لقد أسهمت المواد شبه الموصلة في التقدم التقني والعلمي في مجال تصنيع الأجهزة الإلكترونية فمثلا الهاتف الكبير في الماضي أصبح أصبح محمولا صغيرا في الحاضر يسهل حمله وتنقله.
تنقسم المواد إلى موصلة، وشبه موصلة، وعازلة، وأن العناصر الإلكترونية الفعالة تصنع من مواد شبه موصلة، مثل: السيليكون (زS)،
والجرمانيوم (Ge)، وهما أكثر العناصر استخداما في صناعة العناصر الإلكترونية (الثنائيات، والترانزستورات، والثايرستورات).
تتكون ذرة السيليكون من نواة تحوي (14) بروتونا، ويدور حولها (14) إلكترونا، اثنان منها في المدار الأول، وثمانية منها في المدار الثاني، وأربعة في المدار الثالث، ويطلق على إلكترونات المدار الأخير الأربعة اسم إلكترونات التكافؤ Valence Electrons.
أما ذرة الجرمانيوم فتتكون من نواة تحوي (32) بروتونا، ويدور حولها (32) إلكترونا، اثنان في المدار الأول، وثمانية في المدار الثاني، وثمانية عشر في المدار الثالث. أما المدار الرابع فيحوي أربعة الكترونات فقط.
إن وجود أربعة الكترونات في المدار الأخير لكل من الجرمانيوم والسيليكون يجعل من الصعب على هاتين الذرتين منح (أو تقبل) إلكترونات لإكمال المستوى الأخير؛ لذا ترتبط ذرات العنصر معا في ترتيب معين يسمى التركيب البلوري Crystalline Structure؛ لتكملة مدارها الأخير إلى (8) الكترونات، وتنشأ نتيجة لذلك روابط تشاركية Covalent Bonds بين الذرات، بحيث تتشارك
كل ذرة مع أربع ذرات مجاورة؛ لكي تكمل عدد إلكترونات مدار ها الأخير إلى ثمانية إلكترونات.
تظل الروابط التشاركية قائمة في بلورة المادة شبه الموصلة، ما لم تعط كمية كافية من الطاقة لإلكترونات التكافؤ، تمكنها من التحرر من هذه الروابط، وتحطيم بعض الروابط بصورة طبيعية نتيجة درجة حرارة الجو العادي؛ ما يؤدي إلى تحرر عدد من الإلكترونات التي تسمى الإلكترونات الحرة Free Electrons وعندما يتحرر الإلكترون، فإنه يسبح في البلورة عشوائيا اركا مكانه فار غا في الرابطة ولما كان الإلكترون سالب الشحنة كهربائيا، فإن غيابه يعني وجود شحنة موجبة مكافئة لشحنته، تسمى الفجوة hole.
تعد كل من الإلكترونات الحرة والفجوات حاملة للشحنات Charge Carriers؛ إذ ينتقل الإلكترون، وقد يسقط الإلكترون الحر على فجوة، مسببا تعادلها، ومخلفا فجوة جديدة في مكان أخر. ويمكن القول إن الفجوة تنتقل هي الأخرى، فتعد بذلك حاملة للشحنة.
عندما تكون مادتا الجرمانيوم والسيليكون نقيتين تماما، فإنهما تكونان عازلتين جيدتين للتيار الكهربائي في درجات الحرارة المنخفضة (الصفر المطلق)، وتزداد درجة توصليهما للتيار عند ارتفاع درجة الحرارة، أو عند إضافة الشوائب إليهما بسبب تكون مزيد من حاملات الشحنة.
تمتاز المادة شبه الموصلة التي تكون في حالة النقاء الكامل بأنها عازلة للكهرباء عند درجة حرارة الصفر المطلق، ولكن في درجة حرارة الجو العادية، يمكن لبعض الإلكترونات كسر الترابط البلوري، والتحرك من ذرة إلى أخرى، ثم نقل التيار الكهربائي، ويكون عدد الإلكترونات التي تستطيع التحر من ذراتها في الجرمانيوم قليلا في درجة الحرارة العادية؛ لذا يجب تنشيط المادة شبة الموصلة، وزيادة عدد الإلكترونات الحرة فيها؛ لزيادة إن الطريقة المستعملة لتنشيط المادة شبة الموصلة هي إضافة شوائب معينة بنسب ضئيلة جدا؛ إذ ترتبط ذرات هذه الشوائب بذرات المادة شبه الموصلة، مكونة تشابكا بلوريا جديدا، وتعرف هذه الطريقة بالتطعيم (Doping).
عند إضافة ذرة من أحد العناصر التي تحوي خمسة إلكترونات في مدار ها الأخير (مثل: الفسفور، والزرنيخ) إلى مادة شبه موصلة، مثل إضافة ذرة من عنصر الزرنيخ إلى المادة شبه الموصلة (السيليكون)؛ فإن ذرة الزرنيخ تكون أربع روابط تشاركية مع أربع ذرات سيليكون مجاورة في البلورة، مستخدمة أربعة من إلكتروناتها الخمسة، في حين يبقى الإلكترون الخامس حرا؛ إذ يضاف هذا الإلكترون إلى مجموع الإلكترونات الناتجة من درجة الحرارة، فتكون المحصلة زيادة في عدد الإلكترونات في البلورة. وفي المقابل، يظل عدد الفجوات ثابت القيمة، وغير متأثر بعملية إضافة الذرة الشائبة. ولأن عملية إضافة ذرة شائبة من أحد عناصر المجموعة الخامسة يؤدي إلى زيادة عدد الإلكترونات؛ فإن هذه العناصر تعرف بالمانحة، ويطلق على بلورة السيليكون اسم المطعمة من النوع السالب (n-type)، ولهده البلورة المطعمة نوعان من حاملات الشحنة، هما: الإلكترونات، وهي أكثر عددا، وتسمى حاملات الشحنة الأكثرية، والفجوات، وتسمى حاملات الشحنة الأقلية.
عند إضافة ذرة من أحد العناصر التي تحوي ثلاثة إلكترونات في مدارها الأخير (مثل: الألومنيوم، والأنديوم) إلى المادة شبه الموصلة، مثل إضافة ذرة من عنصر الأنديوم إلى المادة شبة الموصلة (السيليكون)؛ فإن الذرة ثلاثية التكافؤ تكون ثلاث روابط تشاركية مكتملة مع ثلاث ذرات سيليكون مجاورة في البلورة، مستخدمة إلكتروناتها الثلاثة، في حين تبقى رابطة تشاركية غير مكتملة (فجوة)؛ إذ تضاف هذه الفجوة إلى مجموع الفجوات الناتجة من درجة الحرارة، فتكون المحصلة زيادة في عدد الفجوات في البلورة، ويظل عدد الإلكترونات ثابت القيمة، وغير متأثر بعملية إضافة الذرة الشائبة.
ولأن عملية إضافة ذرة شائبة من أحد عناصر المجموعة الثالثة يؤدي إلى زيادة عدد الفجوات؛ فإن هده العناصر تسمى الشوائب المتقبلة، ويطلق على بلورة السيليكون اسم المطعمة من نوع الموجب (p-type) وفي هذه الحالة، فإن حاملات أكثر الشحنات عددا هي الفجوات، وتسمى حاملات الشحنة الأكثرية، أما الإلكترونات فتسمى حاملات الشحنة الأقلية.
مما سبق يتضح لنا أن أنواع أشباه الموصلات هي:
تتناقص مقاومة أشباه الموصلات مع درجة الحرارة لأن عدد حاملات الشحنة يزداد بسرعة مع زيادة درجة الحرارة ، مما يجعل التغير الجزئي ، أي معامل درجة الحرارة سالبًا.
أجهزة استشعار درجة الحرارة مصنوعة من أجهزة أشباه الموصلات.
يتم استخدامها في آلات الطباعة ثلاثية الأبعاد.
تستخدم في الرقائق الدقيقة والسيارات ذاتية القيادة.
تستخدم في الآلات الحاسبة ولوحات الطاقة الشمسية وأجهزة الكمبيوتر والأجهزة الإلكترونية الأخرى.
يتم تصنيع الترانزستور و MOSFET كمفتاح في الدوائر الكهربائية باستخدام أشباه الموصلات.
تجعل الخصائص الفيزيائية والكيميائية لأشباه الموصلات قادرة على تصميم عجائب تكنولوجية مثل الرقائق الدقيقة والترانزستورات ومصابيح LED والخلايا الشمسية وما إلى ذلك.
يتكون المعالج الدقيق المستخدم للتحكم في تشغيل المركبات الفضائية والقطارات والروبوتات وما إلى ذلك من ترانزستورات وأجهزة تحكم أخرى يتم تصنيعها بواسطة مواد أشباه الموصلات.
نظرًا لأن أجهزة أشباه الموصلات لا تحتوي على خيوط ، وبالتالي لا توجد حاجة إلى طاقة لتسخينها للتسبب في انبعاث الإلكترونات.
نظرًا لعدم الحاجة إلى تدفئة ، يتم تشغيل أجهزة أشباه الموصلات بمجرد تشغيل الدائرة.
أثناء التشغيل ، لا تصدر أجهزة أشباه الموصلات أي ضوضاء طنين.
تتطلب أجهزة أشباه الموصلات تشغيلًا منخفض الجهد مقارنة بالأنابيب المفرغة.
نظرًا لأحجامها الصغيرة ، فإن الدوائر التي تشتمل على أجهزة أشباه الموصلات تكون مضغوطة للغاية.
أجهزة أشباه الموصلات مقاومة للصدمات.
أجهزة أشباه الموصلات أرخص مقارنة بالأنابيب المفرغة.
تتمتع أجهزة أشباه الموصلات بعمر غير محدود تقريبًا.
نظرًا لعدم وجود فراغ في أجهزة أشباه الموصلات ، فلا توجد مشكلة في تدهور الفراغ.
مستوى الضوضاء أعلى في أجهزة أشباه الموصلات مقارنة بالأنابيب المفرغة.
لا تستطيع أجهزة أشباه الموصلات العادية التعامل مع طاقة أكبر مثل الأنابيب المفرغة العادية.
في نطاق التردد العالي تكون لديها استجابة ضعيفة.
المصادر
كتاب الاتصالات والالكترونيات المنهج الأردني
Semiconductor Devices and Circuits, Applications
Semiconductors
تركيب أشباه الموصلات
 |
| تركيب أشباه الموصلات |
تنقسم المواد إلى موصلة، وشبه موصلة، وعازلة، وأن العناصر الإلكترونية الفعالة تصنع من مواد شبه موصلة، مثل: السيليكون (زS)،
والجرمانيوم (Ge)، وهما أكثر العناصر استخداما في صناعة العناصر الإلكترونية (الثنائيات، والترانزستورات، والثايرستورات).
تتكون ذرة السيليكون من نواة تحوي (14) بروتونا، ويدور حولها (14) إلكترونا، اثنان منها في المدار الأول، وثمانية منها في المدار الثاني، وأربعة في المدار الثالث، ويطلق على إلكترونات المدار الأخير الأربعة اسم إلكترونات التكافؤ Valence Electrons.
أما ذرة الجرمانيوم فتتكون من نواة تحوي (32) بروتونا، ويدور حولها (32) إلكترونا، اثنان في المدار الأول، وثمانية في المدار الثاني، وثمانية عشر في المدار الثالث. أما المدار الرابع فيحوي أربعة الكترونات فقط.
إن وجود أربعة الكترونات في المدار الأخير لكل من الجرمانيوم والسيليكون يجعل من الصعب على هاتين الذرتين منح (أو تقبل) إلكترونات لإكمال المستوى الأخير؛ لذا ترتبط ذرات العنصر معا في ترتيب معين يسمى التركيب البلوري Crystalline Structure؛ لتكملة مدارها الأخير إلى (8) الكترونات، وتنشأ نتيجة لذلك روابط تشاركية Covalent Bonds بين الذرات، بحيث تتشارك
كل ذرة مع أربع ذرات مجاورة؛ لكي تكمل عدد إلكترونات مدار ها الأخير إلى ثمانية إلكترونات.
تظل الروابط التشاركية قائمة في بلورة المادة شبه الموصلة، ما لم تعط كمية كافية من الطاقة لإلكترونات التكافؤ، تمكنها من التحرر من هذه الروابط، وتحطيم بعض الروابط بصورة طبيعية نتيجة درجة حرارة الجو العادي؛ ما يؤدي إلى تحرر عدد من الإلكترونات التي تسمى الإلكترونات الحرة Free Electrons وعندما يتحرر الإلكترون، فإنه يسبح في البلورة عشوائيا اركا مكانه فار غا في الرابطة ولما كان الإلكترون سالب الشحنة كهربائيا، فإن غيابه يعني وجود شحنة موجبة مكافئة لشحنته، تسمى الفجوة hole.
تعد كل من الإلكترونات الحرة والفجوات حاملة للشحنات Charge Carriers؛ إذ ينتقل الإلكترون، وقد يسقط الإلكترون الحر على فجوة، مسببا تعادلها، ومخلفا فجوة جديدة في مكان أخر. ويمكن القول إن الفجوة تنتقل هي الأخرى، فتعد بذلك حاملة للشحنة.
عندما تكون مادتا الجرمانيوم والسيليكون نقيتين تماما، فإنهما تكونان عازلتين جيدتين للتيار الكهربائي في درجات الحرارة المنخفضة (الصفر المطلق)، وتزداد درجة توصليهما للتيار عند ارتفاع درجة الحرارة، أو عند إضافة الشوائب إليهما بسبب تكون مزيد من حاملات الشحنة.
كيف يتم تطعيم اشباه الموصلات؟
إضافة الشوائب إلى المادة شبه الموصلة (التطعيم)
تمتاز المادة شبه الموصلة التي تكون في حالة النقاء الكامل بأنها عازلة للكهرباء عند درجة حرارة الصفر المطلق، ولكن في درجة حرارة الجو العادية، يمكن لبعض الإلكترونات كسر الترابط البلوري، والتحرك من ذرة إلى أخرى، ثم نقل التيار الكهربائي، ويكون عدد الإلكترونات التي تستطيع التحر من ذراتها في الجرمانيوم قليلا في درجة الحرارة العادية؛ لذا يجب تنشيط المادة شبة الموصلة، وزيادة عدد الإلكترونات الحرة فيها؛ لزيادة إن الطريقة المستعملة لتنشيط المادة شبة الموصلة هي إضافة شوائب معينة بنسب ضئيلة جدا؛ إذ ترتبط ذرات هذه الشوائب بذرات المادة شبه الموصلة، مكونة تشابكا بلوريا جديدا، وتعرف هذه الطريقة بالتطعيم (Doping).
كيفية إضافة الشوائب المانحة (Donors)
عند إضافة ذرة من أحد العناصر التي تحوي خمسة إلكترونات في مدار ها الأخير (مثل: الفسفور، والزرنيخ) إلى مادة شبه موصلة، مثل إضافة ذرة من عنصر الزرنيخ إلى المادة شبه الموصلة (السيليكون)؛ فإن ذرة الزرنيخ تكون أربع روابط تشاركية مع أربع ذرات سيليكون مجاورة في البلورة، مستخدمة أربعة من إلكتروناتها الخمسة، في حين يبقى الإلكترون الخامس حرا؛ إذ يضاف هذا الإلكترون إلى مجموع الإلكترونات الناتجة من درجة الحرارة، فتكون المحصلة زيادة في عدد الإلكترونات في البلورة. وفي المقابل، يظل عدد الفجوات ثابت القيمة، وغير متأثر بعملية إضافة الذرة الشائبة. ولأن عملية إضافة ذرة شائبة من أحد عناصر المجموعة الخامسة يؤدي إلى زيادة عدد الإلكترونات؛ فإن هذه العناصر تعرف بالمانحة، ويطلق على بلورة السيليكون اسم المطعمة من النوع السالب (n-type)، ولهده البلورة المطعمة نوعان من حاملات الشحنة، هما: الإلكترونات، وهي أكثر عددا، وتسمى حاملات الشحنة الأكثرية، والفجوات، وتسمى حاملات الشحنة الأقلية.
كيفية إضافة الشوائب المتقبلة (Acceptors)
عند إضافة ذرة من أحد العناصر التي تحوي ثلاثة إلكترونات في مدارها الأخير (مثل: الألومنيوم، والأنديوم) إلى المادة شبه الموصلة، مثل إضافة ذرة من عنصر الأنديوم إلى المادة شبة الموصلة (السيليكون)؛ فإن الذرة ثلاثية التكافؤ تكون ثلاث روابط تشاركية مكتملة مع ثلاث ذرات سيليكون مجاورة في البلورة، مستخدمة إلكتروناتها الثلاثة، في حين تبقى رابطة تشاركية غير مكتملة (فجوة)؛ إذ تضاف هذه الفجوة إلى مجموع الفجوات الناتجة من درجة الحرارة، فتكون المحصلة زيادة في عدد الفجوات في البلورة، ويظل عدد الإلكترونات ثابت القيمة، وغير متأثر بعملية إضافة الذرة الشائبة.
ولأن عملية إضافة ذرة شائبة من أحد عناصر المجموعة الثالثة يؤدي إلى زيادة عدد الفجوات؛ فإن هده العناصر تسمى الشوائب المتقبلة، ويطلق على بلورة السيليكون اسم المطعمة من نوع الموجب (p-type) وفي هذه الحالة، فإن حاملات أكثر الشحنات عددا هي الفجوات، وتسمى حاملات الشحنة الأكثرية، أما الإلكترونات فتسمى حاملات الشحنة الأقلية.
أنواع اشباه الموصلات
مما سبق يتضح لنا أن أنواع أشباه الموصلات هي:
- أشباه موصلات نقية: يمكن الحصول عليها عن طريق الإثارة.
- أشباه موصلات غير نقية: يمكن الحصول عليها عن طريق التطعيم، وهي نوعان هما: n-type و p-type.
تأثير الحرارة على أشباه الموصلات
تتناقص مقاومة أشباه الموصلات مع درجة الحرارة لأن عدد حاملات الشحنة يزداد بسرعة مع زيادة درجة الحرارة ، مما يجعل التغير الجزئي ، أي معامل درجة الحرارة سالبًا.
استخدامات أشباه الموصلات في الحياة اليومية
أجهزة استشعار درجة الحرارة مصنوعة من أجهزة أشباه الموصلات.
يتم استخدامها في آلات الطباعة ثلاثية الأبعاد.
تستخدم في الرقائق الدقيقة والسيارات ذاتية القيادة.
تستخدم في الآلات الحاسبة ولوحات الطاقة الشمسية وأجهزة الكمبيوتر والأجهزة الإلكترونية الأخرى.
يتم تصنيع الترانزستور و MOSFET كمفتاح في الدوائر الكهربائية باستخدام أشباه الموصلات.
الاستخدامات الصناعية لأشباه الموصلات
تجعل الخصائص الفيزيائية والكيميائية لأشباه الموصلات قادرة على تصميم عجائب تكنولوجية مثل الرقائق الدقيقة والترانزستورات ومصابيح LED والخلايا الشمسية وما إلى ذلك.
يتكون المعالج الدقيق المستخدم للتحكم في تشغيل المركبات الفضائية والقطارات والروبوتات وما إلى ذلك من ترانزستورات وأجهزة تحكم أخرى يتم تصنيعها بواسطة مواد أشباه الموصلات.
مميزات وعيوب أشباه الموصلات
مزايا أجهزة أشباه الموصلات
نظرًا لأن أجهزة أشباه الموصلات لا تحتوي على خيوط ، وبالتالي لا توجد حاجة إلى طاقة لتسخينها للتسبب في انبعاث الإلكترونات.
نظرًا لعدم الحاجة إلى تدفئة ، يتم تشغيل أجهزة أشباه الموصلات بمجرد تشغيل الدائرة.
أثناء التشغيل ، لا تصدر أجهزة أشباه الموصلات أي ضوضاء طنين.
تتطلب أجهزة أشباه الموصلات تشغيلًا منخفض الجهد مقارنة بالأنابيب المفرغة.
نظرًا لأحجامها الصغيرة ، فإن الدوائر التي تشتمل على أجهزة أشباه الموصلات تكون مضغوطة للغاية.
أجهزة أشباه الموصلات مقاومة للصدمات.
أجهزة أشباه الموصلات أرخص مقارنة بالأنابيب المفرغة.
تتمتع أجهزة أشباه الموصلات بعمر غير محدود تقريبًا.
نظرًا لعدم وجود فراغ في أجهزة أشباه الموصلات ، فلا توجد مشكلة في تدهور الفراغ.
عيوب أجهزة أشباه الموصلات
مستوى الضوضاء أعلى في أجهزة أشباه الموصلات مقارنة بالأنابيب المفرغة.
لا تستطيع أجهزة أشباه الموصلات العادية التعامل مع طاقة أكبر مثل الأنابيب المفرغة العادية.
في نطاق التردد العالي تكون لديها استجابة ضعيفة.
المصادر
كتاب الاتصالات والالكترونيات المنهج الأردني
Semiconductor Devices and Circuits, Applications
Semiconductors