بررسی مولفه‌های عبور جریان الکتریکی در انواع نیمه‌هادی‌ها
بررسی مولفه‌های عبور جریان الکتریکی در انواع نیمه‌هادی‌ها
هدایت الکتریکی در نیمه‌هادی‌ها توسط دو نوع حامل بار الکتریکی، یعنی الکترونه‌های آزاد و حفره‌ها صورت می‌گیرد. در این مواد الکترون‌های ظرفیت نمی‌توانند آزادانه به هر سو حرکت نمایند، بلکه در پیوندهای کووالان بین اتم‌ها محصورند. مهمترین نیمه‌هادی‌ها در الکترونیک، سیلیکن (Si) و ژرمانیم (Ge) هستند. این دو عنصر علیرغم داشتن چهار الکترون ظرفیت، در دمای معمولی از هدایت الکتریکی خوبی برخوردار نیستند. نیمه‌هادی‌ها گروهی از مواد هستند که از نظر توانایی هدایت الکتریکی ، بین هادی و عایق قرار دارند. موضوع جالب توجه در مورد نیمه‌هادی‌ها این است که ، هدایت الکتریکی آنها تحت تاثیر عواملی چون تحریک نوری ، افزایش دما و تغییر میزان ناخالصی به نحو قابل ملاحظه‌ای تغییر می‌یابد. این خاصیت مهم ، مبنای کار بسیاری از قطعه‌های نیمه‌هادی است که در الکترونیک مورد استفاده قرار می‌گیرد. ما در این مقاله به بررسی مولفه‌های عبور جریان الکتریکی در انواع نیمه‌هادی‌ها می پردازیم .
بررسی مولفه‌های عبور جریان الکتریکی در انواع نیمه‌هادی‌ها
مبنای ایجاد جریان الکتریکی در اجسام ، جابه‌جایی بارهای الکتریکی است. البته چنانچه این جابه‌جایی به صورت تصادفی و بدون داشتن یک جهت مشخص انجام پذیرد ، جریان الکتریکی به وجود نمی آید. در نیمه هادی ها ، هر دو نوع حامل بار الکتریکی ، یعنی الکترون های آزاد و حفره ها ، در ایجاد جریان دخالت دارند. جابه‌جایی این حامل ها ممکن است تحت تاثیر یک میدان الکتریکی صورت پذیرد ، که در این صورت آن را جریان هدایتی گویند. پدیده دیگری به نام انتشار نیز در جابه‌جایی حامل‌های بار الکتریکی در نیمه‌هادی‌ها موثر است ، که جریان ناشی از آن را جریان انتشاری (نفوذی) گویند.
قطعات الکترونیکی ساخته شده از نیمه هادی ها
از جمله قطعات الکترونیکی که در ساخت آنها از نیمه هادی ها استفاده شده می توان به موارد زیر اشاره کرد.
انواع دیود ها
ترانزیستورها
مدارات مجتمع (آی سی ها)
اکثر سنسور ها.
جریان هدایتی در نیمه‌هادی‌ها چگونه به وجود می آید؟
در مورد فلزات اعمال میدان الکتریکی، باعث حرکت الکترون های آزاد در خلاف جهت میدان و در نتیجه ایجاد جریان الکتریکی می شود. در نیمه هادی های نوع N و P نیز، حامل های اکثریت که به ترتیب الکترون های آزاد و حفره‌ها هستند، تحت تاثیر میدان الکتریکی به حرکت در آمده و مولفه های اصلی جریان هدایتی را تشکیل می دهند. در شکل زیر جهت تشکیل جریان هدایتی در بلورهای سیلیکن نوع N و P، با توجه به میدان الکتریکی نشان داده شده است. همانطور که ملاحظه می شود ، جریان ناشی از حفره ها و الکترون های آزاد ، در یک جهت است ، ولی حرکت آنها در خلاف جهت یکدیگر صورت می گیرد.
رابطه چگالی جریان هدایتی با شدت میدان الکتریکی برای هر یک از حامل ها مشابه رابطه 1 بوده و به ترتیب برای نیمه‌هادی‌های نوع N و P به صورت رابطه 2 و 3 خواهد بود.
بررسی مولفه‌های عبور جریان الکتریکی در انواع نیمه‌هادی‌ها
نکته :
از آنجا که PN و np ،
چگالی حامل‌های اقلیت هستند و در مقابل چگالی حامل‌های اکثریت می‌توان از آنها صرف نظر کرد ،
رسانایی نیمه‌هادی‌های نوع N و P را می‌توان از روابط تقریبی 4 و 5 بدست آورد.
توجه :
روابط مذکور بیانگر این واقعیت است ،
که در نیمه‌هادی‌های ناخالص ، عملا حامل‌های اکثریت هستند ،
که در ایجاد جریان هدایتی نقش دارند ،
و از جریان مربوط به حامل‌های اقلیت می‌توان چشم‌پوشی کرد.
منظور از جریان انتشاری در نیمه‌هادی‌ها چیست؟
این جریان ناشی از عدم یکنواختی تراکم حامل‌های بار الکتریکی در نیمه‌هادی بوده و بدون وجود میدان الکتریکی خارجی می تواند برقرار شود. در شکل زیر یک قطعه نیمه‌هادی نوع P ، که در آن چگالی حفره‌ها از سمت چپ به راست به صورت نمایی کاهش می یابد ، نشان داده شده است. (در هر نقطه چگالی حفره‌ها ، برابر چگالی اتم‌های ناخالصی پذیرنده است).
بررسی مولفه‌های عبور جریان الکتریکی در انواع نیمه‌هادی‌ها
اگر فرض کنیم بلور توسط صفحه فرضی C در محل نشان داده شده قطع شود ، در طرفین این صفحه و درست نزدیکی آن ، چگالی حفره‌ها در سمت راست کمتر از سمت چپ می باشد. طبیعی است که در اثر حرکت تصادفی حفره‌ها ، تعدادی از آنها از این صفحه فرضی عبور خواهند کرد. اما از آنجا که تعداد حفره‌ها در سمت چپ این صفحه بیشتر است ، و با توجه به اینکه حرکت تصادفی حفره‌ها یک پدیده آماری است ، واضح است که احتمال عبور حفره‌ها از سمت چپ صفحه به طرف راست آن ، بیشتر از احتمال گذشتن آنها در خلاف این جهت است. به عبارت دیگر در هر مقطع از بلور ، جریانی از حفره‌ها به سمت راست برقرار خواهد بود. این جریان که ناشی از انتشار حامل ها از ناحیه با تراکم بیشتر به ناحیه با تراکم کمتر است را جریان انتشاری گویند.
نکته :
بر طبق قانون انتشار ،
چگالی جریان انتشاری با گرادیان بارهای الکتریکی متناسب است.
ضریب این تناسب ،
ثابت انتشار نامیده می‌شود.
طبق رابطه بالا (رابطه 6).
چند نکته مهم در مورد جریان انتشاری در نیمه‌هادی‌ها
در معادله 6 ، Dp ثابت انتشار مربوط به حفره و Jp چگالی جریان حفره است. توجه کنید که علامت منفی در این رابطه ، به خاطر آن است که گرادیان چگالی حفره‌ها منفی بوده ، در حالی که جریان انتشاری در جهت مثبت محور xها است. در مورد جریان انتشاری ناشی از الکترون‌های آزاد نیز ، رابطه 6 برقرار است ، با این تفاوت که چون جهت جریان خلاف جهت انتشار الکترون‌های آزاد است ، نیازی به علامت منفی نیست. اکنون این سئوال مطرح می شود که ، با وجود اینکه از خارج به این قطعه نیمه‌هادی ، حفره یا الکترون آزادی وارد نمی شود.
چگونه می توان وجود چگالی جریان در نیمه هادی ها را تفسیر نمود؟
برای پاسخ به این سئوال
باید گفت :
که هر اتم ناخالص پذیرنده پس از یونیزه شدن به صورت یک یون منفی ساکن در می آید.
در حقیقت به ازای هر حفره ،
یک یون منفی وجود دارد و می توان چنین استدلال کرد ،
که در نزدیکی صفحه و در سمت چپ آن ،
چگالی این بار منفی ساکن نسبت به سمت راست آن بیشتر است.
این توزیع بارهای ساکن باعث ایجاد یک میدان الکتریکی با جهت از راست به چپ می شود.
این میدان الکتریکی داخلی به نوبه خود یک جریان هدایتی به وجود می آورد
که اندازه آن درست برابر جریان انتشاری ،
ولی در خلاف جهت آن است.
از مساوی قرار دادن اندازه این دو جریان می توان
شدت میدان الکتریکی داخلی را در هر نقطه X محاسبه نمود.
بررسی مولفه‌های عبور جریان الکتریکی در انواع نیمه‌هادی‌ها
جدول مقادیر بعضی از پارامترهای مهم نیمه‌هادی‌های سیلیکن و ژرمانیم
معادله مذکور ، شدت میدان الکتریکی داخلی ناشی از گرادیان چگالی ناخالصی های پذیرنده در هر نقطه از قطعه نیمه‌هادی شکل فوق را بیان می‌کند. مقدار VT در دمای 300 درجه کلوین ، تقریبا برابر 26 میلی ولت است. در جدول زیر مقادیر بعضی پارامترهای مهم نیمه‌هادی‌های سیلیکن و ژرمانیم در دمای 300 درجه کلوین ارائه شده است.
