مثال على مواد أشباه الموصلات

وفقًا لقدرتها على توصيل التيار الكهربائي ، يتم تقسيم المواد إلى ثلاث فئات: الموصلات والعوازل وأشباه الموصلات. وأبرز الأمثلة على الموصلات هي المعادن ، مثل النحاس ، وألومنيوم Al ، والفضة Ag ؛ والعوازل البوليمرات والزجاج. سيتم مناقشة الفصل الثالث بعد ذلك: أشباه الموصلات.

تعتبر الخواص الكهربائية لأشباه الموصلات من بين خصائص العوازل والموصلات.يعد السيليكون Si و Germanium Ge من الأمثلة المعروفة لأشباه الموصلات التي تستخدم بشكل متكرر في تصنيع مجموعة متنوعة من الأجهزة الإلكترونية.. يمكن تغيير الخصائص الكهربائية لأشباه الموصلات بعدة أوامر من حيث الحجم ، مع إضافة كميات مضبوطة من الذرات الأجنبية إلى المواد.

تعمل أشباه الموصلات كعوازل عند درجات حرارة منخفضة ، ولكن إذا زاد هذا ، فإنها تتصرف كموصلات. ترجع ازدواجية الموصلية هذه إلى حقيقة أن إلكترونات التكافؤ للمادة مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بنواة كل منها. ذريًا ، ولكن ليس كافيًا ، بحيث سيسمح ارتفاع درجة الحرارة لهم بمغادرة الذرة لتدور عبر الشبكة الذرية لـ مواد. بمجرد أن يترك الإلكترون الذرة ، فإنه يترك فجوة في مكانها يمكن ملؤها بواسطة إلكترون آخر يدور في الشبكة.

هذه هي حالة العناصر الكيميائية المذكورة سابقًا ، Silicon Si و Germanium Ge ، والتي تحتوي على أربعة إلكترونات تكافؤ في مستواها الأخير. وتجدر الإشارة إلى أنه لإضافة الطاقة إلى مادة أشباه الموصلات ، بالإضافة إلى نقل الحرارة ، يمكن تطبيق الضوء.

لفهم سلوك مواد أشباه الموصلات بشكل أفضل ، سيتم استخدام نظرية العصابات.

نظرية الفرقة

 مفهوم فرقة فالنسيا ، وهي الطاقة المتراكمة التي تمتلكها إلكترونات التكافؤ.

بالإضافة إلى ذلك ، تتناول هذه النظرية تعريف فرقة التوصيل ، هي الطاقة التي يجب أن تسحبها الإلكترونات من ذراتها معًا. يمكن للإلكترونات الموجودة في نطاق التوصيل الدوران عبر المادة إذا كان هناك جهد كهربائي يقودها بين نقطتين.

استنادًا إلى النطاقين ، ستتم دراسة حالات الموصل والعازل وأشباه الموصلات للحصول على منظور للأخير.

بالنسبة للموصل ، تكون طاقة نطاق فالنسيا أكبر من طاقة إلكترونات نطاق التوصيل. بهذه الطريقة تتداخل العصابات ويتم وضع العديد من إلكترونات فالنسيا على التوصيل بسهولة كبيرة ، وبالتالي ، مع خيار التدوير في المنتصف.

بالنسبة للعازل ، من ناحية أخرى ، فإن طاقة نطاق التوصيل أكبر بكثير من طاقة نطاق فالنسيا. هنا توجد فجوة بين نطاق فالنسيا ونطاق التوصيل ، بحيث لا تتمكن إلكترونات فالنسيا من الوصول إلى نطاق التوصيل الذي سيكون فارغًا. هذا هو السبب في أن العازل لا يعمل. فقط في درجات حرارة عالية يمكن أن تكون هذه المواد موصلة للكهرباء.

في حالة أشباه الموصلات ، لا يزال نطاق التوصيل أكبر من نطاق فالنسيا ، لكن الفجوة بين الاثنين أصغر بكثير ، بحيث مع زيادة نشطة ، تقفز إلكترونات فالنسيا إلى نطاق التوصيل ويمكنها الدوران عبر الوسط. عندما يقفز إلكترون من نطاق فالنسيا إلى نطاق التوصيل ، فإنه يترك بيضة في نطاق فالنسيا ، والذي يعتبر أيضًا ناقلًا للتيار الكهربائي.

في أشباه الموصلات ، يتم تمييز نوعين من ناقلات التيار الكهربائي: الإلكترونات سالبة الشحنة ، والثقوب موجبة الشحنة.

أنواع أشباه الموصلات 

هناك نوعان من أشباه الموصلات حسب نقاوتها. تُعرف مواد أشباه الموصلات في حالتها النقية باسم أشباه الموصلات الجوهرية ؛ وهناك أشباه موصلات خارجية نقية ولكنها ملوثة بالشوائب بنسب دقيقة ، مثل جزيء واحد من كل مليون.

تسمى عملية التلوث هذه بالمنشطات ، والتي بدورها تتجلى في نوعين.

النوع الأول من المنشطات هو النوع N.، بحيث المادة ملوثة بـ 5 ذرات تكافؤ، مثل Phosphorus P أو Arsenic As أو Antimony Sb. عن طريق إشراك إلكترون التكافؤ الخامس في بنية الذرات الرباعية التكافؤ ، تضطر للتجول عبر مادة أشباه الموصلات ، دون العثور على موقع ثابت حيث توضع. تسمى مجموعة هذه الإلكترونات الضالة بإلكترونات الأغلبية.

النوع الثاني من المنشطات هو النوع P.، بحيث تلوثت مادة أشباه الموصلات بذرات التكافؤ 3، مثل Boron B أو Gallium Ga أو Indium In. إذا تم إدخال هذه الذرة في المادة ، يبقى ثقب حيث يجب أن يذهب الإلكترون. يتحرك الثقب بسهولة عبر بنية المادة ، كما لو كانت حاملة لشحنة موجبة. في هذه الحالة ، فإن الثقوب هي ناقلات الأغلبية.

تطبيق أشباه الموصلات: الصمام الثنائي

الصمام الثنائي هو مكون إلكتروني يتكون من اتحاد بلوريتين من أشباه الموصلات الخارجية ، أحدهما من النوع N والآخر من النوع P. عند الانضمام معًا ، ينتقل جزء من الإلكترونات الزائدة من النوع N إلى البلورة من النوع P ، ويمر جزء من الثقوب من النوع P إلى البلورة من النوع N. يتم إنشاء شريط يسمى منطقة الانتقال عند التقاطع ، والذي يحتوي على مجال كهربائي يتصرف مثل a حاجز يعارض مرور المزيد من الإلكترونات من المنطقة N إلى المنطقة P والثقوب من المنطقة P إلى المنطقة ن.

عند توصيل الصمام الثنائي بالبطارية ، تحدث حالتان مختلفتان: التحيز الأمامي والتحيز العكسي.

في الاستقطاب المباشر ، يتم توصيل القطب الموجب بالبلورة P والقطب السالب بالبلورة N. هذا يجعل المنطقة الانتقالية أضيق كثيرًا ، ويكسر الحاجز ويسمح بالمرور الحر للتيار. في هذه الحالة ، يكون الصمام الثنائي موصلًا.

في الاستقطاب العكسي ، يتصل القطب الموجب بالكريستال N والقطب السالب بلورة P. هذا يجعل منطقة الانتقال أوسع بكثير ، مما يعزز الحاجز الذي يمنع مرور التيار. في هذه الحالة ، يكون الصمام الثنائي هو عازل.

تطبيقات الصمام الثنائي متعددة. ومع ذلك ، فإن التطبيق الأكثر شيوعًا هو التطبيق الذي يستخدمه كمقوم. المعدل هو نظام قادر على تحويل إشارة إدخال متناوبة جيبية إلى أخرى لها نفس المعنى ، لتحويل التيار المتردد لاحقًا إلى تيار مباشر. قبل تصحيح التيار ، يتم استخدام محول يقلل من قيمة الجهد.

أمثلة على مواد أشباه الموصلات

حسب المجموعة التي يتواجدون فيها في الجدول الدوري ، هذه بعض الأمثلة على عناصر أشباه الموصلات:

المجموعة الثانية: البورون ب ، الألمنيوم ، الغاليوم ، إنديوم إن.

ضريبة القيمة المضافة للمجموعة: Silicon Si، Germanium Ge.

المجموعة الخامسة: الفوسفور P ، الزرنيخ ، الأنتيمون Sb.

المجموعة الخامسة: الكبريت ، السيلينيوم ، التيلوريوم تي.