فيزاء الالكترونيات 5 و6

أشباه الموصلات : SEMICONDUCTORS
تعرف اشباه الموصلات بانها مواد عازلة عند درجات الحرارة المنخفضة ولكنها تمتلك قدراً معيناً من التوصيلية الكهربائية عند ارتفاع حرارتها .
يمكن تقسيم المواد الصلبة الى ثلاث اصناف عازلة وشبه موصلة وموصلة ويبين الشكل (1) التوصيلية الكهربائية conductivitiey ? والمقاومة النوعية لعدد من المواد ذات أهمية والواقعية ضمن هذة الأصناف ونلاحظ ان للمواد العازلة كالزجاج والكوارتز (Quartz) توصيلية واطئة جداً في حدود cm/S(10-6-10-8 ) في حين نجدها في المعادن كالالمنيوم والفضه عالية جداً وعادة في حدود cm/S (106-104 ( وإما المواد شبه الموصلة فتقع بين هذين النظامين .
تتأثر توصيلية شبه الموصل بالحرارة والضوء والمجال المغناطيسي وتؤثر فيها وجود كميات ضئيلة من الذرات الشائبة وان حساسية شبه الموصل تجاه هذه العوامل تجعل منه مادة بالغة الاهمية في التطبيقات الالكتروني .
كان استخدام شبه الموصل قبل ظهور الترانستور في( 1946 ) يقتصرعلى صناعة النبائط ذات الطرفين Two-terminal devices كالمقوماتrectifiers والثنائيات الضوئية photodiodes وكان والجرمانيوم في اوائل الخمسينات المادة شبه الموصله الرئيسيه المستخدمة الا ان عدم صلاحياتها ثبت في الكثير من التطبيقات أذ ان النبائط المصنعة منها عانت من تيار تسرب عال عند درجات حرارة ليست عاليه كثيراً . وقد استخدم السليكون منذ بداية الستينات بديلاً عن الجرمانيوم وكاد ان يطغي عليها كلياً بوصفه مادة رئيسية في صناعة شبه الموصلات، ومن الاسباب الرئسية التي جعلت السليكون المادة المستخدمة في النبائط هي الضألة المتناهية لتيار التسرب فيها وسهولة اكسدتها لتكوين ثاني اوكسيد السليكون عالي الجودة عن طريق الانماء الحراري وفضلاً عن ذلك فأن السليكون في الوقت الحاضر هو ارخص المواد الشبه موصلة الداخلة في النبائط مقارنة بالمواد شبه الموصلة الاخرى .
تعتمد موصلية أي مادة على عدة الالكترونات الموجودة لكل وحدة حجم من المادة وتزيد الموصلية بزيادة هذا العدد .











الشكل 1 : التوصيلة الكهربائية للمواد الصلبة .

الخواص العامة للمواد شبه الموصلة
(1 تمتلك مقاومة ذات معامل حراري سالب.
(2تكون قيمة مقاومتهاالنوعية بين (104 -10-5 ) أوم – متر) .
3) إن القدرة الكهربائية الحرارية التي يمكن أن تولدها هذه المواد عالية جدا.
4) تمتلك المواد شبه الموصلة على نوعين من حاملات الشحنة وهما الفجوات و الألكترونات.
5) يمكن السيطرة على مقاومة(والتوصيلية ) وذلك بإضافة شوائب ثلاثية التكافؤ أو خماسية التكافؤ .حيث تعد الخواص الكهربائية لأشباه الموصلات مهمة لأنها أساسية في تشغيل الترانزستور و الدوائر المتكاملة و أجهزة أخرى ، و أشباه الموصلات هي مواد مقاومتها عبارة عن حد وسط بين المعادن الموصلة و العوازل ، مثال على ذلك النحاس له مقاومية بحدود (10-6) ??cm و مقاومية المايكا و التي هي عبارة عن عازل ممتاز هي بحدود (1016) ??cm و الجرمانيوم الذي يكون شبه موصل جيد له مقاومية تقريبا ??cm 50 عند درجة حرارة الغرفة.
لأجهزة أشباه الموصلات تأريخا مهما ، فقد استخدمت في الأتصالات الراديوية قبل نشوء الصمام المفرغ الذي أستعيض عنها وعندما أصبح تردد التشغيل عاليا فإن زمن ألأنتقال للصمام المفرغ بدأ بتوليد مشكلات مهمة و سبب أفضلية أشباه الموصلات الثنائية عند الترددات العالية عندئذ بدأت تحل محل الصمامات المفرغة بالضبط لنفس التطبيقات التي سبق وأن أبطلت هذا الأنتعاش في الألكترونيات إلى نمو الكثير من الأجهزة و التي حلت محل الصمامات المفرغة في معظم التطبيقات .
نظرية حزم الطاقة للمواد الصلبة ومفهوم فجوة الطاقة المحظورة Eg

ان المواد الصلبة يمكن ان تصنف الى ثلاثة اصناف وهي مواد موصلة ومواد عازلة ومواد شبه موصلة ، لقد اعتمد التصنيف على اساس تركيب الحزم (Band ) للمادة وعلى مقدار فجوة الطاقة التي تفصل حزمة التوصيل (conduction) عن حزمة التكافؤ (valance ) .
تعد اشباه الموصلات بانها مواد عازله عند درجات الحرارة المنخفضة لكنها تصبح جيدة التوصيل الكهربائي نوعاً ماعند رفع درجة حرارتها، فاذا كانت حزمة التكافؤ مملوءة تماماً بالالكترونات ولكي يتمكن الالكترون من عبور فجوة الطاقة الصغيرة نسبياً للوصول الى حزمة التوصيل فانه يحتاج طاقه حرارية KB T وهكذا تلعب الطاقة الحرارية دورا ًمهماً في مساعدة الالكترونات على عبور فجوة الطاقة .
ان التوصيل الكهربائي يتطلب انتقال الالكترون من حزمة التكافؤ المملوءة بالالكترونات الى حزمة التوصيل الفارغة من الالكترونات عبر الفجوة المحظورة بينهما اي انه يجب على الالكترون ان يكتسب طاقة لكي يتمكن من الانتقال ومن حزمة الى حزمة ويطلق على هذه الطاقه (Eg) بفجوة الطاقة اما بالنسبة الى المواد شبه الموصلة فان الفرق الاساس بينهما وبين المواد العازلة يمكن في قيمة فجوة الطاقة التي تكون اقل بكثير من قيمة فجوة الطاقة في المواد العازلة .

وكما موضح في الشكل (2) ان التوصيل الكهربائي في المواد العازله قليل جداً وذلك لكون فجوة الطاقة كبيرة مما تجعل عدد الالكترونات المنقولة الى حزمة التوصيل قليلة في درجات الحرارة الاعتيادية او حتى في درجات الحرارة العالية ان قيمة فجوة الطاقة في الكثير من المواد العازلة تتراوح بين 3- 10 الكترون فولت اما التوصيل الكهربائي في المواد شبه الموصلة فتكون معتدلة نوعاً ما عند درجة الحرارة العالية.











اما عند درجات الحرارة الواطئة فيكون التوصيل الكهربائي قليل جداً وذلك لان حزمة التوصيل تكون فارغة عند درجة حرارة الصفر المطلق وكلما ارتفعت درجات الحرارة ينتقل عدد كبير من الالكترونات الى حزمة التوصيل وترفع قيمة التوصيل الكهربائي الى حد كبير.
اشباه الموصلات النقية وغير النقية
اشباه الموصلات النقية :
تدعى اشباه الموصلات النقية الخالية من الشوائب باشباه الموصلات الذاتية حيث ان حزمة التكافؤ تكون مملوءة كلياً بالالكترونات بينما تكون حزمة التوصيل فارغة من الالكترونات عند درجات حرارة واطئة. يوضح الشكل ( 4) تخطيطاً لحزمة التكافؤ المملوء وحزمة التوصيل الفارغ وفجوة الطاقة Eg لشبه موصل ذاتي. فاذا رفعت درجة حرارة المادة شبه موصلة الى درجات حرارة عالية نوعاً ما فان عدد اً معيناً من الالكترونات الموجودة في حزمة التكافؤ يمكن ان تثار حرارياً وتنتقل الى حزمة التوصيل تاركين مكانهم فجوات ،ان الالكترونات تصل حزمة التوصيل ستملأ هذة الحزمة جزئياً وستكون جاهزة للتوصيل الكهربائي عند تسليط مجال الكهربائي اما بالنسبة الى الفجوات المتكونة في حزمة التكافؤ فانه تحمل شحنة موجبة لانها ناجمة عن فقدان الالكترون. ان وجود هذة الفجوات يسهل للالكترون التحرك لشغلها تاركاً فجوة اخرى في مكانها الاصلي وهكذا تسري الالكترونات متتابعة لتحتل الفجوات وفي كل مرة تترك فجوة اخرى جديدة وهكذا نرى ان للفجوات حركة عشوائية وفي اتجاهات الى الحركة بتجاه المجال وبعكس اتجاه الالكترونات الحرة وذلك بسبب اختلاف الشحنة لكل منهما .





يعد الجرمانيوم والسليكون من اهم انواع اشباه الموصلات التي تستخدم في الاجهزة الالكترونية ان السليكون والجرمانيوم عنصران من عناصر المجموعة الرابعة من الجدول الدوري وان الغلاف الخارجي في كل منهما يحتاج الى اربعة الكترونات لكي يمتلئ والتركيب الالكتروني للغلاف الخارجي للسليكون هو 3s2 3p2 ) )، اي ان الغلاف الثانوي (3p) يحتاج الى اربعة الكترونات لكي يمتلأ فتصبح ( 3p6) ان الاواصر التي تربط ذرات السليكون في بلورة السليكون هي اواصر تساهمية حيث ان كل ذرة سليكون تكون محاطة باربعة ذرات وتشارك الاربعة هذة في ملئ الغلاف الخارجي للذرة الوسطية وذلك بمساهمة الالكترون من كل واحد منه كما يبدو في الشكل (5) فعند درجات الحرارة المنخفضة يعتبر السليكون عازلاً بالرغم من تكافؤه الرباعي .





الشكل 5 : التركيب الذري للسليكون والجرمانيوم .



التوصيلية الذاتية لأشباه الموصلات النقية
تكمن أهمية الفجوة في أنه يمكن اعتبارها ناقلة للتيار الكهربائي مثل الإلكترون ،لإيضاح ذلك .فإننا نتخيل ما يحدث وهو أن إلكترونا في ذرة مجاورة يمكن أن يتحرك ليملأ تلك الفجوة مخلفا وراءه فجوة أخرى ليتحرك إلكترون في ذرة مجاورة أخرى أيضا لملأ تلك الفجوة .





وهكذا يمكننا أن نعتبر نظريا أن الفجوة تتحرك بعكس اتجاه حركة الإلكترون ، وعلى ذلك يمكن اعتبار الفجوة تمثل شحنة موجبة مقدارها يساوي مقدار شحنة الإلكترون وتتحرك في اتجاه معاكس لحركة الإلكترون.عند الصفر المطلق 0 ?K ,تكون الالكترونات في اوطأ مستوى من الطاقة وعليه تكون الاواصر التساهمية ممتلئة وعندما يؤثر مجال كهربائي خارجي صغير فان الالكترونات لن تتحرك ولذلك فان السليكون (شبه الموصل ) يعتبر عازلا. وبارتفاع درجة الحرارة فان هذة الطاقة الحرارية تكفي لتحطيم الاصرة التساهمية باطلاق احد الالكترونات الاصرة التساهمية من مكانة تاركاً فجوة hole .وعند تسليط مجال كهربائي خارجي فان الطاقة المكتسبة سوف تضاف الى طاقتها الحرارية وبذلك تعمل على تعجيلها واكسابها سرعة تصل بعد فترة الى قيمة ثابتة تدعى بسرعة الانجراف ( الانسياق ) drift
velocity حيث ان :
Vh = µh E , Ve = µe E …………………………1
µh : القابلية الحركية للفجوات , µe : القابلية الحركية للالكترونات بوحدات m2/v sec
ومن المعلوم ان :
?Q =??V
حيث ? الكثافة الحجمية للشحنة و ?V عنصرا حجميا .
J=(ne?e +pe?h )E
? =(ne?e +pe?h ) …………1 (H.W)


في اشباه الموصلات النقية تكون كثافة الالكترونات n في حزمة التوصيل مساويا لكثافة الفجوات p في حزمة التكافؤ , أي ان :
n= p = n i

حيث يشير الحرف i الى شبه موصل نقي intrinsic , وعليه تكتب االمعادلة 1 كالاتي :
? =ni e(?e +??h )









تاثير درجة الحرارة على فجوة الطاقة المحظورة Eg لاشباه الموصلات