایش می یابد تعداد الكترون هایی كه از نوار ظرفیت به نوار رسانش انتقال می یابند زیاد می شود و این موضوع باعث افزایش الكترون های رسانش می گردد. از طرف دیگر تحرّك اتم ها نیز بیشتر می شود. بنابراین با دو فرآیند سر و كار داریم، یكی افزایش الكترون های رسانش كه رسانندگی بیشتر را به همراه دارد و دیگری افزایش تحرّك اتم ها كه رسانندگی را كم می كند.

ولی در نیمرساناها اولی غلبه دارد، یعنی در اثر گرم كردن یك نیمرسانا (افزایش دمای آن) میزانِ افزایشِ رسانندگیِ ناشی از افزایش تعداد الكترون های رسانش بر كاهش رسانندگی ناشی از افزایش تحرّك اتم ها می چربد. بنابراین افزایش دمای نیمرسانا با افزایش رسانندگی (كاهش مقاومت) آن همراه است.

مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه: محسنی

تنظیم: مریم فروزان کیا