تويت
ما هي اشباه الموصلات
شكّلت اشباه الموصلات عند اكتشافها ثورةً في عالم الأجهزة الإلكترونية وأصبحت بذلك جزءًا مهمًّا من حياتنا، فهي الوحدة الأساسية لمعظم الأجهزة التي نستخدمها كلّ يومٍ. ما هي هذه المواد، كيف تعمل وكيف تم اكتشافها؟ لنتعرف على المزيد من المعلومات في المقال التالي.
تعريف اشباه الموصلات
تُعرف اشباه الموصلات (Semiconductor) بأنها مجموعة مواد صلبة بلورية البنية تمتلك قدرةً متوسطةً على نقل التيّار الكهربائي، فهي ليست بكفاءة المواد الموصلة كالمعادن، لكنّها بنفس الوقت ليست مواد عازلة مثل السيراميك.
قد تكون اشباه الموصلات مكوّنةً من مادةٍ واحدةٍ مثل السيليكون والجرمانيوم، أو مركّبة من مادتين أو أكثر مثل سيلينيد الكادميوم. ولتحيسن ناقليتها للتيار الكهربائي، تُضاف كميّةٌ صغيرةٌ من الشوائب إلى أشباه الموصلات النقية بعمليةٍ تدعى التنشيط (Doping).
تاريخ اشباه الموصلات
استخدم مصطلح اشباه الموصلات لأول مرة من قبل أليساندرو فولتا عام 1782، ثم أتى مايكل فاراداي من بعده عام 1833 ليكون أول من لاحظ تأثير هذه المواد، حيث لاحظ انخفاض المقاومة الكهربائية لكبريتيد الفضة مع الحرارة.
ثم في عام 1874، اكتشف كارل فيرديناند براون ووثّق لأول مرة سلوك أشباه النواقل كصماماتٍ ثنائيةٍ، إذ لاحظ براون أن التيار يتدفق بحريةٍ في اتجاهٍ واحدٍ فقط عند التلامس بين نقطةٍ معدنيةٍ وبلورة جالينا. أما براءة الاختراع الأولى في هذا المجال فكانت عام 1901 عندما اخترع Jagadis Chandra Bose أول جهاز لاقط لإشارة موجات الراديو حاوٍ على أشباه موصلات، حتى جاء اختراع الترانزستورات عام 1947 بمشاركة جون باردين ووالتر براتين وويليام شوكلي، والذي لا يزال حتى الآن حجر الأساس في صناعة مختلف الأجهزة الإلكترونية.
الناقلية الكهربائية للمادة الصلبة
كما نعلم، فإن ناقلية المواد الصلبة للتيار الكهربائي تصنّف ضمن ثلاث فئاتٍ هي المواد العازلة، وأشباه الموصلات والموصلات. نعلم أيضًا أن الناقلية الكهربائية للمواد المختلفة تتأثر بشكلٍ كبيرٍ بتبدل درجة حرارتها زيادةً أو نقصانًا.
يوضح المخطط في الأسفل الناقلية الكهربائية σ والمقاومات المقابلة (بحيث ρ = 1/σ) ويمكننا ملاحظة أن المواد العازلة (مثل الكوارتز والزجاج المنصهر) ذات ناقلية كهربائية منخفضة جدًا، فهي تتراوح بين من 10-18 إلى 10-10 سيمنز لكل سنتيمتر، بينما تتراوح الناقلية الكهربائية للموصلات (مثل الألومنيوم) عادةً من 104 إلى 106 سيمنز لكل سنتيمتر.
أما الناقلية الكهربائية لأشباه الموصلات فهي تتراوح بين القيم الحدية السابقة، ويتعلق ذلك عمومًا بدرجة الحرارة، والكثافة، وجودها قرب مجال مغناطيسي، وكمية الشوائب الموجودة فيها (مثلًا يمكن أن تؤدي إضافة 10 ذرات من البورون (المنشط) لكل مليون ذرةٍ من السيليكون إلى زيادة الناقلية الكهربائية بمقدار ألف ضعف).
تأثير الشوائب على الناقلية الكهربائية لشبه الموصل
تعد اشباه الموصلات بصورتها النقية ذات بنيةٍ بلوريةٍ ضعيفة النقل للتيار الكهربائي، ولها أربعة إلكتروناتٍ تكافؤ في الطبقة الخارجية.
يقوم المصنِّعون بعملية التنشيط (Doping) لأشباه النواقل بهدف تحسين ناقليّتها؛ حيث تتم في هذه العملية إضافة 2% من الشوائب خماسية إلكترونات تكافؤ مثل الزرنيخ، فما الذي يحدث؟ كمية الزرنيخ المضافة غير كافيةٍ لتغيير البنية البلورية لنصف الناقل، وأربعة من إلكترونات تكافؤ الزرنيخ تسلك سلوك إلكترونات تكافؤ المادة النقية، أما الإلكترون الخامس فغير منسجم مع البنية، وعلى الرغم من بقائه قرب ذرة الزرنيخ، إلا أنه ليس ثابتًا، لذلك فإنه يتحرك بمرور التيار الكهربائي معززًا ناقلية شبه الناقل.
أما من أجل فرملة أو تقليل ناقلية أشباه النواقل، فيمكن إضافة ذرة ألمنيوم ثلاثية التكافؤ إلى بلورة شبه الناقل؛ حيث أن بنية الألمنيوم تلائم البنية البلورية للسيليكون، ولكن الإلكترون المفقود يشكل ما يشبه الحفرة، فتعمل بمثابة الفرامل أو المخدّر لمرور التيّار الكهربائي، وتعد مهمةً في إنشاء الصمامات الثنائية. تعتبر هاتان الآليتان المتعاكستان الأساس في عمل الصمامات الثنائية (LEDs).
أنواع أشباه الموصلات
تقسم اشباه الموصلات إلى نوعين أساسيين تبعًا لنوع المادة الشائبة، وهما:
أهم استخدامات اشباه الموصلات
تقريبًا، إن كلّ الأجهزة الإلكترونية الموجودة ضمن الغرفة التي تجلس فيها الآن تحوي في لوحاتها الإلكترونية على أشباه موصلات. أهم الأمثلة على ذلك؛ حساسات الحرارة ضمن أجهزة التكييف، ووحدات المعالجة المركزية في الحواسيب المحمولة، والهواتف الذكية، والكاميرات الرقمية، وأجهزة التلفزيون، والغسالة، والثلاجة، ومصابيح LED تُستَخدم فيها أيضًا أشباه الموصلات، إضافةٍ إلى الكثير والكثير من الأجهزة الأخرى.
اشباه الموصلات مهمة بشكلٍ خاصٍ بفضل إمكانيّة تكييفها والتحكم بمقدار ناقليّتها للتيار الكهربائي، حيث يمكن بفضل هذه الخصاصية صناعة أنماط مختلفة من المعدّات الإلكترونية ذات الخصائص المختلفة. كما أن اكتشاف هذه المواد لم يجعل الأجهزة الإلكترونية المتنوعة أكثر أمانًا وكفاءةً فحسب، بل وأصغر حجمًا أيضًا.
شكّلت اشباه الموصلات عند اكتشافها ثورةً في عالم الأجهزة الإلكترونية وأصبحت بذلك جزءًا مهمًّا من حياتنا، فهي الوحدة الأساسية لمعظم الأجهزة التي نستخدمها كلّ يومٍ. ما هي هذه المواد، كيف تعمل وكيف تم اكتشافها؟ لنتعرف على المزيد من المعلومات في المقال التالي.
تعريف اشباه الموصلات
تُعرف اشباه الموصلات (Semiconductor) بأنها مجموعة مواد صلبة بلورية البنية تمتلك قدرةً متوسطةً على نقل التيّار الكهربائي، فهي ليست بكفاءة المواد الموصلة كالمعادن، لكنّها بنفس الوقت ليست مواد عازلة مثل السيراميك.
قد تكون اشباه الموصلات مكوّنةً من مادةٍ واحدةٍ مثل السيليكون والجرمانيوم، أو مركّبة من مادتين أو أكثر مثل سيلينيد الكادميوم. ولتحيسن ناقليتها للتيار الكهربائي، تُضاف كميّةٌ صغيرةٌ من الشوائب إلى أشباه الموصلات النقية بعمليةٍ تدعى التنشيط (Doping).
تاريخ اشباه الموصلات
استخدم مصطلح اشباه الموصلات لأول مرة من قبل أليساندرو فولتا عام 1782، ثم أتى مايكل فاراداي من بعده عام 1833 ليكون أول من لاحظ تأثير هذه المواد، حيث لاحظ انخفاض المقاومة الكهربائية لكبريتيد الفضة مع الحرارة.
ثم في عام 1874، اكتشف كارل فيرديناند براون ووثّق لأول مرة سلوك أشباه النواقل كصماماتٍ ثنائيةٍ، إذ لاحظ براون أن التيار يتدفق بحريةٍ في اتجاهٍ واحدٍ فقط عند التلامس بين نقطةٍ معدنيةٍ وبلورة جالينا. أما براءة الاختراع الأولى في هذا المجال فكانت عام 1901 عندما اخترع Jagadis Chandra Bose أول جهاز لاقط لإشارة موجات الراديو حاوٍ على أشباه موصلات، حتى جاء اختراع الترانزستورات عام 1947 بمشاركة جون باردين ووالتر براتين وويليام شوكلي، والذي لا يزال حتى الآن حجر الأساس في صناعة مختلف الأجهزة الإلكترونية.
الناقلية الكهربائية للمادة الصلبة
كما نعلم، فإن ناقلية المواد الصلبة للتيار الكهربائي تصنّف ضمن ثلاث فئاتٍ هي المواد العازلة، وأشباه الموصلات والموصلات. نعلم أيضًا أن الناقلية الكهربائية للمواد المختلفة تتأثر بشكلٍ كبيرٍ بتبدل درجة حرارتها زيادةً أو نقصانًا.
يوضح المخطط في الأسفل الناقلية الكهربائية σ والمقاومات المقابلة (بحيث ρ = 1/σ) ويمكننا ملاحظة أن المواد العازلة (مثل الكوارتز والزجاج المنصهر) ذات ناقلية كهربائية منخفضة جدًا، فهي تتراوح بين من 10-18 إلى 10-10 سيمنز لكل سنتيمتر، بينما تتراوح الناقلية الكهربائية للموصلات (مثل الألومنيوم) عادةً من 104 إلى 106 سيمنز لكل سنتيمتر.
أما الناقلية الكهربائية لأشباه الموصلات فهي تتراوح بين القيم الحدية السابقة، ويتعلق ذلك عمومًا بدرجة الحرارة، والكثافة، وجودها قرب مجال مغناطيسي، وكمية الشوائب الموجودة فيها (مثلًا يمكن أن تؤدي إضافة 10 ذرات من البورون (المنشط) لكل مليون ذرةٍ من السيليكون إلى زيادة الناقلية الكهربائية بمقدار ألف ضعف).
تأثير الشوائب على الناقلية الكهربائية لشبه الموصل
تعد اشباه الموصلات بصورتها النقية ذات بنيةٍ بلوريةٍ ضعيفة النقل للتيار الكهربائي، ولها أربعة إلكتروناتٍ تكافؤ في الطبقة الخارجية.
يقوم المصنِّعون بعملية التنشيط (Doping) لأشباه النواقل بهدف تحسين ناقليّتها؛ حيث تتم في هذه العملية إضافة 2% من الشوائب خماسية إلكترونات تكافؤ مثل الزرنيخ، فما الذي يحدث؟ كمية الزرنيخ المضافة غير كافيةٍ لتغيير البنية البلورية لنصف الناقل، وأربعة من إلكترونات تكافؤ الزرنيخ تسلك سلوك إلكترونات تكافؤ المادة النقية، أما الإلكترون الخامس فغير منسجم مع البنية، وعلى الرغم من بقائه قرب ذرة الزرنيخ، إلا أنه ليس ثابتًا، لذلك فإنه يتحرك بمرور التيار الكهربائي معززًا ناقلية شبه الناقل.
أما من أجل فرملة أو تقليل ناقلية أشباه النواقل، فيمكن إضافة ذرة ألمنيوم ثلاثية التكافؤ إلى بلورة شبه الناقل؛ حيث أن بنية الألمنيوم تلائم البنية البلورية للسيليكون، ولكن الإلكترون المفقود يشكل ما يشبه الحفرة، فتعمل بمثابة الفرامل أو المخدّر لمرور التيّار الكهربائي، وتعد مهمةً في إنشاء الصمامات الثنائية. تعتبر هاتان الآليتان المتعاكستان الأساس في عمل الصمامات الثنائية (LEDs).
أنواع أشباه الموصلات
تقسم اشباه الموصلات إلى نوعين أساسيين تبعًا لنوع المادة الشائبة، وهما:
- أشباه موصلات السالبة (N- type Semiconductor): هي أشباه الموصلات ذات الناقلية الأعلى؛ كونها تحوي كميةً أكبر من الإلكترونات الحرة، أي أن الشائبة المضافة هنا هي شائبة منشّطة.
- اشباه الموصلات الموجبة (P-type Semiconductor): هي أشباه الموصلات ذات الناقلية الأقل؛ لأن الشائبة المضافة من النوع المبطئ وبالتالي فالإلكترونات الحرة الموجودة قليلة.
أهم استخدامات اشباه الموصلات
تقريبًا، إن كلّ الأجهزة الإلكترونية الموجودة ضمن الغرفة التي تجلس فيها الآن تحوي في لوحاتها الإلكترونية على أشباه موصلات. أهم الأمثلة على ذلك؛ حساسات الحرارة ضمن أجهزة التكييف، ووحدات المعالجة المركزية في الحواسيب المحمولة، والهواتف الذكية، والكاميرات الرقمية، وأجهزة التلفزيون، والغسالة، والثلاجة، ومصابيح LED تُستَخدم فيها أيضًا أشباه الموصلات، إضافةٍ إلى الكثير والكثير من الأجهزة الأخرى.
اشباه الموصلات مهمة بشكلٍ خاصٍ بفضل إمكانيّة تكييفها والتحكم بمقدار ناقليّتها للتيار الكهربائي، حيث يمكن بفضل هذه الخصاصية صناعة أنماط مختلفة من المعدّات الإلكترونية ذات الخصائص المختلفة. كما أن اكتشاف هذه المواد لم يجعل الأجهزة الإلكترونية المتنوعة أكثر أمانًا وكفاءةً فحسب، بل وأصغر حجمًا أيضًا.