الأشابة

اشابه

Doping - Dopage

الإشابة

خالد المصري

تطعيم أنصاف النواقل العنصرية

تطعيم أنصاف النواقل المركبة

الإشابة أو التطعيم doping هو الإضافة المُتَعمَّدة لمقادير محدَّدة من ذرات شائبة dopants معيَّنة إلى مادة نصف ناقلة؛ بغرض تغيير ناقليتها الكهربائية النوعية specific electrical conductivity بوساطة زيادة تركيز الإلكترونات أو الثقوب فيها. تُسمى الشوائب التي تُزيد تركيز الإلكترونات شوائب مانحة donors، ويُقال عن نصف الناقل إنه من النوع n (لأن شحنة الإلكترون سالبة)؛ وتُسمى الشوائب التي تُزيد تركيز الثقوب آخذة acceptors، ويُقال عن نصف الناقل إنه من النوع p (لأن شحنة الثقب موجبة). كما يُقال عن أنصاف النواقل المُطعَّمة قليلاً أو باعتدال أنها لاذاتية extrinsic، أما عندما يكون تركيز الشوائب كبيراً جداً فيقال إن نصف الناقل منكَّس degenerate. تضاف الشوائب - عملياً - قبل التنمية البلورية لنصف الناقل، أو في المراحل اللاحقة باستعمال تقنيات الانتشار أو الزرع الإيوني.

أمَّا الخليطة alloy فهي المحلول الصلب لعنصر أو أكثر في مصفوفة معدنية، وتكون نسبتها أعلى بمرتبة أو أكثر مما هي عليه في الإشابة، فتنتج منها مادة جديدة لها خواص أفضل من العناصر الممزوجة. على سبيل المثال: النحاس الأصفر brass هو خليطة من النحاس والتوتياء، وهذه الخليطة يمكن أن تطعّم عندما تكون نصف ناقلة فتميز على أنها أنصاف نواقل مركبة، وتسمى الأخرى عندئذ عناصر.

تطعيم أنصاف النواقل العنصرية

يمكن الإشارة إلى تطعيم السليكون مثالاً على الإشابة؛ الذي يُعدّ أكثر أنصاف النواقل استعمالاً في الصناعة، فهو رباعي التكافؤ (أي يحوي أربعة إلكترونات في طبقته الخارجية)، من ثمَّ، تكون عناصر الفصيلة الخامسة (P و As و Sb)، الخماسية التكافؤ مانحة؛ ذلك أنه حين تحل ذرة منها محل ذرة سليكون؛ فإنها ترتبط بذرات السليكون الأربع المجاورة لها، ويبقى لديها إلكترون إضافي ضعيف الارتباط بها، يمكنها التخلي عنه بسهولة ليصبح إلكتروناً حراً يساهم في الناقلية الكهربائية للمادة.

يبيّن الشكل (1) نصف ناقل من النوع n؛ وفق ما يُسمى نموذج الروابط ونموذج القطاعات (العُصابات) الطاقية. ويُلاحَظ أن السوية الطاقية للإلكترونات الإضافية (الإلكترون الخامس لذرة الأنتموان) قريبة جداً من أسفل قطاع الناقلية، مما يعني أنها تستطيع الانتقال إلى هذا القطاع بسهولة لتصبح إلكترونات حرة في المادة. يتغير موضع سوية فيرمي Fermi بتغير تركيز الإشابات ، ويمثل ابتعاده عن منتصف فجوة الطاقة ابتعاد نصف الناقل عن الناقلية الذاتية من دون شوائب.

الشكل (1)

إن عناصر الفصيلة الثالثة (B و Ga و In و Al) - الثلاثية التكافؤ - آخذة؛ إذ حين تحل ذرة منها محل ذرة سليكون؛ فإنها ترتبط بإلكتروناتها الثلاثة بثلاثٍ من ذرات السليكون الأربع المجاورة لها، وينقصها إلكترون كي توفر الروابط الأربع اللازمة، تأخذه من ذرة سليكون مجاورة (بكسر الرابطة بين ذرتين من السليكون)، وهذا ما يعبّر عنه بالثقب hole، وهو يساهم بالناقلية الكهربائية للمادة.

يبين الشكل (2) نصف ناقل من النوع p، حيث السوية الطاقية للثقوب الإضافية قريبة جداً من أعلى قطاع التكافؤ، وهذا يعني أن الإلكترونات تستطيع الانتقال من هذا القطاع إلى هذه السوية بسهولة تاركةً وراءها ثقوباً حرة، وتقوم سوية فيرمي بالابتعاد عن المنتصف - كما في حالة المانحات - تبعاً لتغير تركيز هذا النوع من الشوائب.

الشكل (2)

ينبغي أن تكون الشائبة (مانحة أو آخذة ) استبدالية substitutional ، بمعنى أنها تحل محل ذرة نصف الناقل، كما يجب أن يكون موضع السويات الطاقية التي تولدها في الفجوة الطاقية قريباً من أسفل قطاع الناقلية أو من أعلى قطاع التكافؤ؛ إذ تكون طاقات إحداثها منخفضة فتدعى شوائب ضحلة shallow impurities؛ على العكس من الشوائب العميقة التي تولد سويات طاقية قريبة من منتصف الفجوة. كما ينبغي أن تكون انحلالية الشوائب جيدة في نصف الناقل، فلا يمكن استعمال ذرات كبيرة مثل الباريوم شوائب في نصف ناقل ذراته صغيرة، كما لا يمكن استعمال شوائب خاملة كيميائياً مثل الغازات النادرة.

تطعيم أنصاف النواقل المركبة

تزيد احتمالات نتائج التطعيم عند أخذ أنصاف نواقل مركبة أو محاليل صلبة، مثل حالة أنصاف النواقل المركبة III-V (التي شاع استعمالها مؤخراً)، ومن ثم يمكن أن يحل عنصر من الفصيلة II محل عنصر من الفصيلة III للحصول على الآخذات؛ أو أن يحل عنصر من الفصيلة V محل عنصر من الفصيلة IV للحصول على المانحات.

ويمكن أيضاً أن يحل عنصر من الفصيلة IV محل كلٍ من عنصري الفصيلة III وV فتتولد سويات آخذة أو مانحة في الفجوة الطاقية لبعض المركبات، ويدعى هذا التطعيم مذبذباً amphoteric. فعلى سبيل المثال يمكن لذرات السليكون في GaAs أن تحل محل ذرات Ga فتكون مانحة، أو مكان As فتكون آخذة. ومن جهة أخرى يمكن أن تحل ذرة لها عدد إلكترونات التكافؤ isoelectronic نفسه محل ذرات المركب، كأن يحل عنصر من الفصيلة III محل عنصر آخر من الفصيلة III للمركب. وهذا يؤدي إلى فرق في الجزء الإيوني من الرابطة (في المركب III-V) مما يغير الكمون الموضعي local potential، ولهذا آثار في خواص المادة، وفي هذه الحالة لا يتغير تركيز الإلكترونات أو الثقوب وإنما تتغير عودتها إلى الاتحاد recombination.

التعويض compensation

يوجد - عادة - أكثر من نوع من الشوائب في نصف الناقل اللا ذاتي فيمكن أن تلغي بعضها آثار بعض. فإذا كان تركيز المانحات Nd مساوياً لتركيز الآخذاتNa ، فإن الإلكترونات التي تعطيها الأولى تُستعمل لإعادة الروابط المكسورة الناتجة من الآخذات، وهكذا لا ينتج من التطعيم حوامل شحنة حرة من أيٍ من النوعين (إلكترونات أو ثقوب). تُعرف هذه الظاهرة بالتعويض، وقد يكون التعويض كلياً (Na=Nd) أو جزئياً (Nd لا تساوي Na). ويستفاد من هذه للحصول على خصائص مختلفة عن الخواص الكهربائية مثل الخواص المغنطيسية .

تغير الخواص الكهربائية والمغنطيسية نتيجة التطعيم

يغير التطعيم الخواص الكهربائية والمغنطيسية لنصف ناقل، وفي مقدمتها المقاومة الكهربائية . تُعطى المقاومة الكهربائية النوعية (المقاومية electrical resistivity) لنصف ناقل بالعلاقة:

حيث q شحنة الإلكترون، وn وμn تركيز الإلكترونات وحركيتها ( زيادة سرعتها بتطبيق واحدة الحقل)، و p و mpتركيز الثقوب وحركيتها. وفي درجة حرارة الغرفة تعدّ الشوائب جميعها مؤيّنة وبالتالي n=Nd (نصف ناقل من النوع n ) أو p=Na (نصف ناقل من النوع p )؛ ومن ثم تتناقص ρ بازدياد تركيز الشوائب (الشكل 3). يعود تغير ميل المنحني إلى تناقص الحركية بازدياد تركيز الشوائب (الشكل 4)، ما يؤدي إلى ازدياد ρ.

وفي حالة التطعيم المغنطيسي، يجري إدخال شوائب من المعادن الانتقالية مثل Mn وCr، مما يؤدي إلى تغير بعض خواص المادة تغيّراً كبيراً. فمثلاً عند تطعيم عينات من GaN بهذه الشوائب؛ فإنها تصبح مغنطيسية حديدية ferromagnetic، وقد فُسِّر ذلك بالتأثير التبادلي s-d؛ أي التأثير بين سبينات (اللف الذاتي ) الإلكترونات والعزوم الموضعية للمعدن الانتقالي.

الشكل (3)

الشكل (4)

تطبيقات التطعيم

يوفر التطعيم وسيلةً لتغيير الناقلية الكهربائية لنصف الناقل ضمن مجالٍ واسع، حتى إنه يمكن تغيير نوع نصف الناقل من n إلى p ؛ وهذا ما أعطى أنصاف النواقل أهميةً كبيرةً، فبذلك يمكن تصنيع الدارات المتكاملة العناصر والإلكترونية مثل الديودات pn بأنواعها والترانزستورات بأنواعها المختلفة.

التصنيف : الكيمياء اللاعضوية

النوع : الكيمياء اللاعضوية

المجلد: المجلد الثاني

رقم الصفحة ضمن المجلد : 0

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية