فیزیک نیمهرساناها
نیمهرساناها موادی هستند که گاف نواری (band gap) متوسط آنها اجازه میدهد رساناییشان با دما، آلایش (doping) و میدانهای اعمالی تنظیم شود و آنها را به پایه فیزیکی الکترونیک مدرن تبدیل میکند.
Definition
فیزیک نیمهرساناها کاربرد نظریه نوارهای الکترونیکی در موادی است که گاف نواری آنها به اندازهای کوچک است که تحریک حرارتی و آلایش، نوار رسانش و نوار ظرفیت را با الکترونها و حفرههای متحرک پر میکند، که غلظت و حرکت آنها میتواند برای ساخت قطعات الکترونیکی کنترل شود.
Scope
این حوزه فیزیک جامدات نیمهرسانا را پوشش میدهد: رفتار ذاتی و غیرذاتی (آلایششده)، آمار حاملهای الکترون و حفره، موقعیت تراز فرمی، تشکیل پیوندهای p-n و خمش نواری در فصل مشترکها، و خواص جذب نوری و انتقال که حاکم بر عملکرد قطعات هستند. این حوزه نظریه نوار را در مورد موادی با گاف کوچک به کار میبرد و ساختار الکترونیکی میکروسکوپی را به عملکرد دیودها، ترانزیستورها و قطعات اپتوالکترونیک مرتبط میسازد، در حالی که جزئیات مهندسی قطعات را به حوزههای کاربردی واگذار میکند.
Sub-topics
Core questions
- چگونه گاف نواری کوچک یک نیمهرسانا، غلظت حاملهای آن را به دما و آلایش حساس میکند؟
- نقش حفرهها چیست و چگونه ناخالصیهای دهنده و پذیرنده مواد نوع n و نوع p را ایجاد میکنند؟
- چگونه یک پیوند p-n جریان را از طریق خمش نواری و پتانسیل داخلی یکسو میکند؟
- چه چیزی جذب نوری و تحرک حاملها را که حاکم بر قطعات نیمهرسانا هستند، تعیین میکند؟
Key concepts
- گاف نواری، نوار رسانش، و نوار ظرفیت
- الکترونها و حفرهها به عنوان حاملهای بار
- آلایش دهنده و پذیرنده (نوع n و نوع p)
- تراز فرمی و آمار حاملها
- پیوند p-n، پتانسیل داخلی، و یکسوسازی
Key theories
- آمار حاملها و قانون کنش جرم
- غلظتهای تعادلی الکترون و حفره از چگالی حالتها و آمار فرمی-دیراک پیروی میکنند؛ حاصلضرب آنها در دمای معین ثابت است، بنابراین آلایشی که یکی از حاملها را افزایش میدهد، دیگری را سرکوب میکند.
- یکسوسازی پیوند p-n
- اتصال مواد نوع p و نوع n، تراز فرمی را همتراز میکند، نوارها را خم میکند و ناحیه تخلیه با یک میدان داخلی ایجاد میکند که به جریان اجازه میدهد تنها در یک جهت به راحتی عبور کند، که اساس دیود است.
Clinical relevance
فیزیک نیمهرساناها اساس کل صنعت الکترونیک و فناوری اطلاعات است: دیودها، ترانزیستورها، مدارهای مجتمع، سلولهای خورشیدی، دیودهای نورگسیل، لیزرها و آشکارسازهای نوری همگی بر پایه فیزیک حاملها و پیوندها که در اینجا توسعه یافته است، بنا شدهاند.
History
نظریه کوانتومی نوارها رفتار نیمهرسانایی را در دهه ۱۹۳۰ توضیح داد، و اختراع ترانزیستورهای نقطهای و پیوندی توسط باردین، براتین و شاکلی در آزمایشگاههای بل در سالهای ۱۹۴۷-۱۹۴۸، فیزیک نیمهرساناها را به اساس الکترونیک مدرن و انقلاب میکروالکترونیک متعاقب آن تبدیل کرد.
Key figures
- William Shockley
- John Bardeen
- Walter Brattain
Related topics
Seminal works
- sze2007
- ashcroft1976
Frequently asked questions
- حفره چیست؟
- حفره عدم وجود یک الکترون در یک نوار ظرفیت پر شده است؛ این حفره مانند یک حامل متحرک با بار مثبت رفتار میکند، و ردیابی حفرهها بسیار سادهتر از ردیابی الکترونهای زیادی است که برای پر کردن آنها حرکت میکنند.
- چرا افزودن مقادیر ناچیز ناخالصی، رسانایی را به طرز چشمگیری تغییر میدهد؟
- اتمهای دهنده یا پذیرنده، ترازهای انرژی را درست در داخل گاف معرفی میکنند که در دمای اتاق به راحتی یونیزه میشوند، بنابراین حتی آلایش در حد ppm (قسمت در میلیون) میتواند غلظت حاملهای آزاد را چندین مرتبه بزرگی تغییر دهد.