علوم (ثاتير الحرارة علي اشباه الموصلات)

ثاتير الحرارة علي اشباه الموصلات

نبذة عن اشباه الموصلات

شبه الموصل أو نصف ألناقل(بالإنجليزية: Semiconductor) هو مادة صلبة يتم التحكم موصليتها الكهربية بإضافة عناصر أخري شبه الموصل تكون مقاومته الكهربية ما بين الموصلات و ألعوازل كما يمكن لمجال كهربي خارجي تغيير درجة مقاومة شبه الموصل. فالأجهزة والمعدات التي يدخل في تصنيعها مواد شبه موصلة هي أساس الالكترونيات الحديثة والتي تشمل الراديو، والكمبيوتر و الهاتف والتلفزيون وأجهزة أخرى كثيرة. والأجزاء الالكترونية التي تعمل بأشباه الموصلات تشمل الترانزستور، والخلايا الشمسية، الصمامات الثنائية، لضوء وموحدات التيار التي تعمل بالسليكون، والدوائر المتكاملة التشابهية والرقمية.

وكما تمثل ألواح الطاقة الشمسية أكبر مثال لأجهزة التي تعمل بالمواد شبه الموصلة ، حيت تقوم بتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربية.

في الموصلات المعدنية تقوم الإلكترونات بنقل الكهربي اما في أشباه الموصلات فينتقل التيار الكهربي عن طريق سيل من الالكترونات تتجه إلى القطب ألموجب مصحوبا بسيل من الفجوات (ذات شحنة موجبة) خلال البناء الذري للمادة تتجه إلى القطب السالب. يساعد على تكون تلك الفجوات الإلكترونية الموجبة تشوب المادة الشبه موصلة مثل الجرمانيون بمشوب من مادة أخرى.

ويستخدم السليكون لتصنيع معظم الأجهزة التجارية التي تحتوي على مواد شبه موصلة ، كما تستخدم مواد أخرى كثيرة منها الجرمانيون و زنيخ الجاليوم الثلاثي وكربيد السيليكون. ويعرف شبه الموصل النقي بـشبه موصل "أصيل". ويتم تحسين التوصيلية، القدرة على توصيل الكهرباء، بإضافة عناصر أخرى تسمى "الشوائب" عن طريق صهرها وتركها لتبرد لتكون بلورة جديدة ومختلفة عن الأصلية وتسمى هذه العملية بعملية التشويب (إضافة شوائب إلى مادة نقية).

التشويب

هو نوع من التطعيم وهو إضافة كمية من ذرات مادة معينة إلى بلورة شبه الموصل النقي (تشويب) بنسب تصل إلى (1 : 1.000.000) بهدف زيادة الالكترونات أو الثغرات الإلكترونية في البلورة.

ويبين الشكل أعلاه بلورة شبه الموصل Si السيليكون مشوب بذرتي بور B تنتج تشويب من نوع p-Dotierung، حيث تحتوي كل ذرة مشوبة B على 1 إلكترون أقل عن جيرانها Si، 

الثغرة الإلكترونية الموجبة 

هي الفراغ الذي يخلفه الإلكترون المتحرر من ذرته فيترك ثغرة شحنتها موجبة. ويعتمد نقل التيار الكهربائي في شبه الموصل على حركة الإكترونات التي تتحرك في اتجاه المصعد وتتحرك في نفس الوقت الثغرات الموجبة الشحنة إلى القطب السالب وهو المهبط.

البلورة غير النقية 

هي بلورة شبه موصل مشوبة أو مطعمة بذرات من مادة أخرى، أي تكون البلورة مشوبة بذرات عنصر آخر، تغير من خواصها الفيزيائية، مثل التوصيل الكهربائي  والتوصيل الحراري، ومدى تأثرها بالمجال المغناطيسي.

العوامل التى تؤثر في درجة التوصيل الكهربائي لاشباة الموصلات النقية:

1-    درجة الحرارة.

2-     التطعيم.

 أولاً:أثر درجة الحرارة:

* عند تسخين البلورة النقية إلى درجة الحرارة العادية فإن ذلك يؤدي الى تكسير بعض الروابط ينتج عنه بعض الالكترونات الحرة التي تترك مكانها فجوات تؤدي إلى حركة الإلكترونات بين الروابط أي أن التوصيل الكهربائي في بلورة شبة الموصل النقي نتج من أي حكة الالكترونات والفجوات داخل البلورة.

حيث تمثيل حركة الالكترونات اتجاه مرور التيار الالكتروني. بينما تمثل حركة الفجوات اتجاه مرور التيار الاصطلاحي واتجاه حركة الالكترونات يكون في اتجاه معاكس لحركة الفجوات.

أي أن التيار الالكتروني والتيار الاصطلاحي عند درجات الحرارة العادية متساويان في المقدار ومتعاكسان في الاتجاه.

ثانياً:التطعيم:

* يقصد به إضافة بعض ذرات عنصر آخر (شائبة) إلى بلورة شبه الموصل النقي بغرض زيادة عدد الالكترونات أو الفجوات فيها.

ويطلق على البلورة النقية بعد إضافة بعض ذرات الشائبة إليها بلورة شبه موصل غير نقي.

ثأتير الحرارة علي اشباه الموصلات

نظرية حزم الطاقة للمواد الصلبة ومفهوم فجوة الطاقة المحظورة  Eg

      ان المواد الصلبة يمكن ان تصنف الى ثلاثة اصناف وهي مواد موصلة ومواد عازلة ومواد شبه موصلة ، لقد اعتمد التصنيف على اساس تركيب الحزم (Band ) للمادة وعلى مقدار فجوة الطاقة التي تفصل حزمة التوصيل (conduction) عن حزمة التكافؤ (valance ) . 

                    تعد اشباه الموصلات بانها مواد عازله عند درجات الحرارة المنخفضة لكنها تصبح جيدة التوصيل الكهربائي نوعاً ماعند رفع درجة حرارتها، فاذا كانت حزمة التكافؤ مملوءة تماماً بالالكترونات ولكي يتمكن الالكترون من عبور فجوة الطاقة الصغيرة نسبياً للوصول الى حزمة

                                                                   

     تعد اشباه الموصلات بانها مواد عازله عند درجات الحرارة المنخفضة لكنها تصبح جيدة التوصيل الكهربائي نوعاً ماعند رفع درجة حرارتها، فاذا كانت حزمة التكافؤ مملوءة تماماً بالالكترونات ولكي يتمكن الالكترون من عبور فجوة الطاقة الصغيرة نسبياً للوصول الى حزمة  درجة الحرارة.التوصيل فانه يحتاج  طاقه حرارية  K_B T وهكذا تلعب الطاقة الحرارية دورا ًمهماً في مساعدة الالكترونات على عبور فجوة الطاقة .

       ان التوصيل الكهربائي يتطلب انتقال الالكترون من حزمة التكافؤ المملوءة بالالكترونات الى حزمة التوصيل الفارغة من الالكترونات عبر الفجوة المحظورة بينهما اي انه يجب على الالكترون ان يكتسب طاقة لكي يتمكن من الانتقال ومن حزمة الى حزمة ويطلق على هذه الطاقه (Eg) بفجوة الطاقة اما بالنسبة الى المواد شبه الموصلة فان الفرق الاساس بينهما وبين المواد العازلة يمكن في قيمة فجوة الطاقة التي تكون اقل بكثير من قيمة فجوة الطاقة في المواد العازلة .

   

     وكما موضح في الشكل (2)  ان التوصيل الكهربائي  في  المواد العازله  قليل جداً وذلك  لكون  فجوة  الطاقة  كبيرة  مما  تجعل  عدد الالكترونات المنقولة الى  حزمة التوصيل  قليلة  في درجات الحرارة الاعتيادية او حتى في درجات الحرارة العالية ان قيمة فجوة الطاقة في الكثير من المواد العازلة تتراوح بين 3- 10 الكترون فولت اما التوصيل الكهربائي في المواد شبه الموصلة فتكون معتدلة نوعاً ما عند درجة الحرارة العالية.

اما عند درجات الحرارة الواطئة فيكون التوصيل الكهربائي قليل جداً وذلك لان حزمة التوصيل تكون فارغة عند درجة حرارة الصفر المطلق وكلما ارتفعت درجات الحرارة ينتقل عدد كبير من الالكترونات الى حزمة التوصيل وترفع قيمة التوصيل الكهربائي الى حد كبير.

الــخــلاصــة:

عند رفع درجة حرارة أشباه الموصلات تزداد كمية حاملات الشحنة المتحركة وتقل المقاومة بشكل كبير ولكنها لا تتصف بقابلية التوصيل العالى والعكس صحيح حيث تزداد المقاومة بخفض درجة الحرارة وتصبح قريبة من مقاومة المواد العازلة.