أهداف التعلم

• تميز بين الموصلات والعوازل وأشباه الموصلات وتفسر توصيل السيليكون النقي والمطعم.
• تصف الوصلة الثنائية واستخدامها في التقويم والتوليف.
• تصف الترانزستور واستخدامه مكبرًا ومفتاحًا.
• تتعرف الإلكترونيات الرقمية والنظام الثنائي والبوابات المنطقية الأساسية.

شرح الدرس

الموصلات والعوازل وأشباه الموصلات

• الموصلات: توصل الكهربية والحرارة بسهولة (المعادن).
• العوازل: لا توصلهما بسهولة (الخشب والبلاستيك).
• أشباه الموصلات: وسط بينهما، تزداد توصيليتها بارتفاع درجة الحرارة، ومنها السيليكون.

بلورة السيليكون النقي ذراتها مرتبطة بروابط تساهمية؛ لكل ذرة أربعة إلكترونات في القشرة الخارجية تتشارك مع أربعة جيران فتكتمل بثمانية. في درجات الحرارة المنخفضة جدًا (قرب الصفر المطلق) كل الروابط سليمة فلا توجد إلكترونات حرة. وبارتفاع الحرارة (أو بسقوط ضوء طاقة فوتونه كافية) تنكسر بعض الروابط فتتحرر إلكترونات حرة تاركة فجوة تمثل شحنة موجبة (والذرة لا تسمى أيونًا لأن الفجوة سرعان ما تقتنص إلكترونًا آخر). تتحرك الفجوة عشوائيًا بحركة الإلكترونات داخل الروابط. وفي السيليكون النقي يتساوى عدد الإلكترونات الحرة والفجوات، ويصل إلى اتزان حراري (عدد الروابط المكسورة في الثانية = عدد الروابط الملتئمة، وعند التئام الرابطة تنطلق طاقة حرارية أو ضوئية). فشبه الموصل فيه حاملان للتيار (إلكترونات وفجوات)، بينما المعدن حامل واحد هو الإلكترونات وعددها ثابت لا يتغير بالحرارة.

التطعيم (الشوائب):

• إضافة ذرة خماسية التكافؤ (فوسفور، أنتيمون) تحل محل ذرة سيليكون: أربعة من إلكتروناتها في روابط والخامس يتحرر بسهولة فتصير أيونًا موجبًا. فتسمى ذرة معطية والبلورة نوع $n$ (الإلكترونات أكثر من الفجوات): $n = N_D + p$ وتقريبًا $n \approx N_D$.
• إضافة ذرة ثلاثية التكافؤ (ألومنيوم، بورون) تقتنص إلكترونًا من رابطة مجاورة فتظهر فجوة وتصير أيونًا سالبًا. فتسمى ذرة مستقبلة والبلورة نوع $p$ (الفجوات أكثر): $p = N_A + n$ وتقريبًا $p \approx N_A$.
• قانون فعل الكتلة: حاصل ضرب تركيزي الإلكترونات والفجوات ثابت يساوي مربع تركيزها في السيليكون النقي: $np = n_i^2$، فإذا زاد أحدهما نقص الآخر. ففي النوع $n$: $p \approx n_i^2/N_D$، وفي النوع $p$: $n \approx n_i^2/N_A$.

وأشباه الموصلات شديدة الحساسية للضوء والحرارة والضغط والرطوبة والتلوث، فتُستخدم محسات (حساسات) لقياس هذه العوامل.

الوصلة الثنائية (الدايود)

عند تلاحم بلورة $p$ وبلورة $n$ تنتشر الفجوات من $p$ (تركيز عال) إلى $n$ (تركيز منخفض) وتنتشر الإلكترونات من $n$ إلى $p$ (تيار انتشار). فيكشف ذلك أيونات موجبة في جانب $n$ وسالبة في جانب $p$ فتتكون المنطقة الفاصلة (القاحلة) الخالية من الإلكترونات والفجوات، ويتولد فيها مجال كهربي من الأيونات الموجبة إلى السالبة (من $n$ إلى $p$) يدفع تيارًا انسيابيًا عكس تيار الانتشار، وفي الاتزان تكون المحصلة صفرًا.

• التوصيل الأمامي: الطرف الموجب للبطارية بالنوع $p$ والسالب بـ $n$: يضعف مجال المنطقة الفاصلة فيمر التيار (مفتاح مغلق).
• التوصيل العكسي: الموجب بالنوع $n$ والسالب بـ $p$: يقوى المجال فلا يمر تيار تقريبًا (مفتاح مفتوح).

فالدايود يوصل التيار بسهولة في اتجاه ويمنعه تقريبًا في الآخر، بخلاف المقاومة العادية. ويُختبر بأوميتر: مقاومة صغيرة جدًا في اتجاه وكبيرة جدًا في الآخر.

التقويم: يحول الدايود التيار المتردد إلى مستمر، ويُستخدم في شحن بطاريات السيارات وشواحن الهواتف.

التوليف الإلكتروني: لضبط الراديو على محطة نغير سعة مكثف أو حث ملف ليتساوى تردد الدائرة مع تردد المحطة (رنين). وفي الأجهزة الحديثة تتغير السعة بخاصية الدايود في التوصيل العكسي: يزداد عرض المنطقة الفاصلة بزيادة الجهد العكسي فيعمل كمكثف تتغير سعته بالجهد.

الترانزستور

اخترعه باردين وشوكلي وبراتين. الترانزستور ثنائي القطبية $npn$ أو $pnp$ مكون من ثلاث مناطق: الباعث (E) والقاعدة (B) وهي الوسطى الرفيعة، والمجمع (C). في $npn$ تكون الوصلة الأولى (الباعث–القاعدة) أمامية التوصيل والثانية (المجمع–القاعدة) عكسية. فتنطلق إلكترونات من الباعث إلى القاعدة، وبما أن القاعدة رقيقة وقليلة الفجوات يلتئم منها جزء ضئيل فقط ويصل أغلبها إلى المجمع: $I_E = I_B + I_C$ وتسمى $\alpha = \dfrac{I_C}{I_E}$ (قريبة من الواحد) ثابت التوزيع، و$\beta = \dfrac{I_C}{I_B}$ نسبة تكبير التيار (كبيرة)، ومنهما $\beta = \dfrac{\alpha}{1 - \alpha}$.

مكبر: بتوصيل الباعث مشتركًا يظهر أي تغير صغير في تيار القاعدة (إشارة الميكروفون مثلًا) مكبرًا في تيار المجمع، وهذا فعل الترانزستور.

مفتاح وعاكس: في دائرة المجمع $V_{CC} = V_{CE} + I_CR_C$. إذا كان جهد القاعدة موجبًا وكبيرًا زاد تيار المجمع وقل $V_{CE}$ إلى أقل قيمة (نحو $0.2\ \text{V}$) فالخرج صغير والترانزستور مفتاح مغلق. وإذا كان جهد القاعدة صغيرًا أو سالبًا انقطع التيار فصار الخرج كبيرًا يقارب $V_{CC}$ (مفتاح مفتوح). فهو عاكس: دخل كبير يعطي خرجًا صغيرًا والعكس.

الإلكترونيات الرقمية

الإلكترونيات التناظرية تتعامل مع الكميات الطبيعية متصلة، أما الرقمية فتحول الإشارة إلى شفرة من قيمتين فقط $0$ و$1$ (النظام الثنائي). مثلًا $3 = 1 \times 2^1 + 1 \times 2^0 = 11_2$. ويحول المحول التناظري–الرقمي الإشارة إلى رقمية ويعيدها المحول الرقمي–التناظري. ميزتها: الضوضاء الكهربية (من الحركة العشوائية للإلكترونات) تشوه الإشارة التناظرية، أما الرقمية فالمعلومة في الشفرة (0 أو 1) لا في قيمة الجهد بدقة، فلا تتأثر بالضوضاء. وبها الهاتف المحمول والقنوات الفضائية والأقراص المدمجة والحاسوب الذي يعمل بالجبر الثنائي ويخزن بالمغنطة (اتجاه يعني 0 والمضاد 1).

البوابات المنطقية دوائر تقوم بعمليات منطقية:

• العاكس (NOT): مدخل واحد؛ الخرج عكس الدخل ($0 \to 1$ و$1 \to 0$).
• التوافق (AND): الخرج 1 فقط إذا كان الدخلان 1 (كمفتاحين على التوالي).
• الاختيار (OR): الخرج 1 إذا كان أحد الدخلين 1 على الأقل (كمفتاحين على التوازي).

أسئلة للتدريب

1. اشرح كيف تتكون الإلكترونات الحرة والفجوات في السيليكون النقي.
2. قارن بين النوعين $n$ و$p$ من أشباه الموصلات.
3. كيف تتكون المنطقة الفاصلة في الوصلة الثنائية؟
4. ترانزستور $\alpha = 0.99$ وتيار قاعدته $100\ \mu\text{A}$؛ احسب $\beta$ وتيار المجمع.
5. ما مزايا الإلكترونيات الرقمية؟