شبه الموصل الخارجي (extrinsic semiconductor) هو شبه موصل تحول من كونه شبه موصل داخلي إلى خارجي بعد إجراء عملية تشويب تغير من خصائصه الإلكترونية .[1][2] يؤدي التشويب (إضافة مادة آخرى) إلى اختلاف تركيز الإلكترونات والفجوات في شبه الموصل عند التوازن الحراري. وبحسب المواصفات المطلوبة لشبه الموصل الناتج يتم اختيار المشوب ومقدار التشويب .
وتنقسم أشباه الموصلات الخارجية إلى نوعين حسب مادتها ومادة التشويب:
- شبه موصل سالب
- شبه موصل موجب
شبه الموصل السالب
شبه الموصل السالب أو شبه موصل نوع N-type semiconductor) n) هو شبه موصل ذاتي فيه تركيز كبير للإلكترونات أعلى من تركيز الفجوات . ونقول "نوع إن " لأنه تكثر فيه الشحنات السالبة negative charge وهي إلكترونات .
تكون الإلكترونات والفجوات في "شبه الموصل نوع إن " . هي حاملات الشحنة وتغلب فيها الإلكترونات عن الفجوات .
وتصنع "أشباه الموصلات نوع إن " من شبه موصل ذاتي (أي شبه موصل في حالته النقية) ، ويتم تشويه بمشوب عاطي للإلكترونات donor. منها ما يكون شبه الموصل من السيليكون ومشوب ب الفوسفور (فيعتبر الفسفور عاطي لإلكترونات) .
في النوع إن يكون مستوى طاقة فيرمي أعلى من مستوي الطاقة في شبه الموصل النقي، ويكون مستواها أقرب لـ نطاق التوصيل من نطاق التكافؤ.
شبه الموصل الموجب
شبه الموصل الموجب أو "شبه الموصل نوع بي" ، يختلف عن "النوع إن " في كونه يحتوي على تركيز أعلى للفجوات بالمقارنة بتركيز الإلكترونات .
ويسمى "نوع بي" حيث تكثر فيه الشحنات الموجبة positive charge وهي شحنة الفجوات .
وتمثل الفجوات أغلبية حاملات الشحنة في "شبه الموصل نوع بي" وتقل فيه الإلكترونات .
وتصنع أشباه الموصلا نوع بي عن طريق تشويب شبه موصل ذاتي بشوائب تأخذ إلكترونات . أحد أنواعها يتكون من السيليكون مشوب بـ البورون.
يكون مستوى طاقة فيرمي في "النوع بي" أقل من طاقة فيرمي لشبه الموصل الذاتي (السيليكون). ويكون فيه مستوى طاقة فيرمي أقرب إلى نطاق التكافؤ عن قربه إلى نطاق التوصيل.
استخدامات شبه الموصل الدخيل
تدخل أشباه الموصلات الدخيلة في تركيب عدد كبير من الأجهزة الكهربائية . ثنائي الأقطاب يسمح بمرور التيار الكهربائي في اتجاه واحد . وهو يتركب من نوع بي و "نوع إن" موصولتان مباشرة مع بعضهما فيما يسمى وصلة بي إن . معظم أنواع الدايود حاليا تستخدم شبه موصل السيليكون أو جرمانيوم.
الترانزستور - وهو مفتاح يمرر التيار ويغلقة - يستخدم أيضا شبه الموصل الدخيل . أحد أنواع الترانزستور من نوع "ترانزستور وصلة ثتائية الأقطاب " ( Bipolar junction transistor (BJT . ومعظم الأنواع المستخدة من ترانزستور BJT هي: نوع NPN و PNP.
يتكون نوع NPN من طبقتين من نوع n وبينهما طبقة من نوع p. أما نوع الترانزستور PNP فهو أيضا "سنداوتش " يتكون من شطرين من نوع P وبينهما طبقة من نوع n .
كما يوجد نوع ترازستور يسمى ترانزستور حقلي (Field-effect transistor (FET أو "ترانستور التأثير الحقلي " وهو يعتمد أيضا على شبه الموصل المشوب . وهو يختلف عن "ترانزستور وصلة ثنائي الأقطاب " BJT في كونه ذو قطب واحد ومنه ما له " قناة نوع إن " N-channel أو "قناة نوع بي" P-channel. ا وتنقسم أنوع الترانزيستور الحقلي FET إلى نوعين : ترانزيستور حقلي ذو وصلة بوابة junction gate FET (JFET) و نرانزستور حقلي ذو بوابة معزولة insulated gate FET (GFET)).
أجهزة أخرى تستخدم شبه الموصل الدخيل :
تشويب شبه الموصل
تشويب شبه موصل هي عملية تنقل شبه الموصن من شبه موصل ذاتي إلى شبه موصل دخيل . خلال عملية التشويب "ندخل" شوائب من الذرات مناسبة في شبه الموصل . تلك الشوائب تكون من ذرات عناصر مختلفة عن ذرات شبه الموصل نفسه . تلك الذرات "الدخيلة" إما أن تكون عاطية شحنات أو آخدة شحنات من شبه الموصل، لأنها تغير تركيز الإلكترونات و الفجوات في شبه الموصل. وتصنف ذرات الموشب بأنها إما ذرات عاطية أو ذرات آخدة بحسب سلوكهما في شبه الموصل النقي.
ذرات مشوب عاطية فيها عدد أكبر من إلكترونات التكافؤ من الذرة التي حلت محلها في شبة الموصل النقي . ذرات المشوب "العاطية" تعطي من ذرات التكافؤ إلى نطاق التوصيل في شبه الموصل، مما يزيد من عدد الإلكترونات في شبه الموصل الذاتي. تلك الإلكترونات الزائدة تزيد من تركيز الإلكترونات الحاملة (n0) في شبه الموصل، فتجعله من "النوع إن" n-type.
ذرات مشوب آخذ لها إلكترونات أقل عددا من إلكترونات الذرة التي حلت محلها في شبه الموصل النقي . فإنها "تأخذ" إلكترونات من نطاق التكافؤ في شبه الموصل النقي . فهي تزيد من عدد الفجوات في شبه الموصل النقي . وتزيد الفجوات من تركيز الفجوات الحاملة (p0) في شبه الموصل، وتنتج بذلك "شبه الموصل نوع بي" p-type .
ذرات شبه الموصل وذرات التشويب تعرف من أعمدة الجدول الدوري للعناصر التي نجدها فيها . وكل عمود في الجدول الدوري يعطي عدد إلكترونات التكافؤ في كل ذرة منها، وهل هي ذرة عاطية في شبه الموصل النقي أم تكون ذرة آخذة.
توجد مجموعة من أشباه الموصلات " أشباه الموصلات 4 " تستخدم المجموعة 5 (وتسمى مجموعة النيتروجين) كذرات عاطية، كما تعمل المجموعة 3 (من الجدول الدوري، وتسمى مجموعة البورون) كذرات آخذة .
طبقا لـ قائمة مواد شبه الموصلات يستخدم نوع III-V semiconductor ، شبه الموصل المركب، يستخدم مجموعة 6 من الجدول الدوري كذرات عاطية، ويستخدم ذرات المجموعة 2 (فلز قلوي ترابي كذرات آخدة .
يمكن لمجموعة III-V semiconductors أن تستخدم ذرات المجموعة 4 إما كعاطية أو آخذة . وعندما تأخذ درة من المجموعة 4 ملكن ذرة من المجموعة 3 في الشبكة البلورية لشبه الموصل النقي، فإن ذرة المجموعة 4 تعمل كعاطي .
وبالعكس، إذا أخذت ذرة من المجموعة 4 مكان ذرة من عناصر المجموعة 5 ، فتكون ذرة المجموعة 4 ذرة آخدة . ذرات المجموعة 4 يمكنها العمل إما كذرات عاطية أو ذرات آخدة، ولذلك فإنهم معروفون بأنهم شوائب متذبذبة amphoteric.
| Intrinsic semiconductor | Donor atoms | Acceptor atoms | |
|---|---|---|---|
| Group IV semiconductors | سيليكون, جرمانيوم | فسفور, زرنيخ | بورون, ألومنيوم |
| Group III-V semiconductors | فوسفيد الألومنيوم, زرنيخيد الألومنيوم, زرنيخيد غاليوم ثلاثي, نتريد الغاليوم | سيلينيوم, تيلوريوم, سيليكون, جرمانيوم | بيريليوم, زنك, كادميوم, سيليكون, جرمانيوم |
المراجع
- "معلومات عن شبه موصل مشوب على موقع britannica.com". britannica.com. مؤرشف من الأصل في 18 مارس 2019.
- "معلومات عن شبه موصل مشوب على موقع zthiztegia.elhuyar.eus". zthiztegia.elhuyar.eus. مؤرشف من الأصل في 09 ديسمبر 2019.
- Neamen, Donald A. (2003). Semiconductor Physics and Devices: Basic Principles (3rd ed.). McGraw-Hill Higher Education. .