أساسيات التعلم لأشباه الموصلات

أساسيات التعلم لأشباه الموصلات

في هذا المنشور نتعلم بشكل شامل فيما يتعلق بمبادئ العمل الأساسية لأجهزة أشباه الموصلات ، وكيف يعمل الهيكل الداخلي لأشباه الموصلات تحت تأثير الكهرباء.



لا تحتوي قيمة المقاومة بين هذه المواد شبه الموصلة على خاصية موصل كاملة ولا عازل كامل ، فهي تقع بين هذين الحدين.

قد تحدد هذه الميزة خاصية أشباه الموصلات للمادة ، ولكن سيكون من المثير للاهتمام معرفة كيفية عمل أشباه الموصلات بين الموصل والعازل.





المقاومة النوعية

وفقًا لقانون أوم ، يتم تعريف المقاومة الكهربائية للجهاز الإلكتروني على أنها نسبة فرق الجهد عبر المكون إلى التيار المتدفق عبر المكون.

الآن يمكن أن يشكل استخدام قياس المقاومة مشكلة واحدة ، تتغير قيمتها مع تغير البعد المادي للمادة المقاومة.



على سبيل المثال ، عندما يتم زيادة طول مادة مقاومة ، تزداد قيمة مقاومتها أيضًا بشكل متناسب.
وبالمثل ، عندما يزداد سمكها تنخفض قيمة المقاومة بشكل متناسب.

تكمن الحاجة هنا في تحديد مادة قد تشير إلى خاصية التوصيل أو مقاومة التيار الكهربائي بغض النظر عن حجمه أو شكله أو مظهره المادي.

يُعرف الحجم للتعبير عن قيمة المقاومة المعينة هذه باسم المقاومة ، والتي لها synbol ρ ، (Rho)

وحدة قياس المقاومة هي أوم متر (Ω.m) ، ويمكن فهمها على أنها معلمة معكوسة للتوصيل.

من أجل الحصول على مقارنات بين مقاومات العديد من المواد ، يتم تصنيفها إلى 3 فئات رئيسية: الموصلات ، والعازل ، وأشباه الموصلات. يوفر الرسم البياني أدناه التفاصيل المطلوبة:

كما ترون في الشكل أعلاه ، هناك فرق ضئيل عبر مقاومة الموصلات مثل الذهب والفضة ، بينما قد يكون هناك قدر كبير من الاختلاف في المقاومة عبر العوازل مثل الكوارتز والزجاج.

ويرجع ذلك إلى استجابتها لدرجة الحرارة المحيطة مما يجعل المعادن موصلات ذات كفاءة عالية مقارنة بالعوازل

الموصلات

من المخطط أعلاه ، نفهم أن الموصلات لديها أقل قدر من المقاومة ، والتي قد تكون عادةً في ميكرو أوم / متر.

بسبب مقاومتها المنخفضة ، فإن التيار الكهربائي قادر على المرور من خلالها بسهولة ، نظرًا لتوافر كمية كبيرة من الإلكترونات.

ومع ذلك ، لا يمكن دفع هذه الإلكترونات إلا عندما يكون ضغطها عبر الموصل ، ويمكن تشكيل هذا الضغط عن طريق تطبيق جهد عبر الموصل.

وهكذا ، عندما يتم تطبيق موصل بفارق جهد موجب / سالب ، فإن الإلكترونات الحرة لكل ذرة من الموصل تُجبر على الخروج من الذرات الأم وتبدأ في الانجراف داخل الموصل ، وتُعرف عمومًا باسم تدفق التيار .

تعتمد درجة قدرة هذه الإلكترونات على الحركة على مدى سهولة تحريرها من ذراتها ، استجابةً لاختلاف الجهد.

تعتبر المعادن عمومًا موصلات جيدة للكهرباء ، ومن بين المعادن ، يعتبر الذهب والفضة والنحاس والألمنيوم أفضل الموصلات بشكل منظم.

نظرًا لأن هذه الموصلات تحتوي على عدد قليل جدًا من الإلكترونات في نطاق التكافؤ في ذراتها ، فمن السهل إزاحتها بفعل فرق الجهد وتبدأ في القفز من ذرة واحدة إلى الذرة التالية من خلال عملية تسمى 'تأثير الدومينو' ، مما يؤدي إلى تدفق التيار عبر الموصل.

على الرغم من أن الذهب والفضة هما أفضل موصلات للكهرباء ، إلا أن النحاس والألمنيوم مفضلان في صناعة الأسلاك والكابلات نظرًا لقلة تكلفتها ووفرةها ، وكذلك متانتها المادية.

على الرغم من حقيقة أن النحاس والألمنيوم موصلان جيدان للكهرباء ، إلا أنهما لا يزالان يتمتعان ببعض المقاومة ، لأنه لا يوجد شيء يمكن أن يكون مثاليًا بنسبة 100٪.

على الرغم من صغر حجم المقاومة التي توفرها هذه الموصلات ، فإنها يمكن أن تصبح كبيرة مع تطبيق التيارات العالية. في النهاية تتبدد المقاومة للتيار العالي على هذه الموصلات كحرارة.

عوازل

على عكس الموصلات ، فإن العازل هو موصلات سيئة للكهرباء. تكون هذه بشكل عام في شكل غير فلزات ولديها القليل جدًا من الإلكترونات الضعيفة أو الحرة مع ذراتها الأم.

بمعنى أن إلكترونات هذه اللافلزات مرتبطة بإحكام مع الذرات الأم ، والتي يصعب للغاية إزاحتها مع تطبيق الجهد.

بسبب هذه الميزة ، عندما يتم تطبيق الجهد الكهربائي ، تفشل الإلكترونات في الابتعاد عن الذرات مما يؤدي إلى عدم تدفق الإلكترونات وبالتالي لا يحدث أي توصيل.

تؤدي هذه الخاصية إلى مقاومة عالية جدًا للعازل ، في حدود عدة ملايين أوم.

مواد مثل الزجاج والرخام والبلاستيك والبلاستيك والكوارتز والمطاط والميكا والباكليت هي أمثلة على العوازل الجيدة.

تمامًا مثل الموصل ، تلعب العوازل دورًا مهمًا في مجال الإلكترونيات. بدون عازل ، سيكون من المستحيل عزل فروق الجهد عبر مراحل الدائرة ، مما يؤدي إلى دوائر قصيرة.

على سبيل المثال ، نرى استخدام البورسلين والزجاج في الأبراج عالية التوتر لنقل طاقة التيار المتردد بأمان عبر الكابلات. في الأسلاك ، نستخدم PVC لعزل الأطراف الموجبة والسالبة ، وفي مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور نستخدم الباكليت من أجل عزل المسارات النحاسية عن بعضها البعض.

أساسيات أشباه الموصلات

تندرج مواد مثل السيليكون (Si) والجرمانيوم (Ge) وزرنيخيد الغاليوم ضمن مواد أشباه الموصلات الأساسية. ذلك لأن هذه المواد لها خاصية توصيل الكهرباء على الفور مما يؤدي إلى عدم التوصيل المناسب أو العزل المناسب. بسبب هذه الخاصية ، يتم تسمية هذه المواد بأشباه الموصلات.

تعرض هذه المواد عددًا قليلاً جدًا من الإلكترونات الحرة عبر ذراتها ، والتي يتم تجميعها بإحكام في شكل شبكي بلوري من النوع. ومع ذلك ، فإن الإلكترونات قادرة على الإزاحة والتدفق ، ولكن فقط عند استخدام ظروف معينة.

بعد قولي هذا ، يصبح من الممكن تحسين معدل التوصيل في أشباه الموصلات هذه عن طريق إدخال أو استبدال نوع من الذرات 'المانحة' أو 'المستقبلة' في التخطيط البلوري ، مما يتيح إطلاق 'إلكترونات حرة' و 'ثقوب' أو نائب. بالعكس.

يتم تنفيذ ذلك عن طريق إدخال كمية معينة من مادة خارجية إلى المادة الموجودة مثل السيليكون أو الجرمانيوم.

في حد ذاته ، يتم تصنيف المواد مثل السيليكون والجرمانيوم على أنها أشباه موصلات جوهرية ، نظرًا لطبيعتها الكيميائية النقية للغاية ، ووجود مادة شبه موصلة كاملة.

هذا يعني أيضًا أنه من خلال تطبيق كمية خاضعة للرقابة من الشوائب ، يمكننا تحديد معدل التوصيل في هذه المواد الجوهرية.

يمكننا تقديم أنواع من الشوائب يشار إليها على أنها مانحة أو متقبلة لهذه المواد لتعزيزها إما بالإلكترونات الحرة أو الثقوب الحرة.

في هذه العمليات ، عندما يتم إضافة شوائب إلى مادة جوهرية بنسبة 1 ذرة شائبة لكل 10 مليون ذرة مادة شبه موصلة ، يطلق عليها منشطات .

مع إدخال شوائب كافية ، يمكن تحويل مادة شبه موصلة إلى مادة من النوع N أو النوع P.

يعد السيليكون من بين أكثر مواد أشباه الموصلات شيوعًا ، حيث يحتوي على 4 إلكترونات تكافؤ عبر غلافه الخارجي ، ويحيط به أيضًا ذرات مجاورة تشكل مدارات إجمالية من 8 إلكترونات.

تم تطوير الترابط بين ذرتي السيليكون بطريقة تسمح بمشاركة إلكترون واحد مع الذرة المجاورة له ، مما يؤدي إلى ارتباط ثابت جيد.

في شكلها النقي ، قد تحتوي بلورة السيليكون على عدد قليل جدًا من إلكترونات التكافؤ الحرة ، مما يعزو إليها خصائص عازل جيد ، له قيم مقاومة قصوى.

لن يساعد توصيل مادة السيليكون بفرق محتمل في أي توصيل من خلالها ، ما لم يتم إنشاء نوع من الأقطاب الموجبة أو السلبية فيها.

ولخلق مثل هذه الاستقطابات ، يتم تنفيذ عملية المنشطات في هذه المواد بإضافة الشوائب كما تمت مناقشته في الفقرات السابقة.

فهم بنية ذرة السيليكون

صورة شعرية كريستال السيليكون

ذرة السيليكون تظهر 4 إلكترونات في مدار التكافؤ

في الصور أعلاه ، نرى كيف تبدو بنية الشبكة البلورية المصنوعة من السيليكون النقي العادي. بالنسبة للشوائب ، عادةً ما يتم إدخال مواد مثل الزرنيخ أو الأنتيمون أو الفوسفور داخل بلورات أشباه الموصلات وتحويلها إلى مواد خارجية ، مما يعني 'وجود شوائب'.

تتكون الشوائب المذكورة من 5 إلكترونات في أقصى نطاق لها يعرف باسم شوائب 'خماسي التكافؤ' ، لتقاسمها مع الذرات المجاورة لها.
هذا يضمن أن 4 من بين 5 ذرات قادرة على الانضمام إلى ذرات السيليكون المجاورة ، باستثناء 'إلكترون حر' واحد يمكن تحريره عند توصيل جهد كهربائي.

في هذه العملية ، نظرًا لأن الذرات غير النقية تبدأ في 'التبرع' بكل إلكترون عبر ذراتها القريبة ، يتم تسمية الذرات 'الخماسية التكافؤ' باسم 'المتبرعين'.

استخدام الأنتيمون في تعاطي المنشطات

غالبًا ما يصبح الأنتيمون (Sb) والفوسفور (P) الخيار الأفضل لإدخال شوائب 'خماسية التكافؤ' إلى السيليكون. ذرة الأنتيمون تظهر 5 إلكترونات في مدار التكافؤ نوع p أشباه الموصلات

في الأنتيمون ، يوجد 51 إلكترونًا عبر 5 قذائف حول نواتها ، بينما يتكون النطاق الخارجي من 5 إلكترونات.
ونتيجة لذلك ، فإن مادة أشباه الموصلات الأساسية قادرة على الحصول على إلكترونات تحمل تيارًا إضافيًا ، يُعزى كل منها إلى شحنة سالبة. لذلك يطلق عليها اسم 'مادة من النوع N.

أيضًا ، تم تسمية الإلكترونات باسم 'ناقلات الأغلبية' وتسمى الثقوب التي تتطور لاحقًا باسم 'ناقلات الأقلية'.

عندما تتعرض أشباه الموصلات المخدرة بالأنتيمون لجهد كهربائي ، فإن الإلكترونات التي تصادف أن يتم التخلص منها يتم استبدالها على الفور بالإلكترونات الحرة من ذرات الأنتيمون. ومع ذلك ، نظرًا لأن العملية تحافظ في النهاية على إلكترون حر عائم داخل البلورة المخدرة ، فإن هذا يتسبب في كونها مادة سالبة الشحنة.

في هذه الحالة ، يمكن تسمية أشباه الموصلات بالنوع N إذا كانت كثافة المانحين أعلى من كثافة متقبلها. بمعنى عندما يكون هناك عدد أكبر من الإلكترونات الحرة مقارنة بعدد الثقوب ، مما يتسبب في استقطاب سلبي ، كما هو موضح أدناه.

فهم نوع P- أشباه الموصلات

إذا أخذنا في الاعتبار الموقف على العكس من ذلك ، فإن إدخال شوائب ثلاثية التكافؤ من 3 إلكترون في بلورة أشباه الموصلات ، على سبيل المثال إذا أدخلنا الألومنيوم أو البورون أو الإنديوم ، الذي يحتوي على 3 إلكترونات في رابطة التكافؤ الخاصة بهم ، وبالتالي يصبح من المستحيل تكوين الرابطة الرابعة.

وبسبب هذا ، يصبح الاتصال الشامل صعبًا ، مما يسمح لأشباه الموصلات بالحصول على الكثير من ناقلات الشحنة الموجبة. تسمى هذه الحاملات بـ 'الثقوب' عبر شبكة أشباه الموصلات بأكملها ، وذلك بسبب عدد كبير من الإلكترونات المفقودة.

الآن ، نظرًا لوجود ثقوب في بلورة السيليكون ، ينجذب إلكترون قريب إلى الفتحة ، في محاولة لملء الفتحة. ومع ذلك ، بمجرد أن تحاول الإلكترونات القيام بذلك ، فإنها تخل من موقعها مما يخلق فجوة جديدة في موقعها السابق.

وهذا بدوره يجذب الإلكترون المجاور التالي ، والذي يترك فجوة جديدة مرة أخرى أثناء محاولته احتلال الثقب التالي. تستمر العملية في إعطاء انطباع بأن الثقوب في الواقع تتحرك أو تتدفق عبر أشباه الموصلات ، والتي ندركها عمومًا على أنها نمط التدفق التقليدي للتيار.

كما يبدو أن 'الثقوب تتحرك' يؤدي إلى نقص في الإلكترونات مما يسمح للبلورة المخدرة بأكملها بالحصول على قطبية موجبة.

نظرًا لأن كل ذرة شوائب تصبح مسؤولة عن توليد ثقب ، فإن هذه الشوائب ثلاثية التكافؤ تسمى 'المستقبلات' نظرًا لحقيقة أن هذه الشوائب تستمر في قبول الإلكترونات الحرة باستمرار في هذه العملية.
البورون (ب) هو أحد المضافات الثلاثية التكافؤ التي تستخدم بشكل شائع لعملية المنشطات الموضحة أعلاه.

عندما يتم استخدام البورون كمادة منشطات ، فإنه يتسبب في أن يكون للتوصيل بشكل أساسي ناقلات موجبة الشحنة.
ينتج عن هذا إنشاء مادة من النوع P لها ثقوب موجبة تسمى 'ناقلات الأغلبية' ، بينما تسمى الإلكترونات الحرة 'ناقلات الأقلية'.

يوضح هذا كيف تتحول المادة الأساسية لأشباه الموصلات إلى النوع P بسبب زيادة كثافة الذرات المستقبلة مقارنة بالذرات المانحة.

كيف يتم استخدام البورون للمنشطات

ذرة البورون تظهر 3 إلكترونات في رابطة التكافؤ الخارجية

الجدول الدوري لأشباه الموصلات

تلخيص أساسيات أشباه الموصلات

N- نوع أشباه الموصلات (مخدر مع شوائب خماسية التكافؤ مثل الأنتيمون على سبيل المثال)

يُطلق على أشباه الموصلات المخدرة بذرات الشوائب الخماسي التكافؤ اسم المتبرعين ، لأنها تظهر التوصيل من خلال حركة الإلكترونات ، وبالتالي يطلق عليها اسم أشباه الموصلات من النوع N.
في نوع N- أشباه الموصلات نجد:

  1. الجهات المانحة المشحونة إيجابيا
  2. عدد وفير من الإلكترونات الحرة
  3. عدد أقل نسبيًا من 'الثقوب' مقارنة بـ 'الإلكترونات الحرة'
  4. نتيجة للمنشطات ، يتم إنشاء متبرعين موجبين الشحنة وإلكترونات حرة سالبة الشحنة.
  5. يؤدي تطبيق فرق الجهد إلى تطوير إلكترونات سالبة الشحنة وثقوب موجبة الشحنة.

P-Type أشباه الموصلات (مخدر بشوائب ثلاثية التكافؤ مثل البورون على سبيل المثال)

يُطلق على أشباه الموصلات المخدرة بذرات شوائب ثلاثية التكافؤ اسم المستقبلات ، لأنها تظهر التوصيل من خلال حركة الثقوب ، وبالتالي يطلق عليها اسم أشباه الموصلات من النوع P.
في نوع N- أشباه الموصلات نجد:

  1. متقبلات مشحونة سلبيا
  2. كمية وفيرة من الثقوب
  3. عدد أقل نسبيًا من الإلكترونات الحرة مقارنة بوجود الثقوب.
  4. ينتج عن المنشطات تكوين مستقبلات سالبة الشحنة وثقوب موجبة الشحنة.
  5. يؤدي تطبيق الجهد المودع إلى توليد ثقوب موجبة الشحنة وإلكترونات حرة سالبة الشحنة.

تصادف أن تكون أشباه الموصلات من النوع P و N في حد ذاتها محايدة كهربائيًا بشكل طبيعي.
بشكل عام ، يعتبر الأنتيمون (Sb) والبورون (B) هما المادتان اللتان تستخدمان كأعضاء منشطات نظرًا لتوافرهما بكثرة. هذه تسمى أيضا 'mettaloids'.

بعد قولي هذا ، إذا نظرت إلى الجدول الدوري ، ستجد العديد من المواد المماثلة الأخرى التي تحتوي على 3 أو 5 إلكترونات في النطاق الذري الخارجي. يعني أن هذه المواد يمكن أن تصبح مناسبة أيضًا لغرض المنشطات.
الجدول الدوري




زوج من: دائرة تغذية الكلب التي تسيطر عليها الهاتف المحمول التالي: فهم دوائر مكبر الصوت