04 رابعًا: التطعيم (إضافة الشوائب) — النوع n والنوع p
- تتميز أشباه الموصلات بحساسية شديدة للشوائب (Impurities).
- التطعيم (Doping): إضافة كمية ضئيلة جدًا من ذرات عنصر آخر (شوائب) إلى بلورة شبه الموصل النقية لتحسين توصيليتها.
أ) شائبة خماسية التكافؤ → النوع n
- السيليكون من المجموعة الرابعة، فإضافة عنصر من المجموعة الخامسة مثل الفوسفور (P) أو الأنتيمون (Sb) تحل ذرته محل ذرة سيليكون.
- للذرة الشائبة 5 إلكترونات: 4 منها تشترك في الروابط ويبقى إلكترون واحد خارج الروابط، قوى الجذب عليه ضعيفة فيفقده بسهولة وتصبح الذرة أيونًا موجبًا.
- هذا الإلكترون ينضم إلى رصيد البلورة من الإلكترونات الحرة، فللبلورة مصدر آخر للإلكترونات الحرة هو ذرات الشوائب.
- تسمى الذرة الشائبة الذرة المعطية (Donor).
- يتحقق الاتزان الحراري بالعلاقة:
\(n = p + N_{D}\)
حيث \(N_{D}\) تركيز أيونات الشوائب المعطية، n تركيز الإلكترونات الحرة، p تركيز الفجوات.
- n أكبر من p، فتسمى البلورة من النوع n (n-type) وحاملات الشحنة الأغلبية فيها الإلكترونات.
ب) شائبة ثلاثية التكافؤ → النوع p
- عند إضافة عنصر من المجموعة الثالثة مثل الألومنيوم (Al) أو البورون (B) بدلًا من السيليكون، تكتسب الذرة الشائبة (3 إلكترونات) إلكترونًا من إحدى روابط السيليكون لتكمل أربعة.
- تظهر فجوة في رابطة السيليكون، فتضيف الشوائب فجوات غير التي نشأت بالحرارة.
- تسمى الذرة الشائبة الذرة المستقبلة (Acceptor)، وتتحول إلى أيون سالب.
- يتطلب الاتزان:
\(p = N_{A} + n\)
- p أكبر من n، فالبلورة من النوع p (p-type) وحاملات الشحنة الأغلبية الفجوات.
قانون فعل الكتلة
- في جميع الأحوال:
\(n p = n_{i}^{2}\)
حيث \(n_{i}\) تركيز الإلكترونات (أو الفجوات) في السيليكون النقي عند درجة الحرارة نفسها.
- أي أنه إذا زاد n نقص p والعكس.
- تقريبًا: في النوع n: \(n \approx N_{D}\) و \[\begin{gathered}p = \dfrac{n_{i}^{2}}{N_{D}}\end{gathered}\]. وفي النوع p: \(p \approx N_{A}\) و \[\begin{gathered}n = \dfrac{n_{i}^{2}}{N_{A}}\end{gathered}\].
- كلتا البلورتين (n وp) متعادلة كهربيًا في ذاتها لأن مجموع الشحنات الموجبة يساوي مجموع الشحنات السالبة.
✍️ أمثلة محلولة
- مثال 1: سيليكون نقي تركيز حاملاته \[\begin{gathered}n_{i} = 1.5 \times 10^{10} \,\text{cm}^{-3}\end{gathered}\] طُعِّم بشوائب معطية تركيزها 10¹⁶ cm⁻³.
- احسب تركيز كل من الإلكترونات والفجوات.
- الحل:
- بلورة من النوع n: \[\begin{gathered}n \approx N_{D} = 10^{16} \,\text{cm}^{-3}\end{gathered}\]
- \[\begin{gathered}p = \dfrac{n_{i}^{2}}{n} = \dfrac{(1.5 \times 10^{10})^{2}}{10^{16}} = \dfrac{2.25 \times 10^{20}}{10^{16}} = 2.25 \times 10^{4} \,\text{cm}^{-3}\end{gathered}\]
- لذلك الإلكترونات هي الأغلبية بكثير
مقارنة بين النوعين
| وجه المقارنة | بلورة n-type | بلورة p-type |
|---|---|---|
| نوع الشائبة | خماسية التكافؤ (P, Sb) | ثلاثية التكافؤ (Al, B) |
| اسم الذرة الشائبة | معطية (Donor) | مستقبلة (Acceptor) |
| الحاملات الأغلبية | إلكترونات | فجوات |
| الحاملات الأقلية | فجوات | إلكترونات |
| العلاقة بين التركيزين | n > p | p > n |