معلومات اثرائية / / أساسيات الإلكترونيات

أساسياتالإلكترونيات

عزيزي الطالب: إليك بعض المفاهيم الأساسية التي يفترض إدراكها وفهمها قبل البدء بوحدة الإلكترونيات :
1- تتكون المادة من وحدات بناء أساسية تسمى الذرات.
2- التركيب الذري للمادة له دور أساسي في تحديد خصائص المادة.
3- أصغر جزء من المادة يمكن أن يتواجد في الطبيعة منفردا ويحمل صفاتها هو الجزيء ويتكون من ذرة واحدة أو أكثر.
4- تتكون الذرة من نواة موجبة الشحنة( بداخلها البروتونات الموجبة والنيوترونات المتعادلة ) ويحيط بها جسيمات سالبة الشحنة تسمى الإلكترونات.
5- تتوزع الإلكترونات حول النواة في مستويات طاقة محددة وتعتمد قوة ارتباط الإلكترونات في مستويات الطاقة البعيدة عن النواة على بعدها عن النواة .
6- تسمى الإلكترونات الموجودة في مستويات الطاقة الأخيرة إلكترونات التكافؤ.
7- يمكن لبعض الإلكترونات الموجودة في مستوى الطاقة الأخير لبعض الذرات أن تتحرر نظرا لضعف ارتباطها بالنواة .
8- يمكن تحرير الإلكترونات من الفلزات بطرق عديدة مثل أ- التسخين ب-تسليط مجال كهربائي كبير عليه.ج- قذفه بالكترونات ذات طاقة عالية .د-تسليط ضوء ذو تردد معين .
9- تسمى ظاهرة انبعاث الإلكترونات من سطح الفلز نتيجة تسخينه بالانبعاث الالكتروني الحراري (وقد اكتشف هذه الظاهرة المخترع الأمريكي أديسون) 
10- جاء العالم الإنجليزي" فلمنغ " واخترع أول صمام مفرغ.


أشباه الموصلات :


· تصنف المواد من حيث قابليتها لتوصيل التيار الكهربائي إلى مواد موصلة ومواد عازلة ومواد شبه موصلة.
· تعتمد موصلية المواد على عدد الإلكترونات الحرة الموجودة بها.
· يبلغ عدد الإلكترونات الحرة في الموصلات الجيدة 10 28 إلكترون/م3 وفي المواد العازلة 10 7 
إكترون/م3 أما أشباه الموصلات تتراوح بين هاتين القيمتين .
· تتميز أشباه الموصلات بتركيبات الكترونية معينة تمكننا من التحكم في درجة توصيلها للتيار 
الكهربائي واتجاه هذا التوصيل.
· استغلت هذه الخصائص لأشباه الموصلات في تصنيع قطع الكترونية حلت محل الصمامات المفرغة 
بسبب:
1) صغر حجمها 
2) كفاءتها العالية 
3) قلة ثمنها
4) قلة استهلاك الطاقة
5) السرعة في الأداء.


بلورات الجرمانيوم والسيليكون :


· من أهم الأمثلة على أشباه الموصلات الجرمانيوم والسليكون. وهما من أفراد المجموعة الرابعة التي تتميز بان ذرات عناصرها تحتوي على 4 الكترونات تكافؤ .
· تتوزع الذرات في بلورات السيليكون والجرمانيوم على شكل نماذج هندسية متماثلة فكل ذرة ترتبط مع 4 ذرات أخرى مجاورة برابطة تساهمية مشكلة تركيبا بلورياً.
· كل ذرة من الجرمانيوم أو السيليكون لها أربعة الكترونات في الغلاف الخارجي ،يحتوي الغلاف الخارجي على ثمانية أماكن مسموحة لإشغال كامل الغلاف ،لذا عند مشاركة الكترونات الغلاف الخارجي لذرات هذه البلورة الكترونات الذرات المجاورة فإن الأغلفة الخارجية لجميع الذرات ستمتلئ بسبب الكتروناتها الأربعة مضافا إليها الكترونات المشاركة الأربعة من الذرات المجاورة الذي بدوره يرفع العدد إلى ثمانية الكترونات وهو العدد الأقصى المسموح به للغلاف الخارجي.




· إذا أصيب التركيب البلوري لمكون شبه موصل بالتلف(كسقوطه على الأرض مثلا أو تعريضه إلى حرارة فائقة أو انصهر جزء منه )فإن البلورة ستفقد خواصها وبالتالي لن يعمل في الدارة الالكترونية .
· بالرغم من وجود أربعة الكترونات تكافؤ في كل ذرة من ذرات البلورة إلا أن موصليتها تكون منخفضة عند درجة الصفر المطلق فالروابط بين الذرات تكون قوية ، ولكن بزيادة درجة الحرارة قد تتحرر بعض الإلكترونات وتنتقل من مكان لآخر ، وعند انطلاق الإلكترون من مكان لآخر داخل البلورة يترك وراءه فراغا يسمى فجوةhole وتكمن أهميتها في أنها تصبح ناقلة للتيار الكهربائي . 
عند تكوّن فجوة نتيجة إفلات إلكترون يصبح من السهل على الإلكترون في ذرة مجاورة أن يتحرك ليملأ هذه الفجوة مخلفاً وراءه فجوة أخرى ، وهكذا .


حزم الطاقة :


· لا تملك المواد شبه الموصلة الكترونات تشغل جميع حالات مستويات الطاقة المسموحة من الأغلفة الثانوية الخارجية للذرة .
· تتكون المادة الصلبة من عدد هائل من الجزيئات التي ترتبط معا فيزيائيا.
· يقسم العدد الكلي الممكن لمستويات الطاقة في الأغلفة الثانوية الخارجية للذرات إلى صنفين :
تلك التي تجتمع كحزمة تكافؤ وتلك التي تجتمع كحزمة توصيل .




· لا تكون إلكترونات حزمة التكافؤ مستعدة للحركة من ذرة إلى أخرى ،بينما تستطيع الإلكترونات في حزمة التوصيل الحركة بحرية ولذلك فهي حرة لان تكّون حاملات التيار .
· تندمج في الموصل النحاسي حزمة التكافؤ وحزمة التوصيل وإذا سلطت قوة دافعة كهربائية خارجية على الموصل فهي كافية لإحداث سريان التيار.




· تكون في العازل جميع الإلكترونات في الأغلفة الثانوية الخارجية في حزمة التكافؤ إضافة إلى ذلك توجد فجوة كبيرة بين مستويات الطاقة الواطئة المسموح بها لحزمة التكافؤ ومستويات الطاقة العالية المسموح بها لحزمة التوصيل .تسمى هذه الفجوة بالحزمة الممنوعة التي لا تحوي حالات لمستويات طاقة مسموح بها. وإذا سلطت فولتية كافية على عازل فان الإلكترونات تحتاج طاقة كبيرة لعبور الفجوة الممنوعة إلى حزمة التوصيل عند حدوث ذلك فان التيار يسري في العازل ونقول أن العازل قد انهار تحت تأثير الفولتية العالية .




· في أشباه الموصلات والتي تكون أحد أفراد عناصر المجموعة الرابعة يكون مجموع الإلكترونات في الغلاف الثانوي الخارجي يساوي 4 وعند تكون مادة صلبة من ذرات هذه المجموعة نحصل على حزمتين للطاقة منفصلتين بفجوة ضيقة ولأجل الحصول على سريان للتيار في المادة يجب تجهيز طاقة خارجية كافية لجعل الإلكترونات تعبر الحزمة الممنوعة إلى حزمة التوصيل .





تطعيم المواد :




· نلاحظ أن موصلية السيليكون أو الجرمانيوم النقي تكون اقرب إلى العازل ، ولزيادة موصلية هذه المواد عمل العلماء على إضافة كميات معينة من مواد أخرى إليها ضمن عملية تسمى تطعيم المواد.
· تكوين شريحة سالبة N-type :
عند إضافة عنصر من عناصر المجموعة الخامسة والتي تحتوي على 5 الكترونات تكافؤ مثل الفسفور و الانمتيمون أو الزرنيخ إلى بلورة السيليكون أو الجرمانيوم فان روابط تساهمية تتكون بينهم ويتبقى إلكترون حر وبالتالي فان البلورة الناتجة تكون من النوع السالب وتسمى بلورة شبه موصلة واهبة (شريحة من النوع N -.)

· عند وصل بلورة من النوع الموجب مع أخرى من النوع السالب فإن الالكترونات ستنتقل من البلورة السالبة لتملأ الفجوات في البلورة الموجبة وبذلك سيرتفع جهد البلورة السالبة وينخفض جهد الموجبة لانتقال الإلكترونات إليها وتستمر العملية إلى أن يتوقف تسرب الإلكترونات ويصل فرق الجهد بينهما مقدارا معينا.

· ولكن عند تصنيع الثنائيات والتي تتكون من شريحتين موجبة وسالبة بينهما وصلة فلزية أو حاجز تعبر الالكترونات من الشريحة السالبة عبر الحاجز لإشغال الفجوات في الجانب الآخر وتسمى المنطقة الناتجة منطقة الاستنزاف وهذه المنطقة تنشأ خلال عملية التصنيع تحت ظروف معينة .