الترانزستورات ج2 أنصاف النواقل ج2

نتابع في المقال اليوم حديثنا عن أنصاف النواقل، حيث نتحدث عن إشابة أنصاف النواقل وأنماطها ...

متابعة مفيدة وممتعة ..

كيف تتم عملية الإشابة:

إن عملية الإشابة هي باختصار إضافة مواد إلى شريحة السليكون تسبب زيادة إما في عدد الالكترونات الحرة فيكون نصف الناقل من النمط N، أو زيادة في عدد الثقوب الموجبة فيكون نصف الناقل من النمط P. عند إشابة شريحة السيلكون فإن ناقليتها الكهربائية تتغير حيث تتحول الشريحة السيلكونية من كونها عازلاً جيداً في الحالة النقية إلى شريحة تستجيب للجهود والإجهادات والتغييرات الحرارية المطبقة عليها.

أنصاف النواقل من النمط N:

تتم فيها إشابة البنية الكريستالية للسيليكون بذرات خماسية التكافؤ " Pentavalent impurities " كالزرنيخ " Arsenic As " أو الأنتيموني Antimony Sb" " أو الفوسفور Phosphorus P " "ويعتبر الأنتيموني والفوسفور الأكثر استخداماً، حيث تملك ذرات هذه المواد خمسة الكترونات في مدارها الخارجي، تقوم كل ذرة مشيبة بمشاركة أربعة الكترونات مع أربع ذرات سيليكون مجاورة وتشكل معها روابط مشتركة، أما الالكترون الحر الخامس فيبقى حرا ضمن النسيج البلوري، وعند تطبيق جهد كهربائي على شريحة السيلكون فإن هذا الالكترون سوف ينتقل إلى القطب الموجب للجهد المطبق ،وكلما زاد عدد الذرات المشيبة ضمن الشريحة كلما زاد عدد الالكترونات الحرة وبالتالي يزداد التيار. وبما أن كل ذرة خماسية التكافؤ قامت بتقديم (منح) الكترون، فإنها تسمى بالذرات المانحة "Donors"، ويكون نصف الناقل الناتج من النمط N، وتكون الالكترونات هي حوامل الشحنة الرئيسية Majority Carriers" ".

الشكل 3: بنية ذرة الأنتيموني وبنية شبكة نصف الناقل المشابة من النوع المانح

أنصاف النواقل من النمط P:

تتم فيها إشابة البنية الكريستالية للسيليكون بذرات ثلاثية التكافؤ Trivalent " "، كالألومينيوم Aluminum Al " "أوالبورون "Boron B " أوالإنديوم" Indium In "ويعتبر البورون الأكثر استخداماً، حيث تملك ذرات هذه المواد ثلاثة الكترونات في مدارها الخارجي تتشارك فيها مع ثلاث ذرات سيلكون مجاورة، وحتى يكتمل عدد الكترونات ذرات المادة المشيبة إلى ثمانية فإنها تأخذ هذا الالكترون من ذرة سيلكون مجاورة فيترك هذا الالكترون مكانه فارغا في ذرته وهذا المكان الفارغ يطلق عليه اسم الثقب"hole " وهو موجب الشحنة لأن الذرة خسرت الكترونا سالب الشحنة .

عند تطبيق جهد على شريحة السيلكون فإن الثقب سوف يتحرك إلى القطب السالب للجهد المطبق وينتقل الكترون من رابطة مشتركة مجاورة ليملأ مكان الثقب فتبدو الثقوب وكأنها تتحرك باتجاه معاكس لحركة الالكترونات (يمكن تشبيه الأمر بصف من الطلاب ينقص طالب في المقعد الأول، فيقوم الطالب في المقعد الثاني بملء هذا المقعد تاركاً مقعده فارغاً، وهكذا ينتقل كل طالب للأمام نقلة واحدة فيبدو وكأن المقعد الفارغ يعود للخلف).

بما أن كل ذرة مُشيبة ثلاثية التكافؤ قامت باكتساب الكترون من ذرة سيليكون مجاورة فإنها تسمى بالذرات الآخذة أو القابلة" Acceptors "، ويكون نصف الناقل من النمط P، وتكون الثقوب الموجبة هي حوامل الشحنة الرئيسية .

على الرغم من اعتبار الثقب ذا شحنة موجبة إلا أنه في الواقع لا يحمل أي شحنة فيزيائية ! اذا كيف تتم حركة الشحنات والثقب لا يحمل أي شحنة !! قد يبدو هذا الكلام للوهلة الأولى وكأنه تعارض بالفكرة، فعندما يقال بأن ثقبا يتحرك أو أن حوامل الشحنة الموجبة في السيلكون نمط P تتحرك فهو في الواقع تعبير اصطلاحي ، والحقيقة في ذلك أن الالكترونات هي التي تتحرك ولكن بطريقة مختلفة عن حركتها في السيلكون نمط N لإيضاح هذه الفكرة تصور أن لدينا قارورة ماء مغلقة تحتوي بداخلها على فقاعة من الهواء فإذا قلبنا هذه القارورة فإن فقاعة الهواء سوف تتحرك بعكس حركة الماء "الفقاعة هنا هي الثقوب والماء هو الالكترونات"، وكي تتحرك الفقاعة فإنها تحتاج أن يبتعد الماء عن طريقها وهذا ما يحصل في نصف الناقل من نمط P فعند تطبيق جهد على طرفي الشريحة فإن الالكترونات المحيطة بذرة المادة المشيبة تجبر على التحرك باتجاه الجهد الموجب المطبق أما الثقب القريب من ذرة المادة المشيبة فيبدو وكأنه يتحرك باتجاه القطب السالب للجهد المطبق وهذا الثقب في الواقع ينتظر قدوم الكترون من ذرة مجاورة كي يملأ مكانه، وهذا الالكترون القادم من ذرة مجاورة يترك مكانه ثقبا جديدا وهكذا تبدو الثقوب تتحرك ولكن في الواقع فإن الالكترونات هي المسببة لهذه الحركة.

الشكل 4: بنية ذرة البور وبنية شبكة نصف الناقل المشابة من النوع القابل

1.1. أنواع أنصاف النواقل:

تنتنمي أنصاف النواقل إلى عدة مجموعات ضمن جدول التصنيف الدوري للعناصر "Periodic Table ":

الشكل 5: جدول التصنيف الدوري للعناصر