من طرف السلام السبت 08 يناير 2011, 9:03 pmبسم الله الرحمن الرحيم
أشباه الموصلات
تم الاخراج بواسطه
عبدالوهاب المهتدي
Yarimi20@hotmail.com
المقدمة:
ظهور أشباه الموصلات وشيوع استخدامها له أثر كبير في حياة الناس. فصناعة رقاقات المشغلات الدقيقة (الميكروبروسيسور) والترانزستورات، أصبحت جزءاً مهما في تكوي الحاسب الآلي أو استخدام موجات الراديو، وبالأخص تلك المتعلقة بالاتصالات والأجهزة الإلكترونية المتعددة ، هي ثمرات التقدم في مجال علم الإلكترونيات الذي تشعب في نواح خدماتية متعددة للإنسان. لقد تسارع التقدم في علم الإلكترونيات بعد اكتشاف أشباه الموصلات(وأهمها السيلكون)وتطبيقاتها في ما يعرف بوصلة pn ( pn-junction ) ،حيث أدى استخدامها إلى تطبيقات متعددة.
ويتم استخدام مادة السيلكون في إنتاج الغالبية العظمى من رقائق أشباه الموصلات والترانزستورات، الأمر الذي جعل من السيلكون عصب الأجهزة الإلكترونية.
تأثير الشوائب على أشباه الموصلات:
تتغير الخصائص العامة لأشباه الموصلات عند إضافة الشوائب تغيراً كثيراً .
حيث تتناقص المقاومة في منطقة درجات الحرارة العالية بمعدل أعلى من معدل منطقة درجات الحرارة المنخفضة .
وتنقسم توصيلية الموصل ( المطعم ) إلى نوعين :
1.التوصيلية الذاتية ( intrinsic conduct ) وتسود في درجات الحرارة العالية وتنتج عن حركة إلكترونات المادة ذاتها .
2.التوصيلية اللاذاتية ( extrinsic conduct ) وتسود في درجات الحرارة المنخفضة وتنتج عن اشتراك إلكترونات المطعمات في التوصيلية والتي تتأين بسهولة وتشارك في زيادة التوصيلية .
تؤدي المطعمات إلى تغير كثافة الحوامل بحيث تزيد عدد الحوامل من نوع معين أكثر من النوع الآخر ، ويتم ذلك بإضافة عنصر كيميائي يؤدي وجوده إلى زيادة عدد الإلكترونات الحُرة أو الثقوب .
(فإذا أخذنا مثلاً عنصر الزرنيخ ( As ) ( من عناصر المجموعة الخامسة التي يميزها وجود خمسة إلكترونات في مداري التكافؤ ) وأضفنا منه قليلاً إلى عنصر السيلكون ( من عناصر المجموعة الرابعة التي يميزها وجود أربعة إلكترونات فقط في مداري التكافؤ).
فإن ذرات الزرنيخ المضافة سوف تحتل أماكن ذرات السيلكون في البلورة وتتحد مع أربعة ذرات السيلكون التي تقع حولها ، ويبقى الإلكترون الخامس في مدار التكافؤ في ذرة الزرنيخ زائداً ، ويسهل فصله عنها بقليل من الطاقة ليتحرك إلى شريط التوصيل فيزيد أعداد الإلكترونات الحُرة ويقال عن ذرة الزرنيخ أنها ذرة مانحة ( donor ) لأنها تمنح إلكترونات إضافية إلى شريط التوصيل .
وبالرغم من أن محصلة الشحنات ليست سالبة ، فإننا نطلق على البلورات التي يضاف إليها ذرات مانحة للإلكترونات اسم " النوع السالب n-type " . ويمكن بطريقة مماثلة أن نضيف إلى عنصر السيلكون ذرات ثلاثية التكافؤ ( من المجموعة الثالثة ) مثل عنصر البورون ( B ) فيؤدي ذلك إلى إيجاد مكان في ذرة البورون مستعد لاستقبال إلكترون ، وهذا بالطبع يعد ثقباً ، وبذلك نعتبر أن ذرة البورون قد أدت إلى زيادة الثقوب في البلورة ونطلق على هذه المطعمات اسم المتقبلات ( acceptors ) ونسمي البلورة الناتجة عن إضافة المتقبلات النوع الموجب (p-type).
مستويات الطاقة بعد إضافة الشوائب :
بالنسبة للمانحات يكون الإلكترون الزائد عن حاجة الترابط الكيميائي تحت تأثير المجال الكهربائي للذرة المانحة ، ولا ينفصل عنها إلا إذا أعطيناه من الطاقة لفصله عنها . ونسمي عملية الفصل هذه تأيناً (ionization ) وإذا عرفنا المجال الكهربائي المؤثر على الإلكترون الزائد عرفنا بالتالي الطاقة اللازمة لفصله كي يصبح حُراً ويضاف إلى الحوامل السالبة .
ويشبه هذا النموذج إلى حد كبير نموذج الهيدروجين الذي نجد فيه إلكتروناً واحداً يدور حول نواة موجبة الشحنة ، ونستعير نتائج نموذج الهيدروجين ونضيف إليه أن الإلكترون في وسط سماحية النسبية . وهذه المساحية تأخذ في الاعتبار المجال الكهربائي للذرات المجاورة كما نستعمل بدلاً من كتلة الإلكترون العادية كتلته الفعالة داخل البلورة .
ويتعين من ذلك نشوء مستوى طاقة أكبر من طاقات الإلكترونات الموجودة في شريط التكافؤ وأقرب إلى طاقات الإلكترونات الحُرة .
كما نعتبر أيضاً أن الثقب مرتبط بالذرة المستقبلة بصورة مماثلة لارتباط الإلكترون بالذرة المانحة ، ونحسب باستعادة نموذج ذرة الهيدروجين ، طاقة الحالة بالنسبة للثقب ، فنجد أن مستوى الطاقة الناتج في هذه الحالة أكبر بقليل من مستويات الطاقة في شريط التكافؤ ، وذلك لأن الذرة المستقبلة عندما تقبل أحد الإلكترونات فإن طاقتها الكلية تنخفض إلى طاقة شريط التكافؤ لأنها كانت في حالة طاقة أعلى من حافة شريط التكافؤ ولذلك يعتبر تأين الثقب انخفاض طاقته في سلم الطاقة .
ويتغير موقع مستوى فيرمي بعد إضافة الشوائب بحيث يقع بين مستوى الشائبة وحالة الشريطة الأقرب إلى هذا المستوى .
* وبما أن السيلكون عصب الأجهزة الألكترونية ففيما يلي شرح موجز لهذه المادة المهمة:
ما هو السيلكون؟
يعد السيلكون أحد العناصر الشائعة الوجود كمكون رئيسي للتراب والأحجار.
وترتيبه في الجدول الدوري للعناصر بعد الألومونيوم مباشرةً، وقبل الكربون والجيرمانيوم.
والكربون والسيلكون والجيرمانيوم 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 السيلكون 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 السيلكون ليست من المعادن، فكافة الإلكترونات الخارجية فيها متشابكة في اتحاد ذري تام، وبالتالي لا تملك حرية التحرك بسهولة. وبلورة السيلكون النقية تعد تقريباً مادة عازلة، وبالتالي فإن قدراً ضئيلاً جداً من الطاقة الكهربائية يمكن أن يتدفق من خلالها.
تحويل السيلكون إلى موصل :
يمكنك أن تغير من سلوك السيلكون وتحوله إلى موصل للطاقة وذلك بإضافة الشوائب أليه (كما ذكرنا سابقا)و بإتباع أي من الطريقتين التاليتين:
التحويل إلى سيلكون سالب (N):
بإضافة كميات ضئيلة من الفسفور أو الزرنيخ أو الأنتيمون (شوائب خماسية التكافؤ) إلى بلورة السيلكون. كل من الفسفور والزرنيخ يتسم بوجود خمس إلكترونات خارجية، وبالتالي فهو خارج نطاق خاصية العزل التي يتسم بها السيلكون 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 السيلكون. وجعله موصلا جيدا للطاقة.
التحويل إلى سيلكون موجب(P) :
باستخدام أي من عنصري البورون أو الجاليوم ليقوم أي منهما بمهمة تغيير طبيعة السيلكون. 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 السيلكون تتكون فيه فتحات نتيجة وجود إلكترون في السيلكون لا يجد نظيراً له في العنصر الآخر لكي يتحد معه، وغياب هذا الإلكترون يؤدي عمل شحنة موجبة. ووجود مثل هذه الفتحة على سطح السيلكون يمكن من اتحاد الإلكترون الحر مع أي إلكترون قادم من أي عنصر آخر، مما يجعل من السيلكون من هذا النمط موصلاً جيداً للطاقة.
هذه الكمية الضئيلة التي تضاف إلى السيلكون من أي من هذه العناصر الأربعة، هي التي تحوله من مادة عازلة إلى موصل جيد، لكنه ليس ممتازا، ومن هنا جاءت تسمية أشباه الموصلات.
والسيلكون الإيجابي أو السلبي لا يعمل بكفاءة، ولكن عندما تضعهما سوياً ينتج عن تفاعلهما ذلك السلوك المدهش الذي تقوم به أشباه الموصلات.
الوصلة الثنائية (الثنائي)
: pn Junction )وصلة pn عبارة عن أداة تصنع من شبه موصل ( مثل (السليكون ) ، بحيث يطعم بمانحات من جهة، وبقابلات من الجهة المعاكسة، ولإتمام صنع الأداة يغطى السطحان الخارجيان لشبه الموصل بطبقة من مادة موصلة، يوصل بها سلك معدني للتوصيل الكهربائي ، والأداة الناتجة تسمى بثنائي الوصلة p-n.
بعد إجراء عملية التطعيم في الوصلة مباشرة ينشأ تيار انتشاري للإلكترونات من النمط n إلى النمط p ، وذلك بسبب ارتفاع تركيز الإلكترونات في النمط n عنه في النمط p ، كما ينشأ أيضا تيار انتشاري للثقوب من النمط p إلى النمط n ، وذلك بسبب ارتفاع تركيز الثقوب في النمط p عنه في النمط n
وبما أن النمط n كان متعادلا كهربائيا أصلا ، فإن انتقال الإلكترونات الحرة سيترك وراءه شريحة رقيقة من النمط n بجانب الوصلة تحوي أيونات موجبة ومفرغة من الإلكترونات الحرة تقريبا ، مما يؤدي إلى رفع جهد هذا النمط . بينما يحصل في الجهة المقابلة ( في النمط p ) انتقال الثقوب ، وترك شريحة رقيقة تحوي أيونات سالبة، مما يؤدي إلى خفض جهد هذا النمط . هذه العملية تؤدي إلى نشوء فوق في الجهد بين النمط n والنمط p في منطقة خالية من حاملات الشحنة الحرة. وتسمى هذه المنطقة بمنطقة الاستنزاف ( Depletion region ) ، وهي المحصورة بين الخطين المتقطعين .. أما فرق الجهد الداخلي V الذي ينشأ بين طرفي منطقة الاستنزاف والكافي لإيقاف عملية انتشار حاملات الشحنة بين طرفي الثنائي فيسمى جهد الحاجز ويعتمد على :
1 .درجة الحرارة ويزداد بارتفاعها ..
2. نوع مادة البلورة المصنوع منها الثنائي ..
3. تركيز الشوائب في طرفي الثنائي فيزداد بزيادتها ..
كما ينشأ أيضا مجال كهربائي داخلي منتظم E عبر منطقة الاستنزاف يسمى بمجال الحاجز ، ويتجه من النمط n إلى النمط P في منطقة الاستنزاف ، ويحسب من العلاقة .. E = V\d ..
أنواع الثنائيات ) الدايود Diode Types(:
ثنائي الجرمانيوم Ge Diode:
هو ذلك الثنائي المصنوع من الجرمانيوم ومحقون بشوائب تكون بلورة موجبة مع شوائب أخرى تكون بلورة سالبة ، بحيث تكون البلورتان الموجبة والسالبة متجاورتين .
هذا ثنائي الجرمانيوم من القطع المشهورة وتستعمل دائما في دوائر القدرة مثل دوائر التقويم Bridge ومن أشهرها (Power Diode 1N4001)
ثنائي السيلكون Se Diode:
هو ذلك الثنائي المصنوع من السيلكون ومحقون بشوائب تكون بلورة موجبة مع شوائب أخرى تكون بلورة سالبة ، بحيث تكون البلورتان الموجبة ولسالبة متجاورتين .
ثنائي الزينر Zener D iode:
يستخدم ثنائي الزينر عادة في تثبيت جهد الخرج ويكتب عادة الجهد المثبت على قطعة الزينر. والخط الأسود دائما يدل على الكاثود.
ثنائي الانبعاث الضوئي Light Emitting Diode (LED) :
ثنائي الانبعاث الضوئي إل L.E.D يشع الضوء عندما يثار بإشارة كهربية.
وتوصل دائما مقاومة قيمتها مابين 680أوم إلى 1 كيلو أوم لتحمي الثنائي البعث للضوء LED
ولمعرفة طرف الكاثود أو السالب تجد طرف أطول من الطرف الأخر أو تجد كشطة أو سطح عند إحدى الأطراف.
الثنائى الضوئى Photo Diode:
يتكون الثنائى الضوئى من شبه موصل موجب P واخر سالب N ونافذة شفافة منفذة للضوء.عندما يسقط الضوء على الثنائى الضوئى ، يقوم الضوء بكسر الروابط البلورية ويتحرر عدد من الشحنات التى تسمى بـشحنات الأقلية ، يزداد هذا العدد بزيادة الضوء الساقط مكونا تيارا يسمى بتيار التسريب يستخدم في الدوائر الالكترونية.
فكرة عمل الديود باعث للضوء Light emitting diodes(LED):
يختصر اسم الدايود الباعث للضوء بـ LED وهي اول حرف من كلمات Light Emitting Diodes والتي توضح فكرة هذه الأداء وهي اصدار الضوء، ولهذه الاداة LED تطبيقات عديدة في مجال الالكترونيات وتدخل في تركيب العديد من الاجهزة الحديثة حيث تضيء الـ LED لتعلم المستخدم ان الجهاز يعمل مثل اللمبة الحمراء التي تضيء عندما يكون جهاز التلفزيزن في حالة الاستعداد أو في اجهزة الراديو عند استقبال محطة عليه وتدخل في الساعات الرقمية والرموت كنترول والتلفزيونات الكبيرة التي تستخدم كشاشات عرض كبيرة وفي اضاءة اشارات المرور.
باختصار الـ LED عبارة عن لمبة ضوء الكترونية اي لا تحتوي على فتيلة ولا تسخن كما في المصابيح الكهربية. فهي تصدر الضوء من خلال حركة الالكترونات في داخل مواد من اشباه الموصلات semiconductor التي تتكون منها الترانسستورات.
تم الاخراج بواسطه
عبدالوهاب المهتدي
Yarimi20@hotmail.com
*سنحاول في هذا الشرح القاء المزيد من الضوء عن هذه الاداة موضحين الفكرة الفيزيائية لعملها:
كيف ينتج الديود الضوء
الضوء هو عبارة عن طاقة تنتج او تنبعث من الذرة في صورة اشباه جسيمات تسمى الفوتونات Photons لها كمية حركة وكتلتها صفر. وسميت اشباه جسيمات لان الضوء له طبيعة مزدوجة فيمكن ان يكون موجة ويمكن ان يكون جسيم (ارجع الى محاضرات في الفيزياء الحديثة في هذا الموقع).
تنطلق الفوتونات من الذرات نتيجة لحركة الكرترونات، ففي الذرة تتحرك الالكترونات في مدارات دائرية حول النواة يعتمد نصف قطر المدار على كمية الطاقة التي يحمتلكها الالكترون فكلما كانت الطاقة كبيرة كان نصف قطر المدار اي الالكترن ابعد عن النواة.
عندما ينتقل الكترون من مدار منخفض إلى مدار اعلى فإنه يمتص طاقة خارجية ليتم الانتقال اما في حالة عودة اللكترون من المدار الاكبر إلى المدار الادنى فإنه تتحرر طاقة يحملها فوتون تساوي فرق الطاقة بين المدارين. وبالتالي فإن طاقة الفوتون تتحدد بفارق الطاقة بين المداريين الذين انتقل بينهما الالكترون وهذا يدل على ان طاقة الفوتون يمكن ان تكون متغيرة المدارات التي حدثت بينها الانتقالات، تغير طاقة الفوتون تعني تغير في الطول الموجي للفوتون فيمكن ان يكون فوتون على شكل ضوء مرئي او ضوء غير مرئي.
في حالة وصلة الديود فإن الالكترونات الحرة تحرك عبر وصلة الديود في اتجاه الفجوة وهذا يعني ان الالكترون عندما يتحد مع الفجوة كما لو انه انتقل من مدار عالي الطاقة إلى مدار منخفض الطاقة وتنطلق الطاقة على شكل فوتون. ولكن لا نرى الفوتون المنبعث إلا اذا كان ذو طول موجي في الطيف المرئي وهذا لا يتحقق في كل وصلات الديود ففي الديود المصنعة من مادة السليكون يكون الفوتون المنطلق في منطقة تحت الحمراء من الطيف الكهرومغناطيسي ولا يرى بالعين المجردة ولكن له تطبيقات هامة في الرموت كنترول حيث تنتقل التعليمات من الرموت كنترول إلى التلفزيون على شكل نبضات من الفوتونات تحت الحمراء يفهمها مجس الاستقبال في التلفزيون.
تم الاخراج بواسطه
عبدالوهاب المهتدي
Yarimi20@hotmail.com
وللحصول على وصلة ديود تعطي ضوء مرئي فإنه يستخدم مواد ذات فارق طاقة اكبر بين مدار الالكترون في المادة N والفجوة في المادة P التي تمثل المدار ذو الطاقة الأدنى. حيث ان التحكم في هذا الفارق يحدد لون الضوء المنبعث من الديود عند اتحاد الالكترون مع الفجوة خلال وصلة الديود.
في حين ان كل انواع الديودات تعطي ضوء الا ان هذا الضوء المنبعث له كفاءة معينة تحدد شدة الضوء المنبعث. حيث ان جزء من هذا الضوء يعاد امتصاصه داخل وصلة الديود. ولكن الديودات الباعثة لضوء LED تصمم بحيث يتم توجيه الضوء الى الخارج من خلال احتواء وصلة الديود داخل مادة بلاستيكية على شكل مصباح شبه كروي كما في الشكل ادناه لتركيز الفوتونات المنطلقة في اتجاه محدد.
خصائص الـ LED:
تمتلك الـ LED خصائص تميزها عن المصابيح الكهربية التقليدية فهي في البداية لا تحتوي على فتيلة يمكن ان تحترك فتعيش LED مدة زمنية اطول بكثير كما انها صغيرة الحجم تمكننا من استخدامها في تطبيقات الكترونية عديدة، هذا بالاضافة إلى كفاءتها العالية بالمقارنة بالمصابيح التقليدية. ولا تنبحث منها اي طاقة حرارية التي تعتبر طاقة مفقودة
تم الاخراج بواسطه
عبدالوهاب المهتدي
Yarimi20@hotmail.com
ويظهر هذا التأثير في رسم تخطيطي الفرقة. الرسم التخطيطي الفرقة عادة يشير الاختلاف في الفرقة التكافؤ وحواف الفرقة التوصيل مقابل بعض البعد المكاني ، وغالبا ما يشار X. كما أن طاقة فيرمي يشار عادة في الرسم التخطيطي. أحيانا طاقة فيرمي الجوهرية ، يظهر المنظمة الدولية للتعليم ، وهو مستوى فيرمي في غياب المنشطات. هذه المخططات هي مفيدة في شرح طريقة عمل أنواع كثيرة من أجهزة أشباه الموصلات.
[تحرير] إعداد المواد شبه الموصلة
مع أشباه الموصلات وموثوقة يمكن التنبؤ بها خصائص الإلكترونية اللازمة لانتاج كميات كبيرة. مستوى نقاء المواد الكيميائية اللازمة عالية جدا لأن وجود شوائب حتى بنسب صغيرة جدا يمكن أن يكون لها آثار كبيرة على خواص المادة. مطلوب أيضا درجة عالية من الكمال البلورية ، منذ أخطاء في التركيب البلوري (مثل الاضطرابات ، التوائم ، وينجو التراص) تتداخل مع خصائص شبه الموصلة للمادة. أخطاء بلوري هي السبب الرئيسي لأجهزة أشباه الموصلات معيبة. أكبر الكريستال ، وأكثر صعوبة لتحقيق الكمال اللازمة. العمليات الحالية الإنتاج الضخم استخدام سبائك الكريستال بين 100 ملم و 300 ملم (4-12 بوصة) في قطر التي تزرع على اسطوانات ومقطعة إلى رقائق.
بسبب المستوى المطلوب من النقاء الكيميائية والكمال من البنية البلورية التي هي بحاجة الى جعل أجهزة أشباه الموصلات ، وقد وضعت طرق خاصة لإنتاج أشباه الموصلات المواد الأولية. تقنية لتحقيق نقاء عالية تشمل زراعة الكريستال باستخدام عملية Czochralski. ومن المعروف خطوة إضافية التي يمكن استخدامها لزيادة نقاء والتكرير المنطقة. في منطقة التكرير ، وذاب جزء من الكريستال الصلبة. الشوائب تميل إلى التركيز في المنطقة ذاب ، في حين أن المواد المطلوبة recrystalizes ترك المادة الصلبة أكثر نقاء وأقل أخطاء مع بلوري.
في تصنيع أجهزة أشباه الموصلات التي تنطوي على المواد شبه الموصلة بين مختلفة ، شعرية المستمر ، الذي هو طول العنصر تكرار بنية الكريستال ، والمهم لتحديد مدى التوافق بين المواد
تم الاخراج بواسطه
عبدالوهاب المهتدي
Yarimi20@hotmail.com
في إلكترون واحد لحاء ذرة يقيم في المدارات معروفة جيدا. لاحظ أن تسمى المدارات ق، ف، د من أجل زيادة الحالية دائرية.
في إلكترون واحد لحاء ذرة يقيم في المدارات معروفة جيدا. لاحظ أن تسمى المدارات ق، ف، د من أجل زيادة الحالية دائرية.
تم الاخراج بواسطه
عبدالوهاب المهتدي
Yarimi20@hotmail.com
تم الاخراج بواسطه
عبدالوهاب المهتدي
Yarimi20@hotmail.com
.
أشباه الموصلات
* ** تقسم المواد من حيث قدرتها على توصيل التيار الكهربائي إلى 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 في المدى من 5ooooo --- 0.00005 ) اوم متر كبيرة جدا فى درجة حرارة الغرفة فى المدى من ( 106الى1016 )
اوم . متر ( من 5-10 إلى 8-10 ) أوم . متر المقاومة النوعية
مملوء بالالكترونات مملوء بالالكترونات مملوء بالالكترونات نطاق التكافؤ
خالي من الالكترونات تماما في درجة الصفر المطلق خالي من الالكترونات الحرة عند درجات الحرارة العادية مملوء جزئيا بالالكترونات عند درجات الحرارة الاعتيادية نطاق التوصيل
من ( 2 إلى 0.7 )
إلكترون . فولت كبيرة جدا ( 5 )
إلكترون . فولت صغيرة جدا ( 0.01 ) إلكترون . فولت طاقة الفجوة
تنخفض المقاومة بشكل كبير تنخفض المقاومة ولكنها تظل كبيرة لدرجة أن المادة الصلبة تنصهر قبل أن 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 في الفلزات على تركيز حاملات الشحنة المتحركة ولكنه يغير نشاطها كثيرا حيث تحدث الشوائب عيوبا في الشبكة البلورية تزيد من مقاومتها للتيار الكهربائي - إذا الشوائب في الفلزات تزيد المقاومة للتيار الكهربائي
• ( 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 - إذا الشوائب فى المواد العازلة تقلل من مقاومتها بصورة عامة
• ( ج ) أشباه الموصلات - تقل المقاومة بصورة كبيرة في أشباه الموصلات نتيجة إضافة الشوائب إليها . وأكثر من ذلك يمكن باختيار الشوائب بطريقة خاصة تغيير مقاومة أشباه الموصلات في الاتجاه المطلوب ولذلك تستخدم أشباه الموصلات المشابه 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 العالي
• ( ب ) المواد العازلة - تقل مقاومة المواد العازلة بالتسخين ولكنها على الرغم من ذلك تبقى كبيرة حيث يحتاج الإلكترون إلى 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 كبير ولكنها لا تتصف بقابلية التوصيل العالي والعكس صحيح حيث تزداد المقاومة بخفض درجة الحرارة وتصبح قريبة من مقاومة المواد العازلة -
مصطلحات هامة
الكترونات التكافؤ : هي الالكترونات فى المستوى الأخير فى الذرة
نطاق الطاقة : مجموعة من مستويات الطاقة المتقاربة فروق الطاقة بينها صغيرة وتفصلها فجوات تخلو من مستويات الطاقة
نطاق التكافؤ : هو نطاق الطاقة الخارجي فى البلورة
نطاق التوصيل : هو النطاق الذي يعلو نطاق التوصيل فى البلورة
طاقة الفجوة : هي الطاقة التي تلزم الإلكترون لكي ينتقل من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل
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
بلورة شبه الموصل النقية : هي بلورة شبه الموصل التي تتكون من ذرات السيلكون أو الجرمانيوم عن طريق مشاركة كل ذرة بالكترونات التكافؤ الأربعة مع أربع ذرات مجاورة ( رابطة تساهمية )
الفجوة :هي الفراغ الذي يخلفه الإلكترون المتحرر من الرابطة التساهمية بسبب ارتفاع درجة حرارة بلورة شبه الموصل
التطعيم : هو إضافة كمية قليلة من ذرات مادة معينة إلى بلورة شبه الموصل بهدف زيادة عدد الالكترونات أو الفجوات
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 إلكترون 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 الأساسية - السائدة - ) التوصيل
إضافة ذرات الجاليوم يضيف مستويات طاقة أعلى نطاق التكافؤ مباشرة وتنتقل إليها الكترونات من نطاق التكافؤ وتترك فجوات
( بدون إنتاج الكترونات ) إضافة ذرات الزرنيخ يضيف مستويات طاقة إضافية أسفل نطاق التوصيل مباشرة تنتقل منه الالكترونات إلى نطاق التوصيل
( بدون إنتاج 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 لأنها 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 إلى الجرمانيوم المنصهر النقي حوالي 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 الإلكترون 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. ( إلكترون واحد من كل ذرة من الزرنيخ ) تعتبر حاملات الشحنة الأساسية - السائدة -
• فى البلورة من النوع الموجب : تسمى مادة الجاليوم مادة مستلمة ( متقبلة ) acceptor
• تكون البلورة من النوع الموجب متعادلة كهر بائيا لأنها تتكون أصلا من ذرات متعادلة كهر بائيا
تنقسم المواد من حيث توصيلها للتيار الكهربائى الى:
•المواد الموصلة: وهي المواد التى تحتوي على عدد كبير من الالكترونات الحره. مثل النحاس والفضة.
•المواد العازلة: وهي المواد التى لاتحتوي على الكترونات حرة. مثل الكوارتز والبورسلين.
•تامواد شبة الموصلة: وهي المواد التى تحتوي على نسبة قليلة من الالكترونات الحرة. مثل السليكون والجرمانيوم.
نظرية نطاقات الطاقة في المواد الصلبة
تبين نظبية نطاقات الطاقة مستخدمة بعض فروض نظرية الكم أن:
1. الالكترونات تدور حول النواة في مستويات محددة الطاقة.
2. المستوى الاول للطاقة( الاقرب للنواة) يمتلك أقل طاقة وكلما زاد بعد المستوى عن النواة زادت طاقتة.
3. عندما تتجمع الذرات لتشكل كتلة صلبة (بلورة) فإن الالكترونات في أى ذرة تتأثر بقوى كهربائية بسبب الشحنات الموجودة في الذرة بالاضافة الى تأثير الذرات المحيطة بها.
4. نتيجة تجمع الذرات تتداخل مستويات طاقة كل ذرة مع الذرات الاخرى في البلورة. وينتج عن ذلك حزم او نطاقات او أشرطة للطاقة.
5. كل نطاق يحوى مجموعة من مستويات الطاقة المتقاربة التى تكون فروق الطاقة بينها صغيرة جدا.
6. يوجد بين نطاقات الطاقة مسافات فجوات.
7. الفجوات لايوجد بها مستويات طاقة او الكترونات.
ملاحظات هامة
1. طريقة توزيع نطاقات الطاقة واتساع الفجوات بينها تحدد الخاصية الكهربايئه لمادة عن مادة أخرىز
2. نطاق التكافؤ: هو النطاق الخارجي ( الاخير) الذي يحتوي على الكترونات التكافؤ.
3. نطاق التوصيل: هو النطاق الذى يعلو نطاق التكافؤ ووجود الالكترونات فية يدل على أن المادة موصلة للتيار الكهربائى.
مع تحيات :
عبدالوهاب المهتدي
Yarimi20@hotmail.com
أشباه الموصلات
تم الاخراج بواسطه
عبدالوهاب المهتدي
Yarimi20@hotmail.com
المقدمة:
ظهور أشباه الموصلات وشيوع استخدامها له أثر كبير في حياة الناس. فصناعة رقاقات المشغلات الدقيقة (الميكروبروسيسور) والترانزستورات، أصبحت جزءاً مهما في تكوي الحاسب الآلي أو استخدام موجات الراديو، وبالأخص تلك المتعلقة بالاتصالات والأجهزة الإلكترونية المتعددة ، هي ثمرات التقدم في مجال علم الإلكترونيات الذي تشعب في نواح خدماتية متعددة للإنسان. لقد تسارع التقدم في علم الإلكترونيات بعد اكتشاف أشباه الموصلات(وأهمها السيلكون)وتطبيقاتها في ما يعرف بوصلة pn ( pn-junction ) ،حيث أدى استخدامها إلى تطبيقات متعددة.
ويتم استخدام مادة السيلكون في إنتاج الغالبية العظمى من رقائق أشباه الموصلات والترانزستورات، الأمر الذي جعل من السيلكون عصب الأجهزة الإلكترونية.
تأثير الشوائب على أشباه الموصلات:
تتغير الخصائص العامة لأشباه الموصلات عند إضافة الشوائب تغيراً كثيراً .
حيث تتناقص المقاومة في منطقة درجات الحرارة العالية بمعدل أعلى من معدل منطقة درجات الحرارة المنخفضة .
وتنقسم توصيلية الموصل ( المطعم ) إلى نوعين :
1.التوصيلية الذاتية ( intrinsic conduct ) وتسود في درجات الحرارة العالية وتنتج عن حركة إلكترونات المادة ذاتها .
2.التوصيلية اللاذاتية ( extrinsic conduct ) وتسود في درجات الحرارة المنخفضة وتنتج عن اشتراك إلكترونات المطعمات في التوصيلية والتي تتأين بسهولة وتشارك في زيادة التوصيلية .
تؤدي المطعمات إلى تغير كثافة الحوامل بحيث تزيد عدد الحوامل من نوع معين أكثر من النوع الآخر ، ويتم ذلك بإضافة عنصر كيميائي يؤدي وجوده إلى زيادة عدد الإلكترونات الحُرة أو الثقوب .
(فإذا أخذنا مثلاً عنصر الزرنيخ ( As ) ( من عناصر المجموعة الخامسة التي يميزها وجود خمسة إلكترونات في مداري التكافؤ ) وأضفنا منه قليلاً إلى عنصر السيلكون ( من عناصر المجموعة الرابعة التي يميزها وجود أربعة إلكترونات فقط في مداري التكافؤ).
فإن ذرات الزرنيخ المضافة سوف تحتل أماكن ذرات السيلكون في البلورة وتتحد مع أربعة ذرات السيلكون التي تقع حولها ، ويبقى الإلكترون الخامس في مدار التكافؤ في ذرة الزرنيخ زائداً ، ويسهل فصله عنها بقليل من الطاقة ليتحرك إلى شريط التوصيل فيزيد أعداد الإلكترونات الحُرة ويقال عن ذرة الزرنيخ أنها ذرة مانحة ( donor ) لأنها تمنح إلكترونات إضافية إلى شريط التوصيل .
وبالرغم من أن محصلة الشحنات ليست سالبة ، فإننا نطلق على البلورات التي يضاف إليها ذرات مانحة للإلكترونات اسم " النوع السالب n-type " . ويمكن بطريقة مماثلة أن نضيف إلى عنصر السيلكون ذرات ثلاثية التكافؤ ( من المجموعة الثالثة ) مثل عنصر البورون ( B ) فيؤدي ذلك إلى إيجاد مكان في ذرة البورون مستعد لاستقبال إلكترون ، وهذا بالطبع يعد ثقباً ، وبذلك نعتبر أن ذرة البورون قد أدت إلى زيادة الثقوب في البلورة ونطلق على هذه المطعمات اسم المتقبلات ( acceptors ) ونسمي البلورة الناتجة عن إضافة المتقبلات النوع الموجب (p-type).
مستويات الطاقة بعد إضافة الشوائب :
بالنسبة للمانحات يكون الإلكترون الزائد عن حاجة الترابط الكيميائي تحت تأثير المجال الكهربائي للذرة المانحة ، ولا ينفصل عنها إلا إذا أعطيناه من الطاقة لفصله عنها . ونسمي عملية الفصل هذه تأيناً (ionization ) وإذا عرفنا المجال الكهربائي المؤثر على الإلكترون الزائد عرفنا بالتالي الطاقة اللازمة لفصله كي يصبح حُراً ويضاف إلى الحوامل السالبة .
ويشبه هذا النموذج إلى حد كبير نموذج الهيدروجين الذي نجد فيه إلكتروناً واحداً يدور حول نواة موجبة الشحنة ، ونستعير نتائج نموذج الهيدروجين ونضيف إليه أن الإلكترون في وسط سماحية النسبية . وهذه المساحية تأخذ في الاعتبار المجال الكهربائي للذرات المجاورة كما نستعمل بدلاً من كتلة الإلكترون العادية كتلته الفعالة داخل البلورة .
ويتعين من ذلك نشوء مستوى طاقة أكبر من طاقات الإلكترونات الموجودة في شريط التكافؤ وأقرب إلى طاقات الإلكترونات الحُرة .
كما نعتبر أيضاً أن الثقب مرتبط بالذرة المستقبلة بصورة مماثلة لارتباط الإلكترون بالذرة المانحة ، ونحسب باستعادة نموذج ذرة الهيدروجين ، طاقة الحالة بالنسبة للثقب ، فنجد أن مستوى الطاقة الناتج في هذه الحالة أكبر بقليل من مستويات الطاقة في شريط التكافؤ ، وذلك لأن الذرة المستقبلة عندما تقبل أحد الإلكترونات فإن طاقتها الكلية تنخفض إلى طاقة شريط التكافؤ لأنها كانت في حالة طاقة أعلى من حافة شريط التكافؤ ولذلك يعتبر تأين الثقب انخفاض طاقته في سلم الطاقة .
ويتغير موقع مستوى فيرمي بعد إضافة الشوائب بحيث يقع بين مستوى الشائبة وحالة الشريطة الأقرب إلى هذا المستوى .
* وبما أن السيلكون عصب الأجهزة الألكترونية ففيما يلي شرح موجز لهذه المادة المهمة:
ما هو السيلكون؟
يعد السيلكون أحد العناصر الشائعة الوجود كمكون رئيسي للتراب والأحجار.
وترتيبه في الجدول الدوري للعناصر بعد الألومونيوم مباشرةً، وقبل الكربون والجيرمانيوم.
والكربون والسيلكون والجيرمانيوم 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 السيلكون 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 السيلكون ليست من المعادن، فكافة الإلكترونات الخارجية فيها متشابكة في اتحاد ذري تام، وبالتالي لا تملك حرية التحرك بسهولة. وبلورة السيلكون النقية تعد تقريباً مادة عازلة، وبالتالي فإن قدراً ضئيلاً جداً من الطاقة الكهربائية يمكن أن يتدفق من خلالها.
تحويل السيلكون إلى موصل :
يمكنك أن تغير من سلوك السيلكون وتحوله إلى موصل للطاقة وذلك بإضافة الشوائب أليه (كما ذكرنا سابقا)و بإتباع أي من الطريقتين التاليتين:
التحويل إلى سيلكون سالب (N):
بإضافة كميات ضئيلة من الفسفور أو الزرنيخ أو الأنتيمون (شوائب خماسية التكافؤ) إلى بلورة السيلكون. كل من الفسفور والزرنيخ يتسم بوجود خمس إلكترونات خارجية، وبالتالي فهو خارج نطاق خاصية العزل التي يتسم بها السيلكون 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 السيلكون. وجعله موصلا جيدا للطاقة.
التحويل إلى سيلكون موجب(P) :
باستخدام أي من عنصري البورون أو الجاليوم ليقوم أي منهما بمهمة تغيير طبيعة السيلكون. 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 السيلكون تتكون فيه فتحات نتيجة وجود إلكترون في السيلكون لا يجد نظيراً له في العنصر الآخر لكي يتحد معه، وغياب هذا الإلكترون يؤدي عمل شحنة موجبة. ووجود مثل هذه الفتحة على سطح السيلكون يمكن من اتحاد الإلكترون الحر مع أي إلكترون قادم من أي عنصر آخر، مما يجعل من السيلكون من هذا النمط موصلاً جيداً للطاقة.
هذه الكمية الضئيلة التي تضاف إلى السيلكون من أي من هذه العناصر الأربعة، هي التي تحوله من مادة عازلة إلى موصل جيد، لكنه ليس ممتازا، ومن هنا جاءت تسمية أشباه الموصلات.
والسيلكون الإيجابي أو السلبي لا يعمل بكفاءة، ولكن عندما تضعهما سوياً ينتج عن تفاعلهما ذلك السلوك المدهش الذي تقوم به أشباه الموصلات.
الوصلة الثنائية (الثنائي)
: pn Junction )وصلة pn عبارة عن أداة تصنع من شبه موصل ( مثل (السليكون ) ، بحيث يطعم بمانحات من جهة، وبقابلات من الجهة المعاكسة، ولإتمام صنع الأداة يغطى السطحان الخارجيان لشبه الموصل بطبقة من مادة موصلة، يوصل بها سلك معدني للتوصيل الكهربائي ، والأداة الناتجة تسمى بثنائي الوصلة p-n.
بعد إجراء عملية التطعيم في الوصلة مباشرة ينشأ تيار انتشاري للإلكترونات من النمط n إلى النمط p ، وذلك بسبب ارتفاع تركيز الإلكترونات في النمط n عنه في النمط p ، كما ينشأ أيضا تيار انتشاري للثقوب من النمط p إلى النمط n ، وذلك بسبب ارتفاع تركيز الثقوب في النمط p عنه في النمط n
وبما أن النمط n كان متعادلا كهربائيا أصلا ، فإن انتقال الإلكترونات الحرة سيترك وراءه شريحة رقيقة من النمط n بجانب الوصلة تحوي أيونات موجبة ومفرغة من الإلكترونات الحرة تقريبا ، مما يؤدي إلى رفع جهد هذا النمط . بينما يحصل في الجهة المقابلة ( في النمط p ) انتقال الثقوب ، وترك شريحة رقيقة تحوي أيونات سالبة، مما يؤدي إلى خفض جهد هذا النمط . هذه العملية تؤدي إلى نشوء فوق في الجهد بين النمط n والنمط p في منطقة خالية من حاملات الشحنة الحرة. وتسمى هذه المنطقة بمنطقة الاستنزاف ( Depletion region ) ، وهي المحصورة بين الخطين المتقطعين .. أما فرق الجهد الداخلي V الذي ينشأ بين طرفي منطقة الاستنزاف والكافي لإيقاف عملية انتشار حاملات الشحنة بين طرفي الثنائي فيسمى جهد الحاجز ويعتمد على :
1 .درجة الحرارة ويزداد بارتفاعها ..
2. نوع مادة البلورة المصنوع منها الثنائي ..
3. تركيز الشوائب في طرفي الثنائي فيزداد بزيادتها ..
كما ينشأ أيضا مجال كهربائي داخلي منتظم E عبر منطقة الاستنزاف يسمى بمجال الحاجز ، ويتجه من النمط n إلى النمط P في منطقة الاستنزاف ، ويحسب من العلاقة .. E = V\d ..
أنواع الثنائيات ) الدايود Diode Types(:
ثنائي الجرمانيوم Ge Diode:
هو ذلك الثنائي المصنوع من الجرمانيوم ومحقون بشوائب تكون بلورة موجبة مع شوائب أخرى تكون بلورة سالبة ، بحيث تكون البلورتان الموجبة والسالبة متجاورتين .
هذا ثنائي الجرمانيوم من القطع المشهورة وتستعمل دائما في دوائر القدرة مثل دوائر التقويم Bridge ومن أشهرها (Power Diode 1N4001)
ثنائي السيلكون Se Diode:
هو ذلك الثنائي المصنوع من السيلكون ومحقون بشوائب تكون بلورة موجبة مع شوائب أخرى تكون بلورة سالبة ، بحيث تكون البلورتان الموجبة ولسالبة متجاورتين .
ثنائي الزينر Zener D iode:
يستخدم ثنائي الزينر عادة في تثبيت جهد الخرج ويكتب عادة الجهد المثبت على قطعة الزينر. والخط الأسود دائما يدل على الكاثود.
ثنائي الانبعاث الضوئي Light Emitting Diode (LED) :
ثنائي الانبعاث الضوئي إل L.E.D يشع الضوء عندما يثار بإشارة كهربية.
وتوصل دائما مقاومة قيمتها مابين 680أوم إلى 1 كيلو أوم لتحمي الثنائي البعث للضوء LED
ولمعرفة طرف الكاثود أو السالب تجد طرف أطول من الطرف الأخر أو تجد كشطة أو سطح عند إحدى الأطراف.
الثنائى الضوئى Photo Diode:
يتكون الثنائى الضوئى من شبه موصل موجب P واخر سالب N ونافذة شفافة منفذة للضوء.عندما يسقط الضوء على الثنائى الضوئى ، يقوم الضوء بكسر الروابط البلورية ويتحرر عدد من الشحنات التى تسمى بـشحنات الأقلية ، يزداد هذا العدد بزيادة الضوء الساقط مكونا تيارا يسمى بتيار التسريب يستخدم في الدوائر الالكترونية.
فكرة عمل الديود باعث للضوء Light emitting diodes(LED):
يختصر اسم الدايود الباعث للضوء بـ LED وهي اول حرف من كلمات Light Emitting Diodes والتي توضح فكرة هذه الأداء وهي اصدار الضوء، ولهذه الاداة LED تطبيقات عديدة في مجال الالكترونيات وتدخل في تركيب العديد من الاجهزة الحديثة حيث تضيء الـ LED لتعلم المستخدم ان الجهاز يعمل مثل اللمبة الحمراء التي تضيء عندما يكون جهاز التلفزيزن في حالة الاستعداد أو في اجهزة الراديو عند استقبال محطة عليه وتدخل في الساعات الرقمية والرموت كنترول والتلفزيونات الكبيرة التي تستخدم كشاشات عرض كبيرة وفي اضاءة اشارات المرور.
باختصار الـ LED عبارة عن لمبة ضوء الكترونية اي لا تحتوي على فتيلة ولا تسخن كما في المصابيح الكهربية. فهي تصدر الضوء من خلال حركة الالكترونات في داخل مواد من اشباه الموصلات semiconductor التي تتكون منها الترانسستورات.
تم الاخراج بواسطه
عبدالوهاب المهتدي
Yarimi20@hotmail.com
*سنحاول في هذا الشرح القاء المزيد من الضوء عن هذه الاداة موضحين الفكرة الفيزيائية لعملها:
كيف ينتج الديود الضوء
الضوء هو عبارة عن طاقة تنتج او تنبعث من الذرة في صورة اشباه جسيمات تسمى الفوتونات Photons لها كمية حركة وكتلتها صفر. وسميت اشباه جسيمات لان الضوء له طبيعة مزدوجة فيمكن ان يكون موجة ويمكن ان يكون جسيم (ارجع الى محاضرات في الفيزياء الحديثة في هذا الموقع).
تنطلق الفوتونات من الذرات نتيجة لحركة الكرترونات، ففي الذرة تتحرك الالكترونات في مدارات دائرية حول النواة يعتمد نصف قطر المدار على كمية الطاقة التي يحمتلكها الالكترون فكلما كانت الطاقة كبيرة كان نصف قطر المدار اي الالكترن ابعد عن النواة.
عندما ينتقل الكترون من مدار منخفض إلى مدار اعلى فإنه يمتص طاقة خارجية ليتم الانتقال اما في حالة عودة اللكترون من المدار الاكبر إلى المدار الادنى فإنه تتحرر طاقة يحملها فوتون تساوي فرق الطاقة بين المدارين. وبالتالي فإن طاقة الفوتون تتحدد بفارق الطاقة بين المداريين الذين انتقل بينهما الالكترون وهذا يدل على ان طاقة الفوتون يمكن ان تكون متغيرة المدارات التي حدثت بينها الانتقالات، تغير طاقة الفوتون تعني تغير في الطول الموجي للفوتون فيمكن ان يكون فوتون على شكل ضوء مرئي او ضوء غير مرئي.
في حالة وصلة الديود فإن الالكترونات الحرة تحرك عبر وصلة الديود في اتجاه الفجوة وهذا يعني ان الالكترون عندما يتحد مع الفجوة كما لو انه انتقل من مدار عالي الطاقة إلى مدار منخفض الطاقة وتنطلق الطاقة على شكل فوتون. ولكن لا نرى الفوتون المنبعث إلا اذا كان ذو طول موجي في الطيف المرئي وهذا لا يتحقق في كل وصلات الديود ففي الديود المصنعة من مادة السليكون يكون الفوتون المنطلق في منطقة تحت الحمراء من الطيف الكهرومغناطيسي ولا يرى بالعين المجردة ولكن له تطبيقات هامة في الرموت كنترول حيث تنتقل التعليمات من الرموت كنترول إلى التلفزيون على شكل نبضات من الفوتونات تحت الحمراء يفهمها مجس الاستقبال في التلفزيون.
تم الاخراج بواسطه
عبدالوهاب المهتدي
Yarimi20@hotmail.com
وللحصول على وصلة ديود تعطي ضوء مرئي فإنه يستخدم مواد ذات فارق طاقة اكبر بين مدار الالكترون في المادة N والفجوة في المادة P التي تمثل المدار ذو الطاقة الأدنى. حيث ان التحكم في هذا الفارق يحدد لون الضوء المنبعث من الديود عند اتحاد الالكترون مع الفجوة خلال وصلة الديود.
في حين ان كل انواع الديودات تعطي ضوء الا ان هذا الضوء المنبعث له كفاءة معينة تحدد شدة الضوء المنبعث. حيث ان جزء من هذا الضوء يعاد امتصاصه داخل وصلة الديود. ولكن الديودات الباعثة لضوء LED تصمم بحيث يتم توجيه الضوء الى الخارج من خلال احتواء وصلة الديود داخل مادة بلاستيكية على شكل مصباح شبه كروي كما في الشكل ادناه لتركيز الفوتونات المنطلقة في اتجاه محدد.
خصائص الـ LED:
تمتلك الـ LED خصائص تميزها عن المصابيح الكهربية التقليدية فهي في البداية لا تحتوي على فتيلة يمكن ان تحترك فتعيش LED مدة زمنية اطول بكثير كما انها صغيرة الحجم تمكننا من استخدامها في تطبيقات الكترونية عديدة، هذا بالاضافة إلى كفاءتها العالية بالمقارنة بالمصابيح التقليدية. ولا تنبحث منها اي طاقة حرارية التي تعتبر طاقة مفقودة
تم الاخراج بواسطه
عبدالوهاب المهتدي
Yarimi20@hotmail.com
ويظهر هذا التأثير في رسم تخطيطي الفرقة. الرسم التخطيطي الفرقة عادة يشير الاختلاف في الفرقة التكافؤ وحواف الفرقة التوصيل مقابل بعض البعد المكاني ، وغالبا ما يشار X. كما أن طاقة فيرمي يشار عادة في الرسم التخطيطي. أحيانا طاقة فيرمي الجوهرية ، يظهر المنظمة الدولية للتعليم ، وهو مستوى فيرمي في غياب المنشطات. هذه المخططات هي مفيدة في شرح طريقة عمل أنواع كثيرة من أجهزة أشباه الموصلات.
[تحرير] إعداد المواد شبه الموصلة
مع أشباه الموصلات وموثوقة يمكن التنبؤ بها خصائص الإلكترونية اللازمة لانتاج كميات كبيرة. مستوى نقاء المواد الكيميائية اللازمة عالية جدا لأن وجود شوائب حتى بنسب صغيرة جدا يمكن أن يكون لها آثار كبيرة على خواص المادة. مطلوب أيضا درجة عالية من الكمال البلورية ، منذ أخطاء في التركيب البلوري (مثل الاضطرابات ، التوائم ، وينجو التراص) تتداخل مع خصائص شبه الموصلة للمادة. أخطاء بلوري هي السبب الرئيسي لأجهزة أشباه الموصلات معيبة. أكبر الكريستال ، وأكثر صعوبة لتحقيق الكمال اللازمة. العمليات الحالية الإنتاج الضخم استخدام سبائك الكريستال بين 100 ملم و 300 ملم (4-12 بوصة) في قطر التي تزرع على اسطوانات ومقطعة إلى رقائق.
بسبب المستوى المطلوب من النقاء الكيميائية والكمال من البنية البلورية التي هي بحاجة الى جعل أجهزة أشباه الموصلات ، وقد وضعت طرق خاصة لإنتاج أشباه الموصلات المواد الأولية. تقنية لتحقيق نقاء عالية تشمل زراعة الكريستال باستخدام عملية Czochralski. ومن المعروف خطوة إضافية التي يمكن استخدامها لزيادة نقاء والتكرير المنطقة. في منطقة التكرير ، وذاب جزء من الكريستال الصلبة. الشوائب تميل إلى التركيز في المنطقة ذاب ، في حين أن المواد المطلوبة recrystalizes ترك المادة الصلبة أكثر نقاء وأقل أخطاء مع بلوري.
في تصنيع أجهزة أشباه الموصلات التي تنطوي على المواد شبه الموصلة بين مختلفة ، شعرية المستمر ، الذي هو طول العنصر تكرار بنية الكريستال ، والمهم لتحديد مدى التوافق بين المواد
تم الاخراج بواسطه
عبدالوهاب المهتدي
Yarimi20@hotmail.com
في إلكترون واحد لحاء ذرة يقيم في المدارات معروفة جيدا. لاحظ أن تسمى المدارات ق، ف، د من أجل زيادة الحالية دائرية.
في إلكترون واحد لحاء ذرة يقيم في المدارات معروفة جيدا. لاحظ أن تسمى المدارات ق، ف، د من أجل زيادة الحالية دائرية.
تم الاخراج بواسطه
عبدالوهاب المهتدي
Yarimi20@hotmail.com
تم الاخراج بواسطه
عبدالوهاب المهتدي
Yarimi20@hotmail.com
.
أشباه الموصلات
* ** تقسم المواد من حيث قدرتها على توصيل التيار الكهربائي إلى 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 في المدى من 5ooooo --- 0.00005 ) اوم متر كبيرة جدا فى درجة حرارة الغرفة فى المدى من ( 106الى1016 )
اوم . متر ( من 5-10 إلى 8-10 ) أوم . متر المقاومة النوعية
مملوء بالالكترونات مملوء بالالكترونات مملوء بالالكترونات نطاق التكافؤ
خالي من الالكترونات تماما في درجة الصفر المطلق خالي من الالكترونات الحرة عند درجات الحرارة العادية مملوء جزئيا بالالكترونات عند درجات الحرارة الاعتيادية نطاق التوصيل
من ( 2 إلى 0.7 )
إلكترون . فولت كبيرة جدا ( 5 )
إلكترون . فولت صغيرة جدا ( 0.01 ) إلكترون . فولت طاقة الفجوة
تنخفض المقاومة بشكل كبير تنخفض المقاومة ولكنها تظل كبيرة لدرجة أن المادة الصلبة تنصهر قبل أن 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 في الفلزات على تركيز حاملات الشحنة المتحركة ولكنه يغير نشاطها كثيرا حيث تحدث الشوائب عيوبا في الشبكة البلورية تزيد من مقاومتها للتيار الكهربائي - إذا الشوائب في الفلزات تزيد المقاومة للتيار الكهربائي
• ( 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 - إذا الشوائب فى المواد العازلة تقلل من مقاومتها بصورة عامة
• ( ج ) أشباه الموصلات - تقل المقاومة بصورة كبيرة في أشباه الموصلات نتيجة إضافة الشوائب إليها . وأكثر من ذلك يمكن باختيار الشوائب بطريقة خاصة تغيير مقاومة أشباه الموصلات في الاتجاه المطلوب ولذلك تستخدم أشباه الموصلات المشابه 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 العالي
• ( ب ) المواد العازلة - تقل مقاومة المواد العازلة بالتسخين ولكنها على الرغم من ذلك تبقى كبيرة حيث يحتاج الإلكترون إلى 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 كبير ولكنها لا تتصف بقابلية التوصيل العالي والعكس صحيح حيث تزداد المقاومة بخفض درجة الحرارة وتصبح قريبة من مقاومة المواد العازلة -
مصطلحات هامة
الكترونات التكافؤ : هي الالكترونات فى المستوى الأخير فى الذرة
نطاق الطاقة : مجموعة من مستويات الطاقة المتقاربة فروق الطاقة بينها صغيرة وتفصلها فجوات تخلو من مستويات الطاقة
نطاق التكافؤ : هو نطاق الطاقة الخارجي فى البلورة
نطاق التوصيل : هو النطاق الذي يعلو نطاق التوصيل فى البلورة
طاقة الفجوة : هي الطاقة التي تلزم الإلكترون لكي ينتقل من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل
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
بلورة شبه الموصل النقية : هي بلورة شبه الموصل التي تتكون من ذرات السيلكون أو الجرمانيوم عن طريق مشاركة كل ذرة بالكترونات التكافؤ الأربعة مع أربع ذرات مجاورة ( رابطة تساهمية )
الفجوة :هي الفراغ الذي يخلفه الإلكترون المتحرر من الرابطة التساهمية بسبب ارتفاع درجة حرارة بلورة شبه الموصل
التطعيم : هو إضافة كمية قليلة من ذرات مادة معينة إلى بلورة شبه الموصل بهدف زيادة عدد الالكترونات أو الفجوات
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 إلكترون 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 الأساسية - السائدة - ) التوصيل
إضافة ذرات الجاليوم يضيف مستويات طاقة أعلى نطاق التكافؤ مباشرة وتنتقل إليها الكترونات من نطاق التكافؤ وتترك فجوات
( بدون إنتاج الكترونات ) إضافة ذرات الزرنيخ يضيف مستويات طاقة إضافية أسفل نطاق التوصيل مباشرة تنتقل منه الالكترونات إلى نطاق التوصيل
( بدون إنتاج 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 لأنها 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 إلى الجرمانيوم المنصهر النقي حوالي 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 الإلكترون 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. ( إلكترون واحد من كل ذرة من الزرنيخ ) تعتبر حاملات الشحنة الأساسية - السائدة -
• فى البلورة من النوع الموجب : تسمى مادة الجاليوم مادة مستلمة ( متقبلة ) acceptor
• تكون البلورة من النوع الموجب متعادلة كهر بائيا لأنها تتكون أصلا من ذرات متعادلة كهر بائيا
تنقسم المواد من حيث توصيلها للتيار الكهربائى الى:
•المواد الموصلة: وهي المواد التى تحتوي على عدد كبير من الالكترونات الحره. مثل النحاس والفضة.
•المواد العازلة: وهي المواد التى لاتحتوي على الكترونات حرة. مثل الكوارتز والبورسلين.
•تامواد شبة الموصلة: وهي المواد التى تحتوي على نسبة قليلة من الالكترونات الحرة. مثل السليكون والجرمانيوم.
نظرية نطاقات الطاقة في المواد الصلبة
تبين نظبية نطاقات الطاقة مستخدمة بعض فروض نظرية الكم أن:
1. الالكترونات تدور حول النواة في مستويات محددة الطاقة.
2. المستوى الاول للطاقة( الاقرب للنواة) يمتلك أقل طاقة وكلما زاد بعد المستوى عن النواة زادت طاقتة.
3. عندما تتجمع الذرات لتشكل كتلة صلبة (بلورة) فإن الالكترونات في أى ذرة تتأثر بقوى كهربائية بسبب الشحنات الموجودة في الذرة بالاضافة الى تأثير الذرات المحيطة بها.
4. نتيجة تجمع الذرات تتداخل مستويات طاقة كل ذرة مع الذرات الاخرى في البلورة. وينتج عن ذلك حزم او نطاقات او أشرطة للطاقة.
5. كل نطاق يحوى مجموعة من مستويات الطاقة المتقاربة التى تكون فروق الطاقة بينها صغيرة جدا.
6. يوجد بين نطاقات الطاقة مسافات فجوات.
7. الفجوات لايوجد بها مستويات طاقة او الكترونات.
ملاحظات هامة
1. طريقة توزيع نطاقات الطاقة واتساع الفجوات بينها تحدد الخاصية الكهربايئه لمادة عن مادة أخرىز
2. نطاق التكافؤ: هو النطاق الخارجي ( الاخير) الذي يحتوي على الكترونات التكافؤ.
3. نطاق التوصيل: هو النطاق الذى يعلو نطاق التكافؤ ووجود الالكترونات فية يدل على أن المادة موصلة للتيار الكهربائى.
مع تحيات :
عبدالوهاب المهتدي
Yarimi20@hotmail.com
» منصة وصفحة مجانية لكل مدرس ومدرب بشبكة اقراء
» صفحتنا على الفيس بوك
» 3 صور بدقة عالية لمدينة يريم
» تراحموا #دثرني #منتدى_شباب_يريم
» الظفائر الفنان علي مجاهد
» يمكنكم زيارة صفحة منتدى شباب يريم على الفيس بوك و التويتر
» اغبى خمسه اسئله في العالم بس اتحداكم تجابوها
» موقع التواصل الإجتماعي عرب جرامز