تحتوي مادة أشباه الموصلات على قيمة توصيلية كهربائية تقع بين موصل الموصل ، مثل النحاس والذهب وما إلى ذلك ، والعازل ، مثل الزجاج. تنخفض مقاومتهم مع زيادة درجة حرارتها ، وهو سلوك مخالف للسلوك المعدني. يمكن تغيير خصائصها الموصلة بطرق مفيدة عن طريق الإدخال المتعمد والرقابة للشوائب (“المنشطات”) في البنية البلورية. وحيث توجد منطقتان مختلفتان في نفس البلورة ، يتم إنشاء تقاطع أشباه الموصلات. إن سلوك ناقلات الشحنة التي تشمل الإلكترونات والأيونات والثقوب الإلكترونية في هذه الوصلات هو أساس الثنائيات والترانزستورات وجميع الإلكترونيات الحديثة.

يمكن لأجهزة أشباه الموصلات أن تعرض مجموعة من الخصائص المفيدة مثل تمرير التيار بشكل أكثر سهولة في اتجاه واحد من الآخر ، وتبين مقاومة متغيرة ، وحساسية للضوء أو الحرارة. ولأن الخواص الكهربائية لمادة شبه موصلة يمكن تعديلها بواسطة المنشطات ، أو بتطبيق الحقول الكهربائية أو الضوء ، يمكن استخدام الأجهزة المصنوعة من أشباه الموصلات للتضخيم والتبديل وتحويل الطاقة.

يتم زيادة التوصيلية للسيليكون عن طريق إضافة كمية صغيرة من ذرات خماسية التكافؤ (الأنتيمون ، الفوسفور ، أو الزرنيخ) أو ثلاثي التكافؤ (البورون ، الغاليوم ، الإنديوم) (جزء في 108). وتعرف هذه العملية باسم المنشطات وتعرف أشباه الموصلات الناتجة باسم أشباه الموصلات الخارجة عن المخدر أو خارجها.

يعتمد الفهم الحديث لخصائص شبه الموصل على فيزياء الكم لشرح حركة ناقلات الشحنة في شبكة بلورية. يزيد التطعيم بشكل كبير من عدد حاملات الشحن داخل البلورة. عندما تحتوي أشباه الموصلات المشبعة على ثقوب حرة في معظمها يطلق عليها “p-type” ، وعندما تحتوي على إلكترونات حرة في الغالب ، فإنها تعرف باسم “n-type”. يتم تشحيم مواد أشباه الموصلات المستخدمة في الأجهزة الإلكترونية تحت ظروف دقيقة للتحكم في تركيز ومناطق الدوبوتات من النوعين p و n. يمكن أن تحتوي بلورة أشباه الموصلات الواحدة على العديد من المناطق من النوعين p و n ؛ تكون التقاطعات بين هذه المناطق مسؤولة عن السلوك الإلكتروني المفيد.

على الرغم من أن بعض العناصر النقية والعديد من المركبات تعرض خصائص أشباه الموصلات ، والسيليكون ، [بحاجة لمصدر أفضل] الجرمانيوم ، ومركبات الغاليوم هي الأكثر استخدامًا في الأجهزة الإلكترونية. تستخدم العناصر القريبة من ما يسمى “الدرج المعدني” ، حيث توجد الفلزات في الجدول الدوري ، كأشباه الموصلات.

تمت ملاحظة بعض خصائص مواد أشباه الموصلات طوال منتصف القرن التاسع عشر والعقود الأولى من القرن العشرين. وكان أول تطبيق عملي لأشباه الموصلات في مجال الإلكترونيات هو تطوير 1904 لكاشف القط ، وهو شبه دايود شبه موصّل بدائي يستخدم على نطاق واسع في أجهزة الاستقبال الراديوية المبكرة. التطورات في الفيزياء الكمومية بدورها سمحت بتطوير الترانزستور في عام 1947 والدائرة المتكاملة في عام 1958.

الخصائص

الموصلية المتغيرة
إن أشباه الموصلات في حالتها الطبيعية هي موصلات ضعيفة لأن التيار يتطلب تدفق الإلكترونات ، وأشباه الموصلات لها شرائط تكافؤ تملأ ، مما يمنع تدفق دخول الإلكترونات الجديدة. هناك العديد من التقنيات المتقدمة التي تسمح للمواد شبه الموصلة بالتصرف مثل إجراء المواد ، مثل المنشطات أو النابضة. تحتوي هذه التعديلات على نتيجتين: n-type و p-type. تشير هذه إلى الزيادة أو النقص في الإلكترونات ، على التوالي. قد يتسبب عدد غير متوازن من الإلكترونات في تدفق التيار عبر المادة.

Heterojunctions
تحدث Heterojunctions عندما يتم ربط نوعين من المواد شبه الموصلة المختلفتين معًا. على سبيل المثال ، يمكن أن يتكون التكوين من germanium p-doped و n-doped. وهذا يؤدي إلى تبادل الإلكترونات والثقوب بين المواد شبه الموصلة المختلفه. إن الجرمانيوم n-doped قد يكون له فائض من الإلكترونات ، أما الجرمانيوم p-doped فسيكون لديه فائض من الثقوب. يحدث النقل إلى أن يتم التوصل إلى التوازن بعملية تسمى إعادة التركيب ، والتي تتسبب في اتصال الإلكترونات المهاجرة من النوع n بالثقوب المهاجرة من النوع p. منتج من هذه العملية هو الأيونات المشحونة ، والتي ينتج عنها حقل كهربائي.

الالكترونات المثيرة
إن الفرق في الإمكانات الكهربائية على مادة شبه موصلة من شأنه أن يؤدي إلى ترك التوازن الحراري وخلق حالة غير متوازنة. هذا يدخل الإلكترونات والثقوب إلى النظام ، والتي تتفاعل عبر عملية تسمى نشر الأغشية. كلما انزعج التوازن الحراري في مادة شبه موصلة ، يتغير عدد الثقوب والإلكترونات. يمكن أن تحدث هذه الاضطرابات نتيجة لفرق درجة الحرارة أو الفوتونات ، والتي يمكن أن تدخل النظام وتخلق إلكترونات وثقوب. وتسمى العملية التي تُنشئ الإلكترونات والثقوب وتُبيدها التوليد وإعادة التركيب.

انبعاث الضوء
في بعض أشباه الموصلات ، يمكن للإلكترونات المثارة أن تسترخي عن طريق إطلاق الضوء بدلاً من إنتاج الحرارة. وتستخدم هذه أشباه الموصلات في بناء الثنائيات الباعثة للضوء ونقاط الكم الفلورية.

تحويل الطاقة الحرارية
تتمتع أشباه الموصلات بعوامل طاقة حرارية كبيرة مما يجعلها مفيدة في المولدات الكهربائية الحرارية ، فضلاً عن الأرقام الحرارية العالية للجدارة مما يجعلها مفيدة في المبردات الحرارية.

المواد
يحتوي عدد كبير من العناصر والمركبات على خصائص شبه موصلة ، بما في ذلك:

تم العثور على عناصر نقية معينة في المجموعة 14 من الجدول الدوري ؛ الأكثر أهمية من الناحية التجارية لهذه العناصر هي السيليكون والجرمانيوم. يستخدم السيليكون والجرمانيوم هنا بشكل فعال لأن لديهم 4 إلكترونات تكافؤ في غلافها الخارجي الذي يعطيهم القدرة على كسب أو فقدان الإلكترونات بالتساوي في نفس الوقت.
المركبات الثنائية ، لا سيما بين العناصر في المجموعتين 13 و 15 ، مثل زرنيخيد الغاليوم ، المجموعات 12 و 16 ، المجموعات 14 و 16 ، وبين 14 مجموعة مختلفة من العناصر ، مثل كربيد السيليكون.
مركبات ثلاثية معينة ، أكاسيد وسبائك.
أشباه موصلات عضوية ، مصنوعة من مركبات عضوية.

أكثر المواد شبه الموصلة شيوعًا هي المواد الصلبة البلورية ، ولكن أشباه الموصلات غير المتبلورة والسائلة معروفة أيضًا. وتشمل هذه السليكون غير المتبلور المهدرج ومخاليط من الزرنيخ والسيلينيوم والتيلوريوم في مجموعة متنوعة من النسب. تتشارك هذه المركبات مع أشباه موصلات معروفة بشكل أفضل بخصائص التوصيل المتوسط ​​والتغيرات السريعة في الموصلية مع درجة الحرارة ، فضلاً عن المقاومة السلبية العرضية. تفتقر هذه المواد غير المنظمة إلى البنية البلورية الصلبة لأشباه الموصلات التقليدية مثل السيليكون. وهي تستخدم عادة في هياكل الأغشية الرقيقة ، التي لا تتطلب مواد ذات جودة إلكترونية أعلى ، فهي غير حساسة نسبيا للشوائب والضرر الإشعاعي.

تحضير مواد أشباه الموصلات
تقريبًا ، تشتمل كل التكنولوجيا الإلكترونية الحالية على استخدام أشباه الموصلات ، وأهمها الدارة المتكاملة (IC) ، الموجودة في الحواسيب المحمولة ، والماسحات الضوئية ، والهواتف الخلوية ، إلخ. إن أشباه موصلات الدوائر المتكاملة هي ذات الإنتاج الضخم. لإنشاء مادة شبه موصلة مثالية ، فإن النقاء الكيميائي هو الهدف الأسمى. يمكن لأي نقص صغير أن يكون له تأثير كبير على كيفية تصرف المادة شبه الموصلة بسبب المقياس الذي يتم عنده استخدام المواد.

مطلوب درجة عالية من الكمال البلورية أيضا ، لأن أخطاء في هيكل الكريستال (مثل خلع والتوابل ، وأخطاء التراص) تتداخل مع خصائص شبه الموصول للمادة. تعتبر الأخطاء البلورية سبباً رئيسياً لأدوات أشباه الموصلات المعيبة. وكلما كانت البلورة أكبر ، كلما كان من الصعب تحقيق الكمال اللازم. تستخدم عمليات الإنتاج الضخم الحالية سبائك من الكريستال يتراوح قطرها بين 100 و 300 ملم (3.9 و 11.8 بوصة) ، والتي تتم زراعتها على شكل اسطوانات ثم تقطيعها إلى رقائق.

هناك مجموعة من العمليات التي يتم استخدامها لإعداد المواد شبه الموصلة لـ IC. عملية واحدة تسمى الأكسدة الحرارية ، والتي تشكل ثاني أكسيد السيليكون على سطح السيليكون. يستخدم هذا بمثابة عازل البوابة وأكسيد المجال. تسمى العمليات الأخرى photomasks والطباعة الحجرية الضوئية. هذه العملية هي ما يخلق الأنماط على الدارة في الدائرة المتكاملة. يستخدم الضوء فوق البنفسجي مع طبقة مقاومة للضوء لخلق تغيير كيميائي يولد أنماط للدائرة.

النقش هو العملية التالية المطلوبة. جزء من السيليكون الذي لم يتم تغطيته بطبقة مقاومة للضوء من الخطوة السابقة يمكن الآن أن يكون محفوراً. تسمى العملية الرئيسية المستخدمة عادة اليوم بالحفر البلازمي. عادة ما ينطوي تنميش البلازما على غاز محفر يتم ضخه في حجرة منخفضة الضغط لإنتاج البلازما. غاز حبر مشترك هو الكلوروفلوروكربون ، أو الفريون الأكثر شيوعا. الجهد العالي للترددات الراديوية بين الكاثود والأنود هو ما يخلق البلازما في الغرفة. يقع رقاقة السيليكون على الكاثود ، مما يؤدي إلى ضربها من الأيونات المشحونة إيجابيا التي يتم إطلاقها من البلازما. والنتيجة النهائية هي السيليكون المحفور بشكل تناسبي.

تدعى العملية الأخيرة الانتشار. هذه هي العملية التي تعطي المادة شبه الموصلة خصائصها شبه الموصلة المرغوبة. ومن المعروف أيضا باسم المنشطات. تقدم هذه العملية ذرة غير نقية إلى النظام ، مما يخلق تقاطع pn. من أجل الحصول على ذرات غير سليمة جزءا لا يتجزأ من رقاقة السيليكون ، يتم وضع رقاقة أولا في غرفة درجة 1،100 درجة مئوية. يتم حقن الذرات وتنتشر في النهاية مع السيليكون. بعد اكتمال العملية ووصل السيليكون إلى درجة حرارة الغرفة ، تتم عملية إزالة المنشطات وتكون المادة شبه الموصلة جاهزة للاستخدام في دائرة متكاملة.

فيزياء أشباه الموصلات

عصابات الطاقة والتوصيل الكهربائي
يتم تعريف أشباه الموصلات من خلال سلوكها الكهربائي الموحد الفريد ، في مكان ما بين موصل الموصل والعازل. يمكن فهم الاختلافات بين هذه المواد من حيث الحالات الكمية للإلكترونات ، والتي قد تحتوي كل منها على صفر أو إلكترون واحد (بمبدأ استبعاد باولي). ترتبط هذه الدول ببنية النطاق الإلكتروني للمادة. وتنشأ الموصلية الكهربائية بسبب وجود إلكترونات في الدول التي تكون غير محددة (تمتد من خلال المادة) ، ولكن لكي يتم نقل الإلكترونات ، يجب أن تمتلئ الحالة جزئيا ، وتحتوي على إلكترون فقط في جزء من الوقت. إذا كانت الدولة مشغولة دائماً بإلكترون ، فإنها تكون خاملة ، مما يعوق مرور الإلكترونات الأخرى عبر تلك الحالة. تعتبر طاقات هذه الحالات الكمية حاسمة ، حيث أن الحالة مليئة جزئيا فقط إذا كانت طاقتها قريبة من مستوى فيرمي (انظر إحصائيات فيرمي-ديراك).

الموصلية العالية في مادة تأتي من وجود العديد من الولايات المملوءة جزئياً والكثير من إلغاء تحديد الدولة. المعادن هي الموصلات الكهربائية الجيدة ولديها العديد من الولايات المليئة جزئيا مع الطاقات بالقرب من مستوى فيرمي. وعلى النقيض من ذلك ، فإن العوازل لا تحتوي إلا على عدد قليل من الولايات المملوءة جزئياً ، وتبقى مستويات فيرمي فيها داخل فجوات في النطاق مع حالات طاقة قليلة تشغلها. الأهم من ذلك ، يمكن عمل عازل للتصل من خلال زيادة درجة حرارته: يوفر التسخين الطاقة لترويج بعض الإلكترونات عبر فجوة النطاق ، مما يحفز حالات مملوءة جزئياً في كل من نطاق الحالات تحت فجوة النطاق (نطاق التكافؤ) ونطاق الدول أعلاه الفجوة الفرقة (الفرقة التوصيل). تحتوي أشباه الموصلات (الجوهرية) على فجوة عصابة أصغر من تلك الموجودة في عازل ، وعند درجة حرارة الغرفة يمكن تحريك أعداد كبيرة من الإلكترونات لعبور فجوة النطاق.

غير أن أشباه الموصلات النقية ليست مفيدة للغاية ، حيث أنها ليست عازل جيد ولا موصل جيد. ومع ذلك ، فإن إحدى السمات الهامة لأشباه الموصلات (وبعض العوازل ، والمعروفة باسم العوازل شبه) هي أنه يمكن زيادة الموصلية الخاصة بها والتحكم فيها عن طريق تناول الشوائب والشوائب مع الحقول الكهربائية. يتحرك المنشط أو النابضة إما في نطاق التوصيل أو التكافؤ الأقرب إلى مستوى فيرمي ، ويزيد بشكل كبير عدد الحالات المملوءة جزئياً.

يشار أحيانًا إلى بعض مواد أشباه الموصلات ذات الفجوات الأوسع نطاقًا على أنها شبه عوازل. عند عدم تحريكها ، تكون هذه الموصلية الكهربائية أقرب إلى تلك للعوازل الكهربائية ، ومع ذلك يمكن أن تكون مخدر (مما يجعلها مفيدة كأشباه الموصلات). العثور على شبه عوازل التطبيقات المتخصصة في الالكترونيات الدقيقة ، مثل ركائز HEMT. مثال على عازل شبه مشترك هو زرنيخيد الغاليوم. يمكن استخدام بعض المواد ، مثل ثاني أكسيد التيتانيوم ، كمواد عازلة لبعض التطبيقات ، في حين يتم التعامل معها على أنها أشباه موصلات واسعة النطاق للتطبيقات الأخرى.

حاملات الشحن (الالكترونات والثقوب)
يمكن فهم الملء الجزئي للحالات في أسفل نطاق التوصيل بأنه يضيف إلكترونات إلى ذلك النطاق. لا تبقى الإلكترونات إلى أجل غير مسمى (بسبب إعادة التركيب الحراري الطبيعي) ولكنها تستطيع التحرك لبعض الوقت. إن التركيز الفعلي للإلكترونات يكون عادةً شديد التخفيف ، وهكذا (على عكس المعادن) من الممكن التفكير في الإلكترونات في نطاق التوصيل لأشباه الموصلات كنوع من الغاز المثالي الكلاسيكي ، حيث تطير الإلكترونات حولها بحرية دون التعرض مبدأ استبعاد باولي. في معظم أشباه الموصلات ، يكون لنطاقات التوصيل علاقة تشتت مكافئ ، وبالتالي فإن هذه الإلكترونات تستجيب للقوى (المجال الكهربائي ، المجال المغناطيسي ، إلخ) تشبه إلى حد كبير ما يحدث في الفراغ ، على الرغم من وجود كتلة فعالة مختلفة. ولأن الإلكترونات تتصرف كغاز مثالي ، فقد يفكر المرء أيضًا في التوصيل بعبارات تبسيطية للغاية مثل نموذج درويد ، ويقدم مفاهيم مثل حركة الإلكترون.

للتعبئة الجزئية في الجزء العلوي من نطاق التكافؤ ، من المفيد تقديم مفهوم ثقب الإلكترون. على الرغم من أن الإلكترونات في نطاق التكافؤ تتحرك دائمًا ، فإن نطاق التكافؤ الكامل خامل تمامًا ، ولا يدير أي تيار. إذا تم إخراج إلكترون من نطاق التكافؤ ، فإن المسار الذي عادة ما يأخذه الإلكترون يفقد شحنته. لأغراض التيار الكهربائي ، يمكن تحويل هذا المزيج من نطاق التكافؤ الكامل ، مطروحًا منه الإلكترون ، إلى صورة لفرقة فارغة تمامًا تحتوي على جسيم مشحون إيجابيًا يتحرك بالطريقة نفسها التي يتحرك بها الإلكترون. إلى جانب الكتلة الفعالة السلبية للإلكترونات في قمة نطاق التكافؤ ، نصل إلى صورة لجسيم مشحون موجبًا يستجيب للحقول الكهربائية والمغناطيسية تمامًا كما يفعل الجسيم المشحون إيجابًا العادي في الفراغ ، مرة أخرى مع بعض العناصر الإيجابية كتلة فعالة. يُطلق على هذا الجسيم اسم الثقب ، ويمكن أيضًا فهم مجموعة الثقوب في نطاق التكافؤ بمصطلحات كلاسيكية بسيطة (كما هو الحال مع الإلكترونات في نطاق التوصيل).

توليد الناقل وإعادة التركيب
عندما يضرب الإشعاع المؤين شبه موصل ، فإنه قد يفرز إلكترونًا من مستوى طاقته ، وبالتالي يترك حفرة. وتعرف هذه العملية بتوليد زوج الإلكترون. يتم توليد أزواج الثقب الإلكتروني باستمرار من الطاقة الحرارية أيضًا ، في غياب أي مصدر طاقة خارجي.

كما أن أزواج الثقب الإليكتروني قابلة لإعادة التجميع. يتطلب الحفاظ على الطاقة أن تكون أحداث إعادة التركيب هذه ، التي يفقد فيها الإلكترون كمية من الطاقة أكبر من فجوة النطاق ، مصحوبة بانبعاث الطاقة الحرارية (على شكل فوناونات) أو إشعاع (على شكل فوتونات).

في بعض الولايات ، يكون توليد وإعادة تركيب أزواج الإلكترون – الثقب في حالة توازن. يتم تحديد عدد أزواج الثقب الإلكترون في الحالة الثابتة عند درجة حرارة معينة بواسطة ميكانيكا الإحصاء الكمي. تخضع الآليات الميكانيكية الكمية الدقيقة للتوليد وإعادة التركيب إلى حفظ الطاقة والحفاظ على الزخم.

وبما أن احتمال أن تتلاقى الإلكترونات والثقوب معًا يتناسب مع ناتج أرقامها ، فإن المنتج يكون ثابتًا ثابتًا عند درجة حرارة معينة ، بشرط ألا يكون هناك مجال كهربائي مهم (والذي يمكن أن “يسحب” ناقلات من كلا النوعين ، أو نقلهم من المناطق المجاورة التي تحتوي على المزيد منهم للاجتماع معًا) أو توليد زوج من الخارج. المنتج هو دالة لدرجة الحرارة ، حيث أن احتمالية الحصول على طاقة حرارية كافية لإنتاج زوج يزداد مع درجة الحرارة ، تكون قريبة من (−EG / kT) ، حيث k هي ثابت Boltzmann ، T هي درجة الحرارة المطلقة و EG هي فجوة النطاق .

تزداد احتمالية الاجتماع بفخاخ الناقل – الشوائب أو الاضطرابات التي يمكن أن تحبس إلكترونًا أو ثقبًا وتحتفظ بها حتى يكتمل الزوج. أحيانًا ما تتم إضافة مصائد الناقل هذه عن قصد لتقليل الوقت اللازم للوصول إلى الحالة الثابتة.

منشطات
يمكن تعديل موصلية أشباه الموصلات بسهولة عن طريق إدخال شوائب في شبكتها البلورية. وتعرف عملية إضافة شوائب خاضعة للرقابة لأشباه الموصلات باسم المنشطات. كمية النجاسة ، أو المواد المنشطة ، التي تضاف إلى أشباه الموصلات (النقي) الجوهرية تختلف من مستوى الموصلية. يشار أشباه الموصلات مخدر باسم خارجي. بإضافة النجاسة إلى أشباه الموصلات نقية ، قد تختلف الموصلية الكهربائية بعوامل الآلاف أو الملايين.

عينة 1 سم 3 من المعدن أو أشباه الموصلات لها ترتيب 1022 ذرة. في معدن ، تتبرع كل ذرة إلكترون حر واحد على الأقل للتوصيل ، وهكذا يحتوي 1 سم 3 من المعدن على ترتيب 1022 إلكترون حر ، في حين أن عينة 1 سم 3 من الجرمانيوم النقي عند 20 درجة مئوية تحتوي على حوالي 4.2 × 1022 ذرة ، ولكن فقط 2.5 × 1013 إلكترون حر وفتحات 2.5 × 1013. إن إضافة 0.001٪ من الزرنيخ (النجاسة) يتبرع بـ 1017 إلكترونًا حرًا في نفس الحجم ويتم زيادة التوصيل الكهربائي بعامل 10000.

تعتمد المواد المختارة كمؤثرات مناسبة على الخصائص الذرية لكل من المادة المنشط والمواد التي يتم تعاطيها. بشكل عام ، يتم تصنيف الدوبوتات التي تنتج التغيرات التي يتم التحكم فيها كمستقبلات أو متبرعات إليكترونية. وتسمى أشباه الموصلات المشبعة بشوائب مانحة بـ n-type ، في حين أن تلك التي تشوبها الشوائب المقبولة تعرف باسم p-type. تشير تسميات n و p التي تشغل حامل الشحنة إلى ناقل المادة الأكثر شيوعًا. وتسمى الناقل المقابل الناقل الأقلية ، الموجود بسبب الإثارة الحرارية بتركيز أقل بكثير مقارنة بحامل الأغلبية.

على سبيل المثال ، يحتوي السيليكون شبه الموصل النقي على أربعة إلكترونات تكافؤ تربط كل ذرة سيليكون بجيرانها. في السيليكون ، تكون الدوبوتات الأكثر شيوعًا هي المجموعة الثالثة وعناصر المجموعة الخامسة. تحتوي عناصر المجموعة الثالثة على ثلاثة إلكترونات تكافؤ ، مما يجعلها تعمل كمستقبلات عند استخدامها لمخالطة السليكون. عندما تحل ذرة مقبول محل ذرة سليكون في البلورة ، يتم إنشاء حالة شاغرة (ثقب الكتروني) ، والتي يمكن أن تتحرك حول الشبكة وتعمل كحامل شحن. تحتوي عناصر المجموعة الخامسة على خمسة إلكترونات تكافؤ تسمح لهم بالعمل كمتبرع ؛ إن استبدال هذه الذرات بالسيليكون يخلق إلكترونًا إضافيًا حرًا. ولذلك ، فإن البلورة السليكونية المستخلصة من البورون تخلق أشباه موصلات من النوع p ، بينما ينتج أحد المخدر مع الفوسفور مادة من نوع n.

أثناء التصنيع ، يمكن أن تنتشر dopants في جسم أشباه الموصلات عن طريق ملامسة المركبات الغازية للعنصر المرغوب ، أو يمكن استخدام زرع الأيونات لوضع المناطق المخصبة بدقة.

التاريخ المبكر لأشباه الموصلات
يبدأ تاريخ فهم أشباه الموصلات بالتجارب على الخواص الكهربائية للمواد. تمت ملاحظة خصائص معامل درجة الحرارة السلبية للمقاومة والتصحيح وحساسية الضوء بداية من أوائل القرن التاسع عشر.

كان توماس يوهان سيبيك أول من لاحظ وجود تأثير بسبب أشباه الموصلات ، في عام 1821. في عام 1833 ، ذكر مايكل فاراداي أن مقاومة عينات من كبريتيد الفضة تقل عندما يتم تسخينها. هذا مخالف لسلوك المواد المعدنية مثل النحاس. في عام 1839 ، ألكسندر ادموند بيكريل أبلغ عن مراقبة الجهد الكهربي بين صلبة و سائل إلكتروليت عند التعرض للضوء ، التأثير الكهروضوئي. في عام 1873 لاحظ ويلوغبي سميث أن مقاومات السيلينيوم تظهر مقاومة متناقصة عندما يسقط الضوء عليها. في عام 1874 لاحظ كارل فرديناند براون التوصيل والتصفية في الكبريتيدات المعدنية ، على الرغم من أن هذا التأثير قد تم اكتشافه في وقت مبكر من قبل بيتر مونك و Rosenschold (sv) للكتابة عن Annalen der Physik und Chemie في عام 1835 ، ووجد آرثر شوستر أن طبقة أكسيد النحاس على الأسلاك لديها خصائص التصحيح التي تتوقف عند تنظيف الأسلاك. لاحظ ويليام جريلز آدامز وريتشارد إيفانز داي التأثير الضوئي في السيلينيوم في عام 1876.

تطلب تفسير موحد لهذه الظواهر نظرية فيزياء الحالة الصلبة التي تطورت بشكل كبير في النصف الأول من القرن العشرين. في عام 1878 أظهر إدوين هيربرت هول انحراف ناقلات الشحنة المتدفقة من خلال حقل مغناطيسي مطبق ، تأثير هول. دفع اكتشاف الإلكترون بواسطة JJ طومسون في عام 1897 نظريات التوصيل القائم على الإلكترون في المواد الصلبة. قام Karl Baedeker ، من خلال ملاحظة تأثير هول مع الإشارة العكسية إلى ذلك في المعادن ، بتنظير أن يوديد النحاس له حاملات شحن موجبة. قام يوهان كوينجسبيرغر بتصنيف المواد الصلبة كمعادن وعوازل و “موصلات متغيرة” في عام 1914 على الرغم من أن طالبه جوزيف فايس قدم بالفعل مصطلح Halbleiter (أشباه الموصلات بالمعنى الحديث) في أطروحة الدكتوراه في عام 1910. نشر فيليكس بلوخ نظرية حركة الالكترونات من خلال الذري المشابك في عام 1928. في عام 1930 ، صرح ب. غودن أن التوصيلية في أشباه الموصلات كانت بسبب تركيزات طفيفة من الشوائب. بحلول عام 1931 ، تم تأسيس نظرية النطاق للتوصيل من قبل آلان هيريس ويلسون وتم تطوير مفهوم الفجوات في النطاق. قام Walter H. Schottky و Nevill Francis Mott بتطوير نماذج للحاجز المحتمل وخصائص الوصلة المعدنية شبه الموصلة. بحلول عام 1938 ، طور بوريس دافيدوف نظرية مقوم أكسيد النحاس ، وحدد تأثير تقاطع p – n وأهمية ناقلات الأقليات والحالات السطحية.

كان الاتفاق بين التوقعات النظرية (على أساس تطوير ميكانيكا الكم) والنتائج التجريبية في بعض الأحيان رديئًا. هذا ما تم تفسيره لاحقاً من قبل جون باردين بسبب السلوك “الحساس للهيكل” الشديد لأشباه الموصلات ، الذي تتغير خصائصه بشكل كبير على أساس كميات ضئيلة من الشوائب. أنتجت المواد التجارية نقية من 1920s التي تحتوي على نسب مختلفة من الملوثات النزرة نتائج تجريبية مختلفة. وقد حفز ذلك على تطوير تقنيات محسنة لتكرير المواد ، وبلغت ذروتها في مصافي حديثة لأشباه الموصلات تنتج مواد بقطع لكل تريليون نقاوة.

تم بناء الأجهزة التي تستخدم أشباه الموصلات في البداية بناء على المعرفة التجريبية ، قبل أن تقدم نظرية أشباه الموصلات دليلاً لبناء أجهزة أكثر كفاءة وموثوقية.

استخدم ألكسندر جراهام بيل خاصية حساسة للسيلينيوم لنقل الصوت عبر شعاع من الضوء في عام 1880. تم إنشاء خلية شمسية تعمل بكفاءة منخفضة من قبل تشارلز فريتس في عام 1883 باستخدام لوحة معدنية مغطاة بالسيلينيوم وطبقة رقيقة من ذهب؛ أصبح الجهاز مفيدًا تجاريًا في أجهزة قياس الضوء الضوئي في ثلاثينيات القرن العشرين. وقد استخدمت جاغاديش شاندرا بوز في عام 1904 مقاريب للكشف عن الموجات الصغرية باستخدام نقطة الاتصال مصنوعة من كبريتيد الرصاص. أصبح كاشف القطط الطولي باستخدام غالينا الطبيعية أو مواد أخرى أداة شائعة في تطوير الراديو. ومع ذلك ، فإنه لا يمكن التنبؤ به إلى حد ما في التشغيل ويتطلب التعديل اليدوي للحصول على أفضل أداء. في عام 1906 لاحظ HJ Round انبعاث الضوء عندما يمر التيار الكهربائي عبر بلورات كربيد السيليكون ، وهو المبدأ الذي يقف خلف الصمام الثنائي الباعث للضوء. لاحظ أوليغ لوسيف انبعاث ضوء مماثل في عام 1922 ولكن في ذلك الوقت لم يكن لهذا التأثير أي استخدام عملي. تم تطوير مقومات الطاقة ، التي تستخدم أكسيد النحاس والسيلينيوم ، في عشرينيات القرن العشرين وأصبحت ذات أهمية تجارية كبديل لمعدِّلات الأنابيب الفراغية.

في السنوات التي سبقت الحرب العالمية الثانية ، دفعت أجهزة كشف الأشعة تحت الحمراء والاتصالات إلى إجراء أبحاث في مواد كبريتيد الرصاص والسيلينايد. تم استخدام هذه الأجهزة للكشف عن السفن والطائرات ، لعدادات الأشعة تحت الحمراء ، وأنظمة الاتصالات الصوتية. أصبح كاشف البلورة نقطة الاتصال أمرًا حيويًا لأنظمة راديو الميكروويف ، نظرًا لأن أجهزة الأنبوب المفرغة المتاحة لا يمكن استخدامها ككاشفات فوق 4000 ميغاهيرتز تقريبًا ؛ تعتمد أنظمة الرادار المتقدمة على الاستجابة السريعة لأجهزة الكشف البلورية. حدثت أبحاث وعمليات تطوير كبيرة لمواد السليكون أثناء الحرب لتطوير أجهزة الكشف ذات الجودة المتسقة.

كاشف ومعدلات الطاقة لا يمكن تضخيم إشارة. تم بذل العديد من الجهود لتطوير مضخم الحالة الصلبة ونجحت في تطوير جهاز يسمى الترانزستور التلامسي الذي يمكن أن يزيد 20db أو أكثر. في عام 1922 ، قام أوليغ لوسيف بتطوير مكبرات الصوت المقاومة للطرفيتين في المحطة ، وهلك في حصار لينينغراد بعد الانتهاء بنجاح. في عام 1926 ، حصل جوليوس إدغار ليلينفيلد على براءة اختراع جهاز يشبه ترانزستور تأثير المجال الحديث ، لكنه لم يكن عمليًا. أظهر R. Hilsch و RW Pohl في عام 1938 مضخما للحالة الصلبة باستخدام بنية تشبه شبكة التحكم في الأنبوب المفرغ. على الرغم من أن الجهاز عرض كسب الطاقة ، إلا أنه كان لديه تردد قطع لدورة واحدة في الثانية ، وهو منخفض جدًا لأي تطبيقات عملية ، ولكنه تطبيق فعال للنظرية المتاحة. في مختبر بيل ، بدأ ويليام شوكلي وأ. هولدن بالتحقيق في مضخمات الحالة الصلبة في عام 1938. لاحظ راسل أول ، في عام 1941 ، أول نقطة اتصال في السليكون ، عندما وجد أن العينة حساسة للضوء ، مع حدود حادة. بين النجاسة من نوع p في نهاية واحدة ونوع n في الطرف الآخر. وضعت شريحة قطع من العينة عند الحدود p – n الجهد عند تعريضها للضوء.

في فرنسا ، خلال الحرب ، لاحظ هيربرت ماتارتي تضخيم الاتصالات بين النقاط المجاورة على قاعدة الجرمانيوم. بعد الحرب ، أعلنت مجموعة Mataré عن مضخمها “Transistron” فقط بعد وقت قصير من إعلان Bell Labs “الترانزستور”.