شرح أشباه الموصلات Semiconductors
المواد شبه الموصلة في الالكترونيات
عند التأمل في الدارة الكهربائية وبعض عناصرها (مصدر فرق
الجهد، مقاومة، مواسع، محث، الثنائيات، والترانزستور، والدارات المتكاملة والخ....)
وطرق وصلها، ستفهم بالطبع الغرض من استخدامها. لكن من أبرز ما ساعد على التقدم
العلمي في مجال الالكترونيات هو الثنائي (الدايود) بأنواعه المتعددة والترانزستور
بشقية السالب والموجب NPN
أو PNP. ففي عام 1904 تم اختراع أول صمام مفرغ. وفي العام 1939 تم تطوير
ذلك الصمام المفرغ الى الثنائي أي الدايود.
أما في العام 1948 تم اختراع أول
ترانزستور من قبل العلماء شوكلي Shockley، براتين Brattain وباردين Bardeen، وقد حصل كل منهم على جائزة نوبل عام 1956 لذلك الاختراع. وبقي
الأمر كما هو من بحث وتطوير حتى العام 1958 باختراع أول دارة متكاملة Integrated Circuit، ويليها بأربع سنوات أي
في العام 1962 تم اختراع أول ثنائي باعث للضوء أي الليد LED. كل من ذلك التقدم تم
بالاعتماد على فهم المواد شبه الموصلة وطرق عملها عند وجود أو غياب التيار
الكهربائي، والذي يزود تلك الذرات بالإلكترونات التي تعدل في سلوكها التوصيلي أي
الموصلية.
دور أشباه الموصلات في عالم الالكترونيات
أحدث
استخدام المواد شبه الموصلة ثورة في عالم الالكترونيات والتكنولوجيا التي تعتمد
عليها، حيث استخدمت هذه المواد في تصنيع العناصر الأساسية في الدارات الالكترونية
كالثنائيات والترانزستورات والتي حلت محل الصمامات المفرغة وتفوقت عليها في الكثير
من الخصائص العملية، وفيما بعد أصبحت هذه المواد هي الأساس لتصنيع الدارات
المتكاملة والمعالجات الميكروية أي Microprocessors والخلايا الشمسية وغيرها. ومن هنا لعبت الالكترونيات دوراً مهما في التقدم
التكنولوجي في مجالات عدة، أبرزها: صناعة الحاسوب، الاتصالات بشقيها السلكي
واللاسلكي، أنظمة التحكم الالكترونية عن قرب وعن بعد، حيث كان اختراع الترانزستور
في عام 1948، والاستفادة من أشباه الموصلات هي الركيزة الأساسية في تطور هذه
المجلات أجمع. لذلك سوف نتطرق الى شرح كل من؛ ما هي المواد شبه الموصلة؟ وما هي
الخصائص الفيزيائية لها؟ وما الفرق بينها وبين المواد الصلبة الأخرى الموصلة وغير
الموصلة؟
موصلية المواد للتيار الكهربائي
تقسم المواد
من حيث مقدرتها على توصيل التيار الكهربائي الى ثلاثة أنواع، تبعاً لمقاومتها
النوعية.
أنواع المواد بحسب موصليتها للتيار الكهربائي
1- مواد
موصلة، مثل: الذهب، والفضة، والنحاس، الحديد، .........
2- مواد عازلة،
مثل: الخشب، والمطاط، البلاستيك، .........
3- مواد شبه
موصلة، مثل: الجرمانيوم Ge، والسيليكون Si.
الجدول الآتي
يظهر المقاومة النوعية لبعض المواد على درجة حرارة الغرفة (20 سلسيوس)
مبدأ عمل المواد شبه الموصلة Semiconductors
تمتلك المواد
شبه الموصلة أي أشباه الموصلات تركيبات الكترونية تمكننا من التحكم في درجة
توصيلها للتيار الكهربائي، وإتجاه هذا التوصيل، وقد استغلت هذه الخصائص في تصنيع
قطع الكترونية حلت محل الصمامات المفرغة (Vacuum Tubes) بسبب صغر حجمها، وكفاءتها العالية، وانخفاض
كلفة تصنيعها، وقلة استخدام الطاقة، والسرعة في الأداء، مما أتاح تصنيع أجهزة
جديدة كالراديو النقال، والهاتف الخليوي، والكاميرات المحمولة، وتطور صناعة
الحاسوب وغيرها من الصناعات الالكترونية الدقيقة.
بالنظر الى
الجدول الدوري، تجد أن العنصرين: السيليكون (Si) والجرمانيوم (Ge)، يقعان في المجموعة الرابعة، وهما الأكثر
استخداماً في المواد شبه الموصلة.
ترتبط ذرات
هذه العناصر بروابط تشاركية، بحيث ترتبط كل ذرة بأربع ذرات مجاورة لها، حتى تكمل
عدد الالكترونات مستواها الاخير الى ثمانية، مكونة شبكة من الذرات تعرف بالبلورة.
تطعيم
المواد Doping
إذا تمعنت في
الجدول الدوري للعناصر الكيميائية، تلاحظ أن موصلية عنصر السيليكون Si أو عنصر الجرمانيوم Ge النقي أقرب الى العازل. لذلك، لقد عمل
العلماء على زيادة موصلية هذه المواد باضافة كميات معينة من مواد أخرى.
في حال إضافة
عنصر من عناصر المجموعة الثالثة الى بلورتي السيليكون والجرمانيوم ينتج شريحة
موجبة (p-type). وإضافة عنصر من عناصر
المجموعة الخامسة الى بلورتي السيليكون والجرمانيوم، ينتج شريحة سالبة (n-type)، والشكل التالي يوضح ذلك المبدأ والذي يسمى
عملية تطعيم المواد
إن صناعة
الشرائح الناتجة من تطعيم أشباه الموصلات بحاجة الى تنقية عالية جداً للتحكم في
نسبة التطعيم. لذلك، إن إنتاج هذه الشرائح تعد العملية الأولى في تصنيع القطع
الالكترونية كالثنائيات والترانزستورات، وحتى الدارات المتكاملة وغيرها من العناصر
الالكترونية ذات صلة.
أسئلة شائعة عن أشباه الموصلات المستخدمة في علم الالكترونيات
من هو مخترع أول صمام مفرغ؟
تم اختراع
اول صمام مفرغ من قبل العالم الانجليزي جون فلمنغ.
متى تم اختراع أول ترانزستور؟
تم اختراع
أول ترانزستور من قبل العلماء شوكلي، براتين، باردين، وقد حصلوا على جائزة نوبل
عام 1956.
هل هنالك بدائل لأشباه الموصلات غير السيليكون والجرمانيوم؟
نعم، يتم
العمل في الوقت الحاضر على استبدال السيليكون والجرمانيوم بعنصر الكربون.
ما عدد الالكترونات الحرة في واحد سم مكعب من السيليكون النقي (غير المطعم)؟
يحتوي كل 1 سم
مكعب من السيليكون النقي على 10^10 الكترون حر.
ما عدد الالكترونات الحرة في واحد سم مكعب من السيليكون المطعم (أي غير النقي)؟
يحتوي كل 1
سم مكعب من السيليكون المطعم على 10^15 الكترون حر.
ما هي المواد التي تضاف لتكوين شرائح موجبة أو شرائح سالبة عند تطعيم المواد؟
عند إضافة
عنصر من عناصر المجموعة الثالثة مثل عنصر الألمنيوم Al الى بلورتي السيليكون والجرمانيوم ينتج
شريحة موجبة (p-type). وعند اضافة عنصر من عناصر
المجموعة الخامسة مثل عنصر الزرنيخ As
الى بلورتي السيليكون والجرمانيوم، ينتج شريحة سالبة (n-type).
ماذا يطلق على مجموعة المركبات المطعمة مثل الزرنيخ والألمنيوم؟
يطلق على مجموعة الشرائح المطعمة بشقيها الموجب والسالب
العبارة "الشبكة البلورية".