تعريف أشباه الموصلات
تُعرف أشباه الموصلات (بالإنجليزية: Semiconductor) بأنها مجموعة من المواد الصلبة البلورية، التي تمتلك قدرة متوسطة على توصيل الكهرباء، بحيث لا توصل الكهرباء بكفاءة المواد الموصلة (بالإنجليزية: Conductor) لكنّها ليست أيضًا من المواد العازلة (بالإنجليزية: Insulator)، وتمتاز أشباه الموصلات بكفاءتها في مجال الطاقة، وبانخفاض أسعارها؛ لذلك فهي تستخدم على نطاق واسع في مجال صناعة الأجهزة الإلكترونية، بما في ذلك الديودات (بالإنجليزية: Diodes)، والترانزستورات (Transistors)، والدوائر المتكاملة (Integrated circuits).
العناصر المكونة لأشباه الموصلات
تتكون أشباه الموصلات من مجموعة متنوعة من العناصر والمركبات، نذكر أبرزها فيما يأتي:
- عنصر السيليكون.
- عنصر الجرمانيوم.
- مركب زرنيخيد الغاليوم.
- مركب كبريتيد الرصاص.
- مركب فوسفيد الإنديوم.
- مواد أخرى كبعض أنواع البلاستيك، التي تُستخدم لتصنيع الصمامات الثنائية الباعثة للضوء والتي تُعرف اختصارًا بـ(LEDs)، وذلك لأن البلاستيك عبارة عن مادة مرنة قابلة للتشكّل بصور مختلفة.
أنواع أشباه الموصلات
تمتاز أشباه الموصلات بضعف قدرتها على نقل التيار الكهربائي، مما جعل المصنّعون يضيفون إليها بعض الشوائب لتحسين موصليتها (ناقليتها)، ويُسمى هذا بعملية التنشيط (بالإنجليزية: Doping)، ويعتمد مقدار زيادة موصلية العنصر أو نقصانه على مقدار الشوائب المضافة إليها ونوعها، وتُصنّف أشباه الموصلات إلى عدة أنواع كما هو موضح أدناه:
أشباه الموصلات الداخلية
تُصنع المادة المكوّنة لأشباه الموصلات الداخلية (بالإنجليزية: Intrinsic Semiconductor) لتكون نقية للغاية كيميائيًا، وتجدر الإشارة إلى أن هذا النوع يتكوّن من عنصر واحد فقط، أما عن أكثر عناصر أشباه الموصلات الداخلية شيوعًا؛ فهما: عنصري الجرمانيوم (Ge)، والسيليكون (Si)، إذ يمتلك كل منهما 4 إلكترونات في المستوى الأخير (مستوى التكافؤ)، الأمر الذي يدفعهما إلى تشكيل رابطة تساهمية (رابطة تشاركية) مع الذرة عند تعريضها لدرجة حرارة الصفر المطلق.
وبما أن عدد حاملات الشحنة السالبة والموجبة يكون متساويًا، فإن الطاقة الحرارية الناجمة عن توصيل الكهرباء في شبه الموصل تستطيع تأيين عدد قليل فقط من الذرات في النظام، الأمر الذي يجعلها تتمتع بموصلية قليلة.
أشباه الموصلات الخارجية
تُصنع المادة المكوّنة لأشباه الموصلات الخارجية (بالإنجليزية: Extrinsic Semiconductor) عن طريق إضافة كمية قليلة من الذرات البديلة المعروفة باسم الشوائب (بالإنجليزية: Impurities) إلى العنصر الأساسي المكون لأشباه الموصلات، بغية تحسين موصليتها بشكل يفوق موصلية أشباه الموصلات الداخلية.
وتجدر الإشارة إلى أنه يُطلق على طريقة إدخال ذرات الشوائب تلك اسم المنشطات (بالإنجليزية: Doping)، إذ يجري استبدال ذرة واحدة فقط بذرة شائبة من كل 107 ذرات، وفيما يختص الشوائب، فهي إما أن تكون شوائب خماسية التكافؤ مثل عنصر الألومنيوم (Al) والبورون (B)، أو شوائب ثلاثية التكافؤ مثل عنصر الجاليوم (Ga)، والإنديوم (In)، وتشمل أشباه الموصلات الخارجية نوعين، كما هو موضح أدناه:
أشباه الموصلات السالبة
شبه الموصل من النوع N (بالإنجليزية: N- type Semiconductor) أو يُطلق عليها أنصاف النواقل السالبة، وهي أشباه الموصلات التي تحتوي على كمية أكبر من الإلكترونات الحرة، ما يعني أنها ذات موصلية أعلى.
أِشباه الموصلات الموجبة
شبه الموصل من النوع P (بالإنجليزية: P-type Semiconductor) أو يُطلق عليها أنصاف النواقل الموجبة، وهي أشباه الموصلات التي تحتوي على كمية أقل من الإلكترونات الحرة، ما يعني أنها ذات موصلية أقل.
استخدامات أشباه الموصلات
تُستخدم أشباه الموصلات في الكثير من المجالات والتطبيقات العملية، نذكر أبرزها فيما يأتي:
- صناعة مستشعرات درجة الحرارة.
- صناعة بعض قطع الطابعات ثلاثية الأبعاد.
- صناعة الرقائق الدقيقة التي تدخل في المركبات ذاتية القيادة.
- صناعة الأجهزة الإلكترونية، كالآلات الحاسبة، ولوحات الطاقة الشمسية، وأجهزة الكمبيوتر.
- صناعة قطعة الترانزستورات التي تُستخدم كمفتاح في الدوائر الكهربائية.
تاريخ اكتشاف أشباه الموصلات
استُخدم مصطلح أشباه الموصلات للمرة الأولى من قبل العالم ألساندرو فولتا (Alessandro Volta) عام 1782م، وفي عام 1833م لاحظ العالم مايكل فارادي (Michael Faraday) طبيعة أشباه الموصلات، وتأثير الحرارة على موصليتها؛ إذ لاحظ انخفاض المقاومة الكهربائية لكبريتيد الفضة مع زيادة درجة الحرارة، وفي عام 1874م اكتشف العالم كارل براون (Karl Braun) مبدأ عمل الديودات المصنوعة من أشباه موصلات، عندما لاحظ تدفق التيار بحُرية في اتجاه واحد فقط، وقام بتوثيقه.
وفي عام 1901م اخترع العالم جاجاديش تشاندرا بوس (Jagadish Chandra Bose) أول جهاز أشباه موصلات وأسماه شعيرات القطط (Cat whiskers)، وهو جهاز مُعدّل للتيار الكهربائي يُستخدم كمقوّم لأشباه الموصلات للكشف عن موجات الراديو.
تقع أشباه الموصلات في المنطقة الواقعة بين المواد العازلة والمواد الموصلة، وذلك لأن كفاءتها في توصيل التيار الكهربائي متوسطة نوعًا ما، وتتكون من عدد من العناصر أبرزها السيليكون والجرمانيوم، وتشمل أشباه الموصلات عدة أنواع؛ وهي: أشباه الموصلات الداخلية، والخارجية، التي يندرج أسفلها كل من أشباه الموصلات السالبة، والموجبة، وتُستخدم أشباه الموصلات في صناعة العديد من الأجهزة والمعدات الإلكترونية، نظرًا لأهميتها في هذا النوع من التطبيقات العملية.
