ملاحظات علمية عن إلكترونيات الطاقة: تعاطي أشباه الموصلات

في برنامج تعليمي سابق، تناولنا الحالة المثالية لأشباه الموصلات أحادية الذرة التي لا تحتوي على ذرات غريبة في المصفوفة البلورية. جسديا، وجود الشوائب أمر لا مفر منه. ومن الناحية التكنولوجية، فإن التعديل المناسب للشوائب يؤدي إلى زيادة الموصلية.

أشباه الموصلات من النوع N

تشير الاعتبارات التالية إلى شبه موصل أحادي الذرة (على سبيل المثال مصنوع من السيليكون أو الجرمانيوم) ولكن يمكن تعميمها بسهولة. دعونا نفكر في السيليكون على وجه الخصوص، ونتخيل استبدال أي ذرة بذرة الفوسفور (P). نظرًا لأنه عنصر خماسي التكافؤ، فإن إلكترونات التكافؤ الأربعة الأولى ترتبط بذرات السيليكون الأربعة الأولى المجاورة (تمامًا كما يحدث لعنصر خماسي التكافؤ) جوهري أشباه الموصلات، أي خالية من الشوائب). يبدو أن الإلكترون الخامس زائد (الشكل 1) ويخضع لمجال قوة الجذب (كولوم) لـ P⁺ أيون، ولكن أيضًا إلى مجال القوة الذي تمارسه أيونات البلورة والتي، كما هو محدد في الرقم السابق، لها طاقة دورية محتملة الخامس (س، ص، ض) مع فترة تساوي درجة شعرية.

كما نعلم، فإن تأثيرات V(x,y,z) تترجم رياضيًا إلى الاستبدال م_ه → م^∗ (الكتلة الفعالة للإلكترون) مما يسمح لنا بمعاملة الإلكترون كجسيم حر؛ كهروستاتيكيًا، تتصرف البلورة كوسط متجانس مع ثابت العزل الكهربائي ∈_ص (للسيليكون ∈_ص= 11.9). بدوره، أيون الفوسفور هو نظام الهيدروجين، أي الذرة التي، على الرغم من وجود عدد أكبر من الإلكترونات، تتصرف مثل ذرة الهيدروجين، لأن الطاقة الكامنة لجاذبية كولوم التي يتحرك فيها إلكترون التكافؤ هي –زي²/ ص أين: ز هو العدد الذري. ه القيمة المطلقة لشحنة الإلكترون؛ ص هو الإحداثيات الشعاعية. مستويات الطاقة هي:

في التعبير أعلاه، المطبق على حالتنا، يجب علينا إجراء البدائل التالية:

حيث أن فعال يتم تحديد مستويات الطاقة، أي المشكَّلة بواسطة الشبكة، بواسطة:

والآن نذكر أن نصف قطر بور يمكن الحصول عليها على النحو التالي:

وهو ما يعطينا فكرة عن “حجم” ذرة الهيدروجين في الحالة الأرضية. يمكننا تحديد نصف قطر بور لذرة الهيدروجين التي ندرسها، وإجراء عمليات الاستبدال (2)، والحصول على قيمة أعلى بكثير من نصف قطر بور للهيدروجين. فيزيائيًا، يعني ذلك أن الإلكترون يستكشف عددًا لا يستهان به من خلايا الشبكة، والتي يتم إدخال ∈ فيها_ص له سبب وجيه. دعونا نرى كيف تتغير طاقة التأين؛ وفي حالة ذرة الهيدروجين لدينا:

في حالتنا، نحصل على طاقة التأين حوالي 0.045 فولت ≪ ε_ز = 1.12 فولت (فجوة نطاق السيليكون). نشير إلى طاقة التأين بواسطة ε_د حيث المنخفض د يشير إلى حقيقة أن ذرة الفوسفور تتصرف ك جهات مانحة الذرة لأنها توفر الإلكترون. الذرات الخماسية الأخرى التي تتصرف بشكل مشابه مع الهياكل الشبكية لأشباه الموصلات هي الزرنيخ (As) والأنتيمون (Sb). طاقة التأين ε_د ولذلك فهي أقل بكثير من طاقة الروابط التساهمية، وذلك حتى عند درجات حرارة أقل من 300 كلفن ك، تتأين ذرة الفوسفور وينتقل الإلكترون بقوة إلى نطاق التوصيل.

ومع ذلك، لتحقيق تأثير يمكن اكتشافه تجريبيا، يجب علينا إزالة ليس ذرة سيليكون واحدة، ولكن عددا مجهريا من الذرات، واستبدالها بعدد متساو من الشوائب الخماسية التكافؤ. والنتيجة النهائية هي توليد كثيفة للغاية و-ε_د طيف المستوى المركزي، كما هو موضح في الشكل 2.

القرب الشديد من –ε_د إلى مستويات نطاق التوصيل يفضل انتقال الإلكترونات المقابلة إلى نطاق التوصيل. لقد أنشأنا بذلك شبه موصل حيث تأتي المساهمة المهيمنة في التوصيل من الإلكترونات. ومن هنا الاسم ن-نوع أشباه الموصلات.

أشباه الموصلات من النوع P

السيناريو المزدوج للسيناريو السابق هو استبدال ذرة السيليكون بذرة عنصر رباعي التكافؤ مثل البورون (B). في حالة عدم وجود إلكترون في تكوين الرابطة التساهمية المقابلة، يتم إنشاء ثقب تلقائيًا، وإذا كانت الطاقة الحرارية كافية، يمكن لأحد إلكترونات الذرة المجاورة أن يملأ الثقب ولكنه يولد إلكترونًا آخر (الشكل 3).

ومع التكوين الإلكتروني الجديد، تصبح ذرة البورون أيونًا سالبًا (B^–)، لذلك تعمل هذه الذرة كمستقبل. وبما أن الإلكترون “المضاف” يأتي من رابطة تساهمية، فإن طاقته الأولية تنتمي إلى نطاق التكافؤ وستكون الطاقة النهائية أعلى قليلاً. يؤدي استبدال عدد مجهري من ذرات السيليكون بذرات ثلاثية التكافؤ إلى توليد طيف كثيف جدًا من المستويات المتمركزة في قيمة معينة أعلى قليلاً من طاقة الجزء العلوي من نطاق التكافؤ، كما هو موضح في الشكل 4. يتم ملء هذه المستويات بواسطة نطاق مجهري عدد الإلكترونات الذي يتوافق مع عدد متساو من الثقوب في نطاق التكافؤ. ولذلك أنشأنا خارجيا ص– نوع من أشباه الموصلات لأن المساهمة المهيمنة في الموصلية تأتي من الثقوب.

خاتمة

لقد قدمنا ​​نموذجًا إرشاديًا لشرح تعاطي المنشطات لأشباه الموصلات الأحادية الذرة. من الناحية التكنولوجية، كان تعاطي المنشطات هو الخطوة الأولى لإنشاء pn التقاطعات. من الناحية الظواهرية، كان من الممكن أن يكون أكثر إثارة للاهتمام دراسة سلوك الكائنات غير المنفصلة والمترابطة معدنيًا ص-النوع و نمن أشباه الموصلات من النوع، ولكن شبه موصل واحد يحتوي على كلا المنشطات.

مراجع

¹ ميلمان ج.، جرابيل أ.، الالكترونيات الدقيقة.
² شوكلي دبليو، الإلكترونات والثقوب في أشباه الموصلات. (فان نوستراند، برينستون). 1950.
³ كيتل سي، مقدمة في فيزياء الحالة الصلبة.
⁴ ملاحظات علمية على إلكترونيات الطاقة.

التدوينة ملاحظات علمية عن إلكترونيات الطاقة: تعاطي أشباه الموصلات ظهرت للمرة الأولى على أخبار إلكترونيات الطاقة.