أ.د. حمد البريثن الفيزياء – جامعة الملك سعود – السعودية

يبرز اسم أشباه الموصلات (Semiconductors) بصفته جزءًا رئيسًا من المصطلحات العلمية الدارجة في التطورات التقنية والداخلة في الكثير من الصناعات الاقتصادية والاستراتيجية. لذلك من الجيد معرفة خصائص المواد شبه الموصلة، وتميزها عن المواد العازلة (Insulators) والمواد الموصلة (Conductors). 

 يمكن تصنيف المواد من حيث توصيليتها الكهربائية إلى ثلاثة أنواع رئيسة، وهي: 1) مواد موصلة، 2) مواد عازلة، 3) مواد شبه موصلة. تُقاس توصيلية المادة الكهربائية عن طريق معرفة كمية التيار الكهربي (Electric Current) المار في المادة نتيجة تطبيق جهد كهربي ثابت (Electric Voltage)، يكون التيار الكهربي في المواد الموصلة أكبر منه في المواد شبه الموصلة أو العازلة. 

تختلف المواد عن بعضها من ناحية التوصيل الكهربي، بناءً على ما يسمى بالتركيب الإلكتروني (Electronic Structure) للمواد، فمن خلاله تنعكس الخصائص الكهربية للتوصيل. بشكل مبسط يمكن البدء بالتعرف على التركيب الذري للمادة، ومن ثم يتم التعريج على كيفية انعكاس ذلك على التركيب الإلكتروني لها. تتركب الذرة من نواة موجبة يدور حولها مجموعة من الإلكترونات ذات الشحنة السالبة. توجد تلك الإلكترونات في مدارات محددة؛ حيث ترتفع طاقة كل مدار حسب بُعدِه عن النواة الموجبة، ويُسمى آخر مستوى مشغول بمستوى التكافؤ، والمدارات التي تليه تكون شاغرة. في حال وُجِدت الذرات بترتيب بلوري، فإن المدارات الإلكترونية لمستويات التكافؤ والتي تليها تتداخل بشكل يحولها من مستويات شبه دائرية حول النواة الواحدة إلى نطاقات متصلة ببعضها البعض. يبين الشكل (1-أ) نطاق التكافؤ، المشغول، (Valence Band) وكذلك نطاق التوصيل، الشاغر، (Conduction Band) لتشكيل النطاقات الإلكترونية. 

تختلف المواد عن بعضها من ناحية التوصيل الكهربي، بناءً على ما يسمى بالتركيب الإلكتروني (Electronic Structure) للمواد، فمن خلاله تنعكس الخصائص الكهربية للتوصيل. بشكل مبسط يمكن البدء بالتعرف على التركيب الذري للمادة، ومن ثم يتم التعريج على كيفية انعكاس ذلك على التركيب الإلكتروني لها. تتركب الذرة من نواة موجبة يدور حولها مجموعة من الإلكترونات ذات الشحنة السالبة. توجد تلك الإلكترونات في مدارات محددة؛ حيث ترتفع طاقة كل مدار حسب بُعدِه عن النواة الموجبة، ويُسمى آخر مستوى مشغول بمستوى التكافؤ، والمدارات التي تليه تكون شاغرة. في حال وُجِدت الذرات بترتيب بلوري، فإن المدارات الإلكترونية لمستويات التكافؤ والتي تليها تتداخل بشكل يحولها من مستويات شبه دائرية حول النواة الواحدة إلى نطاقات متصلة ببعضها البعض. يبين الشكل (1-أ) نطاق التكافؤ، المشغول، (Valence Band) وكذلك نطاق التوصيل، الشاغر، (Conduction Band) لتشكيل النطاقات الإلكترونية. 

عندما يكون هنالك مناطق مشتركة بين نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل أو حال وجود نطاق تكافؤ غير ممتلئ فإن المادة تكون موصلة كهربائيا، أما في حال وجود فجوة طاقة (Bandgap) بين نطاق التكافؤ والتوصيل فإن المادة تكون إما شبه موصلة أو عازلة. في حال وجود فجوة طاقة عالية فإن المادة تكون عازلة وفي حال أن تلك الطاقة للفجوة صغيرة نسبيا فإن المادة تصنف على أنها مادة شبه موصلة. تاريخيا وحتى الآن فإن الفرق بين المادة العازلة وشبه الموصلة غير ثابت؛ حيث أصبحت تقريبا جميع المواد العازلة تدخل كمواد شبه موصلة في الكثير من التطبيقات الحديثة. في الحالة التي يكون فيها نطاق التكافؤ ملاصقًا لنطاق التوصيل (وهذه حالة خاصة) كما في مادة الجرافين، فإن المادة تُسمى شبه معدنية (Semi-Metal) بسبب أنها قريبة من التركيبة الإلكترونية للمعادن، الموصلات. يوضح الشكل (1-ب) نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل بشكل آخر، حيث يؤخذ فيه مفهوم كمية الحركة للإلكترونات (Electronic Momentum)، بالإضافة للطاقة كما هو مبين. يمثل المحور الأفقي في الشكل (1-ب) كمية الحركة بينما يمثل المحور الرأسي مستوى الطاقة، ومن ذلك يكون الفرق بين أقل مستوى للطاقة في نطاق التوصيل وأعلى مستوى للطاقة في نطاق التكافؤ يساوي مقدار فجوة الطاقة الممثل في الشكل (1-أ). 

 تتأثر أشباه الموصلات والعوازل الكهربائية بارتفاع درجة الحرارة، حيث يؤدي ذلك لزيادة توصيليتها الكهربائية بعكس المواد الموصلة. يمكن زيادة توصيلية أشباه الموصلات والعوازل عن طريق ما يسمى بالتشويب (Doping)، حيث يتم وضع ذرة لها عدد إلكترونات (n-type Dopant) أكثر مكان ذرة من مادة شبه الموصل مما يزيد من حاملات الشحنة السالبة الحرة (Negative Free Charges)، أو ذرة لها عدد إلكترونات أقل (p-type Dopant) مما يسمح بوجود نطاقات خالية من الإلكترونات تسمح بحركتها بسهوله، وهذا ما يسمى بالفجوات الموجبة (Positive Hole-Charges)، حيث إنها تمثل وجود نطاقات شاغرة للإلكترونات مما يمكن تمثيله بوجود شحنات موجبة حرة (Positive Free Charges) تتحرك ضد حركة الإلكترونات لسهولة المعالجة الرياضية. تكون نسب التشويب محدودة جدا حيث تكون عمليا بحدود 1/10000إلى 1/100، وذلك لكي لا تتغير التركيبة الأساسية للمادة المبلورة وبناء عليه بنيتها الإلكترونية. 

يمكن تصنيف مواد أشباه الموصلات بعدة طرق من أهمها التصنيف المبني على طبيعة المادة الكيميائية هل تكون مركبة أم لا، حسب الآتي:

1. أشباه موصلات العناصر(Elemental Semiconductors) : مثل السيليكون والجرمانيوم.
2. أشباه موصلات المركبات (Compound Semiconductors): مثل زرنيخ الغاليوم وكبريت الكادميوم وأوكسيد الزنك.

كذلك بالإمكان تصنيف أشباه الموصلات بناء على مكان أقل مستوى توصيل وأعلى مستوى تكافؤ، حيث تصبح:

1. مواد شبه موصلة ذات فجوة طاقة مباشرة (Direct Bandgap) حال كون كميتيهما الحركية متساوية.
2. مواد شبه موصلة ذات فجوة طاقة غير مباشرة (Indirect Bandgap) حال اختلاف كميتي الحركة بينهما. 

يمكن تصنيف مواد أشباه الموصلات بعدة طرق من أهمها التصنيف المبني على طبيعة المادة الكيميائية هل تكون مركبة أم لا، حسب الآتي:

1. أشباه موصلات العناصر(Elemental Semiconductors) : مثل السيليكون والجرمانيوم.
2. أشباه موصلات المركبات (Compound Semiconductors): مثل زرنيخ الغاليوم وكبريت الكادميوم وأوكسيد الزنك.

كذلك بالإمكان تصنيف أشباه الموصلات بناء على مكان أقل مستوى توصيل وأعلى مستوى تكافؤ، حيث تصبح:

1. مواد شبه موصلة ذات فجوة طاقة مباشرة (Direct Bandgap) حال كون كميتيهما الحركية متساوية.
2. مواد شبه موصلة ذات فجوة طاقة غير مباشرة (Indirect Bandgap) حال اختلاف كميتي الحركة بينهما. 

في المجال التطبيقي يمكن كذلك تصنيف أشباه الموصلات بناء على مقدار فجوة الطاقة، وطبيعة مناسبة هذا المقدار في الواقع العملي، وكذلك طبيعة تركيبها البلوري (Crystal Structure) وتناظره (Symmetry)، يضاف لذلك قدرة الإلكترونات والفجوات الموجبة على الحركة السريعة، الحركية، (Mobility) والاستجابة للترددات العالية، مما يُمكِّن من استخدامها في المعالجات السريعة. لا يمكن حصر التصنيفات المرتبطة بأشباه الموصلات حيث تتعدد بناء على طبيعة المجتمعات البحثية والصناعية وكذلك التطبيقات المرتبطة بها.