أهداف الدرس

1. • أن يفرق الطالب بين الموصلات وأشباه الموصلات والعوازل.
2. • أن يشرح عمل الثنائي والترانزستور.
3. • أن يعدد تطبيقات الإلكترونيات الحديثة.

أشباه الموصلات

• مواد مقاومتها النوعية بين الموصلات والعوازل، وأهمها السيليكون والجرمانيوم. وتقل مقاومتها برفع درجة الحرارة، وتزداد بوجود الشوائب.
• في البلورة النقية من السيليكون أو الجرمانيوم ترتبط كل ذرة بأربع ذرات مجاورة برابطة تساهمية، ولذلك تكون البلورة عازلة تماماً عند الصفر المطلق (0 K أو -273°C) لعدم وجود إلكترونات حرة.
• وعند رفع درجة الحرارة تنكسر بعض الروابط، فتتحرر إلكترونات سالبة، ويترك كل إلكترون محرر مكانه فراغاً موجباً يسمى الفجوة.
• ولذلك يكون عدد الإلكترونات الحرة مساوياً لعدد الفجوات في البلورة النقية دائماً، ويكون الإلكترون الحر والفجوة هما حاملا الشحنة في شبه الموصل.

التطعيم

• إضافة شوائب بنسب دقيقة لتغيير التوصيلية:
• • شبه موصل سالب النوعية n يضاف عنصر خماسي التكافؤ مثل الفسفور، فتزيد الإلكترونات الحرة.
• • شبه موصل موجب النوعية p يضاف عنصر ثلاثي التكافؤ مثل البورون، فتزيد الفجوات.
• في شبه الموصل السالب n تُضاف ذرات خماسية التكافؤ مثل الفوسفور والزرنيخ والأنتيمون، وتسمى ذرة معطية (ND+) لأنها تمنح إلكتروناً حراً.
• فتكون الإلكترونات هي حاملات الشحنة الأغلبية، والفجوات هي حاملات الأقلية.
• وفي شبه الموصل الموجب p تُضاف ذرات ثلاثية التكافؤ مثل البورون والألومنيوم والجاليوم، وتسمى ذرة متقبلة (NA–) لأنها تقتنص إلكتروناً من إحدى الروابط فتتولد فجوة.
• فتكون الفجوات هي حاملات الشحنة الأغلبية، والإلكترونات هي حاملات الأقلية.

• تبقى البلورة المطعمة متعادلة كهربياً، لأن مجموع الشحنات الموجبة (الفجوات والأيونات المعطية) يساوي مجموع الشحنات السالبة (الإلكترونات والأيونات المتقبلة).
• أي أن التطعيم يغير نوع حاملات الشحنة السائدة ولا يغير الشحنة الكلية للبلورة.

الثنائي

• وصلة من نوع p ونوع n. يسمح بمرور التيار في اتجاه واحد فقط:
• تتكون الوصلة الثنائية من التحام جزأين من بلورة شبه موصلة، أحدهما من النوع n والآخر من النوع p.
• ففي منطقة n يكون تركيز الإلكترونات عاليًا، وفي منطقة p يكون تركيز الفجوات عاليًا، فتنتشر الإلكترونات من n إلى p وتنتشر الفجوات من p إلى n.
• وينتج عن ذلك منطقة خالية من حاملات الشحنة عند السطح الفاصل تُسمى المنطقة الفاصلة أو منطقة النضوب، تحتوي على أيونات موجبة في جهة n وأيونات سالبة في جهة p.
• ويتولد بين هذه الأيونات مجال كهربي داخلي يدفع الحاملات في عكس اتجاه الانتشار، فيتزن التيار عند عدم التوصيل.
• وعند توصيل الوصلة بفرق جهد في الاتجاه الأمامي يمر التيار بسهولة ويزداد بسرعة مع زيادة الجهد، بينما يكون التيار في الاتجاه العكسي صغيرًا جدًا.

• • انحياز أمامي القطب الموجب لنوع p، فيمر التيار ويقل عرض منطقة النضوب.
• • انحياز عكسي القطب الموجب لنوع n، فيمنع التيار تقريباً.
• يستخدم الثنائي في تقويم التيار المتردد إلى مستمر، وفي كواشف الضوء.
• تتكون الوصلة عند تلامس البلورتين تنتشر الإلكترونات من نوع n نحو نوع p، وتنتشر الفجوات من نوع p نحو نوع n. فتنشأ بينهما منطقة خالية من حاملات الشحنة تسمى منطقة النضوب، ويظهر عبرها جهد حاجز يعارض انتشار حاملات الشحنة.
• عند التوصيل الأمامي يتغلب الجهد الخارجي على الجهد الحاجز فيمر تيار كهربي قوي.
• أما عند التوصيل العكسي فيزداد اتساع منطقة النضوب والجهد الحاجز، فينعدم التيار تقريباً.
• ولذلك يكون التيار في الثنائي موحد الاتجاه، ويجب التمييز بين الانحيازين عند حل المسائل: الانحياز الأمامي هو توصيل القطب الموجب للبطارية بنوع p.

الترانزستور

• يتكون من ثلاث طبقات، مثل npn أو pnp، وله ثلاثة أطراف القاعدة والباعث والمجمع. ويعمل كمكبر للإشارة أو كمفتاح إلكتروني.
• تيار المجمع أكبر من تيار القاعدة بعدة مرات، ونسبة التكبير هي:

β = Ic ÷ Ib

الدوائر المتكاملة

• تجمع آلاف أو ملايين الترانزستورات على شريحة صغيرة، وهي أساس الحواسيب والهواتف والأجهزة الذكية، وتتميز بصغر الحجم وقلة استهلاك الطاقة وانخفاض التكلفة.
• تعمل الحواسيب بالنظام الثنائي (Binary System) الذي يعتمد على الرقمين 0 و1، إذ تحول الدوائر الرقمية الإشارات المستمرة إلى نبضات رقمية متقطعة.
• ويتكون هذا النظام من بوابات منطقية أساسية تُبنى بالترانزستورات:

تطبيقات الإلكترونيات الحديثة

• • الحواسيب والهواتف الذكية.
• • أنظمة الاتصالات والأقمار الصناعية.
• • الأجهزة الطبية مثل أجهزة الموجات فوق الصوتية وأجهزة رسم القلب.
• • أنظمة التحكم الآلي والروبوتات.
• • الخلايا الشمسية ومصادر الطاقة المتجددة.
• • الإضاءة باستخدام ثنائيات باعث الضوء LED.

تقييم سريع

1. 1- لماذا يمر التيار في الثنائي في اتجاه واحد؟
2. 2- ما الفرق بين شبه الموصل n و p؟
3. 3- اذكر وظيفتين للترانزستور.