ما هي أنصاف النواقل

قد يكون مصطلح أنصاف النواقل غربيًا نوعًا ما وخصوصًا لغير المختصين في الفيزياء والإلكترونيات، ولكن ومع ذلك فإن المواد نصف الناقلة هي أساس صناعة الأجهزة الإلكترونية على اختلاف أنواعها وتصميماتها.

يعتمد تصنيف المواد من وجهة نظرٍ كهربائيةٍ على ناقليتها للكهرباء، حيث تعرف الناقلية بأنها سماحية المادة لنقل التيار الكهربائي خلالها.

وتصنف المواد في الطبيعية إلى ثلاث أصنافٍ رئيسيةٍ هي:

تتميز المواد الناقلة بامتلاك ذراتها لإلكترونات free electrons تحمل الشحنة الكهربائية وتنقلها عبر ذرات المادة وبالتالي تؤدي لمرور التيار الكهربائي عبرها، ويعبر عن ذلك بالقول أن المواد الناقلة ذات مقاومةٍ نوعيةٍ منخفضةٍ.

تعتبر المعادن بشكلٍ عام (كالنحاس و الألمنيوم والنحاس وغيرها) أمثلة جيدة على المواد الناقلة، وهي تقع بشكلٍ رئيسيٍّ على يسار الجدول الدوري للعناصر.

أما المواد العازلة فلا تمتلك إلكترونات حرة، حيث تكون إلكترونات ذراتها ملتصفة في مداراتها ولا يمكن لها الحركة بين الذرات، ويعبر عن ذلك بالقول أن المواد العازلة ذات مقاومةٍ نوعيةٍ عاليةٍ.

وبشكلٍ عام يمكن القول بأن المواد العازلة تتواجد على يمين الجدول الدوري للعناصر.

تأتي المواد نصف الناقلة كحالةٍ وسيطةٍ بين المواد الناقلة والمواد نصف الناقلة فهي تتميز بمقاومةٍ نوعيةٍ متوسطة القيمة بين المقاومة النوعية للعوازل والمقاومة النوعية للنواقل.

أشهر الأمثلة على المواد نصف الناقلة السيليكون ويرمز له في الجدول الدوري بالرمز Si وكذلك الجرمانيوم ويرمز له بالرمز Ge، وتعود شهرة هذين العنصرين بالذات لاستخدامهما في تصنيع الشرائح والرقاقات الإلكترونية من الدارات المتكاملة حتى المعالجات الرقمية.

حسنًا طالما أن الإلكترونات هي حوامل الشحنة الرئيسية في كثيرٍ من المواد (هناك حوامل شحنةٍ أخرى بشكلٍ عام)، لذلك لفهم طبيعة أنصاف النواقل لابد من فهم البنية الإلكترونية لذرات المواد النصف ناقلة.

يوضح الشكل أعلاه تمثيلًا مبسطًا لمادة نصف ناقلةٍ نقيةٍ (سيلكيون أن جرمانيوم) ونقصد بكلمة نقيةٍ أي أنها لا تحوي على شوائبٍ.

يظهر من الشكل أن كل ذرة سيليكون( أو جرمانيوم) تمتلك أربع إلكتروناتٍ على مدارها السطحي، حيث تتشارك كل ذرةٍ مع جارتها بهذه الإلكترونات لتمتلك كل ذرةٍ ثمانية إلكتروناتٍ في طبقتها السطحية، وبالتالي تصل لحالة الإستقرار.

لكن ما المقصود بحالة الاستقرار؟ عندما تصل أي ذرةٍ لحالة الاستقرار فإنها لن تتخلى عن أي إلكترونٍ من إلكتروناتها بسهولةٍ، ويلزمنا طاقة لانتزاع هذه الإلكترونات، قد تكون هذه الطاقة ببساطةٍ ارتفاعٌ بسيطٌ في درجة حرارة المادة عبر تسخينها.

وكنتيجةٍ نجد أن أنصاف النواقل النقية هي عوازلٌ في درجات الحرارة الباردة، وتتحسن ناقليتها مع زيادة درجة الحرارة.

صحيحٌ ان أنصاف النواقل تستخدم في صناعة الرقاقات والشرائح الإلكترونية، إلا أنها لا تستخدم في حالتها النقية، بل يتم إشابتها بعناصرٍ أخرى وبنسبٍ منخفضةٍ بهدف تحسين ناقليتها.

بشكلٍ عام لدينا نوعين أساسيين من الإشابة:

يقصد بالإشابة من النمط N إضافة مادة تمتلك في طبقتها السطحية إلكترونًا إضافيًا (أي خمس إلكترونات) إلى مادة السيليكون.

عند إضافة هذه المادة فإن أربعةً من إلكتروناتها ستشكل روابط مع باقي ذرات السيليكون وبالتالي سيبقى الإلكترون الخامس حرًا طليقًا، مما يعني أننا حصلنا على ناقلٍ للشحنة أي أن الناقلية ازدادات.

يقصد بالإشابة من النمط P إضافة مادةٍ تمتلك في طبقتها السطحية ثلاثة إلكتروناتٍ فقط (أي أقل من إلكترونات السيليكون السطحية بإلكترونٍ واحدٍ) إلى مادة السيليكون.

عند إضافة هذه المادة فإن الإلكترونات السطحية الثلاثة ستشكل روابط مع ثلاث إلكترونات من ذرة السيليكون مخلفة بذلك رابط غير مكتملةٍ أو ما يسمى بالثقب أو الفجوة Holes، يعمل هذا الثقب على زيادة ناقلية المادة.

ختامًا فإن ما ذكرناه في مقالتنا هذه يعتبر ألف باء أنصاف النواقل وهناك المزيد من المعلومات وحتى التخصصات المتعلقة بهذه المواد، بحاجةٍ إلى مزيدٍ من البحث والدراسة والإطلاع إن كنت من المهتمين، لكن تذكر دومًا أنك تحمل في جيبك أو حقيبتك منتجات (هاتفك أو حاسبك المحمول) لم يكن لها أي معنى لولا اكتشاف أنصاف النواقل.