مطالبی مفید درباره نیمه رساناها

میزان مقاومت الکتریکی نیمه‌رساناها بین رساناها و نارساناها می‌باشد. از نیمه رساناها برای ساخت قطعاتی مانند دیود، ترانزیستور، تریستور، آی سی و … استفاده می‌شود. ظهور نیمه رساناها در علم الکترونیک انقلاب عظیمی را در این علم ایجاد کرده که اختراع رایانه یکی از دستاوردهای این انقلاب است.
در نیمه‌رساناها، در دمای صفر کلوین همه ترازهای انرژی در نوار ظرفیت بوسیله الکترون‌ها اشغال شده‌اند و در نوار رسانش، این ترازها خالی هستند. در دماهای بالاتر، برخی از پیوندها با ارتعاشات گرمایی شکسته می‌شوند. این منجر به خلق الکترون‌ها در نوار رسانش و حفره‌ها در نوار ظرفیت می‌شود.
دو نوار متمایز انرژی الکترونی(نوار رسانش و نوار ظرفیت) و تحرک الکترون‌ها بین آن‌ها، منشأ بسیاری از خواص نیمه‌رساناها می‌باشد.
یکی از ویژگی‌های جالب مواد نیمه‌رسانا، که آنها را از مواد رسانا متمایز می‌کند، چگونگی تغییر مقاومت ویژه‌ی الکتریکی آنها با تغییرات دما است. برای توجیه پدیده‌ی رسانایی الکتریکی در جامدات، دیگر نظریه‌ی کلاسیکِ الکترون آزاد پاسخگو نیست و نظریه‌ی نواری، که مبتنی بر فیزیک کوانتوم است، برای تفسیر این پدیده استفاده می‌شود.
همانطور که می‌دانیم افزایش دما موجب افزایش مقاومت ویژه‌ی الکتریکی مواد رسانا می‌شود. علت این پدیده نیز افزایش تعداد و شدت برخورد الکترون‌های آزاد با اتم‌های در حال نوسان در جسم رسانا است. با افزایش دما، جنبشِ ذراتِ تشکیل‌دهنده‌ی جسم بیشتر می‌شود و بنابراین تعداد و شدت برخورد الکترون‌های آزاد با اتم‌های جسم افزایش می‌یابد. یعنی الکترون‌ها که حاملان بار الکتریکی در جسم جامد رسانا هستند، برای انتقال بار الکتریکی با موانع بیشتری برخورد می‌کنند و در نتیجه رسانایی الکتریکیِ جسم کاهش می‌یابد.
آزمایش‌ نشان می‌دهد، برخلاف رسانا، در نیمه رسانا افزایش دما موجب کاهش مقاومت ویژه‌ی الکتریکیِ نیمه‌رسانا می‌شود. توجیه این پدیده در نیمه‌رسانا تنها با استفاده از نظریه‌ی نواری امکان‌پذیر است.
اساس این نظریه بدین صورت است که در دماهای پایین نوار ظرفیت نیمه‌رسانا کاملا پُر از الکترون و نوار رسانش کاملا خالی از الکترون است. از این رو نه نوار ظرفیت در رسانش نقشی دارد (چون نوار کاملا پر است و هیچ الکترونی امکان گذار درون نوار را ندارد) و نه در نوار رسانش الکترونی هست تا موجب رسانایی الکتریکی شود. بنابراین در دماهای پایین، نیمه‌رسانا مشابه نارسانا رفتار می‌کند. با افزایش دما، تعدادی از الکترون‌های نوار ظرفیت به نوار رسانش گذار می‌کنند. بدین ترتیب هم الکترون‌هایی که در نوار رسانش قرار می‌گیرند، موجب رسانایی الکتریکی می‌شوند و هم تعدادی تراز خالی در نوار ظرفیت ایجاد می‌شود. ازاین‌رو امکان گذار برای الکترون‌های نوار ظرفیت نیز (در همان نوار) فراهم می‌شود. به بیان دیگر، در این حالت هم نوار رسانش در رسانایی الکتریکی نقش دارد و هم نوار ظرفیت. به همین ترتیب با افزایش دما هم تعداد الکترون‌های نوار رسانش بیشتر می‌شود و هم ترازهای خالی نوار ظرفیت افزایش می‌یابد. این مسئله سبب افزایش رسانایی الکتریکی نیمه‌رسانا می‌شود اما مسئله به همین‌جا ختم نمی‌شود.
آزمایش‌های گوناگون نشان می‌دهد که مقدار جریان الکتریکی در نیمه‌رسانا بیشتر از آن است که فقط با عبور الکترون‌ها ایجاد شده باشد. این پدیده ایده‌ی وجود ذرات دیگری را به عنوان حامل بار الکتریکی مطرح می‌کند. به عبارت دیگر ما تا کنون فقط الکترون‌ها را به عنوان حاملان بار الکتریکی در نظر می‌گرفتیم، اما آزمایش‌های دقیق‌تر نشان می‌دهد ذراتی با بار مثبت و هم‌جرم الکترون نیز در رسانایی الکتریکی نیمه‌رساناها نقش دارند.
این اتفاق با استفاده از نظریه‌ی نواری اینچنین توجیه می‌شود؛ در نیمه‌رسانا علاوه بر الکترون‌هایی که در نوار رسانش قرار می‌گیرند و در رسانایی الکتریکی نقش دارند، جای خالی ایجاد شده در نوار ظرفیت نیز (که به دلیل گذار الکترون‌ها به نوار رسانش تشکیل شده)، موجب رسانایی الکتریکی می‌شود.
با گذار الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش، تعدادی جای خالی الکترون در نوار ظرفیت ایجاد می‌شود. جای خالی الکترون در نوار ظرفیت را حفره می‌گوییم. حالا با ایجاد این جاهای خالی در نوار ظرفیت، الکترون‌های این نوار هم می‌توانند گذار انجام دهند و از تراز انرژی پایین‌تر به تراز انرژی بالاتر بروند.
غیر از ساخت دیود(همسو کننده جریان) از نیمه رساناها در ساخت ترانزیستورها که مجموعه‌ای از دیود‌های متصل به هم است استفاده میشود. این اتصال‌ها که معمولاً به صورت NPN و یا PNP انجام می‌شوند به صورت یک سوئیچ عمل می‌کند. شاید فکر کنید که با این کار دیگر هیچ مقداری جریان از ترانزیستور گذر نمی‌کند. دقیقاً همین‌طور است.ولی اگر جریان به محل میانی ترانزیستور داده شود می‌تواند جریان بسیار کمی را به جریان زیادی در یک جهت تبدیل کند.
همین واقعیت است که خاصیت سوئیچ بودن را به ترانزیستور می‌دهد و می‌تواند با جریانی کم روشن و خاموش شود.
با استفاده از همین حقایق امروزه میلیون‌ها ترانزیستور پردازشگر‌ها را تشکیل می‌دهند که در حقیقت میلیون‌ها سوئیچ متصل به هم هستند.
همانطور که می‌دانید اساس دیجیتال واحد‌های باینری یا صفر-و-یک است. به این ترتیب این سوئیچ‌ها می‌توانند میلیون‌ها محاسبه و عملیات منطقی را انجام دهند که می‌تواند به پردازش‌های بزرگی ختم شود.
کاربرد دیگر نیمه رساناها در ساخت سلولهای خورشیدی است.
در یک رسانا، نوار رسانش به طور جزئی بوسیله الکترون‌ها پرشده یا با نوار ظرفیت هم‌پوشانی دارد. در نتیجه، گاف نواری وجود ندارد و مقاومت بسیار کم است. این اهمیت نیمه‌رساناها برای ساخت سلول خورشیدی را نشان می‌دهد.
به منظور بوجود آوردن نیروی الکتریکی، یک سلول خورشیدی نیاز به تولید جریان و ولتاژ دارد. تولید جریان نیازمند حامل‌های بار متحرک است و تولید ولتاژ به یک گاف بین ترازهای انرژی الکترونی نیاز دارد. فات حامل بار آزاد و عایق‌ها گاف نواری بین ترازهای انرژی الکترونی دارند، اما نیمه‌رساناها هر دو خصوصیت را باهم دارند. برای افزایش بازده تبدیل سلول، بایستی تفکیک مؤثر بار صورت گیرد، که وابسته به عواملی مانند طول پخش الکترون‌ها و حفره‌ها می‌باشد. برای یک سلول خورشیدی فرآیندهای تولید الکترون‌ها و حفره‌ها و بازترکیب آن‌ها از بیشترین اهمیت برخوردار است.
الکترون‌ها در نوار رسانش و حفره‌ها در نوار ظرفیت می‌توانند در رسانش سهم داشته باشند. در مقابل، در یک عایق، گاف نواری به اندازه‌ای بزرگ است که نوار رسانش حتی در دمای اتاق، خالی است.
هنگامی که نیمه‌رسانا در معرض نور قرار می‌گیرد، حامل‌های بار اضافی در آن تولید می‌شود. بازده یک سلول وابسته به تولید و جدایی حامل‎های بار است. از این رو، شناخت عوامل مؤثر در تولید، تفکیک و نیز بازترکیب حامل‌ها حائز اهمیت است.