فيديو الدرس: أشباه الموصلات النقية الفيزياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نصف الروابط الكهربية في أشباه الموصلات النقية. نوع التوصيل الذي نتناوله هنا هو التوصيل الكهربي. المادة التي لا توصل الكهرباء جيدًا تسمى عازلًا. ومن أمثلة العوازل الزجاج، والبلاستيك، والخشب. فلا يسمح أي من هذه المواد بتدفق الشحنة الكهربية بسهولة. أما المواد العالية التوصيل، فتسمى موصلات. جميع الفلزات التي نجدها في الجدول الدوري موصلات. ونظرًا لمدى تسهيلها لتدفق الشحنة بشكل جيد، فإن معظم الدوائر الكهربية مصنوعة من الفلزات. لكن ثمة بعض المواد التي ليست بعوازل جيدة ولا موصلات جيدة. وإنما تقع بينهما، وتسمى أشباه موصلات.

شبه الموصل النقي هو الذي يتكون من عنصر ذري واحد فقط. على سبيل المثال، شبه الموصل المصنوع من السليكون شبه موصل نقي. وعلى الرغم من أنه يمكن استخدام العديد من المواد المختلفة لصنع شبه الموصل، فإن السليكون هو المادة الأكثر شيوعًا. السليكون هو ثاني أكثر العناصر وفرة في القشرة الأرضية. وهو أيضًا ثامن أكثر العناصر وفرة في الكون بوجه عام. سنضع في اعتبارنا أنه ليس كل شبه موصل مصنوعًا من السليكون. لكن في بقية الدرس سنستخدم هذا العنصر مثالًا لهذا النوع من المواد.

تعود فائدة السليكون بوصفه شبه موصل إلى تركيبه الذري. إذا كان ما نراه الآن هو نواة ذرة سليكون واحدة، فلاستكمال الصورة، سنحتاج إلى توضيح كيفية توزيع إلكترونات هذه الذرة. تشغل إلكترونات ذرة السليكون ثلاثة مستويات طاقة مختلفة. في المستوى الأول، يوجد إلكترونان. وفي المستوى الثاني، يوجد واحد، اثنان، ثلاثة، أربعة، خمسة، ستة، سبعة، ثمانية إلكترونات. وأخيرًا، في المستوى الثالث، يوجد واحد، اثنان، ثلاثة، أربعة إلكترونات. يسمى مستوى الطاقة الخارجي هذا مستوى التكافؤ أو غلاف التكافؤ.

وشغل الإلكترونات لمستوى التكافؤ هو الذي يحدد كيفية تفاعل ذرة السليكون مع الذرات الأخرى المجاورة. من حيث الطاقة، يفضل أن يحتوي مستوى الطاقة الخارجي هذا على ثمانية إلكترونات أو أن يكون دون إلكترونات. وفي كلتا هاتين الحالتين، ستكون هذه الذرة مستقرة كهربيًّا إلى حد ما. هذا يعني أنه من غير المحتمل أن تكتسب الذرة إلكترونات من وسطها المحيط أو تفقدها فيه. وهذا الاكتساب والفقد جزء مما يعنيه أن تكون المادة موصلة كهربيًّا.

تحتوي ذرة السليكون المتعادلة، مثل هذه الذرة، على أربعة إلكترونات في غلاف تكافؤها. ومن ثم، فهي ليست قريبة من أن يكون لها غلاف خارجي مكتمل يحتوي على ثمانية إلكترونات أو غلاف خال من الإلكترونات. ونظرًا لأن الإلكترونات الموجودة في هذا الغلاف الخارجي هي التي تحدد إلى حد كبير كيفية تفاعل هذه الذرة مع الذرات المجاورة، فعندما نرسم ذرة واحدة، ليس غريبًا أن نرسم غلاف إلكترونات التكافؤ ونتجاهل الأغلفة الداخلية الأخرى. عندما يصنع شبه الموصل النقي من السليكون، فإنه يتكون من ذرات عديدة من السليكون مرتبة فيما يسمى بالشبكة.

والشبكة تركيب منظم من الصفوف والأعمدة. في شبه الموصل الحقيقي المصنوع من السليكون، توجد صفوف وأعمدة أكثر بكثير من تلك الموضحة هنا. عند ترتيب ذرات السليكون بهذا الشكل، تكون الذرات ما يسمى بالروابط التساهمية مع الذرات المجاورة لها. لمعرفة كيف تتكون هذه الروابط، دعونا نتناول ذرتي سليكون متجاورتين. تحتوي كل ذرة من هاتين الذرتين على أربعة إلكترونات في غلاف تكافؤها. ومن الممكن أن تكون بعض هذه الإلكترونات مشتركة بين الذرتين. لنفترض، على سبيل المثال، أن هذا الإلكترون الموجود هنا وهذا الإلكترون الموجود هنا جزء من رابطة تساهمية بين ذرتي السليكون هاتين. هذا يعني أن هذين الإلكترونين ينتميان بصورة ما إلى كلتا الذرتين. نمثل ذلك برسم هذين الإلكترونين عند نقطتي التقاطع بين مداري تكافؤ هاتين الذرتين. ونتيجة لهذه الرابطة التساهمية، يمكننا القول الآن إن كل ذرة من ذرتي السليكون هاتين تحتوي على خمسة إلكترونات في غلاف تكافؤها.

بعبارة أخرى، نقترب من الحصول على غلاف تكافؤ مكتمل أو ممتلئ يحتوي على ثمانية إلكترونات. مفهوم تشارك الإلكترونات هذا من خلال الروابط التساهمية مهم للغاية فيما يسمى بالمادة المكونة للشبكة. لنتناول ذرة السليكون الموجودة في الشبكة والمحاطة بالكامل بذرات أخرى. هذه الذرة قادرة على تكوين أربع روابط تساهمية: واحدة مع هذه الذرة، وواحدة مع هذه الذرة، وواحدة مع ذرة السليكون هذه، وواحدة مع هذه. ومن خلال هذه الروابط، يمكننا القول إن هناك أربعة إلكترونات أضيفت إلى مدار ذرة السليكون المركزية. بعبارة أخرى، يحدث تشارك لهذه الإلكترونات الأربعة مع هذه الذرة، ومن ثم تحتوي الآن ذرة السليكون المركزية هذه على واحد، اثنين، ثلاثة، أربعة، خمسة، ستة، سبعة، ثمانية إلكترونات في غلاف تكافؤها. إذن من حيث الطاقة، من المستبعد أن تفقد أو تكتسب هذه الذرة المركزية أي إلكترونات.

إذا طبقنا فكرة تشارك الإلكترونات على كل ذرات السليكون في هذه الشبكة، يمكننا أن نلاحظ أن أي ذرات داخلية — لدينا هنا ذرة واحدة فقط — تحتوي على ثمانية إلكترونات في غلاف تكافؤها. والذرات الخارجية تحتوي على ستة أو سبعة إلكترونات تكافؤ. إذا فحصنا شبه موصل مصنوعًا من السليكون ذا حجم واقعي، فسنجد أن عدد الصفوف والأعمدة أكثر من الذي رسمناه هنا بكثير. في العينة ذات الحجم الواقعي، تكون معظم الذرات ذرات داخلية مثل هذه الذرة، وتحتوي على ثمانية إلكترونات في غلاف تكافؤها.

إذا كانت هذه الإلكترونات تميل إلى البقاء في مكانها، ويرجح أن تكون كذلك من حيث الطاقة، فإن هذه العينة من السليكون لن تنقل الإلكترونات من جزء إلى آخر في العينة بسهولة. في درجات الحرارة المنخفضة للغاية، حتى في درجة الصفر المطلق، يكون السليكون موصلًا غير جيد. لكن عند وجود عينة من السليكون في درجة حرارة أعلى من هذه الدرجة الصغرى، تتوفر طاقة لإزاحة بعض الإلكترونات الموجودة في المادة المكونة للعينة. على سبيل المثال، إذا أضيفت طاقة إلى هذا الإلكترون الموجود في ذرة السليكون المركزية، يمكن أن يتحرر هذا الإلكترون من مدار التكافؤ. والإلكترون الذي يتحرر بهذه الطريقة يسمى إلكترونًا حرًّا. ومن حيث الطاقة، يكون لهذا الإلكترون حرية التنقل في شبه الموصل المصنوع من السليكون بالكامل.

عندما يترك الإلكترون مكانه، يخلف وراءه ما يسمى بالفجوة. وعلى الرغم من أن الفجوة ما هي إلا غياب للإلكترون، فإنه يمكننا اعتبار أن لها شحنة موجبة فعالة. وكلما تكون إلكترون حر، تكونت معه فجوة. وفي عينة شبه الموصل النقي، يساوي دائمًا عدد الإلكترونات الحرة عدد الفجوات. على الرغم من أن ذرة السليكون المركزية هذه فقدت إلكترونًا سالب الشحنة وأصبح لها الآن شحنة موجبة فعالة في المجمل، فإننا لا نسمي عادة مثل هذه الذرات أيونات. والسبب في ذلك هو أنه من المرجح أن يملأ إلكترون آخر هذه الفجوة الموجبة الشحنة بسرعة. وقد يأتي هذا الإلكترون من مكان آخر داخل ذرة السليكون نفسها.

على سبيل المثال، قد يتحرك هذا الإلكترون الموجود هنا إلى الفجوة الموجبة الشحنة. وإذا حدث ذلك، فسيخلف هذا الإلكترون فجوة موجبة الشحنة وراءه. ثم يملأ على الأرجح إلكترون آخر هذه الفجوة بسرعة. وبهذه الطريقة، تكون الفجوات قادرة في الواقع على التحرك عبر شبكة السليكون. فيمكن أن تكون متنقلة شأنها شأن الإلكترونات بالضبط.

لكن ثمة طريقة أخرى لملء الفجوة غير استقبال إلكترون مقيد داخل الشبكة. في أي لحظة، يوجد على الأرجح العديد من الإلكترونات الحرة التي تتنقل في أرجاء عينة السليكون. وقد ينجذب أحد هذه الإلكترونات إلى الفجوة الموجبة الشحنة ويملؤها. عندما يملؤ إلكترون حر فجوة في الشبكة، تسمى هذه العملية بالالتئام. وبالطبع سيخلف هذا الإلكترون الحر فجوة وراءه، أيًّا كان المكان الذي أتى منه.

ومن ثم، كلما تكون إلكترون حر أو غير إلكترون مقيد موضعه، تتكون وراءه فجوة. ونظرًا لأن الفجوات لها شحنة موجبة فعالة، فإنها تجذب الإلكترونات السالبة الشحنة. ويمكن ملء الفجوة بإلكترون حر أو إلكترون مقيد. في عينة شبه الموصل النقي، ثمة طريقة جيدة للتحكم في العدد الإجمالي للفجوات، ومن ثم في العدد الإجمالي للإلكترونات الحرة، وهي تغيير درجة حرارة هذه العينة. فكلما زادت درجة الحرارة، زادت الطاقة التي يمكن أن تنتقل إلى الإلكترونات في الشبكة. وينتج عن ذلك مزيد من الإلكترونات الحرة ومزيد من الفجوات. وارتفاع درجة حرارة الشبكة يجعلها تتصرف مثل الموصل بدرجة كبيرة. على الجانب الآخر، يؤدي انخفاض درجة حرارة العينة إلى انخفاض عدد الفجوات والإلكترونات الحرة المتكونة. والإلكترونات الحرة والفجوات هي التي تسمح للشحنة الكهربية بالتحرك خلال الشبكة. وفي حالة عدم وجود الكثير منها، تتصرف الشبكة مثل العازل بدرجة كبيرة.

بعد أن عرفنا كل ذلك عن أشباه الموصلات النقية، لنتناول الآن مثالًا.

تمثل ذرة سليكون جزءًا من جسم يتكون من ذرات سليكون، كما هو موضح في الشكل. الإلكترونات في أغلفة الطاقة الخارجية للذرات فقط هي الممثلة. كم إلكترونًا في الغلاف الخارجي لذرة في هذا الجسم يكون روابط تساهمية مع الذرات المجاورة؟

نرى هنا شبكة من ذرات السليكون، حيث تمثل النقاط الحمراء الموجودة في المركز نوى السليكون، وتمثل النقاط الزرقاء الموجودة حول هذه المراكز الحمراء الإلكترونات. توضح الإلكترونات الممثلة في هذا الشكل الإلكترونات الموجودة في الأغلفة الخارجية فقط لهذه الذرات. باستخدام هذا التمثيل، ستبدو ذرة السليكون الواحدة بهذا الشكل. توجد نواة الذرة الملونة باللون الأحمر، وأربعة إلكترونات تكافؤ. عندما يجتمع العديد من هذه الذرات لتكوين شبكة، تكون ذرات السليكون روابط تساهمية بعضها مع بعض. وهذا يتضمن تشارك زوج من الإلكترونات بين زوج من الذرات. ومن خلال هذه الروابط، يمكن فعليًّا ملء غلاف تكافؤ ذرة سليكون.

وبما أن كل ذرة من ذرات السليكون تبدأ بأربعة إلكترونات تكافؤ، فإن وجود غلاف خارجي يحتوي على ثمانية إلكترونات يعني إضافة أربعة إلكترونات. وقد أضيفت هذه الإلكترونات الأربعة عن طريق الروابط التساهمية المشتركة. يتضح ذلك في هذه الذرة التي تقع في المادة المكونة لشبكة السليكون. تكون هذه الذرة رابطة تساهمية مع هذه الذرة الموجودة فوقها، وذرة السليكون هذه الموجودة على يمينها، وذرة السليكون هذه الموجودة تحتها، وذرة السليكون هذه الموجودة على يسارها. فكل ذرة من هذه الذرات الأربع المحيطة بالذرة المركزية تتشارك إلكترونًا معها. وهذه هي الطريقة التي تكتسب بها ذرة السليكون المركزية أربعة إلكترونات تكافؤ بفاعلية، ليصبح لديها غلاف تكافؤ مكتمل يحتوي على ثمانية إلكترونات. إذن، للإجابة عن هذا السؤال، يمكننا القول إن أربعة إلكترونات في الغلاف الخارجي لذرة في هذا الجسم تكون روابط تساهمية مع الذرات المجاورة.

لنتناول مثالًا آخر.

يوضح الشكل شبكة من ذرات السليكون عند درجة حرارة 300 كلفن. أي من العناصر الموضحة في الشكل إلكترون حر؟ ما الشحنة النسبية الفعالة للعنصر المشار إليه بالحرف (ب)؟

بالنظر إلى الشكل، نلاحظ أن شبكة ذرات السليكون هذه ممثلة باستخدام نقاط حمراء وزرقاء. تمثل النقاط الحمراء الكبيرة نوى ذرات السليكون. والنقاط الزرقاء الأصغر الموجودة بين النقاط الحمراء الكبيرة تمثل الإلكترونات المنفردة في الأغلفة الخارجية أو أغلفة التكافؤ لهذه الذرات. علمنا أن شبكة الذرات هذه موجودة عند درجة حرارة 300 كلفن. هذا يعني وجود طاقة حرارية كافية لإزالة بعض الإلكترونات المقيدة من ذرات السليكون هذه، وتحرير إلكترونات منها.

على سبيل المثال، تحتوي ذرة السليكون الواحدة على أربعة إلكترونات تكافؤ. وهذه الإلكترونات مقيدة داخل غلاف التكافؤ. لكن إذا نقلت كمية كافية من الطاقة إلى أي منها، وليكن هذا الإلكترون الموجود هنا، فيمكن أن يترك هذا الإلكترون غلاف التكافؤ ويصبح إلكترونًا حرًّا. عندما يحدث ذلك، يخلف مثل هذا الإلكترون وراءه ما يسمى بالفجوة أو الفراغ. تتكون الفجوات والإلكترونات الحرة في الوقت نفسه. ففي كل مرة يتكون إلكترون حر، يخلف وراءه فجوة. وهذا ما نلاحظه في الشكل عند النقطتين (ب) و(أ).

توضح النقطة (أ) تحرر إلكترون من ذرة، أي تحوله إلى إلكترون حر، في حين توضح النقطة (ب) الفراغ أو الفجوة التي يخلفها هذا الإلكترون وراءه. يمكننا إذن الإجابة عن الجزء الأول من السؤال. نظرًا لأن الإلكترونات ممثلة هنا بنقاط زرقاء، وبما أن النقطة (أ) توضح نقطة زرقاء تركت حالة التقييد داخل مدار الذرة، فإننا نعرف أن العنصر (أ) في الشكل هو الذي يوضح إلكترونًا حرًّا. يوضح العنصر (ب) ما يتخلف بعد تحرر الإلكترون. وهذا يسمى الفجوة أو الفراغ. على الرغم من أن هذا الموضع كان له في السابق شحنة كهربية سالبة، وهي شحنة الإلكترون الذي كان يشغله، فإنه الآن له شحنة موجبة نسبية فعالة.

إذا اعتبرنا أن شحنة الإلكترون بمفرده سالب واحد، وشحنة الفجوة بمفردها صفر حيث إنه لا يوجد شيء فيها، يمكننا ملاحظة أنه للانتقال من شحنة الإلكترون إلى شحنة ما خلفه وراءه، علينا إضافة واحد. وهذه هي الشحنة النسبية للفجوة، أي شحنة الفجوة بالنسبة إلى إلكترون. إذن، الشحنة النسبية الفعالة للعنصر المشار إليه بالحرف (ب) هي موجب واحد.

لنختتم الآن هذا الدرس بمراجعة بعض النقاط الرئيسية. في هذا الدرس، تعلمنا أنه فيما يتعلق بالتوصيلية الكهربية، توجد ثلاثة أنواع من المواد: عوازل لا توصل الكهرباء جيدًا، وموصلات توصل الكهرباء جيدًا، وأشباه موصلات تقع بين هذين النوعين. يعد السليكون المادة الأكثر شيوعًا، وإن لم تكن الوحيدة بالتأكيد، التي يصنع منها أشباه الموصلات.

تعود فائدة السليكون بوصفها مادة شبه موصلة، إلى عدد إلكترونات التكافؤ التي يمتلكها، وهو أربعة إلكترونات. عندما تترتب ذرات السليكون في صفوف وأعمدة تسمى الشبكة، فإن ذرات السليكون الداخلية الموجودة في هذه الشبكة تكون روابط تساهمية مع الذرات المجاورة لها. ويسمح لها هذا بتشارك الإلكترونات، ومن ثم يصبح لها غلاف تكافؤ مكتمل فعليًّا يحتوي على ثمانية إلكترونات. وإذا نقلت كمية كافية من الطاقة إلى أحد إلكترونات التكافؤ هذه، يمكن أن يتحرر هذا الإلكترون من الذرة ويصبح ما يسمى بالإلكترون الحر. عندما يحدث هذا، ما يخلفه الإلكترون وراءه يسمى بالفجوة أو الفراغ. ومقارنة بالإلكترون المتحرر، يكون لهذه الفجوة شحنة موجبة فعلية.

في أي زمن، يكون عدد الإلكترونات الحرة في شبه الموصل النقي مساويًا لعدد الفجوات. يمكن أن تملأ الفجوة إما بإلكترون حر آخر يأتي من مكان ما داخل الشبكة، وإما بإلكترون مقيد ينتقل ليشغل هذه الفجوة. هذا هو ملخص أشباه الموصلات النقية.