مواد نیمه رسانا، انواع و ویژگی ها

شرکت در آزمون

رسانا، نارسانا و نیمه‌رسانا در نظریه‌ی نواری

الف) ساختار نواری اجسام رسانا
اگر در ساختار نواری جسم جامد، نوار نیمه‌پر وجود داشته باشد، آن جسم رسانا است. زیرا الکترون‌های نوار نیمه‌پر به آسانی و تحت تاثیر اختلاف پتانسیل الکتریکی که دو سر رسانا اِعمال می‌شود، می‌توانند تراز انرژی خود را تغییر دهند و در رسانایی الکتریکی شرکت کنند. این الکترون‌ها را الکترون‌های رسانش و نوار نیمه‌پر را نوار رسانش می‌گوییم. پس مشخصه‌ی اصلی رساناها، وجود نوار نیمه‌پر در ساختار نواری آن‌ها است (شکل 2). در رسانایی الکتریکی شرکت کنند.
این الکترون‌ها را الکترون‌های رسانش و نوار نیمه‌پر را نوار رسانش می‌گوییم. پس مشخصه‌ی اصلی رساناها، وجود نوار نیمه‌پر در ساختار نواری آن‌ها است

نظریهی نواری؟!
همانطور که می‌دانیم الکترون‌ها در مدارهای معینی که هر یک انرژی ویژه‌ای دارند، در اطراف هسته‌ی اتم حرکت می‌کنند. این مقدار انرژی را تراز انرژی آن مدار می‌گوییم. به هر یک از این مدارها و تراز انرژی وابسته به آن، یک حالت کوانتومی برای الکترون‌های آن اتم می‌گوییم.
در یک اتم الکترون‌ها ابتدا ترازهای پایین‌تر انرژی را پر می‌کنند. به بیان دیگر حالت‌های کوانتومی در هر اتم از تراز پایین به بالا توسط الکترون‌های آن اتم اشغال می‌شود. (این ماجرا مشابه آن است که شما درون یک کاسه تعدادی تیله بریزید، واضح است که تیله‌هایی که ابتدا می‌ریزید در تَهِ کاسه قرار می‌گیرند و تیله‌های بعدی به تدریج روی تیله‌های پایینی می‌ایستند.)
هنگامیکه همه‌ی الکترون‌ها به ترتیب ترازهای انرژی را از پایین به بالا پر می‌کنند، می‌گوییم اتم در حالت پایه‌ی خود قرار دارد. از طرف دیگر، الکترون می‌تواند با جذب مقداری انرژی، تراز خود را ترک کند و به تراز بالاتری که خالی است برود که در این حالت می‌گوییم اتم برانگیخته شده است. مقدار این انرژی دقیقا برابر مقدار اختلاف انرژی دو تراز است.
خُب، آنچه تاکنون بیان شد مربوط به یک اتمِ تنها بود. اما در اجسام جامد که متشکل از تعداد بسیار زیادی اتم است، ترازهای انرژیِ الکترون‌ها چگونه‌اند؟ پاسخ این پرسش همان چیزی است که به آن نظریه‌ی نواری می‌گوییم و مبتنی بر اصول مکانیک کوانتوم است. (ادامه‌ی ماجرا را با دقت بیشتری بخوانید!)
در جسم جامد به جای یک اتم، با مجموعه‌ای از اتم‌های نزدیک به هم سر و کار داریم. بنابراین دیگر فقط با یک هسته (با بار مثبت) و تعدادی الکترون (با بار منفی) که اطراف هسته‌ی اتم حرکت می‌کند، روبرو نیستیم؛ بلکه اکنون تعداد بسیار زیادی الکترون هستند که تحت تاثیر نیروهای حاصل از تمام هسته‌های مثبت قرار دارند. دانشمندان مدت‌های طولانی این مسئله‌ی بسیار پیچیده را بررسی کردند تا بالاخره نتایج زیر را بدست آورند:
ترازهای انرژی الکترون‌ها در جسم جامد، مانند ترازهای انرژی الکترون‌ها در یک اتم، مقدار انرژی ویژه‌ای دارند.
ترازهای انرژی الکترون‌ها در جسم جامد، مانند ترازهای انرژی الکترون‌ها در یک اتم، مقدارهایی گسسته‌اند. (یعنی ترازهای انرژی الکترون‌ها در جسم جامد هر مقداری نمی‌تواند باشد و فقط مقادیر خاصی هست. بنابراین می‌گوییم این مقدار پیوسته نیست و گسسته است. به این نوع کمیت‌ها در مکانیک کوانتومی، کمیت کوانتیده گفته می‌شود.)
هر تراز انرژی تنها توسط یک الکترون می‌تواند پر شود. (در بعضی کتاب‌ها می‌گویند هر تراز انرژی توسط دو الکترون با اسپین مخالف پر می‌شود. البته این دو، متناقض هم نیستند و فقط بیان‌ها در مورد تراز انرژی با یکدیگر متفاوت است!).و مهم‌تر از همه اینکه ترازهای انرژی الکترون‌ها در جسم جامد، نوارهای مشخصی را تشکیل می‌دهند. هر نوار انرژی شامل تعداد بسیار زیادی ترازهای گسسته است که از نظر مقدار انرژی بسیار به هم نزدیک‌اند. تفاوت انرژی برخی نوارها بسیار زیاد است. یعنی بین آخرین تراز انرژی نوار پایین با اولین تراز انرژی نوار بالا، اختلاف انرژی زیادی وجود دارد. در این فاصله هیچ تراز انرژی وجود ندارد، یعنی الکترون‌ها در این فاصله نمی‌توانند قرار بگیرند. این ناحیه را ناحیه‌ی ممنوع یا گاف انرژی می‌گوییم.

رسانا یا نارسانا؟!
همانطور که می‌دانیم اتم از دو بخش اصلی به نام هسته و ابرِ الکترونی پیرامون هسته تشکیل شده است. الکترون ها اطراف هسته در حال حرکت‌اند و توسط نیروی جاذبه‌ی الکتروستاتیکی که بین هسته و الکترون‌ها موجود است، در قید جاذبه‌ی هسته‌ی اتم قرار دارند. حال اگر الکترون یا الکترون‌هایی در اتم موجود باشند که بتوانند خود را از قید جاذبه‌ی الکتروستاتیکی هسته رها کنند و آزادانه حرکت کنند، الکترون‌های آزاد نامیده می‌شوند. از آنجاییکه الکترون‌ها دارای بار الکتریکی منفی هستند، با حرکت خود موجب انتقال بار الکتریکی می‌شوند. ازاین‌رو مواد جامدی را که دارای الکترون آزاد هستند، رسانا یا هادی الکتریکی می‌گوییم چرا که الکترون‌ها می‌توانند درون آنها جابه‌جا شوند. از سویی دیگر اگر هیچ الکترونی در اتم نتواند خود را از قید جاذبه‌ی الکتروستاتیکی هسته‌ی اتم رها کند، دیگر عاملی برای انتقال بار الکتریکی وجود ندارد و آن ماده، نارسانا یا عایق الکتریکی نامیده می‌شود.
مقاومت ویژه‌ی الکتریکی به بیان ساده یعنی میزان مقاومت مقدار معینی از یک ماده‌ی خاص در مقابل رسانایی الکتریکی. مقاومت ویژه‌ی الکتریکی در مواد گوناگون متفاوت است و در مورد هر ماده عدد ویژهای است. مثلا مقاومت ویژه‌ی الکتریکی نقره، که یک رسانای خوب محسوب می‌شود، 1.6 * 10-8 اهم متر است و مقاومت ویژه‌ی الکتریکی تفلون، که یک نارسانای قوی است، 1014 اهم متر است. (توجه کنید که چه تفاوت زیادی دارند!) در جدول 1 مقاومت ویژه‌ی الکتریکی برخی مواد در دمای اتاق (27 درجه‌ی سانتی‌گراد) داده شده است.

آشنایی با فیزیک حالت جامد

شرکت در آزمون

فیزیك حالت جامد

در این بخش می خواهیم رسانندگی الكتریكی (یا مقاومت الكتریكی) مواد جامد را بررسی كنیم. به عبارتی مواد رسانا، نارسانا و نیمرسانا و ساختار آن ها را مورد مطالعه قرار دهیم و مقاومت ویژه آن ها را با هم مقایسه كنیم. در پایان وارد مبحث ابر رسانا می شویم و ساختار و كاربردهای احتمالی آن را بررسی می كنیم.

رسانا، نارسانا و نیمرسانا

همانطور كه می دانید فلزات دریایی از الكترون های آزاد هستند. این الكترون ها در قید هسته نیستند و وقتی در میدان الكتریكی قرار می گیرند (به عبارتی وقتی قطعه ایی فلزی به باتری وصل می شود) الكترون های آزاد به راحتی از اتمی به اتم دیگر انتقال می یابند و این باعث می شود رسانندگی فلزات بسیار زیاد (مقاومت آنها كم) باشد.

حال سۆالی كه مطرح می شود آن است كه:

چرا وقتی جریانی در یك جسم رسانا (توسط باتری) ایجاد می شود بعد از حذف باتری، جریان نیز از بین می رود؟

در جواب چنین سۆالی باید گفت كه ساختار فلزات مثل این می ماند كه هسته های مثبت درون دریایی از الكترون ها فرو رفته اند. الكترون ها در گذر از یك طرف رسانا به طرف دیگر (در یك جهت معین) با برخورد به هسته ها مجبور به حركت در جهت های دیگر می شوند و بدین شكل الكترون ها مقداری از انرژی خود را از دست می دهند.

به عبارتی این باعث می شود كه آن ها در سر راه خود با مقاومتی مواجه شوند كه به جنس ماده و ساختار اتمی آن بستگی دارد. برای درك بهتر این موضوع حیاط شلوغی از دانش آموزان را در نظر بگیرید. حال اگر شما بخواهید از یك طرف حیاط به طرف دیگر بروید مطمئناً در مسیر خود با دانش آموزان برخورد كرده و آنها باعث كندی حركت شما می شوند.

در جدول زیر مقاومت ویژه بعضی مواد آمده است

همان طور كه در جدول بالا می بینید نقره كمترین مقاومت ویژه را در دمای اتاق دارد.

به نظر شما بیشترین مقاومت ویژه در جدول بالا مربوط به چه ماده ای است؟

بله! تفلون و شیشه نسبت به بقیه مواد دارای بیشترین مقاومت هستند كه به چنین موادی نارسانا می گویند. در این مواد دیگر خبری از دریای الكترون آزاد نیست و الكترون ها مقید به هسته خود هستند. بنابراین در حضور میدان الكتریكی، الكترون ها جا به جا نمی شوند و در چنین موادی رسانندگی الكتریكی وجود ندارد.

بلور

● چرا تعداد افراد متخصص در فیزیک حالت جامد کم است؟

برگرفته از شبکه رشد.....

چرا جهان، ماده را به ضد ماده ترجیح داد؟
این که جهان در اصل چگونه از ماده و نه ضدماده تشکیل شده، دهه‌هاست که ذهن فیزیکدانان نجومی را به خود مشغول ساخته، اما نتیجه یک آزمایش توسط برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) سرنخ جدیدی را در پس راز عدم‌متقارن ماده-ضدماده آشکار کرده است.
به گزارش سرویس علمی خبرگزاری دانشجویان ایران (ایسنا)، طی تصادم‌های با انرژی بالای پروتئین در سال 2011، قدرتمندترین شتاب‌دهنده ذرات جهان واقع در مرز سوئیس-فرانسه و در نزدیکی ژنو، مزون‌های BOs (ذرات زیراتمی هادرونی متشکل از یک کوارک و یک آنتی‌کوارک) را در درون آزمایشگاه LHC خلق کرد.
با مشاهده فرسایش (decay) سریع BOs، فیزیکدانان قادر به شناسایی محصولات فرسایش این ذره خنثی شدند.
پس از تعداد زیادی برخوردهای پروتون و رخدادهای فرسایش BOs، فیزیکدانان اعلام کرده‌اند که ذرات ماده بیشتری در مقایسه با ضدماده در طول فرسایش‌های BOs خنثی تولید می‌شوند.
این ترجیح ماده به ضدماده در محصولات فرسایش ذرات به عنوان یک "نقض CP" شناخته می‌شود.
به طور کلی، قوانین فیزیک فقط امکان تولید کمیت‌های برابری از ماده و ضدماده را در رخدادهای پوسیدگی (موسوم به «تقارن CP») می‌دهند؛ با این حال، استثناهایی وجود دارد که در فیزیک «استاندارد مدل» شناخته شده هستند.
نقض تقارن CP اولین بار در دهه 1960 و در فرسایش ذرات خنثی kaon گزارش شد.
از آن زمان لابراتوارهای ژاپنی و امریکایی نقض CP را در مزون‌های BO کشف کرده‌اند. اخیراً آزمایشگاه برخورددهنده بزرگ هادرونی نقض CP را در مزون‌های B+ شناسایی کرد و هم‌اکنون نیز فرسایش BOs رفتار مشابهی را نشان می‌دهد.
تصور می‌شود در زمان «انفجار بزرگ» موسوم به «بیک‌بنگ»، کمیت‌های برابر ماده و ضدماده خلق شدند، اما چگونه ماده برای تشکیل جهان و عشقی که امروزه می‌شناسیم، بر ضدماده غلبه کرد؟
گرچه اثر یک عدم‌تقارن جزئی که در محصولات فرسایش BOs، پیشنهاد می‌شود، بسیار کوچک است اما این اثر سرنخی دیگر است در خصوص این موضوع که چرا ماهیت جهان ما ماده را به ضدماده ترجیح می‌دهد؟
دانشمندان با مطالعه اثرات نقض CP به دنبال قطعات گم‌شده این پازل و امکان حضور فیزیک در وراری مدل استاندارد می‌گردند.