الفرق بين الشوائب المانحة والمستقبلة في أشباه الموصلات - Donor Impurities vs Acceptor Impurities

تعريف الشوائب المانحة – Donor Impurity:

يُعرف الشائب (dopant) الذي يحتوي على (5) إلكترونات في غلاف التكافؤ الخاص به عند إضافته لأشباه الموصلات لزيادة الموصلية “بالشوائب المانحة”. لديه القدرة على التبرع أو “منح” إلكترون إضافي موجود في غلاف التكافؤ للذرة المجاورة ومن ثمّ يطلق عليه اسم “المتبرع”، نظرًا لوجود شحنة سالبة زائدة فإنّها تشكل المنطقة من النوع (n) وبالتالي يتم استخدام شوائب المانحين لتشكيل أشباه الموصلات من النوع (n).

يقال إنّ عناصر المجموعة الخامسة هي “شوائب مانحة” لأنّها تتكون من (5) إلكترونات في الغلاف الخارجي وهكذا يُعرف أيضًا باسم “الشوائب الخماسية التكافؤ”، ضع في اعتبارك أنّ شوائب الزرنيخ الخماسي التكافؤ (As) مخدر (doped) في بنية سيليكون نقية كما نعلم أنّ الزرنيخ يحتوي على (5) إلكترونات في غلاف التكافؤ. لذلك (4) إلكترونات من الزرنيخ تشكل (4) روابط تساهمية مع (4) إلكترونات من ذرة السيليكون المجاورة.

ولكن كما نرى هنا يوجد إلكترون إضافي يتدفق هذا الإلكترون شديد الترابط بحرية حول البلورة حتى في درجة حرارة الغرفة. حركة هذه الشحنة الحرة داخل البلورة تولد تيارًا وبالتالي يُعرف الإلكترون الزائد هنا “بحامل الشحنة” (charge carrier).

تعريف الشوائب المستقبلة – Acceptor Impurity:

يُعرف الشائب الذي يحتوي على (3) إلكترونات في غلاف التكافؤ الخاص به، عندما يخدر (doped) بأشباه موصلات لزيادة الموصلية، باسم شوائب “مستقبلة” (acceptor impurity) لديه القدرة على قبول إلكترون من ذرة مجاورة لأنّه يحتوي على إلكترون شاغر. وهكذا يسمّى “مستقبل الشوائب” لذلك، فإنّ وجود شحنة موجبة زائدة يشكل منطقة من النوع (p) وبالتالي يتم استخدام الشوائب المستقبلة لتشكيل أشباه الموصلات من النوع (p).

تُعرف عناصر المجموعة الثالثة بالشوائب المستقبلة لأنّ هذه العناصر تتكون من (3) إلكترونات في غلاف التكافؤ. وهكذا يعرف “بالشوائب ثلاثية التكافؤ”. العناصر مثل البورون والألمنيوم والإنديوم والغاليوم أمثلة على الشوائب ثلاثية التكافؤ. لنفترض أن ذرة الألومنيوم مخدرة (doped) في بلورة نقية من السيليكون، نعلم أنّ ذرة الألومنيوم تتكون من (3) إلكترونات في الغلاف الخارجي. لذلك، في هذه الحالة تشكل (3) إلكترونات من الألومنيوم، (3) روابط تساهمية مع ذرة السيليكون المجاورة. ولكن توجد رابطة غير مكتملة بسبب وجود شاغر للإلكترون في الهيكل. يشير هذا إلى وجود شحنة موجبة زائدة “أي ثقب”.

لذلك، لملء الفراغ في ذلك الإلكترون وإكمال الرابطة التساهمية، يتم تحرير الإلكترون من ذرة السيليكون المجاورة عند درجة حرارة الغرفة. يشغل هذا الإلكترون المكان الشاغر في البلورة وبالتالي يترك شاغرًا للإلكترون في المكان الآخر، بهذه الطريقة هنا تتحرك شحنة موجبة لملء الفراغ. وبالتالي يقال أنّ حركة الشحنة الحرة تخلق تيارًا.

الفرق بين الشوائب المانحة والمستقبلة:

تؤدي إضافة الشوائب إلى مادة شبه موصلة إلى حدوث تباين في طبيعة التوصيل للمادة، العامل الأساسي للاختلاف بين الشوائب المانحة والمستقبلة هو أنّ الشوائب المانحة تتبرع بشحنات لأشباه الموصلات، في المقابل الشوائب المستقبلة تقبل الشحنات من مادة أشباه الموصلات.

في الأساس، تُعرف ظاهرة إضافة الشوائب إلى أشباه الموصلات باسم “المنشطات” (doping) تساهم المنشطات في توصيل المادة، هناك عوامل مختلفة للتمييز بين الشوائب المانحة والمستقبلة في الجدول التالي:

جدول المقارنة بين الشوائب المانحة والمستقبلة:

الاختلافات الرئيسية بين الشوائب المانحة والمستقبلة:

• تعطي الشوائب المانحة إلكتروناتها الزائدة الموجودة في غلافها الخارجي للذرة الأخرى من التركيب البلوري. بينما تقبل الشوائب عند إضافتها إلى أشباه الموصلات، فإنّها تقبل الشحنة من الذرة المجاورة للهيكل البلوري.

• تتكون ذرة الشوائب المانحة من إجمالي (5) إلكترونات في غلاف التكافؤ الخاص بها بينما تتكون ذرة الشائبة المستقبلة من (3) إلكترونات في غلاف التكافؤ.

• تعتبر عناصر المجموعة الخامسة من الجدول الدوري شوائب مانحة بسبب وجود إلكترون إضافي. ومع ذلك، تعتبر عناصر المجموعة الثالثة من الجدول الدوري شوائب مستقبلة بسبب وجود عدد أقل من الإلكترونات في غلاف التكافؤ.

• تُعرف الشوائب المانحة أيضًا باسم الشوائب من النوع (n). في المقابل الشوائب المستقبلة، تُعرف أيضاً باسم الشوائب من النوع (p).

• عناصر مثل الفوسفور والأنتيمون والبزموت والزرنيخ وما إلى ذلك هي شوائب مانحة. بينما البورون والغاليوم والألمنيوم وما إلى ذلك هي ذرات شوائب مستقبلة.