ما هو شبه الموصل الداخلي؟

ما هو شبه الموصل الداخلي؟

تعريف شبه الموصل الداخلي

شبه الموصل هو مادة تقع قابليتها للتوصيل بين موصلات والموانع. الشواهد الداخلي هي شبه موصلات كيميائياً نقية، أي خالية من الشوائب، وتسمى أيضاً شبه الموصلات غير المغذّاة أو شبه الموصلات من النوع i. الأكثر شيوعاً من هذه الشواهد الداخلية هي السيليكون (Si) والألمانيوم (Ge)، وهما ينتميان إلى مجموعة IV في الجدول الدوري. الأرقام الذرية لـ Si و Ge هي 14 و 32 على التوالي، مما يعطي تكوينهما الإلكتروني كالتالي: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 و 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2.

كلاً من Si و Ge لديهما أربعة إلكترونات في الغلاف الخارجي، أو الغلاف القياسي. هذه الإلكترونات القياسية هي المسؤولة عن خصائص التوصيل للشواهد.

شبكة البلور للسيليكون (وهي نفسها حتى للألمانيوم) في بعدين كما هو موضح في الشكل 1. هنا نرى أن كل إلكترون قياسي ذرة Si يتزاوج مع الإلكترون القياسي للذرة المجاورة لتشكيل رابطة كوافالنتية.

بعد التزاوج، تفتقر الشواهد الداخلية إلى حاملات الشحنة الحرة، وهي الإلكترونات القياسية. عند درجة حرارة 0K، يكون الفرقة القياسية ممتلئة والفريقة الناقلة فارغة. لا يوجد إلكترونات قياسية لديها طاقة كافية لتخطي الفجوة الطاقوية المحظورة، مما يجعل الشواهد الداخلية تعمل كمانعات عند 0K.

ومع ذلك، عند درجة حرارة الغرفة، قد تسبب الطاقة الحرارية انفصال بعض الروابط الكوفالنتية، مما يؤدي إلى توليد الإلكترونات الحرة كما هو موضح في الشكل 3a. تنتقل الإلكترونات المتولدة بشكل متحمس من الفرقة القياسية إلى الفرقة الناقلة، متغلبة على الحاجز الطاقي (الشكل 2b). خلال هذا العملية، يترك كل إلكترون ثقباً في الفرقة القياسية. الإلكترونات والثقوب التي يتم إنشاؤها بهذه الطريقة تسمى حاملات الشحنة الداخلية وهي المسؤولة عن الخصائص الموصلة للمادة شبه الموصلة الداخلية.

على الرغم من أن الشواهد الداخلية يمكن أن توصل عند درجة حرارة الغرفة، فإن قابليتها للتوصيل منخفضة بسبب القليل من حاملات الشحنة. مع زيادة درجة الحرارة، تنفصل المزيد من الروابط الكوفالنتية، مما يؤدي إلى توليد المزيد من الإلكترونات الحرة. تنتقل هذه الإلكترونات من الفرقة القياسية إلى الفرقة الناقلة، مما يزيد من قابلية التوصيل. عدد الإلكترونات (ni) دائماً يساوي عدد الثقوب (pi) في شبه الموصل الداخلي.

عند تطبيق مجال كهربائي على مثل هذا شبه الموصل الداخلي، يمكن أن يتم دفع أزواج الإلكترون-الثقب تحت تأثيره. في هذه الحالة، تتحرك الإلكترونات في الاتجاه المعاكس لمجال التطبيق بينما تتحرك الثقوب في اتجاه المجال الكهربائي كما هو موضح في الشكل 3b. هذا يعني أن الاتجاه الذي تتحرك فيه الإلكترونات والثقوب متعاكسان. وهذا لأن الإلكترون الذرة المعينة يتحرك نحو اليسار، متركاً ثقباً في مكانه، والإلكترون من الذرة المجاورة يحتل مكانه بإعادة تجمعه مع ذلك الثقب. ومع ذلك، أثناء القيام بذلك، سيترك ثقباً آخر في مكانه. يمكن اعتبار هذا حركة الثقوب (نحو اليمين في هذه الحالة) في المادة شبه الموصلة. هذان الحركتان، رغم أنهما متعاكستان في الاتجاه، يؤديان إلى جريان التيار الكلي عبر شبه الموصل.

رياضياً، يتم تعريف كثافة حاملات الشحنة في الشواهد الداخلية بالمعادلات التالية:

حيث،

N c هي الكثافة الفعالة للحالات في الفرقة الناقلة.

Nv هي الكثافة الفعالة للحالات في الفرقة القياسية.

k هو ثابت بولتزمان.

T هي درجة الحرارة.

EF هي طاقة فيرمي.

Ev تشير إلى مستوى الفرقة القياسية.

Ec تشير إلى مستوى الفرقة الناقلة.

h هو ثابت بلانك.

mh هي الكتلة الفعالة للثقب.

me هي الكتلة الفعالة للإلكترون.