أشباه الموصلات: الأنواع والتطبيقات والأمثلة - دوداس - 2026

و أشباه الموصلات هي العناصر التي تؤدي وظيفة موصل بشكل انتقائي أو العزل، وهذا يتوقف على الظروف الخارجية التي يتعرض لها، مثل درجة الحرارة والضغط، والإشعاع والمجالات الكهربائية أو المغناطيسية.

في الجدول الدوري ، يوجد 14 عنصرًا من أشباه الموصلات ، من بينها السيليكون والجرمانيوم والسيلينيوم والكادميوم والألمنيوم والغاليوم والبورون والإنديوم والكربون. أشباه الموصلات عبارة عن مواد صلبة بلورية ذات موصلية كهربائية متوسطة ، لذلك يمكن استخدامها بشكل مزدوج كموصل وعازل.

إذا تم استخدامها كموصلات ، فإنها تسمح في ظل ظروف معينة بتدوير التيار الكهربائي ، ولكن في اتجاه واحد فقط. علاوة على ذلك ، ليس لديهم موصلية عالية مثل المعادن الموصلة.

تُستخدم أشباه الموصلات في التطبيقات الإلكترونية ، خاصةً لتصنيع مكونات مثل الترانزستورات والثنائيات والدوائر المتكاملة. تُستخدم أيضًا كملحقات أو مكملات لأجهزة الاستشعار البصرية ، مثل ليزر الحالة الصلبة ، وبعض أجهزة الطاقة لأنظمة نقل الطاقة الكهربائية.

في الوقت الحاضر ، يتم استخدام هذا النوع من العناصر للتطورات التكنولوجية في مجالات الاتصالات وأنظمة التحكم ومعالجة الإشارات ، في كل من التطبيقات المنزلية والصناعية.

أنواع

هناك أنواع مختلفة من مواد أشباه الموصلات ، اعتمادًا على الشوائب الموجودة بها واستجابتها المادية للمنبهات البيئية المختلفة.

أشباه الموصلات الجوهرية

إنها تلك العناصر التي يتكون تركيبها الجزيئي من نوع واحد من الذرات. من بين هذه الأنواع من أشباه الموصلات الجوهرية السيليكو والجرمانيوم.

التركيب الجزيئي لأشباه الموصلات الذاتية هو رباعي السطوح. أي أنه يحتوي على روابط تساهمية بين أربع ذرات محيطة ، كما هو موضح في الصورة أدناه.

كل ذرة من أشباه الموصلات الذاتية لها 4 إلكترونات تكافؤ ؛ أي 4 إلكترونات تدور في الغلاف الخارجي لكل ذرة. في المقابل ، تشكل كل من هذه الإلكترونات روابط مع الإلكترونات المجاورة.

بهذه الطريقة ، تحتوي كل ذرة على 8 إلكترونات في أكثر طبقاتها سطحية ، والتي تشكل رابطة صلبة بين الإلكترونات والذرات التي تشكل الشبكة البلورية.

بسبب هذا التكوين ، لا تتحرك الإلكترونات بسهولة داخل الهيكل. وهكذا ، في ظل الظروف القياسية ، تتصرف أشباه الموصلات الجوهرية مثل العازل.

ومع ذلك ، فإن موصلية أشباه الموصلات الجوهرية ترتفع كلما زادت درجة الحرارة ، لأن بعض إلكترونات التكافؤ تمتص الطاقة الحرارية وتنفصل عن الروابط.

تصبح هذه الإلكترونات إلكترونات حرة ، وإذا تم توجيهها بشكل صحيح عن طريق فرق الجهد الكهربائي ، فيمكن أن تساهم في تدفق التيار داخل الشبكة البلورية.

في هذه الحالة ، تقفز الإلكترونات الحرة إلى شريط التوصيل وتنتقل إلى القطب الموجب للمصدر المحتمل (بطارية ، على سبيل المثال).

تؤدي حركة إلكترونات التكافؤ إلى حدوث فراغ في التركيب الجزيئي ، والذي يُترجم إلى تأثير مشابه للتأثير الناتج عن شحنة موجبة في النظام ، ولهذا السبب تعتبر حاملة لشحنة موجبة.

بعد ذلك ، يحدث تأثير عكسي ، حيث يمكن أن تسقط بعض الإلكترونات من نطاق التوصيل إلى غلاف التكافؤ ، مما يطلق طاقة في هذه العملية ، والتي تسمى إعادة التركيب.

أشباه الموصلات الخارجية

تتوافق من خلال تضمين الشوائب داخل الموصلات الجوهرية ؛ أي بدمج العناصر ثلاثية التكافؤ أو خماسية التكافؤ.

تُعرف هذه العملية باسم المنشطات والغرض منها هو زيادة توصيل المواد ، لتحسين خصائصها الفيزيائية والكهربائية.

من خلال استبدال ذرة أشباه موصلات جوهرية بذرة مكون آخر ، يمكن الحصول على نوعين من أشباه الموصلات الخارجية ، والتي تم تفصيلها أدناه.

نوع أشباه الموصلات

في هذه الحالة ، تكون النجاسة عنصرًا ثلاثي التكافؤ من أشباه الموصلات ؛ أي مع ثلاثة (3) إلكترونات في غلاف التكافؤ.

تسمى العناصر المتطفلة داخل الهيكل عناصر المنشطات. ومن أمثلة هذه العناصر لأشباه الموصلات من النوع P البورون (B) أو الغاليوم (Ga) أو الإنديوم (In).

نظرًا لعدم وجود إلكترون تكافؤ لتكوين الروابط التساهمية الأربعة لأشباه الموصلات الجوهرية ، فإن أشباه الموصلات من النوع P بها فجوة في الرابطة المفقودة.

هذا يجعل مرور الإلكترونات التي لا تنتمي إلى الشبكة البلورية من خلال هذه الفتحة التي تحمل شحنة موجبة.

نظرًا للشحنة الموجبة لفجوة الرابطة ، يتم تحديد هذه الأنواع من الموصلات بالحرف "P" ، وبالتالي ، يتم التعرف عليها على أنها متقبلات للإلكترون.

ينتج تدفق الإلكترونات عبر الثقوب الموجودة في الرابطة تيارًا كهربائيًا يدور في الاتجاه المعاكس للتيار المشتق من الإلكترونات الحرة.

نوع أشباه الموصلات

يتم إعطاء العنصر التدخلي في التكوين بواسطة عناصر خماسية التكافؤ ؛ أي تلك التي لديها خمسة (5) إلكترونات في نطاق التكافؤ.

في هذه الحالة ، تكون الشوائب المدمجة في أشباه الموصلات الجوهرية عناصر مثل الفوسفور (P) ، الأنتيمون (Sb) أو الزرنيخ (As).

يحتوي Dopants على إلكترون تكافؤ إضافي ، ليس له رابطة تساهمية لربطه ، يكون حرًا تلقائيًا للتنقل عبر الشبكة البلورية.

هنا ، يدور التيار الكهربائي عبر المادة بفضل فائض الإلكترونات الحرة التي يوفرها dopant. ومن ثم ، تعتبر أشباه الموصلات من النوع N مانحين للإلكترون.

مميزات

تتميز أشباه الموصلات بوظائفها المزدوجة ، وكفاءة الطاقة ، وتنوع التطبيقات ، والتكلفة المنخفضة. يتم تفصيل الخصائص البارزة لأشباه الموصلات أدناه.

- قد تختلف استجابته (موصلة أو عازلة) حسب حساسية العنصر للإضاءة والمجالات الكهربائية والمجالات المغناطيسية في البيئة.

- إذا تعرض أشباه الموصلات لدرجة حرارة منخفضة ، فستظل الإلكترونات متحدة في نطاق التكافؤ ، وبالتالي لن تنشأ إلكترونات حرة لتداول التيار الكهربائي.

من ناحية أخرى ، إذا تعرضت أشباه الموصلات لدرجات حرارة عالية ، يمكن أن يؤثر الاهتزاز الحراري على قوة الروابط التساهمية لذرات العنصر ، تاركًا الإلكترونات الحرة للتوصيل الكهربائي.

- تختلف موصلية أشباه الموصلات باختلاف نسبة الشوائب أو عناصر المنشطات داخل أشباه الموصلات الجوهرية.

على سبيل المثال ، إذا تم تضمين 10 ذرات بورون في مليون ذرة سيليكون ، فإن هذه النسبة تزيد من موصلية المركب ألف مرة ، مقارنة بموصلية السيليكون النقي.

- تختلف موصلية أشباه الموصلات في فترة تتراوح بين 1 و 10 ^-6 S.cm ^-1 ، حسب نوع العنصر الكيميائي المستخدم.

- يمكن أن تتمتع أشباه الموصلات المركبة أو الخارجية بخصائص بصرية وكهربائية أعلى بكثير من خصائص أشباه الموصلات الجوهرية ، ومن الأمثلة على ذلك زرنيخيد الغاليوم (GaAs) ، الذي يستخدم في الغالب في الترددات الراديوية والاستخدامات الأخرى للتطبيقات الإلكترونية الضوئية.

التطبيقات

تستخدم أشباه الموصلات على نطاق واسع كمواد خام في تجميع العناصر الإلكترونية التي تشكل جزءًا من حياتنا اليومية ، مثل الدوائر المتكاملة.

الترانزستورات هي أحد العناصر الرئيسية للدائرة المتكاملة. تفي هذه الأجهزة بوظيفة توفير إشارة خرج (متذبذبة أو مضخمة أو مصححة) وفقًا لإشارة إدخال محددة.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن أشباه الموصلات هي أيضًا المادة الأساسية للديودات المستخدمة في الدوائر الإلكترونية للسماح للتيار الكهربائي بالمرور في اتجاه واحد فقط.

لتصميم الصمام الثنائي ، يتم تشكيل تقاطعات أشباه الموصلات الخارجية من النوع P و N. من خلال تبديل مانح الإلكترون والعناصر الحاملة ، يتم تنشيط آلية موازنة بين كلا المنطقتين.

وهكذا ، تتقاطع الإلكترونات والثقوب في كلا المنطقتين وتكمل بعضها البعض عند الضرورة. يحدث هذا بطريقتين:

- يحدث نقل الإلكترونات من المنطقة من النوع N. إلى المنطقة P. وتحصل المنطقة من النوع N. على منطقة شحن موجبة في الغالب.

- يوجد ممر للثقوب الحاملة للإلكترون من منطقة النوع P إلى منطقة النوع N. تكتسب المنطقة من النوع P شحنة سالبة في الغالب.

أخيرًا ، يتم تكوين مجال كهربائي يحث على دوران التيار في اتجاه واحد فقط ؛ أي من المنطقة N إلى المنطقة P.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن استخدام مجموعات من أشباه الموصلات الداخلية والخارجية يمكن أن ينتج أجهزة تؤدي وظائف مشابهة للأنبوب المفرغ الذي يحتوي على مئات المرات من حجمه.

ينطبق هذا النوع من التطبيقات على الدوائر المتكاملة مثل رقائق المعالجات الدقيقة التي تغطي قدرًا كبيرًا من الطاقة الكهربائية.

توجد أشباه الموصلات في الأجهزة الإلكترونية التي نستخدمها في حياتنا اليومية ، مثل معدات الخط البني مثل أجهزة التلفزيون ومشغلات الفيديو ومعدات الصوت ؛ أجهزة الكمبيوتر والهواتف المحمولة.

أمثلة

أشباه الموصلات الأكثر استخدامًا في صناعة الإلكترونيات هي السيليكون (Si). هذه المادة موجودة في الأجهزة التي تشكل الدوائر المتكاملة التي هي جزء من حياتنا اليومية.

تُستخدم سبائك السيليكون والجرمانيوم (SiGe) في الدوائر المتكاملة عالية السرعة للرادارات ومكبرات الصوت للأجهزة الكهربائية ، مثل القيثارات الكهربائية.

مثال آخر على أشباه الموصلات هو زرنيخيد الغاليوم (GaAs) ، الذي يستخدم على نطاق واسع في مكبرات الصوت ، خاصة للإشارات ذات الكسب العالي ومستوى الضوضاء المنخفض.

المراجع

1. بريان ، م. (بدون تاريخ). كيف تعمل أشباه الموصلات. تم الاسترجاع من: electronics.howstuffworks.com
2. لاندين ، ب. (2014). أشباه الموصلات الداخلية والخارجية. تم الاسترجاع من: pelandintecno.blogspot.com
3. روس ، م. (و). أشباه الموصلات. تم الاسترجاع من: whatis.techtarget.com
4. أشباه الموصلات (1998). Encyclopædia Britannica، Inc. لندن ، المملكة المتحدة. تم الاسترجاع من: britannica.com
5. ما هي أشباه الموصلات؟ (سادس). © شركة هيتاشي للتقنيات العالية. تم الاسترجاع من: hitachi-hightech.com
6. ويكيبيديا ، الموسوعة الحرة (2018). أشباه الموصلات. تم الاسترجاع من: es.wikipedia.org