نسخة الفيديو النصية
يوضح الشكل شبكة من ذرات السليكون في شبه موصل. طعم الجانب الأيسر من الشبكة بأيونات مانحة. يسمى هذا الجانب الجانب n. طعم الجانب الأيمن من الشبكة بأيونات مستقبلة. يسمى هذا الجانب من الشبكة الجانب p. حجما المنطقتين على جانبي الخط الذي يقسم الشبكة متساويان، وتركيز الأيونات متساو على الجانبين. شبه الموصل في حالة اتزان حراري. ما نسبة الإلكترونات الحرة على الجانب n إلى الفجوات على الجانب p؟
في هذا المثال، نعلم أن الجانب الأيسر من شبكة السليكون مطعم بأيونات مانحة. كل الذرات في هذا الجانب من الشبكة هي ذرات سليكون فيما عدا هاتين الذرتين المشار إليهما بالرمز P. P هو الرمز الذري للفسفور. وكل ذرة فسفور متعادلة تحتوي على خمسة إلكترونات في غلاف التكافؤ. هذا يعني أنه عند إدخال ذرة فسفور في شبكة ذرات السليكون، يمكننا القول إن غلاف التكافؤ لكل ذرة فسفور يصبح ممتلئًا بالإلكترونات؛ مما يؤدي إلى تحرير إلكترون واحد لكل ذرة فسفور في الشبكة حتى يتحرك بحرية.
بمجرد تحرير هذه الإلكترونات، فإنها تسمى إلكترونات حرة. ويمكننا ملاحظة إلكترون حر هنا وإلكترون حر آخر هنا. كما توقعنا، يوجد إلكترون حر واحد لكل ذرة فسفور في الشبكة. تجدر الإشارة إلى أن الفسفور يسمى بالمانح؛ لأنه يساهم بهذه الإلكترونات الحرة.
على الجانب الآخر، بدلًا من تطعيم شبكة السليكون بالفوسفور، فإنها تطعم بهذا العنصر المشار إليه بالرمز B. يرمز B إلى البورون. كل ذرة بورون تحتوي على ثلاثة إلكترونات في غلاف التكافؤ. هذا يعني أنه عند إدخال ذرة بورون في شبكة السليكون، وإسهامها بأربعة إلكترونات لمنحها سبعة إلكترونات في غلاف التكافؤ، تظل هناك فجوة واحدة حيث يمكن أن يملأ الإلكترون الثامن غلاف التكافؤ. بما أن الفجوات يمكن أن تستقبل إلكترونات، فإن ذرات البورون هذه تسمى مستقبلات. وتساهم كل ذرة من البورون بفجوة واحدة في الشبكة.
إذن، نجد أنه في الجانب n في الشبكة – أي الجانب الأيسر – يوجد إلكترونان حران، واحد لكل ذرة فسفور. أما في الجانب الأيمن، وهو الجانب p في الشبكة، فتوجد أيضًا فجوتان أو غيابان لإلكترون. لذا، يمكننا القول إن نسبة الإلكترونات الحرة في الجانب n إلى الفجوات في الجانب p تساوي واحدًا.
بمعلومية ذلك، دعونا ننتقل إلى الجزء التالي من السؤال.
ما الفرق بين الشحنة الكهربية النسبية الكلية في المنطقتين؟
دعونا نتناول أولًا الشحنة الكهربية الكلية على الجانب الأيسر، أو الجانب n في الشبكة. يمكننا البدء بملاحظة أن كل ذرة من ذرات السليكون في الشبكة متعادلة؛ أي يحمل جميعها شحنة كهربية كلية تساوي صفرًا. إضافة إلى ذلك، نجد أن كلًّا من ذرتي الفسفور المستخدمتين لتطعيم هذه الشبكة متعادلتان كهربيًّا أيضًا. قد يبدو هذا غريبًا لأننا لاحظنا أن ذرات الفسفور هذه تسمى أيونات مانحة. مع ذلك، يجب أن نلاحظ أن هذه الذرات لا تصبح متأينة إلا عند فصل إلكترون واحد منها أثناء إضافتها إلى الشبكة. وهذا يعني أنه بمجرد أن يصبح أحد الإلكترونات في ذرة الفسفور إلكترونًا حرًّا، فإن الذرة المتبقية تكون لها شحنة كلية موجبة.
ولكن إذا تناولنا الجانب n بأكمله في الشبكة ككل، فإن كل أيون موجب الشحنة يناظره إلكترون حر سالب الشحنة يتحرك في الشبكة. بناء على ذلك، الشحنة الكهربية الكلية للجانب n في الشبكة تساوي صفرًا، وكل الشحنات الموجبة والسالبة يوازن بعضها بعضًا.
يحدث الأمر نفسه في الجانب p في الشبكة. مرة أخرى، جميع ذرات السليكون متعادلة كهربيًّا بمفردها. كما أن ذرات البورون التي نستخدمها لتطعيم هذه الشبكة متعادلة أيضًا. فقط عند إدخال ذرات البورون في الشبكة ونشوء فجوات حرة الحركة مثل الإلكترونات الحرة، يمكن أن نعتبر ذرات البورون أيونات مستقبلة. لكن مثلما هو الحال في الجانب n حيث توجد ذرة فسفور موجبة الشحنة لكل إلكترون حر، يوجد أيضًا في الجانب p ذرة بورون سالبة الشحنة لكل فجوة موجبة الشحنة. لذا، الشحنة الكهربية الكلية للجانب p لشبه الموصل تساوي صفرًا.
في هذا الجزء من السؤال، نريد معرفة الفرق بين الشحنتين النسبيتين الكليتين. صفر ناقص صفر يساوي صفرًا. بالتالي، لا يوجد فرق في الشحنة الكهربية النسبية الكلية بين المنطقتين.
