Skip to main content
Global

9.7: أشباه الموصلات والمنشطات

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    196501

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    أهداف التعلم

    في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:

    • وصف التغييرات في بنية الطاقة لأشباه الموصلات بسبب تعاطي المنشطات
    • التمييز بين أشباه الموصلات من النوع n والنوع p
    • وصف تأثير هول وشرح أهميته
    • احسب الشحنة وسرعة الانجراف وكثافة رقم حامل الشحنة لأشباه الموصلات باستخدام معلومات من تجربة تأثير هول

    في القسم السابق، نظرنا فقط في المساهمة في التيار الكهربائي بسبب احتلال الإلكترونات للحالات في نطاق التوصيل. ومع ذلك، فإن نقل الإلكترون من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل يترك حالة أو ثقبًا غير مشغول في بنية الطاقة لنطاق التكافؤ، والذي يمكن للإلكترون القريب الانتقال إليه. عندما يتم ملء هذه الثقوب بإلكترونات أخرى، يتم إنشاء ثقوب جديدة. يمكن اعتبار التيار الكهربائي المرتبط بهذا الملء بمثابة حركة جماعية للعديد من الإلكترونات سالبة الشحنة أو حركة ثقوب الإلكترون المشحونة إيجابًا.

    للتوضيح، ضع في اعتبارك الشبكة أحادية البعد في الشكل \(\PageIndex{1}\). افترض أن كل ذرة شبكية تساهم بإلكترون تكافؤ واحد في التيار. عندما يتم ملء الفتحة الموجودة على اليمين، تتحرك هذه الحفرة إلى اليسار. يمكن تفسير التيار على أنه تدفق الشحنة الموجبة إلى اليسار. يتم تمثيل كثافة الثقوب، أو عدد الثقوب لكل وحدة حجم، بـ p. كل إلكترون ينتقل إلى نطاق التوصيل يترك وراءه ثقبًا. إذا كان نطاق التوصيل فارغًا في الأصل، فإن كثافة إلكترون التوصيل p تساوي كثافة الثقب، أي\(n = p\).

    يوضح الشكل أربعة أزواج من الصفوف. يحتوي كل زوج على صف علوي من علامات الطرح وصف سفلي من الدوائر بعلامات الجمع. يشير السهم المسمى «تدفق الشحنة الموجبة» إلى اليسار. في الصف الثاني من علامات الطرح، تكون علامة الطرح الأخيرة مفقودة. يُطلق على المساحة الفارغة اسم ثقب الإلكترون. في الصف الثالث من علامات الطرح، تكون علامة الطرح من الثانية إلى الأخيرة مفقودة. يظهر سهم من هنا حتى علامة الطرح الأخيرة. هذا يسمى الإلكترون يملأ الثقب. وبالمثل، في الصف الرابع من علامات الطرح، تكون الثالثة من علامة الطرح الأخيرة مفقودة. يظهر سهم من هنا إلى علامة الطرح الثانية إلى الأخيرة. يُطلق على هذا أيضًا اسم ثقب ملء الإلكترون.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): حركة الثقوب في الشبكة البلورية. عندما تتحول الإلكترونات إلى اليمين، يتحرك ثقب الإلكترون إلى اليسار.

    كما ذكرنا سابقًا، فإن أشباه الموصلات عبارة عن مادة ذات نطاق تكافؤ مملوء، ونطاق توصيل غير مملوء، وفجوة طاقة صغيرة نسبيًا بين النطاقات. يمكن إدخال الإلكترونات أو الثقوب الزائدة في المادة عن طريق استبدال الشبكة البلورية بذرة النجاسة، وهي ذرة ذات رقم تكافؤ مختلف قليلاً. تعرف هذه العملية باسم المنشطات. على سبيل المثال، لنفترض أننا أضفنا ذرة الزرنيخ إلى بلورة السيليكون (الشكل\(\PageIndex{2a}\)).

    يوضح الشكل أ شبكة بها دوائر مميزة بذرات السيليكون على كل تقاطع. على أحد التقاطعات، توجد دائرة ملونة مختلفة تسمى ذرة الزرنيخ. تظهر دائرة صغيرة بين ذرات السيليكون. يُطلق على هذا اسم إلكترون إضافي من ذرة الزرنيخ. يوضح الشكل (ب) شبكة ذات دوائر مميزة بذرات السيليكون على كل تقاطع. على أحد التقاطعات، توجد دائرة ملونة مختلفة تسمى ذرة الألومنيوم. تظهر دائرة صغيرة بين ذرات السيليكون. هذا يسمى الثقب.
    الشكل\(\PageIndex{2}\): (أ) شوائب المانح و (ب) شوائب متقبل. يؤدي إدخال الشوائب والمقبولات في أشباه الموصلات إلى تغيير الخصائص الإلكترونية لهذه المادة بشكل كبير.

    يحتوي الزرنيخ على خمسة إلكترونات متساوية، بينما يحتوي السيليكون على أربعة فقط. لذلك يجب أن يدخل هذا الإلكترون الإضافي في نطاق التوصيل، نظرًا لعدم وجود مساحة في نطاق التكافؤ. يحتوي أيون الزرنيخ المتبقي وراءه على شحنة موجبة صافية تربط بشكل ضعيف الإلكترون غير الموضعي. يكون الارتباط ضعيفًا لأن الشبكة الذرية المحيطة تحمي المجال الكهربائي للأيونات. ونتيجة لذلك، تبلغ طاقة الربط للإلكترون الإضافي حوالي 0.02 eV فقط. بمعنى آخر، يكون مستوى طاقة إلكترون الشوائب في فجوة النطاق تحت نطاق التوصيل بمقدار 0.02 eV، وهي قيمة أصغر بكثير من طاقة الفجوة، 1.14 eV. في درجة حرارة الغرفة، يتم تحريك إلكترون الشوائب هذا بسهولة في نطاق التوصيل وبالتالي يساهم في الموصلية (الشكل \(\PageIndex{3a}\)). تُعرف الشوائب التي تحتوي على إلكترون إضافي بشوائب المتبرع، ويطلق على أشباه الموصلات المخدرة اسم أشباه الموصلات من النوع n لأن ناقلات الشحنة الأولية (الإلكترونات) سالبة.

    يُظهر الشكل أ مستطيلًا مظللاً في الجزء السفلي المسمى شريط الستارة وخطًا في الجزء العلوي المسمى نطاق التوصيل. يُطلق على الفصل اسم E subcept g. يوجد إلكترون في الجزء العلوي من نطاق التوصيل وخط قصير أسفله. الشكل b مشابه ولكن مع وجود العديد من الإلكترونات فوق نطاق التوصيل والعديد من الخطوط القصيرة أسفل النطاق التي تشكل خطًا منقطًا. يُطلق على الخط المنقط اسم شريط النجاسة.
    الشكل\(\PageIndex{3}\): يتم تحفيز الإلكترون الإضافي من شوائب المتبرع في نطاق التوصيل؛ (ب) تكوين نطاق شوائب في أشباه الموصلات من النوع n.

    من خلال إضافة المزيد من الشوائب المانحة، يمكننا إنشاء شريط شوائب، وهو نطاق طاقة جديد تم إنشاؤه بواسطة منشطات أشباه الموصلات، كما هو موضح في الشكل\(\PageIndex{3b}\). يقع مستوى Fermi الآن بين هذا النطاق ونطاق التوصيل. في درجة حرارة الغرفة، يتم تحفيز العديد من إلكترونات الشوائب حراريًا في نطاق التوصيل وتساهم في الموصلية. يمكن أن يحدث التوصيل أيضًا في نطاق الشوائب حيث يتم إنشاء الوظائف الشاغرة هناك. لاحظ أن التغيرات في طاقة الإلكترون تتوافق مع التغيير في الحركة (السرعات أو الطاقة الحركية) لناقلات الشحنة هذه مع أشباه الموصلات، ولكن ليس الحركة الكلية لأشباه الموصلات نفسها.

    يمكن أيضًا تحقيق المنشطات باستخدام ذرات الشوائب التي تحتوي عادةً على إلكترون تكافؤ أقل من ذرات أشباه الموصلات. على سبيل المثال، يمكن استبدال Al، الذي يحتوي على ثلاثة إلكترونات متساوية، بـ Si، كما هو موضح في الشكل \(\PageIndex{2b}\). تُعرف هذه الشوائب بالشوائب المتقبل، وتسمى أشباه الموصلات المخدرة أشباه الموصلات من النوع p، لأن ناقلات الشحنة الأولية (الثقوب) موجبة. إذا تمت معالجة الثقب كجسيم إيجابي مرتبط بشكل ضعيف بموقع الشوائب، فسيتم إنشاء حالة إلكترون فارغة في فجوة النطاق فوق نطاق التكافؤ مباشرةً. عندما يتم ملء هذه الحالة بإلكترون متحمس حراريًا من نطاق التكافؤ (الشكل \(\PageIndex{1a}\))، يتم إنشاء ثقب متحرك في نطاق التكافؤ. بإضافة المزيد من الشوائب المقبولة، يمكننا إنشاء شريط شوائب، كما هو موضح في الشكل\(\PageIndex{1b}\).

    يُظهر الشكل أ مستطيلًا مظللاً في الجزء السفلي المسمى شريط الستارة وخطًا في الجزء العلوي المسمى نطاق التوصيل. يُطلق على الفصل اسم E subcept g، ويوجد إلكترون في الجزء العلوي من نطاق التكافؤ مع خط قصير أسفله. يوجد ثقب في نطاق التكافؤ أسفل الإلكترون مباشرة. يتشابه الشكل b ولكن مع وجود العديد من الإلكترونات فوق نطاق الميزان والعديد من الخطوط القصيرة أسفل الإلكترونات، مما يشكل خطًا منقطًا. يُطلق على الخط المنقط اسم شريط النجاسة. يوجد أسفل كل إلكترون ثقب في نطاق التكافؤ.
    الشكل\(\PageIndex{4}\): (أ) يتم تحفيز إلكترون من نطاق التوصيل إلى الحالة الفارغة الناتجة عن شوائب المستقبل؛ (ب) تكوين نطاق شوائب في أشباه الموصلات من النوع p.

    يمكن أن يكون التيار الكهربائي لأشباه الموصلات المخدرة ناتجًا عن حركة حامل الأغلبية، حيث تساهم ذرة الشوائب في الثقوب، أو بسبب حامل ضئيل، حيث يتم المساهمة في الثقوب فقط عن طريق الإثارة الحرارية للإلكترونات عبر الطاقة فجوة. في أشباه الموصلات من النوع n، تكون ناقلات الأغلبية عبارة عن إلكترونات حرة تساهم فيها ذرات الشوائب، وناقلات الأقلية هي إلكترونات حرة تنتجها الإثارة الحرارية من التكافؤ إلى نطاق التوصيل. في أشباه الموصلات من النوع p، تكون غالبية الناقلات عبارة عن ثقوب حرة تساهم فيها ذرات الشوائب، وناقلات الأقلية هي ثقوب حرة يتركها ملء الحالات بسبب الإثارة الحرارية للإلكترونات عبر الفجوة. بشكل عام، يتجاوز عدد شركات النقل ذات الأغلبية بكثير شركات النقل الأقلية. سيتم استخدام مفهوم ناقلات الأغلبية والأقلية في القسم التالي لشرح تشغيل الصمامات الثنائية والترانزستورات.

    تأثير هول

    عند دراسة المنشطات من النوع p - و n، من الطبيعي أن نسأل: هل تعمل «الثقوب الإلكترونية» حقًا مثل الجسيمات؟ يتضح وجود ثقوب في أشباه الموصلات من النوع p المخدر من خلال تأثير هول. تأثير هول هو إنتاج فرق محتمل بسبب حركة الموصل عبر مجال مغناطيسي خارجي. يظهر رسم تخطيطي لتأثير هول في الشكل \(\PageIndex{5a}\).

    يوضح الشكل أ لوحة طولها L وعرضها W وسمكها t. مصدر الجهد VX متصل بطوله. التيار في الحلقة، I في اتجاه عقارب الساعة. يتم توصيل مصدر الجهد VH عبر عرض اللوحة. التيار الموجود في الحلقة، BZ، عكس اتجاه عقارب الساعة. يوجد سهم على اللوحة يحمل علامة E. ويشير إلى اليمين. الشكل (ب) مشابه للشكل أ، باستثناء أن قطبين VX و VH معكوسة كما يتم عكس اتجاهات I و BZ و E.
    الشكل\(\PageIndex{5}\): تأثير هول. (أ) يتم سحب الثقوب الإلكترونية المشحونة إيجابًا إلى اليسار بواسطة مجال مغناطيسي منتظم يشير إلى الأسفل. يتم إنشاء حقل كهربائي إلى اليمين. (ب) تُسحب الإلكترونات السالبة المشحونة إلى اليسار بواسطة مجال مغناطيسي يشير لأعلى. يتم إنشاء حقل كهربائي إلى اليسار.

    يتم غمر شريط أشباه الموصلات في مجال مغناطيسي موحد (يشير إلى الورقة). عندما تتحرك ثقوب الإلكترون من اليسار إلى اليمين عبر أشباه الموصلات، تدفع قوة لورنتز هذه الشحنات نحو الطرف العلوي من الشريط. (تذكر أن حركة شركات النقل ذات الشحنة الموجبة تحددها القاعدة اليمنى.) تستمر الشحنة الموجبة في التجمع على الحافة العلوية للشريط حتى تقوم القوة المرتبطة بالحقل الكهربائي الهابط بين الحواف العلوية والسفلية للشريط (\(F_E = E_q\)) فقط بموازنة القوة المغناطيسية الصاعدة (\ (F_B = qVB\)). عند تعيين هذه القوى مساوية لبعضها البعض، لدينا\ (E = vB\). وبالتالي فإن الجهد الذي يتطور عبر الشريط هو

    \[V_H = vBw, \nonumber \]

    أين\(V_H\) جهد القاعة؛\(v\) هو سرعة انجراف الثقب، أو متوسط سرعة الجسيم الذي يتحرك بطريقة عشوائية جزئيًا؛ B هي شدة المجال المغناطيسي؛ و w هو عرض الشريط. لاحظ أن جهد القاعة عرضي للجهد الذي ينتج في البداية تيارًا عبر المادة. يؤكد قياس علامة هذا الجهد (أو الفرق المحتمل) مجموعة الثقوب على الجانب العلوي من الشريط. ينتج عن حجم جهد القاعة سرعة الانجراف (v) لمعظم الناقلات.

    يمكن أيضًا استخراج معلومات إضافية من جهد القاعة. لاحظ أن كثافة تيار الإلكترون (مقدار التيار لكل وحدة مساحة مقطعية لشريط أشباه الموصلات) هي

    \[j = nqv, \label{eq3} \]

    حيث q هو حجم الشحنة، n هو عدد حاملات الشحن لكل وحدة حجم، و v هي سرعة الانجراف. يتم تحديد كثافة التيار بسهولة عن طريق قسمة التيار الكلي على مساحة المقطع العرضي للشريط، q هي شحنة الثقب (حجم شحنة إلكترون واحد)، ويتم تحديد u بواسطة المعادلة\ ref {eq3}. ومن ثم، فإن التعبير أعلاه لكثافة تيار الإلكترون يعطي عدد حاملات الشحنة لكل وحدة حجم، n. يمكن إجراء تحليل مماثل للناقلات ذات الشحنة السالبة في مادة من النوع n (انظر الشكل\(\PageIndex{5}\)).