تعرف على أنصاف النواقل أساس الثورة التقنية

إن نتيجة الثورة التقنية التي نشهدها فإن أبرز ما نلاحظه هو صغر حجم الأجهزة وزيادة المهام التي يمكنها القيام بها، ويرجع القدرة على ذلك إلى أنصاف النواقل التي كانت السبب في حدوث هذه النقلة النوعية.

أهمية أنصاف النواقل

أحدث تطور أنصاف النواقل ثورة في صناعة الأجهزة الإلكترونيّة، إذ إنّها تشكل أساس جميع الديودات والترانزستورات والدارات المتكاملة والمعالجات المكرويّة.

كما أنّها ذات استجابة سريعة جداً للوصل والفصل وهي متوفرة جداً في الطبيعة. وتقدّم التكنولوجيا الحديثة أحجام صغيرة جداً من أنصاف النواقل من رتبة نانو متر.

خواص الناقلية

تزداد الناقليّة الكهربائيّة للمواد الصلبة بنقصان مقاومتها النوعيّة. تزداد الناقليّة الكهربائيّة للمواد الصلبة بزيادة الكثافة الحجميّة للإلكترونات الحرّة فيها. تسمى المواد التي تتراوح مقاومتها النوعية في درجة الحرارة العادية ( 〖10〗^(-5)- 〖10〗^(+5))Ωm أنصاف النواقل.

خواص نصف الناقل النقي

• ترتبط كل ذرّة في البنية البلوريّة لنصف الناقل النقي مع أربع ذرّات مجاورة بأربعة روابط مشتركة تحقّق مبدأ الثمانيّة الإلكترونيّة.
• يسلك نصف الناقل النقيّ سلوك عازل في درجة الصفر المطلق، لأنّه لا يحوي إلكترونات حرّة.
• تزداد ناقليّة بلورة نصف الناقل النقيّ بارتفاع درجة حرارته أو عند إضاءتها بمصدر ضوئي حيث يمكن لبعض إلكترونات التكافؤ أن تتحرّر من روابطها المشتركة بسبّب حصولها على طاقة إضافية وتصبح حرّة الحركة داخل البلّورة.

تفسير الناقليّة الأصليّة لنصف الناقل النقيّ

عند ارتفاع درجة حرارة بلورة نصف الناقل النقيّ فإنّ أحد إلكترونات التكافؤ يكتسب طاقة كافية ليتحرّر من رابطته المشتركة مخلفاً مكاناً فارغاً نسميّه ثقباً شحنته موجبة ممّا يؤلّف زوجاً (إلكترون – ثقب)، ويمكن لإلكترون آخر من ذرة مجاورة أن ينتقل ليمأ هذا الثقب مخلفاً وراءه ثقباً جديداً موجباً. وبالتالي يحدث انتقال في أمكنة الثقوب يكافئ انتقال الشحنة الموجبة بعكس جهة حركة الإلكترونات الحرّة، وتبقى البلّورة معتدلة لأنّ عدد الإلكترونات الحُرّة مساوياً عدد الثقوب التي تخلّفها على الذرات في درجة حرارة معيّنة.

أي أنه تعود الناقليّة الأصليّة في بلّورة نصف الناقل النقيّ إلى الحركة المضاعفة لأزواج (إلكترون- ثقب) وتزداد هذه الناقليّة بزيادة عدد الأزواج (إلكترون- ثقب) بزيادة درجة الحرارة مثلاً.

اقرأ أيضاً:

• اعرف كل ما يتعلق بالبطاريات وأنواعها ومواصفاتها
• كل ما تريد معرفته عن أشهر المعادن وخصائصها

أنصاف النواقل الهجينة من النمط n:

عند إضافة ذرّة خماسية التكافؤ كالزرنيخ As مثلاً إلى بلّورة نصف الناقل، فإنّها تحلّ مكان ذرّة جرمانيوم في البلّورة الصلبة، وفق ما في الشكل.

• ترتبط ذرة الزرنيخ في بلّورة نصف الناقل بأربع روابط مشتركة مع أربع ذرات جرمانيوم، فيبقى لديها إلكترون فائض لا يُكسب البلّورة شحنة سالبة، ولذلك نقول إنّه فائض من حيث المكان لا من حيث الشحنة.
• الإلكترون الفائض يَسْهل انتقالهُ داخل البلّورة كإلكترون حُرّ.
• كل ذرّة شائبة تؤدي إلى إلكترون حرّ فائض، وتسمى بالذرّة المانحة (المعطي).
• تضاف هذه الإلكترونات إلى إلكترونات الناقليّة الأصلية، ويصبح عددها أكبر من عدد الثقوب، ويتشكّل نصف ناقل هجين مانح من النمط n ناقليته إلكترونيّة، ممّا يزيد من ناقليّة نصف الناقل في درجة الحرارة العادية.

أنصاف النواقل الهجينة من النمط p:

عند إضافة ذرّة ثلاثية التكافؤ كالبور مثلاً إلى بلّورة نصف الناقل، فإنّها تحلّ مكان ذرّة جرمانيوم في البلّورة الصلبة، كما في الشكل

• تحاط ذرة البور في بلّورة نصف الناقل بأربع ذرات جرمانيوم تشكّل ثلاثة روابط مشتركة، وينقصها إلكترون لتشكّل الرابطة الرابعة يتولّد عن نقص الإلكترون ثقب فائض لا يُكسب البلّورة شحنة موجبة، ولذلك نقول أنّه فائض من حيث المكان لا من حيث الشحنة.
• يمكن لإلكترون من ذرة مجاورة أن يتحرّك ليعدّل الثقب الفائض، مخلّفاً ثقباً موجباً جديداً.
• كل ذرّة شائبة تؤدي إلى ثقب فائض، وتسمّى بالذرّة الآخذة (المتقبّلة).
• تضاف هذه الثقوب إلى ثقوب الناقليّة الأصلية، ويصبح عددها أكبر من عدد الإلكترونات، ويتشكّل نصف ناقل هجين قابل من النمط p ناقليّته ثقوبيّة، ممّا يزيد من ناقليّة نصف الناقل في درجة الحرارة العادية.
• يُعدّ السيليكون والجرمانيوم عنصرين هامّين في الصناعة ولا سيّما في صناعة رقائق الحاسوب والخلايا الشمسيّة، كما استعمل السيليكون في الجراحة التجميلية.

يفيد التهجين في نقصان المقاومة الكهربائيّة بالتالي في زيادة ناقليّة نصف الناقل نتيجة زيادة عدد الشحنات الكهربائيّة المتحركة، وتسمى الناقليّة الجديدة لنصف الناقل الهجين بالناقليّة الهجينة.

وهكذا نكون قد تعرفنا على أساس وبنية أنصاف النواقل سبب التطور التكنولوجي والثورة التي وصلنا إليها في مجال الإلكترونيات.