المجموعات

ما هو أشباه الموصلات

ما هو أشباه الموصلات

تشكل تكنولوجيا أشباه الموصلات وأشباه الموصلات أساس معظم صناعة الإلكترونيات هذه الأيام. تشترك الترانزستورات والثنائيات والدوائر المتكاملة والعديد من الأجهزة في تكنولوجيا أشباه الموصلات. نتيجة للدرجة الهائلة من المرونة التي توفرها تقنية أشباه الموصلات ، فقد مكنت الإلكترونيات من الاستيلاء على العديد من مجالات الحياة اليومية ، التي لم يكن من الممكن تصورها قبل خمسين عامًا.

الموصلات وغير الموصلات

يحدث التيار الكهربائي عندما يكون هناك تدفق للإلكترونات في اتجاه معين. نظرًا لأن الإلكترونات لها شحنة سالبة ، فإن حركتها تعني أن الشحنة تتدفق من نقطة إلى أخرى وهذا هو التيار الكهربائي.

لتمكين التيار من التدفق ، يجب أن تكون الإلكترونات قادرة على التحرك بحرية داخل المادة. في بعض المواد ، تتحرك الإلكترونات بحرية حول الشبكة ، على الرغم من أن عدد الإلكترونات والمسافات المتاحة لها متوازنة بحيث لا تحمل المادة نفسها شحنة. تتحرك الإلكترونات في هذه المواد بحرية ولكن بشكل عشوائي. من خلال وضع فرق جهد عبر الموصل ، يمكن جعل الإلكترونات تنجرف في اتجاه واحد وهذا يشكل تيارًا كهربائيًا. العديد من المواد قادرة على توصيل الكهرباء ، لكن المعادن تشكل الأمثلة الأكثر شيوعًا.

على عكس المعادن ، هناك العديد من المواد الأخرى التي ترتبط فيها جميع الإلكترونات بقوة بجزيئاتها الأصلية وليست حرة في الحركة. وفقًا لذلك ، عندما يتم وضع جهد عبر المادة ، فإن عددًا قليلاً جدًا من الإلكترونات سيكون قادرًا على الحركة وسيتدفق تيار ضئيل جدًا أو لا يتدفق. تسمى هذه المواد غير الموصلات أو العوازل. وهي تشمل معظم المواد البلاستيكية والسيراميك والعديد من المواد الطبيعية مثل الخشب.

أشباه الموصلات

لا تندرج أشباه الموصلات في فئات الموصلات أو غير الموصلات. بدلا من ذلك يقعون بين. تندرج مجموعة متنوعة من المواد في هذه الفئة ، وتشمل السيليكون والجرمانيوم وزرنيخيد الغاليوم ومجموعة متنوعة من المواد الأخرى.

السيليكون في حالته النقية هو عازل بدون إلكترونات حرة في الشبكة البلورية. ومع ذلك ، لفهم كيف يعمل كأشباه موصلات ، انظر أولاً إلى التركيب الذري للسيليكون في حالته النقية. يتكون كل جزيء في الشبكة البلورية من نواة بها ثلاث حلقات أو مدارات تحتوي على إلكترونات ، ولكل إلكترون شحنة سالبة. تتكون النواة من نيوترونات محايدة وليس لها شحنة ، وبروتونات لها شحنة موجبة. يوجد في الذرة نفس عدد البروتونات والإلكترونات لذلك لا تحتوي الذرة بأكملها على شحنة إجمالية.

يتم ترتيب الإلكترونات الموجودة في السيليكون ، كما هو الحال في أي عنصر آخر ، في حلقات مع عدد صارم من الإلكترونات في كل مدار. يمكن أن تحتوي الحلقة الأولى على اثنين فقط ، والثانية بها ثمانية. الحلقة الثالثة والخارجية من السيليكون لها أربعة. تتم مشاركة الإلكترونات الموجودة في الغلاف الخارجي مع تلك الموجودة في الذرات المجاورة لتشكيل شبكة بلورية. عندما يحدث هذا لا توجد إلكترونات حرة في الشبكة ، مما يجعل السيليكون عازلًا جيدًا. يمكن رؤية صورة مماثلة للجرمانيوم. له إلكترونان في معظم المدار الداخلي ، وثمانية في المدار التالي ، و 18 في المدار الثالث ، وأربعة في الخارجي. مرة أخرى تشارك إلكتروناتها مع تلك الموجودة في الذرات المجاورة لتكوين شبكة بلورية بدون أي إلكترونات حرة.

الشوائب

من أجل تحويل السيليكون أو أي مادة شبه موصلة أخرى إلى مادة موصلة جزئيًا ، من الضروري إضافة كمية صغيرة جدًا من الشوائب إلى المادة. هذا يغير الخصائص بشكل كبير.

إذا تمت إضافة آثار شوائب من مواد تحتوي على خمسة إلكترونات في الحلقة الخارجية لذراتها ، فإنها تدخل الشبكة البلورية التي تشارك الإلكترونات مع السيليكون. ولكن بما أن لديهم إلكترونًا إضافيًا في الحلقة الخارجية ، فإن إلكترونًا واحدًا يصبح حراً في التحرك حول الشبكة. يمكّن هذا التيار من التدفق إذا تم تطبيق جهد عبر المادة. نظرًا لأن هذا النوع من المواد يحتوي على فائض من الإلكترونات في الشبكة ، فإنه يُعرف باسم أشباه الموصلات من النوع N. الشوائب النموذجية التي غالبًا ما تُستخدم لإنشاء أشباه الموصلات من النوع N هي الفوسفور والزرنيخ.

من الممكن أيضًا وضع عناصر بها ثلاثة إلكترونات فقط في غلافها الخارجي في الشبكة البلورية. عندما يحدث هذا ، يريد السيليكون مشاركة إلكتروناته الأربعة مع ذرة أخرى بأربع ذرات. ولكن بما أن النجاسة لها ثلاثة فقط ، فهناك فراغ أو ثقب لإلكترون آخر. نظرًا لأن هذا النوع من المواد يحتوي على إلكترونات مفقودة ، فإنه يُعرف باسم مادة من النوع P. الشوائب النموذجية المستخدمة في المواد من النوع P هي البورون والألمنيوم.

ثقوب

من السهل رؤية كيف يمكن للإلكترونات أن تتحرك حول الشبكة وتحمل تيارًا. ومع ذلك ، فهي ليست واضحة تمامًا بالنسبة للثغرات. يحدث هذا عندما يتحرك إلكترون من مدار كامل لملء حفرة ، تاركًا حفرة من حيث أتى. يمكن لإلكترون آخر من مدار آخر أن يتحرك لملء الثقب الجديد وما إلى ذلك. تتوافق حركة الثقوب في اتجاه واحد مع حركة الإلكترونات في الاتجاه الآخر ، ومن ثم التيار الكهربائي.

من هذا يمكن ملاحظة أن الإلكترونات أو الثقوب يمكن أن تحمل الشحنة أو التيار الكهربائي. نتيجة لذلك ، تُعرف باسم ناقلات الشحنة ، حيث تكون الثقوب حاملة الشحنة لأشباه الموصلات من النوع P والإلكترونات لأشباه الموصلات من النوع N.

ملخص

يمكن أن يبدو المبدأ الكامن وراء أشباه الموصلات واضحًا إلى حد ما. ومع ذلك ، فقد استغرق الأمر سنوات عديدة قبل أن يتم استغلال العديد من خصائصه ، وأكثر من ذلك بكثير قبل أن يتم صقلها. في الوقت الحاضر ، تم تحسين العديد من العمليات المستخدمة مع أشباه الموصلات بدرجة عالية ، كما أن المكونات مثل الدوائر المتكاملة متطورة للغاية. ومع ذلك فهم يعتمدون على حقيقة أن مناطق مختلفة من أشباه الموصلات يمكن تخديرها لصنع أشباه موصلات من النوع P و N.

قائمة بمصطلحات أشباه الموصلات الشائعة

  • حامل الشحنة - حامل الشحنة عبارة عن جسيم مجاني (متحرك وغير منضم) يحمل شحنة كهربائية ، على سبيل المثال إلكترون أو ثقب.
  • موصل - مادة يمكن للإلكترونات أن تتحرك فيها بحرية وتتدفق الكهرباء.
  • إلكترون - جسيم دون ذري يحمل شحنة سالبة.
  • الفجوة - عدم وجود إلكترون التكافؤ في بلورة أشباه الموصلات. تعادل حركة الثقب حركة الشحنة الموجبة ، أي حركة عكس حركة الإلكترون.
  • عازل - مادة لا يوجد فيها إلكترونات حرة متاحة لحمل الكهرباء.
  • حاملة الأغلبية - الحاملات الحالية ، إما إلكترونات حرة أو ثقوب زائدة ، أي في الأغلبية في منطقة معينة من مادة أشباه الموصلات. الإلكترونات هي ناقلات الأغلبية في أشباه الموصلات من النوع N ، والثقوب في منطقة من النوع P.
  • حامل الأقلية - الحاملات الحالية ، سواء الإلكترونات الحرة أو الثقوب الموجودة في أقلية في منطقة معينة من مادة أشباه الموصلات
  • نوع N. - منطقة من أشباه الموصلات بها فائض من الإلكترونات.
  • نوع P. - منطقة من أشباه الموصلات بها فائض من الثقوب.
  • أشباه الموصلات - مادة ليست عازلاً ولا موصلًا كاملًا لها مستوى متوسط ​​من التوصيل الكهربائي ويتم فيها التوصيل عن طريق الثقوب والإلكترونات.


شاهد الفيديو: Semiconductors المحاضرة الأولى مقدمة عن أشباه الموصلات (قد 2021).