ثغرة إلكترونية
ثغرة إلكترونية في الفيزياء وعلى الأخص أشباه الموصلات هي ثغرة تخيلية موجبة الشحنة، وتشاترك مع الإلكترونات في نقل التيار الكهربائي وهي توجد في المواد شبه الموصلة ويساعد على إنشائها تشويب المادة شبه الموصلة مثل الجرمانيوم بشوائب من مادة أخرى، وتصل تركيزها في شبه الموصل إلى نحو 1 :1.000.000. [١].
وينتقل التيار الكهربائي واقعيا عن طريق حركة الإلكترونات وقد ابتكرت فكرة الثغرة الإلكترونية من باب تبسيط المعاملة الرياضية المتعلقة بوصف أشباه الموصلات.
وصفها
تنشأ الثغرة الإلكترونية عند إثارة أحد الذرات في البناء البلوري لمادة مثل السيليكون. ففي البلورة الأحادية لعنصر شبه موصل مثل السيليكون والجرمانيوم أو لمركب شبه موصل نقي مثل أرسينيد الجاليوم وغيرها تكون إلكترونات التكافؤ جمعها مشتركة في الربط بين الذرات عند درجة حرارة الصفر المطلق. أي تكون جميع إلكترونات التكافؤ مرتبطة بالذرات مباشرة ويكون نطاق التوصيل (نطاق التوصيل في الذرة) خاليا من الإلكترونات. لذلك فلا يكون هناك إمكانية لتكون الثغرة الإلكترونية.
ولكي تتكون الثغرة الإلكترونية فلا بد من إثارة الذرة عن طريق رفع درجة حرارتها مثلا وتسمى هذه إثارة حرارية، أو عن طريق امتصاص الذرة لأحد الفوتونات. فعندئذ يرتفع أحد إلكترونات الذرة من نطاق الأرتباط إلى نطاق التوصيل، ويخلف وراءه ذرة ناقصة إلكترون (ثغرة إلكترونية موجبة الشحنة)، ويسمي الفزيائيون تلك التشكيلة زوج الإلكترون والثغرة.
تأثير مجال كهربائي
عندما يوضع شبه الموصل تحت جهد كهربائي تشترك كل من الإلكترونات (وهي سالبة الشحنة) والثغرات (وهي موجبة الشحنة) في نقل التيار الكهربائي.
وبينما تتحرك الإلكترونات المتحررة بحرية فلا تستطيع الثغرات الموجبة التحرك بسبب ثباتها في موقعها في البلورة. وإنما يمكن تخيل حركتها من كون الإلكترونات تقفز بين ثغرة وثغرة، فتبدو كما لو كانت الثغرات الموجبة تتحرك في عكس اتجاه حركة الإلكترونات.
وتوجد طريقة أخرى لنشأة الثغرات الإلكترونية في شبه الموصل وذلك عن طريق تشويبه بذرات مختلفة عنه. ففي شبه الموصل تتسبب الذرات الغريبة في تكون مستويات للطاقة في الذرة في نطاقات فارغة من الإكترونات. وهي تتسم بأن الطاقة الازمة لتحرير أحد الإلكترونات في شبه الموصل المشوب تكون أقل عن الطاقة اللازمة لتحرير إلكترون في شبه الموصل النقي.
وهذا هو السبب في أن التوصيل الكهربائي يتم عند درجات حرارة منخفضة في أشبا الموصلات المشوبة. وبحسب عدد إلكترونات التكافؤ في العنصر المشوب الغريب عن البلورة يمكن تولد عدد من الثغرات الإلكترونية في شبه الموصل المشوب.
وفي تقنية أشباه الموصلات تستخدم عناصر مشوبة مثل الفسفور أو البورون B لتشويب السيليكون Si. وهي تشوب السيليكون، بغرض زيادة قابليته على التوصيل الكهربائي بالمقارنه بمعامل توصيله للكهرباء في حالته النقية.
ويبين الشكل أعلاه بلورة شبه الموصل Si السيليكون مشوب بذرتي بور B تنتج تشويب من نوع p-Dotierung، حيث تحتوي كل ذرة مشوبة B على 1 إلكترون أقل عن جيرانها Si، مكونة ثغرة إلكترونية (ممثلة بدائرة بيضاء صغيرة).
أما الشكل على اليمين فهو يوضح نطاق ارتباط إلكترونات التكافوء بالذرة (أصفر) ويبلغ فيه طاقة الإلكترون Ev. ويقع نطاق توصيل الإلكترون فوق نطاق الارتباط (أزرق) وينفصل عنه بطاقة كمومية مقدارها Ec - Ev ، ولا بد أن يكتسب الإلكترون تلك الطاقة (وتسمي طاقة التحرير) من الخارج إما بالإثارة الحرارية أو بامتصاص فوتون لكي يصبح حرا طليق الحركة.
اقرأ أيضا
- تصنيع أجهزة أشباه الموصلات
- غرفة نظيفة
- عداد شبه الموصلات
- ثغرة إلكترونية
- بكسل
مراجع
- ^ Rudolf Müller: Grundlagen der Halbleiter-Elektronik. 5. Auflage. Springer-Verlag, Berlin 1987. ISBN 3-540-18041-9, S. 25 und 30.
be:Электронная дзірка bg:Дупки (химия) ca:Forat (física) cs:Kladná díra de:Defektelektron Electron hole]] eo:Elektrona truo es:Hueco de electrón fa:حفره الکترونی fi:Elektroniaukko fr:Trou d'électron he:חור (חשמל) it:Lacuna (fisica) ja:正孔 kk:Кемтік ko:정공 nl:Elektronengat nn:Elektronhòl pl:Dziura elektronowa pt:Electrão-buraco ru:Дырка scn:Pirtusiddu sl:Elektronska vrzel sv:Hål (kvasipartikel) uk:Дірка (квазічастинка) zh:空穴
.svg){kind=link}