ساختار نواری

الکترون‌های یک اتم منزوی، ترازهای انرژی مجزایی دارند. هنگامی که اتم‌ها، برای تشکیل بلور، به‌هم نزدیک می‌گردند، بایستی ترازهای انرژی از هم شکافته باشند، اما به دلیل برهم‌کنش اتمی، ترازها بسیار نزدیک به‌هم قرار می‌گیرند، که منجر به یک نوار پیوسته انرژی می‌شود [1]. دو نوار متمایز انرژی در نیمه‌رساناها وجود دارد. در دمای صفر کلوین، نوار پایین‌تر، که نوار ظرفیت نامیده می‌شود، پر از الکترون است (در دماهای متناهی این نوار می‌تواند با جابه‌جایی حالت‌های تهی، رسانایی را موجب شود).

بار الکتریکی در یک جامد مانند یک سیال است و حالت‌های تهی مانند حباب در سیال رفتار می‌کنند، از این‌رو حفره نامیده می‌شوند. در نیمه‌رساناها نوار بالایی، تقریباً خالی از الکترون است و در بردارنده حالت‌های الکترونی برانگیخته است (الکترون‌ها از پیوند کووالانسی جای‌گزیده، به حالت‌های گسترده در بدنه بلور می‌روند). چنین الکترون‌هایی، با به کارگیری یک میدان الکتریکی شتاب می‌گیرند و در شار جریان شرکت می‌کنند، بدین جهت این نوار، نوار رسانش نامیده می‌شود. اختلاف انرژی دو نوار، گاف نواری نامیده می‌شود که ناحیه ممنوع انرژی است [2-1].

گاف نواری مستقیم و غیرمستقیم در نیمرساناها

می‌توان نمودار نوار انرژی الکترون در مقابل اندازه حرکت را رسم کرد. مینیمم نوار رسانش و ماکزیمم نوار ظرفیت، نسبت به هم، به دو صورت واقع می‌شوند. در حالت اول مینیمم نوار رسانش و ماکزیمم نوار ظرفیت، مطابق شکل 2a، در اندازه حرکت یکسانی قرار می گیرند و وقتی الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش جهش می‌کند، تغییری در اندازه حرکت آن به وجود نمی‌آید. گالیم آرسنید و اکسید روی مثال‌هایی از این مورد هستند. چنین موادی نیمه‌رسانای مستقیم نامیده می‌شوند. در مقابل ممکن است، مینیمم نوار رسانش و ماکزیمم نوار ظرفیت، مطابق شکل 2b در اندازه حرکت یکسان قرار نگیرند.

بنابراین برانگیختگی یک الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش، نه تنها نیاز به صرف انرژی زیادی دارد، بلکه، تغییری در اندازه حرکت آن به وجود خواهد آورد. با چنین موقعیتی در سیلیکون روبه‌رو هستیم. این مواد را نیمه‌رساناهای غیرمستقیم می‌نامیم [2] (شکل 2).

در نیمه‌رساناهای مستقیم، یک فوتون با انرژی Eg=hν ، می‌تواند یک الکترون را از نوار ظرفیت به نوار رسانش برانگیخته کند (عبور مستقیم). اما در نیمه‌رساناهای غیرمستقیم، این نوع عبور، امکان‌پذیر نمی‌باشد. به دلیل آن‌که فوتون‌ها اندازه حرکت بسیار کوچکی دارند، در حالی‌که الکترون باید دستخوش تغییر بزرگی در اندازه حرکت شود.

در این موارد، عبور الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش، می‌تواند با اتلاف یک فونون شبکه (انرژی گرمایی) رخ دهد، در این صورت اندازه حرکت مورد نیاز، تأمین می‌شود (عبور غیرمستقیم؛ به دلیل برهم‌کنش بین اتم‌ها، یک جامد مدهای ارتعاشی دارد. کوانتوم انرژی ارتعاشی، فونون نامیده می‌شود، در برهم کنش فونون- الکترون انرژی و اندازه حرکت پایسته می‌مانند). البته عبورهای مستقیم نیز امکان‌پذیر هستند، اما یک انرژی فوتونی مینیمم برای برانگیخته کردن الکترون مورد نیاز است که بزرگتر از گاف انرژی باشد [4-3].

منابـــع و مراجــــع

1 – Soga, T., (editor), “Nanostructured Materials for Solar Energy Con” (Fundamentals of Solar Cell), Elsevier, (2006).

2 – Dasgupta, N., Dasgupta A., “Semiconductor Devices, ModellingTechnology”, Prentic Hall of India, New Delhi, (2007).

3 – Wurfel, Peter, “Physics of Solar Cell Prenciples to New Concepts”, John Wiley & Sons, Inc., (2005).

4 – Fonash, J. Stephen, “Solar Cell Device Physics”, Second Edition, USA, Elsevier Inc., (2010).