تعریف نیمه هادی در صنعت برق

تعریف نیمه هادی در صنعت برق:
نیمه هادی ها موادی هستند که رسانایی آن ها چیزی بین رسانایی هادی ها (اغلب فلزات) و غیرهادی ها یا عایق ها (مانند سرامیک ها) است.

نیمه هادی ها می توانند ترکیباتی مانند گالیم آرسنید یا عناصر خالص مانند ژرمانیوم یا سیلیکون باشند. نظریه ها، خصوصیات و رویکرد ریاضی حاکم بر نیمه هادی ها در فیزیک شرح داده می شود. در این مطلب با این موارد آشنا می شویم.

گالیم آرسنید، ژرمانیوم و سیلیسیم از نیمه هادی های متداولی هستند که از آن ها استفاده می شود. برای مثال، سیلیسیم در ساخت مدارهای الکترونیکی و گالیم آرسنید در سلول های خورشیدی، دیودهای لیزر و… به کار می روند.

حفره و الکترون در نیمه هادی ها:
حفره ها و الکترون ها انواع حامل های بار هستند که گذر جریان در نیمه هادی ها را ممکن می کنند.

حفره ها (الکترون های ظرفیت) حامل بار الکتریکی مثبت هستند، در حالی که الکترون ها ذراتی با بار منفی اند. الکترون ها و حفره ها هر دو از نظر اندازه برابر، اما از نظر قطبیت مخالف هستند.

حرکت الکترون ها و حفره ها:
در یک نیمه هادی، تحرک الکترون ها از حفره ها بیشتر است. این عمدتاً به دلیل ساختارهای مختلف باند و ساز و کارهای پراکندگی آن ها است.

الکترون ها در باند هدایت حرکت می کنند در حالی که حرکت حفره ها در باند ظرفیت است. هنگامی که یک میدان الکتریکی اعمال می شود، حفره ها به دلیل تحرک محدودی که دارند، نمی توانند مانند الکترون آزادانه حرکت کنند.

جابه جایی الکترون ها از لایه های داخلی آن ها به لایه های بالاتر منجر به ایجاد حفره هایی در نیمه هادی ها می شود. از آنجا که حفره ها از طریق هسته در معرض نیروی اتمی بیشتری نسبت به الکترون هستند، تحرک کمتری دارند.

تحرک ذرات در یک نیمه هادی بیشتر است، اگر:

• جرم موثر ذرات کمتر باشد.
• زمان بین رخدادهای پراکندگی بیشتر باشد.

برای سیلیکون ذاتی در 300 کلوین، تحرک الکترون ها 1500cm2(V.s)-1 و تحرک حفره ها 475cm2(V.s)-1 است.

مدل پیوند الکترون ها در سیلیکون با ظرفیت 4 در زیر نشان داده شده است. در اینجا، وقتی یکی از الکترون های آزاد (نقاط آبی) از موقعیت شبکه خارج می شود، یک حفره ایجاد می کند (نقاط خاکستری).

این حفره ایجادشده، بار مخالف الکترون را می گیرد و می توان آن را به عنوان حامل بار مثبت در شبکه در نظر گرفت.