أشباه الموصلات الخارجية

أشباه الموصلات الخارجية هي أشباه موصلات مُطعّمة ؛ فخلال تصنيع بلورة أشباه الموصلات، يُضاف عنصر أو مادة كيميائية تُسمى عامل التطعيم كيميائيًا إلى البلورة، وذلك لإكسابها خصائص كهربائية مختلفة عن بلورة أشباه الموصلات النقية، والتي تُسمى أشباه الموصلات الذاتية . في أشباه الموصلات الخارجية، تُعدّ ذرات التطعيم الخارجية هذه، الموجودة في الشبكة البلورية، هي المصدر الرئيسي لحاملات الشحنة التي تحمل التيار الكهربائي عبر البلورة. تُستخدم نوعان من عوامل التطعيم، مما ينتج عنه نوعان من أشباه الموصلات الخارجية. مُطعّم مانح الإلكترونات هو ذرة، عند إضافتها إلى البلورة، تُطلق إلكترون توصيل متحركًا إلى الشبكة البلورية. يُطلق على أشباه الموصلات الخارجية المُطعّمة بذرات مانحة للإلكترونات اسم أشباه موصلات من النوع السالب (n-type )، لأن غالبية حاملات الشحنة في البلورة هي إلكترونات سالبة. المادة المُطعِّمة المُستقبِلة للإلكترونات هي ذرة تستقبل إلكترونًا من الشبكة البلورية، مُحدثةً فراغًا يُسمى ثقبًا، حيث يمكن للإلكترون أن يتحرك عبر البلورة كجسيم موجب الشحنة. يُطلق على أشباه الموصلات الخارجية المُطعَّمة بذرات مُستقبِلة للإلكترونات اسم أشباه موصلات من النوع p ، لأن غالبية حاملات الشحنة في البلورة هي ثقوب موجبة.

يُعدّ التطعيم عنصرًا أساسيًا في النطاق الواسع للغاية للسلوك الكهربائي الذي تُظهره أشباه الموصلات، وتُستخدم أشباه الموصلات الخارجية في تصنيع الأجهزة الإلكترونية لأشباه الموصلات، مثل الثنائيات والترانزستورات والدوائر المتكاملة وليزر أشباه الموصلات ومصابيح LED والخلايا الكهروضوئية . تُمكّن عمليات تصنيع أشباه الموصلات المتطورة، مثل الطباعة الضوئية، من زرع عناصر تطعيم مختلفة في مناطق مختلفة من رقاقة بلورية واحدة من أشباه الموصلات، مما يُنتج أجهزة أشباه موصلات على سطح الرقاقة. على سبيل المثال، يتكون نوع شائع من الترانزستورات، وهو الترانزستور ثنائي القطب npn ، من بلورة شبه موصلة خارجية تحتوي على منطقتين من أشباه الموصلات من النوع n، تفصل بينهما منطقة من أشباه الموصلات من النوع p، مع وجود موصلات معدنية متصلة بكل جزء.

لا يمكن للمادة الصلبة أن توصل التيار الكهربائي إلا إذا احتوت على جسيمات مشحونة، وهي الإلكترونات ، التي تتحرك بحرية ولا ترتبط بالذرات. في الموصلات المعدنية ، توفر ذرات المعدن الإلكترونات؛ حيث تُطلق كل ذرة معدنية عادةً أحد إلكترونات مدارها الخارجي ليصبح إلكترون توصيل يمكنه التحرك بحرية في جميع أنحاء البلورة، ناقلاً التيار الكهربائي. لذلك، فإن عدد إلكترونات التوصيل في المعدن يساوي عدد الذرات، وهو عدد كبير جدًا، مما يجعل المعادن موصلات جيدة.

على عكس المعادن، لا تُوفّر الذرات المُكوّنة لبلورة أشباه الموصلات الإلكترونات المسؤولة عن التوصيل الكهربائي. في أشباه الموصلات، يعود التوصيل الكهربائي إلى حاملات الشحنة المتحركة ، الإلكترونات أو الفجوات ، التي تُوفّرها الشوائب أو ذرات التطعيم في البلورة. في أشباه الموصلات الخارجية، يُحدّد تركيز ذرات التطعيم في البلورة إلى حد كبير كثافة حاملات الشحنة، والتي بدورها تُحدّد موصليتها الكهربائية ، بالإضافة إلى العديد من الخصائص الكهربائية الأخرى. هذا هو سرّ تنوّع استخدامات أشباه الموصلات؛ إذ يُمكن التحكّم في موصليتها الكهربائية على نطاق واسع جدًا عن طريق التطعيم.

تطعيم أشباه الموصلات هو عملية تحويل شبه موصل نقي إلى شبه موصل مطعّم. خلال هذه العملية، تُضاف ذرات شوائب إلى شبه الموصل النقي. ذرات الشوائب هي ذرات من عناصر مختلفة عن ذرات شبه الموصل النقي. تعمل ذرات الشوائب إما كذرات مانحة أو مستقبلة لشبه الموصل النقي، مما يُغير تركيز الإلكترونات والفجوات فيه. تُصنف ذرات الشوائب إلى ذرات مانحة أو مستقبلة بناءً على تأثيرها على شبه الموصل النقي.

تحتوي ذرات الشوائب المانحة على عدد أكبر من إلكترونات التكافؤ مقارنةً بالذرات التي تحل محلها في الشبكة البلورية لأشباه الموصلات النقية. تُساهم هذه الشوائب بإلكترونات التكافؤ الزائدة في نطاق التوصيل لأشباه الموصلات، مما يُوفر فائضًا من الإلكترونات. يؤدي هذا الفائض من الإلكترونات إلى زيادة تركيز حاملات الإلكترون (n₀) في شبه الموصل _، مما يجعله من النوع السالب (n-type).

تحتوي ذرات الشوائب المستقبلة على عدد أقل من إلكترونات التكافؤ مقارنةً بالذرات التي تحل محلها في شبكة أشباه الموصلات النقية. فهي "تستقبل" الإلكترونات من نطاق التكافؤ لأشباه الموصلات، مما يوفر فائضًا من الفجوات لأشباه الموصلات النقية. يؤدي هذا الفائض من الفجوات إلى زيادة تركيز حاملات الفجوات (p₀ ₎ في أشباه الموصلات، مما ينتج عنه أشباه موصلات من النوع p.

تُعرَّف أشباه الموصلات وذرات التطعيم بحسب عمودها في الجدول الدوري . ويحدد تعريف العمود عدد إلكترونات التكافؤ في ذراتها، وما إذا كانت ذرات التطعيم تعمل كذرات مانحة أو مستقبلة للإلكترونات في شبه الموصل.

تستخدم أشباه الموصلات من المجموعة الرابعة ذرات المجموعة الخامسة كذرات مانحة وذرات المجموعة الثالثة كذرات مستقبلة.

تستخدم أشباه الموصلات من المجموعات الثالثة إلى الخامسة ، وهي أشباه موصلات مركبة ، ذرات المجموعة السادسة كذرات مانحة وذرات المجموعة الثانية كذرات مستقبلة. كما يمكن لأشباه الموصلات من المجموعات الثالثة إلى الخامسة استخدام ذرات المجموعة الرابعة كذرات مانحة أو مستقبلة. فعندما تحل ذرة من المجموعة الرابعة محل عنصر من المجموعة الثالثة في شبكة شبه الموصل، تعمل ذرة المجموعة الرابعة كذرة مانحة. وعلى العكس، عندما تحل ذرة من المجموعة الرابعة محل عنصر من المجموعة الخامسة، تعمل ذرة المجموعة الرابعة كذرة مستقبلة. يمكن لذرات المجموعة الرابعة أن تعمل كذرات مانحة ومستقبلة في آن واحد؛ ولذلك تُعرف بالشوائب المذبذبة .

تُعدّ أشباه الموصلات الخارجية مكونات أساسية في العديد من الأجهزة الكهربائية الشائعة. يتكون ثنائي أشباه الموصلات (وهو جهاز يسمح بمرور التيار في اتجاه واحد فقط) من أشباه موصلات من النوع p والنوع n متصلة ببعضها البعض. حاليًا، تستخدم معظم ثنائيات أشباه الموصلات السيليكون أو الجرمانيوم المُطعّم.

تستخدم الترانزستورات (الأجهزة التي تُمكّن من تبديل التيار) أشباه موصلات خارجية. تُعدّ ترانزستورات الوصلة ثنائية القطب (BJT)، التي تُضخّم التيار، أحد أنواع الترانزستورات. أكثر أنواع BJT شيوعًا هي NPN وPNP. تتكون ترانزستورات NPN من طبقتين من أشباه الموصلات من النوع n تحصران بينهما طبقة من أشباه الموصلات من النوع p. أما ترانزستورات PNP فتتكون من طبقتين من أشباه الموصلات من النوع p تحصران بينهما طبقة من أشباه الموصلات من النوع n.

تُعدّ ترانزستورات تأثير المجال (FET) نوعًا آخر من الترانزستورات التي تُضخّم التيار باستخدام أشباه موصلات خارجية. وعلى عكس الترانزستورات ثنائية القطبية (BJT)، تُسمى أحادية القطبية لأنها تعمل بنوع واحد من حاملات الشحنة - إما قناة N أو قناة P. تُصنّف ترانزستورات تأثير المجال إلى فئتين: ترانزستور تأثير المجال ذو البوابة الوصلية (JFET)، وهو عبارة عن أشباه موصلات ثلاثية الأطراف، وترانزستور تأثير المجال ذو البوابة المعزولة ( IGFET )، وهو عبارة عن أشباه موصلات رباعية الأطراف. 

أجهزة أخرى تستخدم أشباه الموصلات الخارجية:

• الليزر
• الخلايا الشمسية
• أجهزة كشف ضوئية
• الثنائيات الباعثة للضوء
• الثايرستورات

• أشباه الموصلات الجوهرية
• التطعيم (أشباه الموصلات)
• قائمة مواد أشباه الموصلات

• نيمن، دونالد أ. (2003). فيزياء أشباه الموصلات والأجهزة: المبادئ الأساسية (الطبعة الثالثة) . ماكجرو هيل للتعليم العالي. ISBN 0-07-232107-5.

• كيف تعمل الأشياء: كيف تعمل أشباه الموصلات