كاشفات أشباه الموصلات

 أن أشباه الموصلات هي تلك المواد التي تتراوح سعة الثغرة الممنوعة بها بين 0.2 و1.5 الكترون - فولت. ومن أمثال هذه المواد السيليكون (Si) والجرمانيوم (Ge). يشبه التركيب البلوري لكل من هاتين المادتين تركيب الماس إذ يوجد أربعة الكترونات في مداراتها الخارجية. فإذا ما أضيفت مادة شائبة Impurity إلى البلورة فإن ذلك يغير من خواصها الكهربية. ومن ثم يمكن إنتاج نوعين من أشباه الموصلات الشائبة وهما:

1- شبه الموصل السالب (n - type):

لنفترض أننا أضفنا ذرة خماسية أي تحتوي على خمسة الكترونات في المدار الخارجي لها مثل الفوسفور والزرنيخ والأنتيمون إلى بلورة جرمانيوم أو سيليكون بحيث تحل هذه الذرة محل ذرة ما من ذرات الجرمانيوم في البلورة. هذه الذرة الشائبة تحتوي على خمسة الكترونات أربعة منها ستساهم مع أربعة الكترونات من أربع ذرات جرمانيوم. أما الإلكترون الخامس فلن يجد الكتروناً ليقترن معه. وبالتالي يظل حراً في البلورة وهكذا فإن البلورة تحتوي على المزيد من الشحنات السالبة الحرة الحركة بها. لاحظ أن ذلك لا يعني أن البلورة قد شحنت بشحنة سالبة. إذ لا تزال جميع الذرات متعادلة. أما الكترون المادة الشائبة فهو حر أو مرتبط ارتباطاً ضعيفاً مع ذرته في البلورة. تسمى هذه الذرة بالذرة المعطية Donor Atom. وقد وجد أن مستوى طاقة الإلكترون الخامس يقع تحت حزام التوصيل لذرات شبه الموصل بمقدار يساوي 0.01 أ. ف. تقريباً. ويسمى هذا المستوى بمستوى المعطى Level Donor . وهذا يعني أنه لإثارة البلورة فإنه يلزمنا فقط 0.01 أ.ف. بينما نجد أنه لإثارة البلورة النقية (الذاتية) يلزمنا طاقة تساوي قيمة الثغرة الممنوعة أي حوالي 0.72 ا.ف. (في حالة الجرمانيوم) .

يبين الشكل (1) مستويات طاقة شبه موصل سالب. لقد وجد أن أضافة كمية ضئيلة من المادة الشائبة (حوالي جزء لكل 10⁷ جزء) يمكنه أن يحدث التغيير المطلوب وتحويل شبه الموصل الذاتي إلى نمط سالب.

الشكل (1)

2- شبه الموصل الموجب (type - P):

لنفترض الآن أننا أضفنا ذرة ثلاثية تحتوي على ثلاثة الكترونات في مدارها الخارجي كذرة الألمنيوم أو البورون والجاليوم والأنديوم مثلاً إلى بلورة نقية من الجرمانيوم وذلك كذرة شائبة. لنفترض الآن أن ذرة الألمنيوم قد حلت محل أحد ذرات الجرمانيوم في البلورة. وهنا ستساهم ذرة الألمنيوم بثلاثة الكترونات فقط مع ذرات الجرمانيوم المجاورة بينما يظل هناك فراغ hole أو ثقب حول ذرة الألمنيوم يمثل الإلكترون الرابع المفقود. في هذه الحالة يمكن لالكترون من ذرة مجاورة أو من مكان آخر في البلورة أن يملأ هذا الفراغ الموجود تاركاً خلفه فراغاً هو الآخر. حيث يمكن لإلكترون آخر أن يتقدم لملىء هذا الفراغ. . . وهكذا ومن ثم تنتج حركة للثقب داخل البلورة. وبالتالي تبدو البلورة وكأنها تحتوي على ثقوب وحيث أن هذه الثقوب تمثل شحنات موجبة فإن البلورة تبدو وكأنها تحتوي على مزيد من الشحنات الموجبة (الثقوب) تتجول بحرية فيها. تسمى الذرة الشانية في هذه الحالة بالذرة القابلة Acceptor Atom. وجد أن الإثارة الحرارية للبلورة تسبب انتقالات متتالية للإلكترونات لملىء الفراغات (الثقوب) الناتجة عند الذرات الشائبة تاركة خلفها ثقوباً في حزام التساهم. يقع مستوى طاقة هذه الثقوب على بعد قدره حوالي 0.01 أ. ف. فوق مستوى حزام التساهم ويسمى هذا المستوى بمستوي القابل Acceptor Level ويبين الشكل (2) مستويات طاقة شبه موصل موجب. وهنا نجد أنه لإثارة البلورة فإنه يلزمنا فقط 0.01 أ. ف. بينما نجد أنه الإثارة البلورة النقية (الذاتية) فإنه يلزمنا أن نزودها بطاقة تساوي قيمة طاقة الثغرة أي حوالي 0.72 أ.ف.

الشكل (2)

عندما يسقط الإشعاع على مادة شبه موصلة فإنه يمتص طاقة من الإشعاع وينتج عن ذلك رفع الكترون من حزام التساهم المملوء إلى حزام التوصيل الفارغ تقريباً. ويترك الألكترون المنتقل ثقباً خلفه ومن ثم ينتج عن ذلك تكون زوج الإلكترون - ثقب  Electron - hole pair . لقد وجد أن هذه الطاقة الممتصة اللازمة لخلق هذا الزوج تقدر بحوالي 3 أ. ف. (وهي أكبر من طاقة الثغرة الممنوعة لكل من الجرمانيون 0.72 أ.ف. أو السيليكون 1.2 ا.ف) وذلك لاعتبارات إحصائية وغيرها. فإذا ما قارنا هذه الطاقة بالطاقة اللازمة لإنتاج زوج الإيونات في الكاشفات الغازية والتي تقدر بحوالي 35 أ. ف. (في حالة الهواء) فإن ذلك يوضح لنا ميزة كاشفات أشباه الموصلات على الكاشفات الغازية حيث نجد أن عدد الشحنات الناتجة عن أشباه المواصلات تساوي تقريباً عشرة أمثاله في حالة كاشفات الغاز تقريباً.

ولاستعمال أشباه الموصلات ككاشفات للإشعاع يجب أن تعد إعداداً مناسباً بحيث لا تحتوي على أية حاملات للشحنات Charge Carriers حرة الحركة مثل الإلكترونات أو الثقوب. ولكن يسمح بإنتاج أزواج الإلكترونات -الثقوب فقط عند مرور الإشعاع وامتصاص طاقته فيها. فإذا ما وضعت الكترودات كهربية حول شبه الموصل فإنه يمكن سحب هذه الشحنات كل نحو الإلكترود المخالف له في الشحنة ومن ثم تسري نبضة كهربية في الدائرة الخارجية ويتم تسجيل هذه النبضات وبالتالي الكشف عن الإشعاع. كما ويمكن قياس طاقته أيضاً.

ولكن يتم ذلك لا بد من ترتيب مناسب لذلك وهو وصلة السالب الموجب p-n Junction المستعملة في المقومات الكهربية Semiconductor diodes.