أشباه الموصلات عبارة عن مواد لها موصلات كهربائية تقع بين الموصلات الجيدة والعوازل. تسمى أشباه الموصلات ، بدون أي شوائب ، بأشباه الموصلات الجوهرية. الجرمانيوم والسيليكون هما أشباه الموصلات الجوهرية الأكثر استخدامًا. ينتمي كل من Ge (العدد الذري 32) والسيليكون (العدد الذري 14) إلى المجموعة الرابعة من الجدول الدوري ، وهما رباعي التكافؤ.
ما هي خصائص أشباه الموصلات؟
عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق ، يتصرف Ge و Si النقيان كعوازل مثالية. لكن موصلاتها تزداد مع زيادة درجة الحرارة. بالنسبة لـ Ge ، فإن طاقة الارتباط للإلكترون في الرابطة التساهمية هي 0.7 فولت. إذا تم توفير هذه الطاقة على شكل حرارة ، فإن بعض الروابط تنكسر ، وتتحرر الإلكترونات.
في درجات الحرارة العادية ، يتم تحرير بعض الإلكترونات من ذرات بلورة Ge أو Si ، وتتجول في البلورة. يعني عدم وجود إلكترون في مكان مشغول سابقًا وجود شحنة موجبة في ذلك المكان. يقال إن "الثقب" قد نشأ في المكان الذي يتحرر فيه الإلكترون. الحفرة (الشاغرة) تعادل الشحنة الموجبة ولها ميل لقبول الإلكترون.
عندما يقفز إلكترون إلى حفرة ، يتم إنشاء ثقب جديد في المكان الذي كان فيه الإلكترون سابقًا. تعادل حركة الإلكترونات في اتجاه واحد حركة الثقوب في الاتجاه المعاكس. وهكذا ، في أشباه الموصلات الجوهرية ، يتم إنتاج الثقوب والإلكترونات في وقت واحد ، وكلاهما يعمل كحاملات شحنة.
أنواع أشباه الموصلات واستخداماتها
هناك نوعان من أشباه الموصلات الخارجية: النوع n والنوع p.
ن نوع أشباه الموصلات: عناصر مثل الزرنيخ (As) ، الأنتيمون (Sb) والفوسفور (P) خماسية التكافؤ ، بينما Ge و Si رباعي التكافؤ. إذا تمت إضافة كمية صغيرة من الأنتيمون إلى بلورة Ge أو Si ، كشوائب ، فمن بين إلكترونات التكافؤ الخمسة ، ستشكل أربعة روابط تساهمية مع ذرات Ge المجاورة. لكن الإلكترون الخامس من الأنتيمون يصبح حرًا تقريبًا في التحرك في البلورة.
إذا تم تطبيق جهد محتمل على بلورة Ge المخدرة ، فإن الإلكترونات الحرة في Ge المخدر ستتحرك نحو الطرف الموجب ، وتزداد الموصلية. نظرًا لأن الإلكترونات الحرة سالبة الشحنة تزيد من موصلية بلورة Ge المخدرة ، يطلق عليها اسم أشباه الموصلات من النوع n.
نوع أشباه الموصلات: إذا تمت إضافة شوائب ثلاثية التكافؤ مثل الإنديوم أو الألومنيوم أو البورون (بها ثلاثة إلكترونات تكافؤ) في نسبة صغيرة جدًا إلى رباعي التكافؤ Ge أو Si ، ثم يتم تكوين ثلاث روابط تساهمية مع ثلاث ذرات Ge. لكن إلكترون التكافؤ الرابع لـ Ge لا يمكن أن يشكل رابطة تساهمية مع الإنديوم لأنه لا يوجد إلكترون متبقي للاقتران.
يسمى غياب أو نقص الإلكترون بالثقب. يُنظر إلى كل ثقب على أنه منطقة ذات شحنة موجبة في تلك المرحلة. نظرًا لأن موصلية Ge مخدر بالإنديوم ناتجة عن الثقوب ، فإنها تسمى أشباه الموصلات من النوع p.
وبالتالي ، فإن النوعين n والنوع p هما نوعان من أشباه الموصلات ، ويتم شرح استخداماتها على النحو التالي: يتم ربط أشباه الموصلات وأشباه الموصلات من النوع n معًا ، وتسمى الواجهة المشتركة تقاطع pn الصمام الثنائي.
يتم استخدام الصمام الثنائي للوصل pn كمقوم في الدوائر الإلكترونية. الترانزستور عبارة عن جهاز أشباه موصلات ثلاثي الأطراف ، يتم تصنيعه عن طريق وضع شريحة رقيقة من مادة من النوع n بين قطعتان كبيرتان من مادة من النوع p ، أو شريحة رفيعة من أشباه الموصلات من النوع p بين قطعتين أكبر من النوع n أشباه الموصلات. وبالتالي ، هناك نوعان من الترانزستورات: p-n-p و n-p-n. يستخدم الترانزستور كمكبر للصوت في الدوائر الإلكترونية.
ما هي مزايا أشباه الموصلات؟
من شأن المقارنة بين الصمام الثنائي شبه الموصّل والفراغ أن تعطي لمحة أكثر وضوحًا عن مزايا أشباه الموصلات.
- على عكس الثنائيات الفراغية ، لا توجد خيوط في أجهزة أشباه الموصلات. ومن ثم ، لا يلزم تسخين لإصدار الإلكترونات في أشباه الموصلات.
- يمكن تشغيل أجهزة أشباه الموصلات مباشرة بعد تشغيل جهاز الدائرة.
- على عكس الثنائيات الفراغية ، لا يصدر صوت طنين بواسطة أشباه الموصلات في وقت التشغيل.
- بالمقارنة مع الأنابيب المفرغة ، تحتاج أجهزة أشباه الموصلات دائمًا إلى جهد تشغيل منخفض.
- نظرًا لأن أشباه الموصلات صغيرة الحجم ، فإن الدوائر التي تشتمل عليها تكون أيضًا مضغوطة جدًا.
- على عكس الأنابيب المفرغة ، فإن أشباه الموصلات مقاومة للصدمات. علاوة على ذلك ، فهي أصغر حجمًا وتشغل مساحة أقل وتستهلك طاقة أقل.
- بالمقارنة مع الأنابيب المفرغة ، فإن أشباه الموصلات شديدة الحساسية لدرجة الحرارة والإشعاع.
- أشباه الموصلات أرخص من الثنائيات الفراغية ولها عمر افتراضي غير محدود.
- لا تحتاج أجهزة أشباه الموصلات إلى فراغ للتشغيل.
باختصار ، تفوق مزايا أجهزة أشباه الموصلات مزايا الأنابيب المفرغة. مع ظهور مادة أشباه الموصلات ، أصبح من الممكن تطوير أجهزة إلكترونية صغيرة أكثر تعقيدًا ومتانة ومتوافقة.
ما هي تطبيقات أجهزة أشباه الموصلات؟
أكثر أجهزة أشباه الموصلات شيوعًا هو الترانزستور ، والذي يستخدم لتصنيع البوابات المنطقية والدوائر الرقمية. تمتد تطبيقات أجهزة أشباه الموصلات أيضًا إلى الدوائر التناظرية ، والتي تستخدم في المذبذبات ومضخمات الصوت.
تُستخدم أجهزة أشباه الموصلات أيضًا في الدوائر المتكاملة التي تعمل بجهد وتيار عاليين للغاية. تُلاحظ أيضًا تطبيقات أجهزة أشباه الموصلات في الحياة اليومية. على سبيل المثال ، رقائق الكمبيوتر عالية السرعة مصنوعة من أشباه الموصلات. تستخدم الهواتف والمعدات الطبية والروبوتات أيضًا مواد أشباه الموصلات.