ما هو نمط N من المواد شبه الموصلة؟
تعريف نمط N من المواد شبه الموصلة
يُعرف نمط N من المواد شبه الموصلة بأنه نوع من المواد شبه الموصلة التي تم تلويثها بشوائب خماسية القيمة لزيادة قابليتها للتوصيل بإضافة إلكترونات حرة.
قبل فهم ما هو نمط N من المواد شبه الموصلة، يجب أن نركز على العلوم الذرية الأساسية. تهدف الذرات إلى الحصول على ثمانية إلكترونات في مدارها الخارجي الأقصى، والمعروف باسم الإلكترونات القيمية. ليس جميع الذرات تحقق هذا، لكن كلها تسعى للوصول إلى هذا التكوين المستقر.
تُسمى الإلكترونات في المدار الخارجي الأقصى للذرة بالإلكترونات القيمية. إذا لم يكن المدار الخارجي الأقصى للذرة يحتوي على ثمانية إلكترونات، فسيكون هناك عدد من الفراغات يساوي النقص في الإلكترونات في المدار. هذه الفراغات دائماً مستعدة لقبول الإلكترونات لتحقيق ثمانية إلكترونات في المدار الخارجي الأقصى للذرة.
الأكثر استخداماً من المواد شبه الموصلة هي السيليكون والألمانيوم. يحتوي السيليكون على 14 إلكتروناً مرتبة كـ 2، 8، 4، بينما يحتوي الألمانيوم على 32 إلكتروناً مرتبة كـ 2، 8، 18، 4. وكلاهما يحتوي على أربعة إلكترونات في مداره الخارجي الأقصى، مما يترك فراغات لأربعة إلكترونات أخرى.
كل واحد من الأربعة إلكترونات قيمة في السيليكون أو الألمانيوم يشكل رابطة كوافالنتية مع ذرات المجاور، مما يملأ الفراغات. بشكل مثالي، تكون جميع الإلكترونات القيمية في بلورة المادة شبه الموصلة متورطة في روابط كوافالنتية، وبالتالي لا ينبغي أن يكون هناك إلكترونات حرة في البلورة.
لكن هذا ليس الحال الفعلي. عند درجة الصفر المطلق (0 درجة كلفن) لن يكون هناك أي إلكترونات حرة في البلورة، ولكن عندما ترتفع درجة الحرارة من الصفر المطلق إلى درجة حرارة الغرفة، يتم تحفيز عدد من الإلكترونات القيمية في الروابط حرارياً وتخرج من الرابطة وتحدد عددًا من الإلكترونات الحرة في البلورة. تسبب هذه الإلكترونات الحرة قابلية التوصيل للمواد شبه الموصلة عند أي درجة حرارة أعلى من الصفر المطلق.
هناك طريقة لزيادة قابلية التوصيل للمواد شبه الموصلة عند أي درجة حرارة أعلى من الصفر المطلق. هذه الطريقة تسمى التلويث. في هذه الطريقة يتم تلويث المادة شبه الموصلة النقية أو الداخلية بالشوائب الخماسية مثل الأنتيمون والزرنيخ والفوسفور. تحل ذرات الشوائب محل بعض ذرات المادة شبه الموصلة في البلورة وتستولي على مواقعها. بما أن ذرات الشوائب تحتوي على خمسة إلكترونات قيمة في المدار الخارجي الأقصى، فإن أربعة منها سيشكلون رابطة كوافالنتية مع أربع ذرات مجاورة للمادة شبه الموصلة.
إلكترون قيمة واحد من ذرة الشوائب لا يحصل على فرصة المشاركة في الرابطة الكوفالنتية ويصبح مرتبطًا بشكل أقل مع ذرة الشوائب الأم. عند درجة حرارة الغرفة، يمكن لهذه الإلكترونات الخامسة القيمية المرتبطة بشكل ضعيف أن تخرج من موقعها بسبب التحفيز الحراري.
بسبب هذا الظاهرة، سيكون هناك عدد كبير من الإلكترونات الحرة، ولكن لا تزال هناك تفككات للروابط الكوفالنتية في البلورة بسبب التحفيز الحراري عند درجة حرارة الغرفة. تساهم الإلكترونات الحرة بالإضافة إلى الإلكترونات الحرة التي تنشأ بسبب تفكك روابط المادة شبه الموصلة إلى المادة شبه الموصلة والمادة شبه الموصلة إلى الشوائب الكوفالنتية في إجمالي الإلكترونات الحرة في البلورة.
على الرغم من أنه عندما يتم إنشاء إلكترون حر أثناء تفكك رابطة كوفالنتية بين مادة شبه موصلة ومادة شبه موصلة، يتم إنشاء فراغ في الرابطة المكسورة. يشار إلى هذه الفراغات باسم الثقوب. يعتبر كل من هذه الثقوب مكافئًا إيجابيًا لإلكترون سالب لأنه ينشأ بسبب نقص إلكترون واحد. هنا تعتبر الإلكترونات هي حاملات الشحن المتحركة الرئيسية. في نمط N من المواد شبه الموصلة سيكون هناك إلكترونات حرة وثقوب.
لكن عدد الثقوب أقل بكثير من عدد الإلكترونات لأن الثقوب تنشأ فقط بسبب تفكك رابطة كوفالنتية بين مادة شبه موصلة ومادة شبه موصلة، بينما تنشأ الإلكترونات الحرة بسبب الإلكترون الخامس القيمي غير المرتبط بشدة في ذرات الشوائب وتفكك روابط كوفالنتية بين مادة شبه موصلة ومادة شبه موصلة.
وبالتالي، عدد الإلكترونات الحرة >> عدد الثقوب في نمط N من المواد شبه الموصلة. لهذا السبب تُسمى الإلكترونات الحرة حاملات الأغلبية، وتُسمى الثقوب حاملات الأقلية في نمط N من المواد شبه الموصلة. بما أن الشحنات السالبة للإلكترونات تشارك بشكل أساسي في نقل الشحن عبر هذه المادة شبه الموصلة، فإنه يُشار إليها باسم النوع السالب أو نمط N من المواد شبه الموصلة. على الرغم من وجود العديد من الإلكترونات الحرة في البلورة، إلا أنها محايدة كهربائياً لأن العدد الإجمالي للبروتونات يساوي العدد الإجمالي للإلكترونات.
