الدارات الإلكترونية

لماذا يوصل النحاس الكهرباء ولا يوصلها المطاط؟

الأجهزة الإلكترونية التي نستخدمها، مثل الهاتف الخلوي وجهاز التحكُّم عن بُعد، تحتوي دارات إلكترونية. من مُكوِّناتها الثنائي والترانزستور، وهما من مخرجات علم أشباه الموصلات.

• أصنّف الموادّ إلى موادّ موصِلة وعازلة وشبه موصِلة.
• أشرح تركيب الثنائي البلّوري.
• أمثّل العلاقة بين الجهد والتيار في الثنائي البلّوري.
• أصمّم دارة كهربائية أستخدم فيها الثنائي البلّوري بوصفه مقوّمًا للتيار المتردّد.
• أصف أجزاء الترانزستور الرئيسة.
• أذكر استخدامات الترانزستور في الأجهزة الإلكترونية الحديثة.

• الذرّة: نواة موجبة الشحنة تتحرك حولها إلكترونات سالبة الشحنة، تتوزّع في مستويات (أغلفة) طاقة.

• إلكترونات التكافؤ هي التي تُحدّد كثيرًا من خصائص المادّة، مثل التوصيل الكهربائي والتوصيل الحراري.
• تُصنَّف الموادّ من حيث قابليتها لتوصيل الكهرباء بحسب عدد إلكترونات التكافؤ:

• العازلة: ترتبط بذرّات المادّة بقوًى كهربائية كبيرة، فلديها عدد قليل من الإلكترونات الحرّة.
• الموصِلة: قوى ارتباطها بالذرّات ضعيفة، فلديها كثير من الإلكترونات الحرّة.
• الجرمانيوم ⁨(Ge)⁩ والسليكون ⁨(Si)⁩ من أهمّ أشباه الموصِلات المستخدمة في التطبيقات الإلكترونية.

كيف تتحرر الإلكترونات في بلّورة السليكون؟

• كل ذرّة سليكون ترتبط بأربع ذرّات مجاورة لها بروابط تساهمية، فتتشكّل بلّورة السليكون.
• عند الصفر المطلق $(0\ \text{K})$ تكون جميع إلكترونات التكافؤ للسليكون النقي مقيّدة بالروابط التساهمية، ولا توجد إلكترونات حرّة.

• تبدو الفجوة مثل شحنة موجبة نتيجة للنقص في الشِّحنة السالبة الكلية على الذرّة عند تَرْك الإلكترون موقعه.
• في بلّورة السليكون النقيّة عدد الفجوات يساوي عدد إلكترونات التوصيل، وهو ما يُسمّى زوج إلكترون-فجوة Electron-Hole pair.
• تسهم الفجوات في التوصيل الكهربائي مثل إلكترونات التوصيل.
• حين تتكوّن فجوة ينتقل إليها إلكترون ذرّة مجاورة تاركًا خلفه فجوة جديدة، وهكذا دواليك.
• الفجوات تبدو مثل شحنات موجبة تتحرك بعكس اتجاه حركة الإلكترونات؛ فتشكّل تيارًا كهربائيًّا يسري بعكس اتجاه الإلكترونات (الشكل 17).

وكيف نزيد عدد الإلكترونات الحرّة أو الفجوات عمدًا؟

الإشابة: كيف نصنع بلّورة n أو p؟

• أشباه الموصِلات النقيّة لا توصل التيار الكهربائي جيدًا، لكن يمكن زيادة موصليتها الكهربائية.

• تُضاف مادّة إلى بلّورة السليكون النقيّ: تزيد عدد الإلكترونات الحرّة فتنتج البلّورة السالبة نوع n-type (n)، أو تزيد عدد الفجوات فتنتج بلّورة موجبة نوع p-type (p).

• لزيادة الإلكترونات الحرّة يُضاف إلى السليكون النقيّ عنصر خماسيّ التكافؤ (خمسة إلكترونات تكافؤ في غلافه الأخير)، مثل الأنتيمون أو الفسفور أو الزرنيخ.
• ذرّة الأنتيمون ⁨(Sb)⁩ تحلّ محلّ ذرّة سليكون مركزية، وتكوّن أربع روابط تساهمية مع أربع ذرّات سليكون مجاورة.
• يبقى إلكترون التكافؤ الخامس حرًّا.

• لزيادة الفجوات يُضاف عنصر ثلاثيّ التكافؤ (ثلاثة إلكترونات تكافؤ في غلافه الأخير)، كالغاليوم أو البورون.
• ذرّة البورون تحلّ محلّ ذرّة سليكون مركزية، وتشارك إلكتروناتها الثلاثة في ثلاث روابط تساهمية مع ثلاث ذرّات سليكون.
• الرابطة الرابعة ينقصها إلكترون واحد، فتتشكّل فجوة.

• عند توصيل البلّورة الموجبة (p) أو السالبة (n) بمصدر فَرْق جهد يسري فيها تيار ناتج من حركة الفجوات والإلكترونات، وتُسمّى ناقلات التيار Current carriers.

• الشحنة الكلية للبلّورة تساوي صفرًا؛ لأنها تتكون من ذرّات متعادلة.

أوضّح المقصود بناقلات التيار الأغلبيّة، وناقلات التيار الأقليّة في البلّورة الموجبة (p) والبلّورة السالبة (n).

أوضّح المقصود بالإشابة.

وماذا يحدث عند وصل بلّورة من النوع n ببلّورة من النوع p؟

الثنائي: بوابة تمرّر التيار باتجاه واحد

• المهبط Cathode (K): طرف الثنائي من النوع (n).
• المصعد Anode (A): طرفه من النوع (p).
• يُرمز إليه في الدارات الإلكترونية بالرمز المُوضَّح في الشكل (20/أ).
• يُستخدم الثنائي لتمرير التيار الكهربائي باتجاه واحد فقط.

• يُسمّى توصيل الثنائي بمصدر فَرْق جهد انحيازًا، وللانحياز حالتان.

• ينشأ تيار كهربائي $(I_F)$ عندما يكون فرق الجهد بين طرفي الثنائي أكبر من قيمة معينة.

• عند درجة حرارة ⁦25 °C⁩ يكون حاجز الجهد:
• السليكون: $0.7\ \text{V}$
• الجرمانيوم: $0.3\ \text{V}$
• إذا كان فرق الجهد بين طرفي الثنائي أقلّ من حاجز الجهد، تكون قيمة التيار صغيرة جدًّا.

• تصبح مقاومة الثنائي كبيرة جدًّا، فيعبر تيار كهربائي صغير جدًّا يمكن عَدُّه صفرًا $(I_R = 0)$.

مقاومة الثنائي: صغيرة أمامًا وكبيرة عكسيًّا

• مقاومة الثنائي تختلف باختلاف فَرْق الجهد بين طرفيه، وباختلاف طريقة توصيله بمصدر فَرْق الجهد.

• يوضّح الشكل (22) منحنى (I–V) لثنائي السليكون ⁨(Si)⁩ وثنائي الجرمانيوم ⁨(Ge)⁩.
• العلاقة بين التيار وفَرْق الجهد للثنائي عمومًا غير خطية؛ فمقاومته لا أومية.
• في الانحياز الأمامي يكون التيار صغيرًا ما دام فرق الجهد على طرفي الثنائي أقلّ من حاجز الجهد.
• فوق حاجز الجهد تؤدّي زيادة قليلة في فرق الجهد إلى زيادة كبيرة في التيار؛ فمقاومة الثنائي صغيرة جدًّا.
• في الانحياز العكسي يكون التيار صغيرًا جدًّا (بالميكرو أمبير)؛ فمقاومة الثنائي كبيرة جدًّا.

أقارن بين توصيل الثنائي بوضعيّة الانحياز الأمامي ووضعيّة الانحياز العكسي من حيث التوصيل بمصدر فَرْق الجهد، والتيار الكهربائي المارّ في كلّ حالة.

أقارن بين مقاومة الثنائي في وضعيّتَي الانحياز الأمامي والانحياز العكسي.

فكيف نحسب مقاومة الثنائي ونحلّ دارة فيها ثنائي ومقاومة؟

نحسب مقاومة الثنائي وجهده في دارة بسيطة

• المقاومة المتوسطة للثنائي بين نقطتين على منحنى (I–V) هي نسبة تغيّر الجهد إلى تغيّر التيار:
• $R_F = \frac{\Delta V}{\Delta I}$ في الانحياز الأمامي
• $R_R = \frac{\Delta V}{\Delta I}$ في الانحياز العكسي

• قاعدة كيرتشوف الثانية تعطي فرق الجهد على المقاومة $\Delta V_R$ في دارة الثنائي مع المقاومة.

فكيف نستفيد من مرور التيار في اتجاه واحد فقط؟

التقويم: كيف نحوّل التيار المتردّد إلى مستمر؟

تعلّمتُ سابقًا، أنّ المقابس في المنازل تزوّدنا بتيار متردّد، وبعض الأجهزة الكهربائية تعمل بتيار مستمر. فكيف أحوّل التيار المتردّد إلى تيار مستمر؟

• عند توصيل الثنائي بمصدر تيار متردّد (الشكل 28) يسمح لنصف الموجة التي تمثّل جهدًا موجبًا بالعبور؛ لأنّ وصلة الثنائي في حالة الانحياز الأمامي.
• النصف الثاني يمثّل جهدًا سالبًا، فتكون وصلة الثنائي في حالة انحياز عكسي ولا يسمح بعبوره.
• الإشارة الناتجة موجة نصف جيبيّة باتجاه واحد (موجبة فقط).

• تردّد الموجة الناتجة يساوي تردّد الموجة الداخلة.

أوضّح المقصود بالموادّ شبه الموصِلة.

فماذا يحدث داخل بلّورة السليكون عند تسخينها؟

أوضّح المقصود بالثنائي البلّوري.

وهل تبقى مقاومة الثنائي ثابتة عند تغيير فرق الجهد؟

اعتمادًا على الدارة الموضّحة في الشكل: هل يتغيّر شكل الموجة الناتجة إذا عُكس الثنائي؟ أفسّر إجابتي.

وماذا جاء بعد الثنائي في تطوّر الإلكترونيات؟

من الصمّام إلى الشريحة: ثورة الترانزستور

• الترانزستور Transistor أحد أهمّ عناصر الدارات الإلكترونية، ويدخل في تركيب الأجهزة الإلكترونية كلّها.
• الهاتف النقّال يحتوي مئات الآلاف من الترانزستورات، وكذلك الحاسوب وغيرهما من الأجهزة الإلكترونية.
• يُصنَع الترانزستور من موادّ شبه موصلة، مثل السليكون أو الجرمانيوم، ويشبه الثنائي البلوري إلّا أنّه يتكوّن من ثلاث طبقات.

• اختراع الترانزستور أحدث ثورة في الإلكترونيات؛ إذ أمكن إيجاد أجهزة صغيرة جدًّا وأكثر دقّة في أدائها.
• الدارات القديمة كانت تحتوي الصمّامات الثنائية والثلاثية، لكنّ الصمّام كبير الحجم ويولّد حرارة تستدعي تبريده.

• أدّى تطوير الترانزستور وتصغير حجمه إلى تطوير الدارات المتكاملة Integrated circuits ⁨(ICs)⁩، تَجمَع الواحدة منها عددًا كبيرًا جدًّا من الترانزستورات في مساحة صغيرة لا تتجاوز أبعادها بضعة مليمترات.

• أبعاد الترانزستور الواحد في الشريحة تُقاس بوَحْدة ⁨(nm)⁩.
• تُستخدَم الترانزستورات والدارات المتكاملة في شرائح الذاكرة في أجهزة الحاسوب.

كيف نحلّ دارة فيها ثنائيان أو أكثر؟

1. أحدّد جهة التيار: من القطب الموجب للبطارية، وأنظر أيّ طرف من الثنائي يواجهه: المصعد أم المهبط.
2. أصنّف كل ثنائي: الأمامي يمرّر التيار، والعكسي يعمل كمفتاح مفتوح فينقطع فرعه.
3. أبسّط الدارة: أحذف الفرع الذي فيه ثنائي عكسي، وأعيد رسم ما تبقّى.
4. أحسب فرق الجهد على الثنائي: أطرح حاجز الجهد عند كل ثنائي أمامي، إلا إذا طُلب إهماله.
5. أطبّق القوانين: قاعدة كيرتشوف الثانية وقانون أوم لإيجاد التيار في كل مقاومة.