الدرس الأول: بلورة أشباه الموصلات والوصلة الثنائية والترانزستور

• يشهد العالم تقدمًا هائلًا في الإلكترونيات والاتصالات حتى صارت السمة المميزة لهذا العصر.
• التلفزيون والهاتف المحمول والحاسوب والأقمار الصناعية شواهد على ذلك، وللإلكترونيات دور في الحرب الحديثة (التوجيه والاستطلاع والرصد والتشويش) وفي الطب (التشخيص والمتابعة والجراحة).
• لذلك لا بد من تحصيل قدر مبسط من المعلومات عن الإلكترونيات مهما كان التخصص المهني.

• الموصلات: توصل الكهربية والحرارة بسهولة (المعادن).
• العوازل: لا توصل الكهربية والحرارة بسهولة (الخشب والبلاستيك).
• أشباه الموصلات (Semiconductors): مرحلة متوسطة بين النوعين، تتميز بأن توصيليتها تزداد مع ارتفاع درجة الحرارة (مثل السيليكون والجرمانيوم).

مقارنة بين المعدن وشبه الموصل

• في بلورة المعدن: أيونات موجبة وسحابة من الإلكترونات الحرة التي تتحرك حركة عشوائية، وتؤثر قوة تجاذب بين الأيونات والسحابة.
• محصلة قوى التجاذب على أي إلكترون حر داخل المعدن صفر، فإذا حاول الخروج من السطح جذبته قوى التجاذب للداخل.

التركيب

• البلورة: ترتيب هندسي منتظم للذرات في الحالة الجامدة.
• السيليكون من أهم عناصر الكون؛ يدخل في تركيب الرمل وصخور القشرة الأرضية.
• بلورة السيليكون النقي من ذرات تربطها روابط تساهمية؛ فذرة السيليكون لها 4 إلكترونات في غلافها الخارجي تشاركها مع 4 ذرات مجاورة.
• بذلك يحتوي الغلاف الخارجي لكل ذرة على 8 إلكترونات بالمشاركة.

أنواع إلكترونات السيليكون

• إلكترونات المستويات الداخلية: مرتبطة بشدة بالنواة.
• إلكترونات التكافؤ (الغلاف الخارجي): لها حرية أكبر في الحركة بين المسافات البينية.
• الإلكترونات الحرة: تتحرر من الروابط المكسورة وتتحرك في حيز البلورة ذاتها.

عند درجات الحرارة المختلفة

• في الحرارة المنخفضة (قرب الصفر المطلق): جميع الروابط سليمة، ولا توجد إلكترونات حرة على غرار المعدن، فتكون البلورة عازلة.
• بارتفاع درجة الحرارة تنكسر بعض الروابط بفعل الطاقة الحرارية فتنطلق إلكترونات حرة.
• يترك الإلكترون المتحرر مكانًا فارغًا في الرابطة المكسورة يسمى فجوة (Hole).
• الذرة متعادلة، فغياب إلكترون يعني ظهور شحنة موجبة؛ لذلك تمثل الفجوة شحنة موجبة.
• لا نسمي الذرة التي كُسرت إحدى روابطها أيونًا، لأن الفجوة سرعان ما تقتنص إلكترونًا آخر من رابطة مجاورة أو من الإلكترونات الحرة فتعود الذرة متعادلة وتنتقل الفجوة إلى رابطة أخرى.
• كسر الرابطة يحتاج حدًا أدنى من الطاقة (حرارية أو ضوئية).

الاتزان الحراري

• في السيليكون النقي عدد الإلكترونات الحرة = عدد الفجوات (n = p).
• لا تستمر الزيادة بلا حد؛ إذ تصل البلورة إلى اتزان حراري يتساوى فيه عدد الروابط المكسورة في الثانية مع عدد الروابط التي تُكوَّن في الثانية، فيبقى عدد ثابت من الإلكترونات الحرة والفجوات عند كل درجة حرارة.
• الالتحام (Recombination): اقتناص إلكترون حر لفجوة، وتنطلق الطاقة في صورة حرارة أو ضوء.

حركة الفجوات

• تتحرك الفجوات عشوائيًا كما تتحرك الإلكترونات.
• حركة الفجوة تكافئ حركة الإلكترونات داخل روابطها في الاتجاه المعاكس.
• ازدياد عدد الروابط المكسورة يمكن أن يحدث أيضًا بمؤثر خارجي كالضوء، بشرط أن تكفي طاقة الفوتون لكسر الرابطة.

أسئلة "علل"

• توصيلية شبه الموصل تزداد بارتفاع درجة الحرارة: لانكسار مزيد من الروابط فيزداد عدد الإلكترونات الحرة والفجوات.
• الفجوة تمثل شحنة موجبة: لأن غياب إلكترون سالب من ذرة متعادلة يترك شحنة موجبة.

• تتميز أشباه الموصلات بحساسية شديدة للشوائب (Impurities).
• التطعيم (Doping): إضافة كمية ضئيلة جدًا من ذرات عنصر آخر (شوائب) إلى بلورة شبه الموصل النقية لتحسين توصيليتها.

أ) شائبة خماسية التكافؤ → النوع n

• السيليكون من المجموعة الرابعة، فإضافة عنصر من المجموعة الخامسة مثل الفوسفور (P) أو الأنتيمون (Sb) تحل ذرته محل ذرة سيليكون.
• للذرة الشائبة 5 إلكترونات: 4 منها تشترك في الروابط ويبقى إلكترون واحد خارج الروابط، قوى الجذب عليه ضعيفة فيفقده بسهولة وتصبح الذرة أيونًا موجبًا.
• هذا الإلكترون ينضم إلى رصيد البلورة من الإلكترونات الحرة، فللبلورة مصدر آخر للإلكترونات الحرة هو ذرات الشوائب.
• تسمى الذرة الشائبة الذرة المعطية (Donor).
• يتحقق الاتزان الحراري بالعلاقة:

\(n = p + N_{D}\)

حيث \(N_{D}\) تركيز أيونات الشوائب المعطية، n تركيز الإلكترونات الحرة، p تركيز الفجوات.

• n أكبر من p، فتسمى البلورة من النوع n (n-type) وحاملات الشحنة الأغلبية فيها الإلكترونات.

ب) شائبة ثلاثية التكافؤ → النوع p

• عند إضافة عنصر من المجموعة الثالثة مثل الألومنيوم (Al) أو البورون (B) بدلًا من السيليكون، تكتسب الذرة الشائبة (3 إلكترونات) إلكترونًا من إحدى روابط السيليكون لتكمل أربعة.
• تظهر فجوة في رابطة السيليكون، فتضيف الشوائب فجوات غير التي نشأت بالحرارة.
• تسمى الذرة الشائبة الذرة المستقبلة (Acceptor)، وتتحول إلى أيون سالب.
• يتطلب الاتزان:

\(p = N_{A} + n\)

• p أكبر من n، فالبلورة من النوع p (p-type) وحاملات الشحنة الأغلبية الفجوات.

قانون فعل الكتلة

• في جميع الأحوال:

\(n p = n_{i}^{2}\)

حيث \(n_{i}\) تركيز الإلكترونات (أو الفجوات) في السيليكون النقي عند درجة الحرارة نفسها.

• أي أنه إذا زاد n نقص p والعكس.
• تقريبًا: في النوع n: \(n \approx N_{D}\) و \[\begin{gathered}p = \dfrac{n_{i}^{2}}{N_{D}}\end{gathered}\]. وفي النوع p: \(p \approx N_{A}\) و \[\begin{gathered}n = \dfrac{n_{i}^{2}}{N_{A}}\end{gathered}\].
• كلتا البلورتين (n وp) متعادلة كهربيًا في ذاتها لأن مجموع الشحنات الموجبة يساوي مجموع الشحنات السالبة.

مقارنة بين النوعين

• النبائط (Devices) هي وحدات البناء التي تُبنى عليها كل الأنظمة الإلكترونية.
• بعضها بسيط: المقاومة R والملف L والمكثف C.
• وبعضها أكثر تعقيدًا: الوصلة الثنائية (دايود) والترانزستور بأنواعه، ونبائط متخصصة (كهروضوئية، ونبائط تحكم في التيار).
• تتميز أشباه الموصلات (التي تُصنع منها أغلب النبائط) بحساسيتها الشديدة للضوء والحرارة والضغط والتلوث الذري والكيميائي.
• لذلك تستخدم كمحسات (Sensors) لقياس شدة الضوء ودرجة الحرارة والضغط والرطوبة والتلوث الكيميائي والإشعاع الذري.

التكوين

• الوصلة الثنائية: بلورة تتكون من جزء من النوع p وآخر من النوع n متلاصقين.
• الفجوات في المنطقة p (تركيزها عالٍ) تنتشر إلى المنطقة n حيث تركيزها قليل.
• وكذلك الإلكترونات في المنطقة n (تركيزها عالٍ) تنتشر إلى المنطقة p.
• ينشأ تيار انتشار يدفع الفجوات من p إلى n والإلكترونات من n إلى p.

المنطقة الفاصلة (القاحلة)

• كل منطقة كانت في ذاتها متعادلة، فهجرة إلكترونات من n تترك جزءًا من الأيونات الموجبة بلا ما يعادله.
• وهجرة فجوات من p تترك أيونات سالبة بلا ما يعادلها.
• تنتج منطقة خالية من الإلكترونات والفجوات فيها أيونات موجبة في ناحية وأيونات سالبة في الأخرى، تسمى المنطقة الفاصلة (الانتقالية / القاحلة Depletion Region).
• ينشأ فيها مجال كهربي داخلي يتجه من الأيونات الموجبة إلى السالبة، ويدفع تيارًا يسمى تيار انسياب (Drift) في اتجاه عكس اتجاه تيار الانتشار.
• عند الاتزان يتساوى التياران فتكون المحصلة صفرًا.

التوصيل الأمامي

• يُوصل الطرف p بالطرف الموجب للبطارية والطرف n بالسالب.
• المجال الناشئ عن البطارية يكون عكس اتجاه المجال الداخلي فيضعفه، فتضيق المنطقة الفاصلة.
• يمر تيار كبير، وتكون مقاومة الوصلة صغيرة جدًا.
• يمثل الدايود في الاتجاه الأمامي مفتاحًا مغلقًا.

التوصيل العكسي

• يُوصل p بالطرف السالب وn بالموجب.
• يكون المجالان في الاتجاه نفسه، فتتسع المنطقة الفاصلة ويصعب مرور تيار.
• يمثل الدايود مفتاحًا مفتوحًا (لا يمر تيار تقريبًا).
• يمكن اختبار الدايود بالأوميتر: يعطي مقاومة صغيرة جدًا في اتجاه ومقاومة كبيرة جدًا في الاتجاه العكسي.

مقارنة بين التوصيلين

تقويم التيار المتردد

• التقويم (Rectification): تحويل التيار المتردد إلى تيار في اتجاه واحد (تيار مستمر).
• تسمح الوصلة الثنائية بمرور التيار في اتجاه وتمنعه تقريبًا في الاتجاه العكسي، فيمرّ نصف الموجة فقط.
• يُستخدم ذلك في شحن بطاريات السيارات وشاحن الهاتف المحمول وغيرهما.
• يُرمز للدايود بسهم نحو الكاثود، ويُسمى طرفاه الأنود (الموجب p) والكاثود (n).

التوليف الإلكتروني

• لضبط الراديو أو التلفزيون على محطة نغيّر تردد دائرة الرنين (بتغيير سعة مكثف) حتى يساوي تردد المحطة (ظاهرة الرنين).
• في الأجهزة الحديثة تُغيَّر السعة باستخدام الدايود عند جهد عكسي: يزداد عرض المنطقة الفاصلة بزيادة الجهد العكسي.
• زيادة العرض تعني تزايدًا في الشحنات (الأيونات)، فيشبه التغير في الشحنة مع الجهد ما يحدث لمكثف.
• أي أن الدايود في الاتجاه العكسي يكافئ مكثفًا سعته تتغير بالجهد العكسي (التوليف الإلكتروني).

أسئلة "علل"

• يستخدم الدايود في تقويم التيار المتردد: لأنه يوصل التيار في اتجاه واحد ويمنعه في الاتجاه المعاكس.
• تتسع المنطقة الفاصلة عند التوصيل العكسي: لأن المجال الخارجي يؤيد المجال الداخلي فتزداد الأيونات المكشوفة.

• ابتُكر الترانزستور بفضل باردين وشوكلي وبراتين.
• نكتفي بالترانزستور ثنائي القطبية (BJT) نوعي pnp وnpn.
• يتكون من ثلاث مناطق: p ثم n ثم p، أو n ثم p ثم n.
• المنطقة الأولى الباعث (E)، والأخيرة المجمع (C)، والوسطى القاعدة (B) وهي صغيرة السمك جدًا.

التوصيل بقاعدة مشتركة (للنوع npn)

• الوصلة الأولى n-p (الباعث – القاعدة) أمامية التوصيل.
• الوصلة الثانية p-n (المجمع – القاعدة) عكسية التوصيل.
• تنطلق الإلكترونات الحرة من الباعث (n) إلى القاعدة (p) وتنتشر فيها لبعض الوقت إلى أن يلتقطها المجمع (n).
• لأن الإلكترونات تنتشر في قاعدة مليئة بالفجوات، فإن الالتحام في القاعدة يستهلك نسبة ضئيلة منها.
• لذلك يكون تيار المجمع \(I_{C}\) أقل قليلًا من تيار الباعث \(I_{E}\)، ويمر الباقي في دائرة القاعدة \((I_{B})\):

\[\begin{gathered}I_{E} = I_{B} + I_{C}\end{gathered}\]

ثابتا الترانزستور

• ثابت التوزيع α: نسبة تيار المجمع إلى تيار الباعث، وقيمته أقل من الواحد ويقترب منه لأن عرض القاعدة صغير جدًا:

\[\begin{gathered}\alpha = \dfrac{I_{C}}{I_{E}}\end{gathered}\]

• معامل تكبير التيار β: نسبة تيار المجمع إلى تيار القاعدة، وقيمته كبيرة جدًا:

\[\begin{gathered}\beta = \dfrac{I_{C}}{I_{B}}\end{gathered}\]

• العلاقة بين الثابتين:

\(I_{C} = \alpha I_{E}\) ، \[\begin{gathered}I_{B} = (1 - \alpha ) I_{E}\end{gathered}\]

\[\begin{gathered}\beta = \dfrac{\alpha}{1 - \alpha }\end{gathered}\] ، \[\begin{gathered}\alpha = \dfrac{\beta}{1 + \beta }\end{gathered}\]

كمكبر (باعث مشترك)

• يمكن توصيل الترانزستور بحيث يكون الباعث مشتركًا فيعمل مكبرًا للتيار والقدرة الكهربية.
• إذا وُضعت إشارة كهربية صغيرة (مثل خرج ميكروفون) في تيار القاعدة ظهر تأثيرها مكبرًا في تيار المجمع، ويسمى ذلك فعل الترانزستور (Transistor action).
• السبب: نسبة تيار المجمع إلى القاعدة β كبيرة، فأي تغير صغير في \(I_{B}\) يظهر تأثيره مكبرًا في \(I_{C}\).

كمفتاح

• في دائرة المجمع (باعث مشترك):

\[\begin{gathered}V_{\,\text{CC}} = V_{\,\text{CE}} + I_{C} R_{C}\end{gathered}\]

حيث \(V_{\,\text{CC}}\) جهد البطارية، \(V_{\,\text{CE}}\) فرق الجهد بين المجمع والباعث، \(I_{C}\) تيار المجمع، \(R_{C}\) مقاومة في الدائرة.

• كلما زاد \(I_{C}\) زاد فرق الجهد \(I_{C} R_{C}\) وقل \(V_{\,\text{CE}}\) حتى يصل إلى أقل قيمة (نحو 0.2 V).
• نعتبر القاعدة هي الدخل \((V_{\,\text{in}})\) والمجمع هو الخرج \((V_{\,\text{out}})\) والباعث مشتركًا متصلًا بالأرض.
• مفتاح مغلق (ON): جهد القاعدة موجب وكبير ← \(I_{C}\) كبير ← \(I_{C} R_{C}\) كبير ← \(V_{\,\text{CE}}\) صغير (خرج صغير).
• مفتاح مفتوح (OFF): جهد القاعدة موجب صغير أو سالب ← ينقطع \(I_{C}\) ← \(V_{\,\text{CE}}\) يساوي \(V_{\,\text{CC}}\) تقريبًا (خرج كبير).
• هكذا يعمل الترانزستور كمفتاح يوصل التيار أو لا يوصله.
• وهو أيضًا عاكس (Inverter): الخرج صغير عندما يكون الدخل كبيرًا، والخرج كبير عندما يكون الدخل صغيرًا.
• يمكن تحديد قطبية الترانزستور باستخدام الأوميتر.

• بلورة السيليكون النقي تتكون من ذرات تربطها روابط تكافؤية؛ تزداد الروابط المكسورة بزيادة الحرارة أو بمؤثر خارجي كالضوء بشرط كفاية طاقة الفوتون.
• يزداد عدد الإلكترونات الحرة عن الفجوات بإضافة شوائب n-type، والعكس بإضافة شوائب p-type.
• شبه الموصل به حاملان للتيار (إلكترونات وفجوات)، بينما المعدن به حامل واحد.
• يتكون الدايود من منطقة p ومنطقة n؛ يمر تيار في التوصيل الأمامي ولا يمر في العكسي، ولذلك يستخدم في تقويم التيار المتردد.
• يتكون الترانزستور من pnp أو npn ويستخدم للتكبير لأن نسبة تيار المجمع إلى القاعدة كبيرة.