أشباه الموصلات النقية
من أهم أشباه الموصلات الجرمانيوم (Ge) والسليكون (Si)، وتحتوي كل ذرة منهما على أربعة إلكترونات تكافؤ، فترتبط كل ذرة بأربع ذرات مجاورة بأواصر تساهمية تجعل البلورة في حالة استقرار كيميائي.
عند درجة الصفر المطلق (0 K) وفي انعدام الضوء تسلك المادة النقية سلوك العازل. وعند رفع درجة الحرارة إلى درجة الغرفة (300 K) تكتسب بعض إلكترونات التكافؤ طاقة حرارية تكسر بعض الأواصر فتنتقل إلى حزمة التوصيل تاركة في حزمة التكافؤ حيزاً فارغاً يسمى الفجوة يعمل عمل الشحنة الموجبة، فيتولد الزوج إلكترون-فجوة. في شبه الموصل النقي يتساوى تركيز الفجوات مع تركيز الإلكترونات الحرة.
- يزداد المعدل الزمني لتوليد الأزواج بارتفاع درجة الحرارة فتقل المقاومة النوعية، ويعتمد على درجة حرارة شبه الموصل ونوع مادته.
- ثغرة الطاقة المحظورة: عند 0 K (1.2 eV للسليكون و0.78 eV للجرمانيوم)، وعند 300 K (1.1 eV للسليكون و0.72 eV للجرمانيوم).
- عند تسليط مجال كهربائي تتحرك الإلكترونات الحرة بعكس اتجاه المجال (تيار الإلكترونات) والفجوات باتجاه المجال (تيار الفجوات)، والتيار الكلي مجموعهما، وتسمى الإلكترونات والفجوات حوامل الشحنة.
- مستوى فيرمي: أعلى مستوى طاقة مسموح به يمكن أن يشغله الإلكترون عند 0 K، ويقع في شبه الموصل النقي في منتصف ثغرة الطاقة المحظورة.
أشباه الموصلات المطعّمة
التطعيم: إضافة ذرات شوائب خماسية أو ثلاثية التكافؤ بعناية وبمعدل مسيطر عليه (نحو واحد لكل 108) للسيطرة على قابلية التوصيل الكهربائي وزيادتها.
- النوع N: يُطعّم بشوائب خماسية التكافؤ (الأنتيمون مثلاً) تسمى الذرة المانحة، فتضيف مستوى مانحاً تحت حزمة التوصيل مباشرة ويرتفع مستوى فيرمي مقترباً من حزمة التوصيل. الحاملات الأغلبية الإلكترونات والأقلية الفجوات، والذرة المانحة تصير أيوناً موجباً لا يُعد من حاملات الشحنة.
- النوع P: يُطعّم بشوائب ثلاثية التكافؤ (البورون مثلاً) تسمى الذرة القابلة، فتضيف مستوى قابلاً فوق حزمة التكافؤ مباشرة وينخفض مستوى فيرمي مقترباً من حزمة التكافؤ. الحاملات الأغلبية الفجوات والأقلية الإلكترونات، والذرة القابلة تصير أيوناً سالباً لا يُعد من حاملات الشحنة.
كلا البلورتين متعادلتان كهربائياً لأن عدد الشحنات السالبة يساوي عدد الشحنات الموجبة؛ والتسمية N أو P تعود إلى نوع الحاملات الأغلبية.
مصطلحات الدرس
- الفجوة (hole)
- الحيز الفارغ الذي يتركه الإلكترون في حزمة التكافؤ عند انتقاله إلى حزمة التوصيل، ويعمل عمل الشحنة الموجبة.
- الزوج إلكترون-فجوة (electron-hole pair)
- يتولد عند انتقال إلكترون من حزمة التكافؤ إلى حزمة التوصيل تاركاً فجوة موجبة في موقعه.
- مستوى فيرمي (Fermi level)
- أعلى مستوى طاقة مسموح به يمكن أن يشغله الإلكترون عند درجة الصفر المطلق، ويقع في منتصف ثغرة الطاقة في شبه الموصل النقي.
- الذرة المانحة (Donor atom)
- شائبة خماسية التكافؤ تمنح إلكتروناً حراً إلى حزمة التوصيل وتزيد تركيز الإلكترونات.
- الذرة القابلة (Acceptor atom)
- شائبة ثلاثية التكافؤ تقبل إلكتروناً مكوّنة فجوة في حزمة التكافؤ.
- التطعيم (Doping)
- إضافة ذرات شوائب خماسية أو ثلاثية التكافؤ بعناية وبنسب قليلة ومحددة للسيطرة على قابلية التوصيل الكهربائي لشبه الموصل وزيادتها.
- حوامل الشحنة (Charge Carriers)
- الإلكترونات الحرة والفجوات التي تسهم في توصيل التيار الكهربائي في شبه الموصل.