الدرس: 7-6 أشباه الموصلات المُطَعّمة (المشوبة او غير النقية)

أشباه الموصلات المطعمة (المشوبة أو غير النقية):

ما الغرض من تطعيم أشباه الموصلات النقية بشوائب ثلاثية أو خماسية التكافؤ؟

للسيطرة على قابلية التوصيل الكهربائي لمادة شبه الموصل من خلال تشويبه بشوائب ثلاثية أو خماسية.

وضح ماذا يحصل لموقع مستوى فيرمي عند تطعيم شبه الموصل بإضافة شوائب؟

ينزاح موقع مستوى فيرمي نحو الأعلى أو نحو الأسفل وتتحدد تلك الإزاحة على نوع الشائبة المضافة فإذا كانت الشائبة خماسية التكافؤ (ذرات مانحة) يزداد تركيز الإلكترونات الحرة في حزمة التوصيل ويقل تركيز الفجوات لذا فإن الذرات المانحة تضيف مستوى طاقة جديد (لمستوى المانح) فيرتفع مستوى فيرمي مقترباً من حزمة التوصيل فوق المستوى المانح، أما عند إضافة شوائب ثلاثية (ذرات قابلة) فإنها تضيف مستوى طاقة جديد (المستوى القابل) ضمن ثغرة الطاقة المحظورة فينخفض مستوى فيرمي مقتربا من حزمة التكافؤ.

لماذا تفضل طريقة التطعيم في أشباه الموصلات على طريقة التأثير الحراري؟

وذلك لعدم إمكانية السيطرة على قابلية التوصيل الكهربائي لمادة شبه الموصل النقية بطريقة التأثير الحراري، لذا يتطلب عملياً إيجاد طريقة أفضل للتحكم في توصيليته الكهربائية من خلال إضافة شوائب ثلاثية أو خماسية التكافؤ بنسب محدودة.

ما المقصود بـ (عملية التطعيم) في أشباه الموصلات؟

التطعيم هي عملية إضافة عناصر ثلاثية التكافؤ أو خماسية التكافؤ تسمى الشوائب بعناية وبمعدل مسيطر عليه (بنسبة واحد لكل 10⁸ تقريباً) وبدرجة حرارة الغرفة وبنسب قليلة ومحددة في بلورة شبة الموصل.

شبه الموصل نوع N

كيف يمكن الحصول على بلورة نوع N؟

من خلال تطعيم بلورة شبه الموصل النقية (سليكون مثلاً) بشوائب ذراتها خماسبة التكافؤ (أنتيون مثلاً) بعناية وبمعدل مسيطر عليه وبدرجة حرارة الغرفة ونتيجة لذلك في كل ذرة شائبة تحل محل ذرة سليكون وترتبط بأربع ذرات سليكون مجاورة لها بواسطة أربعة من إلكترونات التكافؤ الخمسة للذرة الشائبة، أما الإلكترون الخامس فيترك حراً في الهيكل البلوري.

.

ما المقصود بـ:

1. الذرة المانحة.

2. المستوى المانح.

• الذرة المانحة: تلك الذرة خماسية التكافؤ التي تسهم إلكتروناتها في عملية التوصيل الكهربائي لمادة شبه الموصل المطعمة.
• المستوى المانح: هو مستوى طاقة جديد يقع ضمن ثغرة الطاقة المحظورة وتحت حزمة التوصيل مباشرة يضاف من قبل الذرات المانحة التي تسبب زيادة تركيز الإلكترونات الحرة في حزمة التوصيل وتقليل الفجوات في حزمة التكافؤ، وتشغله الإلكترونات التي حررتها الذرات المانحة.

الذرة المانحة تصير أيوناً موجباً يرتبط مع الهيكل البلوري ارتباطاً وثيقاً ولا يعد من حاملات الشحنة، علل ذلك؟

لأنه لا يشارك في عملية التوصيل الكهربائي لشبه الموصل المطعم لكونه يرتبط مع الهيكل البلوري ارتباطاً وثيقاً بوساطة آصرة تساهمية.

ماذا يحصل لموقع مستوى فيرمي عند تطعيم شبه الموصل النقي بشوائب خماسية التكافؤ (مانحة)؟

يرتفع مستوى فيرمي ويقترب من حزمة التوصيل، انظر الشكل.

يكون تركيز الإلكترونات في حزمة التوصيل أكبر من تركيز الفجوات في حزمة التكافؤ في حزمة التكافؤ في شبه الموصل نوع N، علل ذلك؟

لأن الإلكترونات التي تحررها الشوائب خماسية التكافؤ لا تترك فجوات في حزمة التكافؤ عند انتقالها إلى حزمة التوصيل.

في شبه الموصل نوع N تسمى الإلكترونات و(حاملات الشحنة الرئيسية أو الأغلبية)، بينما تسمى الفجوات و(حاملات الشحنة الثانوية أو الأقلية)، علل ذلك؟

لأن الإلكترونات تولدت من عمليتي التطعيم والتأثير الحراري فيكون تركيزها في حزمة التوصيل كبير، بينما الفجوات تولدت نتيجة التأثير الحراري فقط فيكون تركيزها في حزمة التكافؤ أقل.

ما سبب تسمية بلورة شبه الموصل بعد تطعيمها بشوائب خماسية ب (شبه الموصل نوع N) أو (البلورة من النوع السالب)؟

لأن الحاملات الأغلبية للشحنة هي الإلكترونات وحرف N يرمز إلى الحرف الأول من شحنتها (Neatine Charges) وهي متعادلة الشحنة.

ما هو صافي شحنة شبه الموصل نوع N ولماذا؟

صافي شحنة شبه الموصل نوع N تساوي صفر، أي متعادلة كهربائياً، لأنها تمتلك عدداً من الشحنات السالبة مساوياً لعدد الشحنات الموجبة.

شبه الموصل نوع P.

كيف يمكن الحصول على بلورة شبه موصل من النوع P؟

يتم ذلك من خلال تطعيم بلورة شبه موصل نقية (السليكون مثلاً) بذرات شوائب ثلاثية التكافؤ (البورون مثلاً) بعناية وبمعدل مسيطر عليه وبدرجة حرارة الغرفة، ونتيجة لذلك فإن كل ذرة شائبة تحل محل ذرة سليكون وترتبط مع أربع ذرات سليكون مجاورة بأواصر تساهمية من خلال إلكترونات التكافؤ الثلاث، بينما تبقى الآصرة الرابعة تفتقر إلى إلكترون فيتولد نتيجة لذلك فجوة موجبة في بلورة السليكون المطعمة.

ما المقصود بـ:

1. الذرة القابلة.

2. المستوى القابل.

• الذرة القابلة: هي تلك الذرة ثلاثية التكافؤ التي تترك فجوة عند ارتباطها تساهمياً مع أربع ذرات - لتقبل إلكترون تكافؤ رابع يجعل البلورة في حالة استقرار كيميائي وهذه الفجوة تسهم في عملية التوصيل الكهربائي لمادة شبه الموصل المطعمة.
• المستوى القابل: هو مستوى طاقة جديد يقع ضمن ثغرة الطاقة المحظورة وفوق حزمة التكافؤ مباشرة يضاف من قبل الذرات القابلة التي تسبب زيادة تركيز الفجوات في حزمة التكافؤ وهذا المستوى تشغله الفجوات التي تكونت بسبب الذرات القابلة.

الذرة القابلة تصبح أيوناً سالباً في الهيكل البلوري لشبه الموصل ولكنه لا يعد من نواقل الشحنة، علل ذلك؟

لأنه لا يسهم في صدارة التوصيل الكهربائي، لكونه يرتبط في الهيكل البلوري لشبه الموصل المطعم ارتباطاً وثيقاً بآصرة تساهمية.

ما تأثير تشویب شبه الموصل النقي بذرات ثلاثية التكافؤ (قابلة) على مستوى فيرمي؟

ينخفض مستوى فيرمي ويقترب من حزمة التكافؤ انظر الشكل السابق.

في شبه الموصل نوع p تسمى الفجوات في حزمة التكافؤ، (النواقل الرئيسية أو الأغلبية)، بينما الإلكترونات تسمى ب (النواقل الثانوية أو الأقلية) علل ذلك؟

لأن الفجوات تولدت من عمليتي التطعيم والتأثير الحراري فيكون تركيزها في حزمة التكافؤ أكبر، بينما الإلكترونات تولدت نتيجة التأثير الحراري فقط فيكون تركيزها في حزمة التوصيل أقل.

يكون تركيز الفجوات في حزمة التكافؤ أكبر من تركيز الإلكترونات في حزمة التوصيل في شبه الموصل نوع P، ما سبب ذلك؟

لأن الذرات ثلاثية التكافؤ تسبب في نشوء فجوات في حزمة التكافؤ عند قبولها إلكتروناً من إلكترونات التكافؤ، ولا يحصل انتقال إلكترونات إضافية إلى حزمة التوصيل.

ما سبب تسمية بلورة شبه الموصل بعد تطعيمها بشوائب ثلاثية التكافؤ ب (شبه الموصل نوع P) أو (البلورة من النوع الموجب)؟

لأن الحاملات الأغلبية للشحنة الفجوات وحرف P يرمز إلى الحرف الأول من شحنتها (Positive holes) وهي متعادلة الشحنة وليست موجبة.

ما هو صافي شحنة شبه الموصل نوع P؟ ولماذا؟

صافي شحنة شبه الموصل نوع P تساوي صفر، أي متعادلة كهربائياً، لأنها تمتلك عدداً من الشحنات السالبة مساوياً لعدد الشحنات الموجبة.

ماذا يحصل لمستوى فيرمي عند تطعيم بلورة شبه موصل بشوائب.

1. خماسية التكافؤ.

2. ثلاثية التكافؤ.

• خماسية التكافؤ: يرتفع مستوى فيرمي ويقترب من حزمة التوصيل.
• ثلاثية التكافؤ: ينخفض مستوى فيرمي ويقترب من حزمة التكافؤ.

ما مقدار ثغرة الطاقة المحظورة لكل من السليكون والجرمانيوم عند حرارة:

1. الصفر المطلق (0 K)

2. درجة حرارة الغرفة (300 k).

• عند الصفر المطلق: مقدار ثغرة الطاقة المحظورة للسليكون: (1.2ev) وللجرمانيوم (0.78ev).
• عند درجة حرارة الغرفة: مقدار ثغرة الطاقة المحظورة للسليكون (1.1ev)، للجرمانيوم (0.72ev).