أخبار
المبدأ الأساسي وتطبيقات سيراميك أشباه الموصلات
السيراميك شبه الموصل هو فئة من المواد السيراميكية ذات خصائص شبه موصلة، ويعتمد مبدأها الأساسي على البنية البلورية داخل السيراميك، وآلية توصيل الإلكترونات، وتأثير الشوائب والعيوب. فيما يلي مقدمة مفصلة لمبدأها الأساسي وتطبيقاتها:
المبدأ الأساسي
1، البنية البلورية ونظرية النطاق
تتكون البنية البلورية للسيراميك شبه الموصل عادةً من أيونات معدنية وأيونات أكسجين، إلخ. وتعتمد على اتحاد رابطة أيونية أو روابط تساهمية. في البنية البلورية المثالية، تُرتب الذرات وفقًا لقواعد معينة لتكوين شبكة.
وفقًا لنظرية النطاق، تختلف حالات الطاقة في البلورة باختلاف حالة المادة الإلكترونية، مما يُشكل فجوات نطاقية. نطاق التكافؤ هو نطاق طاقة منخفض مليء بالإلكترونات، ونطاق التوصيل هو نطاق طاقة عالية يسمح للإلكترونات بالتحرك بحرية. في العوازل، توجد فجوة نطاقية كبيرة بين نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل (مثلًا، أكبر من 3 إلكترون فولت)، ويصعب على الإلكترونات الانتقال من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل، ما يؤدي إلى ضعف التوصيلية. في سيراميك أشباه الموصلات، تكون فجوة النطاق ضيقة نسبيًا (عادةً ما تتراوح بين 0.1 و3 إلكترون فولت)، وفي ظل ظروف معينة (مثل ارتفاع درجة الحرارة، والضوء، والمجال الكهربائي المطبق، وما إلى ذلك)، يمكن للإلكترونات في نطاق التكافؤ الحصول على طاقة كافية للانتقال إلى نطاق التوصيل، مما يُنتج ناقلات موصلة (إلكترونات وفجوات)، ما يُعطي المادة موصلية معينة.
تأثير الشوائب والعيوب
التطعيم بالشوائب: يُعدّ إدخال ذرات شوائب محددة في سيراميك أشباه الموصلات وسيلةً مهمةً لتغيير خصائصها الكهربائية. على سبيل المثال، في سيراميك أكسيد الزنك (ZnO) المُشَبَّع بذرات الألومنيوم (Al)، تحل ذرات الألومنيوم محل بعض ذرات الزنك. ولأن عدد إلكترونات التكافؤ في ذرات الألومنيوم أقل من عدد إلكترونات التكافؤ في ذرات الزنك، ستتكوّن فجوات في البلورة، ويمكن استخدام هذه الفجوات كحاملات موصلة، مما يُحسّن موصلية المادة، وهو ما يُسمى بالتطعيم المُستقبِل. على العكس، إذا كانت الشوائب المُشَبَّعة تحتوي على إلكترونات تكافؤ أكثر من ذرات المصفوفة، مثل الغاليوم المُشَبَّع (Ga) في أكسيد الزنك، فسيتم إدخال إلكترونات إضافية، ويزداد تركيز حاملات الإلكترونات، وهو ما يُسمى بالتطعيم المُعطي. من خلال التحكم في نوع وتركيز الشوائب، يُمكن ضبط نوع الموصلية (النوع N أو النوع P) وموصلية سيراميك أشباه الموصلات بدقة.
تكوّن العيوب: توجد أيضًا عيوب بلورية متنوعة في سيراميك أشباه الموصلات، مثل الفراغات (الفراغات الناتجة عن فقدان الذرات)، والذرات الخلالية (حيث تشغل الذرات مواقع بينية في الشبكة)، وما إلى ذلك. يمكن لهذه العيوب أن تُدخل مستويات طاقة إضافية في فجوة النطاق، مما يؤثر على خصائص انتقال الإلكترونات وتوصيلها. على سبيل المثال، يمكن أن يعمل فراغ الأكسجين، وهو عيب شائع في بعض سيراميك أشباه الموصلات الأكسيدية، كمُعطي لتوفير الإلكترونات، مما يزيد من تركيز حاملات الإلكترونات، وبالتالي يُغير الخصائص الكهربائية للمادة.
عادةً ما تكون سيراميكيات أشباه الموصلات مواد متعددة البلورات، تتكون من حبيبات دقيقة عديدة بينها حدود حبيبية. يكون ترتيب الذرات عند حدود الحبيبات غير منتظم، وتكثر فيها العيوب وإثراء الشوائب. لحدود الحبيبات تأثير مهم على نقل الإلكترونات، ويمكن استخدامها كحاجز لمنع حركة الإلكترونات. عندما يقترب الإلكترون من حدود الحبيبات، وبسبب تأثير المصيدة والحاجز عند حدود الحبيبات، يحتاج الإلكترون إلى تجاوز كمية معينة من الطاقة للمرور، مما يؤدي إلى تغيير تركيز الإلكترونات بالقرب من حدود الحبيبات، ومن ثم يؤثر على الخصائص الكهربائية للمادة بأكملها. من خلال التحكم في تركيب وبنية وخصائص حدود الحبيبات (مثل إضافة مُعدِّلات حدود الحبيبات، إلخ)، يمكن تعديل ارتفاع وعرض حاجز حدود الحبيبات، وذلك لتنظيم الموصلية والخصائص العازلة لسيراميكيات أشباه الموصلات.
طلب
1، عنصر حساس
الثرمستور: مصنوع من سيراميك أشباه الموصلات، ويتغير مقاومته بتغير درجة الحرارة. على سبيل المثال، تُستخدم الثرمستورات ذات معامل درجة الحرارة السالب (NTC) بشكل شائع في مواد مثل المنغنيز (Mn) والكوبالت (Co) والنيكل (Ni) وغيرها من سيراميك أشباه الموصلات المؤكسدة. عند ارتفاع درجة الحرارة، يزداد تركيز الناقل الداخلي للسيراميك وتنخفض مقاومته، مما يجعله يُستخدم على نطاق واسع في قياس درجة الحرارة والتحكم فيها وتعويض درجة الحرارة، كما هو الحال في مستشعر درجة الحرارة في محرك السيارة ومكونات كشف درجة الحرارة في مكيف الهواء.
المقاوم المتغير: مقاوم متغير مصنوع من أكسيد الزنك (ZnO) كمكون رئيسي، وهو مقاوم سيراميكي شبه موصل نموذجي. عند الجهد العادي، تكون مقاومته عالية جدًا، ويكاد يكون منعدم التوصيل. عندما يتجاوز الجهد عتبة معينة، تنخفض المقاومة بشكل حاد ويزداد التيار المار بسرعة، مما يؤدي إلى الحماية من الجهد الزائد. يُستخدم غالبًا في إدخال الطاقة للمعدات الإلكترونية، وفي الحماية من الصواعق في أنظمة الطاقة، لمنع تلف المعدات نتيجة الجهد الزائد اللحظي.
المقاومات الحساسة للغازات: تتميز بعض سيراميكات أشباه الموصلات بخواص امتصاص وتفاعل مع غازات محددة تُغير خصائصها الكهربائية. على سبيل المثال، تتميز سيراميكات ثاني أكسيد القصدير (SnO₂) بحساسيتها للغازات المختزلة مثل أول أكسيد الكربون والهيدروجين. عند وجود هذه الغازات في البيئة، يُمتَزّ الغاز على سطح السيراميك ويتفاعل كيميائيًا، مما يُؤدي إلى تغيرات في تركيز الإلكترونات على سطح السيراميك وتغيرات في مقاومته. يمكن الكشف عن هذه الغازات ومراقبتها من خلال رصد تغيرات المقاومة. تُستخدم هذه التقنية على نطاق واسع في مراقبة انبعاثات غازات العادم الصناعية، وإنذار تسرب الغاز المنزلي، وغيرها من المجالات.
2، جمكثف
المكثفات الخزفية متعددة الطبقات (MLCC): تتميز بعض أنواع السيراميك شبه الموصل بثابت عزل كهربائي مرتفع، مثل السيراميك المصنوع من تيتانات الباريوم (BaTiO₃). يمكن زيادة سعة المكثفات الخزفية بشكل كبير عن طريق تشكيلها في هيكل متعدد الطبقات، محاطًا بقطب معدني. تتميز المكثفات الخزفية متعددة الطبقات بحجمها الصغير وسعتها الكبيرة ومقاومتها المتسلسلة المكافئة المنخفضة، وتُستخدم على نطاق واسع في جميع أنواع الأجهزة الإلكترونية، مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر والأجهزة اللوحية، لأغراض الترشيح والتوصيل والتحويل وغيرها من وظائف الدوائر، مما يضمن استقرار عمل الدائرة.
3، عنصر تسخين سيراميكي شبه موصل
بعض سيراميك أشباه الموصلات قادرة على توليد الحرارة تحت تأثير المجال الكهربائي، وتتميز بأداء تحويل حراري كهربائي جيد. على سبيل المثال، يتميز جسم التسخين السيراميكي المصنوع من كربيد السيليكون (SiC) بمقاومته المتوسطة، ومقاومته العالية لدرجات الحرارة، ومقاومته الجيدة للأكسدة. في معدات التسخين، مثل الأفران الكهربائية الصناعية، وأفران السيراميك، والسخانات الكهربائية المنزلية، وغيرها، يتم تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية بواسطة التيار المار عبر جسم التسخين السيراميكي شبه الموصل لتحقيق وظيفة التسخين.
في مجال الكشف الطبي الحيوي، يُمكن تصنيع أجهزة استشعار حيوية باستخدام خصائص سيراميك أشباه الموصلات الحساسة للغاز أو الضغط. على سبيل المثال، يُستخدم الكشف عن مكونات مُحددة من غازات الزفير في الكائنات الحية بناءً على خصائص سيراميك أشباه الموصلات الحساسة للغاز لتشخيص الأمراض. قد يرتبط تغير تركيز بعض العلامات (مثل المركبات العضوية المتطايرة) في غاز الزفير بالمرض، ويتم الكشف عن تركيز هذه العلامات بواسطة أجهزة استشعار غاز سيراميك أشباه الموصلات لتوفير أساس للتشخيص المُبكر للأمراض. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن استخدام خصائص سيراميك أشباه الموصلات الحساسة للضغط لإنتاج أجهزة استشعار للكشف عن تغيرات الضغط في الكائنات الحية، مثل مراقبة الجهاز القلبي الوعائي، ومراقبة تغيرات الضغط في الأوعية الدموية، والمساعدة في تشخيص أمراض القلب والأوعية الدموية.
شركة Fountyl Technologies التي يقع مقرها الرئيسي في سنغافورة، هي عبارة عن ظرف مسامي (ظرف فراغ مسامي، ظرف مسامي دقيق)تشاك سيراميكيمكن استخدام مثقاب الفراغ النانوي المسامي، مثقاب السيراميك المسامي من كربيد السيليكون، مثقاب السيراميك المسامي من الألومينا، مثقاب الفراغ السيراميكي المسامي الدقيق) مع المعدات اليابانية والألمانية والإسرائيلية والأمريكية والمحلية، مع أداء منتج متفوق للغاية وخدمة جيدة من واحد إلى واحد.
