أسئلة: الإلكترونيات الحديثة

الإجابة الصحيحة: بين الموصلات الجيدة والعوازل

هذا تصنيف أشباه الموصلات من حيث قابلية التوصيل.

الإجابة الصحيحة: عازل

عند الصفر المطلق تكون كل الروابط التساهمية كاملة فلا توجد إلكترونات حرة.

الإجابة الصحيحة: فجوة

الفجوة تتصرف وكأنها شحنة موجبة متحركة.

الإجابة الصحيحة: متساوية بالضبط

كل إلكترون يتحرر يترك وراءه فجوة واحدة بالضبط.

الإجابة الصحيحة: الموصلات المعدنية التي تزداد مقاومتها بارتفاع درجة الحرارة

هذا فرق جوهري بين سلوك أشباه الموصلات والموصلات المعدنية.

الإجابة الصحيحة: شبه موصل من النوع $n$

الإلكترون الخامس الزائد يبقى حرًا تقريبًا فينتج النوع $n$.

الإجابة الصحيحة: الإلكترونات الحرة

الإلكترونات الحرة الناتجة عن التطعيم الخماسي هي الأغلبية في النوع $n$.

الإجابة الصحيحة: شبه موصل من النوع $p$

الرابطة الرابعة الناقصة إلكترونًا تنتج فجوة فينتج النوع $p$.

الإجابة الصحيحة: الفجوات

الفجوات الناتجة عن التطعيم الثلاثي هي الأغلبية في النوع $p$.

الإجابة الصحيحة: متعادلي الشحنة كهربيًا في مجموعهما الكلي

كل ذرة شائبة تحمل عددًا مساويًا من البروتونات لعدد إلكتروناتها الأصلي، فلا تضاف شحنة صافية.

الإجابة الصحيحة: انتشار الإلكترونات والفجوات المتبادل عبر الوصلة

الانتشار المتبادل للإلكترونات والفجوات يترك منطقة شبه خالية من حاملات الشحنة الحرة.

الإجابة الصحيحة: الجانب $n$ إلى الجانب $p$

هذا المجال الداخلي ينشأ نتيجة الانتشار ويعارض مزيدًا منه.

الإجابة الصحيحة: الجانب $p$

وهذا يعارض المجال الداخلي فتضيق منطقة الاستنزاف ويمر تيار كبير.

الإجابة الصحيحة: الجانب $n$

وهذا يعزّز المجال الداخلي فتتسع منطقة الاستنزاف ولا يمر إلا تيار ضئيل مهمَل.

الإجابة الصحيحة: أثناء نصف الدورة الذي يجعل الديود موصولًا توصيلًا أماميًا فقط

خلال النصف الآخر (التوصيل العكسي) لا يمر أي تيار عمليًا خلال الحمل.

الإجابة الصحيحة: ثابت الاتجاه دائمًا لكنه متغير المقدار بشدة (يهبط للصفر دوريًا)

هذا هو الفرق بين التيار المستمر النابض والتيار المستمر الثابت تمامًا.

الإجابة الصحيحة: $n$-$p$-$n$ أو $p$-$n$-$p$

هذان هما الترتيبان الممكنان لطبقات الترانزستور.

الإجابة الصحيحة: القاعدة (Base)

القاعدة هي الطبقة الوسطى الرفيعة في تركيب الترانزستور.

الإجابة الصحيحة: تغيّرًا صغيرًا في تيار القاعدة ينتج عنه تغيّر أكبر بكثير في تيار المُجمِّع

هذا هو أساس عمل الترانزستور كمكبّر.

الإجابة الصحيحة: القطع (لا يمر تيار بين الباعث والمُجمِّع، أي مفتاح مفتوح)

هذا هو تعريف وضع القطع في الترانزستور.

الإجابة الصحيحة: $9.9\ \text{mA}$

$\beta = 0.99/0.01 = 99$ و$I_C = 99 \times 100\ \mu\text{A}$.

الإجابة الصحيحة: $I_E = I_B + I_C$

وتكون $I_B$ صغيرة جدًا.

الإجابة الصحيحة: قريبة من الواحد الصحيح

لأن معظم إلكترونات الباعث تصل إلى المجمع.

الإجابة الصحيحة: $10^6\ \text{cm}^{-3}$

$p = n_i^2/n = 10^{20}/10^{14}$.

الإجابة الصحيحة: قانون فعل الكتلة

$np = n_i^2$.

الإجابة الصحيحة: توصل التيار في اتجاه واحد وتمنعه تقريبًا في الآخر

فتحول التيار المتردد إلى تيار في اتجاه واحد.

الإجابة الصحيحة: الجهد العكسي فتتغير سعة الدايود

فيعمل كمكثف متغير السعة.

الإجابة الصحيحة: $1101$

$13 = 8 + 4 + 1$.

الإجابة الصحيحة: يكون الدخلان 1 معًا

وتشبه مفتاحين على التوالي.

الإجابة الصحيحة: يكون الدخلان 0 معًا

وتشبه مفتاحين على التوازي.

الإجابة الصحيحة: 0

فالعاكس يعطي عكس الدخل.

الإجابة الصحيحة: عدم تأثرها بالضوضاء الكهربية لأن المعلومة في الشفرة لا في قيمة الجهد

فتبقى المعلومة سليمة رغم الضوضاء.

الإجابة الصحيحة: مغلق ويكون الخرج صغيرًا

لأن تيار المجمع كبير فينخفض جهد الخرج إلى نحو $0.2\ \text{V}$.

في شبه الموصل النقي (الجوهري)، ينتج التوصيل الكهربي فقط عن أزواج متساوية العدد من الإلكترونات الحرة والفجوات المتولدة بفعل الحرارة، وتكون قابلية التوصيل ضعيفة نسبيًا وتعتمد على درجة الحرارة فقط. أما شبه الموصل المطعم فيُضاف إليه عمدًا كمية محكومة من ذرات شائبة (خماسية أو ثلاثية التكافؤ) لزيادة عدد حاملات شحنة من نوع واحد (إلكترونات أو فجوات) بصورة مسيطر عليها، فتتحسن قابلية توصيله الكهربي وتصبح قابلة للتحكم بحسب مستوى التطعيم ونوعه.

في شبه الموصل النقي، يؤدي رفع درجة الحرارة إلى تحرير مزيد من الإلكترونات المرتبطة (وتوليد فجوات مقابلة لها)، فتزداد قابلية التوصيل الكهربي بارتفاع درجة الحرارة. أما في الموصل المعدني، فترتفع مقاومته بارتفاع درجة الحرارة (أي تقل قابلية توصيله)، لأن ازدياد اهتزاز أيونات الشبكة البلورية يعيق حركة الإلكترونات الحرة الموجودة أصلًا بكثرة في المعدن. فالسلوكان متعاكسان تمامًا.

التطعيم بذرات خماسية التكافؤ (كالزرنيخ أو الفوسفور) يترك إلكترونًا خامسًا حرًا تقريبًا بعد اكتمال أربع روابط تساهمية، فينتج شبه موصل من النوع $n$ تكون فيه الإلكترونات الحرة هي حاملات الشحنة الأغلبية والفجوات هي الأقلية. أما التطعيم بذرات ثلاثية التكافؤ (كالبورون أو الإنديوم) فيترك رابطة ناقصة إلكترونًا واحدًا (فجوة) بعد اكتمال ثلاث روابط فقط، فينتج شبه موصل من النوع $p$ تكون فيه الفجوات هي حاملات الشحنة الأغلبية والإلكترونات الحرة هي الأقلية.

بمجرد التلاحم، تنتشر الإلكترونات الحرة الزائدة في الجانب $n$ عبر الوصلة إلى الجانب $p$ لتملأ بعض الفجوات هناك، وبالمثل تنتشر الفجوات من الجانب $p$ إلى الجانب $n$. تترك هذه الانتشارات المتبادلة منطقة ضيقة خالية تقريبًا من حاملات الشحنة الحرة حول السطح الفاصل، تُسمى منطقة الاستنزاف، وينشأ عندها مجال كهربي داخلي موجَّه من الجانب $n$ إلى الجانب $p$ يعارض أي مزيد من الانتشار العشوائي فيصل النظام إلى حالة اتزان.

في التوصيل الأمامي (القطب الموجب على الجانب $p$ والسالب على الجانب $n$)، يعارض الجهد الخارجي المجال الداخلي فتضيق منطقة الاستنزاف تدريجيًا، وبعد تجاوز جهد العتبة يمر تيار كبير بسهولة. أما في التوصيل العكسي (القطب الموجب على الجانب $n$ والسالب على الجانب $p$)، فيعزّز الجهد الخارجي المجال الداخلي فتتسع منطقة الاستنزاف أكثر، ولا يمر عمليًا سوى تيار ضئيل جدًا مهمَل ناتج عن حاملات الشحنة الأقلية فقط.

يُوصَّل ديود واحد على التوالي مع الحمل ومصدر التيار المتردد؛ فأثناء نصف الدورة الذي يصبح فيه الديود موصولًا توصيلًا أماميًا يمر التيار بحرية تقريبًا خلال الحمل، بينما أثناء النصف الآخر (حيث يصبح الديود موصولًا توصيلًا عكسيًا) لا يمر أي تيار عمليًا. ينتج عن ذلك تيار ثابت الاتجاه دائمًا (لا يعكس اتجاهه كالتيار المتردد الأصلي) لكنه متغير المقدار بشدة يهبط إلى الصفر مع كل دورة، ولهذا يوصف بأنه "نابض" لا مستمر ثابت تمامًا.

يتكون الترانزستور من الباعث (Emitter) والقاعدة (Base) والمُجمِّع (Collector). الباعث يزوّد حاملات الشحنة الأساسية. القاعدة طبقة وسطى رفيعة جدًا وخفيفة التطعيم، يمر بها تيار صغير نسبيًا يتحكم في مرور تيار أكبر بكثير بين الباعث والمُجمِّع. المُجمِّع يجمع حاملات الشحنة القادمة عبر القاعدة من الباعث.

بضبط تيار صغير نسبيًا يمر بين الباعث والقاعدة، يمكن التحكم في تيار أكبر بكثير يمر بين الباعث والمُجمِّع؛ فتغيّر صغير في تيار القاعدة (الإشارة الداخلة) ينتج عنه تغيّر أكبر بكثير في تيار المُجمِّع (الإشارة الخارجة)، وهذا هو أساس عمل الترانزستور كمكبّر إشارة.

عند غياب تيار القاعدة، يدخل الترانزستور في وضع القطع، فلا يمر أي تيار بين الباعث والمُجمِّع (كمفتاح مفتوح). وعند تزويد القاعدة بتيار كافٍ، يدخل الترانزستور في وضع التشبع، فيمر أقصى تيار ممكن بين الباعث والمُجمِّع (كمفتاح مغلق). هذا التبديل السريع بين وضعي القطع والتشبع هو الأساس الذي تقوم عليه الدوائر الرقمية والحاسوبية الحديثة.

كل ذرة شائبة تُضاف أثناء التطعيم (سواء خماسية أو ثلاثية التكافؤ) تحمل في نواتها عددًا من البروتونات مساويًا تمامًا لعدد إلكتروناتها الأصلي (المرتبطة وغير المرتبطة معًا)؛ فالتطعيم لا يضيف أو يزيل أي شحنة صافية من البلورة، بل يغيّر فقط نوع حاملات الشحنة الأغلبية المتحركة داخلها (إلكترونات حرة زائدة في النوع $n$، أو فجوات زائدة في النوع $p$)، بينما يظل مجموع الشحنة الكلي للبلورة معتدلًا كهربيًا كما كان قبل التطعيم.

لكل ذرة أربعة إلكترونات خارجية في روابط تساهمية مع أربعة جيران. عند الحرارة المنخفضة جدًا كل الروابط سليمة. بارتفاعها تنكسر روابط فتتحرر إلكترونات حرة تاركة فجوات موجبة، ويتساوى عددهما، ويصل النظام إلى اتزان حراري يتساوى فيه عدد الروابط المكسورة والملتئمة.

$n \approx 10^{14}$ و$p = 10^{20}/10^{14} = 10^6\ \text{cm}^{-3}$ والنوع $n$. ولإعادته نقيًا يضاف ألومنيوم بتركيز $10^{14}\ \text{cm}^{-3}$.

$\beta = \alpha/(1-\alpha) = 49$. $I_C = 49 \times 0.2 = 9.8\ \text{mA}$. $I_E = I_B + I_C = 10\ \text{mA}$.

أماميًا $5/100 = 50\ \text{mA}$، وعكسيًا صفر.

AND ثم عاكس: 00→1، 01→1، 10→1، 11→0. OR ثم عاكس: 00→1، 01→0، 10→0، 11→0.

تحول الإشارة إلى شفرة ثنائية (0 و1) فلا تتأثر بالضوضاء الكهربية لأن المعلومة في الشفرة لا في قيمة الجهد. تطبيقاتها: الهاتف المحمول، والقنوات الفضائية الرقمية، والأقراص المدمجة، والحاسوب.