الدارات الإلكترونية (١): أشباه الموصلات

تبدأ الدارات الإلكترونية من فكرة ذرية بسيطة: الإلكترونات الموجودة في آخر مستوى طاقة تسمى إلكترونات التكافؤ، وهي التي تحدد كثيرا من خصائص المادة ومنها التوصيل الكهربائي. لذلك يصنف الكتاب المواد بحسب عدد هذه الإلكترونات وقوة ارتباطها بالذرات.

شبه الموصل: في هذا الموضوع، شبه الموصل ليس «موصلا ضعيفا» فقط؛ هو مادة ذات أربعة إلكترونات تكافؤ، وتصبح مفيدة إلكترونيا عندما نتحكم في عدد الحوامل الحرة داخلها بالحرارة أو الإشابة.

في بلورة السليكون، ترتبط كل ذرة سليكون بأربع ذرات مجاورة بروابط تساهمية. عند الصفر المطلق \(0\,K\)، تكون جميع إلكترونات التكافؤ مقيدة في الروابط، لذلك لا توجد إلكترونات حرة ويظهر السليكون النقي كعازل.

عند درجة الغرفة، يذكر الكتاب \(20^\circ C\) مثالا، تمتص بعض الإلكترونات طاقة حرارية تكسر روابط تساهمية. الإلكترون المتحرر يسمى إلكترون توصيل، والفراغ الذي يتركه يسمى فجوة.

الفجوة تحمل تيارا: الفجوة ليست جسما جديدا؛ هي نقص إلكترون. لكن انتقال إلكترونات تكافؤ مجاورة إلى الفجوات يجعل الفجوات تبدو كأنها شحنات موجبة تتحرك بعكس اتجاه الإلكترونات.

أشباه الموصلات النقية لا توصل التيار جيدا. لذلك يضيف الكتاب فكرة الإشابة: إدخال شوائب محددة إلى بلورة السليكون النقي لزيادة عدد إلكترونات التوصيل أو عدد الفجوات.

الأغلبية والأقلية: في النوع \(n\): الإلكترونات ناقلات أغلبية والفجوات ناقلات أقلية. في النوع \(p\): الفجوات ناقلات أغلبية والإلكترونات ناقلات أقلية.

لإنتاج بلورة سالبة من النوع \(n\)، تضاف ذرات خماسية التكافؤ مثل الأنتيمون أو الفسفور أو الزرنيخ. عندما تحل ذرة خماسية محل ذرة سليكون، تشارك بأربعة إلكترونات في الروابط ويبقى الإلكترون الخامس حرا، فيزداد عدد إلكترونات التوصيل.

لإنتاج بلورة موجبة من النوع \(p\)، تضاف ذرات ثلاثية التكافؤ مثل الغاليوم أو البورون. ذرة البورون تكوّن ثلاث روابط تساهمية، وتبقى الرابطة الرابعة ناقصة إلكترونا واحدا؛ لذلك تنتج فجوة جديدة.

اسم البلورة لا يعني شحنة صافية: رغم استعمال «بلورة سالبة» و«بلورة موجبة» في النص، يصرح الكتاب أن الشحنة الكلية للبلورة تساوي صفرا لأنها تتكون من ذرات متعادلة.

الثنائي البلوري وصلة تتكون من جزء شبه موصل من النوع \(n\) وجزء من النوع \(p\). طرف النوع \(n\) يسمى المهبط \(K\)، وطرف النوع \(p\) يسمى المصعد \(A\). يستخدم الثنائي في الدارات لتمرير التيار في اتجاه واحد غالبا.

توصيل الثنائي بمصدر فرق جهد يسمى انحيازا. في الانحياز الأمامي يوصل القطب الموجب للبطارية بمصعد الثنائي، والقطب السالب بمهبطه. عندها ينشأ تيار \(I_F\) إذا صار فرق الجهد بين طرفي الثنائي أكبر من حاجز الجهد.

حاجز الجهد: عند \(25^\circ C\)، قيمة حاجز الجهد في الكتاب \(0.7\,V\) لثنائي السليكون و\(0.3\,V\) لثنائي الجرمانيوم.

إذا كان فرق الجهد أقل من حاجز الجهد، يكون التيار صغيرا جدا. وإذا مر تيار كبير في الثنائي فقد يتلف، لذلك يشدد النص على توصيل مقاومة على التوالي معه لخفض التيار.

في الانحياز العكسي يوصل القطب الموجب بمهبط الثنائي والقطب السالب بمصعده. تصبح مقاومة الثنائي كبيرة جدا، ويكون التيار صغيرا جدا يمكن عده صفرا: \(I_R=0\). وإذا زاد فرق الجهد العكسي فوق جهد الانهيار تنهار مقاومة الثنائي ويمر تيار كبير يتلفه.

اختبار اتجاهي سريع: قبل أي حساب، سم الطرفين: المصعد من جهة \(p\)، والمهبط من جهة \(n\). موجب البطارية مع المصعد يعني أمامي؛ موجب البطارية مع المهبط يعني عكسي.

التجربة 2: دراسة فرق الجهد والتيار في الثنائي البلوري

تجربة الكتاب لدراسة فرق الجهد والتيار في الثنائي تستخدم ثنائيا مثل \(1N4004\)، مصدر فرق جهد مستمر \(0-15\,V\)، فولتميتر، أميتر رقمي، مقاومة \(10\,k\Omega\)، وأسلاك توصيل. يبدأ القياس أماميا من صفر إلى \(2\,V\) بزيادة \(0.1\,V\)، ثم يعكس المصدر ويقيس عكسيا من صفر إلى \(10\,V\) بزيادة \(1\,V\) مع تيار بالميكرو أمبير.

هدف التجربة ليس حفظ جدول أرقام، بل قراءة شكل العلاقة. يمثل التيار على المحور الرأسي وفرق الجهد على المحور الأفقي، ثم يحدد حاجز الجهد من منحنى \(I-V\)، وتؤخذ نقطتان بعد حاجز الجهد لحساب تغير التيار مع تغير الجهد.

الثنائي لا أومي: العلاقة بين التيار وفرق الجهد في الثنائي غير خطية؛ لذلك لا تكون مقاومته ثابتة مثل المقاومة الأومية.

أماميا: يكون التيار صغيرا عندما يكون فرق الجهد أقل من حاجز الجهد، ثم تؤدي زيادة قليلة في فرق الجهد بعد الحاجز إلى زيادة كبيرة في التيار؛ لذلك تكون مقاومة الثنائي الأمامية صغيرة جدا. عكسيا: يبقى التيار صغيرا جدا بالميكرو أمبير؛ لذلك تكون مقاومته العكسية كبيرة جدا.

في المثال 8، يطلب الكتاب المقاومة المتوسطة من منحنى السليكون. لذلك لا نستخدم \(V/I\) من نقطة واحدة، بل نأخذ تغيرا بين نقطتين:

$$R=\frac{\Delta V}{\Delta I}$$

وتظهر النتيجة أن \(RF\approx13\,\Omega\) أماميا، بينما \(RR=10\,M\Omega\) عكسيا.

في المثال 9، يعتمد الكتاب النموذج المبسط للثنائي: في الانحياز الأمامي يكون فرق الجهد بين طرفي الثنائي ثابتا تقريبا، \(0.7\,V\) للسليكون و\(0.3\,V\) للجرمانيوم. في الانحياز العكسي يمثل الثنائي كمفتاح مفتوح، فيكون التيار صفرا.

نموذج الدارة: أماميا اطرح حاجز الجهد من جهد المصدر قبل حساب تيار المقاومة. عكسيا: \(I=0\)، وفرق جهد المقاومة \(0\)، ويقع جهد المصدر على الثنائي.

تختم الصفحة 90 بسؤال تطبيقي: المقابس المنزلية تزودنا بتيار متردد، بينما بعض الأجهزة تعمل بتيار مستمر. عند توصيل الثنائي بمصدر تيار متردد، يمرر نصف الموجة الذي يجعل الوصلة في حالة انحياز أمامي، ويمنع النصف الذي يجعلها في حالة انحياز عكسي.

خلال الجزء الموجب من الإشارة المدخلة، يكون الثنائي أماميا ويمرر النصف الموجب من الموجة. خلال الجزء السالب، يكون الثنائي عكسيا ولا يمرر النصف السالب. لذلك يكون الخرج على شكل موجة نصف جيبية باتجاه واحد: موجبة فقط في رسم الكتاب.

مقوم نصف موجة: الدائرة التي تستخدم ثنائيا واحدا لتمرير نصف الموجة فقط تسمى دارة تقويم نصف موجة، ويذكر الكتاب أن تردد الموجة الناتجة يساوي تردد الموجة الداخلة.

آخر القسم: بعد هذا القسم، انتقل إلى الأمثلة 7-9: الإشابة، مقاومة الثنائي من المنحنى، ثم دارة السليكون ودارة الجرمانيوم بالنموذج المبسط.

مراجعة الدرس

• قارن بين العازل والموصل وشبه الموصل من حيث عدد إلكترونات التكافؤ وسهولة وجود إلكترونات حرة؟
• فسر كيف يتكون زوج إلكترون-فجوة في السليكون عند درجة الغرفة، ولماذا تبدو الفجوة كحامل موجب؟
• ميز بين بلورة النوع \(n\) وبلورة النوع \(p\) من حيث نوع ذرة الإشابة وناقلات الأغلبية والأقلية؟
• ما المقصود بالثنائي البلوري؟ وحدد أي طرف يسمى المصعد وأي طرف يسمى المهبط؟
• قارن بين الانحياز الأمامي والانحياز العكسي من حيث توصيل البطارية، التيار، ومقاومة الثنائي؟
• من منحنى \(I-V\)، كيف تحسب المقاومة المتوسطة للثنائي أماميا وعكسيا؟ ولماذا لا تعد مقاومته ثابتة؟
• اشرح عمل دارة تقويم نصف الموجة: ماذا يحدث في نصف الموجة الموجب؟ وماذا يحدث في نصف الموجة السالب؟