[الركن الهادئ]

كيف تعمل مكونات شبه الموصل ?
تحتوي كل مكونات شبه الموصل الإيجابية على وصلة م س واحدة على الأقل. ويحدد عدد حاملات الشحنات قرب الوصلة احتمال سريان التيار أو عدم سريانه. ويتوقف عمل المكون على عدد الوصلات فيه وكيفية ترتيب الدائرة.


تسمى الترانزستورات وبعض المكوِّنات الإلكترونية مكوِّنات حالة الصلابة، وذلك لأن الإشارات تسري عبر شبه موصل صلب بدلاً عن الفراغ. وتستهلك نبائط حالة الصلابة قدرة أقل، وتدوم لفترة أطول، وتحتل مساحة أقل، مقارنة بالصمامات المفرغة. وقد أنتج المهندسون أولى نبائط حالة الصلابة خلال أربعينيات القرن العشرين. ومنذ ذلك التاريخ حلت أشباه الموصلات محل الصمامات المفرغة في معظم الاستخدامات.

وتصنع مكوِّنات حالة الصلابة من السليكون، الذي ينتمي إلى أشباه الموصلات. والسليكون وغيره من أشباه الموصلات مفيدة، لأن العلماء يستطيعون ضبط مقاومتها بدقة، وبالتالي التحكم في سريان التيار عبرها.

ولاستخدامها في النبائط الإلكترونية يجب أن تشكل أشباه الموصلات تركيبًا بلوريًا. وفي هذه البلورات، يزدوج كل إلكترون من الإلكترونات الخارجية لذرة مع إلكترون خارجي آخر لذرة مجاورة لتكوين روابط تسمى الروابط الإلكترونية أو الروابط التساهمية. وتكون الإلكترونات الخارجية في العادة مرتبطة بإحكام بذرات البلورة، وتعمل المادة عازلاً يقاوم سريان الشحنات.

ويحور العلماء بلورات السليكون النقية بكميات قليلة جدًا من محورات، لتحسين قدرة السليكون على توصيل التيار. وهناك نوعان من أشباه الموصلات المحورة: 1- نوع م، ويحتوي على حاملات شحنات موجبة 2- نوع س، ويحتوي على حاملات شحنات سالبة.

ولإنتاج شبه موصل من النوع م يضيف العلماء محورات ذات ذرات محتوية على عدد من الإلكترونات الخارجية يقل عن عدد الإلكترونات الخارجية للسليكون بإلكترون واحد، ومن هذه المحورات الألومنيوم والبورون والإنديوم والجاليوم. وتكوِّن كل ذرة غير نقية فجوة ـ أي منطقة تنعدم فيها الرابطة الإلكترونية ـ في التركيب البلوري. وتؤدي الفجوة وظيفة الشحنة الموجبة، حيث تجذب إليها الإلكترونات من الذرات المجاورة. وهكذا تستطيع الفجوة التنقل من ذرة إلى أخرى.

ولإنتاج شبه موصل من النوع س يضيف العلماء محورات ذات ذرات محتوية على عدد من الإلكترونات الخارجية يزيد عن عدد الإلكترونات الخارجية للسليكون بإلكترون واحد أو أكثر، ومن هذه المحورات الزرنيخ والفوسفور والأنتيمون. وفي درجات الحرارة العادية يكون الإلكترون الإضافي حر الحركة داخل البلورة، ويؤدي وظيفة حامل الشحنة السالبة.

وينتج المصنعون نبائط إلكترونية متنوعة بتكوين توليفات مختلفة من النوع م والنوع س داخل البلورة. ويسمى المكان الذي يلتقي فيه نوعا شبه الموصل الوصلة م س. ويحدد عدد الوصلات وطريقة ترتيبها، ونوع المحورات وكمياتها، كيفية عمل أي نبيطة.

getimage%288%29.jpg (22.3 كيلوبايت)

الثنائي يحتوي على وصلة م س واحدة يمكنها توصيل التيار أو إيقافه حسب انحياز (اتجاه) الفولتية المطبقة على طرفيه. فالثنائي المنحاز أماميًا (إلى اليسار) يوصل التيار لأن حاملات الشحنات تنجذب نحو الوصلة، بينما يوقف الثنائي المنحاز عكسيًا (إلى اليمين) .




الثنائيات. مكوِّنات إلكترونية تمنع سريان التيار في اتجاه واحد، ولكن ليس الاتجاه الآخر. ويتكون ثنائي شبه الموصل من قطعة من شبه موصل، نوع م، متصلة بقطعة من شبه موصل، نوع س. وللثنائي طرفان (جزءان فلزيان يكوِّنان وصلتين كهربائتين). ويوصل الطرفان نهايتي كل نوع من نوعي شبه الموصل إلى الدائرة. ويمكن بناء الثنائي داخل الدائرة المتكاملة، وقد تكون قطعة متمايزة (منفصلة) في دائرة تقليدية. ويوضع الثنائي المتمايز داخل غلاف واق.

كيف يعمل الثنائي. الثنائي نبيطة تسمح بسريان التيار في اتجاه واحد فقط. وينقل التيار بسريان الفجوات والإلكترونات. ويحدد انحياز (اتجاه) الفولتية المطبقة احتمال إيقاف الوصلة م س للتيار، أو سماحها بمروره.

ويسمح الانحياز الأمامي بمرور التيار عبر الوصلة. ولتوليد الانحياز الأمامي تطبق البطارية، أو مصدر الفولتية المستخدم، فولتية سالبة على مادة النوع س وفولتية موجبة على مادة النوع م. وتطرد الفولتية السالبة الإلكترونات الحرة في مادة النوع س في اتجاه الوصلة م س. وبنفس الطريقة تطرد الفولتية الموجبة الفجوات في مادة النوع م في اتجاه الوصلة. وتتحرك الإلكترونات عبر الوصلة إلى مادة النوع م. وعند مرور أي إلكترون يضخ مصدر الفولتية إلكترونًا واحدًا إلى مادة النوع س، ويجذب إلكترونًا واحدًا من مادة النوع م، ونتيجة لذلك تسري الإلكترونات عبر الدائرة. ويؤدي الازدياد الطفيف في قوة الفولتية إلى ازدياد كبير في التيار المار عبر الثنائي. ويتوقف سريان الإلكترونات عند إزالة الفولتية.

ويمنع الانحياز العكسي معظم التيار من المرور عبر الوصلة م س، بالرغم من مرور تيار تسرب صغير. ولتوليد الانحياز العكسي يطبق مصدر الفولتية فولتية سالبة على مادة النوع م وفولتية موجبة على مادة النوع س، ونتيجة لذلك تتنافر الفجوات والإلكترونات بعيدًا عن الوصلة. ويؤدي ذلك إلى تكوُّن منطقة خالية من حاملات الشحنات المتحركة على كل من جانبي الوصلة، تعمل عازلاً للتيار.

الاستخدامات. تستخدم الثنائيات مفاتيح أو مقوِّمات. وبإمكان دوائر المقومات تغيير التيار المتناوب إلى تيار مستمر. والتيار المتناوب يغير اتجاهه عدة مرات في كل ثانية، بينما يسري التيار المستمر في نفس الاتجاه دائمًا. ويتلقى الطرف المتصل بمصدر تيار متناوب فولتية تتغير باستمرار من الموجب إلى السالب أو العكس. وفي حالة إرسال تيار متناوب إلى ثنائي، تمرر النبيطة التيار عندما تكون مادة النوع س ذات فولتية سالبة. وهكذا يسري التيار عبر الثنائي في اتجاه واحد فقط.

تنتج وحدات القدرة التجارية كلها تقريبًا تيارًا متناوبًا. ولكن معظم المعدات الإلكترونية تتطلب تيارًا مستمرًا، ولذا تستخدم النبائط التي تدار بالقدرة التجارية الثنائيات لتقويم التيار. ولا تحتاج النبائط التي تستمد القدرة من البطاريات تقويم التيار، لأن البطاريات تنتج تيارًا مستمرًا.



دائرة الترانزستور



الترانزستورات. ترتيبات من الوصلات م س يمكن استخدامها في تضخيم الإشارات، أو فتح وغلق التيار. فبنفس طريقة عمل المفتاح الميكانيكي الصغير، الذي يؤدي تحركه إلى تشغيل محرك قوي، أو إيقافه، يستخدم الترانزستور إشارة دخلية صغيرة للتحكم في سريان تيار قوي، حيث يمكنه قطع التيار كليًا، أو السماح بسريانه كليًا، أو السماح بسريانه جزئيًا. والترانزستورات هي أهم مكونات الدوائر المتكاملة.

كيف يعمل الترانزستور. هناك أنواع عديدة من الترانزستورات، تعمل بطرق مختلفة. ومن أهم أنواعه الترانزستور الوصلي ثنائي القطب، أو الترانزستور ثنائي القطب، الذي يتكون من طبقة رقيقة جدًا من نوع من أشباه الموصلات، محشوة بين طبقتين سميكتين من النوع المقابل. فإذا كانت الطبقة الوسطى، على سبيل المثال، من النوع س، تكون الطبقتان الخارجيتان من النوع م. وتسمى المنطقة الوسطى القاعدة، والمنطقتان الخارجيتان الباعث والمجمِّع.

وللترانزستور ثنائي القطب وصلتا م س وثلاثة أطراف. ويربط طرفان من هذه الأطراف، في العادة، الباعث والمجمِّع إلى دائرة خرجية، بينما يصل الطرف الثالث القاعدة بدائرة دخلية. ولكل دائرة مصدر قدرة. وتترتب مصادر القدرة بحيث تكون إحدى الوصلات م س منحازة أماميًا والوصلة الأخرى منحازة خلفيًا.

وفي العادة، يمنع الترانزستور التيار من المرور عبر الدائرة الخرجية، ولكن رفع الفولتية المطبقة على القاعدة قليلاً يؤدي إلى دخول عدد كبير من الإلكترونات إلى القاعدة عبر الوصلة المنحازة أماميًا، ويتفاوت هذا العدد حسب قوة الفولتية. ولأن منطقة القاعدة رقيقة جدًا، يستطيع مصدر الفولتية في الدائرة الخرجية جذب الإلكترونات عبر الوصلة المنحازة عكسيًا. ونتيجة لذلك يسري تيار قوي عبر الترانزستور، وعبر الدائرة الخرجية. وبهذه الطريقة يمكن التحكم في سريان تيار قوي عبر الدائرة الخرجية، بتزويد القاعدة بإشارة صغيرة.

ومن الأنواع الرئيسية للترانزستور ترانزستور التأثير المجالي، والذي يعمل بطريقة تختلف عن طريقة عمل الترانزستور ثنائي القطب. ولمزيد من المعلومات عن نوعي الترانزستور، وكيفية عملهما، انظر: الترانزستور.


الاستخدامات. تؤدي الترانزستورات ثلاث وظائف إلكترونية رئيسية: 1- التضخيم 2- القطع والوصل 3- الذبذبة.

والتضخيم هو تقوية إشارة ضعيفة متراوحة. والتيار الذي يسري عبر الترانزستور والدائرة الخرجية نسخة طبق الأصل من الإشارة الدخلية ـ ولكنه أقوى بكثير. وبإمكان الترانزستور التجاوب مع تراوحات الإشارة بلايين المرات في كل ثانية.

وتعمل معظم المعدات الإلكترونية بالتضخيم. وتستخدم المضخمات في المعدات المصممة لنقل الإشارات السمعية والبصرية. ولابد من تضخيم معظم الإشارات لتتمكن من إدارة نبيطة خرجية، مثل المجهار أو جهاز التلفاز أو طابعة الحاسوب.

وتستخدم المضخمات أيضًا للكشف عن المعلومات. فعلى سبيل المثال، تسجل أجهزة خاصة الإشارات الكهربائية الضعيفة الصادرة عن قلب الإنسان ودماغه، وتضخمها. ويدرس الأطباء هذه الإشارات لتشخيص جروح وأمراض معينة.

والقطع والوصل أيضًا من أهم وظائف الترانزستورات. فالترانزستورات ـ بوصفها مفاتيح ـ تقطع الدوائر وتوصلها وتوجه مسار الإشارات. ولتؤدي الترانزستورات هذه الوظائف لابد أن تكون قوة الإشارات الدخلية متفاوتة بشدة، ليتمكن الترانزستور من قطع أو وصل الإمداد الرئيسي.

وتحول الذبذبة إشارة التيار المستمر إلى إشارة تيار متناوب، ذات تردد (عدد الاهتزازات في الثانية) مرغوب. وتسمى الدوائر الترانزستورية التي تقوم بهذا العمل المذبذبات. والمذبذب في الواقع نوع من المضخمات يقوي الإشارة، ويحتفظ بجزء من الإشارة المضخمة، لإنتاج دخلها الخاص. وتمكن ترتيبات متنوعة من الدوائر الترانزستور من أداء عمل المذبذب.

وتخدم المذبذبات عدة أغراض. فهي على سبيل المثال، تنتج الموجات الراديوية التي تحمل الصوت والصورة عبر الفضاء. وهي تنتج أيضًا إشارات التوقيت التي تتحكم في العمليات الداخلية للحواسيب، والتي تدير بعض أنواع المعدات الأوتوماتية. وفي الطب ينتج مذبذب يسمى الناظمة القلبية دفعات كهربائية مؤقتة بدقة، شبيهة بالدفعات الطبيعية التي تجعل القلب ينبض بانتظام. ويزرع الجراحون الناظمات القلبية في صدور بعض المرضى لتقويم عدم انتظام نبض القلب.



المكونات السلبية
يمكن تقسيم المكوِّنات الإلكترونية إلى مجموعتين 1- مكوِّنات إيجابية 2- مكوِّنات سلبية. والمكوِّنات الإيجابية هي المكوِّنات التي تضخم الإشارات، أو تصلها وتقطعها، أو تذبذبها. ويصنف معظم خبراء الإلكترونات الصمامات الإلكترونية والترانزستورات وبعض الثنائيات ضمن المكوِّنات الإيجابية.

أما المكوِّنات السلبية فتغير الطاقة الكهربائية إلى حرارة، أو تخزن الطاقة الكهربائية داخليًا. وتشتمل المكوِّنات السلبية على المقاومات والمكثفات والمحاثات.

والمقاومات نبائط تغير الطاقة الكهربائية إلى حرارة، وتستخدم في تقليل كمية التيار المنساب عبر دائرة. وكلما كبر حجم المقاوم قلت كمية الكهرباء التي تمر عبره.

وتستخدم المكثفات والمحاثات في تخزين الطاقة الكهربائية. فالمكثفات تستخدم في الدوائر الكهربائية لتخزين المعلومات في شكل وجود أو إنعدام شحنة، كما تستخدم أيضًا لإيقاف سريان التيار المستمر. أما المحاثات فتوقف سريان التيار المتناوب، ولكنه يسمح بمرور التيار المستمر. انظر : المكثف؛ المحاثة.

وفي الدوائر المتكاملة يستطيع المصنعون ضبط رقاقة شبه الموصل لتكوين مناطق تؤدي عمل المقاومات والمكثفات، ولكن ليس المحاثات، حيث لايمكن تكوين المحاثات إلا عبر دوائر معقدة. ويمكن أيضًا وصل المحاثات إلى الدوائر المتكاملة في شكل مكوِّنات منفصلة.

[اشرف البدري22]

منور والله زايدا معاك