أشباه الموصلات في الإلكترونيات
الكاتب : المهندس ماجد عباس محمد
أشباه الموصلات في الإلكترونيات
تنقسم المواد إلى مواد موصلة وهى ذات مقاومة نوعية ρ أقل من حد معين و مواد عازلة ذات مقاومة نوعية ρ أعلى من قيمة معينة و بينهما منطقة حيث ρ فيها لا تناسب التوصيل ولا العزل ، لذا تسمى أشباه الموصلات. لا استخدم تعبير "أنصاف الموصلات" لأن النصف عدد ذو قيمة و موصل له نصف توصيل النحاس سيظل موصلا أيضا.
ماذا يكون التعريف الأنسب إذن؟
لو نأخذ التقسيم السابق من حيث التركيب الذرى سنحدد تعريفا جيدا لأشباه الموصلات. ما يلى بالغ الأهمية لفهم أشباه الموصلات بأنواعها لأن الكثير يخلط بين النوع س أو N وكونه سالب أو متعادل و بالمثل فى النوع م أو P .
تتركب المواد من جزيئات تحتوى ذرات. كل ذرة تتركب من نواه بها عدد من البروتونات الموجبة والنيوترونات المتعادلة ، عدد البروتونات يحدد العنصر و خواصه إذ لا يوجد عنصرين لهما نفس العدد.
عدد البروتونات يمثل شحنة موجبة، ولابد لهذه الشحنة من أن تتعادل فتجذب إليها إلكترونات سالبة تدور فى مسارات حول النواة و كل مسار له عدد محدد من الإلكترونات لا يتغير ما عدا المدار الأخير الأبعد عن النواة.
هذا المدار الأخير يتسع لثمانى الكترونات فقط ولكن عدد البروتونات قد لا يجذب ما يكفى لإكمال هذا المدار الأخير، هذا الوضع يخلق حالة عدم استقرار للنوة، تريد إكمال المدار الخارجى ليحتوى ثمانية الكترونات ولا تريد زيادة الشحنة السالبة عن الشحنة الموجبة، ولم يخلق الله الكترونات متعادلة!! إذن ما الحل؟
المدار الأخير يريد ثمان الكترونات لهذا فالرقم السحري هو نصفه أى 4
ما هذا الرقم السحرى؟
نلاحظ هنا نوعين من الارتباط
ارتباط كيمائى وهو التكافؤ الرباعى واكتماله بتحقيق 8 الكترونات فى المدار الخارجى.
ارتباط كهربى و تحققه بأن عدد الإلكترونات مساوى لعدد البروتونات ولا توجد شحنات زائدة.
نتيجة الارتباط الوثيق بين الإلكترونات و النواة، لا نجد كثير من الإلكترونات الحرة وهى التى تسبب مرور التيار.
من أمثلتها الكربون النقى و الجرمانيوم النقى و السليكون النقى Silicon .
ماذا نفعل إذن لنزيد التوصيل؟
الحل ببساطة أن نضيف قليلا من الشوائب، ولا نقصد مواد رديئة ولكن نقصد عناصر أخرى.
آه ، إذن هذه العناصر هى التى توصل التيار فى المادة شبه الموصلة!!
لا.
ولماذا إذن هذا العذاب ولدينا الأفضل مثل النحاس والمعادن كلها.
الفكرة أننا لا نسعى للتوصيل ولكن نسعى لخلق اختلال فى التكوين يهيئ لنا أن نستغله فى هذا العالم الكبير – عالم أشباه الموصلات.
لو وضعنا قليلا من عنصر خماسى التكافؤ – هذا يعنى أن لمداره الخارجى خمسة إلكترونات. إذن ستشترك أربع منها مع ذرات السيليكون كما سبق ويبقى الخامس بدون ارتباط.
لاحظ هنا الاختلال الحادث ، هذا الإلكترون لا يمكنه البقاء لأن لا ارتباط له مع ذرة مجاورة . حسنا ليمضى لحال سبيله!!
موقف غريب قليلا ولكنه ذو فائدة جليلة. هذا الإلكترون حر الحركة لكن يجب أن يأتى بديله حتى تتعادل شحنات الذرات وهكذا يكون لدينا إمكانية نقل التيار بهذه الإلكترونات الحرة و لهذا سميت المادة "سالبة" وإن كانت ليست سالبة الجهد أو الشحنة ولكن ما ينقل التيار فيها هو الإلكترونات السالبة.
تذكر هذا جيدا أن المادة متعادلة كهربيا ولكن بها إلكترونات حرة كثيرة قابلة للحركة. أى أن الوسيط لنقل التيار هو إلكترونات سالبة الشحنة.
الآن ماذا لو وضعنا مادة ثلاثية التكافؤ؟ تذكر أن ثلاثية التكافؤ تعنى مدارها الخارجى يحتوى ثلاث ذرات.
نفس القضية إلا أن لدينا الآن ثلاث الكترونات فقط وهذا سيخلق وضعا غريبا أيضا .
ترتبط الإلكترونات الثلاث بثلاث ذرات مجاورة والرابعة لن تجد إلكترون يحقق لها رابطة التكافؤ. ولكن التعادل الكهربى محقق.
هذا سيخلق نقصا أو فجوة أو مكان يمكن لأى إلكترون عابر أن يسقط فيه ليحقق رابط التكافؤ ولكن، عند حدوث هذا سيختل التعادل الكهربى و تصبح الشحنات السالبة أكثر من الموجبة، لهذا يمكن لهذا الإلكترون أن يلفظ منتقلا إلى ذرة مجاورة بها فجوة أيضا وهو ما يبدو كأن الفجوة انتقلت فى الجهة المضادة ، و أؤكد هنا ما يبدو لأن من انتقل فعليا هو الإلكترون وهو الجسيم ذو الكتلة وهو الذى يمكن أن يوجد فى حالة منفصلة و يتحرك فى الفراغ لكن لا يوجد جسم اسمه فجوة ولا يوجد فى الفراغ ولا يوجد خارج هذا التكوين الذرى.
لتسهيل الحوار اعتبر العلماء أن الفجوة موجبة لكونها تجذب إلكترون سالب و هى تتحرك عكس الإلكترون أخذا فى الاعتبار أن التفصيل الدقيق تم فهمة و سميت المادة موجبة م P على اعتبار أن الفجوات هى ناقل التيار مجازا.
المسألة أشبه عندما نبيع عقار عليه دين بقولك انتقل الدين من س إلى ص بينما فى الحقيقة ما انتقل هو المال من ص إلى س.
مما سبق نستخلص حقيقة أن دوما انتقال التيار فى المادة س أو N أسرع من انتقاله فى المادة م أو P والسبب أن انتقال الإلكترون مباشرة من ذرة لأخرى دوما سيكون أسرع من انتقال الفجوة والرسم المقابل يشرح لماذا.
هل ستجد حركة الإلكترون بالطريقة العليا أسرع أم انتقاله للفجوة ثم انتقال التالى للفجوة الجديدة ثم التالى فالتالى!!
الآن ماذا يحدث لو التحمت وصلتان م و س أو P,N معا؟
الكاتب : المهندس ماجد عباس محمد
يمكنكم الانتقال إلى صفحات :