ما هي أشباه الموصلات: ما هي أنواعها وتطبيقاتها؟

إن لأشباه الموصلات تأثير هائل على مجتمعنا اليوم وعلى الحياة الحديثة، فنحن نجدها تقريبا في جميع الأجهزة الإلكترونية من حولنا، في المتحكمات الدقيقة وفي الترانزستور.

إن أغلب الدوائر المتكاملة والمعالجات الدقيقة المتواجدة اليوم مصنوعة من مادة السيليكون وهذا ما يجعل منه القلب النابض لأي جهاز إلكتروني، وهذا ما جعل كذلك المنطقة الجنوبية من خليج سان فرانسيسكو التي تضم عددا كبيرا من منتجي الشرائح الإلكترونية مثل Intel وAMD تُعرف باسم "وادي السيليكون".

يُعتبر الدايود أبسط مثال عن عنصر إلكتروني مصنوع من مادة شبه موصلة، وهذا ما يجعل منه نقطة انطلاق مثالية من أجل فهم مبدأ عمل أشباه الموصلات، حيث أن الدايود عبارة عنصر إلكتروني لا يسمح بمرور التيار الكهربائي سوى من إتجاه واحد، لكن قبل أن نغوص في تفاصيل أكثر حول مبدأ عمل الدايود سنحتاج إلى أن نعرف كيف يتشكل.

الدايود عبارة عن وصلة ثنائية (P-N Junction) أي أنه يتكون من رقاقتين شبه موصلتين، تكون الرقاقة الأولى غنية بالإلكترونات مما يعني أنَّ لها بنية سالبة (N) وتكون لها قيمة مقاومية محصورة بين تلك الخاصة بالنواقل والأخرى الخاصة بالعوازل، أما الرقاقة الثانية فهي غنية بالفجوات (ثغرة تخيلية موجبة الشحنة) وهذا ما يعني أنَّ بنيتها موجبة (P).

لكن ما هي أشباه الموصلات؟ قبل أن نُجيب على هذا السؤال يجب أن نعرف أولاً ما الذي يجعل مادَّة ما تُصنف ضمن النواقل أو ضمن العوازل.

المقاومية:

إن المقاومة الكهربائية لأي عنصر كهربائي أو إلكتروني عبارة عن خاصية تختلف من مادّة إلى مادة أخرى فمقاومية النحاس مثلا ليست مساوية لمقاومية الزجاج، وهي تُستخدم من أجل حساب قيمة المقاومة لعنصر موصل منتظم الشكل والبنية وهذا وفق العلاقة الرياضية التالية:

المقاومة = (طول الموصل * المقاومية) / مساحة المقطع

يتضح لنا من خلال العلاقة السابقة أن زيادة مساحة المقطع الخاص بالموصل سيجعل من قيمة مقاومة هذا الأخير تنخفض، بينما زيادة طول الموصل سيؤدي إلى زيادة في قيمة المقاومة.

تُعتبر قيمة المقاومية تابثة فلكل مادة قيمة المقاومية الخاصة بها، لذا فهي تُستخدم من أجل الإشارة أو بالأحرى الدلالة على أن هذه المادة أو تلك تسمح للتيار الكهربائي بالسريان عبرها بصورة سلسة أو تقاوم مروره مهما كان طولها أو مساحتها.

يُرمز للمقاومية بالحرف اللاتيني رو (ρ)، ووحدتها هي الأوم في المتر (Ω.m) وهي تعتبر مقلوب الموصلية الكهربائية.

إذا قمنا بمقارنة مقاومية المواد المختلفة فسنستطيع تصنيفها إلى ثلاثة مجموعات رئيسية هي: النواقل والعوازل و أشباه الموصلات حيث سنقوم عبر الأسطر التالية لهذه المقالة بشرح كل منها بالتفصيل إن شاء الله.

النواقل:

من خلال الفقرة السابقة نستطيع الإستنتاج بأن النواقل عبارة عن مواد لها قيمة مقاومية صغيرة، عادة ما تكون بضعة ميكرو أوم في المتر الواحد، حيث أن هذه القيمة الصغيرة تسمح للتيار الكهربائي بالمرور بانسيابية وهذا بسبب وجود عديد الإلكترونات الحرة داخل الذرات الخاصة بكل مادة من هذه المواد، لكن هذه الإلكترونات لا تسري عبر الماد الموصلة بصورة تلقائية بل لا بد لها من وجود حافز يتمثل في الفولطية الكهربائية.

من بين الأمثلة على النواقل الجيدة للتيار الكهربائي نجد عديد المعادن كالذهب، والفضة، والنحاس، والألمنيوم، وكذلك بعض اللافلزات (عناصر كيميائية تفتقر لخصائص المعادن وإسمها الإنجليزي هو non-metals) مثل الكربون.

بصورة عامة تُعتبر أغلبية المعادن مواد موصلة بصورة جيدة للتيار الكهربائي، وهذا نظرا لأنها تتميز بقيمة مقاومية صغيرة جدا، ولكن هذا لا يعني أنها نواقل مثالية، فهي تقاوم مرور التيار ولو بصورة صغيرة جدا مما يُؤدي إلى ضياع في الطاقة، حيث أن هذه الأخيرة تُهدر على شكل حرارة وِفق تأثير جول، وهذا هو السبب الذي يجعل بعض العناصر الكهربائية تُصبح ساخنة وتتطلب وضع مشتتات حرارية معها داخل الدائرة الكهربائية.

العوازل:

في الجهة المقابلة نجد المواد العازلة للتيار الكهربائي، أغلبية العوازل عبارة عن مواد لافلزية، لا تحتوي ذراتها على إلكترونات حرة أو قد تحتوي على عديد صغير جدا منها وهذا ما يُؤدي إلى عدم إنتقال هذه الإلكترونات بحرية حتى في حالة تطبيق جهد كهربائي على ذرات هذه المواد وهذا ما يعني عدم مرور التيار الكهربائي.

نعم، ومثلما يدور في ذهنك الآن فإن لهذه مقاومة هذه المواد كبيرة جدا، وقد تصل قيمة مقاوميتها إلى غاية عدة ملايين أوم في المتر الواحد وهي عادة لا تتأثر بتغيرات درجة الحرارة، من بين الأمثلة عن العوازل الجيدة للتيار الكهربائي نجد: الزجاج والمطاط والرخام...

أشباه الموصلات:

نصل الآن إلى لُب موضوعنا هذا والذي نكتب من أجله هذه المقالة ألا وهو أشباه الموصلات وهي مواد لها بعض من خصائص النواقل وبعض من خصائص العوازل، حيث أن لها بعضًا من الإلكترونات الحرة التي تسمح لها بنقل التيار الكهربائي لكن تحت شروط معينة فقط.

من بين المواد التي تُصنف ضمن خانة أشباه الموصلات نجد السيليكون (Silicon) الذي يُعتبر المادة الشبه الموصلة الشائعة الإستخدام حيث أننا نجده في أغلب الأجهزة الإلكترونية التي تحتوي على عناصر شبه موصلة، ونجد كذلك موادًا أخرى كالجرمانيوم (Germanium) وزرنيخيد الغاليوم (Gallium arsenide).

يمكننا تحسين قدرة أشباه الموصلات على نقل التيار الكهربائي وهذا بفضل عملية التشويب والتي تُعتبر نوعا من أنواع التطعيم  حيث تتم إضافة عنصر أو عدة عناصر تُعرف باسم الشوائب إلى بلورة شبه الموصل وهذا بهدف زيادة عدد الإلكترونات الحرة بحيث تُصبح أكثر عددا من الثغرات الإلكترونية أو العكس بحث يُصبح عدد الثغرات الإلكترونية أكثر عددا من الإلكترونات الحرة، وهذا ما سيحدد لنا إذا ما كان العنصر الشبه موصل سالب (N-type Semiconductor) أو موجب (P-Type Semiconductor).

إن المادة الشبه موصلة الأكثر استخداما اليوم هي السيليكون كما أسلفنا الذكر وهذا بسبب كونه من بين العناصر المتواجدة بوفرة حيث يُعتبر ثامن أكثر عنصر شائع في الكون، إضافة إلى هذا فإن له تأثيرا هائلا على الإقتصاد الحديث والتكنولوجيا حيث يُستخدم وبصورة واسعة في الدوائر المتكاملة (Integrated circuits) والترانزستورات التي تُعتبر عصب وروح أجهزة الحاسوب الشخصية والهواتف المحمولة.

العناصر الشبه موصلة السالبة:

من أجل أن نستطيع نقل التيار الكهربائي بواسطة السليلكون، نحتاج أولا إلى تطعيمه وهذا بإضافة بعض الشوائب إليه مثل الزرنيخ (Arsenic) أو الإثمد (Antimony) أو الفوسفور (Phosphorus) إلى بنيته البلورية، إن هذه العناصر خماسية التكافؤ حيث أن لها خمس إلكترونات حرة في طبقتها الخارجية (غلاف التكافؤ).

وهذا ما يسمح لأربعة إلكترونات حرة بالإرتباط مع جزيء سيليكون آخر بين يبقى الإلكترون الخامس حرا حيث يسمح بنقل التيار الكهربائي بمجرد تطبيق فولطية.

العناصر الشبه موصلة الموجبة:

إذا ما قمنا الآن بإضافة بعض الشوائب ثلاثية التكافؤ مثل الغاليوم (Gallium) أو البورون (Boron) إلى البنية البلورية لشبه الموصل، لا يمكن للرابطة الرابعة أن تتشكل مما يُؤدي إلى وجود وفرة في الثغرات موجبة الشحنة، حيث في هذه الحالة سينتقل إلكترون متواجد بالقرب من أجل سد هذه الثغرة لكنه بالمقابل سيُخلف ورائه ثغرة أخرى سينتقل إليها إلكترون آخر من أجل سدها مخلفا ورائه هو الآخر ثغرة أخرى يجب أن يسده إلكترون آخر وهكذا دواليك، وهذا ما يسمح بمرور التيار الكهربائي حيث أن هذه الثغرات تنتقل كشحنة موجبة.

ما هي تطبيقات أشباه الموصلات؟

تُستعمل أشباه الموصلات في عديد التطبيقات والتي نذكر منها على سبيل المثال لا الحصر:

• تصميم البوابات المنطقية والدوائر الرقمية.
• تدخل في تركيب الميكروكنترولر والميكروبروسيسور.
• تُستعمل كذلك في الدوائر التماثلية كالمذبذات والمكبرات العملياتية.
• تُستعمل كذلك في تطبيقات إلكترونيات القدرة ومن بين الأمثلة على ذلك إستخدام الثايرستور أو الترانزيستور من أجل التحكم في دوائر التغذية النبضية.

وبهذا نصل إلى ختام مقالتنا هذه والتي تعرفنا من خلالها على أنه يمكننا تصنيف المواد حسب مقاوميتها إلى ثلاثة أقسام هي المواد الناقلة للتيار الكهربائي، والمواد العازلة وأشباه الموصلات، حيث أن لهذه الأخيرة تأثير بالغ على التكنولوجيا الحديثة فهي تعتمد عليه بشكل كبير وأخيرا تطرقنا باختصار إلى بعض من تطبيقات أشباه الموصلات.