ما هي أشباه الموصلات؟

قبل الخوض في ذلك، يجب أن نتذكر أن هناك أربع حالات ممكنة للمادة:

1. الحالة الصلبة
2. الحالة الغازية
3. الحالة السائلة
4. البلازما

و يمكن تقسيم الحالة الصلبة للمادة إلى ثلاث أقسام بناءً على ترتيب ذراتها أو جزيئاتها :

1- المادة الصلبة البلورية:تكون الذراتها مرتبة بشكل دوري مثل السيليكون

3- المواد الصلبة اللابلورية: لا يوجد ترتيب محدد لذراتها مثلا الزجاج .

كما ذُكر سابقًا، تتكون المادة الصلبة البلورية من ذرات مرتبة في نمط متكرر. إذا تصوّرنا هذه الذرات ككرات صلبة منتظمة في الفضاء، فإن هذا الترتيب المتناظر للنقاط في الفضاء نسميه الشبكة. ضمن هذه الشبكة، يمكن ملاحظة حجمٌ أو خلية تحتوي على عدد من الذرات وله شكل هندسي محدد مثل المكعب أو خماسي منتظم...، وتتكرر بانتظام لتشكيل البلورة، وتُسمى هذه الخلية بالخلية الوحدية.

_ أشباه الموصلات هي مجموعة من المواد ذات الموصلية الكهربائية المتوسطة بين المعادن والعوازل، وتصنف ضمن المواد البلورية الصلبة. يمكننا التحكم في موصليتها عن طريق تغيير درجة الحرارة أو التحفيز البصري أو بإضافة الشوائب. توجد أشباه الموصلات في العمود (IV) والأعمدة المجاورة من الجدول الدوري . من أهم ما يميز المواد شبه الموصلة هو فجوة النطاق وهذه الخاصية تميزها عن المعادن والعوازل.

ولكن ماذا نعني ب نطاق الفجوة؟

_ النطاق يعني مدى واسع وفجوة لتوضيح أنه لا يمكن العثور على إلكترون في هذه المنطقة
لفهم ذلك، دعونا نتذكر أولاً أنه في الذرة الواحدة آخر مدار ممتلأ جزئيًا أو كلياً يسمى مدار التكافؤ و المدارات الفارغة التي تليه تسمى مدارت التوصيل ويوجد بينهما منطقة محظورة حيث لا يمكن العثور على أي إلكترون، ثانياً يجب أن نأخذ نموذجاً بسيطاً؛ عندما تجتمع ذرتان متطابقتان لتكوين مادة صلبة تحدث تفاعلات مختلفة تؤدي إلى انقسام مستوى الطاقة، فكل مستوى سيحتوي على إلكترون واحد. سبب الانقسام هو مبدأ استبعاد باولي الذي ينص على أنه لا يمكن لإلكترونين في نظام فيزيائي واحد أن يكون لهما نفس أرقام الكم الأربعة، أو بعبارة أبسط لا يمكن أن يوجد إلكترونين في نفس المدار ولهما نفس اتجاه الدوران في أي النظام الفيزيائي . لكن عندما نتحدث عن عدد كبير من الذرات، لنقل عدد (N) من الذرات، فإن المدارات المنقسمة سيكون عددها كبير وستشكل نطاقًا من المدارات.
و هذا سبب وجود نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل و فجوة النطاق بينهما في المواد البلورية، و نطاق الفجوة هو عبارة عن مجموع المناطق المحرمة لجميع الذرات. أو يمكننا تعريفه بعبارة آخرى على أنها المسافة التي يجب على الإلكترونات عبورها عند الانتقال من نطاق التكافؤ (Valence band) إلى نطاق التوصيل(conduction band).

يمكننا تصنيف المواد شبه الموصلة بناء على تركيبها إلى نوعين:

1. أنصاف النواقل البسيطة: و هي المواد التي تحتوي على نوع واحد من الذرات مثل المواد الموجودة في العمود الرابع السيليكون (Si) والجرمانيوم (Ge)


2. أنصاف النواقل المركبة:


1. المركب ثنائي العناصر يكون العنصر الأول من العامود (III)والآخر من العمود(V) في الجدول الدوري مثل مركب كبريتيد الزنك (ZnS) المستخدم في شاشات التلفاز.


2. المركب ثلاثي العناصر: مثل سبيكت فوسفور_غاليوم_الزرنيخ(GaAsP) والتي تستخدم في صنع الحساسات الضوئية للموجة الكهرومغناطيسية طويلة
3. المركبات الرباعية: تتكون من سبائك تحتوي على أربع عناصر مثل سبيكة الإنديوم_غاليوم_زرنيخ_الفوسفور(InGaAsP) المستخدمة في أجهزة الليزر وLED

في الأيام الأولى لتطور أشباه الموصلات تم استخدام الجرمانيوم على نطاق واسع في الترانزستوات والصمامات الثنائية(diode)، أما الآن فيستخدم السيليكون في غالبية الدوائر الإلكترونية المتكاملة الحديثة (ICs).
تستخدم أشباه الموصلات المركبة على نطاق واسع في الأجهزة عالية السرعة والأجهزة التي تتطلب انبعاث أو امتصاص الضوء