اشباه الموصلات

* ** تقسم المواد من حيث قدرتها على توصيل التيار الكهربائى الى ثلاثة أقسام :

  1. الموصلات : conductors

  2. العازلات : insulators

  3. أشباه الموصلات : semiconductors

مقارنة بين المواد الموصلة والعازلة وأشباه الموصلات

أشباه الموصلات

المواد العازلة

المواد الموصلة

وجه المقارنة

الجرمانيوم - السيلكون - كبريتيد الرصاص - كبريتيد الكادميوم

الزجاج - الخزف - الكوارتز - البورسلين - الابونيت - الكهرمان

الفلزات ( الفضة - النحاس - الحديد - الرصاص - - )

أمثلة

متوسطة عند درجة الحرارة العادية فى المدى من 5ooooo --- 0.00005 )

اوم متر

كبيرة جدا فى درجة حرارة الغرفة فى المدى من ( 106الى1016 )

اوم . متر

( من 5-10 الى 8-10 )

أوم . متر

المقاومة النوعية

مملوء بالالكترونات

مملوء بالالكترونات

مملوء بالالكترونات

نطاق التكافؤ

خالى من الالكترونات تماما فى درجة الصفر المطلق

خالى من الالكترونات الحرة عند درجات الحرارة العادية

مملوء جزئيا بالالكترونات عند درجات الحرارة الاعتيادية

نطاق التوصيل

من ( 2 الى 0.7 )

الكترون . فولت

كبيرة جدا ( 5 )

الكترون . فولت

صغيرة جدا ( 0.01 ) الكترون . فولت

طاقة الفجوة

تنخفض المقاومة بشكل كبير

تنخفض المقاومة ولكنها تظل كبيرة لدرجة ان المادة الصلبة تنصهر قبل ان تصبح موصلة

تزداد المقاومة

تأثير رفع درجة الحرارة على المقاومة

ملاحظات على المقارنة السابقة

1- تعتمد مقاومة المواد المختلفة على نقاوتها حيث :

2 - تعتمد مقاومة المواد المختلفة على درجة حرارتها حيث :

مصطلحات هامة

  1. الكترونات التكافؤ : هى الالكترونات فى المستوى الاخير فى الذرة

  2. نطاق الطاقة : مجموعة من مستويات الطاقة المتقاربة فروق الطاقة بينها صغيرة وتفصلها فجوات تخلو من مستويات الطاقة

  3. نطاق التكافؤ : هو نطاق الطاقة الخارجى فى البلورة

  4. نطاق التوصيل : هو النطاق الذى يعلو نطاق التوصيل فى البلورة

  5. طاقة الفجوة : هى الطاقة التى تلزم الالكترون لكى ينتقل من نطاق التكافؤ الى نطاق التوصيل

  6. المواد شبه الموصلة : عناصر رباعية التكافؤ ترتبط ذراتها ببعضها البعض بروابط تساهمية وتكون عازلة تماما فى درجة الصفر المطلق وتزداد درجة توصيلها بارتفاع درجة حرارتها

  7. بلورة شبه الموصل النقية : هى بلورة شبه الموصل التى تتكون من ذرات السيلكون أو الجرمانيوم عن طريق مشاركة كل ذرة بالكترونات التكافؤ الاربعة مع أربع ذرات مجاورة ( رابطة تساهمية )

  8. الفجوة :هى الفراغ الذى يخلفه الالكترون المتحرر من الرابطة التساهمية بسبب ارتفاع درجة حرارة بلورة شبه الموصل

  9. التطعيم : هو اضافة كمية قليلة من ذرات مادة معينة الى بلورة شبه الموصل بهدف زيادة عدد الالكترونات أو الفجوات

  10. بلورة شبه الموصل غير النقية : بلورة شبه موصل تطعم بذرات من مادة شائبة أخرى

*** قارن بين بلورة شبه الموصل من النوع السالب n - type وبلورة شبه الموصل من النوع الموجب p - type ؟

شبه الموصل من النوع الموجب

شبه الموصل من النوع السالب

وجه المقارنة

بلورات لمواد شبه موصلة مطعمة بذرات عناصر ثلاثية التكافؤ ( جاليوم ) بلورة سيليكون مطعمة بذرات جاليوم 31Ga

بلورات لمواد شبه موصلة مطعمة بذرات خماسية التكافؤ ( زرنيخ ) بلورة سيليكون مطعمة بذرات زرنيخ 33As

التعريف

تحتوى على فجوات تعمل كل فجوة عمل شحنة موجبة تحاول اقتناص الكترون سالب ولذلك تتحرك الفجوات الموجبة فى البلورة فى اتجاه عكس اتجاه حركة الالكترونات

يعتمد على حركة الالكترونات السالبة ويزداد التوصيل بزيادة نسبة ذرات الشوائب ( الزرنيخ ) وتسمى الالكترونات ( حاملات الشحنة الاساسية - السائدة - )

التوصيل

اضافة ذرات الجاليوم يضيف مستويات طاقة اعلى نطاق التكافؤ مباشرة وتنتقل اليها الكترونات من نطاق التكافؤ وتترك فجوات

( بدون انتاج الكترونات )

اضافة ذرات الزرنيخ يضيف مستويات طاقة اضافية اسفل نطاق التوصيل مباشرة تنتقل منه الالكترونات الى نطاق التوصيل

( بدون انتاج فجوات )

تفسير عمل الشوائب

ملاحظات على المقارنة السابقة

  1. فى البلورة من النوع السالب تسمى مادة الزرنيخ مادة معطية donor حيث تعطى الالكترونات الحرة السالبة

  2. تكون البلورة من النوع السالب متعادلة كهربائيا لانها تتكون أصلا من ذرات متعادلة كهربائيا

  3. بزيادة عدد ذرات الشوائب يزداد عدد الالكترونات الحرة وتزداد قدرة البلورة على التوصيل ولكن تبقى عملية التطعيم فى حدود معينة ( مثال للتوضيح : يضاف الى الجرمانيوم المنصهر النقى حوالى 0.00001 % من ذرات الزرنيخ وعند التجمد تتكون شبكة جرمانيوم عادية ولكن فى بعض العقد توجد ذرات زرنيخ بدلا من ذرات الجرمانيوم )

  4. الطاقة اللازمة لانفصال الالكترون الخامس فى ذرة الزرنيخ تكون صغيرة جدا وأصغر بكثير من الطاقة اللازمة لتأين ذرة الفلز ولذلك تكون جميع ذرات الزرنيخ فى شبه الموصل متأينة فى درجة حرارة الغرفة

  5. الالكترونات الحرة. ( الكترون واحد من كل ذرة من الزرنيخ ) تعتبر حاملات الشحنة الاساسية - السائدة -