ما هي أشباه الموصلات الجوهرية وأشباه الموصلات الخارجية - نطاق الطاقة والمنشطات؟

أشباه الموصلات ، كما يوحي الاسم ، هي نوع من المواد التي تظهر خصائص كل من الموصلات والعوازل. تتطلب مادة أشباه الموصلات مستوى معينًا من الجهد أو الحرارة لتحرير ناقلاتها للتوصيل. يتم تصنيف أشباه الموصلات هذه على أنها "داخلية" و "خارجية" بناءً على عدد الموجات الحاملة. الحامل الجوهري هو أنقى أشكال أشباه الموصلات وعدد متساوٍ من الإلكترونات (حاملات الشحنة السالبة) والثقوب (حاملات الشحنة الموجبة). المواد شبه الموصلة الأكثر استخدامًا هي السيليكون (Si) ، الجرمانيوم (Ge) ، وأرسينيد الغاليوم (GaAs). دعونا ندرس خصائص وسلوك هذه الأنواع من أشباه الموصلات. ما هو أشباه الموصلات الجوهرية؟ أكثر أشباه الموصلات الداخلية أو النقية المتاحة شيوعًا هي السيليكون (Si) والجرمانيوم (Ge). يعتمد سلوك أشباه الموصلات عند تطبيق جهد معين على هيكلها الذري. يحتوي الغلاف الخارجي لكل من السيليكون والجرمانيوم على أربعة إلكترونات لكل منهما. لتحقيق الاستقرار لبعض الذرات المجاورة تشكل روابط تساهمية تعتمد على مشاركة إلكترونات التكافؤ. يوضح الشكل 1. هذا الترابط في البنية الشبكية البلورية للسيليكون. ويمكن هنا ملاحظة أن إلكترونات التكافؤ لاثنين من ذرات Si معًا لتكوين رابطة تساهمية. الشكل 1. الرابطة التساهمية لذرة السيليكون: في كل الروابط التساهمية مستقرة ولا توجد ناقلات متاحة للتوصيل. هنا يتصرف أشباه الموصلات الجوهرية كعازل أو غير موصل. الآن إذا اقتربت درجة الحرارة المحيطة من درجة حرارة الغرفة ، تبدأ الروابط التساهمية في الانهيار. وهكذا يتم تحرير الإلكترونات من غلاف التكافؤ للمشاركة في التوصيل. مع إطلاق عدد أكبر من الموجات الحاملة للتوصيل ، تبدأ أشباه الموصلات في التصرف كمادة موصلة. يوضح مخطط نطاق الطاقة الوارد أدناه هذا الانتقال للحاملات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل. مخطط نطاق الطاقة يوضح مخطط نطاق الطاقة الموضح في الشكل 2 (أ) مستويين ، نطاق التوصيل ونطاق التكافؤ. المسافة بين النطاقين تسمى الفجوة المحرمة الشكل 2 (أ). شكل مخطط نطاق الطاقة الشكل 2 (ب). إلكترونات نطاق التوصيل والتكافؤ في أشباه الموصلات عندما تتعرض مادة أشباه الموصلات للحرارة أو الجهد المطبق ، ينكسر عدد قليل من الروابط التساهمية ، مما يولد إلكترونات حرة كما هو موضح في الشكل 2 (ب). تتحمس هذه الإلكترونات الحرة وتكتسب الطاقة للتغلب على الفجوة الممنوعة والدخول في نطاق التوصيل من نطاق التكافؤ. عندما يترك الإلكترون شريط التكافؤ ، فإنه يترك وراءه ثقبًا في شريط التكافؤ. في شبه الموصل الجوهري ، دائمًا ما يتم إنشاء عدد متساوٍ من الإلكترونات والثقوب ، وبالتالي يُظهر الحياد الكهربائي. كل من الإلكترونات والثقوب مسؤولة عن توصيل التيار في أشباه الموصلات الداخلية. المنشطات هي عملية إضافة الشوائب عمداً لزيادة عدد الناقلات. تسمى عناصر الشوائب المستخدمة بالمشروبات. نظرًا لأن عدد الإلكترونات والثقوب أكبر في الموصل الخارجي ، فإنه يُظهر موصلية أكبر من أشباه الموصلات الجوهرية. بناءً على المواد المستخدمة ، يتم تصنيف أشباه الموصلات الخارجية أيضًا على أنها "أشباه الموصلات من النوع N" و "أشباه الموصلات من النوع P". أشباه الموصلات من النوع N: أشباه الموصلات من النوع N. تسمى العناصر الخماسية التكافؤ لأنها تحتوي على 5 إلكترونات في غلاف التكافؤ. أمثلة الشوائب الخماسية التكافؤ هي الفوسفور (P) ، الزرنيخ (As) ، الأنتيمون (Sb). كما هو موضح في الشكل 3 ، تُنشئ ذرة الإشباع روابط تساهمية من خلال مشاركة أربعة من إلكترونات التكافؤ مع أربع ذرات سيليكون مجاورة. يظل الإلكترون الخامس مرتبطًا بشكل غير محكم بنواة ذرة شائبة. مطلوب طاقة تأين أقل لتحرير الإلكترون الخامس بحيث يترك نطاق التكافؤ ويدخل نطاق التوصيل. تضفي النجاسة الخماسية التكافؤ إلكترونًا إضافيًا على البنية الشبكية ، ومن ثم يطلق عليها اسم شائبة المانح.الشكل 3. أشباه الموصلات من النوع N مع شوائب المانحين أشباه الموصلات من النوع P: أشباه الموصلات من النوع P مخدر بأشباه الموصلات ثلاثية التكافؤ. تحتوي الشوائب ثلاثية التكافؤ على 3 إلكترونات في غلاف التكافؤ. تشمل أمثلة الشوائب ثلاثية التكافؤ البورون (B) ، الغاليوم (G) ، الإنديوم (In) ، الألومنيوم (Al). كما هو موضح في الشكل 4 ، تُنشئ ذرة السليكون روابط تساهمية مع ثلاث ذرات سيليكون متجاورة فقط ويتم إنشاء ثقب أو فراغ في الرابطة مع ذرة السيليكون الرابعة. تعمل الفتحة كحامل موجب أو مساحة ليحتلها الإلكترون. وبالتالي ، فإن الشوائب الثلاثية قد نقلت شغورًا إيجابيًا أو ثقبًا يمكنه قبول الإلكترونات بسهولة ، ومن ثم يطلق عليه شوائب متقبل.  الشكل 4. أشباه الموصلات من النوع P مع شوائب المستقبل تركيز الناقل في أشباه الموصلات الجوهرية يُعرَّف تركيز الحامل الجوهري على أنه عدد الإلكترونات لكل وحدة حجم في نطاق التوصيل أو عدد الثقوب لكل وحدة حجم في نطاق التكافؤ. بسبب الجهد المطبق ، يترك الإلكترون شريط التكافؤ ويخلق ثقبًا إيجابيًا في مكانه. يدخل هذا الإلكترون أيضًا في نطاق التوصيل ويشارك في توصيل التيار. في أشباه الموصلات الجوهرية ، تكون الإلكترونات المتولدة في نطاق التوصيل مساوية لعدد الثقوب في نطاق التكافؤ. لذلك فإن تركيز الإلكترون (ن) يساوي تركيز الثقب (ع) في أشباه الموصلات الجوهرية ، ويمكن إعطاء تركيز الحامل الداخلي على النحو التالي: -تركيز الناقل: الموصلية لأشباه الموصلات الجوهرية نظرًا لأن أشباه الموصلات الجوهرية تتعرض للحرارة أو الجهد المطبق ، تنتقل الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل وتترك ثقبًا إيجابيًا أو شغورًا في نطاق التكافؤ. مرة أخرى يتم ملء هذه الثقوب بواسطة إلكترونات أخرى حيث يتم كسر المزيد من الروابط التساهمية. وهكذا تنتقل الإلكترونات والثقوب في الاتجاه المعاكس ويبدأ أشباه الموصلات الجوهرية في التوصيل. تزداد الموصلية عندما يتم كسر عدد من الروابط التساهمية وبالتالي يتم تحرير المزيد من الإلكترونات للتوصيل. يتم التعبير عن موصلية أشباه الموصلات الجوهرية بمصطلحات التنقل وتركيز حاملات الشحنة ، ويتم التعبير عن موصلية أشباه الموصلات الجوهرية على النحو التالي: أشباه الموصلات n_i: تركيز الحامل الجوهري μ_e: تنقل الإلكترونات μ_h: تنقل الثقوب يرجى الرجوع إلى هذا الرابط لمعرفة المزيد عن نظرية أشباه الموصلات MCQs

اترك رسالة 

قائمة الرسالة