الفرق بين أشباه الموصلات النقية والغير نقية

تمتلك أشباه الموصلات النقية والغير نقية خصائص كهربائية مختلفة ويتم استخدام كلا النوعين من أشباه الموصلات في الأجهزة الإلكترونية، لكن أشباه الموصلات النقية أكثر شيوعًا نظرًا لإمكانية تغيير خصائصها الكهربائية بسهولة.

تعريف أشباه الموصلات

يعرف شبه الموصل (Semiconductor) بأنه مادة معدنية يتم التحكم في موصليتها الكهربائية بإضافة عناصر أخرى. ويمتلك شبه الموصل مقاومة كهربائية ما بين الموصلات والعوازل، ويعتبر السيلكون و الجرمانيوم من الأمثلة الشائعة على أشباه الموصلات.

تستخدم أشباه الموصلات على نطاق واسع في الأجهزة الإلكترونية مثل الترانزستورات والثنائيات والدوائر المتكاملة. وتنقسم أنواع أشباه الموصلات إلى شبه موصلات نقية وشبه موصلات غير نقية

أشباه الموصلات النقية

أشباه الموصلات النقية أو الجوهرية (Intrinsic semiconductors) كما يشير اسمها هي أشباه موصلات غير مختلطة بأي ذرات عنصر آخر (غير مطعمة)، تحتوي أشباه الموصلات النقية على عدد متساوي من الإلكترونات والفجوات، مما يعني أنها لا تحتوي على أي حاملات شحنة حرة الحركة مما يجعل موصليتها منخفضة.

يعد عنصرا السيلكون أS والجرمانيوم Ge من أهم عناصر أشباه الموصلات ويقع كلاهما ضمن المجموعة الرابعة من عناصر الجدول الدوري. يمتلك السيلكون في المدار الأخير 4 إلكترونات (نصف عدد الإلكترونات اللازم لإشباع هذا المدار) وهذا التشكيل يجعل السيلكون لا تميل إلى فقد الكتروناتها ولا تميل للكسب أيضًا. لهذا فإنها تميل لتشارك (تسهم) بإلكتروناتها مع ذرة أو أكثر للحصول على مدار أخير مكتمل من ثماني إلكترونات وتسمى هذه العملية بالرابطة التساهمية.

عند درجة الحرارة المنخفضة (الصفر المطلق) تتصرف أشباه الموصلات النقية كمواد عازلة لعدم وجود أي إلكترون حر (غير مشارك في رابطة تساهمية) ولكن بارتفاع درجة الحرارة إلى حرارة الغرفة مثلا، تتكسر بعض الروابط التساهمية بفعل الطاقة الحرارية وينتقل الكترون من الرابطة التساهمية ويصبح حر الحركة تاركًا مكانه فارغًا، ويطلق على الرابطة التساهمية غير المكتملة هذه ” فجوة ” Hole.

في حال وجود فجوة (رابطة تساهمية ناقصة) توجد إمكانية بأن يغادر الكترونًا رابطة تساهمية مجاورة لسد الفجوة المتكونة تاركًا وراءه مكانا فارغا بدوره. وهنا نرصد حركتين: حركة الإلكترونات وحركة الفجوات، حيث تتحرك الإلكترونات بعكس حركة الفجوات. لتوضيح ذلك انظر إلى الشكل في الأسفل، فعند حركة واحدة من الكرات الحمراء لملء الفجوة فإن الكرة ستكون قد تحركت إلى اليمن والفتحة قد تحركت إلى اليسار.

شباه الموصلات الغير نقية

أشباه الموصلات غير النقية (extrinsic semiconductors) هي مواد شبه موصلة مضاف إليها ذرات من عناصر ثلاثية أو خماسية التكافؤ مثل الفسفور والجاليوم بهدف زيادة عدد الإلكترو نات الحرة في المواد شبه الموصلة، و بالتالي زيادة قدرتها على التوصيل.

على سبيل المثال عند إضافة ذرات شائبة إلى مادة السيلكون (معدل ذرة واحدة شائبة لكل مليون ذرة سيلكون) فإن هذا يؤدي إلى زيادة قدرتها على التوصيل مقدار سبع أو ثمان مرات، وتسمى عملية إضافة ذرات شائبة إلى مواد شبه موصلة نقية بعملية التطعيم Doping ويطلق على المواد شبه الموصلة بعد عملية التطعيم (شبه الموصلات غير النقية) أو (شبه الموصلات غير الجوهرية).

تستخدم عملية التطعيم لإنتاج نوعين من أشباه الموصلات غير النقية هي: نوع موجب وآخر سالب:

النوع السالب N-Type

عند إضافة ذرة خماسية التكافؤ مثل الزرنيخ أو الفسفور إلى بلورة الجرمانيوم فإن أربع الكترونات تكافؤ من الذرة الشائبة سيرتبط مع الكترونات الجرمانيوم بينما يبقى الالكترون الخامس غير مرتبط وحر الحركة مما يزيد من عدد الالكترونات في البلورة وتسمى البلورة بالنوع السالب.

النوع الموجب P-Type

عند إضافة شائبة ثلاثية التكافؤ مثل الأنديوم أو البورون إلى بلورة الجرمانيوم نجد أن كل ثلاثة الكترونات من المادة المضافة ترتبط في روابط تساهمية مع ذرات الجرمانيوم المجاورة، ونجد أن ذرة الجرمانيوم ينقصها الكترون واحد حتى تكتمل الرابطة التساهمية وهذا يعني وجود فجوة (hole) والتي تمثل شحنة موجبة لها قدرة قوية على جذب الالكترونات. ولهذا يطلق على هذه البلورة بالنوع الموجب (p-type).

الفرق بين أشباه الموصلات النقية والغير نقية

الفرق الرئيسي هو أن أشباه الموصلات النقية عبارة عن مادة شبه موصلة نقية موصليتها الكهربائية رديئة بسبب عدم وجود إلكترونات أو فجوات حرة، بينما أشباه الموصلات الغير نقية هي مادة شبه موصلة يتم تطعيمها بالشوائب لزيادة موصليتها. تضيف الشوائب إلكترونات حرة أو فجوات إلى المادة مما يجعلها موصلًا أفضل.

أشباه الموصلات النقية	أشباه الموصلات غير النقية
مواد نقية لا تحتوي على أية شوائب	مطعمة ومضاب لها شوائب من عناصر المجموعة الخامسة أو الثالثة
موصليتها رديئة وتتصرف كالعوازل عند درجة الحرارة المنخفضة	تمتلك موصلية عالية جدًا مقارنة بشبه الموصلات النقية
تتساوى عدد الإلكترونات والفجوات ولا توجد حاملات شحنة حرة	عدد الإلكترونات والفجوات غير متساوية وتعتمد على نوع المادة
تعتمد موصليتها الكهربائية على الحرارة فقط	تعتمد موصليتها الكهربائية على الحرارة وكمية الشوائب المضافة