التحصيلي

اختبار التحصيل الدراسي — المسار العلمي

← الفيزياء الحديثة
١٠

القسم ٩ · الفيزياء الحديثة — الموضوع ١٠ من ١٠

إلكترونيات الحالة الصلبة

تفسّر نظرية أحزمة الطاقة التوصيل في المواد:

  • حزمة التكافؤ مستويات الطاقة الدنيا (الإلكترونات مرتبطة)، وحزمة التوصيل المستويات العليا (الإلكترونات حرّة)، وبينهما فجوة الطاقة.
  • الموصلات فجوتها صفر، والعوازل فجوتها كبيرة (أكبر من 5 eV)، وأشباه الموصلات فجوتها صغيرة (نحو 1 eV).
  • أشباه الموصلات نوعان: النقية التي يتحرّر فيها الإلكترونات والفجوات حراريًّا، والمعالَجة التي تزداد موصليتها بإضافة الشوائب (ذرات مانحة أو مستقبِلة للإلكترونات تُضاف لزيادة الموصلية).
  • أشباه الموصلات المعالَجة: نوع N (سالب) بإضافة ذرات مانحة خماسية التكافؤ (ناقلات الشحنة فيه الإلكترونات)، ونوع P (موجب) بإضافة ذرات مستقبِلة ثلاثية التكافؤ (ناقلات الشحنة فيه الفجوات).
  • عند درجة الصفر المطلق (0 K) تكون حزمة التكافؤ مملوءة وحزمة التوصيل فارغة.
تنبيه

⚠ كلّما قلّت فجوة الطاقة زادت موصلية المادة؛ ولذلك أشباه الموصلات أفضل توصيلًا من العوازل.

موصللا فجوةفجوة صغيرةشبه موصل~1 eVفجوة كبيرةعازل> 5 eVحزمة التوصيلحزمة التكافؤ
أحزمة الطاقة: كلما صغُرت فجوة الطاقة بين حزمة التكافؤ وحزمة التوصيل زادت الموصلية — فالموصل بلا فجوة، وشبه الموصل فجوته صغيرة (~1 eV)، والعازل فجوته كبيرة (> 5 eV)

تطعيم أشباه الموصلات

أشباه الموصلات (كالسيليكون) تُحسَّن موصليّتها بإضافة كميّةٍ ضئيلةٍ من الشوائب تُسمّى التطعيم: فإضافةُ عنصرٍ ذي إلكترونٍ تكافؤيٍّ زائد تُنتج نوع n (حاملاتٌ سالبة = إلكترونات حرّة)، وإضافةُ عنصرٍ ذي إلكترونٍ ناقص تُنتج نوع p (حاملاتٌ موجبة = فجوات). ومن وصل النوعين p وَ n تُصنع الثنائيّات والترانزستورات.

التطعيم−النوع السالب n: إلكترون حرّ زائد+النوع الموجب p: فجوة (نقص إلكترون)ذرّة مُطعِّمةذرّة سيليكونتطعيم أشباه الموصلات
تطعيم أشباه الموصلات: تنتج إضافةُ الشوائب نوع n (إلكترونات حرّة) أو نوع p (فجوات موجبة).

الدايود (الثنائي)

الدايود شبهُ موصلٍ بسيطٌ يوصِّل التيار في اتجاهٍ واحدٍ فقط، يتكوّن من قطعةٍ من نوع P ملاصقةٍ لقطعةٍ من نوع N، ووظيفتُه تقويم التيار (تحويل التيار المتناوب AC إلى مستمرٍّ DC).

  • طبقة النضوب منطقةٌ حول الحدّ الفاصل بين P و N خاليةٌ من ناقلات الشحنة (لا فجوات ولا إلكترونات حرّة).
  • الانحياز الأمامي (الدايود متّجهٌ مع اتجاه التيار) ⟹ يوصِّل التيار، والانحياز العكسي ⟹ لا يوصِّل فيكون التيار صفرًا.
انحياز أمامي+−Iيوصِّل التيارI = 0.1 Aانحياز عكسي+−لا يوصِّلI = 0
توصيل الدايود في دائرةٍ مغلقة: في الانحياز الأمامي يُوصَل طرفُ الدايود المثلّث (الأنود) إلى **قطب البطارية الموجب (+)** والكاثود (الخطّ) إلى السالب، فيمرّ التيار؛ وفي الانحياز العكسي يُعكَس الدايود فيُوصَل الأنود إلى **السالب** والكاثود إلى الموجب، فلا يمرّ التيار (I = 0)

في الانحياز الأمامي يربط الهبوطُ في جهد الدايود بين جهد المصدر والتيار: Vb = I · R + Vd (Vb جهد المصدر، Vd الهبوط في الدايود).

مثالفي دائرةٍ أماميةٍ جهدُ مصدرها Vb = 1.8 V وهبوطُ جهد الدايود Vd = 0.8 V مع مقاومٍ R = 10 Ω؛ فما شدة التيار؟
Vb = I · R + Vd ⟸ I = Vb − VdR = 1.8 − 0.810 = 0.1 A
مثالدايودٌ من الجرمانيوم هبوطُ جهده Vd = 0.5 V يمرّ به تيارٌ I = 10 mA مع مقاومٍ R = 300 Ω على التوالي؛ فما جهد البطارية اللازم؟
Vb = I · R + Vd = (10 × 10⁻³ × 300) + 0.5 = 3.5 V
تنبيه

⚠ لو عُكِس الدايود (انحيازٌ عكسي) لم يمرّ التيار مطلقًا مهما كان جهد المصدر، فيكون I = 0.

الترانزستور والرقائق الميكروية

الترانزستور نبيطةٌ من مادةٍ شبهِ موصلةٍ معالَجةٍ بالشوائب، تعمل مُضخِّمًا ومقوّيًا للإشارات الضعيفة والجهد. يتكوّن من طبقتين من النوع نفسه يفصل بينهما طبقةٌ رقيقةٌ من النوع المختلف، فينتج نوعان: npn وpnp، وأجزاؤه الثلاثة: القاعدة (B) والباعث (E) والجامع (C).

BCEnpn (السهم للخارج)BCEpnp (السهم للداخل)
رمزا الترانزستور: في npn يتّجه سهمُ الباعث (E) للخارج، وفي pnp يتّجه للداخل؛ وله ثلاثة أطراف: القاعدة (B) والباعث (E) والجامع (C)

وكسبُ التيار = نسبة تيار الجامع إلى تيار القاعدة: ICIB.

مثالتيار القاعدة في ترانزستورٍ IB = 20 μA وتيار الجامع IC = 2 mA؛ فما كسب التيار؟
ICIB = 2 × 10⁻³20 × 10⁻⁶ = 100

الرقائق الميكروية دوائرُ متكاملةٌ تضمّ آلاف الترانزستورات والدايودات والمقاومات والموصِّلات، وتُستعمَل في الأجهزة الإلكترونية كالحاسوب.

أمثلة على «إلكترونيات الحالة الصلبة»

مثال ١

شبه موصل من النوع N يُحضَّر بإضافة ذرات ...

◎ توقّع الإجابة أولًا:

الموضوع السابق →← إنهاء القسم
قدّام | منصة التدريب على اختبارات القدرات والتحصيلي وموهبة