برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۰ تا ۱۳۹۷/۰۵/۲۶

آمار مقاله
  • بازدید کل ۷۹,۶۲۳
  • بازدید این ماه ۱۹۴
  • بازدید امروز ۳
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۲,۴۲۷
  • قبول شدگان ۲,۱۰۸
  • شرکت کنندگان یکتا ۸۸۸
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۹
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

مقدماتی

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

خواص الکتریکی مواد و تئوری نواری

در مقاله کریستالوگرافی به عنوان یکی از مباحث اساسی در فیزیک حالت جامد پرداخته شد. در این بخش به بحث خواص الکتریکی مواد و بحث‌های فیزیکی پیرامون، پرداخته خواهد شد. بر این اساس در ابتدا موضوعات کلی در ارتباط با رسانایی الکتریکی در مواد جامد مطرح خواهد شد و سپس تئوری نواری به عنوان یکی از مباحث فیزیکی مهم در این ارتباط ارائه می‌شود. در نهایت نیز نیمه‌هادی‌ها، به عنوان یکی از مواد پرکاربرد در الکترونیک و کاربردهای آن‌ها بررسی خواهند شد.
filereader.php?p1=main_bd19836ddb62c11c5


1- رسانایی الکتریکی در مواد جامد

میزان رسانایی الکترونیکی در مواد جامد بسیار متنوع است. بر اساس میزان مقاومت مواد در عبور جریان الکتریکی، مواد مختلف را می‌توان به دسته‌های مختلف رسانا، نیمه رسانا و عایق دسته‌بندی کرد. این در حالی است که ابررساناها ساز و کار متفاوتی را برای هدایت الکترون ها استفاده می کنند. رسانایی الکتریکی یک جامد را می توان به تعداد الکترونهای آزادی که تحت تاثیر یک میدان الکتریکی خارجی آزادانه در ماده حرکت می کنند؛ و همچنین موبیلیته (Mobility) که معیاری از توانایی و سرعت حرکت الکترون‌های آزاد است، نسبت داد. به طور تقریبی فلزات به عنوان رسانا دارای رسانایی در حد 107(Ωm)-1 ؛ عایق‌ها دارای رسانایی در حد 20-10 تا 10-10(Ωm)-1 و نیمه‌رساناها دارای رسانایی در حد 6-10 تا Ωm)-1 104) می‌باشد.

اتمهای مواد مختلف دارای الکترونهایی هستند که در فاصله‌های مختلف به دور هسته در حال گردش می‌باشند. الکترونی که به هسته نزدیکتر است انرژی کمتری دارد. اما نیروی جاذبه وارد شده از هسته به آن زیاد است و به آسانی نمی توان آن را از هسته اتم جدا کرد. به همین دلیل الکترونهای آخرین مدار دارای بیشترین انرژی و کمترین وابستگی هستند. به آخرین لایه هر اتم لایه ظرفیت یا والانس و الکترونهای این لایه نیز الکترونهای ظرفیت یا والانس گفته می‌شود. نیروی جاذبه ای که از هسته به الکترون های ظرفیت وارد می شود بسیار ضعیف است و با انرژی کمی که از خارج به این الکترونها وارد شود، الکترونها از قید هسته آزاد می شوند. به الکترونی که از قید هسته آزاد شود و بتواند در ماده انتقال یابد الکترون‌های آزاد می گویند. خواص الکتریکی اجسام به این الکترون ها وابسته است. الکترونهای آزاد در کریستال به طور نامنظم حرکت می کنند و تا زمانی که نیرویی از خارج اعمال نشود حرکت الکترونها در کریستال به طور نامنظم ادامه خواهد یافت. هنگامی که ولتاژی به دو سر کریستال اعمال شود، الکترون های آزاد به طرف قطب مثبت باتری حرکت می کنند و جریانی را در مدار به وجود می آورند که ناشی از حرکت الکترونهاست و به آن جریان الکترون ها گفته می‌شود.
رساناها اجسامی هستند که الکترونهای آنها به راحتی از قید هسته آزاد می شوند. این اجسام دارای الکترون آزاد زیاد هستند و بنابراین جریان الکتریسیته را به راحتی عبور می دهند. در مورد مواد عایق به دلیل پیوندهای موجود، الکترون ها به سختی از اتم جدا می‌شوند. پس این اجسام در وضعیت معمولی، الکترونهای آزاد بسیار کمی دارند و از این رو عایق ها جریان الکتریسیته را به سختی از خود عبور می دهند. عناصری نظیر کربن، سیلیکون، ژرمانیم در حالتهای خاصی نیمه رسانا هستند. دو عنصر سیلیکون و ژرمانیم در برق و الکترونیک کاربرد فراوان دارند. در این بین نیمه‌رساناها قرار دارند که تعداد حامل‌های الکتریسیته آن‌ها بستگی به دما و میزان عناصر ناخالصی دارد.

2- نظریه نواری جامدات
همانطور که اشاره شد الکترونهای اطراف هسته در فاصله‌های متفاوتی قرار دارند. بنابراین الکترون‌ها سطوح انرژی تعریف شده ای دارند. هر سطح انرژی حداکثر دو الکترون را می‌تواند در خود جای دهد که این دو الکترون همان الکترون‌هایی است که با دو اسپین مخالف در یک اربیتال قرار می‌گیرد. حال هنگامی که تعداد زیادی اتم کنار یکدیگر قرار گیرند، روی هم اثر می‌گذارد. در یک ماده اختلاف در انرژی بین هر یک از این ترازهای کوچکتر آنقدر کم است که می توان هر یک از این دسته های انرژی را به جای آنکه تعداد بی شماری تراز مجزا در نظر گرفته شوند، نوارهای پیوسته ای از انرژی دانست. هر نوار مجاز از نوار دیگر به وسیله یک نوار ممنوعه (منطقه ممنوعه برای الکترونها) جدا شده است. الکترونها را می توان در نوارهای مجاز پیدا کرد اما آنها نمی توانند در نوارهای ممنوعه حضور پیدا کنند. شکل 1 ساختار نواری مواد متشکل از تعداد زیادی اتم را نشان می‌دهد.

filereader.php?p1=main_f344a40a52a94ab79
شکل 1- ساختار نواری مواد [1]

سطوح انرژی می‌توانند کاملا پر، کاملا خالی و یا شامل تعدادی الکترون باشند. نوارهای خالی و نوارهای پر در رسانایی نقشی ندارند.
اگر تعداد الکترونهای موجود، باند انرژی را کامل پر کنند و فاصله انرژی بین نوار پر و مسیر بعدی انرژی(نوارخالی) بزرگ باشد، ماده نوعی عایق است. این به خاطر آن است که الکترونها وقتی صاحب مقدار کمی انرژی اضافی در یک ولتاژ محدود می شوند، راهی ندارند که از آن انرژی استفاده کنند. تمام سطوح انرژی در مواد عایق یا کاملاً پر شده اند یا کاملاً دور از دسترس هستند. تنها یک ولتاژ بالا است که باعث جهش الکترون ها از نوار پر آخر تا نوار خالی بالاتر می گردد. وقتی چنین انتقالی در عایق رخ دهد خود عایق از شدت این انرژی تخریب می‌شود.
اگر فاصله انرژی بین نوار پر شده و نوار خالی آنقدر کم باشد که انرژی گرمایی بتواند چند الکترون را وادار به پریدن به مدارهای خالی بالاتر کند، خواص الکتریکی فرق می کند. این مواد نیمه هادی های ذاتی نامیده می شود. به محض آنکه الکترون به لایه خالی می رسد، می تواند در رسانایی الکترونی سهیم باشد. چون در این حالت در اطراف آنها سطوح انرژی خالی دیگری وجود دارد. جامد در این وضعیت از حالت عایق به حالت نیمه‌رسانا تبدیل می شود. لایه پری که از آن صحبت شد ،لایه والانس و لایه خالی، لایه هدایت نامیده می شود. فاصله بین این دو گپ انرژی(Eg) نامیده می شود. این در حالی است که در مورد مواد رسانا یا لایه‌های انرژی دارای تعدادی الکترون است ( نه کاملا پر و نه کاملا خالی) و یا اینکه جهت انتقال الکترون به انرژی ناچیزی نیاز دارد. این مسیر انتقال الکترون می تواند تفاوت بین رساناها، نیمه رساناها و مواد عایق را تعیین کند. شکل 2 ساختار نواری مواد مختلف را نشان می‌دهد. قابل ذکر است که قسمت‌های a و b مربوط به مواد رسانا؛ قسمت c مربوط به مواد عایق و قسمت d مربوط به مواد نیمه‌رسانا می‌باشد و تفاوت بین مواد رسانا و نیمه‌رسانا در انرژی گپ انرژی است. بدین صورت که انرژی گپ انرژی در مورد مواد نیمه رسانا کمتر از 2 الکترون ولت و در مورد مواد عایق بزرگتر از 2 الکترون ولت می‌باشد.

filereader.php?p1=main_3667f6a0c97490758
شکل 2- ساختار نواری مواد مختلف [1]

همانطور که در مورد نیمه‌رساناها گفته شد جهت شرکت الکترون در رسانایی و انتقال بار الکتریکی، الکترون باید از نوار ظرفیت به نوار هدایت انتقال یابد. وقتی الکترون چنین انتقالی را انجام می دهد یک حالت الکترون خالی را در محل قبلی خود ایجاد می کند که این جای خالی الکترون یا حالت الکترون از دست رفته یک حفره نامیده می شود. حفره مانند یک حامل بار عمل کرده و در انتقال جریان الکتریسیته کمک می‌کند. اندازه بار آن به اندازه بار الکترون و با علامت معکوس است. البته باید اشاره شود که حفره یک ذره آزاد نیست و یک حفره یک حالت الکترونی خالی از الکترون است. بعد از انتقال الکترون، لایه ظرفیت دیگر کامل پر نیست و تا حدی جریان الکتریکی را عبور دهد. رسانایی در این حالت با الکترونها و حفره ها صورت می گیرد و گاهی به این حالت رسانایی دوسویه اطلاق می‌شود.
پرسشی که اینجا مطرح می‌شود آن است که چه عاملی باعث انتقال الکترون از نوار والانس به نوار هدایت می شود. معمولا عواملی مانند انرژی حرارتی، میدان الکتریکی، تابش الکترومغناطیسی باعث این انتقال می‌گردد.

3- نیمه‌رساناها
همانطور که در قسمت‌های گذشته اشاره شد، رسانایی مواد نیمه‌رسانا بین مواد رسانا و مواد عایق می‌باشد. ویژگی‌های مهمی که این دسته از مواد دارند، باعث مطرح شدن ‌آن‌ها به عنوان یکی از پرکاربردترین مواد در الکترونیک شده است. رسانایی این دسته از مواد بسیار حساس به حضور عناصر ناخالصی می‌باشد و بر این اساس نیمه‌رساناها به دو دسته نیمه‌رساناهای ذاتی و نیمه‌رساناهای غیرذاتی تقسیم‌بندی می‌شوند. همانطور که از نام این دو گروه مشخص است در مورد نیمه‌رساناهای ذاتی رسانایی تنها بر اساس ذات خود ماده و انتقال الکترون از باند ظرفیت به باند رسانایی انجام می‌شود. این در حالی است که در مورد نیمه‌رساناهای غیر ذاتی حضور عناصر ناخالصی با تغییراتی که در ساختار نواری ماده بوجود می‌آورد، باعث رسانایی در ماده می‌شود. در عمل معمولا از نیمه‌رساناهای غیرذاتی استفاده می‌شود. نیمه‌رساناهای ذاتی به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند:
• نیمه‌رساناهای عنصری مانند سیلیکون و ژرمانیوم
• نیمه‌رساناهای ترکیبی مانند آرسنید گالیوم و سولفید کادمیوم
چون تعداد الکترونهای آزاد و حفره های ایجاد شده در کریستال نیمه رسانا ژرمانیم یا سیلیکون در اثر انرژی گرمایی به اندازه کافی نیست و از این نیمه رسانا نمی توان برای ساختن قطعاتی نظیر دیود یا ترانزیستور استفاده کرد، برای افزایش هدایت نیمه هادی به آن ناخالصی اضافه می کنند. بر اساس نوع ناخالصی اضافه شده به نیمه‌رساناهای غیر ذاتی به دو دسته تقسیم می‌شود:

نیمه رسانای نوع N

هر گاه یک عنصر پنج ظرفیتی مانند ارسنیک (As) یا آنتیموان(Sb) یا فسفر(P) را که در لایه ظرفیت خود پنج الکترون دارند به کریستال سیلیکون یا ژرمانیم اضافه کنیم، اتم ناخالصی با چهار اتم سیلیکون مجاور خود تشکیل پیوند اشتراکی می دهد و چون در لایه ظرفیت این عناصر جای 8 الکترون وجود دارد، یک الکترون از اتم ناخالصی به راحتی از قید هسته آزاد می گردد و به صورت الکترون آزاد در می آید. پس با افزودن هر اتم ناخالصی یک الکترون آزاد در کریستال ایجاد می‌گردد. با تنظیم مقدار اتم ناخالصی می‌توان تعداد الکترون های آزادی که از افزودن اتم ناخالصی در کریستال به وجود می آیند را کنترل کرد. اتم‌های ناخالصی در این دسته به این دلیل که به کریستال یک الکترون آزاد می دهند اتم اهدا کننده (Donor) نام دارند. در چنین حالتی تعداد الکترون های آزاد که هدایت الکتریکی را ترتیب می دهند به مراتب بیشتر از تعداد حفره ها است. در این حالت چون تعداد حاملهای بار منفی بیشتر است نیمه رسانا نوع N گفته می شود. در شکل 3 ساختار اتمی نیمه‌رسانای نوعN و نحوه حرکت حامل‌های بار نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_1779cf3aa50c413af
شکل 3- ساختار اتمی نیمه‌رسانای نوعN و نحوه حرکت حامل‌های بار [2]

نیمه رسانای نوع P

هر گاه یک عنصر سه ظرفیتی مانند آلومینیوم (Al) یا بور (B) یا ایندیوم(In) را که در مدار ظرفیت خود سه الکترون دارند به کریستال سیلیکون یا ژرمانیوم خالص اضافه کنیم، الکترونهای مدار آخر عنصر ناخالصی با الکترونهای اتم مجاور خود تشکیل پیوند اشتراکی می دهند. به این ترتیب، در مدار آخر اتم ناخالصی هفت الکترون در حال گردش هستند که در نتیجه یک جای خالی یا حفره ایجاد می شود. بنابراین افزودن هر اتم ناخالصی سه ظرفیتی در کریستال یک حفره ایجاد می کند. اتم سه ظرفیتی که قادر است یک الکترون آزاد را جذب کند اتم پذیرنده (Acceptor) گفته می‌شود. الکترون‌هایی با داشتن انرژی جنبشی کافی از پیوندهای دیگر شکسته شده و محل این حفره‌ها را پر می‌نماید. در این صورت، حفره جدیدی در کریستال ایجاد می شود و باعث انتقال حفره‌ها می‌شود. حال اگر این ماده در یک میدان الکتریکی واقع شده باشد، انتقال حفره‌ها در یک جهت صورت گرفته و در نتیجه جریان الکتریکی را ایجاد می‌کند. از آنجا که در این دسته مواد، حفره‌ها به عنوان حامل‌های بار غالب شناخته می‌شوند و حفره ها نقش یک بار مثبت را دارند، به این نوع کریستال کریستال نوع P گویند. در شکل 4 ساختار اتمی نیمه‌رسانای نوع P و نحوه حرکت حامل‌های بار نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_6e1fcd704528ad8bf
شکل 4- ساختار اتمی نیمه‌رسانای نوع P و نحوه حرکت حامل‌های بار [2]

4- اتصال P-N کریستالی
هر گاه یک کریستال نیمه هادی به گونه‌ای ساخته شود که از یک طرف نیمه‌رسانای نوع N و از طرف دیگر نیمه رسانای نوع P ایجاد شود، اتصال P-N نامیده می‌شود. این دسته از مواد در دیود‌ها و یکسوکننده‌ها کاربرد فراوانی پیدا کرده است. شکل 5 این اتصال را نشان می‌دهد. مطابق انتظار حامل‌های بار در قسمت P حفره‌ها و در قسمت N الکترون‌های آزاد هستند.

filereader.php?p1=main_74ce2e1a498f2fa27
شکل 5- اتصال P-Nو نحوه عملکرد آن در حضور میدان الکتریکی در بایاس مستقیم و معکوس[1]


هر گاه به اتصال P-N ولتاژی اعمال کنیم آن را بایاس نموده ایم. بایاس کردن اتصال P-N به دو صورت مستقیم و معکوس انجام می گیرد:

الف- بایاس مستقیم
اگر قطب مثبت باتری را به نیمه رسانای نوع P و دیگری را به نیمه رسانای نوع N وصل کنیم(مطابق شکل 5 قسمت b)، این حالت اتصال ولتاژ، بایاس مستقیم یا بایاس موافق نامیده می‌شود. هنگامی که میدان الکتریکی ناشی از باتری خارجی میدان الکتریکی پتانسیل سد را خنثی کند، الکترون های کریستال N به سمت محل پیوند رانده می شوند. این الکترونها وارد کریستال P شده و در اثر ترکیب با حفره ها به الکترون ظرفیت تبدیل می شوند. الکترون‌های ظرفیت از حفره ای به حفره دیگر می‌روند تا به انتهای کریستال و سرانجام به قطب مثبت باتری برسند. چنین به نظر می‌آید حفره ها در کریستال P در خلاف جهت حرکت الکترونها حرکت می نمایند و جریانی را به وجود می آورند. در شکل حرکت الکترونها و حفره ها نشان داده شده است.

ب- بایاس معکوس
اگر قطب مثبت باتری را به کریستال N و قطب منفی باتری را به کریستال P وصل کنیم(مطابق شکل 5 قسمت c)، این حالت اتصال ولتاژ، بایاس معکوس یا بایاس مخالف نامیده می‌شود. در این حالت قطب منفی باتری حفره ها را به سمت خود می کشد، همچنین قطب مثبت باتری الکترونهای آزاد را به سمت خود جذب می کند و به این ترتیب، حفره ها و الکترونهای آزاد از ناحیه اتصال دور می شوند و عرض لایه تخلیه زیاد می شود. در شکل این حالت نشان داده شده است. با بزرگ شدن ناحیه تخلیه، جریان حاملها کاهش می‌یابد. به دلیل انرژی حرارتی، تعداد کم حاملهای ایجاد شده، در دو کریستال P و N از محل اتصال عبور می کنند و جریان ضعیفی را ایجاد می نمایند که به آن جریان اشباع معکوس یا نشتی گفته می‌شود. این جریان در درجه حرارت معین ثابت است و بستگی به ولتاژ معکوس ندارد، بلکه فقط به درجه حرارت بستگی دارد. پس به طور خلاصه در بایاس معکوس از دیود فقط جریان ضعیفی به نام جریان اشباع معکوس عبور می‌کند.

منابـــع و مراجــــع

1- Materials Science and Engineering, An Introduction, William D. Callister, David G. Rethwisch, Eight Edition, John Wiley & Sons, Inc.

2- The Science and Engineering of Materials, Donald R. Askeland, Pradeep P. Fulay, Wendelin J. Wright, Sixth Edition, Cengage Learning, Inc.

3- اسگوگ، وست، هالر، ترجمه "عبدالرضا سلاجقه، ابوالقاسم نجفی", مبانی شیمی تجزیه، جلد دوم. تهران: مرکز نشر دانشگاهی, 1380.

نظرات و سوالات

نظرات

4 -12

مجتبی علی پور خوبده - ‏۱۳۹۳/۰۲/۱۱

به نظر بنده و مطالعات انجام شده در تعریف حفره در طول متن اشتباه صورت گرفته . در متن داریم (جهت شرکت الکترون در رسانایی و انتقال بار الکتریکی، الکترون باید از نوار ظرفیت به نوار هدایت انتقال یابد. وقتی الکترون چنین انتقالی را انجام می دهد یک حالت الکترون خالی را در محل قبلی خود ایجاد می کند که این جای خالی الکترون یا حالت الکترون از دست رفته یک حفره نامیده می شود. حفره مانند یک حامل بار عمل کرده و در انتقال جریان الکتریسیته کمک می‌کند...) در متن این اشاره دارد که حفره ، هیچ است ولی در واقع حفره هم یک جز زیر اتمی مانند الکترون محسوب می شود و موجود ی است که در نبود الکترون تولید می شود .

5 -3

مریم امیریان چایجان - ‏۱۳۹۳/۰۱/۲۱

متن خوبی تهیه شده است

5 0

شهربانو ابوطالبی - ‏۱۳۹۲/۱۲/۲۱

با سلام و احترام

مکانش هست که منابع مسابقه ملی نانو را به صورت فایل جامع قابل دانلود در سایت قرار دهید که دسترسی راحت تر باشد?

با تشکر

پاسخ مسئول سایت :
با سلام
کتب الکترونیکی از محتوای بخش دانشجویی سایت با فرمت pdf در دست تدوین است که انشاالله پس از اتمام برای دانلود بر روی سایت قرار داده می شود.
1 -2

سیدعلی حسینی

"الکترونی که به هسته نزدیکتر است انرژی کمتری دارد. اما نیروی جاذبه وارد شده از هسته به آن زیاد است و به آسانی نمی توان آن را از هسته اتم جدا کرد. به همین دلیل الکترونهای آخرین مدار دارای بیشترین انرژی و کمترین وابستگی هستند."
تاثیر گرانش با اطلاعات ناقص من منافات دارد
با توجه به کوچک بودن جرم از نیروی گرانش نسبت به الکترو مغناطیس صرف نظر می کنند...

7 -1

ALIPOUR NASTARAN

توضیح جامع و خوبی ارائه شده متشکریم

7 -3

شبنم هاشم زاده

کامل و به زبان ساده