إلكترونيات جهاز أشباه الموصلات

جهاز أشباه الموصلات ، مكون الدائرة الإلكترونية مصنوع من مادة ليست موصل جيد ولا عازل جيد (ومن ثم أشباه الموصلات). وقد وجدت هذه الأجهزة تطبيقات واسعة بسبب صغرها وموثوقيتها وانخفاض تكلفتها. كمكونات منفصلة ، فقد وجدوا استخدامًا في أجهزة الطاقة وأجهزة الاستشعار البصرية وبواعث الضوء ، بما في ذلك ليزر الحالة الصلبة. لديهم مجموعة واسعة من إمكانات معالجة التيار والجهد ، مع التصنيفات الحالية من عدد قليل من النانو أمبير (10 ⁻⁹أمبير) إلى أكثر من 5000 أمبير وتصنيفات جهد تمتد فوق 100000 فولت. والأهم من ذلك ، أن أجهزة أشباه الموصلات تعمل على الاندماج في الدوائر الإلكترونية الدقيقة المعقدة والتي يمكن تصنيعها بسهولة. إنها ، وستكون في المستقبل المنظور ، العناصر الرئيسية لغالبية الأنظمة الإلكترونية ، بما في ذلك الاتصالات ، والمستهلكين ، ومعالجة البيانات ، ومعدات التحكم الصناعية.

مبادئ أشباه الموصلات والموصلات

مواد أشباه الموصلات

يتم عادةً تجميع مواد الحالة الصلبة في ثلاث فئات: العوازل وأشباه الموصلات والموصلات. (في درجات الحرارة المنخفضة ، قد تصبح بعض الموصلات وأشباه الموصلات والعوازل موصلات فائقة.) يوضح الشكل 1 الموصلية σ (والمقاومة المناظرة ρ = 1 / σ) التي ترتبط ببعض المواد المهمة في كل من الفئات الثلاث. العوازل ، مثل الكوارتز المزجج والزجاج ، لها موصلية منخفضة جدًا ، بترتيب من 10 ⁻¹⁸ إلى 10 ⁻¹⁰ سيمنز في السنتيمتر ؛ والموصلات ، مثل الألومنيوم ، لها موصلية عالية ، عادة من 10 ⁴ إلى 10 ⁶ سيمنز في السنتيمتر. موصلات أشباه الموصلات هي بين هذه التطرف.

تكون موصلية أشباه الموصلات حساسة بشكل عام لدرجات الحرارة والإضاءة والمجالات المغناطيسية وكميات دقيقة من ذرات الشوائب. على سبيل المثال ، يمكن أن تؤدي إضافة أقل من 0.01 في المائة من نوع معين من الشوائب إلى زيادة الموصلية الكهربائية لأشباه الموصلات بأربع مرات أو أكثر (أي 10000 مرة). يوضح الشكل 1 نطاقات الموصلية شبه الموصلة بسبب ذرات النجاسة لخمسة أشباه موصلات شائعة.

بدأت دراسة مواد أشباه الموصلات في أوائل القرن التاسع عشر. على مر السنين ، تم التحقيق في العديد من أشباه الموصلات. يوضح الجدول جزءًا من الجدول الدوري المتعلق بأشباه الموصلات. أشباه الموصلات العنصرية هي تلك التي تتكون من أنواع مفردة من الذرات ، مثل السيليكون (Si) ، الجرمانيوم (Ge) ، والقصدير الرمادي (Sn) في العمود الرابع والسيلينيوم (Se) والتيلوريوم (Te) في العمود السادس. ومع ذلك ، هناك العديد من أشباه الموصلات المركبة التي تتكون من عنصرين أو أكثر. زرنيخيد الغاليوم (GaAs) ، على سبيل المثال ، هو مركب ثنائي III-V ، وهو مزيج من الغاليوم (Ga) من العمود III والزرنيخ (As) من العمود V.

جزء من الجدول الدوري للعناصر المتعلقة بأشباه الموصلات

فترة	عمود
	II	ثالثًا	IV	الخامس	السادس
2	البورون ب	الكربون ج	النيتروجين N
3	المغنيسيوم ملغ	ألمنيوم Al	سيليكون سي	الفوسفور ص	كبريت S
4	الزنك Zn	الجاليوم جا	الجرمانيوم قه	الزرنيخ كما	السيلينيوم سي
5	الكادميوم Cd	الإنديوم في	القصدير Sn	الأنتيمون Sb	تيلوريوم تي
6	الزئبق الزئبق	الرصاص Pb

يمكن تكوين المركبات الثلاثية بعناصر من ثلاثة أعمدة مختلفة ، على سبيل المثال ، تيلوريد إنديوم الزئبق (HgIn ₂ Te ₄) ، مركب II-III-VI. يمكن أيضًا تشكيلها بواسطة عناصر من عمودين ، مثل زرنيخيد الغاليوم من الألمنيوم (Al _x Ga _{1 - x} As) ، وهو مركب ثلاثي III-V ، حيث يكون كل من Al و Ga من العمود III ويرتبط الحرف الثانوي x لتكوين العنصرين من 100 بالمائة Al (x = 1) إلى 100 بالمائة Ga (x = 0). السيليكون النقي هو أهم مادة لتطبيق الدوائر المتكاملة ، والمركبات الثنائية والثالثية III-V هي الأكثر أهمية لانبعاث الضوء.

قبل اختراع الترانزستور ثنائي القطب في عام 1947 ، تم استخدام أشباه الموصلات فقط كأجهزة ثنائية الطرف ، مثل المقومات والثنائيات الضوئية. خلال أوائل الخمسينيات ، كان الجرمانيوم مادة أشباه الموصلات الرئيسية. ومع ذلك ، فقد ثبت أنه غير مناسب للعديد من التطبيقات ، لأن الأجهزة المصنوعة من المواد أظهرت تيارات تسرب عالية في درجات الحرارة المرتفعة بشكل معتدل فقط. منذ أوائل الستينيات ، أصبح السيليكون بديلاً عمليًا ، يحل محل الجرمانيوم تقريبًا كمادة لتصنيع أشباه الموصلات. والأسباب الرئيسية لذلك هي ذات شقين: (1) أجهزة السيليكون تظهر تيارات تسرب أقل بكثير ، و (2) ثاني أكسيد السيليكون عالي الجودة (SiO ₂) ، وهو عازل ، من السهل إنتاجه. تعد تكنولوجيا السليكون الآن الأكثر تقدمًا بين جميع تقنيات أشباه الموصلات ، وتشكل الأجهزة المستندة إلى السليكون أكثر من 95 بالمائة من جميع أجهزة أشباه الموصلات المباعة في جميع أنحاء العالم.

العديد من أشباه الموصلات المركبة لها خصائص كهربائية وبصرية غير موجودة في السيليكون. تستخدم أشباه الموصلات ، خاصة زرنيخيد الغاليوم ، بشكل أساسي في التطبيقات عالية السرعة والإلكترونيات الضوئية.