انواع اشباه الموصلات

تعتبر الشبه الموصلات أحد فئات المواد الصلبة المبلورة التي تعمل كوسيط للتوصيل الكهربائي بين الموصل والعازل. تستخدم الشبه الموصلات في تصنيع مجموعة متنوعة من الأجهزة الإلكترونية، بما في ذلك الثنائيات والترانزيستورات والدوائر المتكاملة.

مواد أشباه الموصلات

في أوائل القرن التاسع عشر بدأت دراسة مواد أشباه الموصلات، وكانت المواد الأولية لهذه المواد هي تلك المكونة من أنواع مفردة من الذرات مثل السيليكون (Si) والجرمانيوم (Ge) والقصدير (Sn) في العمود الرابع من الجدول الدوري، والسيلينيوم (Se) والتيلوريوم (Te) في العمود السادس.

رغم ذلك، هناك العديد من المركبات شبه الموصلة التي تتألف من عنصرين أو أكثر، مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs) الذي يحتوي على المركب الثنائي-V ثلاثي الأبعاد، وهو مزيج من الغاليوم (Ga) من العمود III والزرنيخ (As) من العمود V.

يمكن تكوين المركبات الثلاثية من خلال عناصر من ثلاثة أعمدة مختلفة ، على سبيل المثال ، مركب الزئبق إنديوم تيلورايد (HgIn2Te4) ، المركب الثنائي- الثلاثي-السادس، ويمكن أيضًا تشكيلها من خلال عناصر من عمودين مثل مركب زرنيخيد غاليوم الألومنيوم (AlxGa1-xAs) ، وهو مركب ثلاثي-ثلاثي .

تُعَدُّ المركبات الثنائية والثلاثية الأكثر أهمية في إنبعاث الضوء، ويعتبر السيليكون النقي أهم المواد المستخدمة في تطبيقات الدوائر المتكاملة .

الأنواع الرئيسية لأشباه الموصلات

أشباه الموصلات الجوهرية

أشباه الموصلات الجوهرية أو الداخلية هي تلك التي تتألف من مادة أشباه الموصلات النقية للغاية، ويمكن تعريف أشباه الموصلات الداخلية بأنها تلك التي يكون عدد الثقوب في التوصيل متساويًا لعدد الإلكترونات .

تعتبر فجوة الطاقة المحظورة في حالة أشباه الموصلات الجوهرية دقيقة للغاية، وحتى الطاقة المتاحة عند درجة حرارة الغرفة كافية للسماح للإلكترونات التكافؤ بالقفز عبرها إلى نطاق التوصيل .

ميزة أخرى لأشباه الموصلات الداخلية هي أن مستوى فيرمي من هذه المواد يقع في مكان ما بين شريط التكافؤ وشريط التوصيل، إذا لم تكن على دراية بمصطلح مستوى فيرمي ، فإنه يشير إلى ذلك المستوى من الطاقة حيث يكون احتمال العثور على إلكترون 0.5 أو نصف (تذكر أن الاحتمال يقاس على مقياس من 0 إلى 1).

أشباه الموصلات الخارجية

تحدث ضعف الحالة النقية لمواد أشباه الموصلات الخارجية عن طريق إضافة كميات صغيرة جدا من الشوائب. بشكل أكثر تحديدا، تعرف الشوائب بأنها المنشطات أو عوامل المنشطات. يجب عدم نسيان أن إضافة مثل هذه الشوائب ضئيلة جدا وقد يكون تركيز المنشطات النموذجية حوالي جزء واحد في مليون جزء، أو بنسبة تعادل 0.01 جزء في المليون .

تتم اختيار المواد المستخدمة في المنشطات بطريقة محددة حيث تحتوي إما على خمسة إلكترونات في نطاق التكافؤ أو ثلاثة إلكترونات فقط في نطاق التكافف، وتنتج هذه المواد نوعين من أشباه الموصلات الخارجية وهما أشباه الموصلات من النوع P و N وفقًا لنوع المنشطات .

الشبه الموصل السالب أو النوع n هو شبه موصل ذاتي يحتوي على تركيز عال من الإلكترونات بشكل أكبر من تركيز الفجوات، ويسمى النوع n بسبب كثرة الشحنات الكهربائية السالبة أو الإلكترونات.

يختلف شبه الموصل الموجب أو المسمى بـ P عن شبه الموصل n في تركيز الفجوات الأعلى بالمقارنة مع تركيز الإلكترونات. ويسمى الموصل من النوع P لوجود الشحنات الموجبة، وهي شحنة الفجوات.

استخدامات أشباه الموصلات

قبل اختراع الترانزستور ذو القطبين في عام 1947، كانت أشباه الموصلات تستخدم فقط كأجهزة ثنائية القطب، مثل المقومات والديودات الضوئية. وفي أوائل الخمسينات، كان الجرمانيوم المادة الأساسية لأشباه الموصلات، ومع ذلك، تبين أنه غير مناسب للعديد من التطبيقات؛ بسبب تسرب التيار العالي الناتج عن الأجهزة المصنوعة منه في درجات حرارة مرتفعة.

منذ أوائل الستينيات من القرن الماضي، أصبح السيليكون واحدا من أنواع الموصلات الشبه موصلة المستخدمة على نطاق واسع، حيث استبدل فعليا الجرمانيوم كمادة لصناعة الأجهزة، والأسباب الرئيسية لذلك هي: تظهر أجهزة السيليكون تسربا أقل بكثير للتيارات، بالإضافة إلى أن ثاني أكسيد السيليكون (SiO2)، الذي يعتبر عازلا ذو جودة عالية، سهل الدمج كجزء من جهاز يعتمد على السيليكون.

وبهذه الطريقة، أصبحت تقنية السيليكون متطورة ومنتشرة للغاية، حيث تشكل أجهزة السيليكون أكثر من 95 في المائة من جميع منتجات أشباه الموصلات التي تباع في جميع أنحاء العالم .

توجد العديد من أنواع المواد المركبة للموصلات لديها خصائص كهربائية وبصرية محددة والتي تتفوق على مواد السيليكون المماثلة، وتستخدم هذه المواد المركبة للموصلات، خاصة زرنيخيد الغاليوم، بشكل أساسي في تطبيقات موجات الراديو البصرية والترددات اللاسلكية .