أنصاف النواقل

أنصاف النواقل

تكنولوجيا أنصاف النواقل

ربما تكون العناصر الإلكترونية المصنوعة من أنصاف النواقل هي أكثر العناصر الإلكترونية أهمية هذه الأيام . العناصر الإلكترونية كالديودات والالترانززستورات والثايرستورات (Thyristors) والمقاومات الحرارية (Thermistors) والخلايا الكهروضوئية (photovoltaic) والمقاومات الضوئية (photoresistors) والعناصر الإلكترونية الليزرية والدارات المتكاملة (integrated circuits) , كل هذه العناصر تصنع من مواد نصف ناقلة أو بشكل عام من أنصاف النواقل .

الشكل أشكال بعض العناصر الإلكترونية المصنوعة من أنصاف النواقل  .

ما هو نصف الناقل What is a Semiconductor

تصنف المواد حسب ناقليتها للتيار الكهربي إلي :

· مواد ناقلة تمرر التيار الكهربائي بسهولة كالفضة والنحاس وتسمي هذه المواد نواقل كهربائية (conductors) .

· مواد لا تسمح برموز التيار الكهربائي كالمطاط والزجاج , والتيفلون (Teflon) , وغيرها وهذه المواد تسمي عوازل (Insulators) .

· مواد نصف ناقلة وهي عبارة عن مواد لا تنقل التيار الكهربائي في درجة الصفر المطلق , أما في درجة حرارة الغرفة (20ºC) فإنها تنقل التيار , وتعرف المواد نصف الناقلة بأنها مواد ذات ناقلية نوعية Conducting ( σ ) تقع في مجال من (^7-10) (mho/cm (10³ والــ mho وتقرأ (مو) هي واحدة الناقلية , أنظر الشكل , بعض المواد نصف الناقلة تكون نقية (pure) مثل السليكون (silicon) والجرمانيوم (germanium) , أما بعضها الأخر فهو عبارة عن خلائط كالنيكروم nichorome , كما أن بعضها سائلا (Liquid) .

الشكل مجالات الناقلية للنواقل والعوازل وأنصاف النواقل

السليكون

يعتبر السليكون المادة نصف الناقلة الأكثر أهمية والتي تستخدم في تصنيع العناصر الإلكترونية . أما المواد الأخري كالجرمانيوم والسلينيوم (selenium) فإنها تستخدم أحيانا , إلا أنها أقل استخداما من السليكون . يمتاز السليكون بأن له بنية ذرية (atomic structure) فريدة , وهذه البنية ذات ميزات مفيدة وهامة جدا لتصنيع العناصر الإلكترونية . يتوفر السليكون بكثرة في الطبيعة فهو يقع في المرتبة الثانية بين أكثر العناصر توفرا في الطبيعة فمثلا يتوقع أن ميلا مكعبا من ماء البحر يحتوي حوالي (15000) طن من السيلكون , ولكن هذا السيلكون نادرا ما يتوفر ببنيته الصافية النقية في الطبيعة , وقبل أن يكون من الممكن استخدامه لتصنيع العناصر الإلكترونية لابد من فصله عن المواد المشيبة (الشوائب) العالقة به , وبعد تنقية السيليكون من الشوائب بطرق ومواد مختلفة فإن السيليكون يصهر وتتشكل منه شرائح أو أقراص , حيث يتم تدوير السيلكون المنصهر في وعاء لتتشكل منه نواة كريستالية كبيرة (large crystal reed) وهذه النواة تقطع إلي شرائح وأقراص .

الشكل البنية البللورية للسيليكون ونموذج ذرته مع توزيع الإلكترونيات في المدارات

يبين الشكل ببساطة تكوين الشرائح السيليكونية بدءا من مرحلة الصهر والتدوير وتكوين النواة الكريستالية والتقطيع النهائي .

الشكل خطوات تكوين الشرائح السيليكونية

إن مصمم العناصر الإلكترونية لا يستخدم الشرائح السيلكونية النقية بمفردها لتكوين العناصر الإلكترونية لأنها لا تتمتع بالمواصفات التي تؤهلها لهذا الاستخدام , وذلك لأن مصمم العناصر الإلكترونية يبحث غالبا عن مادة أو عن مواد تغير ناقليتها فتعمل كناقل في لحظة ما وكعازل في لحظة أخري , و حتي تغير المادة من ناقليتها يجب أن تكون قادرة علي الإستجابة لقوي خارجية مطبقة عليها , كحد خارجي مثلا , وشريحة السيلكون النقية لا تحقق ذلك . إن شرائح السيلكون النقية هي أقرب إلي العوازل منها إلي النواقل ولا تغير ناقليتها عند تطبيق قوة خارجية عليها . يعرف كل مصمم للعناصر الإلكترونية هذه الأيام أن السيلكون تضاف إليه مواد خاصة بطرق تكنولوجية خاصة كي يصبح جاهزا للإستخدام في تصنيع العناصر الإلكترونية , وتسمي عملية إضافة الشوائب الخاصة بعملية الإشابه (doping) .

الإشابه Doping

إن عملية الإشابه هي بإختصار إضافة شوائب إلي شريحة السيلكون بطريقة ما تجعل مناسبة للاستخدام في تصنيع العناصر الإلكترونية , وتستخدم مواد مختلفة للإشابه مثل الأنتيمون (antimony) , والأرسنيك (arsenic) والألمونيوم (aluminium) والغاليوم gallium) ( . وتؤمن هذه المواد مواصفات خاصة للشريحة بعد أن تضاف إليها فتحسب الشريحة بصورة ما للجهود التي تطبق عليها وللإجهادات وللتغيرات الحرارية . هناك أيضا مواد أساسية هامة تستخدم الشريحة بصورة ما للجهود التي تطبق عليها وللإجهادات وللتغيرات الحرارية . هناك أيضا مواد أساسية هامة تستخدم في إشابة السيلكون مثل البورون (boron) والفوسفور (phosphorus) . عند إشابة شريحة سليكونية بالبورن أو الفوسفور فإن ناقليتها إلكترونية التكافؤ الأربعة الخارجية للذرة الواحدة تكون مرتبطة مع أربع ذرات مجاورة كما في الشكل وعندما لا توجد إلكترونيات حرة فإن تطبيق جهد كهربائي عي شريحة السيلكون لن يؤدي إلي مرور تيار كهربائي غيرها (بسبب عدم وجود حوامل للشحنات حرة الحركة ) .

الشكل البنية الذرية للسيلكون وشكل يوضح مخطط التركيب البللوري

عند إضافة الفوسفور إلي شريحة السيلكون فإن ذرة الفوسفور الواحدة والتي تحوي خمسة إلكترونيات في مدارها الخارجي سوف تتشارك بأربعة إلكترونيات مع أربع ذرات سيلكون مجاورة وتشكل معها روابط مشتركة أما الألكترون الخامس للذرة الفوسفور فإنه يبقي حرا ضمن النسيج البللوري للمادة ويمكن أن يشارك في عملية نقل التيار الكهربائي (أنظر الشكل ) , وعند تطبيق جهد كهربائي علي شريحة السيلكون المشابه بالفوسفور فإن الألكترون سوف ينتقل عبر الشريحة إلي القطب الموجب للجهد الطبق وطبعا كلما زاد عدد ذرات الفوسفور ضمن شريحة السيلكون يزداد عدد الإلكترونات الحرة ويزداد التيار . يسمي السيلكون المشاب بالفوسفور باسم سيلكون نوع (n-type silicon) (n) وحوامل التيار في هذا السيلكون هي الإلكترونات ذات الشحنات السالبة وتسميته بسيلكون نوع (n) مأخوذة من (negative-change-carrier-type-silicon) .

الشكل بنية سيلكون مشاب بالفوسفور وتكون الإلكترونات الحرة

إذا أضيف البورون إلي السيلكون , فإن التأثير علي الناقلية سوف يكون مختلفا عن تأثير الفوسفور , وذلك لأن البورون يحوي في المدار الخارجي لذرته فقط علا ثلاثة إلكترونات تكافؤ , ويشارك البورون بهذه الإلكترونات الثلاثة مع ثلاث ذرات مجاورة من السيلكون كما في الشكل وكي يكتمل عدد الإلكترونات في المدار الخارجي لذرة البورون إلي (8) ثمانية إلكترونات فإن ذرة البورون تأخذ هذا الألكترون مكانه فارغا في ذرته أي تتولد رابطة غير مشبعة بين ذرتي سيلكون وتسمي هذه الرابط غير المشبعة بأسم ثقب (hole) وهو موجب الشحنة (لأن الرابطة خسرت إلكترونا سالب الشحنة ) . عند تطبيق جهد خارجي علي شريحة سيلكون مشابه بالبورون , فإن الثقب سوف يتحرك إلي القطب السالب للجهد المطبق , وينتقل إلكترون من رابطة مشتركة مجاورة ليملأ مكان الثقب . علي الرغم من أعتبار الثقب ذا شحنة موجبة إلا أن الثقب لا يحوي شحنة فيزيائية وفقط يظهر كما لو أن الثقب له شحنة موجبة وذلك بسبب عدم توازن الشحنات في الذرة التي خسرت إلكترونيا وخلف وراءه ثقبا فعادة تكون شحنات الإلكترونات التي تدور حول نواة ذرة سالبة ومساوية لشحنات البروتونات Protons الموجبة الموجودة في نواة الذرة وعندما تخسر الذرة إلكترونا تصبح شحنتها الكلية موجبة بمقدار شحنة بروتون موجب واحد أو إلكترون سالب (negative electron) . يسمي السيلكون المشاب بالبورون باسم سيلكون نوع (p) أو (p-Type silicon) ومعي ذلك أن حوامل الشحنة المتحركة هي الثقوب ذات الشحنات الموجبة (positive-charge-carrier-type silicon) .

الشكل بنية سيلكون مشاب بالبورون وتكون الثقوب الحرة

ومما سبق تلاحظ أن كلا من السيلكون نوع (n) قادر علي تمرير التيار الكهربائي والسيلكون نوع (n) يمرر التيار الكهربائي بواسطة الإلكترونات الحرة , أما السيلكون نوع (p) فيمرر التيار بواسطة الثقوب الحرة .

ملاحظة للتوضيح

تحوي ذرة البورون علي ثلاثة إلكترونات تكافؤ , أما ذرة السيلكون فتحتوي في مدارها الخارجي علي أربعة إلكترونات تكافؤ . وهذا يعني أن البنية الشبكية للسيلكون المشاب بالبورون تحوي إلكترونات حرة أقل من الثقوب , ولكن هذا لا يعني علي الإطلاق بأن السيلكون والذي تأخذه ذرة بورون ليجعل عدد إلكتروناتها السطحية مساويا ثمانية , هذا الإلكترون يجعل شحنة ذرة البورون سالبة , وهذه الشحنة السالبة تقابل وتساوي الشحنة الموجبة لبروتون النواة التي فقدت ذرتها ذات الإلكترون , أي أن الشحنة الكلية لمادة نصف ناقلة نوع (p) تكون معتدلة , وكذلك الشحنة الكلية بالنسبة لمادة نصف ناقلة نوع (n) .

ملاحظة أخري للتوضيح ( حوامل الشحنات )

ماذا تعني عندما تقول إن ثقبا يتحرك ؟ وقد ذكرناه أعلاه أن الثقب هو لا شئ أليس هذا صحيحا . كيف يمكن إذن أن يتحرك هذا اللا شئ ؟ قد يبدو هذا بأنه تعارض في صحة الفكرة ,ولكن عندما يقال لك أو تقرأ أو تسمع بأن ثقبا يتحرك أو أن حوامل الشحنات الموجبة في سيلكون نوع (p) تتحرك , فإن الإلكترونات في الحقيقة هي التي تتحرك والسؤال الذي يتبادر إلي الذهن هو : أليست حركة الإلكترونات هنا مثل حركة الإلكترونات في مادة سيلكون نوع (n) ؟ والجواب هو بالطبع لا . تخيل أن لديك قارورة مغلقة فيها ماء وأن فيها فقاعة هواء وأن القارورة محكمة الإغلاق , إذا قلبت القارورة بحيث يصبح طرف السدادة من الأسفل ثم أعدتها إلي وضعها السابق تلاحظ أن فقاعة الهواء تتحرك بعكس اتجاه حركة الماء عند تحريك القارورة وكي تتحرك فقاعة الهواء يجب أن يبتعد الماء عن طريقها في هذه المقارنة يعتبر الماء مشابها للإلكترونات في مادة نصف ناقلة نوع (p) أما الثقوب فتشابه فقاعات الماء . عندما يطبق جهد علي طرفي مادة نصف ناقلة نوع (p) , فإن الإلكترونات المحيطة بذرة البورون تجبر علي التحرك بإتجاه القطب الموجب للجهد المطبق , أما الثقب القريب من ذرة البورون فإنه يبدو وكأنه يتحرك بإتجاه القطب السالب للجهد المطبق , وهذا الثقب في الواقع ينتظر قدوم إلكترون من ذرة مجاورة كي يملأ مكان الثقب وهذا الإلكترون القادم من ذرة مجاورة يترك مكانه ثقبا وهكذا يبدو أن الثقوب تتحرك بعكس إتجاه حركة الألكترونات فالألكترونات تتحرك بإتجاه موجب الجهد الخارجي أما الثقوب فيكون اتجاه حركتها بإتجاه القطب السالب للجهد الخارجي .

الشكل مقارنة بين حركة الثقوب في مادة (p) وحركة فقاعات الماء في وعاء

ملاحظة أخيرة

لماذا نسمي الثقوب بحوامل الشحنات الموجبة ؟ كيف يستطيع اللا شئ أن يحمل شحنة موجبة ؟ عندما يتحرك عبر بللورة المادة المكونة من ذرات السيلكون التي يزيد عددها عن عدد ذرات المادة المشيبة , فإن حركة الثقب تسب تغيرا طفيفا في شدة الحق الكهربائي حول ذرة السيلكون في البللورة وعندما يتحرك إلكترون ليملأ مكان الثقب السابق فإنه يخلق مكانه ثقبا جديدا وتخسر ذرة السيلكون التي تحرر منها هذا الألكترون شحنة سالبة تساوي شحنة الألكترون الذي خسرته وتبقي شحنتها مع شحنات الإلكترونات الموجودة في الذرة وتعبير أو إصطلاح حوامل الشحنات الموجبة يعود في الأصل إلي الشحنة الموجبة لنواة الذرة التي فقدت إلكترون .

تطبيقات السيلكون

قد تتساءل لماذا هذه الأنواع الجديدة من السيلكون ؟ سيلكون نوع (n) وسيلكون نوع (p) , وما فائدة هذه الأنواع الجديدة في تصنيع العناصر الإلكترونية ؟ ولماذا هذا الحديث عن هذه الأنواع الجديدة ؟

إن البللورات السيلكونية الجديدة المشابة هي نواقل وبالتالي فإن لدينا نوعين من النواقل , الأول وهو السيلكون نوع (n) يحقق الناقلية من خلال حركة الإلكترونات والثاني وهو النوع (p) يحقق الناقلية من خلال حركة الثقوب , وهذا الشئ هام جدا لأن أسلوب نقل التيار الكهربائي في السيلكون من نوع (n) والسيلكون نوع (p) هام جدا في تصميم العناصر الإلكترونية كالديودات , والترانزستورات والخلايا الشمسية (solar cells) . حدد المختصون بتصنيع العناصر الإلكترونية طرقا لإلتحام شرائح سيلكونية نوع (n) مع أخري نوع (p) بحيث يتم الحصول علي عناصر ذات مواصفات خاصة ومحددة جدا عند تطبيق جهد خارجي علي هذه العناصر , وهذه المواصفات الخاصة تتحقق من خلال التفاعل المتبادل بين حركة الثقوب والإلكترونات بين المواد نصف الناقلة نوع (n) ونوع (p) . وبواسطة هذه المواد ( المادة n والمادة p ) بدأ مصممو العناصر الإلكترونية ببناء عناصر تمرر التيار باتجاه واحد , وتسمح هذه العناصر بإغلاق أو فتح مسار التيار باستخدام الجهد كوسيلة تحكم لقد وجد (Folks) أن وضع مادة نوع (n) بجوار مادة نوع (p) بحيث يتشكل التصاق بينهما وأن تطبق جهد معين بين الطرفين (أحد أقطاب الجهد علي المادة p والقطب الأخر علي المادة n ) يؤديان إلي إصدار ضوء (light) أو فوتونات عندما يقفز الإلكترون عبر المتصل فإن الإلكترونات تتدفق من مادة إلي الأخري أي يمر تيار عبر العنصر المتشكل من التحام مادة (p) مع مادة (n) . وقد تم بناء عدد كبير من العناصر الإلكترونية من المواد (p) و (n) وسوف نتعرف في الفصول التالية من هذا الكتاب علي العناصر الإلكترونية الأساسية المصنوعة من أنصاف النواقل والتي شاع استخدامها في بناء الأجهزة و الدارات الإلكترونية .

الشكل أشكال توضح بني وتراكيب ورموز بعض العناصر الإلكترونية .