ما هي اشباه الموصلات؟

 

مادة أشباه الموصلات لها قيمة توصيل كهربائي تقع بين قيمة الموصل ، مثل النحاس المعدني ، والعازل ، مثل الزجاج. تنخفض مقاومته مع ارتفاع درجة حرارته. المعادن تتصرف في الاتجاه المعاكس. يمكن تغيير خصائص التوصيل الخاصة به بطرق مفيدة عن طريق إدخال الشوائب (\"المنشطات\") في التركيب البلوري. عندما توجد منطقتان مختلفتان في البلورة نفسها ، يتم إنشاء تقاطع أشباه الموصلات. يعتبر سلوك حاملات الشحنة ، والتي تشمل الإلكترونات ، والأيونات ، والثقوب الإلكترونية ، عند هذه التقاطعات ، أساس الثنائيات ، والترانزستورات ، ومعظم الإلكترونيات الحديثة. بعض الأمثلة على أشباه الموصلات هي السيليكون والجرمانيوم وزرنيخيد الغاليوم وعناصر بالقرب من ما يسمى \"الدرج المعدني\" في الجدول الدوري. بعد السيليكون ، يعتبر زرنيخيد الغاليوم ثاني أكثر أشباه الموصلات شيوعًا ويستخدم في ثنائيات الليزر ، والخلايا الشمسية ، والدوائر المتكاملة بتردد الميكروويف ، وغيرها. السيليكون عنصر حاسم لتصنيع معظم الدوائر الإلكترونية.

 

يمكن لأجهزة أشباه الموصلات أن تعرض مجموعة من الخصائص المفيدة ، مثل تمرير التيار بسهولة في اتجاه واحد أكثر من الآخر ، وإظهار مقاومة متغيرة ، وحساسية للضوء أو الحرارة. نظرًا لأنه يمكن تعديل الخصائص الكهربائية لمادة أشباه الموصلات عن طريق تعاطي المنشطات وتطبيق المجالات الكهربائية أو الضوء ، يمكن استخدام الأجهزة المصنوعة من أشباه الموصلات للتضخيم والتبديل وتحويل الطاقة.

 

 

عدد كبير من العناصر والمركبات لها خصائص شبه موصلة ، بما في ذلك:

 

 

 

• ل توجد عناصر نقية معينة في المجموعة 14 من الجدول الدوري ؛ أكثر هذه العناصر أهمية تجاريًا هي السيليكون والجرمانيوم. يتم استخدام السيليكون والجرمانيوم هنا بشكل فعال لأن لديهم 4 إلكترونات تكافؤ في غلافهم الخارجي ، مما يمنحهم القدرة على اكتساب أو فقدان الإلكترونات بالتساوي في نفس الوقت.

 

• المركبات الثنائية ، خاصة بين العناصر في المجموعتين 13 و 15 ، مثل زرنيخيد الغاليوم ، المجموعات 12 و 16 ، المجموعات 14 و 16 ، وبين عناصر المجموعة 14 المختلفة ، على سبيل المثال كربيد السيليكون.

 

• ل بعض المركبات الثلاثية والأكاسيد والسبائك.

 

• ل أشباه الموصلات العضوية ، مصنوعة من المركبات العضوية.

 

• l الأطر المعدنية العضوية شبه الموصلة.

 

 

 

مواد أشباه الموصلات

 

عادةً ما يتم تجميع المواد الصلبة في ثلاث فئات: العوازل وأشباه الموصلات والموصلات. (في درجات الحرارة المنخفضة ، قد تصبح بعض الموصلات وأشباه الموصلات والعوازل موصلات فائقة.) يوضح الشكل الموصلات σ (والمقاومات المقابلة ρ = 1 / σ) المرتبطة ببعض المواد المهمة في كل فئة من الفئات الثلاث. العوازل ، مثل الكوارتز والزجاج المنصهر ، لها موصلية منخفضة للغاية ، في حدود 10-18 إلى 10-10 سيمنز لكل سنتيمتر ؛ والموصلات ، مثل الألومنيوم ، لها موصلات عالية ، عادة من 104 إلى 106 سيمنز لكل سنتيمتر. تكون موصلات أشباه الموصلات بين هذين الطرفين وهي حساسة بشكل عام لدرجة الحرارة والإضاءة والمجالات المغناطيسية والكميات الدقيقة من ذرات الشوائب. على سبيل المثال ، يمكن أن تؤدي إضافة حوالي 10 ذرات من البورون (المعروف باسم dopant) لكل مليون ذرة من السيليكون إلى زيادة التوصيل الكهربائي لألف ضعف (وهو ما يمثل جزئيًا التباين الواسع الموضح في الشكل السابق).

 

بدأت دراسة المواد شبه الموصلة في أوائل القرن التاسع عشر. أشباه الموصلات الأولية هي تلك التي تتكون من نوع واحد من الذرات ، مثل السيليكون (Si) والجرمانيوم (Ge) والقصدير (Sn) في العمود الرابع والسيلينيوم (Se) والتيلوريوم (Te) في العمود السادس من الجدول الدوري. ومع ذلك ، هناك العديد من أشباه الموصلات المركبة ، والتي تتكون من عنصرين أو أكثر. زرنيخيد الغاليوم (GaAs) ، على سبيل المثال ، هو مركب ثنائي III-V ، وهو مزيج من الغاليوم (Ga) من العمود III والزرنيخ (As) من العمود V. يمكن تكوين المركبات الثلاثية بواسطة عناصر من ثلاثة أعمدة مختلفة - على سبيل المثال ، الزئبق الإنديوم تيلورايد (HgIn2Te4) ، مركب II-III-VI. يمكن أيضًا تشكيلها بواسطة عناصر من عمودين ، مثل زرنيخيد الغاليوم الألومنيوم (AlxGa1 - xAs) ، وهو مركب ثلاثي إلى الخامس ، حيث يكون كل من Al و Ga من العمود III ويرتبط الرمز x بتكوين العنصرين من 100 بالمائة Al (x = 1) إلى 100 بالمائة Ga (x = 0). السيليكون النقي هو أهم مادة لتطبيقات الدوائر المتكاملة ، والمركبات الثنائية والثلاثية III-V هي الأكثر أهمية لانبعاث الضوء.

 

 

 

 

كيف تعمل أشباه الموصلات

 

 

اليوم ، يتم إنشاء معظم رقائق أشباه الموصلات والترانزستورات من السيليكون. ربما سمعت تعبيرات مثل \"سيليكون فالي\" و \"اقتصاد السيليكون\" ، ولهذا السبب - السيليكون هو قلب أي جهاز إلكتروني.

الصمام الثنائي هو أبسط جهاز ممكن لأشباه الموصلات ، وبالتالي فهو نقطة بداية ممتازة إذا كنت تريد فهم كيفية عمل أشباه الموصلات. في هذه المقالة ، ستتعرف على ماهية أشباه الموصلات ، وكيف تعمل المنشطات وكيف يمكن إنشاء الصمام الثنائي باستخدام أشباه الموصلات. لكن أولاً ، دعنا نلقي نظرة فاحصة على السيليكون.

السيليكون عنصر شائع جدًا - على سبيل المثال ، هو العنصر الرئيسي في الرمل والكوارتز. إذا نظرت إلى \"السيليكون\" في الجدول الدوري ، ستجد أنه يقع بجانب الألومنيوم ، تحت الكربون وفوق الجرمانيوم.

يمتلك الكربون والسيليكون والجرمانيوم (الجرمانيوم ، مثل السيليكون ، أيضًا أشباه موصلات) خاصية فريدة في هيكلها الإلكتروني - لكل منها أربعة إلكترونات في مدارها الخارجي. هذا يسمح لهم بتكوين بلورات لطيفة. تشكل الإلكترونات الأربعة روابط تساهمية مثالية مع أربع ذرات متجاورة ، مما يؤدي إلى تكوين شبكة. في الكربون ، نعرف الشكل البلوري كالماس. في السيليكون ، يكون الشكل البلوري مادة فضية ذات مظهر معدني.

في شبكة السيليكون ، ترتبط جميع ذرات السيليكون تمامًا بأربعة جيران ، ولا تترك أي إلكترونات حرة لتوصيل التيار الكهربائي. هذا يجعل بلورة السيليكون عازلًا وليس موصلًا.

تميل المعادن إلى أن تكون موصلات جيدة للكهرباء لأنها عادة ما تحتوي على \"إلكترونات حرة\" يمكنها التحرك بسهولة بين الذرات ، وتنطوي الكهرباء على تدفق الإلكترونات. بينما تبدو بلورات السيليكون معدنية ، إلا أنها ليست معادن في الواقع. تشترك جميع الإلكترونات الخارجية في بلورة السيليكون في روابط تساهمية مثالية ، لذا لا يمكنها التحرك. إن بلورة السيليكون النقية هي عازل تقريبًا - حيث ستتدفق كمية قليلة جدًا من الكهرباء خلالها.

لكن يمكنك تغيير كل هذا من خلال عملية تسمى المنشطات.