ملخص درس التوصيل الكهربائي في المواد الصلبة – إلكترونيات الحالة الصلبة

بسم الله الرحمن الرحيم

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته

ملخص درس التوصيل الكهربائي في المواد الصلبة – إلكترونيات الحالة الصلبة

نبدأ على بركة الله ...

    -       أشباه الموصلات :

+ من أمثلتها : السيليكون ، الجرمانيوم .

+ أهمية الأدوات المصنوعة منها : تعمل على تضخيم الإشارات الكهربائية الضعيفة جدا وضبطها من خلال حركة الإلكترونات داخل منطقة بلورية صغيرة .

+ مميزات الأدوات المصنوعة منها :

·      أدوات صغيرة جدا .

·      لا تولد حرارة كبيرة .

·      كلفة صناعتها قليلة .

·      يقدر عمرها الافتراضي بأكثر من عشرين عاما .

+ علل : تعمل الأدوات المصنوعة من أشباه الموصلات بقدرة كهربائية صغيرة جدا .

بسبب قلة عدد الإلكترونات المتدفقة خلالها إضافة لعدم احتوائها على فتائل .

    -       الموصلات والعوازل :

+ تتحرك الشحنات بسهولة في الموصلات ولا تتحرك بسهولة في العوازل حيث أن مقدرة الموصلات على نقل الشحنات أكبر من العوازم .

+ المواد الصلبة البلورية تتكون من ذرات مرتبطة معا بترتيبات منتظمة .

    -       أنواع حزم الطاقة :

+ حزم التكافؤ : حزم الطاقة ذات مستويات الطاقة الدنيا في الذرة وتكون مملوءة بإلكترونات مرتبطة في البلورة .

+ حزم التوصيل : حزم الطاقة ذات المستويات العليا في الذرة ويكون متاحا فيها للإلكترونات الانتقال من ذرة إلى أخرى .

    -       فجوات الطاقة : المنطقة التي تفصل بين حزم التوصيل وحزم التكافؤ والتي لا يوجد فيها مستويات طاقة متاحة للإلكترونات .

    -       علل : فجوات الطاقة تسمى مناطق الطاقة الممنوعة أو المحظورة .

لانه لا يوجد في فجوات الطاقة مستويات طاقة متاحة للإلكترونات .

    -       علل : يحتاج الكربون البلوري "التركيب الماسي " إلى طاقة كبيرة لنقل إلكترونات التكافؤ إلى حزمة التوصيل مقارنة مع السيليكون .

لأنه للسيليكون البلوري فجوة طاقة صغيرة مقارنة مع فجوة طاقة الماس .

    -       علل : الكربون الجرافيتي موصل جيد بعكس الكربون الماسي .

لأن ترتيب الذرات في الجرافيت يمنحه فجوة طاقة أقل مقارنة بحالة الماس .

    -       نظرية الأحزمة للمواد الصلبة : وصف لحزمتي التكافؤ والتوصيل المنفصلتين بواسطة فجوات الطاقة الممنوعة .

    -       عند درجة الصفر المطلق :

+ حزمة التكافؤ مملوءة كليا بالإلكترونات .

+ حزمة التوصيل فارغة تماما .

    -       عند درجة حرارة الغرفة :

عدد من إلكترونات التكافؤ تمتلك طاقة حرارية كافية لتقفز عن فجوة الطاقة 1.1 eV لتصل إلى حزمة التوصيل وتكون نواقل للشحنة .

    -       علل : تزداد موصلية السيليكون عندما تزداد درجة الحرارة .

لأن المزيد من الإلكترونات تكتسب طاقة كافية للقفز عن الفجوة وتكوين نواقل للشحنة .

    -       أثر درجة الحرارة :

+ الجرمانيوم حساس جدا للحرارة في معظم التطبيقات الإلكتلاونية .

+ التغيرات الطفيفة في درجة الحرارة تسبب تغيرات كبيرة في موصلية الجرمانيوم .

    -       علل : الجرمانيوم أكثر موصلية من السيليكون عند أي درجة حرارة .

لأن فجوة الطاقة للجرمانيوم أقل من فجوة الطاقة للسيليكون .

    -       علل: صعوبة ضبط دوائر الجرمانيوم الكهربائية واستقرارها .

لأن التغيرات الطفيفة في درجة الحرارة تسبب تغيرات كبيرة في موصلية الجرمانيوم .

    -       الرصاص : " تداخل الحزم "

+ المواد التي يوجد فيها تداخل بين حزم التوصيل وحزم التكافؤ المملوءة جزئيا بالإلكترونات تعد موادا موصلة مثل الرصاص .

+ علل :  في مخطط الحزم – الفجوة للرصاص ، تتداخل حزمة التوصيل وحزمة التكافؤ .

لأن الفراغات بين ذراته صغيرة جدا .

    -       حركة الإلكترونات :

تتحرك الإلكترونات في الموصلات بسرعة وبصورة عشوائية حيث تتغير اتجاهاتها عندما تصطدم بالذرات .

    -       أثر المجال الكهربائي عليها :

+ بتطبيق فرق جهد عبر مادة سيؤثر المجال الكهربائي الناتج بقوة تدفع الإلكترونات في اتجاه واحد .

+ تتسارع الإلكترونات وتكتسب طاقة نتيجة الشغل الذي بذله عليها المجال وبذلك تتحرك الإلكترونات التي اكتسبت طاقة من ذرة إلى الذرة التالية .

    -       علل : الفلزات مثل : الألمنيوم والنحاس توصل الكهرباء بسهولة .

لأن حزمها مملوءة جزئيا بالإلكترونات .

    -       نموذج إلكترون – غاز : نموذج من الموصلات تتحرك فيه الإلكترونات حركة سريعة باتجاهات عشوائية وتتحرك ببطء شديد في اتجاه النهاية الموجبة للسلك بتأثير المجال الكهربائي .

    -       الموصلية وعلاقتها بالمقاومية :

·      الموصلية مقلوب المقاومية .

·      كلما قلت موصلية المادة ازدادت مقاوميتها .

    -       علل : تقل موصلية الفلز عندما ترتفع درجة حرارته .

لأن سرعة الإلكترونت تزداد فتزداد تصادماتها بالذرات .

-       كثافة الإلكترونات الحرة في موصل : عدد الإلكترونات الحرة في وحدة الحجم من المادة .

    -       عدد الإلكترونات الحرة في كل سنتيمتر مكعب :

N_A عدد الذرات في المول من المادة

M الكتلة الذرية للمادة

P كثافة المادة

     -       العوازل :

+ حزم الطاقة :

·      حزمة التكافؤ في العوازل مملوءة وحزمة التوصيل فارغة .

·      في درجة حرارة الغرفة متوسط الطاقة الحركية للإلكترونات لا تكفيها لتقفز عن الفجوة الممنوعة .

·      إذا طبق مجال كهربائي صغير على عازل فإن الإلكترونات غالبا لا تكتسب طاقة كافية للوصول إلى حزمة التوصيل .

·      علل : المادة العازلة لا توصل التيار الكهربائي .

لأن إلكتروناتها تميل إلى أن تبقى في أماكنها .

     -       أساسيات عن أشباه الموصلات :

+ أنواعها :

·      أشباه الموصلات النقية .

·      أشباه الموصلات المعالجة .

+ من أمثلتها :

·      السيليكون .

·      الجرمانيوم .

+ إلكترونات تكافؤها :

·      تمتلك أربعة إلكترونات تكافؤ تساهم في ربط الذرات معا في المادة الصلبة البلورية .

·      الإلكترونات في أشباه الموصلات تتحرك بحرية أكبر من العوازل وأقل من الموصلات .

·      تركيبها :

) إلكترونات التكافؤ في أشباه الموصلات تشكل حزمة مملوءة كما في العوازل .

) الفجوة الممنوعة بين حزمة التكافؤ وحزمة التوصيل أصغر بكثير مقارنة مع العوازل .

·      حزم الطاقة :

) في درجة حرارة الغرفة متوسط الطاقة الحركية للإلكترونات تكفيها لتقفز عن الفجووة الممنوعة التي مقدارها 1 eV .

) الحركة العشوائية للذرات والإلكترونات تزود بعض الإلكترونات بطاقة كافية للتحرر من ذراتها الأصلية والتجول حول بلورة السيليكون .

     -       إذا طبق مجال كهربائي على مادة شبه موصلة فإن إلكترونات حزمة التوصيل تتحرك خلال المادة الصلبة حسب اتجاه المجال المطبق .

     -       علل : تزداد موصلية أشباه الموصلات بزيادة درجة الحرارة .

لأن زيادة درجة الحرارة يزيد من عدد الإلكترونات القادرة على الوصول إلى حزمة التوصيل فتزداد الموصلية .

    -       الفجوات : مستوى طاقة فارغ في حزمة التكافؤ .

+ تكونها : عندما يتحرر إلكترون من ذرة يترك مكانه فجوة فتصبح الشحنة الكلية للذرة موجبة .

+ اتجاه حركتها : تتحرك الفجوات الموجبة في الاتجاه المعاكس لاتجاه حركة الإلكترونات الحرة السالبة .

     -       عند اتحاد الفجوة مع الإلكترون الحر فإن شحنتيهما المختلفتين تعادل كل منهما الأخرى .

     -       أشباه الموصلات النقية : أشباه موصلات توصل نتيجة تحرير الإلكترونات والفجوات حراريا .

     -       علل : مقاومة أشباه الموصلات النقية كبيرة والتوصيل فيها منخفض جدا .

لأن عدد قليل جدا من الإلكترونات والفجوات متوافرة لحمل الشحنة .

     -       الشوائب : ذرات مانحة أو مستقبلة للإلكترونات تضاف بتراكيز قليلة إلى أشباه الموصلات النقية .

+ أهميتها : تعمل على زيادة موصلية أشباه الموصلات وذلك بتوفير إلكترونات أو فجوات إضافية .

    -       أشباه الموصلات المعالجة : أشباه الموصلات التي تعالج بإضافة شوائب .

+ أنواعها :

·      أشباه الموصلات من النوع السالب n .

·      أشباه الموصلات من الموع الموجب P .

    -       أشباه الموصلات من النوع n :

+ طريقة الحصول عليها :

·      إضافة مادة معالجة خماسية التكافؤ إلى بلورة السيليكون .

·      الذرة المعالجة " الزرنيخ As " تحل محل إحدى ذرات السيليكون في البلورة .

·      ترتبط أربعة من إلكترونات التكافؤ الخمسة مع ذرات السيبيكون المجاورة والخامس يسمى الإلكترون المانح .

+ الإلكترون المانح :

·      طاقة الإلكترون المانح قريبة جدا من طاقة حزمة التوصيل لذلك يمكن نقل الإلكترون المانح بسهولة من الذرة المعالجة على حزمة التوصيل .

·      بتوافر عدد أكبر من الإلكترونات المانحة وانتقالها إلى حزمة التوصيل يزداد توصيل أشباه الموصلات من النوع n .

    -       أشباه الموصلات من النوع p :

+ طريقة الحصول عليها :

·      إضافة مادة الجاليوم ثلاثية التكافؤ إلى بلورة السيليكون .

·      ذرة الجاليوم Ga تحل محل إحدى ذرات السيليكون .

·      ترتبط إلكترونات التكافؤ الثلاثة مع ذرات السيليكون المجاورة فينقص إلكترون واحد مما يحدث فجوة في بلورة السيليكون .

+ الإلكترونات في حزمة التكافؤ يمكن أن تسقط بسهولة في هذه الفجوات محدثة فجوات جديدة .

+ يتوافر عدد أكبر من الفجوات التي تنتجها ذرات الجاليوم بزداد توصيل شبه الموصل من النوع p .

+ معالجة السيليكون بالشوائب :

·      توضع بلورة نقية من السليكون في فراغ من عينة من المادة المعالجة .

·      يسخن المعالج حتى يتبخر وتتكاثف ذراته على السيليكون الباردة حيث ينتشر المعالج في السيليكون بالتسخين .

·      تبخر طبقة رقيقة من الألمنيوم أو الذهب على البلورة المعالجة ويلحم سلك بطبقة الفلز مما يسمح للمستخدم بتطبيق فرق جهد على السيليكون المعالج بالشوائب .

    -       المجسات الحرارية :

+ وصفها : أجهزة شبه موصلة تعتمد مقاومتها بدرجة كبيرة على درجة الحرارة .

+ استخداماتها :

·      مقياس حساس لدرجة الحرارة .

·      الكشف عن تغيرات درجة الحرارة لمكونات الدائرة الكهربائية .

·      الكشف عن الموجات الراديوية والاشعة تحت الحمراء وغيرها من أنواع الإشعاع .

    -       الموصلية الكهربائية لأشباه الموصلات النقية وغير النقية حساسة لكل من ...

·      درجة الحرارة .

·      الضوء .

    -       علل : تزداد موصلية أشباه الموصلات وتقل مقاومتها بزيادة درجة حرارتها .

لأن زيادة درجة حرارة أشباه الموصلات يسمح بوصول المزيد من الإلكترونات إلى حزمة التوصيل .

    -       مقاييس الضوء :

+ مبدأ عملها : مبدأ عمل مقاييس الضوء يعتمد على حساسية أشباه الموصلات للضوء .

+ استخدامها :

·      يستخدمها مهندسو الإضاءة في إنارة المحال التجارية والمكاتب والمنازل .

·      يستخدمها المصورون الفوتوجرافيون لتعديل آلات التصوير لالتقاط أفضل الصور .

+ علل : مقاومة أشباه الموصلات المعالجة تتناقص مع زيادة شدة الضوء .

        لأن الضوء يعمل على إثارة إلكترونات حزمة التكافؤ فتنتقل إلى حزمة التوصيل .

تم بحمد الله

نستقبل أسئلتكم واستفساراتكم واقتراحاتكم في خانة التعليقات

" نرد على جميع التعليقات "