أكتشف بنفسك : الصفحة الرئيسية > توثيق > علمي > كهرباء > المجال الإلكتروني: أشباه الموصلات
وثيقة علمية : كهرباء
لمزيد من المعلومات
المجال الإلكتروني: أشباه الموصلات
٠١/٠٤/١٩٩٨
تاريخ النشر : 
 
  Ouvrage collectif, "Le Trésor, dictionnaire des sciences © Flammarion ١٩٩٧ (لمزيد من المعلومات)
مؤلفون
 
 


تمر الإلكترونات بصورة شبه حرة في الأجسام التي تسمى الموصلات مثل المعادن بينما تعيق العوازل انتشارها مثل الخزف أو الزجاج: دون أن نكون خبراء في مجال الكهرباء فمن المؤكد أنه كانت لنا في يوم من الأيام تجربة مؤلمة. في المنتصف بين المواد العازلة والموصلات هناك بعض المواد مثل الجرمانيوم والسليسيوم ذات خواص خاصة جدا: "هذه هي أشباه الموصلات ". بهذه المواد تتعقد الدراسة. فلنرى خواصها، أولا باستخدام التعبير المجازي المستخدم في المدينة.


عرقلة المرور 
بالنسبة لأشباه الموصلات تحدث الأشياء تماما كما لو كانت الإلكترونات تتعرض أثناء سيرها لعرقلة هائلة. في بعض الأحيان تستطيع الإلكترونات تحت تأثير المجال الكهربي " E " المرور، بما أن الطاقة الكهربية التي تؤثر عليها نسبية على العكس من المجال المغناطيسي (لأنها ذات شحنة سالبة). إذا فنصنف أشباه الموصلات هذه من النوع " N " أي ترمز للسالب. قديما كانت الإلكترونات تحجز تماما وتتمنى لو كان هناك مكان فارغ للمرور، مما يؤدي إلى تحرير المكان الذي كان مشغولا من قبل وبالتالي يثير تحرك الإلكترونات في شكل سلسلة نحو الأماكن الفارغة مما يعطينا الانطباع بأنها أماكن للاستقرار تتحرك في الاتجاه المعاكس للحركة الطبيعية للإلكترونات. ويتم تصنيف أشباه الموصلات التي تستجيب لهذا من النوع " P " وترمز للموجب لأنها أماكن للإلكترونات المتحركة أي تعني غياب الإلكترونات، ويعنى ذلك غياب الشحنات السالبة مما يتعادل مع الشحنات الموجبة التي تتقدم في الاتجاه المعاكس للاتجاه الطبيعي لحركة الإلكترونات.
وبما أن الأماكن المذكورة ذات عدد محدود، سينشأ في أشباه الموصلات الموجبة والسالبة اتجاه أحادى لحركة الإلكترونات. وفي الواقع إذا كان المجال الكهربي سيمر من الموجب إلى السالب فان الأماكن الفارغة من الشحنات الموجبة تجتذب الإلكترونات ذات الشحنة السالبة التي تجد مكانها دون صعوبة وبالتالي تستمر عملية الحركة (شكل ١).
وعلى العكس من ذلك، وفي حالة إذا كان المجال الكهربي يمر من السالب إلى الموجب فلا يمكن للإلكترونات الحصول على أماكنها وبالتالي تتوقف عملية المرور.

                                                                                                                                                

 

(شكل ١)



التفسير الفيزيائي لأشباه الموصلات                                                                                                                                                                             


عادة ما تكون طاقة  الإلكترونات المرتبطة بالذرات محددة بكمية معينة أي أنها تأخذ عددا معينا من القيم الخاصة بحيث يشبه منشور طاقة الإلكترونات " السلم " حيث تكون قضبانه (مستويات الطاقة المسموح بها) متراصة بطريقة غير منتظمة. عندما نضع عددا كبيرا من الذرات المتشابهة معا (إذا فالإلكترونات تكون محملة بنفس كمية الطاقة في البداية) كي تتكون بلورة جامدة. بعد ذلك ينفصل كل مستوى طاقة من المنشور الأساسي إلى عدد أكبر من مستويات الطاقة المتلاصقة في بعضها البعض؛ حيث يمكن أن نشبه هذا المنشور الجديد بشريط مستمر. تحدث هذه العملية كأن قضبان هذا السلم تتوافق مع منشور الذرة المنعزلة الذي ينقسم إلى أعداد كبيرة جدا من القضبان المقتربة من بعضها البعض. وبالتالي تكتسب مستويات الطاقة التي يمكن للإلكترونات الوصول إليها تركيب على شكل مستويات طاقة مسموح بها، منفصلة عن بعضها البعض بمستويات محظور على الإلكترونات المرور بها (شكل ٢).


في الذرة المعزولة (حيث يكون هناك مسافات كبيرة بين الذرات) يتكون توزيع طاقة الإلكترونات من مستويات رفيعة جدا. وكلما قربنا بين الإلكترونات تتضاعف التفاعلات بين المستويات المختلفة حيث ينقسم كل مستوى من مستويات الطاقة الأساسي إلى عدد أكبر من المستويات المتقاربة من بعضها البعض بحيث نرى التوزيع الأساسي الذي يسمى "توزيع مستويات الطاقة".
إن الإلكترونات لا تتوزع بطريقة عشوائية داخل هذه المستويات. ويجب الأخذ في الاعتبار بمبدأ استبعاد بولي" Pauli "(لا يمكن لإلكترونين لهما نفس الخواص الفيزيائية أن يشغلا مستوى طاقة واحد). وتشغل الإلكترونات المستويات المختلفة بترتيب تصاعدي للطاقة بدءا من المستوى الأقل في الطاقة أي المستوى الأساسي، أما الطاقة المتوفرة في المستوى الأعلى فتسمى طاقة "فيرمى Fermi". ويسمى المستوى الأعلى في الطاقة والممتلئ تماما بالإلكترونات بمستوى التكافؤ. والمستوى الأعلى يسمى مستوى التوصيل. وينفصل عن مستوى التكافؤ بواسطة المستوى المحظور.

ويعد تركيب الذرة من المستويات التي تم ذكرها شرحا مبسطا لعملية التوصيل الكهربي في الجوامد البلورية بصفة عامة، كما يعد شرحا مبسطا لخواص أشباه الموصلات بصفة خاصة. ولا تستطيع الإلكترونات في مستوى التكافؤ - أو في المستويات الأدنى من ذلك - امتصاص كمية صغيرة من الطاقة: فمستويات الطاقة التي تصل إليها ستكون مشغولة أو موجودة في مستوى محظور. وبما أن هذه الإلكترونات لا يمكن تحريكها بواسطة اكتساب كمية معينة من الطاقة فهي لا تشترك في توصيل التيار الكهربي: وبالتالي تكون محجوزة في مناطق عرقلة مرور الإلكترونات. وفي الواقع، تكون الإلكترونات الموجودة في مستويات التوصيل لها حرية الحركة (ومن هنا جاءت تسمية هذا المستوى).
إذا فالجوامد ذات مستويات التوصيل المليئة بالإلكترونات تعتبر موصلات. وعلى العكس من ذلك فالجوامد ذات مستويات التوصيل الفارغة تعتبر عوازل. غير أن المادة العازلة بصفة نهائية يجب أن يتوفر فيها شرط إضافي: وهو قياس عرض آخر مستوى محظور، أي المستوى الذي يقع بين مستوى التكافؤ ومستوى التوصيل، بحيث يكون كبيرا بدرجة كافية. ففي الواقع، تعد المواد العازلة التي لها درجة حرارة معينة مكانا للاهتزاز الحراري بحيث تستطيع إلكترونات مستوى التكافؤ – مستفيدة من الطاقة الناتجة عن هذا الاهتزاز الحراري – القفز إلى مستوى التوصيل، شريطة أن يكون سمك المستوى المحظور ضعيفا. وعندما يتوافر في المواد العازلة هذا الشرط الأخير فإننا لا نكون بصدد مادة عازلة ولكن مادة شبه موصلة. عندما يقفز إلكترون التكافؤ في مستوى التوصيل، فإنه يترك مكانه فارغا مما يجعل هناك دورا كبيرا للطاقة الجاذبة للإلكترونات المحيطة.
وتعد تلك الثغرة جزءا فارغ يسمى ثقب، ذو شحنة موجبة، وعلى العكس من الإلكترون فإن الثقب يساهم في مرور التيار الكهربي.
إذا نحن نفهم لماذا تزيد قدرة أشباه الموصلات مع ارتفاع درجة الحرارة على العكس مما يحدث في المعادن. وأي زيادة في درجة الحرارة تؤدي إلى زيادة في طاقة الاهتزاز في البلورة، ومن ثم فهي تساوى طول المسافة التي تتوفر للإلكترون لعبور المستوى المحظور بحيث تتكون أزواج من الإلكترونات – الثقوب. وهناك طريقة فعالة لزيادة قابلية التوصيل في درجة الحرارة المحيطة وهي حقن البلورات بالشوائب بحيث تكون في شكل ذرات غريبة. إذا هذه المادة شبه الموصلة قد تم تنشيطها. ويتم إدخال هذه الشوائب بطريقتين. إما حقن الشوائب في البلورات حيث تقوم كل واحدة منها بتحرير إلكترون توصيل إضافي في النظام: فنحصل إذا على شبه موصل سالب، أو تقوم كل من هذه الشوائب بجذب إلكترون من البلورة. ومن هنا يمكن اعتبارها مانحة للثقوب: فنحصل إذا على شبه موصل موجب.
وكما قلنا من قبل، فأن ارتباط السالب بالموجب لا يتيح الفرصة لمرور التيار الكهربي إلا في اتجاه واحد. وإحكام ذلك الاتجاه يقوم بدوره بالتحكم في مرور الإلكترونات مما يسمح بصنع المكونات الإلكترونية (أنظر فقرة الترانزيستور) ثم نضعها في الدائرة التي تعد مصدر الطاقة الكهربية الحديثة، ومن ثم نظام علاج الإشارات ونظام الحاسب الآلي. إذا ففي بداية الأمر كنا بصدد الاتجاه المحظور!
وأشباه الموصلات لها خصائص مرئية مثيرة للاهتمام. عندما تأتى الفوتونات أي الحبيبات الضوئية للاصطدام بشبه الموصلات فإن الطاقة التي تأتى بها تؤدي إلى مرور الإلكترونات من مستوى التكافؤ إلى مستوى التوصيل، أي زيادة قابلية المادة للتوصيل. ويمكن الاستفادة من ظاهرة التوصيل الضوئي في بعض الخلايا الضوئية لقياس التدفق الضوئي. وإذا أتت الجزيئات الضوئية، أي الفوتونات، للاصطدام بأشباه الموصلات وبالوصلات الموجبة أو السالبة، فإنها تؤدي إلى توليد التيار الكهربي وهذه الظاهرة تسمى التأثير الضوئي للفولت. وذلك ما ينتج عنه عمل البطاريات الشمسية . 



موجز الوحدة
آخر تعديل : ٠١/١٢/٢٠٠٤
© اكتشف بنفسك ٢٠١٤