يمكننا تصنيف المواد وفقا لقدرتها على توصيل التيار الكهربي إلى موصلات مثل فلزات النحاس، الألومنيوم ومواد عازلة مثل المطاط أو الخشب. وقد بني هذا التصنيف بناء على مدى وجود الإلكترونات الحرة وكثافتها الحجمية بالمدار الخارجي للذرة والمعروف باسم مدار التكافؤ. لذا فإن المواد الفلزية (جيدة التوصيل الكهربي) ترتفع فيها كثافة وجود الإلكترونات الحرة المسؤولة عن توصيل الشحنات هذا بينما تنخفض الكثافة الحجمية للإلكترونات الحرة في المواد العازلة غير الفلزية (رديئة أو عديمة التوصيل الكهربي). بيد أن هناك مجموعة من المواد يُطلق عليها اسم أشباه الموصلات المواد شبه الموصلة Semiconductors، مثل السيليكون والجرمانيوم المواد الأساسية في صناعة الترانزستورات – لا تخضع لهذا التصنيف وذلك لكونها مواد فريدة، حيث يتراوح مقدار الكثافة الحجمية في إلكتروناتها الحرة ما بين المواد الموصلة والمواد العازلة. فعلى سبيل المثال، تبلغ الموصلية الكهربية لعنصر الجرمانيوم نحو تريليون ألف مليار أو مليون مليون ضعف قيمتها في الزجاج، غير أنها تقل عن نظيرتها لفلز النحاس بنحو 30 مليون مرة. وعلى الرغم من أنه عند درجة حرارة الغرفة العادية تسلك مواد أشباه الموصلات سلوك المواد الموصلة، فإن هذه الصفة تتلاشى نهائيا عند درجات الحرارة المنخفضة.

وبأخذ عنصر السيليكون – المادة الأكثر شيوعا وقلب صناعة الترانزستورات – كمثال، فإن ذرته الواحدة تحمل في مدارها الخارجي أربعة إلكترونات، والتي يُطلق عليهم اسم إلكترونات التكافؤ، كما هو مبين في الشكل (12 – 2 «أ»). ولتكوين بلورة السيليكون، ترتبط كل ذرة من ذرات السيليكون مع ذرة مجاورة لها من العنصر نفسه، وذلك عن طريق الرابطة التساهمية. ومن ثم تصبح الذرة الواحدة من السيليكون وكأنها محاطة بثمانية إلكترونات، كما هو مبين في الشكل (12 – 3).

الشكل (12 – 2): رسم تخطيطي يبين نمط التشكيل الإلكتروني لذرات من عناصر مختارة لمواد أشباه الموصلات من (أ) السيليكون Si، (ب) الزرنيخ As، و(جـ) الغاليوم Ga (المصدر: تم تنفيذ الشكل بواسطة مؤلف هذا الكتاب).

وعند درجة حرارة الصفر المطلق، فإن أشباه الموصلات في صورتها النقية تكتسي سمة العزل الكهربي نظرا إلى كون مدارها الأخير مشبعا بالحد الأقصى من الإلكترونات (ثمانية إلكترونات). ويتأتى اكتمال المدار الخارجي لذرة السيليكون بالإلكترونات الثمانية نتيجة مساهمة ذرات السيليكون المجاورة لها بإلكتروناتها الخارجية لإكمال المدارات الخارجية بعضها لذرات البعض، كما هو موضح في الشكل (12 – 3). ويؤدي اكتمال المدار الخارجي لذرة السيليكون إلى غياب الإلكترونات الحرة سالبة الشحنات، الأمر الذي يؤدي إلى استقرار الذرة وخمولها. غير أن هذا الاستقرار سرعان ما يتلاشى عندما تتعرض مادة السيليكون إلى درجات حرارة عالية أو تسليط مصدر إشعاع ضوئي عليها، فإن هذا يترجم إلى طاقة حرارية تؤثر في الروابط التساهمية بين ذرات السيليكون، مما يتسبب في تكسيرها وفكها ويؤدي هذا بالتالي إلى زعزعة استقرار الذرات، وينجم عن هذه العملية تحرير بعض إلكترونات المدارات الخارجية للذرات تاركة في محلها ما يعرف باسم الفجوات أو الثقوب Holes.

الشكل (12 – 3): رسم تخطيطي يبين ارتباط ذرات السيليكون بعضها بالبعض عن طريق الرابطة التساهمية لتكوين بلورة سيليكون (المصدر: تم تنفيذ الشكل بواسطة مؤلف هذا الكتاب).

وتحمل الإلكترونات شحناتها السالبة عند مغادرتها للمدارات الخارجية من الذرة، لذلك فإن الفجوات التي تتركها بتلك المدارات الخارجية تحمل شحنات موجبة. وينشأ عن هذا التحرر تولّد كثافة في عدد الإلكترونات ذات الشحنات السالبة تقابلها كثافة في عدد الفجوات الحاملة لشحنات موجبة. وتتمتع الإلكترونات المحررة بحرية كبيرة في الحركة، الأمر الذي يؤدي إلى أن تحتل فجوات موجبة الشحنات تقع بمدارات أخرى لذرات مجاورة داخل بلورة السيليكون الواحدة.

ومع استمرار التعرض لدرجات الحرارة العالية، فإن هذه الإلكترونات سرعان ما تترك مواقعها في الفجوات التي احتلتها لتحتل وتملأ فجوات أخرى جديدة، مخلفة وراءها فجوات جديدة تقوم مجموعة أخرى من الإلكترونات باحتلالها وبذلك تكون بلورة مادة شبه الموصل قد انتقلت إلى حالة من عدم الاستقرار تتمثل في حركة دائبة ودائمة لإلكترونات مداراتها الخارجية، مما يعني توصيل التيار الكهربي.

وفي البلورات النقية لعناصر أشباه الموصلات، فإن الإلكترون المتحرر من المدار الخارج ينطلق تاركا محله فجوة تحمل شحنة موجبة (عدد الإلكترونات المحررة سالبة الشحنة يساوي عدد الفجوات موجبة الشحنة كي ينجذب إليها نفس الإلكترون المحرر أو غيره من الإلكترونات الأخرى. وبمجرد عودة الإلكترون واحتلاله موقعه الأصلي، فإن المادة تفقد خاصية التوصيل نظرا إلى غياب الإلكترونات الحرة المسؤولة عن التوصيل الكهربي. ومن هنا بدأ التفكير في كيفية خلق عدد أكبر من الإلكترونات الحرة بحيث تكون الذرة دائما في حالة من عدم الاستقرار ومن هنا جاءت فكرة إضافة شوائب Dopants إلى عناصر أخرى من أشباه الموصلات لتكوين بلورات سالبة (بها فائض من الإلكترونات الحرة) وبلورات موجبة (بها فجوات موجبة الشحنة تجذب الإلكترونات الحرة سالبة الشحنة إليها) مما يضمن استمرار تمتع خاصية التوصيل الكهربي لمادة الأساس (السيليكون في هذه الحالة).

وتتكون بلورة سالبة من السيليكون عن طريق إضافة شوائب لعناصر مواد من أشباه الموصلات مثل الفوسفور P والزرنيخ As والأنتيمون Sb إلى السيليكون. وتسبب هذه الشوائب عند إضافتها وفرة في عدد الإلكترونات الحرة سالبة الشحنة، ومن ثم فهي تُسمى بالشوائب السالبة Negative–type oping ويرمز لها بالرمز N–type ويرجع السبب وراء اختيار تلك العناصر، إلى كونها مواد من أشباه الموصلات ذات تكافؤ أعلى من تكافؤ السيليكون (الرباعي التكافؤ)، مما يعني أن المدارات الأخيرة لذراتها تحمل عدد خمسة من إلكترونات التكافؤ. وعند إضافة الزرنيخ إلى السيليكون، فإن أربعة إلكترونات فقط من الإلكترونات الخمسة بالمدار الأخير لذرة الزرنيخ (الشكل 12 – 2«ب») تشترك مع إلكترونات السيليكون الأربعة ليكونا معا رابطة تساهمية، بينما يتبقى إلكترون واحد حر من الزرنيخ يحمل شحنة سالبة لا يشارك في هذه الرابطة، كما هو موضح في الشكل (12 – 4). ورجوعا إلى الدور الذي تقوم به ذرات هذه العناصر في تكوين بلورة السيليكون السالبة، فإنها تسمى بالمانحات أو المعطيات Donors، وذلك نظرا إلى دورها المتمثل في منح الإلكترونات. ويتم التوصيل الكهربي في هذا النوع من الترانزستورات المصنوعة من البلورات السالبة، من خلال ذلك الفائض من الإلكترونات الحاملة للشحنات السالبة.

ولتكوين بلورة موجبة P–type) Positive–type doping) تضاف شوائب عنصر من عناصر أشباه الموصلات ثلاثية التكافؤ مثل الإنديوم، الغاليوم، أو البورون.. وتحتوي ذرة الغاليوم في مدارها الأخير على ثلاثة إلكترونات (الشكل 12 – 2 «جـ») تشارك بهم جميعا في إنشاء رابطة تساهمية مع الإلكترونات الأربعة الموجودة بمدار التكافؤ لذرة السيليكون، كما هو في الشكل (12 – 5). وعلى النقيض من تكوين البلورة السالبة تفتقر ذرة الغاليوم إلى وجود إلكترون واحد لتتم به الرابطة التساهمية مع ذرة السيليكون وينشأ عن غياب هذا الإلكترون تكون فراغ بالمدار الأخير لذرة الغاليوم يُعرف بالفجوة Hole التي تحمل شحنة موجبة. وهذه الفجوة تحتاج إلى إلكترون حر ذي شحنة سالبة كي ينجذب ليملأها. ومع تزايد عدد الفجوات الموجبة بالبلورة تزداد قدرتها على توصيل التيار وتُعرف في هذه الحالة بالبلورة الموجبة وتعرف عناصر أشباه الموصلات المتسببة في خلق هذه الفجوات التي تجذب إليها الإلكترونات الحرة لتحتلها باسم المتقبلات Acceptors.

الشكل (12 – 4) رسم تخطيطي يبين بلورة السيليكون بعد إدخال عنصر الزرنيخ As بها. والشكل يوضح وجود إلكترون حر سالب الشحنة لذرة الخارصين غير مشارك في الرابطة التساهمية القائمة بين ذرات عنصري السيليكون والزرنيخ (المصدر: تم تنفيذ الشكل بواسطة مؤلف هذا الكتاب).

الشكل (12 – 5): رسم تخطيطي يبين بلورة السيليكون بعد إدخال عنصر الغاليوم Ga بها. والشكل يوضح غياب عدد الكترون واحد بمدارها الأخير، مما يسبب تكون فجوة موجبة الشحنة تنشأ في هذا المدار. (المصدر: ثم تنفيذ الشكل بواسطة مؤلف هذا الكتاب).