نیمه هادی درونی و نیمه هادی بیرونی – باند انرژی و دوپینگ چیست؟

نیمه رسانا همانطور که از نامش پیداست نوعی ماده است که خواص رسانا و عایق را نشان می دهد. یک ماده نیمه هادی به سطح معینی از ولتاژ یا گرما نیاز دارد تا حامل های خود را برای هدایت آزاد کند. این نیمه هادی ها بر اساس تعداد حامل ها به دو دسته «ذاتی» و «خارجی» طبقه بندی می شوند. حامل ذاتی خالص ترین شکل نیمه هادی و تعداد مساوی الکترون (حامل بار منفی) و سوراخ (حامل بار مثبت) است. مواد نیمه هادی که عمیقاً مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از سیلیکون (Si)، ژرمنیوم (Ge) و آرسنید گالیم (GaAs). بیایید ویژگی ها و رفتار این نوع نیمه هادی ها را مطالعه کنیم. نیمه هادی ذاتی چیست؟ نیمه هادی ذاتی را می توان به عنوان ماده شیمیایی خالص بدون افزودن هیچ ناخالصی یا دوپینگی به آن تعریف کرد. متداول ترین نیمه هادی های ذاتی یا خالص موجود سیلیکون (Si) و ژرمانیوم (Ge) هستند. رفتار نیمه هادی در اعمال یک ولتاژ معین به ساختار اتمی آن بستگی دارد. بیرونی ترین پوسته سیلیکون و ژرمانیوم هر کدام چهار الکترون دارند. برای تثبیت یکدیگر، اتم های نزدیک بر اساس اشتراک الکترون های ظرفیت، پیوندهای کووالانسی تشکیل می دهند. این پیوند در ساختار شبکه کریستالی سیلیکون در شکل 1 نشان داده شده است. در اینجا می توان دید که الکترون های ظرفیت دو اتم Si با هم جفت می شوند تا یک پیوند کووالانسی را تشکیل دهند. شکل 1. پیوند کووالانسی اتم سیلیکون در همه پیوندهای کووالانسی پایدار هستند و هیچ حاملی برای هدایت در دسترس نیست. در اینجا نیمه هادی ذاتی به عنوان یک عایق یا نارسانا رفتار می کند. حالا اگر دمای محیط به دمای اتاق نزدیک شود، پیوندهای کووالانسی شروع به شکستن می کنند. بنابراین الکترون های لایه ظرفیتی آزاد می شوند تا در رسانایی شرکت کنند. با رها شدن تعداد بیشتری از حامل ها برای هدایت، نیمه هادی شروع به رفتار به عنوان یک ماده رسانا می کند. نمودار باند انرژی ارائه شده در زیر این انتقال حامل ها از باند ظرفیت به نوار رسانایی را توضیح می دهد. نمودار باند انرژی نمودار باند انرژی نشان داده شده در شکل 2(a) دو سطح، نوار هدایت و باند ظرفیت را نشان می دهد. فضای بین دو باند را شکاف ممنوع می گویند شکل 2 (الف). نمودار باند انرژی شکل شکل 2 (ب). الکترون‌های باند رسانایی و ظرفیت در یک نیمه‌رسانا وقتی یک ماده نیمه‌رسانا تحت گرما یا ولتاژ اعمالی قرار می‌گیرد، تعداد کمی از پیوندهای کووالانسی شکسته می‌شوند، که همانطور که در شکل 2 (ب) نشان داده شده است، الکترون‌های آزاد تولید می‌کند. این الکترون‌های آزاد برانگیخته می‌شوند و انرژی می‌گیرند تا بر شکاف ممنوع غلبه کنند و از نوار ظرفیت وارد نوار رسانایی شوند. همانطور که الکترون باند ظرفیت را ترک می کند، یک حفره در نوار ظرفیت باقی می گذارد. در یک نیمه رسانای ذاتی همیشه تعداد مساوی الکترون و حفره ایجاد می شود و از این رو خنثی الکتریکی از خود نشان می دهد. هم الکترون ها و هم حفره ها مسئول هدایت جریان در نیمه هادی ذاتی هستند. نیمه هادی بیرونی چیست؟ نیمه هادی بیرونی به عنوان ماده ای با ناخالصی اضافه یا نیمه هادی دوپ شده تعریف می شود. دوپینگ فرآیند افزودن عمدی ناخالصی ها برای افزایش تعداد ناقلین است. عناصر ناخالصی مورد استفاده به عنوان ناخالصی نامیده می شوند. از آنجا که تعداد الکترون ها و حفره ها در رسانای خارجی بیشتر است ، هدایت بیشتری نسبت به نیمه هادی های ذاتی نشان می دهد. بر اساس ناخالصی های مورد استفاده، نیمه هادی های بیرونی بیشتر به عنوان "نیمه هادی نوع N" و "نیمه هادی نوع P" طبقه بندی می شوند. نیمه هادی های نوع N: نیمه هادی های نوع N با ناخالصی های پنج ظرفیتی دوپ شده اند. عناصر پنج ظرفیتی به این دلیل نامیده می شوند که در لایه ظرفیت خود 5 الکترون دارند. نمونه های ناخالصی پنج ظرفیتی عبارتند از فسفر (P) ، آرسنیک (As) ، آنتیموان (Sb). همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، اتم ناخالص با به اشتراک گذاشتن چهار الکترون ظرفیت خود با چهار اتم سیلیکون همسایه، پیوندهای کووالانسی ایجاد می کند. الکترون پنجم به طور سست به هسته اتم ناخالص متصل می ماند. انرژی یونیزاسیون بسیار کمتری برای آزاد کردن الکترون پنجم مورد نیاز است تا از نوار ظرفیت خارج شده و وارد نوار رسانایی شود. ناخالصی پنج ظرفیتی یک الکترون اضافی به ساختار شبکه وارد می کند و از این رو به آن ناخالصی دهنده می گویند.شکل 3. نیمه هادی نوع N با ناخالصی دهنده دهنده نیمه هادی نوع P: نیمه رساناهای نوع P با نیمه هادی سه ظرفیتی دوپینگ می شوند. ناخالصی های سه ظرفیتی دارای 3 الکترون در لایه ظرفیت خود هستند. نمونه هایی از ناخالصی های سه ظرفیتی عبارتند از بور (B)، گالیم (G)، ایندیم (In)، آلومینیوم (Al). همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، اتم ناخالص تنها با سه اتم سیلیکون همسایه پیوندهای کووالانسی ایجاد می کند و یک سوراخ یا جای خالی در پیوند با اتم سیلیکون چهارم ایجاد می شود. این حفره به عنوان حامل مثبت یا فضایی برای اشغال الکترون عمل می کند. بنابراین ناخالصی سه ظرفیتی یک جای خالی یا حفره مثبت ایجاد کرده است که می تواند به راحتی الکترون ها را بپذیرد و از این رو به آن ناخالصی گیرنده می گویند.  شکل 4. نیمه هادی نوع P با ناخالصی پذیرنده غلظت حامل در نیمه هادی ذاتی غلظت حامل ذاتی به عنوان تعداد الکترون ها در واحد حجم در نوار رسانایی یا تعداد سوراخ ها در واحد حجم در نوار ظرفیت تعریف می شود. به دلیل ولتاژ اعمال شده، الکترون از نوار ظرفیت خارج می شود و یک حفره مثبت در جای خود ایجاد می کند. این الکترون بیشتر وارد نوار رسانایی می شود و در هدایت جریان شرکت می کند. در یک نیمه هادی ذاتی، الکترون های تولید شده در نوار رسانایی برابر با تعداد حفره های نوار ظرفیت است. بنابراین غلظت الکترون (n) برابر غلظت حفره (p) در یک نیمه هادی ذاتی است. غلظت حامل ذاتی را می توان به صورت زیر بیان کرد: n_i = n = p جایی که n_i: غلظت حامل ذاتی n: غلظت حامل الکترون p: سوراخ غلظت حامل رسانایی نیمه هادی ذاتی از آنجایی که نیمه هادی ذاتی در معرض گرما یا ولتاژ اعمالی قرار می گیرد، الکترون ها از باند ظرفیتی به نوار رسانایی حرکت می کنند و یک حفره مثبت یا جای خالی در باند ظرفیت باقی می گذارند. با شکسته شدن پیوندهای کووالانسی بیشتر، دوباره این حفره ها توسط الکترون های دیگر پر می شوند. بنابراین الکترون ها و حفره ها در جهت مخالف حرکت می کنند و نیمه هادی ذاتی شروع به هدایت می کند. هنگامی که تعدادی از پیوندهای کووالانسی شکسته می شوند، رسانایی افزایش می یابد و در نتیجه حفره های بیشتری برای هدایت آزاد می شود. رسانایی یک نیمه هادی ذاتی بر حسب تحرک و غلظت حامل های بار بیان می شود. بیان برای رسانایی یک نیمه هادی ذاتی به صورت زیر بیان می شود: نیمه هادی n_i: غلظت حامل ذاتی μ_e: تحرک الکترون ها μ_h: تحرک سوراخ ها لطفاً برای اطلاعات بیشتر در مورد MCQ های نظریه نیمه هادی به این لینک مراجعه کنید.

ترک یک پیام 

فهرست پیام