نظریه نواری جامدات

آمار بازدید

بازدید امروز : 27
بازدید دیروز : 46
بازدید کل : 499187

پیوند ها

نظریه نواری جامدات

همانطور که اشاره شد الکترونهای اطراف هسته در فاصله‌های متفاوتی قرار دارند. بنابراین الکترون‌ها سطوح انرژی تعریف شده ای دارند. هر سطح انرژی حداکثر دو الکترون را می‌تواند در خود جای دهد که این دو الکترون همان الکترون‌هایی است که با دو اسپین مخالف در یک اربیتال قرار می‌گیرد. حال هنگامی که تعداد زیادی اتم کنار یکدیگر قرار گیرند، روی هم اثر می‌گذارد. در یک ماده اختلاف در انرژی بین هر یک از این ترازهای کوچکتر آنقدر کم است که می توان هر یک از این دسته های انرژی را به جای آنکه تعداد بی شماری تراز مجزا در نظر گرفته شوند، نوارهای پیوسته ای از انرژی دانست. هر نوار مجاز از نوار دیگر به وسیله یک نوار ممنوعه (منطقه ممنوعه برای الکترونها) جدا شده است. الکترونها را می توان در نوارهای مجاز پیدا کرد اما آنها نمی توانند در نوارهای ممنوعه حضور پیدا کنند. شکل 1 ساختار نواری مواد متشکل از تعداد زیادی اتم را نشان می‌دهد.

filereader.php?p1=main_f344a40a52a94ab79

شکل 1- ساختار نواری مواد [1]

سطوح انرژی می‌توانند کاملا پر، کاملا خالی و یا شامل تعدادی الکترون باشند. نوارهای خالی و نوارهای پر در رسانایی نقشی ندارند.
اگر تعداد الکترونهای موجود، باند انرژی را کامل پر کنند و فاصله انرژی بین نوار پر و مسیر بعدی انرژی(نوارخالی) بزرگ باشد، ماده نوعی عایق است. این به خاطر آن است که الکترونها وقتی صاحب مقدار کمی انرژی اضافی در یک ولتاژ محدود می شوند، راهی ندارند که از آن انرژی استفاده کنند. تمام سطوح انرژی در مواد عایق یا کاملاً پر شده اند یا کاملاً دور از دسترس هستند. تنها یک ولتاژ بالا است که باعث جهش الکترون ها از نوار پر آخر تا نوار خالی بالاتر می گردد. وقتی چنین انتقالی در عایق رخ دهد خود عایق از شدت این انرژی تخریب می‌شود.

اگر فاصله انرژی بین نوار پر شده و نوار خالی آنقدر کم باشد که انرژی گرمایی بتواند چند الکترون را وادار به پریدن به مدارهای خالی بالاتر کند، خواص الکتریکی فرق می کند. این مواد نیمه هادی های ذاتی نامیده می شود. به محض آنکه الکترون به لایه خالی می رسد، می تواند در رسانایی الکترونی سهیم باشد. چون در این حالت در اطراف آنها سطوح انرژی خالی دیگری وجود دارد. جامد در این وضعیت از حالت عایق به حالت نیمه‌رسانا تبدیل می شود. لایه پری که از آن صحبت شد ،لایه والانس و لایه خالی، لایه هدایت نامیده می شود. فاصله بین این دو گپ انرژی(Eg) نامیده می شود. این در حالی است که در مورد مواد رسانا یا لایه‌های انرژی دارای تعدادی الکترون است ( نه کاملا پر و نه کاملا خالی) و یا اینکه جهت انتقال الکترون به انرژی ناچیزی نیاز دارد. این مسیر انتقال الکترون می تواند تفاوت بین رساناها، نیمه رساناها و مواد عایق را تعیین کند. شکل 2 ساختار نواری مواد مختلف را نشان می‌دهد. قابل ذکر است که قسمت‌های a و b مربوط به مواد رسانا؛ قسمت c مربوط به مواد عایق و قسمت d مربوط به مواد نیمه‌رسانا می‌باشد و تفاوت بین مواد رسانا و نیمه‌رسانا در انرژی گپ انرژی است. بدین صورت که انرژی گپ انرژی در مورد مواد نیمه رسانا کمتر از 2 الکترون ولت و در مورد مواد عایق بزرگتر از 2 الکترون ولت می‌باشد.

filereader.php?p1=main_3667f6a0c97490758

شکل 2- ساختار نواری مواد مختلف [1]

همانطور که در مورد نیمه‌رساناها گفته شد جهت شرکت الکترون در رسانایی و انتقال بار الکتریکی، الکترون باید از نوار ظرفیت به نوار هدایت انتقال یابد. وقتی الکترون چنین انتقالی را انجام می دهد یک حالت الکترون خالی را در محل قبلی خود ایجاد می کند که این جای خالی الکترون یا حالت الکترون از دست رفته یک حفره نامیده می شود. حفره مانند یک حامل بار عمل کرده و در انتقال جریان الکتریسیته کمک می‌کند. اندازه بار آن به اندازه بار الکترون و با علامت معکوس است. البته باید اشاره شود که حفره یک ذره آزاد نیست و یک حفره یک حالت الکترونی خالی از الکترون است. بعد از انتقال الکترون، لایه ظرفیت دیگر کامل پر نیست و تا حدی جریان الکتریکی را عبور دهد. رسانایی در این حالت با الکترونها و حفره ها صورت می گیرد و گاهی به این حالت رسانایی دوسویه اطلاق می‌شود.
پرسشی که اینجا مطرح می‌شود آن است که چه عاملی باعث انتقال الکترون از نوار والانس به نوار هدایت می شود. معمولا عواملی مانند انرژی حرارتی، میدان الکتریکی، تابش الکترومغناطیسی باعث این انتقال می‌گردد.