فيزياء أشباه الموصلات
أشباه الموصلات هي مواد تسمح فجوتها النطاقية المتواضعة بضبط موصليتها عن طريق درجة الحرارة والتشويب والمجالات المطبقة، مما يجعلها الأساس الفيزيائي للإلكترونيات الحديثة.
Definition
فيزياء أشباه الموصلات هي تطبيق نظرية النطاقات الإلكترونية على المواد ذات الفجوة النطاقية الصغيرة بما يكفي بحيث يؤدي الإثارة الحرارية والتشويب إلى ملء نطاق التوصيل ونطاق التكافؤ بإلكترونات وفجوات متحركة، والتي يمكن التحكم في تركيزاتها وحركتها لبناء الأجهزة الإلكترونية.
Scope
يغطي هذا المجال فيزياء المواد الصلبة شبه الموصلة: السلوك الجوهري والخارجي (المشوب)، إحصائيات حاملات الإلكترونات والفجوات، موقع مستوى فيرمي، تكوين الوصلات p-n وانحناء النطاق عند الواجهات، وامتصاص الضوء وخصائص النقل التي تحكم الأجهزة. يطبق نظرية النطاقات على المواد ذات الفجوة الصغيرة ويربط التركيب الإلكتروني المجهري بعمل الثنائيات والترانزستورات والأجهزة الكهروضوئية، مع ترك تفاصيل هندسة الأجهزة للمجالات التطبيقية.
Sub-topics
Core questions
- كيف تجعل الفجوة النطاقية الصغيرة لشبه الموصل تركيز حاملاته حساسًا لدرجة الحرارة والتشويب؟
- ما هو دور الفجوات، وكيف تخلق الشوائب المانحة والمستقبلة مواد من النوع n والنوع p؟
- كيف تقوم الوصلة p-n بتقويم التيار من خلال انحناء النطاق والجهد الداخلي؟
- ما الذي يحدد الامتصاص البصري وحركية الحاملات التي تحكم أجهزة أشباه الموصلات؟
Key concepts
- الفجوة النطاقية، نطاق التوصيل، ونطاق التكافؤ
- الإلكترونات والفجوات كحاملات شحنة
- التشويب المانح والمستقبل (النوع n والنوع p)
- مستوى فيرمي وإحصائيات الحاملات
- الوصلة p-n، الجهد الداخلي، والتقويم
Key theories
- إحصائيات الحاملات وقانون فعل الكتلة
- تتبع تركيزات الإلكترونات والفجوات في حالة التوازن من كثافة الحالات وإحصائيات فيرمي-ديراك؛ ويكون حاصل ضربهما ثابتًا عند درجة حرارة معينة، لذا فإن التشويب الذي يزيد أحد الحاملات يثبط الآخر.
- تقويم الوصلة p-n
- يؤدي ربط مادة من النوع p ومادة من النوع n إلى محاذاة مستوى فيرمي، مما يؤدي إلى انحناء النطاقات وإنشاء منطقة استنزاف ذات مجال داخلي يسمح للتيار بالتدفق بسهولة في اتجاه واحد فقط، وهو أساس الثنائي.
Clinical relevance
تُعد فيزياء أشباه الموصلات الأساس لصناعة الإلكترونيات وتكنولوجيا المعلومات بأكملها: فالثنائيات والترانزستورات والدوائر المتكاملة والخلايا الشمسية والصمامات الثنائية الباعثة للضوء والليزر وكاشفات الضوء كلها تعتمد على فيزياء الحاملات والوصلات التي طُورت هنا.
History
فسرت النظرية الكمومية للنطاقات سلوك أشباه الموصلات في ثلاثينيات القرن الماضي، وأدى اختراع ترانزستورات التلامس النقطي والوصلة بواسطة باردين وبراتين وشوكلي في مختبرات بيل في 1947-1948 إلى تحويل فيزياء أشباه الموصلات إلى أساس الإلكترونيات الحديثة والثورة الميكروإلكترونية اللاحقة.
Key figures
- William Shockley
- John Bardeen
- Walter Brattain
Related topics
Seminal works
- sze2007
- ashcroft1976
Frequently asked questions
- ما هي الفجوة؟
- الفجوة هي غياب إلكترون في نطاق تكافؤ ممتلئ؛ تتصرف كحامل متحرك مشحون إيجابًا، وتتبع الفجوات أبسط بكثير من تتبع العديد من الإلكترونات التي تتحرك لملئها.
- لماذا يغير إضافة كميات ضئيلة من الشوائب الموصلية بشكل كبير؟
- تُدخل ذرات المانح أو المستقبل مستويات طاقة داخل الفجوة مباشرةً يسهل تأينها عند درجة حرارة الغرفة، لذا حتى التشويب بأجزاء في المليون يمكن أن يغير تركيز الحاملات الحرة بعدة مراتب من حيث الحجم.