ما هي الفجوة الفرقة للموصلات شبه؟

مرحبًا يا من هناك! كمورد شبه موصل ، غالبًا ما يتم سؤالني عن فجوة الفرقة في أشباه الموصلات. لذلك ، اعتقدت أنني سأجلس وأجري محادثة معك جميعًا حول ما هو عليه ، ولماذا يهم ، وكيف يؤثر على عالم أشباه الموصلات.

لنبدأ بالأساسيات. ما هي بالضبط فجوة الفرقة؟ حسنًا ، في مادة صلبة ، توجد الإلكترونات في مستويات الطاقة المختلفة. يتم تجميع مستويات الطاقة هذه في نطاقات. هناك شريطان رئيسيان مهتمين بهما عندما يتعلق الأمر بأشباه الموصلات: فرقة التكافؤ ووزارة التوصيل.

نطاق التكافؤ هو النطاق الذي ترتبط فيه الإلكترونات بإحكام بذرات المادة. هذه الإلكترونات ليست حرة في التحرك وإجراء الكهرباء بسهولة. من ناحية أخرى ، فإن نطاق التوصيل هو المكان الذي يمكن أن تتحرك فيه الإلكترونات بحرية وتحمل تيار كهربائي.

فجوة النطاق هي الفرق في الطاقة بين الجزء العلوي من نطاق التكافؤ وأسفل نطاق التوصيل. إنها مثل "المنطقة المحرمة" للإلكترونات. تحتاج الإلكترونات إلى الحصول على طاقة كافية للقفز عبر هذه الفجوة من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل قبل أن تتمكن من المساهمة في التوصيل الكهربائي.

الآن ، قد تتساءل ، لماذا فجوة الفرقة مهمة للغاية؟ حسنًا ، يلعب دورًا مهمًا في تحديد الخواص الكهربائية لأشباه الموصلات. استنادًا إلى حجم فجوة النطاق ، يمكننا تصنيف المواد إلى موصلات وأشباه الموصلات والعوازل.

في الموصلات ، مثل المعادن ، يتداخل نطاق التكافؤ وفرقة التوصيل. هذا يعني أن هناك دائمًا الكثير من الإلكترونات المجانية المتاحة لحمل تيار كهربائي ، ويمكنها التحرك بسهولة. ونتيجة لذلك ، فإن الموصلات لها مقاومة منخفضة للغاية وهي ممتازة في إجراء الكهرباء.

العوازل ، من ناحية أخرى ، لها فجوة كبيرة جدًا في الفرقة. من الصعب للغاية على الإلكترونات الحصول على ما يكفي من الطاقة للقفز من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل. لذلك ، فإن العوازل لديها مقاومة عالية للغاية ولا تدير الكهرباء بشكل جيد.

تقع أشباه الموصلات في مكان ما بينهما. لديهم فجوة فرقة معتدلة. في درجة حرارة الصفر المطلقة ، يتصرف أشباه الموصلات مثل عازل لأنه لا توجد إلكترونات في نطاق التوصيل. ولكن مع زيادة درجة الحرارة ، تكتسب بعض الإلكترونات طاقة حرارية كافية للقفز عبر فجوة النطاق ودخول نطاق التوصيل. هذا يخلق عددًا صغيرًا من الإلكترونات والثقوب الحرة (عدم وجود إلكترون في نطاق التكافؤ) يمكن أن يسهم في التوصيل الكهربائي.

القدرة على التحكم في عدد الإلكترونات والثقوب الحرة في أشباه الموصلات هي ما يجعلها مفيدة للغاية في الأجهزة الإلكترونية. عن طريق إضافة الشوائب إلى أشباه الموصلات (عملية تسمى تعاطي المنشطات) ، يمكننا زيادة تعديل خصائصه الكهربائية. على سبيل المثال ، فإن إضافة كمية صغيرة من الشوائب الخماسية (عنصر مع خمسة إلكترونات التكافؤ) إلى أشباه الموصلات مثل السيليكون يخلق أشباه الموصلات من النوع N ، والتي لديها فائض من الإلكترونات الحرة. إضافة شوائب ثلاثية التكافؤ (عنصر مع ثلاثة إلكترونات التكافؤ) ينشئ أشباه أشباه الموصلات من النوع AP ، والتي لديها فائض من الثقوب.

تؤثر فجوة النطاق أيضًا على خصائص أشباه الموصلات الأخرى ، مثل خصائصها البصرية. يمكن أن تمتص أشباه الموصلات ذات الفجوة المناسبة للفرقة الفوتونات من الضوء وتوليد أزواج ثقب الإلكترون. هذا هو المبدأ وراء الخلايا الشمسية ، التي تحول أشعة الشمس إلى كهرباء. على العكس ، عندما يعيد إلكترون وثقب إعادة تجميع في أشباه الموصلات ، يمكن أن ينبعث منها فوتون من الضوء. يتم استخدام هذا في الضوء الثنائي المنبعث (LEDs) وليزر أشباه الموصلات.

هناك أنواع مختلفة من فجوات النطاق في أشباه الموصلات: فجوات النطاق المباشرة وغير المباشرة. في أشباه الموصلات الفجوة المباشرة للفرقة ، يحدث الحد الأدنى من نطاق التوصيل والحد الأقصى من نطاق التكافؤ في نفس النقطة في مساحة الزخم. هذا يعني أنه عندما يعيد إلكترون وثقب إعادة تجميعها ، يمكنهم بسهولة أن ينبعثوا من فوتون من الضوء. تشمل أمثلة أشباه الموصلات الفجوة المباشرة للفرقة أرسينيد الغاليوم (GAAs) ، والتي تستخدم على نطاق واسع في الأجهزة الإلكترونية البصرية.

في أشباه الموصلات الفجوة غير المباشرة ، يحدث الحد الأدنى من نطاق التوصيل والحد الأقصى لانتقال التكافؤ في نقاط مختلفة في مساحة الزخم. بالنسبة لإيجاد الإلكترون - إعادة التركيب على انبعاث الفوتون ، يشارك أيضًا فونون (كمية من اهتزاز الشبكة) للحفاظ على الزخم. هذا يجعل العملية أقل كفاءة لانبعاثات الضوء. السيليكون هو مثال على أشباه أشباه الموصلات الفجوة غير المباشرة ، ويستخدم بشكل أساسي في الأجهزة الإلكترونية بدلاً من الأغاني الضوئية.

عندما يتعلق الأمر بتصنيع أشباه الموصلات ، فإننا نستخدم مجموعة متنوعة من الأدوات والمواد. على سبيل المثال،قارورة مخروطيةغالبًا ما يستخدم في العمليات الكيميائية المشاركة في تصنيع أشباه الموصلات. هذه القوارير رائعة لخلط وتخزين المواد الكيميائية بأمان.أنابيب الكوارتزهي أيضا ضرورية. يتم استخدامها في عمليات درجات الحرارة العالية مثل الصلب ، حيث يتم تسخين مادة أشباه الموصلات لتعديل خصائصها. وشفة الكوارتزيستخدم في معدات معالجة أشباه الموصلات للاحتفاظ ودعم الرقاقات خلال العمليات المختلفة.

كمورد شبه موصل ، أفهم أهمية توفير أشباه الموصلات عالية الجودة مع فجوات النطاق التي يتم التحكم فيها بشكل جيد. سواء كنت تعمل على تطوير الأجهزة الإلكترونية أو الجيل التالي أو الألواح الشمسية أو المكونات الإلكترونية البصرية ، فإن وجود مادة أشباه الموصلات المناسبة أمر بالغ الأهمية.

إذا كنت في السوق لأشباه الموصلات وترغب في معرفة المزيد حول كيفية تأثير فجوة النطاق على أداء منتجاتك ، أو إذا كان لديك متطلبات محددة لمشاريعك ، فأنا أحب الدردشة معك. يمكننا مناقشة الأنواع المختلفة من أشباه الموصلات المتاحة ، وخصائص فجوة الفرقة ، وكيف يمكن أن تناسب احتياجاتك. لذلك ، لا تتردد في التواصل وبدء محادثة حول مشتريات أشباه الموصلات.

مراجع

• "فيزياء الحالة الصلبة" بقلم آشكروفت و ميرمين
• "فيزياء وأجهزة أشباه الموصلات" بقلم دونالد أ. نايمين