إلكترونات الحالة الصلبة

التوصيل الكهربائي في المواد الصلبة 

تنقسم المواد من حيث توصيلها للتيار الكهربائي الى:
* المواد الموصلة: وهي المواد التى تحتوي على عدد كبير من الالكترونات الحرة. مثل النحاس والفضة.
* المواد العازلة: وهي المواد التى لا تحتوي على الكترونات حرة. مثل الكوارتز والبورسلين.
* المواد شبة الموصلة: وهي المواد التى تحتوي على نسبة قليلة من الالكترونات الحرة. مثل السليكون الجرمانيوم.
 نظرية نطاقات الطاقة في المواد الصلبة:
تبين نظرية نطاقات الطاقة مستخدمة بعض فروض نظرية الكم أن:

   الالكترونات تدور حول النواة في مستويات محددة الطاقة.
   المستوى الأول للطاقة (الأقرب للنواة) يمتلك أقل طاقة وكلما زاد بعد المستوى عن النواة زادت طاقتة.
    عندما تتجمع الذرات لتشكل كتلة صلبة (بلورة) فإن الالكترونات في أي ذرة تتأثر بقوى كهربائية بسبب الشحنات الموجودة في الذرة بالإضافة الى تأثير الذرات المحيطة بها.
    نتيجة تجمع الذرات تتداخل مستويات طاقة كل ذرة مع الذرات الأخرى في البلورة. وينتج عن ذلك حزم أو نطاقات أو أشرطة للطاقة.
   كل نطاق يحوي مجموعة من مستويات الطاقة المتقاربة التي تكون فروق الطاقة بينها صغيرة جدا.
   يوجد بين نطاقات الطاقة مسافات فجوات.
   الفجوات لا يوجد بها مستويات طاقة أو الكترونات.

 ملاحظات هامة

   طريقة توزيع نطاقات الطاقة واتساع الفجوات بينها تحدد الخاصية الكهربائية لمادة عن مادة أخرى.
   نطاق التكافؤ: هو النطاق الخارجي (الأخير) الذي يحتوي على إلكترونات التكافؤ.
   نطاق التوصيل: هو النطاق الذي يعلو نطاق التكافؤ ووجود الإلكترونات فية يدل على أن المادة موصلة للتيار الكهربائي.

 مقارنة بين المواد الموصلة والعازلة وشبة الموصلة في ضوء نظرية نطاقات الطاقة:

وجة المقارنة	نوع المادة
	الموصلة	العازلة	شبة الموصلة
المقاومة النوعية	صغيرة جدا	كبيرة جدا	متوسطة
أمثلة، نطاق التكافؤ- نطاق التوصيل	النحاس والفضة،  ممتلئ جزئي بالالكترونات	الكوارتز والبورسلين،  خال من الالكترونات	السيليكون و الجرمانيوم،  به قليل من الالكترونات
الفجوة بين نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل	صغيرة جدا	كبيرة جدا	متوسطة
طاقة الفجوة(Eg)	صغيرة جدا  Eg=0.01e.v	كبيرة جدا  Eg=5e.v	متوسطة  Eg=07-2e.v

 طاقة الفجوة (Eg): هي الطاقة اللازمة لنقل الإلكترون من نطاق التكافؤ الى نطاق التوصيل.
 التركيب البنائي لبلورة شبة الموصل النقي نظرا لأن شبة الموصل النقي (السيلكون Si أو الجرمانيوم Gee) تحتوي في مستوى الطاقة الأخير على أربع الكترونات لذلك فإن بلورة شبة المصل النقي (السليكون) تتكون من ذرات بحيث تكون كل ذرة محاطة بأربع ذرات عن طريق أربع روابط تساهمية تشارك فيها الذرة بأربع الكترونات. ونظراً لأن إلكترونات الروابط تكون مرتبطة بذراتها ارتباطا شديداً عند درجة الصفر المطلق. لذلك البلورة النقية لا توصل التيار الكهربائي عند هذه الدرجة.علل
لعدم وجود إلكترونات حرة.
 العوامل التى تؤثر في درجة التوصيل الكهربائي لاشباة الموصلات النقية:

   درجة الحرارة.
   التطعيم.

أولاً:أثر درجة الحرارة:
* عند تسخين البلورة النقية إلى درجة الحرارة العادية فإن ذلك يؤدي الى تكسير بعض الروابط ينتج عنه بعض الالكترونات الحرة التي تترك مكانها فجوات تؤدي إلى حركة الإلكترونات بين الروابط أي أن التوصيل الكهربائي في بلورة شبة الموصل النقي نتج من أي حكة الالكترونات والفجوات داخل البلورة.
حيث تمثيل حركة الالكترونات اتجاه مرور التيار الالكتروني. بينما تمثل حركة الفجوات اتجاه مرور التيار الاصطلاحي واتجاه حركة الالكترونات يكون في اتجاه معاكس لحركة الفجوات.
أي أن التيار الالكتروني والتيار الاصطلاحي عند درجات الحرارة العادية متساويان في المقدار ومتعاكسان في الاتجاه.
ثانياً:التطعيم:
* يقصد به إضافة بعض ذرات عنصر آخر (شائبة) إلى بلورة شبه الموصل النقي بغرض زيادة عدد الالكترونات أو الفجوات فيها.
ويطلق على البلورة النقية بعد إضافة بعض ذرات الشائبة إليها بلورة شبه موصل غير نقي.
 بلورة شبة الموصل غير النقي من النوع السالب "n-type ":
عبارة عن بلورة شبه موصل نقي ( Ge-Si ) مخلوطة ببعض ذرات شائبة خماسية التكافؤ مثل الزرنيخ ( تحتوي في مستوى الطاقة الأخير على خمس الكترونات ) وفي هذا النوع من البلورات تكون كل ذرة شائبة " خماسية التكافؤ " وليكن الزرنيخ مرتبطة بأربع ذرات سليكون عن طريق أربع روابط تشارك فيهم ذرة الزرنيخ بأربع الكترونات ويتبقى الإلكترون الخامس لذرة الزرنيخ ضعيف الارتباط بها (إلكترون حر). وكلما زاد عدد ذرات الشائبة يزداد عدد الالكترونات الحرة وبالتالي تزداد قدرة البلورة على توصيل التيار الكهربائي.
ويسمى هذا النوع من البلورات بـ (بلورة سالبة)؛ لأن خاصية التوصيل الكهربائي بها ناتج عن حركة الالكترونات السالبة.
ويسمى هذا النوع من ذرات الشوائب بالذرات المانحة.
البلورة السالبة تكون متعادلة كهربائياً؛ وذلك لأنها تتكون من ذرة متعادلة كهربائياً.
بلورة شبة الموصل غير النقي من النوع المـوجب " p-type ":
عبارة عن بلورة شبه موصل نقي " Ge-Si " مخلوطة ببعض ذرات شائبة ثلاثية التكافؤ (مثل الجاليوم والألمنيوم و الأنديوم) تحتوي في مستوى الطاقة الأخير على ثلاث الالكترونات.
وفي هذا النوع من البلورات تكون كل ذرة شائبة " ثلاثية التكافؤ " وليكن الجاليوم مرتبطة بأربع ذرات سليكون عن طريق أربع روابط تساهمية تشارك فيهم ذرة الجاليوم بثلاث الكترونات ويتبقى في الرابطة الرابعة مكان لإلكترون غير موجود يسمى فجوة. تقوم هذه الفجوة بجذب إلكترون من رابطة مجاورة وعندما ينتقل الإلكترون يملأ هذه الفجوة يترك خلفه فجوة جديدة وهكذا. ونتيجة لحركة الإلكترون بين الروابط يملأ الفجوة يتسبب ذلك في وجود الكترونات حرة مما يجعل البلورة توصل التيار الكهربائي.
ملاحظات هامة:

   كل ذرة عنصر ثلاثي التكافؤ تتسبب في وجود فجوة ويسمى هذا النوع من ذرات الشوائب بالذرات المتقبلة.
   البلورة الموجبة سميت بهذا الإسم؛ لأن المسئول عن توصيل التيار الكهربائي فيها هي الفجوات.
   البلورة الموجبة، تكون متعادلة كهربائياً؛ لأنها تتكون أصلاً من عدد من الذرات المتعادلة كهربائياً.


تفسير عمل الشوائب في بلورة شبه الموصل غير النقي في ضوء نظرية نطاقات الطاقة:

   الشائبة خماسية التكافؤ: عند إضافة ذرات الشائبة الخماسية التكافؤ يؤدي ذلك إلى تكوين مستويات طاقة إضافية أسفل نطاق التوصيل مباشرة وقريبة جداً منه تسهل من انتقال الإلكترونات إلى نطاق التوصيل عند درجة الحرارة العادية فتصبح إلكترونات حرة وتشارك في التوصيل الكهربائي.
    الشائبة الثلاثية التكافؤ: عند إضافة ذرات الشائبة الثلاثية التكافؤ يؤدى ذلك إلى تكوين مستويات طاقه إضافية أعلى نطاق التكافؤ مباشرة وقريبة جدا منة. في درجات الحرارة العادية تمكن أن تنتقل بعض الالكترونات المثارة بفعل الحرارة من نطاق التكافؤ لتشغيل مستويات الطاقة الإضافية هذه تاركه عدد كبير من الفجوات في نطاق التكافؤ مما يؤدي إلى زيادة التوصيل الكهربائي.

الوصلة الثنائية "الدايود" n-p
عبارة عن بلورة من السليكون أو الجرمانيوم مطعمة بطريقه معينة بحيث تتميز فيها منطقتين هما:

   منطقة سالبة " n ": تحتوى على ذرات شبه الموصل النقي وذرات الشائبة خماسية التكافؤ " أي التي تمنح الالكترونات"
   منطقة موجبة " P": تحتوى على ذرات شبه الموصل النقي وذرات الشائبة ثلاثية التكافؤ " أي التي تقبل الالكترونات".
   منطقة الالتحام " منطقة النضوب: هي منطقة الحدود بين نوعي البلورة.

كيفية تشكيل الوصلة الثنائية: عند تكون الوصلة الثنائية تنجذب بعض الالكترونات من المنطقة السالبة نحو منطقة الالتحام وتعبرها إلى المنطقة الموجبة ونتيجة لذلك تصبح ذرات المنطقة السالبة "أيونات موجبة" وذرات المنطقة الموجبة "أيونات سالبة" ويستمر ذلك حتى يصبح فرق الجهد بين المنطقة السالبة والمنطقة الموجبة قيمة معينة بعض عندها انتقال مزيداً من الإلكترونات من المنطقة السالبة إلى المنطقة الموجبة.

ملاحظات هامة:

   التيار المتكون من هجرة الالكترونات والفجوات يسمى تيار الانتشار.
   منطقة النضوب، سميت كذلك؛ لأنها تنضب من حوامل الشحنات المتحركة "الالكترونات والفجوات".

حاجز الجهد: هو فرق الجهد بين المنطقة السالبة والمنطقة الموجبة للوصلة الثنائية والذي يقف عنده انتقال مزيدا من الالكترونات من المنطقة السالبة إلى المنطقة الموجبة.
الرمز الاصطلاحي للوصلة الثنائية في الدوائر الكهربائية: لا تنسى أن من أهم مميزات الوصلة الثنائية هي قابليتها على تمرير التيار في اتجاه واحد.
طرق توصيل الوصلة الثنائية في الدوائر الكهربائية:

   التوصيل بطريقة الانحياز الأمامي: في هذه الطريقة توصل المنطقة السالبة بالقطب السالب للمصدر وتوصيل المنطقة الموجبة بالقطب الموجب للمصدر. ونتيجة لذلك عندما تكون القوة الرافعة للمصدر أكبر من حاجز الجهد للوصلة الثنائية يعمل فرق الجهد للمصدر على دفع الالكترونات من المنطقة n للبلورة نحو الحد الفاصل إلى المنطقة p وفي نفس الوقت تدفع الفجوات نحو المنطقة n وحركة الإلكترونات والفجوات تمثل مرور التيار الكهربائي.

يقوم القطب السالب للمصدر بإمداد المنطقة السالبة في الوصلة بالالكترونات؛ لتعويض الالكترونات التي عبرت الوصلة الى المنطقة P وفي نفس الوقت يقوم القطب الموجب للمصدر بجذب الالكترونات التى زادت في المنطقة p ويترتب على ذلك مرور تيار كهربائي في الوصلة الثنائية ويقل حاجز الجهد وتنخفض مقاومة الوصلة الثنائية بشكل كبير.
* v رسم بياني يوضح العلاقة بين شدة التيار المار في الوصلة الثنائية وفرق الجهد بين طرفيها "منحنى الخواص للوصلة الثنائية".
* لا تنسى أن حاجز الجهد للوصلة الثنائية المصنوعة من:
1- السليكون = 0.6 V
2- الجرمانيوم = 0.1 V
- من الرسم البياني، يتضح أن:
1- الوصلة الثنائية لا تسمح بمرور التيار الكهربائي خلالها إلا عندما يكون فرق الجهد المطبق أكبر من حاجز الجهد.
2- فرق الجهد الذي يسبب زيادة سريعة في شدة التيار يطلق عليه "الجهد الحدي للوصلة".
3- يزداد التيار المار في الوصلة الثنائية رأسياً مع زيادة فرق الجهد المسلط بين طرفيها.
ونتيجة لذلك تبتعد الالكترونات عن منطقة وكذلك الفجوات فتصبح المنطقة على جانبي الوصلة خالية من الالكترونات والفجوات فيؤدى ذلك إلى زيادة حاجز الجهد للبلورة حتى يصبح مساويا للقوة الدافعة للمصدر فلا يمر تيار في الوصلة الثنائية يذكر" تيار ضعيف جداً".
إذا زاد فرق الجهد بين طرفي الوصلة الثنائية عن حد معين "حاجز الجهد" فإن مقاومة الوصلة الثنائية تنهار وتزيد عند ذلك شدة التيار بسرعة ويسمى تيار "التسرب" وغالباً ما يحدث تلف دائم للبلورة. ويسمى فرق الجهد في هذه الحالة بجهد الانهيار.

جهد الانهيار:
هو فرق الجهد المطبق بين طرفي الوصلة الثنائية والذي تنهار عنده مقاومه البلورة "الوصلة الثنائية" للتيار الكهربائي عندما توصل توصيلا عكسيا.
مقارنه بين التوصيل بطريقة الانحياز الأمامي والعكسي للوصلة الثائية: 

وجة المقارنة	نوع الانحياز
	أمامي	عكسي
طريقة التوصيل	يوصل القطب الموجب للبطارية بالطرف p للوصلة الثنائية، ويوصل القطب السالب للبطارية بالطرف n للوصلة الثنائية	يوصل القطب الموجب للبطارية بالطرف n للوصلة الثنائية، ويوصل القطب السالب للبطارية بالطرف p للوصلة الثنائية
حاجز الجهد	يقل	يزداد
مقاومة الوصلة	صغيرة	كبيرة جدا
شدة التيار المار	كبيرة	صغيرة جدا

استخدامات الوصلة الثنائية:
1- تقويم التيار المتردد:
تستخدم الوصلة الثنائية في تقويم التيار المتردد؛ لأنها تسمح بمرور التيار في اتجاه "توصيل أمامي" وتمنع مروره في اتجاه آخر "توصيل عكسي"؛ لذلك تسمى بالصمام الثنائي "Diodevalve".
 التقويم النصف موجي للتيار المتردد:
*الدائرة المستخدمة: عبارة عن محول كهربائي خافض للجهد يتصل طرفا ملفه الابتدائي بمصدر التيار المتردد(الجهد الداخل )، أما الملف الثانوي فيوصل طرفاه بالوصلة الثنائية ومقاومة عمل "RL" وبين طرفيها يتكون الجهد الخارج.
شرح العمل...
1- خلال النصف الموجب من التيار المتردد الداخل يكون توصيل الوصلة توصيلا أماميا فيمر التيار في دائرة الوصلة الثنائية.
2- خلال النصف السالب من دورة التيار المتردد الداخل يكون توصيل الوصلة الثنائية توصيلا عكسيا فلا يمر تيار في الوصلة الثنائية فيكون فرق الجهد بين طرفي مقاومة الحمل مساويا صفر.
ملاحظة هامة:

- يظهر فرق الجهد الخارج في حالة تقويم التيار المتردد تقويم نصف موجي على شكل نبضات متقطعة؛ لأن الوصلة تسمح بمرور التيار الأنصاف الموجبة للتيار دون الأنصاف السالبة.

 التقويم الموجي الكامل للتيار المتردد:
في دائرة التقويم الموجي الكامل يستخدم وصلتان ثنائيتان.
* طريقة العمل:
1- في النصف الموجب من دورة التيار المتردد تكون النقطة ( P ) أعلى جهد والنقطة ( Y ) أقل جهد؛ لذلك تكون الوصلة الثنائية الأولى في الاتجاه الأمامي لذلك تسمح بمرور التيار في اتجاه السهم المتصل من النقطة ( S ) إلى النقطة ( Q ) خلال مقاومة الحمل ( RL ) في نفس الوقت تكون الوصلة الثنائية الثانية (2) في الاتجاه العكس فلا تسمح بمرور التيار الكهربائي.
2- في النصف السالب من دورة التيار المتردد تنعكس قطبيه الملف الثانوي حيث تكون النقطة ( P ) أقل جهدا من النقطة ( Y ) لذلك تصبح الوصلة الثنائية (1) في الاتجاه العكسي فلا تسمح بمرور التيار بينما تصبح الوصلة الثنائية رقم (2) في الاتجاه الأمامي فتسمح بمرور التيار في اتجاه السهم المنقط ويكون اتجاه التيار المار في مقاومة الحمل ( RL ) في الاتجاه من ( Q ) إلى ( S ).
ملاحظة هامة:

   التيار الخارج من دائرة التقويم الموجي الكامل خلال مقاومة الحمل ( RL ) يكون موحد الاتجاه لكنه متغير الشدة.
    في دائرة الوصلة الثنائية المستخدمة لتقويم التيار المتردد تقويم موجي كامل يوصل مع مقاومة الحمل على التوازي مكثف ( علل ). لكي يقوم بعملية التنعيم حيث يشحن المكثف عند تزايد الجهد ويفرغ شحنته عند تناقص الجهد فلا تصل شدة التيار خلال مقاومة الحمل ( RL ) إلى الصفر وبذلك يكون التيار الخارج مستمر تقريبا.


عملية التنعيم: يقصد بها تقليل التغير في فرق الجهد النهائي "الخارج" عن طريق توصيل مكثف على التوازي مع مقاومه الحمل "RL" في دائرة الوصلة الثنائية لتقويم التيار المتردد.
* علل: يفضل استخدام الوصلة الثنائية المصنوعة من السليكون في عملية تقويم التيار المتردد عن تلك المصنوعة من الجرمانيوم؟
للأسباب التالية:

   للسليكون تيار عكسي أقل بكثير من الجرمانيوم.
   للسليكون قيمه فرق جهد الانهيار أكبر من مادة الجرمانيوم.
   السليكون يتحمل درجات حرارة مرتفعة.
   السليكون أرخص من الجرمانيوم.

   هي بلورة ثنائية من فوسفور – زرنيخيد الجاليوم.
    عند توصيل الوصلة الثنائية الضوئية توصيلاً أمامياً ومع مرور التيار الكهربائي فإنها تضيء بضوء أحمر أو أصفر أو أخضر تبعا للشوائب المضافة إليها.

* v رمز الوصلة الثنائية الضوئية في الدائرة الكهربائية.
استخدامات الوصلة الثنائية الضوئية:

   تستخدم في الأجهزة الكهربائية "كمصباح بيان" حيث تضيء بمجرد توصيل الجهاز بمصدر الطاقة الكهربائية.
    تستخدم في لوحة بيان الأرقام في الآلات الحاسبة والساعات الالكترونية وتستخدم سبع وصلات ضوئية لتكون مكان كل رقم على لوحة البيان.
   ملاحظة هامة:

   ترتب الوصلات الضوئية السبع بحيث يضيء بعضها أو كلها لتعطي الرقم المطلوب.
   تتميز الوصلة الثنائية الضوئية عن مصباح البيان ذو الفتيل بما يلي:

   صغر حجمها.
   عدم تلفها بسرعة.
   قلة استهلاك الطاقة.

                                       ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

الأدوات الإلكترونية 

https://www.youtube.com/watch?v=PqXITjJWrvA