[الفيزيائي المسلم]

إلى إخواني هنا موضوع كامل عن أشباه الموصلات ، أرجو أن تعم الفائدة للجميع
@@@@@@@@@@@
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.

v 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.



v 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.


v مقارنة بين المواد الموصلة والعازلة وشبة الموصلة في ضوء نظرية نطاقات الطقة

وجه القارنة
المواد الموصلة
المواد العازلة
المواد شبة الموصلة
القاومة النوعية
صغيرة جدا
كبيرة جدا
متوسطة
أمثلة نطاق التكافؤ- نطاق التوصيل
النحاس والفضة
ممتلي جزئي بالالكترونات
الكوارتز والبورسلين
خال من الالكترونات
السيليكون و الجرمانيوم
به قليل من الالكترونات
الفجوة بين نطاق التكافؤ ونطاق ااتوصيل
صغيرة جدا
كبيرة جدا
متوسطة
طاقة الفجوة(EG)
صغيرة جدا
كبيرة جدا
متوسطة
رسم بياني يوضح الفجوة بين نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل
------------------------
نطاق التوصيل

------------------------
نطاق التكافؤ

Eg=0.01e.v


------------------------
نطاق التوصيل
------------------------
Eg=5e.v

نطاق التكافؤ
------------------------
نطاق التوصيل
------------------------
Eg=07-2e.v

نطاق التكافؤ




v طاقة الفجوة ((Eg)) هي الطاقة اللازمة لنقل الالكترون من نطاق التكافؤ الى نطاق التوصيل.
v التركيب البنائي لبلورة شبة الموصل النقي
نظرا لأن شبة المصل النقي(السيلكون Si أو الجرمانيوم Ge------------)
تحتوى في مستوى الطاقة الاخير على أربع الكترونات لذلك فإن بلورة شبة المصل النقي (السليكون) تتكون من ذرات بحيث تكون كل ذرة محاطة بأربع ذرات عن طريق أربع روابط تساهميه تشارك فيها الذرة باربع الكترونات. ونظرا لان الكترونات الروابط تكون مرتبطة بذراتها ارتباطا شديدا عند درجة الصفر المطلق.
لذلك البلورة النقية لا توصل التيار الكهربائي عند هذة الدرجة.
علل
لعدم وجود الكترونات حرة

v العوامل التى تؤثر فى درجة التوصيل الكهربائى لاشباة الموصلات النقية:
1- درجة الحرارة
2-التطعيم

أولا
أثر درجة الحرارة:
· عند تسخين البلورة النقية الى درجة الحرارة العادية فإن ذلك يؤدي الى تكسير بعض الروابط ينتج عنه بعض الالكترونات الحرة التى تترك مكانها فجوات تؤدي الى حركة الالكترونات بين الروابط أى أن التوصيل الكهربائي فى بلورة شبة الموصل النقي نلتج من أى حكة الالكترونات والفجوات داخل البلورة.
حيث تمثيل حركة الالكترونات اتجاه مرور التيار الالكتروني. بنما تمثل حركة الفجوات أتجاة مرور التيار الاصطلاحي واتجاة حركة الالكترونات يكون في اتجاة معاكس لحركة الفجوات.
أي أن التيار الالكتروني والتيار الاصطلاحي عند درجات الحرارة العادية متساويات في المقدار ومتعاكس في الاتجاة.
ثانيا
التطعيم:
· يقصد به إضافة بعض ذرات عنصر اخر (شائبة) الى بلورة شبه الموصل النقي بغرض زيادة عدد الالكترونات او الفجوات فيها.
ويطلق على البلورة النقية بعد اضافة بعض ذرات الشائبه اليها بلورة شبه موصل غير نقى.


§ بلورة شبة الموصل غير النقي من النوع السالب "n-Type"
عبارة عن بلورة شبه موصل نقى(Ge-Si) مخلوطه ببعض ذرات شائبة خماسية التكافؤ مثل الزرنيخ ( تحتوي في مستوى الطاقه الأخير على خمس الكترونات)
وفى هذا النوع من البلورات تكون كل ذرة شائبة" خماسيه التكافؤ" وليكن الزرنيخ مرتبطة بأربع ذرات سليكون عن طريق أربع روابط تشارك فيهم ذرة الزرنيخ بأربع الكترونات ويتبقى الالترون الخامس لذرة الزرنيخ ضعيف الارتباط بها الكترون حر. وكلما زاد عدد ذرات الشائبة يزداد عدد الالكترونات الحرة وبالتالي تزداد قدرة البلورة على توصيل التيار الكهربائي.
ويسمى هذا النوع من النلورات ب( بلورة سالبة) لأن خاصية التوصيل الكهربائى بها ناتج عن حركة الالكترونات السالبة.
ويسمى هذا النوع من ذرات الشوائب بالذرات المانحة.
البلورة السالبة تكون متعادلة كهربائيا وذلك لأنها تتكون من ذرة متعادلة كهربائيا.

§ بلورة شبة الموصل غير النقى من النوع الموجب "P-Type"
عبارة عن بلورة شبه موصل نقى"Ge- Si" مخلوطة ببعض ذرات شائبة ثلاثية التكافؤ ( مثل الجاليوم والالومنيوم و الانديوم) تحتوى في مستوى الطاقة الاخير على ثلاث الالكترونات.
وفي هذا النوع من البلورات تكون كل ذرة شائبة" ثلاثية التكافؤ" وليكن الجاليوم مرتبطة بأربع ذرات سليكون عن طريق أربع روابط تساهمية تشارك فيهم ذرة الجاليوم بثلاث الكترونات ويتبقى في الرابطه الرابعة مكان لالكترون غير موجود يسمى فجوةز تقوم هذة الفجوة بجذب الكترون من رابطه مجاورة وعندما ينتقل الالكترون يملأ هذة الفجوة يترك خلفه فجوة جديدة وهكذا. ونتيجه لحركة الالكترون بين الروابط يملأ الفجوة يتسبب ذلك فى وجود الكترونات حرة مما يجعل البلورة توصل التيار الكهربائى.

ملاحظات هامة:

1- كل ذرة عنصر ثلاثي التكافؤ تتسبب في وجود فجوة ويسمى هذا النوع من ذرات الشوائب بالذرات المتقبلة.
2- البلورة الموجبه سميت بهذا الأسم لأن المئول عن توصيل التيار الكهربائى فيها هي الفجوات.
3- البلورة الموجبه تكون متعادلة كهربائيا لأنها تتكون أصلا من عدد من الذرات المتعادلة كهربائيا.


v تفسير عمل الشوائب فى بلورة شبه الموصل غير النقى فى ضوء نظرية نطاقات الطاقه

1- الشائبة خماسية التكافؤ
عند اضافة ذرات الشائبه الخماسية التكافؤ يؤدي ذلك الى تكوين مستويات طاقة اضافيه أسفل نطاق التوصيل مباشرة وقريبة جدا منه تسهل من انتقال الالكترونات الى نطاق التوصيل عند درجة الحرارة العادية فتصبح الكترونات حرة وتشارك في التوصيل الكهربائى.

2- الشائبة الثلاثية التكافؤ:
عند اضافة ذرات الشائبة الثلاثية التكافؤ يؤدى ذلك الى تكوين مستويات طاقه إضافية أعلى نطاق التكافؤ مباشرة وقريبة جدا منة. في درجات الحرارة العادية تمكن أن تنتقل بعض الالكترونات المثارة بفعل الحرارة من نطاق التكافؤ لتشغيل مستويات الطاقة الاضافيه هذه تاركه عدد كبير من الفجوات فى نطاق التكافؤ مما يؤدى الى زيادة التوصيل الكهربائى.

" الوصلة الثنائية" الرايود P-n
عبارة عن بلورة من السليكون او الجرمانيوم مطعمة بطريقه معينة بحيث تتميز فيها منطقتين هما:


1- منطقة سالبة "n"

تحتوى على ذرات شبه الموصل النقى وذرات الشائبه خماسيه التكافؤ " أى التى تمنح الالكترونات"
2- منطقة موجبة"P"

تحتوى على ذرات شبه الموصل النقى وذرات الشائبه ثلاثية التكافؤ " أى التى تقبل الالكترونات"
3- منطقة الالتحام " منطقة النضوب"

هى منطقة الحدود بين نوعى البلورة
v كيفية تشكيل الوصلة الثنائية:
عند تكون الوصلة الثنائية تنجذب بعض الالكترونات من المنطقة السالبة نحو منطقة الالتحام وتعبرها الى المنطقة الموجبه ونتيجة لذلك تصبح ذرات المنطقه السالبه" أيونات موجبة" وذرات المنطقة الموجبة " أيونات سالبة" ويستمر ذلك حتى يصبح فرق الجهد بين المنطقة السالبة والمنطقة الموجبة قيمة معينة بعض عندها انتقال مزيدا من الالكترونات من المنطقة السالبة الى المنطقة الموجبة.

ملاحظات هامة
1- التيار المتكون من هجرة الالكترونات والفجوات يسمى تيار الانتشار.
2-منطقة النضوب سميت كذلك لنها تنضب من حوامل الشحنات المتحركة " الالكترونات والفجوات"


· حاجز الجهد:
هو فرق الجهد بين المنطقة السالبة والمنطقة الموجبة للوصلة الثنائية والذى يقف عنده انتقال مزيدا من الالكترونات من المنطقة السالبة الى المنطقة الموجبة.
· الرمز الاصطلاحى للوصلة الثنائية في الدوائر الكهربائية:
لا تنسى ان من اهم مميزات الوصله الثنائيه هى قابليتها على تمرير التيار فى اتجاه واحد.

v طرق توصيل الوصلة الثنائية فى الوائر الكهربائية:

1- التوصيل بطريقة الانحياز الامامى:
فى هذه الطريقه توصل المنطقة السالبة بالقطب السالب للمصدر وتوصيل المنطقة الموجبة بالقطب الموجب للمصدر.
ونتيجه لذلك عندما تكون القوة الرافعه للمصدر اكبر من حاجز الجهد للوصلة الثنائيه يعمل فرق الجهد للمصدر على دفع الالكترونات من المنطقه n للبلورة نحو الحد الفاصل الى المنطقه p وفي نفس الوقت تدفع الفجوات نحو المنطقة n وحركة الالكترونات والفجوات تمثل مرور التيار الكهربائى.
- يقوم القطب السالب للمصدر بأمداد المنطقه السالبة فى الوصله بالالكترونات لتعويض الالكترونات التى غيرت الوصله الى المنطقة p وفى نفس الوقت يقوم القطب الموجب للمصدر بجذب الالكترونات التى زادت فى المنطقة"P " ويترتب على ذلك مرور تيار كهربائى فى الوصلة الثنائية ويقل حاجز الجهد وتنخفض مقاومة الوصلة الثنائية بشكل كبير.

v رسم بياني يوضح العلاقة بين شدة التيار المار فى الوصلة الثنائية وفرق الجهد بين طرفيها " منحنى الخواص للوصلة الثنائيه"
لاتنسى أن حاجز الجهد للوصله الثنائيه المصنوعه من :
1- السليكون ="0.6v "
2- الجرماينوم= "0.1v "

- من الرسم البياني يتضح أن:
1- الوصله الثنائية لاتسمح بمرور التيار الكهربائى خلالها إلا عندما يكون فرق الجهد المطبق اكبر من حاجز الجهد.
2-فرق الجهد الذى يسبب زيادة سريعه فى شدة التيار يطلق عليه " الجهد الحدى للوصلة"
3- يزداد التيار المار فى الوصله الثنائية أسيا مع زيادة فرق الجهد المسلط بين طرفيها.

2-الجهد الحدى للوصلة الثنائية:
هو فرق الجهد المطبق بين طرفي الوصله الثنلئية الذى يسبب زيادة كبيرة وسريعه فى شدة التيار المار فى الوصلة الثنائية عندما توصل توصيلا أماميا.

3- التوصيل بطريقة الانحياز العكسي:
فى هذه الطريقة توصل المنطقة السالبة بالقطب الموجب للمصدر " البطاريه" وتوصل المنطقة الموجبه بالقطب السالب للمصدر.
ونتيجة لذلك تبتعد الالكترونات عن منطقة وكذلك الفجوات فتصبح المنطقة على جانبى الوصلة خالية من الالكترونات والفجوات فيؤدى ذلك الى زيادة حاجز الجهد للبلورة حتى يصبح مساويا للقوة الرافعه للمصدر فلا يمر تيار فى الوصله الثنائية يذكر" تيار ضعيف جدا"
- اذا زاد فرق الجهد بين طرفى الوصله الثنائية عن حد معين " حاجز الجهد" فإن مقاومة الوصلة الثنلئيه تنهار وتزيد عند ذلك شدة التيار بسرعه ويسمى تيار" التسرب" وغالبا ما يحدث تلف دائم للبلورة. ويسمى فرق الجهد فى هذه الحاله بجهد الانهيار.


ü جهد الأنهيار:
هو فرق الجهد المطبق بين طرفى الوصله الثنائيه والذى تنهار عنده مقاومه البلورة" الوصلة الثنائيه" للتيار الكهربائى عندما توصل توصيلا عكسيا.

v مقارنه بين التوصيل بطريقة الانحياز الامامى والعكس للوصلة الثائية

وجه القارنه
الانحياز الأمامى
الأنحياز العكس
طريقة التوصيل
يوصل القطب الموجب للبطارية بالطرف "P"للوصله الثنائيه ويوصل القطب السالب للبطاريه بالطرف"n" للوصله الثنائيه
يوصل القطب الموجب للبطاريه بالطرف"n"للوصله الثنائيه ويوصل القطب السالبه للبطاريه بالطرف"P"للوصله الثنائيه
حاجز الجهد
يقل
يزداد
مقاومة الوصله
صغيرة
كبيرة جدا
شدة التيار المار
كبيرة
ضغيرة جدا



v استخدامات الوصلة الثنائية
1- تقويم التيار المتردد:
تستخجم الوصله الثنائيه فى تقويم التيار المتردد لأنها تسمح بمرور التيار فى اتجاة " توصيل أمامى"وتمنع مروره فى اتجاة اخر"توصيل عكسى"لذلك تسمى بالصمام الثنائي"Diodevalve".
- التقويم النصف موجى للتيار المتردد:
· الدائرة المستخدمة:
عبارة عن محول كهربائى خافض للجهد يتصل طرفا ملفه الابتدائى بمصدر التيار المتردد(الجهد الداخل) أما الملف الثانوي فيوصل طرفاه بالوصله الثنائيه ومقاومة عمل"Rl"وبين طرفيها يتكون الجهد الخارج.
· شرح العمل.................
1- فى خلال النصف الموجب من التيار المتردد الداخل يكون توصيل الوصله توصيلا اماميا فيمر التيار فى دائرة الوصله الثنائيه.
2- فى خلال النصف السالب من دورة التيار المتردد الداخل يكون توصيل الوصله الثنائيه توصيلا عكسيا فلا يمر تيار فى الوصله الثنائيه فيكون فرق الجهد بين طرفي مقاومة الحمل مساويا صفر.


ملاحظة هامة:
- يظهر فرق الجهد الخارج فى حالة تقويم التيار المتردد تقويم نصف موجى على شكل بنضات متقطعة لأن الوصله تسمح بمرور التيار الأنصاف الموجبه للتيار دون الأنصاف السالبة.


v التقويم الموجى الكامل للتيار المتردد

فى دائرة التقويم الموجى الكامل يستخدم وصلتان ثنائيتان

· طريقة العمل:

1- فى النصف الموجب من دورة التيار المتردد تكون النقطة (P)أعلى جهد والنقطة(Y)أقل جهد لذلك تكون الوصله الثنائيه الأولى فى الاتجاه الأمامى لذلك تسمح بمرور التيار فى اتجاه السهم المتصل من النقطه (S)الى النقطه(Q) خلال مقاومه الحمل (Rl) فى نفس الوقت تكون الوصله الثنائيه الثانيه(2) فى الاتجاه العكس فلا تسمح بمرور التيار الكهربائى.

2- فى النصف السالب من دورة التيار المتردد تنعكس قطبيه الملف الثانوي حيث تكون النقطه "P" أقل جهدا من النقطه"Y" لذلك تصبح الوصله الثنائيه (1) فى الاتجاه العكسي فلاتسمح بمرور التيار بينما تصبح الوصله الثنائيه رقم (2) فى الاتجاه الأمامى فتسمح بمرور التيار فى اتجاه السهم المنقط ويكون اتجاه التيار المار فى مقاومة الحمل "Rl" فى الاتجاه من "S"----->"Q"

ملاحظة هامة
1- التيار الخارج من دائرة التقويم الموجى الكامل خلال مقاومة الحمل "Rl" يكون موحدا الاتجاه لكنه متغير الشدة.

2- فى دائرة الوصله الثنائيه المستخدمه لتقويم التيار المتردد تقويم موجى كامل يوصل مع مقاومة الحمل على التوازى مكثف" علل" لكى يقوم بعملية التنعيم حيث يشحن المكثف عند تزايد الجهد ويفرغ شحنته عند تناقص الجهد فلاتصل شدة التيار خلال مقاومة الحمل "Rl"الى الصفر وبذلك يكون التيار الخارج مستمر تقريبا.


v عملية التنعيم
يقصد بها تقليل التغير فى فرق الجهد النهائى" الخارج" عند طريق توصيل مكثف على التوازى مع مقاومه الحمل"Rl" فى دائرة الوصله الثنائيه لتقويم التيار المتردد.

oعلل يفضل اشتخدام الوصله الثنائيه المصنوعه من السليكون فى عملية تقويم التيار المتردد عن تلك المصنوعه من الجرمانيوم؟
للاسباب التالية:
1- للسليكون تيار عكس أقل بكثير من الجرمانيوم.
2- للسليكون قيمه فرق جهد الانهيار اكبر من مادة الجرمانيوم.
3- السليكون يتحمل درجات حرارة مرتفعه.
4-السليكون أرخص من الجرمانيوم.


2- الوصله الثنائيه الضوئية
- هى بلورة ثنائيه من فوسفور – زرنيخيد الجاليوم
- عند توصيل الوصله الثنائيه الضوئيه توصيلا أماميا ومع مرور التيار الكهربائى فإنها تضئ بضوء أحمر أو أصفر أو أخضر تبعا للشوائب المضافه اليها.

v رمز الوصلة الثنائيه الضوئيه فى الدائرة الكهربائيه

استخدامات الوصله الثنلئيه الضوئيه
- تستخدم فى الجهزة الكهربائيه " كمصباح بيان" حيث تضئ بمجرد توصيل الجهاز بمصدر الطاقة الكهربائيه.
- تستخدم فى لوحة بيان الأرقام فى الالات الحاسبه والساعات الالكترونيه وتستخدم سبع وصلات ضوئيه لتكون مكان كل رقم على لوحة البيان.



ملاحظة هامة

1- ترتب الوصلات الضوئيه السبع بحيث يضئ بعضها او كلها لتعطي الرقم المطلوب.



2- تتميز الوصله الثنائيه الضوئيه عن مصباح البيان ذو الفتيل بمايلى:
- صغر حجمها
- عدم تلفها بسرعه
- قلة إستهلاك الطاقة

[shadi2006]

أخوي الفيزيائي المسلم أشكرك ،،،،،،،
وإلى الأمام دائماً،،،،،،،،،،،،،

[الفيزيائي المسلم]

الأخshadi2006
أشكرك على المرور

[دينا]

بارك الله فيك وجيت خيرا
مشكور

[روعة الخيال]

ربي يعطيك العافية

[محمد سعيد السكاف]

مضوع رائج جدا شكرا لك اخي الكريم وبارك الله بك

[الفيزيائي المسلم]

شكراً على المرور

[ياسمين]

بـــارك الله فيــك ,,,,,
وزادك علما.........

[ناصر اللحياني]

[grade="00008B FF6347 008000 4B0082"]الله يزيدك من فضله

وجزيت خيرا [/grade]

[محب المعرفة]

موضوع شيّق بارك الله فيك