9.8: أجهزة أشباه الموصلات
- Page ID
- 196482
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- وصف ما يحدث عندما يتم ربط المواد من النوع n- و p معًا باستخدام مفهوم الانتشار وتيار الانجراف (جهد مطبق صفري)
- اشرح استجابة وصلة p-n لجهد التحيز الأمامي والعكسي
- وصف وظيفة الترانزستور في الدائرة الكهربائية
- استخدم مفهوم تقاطع p-n لشرح تطبيقاته في مضخمات الصوت وأجهزة الكمبيوتر
لأشباه الموصلات العديد من التطبيقات في الإلكترونيات الحديثة. وصفنا بعض أجهزة أشباه الموصلات الأساسية في هذا القسم. من المزايا الرائعة لاستخدام أشباه الموصلات لعناصر الدوائر حقيقة أنه يمكن دمج عدة آلاف أو ملايين من أجهزة أشباه الموصلات على نفس قطعة السيليكون الصغيرة وتوصيلها عن طريق مسارات موصلة. يُطلق على الهيكل الناتج اسم الدائرة المتكاملة (ic)، وتعتبر رقائق IC أساسًا للعديد من الأجهزة الحديثة، من أجهزة الكمبيوتر والهواتف الذكية إلى الإنترنت وشبكات الاتصالات العالمية.
الصمامات الثنائية
ربما يكون أبسط جهاز يمكن إنشاؤه باستخدام أشباه الموصلات هو الصمام الثنائي. الصمام الثنائي هو عنصر الدائرة الذي يسمح للتيار الكهربائي بالتدفق في اتجاه واحد فقط، مثل الصمام أحادي الاتجاه (انظر نموذج التوصيل في المعادن). يتم إنشاء الصمام الثنائي من خلال ربط أشباه الموصلات من النوع p بأشباه الموصلات من النوع n (الشكل\(\PageIndex{1}\)). يُطلق على التقاطع بين هذه المواد اسم تقاطع p-n. يظهر الشكل مقارنة بين نطاقات الطاقة في الصمام الثنائي القائم على السيليكون\(\PageIndex{1b}\). مواضع نطاقات التكافؤ والتوصيل هي نفسها، لكن مستويات الشوائب مختلفة تمامًا. عندما يتشكل تقاطع p-n، تنتشر الإلكترونات من نطاق التوصيل للمادة من النوع n إلى الجانب p، حيث تتحد مع الثقوب في نطاق التكافؤ. يؤدي انتقال الشحنة هذا إلى ترك أيونات المانحين المؤينة الموجبة على الجانب n وأيونات المستقبلات المؤينة السالبة على الجانب p، مما ينتج طبقة مزدوجة ضيقة من الشحنة عند التقاطع p - n تسمى طبقة النضوب. يمنع المجال الكهربائي المرتبط بطبقة النضوب المزيد من الانتشار. يوضِّح الشكل الطاقة الكامنة للإلكترونات عبر الوصلة p-n\(\PageIndex{2}\).
يمكن الآن فهم سلوك الصمام الثنائي لأشباه الموصلات. إذا كان الجانب الموجب للبطارية متصلاً بمادة من النوع n، يتم توسيع طبقة النضوب، ويزداد فرق الطاقة المحتمل عبر وصلة p-n. تمتلك قلة من الإلكترونات (الثقوب) أو لا تمتلك أي منها طاقة كافية لتسلق الحاجز المحتمل، ويقل التيار بشكل كبير. وهذا ما يسمى بتكوين التحيز العكسي. من ناحية أخرى، إذا كان الجانب الموجب للبطارية متصلاً بمادة من النوع p، يتم تضييق طبقة النضوب، وتقليل فرق الطاقة المحتمل عبر وصلة p-n، وتدفق الإلكترونات (الثقوب) بسهولة. وهذا ما يسمى بتكوين التحيز الأمامي للديود. باختصار، يسمح الصمام الثنائي للتيار بالتدفق بحرية في اتجاه واحد ولكنه يمنع تدفق التيار في الاتجاه المعاكس. وبهذا المعنى، فإن الصمام الثنائي لأشباه الموصلات هو صمام أحادي الاتجاه.
يمكننا تقدير العلاقة الرياضية بين التيار والجهد في الصمام الثنائي باستخدام مفهوم الجهد الكهربائي. ضع في اعتبارك ناقلات الأغلبية ذات الشحنة السالبة N (الإلكترونات التي تتبرع بها ذرات الشوائب) في مادة النوع n والحاجز المحتمل V عبر وصلة p-n. وفقًا لتوزيع Maxwell-Boltzmann، فإن نسبة الإلكترونات التي لديها طاقة كافية للانتشار عبر الحاجز المحتمل هي\(Ne^{-eV/k_BT}\). ومع ذلك، إذا تم استخدام بطارية ذات جهد كهربائي\(V_b\) في التكوين المنحاز للأمام، فإن هذا الكسر يتحسن أيضًا\(Ne^{-e(V-V_b)/k_BT}\). وبالتالي فإن التيار الكهربائي الناتج عن غالبية الناقلات من الجانب n إلى الجانب p هو
\[I = Ne^{-eV/k_BT}e^{eV_b/k_BT} = I_0e^{eV_b/k_BT}, \nonumber \]
\(I_0\)أين التيار بدون جهد مطبق و T هي درجة الحرارة. التيار الناتج عن ناقلات الأقلية (الإثارة الحرارية للإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل على الجانب p والجذب اللاحق إلى الجانب n) مستقل عن جهد التحيز.\(-I_0\) وبالتالي فإن التيار الصافي هو
\[I_{net} = I_0\left(e^{eV_b/k_BT} - 1\right). \nonumber \]
يوجد في الشكل نموذج رسم بياني للتيار مقابل الجهد المتحيز\(\PageIndex{3}\). في تكوين التحيز الأمامي، تؤدي التغييرات الصغيرة في جهد التحيز إلى تغييرات كبيرة في التيار. في تكوين التحيز العكسي، يكون التيار هو\(I_{net} \approx -I_0\). بالنسبة للقيم القصوى للتحيز العكسي، تتأين الذرات في المادة مما يؤدي إلى حدوث سيل من التيار. تحدث هذه الحالة عند جهد الانهيار.
يؤدي توصيل الطرف الموجب للبطارية بالجانب p والطرف السالب بالجانب n من الصمام الثنائي لأشباه الموصلات إلى إنتاج تيار قدره\(4.5 \times 10^{-1} A\). تيار التشبع العكسي هو\(2.2 \times 10^{-8} A\). (تيار التشبع العكسي هو تيار الصمام الثنائي في تكوين التحيز العكسي مثل هذا.) جهد البطارية هو 0.12 فولت. ما هي درجة حرارة الصمام الثنائي؟
إستراتيجية
الترتيب الأول هو تكوين التحيز الأمامي، والثاني هو تكوين التحيز العكسي.
الحل
يتم إعطاء التيار في تكوينات التحيز الأمامي والعكسي بواسطة
\[I_{net} = I_0\left(e^{eV_b/k_BT} - 1\right). \nonumber \]
يرتبط التيار بدون تحيز بتيار التشبع العكسي بـ
\[I_0 \approx -I_{sat} = 2.2 \times 10^{-8}. \nonumber \]
لذلك
\[\dfrac{I_{net}}{I_0} = \dfrac{4.5 \times 10^{-1} A}{2.2 \times 10^{-8}A} = 2.0 \times 10^8. \nonumber \]
يمكن كتابة هذا كـ
\[\dfrac{I_{net}}{I_0} + 1 = e^{eV_b/k_BT}. \nonumber \]
هذه النسبة أكبر بكثير من واحد، لذلك يختفي الحد الثاني على الجانب الأيسر من المعادلة. يعطي أخذ السجل الطبيعي لكلا الجانبين
\[\dfrac{eV_b}{k_BT} = 19. \nonumber \]
وبالتالي فإن درجة الحرارة هي
\[T = \dfrac{eV_b}{k_B} \left(\dfrac{1}{19}\right) = \dfrac{e(0.12 \, V)}{8.617 \times 10^{-5} eV/K} \left(\dfrac{1}{19}\right) = 73 \, K. \nonumber \]
الدلالة
التيار الذي يتحرك عبر الصمام الثنائي في تكوين التحيز الأمامي والعكسي حساس لدرجة حرارة الصمام الثنائي. إذا كانت الطاقة الكامنة التي توفرها البطارية كبيرة مقارنة بالطاقة الحرارية لمحيط الصمام الثنائي\(k_BT\)، فإن تيار التحيز الأمامي يكون كبيرًا جدًا مقارنة بتيار التشبع العكسي.
كيف يقارن حجم تيار التحيز الأمامي مع تيار التحيز العكسي؟
الحل
تيار التحيز الأمامي أكبر بكثير. للحصول على تقريب جيد، تسمح الصمامات الثنائية بتدفق التيار في اتجاه واحد فقط.
قم بإنشاء تقاطع p - n ولاحظ سلوك الدائرة البسيطة لجهد التحيز الأمامي والعكسي. قم بزيارة هذا الموقع لمعرفة المزيد عن الصمامات الثنائية لأشباه الموصلات.
ترانزستور جانكشن
إذا كانت الصمامات الثنائية عبارة عن صمامات أحادية الاتجاه، فإن الترانزستورات عبارة عن صمامات أحادية الاتجاه يمكن فتحها وإغلاقها بعناية للتحكم في التيار. نوع خاص من الترانزستور هو ترانزستور التوصيل. يتكون ترانزستور الوصلة من ثلاثة أجزاء، بما في ذلك أشباه الموصلات من النوع n، والتي تسمى أيضًا الباعث؛ وشبه موصل رقيق من النوع p، وهو القاعدة؛ وآخر من أشباه الموصلات من النوع n، يسمى المجمع (الشكل\(\PageIndex{4}\)). عند توصيل طرف موجب بطبقة من النوع p (القاعدة)، يتدفق تيار صغير من الإلكترونات، يسمى التيار الأساسي\(I_B\)، إلى الطرف. يؤدي هذا\(I_C\) إلى تدفق تيار المجمع الكبير عبر المجمع. يمكن تعديل التيار الأساسي للتحكم في تيار المجمع الكبير. وبالتالي فإن المكسب الحالي هو
\[I_c = \beta I_B. \nonumber \]
يمكن استخدام ترانزستور التوصيل لتضخيم الجهد من الميكروفون لتشغيل مكبر الصوت. في هذا التطبيق، تتسبب الموجات الصوتية في تحريك الحجاب الحاجز داخل الميكروفون إلى الداخل والخارج بسرعة (الشكل\(\PageIndex{5}\)). عندما يكون الحجاب الحاجز في وضع «الداخل»، يتم تطبيق جهد إيجابي صغير على قاعدة الترانزستور. هذا يفتح «صمام» الترانزستور ويسمح بتدفق تيار كهربائي كبير إلى مكبر الصوت. عندما يكون الحجاب الحاجز في وضع «الخروج»، يتم تطبيق جهد سلبي صغير على قاعدة الترانزستور، مما يؤدي إلى إيقاف تشغيل صمام الترانزستور بحيث لا يتدفق أي تيار إلى مكبر الصوت. يؤدي هذا إلى إيقاف تشغيل «صمام» الترانزستور حتى لا يتدفق التيار إلى مكبر الصوت. بهذه الطريقة، يتم التحكم في تيار السماعة بواسطة الموجات الصوتية، ويتم تضخيم الصوت. أي جهاز كهربائي يضخم الإشارة يسمى مكبر الصوت.
في الأجهزة الإلكترونية الحديثة، تُستخدم الإشارات الرقمية مع الصمامات الثنائية والترانزستورات لأداء مهام مثل معالجة البيانات. تحمل الدوائر الكهربائية نوعين من الإشارات الكهربائية: التناظرية والرقمية (الشكل\(\PageIndex{6}\)). تختلف الإشارة التناظرية باستمرار، بينما تنتقل الإشارة الرقمية بين قيمتين للجهد الثابت، مثل زائد 1 فولت وصفر فولت. في الدوائر الرقمية مثل تلك الموجودة في أجهزة الكمبيوتر، يتصرف الترانزستور مثل مفتاح التشغيل والإيقاف. يكون الترانزستور إما قيد التشغيل، مما يعني أن الصمام مفتوح تمامًا، أو مغلق، مما يعني أن الصمام مغلق تمامًا. تحتوي الدوائر المتكاملة على مجموعات كبيرة من الترانزستورات على قطعة واحدة من السيليكون. وهي مصممة للتعامل مع الإشارات الرقمية التي تمثل الآحاد والأصفار، والتي تُعرف أيضًا باسم الكود الثنائي. ساعد اختراع IC في إطلاق ثورة الكمبيوتر الحديثة.
