أشباه الموصلات

‏لقد غير ابتكار الترانزستور الذي يقوم على أشباه الموصلات العالم بأثره. ما أشباه الموصلات إذن؟ كما يتضمن الاسم، مواد لها خصائص كهربية تتوسط تلك التي للموصلات والعوازل، وأشباه الموصلات هي المواد التي توصل التيار أحياناً.

‏وعادة يكون في أشباه الموصلات القليل جدا من الإلكترونات في رابطة التوصيل لنقل التيار، إلا أن الفجوة في الطاقة بين حزمة التوصيل وحزمة

‏التكافؤ صغيرة بما يكفي حتى إن الإلكترونات تستطيع، بالقليل من الإثارة، أن تعبر الفجوة وتجعل المادة موصلة، وتكون هذه الإثارة في شكل الجهد الكهربي المستخدم أو الحرارة أو الضوء. وتعتبر بعض المواد الصلبة أشباه موصلات طبيعية أو ما نسميه أشباه موصلات ‌Sبالطبيعة‌R. إلا أنه من الممكن جعل البعض الآخر قادرا على عبور الفجوة عن طريق عملية تسمى ‌SبالتطعيمR مع أن الأمر ليست له أية علاقة بالرياضيين أو بالمخدرات.

‏عادة ما يكون السليكون أول مادة تأتي بأذهاننا عندما نتحدث عن أشباه الموصلات، لكن في حقيقة الأمر لا يعتبر السليكون مادة شبه موصلة  بالطبيعة، فالسليكون الصلب يجب أن يطعم ليصبح مادة شبه موصلة، والتطعيم هو عملية إضافة كمية قليلة جدا من الشوائب للمادة الصلبة مثل السليكون. وهناك اثنان من الشوائب المفضلة للسليكون هما الفوسفور والألمنيوم حيث إنهما يقعان على جانبي السليكون في الجدول الدوري. فهما لديهما تقريبا نفس الحجم والسالبية الكهربية، ومن ثم يسهل أن يتناسبا مع السليكون في الحالة الصلبة، فهما يغيران خصائص التوصيل للسليكون حيث إن لديهما إلكترونا مزيدا وإلكترونا منقوصاً على التوالي عن السليكون.

‏وكما يمكن أن نرى من خلال الجدول الدوري، لدى السليكون أربعة إلكترونات تكافؤ متاحة لكي تدخل في عملية الترابط. وعليه ترتبط بأربع ذرات سليكون أخريات عندما تتحول إلى الحالة الصلبة، مانحة لكل منهما عددا مشتركا بثماني إلكترونات، وطبقة مشبعة تماما. لكن إذا كانت ذرة فوسفور تنسل إلى الخليط، عندئذ يكون هناك إلكترون زائد وهو ما لا يكون مناسبا تماما، وهذا الإلكترون الزائد يسهل جدا ترقيته ليصل إلى حزمة التوصيل، ومن ثم يسمح للمادة أن تكون موصلة بأكثر سهولة عند توصيلها بالبطارية. وإذا زجت ذرة ألمنيوم، ذات ثلاثة إلكترونات تكافؤ، بنفسها إلى داخل السليكون الصلب، عندئذ يكون هناك ثقب حيث يوجد عادة إلكترون تكافؤ. يسمح هذا الثقب الزائد أيضا بتدفق التيار بأكثر سهولة؟ ذلك لأن الإلكترونات المدفوعة تجد الآن مكانا للذهاب إليه، ويطلق عل السليكون المحقون بمادة تمده بالمزيد من الإلكترونات ‌Sشبه موصل من النوع ( n)‌R لأن الإلكترون يساهم بشحنة سالبة. أما السليكون المحقون بمادة ذات عدد أقل من الإلكترونات فيطلق عليه Sشبه موصل

‏ من النوع (p)‌R لأنه يساهم بشحنة موجبة. وعندما ترتبط قطعة من مادة من النوع (n) مع قطعة من النوع (p)، يتكون ترتيب يسمى الصمام الثنائي، وهو وحدة تسمح للتيار بالتدفق في اتجاه واحد فقط، حيث لا يسمح القليل من شبه موصل من النوع (p) ملتحقا بشبه موصل من النوع (n) بتدفق التيار إلا عندما تكون الإلكترونات متجهة إلى الجانب السالب عبر الجانب الموجب ثم إلى الخارج. وتتصرف البطارية التي يكون الجانب السالب منها ملحقا بجانب النوع (n) من الصمام الثنائي وكأنها نهر يعطي المياه التي تتدفق عبر سد. أما الجانب الموجب من البطارية فيمثل الخزان الذي تنصب فيه المياه. وعلى العكس إذا

‏شكل١ : ينشأ الصمام الثنائي من ارتباط شبه موصل من النوع (n) بشبه موصل من النوع (p). عندما يوصل مصدر للإلكترونات كما هو موضح في الشكل (أ)، يتدفق التيار عبر الصمام الثنائي، وعندما يوصل مصدر للإلكترونات كما هو موضح في الشكل (ب)، يحدث صراع مثل شد الحبل ولا يتدفق أي تيار.

‏ وصل الجانب السالب من البطارية بالنوع (p) من المادة ووصل الجانب الموجب من البطارية بالنوع (n) من المادة، عندئذ يحدث للإلكترونات صراع مثل شد الحبل ينتهي بهدنة ولا يتدفق أي تيار.

‏ويصبح هذا التصرف مفيداً عند إضافة القليل من مادة ثالثة من أشباه الموصلات، فيكون هناك سندوتش (pnp) أو (npn). ولا يستطيع التيار أن يتدفق في أي من الاتجاهين في حالة المزيج (pnp) أو المزيج (npn)، إلا إذا قام مصدر آخر بحقن أو دفع الإلكترونات من الطبقة المتوسطة في السندوتش مكوناً مواد من النوع (ppp) أو النوع (nnn‏) التي يمكنها أن توصل الكهرباء.

‏يستدعي الموقف تشبيهاً: تشبه المادة التي من نوع (pnp) أو (npn) نهراً به سد، عند تغيير (n) في (pnp) بسحب إلكترون يشبه فتح السد والسماح للماء بالتدفق. ينطبق نفس الشي ء على المادة (npn) إذا حقن إلكترون إلى المادة (p). لكن كيف يمكننا أن نحقن أو نسحب إلكترونا؟ عن طريق البطارية، ‏فالبطارية المتصلة بمنتصف المادة يمكنها أن ترفع أو تخفض سد الإلكترونات.

‏إذن ما هو الهدف الذي يمكن الوصول إليه من وراء هذا؟ يستطيع الأن تيار صغير أن يتحكم في تيار كبير وأن يطفئه ويشغله بالقليل من الإلكترونات المتدفقة، ولكي تعي أهمية الموقف لنلقي نظرة على الماضي لبرهة. كان الأوربيون في أوائل العصور الوسطى معوزين على الصعيد التكنولوجي ومعتمدين على العمالة اليدوية، وكانوا إذا احتاجوا إلى دقيق مطحون، قاموا بربط العديد من عبيد الأرض في طاحونة ثم جعلوهم يبدءون الدفع، ‏إلا أن الطاعون الأسود قض على طبقات العمال، ووجد الناس الباقون أنفسهم أكثر إبداعاً عند استخدام العتلة والتروس والماكينات البسيطة الأخرى. واكتشفوا أن عاملا واحدا برافعة ونظام من التروس يستطيع أن يرفع السد مما يسمح للمياه بالتدفق عبر ساقية، وهذه الساقية تدير الطاحونة وتقوم بالعمل الذي يقوم به الكثير من العبيد.

‏وقد حدث التغيير في العصور الوسطى في أوروبا تدريجيا بصورة أكثر من التغيير الذي اختبرناه نحن ويرجع ذلك إلى أشباه الموصلات، إلا أن الأثر الاجتماعي مشابه. وبدلا من عامل يعمل على عتلة تشغل السد، لدينا الآن بطارية بداخل لوحة تشغيل تشغل التيار وتفصله. وتسمى مفاتيح أشباه الموصلات ‌Sترانزستور‌R التي تستخدم للتشغيل والفصل أو النظام الثنائي الذي يشكل أسس الحاسوب.

‏كيف يتثنى للمحولات أن تستخدم للقيام بكافة الوظائف المعقدة في الحواسيب؟ أولأ عن طريق الحساب. يمكن للحواسيب الحساب باستخدام الأصفار ورقم ١ ‏الذي يقابل التشغيل والفصل، ومع أننا اعتدنا الحساب باستخدام النظام العشري، ربما لأننا خلقنا بعشرة أصابع، فإن الأنظمة الأخرى للحساب ممكنة. فالساعات تحسب بمجموعات ستينية (٦٠ثانية تكون دقيقة و٦٠ ‏دقيقة تكون ساعة) ويوضع البيض في مجموعات عدد كل منها اثنتا عشرة بيضة أي بالدستة. تحسب الحواسيب بمجموعات ثنائية وتستخدم الصفر ورقم ١‏(تشغيل وفصل) للأرقام العشرية. تستخدم الحواسيب أيضا Sو، لا، أوR وهي عين الكلمات المستخدمة للربط بين الكلمات الرئيسية في البحث على الإنترنت (نظام يسمى قواعد المنطق البوليني) وأيضا منطق السبب والنتيجة، فعل سبيل المثال إذا كان المفتاح مشغلا على الحرف و وعلى الطابعة تنتج الطابعة في هذه الحالة الحرف (أ).

‏لكن إذا كانت المفاتيح هي كل ما يحتاج إليه الحاسوب، لماذا إذن لا يمكن أن تعمل بدون محولات؟ الإجابة هي أن هذا ممكن وقد كان بالفعل، فلا تعتبر المفاتيح شيئا جديدا ولا حتى المفاتيح الكهربية، لقد كانت الصمامات المفرغة تستخدم في القديم لمفاتيح التشغيل والفصل (صفر و١) بدلا من الترانزستور، ومع المزايا الأخرى التي تتمتع بها صمامات التشغيل ومع استخدامها في الكثير من التطبيقات، فإن المشكلة في استخدامها هي أن لها حجماً كبيراً وتولد الكثير من الحرارة، وعليه كانت تتطلب الحواسيب القديمة الكثير من الفراغ والتبريد، وكان الأمر يحتاج إلى عدد هائل من المفاتيح لأي مهمة متوسطة التعقيد، لكن  بوجود المحولات يمكن وضع عدد كبير من المفاتيح في منطقة صغيرة جدا دون توليد كم هائل من الحرارة.

‏وبمجرد استنباط المبادئ الرئيسية لأشباه الموصلات، وجه العلماء جهودهم نحو ابتكار أنواع مختلفة من أشباه الموصلات، وفي هذه الأيام ثمة أشباه الموصلات التي تتأثر بالحرارة أو الألوان الضوئية المختلفة. فثمة أجهزة تقوم على المنطق الذي تقوم عليه أشباه الموصلات الذي تقوم بكل شيء ابتداء من ضبط المصباح إلى قيادة المركبات الفضائية. ولتكوين العديد من المواد يتطلب الأمر فهما كاملا لمبادئ الروابط الكيميائية والمبادئ الرئيسية للتفاعلات الكيميائية، حيث إن اثنين من هذه المفاهيم الأساسية- حفظ الكتلة وقانون النسب الثابتة - سيناقش فيما بعد.