أشباه الموصلات

| تصنيع الأجهزة شبه الموصلة |
|---|
|
قياس MOSFET ( عقد العملية ) |
|
|
مستقبل
|
|
أشباه الموصلات هي مواد تقع بين الموصل والعازل في القدرة على توصيل التيار الكهربائي. [1] في كثير من الحالات، يمكن تغيير خصائصها الموصلة بطرق مفيدة عن طريق إدخال الشوائب (" التشويب") في البنية البلورية. عندما توجد منطقتان مختلفتان في نفس البلورة، يتم إنشاء وصلة شبه موصلة. إن سلوك حاملات الشحنة، والتي تشمل الإلكترونات والأيونات والثقوب الإلكترونية ، عند هذه الوصلات هو أساس الثنائيات والترانزستورات ومعظم الإلكترونيات الحديثة . بعض الأمثلة على أشباه الموصلات هي السيليكون والجرمانيوم وزرنيخيد الغاليوم والعناصر القريبة من ما يسمى " السلم المعدني " في الجدول الدوري . بعد السيليكون، يعد زرنيخيد الغاليوم ثاني أكثر أشباه الموصلات شيوعًا ويستخدم في الثنائيات الليزرية والخلايا الشمسية والدوائر المتكاملة بترددات الميكروويف وغيرها. يعد السيليكون عنصرًا أساسيًا في تصنيع معظم الدوائر الإلكترونية .
يمكن أن تعرض أجهزة أشباه الموصلات مجموعة من الخصائص المفيدة المختلفة، مثل تمرير التيار بسهولة أكبر في اتجاه واحد من الآخر، وإظهار مقاومة متغيرة، والحساسية للضوء أو الحرارة. نظرًا لأن الخصائص الكهربائية لمادة أشباه الموصلات يمكن تعديلها عن طريق التنشيط وتطبيق المجالات الكهربائية أو الضوء، يمكن استخدام الأجهزة المصنوعة من أشباه الموصلات للتضخيم والتبديل وتحويل الطاقة . يستخدم مصطلح أشباه الموصلات أيضًا لوصف المواد المستخدمة في الكابلات عالية السعة ومتوسطة إلى عالية الجهد كجزء من عزلها، وغالبًا ما تكون هذه المواد عبارة عن بلاستيك XLPE ( بولي إيثيلين متشابك ) مع الكربون الأسود. [2]
تزداد موصلية السيليكون بإضافة كمية صغيرة (من رتبة 1 في 10 8 ) من ذرات خماسية التكافؤ ( الأنتيمون أو الفوسفور أو الزرنيخ ) أو ثلاثية التكافؤ ( البورون أو الجاليوم أو الإنديوم ). [3] تُعرف هذه العملية بالتشويب، وتُعرف أشباه الموصلات الناتجة باسم أشباه الموصلات المشوبة أو الخارجية . وبصرف النظر عن التشويب، يمكن تحسين موصلية أشباه الموصلات عن طريق زيادة درجة حرارتها. وهذا يتعارض مع سلوك المعدن، حيث تقل الموصلية مع زيادة درجة الحرارة. [4]
يعتمد الفهم الحديث لخصائص أشباه الموصلات على الفيزياء الكمومية لشرح حركة حاملات الشحنة في الشبكة البلورية . [5] تزيد عملية التشويب بشكل كبير من عدد حاملات الشحنة داخل البلورة. عندما يتم تشويب أشباه الموصلات بعناصر المجموعة الخامسة، فإنها ستتصرف مثل المانحين الذين يخلقون إلكترونات حرة ، والمعروف باسم التشويب " من النوع n ". عندما يتم تشويب أشباه الموصلات بعناصر المجموعة الثالثة، فإنها ستتصرف مثل المستقبلات التي تخلق ثقوبًا حرة، والمعروفة باسم التشويب " من النوع p ". يتم تشويب المواد شبه الموصلة المستخدمة في الأجهزة الإلكترونية في ظل ظروف دقيقة للتحكم في تركيز ومناطق الشوائب من النوع p و n. يمكن أن تحتوي بلورة جهاز أشباه الموصلات الفردية على العديد من مناطق النوع p و n؛ الوصلات p-n بين هذه المناطق مسؤولة عن السلوك الإلكتروني المفيد. باستخدام مسبار النقطة الساخنة ، يمكن للمرء تحديد ما إذا كانت عينة أشباه الموصلات من النوع p أو n بسرعة. [6]
تم ملاحظة بعض خصائص المواد شبه الموصلة طوال منتصف القرن التاسع عشر والعقود الأولى من القرن العشرين. كان أول تطبيق عملي لأشباه الموصلات في الإلكترونيات هو تطوير كاشف شارب القطة عام 1904 ، وهو صمام ثنائي شبه موصل بدائي يستخدم في أجهزة استقبال الراديو المبكرة . أدت التطورات في فيزياء الكم بدورها إلى اختراع الترانزستور في عام 1947 [7] والدائرة المتكاملة في عام 1958.
ملكيات
الموصلية الكهربائية المتغيرة
أشباه الموصلات في حالتها الطبيعية هي موصلات رديئة لأن التيار يتطلب تدفق الإلكترونات، وأشباه الموصلات لها نطاقات تكافؤ مملوءة، مما يمنع التدفق الكامل للإلكترونات الجديدة. تسمح العديد من التقنيات المتطورة للمواد شبه الموصلة بالتصرف مثل المواد الموصلة، مثل التطعيم أو البوابات . هذه التعديلات لها نتيجتان: النوع n والنوع p . يشير هذا إلى زيادة أو نقص الإلكترونات على التوالي. سيؤدي عدد متوازن من الإلكترونات إلى تدفق التيار عبر المادة. [8]
الوصلات المتجانسة
تحدث الوصلات المتجانسة عندما يتم توصيل مادتين شبه موصلتين مختلفتين في التشويب. على سبيل المثال، يمكن أن يتكون التكوين من جرمانيوم مشوب بـ p ومشوب بـ n . وينتج عن هذا تبادل للإلكترونات والثغرات بين المواد شبه الموصلة المختلفة التشويب. سيكون للجرمانيوم المشوب بـ n فائض من الإلكترونات، وسيكون للجرمانيوم المشوب بـ p فائض من الثغرات. يحدث النقل حتى يتم الوصول إلى حالة توازن من خلال عملية تسمى إعادة التركيب ، والتي تتسبب في ملامسة الإلكترونات المهاجرة من النوع n للثغرات المهاجرة من النوع p. [9] وتكون نتيجة هذه العملية شريط ضيق من الأيونات الثابتة ، مما يتسبب في مجال كهربائي عبر الوصلة. [5] [8]
الالكترونات المثارة
يؤدي اختلاف الجهد الكهربائي على مادة شبه موصلة إلى خروجها من التوازن الحراري وخلق حالة عدم توازن. يؤدي هذا إلى إدخال الإلكترونات والثقوب إلى النظام، والتي تتفاعل من خلال عملية تسمى الانتشار ثنائي القطب . كلما تم إزعاج التوازن الحراري في مادة شبه موصلة، يتغير عدد الثقوب والإلكترونات. يمكن أن تحدث مثل هذه الاضطرابات نتيجة لاختلاف درجة الحرارة أو الفوتونات ، والتي يمكن أن تدخل النظام وتخلق إلكترونات وثقوب. تسمى العمليات التي تخلق أو تدمر الإلكترونات والثقوب بالتوليد وإعادة التركيب، على التوالي. [8]
انبعاث الضوء
في بعض أشباه الموصلات، يمكن للإلكترونات المثارة أن تسترخي عن طريق إصدار الضوء بدلاً من إنتاج الحرارة. [10] يسمح التحكم في تركيب أشباه الموصلات والتيار الكهربائي بالتلاعب بخصائص الضوء المنبعث. [11] تُستخدم أشباه الموصلات هذه في بناء الثنائيات الباعثة للضوء والنقط الكمومية الفلورية .
موصلية حرارية عالية
يمكن استخدام أشباه الموصلات ذات الموصلية الحرارية العالية لتبديد الحرارة وتحسين الإدارة الحرارية للإلكترونيات. تلعب دورًا حاسمًا في المركبات الكهربائية ومصابيح LED عالية السطوع ووحدات الطاقة ، من بين تطبيقات أخرى. [12] [13] [14]
تحويل الطاقة الحرارية
تمتلك أشباه الموصلات عوامل قدرة حرارية كهربائية كبيرة مما يجعلها مفيدة في المولدات الحرارية الكهربائية ، بالإضافة إلى أرقام حرارية كهربائية عالية مما يجعلها مفيدة في المبردات الحرارية الكهربائية . [15]
مواد

هناك عدد كبير من العناصر والمركبات التي لها خصائص شبه موصلة، بما في ذلك: [16]
- توجد بعض العناصر النقية في المجموعة 14 من الجدول الدوري ؛ وأهم هذه العناصر تجاريًا هي السيليكون والجرمانيوم . يُستخدم السيليكون والجرمانيوم هنا بشكل فعال لأنهما يحتويان على 4 إلكترونات تكافؤ في غلافهما الخارجي، مما يمنحهما القدرة على اكتساب أو فقدان الإلكترونات بالتساوي في نفس الوقت.
- المركبات الثنائية ، وخاصة بين العناصر في المجموعتين 13 و15، مثل زرنيخيد الغاليوم ، والمجموعتين 12 و16، والمجموعتين 14 و16، وبين عناصر المجموعة 14 المختلفة، مثل كربيد السيليكون .
- بعض المركبات الثلاثية والأكاسيد والسبائك.
- أشباه الموصلات العضوية ، المصنوعة من المركبات العضوية .
- الهياكل المعدنية العضوية شبه الموصلة . [17] [18]
المواد شبه الموصلة الأكثر شيوعًا هي المواد الصلبة البلورية، ولكن من المعروف أيضًا أن أشباه الموصلات غير المتبلورة والسائلة . وتشمل هذه السيليكون غير المتبلور المهدرج ومخاليط الزرنيخ والسيلينيوم والتيلوريوم بنسب متنوعة. تشترك هذه المركبات مع أشباه الموصلات الأكثر شهرة في خصائص التوصيل المتوسط والتغير السريع في التوصيل مع درجة الحرارة، بالإضافة إلى المقاومة السلبية العرضية. تفتقر مثل هذه المواد غير المنظمة إلى البنية البلورية الصلبة لأشباه الموصلات التقليدية مثل السيليكون. تُستخدم عمومًا في هياكل الأغشية الرقيقة ، والتي لا تتطلب مادة ذات جودة إلكترونية أعلى، كونها غير حساسة نسبيًا للشوائب والأضرار الناجمة عن الإشعاع.
تحضير المواد شبه الموصلة
تتضمن جميع التقنيات الإلكترونية تقريبًا اليوم استخدام أشباه الموصلات، مع كون الجانب الأكثر أهمية هو الدائرة المتكاملة (IC)، والتي توجد في أجهزة الكمبيوتر المكتبية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والماسحات الضوئية والهواتف المحمولة وغيرها من الأجهزة الإلكترونية. يتم إنتاج أشباه الموصلات للدوائر المتكاملة بكميات كبيرة. لإنشاء مادة أشباه الموصلات المثالية، فإن النقاء الكيميائي أمر بالغ الأهمية. يمكن لأي عيب صغير أن يكون له تأثير كبير على كيفية تصرف المادة شبه الموصلة بسبب الحجم الذي تُستخدم به المواد. [8]
كما أن درجة عالية من الكمال البلوري مطلوبة أيضًا، نظرًا لأن العيوب في بنية البلورة (مثل الخلع والتوائم وأخطاء التكديس ) تتداخل مع خصائص أشباه الموصلات للمادة. تعد العيوب البلورية سببًا رئيسيًا لأجهزة أشباه الموصلات المعيبة. كلما كانت البلورة أكبر، زادت صعوبة تحقيق الكمال اللازم. تستخدم عمليات الإنتاج الضخم الحالية سبائك بلورية يتراوح قطرها بين 100 و300 مم (3.9 و11.8 بوصة)، نمت على شكل أسطوانات ومقطعة إلى رقائق .
هناك مجموعة من العمليات المستخدمة لإعداد المواد شبه الموصلة للدوائر المتكاملة. إحدى هذه العمليات تسمى الأكسدة الحرارية ، والتي تشكل ثاني أكسيد السيليكون على سطح السيليكون . ويستخدم هذا كعازل بوابة وأكسيد مجال . وتسمى العمليات الأخرى أقنعة ضوئية وطباعة ضوئية . هذه العملية هي التي تخلق الأنماط على الدائرة في الدائرة المتكاملة. يتم استخدام الضوء فوق البنفسجي مع طبقة مقاومة للضوء لإنشاء تغيير كيميائي يولد الأنماط للدائرة. [8]
الحفر هو العملية التالية المطلوبة. يمكن الآن حفر جزء السيليكون الذي لم يكن مغطى بطبقة المقاومة الضوئية من الخطوة السابقة. تسمى العملية الرئيسية المستخدمة عادةً اليوم الحفر البلازمي . يتضمن الحفر البلازمي عادةً غاز الحفر الذي يتم ضخه في غرفة منخفضة الضغط لإنشاء البلازما . غاز الحفر الشائع هو الكلورو فلورو كربون ، أو المعروف باسم الفريون . إن الجهد العالي للتردد اللاسلكي بين الكاثود والأنود هو ما يخلق البلازما في الغرفة. توجد رقاقة السيليكون على الكاثود، مما يتسبب في تعرضها للأيونات المشحونة إيجابيا التي تنطلق من البلازما. والنتيجة هي السيليكون الذي يتم حفره بشكل متباين الخواص . [5] [8]
تسمى العملية الأخيرة بالانتشار . هذه هي العملية التي تمنح المادة شبه الموصلة خصائصها شبه الموصلة المطلوبة. تُعرف أيضًا باسم التنشيط . تُدخل العملية ذرة غير نقية إلى النظام، مما يؤدي إلى إنشاء الوصلة p-n . للحصول على الذرات غير النقية المضمنة في رقاقة السيليكون، يتم وضع الرقاقة أولاً في غرفة بدرجة حرارة 1100 درجة مئوية. يتم حقن الذرات وتنتشر في النهاية مع السيليكون. بعد اكتمال العملية ووصول السيليكون إلى درجة حرارة الغرفة، تتم عملية التنشيط ويتم تجهيز رقاقة شبه الموصلة تقريبًا. [5] [8]
فيزياء أشباه الموصلات
نطاقات الطاقة والتوصيل الكهربائي

تُعرَّف أشباه الموصلات بسلوكها التوصيلي الكهربائي الفريد، في مكان ما بين سلوك الموصل والعازل. [19] يمكن فهم الاختلافات بين هذه المواد من حيث الحالات الكمومية للإلكترونات، والتي قد تحتوي كل منها على صفر أو إلكترون واحد (بمبدأ استبعاد باولي ). ترتبط هذه الحالات ببنية النطاق الإلكتروني للمادة. تنشأ الموصلية الكهربائية بسبب وجود الإلكترونات في حالات غير موضعية (تمتد عبر المادة)، ومع ذلك، من أجل نقل الإلكترونات، يجب أن تكون الحالة ممتلئة جزئيًا ، وتحتوي على إلكترون فقط لجزء من الوقت. [20] إذا كانت الحالة مشغولة دائمًا بإلكترون، فإنها تكون خاملة، مما يمنع مرور الإلكترونات الأخرى عبر تلك الحالة. تعد طاقات هذه الحالات الكمومية بالغة الأهمية لأن الحالة ممتلئة جزئيًا فقط إذا كانت طاقتها قريبة من مستوى فيرمي (انظر إحصائيات فيرمي-ديراك ).
تأتي الموصلية العالية في المواد من وجود العديد من الحالات المملوءة جزئيًا والكثير من عدم موضعة الحالة. المعادن موصلات كهربائية جيدة ولها العديد من الحالات المملوءة جزئيًا مع طاقات قريبة من مستوى فيرمي الخاص بها. على النقيض من ذلك، تحتوي العوازل على عدد قليل من الحالات المملوءة جزئيًا، وتقع مستويات فيرمي الخاصة بها داخل فجوات النطاق مع عدد قليل من حالات الطاقة التي تشغلها. من المهم أن العازل يمكن أن يكون موصلًا عن طريق زيادة درجة حرارته: يوفر التسخين الطاقة لتعزيز بعض الإلكترونات عبر فجوة النطاق، مما يؤدي إلى تحريض الحالات المملوءة جزئيًا في كل من نطاق الحالات أسفل فجوة النطاق ( نطاق التكافؤ ) ونطاق الحالات أعلى فجوة النطاق ( نطاق التوصيل ). تحتوي أشباه الموصلات (الجوهرية) على فجوة نطاق أصغر من تلك الموجودة في العازل وفي درجة حرارة الغرفة، يمكن إثارة أعداد كبيرة من الإلكترونات لعبور فجوة النطاق. [21]
ومع ذلك، فإن أشباه الموصلات النقية ليست مفيدة جدًا، لأنها ليست عازلًا جيدًا جدًا ولا موصلًا جيدًا جدًا. ومع ذلك، فإن إحدى السمات المهمة لأشباه الموصلات (وبعض العوازل، المعروفة باسم شبه العوازل ) هي أنه يمكن زيادة موصليتها والتحكم فيها عن طريق التشويب بالشوائب والبوابات بالحقول الكهربائية. تعمل التشويب والبوابات على تحريك نطاق التوصيل أو التكافؤ أقرب كثيرًا إلى مستوى فيرمي وزيادة عدد الحالات الممتلئة جزئيًا بشكل كبير.
يشار أحيانًا إلى بعض مواد أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الأوسع باسم شبه العوازل . عندما تكون غير مشوبة، يكون لها موصلية كهربائية أقرب إلى موصلية العوازل الكهربائية، ومع ذلك يمكن أن يتم تشويبها (مما يجعلها مفيدة مثل أشباه الموصلات). تجد أشباه العوازل تطبيقات متخصصة في الإلكترونيات الدقيقة، مثل ركائز HEMT . ومن الأمثلة على شبه العازل الشائع زرنيخيد الجاليوم . [22] يمكن حتى استخدام بعض المواد، مثل ثاني أكسيد التيتانيوم ، كمواد عازلة لبعض التطبيقات، بينما يتم التعامل معها على أنها أشباه موصلات ذات فجوة واسعة لتطبيقات أخرى.
حاملات الشحنة (الإلكترونات والثقوب)
يمكن فهم الملء الجزئي للحالات في الجزء السفلي من نطاق التوصيل على أنه إضافة الإلكترونات إلى هذا النطاق. لا تبقى الإلكترونات إلى أجل غير مسمى (بسبب إعادة التركيب الحراري الطبيعي ) ولكن يمكن أن تتحرك لبعض الوقت. يكون التركيز الفعلي للإلكترونات مخففًا جدًا عادةً، وبالتالي (على عكس المعادن) من الممكن التفكير في الإلكترونات في نطاق التوصيل لأشباه الموصلات كنوع من الغاز المثالي الكلاسيكي ، حيث تطير الإلكترونات بحرية دون أن تخضع لمبدأ استبعاد باولي . في معظم أشباه الموصلات، يكون لنطاقات التوصيل علاقة تشتت مكافئة ، وبالتالي تستجيب هذه الإلكترونات للقوى (المجال الكهربائي، المجال المغناطيسي، إلخ) تمامًا كما تفعل في الفراغ، وإن كان بكتلة فعالة مختلفة . [21] نظرًا لأن الإلكترونات تتصرف مثل الغاز المثالي، فقد يفكر المرء أيضًا في التوصيل بمصطلحات مبسطة للغاية مثل نموذج درود ، ويقدم مفاهيم مثل حركة الإلكترون .
بالنسبة للملء الجزئي في الجزء العلوي من نطاق التكافؤ، من المفيد تقديم مفهوم ثقب الإلكترون . على الرغم من أن الإلكترونات الموجودة في نطاق التكافؤ تتحرك دائمًا، إلا أن نطاق التكافؤ الممتلئ تمامًا يكون خاملًا ولا يوصل أي تيار. إذا تم إخراج إلكترون من نطاق التكافؤ، فإن المسار الذي كان من المفترض أن يتخذه الإلكترون عادةً يفتقد الآن شحنته. لأغراض التيار الكهربائي، يمكن تحويل هذا المزيج من نطاق التكافؤ الكامل، ناقص الإلكترون، إلى صورة لنطاق فارغ تمامًا يحتوي على جسيم مشحون إيجابيًا يتحرك بنفس طريقة الإلكترون. بالاقتران بالكتلة الفعالة السلبية للإلكترونات في الجزء العلوي من نطاق التكافؤ، نصل إلى صورة لجسيم مشحون إيجابيًا يستجيب للمجالات الكهربائية والمغناطيسية تمامًا كما يفعل الجسيم المشحون إيجابيًا العادي في الفراغ، مرة أخرى ببعض الكتلة الفعالة الإيجابية. [21] يُطلق على هذا الجسيم اسم ثقب، ويمكن فهم مجموعة الثقوب في نطاق التكافؤ مرة أخرى بمصطلحات كلاسيكية بسيطة (كما هو الحال مع الإلكترونات في نطاق التوصيل).
توليد الناقل وإعادة التركيب
عندما يضرب الإشعاع المؤين شبه الموصل، فإنه قد يثير إلكترونًا خارج مستوى طاقته وبالتالي يترك فجوة. تُعرف هذه العملية بتوليد أزواج الإلكترونات والفجوات . يتم توليد أزواج الإلكترونات والفجوات باستمرار من الطاقة الحرارية أيضًا، في غياب أي مصدر طاقة خارجي.
أزواج الإلكترونات والفجوات هي أيضًا عرضة لإعادة التركيب. يتطلب الحفاظ على الطاقة أن تكون أحداث إعادة التركيب هذه، حيث يفقد الإلكترون كمية من الطاقة أكبر من فجوة النطاق ، مصحوبة بانبعاث طاقة حرارية (في شكل فونونات ) أو إشعاع (في شكل فوتونات ).
في بعض الحالات، يكون تكوين وإعادة تجميع أزواج الإلكترونات والفجوات في حالة توازن. يتم تحديد عدد أزواج الإلكترونات والفجوات في الحالة المستقرة عند درجة حرارة معينة بواسطة ميكانيكا الإحصاء الكمومي . تخضع الآليات الميكانيكية الكمومية الدقيقة للتكوين وإعادة التجميع لقانون الحفاظ على الطاقة وقانون الحفاظ على الزخم .
نظرًا لأن احتمالية التقاء الإلكترونات والثقوب معًا تتناسب مع حاصل ضرب أعدادها، فإن الحاصل يكون في حالة مستقرة تقريبًا عند درجة حرارة معينة، بشرط عدم وجود مجال كهربائي كبير (قد "يطرد" الناقلات من كلا النوعين، أو يحركها من المناطق المجاورة التي تحتوي على المزيد منها للالتقاء معًا) أو توليد أزواج مدفوعة خارجيًا. الحاصل هو دالة لدرجة الحرارة، حيث تزداد احتمالية الحصول على طاقة حرارية كافية لإنتاج زوج مع درجة الحرارة، حيث تكون تقريبًا exp(− E G / kT ) ، حيث k هو ثابت بولتزمان ، وT هي درجة الحرارة المطلقة و E G هي فجوة النطاق.
تزداد احتمالية الالتقاء عن طريق مصائد الناقلات - الشوائب أو الخلع التي يمكنها حبس الإلكترون أو الثقب وإبقائه حتى اكتمال الزوج. في بعض الأحيان، تتم إضافة مصائد الناقلات هذه عمدًا لتقليل الوقت اللازم للوصول إلى الحالة المستقرة. [23]
المنشطات

يمكن تعديل موصلية أشباه الموصلات بسهولة عن طريق إدخال شوائب في شبكتها البلورية . تُعرف عملية إضافة شوائب محكومة إلى أشباه الموصلات بالتشويب . تختلف كمية الشوائب أو المواد المضافة إلى أشباه الموصلات الجوهرية (النقية) باختلاف مستوى موصليتها. [24] يشار إلى أشباه الموصلات المضاف إليها الشوائب بأنها خارجية . [25] من خلال إضافة شوائب إلى أشباه الموصلات النقية، يمكن تغيير الموصلية الكهربائية بعوامل تصل إلى الآلاف أو الملايين. [26]
تحتوي عينة 1 سم 3 من المعدن أو شبه الموصل على 10 22 ذرة. [27] في المعدن، تتبرع كل ذرة على الأقل بإلكترون حر واحد للتوصيل، وبالتالي فإن 1 سم 3 من المعدن تحتوي على 10 22 إلكترونًا حرًا، [28] بينما تحتوي عينة 1 سم 3 من الجرمانيوم النقي عند 20 درجة مئوية على حوالي4.2 × 10 22 ذرة، ولكن فقط2.5 × 10 13 إلكترونًا حرًا و2.5 × 10 13 فتحة. إضافة 0.001% من الزرنيخ (شوائب) يمنح 10 17 إلكترونًا حرًا إضافيًا في نفس الحجم وتزداد الموصلية الكهربائية بعامل 10000. [29] [30]
تعتمد المواد المختارة كمواد مضافة مناسبة على الخصائص الذرية لكل من المادة المضاف إليها المادة المضاف إليها والمادة المراد إضافتها. بشكل عام، يتم تصنيف المواد المضاف إليها التي تنتج التغيرات المتحكم فيها المطلوبة إما كمستقبلات للإلكترونات أو كمواد مانحة . تسمى أشباه الموصلات المضاف إليها شوائب مانحة بالنوع n ، بينما تسمى تلك المضاف إليها شوائب متقبلة بالنوع p . تشير تسميات النوع n وp إلى حامل الشحنة الذي يعمل كحامل أغلبية للمادة . يسمى الحامل المعاكس حامل الأقلية ، والذي يوجد بسبب الإثارة الحرارية عند تركيز أقل بكثير مقارنة بحامل الأغلبية. [31]
على سبيل المثال، يحتوي السيليكون شبه الموصل النقي على أربعة إلكترونات تكافؤ تربط كل ذرة سيليكون بجاراتها. [32] في السيليكون، أكثر المواد المشعة شيوعًا هي عناصر المجموعة الثالثة والمجموعة الخامسة . تحتوي عناصر المجموعة الثالثة جميعها على ثلاثة إلكترونات تكافؤ، مما يجعلها تعمل كمستقبلات عند استخدامها لتشويه السيليكون. عندما تحل ذرة متقبلة محل ذرة سيليكون في البلورة، يتم إنشاء حالة شاغرة (فجوة إلكترون)، والتي يمكن أن تتحرك حول الشبكة وتعمل كحامل شحنة. تحتوي عناصر المجموعة الخامسة على خمسة إلكترونات تكافؤ، مما يسمح لها بالعمل كمتبرع؛ يؤدي استبدال هذه الذرات بالسيليكون إلى إنشاء إلكترون حر إضافي. لذلك، فإن بلورة السيليكون المشوبة بالبورون تخلق أشباه موصلات من النوع p بينما ينتج عن التشويب بالفوسفور مادة من النوع n. [33]
أثناء التصنيع ، يمكن نشر المواد المشوبة في جسم أشباه الموصلات عن طريق ملامستها للمركبات الغازية للعنصر المطلوب، أو يمكن استخدام زرع الأيونات لتحديد موضع المناطق المشوبة بدقة.
أشباه الموصلات غير المتبلورة
تتمتع بعض المواد بخواص شبه موصلة عند تبريدها بسرعة إلى حالة زجاجية غير متبلورة. وتشمل هذه المواد البورون والسيليكون والجرمانيوم والسيلينيوم والتيلوريوم، وهناك نظريات متعددة لتفسيرها. [34] [35]
التاريخ المبكر لأشباه الموصلات
يبدأ تاريخ فهم أشباه الموصلات بالتجارب التي أجريت على الخواص الكهربائية للمواد. وقد تم رصد خصائص معامل المقاومة الزمنية الحرارية، والتقويم، والحساسية للضوء بدءًا من أوائل القرن التاسع عشر.

كان توماس يوهان سيبيك أول من لاحظ أن أشباه الموصلات تظهر سمة خاصة بحيث ظهرت التجربة المتعلقة بتأثير سيبيك بنتيجة أقوى بكثير عند تطبيق أشباه الموصلات، في عام 1821. [36] في عام 1833، أفاد مايكل فاراداي أن مقاومة عينات كبريتيد الفضة تقل عند تسخينها. وهذا يتعارض مع سلوك المواد المعدنية مثل النحاس. في عام 1839، أفاد ألكسندر إدموند بيكريل بملاحظة وجود جهد بين إلكتروليت صلب وسائل، عند تعرضه للضوء، وهو ما يعرف بالتأثير الكهروضوئي . في عام 1873، لاحظ ويليوبي سميث أن مقاومات السيلينيوم تظهر مقاومة متناقصة عندما يسقط الضوء عليها. في عام 1874، لاحظ كارل فرديناند براون التوصيل والتقويم في الكبريتيدات المعدنية ، على الرغم من أن هذا التأثير كان قد اكتشفه بيتر مونك أف روزنشولد (sv) في وقت سابق بكثير في مجلة Annalen der Physik und Chemie في عام 1835، [37] ووجد آرثر شوستر أن طبقة أكسيد النحاس على الأسلاك لها خصائص تقويم تتوقف عند تنظيف الأسلاك. لاحظ ويليام جريلز آدامز وريتشارد إيفانز داي التأثير الكهروضوئي في السيلينيوم في عام 1876. [38]
تطلب التفسير الموحد لهذه الظواهر نظرية فيزياء الحالة الصلبة ، والتي تطورت بشكل كبير في النصف الأول من القرن العشرين. في عام 1878، أظهر إدوين هربرت هول انحراف حاملات الشحنة المتدفقة بواسطة مجال مغناطيسي مطبق، وهو تأثير هول . دفع اكتشاف الإلكترون بواسطة جيه جيه طومسون في عام 1897 إلى نظريات التوصيل القائمة على الإلكترون في المواد الصلبة. وضع كارل بيديكر ، من خلال ملاحظة تأثير هول بإشارة عكسية لتلك الموجودة في المعادن، نظرية مفادها أن يوديد النحاس يحتوي على حاملات شحنة موجبة. صنف يوهان كونيغسبيرجر المواد الصلبة مثل المعادن والعوازل و"الموصلات المتغيرة" في عام 1914 على الرغم من أن طالبه جوزيف فايس قد قدم بالفعل مصطلح هالبليتر (أشباه الموصلات بالمعنى الحديث) في درجة الدكتوراه. أطروحة في عام 1910. [39] [40] نشر فيليكس بلوخ نظرية لحركة الإلكترونات عبر الشبكات الذرية في عام 1928. في عام 1930، صرح ب. جودن أن الموصلية في أشباه الموصلات كانت بسبب تركيزات طفيفة من الشوائب. بحلول عام 1931، تم تأسيس نظرية النطاق للتوصيل بواسطة آلان هيريس ويلسون وتم تطوير مفهوم فجوات النطاق. طور والتر إتش شوتكي ونيفيل فرانسيس موت نماذج للحاجز المحتمل وخصائص تقاطع المعدن وشبه الموصل . بحلول عام 1938، طور بوريس دافيدوف نظرية مقوم أكسيد النحاس، وحدد تأثير الوصلة p-n وأهمية الناقلات الأقلية وحالات السطح. [37]
كان الاتفاق بين التوقعات النظرية (القائمة على تطوير ميكانيكا الكم) والنتائج التجريبية ضعيفًا في بعض الأحيان. وقد فسر جون باردين هذا لاحقًا على أنه يرجع إلى السلوك "الحساس للبنية" الشديد لأشباه الموصلات، والتي تتغير خصائصها بشكل كبير بناءً على كميات ضئيلة من الشوائب. [37] أنتجت المواد النقية تجاريًا في عشرينيات القرن العشرين والتي تحتوي على نسب متفاوتة من الملوثات النزرة نتائج تجريبية مختلفة. حفز هذا تطوير تقنيات تنقية المواد المحسنة، مما أدى إلى إنتاج مصافي أشباه الموصلات الحديثة لمواد بنقاء أجزاء لكل تريليون.
في البداية، تم بناء الأجهزة التي تستخدم أشباه الموصلات على أساس المعرفة التجريبية قبل أن توفر نظرية أشباه الموصلات دليلاً لبناء أجهزة أكثر كفاءة وموثوقية.
استخدم ألكسندر جراهام بيل خاصية السيلينيوم الحساسة للضوء لنقل الصوت عبر شعاع من الضوء في عام 1880. قام تشارلز فريتس في عام 1883 ببناء خلية شمسية عاملة ذات كفاءة منخفضة، باستخدام لوحة معدنية مطلية بالسيلينيوم وطبقة رقيقة من الذهب؛ أصبح الجهاز مفيدًا تجاريًا في أجهزة قياس الضوء الفوتوغرافية في ثلاثينيات القرن العشرين. [37] استخدم جاغاديش تشاندرا بوس مقومات كاشف الموجات الدقيقة ذات الاتصال النقطي المصنوعة من كبريتيد الرصاص في عام 1904؛ أصبح كاشف شارب القط باستخدام الغالينا الطبيعية أو مواد أخرى جهازًا شائعًا في تطوير الراديو . ومع ذلك، كان من غير المتوقع إلى حد ما في التشغيل وكان يتطلب تعديلًا يدويًا للحصول على أفضل أداء. في عام 1906، لاحظ إتش جيه راوند انبعاث الضوء عندما يمر التيار الكهربائي عبر بلورات كربيد السيليكون ، وهو المبدأ وراء الصمام الثنائي الباعث للضوء . لاحظ أوليج لوسيف انبعاثًا مشابهًا للضوء في عام 1922، ولكن في ذلك الوقت لم يكن لهذا التأثير أي استخدام عملي. تم تطوير مقومات الطاقة، باستخدام أكسيد النحاس والسيلينيوم، في عشرينيات القرن العشرين وأصبحت مهمة تجاريًا كبديل لمقومات الصمام المفرغ . [38] [37]
استخدمت أجهزة أشباه الموصلات الأولى معدن الجالينا ، بما في ذلك كاشف البلورات الذي ابتكره الفيزيائي الألماني فرديناند براون في عام 1874 وكاشف البلورات الراديوية الذي ابتكره الفيزيائي الهندي جاغاديش تشاندرا بوس في عام 1901. [41] [42]
في السنوات التي سبقت الحرب العالمية الثانية، دفعت أجهزة الكشف والاتصالات بالأشعة تحت الحمراء إلى إجراء أبحاث حول مواد كبريتيد الرصاص وسيلينيد الرصاص. وقد استُخدمت هذه الأجهزة للكشف عن السفن والطائرات، وأجهزة تحديد المدى بالأشعة تحت الحمراء، وأنظمة الاتصالات الصوتية. أصبح كاشف البلورات النقطي حيويًا لأنظمة الراديو بالموجات الدقيقة نظرًا لأن أجهزة الصمام المفرغ المتاحة لا يمكنها العمل كأجهزة كشف فوق حوالي 4000 ميجا هرتز؛ اعتمدت أنظمة الرادار المتقدمة على الاستجابة السريعة لكاشفات البلورات. حدث قدر كبير من البحث والتطوير لمواد السيليكون أثناء الحرب لتطوير أجهزة كشف ذات جودة ثابتة. [37]
الترانزستورات المبكرة
لم يتمكن الكاشف ومقومات الطاقة من تضخيم الإشارة. بُذلت العديد من الجهود لتطوير مكبر الحالة الصلبة ونجحت في تطوير جهاز يسمى ترانزستور نقطة الاتصال والذي يمكنه تضخيم 20 ديسيبل أو أكثر. [43] في عام 1922، طور أوليج لوسيف مكبرات ذات طرفين ومقاومة سلبية للراديو، لكنه توفي في حصار لينينغراد بعد إكماله بنجاح. في عام 1926، حصل يوليوس إدغار ليلينفيلد على براءة اختراع لجهاز يشبه ترانزستور تأثير المجال ، لكنه لم يكن عمليًا. أظهر آر. هيلش و آر دبليو بول في عام 1938 مكبرًا للحالة الصلبة باستخدام هيكل يشبه شبكة التحكم في الصمام المفرغ؛ على الرغم من أن الجهاز أظهر مكسبًا للطاقة، إلا أنه كان له تردد قطع يبلغ دورة واحدة في الثانية، وهو منخفض جدًا لأي تطبيقات عملية، ولكنه تطبيق فعال للنظرية المتاحة. [37] في مختبرات بيل ، بدأ ويليام شوكلي وأ. هولدن التحقيق في مكبرات الحالة الصلبة في عام 1938. وقد لاحظ راسل أول أول وصلة p-n في السيليكون حوالي عام 1941 عندما وجد أن العينة حساسة للضوء، مع وجود حدود حادة بين شوائب من النوع p في أحد الطرفين والنوع n في الطرف الآخر. طورت شريحة مقطوعة من العينة عند حدود p-n جهدًا عند تعرضها للضوء.
كان أول ترانزستور عامل هو ترانزستور نقطة الاتصال الذي اخترعه جون باردين ووالتر هاوزر براتين وويليام شوكلي في مختبرات بيل عام 1947. كان شوكلي قد وضع نظرية في وقت سابق لمضخم تأثير المجال المصنوع من الجرمانيوم والسيليكون، لكنه فشل في بناء مثل هذا الجهاز العامل، قبل أن يستخدم الجرمانيوم في النهاية لاختراع ترانزستور نقطة الاتصال. [44] في فرنسا، أثناء الحرب، لاحظ هربرت ماتاري التضخيم بين نقاط الاتصال المتجاورة على قاعدة من الجرمانيوم. بعد الحرب، أعلنت مجموعة ماتاري عن مكبر الصوت " ترانزسترون " الخاص بهم بعد فترة وجيزة من إعلان مختبرات بيل عن " الترانزستور ".
في عام 1954، قام الكيميائي الفيزيائي موريس تانينباوم بتصنيع أول ترانزستور تقاطعي من السيليكون في مختبرات بيل . [45] ومع ذلك، كانت ترانزستورات التقاطع المبكرة عبارة عن أجهزة ضخمة نسبيًا وكان من الصعب تصنيعها على أساس الإنتاج الضخم ، مما حد من استخدامها إلى عدد من التطبيقات المتخصصة. [46]
انظر أيضا
- ديثنيوم
- تصنيع الأجهزة شبه الموصلة
- صناعة أشباه الموصلات
- تقنيات توصيف أشباه الموصلات
- عدد الترانزستورات
مراجع
- ^ تاتوم، جيريمي (13 ديسمبر 2016). "المقاومة ودرجة الحرارة". LibreTexts . تم الاسترجاع في 2023-12-22 .
- ^ Worzyk, Thomas (11 August 2009). Submarine Power Cables: Design, Installation, Repair, Environmental Aspects. Springer. ISBN 978-3-642-01270-9.
- ^ "التوصيل الكهربائي في أشباه الموصلات". www.mks.com . تم الاسترجاع في 2024-04-01 .
- ^ "جوشوا هالبرن". الكيمياء 003. 2015-01-12 . تم الاسترجاع 2024-04-01 .
- ^ أ ب ج د فاينمان، ريتشارد. محاضرات فاينمان في الفيزياء.
- ^ "2.4.7.9 تجربة "المسبار الساخن". ecee.colorado.edu . مؤرشف من الأصل في 6 مارس 2021 . تم الاسترجاع 27 نوفمبر 2020 .
- ^ Shockley, William (1950). Electrons and holes in semiconductors: with applications to transistor electronic . RE Krieger Pub. Co. ISBN 978-0-88275-382-9.
- ^ abcdefg Neamen, Donald A. (2003). Semiconductor Physics and Devices (PDF) . Elizabeth A. Jones. مؤرشف من الأصل (PDF) في 27 أكتوبر 2022.
- ^ "إعادة تركيب الإلكترون والفجوة". Engineering LibreTexts . 2016-07-28 . تم الاسترجاع في 2024-04-01 .
- ^ عبد العزاوي. "الضوء والبصريات: المبادئ والممارسات". 2007. 4 مارس 2016.
- ^ "الخصائص الكهربائية لأشباه الموصلات - نظرة عامة | مواضيع ScienceDirect". www.sciencedirect.com . تم الاسترجاع في 2023-12-14 .
- ^ وانج، يانجانج؛ داي، شياوبينج؛ ليو، جيويو؛ وو، ييبو؛ جونز، يون لي وستيف (2016-10-05)، "حالة واتجاه تغليف وحدات أشباه الموصلات الكهربائية للسيارات الكهربائية"، النمذجة والمحاكاة لتطبيقات السيارات الكهربائية ، IntechOpen، ISBN 978-953-51-2637-9تم الاسترجاع بتاريخ 2024-01-24
- ^ Arik, Mehmet, and Stanton Weaver. "Chip-scale thermal management of high-brightness LED packages." المؤتمر الدولي الرابع للإضاءة ذات الحالة الصلبة . المجلد 5530. SPIE، 2004.
- ^ Boteler, L.; Lelis, A.; Berman, M.; Fish, M. (2019). "التوصيل الحراري لأشباه الموصلات الكهربائية - متى يكون مهمًا؟". ورشة عمل معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات السابعة لعام 2019 حول أجهزة وتطبيقات الطاقة ذات الفجوة النطاقية العريضة (WiPDA) . IEEE. ص 265-271. doi :10.1109/WiPDA46397.2019.8998802. ISBN 978-1-7281-3761-2. S2CID 211227341.
- ^ "كيف تعمل المبردات الحرارية الكهربائية (TECs)؟". ii-vi.com . تم الاسترجاع في 2021-11-08 .
- ^ BG Yacobi, Semiconductor Materials: An Introduction to Basic Principles , Springer 2003 ISBN 0-306-47361-5 , ص 1-3.
- ^ دونغ، رينهاو؛ هان، بينج؛ أرورا، هيماني؛ بالابيو، ماركو؛ كاراكوس، ميليكي؛ تشانغ، زي؛ شيخار، شاندرا؛ أدلر، بيتر؛ بيتكوف، بيتكو سانت؛ إربي، آرثر؛ مانسفيلد، ستيفان سي بي (2018). "نقل الشحنة الشبيهة بالنطاق عالي الحركة في إطار معدني عضوي ثنائي الأبعاد شبه موصل". مواد الطبيعة . 17 (11): 1027-1032. رمز Bibcode :2018NatMa..17.1027D. doi :10.1038/s41563-018-0189-z. ISSN 1476-4660. PMID 30323335. S2CID 53027396.
- ^ أرورا، هيماني (2020). نقل الشحنة في المواد ثنائية الأبعاد وتطبيقاتها الإلكترونية (PDF) . دريسدن: كوكوسا.
- ^ يو، بيتر (2010). أساسيات أشباه الموصلات . برلين: سبرينغر فيرلاغ. رقم ISBN 978-3-642-00709-5.
- ^ كما هو الحال في صيغة موت للتوصيل، انظر كاتلر، م.؛ موت، ن. (1969). "ملاحظة موضع أندرسون في غاز الإلكترون". المراجعة الفيزيائية . 181 (3): 1336. رمز Bibcode :1969PhRv..181.1336C. doi :10.1103/PhysRev.181.1336.
- ^ abc Charles Kittel (1995) Introduction to Solid State Physics ، الطبعة السابعة، Wiley، ISBN 0-471-11181-3 .
- ^ JW Allen (1960). "Gallium Arsenide as a semi-insulator". Nature . 187 (4735): 403–05. Bibcode :1960Natur.187..403A. doi :10.1038/187403b0. S2CID 4183332.
- ^ لويس ناشيلسكي، روبرت إل. بويلستاد (2006). الأجهزة الإلكترونية ونظرية الدوائر (الطبعة التاسعة). الهند: برنتيس هول أوف إنديا برايفت ليمتد. ص 7-10. رقم ISBN 978-81-203-2967-6.
- ^ Nave, R. "Doped Semiconductors" . تم الاسترجاع في 3 مايو 2021 .
- ^ Y., Roshni (5 فبراير 2019). "الفرق بين أشباه الموصلات الداخلية والخارجية" . تم الاسترجاع في 3 مايو 2021 .
- ^ "الدرس 6: أشباه الموصلات الخارجية" (PDF) . مؤرشف من الأصل (PDF) في 28 يناير 2023 . تم الاسترجاع 28 يناير 2023 .
- ^ "مشاكل عامة في الخلية الوحدوية" . تم الاسترجاع في 3 مايو 2021 .
- ^ Nave, R. "قانون أوم، نظرة مجهرية". مؤرشف من الأصل في 3 مايو 2021. تم الاسترجاع 3 مايو 2021 .
- ^ فان زيغبروك، بارت (2000). "كثافات الناقل". مؤرشف من الأصل في 3 مايو 2021. تم الاسترجاع في 3 مايو 2021 .
- ^ "هيكل النطاق وتركيز الناقل (Ge)" . تم الاسترجاع في 3 مايو 2021 .
- ^ "التنشيط: أشباه الموصلات من النوع n وp" . تم الاسترجاع في 3 مايو 2021 .
- ^ Nave, R. "السيليكون والجرمانيوم" . تم الاسترجاع في 3 مايو 2021 .
- ^ Honsberg, Christiana; Bowden, Stuart. "Semiconductor Materials" . تم الاسترجاع في 3 مايو 2021 .
- ^ "أشباه الموصلات غير المتبلورة 1968" (PDF) .
- ^ Hulls, K.; McMillan, PW (22 مايو 1972). "أشباه الموصلات غير المتبلورة: مراجعة للنظريات الحالية". مجلة الفيزياء د: الفيزياء التطبيقية . 5 (5): 865-882. doi :10.1088/0022-3727/5/5/205. S2CID 250874071.
- ^ “Kirj.ee” (PDF) .
- ^ abcdefg موريس، بيتر روبن (22 يوليو 1990). تاريخ صناعة أشباه الموصلات العالمية. IET. ISBN 9780863412271- عبر كتب Google.
- ^ من تأليف Lidia Łukasiak & Andrzej Jakubowski (يناير 2010). "تاريخ أشباه الموصلات" (PDF) . مجلة الاتصالات وتكنولوجيا المعلومات : 3. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2013-06-22 . تم الاسترجاع في 2012-08-03 .
- ^ بوش، ج (1989). "التاريخ المبكر لفيزياء وكيمياء أشباه الموصلات - من الشكوك إلى الحقيقة في مائة عام". المجلة الأوروبية للفيزياء . 10 (4): 254-64. رمز Bibcode : 1989EJPh...10..254B. doi : 10.1088/0143-0807/10/4/002. S2CID 250888128.
- ^ Überlingen.)، جوزيف فايس (دي (22 يوليو 1910). “Experimentelle Beiträge Zur Elektronentheorie Aus dem Gebiet der Thermoelektrizität، Inaugural-Dissertation … von J. Weiss، …” Druck- und Verlags-Gesellschaft – عبر كتب جوجل.
- ^ "الخط الزمني". محرك السيليكون . متحف تاريخ الكمبيوتر . تم الاسترجاع في 22 أغسطس 2019 .
- ^ "1901: مقومات أشباه الموصلات الحاصلة على براءة اختراع ككاشفات "شارب القط". محرك السيليكون . متحف تاريخ الكمبيوتر . تم الاسترجاع في 23 أغسطس 2019 .
- ^ بيتر روبن موريس (1990) تاريخ صناعة أشباه الموصلات العالمية ، IET، ISBN 0-86341-227-0 ، ص 11-25
- ^ "1947: اختراع الترانزستور النقطي التلامسي". محرك السيليكون . متحف تاريخ الكمبيوتر . تم الاسترجاع في 23 أغسطس 2019 .
- ^ "1954: موريس تانينباوم يصنع أول ترانزستور سيليكون في مختبرات بيل". محرك السيليكون . متحف تاريخ الكمبيوتر . تم الاسترجاع في 23 أغسطس 2019 .
- ^ موسكوفيتز، سانفورد إل. (2016). الابتكار في المواد المتقدمة: إدارة التكنولوجيا العالمية في القرن الحادي والعشرين. جون وايلي وأولاده . ص. 168. ISBN 9780470508923.
قراءة إضافية
- AA Balandin & KL Wang (2006). Handbook of Semiconductor Nanostructures and Nanodevices (5-Volume Set) . American Scientific Publishers. ISBN 978-1-58883-073-9.
- Sze, Simon M. (1981). Physics of Semiconductor Devices (الطبعة الثانية) . John Wiley and Sons (WIE). ISBN 978-0-471-05661-4.
- تورلي، جيم (2002). الدليل الأساسي لأشباه الموصلات . برنتيس هول PTR. ISBN 978-0-13-046404-0.
- يو، بيتر واي؛ كاردونا، مانويل (2004). أساسيات أشباه الموصلات: الفيزياء وخصائص المواد . سبرينغر. رقم ISBN 978-3-540-41323-3.
- ساداو أداتشي (2012). دليل الثوابت البصرية لأشباه الموصلات: في الجداول والأشكال . النشر العلمي العالمي. رقم ISBN 978-981-4405-97-3.
- جي بي عبد اللهييف، تي دي دزهافاروف، إس. تورستفيت (مترجم)، الانتشار الذري في هياكل أشباه الموصلات، دار جوردون آند بريتش ساينس للنشر، 1987، رقم ISBN 978-2-88124-152-9
- محاضرة فاينمان عن أشباه الموصلات
