حركت الكترون و حفره در نیمرسانا

همان طور كه گفته شد در اجسام رسانا به علت فاصله كم بین نوار ظرفیت و نوار رسانش، با تحریك گرمایی، تعدادی الكترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش انتقال می یابند و این باعث می شود نیمرساناها خاصیت رسانندگی از خود نشان دهند.

حال می خواهیم ببینیم انتقال بار الكتریكی در نیمرسانا چگونه صورت می گیرد؟

در فلزات الكترون های آزاد بی شماری یافت می شوند بر این اساس اتم های زیادی به صورت یون مثبت در جسم وجود دارند، ولی این الكترون ها آزاد هستند كه نقش رسانش الكتریكی را ایفا می كنند.

رفتن الكترون از اتم خنثی به اتم یونیزه در نیمرسانا در جهت های تصادفی اتفاق می افتد ولی در حضور میدان الكتریكی در جهت معینی صورت می گیرد و رسانش الكتریكی را به دنبال خواهد داشت.

به شكل زیر توجه كنید:

در شكل رو برو دایره روشن به عنوان اتم خنثی و دایره تیره به عنوان اتم یونیزه (كه دارای بار مثبت است) در نظر گرفته شده است.

وقتی چنین آرایشی درون میدان الكتریكی (با جهتی كه در شكل آمده) قرار گیرد الكترون در خلاف جهت E  شروع به حركت می كند.

پس اتم (2) الكترون خود را به اتم (1) می دهد و آن را خنثی كرده و خود یونیزه می شود.

بعد اتم (3) الكترون خود را به اتم (2) می دهد و آن را خنثی كرده و خود یونیزه می شود و همینطور الی آخر.

بدین ترتیب الكترون از سمت راست به سمت چپ حركت كرده است. از دیدگاه دیگر بار مثبت از سمت چپ به سمت راست حركت كرده است، منظور از بار مثبت جای خالی الكترون است كه به آن "حفره" می گویند.

اگر حركت حفره را بخواهیم در نوارهای انرژی بررسی كنیم می توان گفت كه:

در نوار ظرفیت نیمرسانا (كه پر نیست) با تحریك خارجی، الكترون از تراز پایین ترِ نوارِ ظرفیت به ترازِ بالاتر در همان نوار می رود، بنابراین حفره از ترازِ بالاترِ نوارِ ظرفیت به ترازِ پایین ترِ همان نوار رفته است.

پس در نیمرساناها نقش رسانش را هم الكترون های آزاد و هم حفره ها به عهده دارند طوری كه الكترون های آزاد در جهت خلاف میدان الكتریكی و حفره ها در جهت میدان الكتریكی حركت می كنند.

آلایش نیمرسانا

نیمرسانای نوع n  و نوع p

همان طور كه می دانید وقتی یك نیمرسانا تحریك گرمایی می شود الكترونش از نوار ظرفیت به نوار رسانش می رود و این باعث می شود حفره ایی در نوار ظرفیت ایجاد گردد (كه از نبود الكترون حاصل شده است). بنابراین تعداد الكترون های نوار رسانش و تعداد حفره های موجود در نوار ظرفیت با هم برابر هستند.

نیمرساناهای خالص این گونه اند كه به آن ها نیمرسانای ذاتی می گویند ولی ایجاد چنین نیمرساناهایی كار بسیار دشواری است.

وجود ناخالصی (حتی به مقدار اندك) در یك نیمرسانا باعث تغییرات قابل توجهی می شود كه مورد توجه بسیاری از دانشمندان است. آن ها با اضافه كردن ناخالصی به نیمرسانای ذاتی یك نیمرسانای غیرذاتی می سازند. به چنین كاری "آلایش نیمرسانا" می گویند.

همان طور كه می دانید در نیمرسانای ذاتی نقش رسانش را هم الكترون های آزاد و هم حفره ها به عهده دارند ولی می توانیم ناخالصی را به یك نیمرسانای ذاتی طوری اضافه كنیم كه باعث شود تعداد الكترون های رسانش به طور قابل توجهی از تعداد حفره ها بیشتر شوند.

در چنین حالتی رسانندگی نیمرسانا توسط الكترون های رسانش صورت می گیرد و حفره ها نقشی در رسانندگی نخواهند داشت، به چنین نیمرسانایی، "نیمرسانای نوع n" گفته می شود.

در نوع دیگرِ افزودنِ ناخالصی به یك نیمرسانا، تعداد حفره ها به مقدار قابل توجهی از تعداد الكترون های رسانش بیشتر می شود به طوری كه حفره ها رسانندگی الكتریكی نیمرسانا را به عهده می گیرند و الكترون هایِ رسانش نقش چندانی در رسانندگی الكتریكی نداشته باشند، به چنین نیمرسانایی، "نیمرسانای نوعp " گفته می شود.

مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه: محسنی

تنظیم: مریم فروزان کیا