پاورپوینت خواص الکتریکی مواد و تئوری نواری

بخشی از پاورپوینت

اسلاید 1 :

عنوان: خواص الکتریکی مواد و تئوری نواری

اسلاید 3 :

رسانایی الکتریکی در مواد جامد

بر اساس میزان مقاومت مواد در عبور جریان الکتریکی، مواد مختلف را میتوان به دستههای مختلف رسانا، نیمه رسانا و عایق دستهبندی کرد.
ابررساناها ساز و کار متفاوتی را برای هدایت الکترونها استفاده می کنند.

رسانایی الکتریکی یک جامد را می توان به تعداد الکترونهای آزادی که تحت تاثیر یک میدان الکتریکی خارجی آزادانه در ماده حرکت می کنند؛ و همچنین موبیلیته ( Mobility) که معیاری از توانایی و سرعت حرکت الکترونهای آزاد است، نسبت داد.

به طور تقریبی فلزات به عنوان رسانا دارای رسانایی در حد (Ωm)-1 107؛ عایقها دارای رسانایی در حد 10-20 تا (Ωm)-1 10-10؛ و نیمهرساناها دارای رسانایی در حد 10-6 تا (Ωm)-1 104 میباشد.

اسلاید 4 :

رسانایی الکتریکی در مواد جامد

آخرین لایه هر اتم لایه ظرفیت یا والانس و الکترونهای این لایه الکترونهای ظرفیت یا والانس نامیده میشود.
نیروی جاذبه ای که از هسته به الکترونهای ظرفیت وارد می شود بسیار ضعیف است و با صرف انرژی خارجی کمی، این الکترونها از قید هسته آزاد می شوند.

به الکترونی که از قید هسته آزاد شده و بتواند در ماده انتقال یابد الکترونهای آزاد می گویند. خواص الکتریکی اجسام به این الکترونها وابسته است.

الکترونهای آزاد در کریستال به طور نامنظم حرکت می کنند. هنگامی که ولتاژی به دو سر کریستال اعمال شود، الکترونهای آزاد به طرف قطب مثبت باتری حرکت کرده و جریانی را در مدار به وجود می آورند که به آن جریان الکترونها گفته میشود.

اسلاید 5 :

رسانایی الکتریکی در مواد جامد
رساناها اجسامی هستند که:

الکترونهای آنها به راحتی از قید هسته آزاد می شوند.
دارای الکترون آزاد زیاد هستند.
جریان الکتریسیته را به راحتی عبور می دهند.

در مواد عایق به دلیل پیوندهای موجود:
الکترونها به سختی از اتم جدا میشوند.
در وضعیت معمولی، الکترونهای آزاد بسیار کمی دارند.
جریان الکتریسیته را به سختی از خود عبور می دهند.

عناصری نظیر کربن، سیلیکون، ژرمانیم در حالتهای خاصی نیمه رسانا هستند؛
تعداد حاملهای الکتریسیته آنها بستگی به دما و میزان عناصر ناخالصی دارد.

اسلاید 6 :

نظریه نواری جامدات
الکترونها سطوح انرژی تعریف شده ای دارند.

هر سطح انرژی حداکثر دو الکترون را میتواند در خود جای دهد که الکترونهایی با دو اسپین مخالف هستند و در یک اربیتال قرار میگیرند.

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 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.

اسلاید 7 :

نظریه نواری جامدات

سطوح انرژی میتوانند کاملاً پر، کاملاً خالی و یا شامل تعدادی الکترون باشند.
نوارهای خالی و نوارهای پر در رسانایی نقشی ندارند.

اسلاید 8 :

نظریه نواری جامدات

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.
تمام سطوح انرژی در مواد عایق یا کاملاً پر شده اند یا کاملاً دور از دسترس هستند.
تنها یک ولتاژ بالا باعث جهش الکترونها 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.

اسلاید 9 :

نظریه نواری جامدات

در نیمه هادیهای ذاتی
فاصله انرژی بین نوار پر شده و نوار خالی آنقدر کم است که انرژی گرمایی می تواند چند الکترون را وادار به پریدن به مدارهای خالی بالاتر کند.
به محض آنکه الکترون به لایه خالی می رسد، می تواند در رسانایی الکترونی سهیم باشد و جامد در این وضعیت از حالت عایق به حالت نیمهرسانا تبدیل می شود.
فاصله بین لایه والانس (لایه پر) و لایه هدایت (لایه خالی)
گپ انرژی(Eg) نامیده می شود.

اسلاید 10 :

نظریه نواری جامدات

تفاوت بین مواد رسانا و نیمهرسانا در مقدار انرژی گپ انرژی است.
مقدار انرژی گپ انرژی در مورد مواد نیمه رسانا کمتر از 2 الکترون ولت و در مورد مواد عایق بزرگتر از 2 الکترون ولت میباشد.

اسلاید 11 :

نظریه نواری جامدات

در نیمهرساناها
انتقال الکترون از نوار ضرفیت به نوار هدایت، یک حالت الکترون خالی را در محل قبلی خود ایجاد می کند. این جای خالی الکترون حفره نامیده می شود.
حفره مانند یک حامل بار عمل کرده و در انتقال جریان الکتریسیته کمک میکند.
اندازه بار حفره برابر با اندازه بار الکترون و با علامت معکوس است.
حفره یک ذره آزاد نیست.
رسانایی در این حالت با الکترونها و حفره ها صورت می گیرد و گاهی به این حالت رسانایی دوسویه اطلاق میشود.  
عواملی مانند انرژی حرارتی، میدان الکتریکی و تابش الکترومغناطیسی باعث انتقال الکترون از نوار ظرفیت به نوار هدایت میگردد.

اسلاید 12 :

نیمه رساناها

رسانایی مواد نیمهرسانا بین مواد رسانا و مواد عایق میباشد.
رسانایی این دسته از مواد بسیار حساس به حضور عناصر ناخالصی میباشد و بر این اساس نیمهرساناها به دو دسته نیمهرساناهای ذاتی و نیمهرساناهای غیرذاتی تقسیمبندی میشوند.
نیمهرساناهای ذاتی: رسانایی تنها بر اساس ذات خود ماده و انتقال الکترون از باند ظرفیت به باند رسانایی انجام میشود.
نیمهرساناهای ذاتی به دو دسته کلی تقسیم میشوند:
نیمهرساناهای عنصری مانند سیلیکون و ژرمانیوم
نیمهرساناهای ترکیبی مانند آرسنید گالیوم و سولفید کادمیوم

اسلاید 13 :

نیمهرساناهای غیر ذاتی: حضور عناصر ناخالصی با تغییراتی که در ساختار نواری ماده بوجود میآورد، باعث رسانایی در ماده میشود.
چون تعداد الکترونهای آزاد و حفره های ایجاد شده در کریستال نیمه رسانا ژرمانیم یا سیلیکون در اثر انرژی گرمایی به اندازه کافی نیست و از این نیمه رسانا نمی توان برای ساختن قطعاتی نظیر دیود یا ترانزیستور استفاده کرد، برای افزایش هدایت نیمه هادی به آن ناخالصی اضافه می کنند.
بر اساس نوع ناخالصی اضافه شده، نیمهرساناهای غیر ذاتی به دو دسته تقسیم میشود:
نیمه رسانای نوع N
نیمه رسانای نوع P

اسلاید 14 :

نیمه رسانای نوع N

یک عنصر پنج ظرفیتی مانند ارسنیک (As) ، آنتیموان(Sb) یا فسفر(P) به کریستال سیلیکون یا ژرمانیم اضافه می شود.
با افزودن هر اتم ناخالصی یک الکترون آزاد در کریستال ایجاد میگردد.
با تنظیم مقدار اتم ناخالصی میتوان تعداد الکترونهای آزاد را کنترل کرد.
اتمهای ناخالصی در این دسته اتم اهدا کننده (Donor) نام دارند. 
تعداد الکترونهای آزاد که هدایت الکتریکی را ترتیب می دهند به مراتب بیشتر از تعداد حفره ها است.
در این حالت چون تعداد حاملهای بار منفی بیشتر است، به این نیمه رسانا، نیمه رسانا نوع N گفته می شود.

اسلاید 15 :

نیمه رسانای نوع N

اسلاید 16 :

نیمه رسانای نوع P

یک عنصر سه ظرفیتی مانند آلومینیوم (Al) یا بور(B) یا ایندیوم(In) به کریستال سیلیکون یا ژرمانیوم خالص اضافه می شود.
افزودن هر اتم ناخالصی سه ظرفیتی در کریستال یک حفره ایجاد می کند.
به اتم سه ظرفیتی که قادر است یک الکترون آزاد را جذب کند اتم پذیرنده (Acceptor) گفته میشود. 
اگر این ماده در یک میدان الکتریکی واقع شده باشد، انتقال حفرهها در یک جهت صورت گرفته و در نتیجه جریان الکتریکی را ایجاد میکند.

اسلاید 17 :

از آنجا که در این دسته مواد، حفرهها به عنوان حاملهای بار غالب شناخته میشوند و حفره ها نقش یک بار مثبت را دارند، به این نوع کریستال، کریستال نوع P گویند.

اسلاید 18 :

اتصال P-N کریستالی

هر گاه یک کریستال نیمه هادی به گونهای ساخته شود که از یک طرف نیمهرسانای نوع N و از طرف دیگر نیمه رسانای نوع P ایجاد شود، اتصال P-N نامیده میشود.
این دسته از مواد در دیودها و یکسوکنندهها کاربرد فراوانی پیدا کرده است.
حاملهای بار در قسمت P حفرهها و در قسمت N الکترونهای آزاد هستند.

اسلاید 19 :

اتصال P-N کریستالی

P-N و نحوه عملکرد آن در حضور میدان الکتریکی در بایاس مستقیم و معکوس
بایاس مستقیم
بایاس معکوس

اسلاید 20 :

هر گاه به اتصال P-N ولتاژی اعمال کنیم آن را بایاس نموده ایم.
بایاس کردن اتصال P-N به دو صورت مستقیم و معکوس انجام می گیرد:

بایاس مستقیم
اگر قطب مثبت باتری را به نیمه رسانای نوع P و دیگری را به نیمه رسانای نوع N وصل کنیم، این حالت اتصال ولتاژ، بایاس مستقیم یا بایاس موافق نامیده میشود.

هنگامی که میدان الکتریکی ناشی از باتری خارجی میدان الکتریکی پتانسیل سد را خنثی کند، الکترونهای کریستال N به سمت محل پیوند رانده می شوند. این الکترونها وارد کریستال P شده و در اثر ترکیب با حفره ها به الکترون ظرفیت تبدیل می شوند.

چنین به نظر میآید حفره ها در کریستال P در خلاف جهت حرکت الکترونها حرکت می نمایند و جریانی را به وجود می آورند.