ما هي السيليكون الأصيل والسيليكون الغير أصيل؟

ما هي السيليكون البدائي والسيليكون الخارجي؟

السيليكون البدائي

السيليكون عنصر شبه موصل حيوي. السيليكون مادة من المجموعة الرابعة. في مداراته الخارجية، يحتوي على أربعة إلكترونات صمغية محبوسة بواسطة روابط صمغية مع الإلكترونات الصمغية لأربع ذرات سيليكون مجاورة. هذه الإلكترونات الصمغية غير متاحة للكهرباء. لذا، عند درجة حرارة صفر كلفين (0K)، يتصرف السيليكون البدائي مثل العازل. عندما ترتفع درجة الحرارة، تتعرض بعض الإلكترونات الصمغية لكسر روابطها الصمغية بسبب الطاقة الحرارية. هذا يؤدي إلى خلق فراغ، يعرف بالحفرة، حيث كان الإلكترون. بعبارة أخرى، عند أي درجة حرارة أعلى من 0K، بعض الإلكترونات الصمغية في البلورة شبه الموصلة تحصل على طاقة كافية للقفز من النطاق الصمغي إلى نطاق التوصيل وتترك وراءها حفرة في النطاق الصمغي. هذه الطاقة تبلغ حوالي 1.2 eV عند درجة حرارة الغرفة (أي 300K) وهي تعادل طاقة الفجوة بين النطاقات للسيليكون.

في بلورة السيليكون البدائي، عدد الحفر يساوي عدد الإلكترونات الحرة. بما أن كل إلكترون عندما يترك الرابطة الصمغية يساهم بحفرة في الرابطة المكسورة. عند درجة حرارة معينة، يتم إنشاء أزواج إلكترون-حفرة جديدة بشكل مستمر بواسطة الطاقة الحرارية، بينما يعود عدد متساوٍ من الأزواج للترابط. لذا، عند درجة حرارة معينة وفي حجم معين من السيليكون البدائي، يبقى عدد أزواج الإلكترون-الحفرة ثابتًا. هذا هو حالة التوازن. لذا، من الواضح أنه في حالة التوازن، تركيز الإلكترونات الحرة n وتركيز الحفر p متساويان، وهذا ما يعرف بتركيز حامل الشحنة البدائي (ni). أي، n = p = ni. ويظهر بنية الذرة أدناه.

السيليكون البدائي عند 0K

السيليكون البدائي عند درجة حرارة الغرفة

السيليكون الخارجي

يمكن تحويل السيليكون البدائي إلى السيليكون الخارجي عندما يتم تلوينه بمقدار متحكم به من المواد الملونة. عندما يتم تلوينه بذرات المانحة (عناصر المجموعة الخامسة) فإنه يصبح شبه موصل من النوع n، وإذا تم تلوينه بذرات القبول (عناصر المجموعة الثالثة) فإنه يصبح شبه موصل من النوع p.

لنفترض أن كمية صغيرة من عناصر المجموعة الخامسة تم إضافتها إلى بلورة السيليكون البدائي. أمثلة على عناصر المجموعة الخامسة هي الفوسفور (P)، والأرسنيك (As)، والأنتيمون (Sb)، والبزموت (Bi). لديهم خمسة إلكترونات صمغية. عندما يقومون بتزاحم ذرة Si، تقوم الأربعة إلكترونات الصمغية بتكوين روابط صمغية مع الذرات المجاورة، والإلكترون الخامس الذي لا يشارك في تكوين الرابطة الصمغية يكون مرتبطاً بقوة ضعيفة بالذرة الأم ويمكنه الانفصال عنها بسهولة كإلكترون حر. الطاقة اللازمة لهذا الغرض، أي لإطلاق ذلك الإلكترون الخامس، هي حوالي 0.05 eV. يُطلق على هذا النوع من الشوائب اسم المانح لأنه يساهم بإلكترونات حرة للبلورة السيليكونية. يُعرف السيليكون بأنه من النوع n أو السيليكون السالب لأن الإلكترونات جسيمات ذات شحنة سالبة.

يتقدم مستوى طاقة فيرمي نحو نطاق التوصيل في السيليكون من النوع n. هنا، يزداد عدد الإلكترونات الحرة فوق تركيز الإلكترونات البدائي. من ناحية أخرى، يقل عدد الحفر فوق تركيز الحفر البدائي بسبب احتمالية أكبر للتزاوج بسبب زيادة تركيز الإلكترونات الحرة. تكون الإلكترونات هي حاملات الشحنة الرئيسية.

السيليكون الخارجي مع الشوائب الخماسية

إذا تم إضافة كمية صغيرة من عناصر المجموعة الثالثة إلى بلورة شبه موصل بديئة، فإنها تقوم بتزاحم ذرة السيليكون، حيث أن عناصر المجموعة الثالثة مثل AI، B، IN لديها ثلاثة إلكترونات صمغية. تقوم هذه الثلاثة إلكترونات بتكوين روابط صمغية مع الذرات المجاورة مما يخلق حفرة. يُعرف هذا النوع من ذرات الشوائب باسم القبول. يعتبر شبه الموصل من النوع p لأنه يُفترض أن الحفرة لها شحنة موجبة.

السيليكون الخارجي مع الشوائب ثلاثية

يتقدم مستوى طاقة فيرمي نحو النطاق الصمغي في شبه الموصل من النوع p. يزداد عدد الحفر، بينما يقل عدد الإلكترونات مقارنة بالسيليكون البدائي. في شبه الموصل من النوع p، تكون الحفر هي حاملات الشحنة الرئيسية.

تركيز حامل الشحنة البدائي للسيليكون

عندما يقفز الإلكترون من النطاق الصمغي إلى نطاق التوصيل بسبب الإثارة الحرارية، يتم إنشاء حاملات شحن حرة في كلا النطاقين، أي الإلكترون في نطاق التوصيل والحفرة في النطاق الصمغي. يُعرف تركيز هذه الحاملات بتركيز حامل الشحنة البدائي. عمليًا في بلورة السيليكون النقية أو البدائية، يكون عدد الحفر (p) والإلكترونات (n) متساويًا، وهما يساويان تركيز حامل الشحنة البدائي ni. لذا، n = p = ni

يعتمد عدد هذه الحاملات على طاقة الفجوة بين النطاقات. بالنسبة للسيليكون، فإن طاقة الفجوة بين النطاقات هي 1.2 eV عند 298K، ويزداد تركيز حامل الشحنة البدائي في السيليكون مع زيادة درجة الحرارة. يمكن الحصول على تركيز حامل الشحنة البدائي في السيليكون من خلال:

هنا، T = درجة الحرارة على مقياس مطلق

تركيز حامل الشحنة البدائي عند 300K هو 1.01 × 1010 سم-3. ولكن القيمة المقبولة سابقًا هي 1.5 × 1010 سم-3.