تعريف أشباه الموصلات
يتم عادةً تصنيف المواد الصلبة من ناحية قدرتها على التوصيل إلى ثلاث فئات رئيسية هي: المواد العازلة، والموصلات، وأشباه الموصلات، إذ تكون أشباه الموصلات عادة بين المواد العازلة والمواد الموصلة من حيث قدرتها على توصيل التيار الكهربائي،[١] وبشكل عام تُعرف أشباه الموصلات (بالإنجليزية: Semiconductors) على أنها مجموعة من المواد الصلبة البلورية، توصل الكهرباء بكفاءة أقل من الموصلات، وأعلى من المواد العازلة.[١]
آلية عمل أشباه الموصلات
كما هو معروف تتكون جميع المواد من ذرات، التي تضم بدورها عدداً كبيراً من الإلكترونات تقع في مستويات طاقة عدة متقاربة، وبحسب مبدأ باولي فإنه يمكن لإلكترونين فقط التواجد في مستوى الطاقة نفسه؛ بحيث يغزل كل منها باتجاه معاكس لاتجاه الآخر.[٢]
يمكن تمثيل مستويات الطاقة عند دراستها على شكل خطوط مفصولة بمسافات صغيرة تسمح بتحديد موقع الإلكترونات فيها، ويتم تجميع مستويات الطاقة معاً لتشكيل نطاق، يُطلق على النطاق ذي الطاقة القليلة منها اسم نطاق التكافؤ (بالإنجليزية: Valence band)، أما النطاق ذو الطاقة الأعلى فيُطلق عليه اسم نطاق التوصيل (بالإنجليزية: Conduction band)، والطاقة اللازمة حتى ينتقل أو يقفز الإلكترون من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل تُسمّى بطاقة فجوة النطاق، ويوضح الشكل الآتي نطاقات الطاقة هذه.[٢]
الأمر المميز في أشباه الموصلات والذي يميّزها عن الموصلات والعوازل هو أنّ التيار لا يكون فقط عن طريق انتقال الإلكترونات فيها، بل أيضًا عن طريق الثقوب (بالإنجليزية: Holes) موجبة الشحنة التي تتركها الإلكترونات وراءها، فعندما ينتقل الإلكترون من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل فإنه يترك وراءه فجوة أو ثقباً في نطاق التوصيل يُمكن أن تُشغل بإلكترونات من مستويات طاقة أقل، وهكذا، وبالتالي يمكن تعريف التيار فيها بأنه معدل تدفق هذه الشحنات "الموجبة".[٢]
تشويب شبه الموصلات
تتكون أشباه الموصلات كالكربون والجرمانيوم من شبكات بلورية تشترك فيها كل ذرة بإلكترون واحد مع الذرات القريبة الأربعة القريبة منها، وفي عملية تشويب شبه الموصلات (بالإنجليزية: Dopant) يتم استبدال نسبة صغيرة من ذرات السليكون بذرات كذرات الفسفور مثلاً كشوائب في شبكة السليكون البلورية، إذ تحتوي ذرة الفسفور على خمسة إلكترونات متاحة لتكوين روابط، مما يوفّر إلكتروناً إضافياً لكل ذرة من الشوائب متاحاً للتوصيل الكهربائي، لتسمّى ذرات الفسفور حينها بالذرات المانحة، ويُطلق على أشباه الموصلات هذه اسم أشباه الموصلات السالبة (بالإنجليزية: N-type semiconductor). [٣]
أما النوع الآخر من أشباه الموصلات المشوّبة فيطلق عليه اسم أشباه الموصلات الموجبة (بالإنجليزية: P-type semiconductor) وهي أشباه الموصلات التي يتم تشويبها بذرات مثل البورون التي تكون فيها إلكترونات التكافؤ ثلاثة إلكترونات، مما يعني وجود ثقب (بالإنجليزية: Holes) في الشبكة البلورية أي وجود موقع موجب الشحنة فيها، ويمكن أن يحدث التوصيل في هذا النوع عن طريق هجرة الثقوب الموجبة خلال شبكة البلورة. [٣]
أمثلة على أشباه الموصلات
من أبرز المواد شبه الموصلة: السليكون الذي يعد المادة شبه الموصلة الأكثر استخداماً في الدوائر الإلكترونية، كما يُعتبر زرنيخيد الغاليوم المادة الأكثر استخداماً في الخلايا الشمسية،[٤] ويجدر بالذكر هنا أنّ التطور التكنولوجي الحديث قد أصبح ممكناً بسبب وجود أشباه الموصلات، إذ إنّ جميع الدوائر الكهربائية، والرقائق الدقيقة، والترانزيستورات، والعديد من أجهزة الاستشعار تحتوي في مكوناتها على مواد من أشباه الموصلات.[٤]
المراجع
- ^ أ ب "Semiconductor", britannica, Retrieved 3/8/2021. Edited.
- ^ أ ب ت Akash Peshin (28/5/2020), "What Are Semiconductors? And How Do They Work?", science ABC, Retrieved 3/8/2021. Edited.
- ^ أ ب "Dopant", britannica, Retrieved 15/8/2021. Edited.
- ^ أ ب "Semiconductor ", byjus, Retrieved 3/8/2021. Edited.
