انتقل إلى المحتوى

شبه موصل

من ويكيبيديا، الموسوعه الحره
 شبه موصل
لقيم   تعديل قيمة خاصية صنف فرعى من (P279) في ويكي بيانات
 

تعديل  طالع توثيق القالب

لنك عشوائى
تصانيف شوف كمان
مصطلحات | مهن
جهاز| جوايز
كل الليستات		 اينداكتور

أشباه الموصلات هيا مواد ذات موصلية كهربائية بين موصلية الموصلات والعوازل .[1] ويمكن تعديل موصليتها بإضافة شوائب (" التطعيم ") لبنيتها البلورية . فلما توجد منطقتان بمستويات تطعيم مختلفة فى البلورة نفسها، فإنهما بتشكلان وصلة شبه موصلة . بس، بيستخدم مصطلح "أشباه الموصلات" ساعات للإشارة لأجهزة أشباه الموصلات ، زى الرقائق الإلكترونية ومعالجات الكومبيوتر ، اللى تعمل باستخدام الخصايص الفيزيائية لأشباه الموصلات.[2][3] سلوك حاملات الشحنة ، اللى بتشمل الإلكترونات و الأيونات والفجوات الإلكترونية ، عند دى الوصلات أساس للثنائيات و الترانزستورات و معظم الأجهزة الإلكترونية الحديثة. ومن أمثلة أشباه الموصلات السيليكون والجرمانيوم و أرسينيد الغاليوم والعناصر القريبة من اللى يتعرف بـ" سلم أشباه الفلزات " فى الجدول الدورى . بعد السيليكون، أرسينيد الغاليوم تانى اكتر أشباه الموصلات انتشار ، وبيستخدم فى ثنائيات الليزر و الخلايا الشمسية والدوائر المتكاملة ذات ترددات الميكروويف و غيرها. أما السيليكون فهو عنصر أساسى فى تصنيع معظم الدوائر الإلكترونية .

أشباه الموصلات تتميز بمجموعة متنوعة من الخصايص المفيدة، زى سهولة مرور التيار فى اتجاه دون آخر، وتغير المقاومة، والحساسية للنور أو الحرارة. علشان إمكانية تعديل الخصايص الكهربائية لأشباه الموصلات عن طريق التطعيم وتطبيق المجالات الكهربائية أو النور، ممكن استخدام الأجهزة المصنوعة من أشباه الموصلات فى التضخيم والتحويل وتحويل الطاقة . كما بيستخدم مصطلح "أشباه الموصلات" لوصف المواد المستخدمة فى الكابلات عالية السعة والجهد المتوسط لالعالى كجزء من عزلها، و فى الغالب تكون دى المواد من البولى إيثيلين المتشابك (XLPE) مع الكربون الأسود.[4] ممكن زيادة موصلية السيليكون بإضافة كمية صغيره (بمقدار 1 من 10⁸ ) من ذرات خماسية التكافؤ ( مثل الأنتيمون أو الفوسفور أو الزرنيخ ) أو ثلاثية التكافؤ ( مثل البورون أو الغاليوم أو الإنديوم ).[5] معروفه دى العملية بالتطعيم، ومعروفه أشباه الموصلات الناتجة بأشباه الموصلات المُطعّمة أو الخارجية . مع التطعيم، ممكن تحسين موصلية أشباه الموصلات برفع درجة حرارتها. وده يُخالف سلوك المعادن، حيث تنخفض موصليتها مع ارتفاع درجة الحرارة.[6]

الفهم الحديث لخصايص أشباه الموصلات بيعتمد على فيزياء الكم لتفسير حركة حاملات الشحنة فى الشبكة البلورية .[7] يؤدى التطعيم لزيادة كبيرة فى عدد حاملات الشحنة جوه البلورة. فعند تطعيم شبه موصل بعناصر المجموعة الخامسة، تتصرف دى العناصر كعناصر مانحة ، مُنتجةً إلكترونات حرة، و هو اللى يتعرف بالتطعيم من النوع "n ". أما عند تطعيمه بعناصر المجموعة التالتة، فتتصرف دى العناصر كمستقبلات ، مُنتجةً فجوات حرة، و هو اللى يتعرف بالتطعيم من النوع "p ". تُطعم مواد أشباه الموصلات المستخدمة فى الأجهزة الإلكترونية فى ظروف دقيقة للتحكم فى تركيز و مناطق المطعمات من النوعين p و n. قد تحتوى بلورة جهاز شبه موصل واحد على كتير من المناطق من النوعين p و n؛ ووصلات p-n بين دى المناطق مسؤولة عن السلوك الإلكترونى المفيد. وباستخدام مسبار النقطة الساخنة ، ممكن تحديد اذا كانت عينة شبه الموصل من النوع p أو n بسرعة. لوحظت بعض خصايص مواد أشباه الموصلات خلال نص القرن التسعتاشر والعقود الأولى من القرن العشرين. كان أول تطبيق عملى لأشباه الموصلات فى الإلكترونيات هو تطوير كاشف شعيرات القط سنة 1904، و هو ثنائى شبه موصل بدائى استُخدم فى أجهزة استقبال الراديو المبكرة. وصلت التطورات فى فيزياء الكم بدورها لاختراع الترانزستور سنة 1947 والدايرة المتكاملة سنة 1958.

خصايص

[تعديل]

موصلية كهربائية متغيرة

[تعديل]

أشباه الموصلات فى حالتها الطبيعية موصلات رديئة لأن التيار الكهربائى يتطلب تدفق الإلكترونات، ولأن نطاقات التكافؤ فى أشباه الموصلات تكون ممتلئة،و ده يمنع تدفق الإلكترونات الجديدة بالكامل. تسمح كتير من التكنولوجيات المتطورة بتحويل أشباه الموصلات لمواد موصلة، زى التطعيم أو التحكم فى البوابة . ينتج عن دى التعديلات نوعان: النوع السالب (n) والنوع الموجب (p) . يشير دهن النوعان لزيادة أو نقص الإلكترونات، على التوالى. يؤدى التوازن فى عدد الإلكترونات لتدفق التيار الكهربائى فى كل اماكن المادة.[8]

الوصلات المتجانسة

[تعديل]

الوصلات المتجانسة بتحصل عند وصل مادتين شبه موصلتين مختلفتى التطعيم.[9] زى ، قد بيتكون التكوين من الجرمانيوم المطعم بالنوع p والجرمانيوم المطعم بالنوع n. ينتج عن ده تبادل للإلكترونات والفجوات بين المادتين. يحتوى الجرمانيوم المطعم بالنوع n على فائض من الإلكترونات، فى الوقت نفسه يحتوى الجرمانيوم المطعم بالنوع p على فائض من الفجوات. بيستمر ده الانتقال لحد الوصول لحالة توازن بعملية تسمى إعادة التركيب ، اللى تتسبب فى تلامس الإلكترونات المهاجرة من النوع n مع الفجوات المهاجرة من النوع p.[10] ينتج عن دى العملية شريط ضيق من الأيونات الثابتة،و ده يُسبب مجال كهربائى عبر الوصلة.[7][11]

الإلكترونات المثارة

[تعديل]

اختلاف الجهد الكهربائى فى مادة شبه موصلة يوصل لخروجها عن حالة التوازن الحراري،و ده يخلق حالة عدم توازن. وده بدوره يُدخل إلكترونات وفجوات للنظام، بتتفاعل فيما بينها عبر عملية بتتسمما الانتشار ثنائى القطب . عند اختلال التوازن الحرارى فى مادة شبه موصلة، يتغير عدد الفجوات و الإلكترونات. ممكن بتحصل الاضطرابات دى بسبب اختلاف درجة الحرارة أو الفوتونات ، اللى بتقدر دخول النظام وتكوين إلكترونات وفجوات. بتتسمما العمليات اللى بتنتج أو تُفنى الإلكترونات والفجوات بالتوليد و إعادة التركيب، على التوالى.[8]

انبعاث النور

[تعديل]

فى بعض أشباه الموصلات، الإلكترونات المثارة ممكن تسترخى عن طريق انبعاث النور بدل إنتاج الحرارة.[12] يتيح التحكم فى تركيب شبه الموصل والتيار الكهربائى إمكانية التحكم فى خصايص النور المنبعث.[13] بتستعمل دى الأشباه الموصلات فى صناعة الثنائيات الباعثة للنور والنقاط الكمومية الفلورية.

موصلية حرارية عالية

[تعديل]

ممكن استخدام أشباه الموصلات ذات الموصلية الحرارية العالية لتبديد الحرارة وتحسين إدارة الحرارة فى الإلكترونيات. وتلعب دور حاسم فى المركبات الكهربائية ، ومصابيح LED عالية السطوع، و وحدات الطاقة ، و غيرها من التطبيقات.[14][15][16]

تحويل الطاقة الحرارية

[تعديل]

أشباه الموصلات تتميز بمعاملات قدرة كهروحرارية كبيرة ده يخلليها مفيدة فى المولدات الكهروحرارية ، و أرقام جدارة كهروحرارية عالية ده يخلليها مفيدة فى المبردات الكهروحرارية .[17]

مواد

[تعديل]
بلورات السيليكون اكتر المواد شبه الموصلة انتشار المستخدمة فى الإلكترونيات الدقيقة و الخلايا الكهروضوئية .

عدد كبير من العناصر والمركبات ليه خصايص شبه موصلة، بما فيها:[18]

  • توجد بعض العناصر النقية فى المجموعة يحتل العنصر رقم 14 فى الجدول الدورى ؛ و أهم دى العناصر من الناحية التجارية هما السيليكون والجرمانيوم . بيستخدم السيليكون والجرمانيوم هنا بكفاءة عالية لاحتوائهما على 4 إلكترونات تكافؤ فى غلافهما الخارجي،و ده يمنحهما القدرة على اكتساب أو فقدان الإلكترونات بالتساوى فى الوقت نفسه.
  • المركبات الثنائية ، و بالخصوص بين العناصر فى المجموعات المجموعات 13 و15، زى زرنيخيد الغاليوم ، المجموعتان 12 و 16 14 و 16، وبين عناصر المجموعة 14 المختلفة، زى كربيد السيليكون .
  • بعض المركبات الثلاثية و الأكاسيد والسبايك.
  • أشباه الموصلات العضوية ، المصنوعة من المركبات العضوية .
  • الأطر المعدنية العضوية شبه الموصلة.[19]

اكتر المواد شبه الموصلة انتشار هيا المواد الصلبة البلورية، لكن توجد كمان مواد شبه موصلة غير متبلورة وسايلة. بتشمل دى المواد السيليكون اللى مشمتبلور المهدرج ومخاليط الزرنيخ والسيلينيوم والتيلوريوم بنسب مختلفة. تشترك دى المركبات مع أشباه الموصلات الاكتر شهرة فى خصايص التوصيلية المتوسطة والتغير السريع فى التوصيلية مع درجة الحرارة، و مقاومة سالبة فى بعض الأحيان. تفتقر دى المواد اللى مشمنتظمة لالبنية البلورية الصلبة لأشباه الموصلات التقليدية زى السيليكون. بتستعمل دى المواد عموم فى هياكل الأغشية الرقيقة ، اللى لا تتطلب مواد ذات جودة إلكترونية عالية، نظر لكونها غير حساسة نسبى للشوائب و أضرار الإشعاع.

تحضير مواد أشباه الموصلات

[تعديل]

معظم التكنولوجيات الإلكترونية الحديثة تعتمد على أشباه الموصلات، و أهمها الدوائر المتكاملة (ICs) الموجودة فى أجهزة الكمبيوتر المكتبية والمحمولة والهواتف الذكية و غيرها من الأجهزة الإلكترونية. بتنتج أشباه الموصلات المستخدمة فى الدوائر المتكاملة بكميات كبيرة. ولإنتاج مادة شبه موصلة مثالية، تعتبر النقاوة الكيميائية أمر بالغ الأهمية. فأى عيب بسيط قد يؤثر بشكل كبير على أداء المادة شبه الموصلة نظر لحجم استخدامها.[8] الأمر يتطلب درجة عالية من الكمال البلوري، لأن العيوب فى البنية البلورية ( زى الانخلاعات والتوائم و أخطاء التراص ) بتأثر على خصايص أشباه الموصلات للمادة. العيوب البلورية سبب رئيسى لعيوب أجهزة أشباه الموصلات. كلما كبرت البلورة، زادت صعوبة تحقيق الكمال المطلوب. تستخدم عمليات الإنتاج الضخم دلوقتى سبايك بلورية يتراوح حجمها بين 100 and 300 millimetres (3.9 and 11.8 in) قطرها بوصة واحدة، وبتتزرع على شكل أسطوانات بعدين تُقطع لرقائق . الشكل الدائرى المميز لهذه الرقائق ناتج عن سبايك أحادية البلورة بتنتج فى العاده باستخدام طريقة تشوخرالسكى . رقائق السيليكون ظهرت لأول مرة فى اربعينات القرن العشرين.[20][21]

بتستعمل مجموعة من العمليات لتحضير المواد شبه الموصلة للدوائر المتكاملة. واحده من العمليات دى هيا الأكسدة الحرارية ، اللى تُشكّل تانى أكسيد السيليكون على سطح السيليكون . بيستخدم ده تانى أكسيد السيليكون كعازل للبوابة و أكسيد للمجال . ومن العمليات التانيه الأقنعة الضوئية و الطباعة الضوئية . تُنشئ دى العملية الأنماط على الدايرة فى الدايرة المتكاملة. بيستخدم نور فوق بنفسجى مع طبقة مقاومة ضوئية لإحداث تغيير كيميائى بيولد أنماط الدايرة.[8] عملية الحفر الخطوة اللى بعد كده المطلوبة. ممكن دلوقتى حفر الجزء من السيليكون اللى لم يُغطَّ بطبقة المقاوم الضوئى من الخطوة السابقة. معروفه العملية الرئيسية المُستخدمة اليوم باسم الحفر بالبلازما . يتضمن الحفر بالبلازما فى العاده ضخ غاز حفر فى حجرة منخفضة الضغط لتكوين البلازما . الكلوروفلوروكربون ، أو الفريون زى ما هو منتشر، واحد من غازات الحفر الشائعة. بيولد جهد عالى التردد الراديوى بين الكاثود و الأنود البلازما فى الحجرة. رقاقة السيليكون على الكاثود،و ده يوصل لاصطدامها بالأيونات الموجبة الشحنة المنبعثة من البلازما. والنتيجة هيا حفر السيليكون بشكل غير متناحى .[7][11]

العملية الأخيرة بتتسمما بالانتشار . هيا العملية اللى تُكسب المادة شبه الموصلة خصايصها شبه الموصلة المطلوبة. معروفه كمان باسم التطعيم . تُدخل دى العملية ذرة غير نقية للنظام،و ده بيعمل وصلة p-n . ولدمج الذرات اللى مشنقية فى رقاقة السيليكون، توضع الرقاقة أول فى حجرة بدرجة حرارة 1100 درجة مئوية. تُحقن الذرات وتنتشر تدريجى مع السيليكون. بعد اكتمال العملية ووصول السيليكون لدرجة حرارة الغرفة، تُستكمل عملية التطعيم وتصبح رقاقة أشباه الموصلات جاهزة بالتقريب .[7][8]

فيزيا أشباه الموصلات

[تعديل]

نطاقات الطاقة و التوصيل الكهربائى

[تعديل]

قالب:Band structure filling diagram

أشباه الموصلات بتتعرف بسلوكها الفريد فى التوصيل الكهربائي، اللى يقع بين سلوك الموصل والعازل.[22] ويمكن فهم الاختلافات بين دى المواد بالحالات الكمومية للإلكترونات، حيث قد تحتوى كل حالة على صفر أو إلكترون واحد ( حسب مبدأ استبعاد باولى ). وترتبط الحالات دى ببنية النطاق الإلكترونى للمادة. ينشأ التوصيل الكهربائى نتيجة وجود الإلكترونات فى حالات غير متمركزة (تمتد عبر المادة)، لكن لنقل الإلكترونات، لازم تكون الحالة ممتلئة جزئى ، أى فيها إلكترون لجزء من الوقت بس.[23] إذا كانت الحالة مشغولة دايما بإلكترون، فإنها تكون خاملة،و ده يمنع مرور الإلكترونات التانيه عبرها. وطاقات الحالات دى الكمومية بالغة الأهمية، علشان لا تكون الحالة ممتلئة جزئى إلا إذا كانت طاقتها قريبة من مستوى فيرمى.  (شوف إحصائيات فيرمي-ديراك ). الموصلية العالية فى المواد تنتج عن احتوائها على كتير من المستويات الإلكترونية اللى مشمكتملة، و انتشارها الواسع. تعتبر المعادن موصلات كهربائية جيدة، وتتميز بوجود كتير من المستويات الإلكترونية اللى مشمكتملة ذات طاقات قريبة من مستوى فيرمى. فى المقابل، تحتوى العوازل على عدد قليل من المستويات الإلكترونية اللى مشمكتملة، و مستويات فيرمى الخاصة بيها ضمن فجوات طاقة، مع عدد قليل من مستويات الطاقة المتاحة. ومن مهم يتقال أنه ممكن جعل العازل موصل للكهرباء عن طريق رفع درجة حرارته: علشان يوفر التسخين طاقةً كافيةً لتحفيز بعض الإلكترونات على عبور فجوة الطاقة،و ده يوصل لظهور مستويات إلكترونية غير مكتملة فى كلىّ من نطاق التكافؤ ( المستويات أسفل فجوة الطاقة ) ونطاق التوصيل (المستويات أعلى فجوة الطاقة ). أما أشباه الموصلات (الجوهرية)، فلها فجوة طاقة أصغر من تلك الموجودة فى العوازل، وعند درجة حرارة الغرفة، ممكن إثارة أعداد كبيرة من الإلكترونات لعبور فجوة الطاقة.[24]

بعض مواد أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الأوسع ساعات معروفه باسم أشباه العوازل . لما تكون غير مُطعّمة، يكون توصيلها الكهربائى أقرب لتوصيل العوازل الكهربائية، لكن ممكن تطعيمها (مما يخلليها مفيدة زى أشباه الموصلات). تجد أشباه العوازل تطبيقات متخصصة فى الإلكترونيات الدقيقة، زى ركائز ترانزستورات HEMT . ومن الأمثلة الشائعة على أشباه العوازل زرنيخيد الغاليوم .[25] ممكن استخدام بعض المواد، زى تانى أكسيد التيتانيوم ، كمواد عازلة فى بعض التطبيقات، فى الوقت نفسه تُعامل كأشباه موصلات ذات فجوة نطاق واسعة فى تطبيقات تانيه.

حاملات الشحنة (الإلكترونات و الفجوات)

[تعديل]
  
المقال الاساسى: Electron hole

يمكن فهم الامتلاء الجزئى للحالات فى أسفل نطاق التوصيل على أنه إضافة إلكترونات لده النطاق. لا تبقى الإلكترونات فى نطاق التوصيل لأجل غير مسمى (بسبب إعادة التركيب الحرارى الطبيعى)، لكن تتحرك لفترة من الزمن. فى العاده يكون تركيز الإلكترونات الفعلى منخفض اوى، و علشان كده (عكس المعادن) ممكن اعتبار الإلكترونات فى نطاق التوصيل لأشباه الموصلات يعتبر غاز مثالى كلاسيكي، حيث تتحرك الإلكترونات بحرية دون الخضوع لمبدأ استبعاد باولى . فى معظم أشباه الموصلات، تتميز نطاقات التوصيل بعلاقة تشتت مكافئة، و علشان كده الإلكترونات دى بتستجيب للقوى (المجال الكهربائي، المجال المغناطيسي، إلخ) كما لو كانت فى الفراغ، لكن بكتلة فعالة مختلفة.[24] ولأن الإلكترونات تتصرف كغاز مثالي، ممكن كمان التفكير فى التوصيل بمصطلحات مبسطة اوى زى نموذج درود ، و إدخال مفاهيم زى حركة الإلكترونات .

لفهم مفهوم الامتلاء الجزئى فى قمة نطاق التكافؤ، مفيد تقديم مفهوم الفجوة الإلكترونية . رغم ان الإلكترونات فى نطاق التكافؤ تتحرك باستمرار، لكن نطاق التكافؤ الممتلئ تمام يكون خامل، ولا يُوصل أى تيار كهربائى. إذا أُزيل إلكترون من نطاق التكافؤ، المسار اللى كان سيسلكه الإلكترون فى العاده يكون خالى من شحنته. لأغراض التيار الكهربائي، ممكن تحويل ده المزيج من نطاق التكافؤ الممتلئ، بدون الإلكترون، لصورة نطاق فارغ تمام فيه جسيم موجب الشحنة يتحرك بنفس طريقة تحرك الإلكترون. بالاقتران مع الكتلة الفعالة السالبة للإلكترونات فى قمة نطاق التكافؤ، نصل لصورة جسيم موجب الشحنة يستجيب للمجالات الكهربائية و المغناطيسية تمام كما يفعل أى جسيم موجب الشحنة فى الفراغ، مع وجود كتلة فعالة موجبة كمان .[24] بيتسما ده الجسيم فجوة، ويمكن فهم مجموعة الفجوات فى نطاق التكافؤ تانى بمصطلحات كلاسيكية بسيطة ( زى مع الإلكترونات فى نطاق التوصيل).

توليد و إعادة تركيب حاملات الشحنة

[تعديل]

لما الإشعاع المؤين يصطدم بأشباه الموصلات، قد يُثير إلكترون من مستوى طاقته، تارك فجوة. معروفه دى العملية بتوليد اجوأز الإلكترون-فجوة . كما تتولد اجوأز الإلكترون-فجوة باستمرار من الطاقة الحرارية ، لحد فى غياب أى مصدر طاقة خارجى. كمان اجوأز الإلكترون-الفجوة معرضة لإعادة التركيب. ويقتضى قانون حفظ الطاقة أن تكون أحداث إعادة التركيب دى ، اللى يفقد فيها الإلكترون كمية من الطاقة اكبر من فجوة النطاق ، مصحوبة بانبعاث طاقة حرارية (على شكل فونونات ) أو إشعاع (على شكل فوتونات ).

فى بعض الحالات، يكون توليد و إعادة تركيب اجوأز الإلكترون-فجوة فى حالة توازن. بييحدد عدد اجوأز الإلكترون-فجوة فى الحالة المستقرة عند درجة حرارة معينة بميكانيكا الكم الإحصائية . وتخضع الآليات الكمية الدقيقة للتوليد و إعادة التركيب لقانونى حفظ الطاقة وحفظ الزخم .

بما أن احتمال التقاء الإلكترونات والفجوات يتناسب طردى مع حاصل ضرب عدديهما، ده الناتج يكون ثابت بالتقريب فى حالة الاستقرار عند درجة حرارة معينة، شريطة عدم وجود مجال كهربائى مؤثر (ممكن يسبب "طرد" حاملات الشحنة من النوعين، أو نقلها من مناطق مجاورة فيها عدد اكبر منها لتلتقى مع بعض ) أو توليد اجوأز ناتج عن عوامل خارجية. ويعتمد ده الناتج على درجة الحرارة، علشان بيزيد احتمال الحصول على طاقة حرارية كافية لتكوين جوز مع ارتفاع درجة الحرارة، ويُقارب قيمة exp(−EG/kT) ، حيث k هو ثابت بولتزمان ، و T هيا درجة الحرارة المطلقة، و EG هيا فجوة الطاقة.

احتمالية الالتقاء بتزيد بمصائد الناقلات – شوائب أو انخلاعات بتقدر أن تحبس إلكترون أو فجوة وتحتفظ به لحد يكتمل الزوج. تُضاف مصائد حاملات الشحنة دى ساعات عمدًا لتقليل الوقت اللازم للوصول لحالة الاستقرار.[26]

المنشطات

[تعديل]
  
المقال الاساسى: Doping (semiconductor)
تطعيم مصفوفة من السيليكون النقى. يبقا شبه الموصل الجوهرى القائم على السيليكون شبه موصل خارجى عند إدخال شوائب زى البورون والأنتيمون .

يمكن تعديل موصلية أشباه الموصلات بسهولة عن طريق إدخال شوائب فى بنيتها البلورية . معروفه عملية إضافة شوائب مضبوطة لأشباه الموصلات باسم التطعيم . وبتأثر كمية الشوائب، أو المُطعِّم، المُضافة لشبه موصل نقي على مستوى موصليته.[27] بتتسمما أشباه الموصلات المُطعَّمة بأشباه موصلات خارجية .[28] بإضافة الشوائب لأشباه الموصلات النقية، ممكن تغيير الموصلية الكهربائية بعوامل توصل لآلاف أو ملايين.[29]

1 عينة من معدن أو شبه موصل بحجم 1 سم مكعب فيها ما يقارب 10^ 22 ذرة.[30] فى المعدن، تتبرع كل ذرة بإلكترون حر واحد على الأقل للتوصيل، و علشان كده 1 يحتوى كل سنتيمتر مكعب من المعدن على ما يقارب 10 ^22 إلكترون حر، [31] فى الوقت نفسه يحتوى 1 عينة من الجرمانيوم النقى بحجم 20 سم مكعب عند درجة حرارة 20 تحتوى المادة °C على حوالى 4.2× 10²² ذرة، لكن بس 2.5× 10¹³ إلكترون حر و 2.5× 10¹³ فجوة. توصل إضافة 0.001% من الزرنيخ (شوائب) لمنح 10¹⁷ إلكترون حر إضافى فى نفس الحجم،و ده يزيد الموصلية الكهربائية بمقدار 10000 ضعف.[32][33]

المواد المختارة كمواد تطعيم مناسبة تعتمد على الخصايص الذرية لكل من مادة التطعيم والمادة المراد تطعيمها. بشكل عام، بتتصنف مواد التطعيم اللى بتعمل التغييرات المطلوبة والمُتحكم بيها إما كمستقبلات أو مانحات للإلكترونات. بتتسمما أشباه الموصلات المُطعّمة بشوائب مانحة من النوع n ، فى الوقت نفسه معروفه تلك المُطعّمة بشوائب مستقبلة من النوع p . بيشير تصنيفا النوعين n و p لحامل الشحنة اللى يعمل كحامل أغلبية فى المادة. أما حامل الشحنة التانى فبيتسما حامل الأقلية ، اللى فيه نتيجة الإثارة الحرارية بتركيز أقل بكتير مقارنه بحامل الأغلبية.[34]

زى ، السيليكون النقي، و هو شبه موصل، فيه 4 إلكترونات تكافؤ تربط كل ذرة سيليكون بجيرانها.[35] فى السيليكون، عناصر المجموعتين التالتة والخامسة اكتر المواد المضافة انتشار . تحتوى عناصر المجموعة التالتة على 3 إلكترونات تكافؤ، ده يخلليها تعمل كمستقبلات عند استخدامها فى تطعيم السيليكون. لما تحل ذرة مستقبلة محل ذرة سيليكون فى البلورة، تتكون حالة شاغرة (فجوة إلكترونية)، اللى بتقدر التحرك فى الشبكة البلورية والعمل كناقل للشحنة. تحتوى عناصر المجموعة الخامسة على خمسة إلكترونات تكافؤ،و ده يسمح ليها بالعمل كمانحات؛ يؤدى استبدال دى الذرات بالسيليكون لتكوين إلكترون حر إضافى. لذلك، ينتج عن تطعيم بلورة السيليكون بالبورون شبه موصل من النوع p، فى الوقت نفسه ينتج عن تطعيمها بالفوسفور مادة من النوع n.[36]

أثناء التصنيع ، ممكن نشر المواد المضافة فى جسم أشباه الموصلات عن طريق الاتصال بالمركبات الغازية للعنصر المطلوب، أو ممكن استخدام زرع الأيونات لتحديد موضع المناطق المطعمة بدقة.

أشباه الموصلات اللى مشمتبلورة

[تعديل]

بعض المواد، عند تبريدها بسرعة لحالة زجاجية غير متبلورة، ليها خصايص شبه موصلة. وتشمل دى المواد البورون، والسيليكون ، والجرمانيوم، والسيلينيوم، والتيلوريوم، و فيه كتير من النظريات لتفسير ذلك.[37][38]

التاريخ المبكر لأشباه الموصلات

[تعديل]

تاريخ فهم أشباه الموصلات يبتدى بتجارب اتعملت على الخصايص الكهربائية للمواد. لوحظت خصايص معامل المقاومة مع تغير درجة الحرارة، والتقويم، والحساسية للنور بدايه من أوائل القرن التسعتاشر.

كارل فرديناند براون طور كاشف البلورات ، و هو أول جهاز شبه موصل ، سنة 1874.

توماس يوهان سيبك كان أول من لاحظ أن أشباه الموصلات بتبيين خاصية مميزة، حيث ظهرت تجربة تتعلق بتأثير سيبك بنتائج أقوى بكتير عند تطبيقها على أشباه الموصلات، و ده سنة 1821.[39] سنة 1833، أفاد مايكل فاراداى أن مقاومة عينات كبريتيد الفضة تنخفض عند تسخينها. وده يُخالف سلوك المواد المعدنية زى النحاس. سنة 1839، أبلغ ألكسندر إدموند بيكريل عن ملاحظة فرق جهد بين إلكتروليت صلب و إلكتروليت سائل عند تعرضهما للنور، و هو اللى يتعرف بالتأثير الكهروضوئى . سنة 1873، لاحظ ويلوبى سميث أن مقاومات السيلينيوم بتبيين مقاومة متناقصة عند سقوط النور عليها. سنة 1874، لاحظ كارل فرديناند براون التوصيل والتقويم فى كبريتيدات المعادن، رغم ان ده التأثير كان قد اكتشفه قبل كده بيتر مونك أف روزنشولد ( sv ) فى مقال له فى مجلة حوليات الفيزياء والكيمياء سنة 1835. تم تجاهل نتائج روزنشولد.[40] ذكر سيمون سزى أن بحث براون كان أول دراسة منهجية لأجهزة أشباه الموصلات.[41] و سنة 1874 كمان ، وجد آرثر شوستر أن طبقة أكسيد النحاس على الأسلاك ليها خصايص تقويم تتوقف عند تنظيف الأسلاك. لاحظ ويليام غريلز آدامز وريتشارد إيفانز داى التأثير الكهروضوئى فى السيلينيوم سنة 1876.[42]

التفسير الموحّد للظواهر دى اتطلّب نظريةً فى فيزياء المواد الصلبة ، اللى شافت تطور كبير فى النصف 1 القرن العشرين. سنة 1878، برهن إدوين هربرت هول على انحراف حاملات الشحنة المتدفقة بفعل مجال مغناطيسى خارجي، و هو اللى يتعرف بتأثير هول . حفّز اكتشاف الإلكترون على ايد جيه جيه طومسون سنة 1897 ظهور نظريات التوصيل الإلكترونى فى المواد الصلبة. وبملاحظة كارل بايديكر لتأثير هول بإشارة معاكسة لتلك الموجودة فى المعادن، افترض أن يوديد النحاس فيه حاملات شحنة موجبة. سنة 1914، صنّف يوهان كونيغسبرغر المواد الصلبة لمعادن وعوازل و"موصلات متغيرة"، رغم ان تلميذه جوزيف فايس كان قد قدّم مصطلح " هالبلايتر " (وهو مصطلح بيشير لأشباه الموصلات بالمعنى الحديث) فى أطروحته للدكتوراه. رسالة سنة 1910.[43] نشر فيليكس بلوخ نظرية حركة الإلكترونات عبر الشبكات الذرية سنة 1928. سنة 1930، ذكر برنارد غودن أن التوصيلية فى أشباه الموصلات تعود لتركيزات صغيره من الشوائب. سنة 1931، وضع آلان هيريس ويلسون نظرية نطاقات التوصيل، وطُوّر مفهوم فجوات النطاقات. وطوّر والتر إتش. شوتكى ونيفيل فرانسيس موت نماذج لحاجز الجهد و خصايص وصلة المعدن-شبه الموصل . سنة 1938، طوّر بوريس دافيدوف نظرية مقوم أكسيد النحاس، مُحددًا تأثير وصلة p-n و أهمية حاملات الشحنة الأقلية وحالات السطح.[40] التوافق بين التنبؤات النظرية (المستندة لتطور ميكانيكا الكم) والنتائج التجريبية كان ضعيف فى بعض الأحيان. فسّر جون باردين ذلك بعدين بأنه ناتج عن حساسية أشباه الموصلات الشديدة لبنيتها، حيث تتغير خصايصها بشكل كبير بناء على كميات صغيره من الشوائب.[44] و أنتجت المواد النقية تجارى فى عشرينات القرن العشرين، اللى احتوت على نسب متفاوتة من الملوثات النزرة، نتائج تجريبية مختلفة. حفّز الأمر ده تطوير تكنولوجيات محسّنة لتكرير المواد، وصول لمصافى أشباه الموصلات الحديثة اللى تنتج موادًا بنقاوة توصل لأجزاء من التريليون.

فى البداية، اتبنا الأجهزة اللى تستخدم أشباه الموصلات بناء على المعرفة التجريبية قبل ما توفر نظرية أشباه الموصلات دليل لبناء أجهزة اكتر كفاءة وموثوقية.

ألكسندر غراهام بيل استخدم خاصية السيلينيوم الحساسة للنور لنقل الصوت عبر شعاع ضوئى سنة 1880. سنة 1883، صنع تشارلز فريتس خلية شمسية عاملة ذات كفاءة منخفضة، باستخدام صفيحة معدنية مطلية بالسيلينيوم وطبقة رقيقة من الذهب؛ و بقا ده الجهاز ذا فائدة تجارية فى مقاييس النور الفوتوغرافية فى تلاتينات القرن العشرين.[44] و سنة 1904، استخدم جاغاديش تشاندرا بوس مقومات كاشف الموجات الدقيقة ذات التلامس النقطى المصنوعة من كبريتيد الرصاص؛ و بقا كاشف "شعيرات القطة" اللى يستخدم الغالينا الطبيعية أو مواد تانيه جهاز منتشر فى تطوير الراديو . بس، كان أداؤه مش متوقع لحد ما ويتطلب ظبط يدوى للحصول على احسن أداء. سنة 1906، لاحظ إتش جيه راوند انبعاث النور عند مرور تيار كهربائى عبر بلورات كربيد السيليكون ، و هو المبدأ اللى يقوم عليه الصمام الثنائى الباعث للنور . ولاحظ أوليغ لوسيف انبعاث ضوئى مشابه سنة 1922، لكن ماكانش لده التأثير أى استخدام عملى ساعتها . طُوِّرت مقومات الطاقة، اللى تستخدم أكسيد النحاس والسيلينيوم، فى عشرينات القرن العشرين، وبقت ليها اهميه تجارية كبديل لمقومات الصمامات المفرغة .[40][42]

فى السنين اللى سبقت الحرب العالميه التانيه، حفزت أجهزة الكشف والاتصالات بالأشعة تحت الحمرا الأبحاثَ فى مواد كبريتيد الرصاص وسيلينيد الرصاص. استُخدمت دى الأجهزة للكشف عن المراكب والطيارات، ولأجهزة تحديد المدى بالأشعة تحت الحمرا، ولأنظمة الاتصالات الصوتية. بقا كاشف البلورات بالتلامس النقطى بالغ الأهمية لأنظمة الراديو بالميكروويف، علشان أجهزة الصمامات المفرغة المتوفرة ساعتها ما كانتش قادرة على العمل ككواشف فوق حوالى 4000. ميغاهرتز؛ اعتمدت أنظمة الرادار المتقدمة على الاستجابة السريعة لكاشفات البلورات. اتعملت أبحاث وتطويرات كبيرة على مواد السيليكون خلال الحرب لتطوير كاشفات ذات جودة ثابتة.[44]

الترانزستورات المبكرة

[تعديل]
قام جون باردين وويليام شوكلى ووالتر براتين بتطوير الترانزستور ثنائى القطب ليه نقطة التلامس سنة 1947.

أجهزة الكشف ومقومات الطاقة ماقدرتش من تضخيم الإشارة. بُذلت جهودٌ كبيرة لتطوير مُضخِّم الحالة الصلبة، ونجحت فى تطوير جهاز بيتسما ترانزستور نقطة التلامس، اللى كان قادر على تضخيم 20 ديسيبل أو اكتر.[45] سنة 1922، طوّر أوليغ لوسيف مضخمات مقاومة سالبة ثنائية الأطراف لأجهزة الراديو، لكنه مات فى حصار لينينجراد بعد إتمامها بنجاح. سنة 1926، حصل يوليوس إدغار ليليينفيلد على براءة اختراع لجهاز يشبه ترانزستور تأثير المجال ، لكنه ماكانش عملى. رودولف هيلش و R. W. Pohl [de] سنة 1938، عرض مُضخِّم يعمل بتكنولوجيا الحالة الصلبة باستخدام بنية تُشبه شبكة التحكم فى الصمام المفرغ؛ ورغم أن الجهاز أظهر كسب فى القدرة، لكن تردد القطع كان دورة واحدة فى الثانية، و هو منخفض اوى لأى تطبيقات عملية، ولكنه بيعتبر تطبيق فعال للنظرية المتاحة.[40] فى معامل بيل ، ابتدا ويليام شوكلى و أ. هولدن البحث فى مُضخِّمات الحالة الصلبة سنة 1938. لاحظ راسل أوهل أول وصلة p-n فى السيليكون حوالى سنة 1941 لما اتوجد أن عينة حساسة للنور، مع وجود حد فاصل حاد بين شوائب من النوع p عند واحد من طرفيها وشوائب من النوع n عند الطرف الآخر. طوّرت شريحة مقطوعة من العينة عند حد p-n جهدًا كهربائى عند تعريضها للنور.

أول ترانزستور عامل كان هو ترانزستور بنقاط تلامس ، اخترعه جون باردين ووالتر هاوزر براتين وويليام شوكلى فى معامل بيل سنة 1947. كان شوكلى حط نظريةً سابقةً لمضخم تأثير المجال المصنوع من الجرمانيوم والسيليكون، لكنه فشل فى بناء جهاز عامل كده، قبل ما يستخدم الجرمانيوم فى الاخر لاختراع الترانزستور ليه نقاط التلامس.[46] فى فرنسا، خلال الحرب، لاحظ هربرت ماتارى تضخيم بين نقاط تلامس متجاورة على قاعدة من الجرمانيوم. بعد الحرب، أعلنت مجموعة ماتارى عن مضخم " ترانزيسترون " الخاص بهم بعد فتره قصيره من إعلان معامل بيل عن " الترانزستور ". [ الاقتباس يحتاج لتوثيق ] سنة 1954، قام الكيميائى الفيزيائى موريس تانينباوم بتصنيع أول ترانزستور وصلة سيليكون فى معامل بيل .[47] بس، كانت ترانزستورات الوصلة المبكرة أجهزة ضخمة نسبى يصعب تصنيعها بكميات كبيرة ،و ده حدّ من استخدامها فى عدد من التطبيقات المتخصصة.[48]

شوف كمان

[تعديل]
  • ديثنيوم
  • تصنيع أجهزة أشباه الموصلات
  • صناعة أشباه الموصلات
  • تكنولوجيات توصيف أشباه الموصلات
  • عدد الترانزستورات

مراجع

[تعديل]
  1. ↑ Tatum، Jeremy (13 ديسمبر 2016). "Resistance and Temperature". LibreTexts. اطلع عليه بتاريخ 2023-12-22.
  2. ↑ "Nexperia chip exports resuming: German auto supplier". 7 نوفمبر 2025.
  3. ↑ "What are semiconductors and why is Trump planning 100% tariffs?". 7 أغسطس 2025.
  4. ↑ Worzyk، Thomas (11 أغسطس 2009). Submarine Power Cables: Design, Installation, Repair, Environmental Aspects. Springer. ISBN:978-3-642-01270-9.
  5. ↑ "Electrical Conduction in Semiconductors". www.mks.com. اطلع عليه بتاريخ 2024-04-01.
  6. ↑ "Joshua Halpern". Chemistry 003 (بالإنجليزية). 12 Jan 2015. Retrieved 2024-04-01.
  7. 1 2 3 4 Feynman، Richard. Feynman Lectures on Physics.
  8. 1 2 3 4 5 Neamen، Donald A. (2003). Semiconductor Physics and Devices (PDF). Elizabeth A. Jones. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2022-10-27. اطلع عليه بتاريخ 2026-05-17. {{استشهاد بكتاب}}: الوسيط |archive-url= و|مسار-الأرشيف= تكرر أكثر من مرة (مساعدة)
  9. ↑ J، Surya. "Semiconducting Material". Science Direct.{{استشهاد ويب}}: صيانة الاستشهاد: url-status (link)
  10. ↑ "Electron-Hole Recombination". Engineering LibreTexts (بالإنجليزية). 28 Jul 2016. Retrieved 2024-04-01.
  11. 1 2 Neamen، Donald A. (2003). Semiconductor Physics and Devices (PDF). Elizabeth A. Jones. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2022-10-27. اطلع عليه بتاريخ 2026-05-17. {{استشهاد بكتاب}}: الوسيط |archive-url= و|مسار-الأرشيف= تكرر أكثر من مرة (مساعدة)Neamen, Donald A. (2003). Semiconductor Physics and Devices(PDF). Elizabeth A. Jones. Archived from the original (PDF) on October 27, 2022.
  12. ↑ خطأ لوا في وحدة:Citation/CS1/Identifiers على السطر 569: attempt to index field 'extended_registrants_t' (a nil value).
  13. ↑ خطأ لوا في وحدة:Citation/CS1/Identifiers على السطر 569: attempt to index field 'extended_registrants_t' (a nil value).
  14. ↑ خطأ لوا في وحدة:Citation/CS1/Identifiers على السطر 569: attempt to index field 'extended_registrants_t' (a nil value).
  15. ↑ خطأ لوا في وحدة:Citation/CS1/Identifiers على السطر 569: attempt to index field 'extended_registrants_t' (a nil value).
  16. ↑ خطأ لوا في وحدة:Citation/CS1/Identifiers على السطر 569: attempt to index field 'extended_registrants_t' (a nil value).
  17. ↑ "How do thermoelectric coolers (TECs) work?". ii-vi.com. مؤرشف من الأصل في 2021-11-09. اطلع عليه بتاريخ 2021-11-08.
  18. ↑ B. G. Yacobi, Semiconductor Materials: An Introduction to Basic Principles, Springer 2003 ISBN 0-306-47361-5, pp. 1–3.
  19. ↑ خطأ لوا في وحدة:Citation/CS1/Identifiers على السطر 569: attempt to index field 'extended_registrants_t' (a nil value).
  20. ↑ خطأ لوا في وحدة:Citation/CS1/Identifiers على السطر 569: attempt to index field 'extended_registrants_t' (a nil value).
  21. ↑ خطأ لوا في وحدة:Citation/CS1/Identifiers على السطر 569: attempt to index field 'extended_registrants_t' (a nil value).
  22. ↑ Yu، Peter (2010). Fundamentals of Semiconductors. Berlin: Springer-Verlag. ISBN:978-3-642-00709-5.
  23. ↑ As in the Mott formula for conductivity, see خطأ لوا في وحدة:Citation/CS1/Identifiers على السطر 569: attempt to index field 'extended_registrants_t' (a nil value).
  24. 1 2 3 Charles Kittel (1995) Introduction to Solid State Physics, 7th ed. Wiley, ISBN 0-471-11181-3.
  25. ↑ خطأ لوا في وحدة:Citation/CS1/Identifiers على السطر 569: attempt to index field 'extended_registrants_t' (a nil value).
  26. ↑ Louis Nashelsky، Robert L.Boylestad (2006). Electronic Devices and Circuit Theory (ط. 9th). India: Prentice-Hall of India Private Limited. ص. 7–10. ISBN:978-81-203-2967-6.
  27. ↑ Nave، R. "Doped Semiconductors". اطلع عليه بتاريخ 2021-05-03.
  28. ↑ Y.، Roshni (5 فبراير 2019). "Difference Between Intrinsic and Extrinsic Semiconductors". اطلع عليه بتاريخ 2021-05-03.
  29. ↑ "Lesson 6: Extrinsic semiconductors" (PDF). مؤرشف من الأصل (PDF) في 2023-01-28. اطلع عليه بتاريخ 2023-01-28.
  30. ↑ "General unit cell problems". اطلع عليه بتاريخ 2021-05-03.
  31. ↑ Nave، R. "Ohm's Law, Microscopic View". مؤرشف من الأصل في 2021-05-03. اطلع عليه بتاريخ 2021-05-03. {{استشهاد ويب}}: الوسيط |archive-url= و|مسار-الأرشيف= تكرر أكثر من مرة (مساعدة)
  32. ↑ Van Zeghbroeck، Bart (2000). "Carrier densities". مؤرشف من الأصل في 2021-05-03. اطلع عليه بتاريخ 2021-05-03. {{استشهاد ويب}}: الوسيط |archive-url= و|مسار-الأرشيف= تكرر أكثر من مرة (مساعدة)
  33. ↑ "Band structure and carrier concentration (Ge)". اطلع عليه بتاريخ 2021-05-03.
  34. ↑ "Doping: n- and p-semiconductors". اطلع عليه بتاريخ 2021-05-03.
  35. ↑ Nave، R. "Silicon and Germanium". اطلع عليه بتاريخ 2021-05-03.
  36. ↑ Honsberg، Christiana؛ Bowden، Stuart. "Semiconductor Materials". اطلع عليه بتاريخ 2021-05-03.
  37. ↑ Feldman، Charles؛ Moorjani، Kishin (1968). "Amorphous Semiconductors" (PDF). APL Technical Digest. ج. 7 ع. 3: 2–9.
  38. ↑ خطأ لوا في وحدة:Citation/CS1/Identifiers على السطر 569: attempt to index field 'extended_registrants_t' (a nil value).
  39. ↑ خطأ لوا في وحدة:Citation/CS1/Identifiers على السطر 569: attempt to index field 'extended_registrants_t' (a nil value).
  40. 1 2 3 4 Morris، Peter Robin (22 يوليو 1990). A History of the World Semiconductor Industry. IET. ISBN:9780863412271 – عبر Google Books.
  41. ↑ Sze، Simon (2002). Semiconductor Devices: Physics and Technology (ط. 2nd). Wiley. ص. 3. ISBN:9789971513955.
  42. 1 2 Łukasiak، Lidia؛ Jakubowski، Andrzej (30 مارس 2010). "History of Semiconductors". Journal of Telecommunications and Information Technology ع. 1: 3–9. DOI:10.26636/jtit.2010.1.1015.
  43. ↑ خطأ لوا في وحدة:Citation/CS1/Identifiers على السطر 569: attempt to index field 'extended_registrants_t' (a nil value).
  44. 1 2 3 Morris، Peter Robin (22 يوليو 1990). A History of the World Semiconductor Industry. IET. ISBN:9780863412271 – عبر Google Books.Morris, Peter Robin (July 22, 1990). A History of the World Semiconductor Industry. IET. ISBN 9780863412271 - via Google Books.
  45. ↑ Peter Robin Morris (1990) A History of the World Semiconductor Industry, IET, ISBN 0-86341-227-0, pp. 11–25
  46. ↑ "1947: Invention of the Point-Contact Transistor". The Silicon Engine. Computer History Museum. اطلع عليه بتاريخ 2019-08-23.
  47. ↑ "1954: Morris Tanenbaum fabricates the first silicon transistor at Bell Labs". The Silicon Engine. Computer History Museum. اطلع عليه بتاريخ 2019-08-23.
  48. ↑ خطأ لوا في وحدة:Citation/CS1/Identifiers على السطر 569: attempt to index field 'extended_registrants_t' (a nil value).

قرايه اكتر

[تعديل]

لينكات برانيه

[تعديل]
فيه فايلات فى تصانيف ويكيميديا كومونز عن:
  • شبه موصل – صور وتسجيلات صوتيه و مرئيه على ويكيميديا كومونز
  • شبه موصل على موقع كيورا - Quora
  • شبه موصل على موقع كيورا - Quora
  • شبه موصل معرف مخطط فريبيس للمعارف الحره
  • شبه موصل معرف ملف المرجع للتحكم بالسلطه فى WorldCat
  • شبه موصل معرف المكتبه الوطنيه الفرنسيه (BnF)
  • شبه موصل معرف قاعده بيانات الضبط الوطنيه التشيكيه
  • شبه موصل معرف مايكروسوفت اكاديمك
  • شبه موصل معرف مكتبه الكونجرس (LCAuth)
  • شبه موصل معرف مكتبه لاتفيا الوطنيه قالب:Fundamental aspects of materials science
اتجابت من "https://arz.wikipedia.org/w/index.php?title=شبه_موصل&oldid=13072893"