دید کلی

از تماس بین دو نیم رسانا ، با ساز و کارهای رسانش مختلف حفره‌ای و الکترونی ، شماری پدیده‌های جالب مشاهده می‌شود. بسته به اینکه جریان الکتریکی از نیم رسانای نوع p به نیم رسانای نوع n باشد یا در جهت مخالف ، رسانندگی ناحیه تماس می تواند متفاوت باشد. مثلا اگر اکسید مس (Cu₂O) را با دی اکسید تیتانیم (TiO₂) ، که دارای رسانش الکترونی است، در تماس قرار می دهیم، در ولتاژ یکسان جریان از اکسید مس به سمت دی اکسید تیتانیم 10000 برابر جهت مخالف است.

اتصالهای p-n

برای یافتن دلایل پدیده‌های عجیب ظاهر شده در اتصالات نیم رسانایی باید فرآیندهایی را بررسی کنیم که در اتصالهای به اصطلاح p-n ، یعنی در مرز بین نیم رساناهای نوع p و n رخ می‌دهند. در نیم رسانای الکترونی ، حاملهای الکترونهای آزاد اکثریت دارند و تعداد آنها خیلی بیش از حفره‌ها است. برعکس ، در نیم رسانای حفره‌ای تعداد حفره‌ها به مقدار زیادی از تعداد آنها بیشتر است. وقتی که این دو ماده را در تماس با یکدیگر قرار می‌دهیم، الکترونها از نیم رسانای n ، جایی که چگالی عددی آنها بیشتر است، در نیم رسانای p جایی که کمتر هستند، پخش می‌شوند.

درست در همان طریقی که در تماس دو محلول ، اتمهای ماده محلول از محلول غلیظ در محلول رقیق پخش می‌شوند. به همین دلیل ، حفره‌ها از نیم رسانای حفره‌ای در نیم رسانای الکترونی پخش می‌شوند. در نتیجه ، لایه مرزی در هر دو نیم رسانا از حاصلهای اکثریت تهی می‌شود، یعنی یک لایه به اصطلاح سدی در مرز درست می‌شود که مقاومت آن از خود نیم رساناها خیلی بیشتر است. در واقع مقاومت این لایه سدی است که مقاومت ، دو جسم در تماس را تعیین می‌کند.

تعادل بین حاملهای بار نیم رسانایی

بطور طبیعی این پرسش مطرح می‌شود که چه موقع پخش حفره‌ها از نیم رسانای p و الکترون از نیم رسانای n متوقف می‌شود؟ چون بارهای مثبت ، نیم رسانای نوع را ترک می کنند. الکترون وارد آن می‌شوند، این نیم رسانا در ناحیه مرزی بار کسب می‌کند. به همین ترتیب ، لایه مرزی نیم رسانای نوع بار کسب می‌کند. زیرا حفره‌ها وارد آن می‌شوند و الکترونها آن را ترک می‌کنند. از اینرو در نزدیکی مرز یک لایه الکتریکی دو گانه تشکیل می‌شود، که در آن جهت میدان الکتریکی از نیم رسانای نوع n به طرف نیم رسانای نوع p است.

به عبارت دیگر ، این میدان با پخش الکترون و حفره‌ها مخالفت می‌کند. هرگاه شدت این میدان به چنان مقداری برسد که اثر آن کشش الکترونهای آزاد و حفره را به ناحیه “بیگانه“ خنثی کند، تعادل برقرار و پخش متوقف می‌گردد.

یکسو کننده‌های معروف

اکسید مس و سلنیوم از یک سو کننده‌هایی هستند که کاربرد وسیعی دارند. این یک سو کننده‌ها قبل از اینکه اندیشه فرآیندهای فیزیکی در آنها اتفاق می‌افتد به روشنی فرمول بندی می‌شوند، از طریق تجربی گسترش داده شده است.

• یکسو کننده اکسید مس یک تیغه مسی است که در دمای 1000 درجه سانتیگراد با لایه‌ای از اکسید مس (Cu₂O) اندوخته شده است. این لایه در دمای حدود 600 درجه سانتیگراد با اکسیژن اشباع و بعد سریعا سر شده است. لایه مونوکسید مس (CuO) درست شده روی سطح اکسید مس را با اسیدی شستشو می دهند و اکسید مس با لایه ای از مس اندود می کنند.
  
  زمانی که این تیغه به باتری وصل می شو.د، جریانی که از تیغه مس به باتر ی می گذرد، مقدارش خیلی زیاد است. یعنی مقاومت صفحه خیلی کم است. اگر قطب های باتری را عوض کنیم. یعنی بگذاریم جریان تیغه مسی به طرف اکسید مس عبور کند، جریان هزاران مرتبه ضعیفتر می شود، زیرا در این راستا مقاومت صفحه هزاران برابر است از اینرو تیغه همان دو قطبی یکسو کننده الکتریکی است که جریان را از یک جهت عبور می‌دهد و از طرف دیگر تقریبا عبور نمی‌دهد.
• یکسو کننده سلنیوم نیز همان خواص را دارد. یکسو کننده سلنیوم عبارت از یک لایه سلنیوم است که به تیغه آهنی پوشیده شده از نیکل وصل شده است. لایه سلنیوم را الکترود دومی ساخته شده از آلیاژ بیسموت ـ قلع ـ کادمیوم پوشانده است. پس از گرم کردن دراز مدت و گذراندن جریان ، چنین دستگاهی نیز خاصیت رسانش یک طرفه کسب می کند. در یکسو کننده‌های سلنیوم لایه سومی در مرز سلنیوم (نیم رسانای نوع p) و سلنید کادمیم که در ضمن پروراندن تیغه‌ها ظاهر می‌شود، تشکیل می‌گردد و رسانندگی نیم رسانای نوع n را دارد.

کاربردهای یکسو کننده‌های نیم رسانا

امروزه یک سو کننده‌های نیم رسانا شناخته شده از ژرمانیوم ، سیلیسیم و نیم رساناهای دیگر در صنعت (بویژه در مهندسی رادیو) کاربرد زیادی یافته‌اند. طبیعت رسانش ژرمانیوم با داخل کردن اتمهای ناخالص از بعضی از عناصر می‌تواند تغییر کند. مثلا اگر روی سطح ژرمانیوم که رسانش الکترونی دارد تکه کوچکی از ایندیم را ذوب کنیم، لایه سطحی نازکی که درون آن اتمهای ایندیم پخش شده‌اند. بصورت رسانش حفره‌ای در می‌آید و در جسم ژرمانیوم اتصال p-n درست می‌شود، که دارای خاصیت یکسو کنندگی (رسانش یک طرفه) است.

نیم رساناهای با اتصال p-n را در تقویت کننده‌های نیم رسانایی ترانزیستورها بکار می‌برند که جای تقویت کننده های سه قطبی را گرفته‌اند. از جهات مختلف ، این عناصر نسبت به لامپهای الکترونی خلا مزایای زیادی دارند. زیرا اندازه شان خیلی کوچک است، عمر مفید طولانی دارند و نسبت به لامپهای الکترونی انرژی کمتری مصرف می‌کنند.

مباخث مرتبط با عنوان

• آلایش نیم رسانا
• اجسام نیم رسانا
• بار الکتریکی
• پیوند p-n
• حامل بار حفره
• دو قطبی یکسو کننده الکتریکی
• رسانش الکترونی
• رسانش حفره ای
• ژرمانیوم
• لامپهای الکترونی
• مقاومت الکتریکی
• نیم رسانای الکترونی
• نیم رسانای حفره‌ای
• یکسو کننده اکسید مس
• یکسو کننده سلنیوم