10.3 : أساسيات أشباه الموصلات

أشباه الموصلات الجوهرية هي مواد نقية للغاية ولا تحتوي على شوائب. عند الصفر المطلق، تعمل أشباه الموصلات هذه كعوازل مثالية لأن جميع إلكترونات التكافؤ تكون مرتبطة، ويكون نطاق التوصيل فارغًا، مما يمنع التوصيل الكهربائي. مستوى فيرمي هو مفهوم يستخدم لوصف احتمالية إشغال مستويات الطاقة بواسطة الإلكترونات عند التوازن الحراري. في أشباه الموصلات الجوهرية، يتم وضع مستوى فيرمي عند منتصف فجوة الطاقة عند الصفر المطلق. عندما ترتفع درجة حرارة أشباه الموصلات، تثير الطاقة الحرارية بعض الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل، مما يؤدي إلى إنشاء أزواج ثقب الإلكترون (EHPs). يؤدي إنشاء EHPs إلى تمكين التوصيل لأن الإلكترونات يمكن أن تتحرك بحرية في نطاق التوصيل ويمكن للثقوب أن تعمل مثل حاملات الشحنة الموجبة في نطاق التكافؤ.

إن تركيز الناقل الجوهري، والذي يُشار إليه بالرمز ni، هو عدد الإلكترونات الحرة أو الثقوب الموجودة في شبه موصل نقي عند التوازن الحراري. إنها قيمة تعتمد على درجة الحرارة ويمكن التعبير عنها بالصيغة:

حيث B هو ثابت المادة، T هي درجة الحرارة،E_g سبيل المثال هي طاقة فجوة النطاق، وk هو ثابت بولتزمان.

عند أي درجة حرارة أعلى من الصفر المطلق، تتولد EHPs بمعدل g_i، وتتحد مرة أخرى بمعدل ri. ولكي يحافظ أشباه الموصلات على التوازن الحراري، يجب أن تكون هذه المعدلات متساوية. يتناسب معدل إعادة التركيب مع حاصل ضرب تركيزات الإلكترون (n_0) والفجوة (p_0)، ويوصف بواسطة:

حيث αr هو معامل إعادة التركيب.

يمكن تغيير أشباه الموصلات الجوهرية لتصبح أشباه موصلات خارجية عن طريق التطعيم، مما يؤدي إلى إدخال شوائب لتغيير الخواص الكهربائية للمادة. يؤدي تطعيم أشباه الموصلات الجوهرية بذرات خماسية التكافؤ إلى إنشاء مواد من النوع N عن طريق إضافة إلكترونات حرة. على العكس من ذلك، تنتج المواد المشابهة ثلاثية التكافؤ مواد من النوع P ذات ثقوب منتشرة، مما يؤدي إلى تحويل مستوى فيرمي نحو نطاق التكافؤ، وبالتالي تعديل الخصائص الموصلة لأشباه الموصلات.