الدرس: 6-5 أشباه الموصلات النقية

ما هي المواد شبه الموصلة الأكثر استعمالاً في التطبيقات الإلكترونية؟ وكيف يكون تركيبها البلوري في حالة استقرار كيميائي؟

الجرمانيوم (Ge) والسليكون (Si) من أهم أشباه الموصلات والأكثر استعمالاً في التطبيقات الإلكترونية إذ تحتوي كل ذرة أربع إلكترونات تكافؤ لذا كل ذرة من السليكون ترتبط مع أربع ذرات مجاورة لها من السليكون وبهذا تنشأ ثماني إلكترونات تكافؤ يكون كل زوج منها آصرة تساهمية تربط كل ذرتين متجاورتين في بلورة السليكون وتجعل البلورة في حالة استقرار كيميائي.

هل يمكن جعل شبه الموصل السليكون مثلاً يمتلك قابلية التوصيل الكهربائي بواسطة التأثير الحراري وضح ذلك؟

عند رفع درجة حرارة شبه الموصل النقي إلى درجة حرارة الغرفة (300K تكتسب إلكترونات التكافؤ طاقة كافية لكسر بعض الأواصر التساهمية لتنتقل من حزمة التكافؤ إلى حزمة التوصيل عبر ثغرة الطاقة المحظورة وبالتالي تكون هذه الإلكترونات حرة الحركة في حزمة التوصيل.

کیف تتولد الفجوات في شبه الموصل؟

تتولد نتيجة انتزاع إلكترون من ذرة شبه الموصل نتيجة التأثير الحراري أو الضوئي أو التطعيم بشائب.

ماذا يحصل عند انتقال الإلكترونات من حزمة التكافؤ إلى حزمة التوصيل؟

كل إلكترون ينتقل إلى حزمة التوصيل يترك خلفه فجوة في حزمة التكافؤ تعمل عمل شحنة موجية أعدادها تساوي أعداد الإلكترونات في حزمة التوصيل وبالنتيجة تتكون أزواج من (الإلكترون - فجوة).

ما تأثير زيادة أعداد الأزواج (إلكترون - فجوة) على المقاومة النوعية لشبه الموصل؟

زيادة عدد الإلكترونات في حزمة التوصيل والتي تقابلها زيادة في الفجوات في حزمة التكافؤ في المادة شبه الموصلة النقية بالتأثير الحراري، يعني حصول تقصان في المقاومة النوعية لمدة شبه الموصل.

يسلك شبه الموصل النقي سلوك العازل عند درجات حرارية منخفضة جداً تقارب (صفر كلفن) وانعدام الضوء، علل ذلك؟

لأن عند الدرجات المقاربة للصفر المطلق والظلمة تنعدم الحرارة انعداماً شبه تام وبالتالي لا يوجد تأثير حراري يكسب الإلكترونات طاقة لتنتقل من حزمة التكافؤ إلى حزمة توصيل.

ماذا يحصل لثغرة الطاقة المحظورة عند ارتفاع درجة الحرارة فوق الصفر كلفن حتى درجة حرارة الغرفة لكل من السليكون والجرمانيوم؟

يقل مقدار ثغرة الطاقة المحظورة في السليكون النقي والجرمانيوم بارتفاع درجة الحرارة فوق الصفر کلفن حتى درجة حرارة الغرفة (300K) فيكون مقدارها عند تلك الدرجة (1.1ev) للسليكون و(0.72ev) للجرمانيوم في درجة حرارة الغرفة (300K) يكون تركيز الفجوات الموجبة المتولدة في حزمة التكافؤ مساوياً لتركيز الإلكترونات الحرة في حزمة التوصيل.

تيار الإلكترونات والفجوات:

عند تسليط مجال كهربائي مناسب هل ينساب تيار كهربائي خلال المادة شبه الموصلة النقية في درجة حرارة الغرفة؟ وما نوع هذا التيار؟

نعم ينساب، حيث ينجذب سيل من الإلكترونات الحرة بسهولة نحو الطرف الموجب يسمى تيار الإلكترونات، ويتولد نوع آخر من التيار في حزمة التكافؤ يسمى تيار الفجوات والتيار الكلي المنساب خلال شبه الموصل النقي نتج من مجموع تيار الإلكترونات وتيار الفجوات.

ما المقصود بـ (حوامل الشحنة)؟

حوامل الشحنة: تعني كل من الإلكترونات والفجوات المكونة للتيار المنساب في مادة شبه الموصل.

ما الذي يحدد إشغال الإلكترونات مستوى معين من مستويات الطاقة المسموح بها للإلكترونات؟

إن إشغال الإلكترونات بمستويات طاقة مسموح بها يحدد نسبة إلى مستوى طاقة معين يسمى مستوى فيرمي.

ما المقصود مستوى فيرمي؟ وأين يقع في كل من الموصلات وأشباه الموصلات النقية عند الصفر المطلق؟

مستوى فيرمي: هو أعلى مستوى طاقة مسموح به يمكن أن يشغله الإلكترون عند حرارة الصفر المطلق (0K).

أما موقعه:

• في الموصلات: يقع فوق المنطقة المملوءة بالإلكترونات من حزمة التوصيل ومستوى الطاقة الذي تشغله هذه الإلكترونات يكون تحت مستوى فيرمي.
• في أشباه الموصلات: يقع في منتصف ثغرة الطاقة المحظورة بين حزمة التوصيل وحزمة التكافؤ.