خصلت رسانایی،نیمه رسانایی و نارسانایی مواد

مواد نیمه رسانا

یک رسانای فلزی ماده ای است که رسانایی الکتریکی آن با افزایش دما کاهش می یابد،یک نیمه رسانا ماده ای است که با افزایش دما رسانایی الکتریک آن افزایش می یابد.در رسانا ها گپ انرژی پایین است بنابراین الکترون های نوار پر به راحتی می تواند وارد نوار خالی شوند.

برای توجیه خواص جامدات،که مجموعه هایی از تعداد بی شماری اتم هستند،از بسط نظریه اوربیتال مولکولی مولکول های کوچک می توان استفاده نمود.این روش برای توصیف فلزات بسیار موفقیت آمیز است؛از این روش برای تشریح درخشندگی ویژه ،رسانایی الکتریکی و گرمایی خوب و قابلیت شکل گیری آنها میتوان استفاده نمود.تمامی این خواص از توانایی اتم ها در سهیم نمودن الکترون هایشان در یک دریای مشترک سرچشمه می گیرد.درخشندگی و رسانایی الکتریکی از حرکت الکترون ها در عکس العمل به میدان نوسان کننده ی الکتریکی یک پرتو نور با یک اختلاف پتانسیل ناشی میشود.رسانایی گرمایی بالا نیز ناش از تحرک الکترون ها است،زیرا یک الکترون می تواند با برخورد به یک اتم ارتعاش کننده انرژی انرا بگیرد و این انرژی را به اتم دیگری در جای دیگر جامد منتقل کند.

نارسانا ها

یک جامد نارسانا،نیمه رسانایی است که گاف یا گپ انرژی آن بزرگ است.یک جامد هنگامی نارسانا است که الکترون کافی برای پر کردن یک نوار(نوار والانس) را دارد ولی برای دسترسی به یک اوربیتال خالی گاف انرژی بزرگی در سر راه وجود دارد.به عنوان نمونه در یک بلور سدیم کلرید،N یون Cl- به خوبی با هم با هم تماس دارندو از همپوشانی اوربیتال های والانس ۳S و ۳p آنها نوار باریکی که از ۴N تراز تشکیل شده به وجود می آید.یونه های سدیم  نیز با هم تماس خوبی دارند و نواری را تشکیل می دهند.الکترونگاتیوی کلر به قدری بزرگتر از الکترونگاتیوی سدیم است که نوار کلر خیلی پایین تر از نوار سدیم قرار می گیرد و گاف نواری نزدیک به ۷ev بین آنها وجود دارد.اکنون باید تعداد ۸N الکترون در اوربیتال های این نوارها قرار دهیم(۷ الکترون از هر اتم کلر و یکی از هر اتم سدیم).این ۸N الکترون در نوار کلر ،در پایین قرار می گیرند و آن را پر می کنند،و نوار سدیم خالی می ماند.چون در دمای اتاق kT=0/03ev است تعداد اندکی الکترون در نوار سدیم قرار می گیرد.

کانال تلگرامی ما به نشانی @unikadeh1

تصور ما از جامدات یونی و مولکولی به طور معمول این است که این جامدات از یونها و یا مولکول های مجزا تشکیل شده است.در حالی که بنابر تصویری که اکنون ارائه نمودیم،باید آنها را به صورت گونه هایی که ساختار نواری دارند تلقی کنیم.این دو تصویر را می توان به هم نزدیک نمود زیرا می توان گفت که یک نوار پر با مجموع چگالی الکترونی متمرکز هم ارز است.به عنوان نمونه یک نوار پر،تشکیل شده از اوربیتال های Cl، با مجوعه ای از یون های Cl- مجزا هم ارز است.

نیمه رساناها

خصلت فیزیکی مشخصه ی یک نیمه رسانا این است که رسانایی الکتریکی آن با افزایش دما افزایش می یابد.رسانایی نیمه رساناها در دمای اتاق چیزی بین رسانایی فلزات و نارساناها است.مرز بین نارساناها و نیمه رساناها به وسیله گاف نوار تعیین میشود.میزان رسانایی جامد معیار خوبی برای قضاوت نیست چرا که ممکن است یک ماده در اٍر افزایش دما رسانایی پایین،متوسط و یا بالایی از خود نشان دهد.مقدار گاف نوار و رسانایی که مبنای تعیین یک جامد به عنوان نیمه رسانا و یا نارسانا قرار گیرد به کاربرد مورد نظر آن جامد بستگی دارد.نیمه رساناها به دو نوع نیمه رسانی ذاتی و غیر ذاتی تقسیم میشوند.

در یک نیمه رسانا ،گاف نوار وابستگی دمایی رسانایی را از طریق یک رابطه آرنیوس مانند کنترل می کنند.

گاف نوار در یک نیمه رسانای ذاتی به اندازه ای کوچک است که انرژی گرمایی سبب میشود تا برخی از الکترون ها نوار بالاتر را اشغال کنند.با اشغال نوار رسانایی،در نوار پایینی حفره های مثبت که با نبود الکترون هم ارزند،به وجود می اید،و در نتیجه این جامد،رسانا میشود.رسانایی یک نیمه رسانا در دمای اتاق به مراتب از یک رسانای فلزی پایین تر است زیرا در جامد نیمه رسانا تعداد اندکی الکترون و حفره به عنوان حامل بار ایفای نقش میکنند.وابستگی دمایی شدید رسانایی ،از  رابطه بولتزمن مانند تجربی برای وابستگی دمایی جمعیت دار شدن نوار بالایی به وسیله الکترون ها پیروی می کند.

ب:نیمه رسانای غیر ذاتی یا خارجی

یک نیمه رسانای خارجی ماده ای است که خاصیت نیمه رسانایی آن در اثر افزوده شدن عمدی یک ناخالصی به وجود می آید.با افزودن اتم هایی که از اتم های عنصر اولیه الکترون های بیشتری دارند.

طی فرایندی که به آن ناخالص سازی می گویند،تعداد حامل های الکترونی را می توان افزایش داد.برای این منظور به غلظت بسیار پایینی از ماده مهمان نیاز است(نزدیک به یک اتم مهمان به یک میلیارد اتم میزبان)بنابراین لازم استکه در ابتدای کار ماده میزبان بسیار خالصی تهیه شود.

چنانچه اتم های آرسنیک در بلور سیلیکون وارد شوندبه ازای هر اتم افزوده شده که جایگزین سیلیکون میشودیک الکترون در دسترس خواهد بود.توجه کنید فرایند ناخالص سازی یک فرایند جانشینی است به این معنی که اتم مهمان جای اتم Si در ساختار سیلیکون را اشغال می کند.چنانکه فاصله اتم های آرسنیک از یکدیگر زیاد باشد،الکترون های آن متمرکز شده و نوار دهنده بسیار باریک خواهد شد.از آن گذشته،تراز های اتم مهمان از الکترون های والانس ساختار میزبان بالاتر قرار میگیرندو نوار پر ماده مهمان نزدیک نوار رسانایی خالی میزبان واقع میشود.برای زمانی که T>0 است،برخی از الکترون های نوار مهماندر اثر گرما به نوار رسانایی خالی برانگیخته میشوند.به بیان دیگر ،برانگیختن گرمایی سبب میشود تا یک الکتروناز یک آرسنیک به اوربیتال خالی روی اتم Si مجاور منتقل شود.این الکترون میتوانداز طریق نوار تشکیل شده از همپوشانی Si–Si در سراسر ساختار جامد حرکت کند.این فرایند به نیمه رسانایی نوع n یا منفی منتهی میشود که n نشان میدهدکه حامل های بار دارای بار منفی هستند یا به عبارت بهتر ترکیب عناصر گروه چهارده با عناصر گروه بالاتر یعنی ۱۵ که دارای الکترون منفرد هستند منجربه ایجاد نیمه رسانیی نوع n  میشود.

خواندن بیشتر  ترکیبات کمپلکسی و ویژگی های انها

روش جانشینی دیگری نیز وجود دارد که طی آن سیلیکون به وسیله اتم یک عنصر که تعداد الکترون های والانس کمتری دارد مانند گالیم ناخالصی می پذیرد.این نوع ناخالصی در جامد مورد نظر حفره ایجاد میکند .به بیان دیگر ،اتم های مهمان یک نوار پذیرنده ی خالی و باریک در بالای نوار پر Si تشکیل میدهد.در دمای T=0 نوار پذیرنده خالی است ولی در دماهای بالاتر میتواند الکترون هایی که در اثر گرما از نوار والانس Si برانگیخته شده اند بپذیرد.با این ترتیب،در نوار والانس حفره ایجاد میکند و امکان جابجایی را برای الکترون های باقی مانده  در نوار فراهم میکند.چون در این حالت حامل های موثر بار حفره های مثبت موجود در نوار پایینی هستند،این نوع نیمه رسانایی نوع p یا مثبت می نامند.

تعدادی از اکسیدهای فلزات-d شامل Zno و Fe2O3 نیز نیمه رسانای نوع n هستند.خاصیت نیمه رسانایی این اکسیدها،از تغییرات نسبت فرمولی و کمبود جزئی اتم های O ناشی میشود.الکترون هایی که باید روی اوربیتال های اتمی O مستقر باشند در نوار رسانایی  خالی حاصل از اوربیتال های فلز قرار می گیرند.اگر این جامد را در اکسیژن،گرم و سپس آن را به آرامی تا دمای اتاق سرد کنیم رسانایی الکتریکی کاهش می یابد چرا که کمبود اتم های O تا حدی جبران شده و با اضافه شدن اتم های اکسیژن جدید،الکترون ها از نوار رسانایی (مربوط به فلز) بیرون می آیند و با انتقال به اتم های اکسیژن یون های اکسید تولید می کنند.البته در دماهای بسیار بالا رسانایی ZnO به دلیل از دست دادن اکسیژن و افزوده شدن تعداد الکترون های در نوار رسانایی افزایش می یابد.

نیمه رسانایی نوع p در برخی از کالکوژنیدها و هالیدهای فلزات d با عدد اکسایش پایین،مانند Cu2O،FeO،FeS،CuI دیده میشود.در این ترکیبات ، از دست دادن الکترون در فرایندی که مشابه اکسایش برخی از اتم های فلز است رخ میدهد،که در نتیجه در نواری که به طور عمده مربوط به فلز است حفره ایجاد میشود.اگر این ترکیبات در اکسیژن گرم شوند رسانایی آنها افزایش می یابد چون که با پیشرفت اکسایش فلز،حفره های بیشتری در نوار فلز ایجاد میشود.نیمه رسانایی نوع n در اکسید های فلزی در حالت های اکسایش بالاتر دیده میشود زیرا که در این حالت فلز میتواند با گرفتن الکترون کاهش یابد و با قرار دادن الکترون در نوار رسانایی حاصل از اوربیتال های فلز از خود رسانایی نشان دهد بر این اساس Fe2O3،MnO2 و CuO نمومنه های بارزی از نیمه رساناهای نوع n هستند.در مقابل،نیمه رسانایی نوع p زمانی دیده میشود که مانند MnO و Cr2O3 ،فلز در حالت اکسایش پایین قرار دارد.

کتاب های ویژه!

6,000تومان افزودن به سبد خرید

حل المسائل زبان اصلی شیمی آلی مک موری جلد اول ویرایش هفتم

4 : تعداد دانلودها

2 : تعداد دانلودها

5 : تعداد دانلودها

داستان و رمان

ملت عشق

3 : تعداد دانلودها

14 : تعداد دانلودها

5 : تعداد دانلودها

11 : تعداد دانلودها

1 : تعداد دانلودها

14 : تعداد دانلودها

 

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *