أشهر أشباه الموصلات هو السيليكون (Si). لكن بجانبه ، هناك العديد من الآخرين. ومن الأمثلة على ذلك مواد أشباه الموصلات الطبيعية مثل مزيج الزنك (ZnS) ، والكوبريت (Cu2O) ، و galena (PbS) وغيرها الكثير. تعد عائلة أشباه الموصلات ، بما في ذلك أشباه الموصلات المصنعة في المختبر ، واحدة من أكثر فئات المواد التي يعرفها الإنسان تنوعًا.
توصيف أشباه الموصلات
من 104 عنصرًا في الجدول الدوري ، 79 عنصرًا من المعادن ، و 25 عنصرًا غير فلزي ، منها 13 عنصرًا كيميائيًا لها خصائص أشباه الموصلات و 12 عنصرًا عازلًا للكهرباء. الفرق الرئيسي بين أشباه الموصلات هو أن توصيلها الكهربائي يزداد بشكل ملحوظ مع زيادة درجة الحرارة. في درجات الحرارة المنخفضة يتصرفون مثل العوازل ، وفي درجات الحرارة العالية يتصرفون مثل الموصلات. هكذا تختلف أشباه الموصلات عن المعادن: تزداد مقاومة المعدن بما يتناسب مع زيادة درجة الحرارة.
اختلاف آخر بين أشباه الموصلات والمعدن هو مقاومة أشباه الموصلاتيقع تحت تأثير الضوء ، بينما الأخير لا يؤثر على المعدن. تتغير موصلية أشباه الموصلات أيضًا عند إدخال كمية صغيرة من الشوائب.
توجد أشباه الموصلات بين المركبات الكيميائية ذات الهياكل البلورية المتنوعة. يمكن أن تكون هذه عناصر مثل السيليكون والسيلينيوم ، أو مركبات ثنائية مثل زرنيخيد الغاليوم. العديد من المركبات العضوية ، مثل البولي أسيتيلين (CH)n ،هي مواد شبه موصلة. تعرض بعض أشباه الموصلات خصائص مغناطيسية (Cd1-xMnxTe) أو خصائص كهربية الحديد (SbSI). يصبح الآخرون الذين لديهم منشطات كافية موصلات فائقة (GeTe و SrTiO3). العديد من الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة المرتفعة التي تم اكتشافها مؤخرًا لها مراحل غير معدنية شبه موصلة. على سبيل المثال ، La2CuO4هو أشباه موصلات ، ولكن عندما يتم خلطه مع Sr فإنه يصبح موصلًا فائقًا (La1-xSrx)2CuO4.
تحدد كتب الفيزياء المدرسية أشباه الموصلات كمادة ذات مقاومة كهربائية من 10-4إلى 107أوم · م. تعريف بديل ممكن أيضا. تتراوح فجوة النطاق في أشباه الموصلات من 0 إلى 3 فولت. المعادن وشبه المعدنية هي مواد ذات فجوة طاقة صفرية ، والمواد التي تتجاوز فيها 3 فولت تسمى عوازل. هناك أيضا استثناءات. على سبيل المثال ، يحتوي الماس شبه الموصّل على فجوة نطاق تبلغ 6 فولت ، شبه عازل GaAs - 1.5 فولت. GaN ، مادة للأجهزة الإلكترونية الضوئية في المنطقة الزرقاء ، بها فجوة نطاق تبلغ 3.5 فولت.
فجوة الطاقة
تنقسم مدارات التكافؤ للذرات في الشبكة البلورية إلى مجموعتين من مستويات الطاقة - المنطقة الحرة الموجودة على أعلى مستوى وتحديد التوصيل الكهربائي لأشباه الموصلات ، ونطاق التكافؤ الموجود أدناه. هذه المستويات ، اعتمادًا على تناظر الشبكة البلورية وتكوين الذرات ، يمكن أن تتقاطع أو تقع على مسافة من بعضها البعض. في الحالة الأخيرة ، تظهر فجوة طاقة أو بمعنى آخر منطقة محظورة بين المناطق.
موقع وملء المستويات يحدد الخصائص الموصلة للمادة. على هذا الأساس ، يتم تقسيم المواد إلى موصلات وعوازل وأشباه موصلات. يختلف عرض فجوة النطاق لأشباه الموصلات في حدود 0.01 - 3 فولت ، وتتجاوز فجوة الطاقة في العازل 3 فولت. لا تحتوي المعادن على فجوات في الطاقة بسبب المستويات المتداخلة
أشباه الموصلات والعوازل الكهربائية ، على عكس المعادن ، لها نطاق تكافؤ مملوء بالإلكترونات ، وأقرب نطاق حر ، أو نطاق توصيل ، محاط بسياج من نطاق التكافؤ بفجوة طاقة - منطقة من طاقات الإلكترون المحظورة
في العوازل ، لا تكفي الطاقة الحرارية أو مجال كهربائي غير مهم للقفز عبر هذه الفجوة ، ولا تدخل الإلكترونات نطاق التوصيل. إنهم غير قادرين على التحرك على طول الشبكة البلورية ويصبحون حاملين للتيار الكهربائي.
لإثارة التوصيل الكهربائي ، يجب إعطاء إلكترون عند مستوى التكافؤ طاقة كافية للتغلب على الطاقةالفارق. فقط عند امتصاص كمية من الطاقة لا تقل عن قيمة فجوة الطاقة ، سينتقل الإلكترون من مستوى التكافؤ إلى مستوى التوصيل.
في حالة تجاوز عرض فجوة الطاقة 4 فولت ، فإن إثارة موصلية أشباه الموصلات عن طريق الإشعاع أو التسخين أمر مستحيل عمليًا - طاقة الإثارة للإلكترونات عند درجة حرارة الانصهار غير كافية للقفز عبر منطقة فجوة الطاقة. عند تسخينها ، تذوب البلورة حتى يحدث التوصيل الإلكتروني. تشمل هذه المواد الكوارتز (dE=5.2 eV) ، الماس (dE=5.1 eV) ، العديد من الأملاح.
النجاسة والتوصيل الجوهري لأشباه الموصلات
بلورات أشباه الموصلات النقية لها موصلية خاصة بها. تسمى هذه أشباه الموصلات الجوهرية. تحتوي أشباه الموصلات الجوهرية على عدد متساوٍ من الثقوب والإلكترونات الحرة. عند تسخينها ، تزداد الموصلية الجوهرية لأشباه الموصلات. عند درجة حرارة ثابتة ، تنشأ حالة من التوازن الديناميكي في عدد أزواج ثقب الإلكترون المتكونة وعدد الإلكترونات والثقوب المعاد توحيدها ، والتي تظل ثابتة في ظل ظروف معينة.
وجود شوائب له تأثير كبير على التوصيل الكهربائي لأشباه الموصلات. إن إضافتها تجعل من الممكن زيادة عدد الإلكترونات الحرة بشكل كبير مع عدد صغير من الثقوب وزيادة عدد الثقوب مع عدد صغير من الإلكترونات على مستوى التوصيل. أشباه الموصلات النجاسة هي موصلات ذات موصلية شائبة.
الشوائب التي تتبرع بسهولة بالإلكترونات تسمى شوائب المانحين. يمكن أن تكون شوائب المانحين عناصر كيميائية ذات ذرات تحتوي مستويات تكافؤها على إلكترونات أكثر من ذرات المادة الأساسية. على سبيل المثال ، الفوسفور والبزموت شوائب مانحة للسيليكون.
الطاقة اللازمة لقفز إلكترون إلى منطقة التوصيل تسمى طاقة التنشيط. تحتاج أشباه الموصلات الشائبة إلى كمية أقل بكثير من المادة الأساسية. مع تسخين أو إضاءة طفيفة ، يتم إطلاق إلكترونات ذرات أشباه الموصلات الشائبة. يشغل مكان خروج الإلكترون من الذرة ثقب. لكن إعادة تركيب الإلكترونات في الثقوب لا يحدث عمليًا. موصلية ثقب المانح لا يكاد يذكر. وذلك لأن العدد القليل من ذرات الشوائب لا يسمح للإلكترونات الحرة بالاقتراب في كثير من الأحيان من الثقب واحتلاله. الإلكترونات قريبة من الثقوب ، لكنها غير قادرة على ملئها بسبب مستوى الطاقة غير الكافي.
إضافة غير مهمة لشوائب مانح بعدة أوامر من حيث الحجم تزيد من عدد إلكترونات التوصيل مقارنة بعدد الإلكترونات الحرة في أشباه الموصلات الجوهرية. الإلكترونات هنا هي ناقلات الشحنة الرئيسية لذرات أشباه الموصلات الشائبة. تصنف هذه المواد على أنها نوع من أشباه الموصلات.
الشوائب التي تربط إلكترونات أشباه الموصلات ، مما يزيد من عدد الثقوب فيه ، تسمى المتقبل. الشوائب المستقبلة هي عناصر كيميائية بها إلكترونات أقل عند مستوى التكافؤ من أشباه الموصلات الأساسية. البورون والغاليوم والإنديوم - متقبلشوائب السيليكون.
تعتمد خصائص أشباه الموصلات على عيوب هيكلها البلوري. هذا هو سبب الحاجة إلى إنماء بلورات نقية للغاية. يتم التحكم في معلمات الموصلية لأشباه الموصلات عن طريق إضافة المنشطات. بلورات السيليكون مخدرة بالفوسفور (عنصر المجموعة الفرعية V) ، وهو مانح ، لإنشاء بلورة سيليكون من النوع n. للحصول على بلورة ذات موصلية ثقب ، يتم إدخال متقبل البورون في السيليكون. يتم إنشاء أشباه الموصلات ذات مستوى فيرمي المعوض لتحريكها إلى منتصف فجوة النطاق بطريقة مماثلة.
أشباه الموصلات أحادية الخلية
أشباه الموصلات الأكثر شيوعًا هي ، بالطبع ، السيليكون. إلى جانب الجرمانيوم ، أصبح النموذج الأولي لفئة واسعة من أشباه الموصلات ذات الهياكل البلورية المماثلة.
هيكل بلورات Si و Ge هو نفسه هيكل الماس و α-tin. في ذلك ، كل ذرة محاطة بأربع ذرات أقرب ، والتي تشكل رباعي السطوح. يسمى هذا التنسيق الرباعي. أصبحت البلورات المترابطة الرباعية أساس صناعة الإلكترونيات وتلعب دورًا رئيسيًا في التكنولوجيا الحديثة. بعض عناصر المجموعتين V و VI من الجدول الدوري هي أيضًا أشباه موصلات. ومن أمثلة أشباه الموصلات من هذا النوع الفوسفور (P) والكبريت (S) والسيلينيوم (Se) والتيلوريوم (Te). في هذه أشباه الموصلات ، يمكن أن يكون للذرات تنسيق ثلاثي (P) أو ثنائي (S ، Se ، Te) أو تنسيق رباعي. نتيجة لذلك ، يمكن أن توجد عناصر مماثلة في عدة مختلفةالهياكل البلورية ، ويمكن الحصول عليها أيضًا في شكل زجاج. على سبيل المثال ، تم تطوير Se في هياكل بلورية أحادية وثلاثية الزوايا أو كزجاج (والذي يمكن اعتباره أيضًا بوليمر).
- الماس لديه موصلية حرارية ممتازة ، وخصائص ميكانيكية وبصرية ممتازة ، وقوة ميكانيكية عالية. عرض فجوة الطاقة - dE=5.47 eV.
- السيليكون هو أشباه موصلات تستخدم في الخلايا الشمسية وفي شكل غير متبلور في الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة. إنه أشباه الموصلات الأكثر استخدامًا في الخلايا الشمسية ، وسهل التصنيع ، وله خصائص كهربائية وميكانيكية جيدة. دي إي=1.12 فولت.
- الجرمانيوم هو أحد أشباه الموصلات المستخدمة في التحليل الطيفي لجاما ، والخلايا الكهروضوئية عالية الأداء. تستخدم في الثنائيات الأولى والترانزستورات. يتطلب تنظيفًا أقل من السيليكون. دي إي=0.67 فولت.
- السيلينيوم هو من أشباه الموصلات التي تستخدم في مقومات السيلينيوم ، والتي تتمتع بمقاومة عالية للإشعاع وقدرة على الشفاء الذاتي.
مركبات ثنائية العنصر
خصائص أشباه الموصلات المكونة من عناصر المجموعتين الثالثة والرابعة من الجدول الدوري تشبه خصائص مواد المجموعة الرابعة. الانتقال من عناصر المجموعة 4 إلى المركبات 3-4 جرام. يجعل الروابط أيونية جزئيًا بسبب نقل شحنة الإلكترون من ذرة المجموعة 3 إلى ذرة المجموعة 4. تغير الأيونية خصائص أشباه الموصلات. هذا هو سبب الزيادة في تفاعل Coulomb interion وطاقة فجوة نطاق الطاقةالهياكل الإلكترونية. مثال على مركب ثنائي من هذا النوع هو إنديوم أنتيمونيد InSb ، زرنيخيد الغاليوم GaAs ، غاليوم أنتيمونيد GaSb ، إنديوم فوسفيد إنب ، أنتيمونيد الألومنيوم AlSb ، فوسفيد الغاليوم GaP.
تزداد الأيونية ، وتنمو قيمتها بشكل أكبر في مركبات المواد من المجموعات 2-6 ، مثل سيلينيد الكادميوم ، كبريتيد الزنك ، كبريتيد الكادميوم ، تيلورايد الكادميوم ، سيلينيد الزنك. نتيجة لذلك ، تحتوي معظم مركبات المجموعات 2-6 على فجوة نطاق أكبر من 1 فولت ، باستثناء مركبات الزئبق. الزئبق تيلورايد هو أشباه موصلات بدون فجوة طاقة ، شبه معدن ، مثل α-tin.
المجموعة 2-6 تُستخدم أشباه الموصلات ذات فجوة طاقة كبيرة في إنتاج الليزر وشاشات العرض. التوصيلات الثنائية المكونة من 2-6 مجموعات بفجوة طاقة ضيقة مناسبة لمستقبلات الأشعة تحت الحمراء. المركبات الثنائية لعناصر المجموعات 1-7 (بروميد النحاس CuBr ، يوديد الفضة AgI ، كلوريد النحاس CuCl) بسبب الأيونية العالية لها فجوة نطاق أكبر من 3 eV. هم في الواقع ليسوا أشباه موصلات ، لكنهم عوازل. تساهم الزيادة في طاقة التثبيت في البلورة بسبب تفاعل كولوم بين الأيونات في تكوين ذرات ملح الصخور بستة أضعاف بدلاً من التنسيق التربيعي. مركبات المجموعات 4-6 - كبريتيد الرصاص والتيلورايد وكبريتيد القصدير - هي أيضًا أشباه موصلات. تساهم درجة أيونية هذه المواد أيضًا في تكوين تنسيق ستة أضعاف. لا تمنع الأيونية الكبيرة من وجود فجوات ضيقة جدًا في النطاق ، مما يسمح باستخدامها لتلقي الأشعة تحت الحمراء. نيتريد الغاليوم - مركب من 3-5 مجموعات مع فجوة طاقة واسعة ، وجد تطبيقًا في أشباه الموصلاتالليزرات و LEDs التي تعمل في الجزء الأزرق من الطيف
- GaAs ، زرنيخيد الغاليوم ، هو ثاني أكثر أشباه الموصلات استخدامًا بعد السيليكون ، ويشيع استخدامه كركيزة لموصلات أخرى مثل GaInNAs و InGaAs ، في الثنائيات التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء ، والدوائر الدقيقة عالية التردد والترانزستورات ، والخلايا الشمسية عالية الكفاءة ، ديودات الليزر ، كاشفات العلاج النووي. dE=1.43 eV ، مما يجعل من الممكن زيادة قوة الأجهزة مقارنة بالسيليكون. هش ، يحتوي على شوائب أكثر ، يصعب تصنيعه.
- ZnS ، كبريتيد الزنك - ملح الزنك لحمض كبريتيد الهيدروجين مع فجوة نطاق 3.54 و 3.91 فولت ، تستخدم في الليزر وكفوسفور.
- SnS ، كبريتيد القصدير - أشباه موصلات تستخدم في مقاومات الضوء والصمامات الثنائية الضوئية ، dE=1 و 3 و 10 eV.
أكاسيد
أكاسيد المعادن في الغالب عوازل ممتازة ، ولكن هناك استثناءات. من أمثلة أشباه الموصلات من هذا النوع أكسيد النيكل ، وأكسيد النحاس ، وأكسيد الكوبالت ، وثاني أكسيد النحاس ، وأكسيد الحديد ، وأكسيد اليوروبيوم ، وأكسيد الزنك. نظرًا لوجود ثاني أكسيد النحاس مثل الكوبريت المعدني ، فقد تم بحث خصائصه على نطاق واسع. لم يتم فهم الإجراء الخاص بزراعة أشباه الموصلات من هذا النوع بشكل كامل حتى الآن ، لذلك لا يزال تطبيقها محدودًا. الاستثناء هو أكسيد الزنك (ZnO) ، وهو مركب من مجموعة 2-6 يستخدم كمحول وفي إنتاج الأشرطة اللاصقة والجص.
تغير الوضع بشكل كبير بعد اكتشاف الموصلية الفائقة في العديد من مركبات النحاس مع الأكسجين. أولاًكان الموصل الفائق عالي الحرارة الذي اكتشفه مولر وبدنورز مركبًا يعتمد على أشباه الموصلات La2CuO4مع فجوة طاقة تبلغ 2 فولت. عن طريق استبدال اللانثانوم ثلاثي التكافؤ بالباريوم ثنائي التكافؤ أو السترونتيوم ، يتم إدخال ناقلات شحنة الفتحة في أشباه الموصلات. يؤدي الوصول إلى التركيز المطلوب للثقوب إلى تحويل La2CuO4إلى موصل فائق. في الوقت الحاضر ، تنتمي أعلى درجة حرارة انتقالية إلى حالة التوصيل الفائق إلى المركب HgBaCa2Cu3O8. عند الضغط العالي قيمتها 134 K.
ZnO ، أكسيد الزنك ، يستخدم في المتغيرات ، ومصابيح LED الزرقاء ، وأجهزة استشعار الغاز ، وأجهزة الاستشعار البيولوجية ، وطلاء النوافذ لعكس ضوء الأشعة تحت الحمراء ، كموصل في شاشات الكريستال السائل والألواح الشمسية. دي إي=3.37 فولت.
بلورات طبقة
تتميز المركبات المزدوجة مثل ثنائي يوديد الرصاص وسيلينيد الغاليوم وثاني كبريتيد الموليبدينوم ببنية بلورية ذات طبقات. تعمل الروابط التساهمية ذات القوة الكبيرة في الطبقات ، أقوى بكثير من روابط فان دير فال بين الطبقات نفسها. تعتبر أشباه الموصلات من هذا النوع مثيرة للاهتمام من حيث أن الإلكترونات تتصرف بشكل شبه ثنائي الأبعاد في الطبقات. يتم تغيير تفاعل الطبقات عن طريق إدخال ذرات غريبة - الإقحام.
MoS2 ،يستخدم ثاني كبريتيد الموليبدينوم في أجهزة الكشف عالية التردد ، والمعدلات ، والميمريستورات ، والترانزستورات. دي إي=1.23 و 1.8 فولت.
أشباه الموصلات العضوية
أمثلة لأشباه الموصلات على أساس المركبات العضوية - النفثالين والبولي أسيتيلين(CH2) ، أنثراسين ، بولي داسيتيلين ، فثالوسيانيد ، بولي فينيل كاربازول. تتمتع أشباه الموصلات العضوية بميزة على تلك غير العضوية: فمن السهل نقل الصفات المرغوبة إليها. المواد ذات الروابط المترافقة من النوع –С=С – С=لها عدم خطية بصرية كبيرة ، ونتيجة لذلك ، يتم استخدامها في الإلكترونيات الضوئية. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تغيير مناطق انقطاع الطاقة لأشباه الموصلات العضوية عن طريق تغيير الصيغة المركبة ، والتي تكون أسهل بكثير من تلك الخاصة بأشباه الموصلات التقليدية. المتآصلات البلورية من فوليرين الكربون والجرافين والأنابيب النانوية هي أيضًا أشباه موصلات.
- يحتوي الفوليرين على هيكل على شكل متعدد السطوح مغلق محدب لعدد زوجي من ذرات الكربون. وتنشيط الفوليرين C60بمعدن قلوي يحوله إلى موصل فائق.
- يتكون الجرافين من طبقة أحادية الذرة من الكربون متصلة بشبكة سداسية ثنائية الأبعاد. لديها موصلية حرارية قياسية وتنقل الإلكترون ، وصلابة عالية
- الأنابيب النانوية عبارة عن ألواح من الجرافيت ملفوفة في أنبوب يبلغ قطرها بضعة نانومترات. هذه الأشكال من الكربون تبشر بالخير في الإلكترونيات النانوية. قد تظهر صفات معدنية أو شبه موصلة اعتمادًا على أداة التوصيل.
أشباه الموصلات المغناطيسية
المركبات التي تحتوي على أيونات اليوروبيوم والمنغنيز المغناطيسية لها خصائص مغناطيسية وأشباه الموصلات غريبة. من أمثلة أشباه الموصلات من هذا النوع كبريتيد اليوروبيوم وسيلينيد اليوروبيوم والمحاليل الصلبة مثلالقرص المضغوط1-xMnxTe. يؤثر محتوى الأيونات المغناطيسية على كيفية ظهور الخصائص المغناطيسية مثل المغناطيسية المضادة والمغناطيسية الحديدية في المواد. أشباه الموصلات شبه المغناطيسية عبارة عن محاليل مغناطيسية صلبة لأشباه الموصلات تحتوي على أيونات مغناطيسية بتركيز صغير. تجذب هذه الحلول القوية الانتباه نظرًا لما تحمله من وعود وإمكانيات كبيرة للتطبيقات الممكنة. على سبيل المثال ، على عكس أشباه الموصلات غير المغناطيسية ، يمكنها تحقيق دوران فاراداي أكبر بمليون مرة.
تجعل التأثيرات المغناطيسية الضوئية القوية لأشباه الموصلات المغناطيسية من الممكن استخدامها في التعديل البصري. البيروفسكايت مثل Mn0 ، 7Ca0 ، 3O3 ،يتفوق على المعدن - أشباه الموصلات ، ينتج عن الاعتماد المباشر على المجال المغناطيسي ظاهرة المقاومة المغناطيسية العملاقة. يتم استخدامها في الهندسة الراديوية ، الأجهزة البصرية التي يتم التحكم فيها بواسطة مجال مغناطيسي ، في موجهات الموجات لأجهزة الميكروويف.
أشباه الموصلات الحديدية الكهربية
يتميز هذا النوع من البلورات بوجود لحظات كهربائية فيها وحدوث استقطاب تلقائي. على سبيل المثال ، أشباه الموصلات مثل تيتانات الرصاص PbTiO3، تيتانات الباريوم BaTiO3، الجرمانيوم تيلورايد GeTe ، القصدير تيلورايد SnTe ، والتي لها خصائص في درجات الحرارة المنخفضة كهربي حديد. تُستخدم هذه المواد في المستشعرات البصرية غير الخطية والذاكرة والانضغاط.
مجموعة متنوعة من مواد أشباه الموصلات
بالإضافة إلى ما سبقالمواد شبه الموصلة ، هناك العديد من المواد الأخرى التي لا تندرج تحت أي من الأنواع المدرجة. توصيلات العناصر وفقًا للصيغة 1-3-52(AgGaS2) و2-4-52(ZnSiP2) تشكل بلورات في بنية كالكوبايرايت. روابط المركبات هي رباعي السطوح ، على غرار أشباه الموصلات من المجموعات 3-5 و2-6 مع التركيب البلوري لمزيج الزنك. المركبات التي تشكل عناصر أشباه الموصلات للمجموعتين 5 و 6 (مثل2Se3) هي أشباه موصلات على شكل بلورة أو زجاج. تستخدم كالكوجينيدات البزموت والأنتيمون في المولدات الكهروحرارية لأشباه الموصلات. تعتبر خصائص أشباه الموصلات من هذا النوع مثيرة للاهتمام للغاية ، لكنها لم تكتسب شعبية بسبب تطبيقها المحدود. ومع ذلك ، فإن حقيقة وجودها تؤكد وجود مناطق فيزياء أشباه الموصلات لم يتم استكشافها بالكامل بعد.
