الشوائب المانحة والمتقبلة في المواد شبه الموصلة

تعريف التلقيم

التلقيم هو عملية إضافة الشوائب إلى المعدن شبه الموصل لتغيير خصائصه التوصيلية.

الشوائب المانحة

الشوائب المانحة هي ذرات خماسية القيمة تُضاف إلى المواد شبه الموصلة، مما يساهم في توفير إلكترونات حرة إضافية، وخلق موصلات ن-نوع.

المعدن شبه الموصل من النوع ن

عندما تُضاف الشوائب من النوع ن أو الشوائب المانحة إلى المعدن شبه الموصل، فإن الفجوة الطاقية المحظورة في بنية الشبكة تتقلص. تُدخل الذرات المانحة مستويات طاقة جديدة مباشرة تحت الحزام الموصل. هذه المستويات تكون منفصلة لأن ذرات الشوائب بعيدة عن بعضها البعض وتتفاعل بشكل محدود. في الجرمانيوم، تكون الفجوة الطاقية 0.01 إيف، وفي السيليكون تكون 0.05 إيف عند درجة حرارة الغرفة. وبالتالي، عند درجة حرارة الغرفة، ينتقل الإلكترون الخامس من الذرات المانحة إلى الحزام الموصل. يؤدي زيادة عدد الإلكترونات إلى تقليل عدد الثقوب.

عدد الثقوب لكل وحدة حجم في المعدن شبه الموصل من النوع ن أقل حتى من نفس الوحدة الحجمية للمعدن شبه الموصل الأصلي عند نفس درجة الحرارة. هذا بسبب زيادة الإلكترونات، وسيكون معدل إعادة الجمع بين أزواج الإلكترون-الثقب أعلى من ذلك في المعدن شبه الموصل النقي أو الأصلي.

المعدن شبه الموصل من النوع ب

إذا تم إضافة شوائب ثلاثية القيمة بدلاً من الشوائب الخماسية القيمة إلى المعدن شبه الموصل الأصلي، فسيتم إنشاء ثقوب زائدة في البلور بدلاً من الإلكترونات الزائدة. لأن عندما يتم إضافة شوائب ثلاثية القيمة إلى بلور المعدن شبه الموصل، ستحل الذرات الثلاثية القيمة محل بعض ذرات المعدن شبه الموصل رباعية القيمة. ستقوم الإلكترونات الثلاثة للذرة الشاذة بتقديم الرابطة مع ثلاثة جيران من ذرات المعدن شبه الموصل. لذلك، سيكون هناك نقص في الإلكترون في رابطة واحدة من الذرة المجاورة الرابعة التي تساهم بثقب في البلور. بما أن الشوائب الثلاثية القيمة تساهم في إنتاج ثقوب زائدة في البلور شبه الموصل، وهذه الثقوب يمكنها قبول الإلكترونات، فإن هذه الشوائب تُعرف بالشوائب القابلة للقبول. وبما أن الثقوب تحمل شحنة موجبة افتراضياً، فإن هذه الشوائب تُعرف بالشوائب الموجبة أو الشوائب من النوع ب، والمعدن شبه الموصل الذي يحتوي على شوائب من النوع ب يُسمى المعدن شبه الموصل من النوع ب.

تُنشئ إضافة الشوائب ثلاثية القيمة إلى المعدن شبه الموصل مستوى طاقة منفصل مباشرة فوق الحزام القياسي. تسمح الفجوة الصغيرة بين الحزام القياسي ومستوى الطاقة الجديد بإمكانية نقل الإلكترونات بسهولة إلى المستوى الأعلى بمقدار صغير من الطاقة الخارجية. عندما ينتقل الإلكترون إلى هذا المستوى الجديد، فإنه يترك فراغاً أو ثقباً في الحزام القياسي.

عند إضافة شوائب من النوع ن إلى المعدن شبه الموصل، سيكون هناك إلكترونات زائدة في البلور ولكن هذا لا يعني أنه لن يكون هناك أي ثقوب. بسبب الطبيعة الأصلية للمعدن شبه الموصل عند درجة حرارة الغرفة، هناك دائماً بعض أزواج الإلكترون-الثقب في المعدن شبه الموصل. نتيجة لإضافة الشوائب من النوع ن، سيتم إضافة الإلكترونات إلى تلك أزواج الإلكترون-الثقب وستقل أيضًا عدد الثقوب بسبب إعادة الجمع الزائدة للإلكترونات الزائدة. لذا، سيكون العدد الإجمالي للحملات المشحونة سالباً أو الإلكترونات الحرة أكبر من عدد الثقوب في المعدن شبه الموصل من النوع ن. لهذا السبب في المعدن شبه الموصل من النوع ن، يُطلق على الإلكترونات اسم الحملات الرئيسية بينما يُطلق على الثقوب اسم الحملات الثانوية. وبالمثل في المعدن شبه الموصل من النوع ب، تُعتبر الثقوب الحملات الرئيسية والكترونات تعتبر الحملات الثانوية.

الشوائب القابلة للقبول

الشوائب القابلة للقبول هي ذرات ثلاثية القيمة تُضاف إلى المواد شبه الموصلة، مما يخلق ثقوبًا زائدة، ويشكل موصلات من النوع ب.