أشباه الموصلات الجوهرية والخارجية

الموصل النقي يوصل فقط من خلال أزواج الإلكترون-الفجوة المتولدة حرارياً، لكن إضافة الشوائب المانحة أو المستقبلة عمداً يحوله إلى مادة من النوع n أو النوع p ذات موصلية قابلة للتحكم.

Definition

شبه الموصل الجوهري هو بلورة نقية تتولد فيها أعداد متساوية من الإلكترونات والفجوات عن طريق الإثارة الحرارية عبر فجوة النطاق؛ أما شبه الموصل الخارجي فهو شبه موصل مطعم بشوائب مانحة أو مستقبلة تخلق فائضاً من نوع واحد من الحاملات، مما يجعله من النوع n أو النوع p.

Scope

يميز هذا الموضوع بين أشباه الموصلات الجوهرية، حيث تتساوى تركيزات الإلكترونات والفجوات وتتحدد بالإثارة الحرارية عبر الفجوة، وبين أشباه الموصلات الخارجية (المطعمة)، حيث توفر الشوائب المانحة أو المستقبلة حاملات الأغلبية. ويغطي مستويات المانح والمستقبل الضحلة، والتأين، وأنظمة درجة الحرارة الخاصة بالتجمد، والخارجية، والجوهرية، وما ينتج عنها من اعتماد تركيز الحاملات على درجة الحرارة. كما يمهد لمواضيع إحصائيات الحاملات والوصلات التي تلي ذلك.

Core questions

• كيف تتكون الحاملات في شبه الموصل النقي، ولماذا يرتفع التركيز الجوهري بشكل حاد مع درجة الحرارة؟
• كيف تنتج الشوائب المانحة والمستقبلة مواد من النوع n والنوع p؟
• لماذا تكون مستويات طاقة الشوائب ضحلة، وكيف يختلف التأين مع درجة الحرارة؟
• ما هي أنظمة التجمد، والخارجية، والجوهرية لتركيز الحاملات؟

Key concepts

• تركيز الحاملات الجوهري
• الشوائب المانحة والمستقبلة
• المواد من النوع n والنوع p
• مستويات الشوائب الضحلة والتأين
• أنظمة التجمد، والخارجية، والجوهرية

Clinical relevance

التطعيم المتحكم به الذي يميز المواد الخارجية عن الجوهرية هو أساس جميع الأجهزة شبه الموصلة؛ فاختيار نوع وتركيز المادة المطعمة يحدد كثافة الحاملات وموصلية المناطق التي تشكل الثنائيات، والترانزستورات، والدوائر المتكاملة.

History

توضح دور الشوائب في توصيل أشباه الموصلات في ثلاثينيات وأربعينيات القرن الماضي، وأدى تطوير التطعيم المتحكم به ونمو البلورات الأحادية في مختبرات بيل في أواخر الأربعينيات وأوائل الخمسينيات إلى إمكانية إنتاج مواد من النوع n والنوع p قابلة للتكرار، مما مكن من اختراع الترانزستور وصناعة أشباه الموصلات.

Key figures

• William Shockley
• Gordon Teal
• Walter Brattain

Seminal works

• sze2007
• ashcroft1976

Frequently asked questions

ما الذي يجعل المادة المطعمة مانحة أو مستقبلة؟

المانح لديه إلكترون تكافؤ واحد أكثر من ذرة المضيف التي يحل محلها، ويتخلى عنه بسهولة لنطاق التوصيل (النوع n)؛ أما المستقبل فلديه إلكترون واحد أقل، ويلتقط إلكتروناً من نطاق التكافؤ ويترك فجوة (النوع p).

لماذا يوصل شبه الموصل الجوهري بشكل أفضل عند تسخينه؟

رفع درجة الحرارة يمنح المزيد من الإلكترونات طاقة كافية لعبور فجوة النطاق، مما يزيد بشكل كبير من عدد أزواج الإلكترون-الفجوة المتاحة لحمل التيار، وهو عكس ما يحدث في المعدن الذي تنخفض موصليته مع التسخين.