أنواع أشباه الموصلات

أشباه الموصلات الداخلية – Intrinsic Semiconductor:

يتم تصنيع هذا النوع من مادة أشباه الموصلات ليكون نقياً كيميائياً، يتكون من نوع واحد فقط من العناصر، الجرمانيوم (Ge) والسيليكون (Si) هما أكثر أنواع عناصر أشباه الموصلات الداخلية شيوعاً. لديهم أربعة إلكترونات تكافؤ (رباعي التكافؤ) ترتبط بالذرة بواسطة رابطة تساهمية عند درجة حرارة الصفر المطلق، عندما ترتفع درجة الحرارة، بسبب الاصطدامات، لا يتم تقييد عدد قليل من الإلكترونات وتصبح حرة في التحرك عبر الشبكة، ممّا يؤدي إلى غياب في موضعها الأصلي (الثقب).

تساهم هذه الإلكترونات والثقوب الحرة في توصيل الكهرباء في أشباه الموصلات، الآن أصبحت حاملات الشحنة السالبة والموجبة متساوية في العدد، الطاقة الحرارية قادرة على تأيين عدد قليل من الذرات في الشبكة، وبالتالي فإنّ موصليتها أقل.

حالة أشباه الموصلات المصنوعة من السيليكون النقي عند درجات حرارة مختلفة:

• عند درجة حرارة صفر كلفن المطلق: عند درجة الحرارة هذه، تكون الروابط التساهمية قوية جداً ولا توجد إلكترونات حرة وتتصرف أشباه الموصلات كعازل مثالي.
  
• فوق درجة الحرارة المطلقة: مع زيادة درجة الحرارة، يقفز عدد قليل من إلكترونات التكافؤ إلى نطاق التوصيل وبالتالي تتصرف كموصل ضعيف.
  

حساب التيار الكهربائي المار في أشباه الموصلات الداخلية:

في أشباه الموصلات الداخلية، يتدفق التيار بسبب حركة الإلكترونات الحرة وكذلك الثقوب، إجمالي التيار هو مجموع تيار الإلكترون (I_e) الناتج عن الإلكترونات المتولدة حرارياً وتيار الثقوب (الشحنات الموجبة) (I_h):

Total Current (I) = I_e + I_h

بالنسبة لأشباه الموصلات الداخلية، عند درجة حرارة معينة، يتناقص احتمال وجود الإلكترونات في نطاق التوصيل بشكل كبير مع زيادة فجوة الحزمة (E_g):

n = n₀e^-Eg/2.Kb.T

حيث:

• فجوة نطاق الطاقة – Eg = Energy bandgap.
  
• ثابت بولتزمان – Kb = Boltzmann’s constants.
  

أشباه الموصلات الخارجية – Extrinsic Semiconductor:

يمكن تحسين موصلية أشباه الموصلات بشكل كبير عن طريق إدخال عدد صغير من ذرات الاستبدال المناسبة تسمى (IMPURITIES)، تسمى عملية إضافة ذرات الشوائب إلى أشباه الموصلات النقية (DOPING)، عادةً يتم استبدال ذرة واحدة فقط في 107 ذرة شائبة في أشباه الموصلات المخدرة، يمكن تصنيف أشباه الموصلات الخارجية إلى:

• أشباه الموصلات – N – type Semiconductor.
  
• أشباه الموصلات – P – type Semiconductor.
  

أشباه الموصلات – N – Type Semiconductor:

خصائص أشباه الموصلات النوع – N:

• في الأساس بسبب الإلكترونات يكون محايد تماماً.
  
• التيار -(I = I_h and n_h >> n_e).
  
• الغالبية تكون هي الإلكترونات والأقلية هي الثقوب (الشحنات الموجبة).
  

عندما يتم عمل تخدير (DOPING) لأشباه الموصلات النقية (السيليكون أو الجرمانيوم) بشوائب خماسية التكافؤ (P،As ،Sb ،Bi)، فإنّ أربعة إلكترونات من أصل خمسة إلكترونات تكافؤ تترابط مع أربعة إلكترونات من (Ge) أو (Si)، يتم تحرير الإلكترون الخامس من (dopant). وهكذا تتبرع ذرة الشوائب بإلكترون حر للتوصيل في الشبكة ويسمى “المانح أو المتبرع (Donar)”.

نظراً لزيادة عدد الإلكترونات الحرة بإضافة الشوائب، تزداد حاملات الشحنة السالبة، وبالتالي يطلق عليه إسم أشباه الموصلات من النوع (n)، البلورة تعتبر محايدة الشحنة، لكن ذرة المتبرع تصبح أيوناً موجباً غير متحرك، نظراً لأنّ التوصيل ناتج عن عدد كبير من الإلكترونات الحرة، فإنّ الإلكترونات الموجودة في أشباه الموصلات من النوع (n) هي الناقلات الرئيسية والثقوب (الشحنات الموجبة) هي ناقلات الشحنة الأقلية.

أشباه الموصلات – P – Type Semiconductor:

خصائص أشباه الموصلات النوع – P:

• بشكل رئيسي بسبب الثقوب (الشحنات الموجبة) يكون محايد تماماً.
  
• التيار -(I = I_h and n_h >> n_e).
  
• الغالبية تكون هي الثقوب (الشحنات الموجبة) والأقلية هي الإلكترونات.
  

عندما يتم تخدير (DOPING) أشباه الموصلات النقية بشوائب ثلاثية التكافؤ (B ،Al ،In ،Ga) فإنّ إلكترونات التكافؤ الثلاثية للشوائب ترتبط مع ثلاثة من إلكترونات التكافؤ الرباعية لأشباه الموصلات، مع زيادة عدد الشوائب، تزداد الثقوب (ناقلات الشحنة الموجبة). ومن ثم يطلق عليه أشباه الموصلات من النوع (p)، الكريستال يعتبر محايد، لكن المستقبلات تصبح أيوناً سالباً ثابتاً، نظراً لأنّ التوصيل ناتج عن عدد كبير من الثقوب، فإنّ الثقوب الموجودة في أشباه الموصلات من النوع (p) عبارة عن ناقلات رئيسية والإلكترونات عبارة عن ناقلات صغيرة.

الفرق بين أشباه الموصلات الداخلية والخارجية:

أشباه الموصلات الداخلية:

• تعتبر أشباه الموصلات الداخلية نقية.
  
• كثافة الإلكترونات فيها تساوي كثافة الثقوب (الشحنات الموجبة).
  
• الموصلية الكهربائية تكون فيها منخفضة.
  
• تعتمد على درجة الحرارة فقط.
  
• لا تحتوي على شوائب.
  

أشباه الموصلات الخارجية:

• تعتبر أشباه الموصلات الخارجية غير نقية.
  
• كثافة الإلكترونات فيها لا تساوي كثافة الثقوب (الشحنات الموجبة).
  
• الموصلية الكهربائية تكون فيها عالية.
  
• تعتمد على درجة الحرارة وكمية الشوائب.
  
• تعتمد على الشوائب الثلاثية والشوائب الخماسية التكافؤ.
  

تطبيقات أشباه الموصلات:

لنفهم إستخدامات أشباه الموصلات في الحياة اليومية، تُستخدم أشباه الموصلات في جميع الأجهزة الإلكترونية تقريباً، بدونهم، ستكون حياتنا مختلفة كثيراً، إنّ موثوقيتها وضغطها وتكلفتها المنخفضة والتوصيل المتحكم فيه للكهرباء يجعلها مثالية للإستخدام في أغراض مختلفة في مجموعة واسعة من المكونات والأجهزة، تتكون الترانزستورات والثنائيات (الدايودات) وأجهزة الاستشعار الضوئية والميكروكونترولر والرقائق المتكاملة وغير ذلك من أشباه الموصلات.

استخدامات أشباه الموصلات في الحياة اليومية:

• أجهزة استشعار درجة الحرارة مصنوعة من أجهزة أشباه الموصلات.
  
• يتم إستخدامها في آلات الطباعة ثلاثية الأبعاد.
  
• تستخدم في الرقائق الدقيقة والسيارات ذاتية القيادة.
  
• تستخدم في الآلات الحاسبة واللوحات الشمسية وأجهزة الكمبيوتر والأجهزة الإلكترونية الأخرى.
  
• يتم تصنيع الترانزستور و(MOSFET) كمفتاح في الدوائر الكهربائية باستخدام أشباه الموصلات.
  

الاستخدامات الصناعية لأشباه الموصلات:

الخصائص الفيزيائية والكيميائية لأشباه الموصلات تجعلها قادرة على تصميم عجائب تكنولوجية مثل الرقائق الدقيقة، والترانزستورات، ومصابيح (LED)، والخلايا الشمسية. يتكون المعالج الدقيق المستخدم للتحكم في تشغيل المركبات الفضائية والقطارات والروبوتات وما إلى ذلك من ترانزستورات وأجهزة تحكم أخرى يتم تصنيعها بواسطة مواد أشباه الموصلات.

أهمية أشباه الموصلات:

• يسهل حملها نظراً لصغر حجمها.
  
• تتطلب طاقة إدخال أقل.
  
• أجهزة أشباه الموصلات مقاومة للصدمات.
  
• لديها عمر إفتراضي طويل.
  
• أشباه الموصلات خالية من الضوضاء أثناء التشغيل.