اشباه الموصلات

موضوع: اشباه الموصلات 2010-06-21, 5:25 pm

ملاحظة: تستطيع تحميل هذا البحث كاملا مع الصور من المرفقات بصيغة ملفات الوورد.

أشباه الموصلات

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
عندإضافة الشوائب تغيراً كثيراً .

حيث تتناقص المقاومة في منطقة درجات الحرارةالعالية بمعدل أعلى من معدل منطقة درجات الحرارة المنخفضة .

وتنقسم
توصيليةالموصل ( 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 وتنتجعن اشتراك إلكترونات المطعمات في التوصيلية والتي تتأين بسهولة
وتشارك في زيادةالتوصيلية .
تؤدي
المطعمات إلى تغير كثافة الحوامل بحيث تزيد عدد الحوامل مننوع معين أكثر من النوع الآخر ، ويتم ذلك بإضافة عنصر كيميائي يؤدي
وجوده إلى زيادةعدد 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 سوفتحتل أماكن ذرات السيلكون في
البلورة وتتحد مع أربعة ذرات السيلكون التي تقعحولها ، ويبقى الإلكترون الخامس
في مدار التكافؤ في ذرة الزرنيخ زائداً ، ويسهلفصله عنها بقليل من الطاقة
ليتحرك إلى شريط التوصيل فيزيد أعداد الإلكترونات الحُرةويقال عن ذرة الزرنيخ أنها ذرة
مانحة ( donor ) لأنها تمنح إلكترونات إضافية إلىشريط التوصيل .

وبالرغم
من أن محصلة الشحنات ليست سالبة ، فإننا نطلق علىالبلورات التي يضاف إليها ذرات
مانحة للإلكترونات اسم " النوع السالب
n-type " . ويمكن بطريقة مماثلة أن نضيف إلى عنصر السيلكون ذرات ثلاثية التكافؤ
( من المجموعةالثالثة ) مثل عنصر البورون ( B ) فيؤدي ذلك إلى إيجاد مكان في ذرة البورون مستعدلاستقبال إلكترون ، وهذا بالطبع يعد ثقباً ، وبذلك نعتبر أن ذرة
البورون قد أدت إلىزيادة الثقوب في البلورة ونطلق
على هذه المطعمات اسم المتقبلات (
acceptors ) ونسميالبلورة الناتجة عن إضافة المتقبلات النوع الموجب (p-type).

مستويات الطاقة بعد إضافة الشوائب:

بالنسبة
للمانحات يكون الإلكترون الزائد عن حاجةالترابط الكيميائي تحت تأثير
المجال الكهربائي للذرة المانحة ، ولا ينفصل عنها إلاإذا أعطيناه من الطاقة لفصله
عنها . ونسمي عملية الفصل هذه تأيناً(ionization ) وإذا عرفنا المجال الكهربائي
المؤثر على الإلكترون الزائد عرفنا بالتالي الطاقةاللازمة لفصله كي يصبح حُراً
ويضاف إلى الحوامل السالبة .

ويشبه
هذا النموذجإلى حد كبير نموذج الهيدروجين
الذي نجد فيه إلكتروناً واحداً يدور حول نواة موجبةالشحنة ، ونستعير نتائج نموذج
الهيدروجين ونضيف إليه أن الإلكترون في وسط سماحيةالنسبية . وهذه المساحية تأخذ في
الاعتبار المجال الكهربائي للذرات المجاورة كمانستعمل بدلاً من كتلة الإلكترون
العادية كتلته الفعالة داخل البلورة .

ويتعينمن ذلك نشوء مستوى طاقة أكبر من طاقات الإلكترونات الموجودة في شريط
التكافؤ وأقربإلى طاقات الإلكترونات الحُرة .

كما
نعتبر أيضاً أن الثقب مرتبط بالذرةالمستقبلة بصورة مماثلة لارتباط
الإلكترون بالذرة المانحة ، ونحسب باستعادة نموذجذرة الهيدروجين ، طاقة الحالة
بالنسبة للثقب ، فنجد أن مستوى الطاقة الناتج في هذهالحالة أكبر بقليل من مستويات
الطاقة في شريط التكافؤ ، وذلك لأن الذرة المستقبلةعندما تقبل أحد الإلكترونات فإن
طاقتها الكلية تنخفض إلى طاقة شريط التكافؤ لأنهاكانت 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 بينمستوى 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
أحدالعناصر الشائعة الوجود كمكون
رئيسي للتراب والأحجار.
وترتيبه
في الجدول الدوريللعناصر بعد الألومونيوم
مباشرةً، وقبل الكربون والجيرمانيوم.
والكربونوالسيلكون
والجيرمانيوم عناصر تتسم بخاصية فريدة في هياكلها الإلكترونية، فكل عنصرمن هذه
العناصر يتسم بوجود أربع إلكترونات في مداره الخارجي، مما يمكن هذه العناصرمن تشكيل
بلورات. والإلكترونات الأربعة تشكل سوياً اتحاداً ذرياً مع أربع ذرّاتمتجاورة
مما ينتج عنه نظاماً شبكياً. فالشكل البلوري للكربون هو الماس، أماالسيلكون
فالشكل البلوري الخاص به يميل إلى اللون الفضي المشابه للمعدن.

والمعادن
بطبيعتها موصل جيد للطاقة الكهربائية لاحتوائها إلكترونات يمكنهاالتحرك
بحرية بين الذرّات، والطاقة الكهربائية تنتج عن تدفق الإلكترونات. إلا أنبلورة السيلكون
ليست من المعادن، فكافة الإلكترونات الخارجية فيها متشابكة فياتحاد
ذري تام، وبالتالي لا تملك حرية التحرك بسهولة. وبلورة السيلكون النقية تعدتقريباً
مادة عازلة، وبالتالي فإن قدراً ضئيلاً جداً من الطاقة الكهربائية يمكن أنيتدفق من
خلالها.

تحويل السيلكون
إلى موصل:

يمكنك أن
تغير من سلوكالسيلكون وتحوله إلى موصل
للطاقة وذلك بإضافة الشوائب أليه (كما ذكرنا سابقا)و بإتباع أي من الطريقتين
التاليتين:

التحويلإلى سيلكون
سالب (N):

بإضافة
كميات ضئيلة من الفسفور أو الزرنيخ أو الأنتيمون (شوائب خماسية التكافؤ) إلى بلورةالسيلكون.
كل من الفسفور والزرنيخ يتسم بوجود خمس إلكترونات خارجية، وبالتالي فهوخارج
نطاق خاصية العزل التي يتسم بها السيلكون الخام، والإلكترون الخامس في كلمنهما لا
يجد أي شيء ليتحد معه، وبالتالي فهو يتمتع بحريةٍ في الحركة. والأمر لنيستلزم
سوى إضافة قدر ضئيل للغاية من أي من هاتين المادتين من أجل خلق إلكتروناتحرة تسمح
بتدفق تيار كهربائي عبر السيلكون. وجعله موصلا جيدا للطاقة.

التحويلإلى سيلكون
موجب(P) :

باستخدام
أي من عنصري البورون أو الجاليوم ليقوم أي منهمابمهمة تغيير طبيعة السيلكون.
وهذان العنصران يتسمان بميزة رئيسة في التكوين الذريلكل منهما، حيث لا يوجد في أي
منهما إلا ثلاثة إلكترونات خارجية، وبالتالي عندمايتم خلط أي من هذين العنصرين مع
عنصر السيلكون تتكون فيه فتحات نتيجة وجود إلكترونفي السيلكون لا يجد نظيراً له
في العنصر الآخر لكي يتحد معه، وغياب هذا الإلكترونيؤدي عمل شحنة موجبة. ووجود مثل
هذه الفتحة على سطح السيلكون يمكن من اتحادالإلكترون الحر مع أي إلكترون
قادم من أي عنصر آخر، مما يجعل من السيلكون من هذاالنمط موصلاً جيداً للطاقة.

هذه
الكمية الضئيلة التي تضاف إلى السيلكون من أيمن هذه العناصر الأربعة، هي
التي تحوله من مادة عازلة إلى موصل جيد، لكنه ليسممتازا، ومن هنا جاءت تسمية
أشباه الموصلات.
والسيلكون
الإيجابي أو السلبي لايعمل بكفاءة، ولكن عندما تضعهما
سوياً ينتج عن تفاعلهما ذلك السلوك المدهش الذيتقوم 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 باعثللضوءLight 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.

*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.

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

لتحميل البحث كاملا مع الصور وبصيغة ملف وورد اضغط هنا

المرفقات

أشباه الموصلات.doc: حمل الملف بصيغة الوورد; لا تتوفر على صلاحيات كافية لتحميل هذه المرفقات.; (194 Ko) عدد مرات التنزيل 11

موضوع: رد: اشباه الموصلات 2010-06-21, 10:16 pm

شكرا و بارك الله فيك يا سيد مشير
نعم الاختيار
وفقك الله

موضوع: رد: اشباه الموصلات 2011-09-24, 1:35 pm

سلمت اناملكم

موضوع: رد: اشباه الموصلات 2011-10-10, 3:31 pm

شكرا لمروركم