أنواع أشباه الموصلات والتطبيقات والأمثلة

ال أشباه الموصلات هي عناصر تؤدي وظيفة الموصلات أو العوازل بشكل انتقائي ، اعتمادًا على الظروف الخارجية التي يتعرضون لها ، مثل درجة الحرارة والضغط والإشعاع والمجالات المغناطيسية أو الكهربائية.

يوجد في الجدول الدوري 14 عنصرًا من أشباه الموصلات ، من بينها السيليكون والجرمانيوم والسيلينيوم والكادميوم والألمنيوم والغاليوم والبورون والإنديوم والكربون. أشباه الموصلات هي مواد صلبة بلورية مع التوصيل الكهربائي المتوسط ​​، بحيث يمكن استخدامها بطريقة مزدوجة كموصل وعازل.

إذا تم استخدامها كموصلات ، في ظل ظروف معينة ، تسمح بدورة التيار الكهربائي ، ولكن في اتجاه واحد فقط. أيضا ، ليس لديهم موصلية عالية مثل تلك الموصلية.

تُستخدم أشباه الموصلات في التطبيقات الإلكترونية ، خاصة لتصنيع مكونات مثل الترانزستورات ، والثنائيات ، والدوائر المتكاملة. كما أنها تستخدم كملحقات أو ملحقات لأجهزة استشعار بصرية ، 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 ، سواء في التطبيقات المحلية أو الصناعية.

مؤشر

• 1 أنواع
  • 1.1 أشباه الموصلات الجوهرية
  • 1.2 أشباه الموصلات الخارجية
• 2 الخصائص
• 3 تطبيقات
• 4 أمثلة
• 5 المراجع

نوع

هناك أنواع مختلفة من مواد أشباه الموصلات ، اعتمادًا على الشوائب التي تمثلها واستجابتها المادية لمحفزات بيئية مختلفة.

أشباه الموصلات الجوهرية

هي تلك العناصر التي يتكون هيكلها الجزيئي من نوع واحد من الذرة. من بين هذا النوع من أشباه الموصلات الجوهرية السيليكو والجرمانيوم.

التركيب الجزيئي لأشباه الموصلات الداخلية هو رباعي السطوح. وهذا يعني أنه يحتوي على روابط تساهمية بين أربع ذرات المحيطة ، كما هو موضح في الصورة أدناه.

كل ذرة من أشباه الموصلات الذاتية لديه 4 إلكترونات التكافؤ. أي 4 إلكترونات تدور في الطبقة الخارجية لكل ذرة. بدوره ، كل من هذه الإلكترونات تشكل روابط مع الإلكترونات المجاورة.

وبهذه الطريقة ، تحتوي كل ذرة على 8 إلكترونات في أكثر طبقاتها سطحية ، والتي تشكل اتحادًا قويًا بين الإلكترونات والذرات التي تشكل الشبكة البلورية.

بسبب هذا التكوين ، لا تتحرك الإلكترونات بسهولة داخل الهيكل. وبالتالي ، في ظل الظروف القياسية ، تتصرف أشباه الموصلات الداخلية كعازل.

ومع ذلك ، فإن موصلية أشباه الموصلات الداخلية ترتفع كلما زادت درجة الحرارة ، لأن بعض الإلكترونات التكافؤ تمتص الطاقة الحرارية وتفصلها عن الروابط..

تصبح هذه الإلكترونات إلكترونات حرة ، وإذا تم معالجتها بشكل صحيح عن طريق وجود اختلاف في الإمكانات الكهربائية ، فإنها يمكن أن تسهم في دوران التيار داخل الشبكة البلورية.

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

تستحث حركة إلكترونات التكافؤ فراغًا في التركيب الجزيئي ، وهو ما يترجم إلى تأثير مشابه لذلك الذي من شأنه أن ينتج شحنة موجبة في النظام ، بحيث يتم اعتبارها حاملة لشحنة موجبة.

بعد ذلك ، يحدث تأثير عكسي ، حيث أن بعض الإلكترونات يمكن أن تسقط من شريط التوصيل حتى تنطلق طبقة التكافؤ من الطاقة في العملية ، والتي تستقبل اسم إعادة التركيب.

أشباه الموصلات الخارجية

تتفق مع تضمين الشوائب داخل الموصلات الداخلية ؛ وهذا هو ، من خلال دمج العناصر ثلاثية التكافؤ أو pentavalent.

تُعرف هذه العملية باسم المنشطات وتهدف إلى زيادة توصيل المواد ، لتحسين الخواص الفيزيائية والكهربائية لهذه المواد.

عن طريق استبدال ذرة أشباه الموصلات الداخلية لذرة مكون آخر ، يمكن الحصول على نوعين من أشباه الموصلات الخارجية ، والتي يتم تفصيلها أدناه.

نوع أشباه الموصلات P

في هذه الحالة ، فإن الشوائب هي عنصر أشباه الموصلات ثلاثي التكافؤ ؛ وهذا هو ، مع ثلاثة (3) الإلكترونات في قذيفة التكافؤ.

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

يفتقر إلى إلكترون التكافؤ لتشكيل الروابط التساهمية الأربعة من أشباه الموصلات الداخلية ، لديه أشباه الموصلات من نوع P وجود فجوة في الرابط المفقود.

وهذا يجعل مرور الإلكترونات التي لا تنتمي إلى الشبكة البلورية من خلال فتحة حامل الشحنة الموجبة.

نظرًا للشحنة الموجبة لفجوة الارتباط ، يتم استدعاء هذا النوع من الموصلات بالحرف "P" ، وبالتالي ، يتم التعرف عليها كمقبلات إلكترونية.

ينتج عن تدفق الإلكترونات عبر فجوات الرابطة تيار كهربائي يتدفق في الاتجاه المعاكس للتيار المستمد من الإلكترونات الحرة.

نوع أشباه الموصلات N

يتم إعطاء العنصر الداخلي في التكوين بواسطة عناصر خماسية التكافؤ ؛ وهذا هو ، تلك التي لديها خمسة (5) إلكترونات في الفرقة التكافؤ.

في هذه الحالة ، فإن الشوائب التي يتم دمجها في أشباه الموصلات الداخلية هي عناصر مثل الفسفور (P) أو الأنتيمون (Sb) أو الزرنيخ (As).

تحتوي المنشطات على إلكترون إضافي التكافؤ ، والذي من خلال عدم وجود رابط تساهمي للانضمام إليه ، يكون تلقائيًا حرًا للتنقل عبر الشبكة البلورية.

هنا ، يدور التيار الكهربائي عبر المادة بفضل فائض الإلكترونات الحرة التي يوفرها المنشق. لذلك ، تعتبر أشباه الموصلات من النوع N الجهات المانحة للإلكترون.

ملامح

تتميز أشباه الموصلات بوظائفها المزدوجة وكفاءة الطاقة وتنوع التطبيقات وبتكلفة منخفضة. وفيما يلي أهم الخصائص المميزة لأشباه الموصلات.

- يمكن أن تختلف استجابتها (موصل أو عازل) حسب حساسية العنصر للإضاءة ، والمجالات الكهربائية والمجالات المغناطيسية للبيئة.

- إذا تعرض أشباه الموصلات إلى درجة حرارة منخفضة ، فسيتم تثبيت الإلكترونات معًا في شريط التكافؤ ، وبالتالي لن تنشأ إلكترونات حرة لتدوير التيار الكهربائي. 

في المقابل ، إذا تعرض أشباه الموصلات لدرجات حرارة عالية ، فإن الاهتزاز الحراري يمكن أن يؤثر على قوة الروابط التساهمية لذرات العناصر ، تاركًا إلكترونات مجانية للتوصيل الكهربائي..

- تختلف موصلية أشباه الموصلات تبعا لنسبة الشوائب أو عناصر المنشطات داخل أشباه الموصلات الداخلية.

على سبيل المثال ، إذا تم تضمين 10 ذرات من البورون في مليون ذرة من السيليكون ، فإن هذه النسبة تزيد من التوصيل للمركب ألف مرة ، مقارنة بموصلية السيليكون النقي..

- موصلية أشباه الموصلات تختلف في نطاق بين 1 و 10^-6 S.cm^-1, اعتمادا على نوع العنصر الكيميائي المستخدم.

- يمكن أن تحتوي أشباه الموصلات المركبة أو الخارجية على خواص بصرية وكهربائية تفوق إلى حد كبير خصائص أشباه الموصلات الداخلية ، ومن الأمثلة على هذا الجانب زرنيخيد الغاليوم (GaAs) ، الذي يستخدم في الغالب في الترددات الراديوية والاستخدامات الأخرى للتطبيقات الإلكترونية البصرية..

تطبيقات

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

واحدة من العناصر الرئيسية لدائرة متكاملة هي الترانزستورات. هذه الأجهزة تفي بوظيفة توفير إشارة خرج (تذبذبي ، تضخيم أو تصحيح) وفقًا لإشارة دخل محددة.

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

لتصميم الثنائيات ، يتم تشكيل مفاصل أشباه الموصلات الخارجية من النوع P والنوع N. من خلال تبديل العناصر الحاملة والجهات المانحة للإلكترون ، يتم تنشيط آلية التوازن بين المنطقتين..

وبالتالي ، تتقاطع الإلكترونات والثقوب الموجودة في كلا المنطقتين ويكمل كل منهما الآخر عند الضرورة. يحدث هذا بطريقتين:

- يحدث نقل الإلكترونات من منطقة النوع N إلى المنطقة P. تحصل المنطقة من النوع N على منطقة تحميل إيجابية في الغالب.

- يتم عرض مرور الثقوب التي تحمل الإلكترون من منطقة نوع P إلى منطقة نوع N ، وتكتسب المنطقة من نوع P شحنة سالبة في الغالب.

أخيرًا ، يتم إنشاء حقل كهربائي يحفز الدورة الحالية في اتجاه واحد فقط ؛ وهذا هو ، من المنطقة N إلى المنطقة P.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يؤدي استخدام مجموعات من أشباه الموصلات الداخلية والخارجية إلى إنتاج أجهزة تؤدي وظائف مماثلة لأنبوب الفراغ الذي يحتوي على حجمه مئات المرات.

ينطبق هذا النوع من التطبيقات على الدوائر المتكاملة ، مثل رقائق المعالجات الدقيقة التي تغطي كمية كبيرة من الطاقة الكهربائية.

توجد أشباه الموصلات في الأجهزة الإلكترونية التي نستخدمها في حياتنا اليومية ، مثل معدات الخطوط البنية مثل أجهزة التلفزيون ومشغلات الفيديو وأجهزة الصوت ؛ أجهزة الكمبيوتر والهواتف المحمولة.

أمثلة

أشباه الموصلات الأكثر استخدامًا في صناعة الإلكترونيات هو السيليكون (Si). هذه المواد موجودة في الأجهزة التي تشكل الدوائر المتكاملة التي تشكل جزءًا من يومنا إلى يوم.

تستخدم الجرمانيوم وسبائك السيليكون (SiGe) في دوائر متكاملة عالية السرعة للرادارات ومكبرات الصوت من الأدوات الكهربائية ، مثل الجيتارات الكهربائية.

مثال آخر لأشباه الموصلات هو زرنيخيد الغاليوم (GaAs) ، ويستخدم على نطاق واسع في مكبرات الصوت ، وخاصة الإشارات ذات الكسب العالي ومستوى الضوضاء المنخفض.

مراجع

1. براين ، م. كيف تعمل أشباه الموصلات. تم الاسترجاع من: electronics.howstuffworks.com
2. لاندين ، P. (2014). أشباه الموصلات الداخلية والخارجية. تم الاسترجاع من: pelandintecno.blogspot.com
3. روس ، م. 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؟ (بدون تاريخ). © شركة Hitachi High-Technologies Corporation. تم الاسترجاع من: hitachi-hightech.com
6. ويكيبيديا ، الموسوعة الحرة (2018). أشباه الموصلات. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org