نیمه‌رساناهای ذاتی و غیرذاتی

یک نیمه‌رسانای خالص تنها از طریق جفت‌های الکترون-حفره تولید شده حرارتی رسانایی می‌کند، اما افزودن عمدی ناخالصی‌های دهنده یا پذیرنده، آن را به ماده نوع n یا نوع p با رسانایی قابل کنترل تبدیل می‌کند.

Definition

یک نیمه‌رسانای ذاتی، یک بلور خالص است که در آن تعداد مساوی از الکترون‌ها و حفره‌ها توسط تحریک حرارتی در سراسر گاف نواری تولید می‌شوند؛ یک نیمه‌رسانای غیرذاتی، نیمه‌رسانایی است که با ناخالصی‌های دهنده یا پذیرنده آلایش یافته و باعث ایجاد مازاد یک نوع حامل می‌شود و آن را به نوع n یا نوع p تبدیل می‌کند.

Scope

این موضوع نیمه‌رساناهای ذاتی را، که در آن‌ها غلظت الکترون و حفره برابر است و توسط تحریک حرارتی در سراسر گاف تعیین می‌شود، از نیمه‌رساناهای غیرذاتی (آلایش‌یافته) که در آن‌ها ناخالصی‌های دهنده یا پذیرنده حامل‌های اکثریت را تأمین می‌کنند، متمایز می‌کند. این موضوع سطوح کم‌عمق دهنده و پذیرنده، یونیزاسیون، رژیم‌های دمایی انجماد، غیرذاتی و ذاتی، و وابستگی دمایی غلظت حامل حاصل را پوشش می‌دهد. این مبحث، زمینه‌ساز مباحث آمار حامل‌ها و پیوندگاه‌ها است که در ادامه می‌آیند.

Core questions

• حامل‌ها چگونه در یک نیمه‌رسانای خالص ایجاد می‌شوند و چرا غلظت ذاتی با دما به شدت افزایش می‌یابد؟
• ناخالصی‌های دهنده و پذیرنده چگونه مواد نوع n و نوع p را تولید می‌کنند؟
• چرا سطوح انرژی آلایش‌دهنده کم‌عمق هستند و یونیزاسیون چگونه با دما تغییر می‌کند؟
• رژیم‌های انجماد، غیرذاتی و ذاتی غلظت حامل چیستند؟

Key concepts

• غلظت حامل ذاتی
• ناخالصی‌های دهنده و پذیرنده
• مواد نوع n و نوع p
• سطوح ناخالصی کم‌عمق و یونیزاسیون
• رژیم‌های انجماد، غیرذاتی و ذاتی

Clinical relevance

آلایش کنترل‌شده‌ای که مواد غیرذاتی را از مواد ذاتی متمایز می‌کند، اساس تمام قطعات نیمه‌رسانا است؛ انتخاب نوع و غلظت آلایش‌دهنده، چگالی حامل و رسانایی نواحی تشکیل‌دهنده دیودها، ترانزیستورها و مدارهای مجتمع را تعیین می‌کند.

History

نقش ناخالصی‌ها در رسانایی نیمه‌رساناها در دهه‌های 1930 و 1940 روشن شد، و توسعه آلایش کنترل‌شده و رشد تک‌بلور در آزمایشگاه‌های بل در اواخر دهه 1940 و اوایل دهه 1950، امکان تولید مواد نوع n و نوع p قابل تکرار را فراهم آورد و به ترانزیستور و صنعت نیمه‌رساناها انجامید.

Key figures

• William Shockley
• Gordon Teal
• Walter Brattain

Seminal works

• sze2007
• ashcroft1976

Frequently asked questions

چه چیزی یک آلایش‌دهنده را دهنده یا پذیرنده می‌کند؟

یک دهنده یک الکترون ظرفیت بیشتر از اتم میزبان جایگزین شده دارد که به راحتی آن را به نوار رسانایی می‌دهد (نوع n)؛ یک پذیرنده یک الکترون کمتر دارد و یک الکترون را از نوار ظرفیت جذب می‌کند و یک حفره باقی می‌گذارد (نوع p).

چرا یک نیمه‌رسانای ذاتی هنگام گرم شدن بهتر رسانایی می‌کند؟

افزایش دما به الکترون‌های بیشتری انرژی کافی برای عبور از گاف نواری می‌دهد و به طور نمایی تعداد جفت‌های الکترون-حفره موجود برای حمل جریان را افزایش می‌دهد، که برعکس یک فلز است که رسانایی آن با گرم شدن کاهش می‌یابد.