ما هى أشباة الموصلات

فكرة مبسطة عن أشباه الموصلات _ و إستخدامها في صناعة : الصمام الثنائي

(الدايود) و الترانزستور

ظهور أشباه الموصلات وشيوع استخدامها له أثر كبير في حياة الناس. فصناعة رقاقات

المشغلات الدقيقة (الميكروبروسيسور) والترانزستورات، أصبحت جزءاً مهما في تكوين

الحاسب الآلي أو استخدام موجات الراديو. ويتم استخدام مادة السيليكون في إنتاج

الغالبية العظمى من رقائق أشباه الموصلات والترانزستورات، الأمر الذي جعل من

السيليكون عصب الأجهزة الإلكترونية


ما هو السيليكون؟

يعد السيليكون أحد العناصر الشائعة الوجود كمكون رئيسي للتراب والأحجار.

وترتيبه في الجدول الدوري للعناصر بعد الألومونيوم مباشرةً، وقبل الكربون والجيرمنيوم.

والكربون والسيليكون والجيرمنيوم عناصر تتسم بخاصية فريدة في هياكلها الإلكترونية،

فكل عنصر من هذه العناصر يتسم بوجود أربع إلكترونات في مداره الخارجي، مما يمكن

هذه العناصر من تشكيل بلورات. والإلكترونات الأربعة تشكل سوياً اتحاداً ذرياً مع أربع

ذرّات متجاورة مما ينتج عنه نظاماً شبكياً. فالشكل البلوري للكربون هو الماس، أما

السيليكون فالشكل البلوري الخاص به يميل إلى اللون الفضي المشابه للمعدن.

والمعادن بطبيعتها موصل جيد للطاقة الكهربائية لاحتوائها إلكترونات يمكنها التحرك بحرية

بين الذرّات، والطاقة الكهربائية تنتج عن تدفق الإلكترونات. إلا أن بلورة السيليكون ليست

من المعادن، فكافة الإلكترونات الخارجية فيها متشابكة في اتحاد ذري تام، وبالتالي لا

تملك حرية التحرك بسهولة. وبلورة السيليكون النقية تعد تقريباً مادة عازلة، وبالتالي فإن

قدراً ضئيلاً جداً من الطاقة الكهربائية يمكن أن يتدفق من خلالها.


تحويل السيليكون إلى موصل

يمكنك أن تغير من سلوك السيليكون وتحوله إلى موصل للطاقة باتباع أي من الطريقتين التاليتين:

التحويل إلى سيليكون سالب:


بإضافة كميات ضئيلة من الفسفور أو الزرنيخ إلى بلورة السيليكون. كل من الفسفور

والزرنيخ يتسم بوجود خمس إلكترونات خارجية، وبالتالي فهو خارج نطاق خاصية العزل

التي يتسم بها السيليكون الخام، والإلكترون الخامس في كل منهما لا يجد أي شيء

ليتحد معه، وبالتالي فهو يتمتع بحريةٍ في الحركة. والأمر لن يستلزم سوى إضافة قدر

ضئيل للغاية من أي من هاتين المادتين من أجل خلق إلكترونات حرة تسمح بتدفق تيار

كهربائي عبر السيليكون. وجعله موصلا جيدا للطاقة.

التحويل إلى سيليكون موجب:


باستخدام أي من عنصري البورون أو الجاليوم ليقوم أي منهما بمهمة تغيير طبيعة

السيليكون. وهذان العنصران يتسمان بميزة رئيسة في التكوين الذري لكل منهما، حيث

لا يوجد في أي منهما إلا ثلاثة إلكترونات خارجية، وبالتالي عندما يتم خلط أي من هذين

العنصرين مع عنصر السيليكون تتكون فيه فتحات نتيجة وجود إلكترون في السيليكون لا

يجد نظيراً له في العنصر الآخر لكي يتحد معه، وغياب هذا الإلكترون يؤدي عمل شحنة

موجبة. ووجود مثل هذه الفتحة على سطح السيليكون يمكن من اتحاد الإلكترون الحر

مع أي إلكترون قادم من أي عنصر آخر، مما يجعل من السيليكون من هذا النمط موصلاً

جيداً للطاقة.

هذه الكمية الضئيلة التي تضاف إلى السيليكون من أي من هذه العناصر الأربعة، هي

التي تحوله من مادة عازلة إلى موصل جيد، لكنه ليس ممتازا، ومن هنا جاءت تسمية

أشباه الموصلات.

والسيليكون الإيجابي أو السلبي لا يعمل بكفاءة،

ولكن عندما تضعهما سوياً ينتج عن

تفاعلهما ذلك السلوك المدهش الذي تقوم به أشباه الموصلات.

الصمام الثنائي


يعد الصمام الثنائي أصغر وأبسط جهاز ضمن أشباه الموصلات، حيث يسمح هذا الصمام

بتدفق التيار في أحد الاتجاهين دون الاتجاه الآخر. فأنت حين تقوم بوضع السيليكون

بنوعيه الموجب والسالب في أحد الصمامات الثنائية تنتج ظاهرة مثيرة للدهشة هي

التي تعطي الصمام الثنائي خصائصه المميزة.

فالتفاعل بين نوعي السيليكون السالب والموجب لم يؤت ثماره بعد، حيث لا تتولد عنه أي

كهرباء، والسبب في ذلك أن الإلكترونات السالبة في السيليكون من النوع السالب

تنجذب إلى الطرف الموجب من البطارية، في الوقت الذي تنجذب فيه الفتحات الموجبة

في النوع الموجب إلى الطرف السالب من البطارية. وعليه لا ينتج عن تفاعل نوعي

السيليكون أي تيار كهربائي نتيجة أن الإلكترونات والفتحات يتحرك كل منهما في الاتجاه

الخاطئ.

هنا يأتي دور الصمام الثنائي الذي يعمل على إعادة توجيه حركة الإلكترونات والفتحات

في الاتجاه الصحيح. ويكون الأثر الناتج عن هذه التفاعلات تدفق التيار بشكل جيد خلال

رقاقة السيليكون.

الترانزستورات والرقاقات


يتم تصنيع الترانزستور باستخدام ثلاث طبقات، بدلاً من الطبقتين اللتين تستخدمان في

صناعة الصمام الثنائي. والترانزستور يبدو وكأنه يضم صمامين وضعا في وضع عكسي

تجاه بعضهما البعض، وهذا الوضع العكسي يحول دون تدفق أي تيار من خلال الرقاقة

إلى حد كبير. ولكن عندما يتم تعريض الطبقة الوسطى من الترانزستور لنسبة ضئيلة من

التيار، فإن كمية أعلى من التيار سوف تتدفق عبر طبقات الترانزستور في مجمله، وهو

الأمر الذي يعطي الترانزستورات الطابع التحويلي الذي تتميز به من حيث انها يمكن من

خلالها لكمية ضئيلة من التيار أن تشغل أي تعطل كمية كبيرة من التيار.

والرقاقة قطعة من السيليكون يمكنها أن تحمل آلاف الترانزستورات، ومن خلال هذه

الترانزستورات التي تعمل كمحولات يمكن خلق بوابات بولونية يمكن عن طريقها تصنيع

رقائق المشغلات الدقيقة (الميكروبروسيسورز.