أشباه الموصلات هي أي من فئة المواد الصلبة البلورية التي تكون وسيطة في التوصيل الكهربائي بين الموصل والعازل، ويتم استخدام أشباه الموصلات في تصنيع أنواع مختلفة من الأجهزة الإلكترونية ، بما في ذلك الثنائيات ، والترانزستورات ، والدوائر المتكاملة.
مواد أشباه الموصلات
بدأت دراسة مواد أشباه الموصلات في أوائل القرن التاسع عشر، أشباه الموصلات الأولية هي تلك المكونة من أنواع مفردة من الذرات، مثل السيليكون (Si) ، والجرمانيوم (Ge) ، والقصدير (Sn) في العمود IV والسيلينيوم (Se) والتيلوريوم (Te) في العمود VI من الجدول الدوري.
ومع ذلك هناك العديد من أشباه الموصلات المركبة، والتي تتكون من عنصرين أو أكثر، على سبيل المثال زرنيخيد الغاليوم (GaAs) عبارة عن مركب ثنائي-V ثلاثي ، وهو عبارة عن 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 إنديوم تيلورايد (HgIn2Te4) ، مركب II-III-VI، ويمكن أيضًا تشكيلها من خلال عناصر من عمودين مثل زرنيخيد غاليوم الألومنيوم (AlxGa1 – xAs) ، وهو مركب ثلاثي-ثلاثي .
يعد السيليكون النقي هو أهم مادة لتطبيقات الدوائر المتكاملة، والمركبات الثنائية والثلاثية هي الأكثر أهمية بالنسبة لانبعاث الضوء .
الأنواع الرئيسية لأشباه الموصلاتأشباه الموصلات الجوهرية
أشباه الموصلات الجوهرية أو الداخلية هي التي تتكون من مادة أشباه الموصلات نقية للغاية، وليكون التعريف أكثر دقة يمكن القول بأن أشباه الموصلات الداخلية هي التي يكون فيها عدد الثقوب مساويًا لعدد الإلكترونات في نطاق التوصيل .
إن فجوة الطاقة المحظورة في حالة أشباه الموصلات الجوهرية دقيقة للغاية، وحتى الطاقة المتاحة في درجة حرارة الغرفة كافية لإلكترونات التكافؤ للقفز عبرها إلى نطاق التوصيل .
ميزة أخرى لأشباه الموصلات الداخلية هي أن مستوى فيرمي من هذه المواد يقع في مكان ما بين شريط التكافؤ وشريط التوصيل، إذا لم تكن على دراية بمصطلح مستوى فيرمي ، فإنه يشير إلى ذلك المستوى من الطاقة حيث يكون احتمال العثور على إلكترون 0.5 أو نصف (تذكر أن الاحتمال يقاس على مقياس من 0 إلى 1).
أشباه الموصلات الخارجية
أشباه الموصلات الخارجية هي التي تضعف فيها الحالة النقية للمواد أشباه الموصلات عن طريق إضافة كميات دقيقة جدا من الشوائب، لنكون أكثر تحديدًا ، فإن الشوائب تعرف باسم المنشطات أو عوامل المنشطات، يجب ألا يغيب عن البال أن إضافة مثل هذه الشوائب ضئيل للغاية ويمكن أن يكون للمنشطات النموذجية تركيز 1 جزء في مائة مليون جزء أو ما يعادل 0.01 جزء في المليون .
يتم اختيار المواد المختارة للمنشطات بطريقة معينة حيث إنها تحتوي إما على 5 إلكترونات في نطاق التكافؤ أو تحتوي على 3 إلكترونات فقط في نطاق التكافؤ، كما ينتج طبقا لنوع المنشطات نوعان من أشباه الموصلات الخارجية هما أشباه الموصلات من النوع P و N .
شبه الموصل السالب أو من النوع n هو عبارة عن شبه موصل ذاتي يكون به تركيز عال للإلكترونات بشكل أكبر من تركيز الفجوات، وهو يسمى بالنوع n نظرًا لكثرة الشحنات الكهربائية السالبة به ” negative charge” وهي إلكترونات.
أما شبه الموصل الموجب أو المسمى بشبه الموصل P فإنه يختلف عن شبه الموصل n لاحتوائه على تركيز أكبر من الفجوات بالمقارنة مع تركيز الإلكترونات، ويطلق عليه اسم الموصل من النوع P لأنه يحتوي على الكثير من الشحنات الموجبة “positive charge” وهي شحنة الفجوات.
استخدامات أشباه الموصلات
قبل اختراع الترانزستور ذي القطبين في عام 1947 ، كانت أشباه الموصلات تستخدم فقط كأجهزة ذات طرفين، مثل المقومات والديودات الضوئية، وخلال أوائل الخمسينيات كان الجرمانيوم مادة أشباه الموصلات الرئيسية، ومع ذلك فقد ثبت أنه غير مناسب للعديد من التطبيقات؛ لأن الأجهزة المصنوعة منه أظهرت تيارات تسرب عالية في درجات حرارة مرتفعة.
منذ أوائل الستينيات من القرن الماضي ، أصبح السيليكون أحد أشباه الموصلات المستخدمة على نطاق واسع، ليحل محل الجرمانيوم فعليًا كمادة لصنع الجهاز، والأسباب الرئيسية لذلك هي: تظهر أجهزة السيليكون تيارات تسرب أقل بكثير ، كما أن ثاني أكسيد السيليكون (SiO2) ، وهو عازل عالي الجودة ، سهل الإدماج كجزء من جهاز قائم على السيليكون.
وهكذا أصبحت تقنية السيليكون متطورة ومنتشرة للغاية، حيث تشكل أجهزة السيليكون أكثر من 95 في المائة من جميع منتجات أشباه الموصلات التي تباع في جميع أنحاء العالم .
العديد من أشباه الموصلات المركبة لها بعض الخصائص الكهربائية والبصرية المحددة التي تفوق نظيراتها في السيليكون، وتُستخدم أشباه الموصلات ، وخاصةً زرنيخيد الغاليوم ، بشكل أساسي لتطبيقات موجات الراديو البصرية وتطبيقات الترددات اللاسلكية .
مواد أشباه الموصلات
بدأت دراسة مواد أشباه الموصلات في أوائل القرن التاسع عشر، أشباه الموصلات الأولية هي تلك المكونة من أنواع مفردة من الذرات، مثل السيليكون (Si) ، والجرمانيوم (Ge) ، والقصدير (Sn) في العمود IV والسيلينيوم (Se) والتيلوريوم (Te) في العمود VI من الجدول الدوري.
ومع ذلك هناك العديد من أشباه الموصلات المركبة، والتي تتكون من عنصرين أو أكثر، على سبيل المثال زرنيخيد الغاليوم (GaAs) عبارة عن مركب ثنائي-V ثلاثي ، وهو عبارة عن 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 إنديوم تيلورايد (HgIn2Te4) ، مركب II-III-VI، ويمكن أيضًا تشكيلها من خلال عناصر من عمودين مثل زرنيخيد غاليوم الألومنيوم (AlxGa1 – xAs) ، وهو مركب ثلاثي-ثلاثي .
يعد السيليكون النقي هو أهم مادة لتطبيقات الدوائر المتكاملة، والمركبات الثنائية والثلاثية هي الأكثر أهمية بالنسبة لانبعاث الضوء .
الأنواع الرئيسية لأشباه الموصلاتأشباه الموصلات الجوهرية
أشباه الموصلات الجوهرية أو الداخلية هي التي تتكون من مادة أشباه الموصلات نقية للغاية، وليكون التعريف أكثر دقة يمكن القول بأن أشباه الموصلات الداخلية هي التي يكون فيها عدد الثقوب مساويًا لعدد الإلكترونات في نطاق التوصيل .
إن فجوة الطاقة المحظورة في حالة أشباه الموصلات الجوهرية دقيقة للغاية، وحتى الطاقة المتاحة في درجة حرارة الغرفة كافية لإلكترونات التكافؤ للقفز عبرها إلى نطاق التوصيل .
ميزة أخرى لأشباه الموصلات الداخلية هي أن مستوى فيرمي من هذه المواد يقع في مكان ما بين شريط التكافؤ وشريط التوصيل، إذا لم تكن على دراية بمصطلح مستوى فيرمي ، فإنه يشير إلى ذلك المستوى من الطاقة حيث يكون احتمال العثور على إلكترون 0.5 أو نصف (تذكر أن الاحتمال يقاس على مقياس من 0 إلى 1).
أشباه الموصلات الخارجية
أشباه الموصلات الخارجية هي التي تضعف فيها الحالة النقية للمواد أشباه الموصلات عن طريق إضافة كميات دقيقة جدا من الشوائب، لنكون أكثر تحديدًا ، فإن الشوائب تعرف باسم المنشطات أو عوامل المنشطات، يجب ألا يغيب عن البال أن إضافة مثل هذه الشوائب ضئيل للغاية ويمكن أن يكون للمنشطات النموذجية تركيز 1 جزء في مائة مليون جزء أو ما يعادل 0.01 جزء في المليون .
يتم اختيار المواد المختارة للمنشطات بطريقة معينة حيث إنها تحتوي إما على 5 إلكترونات في نطاق التكافؤ أو تحتوي على 3 إلكترونات فقط في نطاق التكافؤ، كما ينتج طبقا لنوع المنشطات نوعان من أشباه الموصلات الخارجية هما أشباه الموصلات من النوع P و N .
شبه الموصل السالب أو من النوع n هو عبارة عن شبه موصل ذاتي يكون به تركيز عال للإلكترونات بشكل أكبر من تركيز الفجوات، وهو يسمى بالنوع n نظرًا لكثرة الشحنات الكهربائية السالبة به ” negative charge” وهي إلكترونات.
أما شبه الموصل الموجب أو المسمى بشبه الموصل P فإنه يختلف عن شبه الموصل n لاحتوائه على تركيز أكبر من الفجوات بالمقارنة مع تركيز الإلكترونات، ويطلق عليه اسم الموصل من النوع P لأنه يحتوي على الكثير من الشحنات الموجبة “positive charge” وهي شحنة الفجوات.
استخدامات أشباه الموصلات
قبل اختراع الترانزستور ذي القطبين في عام 1947 ، كانت أشباه الموصلات تستخدم فقط كأجهزة ذات طرفين، مثل المقومات والديودات الضوئية، وخلال أوائل الخمسينيات كان الجرمانيوم مادة أشباه الموصلات الرئيسية، ومع ذلك فقد ثبت أنه غير مناسب للعديد من التطبيقات؛ لأن الأجهزة المصنوعة منه أظهرت تيارات تسرب عالية في درجات حرارة مرتفعة.
منذ أوائل الستينيات من القرن الماضي ، أصبح السيليكون أحد أشباه الموصلات المستخدمة على نطاق واسع، ليحل محل الجرمانيوم فعليًا كمادة لصنع الجهاز، والأسباب الرئيسية لذلك هي: تظهر أجهزة السيليكون تيارات تسرب أقل بكثير ، كما أن ثاني أكسيد السيليكون (SiO2) ، وهو عازل عالي الجودة ، سهل الإدماج كجزء من جهاز قائم على السيليكون.
وهكذا أصبحت تقنية السيليكون متطورة ومنتشرة للغاية، حيث تشكل أجهزة السيليكون أكثر من 95 في المائة من جميع منتجات أشباه الموصلات التي تباع في جميع أنحاء العالم .
العديد من أشباه الموصلات المركبة لها بعض الخصائص الكهربائية والبصرية المحددة التي تفوق نظيراتها في السيليكون، وتُستخدم أشباه الموصلات ، وخاصةً زرنيخيد الغاليوم ، بشكل أساسي لتطبيقات موجات الراديو البصرية وتطبيقات الترددات اللاسلكية .
