ملخص درس التوصيل الكهربائي في المواد الصلبة – إلكترونيات الحالة الصلبة - العلم نور

عاجل

{ وَقُلْ رَبِّ زِدْنِي عِلْمًا }

الثلاثاء، 7 مايو 2019

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 :



NA 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 "





ليست هناك تعليقات:

إرسال تعليق