الفكر الصافي

السبت، يوليو ٠٨، ٢٠٠٦

العبور الموجب السالب، مبدأ عمل الصمام الثنائي

بسم الله الرحمن الرحيم

في هذا الموضوع سأشرح بإذن الله مبدأ عمل الصمام الثنائي، او ما يسمى بالعبور الموجب السالب وهو اهم استخدام لأشباه الموصلات.
ولكن قبل ان نصل الى شرح الصمام الثنائي، لابد لنا مناقشة بعض اساسيات الذرة وحركة الالكترونات.

لنلقي اولا نظرة على تركيب الذرة، او بالاصح نموذج بور للذرة، حيث افترض نيلز بور ان الذرة مكونة من جزء موجب الشحنة، وهو نواة الذرة، والكترونات سالبة الشحنة تدور حول الذرة في مدارات محددة.
وهذه الصورة توضح نموذج بور للذرة

حيث ان الدائرة في الوسط هي النواة الموجبة، والدوائر البيضاء هي الالكترونات السالبة.


التوصيل الكهربي:
يعتمد التوصيل الكهربي في الذرات على وجود الكترونات حرة في المدارات الخارجية للذرة.
تتحرك الالكترونات بين المدارات بحسب الطاقة التي تمتلكها، حيث ان المستويات البعيدة من الذرة تمثل طاقة اكبر.
يمكننا ان نتصور ان الالكترونات عند اكتسابها لطاقة جديدة "عن طريق التسخين مثلا" فإنها تبتعد عن المركز وتستمر في الدوران بعيدا حتى تفقد الطاقة المكتسبة.
نعود للتوصيل الكهربي.
عند وجود الكترون في مدار بعيد عن النواة فإن قوة التجاذب بينه وبين النواة تكون اقل من تلك القوة التي تجذب الالكترونات القريبة من النواة، وعند التأثير على هذه الذرة بمجال كهربي فإننا ندفع بالالكترونات الى الحركة بعيدا عن النواة.
لا تتأثر بالمجال الكهربي الا الالكترونات الحرة في المستويات العليا المسماة بمستويات التوصيل وهي مستويات معينة تصلها الالكترونات عند اكتساب طاقة معينة، الالكترونات في هذه المستويات يسهل استبعادها من الذرة.

المواد الموصلة او الفلزات ، تمتلك الكترونات حرة في مستوى التوصيل، مما يعطيها القابلية لتوصيل التيار الكهربي بدون الحاجة الى طاقة اضافية.
اما المواد العازلة فإن الفرق بين مستوى التوصيل والمستويات الممتلئة بالالكترونات تكون في ذراتها كبيرة جدا حيث لا تكفي اية طاقة "معقولة" لإيصال الالكترونات الى مستوى التوصيل.

تبقى المواد الشبه موصلة، حيث تمتلك هذه الذرات الكترونات قريبة من مستويات التوصيل ويكفي تحفيزها بطاقة قليلة نسبيا لإصالها الى مستويات التوصيل


بنية الاشرطة:
اصطلح العلماء على تسمية مستويات التوصيل بشريط التوصيل و المستويات السفلى بشريط التكافؤ، اما فارق الطاقة بينهم فيسمونة ثقب الشريط. وتعتمد قابلية التوصيل على المسافة بين شريط التكافؤ وشريط التوصيل.

توضح هذه الصورة شريطي التكافؤ والتوصيل لذرة سيليكون، والشريط الوردي اللون هو ثقب الشريط وهو الطاقة التي لابد ان يكتسبها الالكترون ليقفز من شريط التكافؤ الى شريط التوصيل .
في المواد الموصلة يتقاطع شريطي التوصيل والتكافؤ في عدة مناطق وبذلك يكون ثقب الشريط يساوي صفر.


تطعيم الذرات:
عند تجمع عدة ذرات سيليكون او جرمانيوم "مواد شبه موصلة" فإنها تكون كريستال من الذرات، من اهم مميزات هذا الكريستال هو صلابته.
للحصول على مادة موصلة من كريستالة شبة موصلة علينا دفع الالكترونات الى شريط التوصيل وهذا يتم بأحد خيارين:
الاول هو تسخين الكريستالة الى حرارة تمكنها من التوصيل، وهو حل غير عملي بتاتا.
الخيار الاخر هو ادخال ذرات موصلة في كريستال شبه موصل، ليمتلك هذا الكريستال في النهاية عدد من الالكترونات في شريط التوصيل.

توضح الصورة كريستالة سيليكون "رباعي التكافؤ" طعمت بذرة فوسفور "خماسي التكافؤ" فتستخدم الروابط الكيميائية مع الكريستالة اربعة من الكترونات التكافؤ فيظل الالكترون الخامس حرا ويرتفع الى شريط التوصيل.
ويسمى هذا النوع من التطعيم بالتطعيم السالب، اي اننا في النهاية اصبح لدينا كريستلة مجموع الشحنة فيها سالب.
النوع الاخر وهو التطعيم الموجب فيتم عن طريق اضافة ذرة ثلاثية التكافؤ الى الكريستالة، تحتاج هذه الذرة بطبيعة الامر الى اربعة الكترونات لترتبط بالكريستالة، فتقوم بسحب الكترون من ذرة سيليكون مجاورة والتي بدورها تقوم بنفس العمل مع ذرة مجاورة وبذلك ينتج تنقل للثقب او للشحنة الموجبة. " يصطلح العلماء تسمية هذا التنقل بتنقل الثقوب".
ويمكن تطعيم السيليكون ايجابيا بذرة بور.


منطقة الافتقار:

عند الصاق قطعة كريستال شبه موصل اجابية التطعيم مع قطعة اخرى سالبة التطعيم تحدث عدة تأثيرات.
اول هذه التأثيرات هو التعادل في منطقة الالتقاء. فالكريستالة الموجبة تنقصها الكترونات والكريستالة السالبة تحمل الكترونات زائدة. تتحول منطقة التلاقي الى منطقة تعادل تحل فيها الالكترونات الزائدة مكان الثقوب الموجبة.
تسمى هذه المنطقة بمطقة الافتقار "لانها تفتقر الى الشحنات الزائدة".

التأثير الثاني هو تكون مجال كهربي بين الكريستالة الموجبة والكريستالة السالبة
والتأثير الثالث هو تحرك الالكترونات من الكريستالة السالبة الى الموجبة، وهذه الحركة مساوية للمجال في التأثير الثاني ومعاكسة له في الاتجاه.
الصورة التالية توضح التأثيرات هذه.





الصمام الثنائي:
واخيرا نائتي الى باكورة فيزياء اشباه الموصلات والى العنوان الاخير في هذا الموضوع.
فكرة عمل الصمام الثنائي هي انه يسمح لمرور التيار الكهربي في اتجاه واحد فقط ويمنع التيار في الاتجاه المعاكس من المرور.
يمكننا تخيل الصمام الثنائي كشرطي مرور يقف على شارع ذو اتجاه واحد، يسمح هذا الشرطي بمرور السيارات في اجاه الشارع ويمنع السيارات المعاكسة للإتجاه.

عند وضع جهد موجب على طرف الكريستالة السالبة وجهد سالب على الكريستلة الموجبة فإن الالكترونات من الطرف السالب تنجذب الى صفيحة الجهد الموجب والثقوب من الطرف الموجب تنجذب الى صفيحة الجهد السالب مما يؤدي الى تقلص حجم منطقة الشحنات الحرة، او بكلمات اخرى تكبر منطقة الافتقار.
ولان منطقة الافتقار هي شبه موصل نقي، فإنها غير موصلة في الحرارة العادية كما سبق واوضحت في عنوان التوصيل، فإننا في هذه الحالة وصلنا الى صمام غير موصل او صمام قاطع للتيار.
الصورة تشرح الموقف.



في حالة قمنا بقلب الجهد حيث يكون الجهد الموجب عند الطرف الموجب والجهد السالب عند الطرف السالب فإن الالكترونات والثقوب تتنافر عن الاقطاب الكهربية وبذلك تتقلص منطقة الافتقار وحسب الجهد الموضوع فإن هذه المنطقة تتلاشى تماما، هذا الجهد يبلغ تقريبا 0,6 فولت لصمامات السيليكون.
عند تلاشي منطقة الافتقار فإن حاملات الشحنات "الالكترونات الحرة والثقوب الموجبة" تملاء الصمام كله وبذلك يصبح الصمام كقطعة معدن موصل.
وهذه الصورة توضح الموقف.



ودمتم سالمين.

---------------------
الصور من:
http://www.chemieplanet.de
http://www.fz-juelich.de/isg/



3 تعليقات:

  • يسلمو الضاهر مافى حد مئدر او مكلف حاله يئرى مشكوووووووووووور

    حسب Anonymous غير معرف, في ٤:٥٦ م  

  • مشكوووور على الابدااااااااع
    والله يعطيك العافيه

    حسب Blogger Rooney, في ٦:٥٠ م  

  • أشكركم على هذا الشرح الأكثثثر من رااائع

    أنا عندي اختبار بكرا فيه .. وبحثت عن شروحات لهذا الموضوع .. لكني لم أجد شرح وافي ومبسط غير هذا

    أشكركم مرره أخرى ..
    الله لايحرمكم الأجر .. = )

    حسب Anonymous غير معرف, في ٨:١٠ م  

إرسال تعليق

الاشتراك في تعليقات الرسالة [Atom]



<< الصفحة الرئيسية