الترانزستورات 1 أنصاف النواقل ج1

3_13915_1254

سنتحدث في سلسلة الترانزستورات عن هذه العناصر الالكترونية التي كانت سببباً أساسياً للثورة التقينة التي نعيشها اليوم، حيث سنعرض خلال عدة مقالات لمواضيع تفيد في فهم آلية عمل الترانزستورات بشكل مبسط لغير الاختصاصيين كما سنقدم بعض التطبيقات المفيدة لتوضيح الأفكار…

*

البداية ستكون بالحديث عن أنصاف النواقل وبعض خواصها، متابعة مفيدة وممتعة …

*

تصنف المواد في الطبيعة من ناحية ناقليتها للتيار الكهربائي، إلى ثلاثة مجموعات رئيسية هي:

1-مواد ناقلة للتيار الكهربائي تسمى النواقل Conductors .

2-مواد لا تسمح بمرور التيار الكهربائي العوازل Insulators .

3- مجموعة أنصاف النواقل Semiconductor.

*
حيث تتعلق الناقلية الكهربائية بالمقاومة النوعية للمادة Resistivity.

*

المقاومة النوعية Resistivity:

تعبر المقاومة الكهربائية لمادة ما عن مدى ممانعة هذه المادة لمرور التيار الكهربائي عبرها عند تطبيق جهد كهربائي على طرفيها ” أي انخفاض تدفق التيار عبر هذه المادة “، وتحسب المقاومة R كنسبة بين الجهد المستمر المطبق V والتيار المستمر المار I ، وهذا ما يسمى بقانون أوم (نسبة لمكتشفه عالم الفيزياء الألماني جورج أوم (Georg Ohm) :

(R (Ω)=V(volt)/I(Amp

*
تتعلق المقاومة بالأبعاد الفيزيائية للمادة حيث تزداد المقاومة بزيادة طول المادة، وتقل بزيادة مساحة مقطعها A و واحدته m^2، وهذه العلاقة تقودنا لتعريف المقاومة الكهربائية من ناحية أبعاد المادة وفق ما يعرف باسم المقاومة النوعية ورمزها ρ و واحدتها أوم.متر Ω.m، وهي قيمة ثابتة محسوبة لجميع المواد وتعطى عادة في جداول خاصة:

(R (Ω)=ρ (Ω.m)×L(m)/A (m^2

*

يسمى مقلوب المقاومة النوعية بالناقلية الكهربائية النوعية Electrical conductivity:

σ=1/ρ

*

كما تتعلق المقاومة الكهربائية بعوامل أخرى كطبيعة المادة نفسها، كمية الشوائب الموجودة فيها و درجة الحرارة.

*

الشكل 1: مخطط تقسيم المواد بناءاً على مقاومتها النوعية إلى ثلاثة أقسام:

*


*

1- النواقل Conductors:

هي المواد التي تملك قيماً منخفضاً للمقاومة النوعية حيث تكون من مرتبة ميكرو أوم لكل متر، فتسمح بالتالي بمرور التيار الكهربائي عبرها بسهولة نتيجة توفر كمية كبيرة من الالكترونات الحرة قادرة على ترك ذراتها الأصلي والانتقال نحو منطقة الجهد المرتفع “الموجب” عند تطبيقه على المادة.

*

هناك العديد من المواد المعروفة بناقليتها الجيدة للتيار الكهربائي كالمعادن مثل: النحاس والألمينيوم والفضة، أو مواد غير معدنية كالكربون.

*

تمتلك ذرات المواد الناقلة القليل من الالكترونات في مداراتها الخارجية المسماة مدارات التكافؤ Valence Shell حيث تبدي ذراتها ميلاً لفقد هذه الالكترونات بسهولة لتتحول الى الكترونات حرة في المادة، وعند تشكيل ذرات هذه المواد بشكل متجاور تتعرض لما يسمى أثر أحجار الدومينو “Domino Effect” والذي تشبه فيه حركة الالكترونات وتصادمها مع بعضها تصادم أحجار الدومينو حيث يولد تصادم واحد عدة تصادمات متتالية بين الالكترونات الحرة ونتيجة لهذه التصادمات يتولد التيار الكهربائي (محصلة التصادمات العشوائية في المواد الناقلة تولد تياراً نهائياً صفرياً مالم يتم انتظام هذه الحركة بتأثر جهد كهربائي خارجي).

*

يستخدم النحاس والألومينيوم بشكل كبير في صناعة الكابلات بسبب ناقليتها الجيدة ورخص ثمنها.

*

إن الطاقة الضائعة أثناء مرور التيار الكهربائي في ناقل ما تظهر على شكل حرارة مسببة تسخين هذا الناقل، و تؤدي زيادة درجة حرارة الناقل إلى زيادة قيمة مقاومته النوعية، مما يقلل من جودته في نقل التيار الكهربائي إضافة للمخاطر الأخرى التي قد تسببها الحرارة على جودة العازل المحيط بالنواقل خصوصاً عند الحديث عن الكابلات.

*

2- العوازل Insulators:

هي مواد لا تملك الكترونات حرة في مداراتها الخارجية (أو تملك كمية قليلة جداً) حيث يكون ارتباط الالكترونات الموجودة في مدارات التكافؤ الخارجية قوياً مع النواة الموجبة فلو تم تطبيق جهد كهربائي على هذه المادة لن يحصل تدفق للتيار الكهربائي نتيجة لعدم وجود الكترونات حرة قابلة للحركة.

*

تمتاز العوازل بمقاومتها المرتفعة جداً والتي لا تتأثر عموماً بتغيرات درجات الحرارة ضمن المجال الطبيعي، ولكن قد يؤدي ارتفاع درجة حرارة العازل بشكل كبير إلى تغيير خصائصه الفيزيائية المميزة له (فمثلاً ارتفاع درجة حرارة الخشب يسبب احتراقه وتحوله للفحم مما يؤدي لتغير صفاته الفيزيائية وتحوله من عازل إلى ناقل)، يعتبر كل من السيراميك والكوارتز المنصهر من أفضل العوازل إضافة إلى المطاط والبلاستيك الصناعي.

*

تستخدم العوازل بشكل أساسي في جميع الدارات الكهربائية على اختلاف أنواعها، بدءاً من الدارات الالكترونية الدقيقة وصولاً إلى دارات الجهود العالية، كما تستخدم في عزل كابلات نقل الطاقة الكهربائية والمحولات الكهربائية، فلولا وجودها لما أمكن الاستفادة من الكهرباء.

*

يمكن أن تكون العوازل صلبة كالسيراميك والزجاج والمطاط، أو سائلة كالزيوت المعدنية وزيت السيليكون أو غازية مثل غاز النيتروجين وغاز SF6 وغيرهم …

*

3- أنصاف النواقل Semiconductors:

هي مواد تقع من ناحية التصنيف الكهربائي بين المواد العازلة والمواد الناقلة كهربائياً، فهي لا تعتبر نواقل جيدة للتيار كما لا تعتبر عوازل جيدة، ومن أشهر هذه المواد السيليكون Silicon والجيرمانيوم Germanium وأرسينيد الغاليوم Gallium Arsenide. تملك هذه المواد الكترونات حرة بكميات قليلة في المدارات الخارجية لذراتها ،حيث تتجمع ذراتها مع بعضها لتشكل شبكة كريستالية Crystal Lattice.

*

تزداد ناقلية هذه المواد بشكل ملحوظ عند إشابتها”Doping” وذلك بإضافة مواد أخرى إلىها لزيادة عدد الالكترونات الحرة السالبة أو الثقوب الموجبة، وتسمى مواد الإشابة بالمانحة Donors في حال سببت إضافتها زيادة في عدد الالكترونات الحرة لنصف الناقل أو الآخذة Acceptors في حال سببت زيادة في عدد الثقوب الموجبة. وعادة ما تكون نسبة الإشابة بمقدار ذرة مشيبة واحدة لكل 10 ملايين أو أكثر من ذرات المادة نصف الناقلة.

*

يعتبر السيليكون المادة نصف الناقلة الأكثر أهمية وذلك بسبب وفرته في الطبيعة فهو يقع في المرتبة الثانية بين أكثر العناصر توفراً في الطبيعة “ميل مكعب من ماء البحر يحتوي حوالي 15000 طن من السيلكون”، كما أنه يمتاز ببنيته الذرية الفريدة حيث يملك أربع الكترونات تكافؤية في المدار الخارجي لذراته، يشترك بهذه الالكترونات مع أربع ذرات سيليكون مجاورة وبالتالي يؤمن بهذا التشكيل وجود ثمانية الكترونات ضمن المدار الثالث (الخارجي)، تكون الروابط مستقرة في هذه الحالة بدون أي الكترونات حرة، وبسبب هذه البنية المستقرة يعتبر السيليكون النقي عازلاً جيداً ذو مقاومة عالية.

*

الشكل 2: بنية الشبكة الكريستالية للسيليكون بدون إشابة

*

http://www.electronics-tutorials.ws/diode/diode1.gif?81223b

*

 المصدر