ما هي أشباه الموصلات

لاشك أنك سمعت من قبل عن وادي السيليكون الذي يعد مقر لأضخم الشركات العالمية في مجال التكنولوجيا، ولكن هل تساءلت يومًا عن سبب تسميته بهذا الاسم؟! السيليكون عنصر من أشباه الموصلات والتي تعد عصب الصناعات الحديثة وسبب في التقدم العلمي الهائل الذي وصلنا إليه، وتم تسمية هذه المنطقة نسبة إلى عنصر السيليكون للدلالة على أهميته في حياتنا.

تصنيف المواد من حيث قدرتها على توصيل الكهرباء

جميع المواد تتكون من ذرات (atoms) مكونة من نواة (nucleus) تحوي نوعين من الأجسام، أحدهما موجب الشحنة يطلق عليها بروتون والثاني متعادل الشحنة يطلق عليه نيوترون. ويدور حول النواة، وفي مدارات ثابته إلكترونات سالبة الشحنة.

تعتمد مقدرة مادة معينة على توصيل التيار الكهربائي على مقدار ارتباط إلكترونات المدار الخارجي، والتي تسمى إلكترونات التكافؤ (electrons valence)، مع نواة الذرة. ويمكن تصنيف المواد من حيث مقدرتها على توصيل التيار الكهربائي إلى ثلاثة أنواع هي المواد الموصلة، والمواد العازلة، والمواد شبه الموصلة.

العوازل (insulator): هي مادة لا توصل تيارًا كهربائيًا في ظل الظروف العادية. في المواد العازلة تكون قوة جذب النواة لإلكترونات التكافؤ كبيرة ولا تستطيع هذه الإلكترونات التحرر من الذرة عند تعرضها لمجال كهربائي. من أمثلة العوازل المطاط والبلاستيك والزجاج والميكا والكوارتز.

الموصلات (conductor): الموصل هو مادة يمكنها توصيل التيار الكهربائي بسهولة. وفي المواد الموصلة تتميز بذرات لها إلكترون واحد في مدار التكافؤ يكون ارتباطه مع النواة ضعيفًا ويمكن لتلك الإلكترونات أن تتحرر من ذراتها وتتحرك حركة عشوائية بين الذرات، وإذا تعرضت هذه الإلكترونات لمجال كهربائي فإنها تكون تيارًا كهربائيًا. ومن أمثلة المواد الموصلة كهربائيًا النحاس (Cu)، والفضة (Ag)، والذهب (Au)، والألمنيوم (Al).

أشباه الموصلات (semiconductor): أشباه الموصلات هي مادة قدرتها على توصيل التيار الكهربائي تكون بين الموصلات والعوازل في قدرتها على توصيل التيار الكهربائي. ومن أمثلة المواد شبه الموصلة السيليكون والجرمانيوم. التي للموصلات.

تعريف أشباه الموصلات

أشباه الموصلات (semiconductor): هي مواد لها خصائص كهربائية تقع ما بين العوازل والموصلات، أي أنها ليست عازلة تمامًا، ولا موصلة جيدة للكهرباء، وهي العناصر التي تكافؤها رباعي مثل السيلكون والجرمانيوم. وتتميز بإمكانية تغيير خصائصها الكهربائية بإضافة بعض الشوائب الى بلوراتها النقية.

التركيب البلوري لأشباه الموصلات

يعتبر عنصرا السيليكون (أS) والجرمانيوم (Ge) من أهم عناصر أشباه الموصلات والتي تستخدم في صناعة العناصر الإلكترونية وذلك لأسباب عديدة منها إمكانية تنقيتهما لدرجة عالية وإمكانية تغيير خصائصهما الكهربائية بإضافة بعض الشوائب الى بلوراتهما النقية.

ومن المعروف أن الجرمانيوم والسيليكون من العناصر التي تنتمي إلى المجموعة الرابعة الأساسية في الجدول الدوري، لذلك فهما من العناصر التي تكافؤها رباعي أي أن مستوى الطاقة الأخير (الخارجي) لذراتها يحتوى على أربعة إلكترونات. فعندما تنتظم ذرات الجرمانيوم أو السيليكون لتكوين بلورته فإن كل ذرة من ذراته ترتبط مع أربع ذرات مجاورة بروابط تساهمية (covalent bonding)، بحيث تصبح كل ذرة محاطة بثمانية إلكترونات. كما في الشكل التالي:

وهذه الإلكترونات شديدة التماسك بذراتها إلى حد قد يصعب معه فك هذا الترابط، لذلك يعد الجرمانيوم وكذلك السيليكون أقل توصيلًا للتيار الكهربائي في الظروف الاعتيادية.

ما الظروف التي تجعل أشباه الموصلات النقية جيدة التوصيل؟

كما ذكرت من قبل، أن كل ذرة في بلورة الجرمانيوم أو السيليكون ترتبط مع أربع ذرات مجاورة لها بروابط تساهمية، بحيث تصبح كل ذرة محاطة بثمانية إلكترونات (أي محاطة بأربع روابط تساهمية). مما يجعل من الصعب تحرير إلكترونات من الذرة. وهناك عدة طرق من الممكن تحقيق ذلك مثل رفع درجة حرارة المادة أو تطعيمها.

رفع درجة حرارة أشباه الموصلات

في درجات الحرارة المنخفضة يصعب كسر الروابط التساهمية، وبالتالي يصعب تحرير إلكترونات الروابط التساهمية في البلورة، وتكون المقاومة الكهربائية لكل من بلورة الجرمانيوم، أو بلورة السيليكون كبيرة إلى حد ما، وتكون في هذه الحالة رديئة التوصيل للكهرباء، أما عند رفع درجة حرارة البلورة، فتصبح الطاقة الحرارية التي تكتسبها كافية إلى حدٍ ما لكسر بعض الروابط، فتتحرر بعض الإلكترونات، وعندئذٍ، تصبح بلورة الجرمانيوم أو بلورة السيليكون جيدة التوصيل للكهرباء، حيث تكون المقاومة الكهربائية للبلورة عندئذٍ صغيرة.

على رغم مما تم ذكره إلا أن زيادة الموصلية لأشباه الموصلات برفع درجة حرارتها لا يعد مرغوبًا فيه من الناحية العملية وذلك لما تتطلب هذه الطريقة من أجهزه تسخين، وما يلزم ذلك من زيادة في التكاليف، وكذلك زيادة في استهلاك القدرة، والأهم من ذلك صعوبة التحكم أو السيطرة على الخواص الكهربائية لأشباه الموصلات من خلال هذه الطريقة.

تطعيم أشباه الموصلات

التطعيم (Doping) هو إضافة ذرات خماسية التكافؤ أو ثلاثية التكافؤ إلى مادة شبه الموصل النقية، بكميات صغيرة جدًا (حوالي جزء واحد في المائة مليون)، وذلك من أجل زيادة موصليتها للتيار الكهربائي، وتسمى الذرات المضافة بالشوائب (Impurities)، ويطلق على مادة شبه الموصل المطعمة مادة شبه موصل غير النقية (Extrinsic Semiconductor Material).

على سبيل المثال، إذا تم استبدال ذرة سيليكون بذرة خماسية التكافؤ، مثل الزرنيخ، فإن أربعة من الإلكترونات تشكل روابط تساهمية مع أربع ذرات سيليكون مجاورة. ويتبقى إلكترون زائد حر الحركة خلال البلورة، بهذا الأسلوب يزداد عدد الالكترونات (السالبة) الحرة، ويصبح الإلكترون الخامس إلكترونًا ناقلًا يعمل على توصيل التيار. وتسمى هذه البلورة مادة سالبة (n-material type).

وبالمثل، إذا تم استبدال ذرة ثلاثية التكافؤ مثل البورون، بذرة سيليكون، حيث نجد أن كل ثلاثة الكترونات من البورون ترتبط مع ذرات الجرمانيوم المجاورة، ونجد أن ذرة الجرمانيوم ينقصها الكترون واحد حتى يكتمل بناء الرابطة التساهمية وهذا يعني وجود فجوة (hole) والتي تمثل شحنة موجبة لها قدرة قوية على جذب الإلكترونات. ولهذا يطلق على هذه البلورة بلورة مادة موجبة (p-material type).

إضافة ذرات شائبة الى أشباه الموصلات النقية بنسب قليلة تعمل على زيادة  الموصلية لهذه المواد فمثلًا اذا أضيفت الشوائب بنسبة ذرة واحدة من الشوائب الـى مائة مليون ذرة جرمانيوم فإن ذلك يكفى لزيادة الموصلية للجرمانيوم بمقدار من 10 إلى 15 مرة. 

كذلك فإن إضافة الذرات الشائبة إلى أشباه الموصلات النقية تعطينا إمكانية التحكم في كثافة الإلكترونات الحرة الموجودة في شبه الموصل أو كثافة الفجوات فيه وبصورة مستقلة وتضاف الشوائب عادة بنسبة ذرة عنصر شائب واحد الى مليون ذرة سيلكون او جرمانيوم.

تأثير درجة الحرارة على أشباه الموصلات

عند درجة حرارة الصفر المطلق (273^oC-) تتصرف بلورة السيليكون كمادة عازلة، وذلك بسبب عدم وجود إلكترونات حرة (غير مشاركة في روابط تساهمية)، وعند ارتفاع درجة الحرارة إلى حرارة الغرفة (25^oC) فإن بعض الإلكترونات يكتسب طاقة كافية تمكنه من الإفلات من المدار الأخير وكسر الرابطة التساهمية مخلفًا وراءه ما يسمى بالفجوة (hole) ليصبح إلكترونًا حرًا يتحرك داخل البلورة، وبالتالي تصبح البلورة موصلة للتيار الكهربائي، ولكن بشكل ضعيف جدًا.

والفجوة عبارة عن الفراغ الذي يحدثه الإلكترون عند مغادرته للرابطة التساهمية وتعد الفجوة ذات شحنة موجبة، لأنها تقوم بجذب الإلكترونات الحرة التي تتحرك خلال البلورة، وتعد أيضًا إحدى حاملات الشحنة مثلها مثل الإلكترون الحر، وتتحرك الفجوات بعكس إتجاه حركة الإلكترونات. لاحظ أنه في المادة شبه الموصلة النقية (التي لا تحتوي على ذرات عناصر أخرى) فإن عدد الإلكترونات الحرة المتولدة بسبب الحرارة يساوي عدد الفجوات.

ولكن عند ما ترتفع درجة حرارة شبه الموصل الشائب كثيرًا عن درجة حرارة الغرفة فإن الإلكترونات أو الفجوات الأصلية سوف تهيمن على الإلكترونات والفجوات الشائبة وتصبح كثافة الإلكترونات في حزمة التوصيل مساوية مرة أخرى لـكثافة الفجوات في حزمة التكافؤ وهكذا فإن الحرارة العالية غير مرغوب فيها لأنها تمنع العناصر شبه الموصلة من أداء عملها بالصورة الإعتيادية.

أنواع أشباه الموصلات

تنقسم أشباه الموصلات بحسب خصائصها وبنيتها الفيزيائية إلى ما يلي:

أشباه الموصلات النقية أو الجوهرية

شبة الموصل النقي (Intrinsic Semiconductor) هو مادة شبة موصلة نقية جدًا وخالية من الشوائب (غير مطعمة)، وعند درجة حرارة الصفر المطلق تكون عازلة حيث لا يوجد بها إلكترون حر، وأهم خاصية لمواد أشباه الموصلات أنه يمكن تحسين توصيلها للتيار الكهربي (أي تعديل مقاومتها النوعية) بتعريضها لطاقة خارجية كالحرارة أو الضوء أو بتطعيمها بالشوائب.

أشباه الموصلات غير النقية أو غير الجوهرية

أشباه الموصلات غير النقية (Extrinsic Semiconductors) هي مواد شبه موصلة مضاف إليها شوائب (مطعمة) بذرات خماسية أو ثلاثية التكافؤ مناسبة وبكميات صغيرة للغاية لتغيير خصائصها الكهربية، وتنقسم إلى نوعين: شبه موصل من النوع الموجب P، وشبه موصل من النوع السالب N.

أشباه الموصلات من النوع السالب N Type

يتم الحصول عليها بإضافة مادة شائبة من عناصر خماسية التكافؤ مثل الفسفور (P) إلى مادة شبه الموصل النقي مثال السيلكون حيث تحل الذرة خماسية التكافؤ محل ذرة السيلكون رباعية التكافؤ ويبقى هناك الكترون حر الحركة، هذا الإلكترون الحر يزيد من توصيلية المادة للتيار الكهربائي.

أشباه الموصلات من النوع الموجب P Type

يتم الحصول عليها بإضافة شوائب من عناصر ثلاثية التكافؤ مثل البورون إلى مادة شبة الموصل النقي مثال السيلكون، حيث تحل ذرة البورون ثلاثية التكافؤ محل إحدى ذرات السيلكون رباعية التكافؤ فيبقى في الرابطة التساهمية محل إلكترون فارu يسمى فجوة (شحنة موجبة) وهذه الفجوة تجذب الإلكترونات وتسبب مرور تيار كهربائي.

للإطلاع أكثر اقرأ: أنواع أشباه الموصلات.

استخدامات أشباه الموصلات

أدت الخصائص الفريدة لأشباه الموصلات إلى قيام المهندسين بإنتاج أجهزة صغيرة تتحكم في تدفق التيار عبر الدائرة. ومنها الترانزستور الذي غيّر مجرى البشرية منذ اختراعه عام 1947.

وتستخدم أشباه الموصلات في تصنيع الأجهزة الإلكترونية مثل الدايود والترانزستورات والثايرستور والدوائر المتكاملة، والتي هي أساس لعمل الأجهزة الكهربائية والإلكترونية في عالمنا المعاصر ،كالهواتف وأجهزة الكمبيوتر والطابعات والألواح الشمسية.