أشباه الموصلات

أشباه الموصلات

أنواع المواد من حيث التوصيل الكهربى

1- موصلات : المواد التى توصل الكهرباء والحرارة بسهولة مثل : المعادن

2- عوازل:المواد التى لا توصل الكهرباء والحرارة بسهولة مثل الخشب والبلاستيك ذرة السيليكون

3- شبه موصل مرحلة متوسطة بين الموصلات والعوازل وهى تتميز بان التوصيلية الكهربية لها تزداد بارتفاع درجة الحرارة مثل الجرمانيوم والسيليكون(المكون الأساسى للرمل)

البلوره : ترتيب هندسى منتظم للذرات فى الحالة الجامدة

ذرة السيليكون عددها الذرى 14 فهى تتكون من تنواه موجبه شحنتها (e14+) والكترونات سالبه(e14-) وهى رباعية التكافؤ ويمكن تمثيلها بقلب موجب الشحنه شحنته موجبه e4+ يحيط به أربعة الكترونات فى المستوى الاخير  شحنتهم e4-

وبلورة السيليكون النقيه تتكون من ذرات سليكون مرتبطه بروابط تساهميه كل ذره تربط بأربع روابط مع 4 ذرات المجاورة لها فيحتوى الغلاف الخارجى لكل ذرة على ثمانية الكترونات فتصل لحالة الاستقرار

فى درجات الحراره المنخفضه

التى تقترب من الصفر المطلق( 0⁰K =-273⁰C)يكون جميع الروابط سليمة فلا توجد اى الكترونات حرة ولا فجوات وتكون بلورة شبة الموصل عازله تماما

كيف يمكن زيادة التوصيليه الكهربيه لشبه الموصل ؟
عن طريق:

1- رفع درجة الحراره                                        2- التطعيم        

أ- رفع درجة الحراره  حيث :

1- بارتفاع درجة الحرارة تنكسر بعض الروابط ليتحرر منها بعض الالكترونات ويترك مكانه أماكن فارغه تسمى الفجوات الموجبة

2- بإرتفاع درجة الحرارة تزداد عدد الالكترنات الحرة والفجوات الموجبة فتزداد التوصيلية الكهربية

4- تتحرك الالكترونات عكس اتجاه حركة الفجوات(حركه عشوائيه)

5- بعد فترة تصل البلورة لحالة الاتزان الديناميكى الحرارى ويثبت عدد الالكترونات والفجوات لكل درجة حراره

6- الطاقه اللازمه لكسر الرابطه ( حراره أو ضوء) = الطاقه الناتجه من إلتئامها( حراره أو ضوء)

الفجوة
هى مكان فارغ(شحنتة موجبة)يتركه الالكترون فى رابطة مكسورة فى بللورة شبه الموصل

شبه الموصل النقى
شبة موصل يكون فيه تركيز الالكترونات الحرةn  = تركيز الفجواتp  عند اى درجة حرارة   

الاتزان الديناميكى (الاتزان الحرارى ):  هى

الحالة التى يكون فيها عدد الروابط المكسورة فى الثانية يساوى عدد الروابط المتكونة فى الثانية فى بللورة شبه الموصل ليبقى عدد الالكترونات الحرة والفجوات ثابتا لكل درجة حرارة معينة

لاحظ أنه
فى حالة الاتزان الحرارى يستمر كسر الروابط (ولكن بأعداد أقل)حيث يتساوى عدد الروابط المكسوره مع الملتئمه فيحدث ثبات لاعداد حاملات الشحنه(الالكترونات والفجوات)

أنواع الالكترونات  داخل بلورة شبه الموصل

1- داخليه : ترتبط بشدة بالنواة نتيجة قوة الجذب بينهم

2- التكافؤ : تتحرك بحرية اكثر خلال المسافات البينية

3- حره :تتحرك حركة عشوائية محدودة بحيز اكبر هو البللورة وتحتاج الى قدر أصغر من الطاقه حتى تتحرر من البلوره .

علل1- لايعتبر كسر الرابطه فى شبه الموصل تأين ؟ 
لان الفجوة الناتجة سرعان ما تقتنص الكترون حر من احدى الروابط او من الالكترونات الحرة فتعود الذرة متعادلة وتنتقل الفجوة الى رابطة اخرى

2- عند الصفر المطلق تكون بلورة شبه الموصل النقى عازله تماما؟
لان عند درجات الحرارة المنخفضة جدا تكون الروابط بين الذرات  فى البللورة سليمة ولا توجد فى هذه الحاله الكترونات حرة ولا فجوات موجبه

3- لايفضل تسخين شبه الموصل النقى لزيادة توصيليته الكهربيه؟
لان ارتفاع درجة الحرارة يسبب كسر بعض الروابط فى شبه الموصل وقد يؤدى ذلك لتدمير البلوره اذا زاد عن حد معين

4-الفجوات موجبة الشحنه؟
لان الذرة متعادله كهربيا فعندما يتحرر الكترون يترك مكانه شحنه موجبه

الطريقه الثانيه لزيادة التوصيليه الكهربيه لشبه الموصل وهى التطعيم

ب-_التطعيم وهو : 

اضافة شوائب (ذرات)من عنصر خماسى او ثلاثى التكافؤ الى بللورة شبة موصل نقية لعنصر رباعى بهدف زيادة تركيز الالكترونات الحرة او الفجوات بها

الذرة الشائبة  هي الذرة التي يطعم بها شبه الموصل النقي لزيادة التوصيلية الكهربية وهي إما ان تكون خماسية التكافؤ(مانحة)أو ثلاثية التكافؤ(مستقبلة)

البلوره من النوع السالب   n-type

عند تطعيم بلورة شبه الموصل بعنصر خماسى مثل الزرنيخ As أو الفسفورP  أو الانتيمونSb حيث تشارك ذرة الشائبه بـ 4 الكترونات ويتبقى الكترون ضعيف الارتباط بها فتفقده ويصبح هذا الالكترون حر فيضاف الى رصيد الالكترونات الحره الناتجه بفعل الحراره  وتتحول ذرة الشائبه الى ايون موجب

- البلوره الناتجه(السليكون مطعم بذرات شائبه خماسية التكافؤ) تسمى 

بلوره من النوع السالب  أو  n-type 

- تسمى ذرات الشوائب التى تفقد الكترونات بالذرات المانحه(المعطيه)Donor 
 وتركيزها(عددها لكل  m³    )  هو     N_D
وتكون  البلوره المطعمه متعادله كهربيا   n =  p + N_D⁺

البلوره من النوع الموجب  p-type

عند تطعيم بلورة شبه الموصل بعنصر ثلاثى مثل البورون B أو جاليوم Ga أو الالومنيوم Al حيث تشارك بـ 3 الكترونات ويتبقى مكان فارغ فتجذب ذرة الشائبه الكترون من رابطه مجاوره وتظهر فجوة موجبه فى رابطة سليكون ونتيجة لذلك تضيف ذرات الشوائب فجوات أخرى الى الفجوات الموجبه (المتكونه بفعل الحراره) وتتحول ذرة الشائبه الى ايون سالب

- تسمى ذرات الشوائب التى تكتسب الكترونات بالذرات المستقبله Acceptor  وتركيزها(عددها لكل(m³هو  N_A

- تسمى البلوره الناتجه(السليكون مطعم بذرات شائبه ثلاثية التكافؤ) 

بلوره من النوع الموجب  أو   p-type 

- فى البلوره p-type

وتكون البلوره المطعمه متعادله كهربيا   P= n + N_A^-