أنواع أشباه الموصلات

أشباه الموصلات هي المواد التي تكون خصائصها الكهربائية في توصيل التيار بين العوازل والموصلات، وتنقسم أشباه الموصلات إلى نوعين رئيسيين هما أشباه الموصلات النقية وأشباه الموصلات غير النقية، وتنقسم أشباه الموصلات غير النقية إلى نوع موجب ونوع سالب.

أشباه الموصلات النقية

أشباه الموصلات النقية أو الجوهرية (Intrinsic Semiconductors) هي مادة شبه موصلة نقية وخالية من الشوائب، مثل بلورة السيليكون أو الجرمانيوم النقية وتكون مرتبطة مع بعضها في روابط تساهمية وترتب ذراتها بشكل منتظم.

وتكون المواد شبة الموصلة عند درجة حرارة الصفر المطلق (صفر كلفن) عازلة حيث لا يوجد بها إلكترونات حرة، ويمكن تحسين توصيلها للتيار الكهربائي بإضافة ذرات أخرى تسمى شوائب.

أشباه الموصلات غير النقية

يقصد بأشباه الموصلات غير النقية أو غير الجوهرية (Extrinsic Semiconductors)، بأنها أشباه موصلات نقية مطعمة بنسبة ضئيلة من أحد عناصر المجموعة الخامسة (عناصر تكافؤها خماسي) مثل عنصر الفوسفور (P) أو الزرنيخ (As)، أو من أحد عناصر المجموعة الثالثة (عناصر تكافؤها ثلاثي) مثل عنصر البورون (B) أو عنصر الألومنيوم (AI) أو عنصر الجاليوم (Ga). وفي هذه الحالة تسمى كل من عناصر المجموعة الخامسة وعناصر المجموعة الثالثة شوائب.

ويمكن لهذه الشوائب أن تلعب دورًا هامًا في إضافة خصائص مميزة لأشباه الموصلات منها الحصول على نوعين من أشباه الموصلات غير النقية هما شبه موصل غير نقي من النوع السالب وشبه موصل غير نقي من النوع الموجب، وبذلك تزداد قدرة أشباه الموصلات على توصيل التيار الكهربائي كما سيأتي شرحه.

شبه موصل من النوع السالب

وجد انه عند تطعيم بعض ذرات الجرمانيوم (Ga) رباعية التكافؤ، بذرات من عنصر خماسي التكافؤ مثل الزرنيخ (As)، فإن كل ذرة من ذرات الزرنيخ تساهم بأربعة إلكترونات من إلكتروناتها الخمسة لترتبط مع أربع ذرات من ذرات الجرمانيوم المحيط بها، بينما يظل الإلكترون الخامس غير مشارك في هذا الترابط. انظر إلى الشكل

ويترتب على ذلك أن يكون الإلكترون الخامس ضعيف الارتباط بذرات الزرنيخ، ولا يتطلب تحريره منها سوى قدر ضئيل جدًا من الطاقة، وهذا يجعل بلورة الجرمانيوم المطعمة بشائبة الزرنيخ محتوية على نسبة لا بأس بها من الإلكترونات الـحرة التي تتجول في البلورة من موضع إلى آخر، ومن ثم تصبح موصلة للكهرباء بدرجة أكبر، ويطلق على هذا النوع من الذرات بالشوائب المانحة Donors لأنها تمنح إلكترونًا حرًا للبلورة.

عند إضافة الملايين من الذرات خماسية التكافؤ يعني ذلك إضافة الملايين من الإلكترونات الحرة ذات الشحنة السالبة، وتسمى المادة شبه موصل من النوع السالب n—type ولكن الشحنة الكلية للمادة تبقى متعادلة لأن عدد الإلكترونات يساوي عدد البروتونات. وتحتوي المادة من النوع السالب على عدد قليل من الفجوات المتولدة نتيجة الحرارة، ويطلق على الإلكترونات في هذا النوع بحاملات الشحنة الأكثرية بينما يطلق على الفجوات بحاملات الشحنة الأقلية .

شبه موصل من النوع الموجب

عند تطعيم بلورة الجرمانيوم أو السيليكون بشائبة ثلاثية التكافؤ مثل عنصر الجاليوم (Ga) أي عند استبدال بعض ذرات بلورة الجرمانيوم رباعية التكافؤ، بذرات من عنصر ثلاثي التكافؤ، مثل الجاليوم، فإن ذرة الجاليوم سينقصها إلكترون لتكوين الرابطة التساهمية الرابعة (تكون ذرة الجاليوم مرتبطة بثلاث ذرات فقط من الذرات الأربع المحيطة بها من ذرات الجرمانيوم وتظل رابطتها بذرة الجرمانيوم الرابعة رابطة غير مكتملة. انظر إلى الشكل

وتسمى هذه الرابطة غير المكتملة بالفجوة (Hole). هذه الفجوة تسمح بانتقال إلكترون إليها من رابطة أخرى، فتصبح الفجوة رابطة مكتملة، بينما تصبح الرابطة التي جاء منها الإلكترون رابطة غير مكتملة أي تظهر فجوة جديدة، ينتقل إليها إلكترون من رابطة أخرى. وتتكرر هذه العملية، فتبدو الفجوات وكأنها تتجول في البلورة من موضع لآخر، ومن ثم تصبح بلورة الجرمانيوم المطعمة بذرات الجاليوم موصلة للكهرباء بدرجة أكبر، ويطلق على هذا النوع من الذرات بالشوائب المتقبلة Acceptors لأنها تستقبل إلكترونًا حرًا في ذرتها.

عند إضافة الملايين من الذرات ثلاثية التكافؤ يؤدي ذلك إلى تولد ملايين الفجوات ذات الشحنة الموجبة، وتسمى المادة شبه موصل من النوع الموجب p—type مع ملاحظة أن الشحنة الكلية للمادة تبقى متعادلة لأن عدد الإلكترونات يساوي عدد البروتونات. وتحتوي المادة من النوع الموجب على عدد قليل من الإلكترونات.