[فيزيائي مبدع]

** تقسم المواد من حيث قدرتها على توصيل التيار الكهربائى الى ثلاثة أقسام :
1. الموصلات : conductors
2. العازلات : insulators
3. أشباه الموصلات : semiconductors
مقارنة بين المواد الموصلة والعازلة وأشباه الموصلات
أشباه الموصلات المواد العازلة المواد الموصلة وجه المقارنة
الجرمانيوم - السيلكون - كبريتيد الرصاص - كبريتيد الكادميوم الزجاج - الخزف - الكوارتز - البورسلين - الابونيت - الكهرمان الفلزات ( الفضة - النحاس - الحديد - الرصاص - - ) أمثلة
متوسطة عند درجة الحرارة العادية فى المدى من 5ooooo --- 0.00005 )
اوم متر كبيرة جدا فى درجة حرارة الغرفة فى المدى من ( 106الى1016 )
اوم . متر ( من 5-10 الى 8-10 )
أوم . متر المقاومة النوعية
مملوء بالالكترونات مملوء بالالكترونات مملوء بالالكترونات نطاق التكافؤ
خالى من الالكترونات تماما فى درجة الصفر المطلق خالى من الالكترونات الحرة عند درجات الحرارة العادية مملوء جزئيا بالالكترونات عند درجات الحرارة الاعتيادية نطاق التوصيل
من ( 2 الى 0.7 )
الكترون . فولت كبيرة جدا ( 5 )
الكترون . فولت صغيرة جدا ( 0.01 ) الكترون . فولت طاقة الفجوة
تنخفض المقاومة بشكل كبير تنخفض المقاومة ولكنها تظل كبيرة لدرجة ان المادة الصلبة تنصهر قبل ان تصبح موصلة تزداد المقاومة تأثير رفع درجة الحرارة على المقاومة
ملاحظات على المقارنة السابقة
1- تعتمد مقاومة المواد المختلفة على نقاوتها حيث :
• ( أ ) المواد الموصـــلة - لا يؤثر وجود الشوائب فى الفلزات على تركيز حاملات الشحنة المتحركة ولكنه يغير نشاطها كثيرا حيث تحدث الشوائب عيوبا فى الشبكة البلورية تزيد من مقاومتها للتيار الكهربائى - اذا الشوائب فى الفلزات تزيد المقاومة للتيار الكهربائى
• ( ب) المواد العازلة - فى المواد العازلة يكون لذرات الشوائب الكترونات ضعيفة الصلة بهذه الذرات حيث يمكن لهذه الالكترونات أن تنفصل بسهولة عن ذراتها وتصبح حرة - اذا الشوائب فى المواد العازلة تقلل من مقاومتها بصورة عامة
• ( ج ) أشباه الموصلات - تقل المقاومة بصورة كبيرة فى أشباه الموصلات نتيجة اضافة الشوائب اليها . وأكثر من ذلك يمكن باختيار الشوائب بطريقة خاصة تغيير مقاومة اشباه الموصلات فى الاتجاه المطلوب ولذلك تستخدم أشباه الموصلات المشابة على نطاق واسع
2 - تعتمد مقاومة المواد المختلفة على درجة حرارتها حيث :
• ( أ ) المواد الموصلة - تزداد مقاومة الفلزات نتيجة رفع درجة حرارتها وتقل بالتبريد وتساوى الصفر فى قابلية التوصيل العالى
• ( ب ) المواد العازلة - تقل مقاومة المواد العازلة بالتسخين ولكنها على الرغم من ذلك تبقى كبيرة حيث يحتاج الالكترون الى طاقة كبيرة حتى ينفصل عن الذرة . لذا تنصهر معظم المواد العازلة الصلبة قبل أن تصبح موصلة
• ( ج ) أشباه الموصلات : عند رفع درجة حرارة أشباه الموصلات تزداد كمية حاملات الشحنة المتحركة وتقل المقاومة بشكل كبيرولكنها لا تتصف بقابلية التوصيل العالى والعكس صحيح حيث تزداد المقاومة بخفض درجة الحرارة وتصبح قريبة من مقاومة المواد العازلة -


مصطلحات هامة
1. الكترونات التكافؤ : هى الالكترونات فى المستوى الاخير فى الذرة
2. نطاق الطاقة : مجموعة من مستويات الطاقة المتقاربة فروق الطاقة بينها صغيرة وتفصلها فجوات تخلو من مستويات الطاقة
3. نطاق التكافؤ : هو نطاق الطاقة الخارجى فى البلورة
4. نطاق التوصيل : هو النطاق الذى يعلو نطاق التوصيل فى البلورة
5. طاقة الفجوة : هى الطاقة التى تلزم الالكترون لكى ينتقل من نطاق التكافؤ الى نطاق التوصيل
6. المواد شبه الموصلة : عناصر رباعية التكافؤ ترتبط ذراتها ببعضها البعض بروابط تساهمية وتكون عازلة تماما فى درجة الصفر المطلق وتزداد درجة توصيلها بارتفاع درجة حرارتها
7. بلورة شبه الموصل النقية : هى بلورة شبه الموصل التى تتكون من ذرات السيلكون أو الجرمانيوم عن طريق مشاركة كل ذرة بالكترونات التكافؤ الاربعة مع أربع ذرات مجاورة ( رابطة تساهمية )
8. الفجوة :هى الفراغ الذى يخلفه الالكترون المتحرر من الرابطة التساهمية بسبب ارتفاع درجة حرارة بلورة شبه الموصل
9. التطعيم : هو اضافة كمية قليلة من ذرات مادة معينة الى بلورة شبه الموصل بهدف زيادة عدد الالكترونات أو الفجوات
10. بلورة شبه الموصل غير النقية : بلورة شبه موصل تطعم بذرات من مادة شائبة أخرى

*** قارن بين بلورة شبه الموصل من النوع السالب n - type وبلورة شبه الموصل من النوع الموجب p - type ؟
شبه الموصل من النوع الموجب شبه الموصل من النوع السالب وجه المقارنة
بلورات لمواد شبه موصلة مطعمة بذرات عناصر ثلاثية التكافؤ ( جاليوم ) بلورة سيليكون مطعمة بذرات جاليوم 31Ga بلورات لمواد شبه موصلة مطعمة بذرات خماسية التكافؤ ( زرنيخ ) بلورة سيليكون مطعمة بذرات زرنيخ 33As التعريف
تحتوى على فجوات تعمل كل فجوة عمل شحنة موجبة تحاول اقتناص الكترون سالب ولذلك تتحرك الفجوات الموجبة فى البلورة فى اتجاه عكس اتجاه حركة الالكترونات يعتمد على حركة الالكترونات السالبة ويزداد التوصيل بزيادة نسبة ذرات الشوائب ( الزرنيخ ) وتسمى الالكترونات ( حاملات الشحنة الاساسية - السائدة - ) التوصيل
اضافة ذرات الجاليوم يضيف مستويات طاقة اعلى نطاق التكافؤ مباشرة وتنتقل اليها الكترونات من نطاق التكافؤ وتترك فجوات
( بدون انتاج الكترونات ) اضافة ذرات الزرنيخ يضيف مستويات طاقة اضافية اسفل نطاق التوصيل مباشرة تنتقل منه الالكترونات الى نطاق التوصيل
( بدون انتاج فجوات ) تفسير عمل الشوائب
ملاحظات على المقارنة السابقة
1. فى البلورة من النوع السالب تسمى مادة الزرنيخ مادة معطية donor حيث تعطى الالكترونات الحرة السالبة
2. تكون البلورة من النوع السالب متعادلة كهربائيا لانها تتكون أصلا من ذرات متعادلة كهربائيا
3. بزيادة عدد ذرات الشوائب يزداد عدد الالكترونات الحرة وتزداد قدرة البلورة على التوصيل ولكن تبقى عملية التطعيم فى حدود معينة ( مثال للتوضيح : يضاف الى الجرمانيوم المنصهر النقى حوالى 0.00001 % من ذرات الزرنيخ وعند التجمد تتكون شبكة جرمانيوم عادية ولكن فى بعض العقد توجد ذرات زرنيخ بدلا من ذرات الجرمانيوم )
4. الطاقة اللازمة لانفصال الالكترون الخامس فى ذرة الزرنيخ تكون صغيرة جدا وأصغر بكثير من الطاقة اللازمة لتأين ذرة الفلز ولذلك تكون جميع ذرات الزرنيخ فى شبه الموصل متأينة فى درجة حرارة الغرفة
5. الالكترونات الحرة. ( الكترون واحد من كل ذرة من الزرنيخ ) تعتبر حاملات الشحنة الاساسية - السائدة -
• فى البلورة من النوع الموجب : تسمى مادة الجاليوم مادة مستلمة ( متقبلة ) acceptor
• تكون البلورة من النوع الموجب متعادلة كهربائيا لأنها تتكون أصلا من ذرات متعادلة كهربائيا












































كيف تعمل اشباه الموصلات؟





إعداد: أمجد الجباس
ظهور أشباه الموصلات وشيوع استخدامها له أثر كبير في حياة الناس. فصناعة رقاقات المشغلات الدقيقة (الميكروبروسيسور) والترانزستورات، أصبحت جزءاً مهما في تكوين الحاسب الآلي أو استخدام موجات الراديو. ويتم استخدام مادة السيليكون في إنتاج الغالبية العظمى من رقائق أشباه الموصلات والترانزستورات، الأمر الذي جعل من السيليكون عصب الأجهزة الإلكترونية.
ما هو السيليكون؟
يعد السيليكون أحد العناصر الشائعة الوجود كمكون رئيسي للتراب والأحجار.
وترتيبه في الجدول الدوري للعناصر بعد الألومونيوم مباشرةً، وقبل الكربون والجيرمنيوم.
والكربون والسيليكون والجيرمنيوم عناصر تتسم بخاصية فريدة في هياكلها الإلكترونية، فكل عنصر من هذه العناصر يتسم بوجود أربع إلكترونات في مداره الخارجي، مما يمكن هذه العناصر من تشكيل بلورات. والإلكترونات الأربعة تشكل سوياً اتحاداً ذرياً مع أربع ذرّات متجاورة مما ينتج عنه نظاماً شبكياً. فالشكل البلوري للكربون هو الماس، أما السيليكون فالشكل البلوري الخاص به يميل إلى اللون الفضي المشابه للمعدن.
والمعادن بطبيعتها موصل جيد للطاقة الكهربائية لاحتوائها إلكترونات يمكنها التحرك بحرية بين الذرّات، والطاقة الكهربائية تنتج عن تدفق الإلكترونات. إلا أن بلورة السيليكون ليست من المعادن، فكافة الإلكترونات الخارجية فيها متشابكة في اتحاد ذري تام، وبالتالي لا تملك حرية التحرك بسهولة. وبلورة السيليكون النقية تعد تقريباً مادة عازلة، وبالتالي فإن قدراً ضئيلاً جداً من الطاقة الكهربائية يمكن أن يتدفق من خلالها.
تحويل السيليكون إلى موصل
يمكنك أن تغير من سلوك السيليكون وتحوله إلى موصل للطاقة باتباع أي من الطريقتين التاليتين:
التحويل إلى سيليكون سالب:
بإضافة كميات ضئيلة من الفسفور أو الزرنيخ إلى بلورة السيليكون. كل من الفسفور والزرنيخ يتسم بوجود خمس إلكترونات خارجية، وبالتالي فهو خارج نطاق خاصية العزل التي يتسم بها السيليكون الخام، والإلكترون الخامس في كل منهما لا يجد أي شيء ليتحد معه، وبالتالي فهو يتمتع بحريةٍ في الحركة. والأمر لن يستلزم سوى إضافة قدر ضئيل للغاية من أي من هاتين المادتين من أجل خلق إلكترونات حرة تسمح بتدفق تيار كهربائي عبر السيليكون. وجعله موصلا جيدا للطاقة.
التحويل إلى سيليكون موجب:
باستخدام أي من عنصري البورون أو الجاليوم ليقوم أي منهما بمهمة تغيير طبيعة السيليكون. وهذان العنصران يتسمان بميزة رئيسة في التكوين الذري لكل منهما، حيث لا يوجد في أي منهما إلا ثلاثة إلكترونات خارجية، وبالتالي عندما يتم خلط أي من هذين العنصرين مع عنصر السيليكون تتكون فيه فتحات نتيجة وجود إلكترون في السيليكون لا يجد نظيراً له في العنصر الآخر لكي يتحد معه، وغياب هذا الإلكترون يؤدي عمل شحنة موجبة. ووجود مثل هذه الفتحة على سطح السيليكون يمكن من اتحاد الإلكترون الحر مع أي إلكترون قادم من أي عنصر آخر، مما يجعل من السيليكون من هذا النمط موصلاً جيداً للطاقة.
هذه الكمية الضئيلة التي تضاف إلى السيليكون من أي من هذه العناصر الأربعة، هي التي تحوله من مادة عازلة إلى موصل جيد، لكنه ليس ممتازا، ومن هنا جاءت تسمية أشباه الموصلات.
والسيليكون الإيجابي أو السلبي لا يعمل بكفاءة، ولكن عندما تضعهما سوياً ينتج عن تفاعلهما ذلك السلوك المدهش الذي تقوم به أشباه الموصلات.
الصمام الثنائي
يعد الصمام الثنائي أصغر وأبسط جهاز ضمن أشباه الموصلات، حيث يسمح هذا الصمام بتدفق التيار في أحد الاتجاهين دون الاتجاه الآخر. فأنت حين تقوم بوضع السيليكون بنوعيه الموجب والسالب في أحد الصمامات الثنائية تنتج ظاهرة مثيرة للدهشة هي التي تعطي الصمام الثنائي خصائصه المميزة.
فالتفاعل بين نوعي السيليكون السالب والموجب لم يؤت ثماره بعد، حيث لا تتولد عنه أي كهرباء، والسبب في ذلك أن الإلكترونات السالبة في السيليكون من النوع السالب تنجذب إلى الطرف الموجب من البطارية، في الوقت الذي تنجذب فيه الفتحات الموجبة في النوع الموجب إلى الطرف السالب من البطارية. وعليه لا ينتج عن تفاعل نوعي السيليكون أي تيار كهربائي نتيجة أن الإلكترونات والفتحات يتحرك كل منهما في الاتجاه الخاطئ.
هنا يأتي دور الصمام الثنائي الذي يعمل على إعادة توجيه حركة الإلكترونات والفتحات في الاتجاه الصحيح. ويكون الأثر الناتج عن هذه التفاعلات تدفق التيار بشكل جيد خلال رقاقة السيليكون.
الترانزستورات والرقاقات
يتم تصنيع الترانزستور باستخدام ثلاث طبقات، بدلاً من الطبقتين اللتين تستخدمان في صناعة الصمام الثنائي. والترانزستور يبدو وكأنه يضم صمامين وضعا في وضع عكسي تجاه بعضهما البعض، وهذا الوضع العكسي يحول دون تدفق أي تيار من خلال الرقاقة إلى حد كبير. ولكن عندما يتم تعريض الطبقة الوسطى من الترانزستور لنسبة ضئيلة من التيار، فإن كمية أعلى من التيار سوف تتدفق عبر طبقات الترانزستور في مجمله، وهو الأمر الذي يعطي الترانزستورات الطابع التحويلي الذي تتميز به من حيث انها يمكن من خلالها لكمية ضئيلة من التيار أن تشغل أي تعطل كمية كبيرة من التيار.
والرقاقة قطعة من السيليكون يمكنها أن تحمل آلاف الترانزستورات، ومن خلال هذه الترانزستورات التي تعمل كمحولات يمكن خلق بوابات بولونية يمكن عن طريقها تصنيع رقائق المشغلات الدقيقة (الميكروبروسيسورز.
..... الرجوع .....



:s_thumbup::m_yes: