كيمياء المواد شبه الموصلة
تدرس كيمياء المواد شبه الموصلة المواد الصلبة التي تتراوح موصليتها بين المعادن والعوازل، ويمكن التحكم فيها بدقة عن طريق التركيب والتشويب، مما يوفر المواد التي تُبنى منها الأجهزة الإلكترونية والبصرية الإلكترونية.
Definition
شبه الموصل هو مادة صلبة ذات فجوة نطاق متواضعة يمكن التحكم في موصليتها الكهربائية على مدى عدة رتب من المقادير بواسطة درجة الحرارة وخاصة عن طريق التشويب؛ وتدرس كيمياء المواد شبه الموصلة التركيب والعيوب وتحضير هذه المواد الصلبة.
Scope
يغطي هذا الموضوع كيمياء المواد الصلبة شبه الموصلة: فجوة النطاق التي تحدد شبه الموصل، التوصيل الجوهري مقابل التوصيل الخارجي، وتشويب أشباه الموصلات العنصرية مثل السيليكون والجرمانيوم بالمانحات والمستقبلات. ويمتد ليشمل أشباه الموصلات المركبة — عائلات III-V و II-VI — التي تتناسب فجواتها المباشرة القابلة للضبط مع انبعاث الضوء، وإلى طرق التنقية ونمو البلورات وترسيب الأغشية الرقيقة التي تنتج مواد بجودة الأجهزة.
Core questions
- ما هو نطاق فجوة النطاق الذي يحدد شبه الموصل؟
- كيف تتحكم الشوائب المانحة والمستقبلة في الموصلية ونوع حاملات الشحنة؟
- كيف توسع أشباه الموصلات المركبة نطاق فجوات النطاق المتاحة؟
- كيف يتم تنقية وتنمية المواد شبه الموصلة بجودة الأجهزة؟
Key concepts
- فجوة النطاق
- أشباه الموصلات الجوهرية والخارجية
- التشويب بالمانحات والمستقبلات
- مركبات III-V و II-VI
- الفجوات المباشرة وغير المباشرة
- نمو البلورات والتنقية
Key theories
- التوصيل الجوهري والخارجي
- في شبه الموصل الجوهري، يعتمد التوصيل على أزواج الإلكترون-فجوة المتولدة حرارياً عبر الفجوة؛ يضيف التشويب بذرات مانحة أو مستقبلة حالات ضحلة توفر حاملات شحنة من إشارة مختارة، مما يجعل الموصلية قابلة للتحكم عن طريق التركيب.
- أشباه الموصلات المركبة وهندسة فجوة النطاق
- يؤدي دمج عناصر من المجموعتين III و V أو II و VI إلى إنتاج أشباه موصلات يمكن ضبط فجوة نطاقها وما إذا كانت مباشرة أو غير مباشرة عن طريق التركيب، مما يسمح بتصميم مواد تتناسب مع وظائف إلكترونية وباعثة للضوء محددة.
Mechanisms
تضع الشوائب المانحة الإلكترونات أسفل نطاق التوصيل مباشرة، وتضع الشوائب المستقبلة الفجوات أعلى نطاق التكافؤ مباشرة، بحيث تؤينها طاقة حرارية متواضعة وتثبت تركيز حاملات الشحنة؛ يؤدي إعادة التركيب الحامل عبر فجوة مباشرة إلى انبعاث الضوء، وهو أساس مصادر الضوء شبه الموصلة.
Clinical relevance
المواد شبه الموصلة هي أساس الإلكترونيات الدقيقة والإلكترونيات الضوئية: السيليكون المشوب يصنع الترانزستورات والدوائر المتكاملة، وأشباه الموصلات المركبة تصنع الثنائيات الباعثة للضوء، وثنائيات الليزر، والكواشف الضوئية، وتحدد النقاء والكمال البلوري الذي يتحقق بالكيمياء الدقيقة أداء الجهاز.
History
تجسد فهم أشباه الموصلات حول اختراع الترانزستور عام 1947، والذي أظهر أن التشويب المتحكم فيه للسيليكون والجرمانيوم يمكن أن يصنع جهازًا قابلاً للتحويل والتضخيم. ثم وفر تطوير التكرير المناطقي ونمو البلورات الأحادية مواد فائقة النقاء، ووسعت أشباه الموصلات المركبة المجال ليشمل انبعاث الضوء والإلكترونيات عالية السرعة.
Key figures
- William Shockley
- John Bardeen
- Walter Brattain
Related topics
Seminal works
- callister2018
- kittel2005
Frequently asked questions
- كيف يحول التشويب بلورة تبدو عازلة إلى موصل مفيد؟
- تؤدي إضافة كمية ضئيلة من عنصر يحتوي على إلكترون تكافؤ واحد أكثر أو أقل من المضيف إلى إدخال مستويات طاقة ضحلة بالقرب من حواف النطاق. تطلق هذه المستويات إلكترونات أو فجوات يتم تنشيطها بسهولة، مما يزيد الموصلية بمقادير كبيرة ويحدد ما إذا كان التوصيل يتم بواسطة حاملات شحنة سالبة أو موجبة.
- لماذا تستخدم الأجهزة الباعثة للضوء أشباه الموصلات المركبة بدلاً من السيليكون؟
- يحتوي السيليكون على فجوة نطاق غير مباشرة، لذا نادرًا ما يؤدي إعادة تركيب الإلكترون-فجوة إلى انبعاث فوتون. العديد من أشباه الموصلات المركبة لها فجوات مباشرة، حيث ينتج إعادة التركيب الضوء بكفاءة، مما يجعلها المواد المفضلة للثنائيات الباعثة للضوء وثنائيات الليزر.