نسخة الفيديو النصية
أي من الآتي يصف شبه الموصل من النوع n وصفًا صحيحًا؟ (أ) شبه الموصل من النوع n مادة شبه موصلة تحمل شحنة كلية سالبة. (ب) شبه الموصل من النوع n مادة شبه موصلة تحتوي على شائبة؛ بحيث يكون عدد الإلكترونات الحرة في المادة أكبر من عدد الإلكترونات الحرة في شبه الموصل النقي. (ج) شبه الموصل من النوع n مادة شبه موصلة تحتوي على شائبة؛ بحيث يكون عدد الإلكترونات الحرة في المادة أقل من عدد الإلكترونات الحرة في شبه الموصل النقي. (د) شبه الموصل من النوع n شبه موصل مصنوع من عنصر من عناصر الدورة الرابعة في الجدول الدوري. (هـ) شبه الموصل من النوع n شبه موصل مصنوع من عنصر من عناصر الدورة الخامسة من الجدول الدوري.
نحاول في هذا السؤال إيجاد الخيار الذي يصف شبه الموصل من النوع n وصفًا صحيحًا من الخيارات من (أ) إلى (هـ). دعونا نبدأ بتذكر تعريف شبه الموصل من النوع n. وللقيام بذلك، علينا تذكر تعريف شبه الموصل النقي أولًا.
شبه الموصل هو مادة تتمتع بتوصيلية كهربية أفضل من العوازل، لكنها ليست بنفس كفاءة الموصلات من ناحية التوصيلية الكهربية. وتصنع أشباه الموصلات النقية عادة من السليكون. وذلك لأن كل ذرة سليكون تحتوي على أربعة إلكترونات في غلافها الخارجي. وبهذه الطريقة، يمكن أن ترتبط كل ذرة سليكون بأربع ذرات سليكون أخرى، وهو ما ينتج عنه وجود ثمانية إلكترونات في الغلاف الخارجي.
فإذا نظرنا إلى ذرة السليكون في مركز هذا الشكل الذي رسمناه، فسنجد أن أربعة من هذه الإلكترونات تأتي من ذرة السليكون نفسها، بينما تأتي الإلكترونات الأربعة الأخرى من ذرات السليكون الأربعة المرتبطة بها. فكل ذرة سليكون تمنح إلكترونًا واحدًا لكل رابطة.
ينتج عن هذا الترابط في السليكون بنية كبيرة تكون فيها كل ذرة سليكون محاطة بأربع ذرات سليكون أخرى لها غلاف خارجي ممتلئ. وفقط الذرات الموجودة عند أطراف البنية هي التي ليس لها أغلفة إلكترونية ممتلئة. لكن هذه المادة تمتد بطول ملايين ذرات السليكون في جميع الاتجاهات. ومن ثم، فإن الغالبية العظمى من ذرات السليكون لها أغلفة إلكترونية خارجية ممتلئة.
إذن، يعرف الجزء الأكبر من هذه المادة بشبه الموصل النقي. لكن إذا أخذنا إحدى ذرات السليكون هذه واستبدلنا بها ذرة من عنصر آخر، فستصبح الأمور مثيرة للاهتمام.
لنفترض أننا نأخذ إحدى ذرات السليكون هذه من الجزء الأكبر من المادة ونضع مكانها ذرة فوسفور. لا يحتوي الفوسفور على أربعة إلكترونات في غلافه الخارجي، بل خمسة. وعليه، إذا حلت ذرة فوسفور محل ذرة سليكون، فسترتبط ذرة الفوسفور بأربع ذرات سليكون حولها. لكن سيتبقى إلكترون إضافي في الغلاف الخارجي لذرة الفوسفور، لأن غلافها الخارجي به خمسة إلكترونات في الأصل.
ويتبين لنا أن هذا الإلكترون الزائد لا بد أن ينتقل إلى مستوى طاقة أعلى لأن الغلاف الخارجي لا يمكن أن يحمل أكثر من ثمانية إلكترونات. وعليه، يصبح هذا الإلكترون الزائد حر الحركة في الجزء الأكبر من المادة. وبما أن الإلكترونات جسيمات مشحونة، فيمكننا استخدام هذا الإلكترون لتحريك تيار عبر هذا الجزء الأكبر من المادة.
لذا، ففي كل مرة تحل ذرة فوسفور أو أي ذرة لها خمسة إلكترونات في غلافها الخارجي محل إحدى ذرات السليكون، تمنح هذه الذرة إلكترونًا إلى الجزء الأكبر من المادة. وبذلك، تزيد هذه الإلكترونات الإضافية من قدرة المادة على توصيل الكهرباء. ونظرًا لأن الإلكترونات سالبة الشحنة وقد منحت بواسطة هذه الذرة البديلة، فإن شبه الموصل يعرف إجمالًا بشبه الموصل من النوع n، أو النوع السالب.
وجدير بالذكر أيضًا أن عملية إحلال ذرة أخرى محل ذرة السليكون في قلب المادة تسمى التطعيم. كما أن الذرة التي نستخدمها لتحل محل ذرة السليكون تعرف باسم الشائبة. ولكن على أي حال، ما أردنا قوله هنا أن شبه الموصل من النوع n ليس سليكون نقيًّا. ولكن بدلًا من ذلك، حلت ذرات بها خمسة إلكترونات في غلافها الخارجي محل بعض ذرات السليكون في الجزء الأكبر من المادة.
من المهم أن تعرف أنه على الرغم من أن ذرة الفوسفور في هذه الحالة تمنح إلكترونًا إلى قلب المادة، فإن هذا لا يجعل الجزء الأكبر من المادة سالب الشحنة. وذلك لأن هذه الشحنات الإلكترونية جميعها متعادلة مع الشحنات المناظرة لها في نواة ذرة الفوسفور، على الرغم من وجود خمسة إلكترونات في غلافها الخارجي. وعليه، فإن هذا لا يجعل الجزء الأكبر من المادة سالب الشحنة، فحتى مع وجود إلكترونات حرة زائدة فيه مقارنة بما سيكون عليه الحال إذا كانت مصنوعة من السليكون النقي فقط. وذلك لأن الشحنة الزائدة تعادلها بروتونات نواة ذرة الفوسفور.
بناء على هذه المعلومات، دعونا ننظر الآن إلى الخيارات من (أ) إلى (هـ) ونر أي منها صحيح. يخبرنا الخيار (أ) أن شبه الموصل من النوع n مادة شبه موصلة تحمل شحنة كلية سالبة. لقد قلنا للتو إن هذا ليس صحيحًا. فأشباه الموصلات متعادلة. ومن ثم، فالخيار (أ) ليس إجابة السؤال.
يخبرنا الخيار (ب) أن شبه الموصل من النوع n مادة شبه موصلة تحتوي على شائبة؛ بحيث يكون عدد الإلكترونات الحرة في المادة أكبر من عدد الإلكترونات الحرة في شبه الموصل النقي. هذا وصف جيد للغاية. لأنه يتضمن الشائبة التي تحدثنا عنها. تمنح الشائبة في شبه الموصل من النوع n بالفعل إلكترونات حرة أكثر من تلك الموجودة في شبه الموصل النقي. لذا، يبدو أن الخيار (ب) هو الإجابة الصحيحة. لننظر سريعًا إلى الخيارات (ج) و(د) و(هـ) للتأكد من أنها خطأ.
يخبرنا الخيار (ج) أن شبه الموصل من النوع n مادة شبه موصلة تحتوي على شائبة؛ بحيث يكون عدد الإلكترونات الحرة في المادة أقل من عدد الإلكترونات الحرة في شبه الموصل النقي. وهذا غير صحيح بالتأكيد؛ لأن لدينا في هذه الحالة عددًا أكبر من الإلكترونات الحرة. كما أن شبه الموصل الذي يحتوي على عدد أقل من الإلكترونات الحرة يعرف باسم شبه الموصل من النوع p، أو النوع الموجب. إذن، الخيار (ج) ليس الخيار الذي نبحث عنه أيضًا.
أما الخيار (د) فيخبرنا أن شبه الموصل من النوع n شبه موصل مصنوع من عنصر من عناصر الدورة الرابعة في الجدول الدوري. لكن لا يقع السليكون نفسه في الدورة الرابعة من الجدول الدوري. إلا أن الشائبة قد تقع أحيانًا في الدورة الرابعة، ولكن هذا لا يهمنا. الأمر الوحيد الذي يهمنا هنا هو أن مادة شبه الموصل الأصلية، وهي في هذه الحالة السليكون، تحتوي على أربعة إلكترونات في غلافها الخارجي. وبالنسبة إلى أشباه الموصلات من النوع n، تحتوي مادة الشائبة على خمسة إلكترونات في غلافها الخارجي.
إذن، الخياران (د) و(هـ)، اللذان يتحدثان عن عناصر من الدورة الرابعة أو الدورة الخامسة من الجدول الدوري، لا يمثلان إجابتين ذواتي صلة عندما يتعلق الأمر بالحديث عن أشباه الموصلات من النوع n. ومن ثم، فالإجابة النهائية هي أن شبه الموصل من النوع n مادة شبه موصلة تحتوي على شائبة؛ بحيث يكون عدد الإلكترونات الحرة في المادة أكبر من عدد الإلكترونات الحرة في شبه الموصل النقي.
