التوصيل الكهربائي في المواد الصلبة - فيزياء3-3 - ثالث ثانوي

الفصل إلكترونيات الحالة الصلبة Solid-State Electronics ما الذي ستتعلمه في هذا الفصل؟ . التمييز بين الموصلات وأشباه الموصلات والعوازل الكهربائية. . معرفة كيفية تعديل أشباه الموصلات النقية لإكسابها خصائص كهربائية معينة. . المقارنة بين الدايودات والترانزستورات. الأهمية لأشباه الموصلات خصائص كهربائية تمكنها من العمل موصلات في اتجاه واحد لتضخيم الإشارات الكهربائية الضعيفة في العديد من الأجهزة الإلكترونية الشائعة. الرياضيات السريعة تستخدم أجهزة الحاسوب والأدوات الإلكترونية الحركة المضبوطة لكل من الإلكترونات والفجوات في أشباه الموصلات لتنفيذ العمليات الحسابية والمنطقية بسرعة. فكر قد تكون رقاقة السليكون الميكروية صغيرة ، إلا أنها قد تحتوي على الملايين من المقاومات والدايودات والترانزستورات، فكيف يمكن لهذا المستوى من التعقيد أن يوجد في مثل هذا التركيب الصغير؟ 544 وزارة التعليم Ministry of Education 2023-1445

www.ien.edu.sa تجربة استهلالية ) كيف يوصل الدايود الكهرباء؟ التحليل سؤال التجربة ما طريقة توصيل دايود الضوء ثنائي كيف أصبح لون الدايود المشع للضوء بعد أن وصلته بمصدر الجهد؟ ما اللون الذي شاهدته للدايود عندما نظرت إليه اللون؟ الخطوات 2 من خلال قرص الستروبوسكوب ؟ التفكير الناقد اقترح تفسيرًا محتملا لملاحظاتك. 1. احصل على دايود مشع للضوء ذي لونين (أحمر أخضر) ومصدر جهد كهربائي متناوب V 9-12 أو محول كهربائي. 2 صـل مقاوم 10052 والدايود على التوالي مع مصدر الجهد. 3. احذر عند توصيل مصدر الجهد لكيلا تتعرض لصدمة كهربائية، ولا تلمس المقاوم لأنه قد يكون ساخنا. صل مصدر الجهد بمقبس موصول به قاطع التفريغ الأرضي. .4 دوّن ملاحظاتك عن الدايود المشع للضوء. 5. ضع قرص ستروبوسكوب أمام الدايود ودوّره، ثم دون ملاحظاتك عن الدايود المشع للضوء عندما تشاهده من خلال القرص 5-1 التوصيل الكهربائي في المواد الصلبة لا تعتمد الأدوات الإلكترونية على الموصلات والعوازل الطبيعية فقط، ولكنها تعتمد أيضًا على مواد أخرى صممت و أنتجت بجهد وعمل مشترك Conduction in Solids الأهداف . تصف حركة الإلكترون في الموصلات وأشباه من العلماء والمهندسين، سوف يبدأ هذا الفصل بدراسة كيفية توصيل الموصلات الكهربائية. المواد للكهرباء. . تقارن بين أشباه الموصلات من النوع السالب (n) المفردات يعود الفضل في عمل جميع الأدوات الإلكترونية إلى أنابيب التفريغ التي وأشباه الموصلات من النوع الموجب (p). استخدمت في بدايات القرن العشرين؛ حيث تتدفق الإلكترونات خلال الفراغ في أنابيب التفريغ لتكبير الإشارات الكهربائية الضعيفة وضبطها. وكانت أشباه الموصلات أنابيب الغازات المفرغة المستخدمة كبيرة، ا يتطلب قدرة كهربائية كبيرة، نظرية الأحزمة أشباه الموصلات النقية وبسبب احتوائها على فتائل التسخين فهي تنتج كمية كبيرة من الحرارة، مما يتطلب استبدالها خلال سنة إلى خمس سنوات. في أواخر الأربعينيات من القرن الماضي اخترعت أدوات الحالة الصلبة، والتي يمكن أن تقوم بوظيفة أنابيب التفريغ نفسها. وصنعت هذه الأدوات من مواد تعرف بأشباه الموصلات ومنها: السليكون والجرمانيوم. الشوائب أشباه الموصلات غير النقية وزارة التعليم Minist545ucation 2023-1445

وتعمل هذه الأدوات على تضخيم الإشارات الكهربائية الضعيفة جدا وضبطها، من خلال حركة الإلكترونات داخل منطقة بلورية صغيرة. وتعمل الأدوات المصنوعة من أشباه الموصلات بقدرة كهربائية صغيرة، وذلك بسبب قلة عدد الإلكترونات المتدفقة خلالها، بالإضافة إلى أنها لا تحتوي على فتائل. وهذه الأدوات صغيرة جدا، ولا تولّد حرارة كبيرة، وتكلفة صناعتها قليلة، ويقدر عمرها الافتراضي بعشرين عاما أو أكثر. نظرية الأحزمة للمواد الصلبة Band Theory of Solids تتحرك الشحنات الكهربائية بسهولة في الموصلات، في حين لا تتحرك كذلك في العوازل. وعندما تختبر هذين النوعين من المواد على المستوى الذري يصبح الفرق بينهما - من حيث مقدرتهما على نقل الشحنات - أكثر وضوحًا. كذلك تتكون المواد الصلبة البلورية من ذرات مرتبطة معًا بترتيبات منتظمة، وتتكوّن الذرة من نواة كثيفة موجبة الشحنة محاطة بسحابة من الإلكترونات سالبة الشحنة. وتوجد هذه الإلكترونات في مستويات طاقة محددة مسموح بها فقط. وفي معظم الظروف تشغل الإلكترونات في الذرة أدنى مستويات ممكنة للطاقة، ويشار إلى هذا الشكل 1-5 تتجزأ مستويات الطاقة بحالة الاستقرار، ولأن الإلكترونات لها كم محدد من الطاقة فإن أي تغيرات في الطاقة الخارجية لذرتين عند تقاربهما من تكون مكماة؛ أي أن تغيرات الطاقة تحدث بكميات محددة. بعضهما (a)، وبالتالي ينتج عن تقارب حزم الطاقة افترض أنه يمكنك تكوين مادة صلبة عن طريق تجميع ذرات بعضها مع بعض اربع ذرات مضاعفة هذه التجزئات (b) الواحدة تلو الأخرى، فإن عليك أن تبدأ بذرة في حالة استقرار، وعندما تبدأ البلورة الصلبة وعند تقارب مجموعة أكبر من الذرات تصبح مستويات الطاقة متقاربة جدا في التشكل بتقريب ذرات إلى الذرة الأولى كما في الشكل 51، فإن المجالات الكهربائية لازدياد عدد التجزئات فيمكن تمثيلها لهذه الذرات تؤثر في مستويات طاقة إلكتروناتها، وتكون النتيجة أن مستويات الطاقة بحزم طاقة كما تتشكل أيضا فجوة طاقة لحالة الاستقرار في كل ذرة في البلورة الصلبة تتجزأ إلى مستويات طاقة متعددة بسبب بين حزمة التكافؤ وحزمة التوصيل (C) المجالات الكهربائية للذرات المجاورة لها. ولذلك سيوجد الكثير من هذه المستويات حزمة التوصيل ذرات عديدة أربع ذرات ذرتان وزارة التعليم Ministry of Education 2023-1445 فجوة الطاقة ELE المسافة بين الذرات المسافة بين الذرات المسافة بين المرات. حزمة التكافو 546

الشكل 2-5 مقارنة فجوة الطاقة بين السيلكون البلوري والكربون البلوري (الألماس) E-55 V E-11ev خرمة الكافر 02 04 06 08 (en) المسافة بين الذرات القريبة جدا بعضها إلى بعض ، التي لا تبدو منفصلة، ولكنها تظهر كحزم طاقة، وحزم الطاقة ذات مستويات الطاقة الدنيا أو حزم التكافؤ تكون مملوءة بإلكترونات مرتبطة في البلورة، أما مستويات الطاقة العليا أو حزم التوصيل فيكون انتقال الإلكترونات فيها من ذرة إلى أخرى متاحًا. لاحظ من الشكل 2- أن الفواصل الذرية للسليكون البلوري والكربون البلوري (الألماس) تتحول إلى حزم تكافؤ وحزم توصيل يفصل بعضها عن بعض فجوات طاقة. ولا يوجد في هذه الفجوات مستويات طاقة متاحة للإلكترونات، لذا تسمى هذه الفجوات مناطق الطاقة الممنوعة أو المحظورة، ويسمى هذا الوصف لحزمتي التكافؤ والتوصيل المنفصلتين بفجوات الطاقة الممنوعة نظرية الأحزمة للمواد الصلبة، ويمكن استخدامها من أجل فهم أفضل للتوصيل الكهربائي. فمثلا يشير الشكل 2 - إلى الحاجة إلى طاقة كبيرة لنقل إلكترونات التكافؤ من حزمة التكافؤ إلى حزمة التوصيل في حالة الكربون البلوري (التركيب الماسي)، مقارنة بالسليكون. ويعد الكربون في شكله الجرافيتي موصلاً جيدًا؛ لأن ترتيب الذرات فيه يمنحه فجوة طاقة أقل مقارنة بحالة الماس. وللسليكون البلوري فجوة طاقة صغيرة مقارنة بفجوة الطاقة للماس، وعند درجة حرارة الصفر المطلق تكون حزمة تكافؤ السليكون مملوءة كليًّا بالإلكترونات، وتكون حزمة التوصيل فارغة تماما. أما عند درجة حرارة الغرفة، فيكون لعدد معين من إلكترونات الشكل 3-5 في المادة جيدة التوصيل التكافؤ طاقة حرارية كافية لتقفز هذه الإلكترونات عن الفجوة eV 1.1 لتصل إلى حزمة تكون حزمة التوصيل مملوءة جزئيا. التوصيل، وتكون نواقل للشحنة وعندما تزداد درجة الحرارة، وتكتسب المزيد من وتبين المنطقة المظللة بالأزرق منطقة الإلكترونات طاقة كافية للقفز عن الفجوة تزداد موصلية السليكون، وللجرمانيوم فجوة الطاقة المشغولة بالإلكترونات. طاقة مقدارها eV 0.7، وهي أقل من فجوة طاقة السليكون، وهذا يعني أن الجرمانيوم أكثر موصلية من السليكون عند أي درجة حرارة، ويعني أيضًا أن الجرمانيوم حساس جدا للحرارة في معظم التطبيقات الإلكترونية. تسبب التغيرات الطفيفة نسبيا في درجة الحرارة تغيرات كبيرة في موصلية الجرمانيوم، مما يجعل عملية ضبط الدوائر الكهربائية واستقرارها أمرا صعبًا. وللرصـــاص فـراغـــات تبلغ 0.27mm بين ذراته وهذا من شأنه أن يقود إلى توقع بأن الرصاص موصلا جيدًا، وهو كذلك فعلا وتعد المواد الي يوجد فيها تداخل بين حزمها المملؤة جزئيا مواد موصلة كما في الشكل 3-5 .. موصل حزمة توصيل الملزمة تكافؤ وزارة التعليم Minist547ucation 2023-1445

الموصلات الكهربائية Conductors عند تطبيق فرق جهد عبر مادة ما يؤثر المجال الكهربائي الناتج بقوة في الإلكترونات، فتتسارع وتكتسب طاقة، وبذلك يبذل المجال شغلاً عليها. وعندما تكون حزم التوصيل مملوءة جزئيا في المادة تكون هناك مستويات طاقة متاحة طاقتها أكبر قليلا من طاقة الإلكترونات في مستويات الاستقرار ونتيجة لذلك، فإن الإلكترونات التي اكتسبت طاقة من المجال الكهربائي يمكنها أن تتحرك من ذرة إلى الذرة التالية، وتسمى حركة الإلكترونات هذه التيار الكهربائي، وتعرف العملية كاملة بالتوصيل الكهربائي. والمواد ذات الحزم المملوءة جزئيا كالفلزات - ومنها الألومنيوم والرصاص والنحاس - توصل الكهرباء بسهولة. الشكل 4-5 تتحرك الإلكترونات في الموصل بسرعة وبصورة عشوائية. وإذا الحركة العشوائية تتحرك الإلكترونات في الموصلات بسرعة وبصورة عشوائية، حيث طبق مجال كهربائي عبر السلك، فإن تتغير اتجاهاتها عندما تصطدم بالذرات. أما إذا طبق مجال كهربائي على طول معين من الإلكترونات تندفع نحو إحدى نهايتي سلك فلزي فستؤثر قوة محصلة تدفع الإلكترونات في اتجاه واحد. وعلى الرغم من السلك في اتجاه معاكس لاتجاه حركة أن حركتها لا تتأثر كثيرًا، إلا أنها تتحرك حركة بطيئة وموجهة بتأثير المجال الكهربائي التيار الاصطلاحي. مثال 1 كما هو موضح في الشكل .54 وتستمر الإلكترونات في التحرك بسرعة m/s 10 في اتجاهات عشوائية، وتتحرك ببطء شديد بسرعة تساوي m/s 10 أو أقل في اتجاه النهاية الموجبة للسلك . ويسمى هذا النموذج من الموصلات نموذج إلكترون - غاز. وعندما ترتفع درجة الحرارة تزداد سرعة الإلكترونات، ومن ثم تزداد تصادماتها بالذرات. لذا فإنه عندما ترتفع درجة حرارة الفلز فإن موصليته تقل، والموصلية هي مقلوب المقاومية، لذا كلما قلت موصلية المادة ازدادت مقاومتها. كثافة الإلكترونات الحرة في موصل ما عدد الإلكترونات الحرة في السنتمتر المكعب من النحاس (free e/cm)؟ علما بأن كثافة النحاس p= 8.96g/cm3 ، والكتلة الذرية للنحاس 63.54g/mol = ، وعدد الذرات في كل مول نحاس N = 6.02x102 atom/mol وأن كل ذرة تشارك بإلكترون واحد. 1 تحليل المسألة ورسمها . حدد القيم المعلومة والقيم المجهولة. المعلوم للنحاس: إلكترون حر واحد " في كل ذرة المجهول Cu Cu Cu Cu Cu Cu free e/cm 3 = ? Cu Cu وزارة التعليم Ministry of Education 2023-1445 p= 8.96 g/cm³ M = 63.54 g/mol N, = 6.02×102 atom/mol 548

free e = cm³ (free e-) atom (N)()(p) = دليل الرياضيات حساب الوحدات. (1 free e) (6.02×102 atoms) ( 1mol 18.968 1 atom ) 1 mol 63.54 g 1 cm³ إيجاد الكمية المجهولة بالتعويض free e/1 atom 1 free e-/1 atom N = 6.02×102 Atoms/mol M = 63.54 g/mol p = 8.96 g/cm³ تقويم الجواب في النحاس (free e/cm 102×8.49= • هل الوحدات صحيحة؟ يؤكد تحليل الوحدات على تحديد عدد الإلكترونات الحرة في كل cm بدقة. • هل الجواب منطقي؟ يُتوقع وجود عدد كبير من الإلكترونات في cm. مسائل تدريبية 1. إذا علمت أن كثافة عنصر الخارصين g/cm 7.13 وكتلته الذرية mol/65.378. وله إلكترونان حران في كل ذرة فما عدد الإلكترونات الحرة في كل سنتمتر مكعب من الخارصين؟ 2. إذا علمت أن هناك إلكتروناً حراً واحدًا في كل ذرة لعنصر الفضة فاستخدم ملحق كثافة المواد الشائعة وملحق الجدول الدوري، واحسب عدد الإلكترونات الحرة في كل سنتمتر مكعب من الفضة. 3 لعنصر الذهب إلكترون واحد حر في كل ذرة. استخدم ملحق كثافة المواد الشائعة وملحق الجدول الدوري، واحسب عدد الإلكترونات الحرة في كل سنتمتر مكعب من الذهب. 4. العنصر الألومنيوم ثلاثة إلكترونات حرة في كل ذرة استخدم ملحق كثافة المواد الشائعة وملحق الجدول الدوري واحسب عدد الإلكترونات الحرة في كل سنتمتر مكعب من الألومنيوم 5. صنعت قمة نصب تذكاري من 2835g من الألومنيوم. استخدم المسألة السابقة وحدد عدد الإلكترونات الحرة في قمة هذا النصب. العوازل Insulators تكون حزمة التكافؤ في المادة العازلة مملوءة، في حين تكون حزمة التوصيل فارغة، ويتعين أن يكتسب الإلكترون كمية كبيرة من الطاقة لكي ينتقل إلى مستوى الطاقة التالي. وفي العوازل يكون أدنى مستوى للطاقة في حزمة التوصيل فوق أعلى مستوى للطاقة في حزمة التكافؤ بمقدار 10 ، كما هو موضح في الشكل .5-5a. وتوجد في العوازل فجوات طاقة مقدارها sev على الأقل، وهذه الطاقة ليست لدى الإلكترونات. على الرغم من أن للإلكترونات بعض الطاقة الحركية الناتجة عن طاقتها الحرارية، إلا أن متوسط الطاقة الحركية للإلكترونات عند درجة حرارة الغرفة لا تكفيها لكي تقفز عن الفجوة الممنوعة. وإذا طبق مجال كهربائي صغير على عازل فإن الإلكترونات غالبًا لا تكتسب طاقة كافية للوصول إلى حزمة التوصيل، ولذلك لا يتولد تيار كهربائي. ولكي وزارة التعليم Minist549ucation 2023-1445

فجوة ممنوعة فجوة ممنوعة عازل حزمة توصيل حزمة تكافؤ شبه موصل حزمة توصيل حزمة تكافؤ E=5 eV [E=1ev وحزمة التوصيل في المادة العازلة (a) تنتقل الإلكترونات إلى حزمة التوصيل في العازل فإنه يجب أن تزود هذه الإلكترونات بكمية كبيرة من الطاقة. ونتيجة لذلك، فإن الإلكترونات في المادة العازلة تميل إلى أن تبقى في أماكنها، لذا فإن المادة العازلة لا توصل التيار الكهربائي. أشباه الموصلات Semiconductors تتحرك الإلكترونات بحرية أكبر في أشباه الموصلات مقارنة بحركتها في العوازل، ولكن حركتها ليست حرة كما في الموصلات، وكما هو موضح في الشكل 5-5 فإن فجوة الطاقة بين حزمة التكافؤ وحزمة التوصيل تساوي eV 1 تقريبًا. كيف يفسّر تركيب أشباه الموصلات خصائصها الإلكترونية؟ لذرات أشباه الموصلات الأكثر شيوعا كالسليكون والجرمانيوم Ge أربعة إلكترونات تكافؤ. وتساهم هذه الإلكترونات الأربعة في ربط الذرات معا في المادة الصلبة البلورية. وتشكل إلكترونات التكافؤ حزمة مملوءة، كما في العوازل، في حين تكون الفجوة الممنوعة بين حزمة التكافؤ وحزمة التوصيل أصغر كثيرًا مقارنة بالعوازل . ولذلك فإن نقل أحد إلكترونات ذرة السليكون ووضعه في حزمة التوصيل لا يحتاج إلى طاقة كبيرة، كما هو موضح في الشكل 5-5 يقارن بين حزمة التكافؤ الشكل 56a. وتكون الفجوة صغيرة جدا، بحيث يمكن لبعض الإلكترونات أن تصل إلى حزمة التوصيل نتيجة لطاقتها الحركية الحرارية وحدها فقط. ولذلك فإن الحركة وفي المادة شبه الموصلة (b). قارن هذه العشوائية للذرات والإلكترونات تزوّد بعض الإلكترونات بطاقة كافية للتحرر من ذراتها الرسوم التوضيحية بالرسم التوضيحي الأصلية وتتجول حول بلورة السليكون. في الشكل 3-5 وإذا طبق مجال كهربائي على مادة شبه موصلة فإن الإلكترونات الموجودة في حزمة التوصيل تتحرك خلال المادة الصلبة بحسب اتجاه المجال الكهربائي المطبق. وعلى النقيض من التأثير في الفلز، فإن زيادة درجة حرارة أشباه الموصلات يزيد من عدد الإلكترونات القادرة على الوصول إلى حزمة التوصيل، ومن ثم تزداد الموصلية. عندما يتحرر إلكترون من ذرة يترك مكانه فجوة. وكما هو موضح في الشكل 66-5، فإن الفجوة عبارة عن مستوى طاقة فارغ في حزمة التكافؤ وتصبح الشحنة الكلية للذرة موجبة. ويمكن لإلكترون موجود في حزمة التوصيل أن يقفز داخل هذه الفجوة ليصبح الشكل 6-5 لبعض الإلكترونات في أشباه الموصلات طاقة حركية حرارية كافية لكي تتحرر وتتجول خلال البلورة كما هو موضح في التركيب البلوري (2) وفي الحزم (b). 550 حزمة توصيل .e قلب داره الكترون فجوة 0 فجوة حزمة تكافؤ e الكترون حر وزارة التعليم Ministry of Education 2023-1445

مرتبطا مع الذرة مرة أخرى. وعندما يعاد اتحاد الفجوة مع الإلكترون الحر فإن شحنتيهما المختلفتين تعادل كل منهما الأخرى. غير أن الإلكترون ترك خلفه فجوة في موقعه السابق. لذا تتحرك الإلكترونات الحرة السالبة الشحنة في اتجاه واحد، في حين تتحرك الفجوات الموجبة الشحنة في الاتجاه المعاكس. وتسمى أشباه الموصلات النقية التي توصل نتيجة لتحرير الإلكترونات والفجوات حراريا أشباه الموصلات النقية. ولأن عددا قليلا جدا من الإلكترونات والفجوات متوافر لحمل الشحنة فإن التوصيل في أشباه الموصلات النقية منخفض جدًا، مما يجعل مقاوماتها كبيرة جدا. مثال 2 10 3 بعض الإلكترونات الحرة في أشباه الموصلات النقية بسبب الطاقة الحركية الحرارية للسليكون الصلب عند درجة حرارة الغرفة، فإنه يوجد " 10 × 1.45 إلكترون حر في كل cm. ما عدد الإلكترونات الحرة في كل ذرة سليكون عند درجة حرارة الغرفة؟ علماً أن كثافة عنصر السليكون g/cm 2.33 ، وكتلته الذرية g/mol 28.09 1 تحليل المسألة ورسمها وحدة القيم المعلومة والقيم المجهولة. Si Si Si المعلوم المجهول free e /atom = p = 2.33 g/cm3 M = 28.09 g/mol N= 6.02x10 atoms/mol للسليكون: 1.45x100 free e /cm دليل الرياضيات إجراء العمليات الرياضية بدلالاتها 2 إيجاد الكمية المجهولة بالتعويض N, = 6.02x102 atoms/mol M = 28.09 g/mol p = 2.33 g/cm³ freee/cm/Si=1.45x 10 freee/cm3 العلمية. (للسليكون - فجوة e- الكترون حر Si Si Si Si Si Si free e atom 1 mol (M)(1.45x10 = 6.02x1023 atoms' (1.45x100 free e ) cm3 free e cm3 28.09 g 1 cm³ تقويم الجواب للسليكون 2.90x10-13 free / atom = • هل الوحدات صحيحة؟ يؤكد تحليل الوحدات أن الوحدات صحيحة. • هل الجواب منطقي؟ في أشباه الموصلات النقية، كالسليكون مثلاً عند درجة حرارة الغرفة، لكون لعدد قليل جدا من الذرات إلكترونات حرة. وزارة سليم Minist 551u Education 2023-1445

مسائل تدريبية 6. كثافة عنصر الجرمانيوم النقي 5.23g/cm وكتلته الذرية 72.6g/mol . ويوجد فيه free e / cm 10 × 2.25 عند درجة حرارة الغرفة، ما عدد الإلكترونات الحرة الموجودة في كل ذرة؟ 7. لعنصر السليكون free cms 1.8910 عند درجة حرارة .200.0K. ما عدد الإلكترونات الحرة الموجودة في كل ذرة عند هذه الدرجة؟ كم تكافئ درجة الحرارة هذه بالسلسيوس؟ 8 لعنصر السليكون free en cm 10 9.23 عند درجة حرارة 100.0K. ما عدد الإلكترونات الحرة الموجودة في كل ذرة عند هذه الدرجة ؟ كم تكافئ درجة الحرارة هذه بالسلسيوس؟ 9. العنصر الجرمانيوم free cm 100 1.16 عند درجة حرارة 200.0k. ما عدد الإلكترونات الحرة الموجودة في كل ذرة عند هذه الدرجة؟ 10. لعنصر الجرمانيوم free en cm3 3.47 عند درجة حرارة 100.0. ما عدد الإلكترونات الحرة الموجودة في كل ذرة عند هذه الدرجة ؟ 552 أشباه الموصلات المعالجة Doped Semiconductors يجب أن تزداد موصلية أشباه الموصلات النقية بمقدار كبير من أجل صنع أدوات عملية. لذا تضاف ذرات مانحة أو مستقبلة للإلكترونات بتراكيز قليلة إلى أشباه الموصلات النقية تسمى الشوائب، تعمل على زيادة موصليتها، وذلك بتوفير إلكترونات أو فجوات إضافية. وأشباه الموصلات التي تعالج بإضافة شوائب تسمى أشباه الموصلات غير النقية (المعالج). أشباه الموصلات من النوع السالب (n) إذا كانت المادة المانحة لإلكترون ما خماسية التكافؤ كالزرنيخ As الذي يستخدم في معالجة السليكون، فإن الناتج يكون مادة شبه موصلة من النوع السالب (n) . ويوضح الشكل - الموقع الذي احتلته الذرة المعالجة As محل إحدى ذرات السليكون Si في بلورة السليكون حيث ترتبط أربعة من إلكترونات التكافؤ الخمسة مع ذرات السليكون المجاورة. ويسمى الإلكترون الخامس لذرة As الإلكترون الحر، وتكون طاقة الإلكترون الحر قريبة جدًّا من طاقة حزمة التوصيل، بحيث تكون الطاقة الحرارية كافية لنقل هذا الإلكترون بسهولة من الذرة المعالجة إلى حزمة التوصيل، كما هو موضح في الشكل 5-8a. ويزداد توصيل أشباه الموصلات من النوع السالب (n) بتوافر عدد أكبر من هذه الإلكترونات المانحة وانتقالها إلى حزمة التوصيل. وزارة التعليم Ministry of Education 2023-1445

أشباه الموصلات من النوع الموجب (P) إذا كانت المادة المستقبلة لإلكترون ما ثلاثية التكافؤ كالجاليوم Ga الذي يستخدم في معالجة السليكون، فإن الناتج يكون مادة مادة شبه موصلة من النوع الموجب (p) . وعندما تحل ذرة الجاليوم Ga محل ذرة السليكون Si في بلورة السليكون ترتبط إلكترونات التكافؤ الثلاثة مع ذرات السليكون المجاورة، وينقص إلكترون واحد، مما يحدث فجوة في بلورة السليكون كما هو موضح في الشكل .7-5. ويمكن للإلكترونات في حزمة التكافؤ أن تسقط بسهولة في هذه الفجوات، محدثة فجوات جديدة. ومما يعزّز التوصيل في أشباه الموصلات من النوع الموجب (p) وجود وفرة في الفجوات التي تنتجها ذرات المستقبل المعالج، كما موضح في الشكل 500 تكون كل من أشباه الموصلات من النوع p والنسوع « متعادلة كهربائيا. وإضافة ذرات معالجة من كلا النوعين لا تضيف أي شحنة محصلة إلى المادة شبه الموصلة. وكلا النوعين من أشباه الموصلات يستخدمان الإلكترونات والفجوات في عملية التوصيل. ولا يتطلب سوى القليل من الذرات المعالجة لكل مليون ذرة سليكون مثلا لزيادة موصلية أشباه الموصلات بمعامل مقداره 1000 أو أكثر. فجوة جاليوم مستقبل زرنيخ مانح Si Si Si Si Si Si As Si Si Ga Si Si Si Si Si Si Si فجوة زائدة حرة نوع P مستويات طاقة مستقبلة حزمتا توصيل الكترون زائد حر الشكل 7-5 تحل ذرة الزرنيخ المانحة مع إلكترونات التكافؤ الخمسة الخاصة بها محل ذرة السليكون وتنتج إلكترونا غير مرتبط في بلورة السليكون (a). وتنشئ ذرة الجاليوم المستقبلة مع إلكترونات التكافؤ الثلاثة الخاصة بها فجوة في البلورة (b). نوع n a مستويات طاقة مانحة الشكل 58 في النوع n من أشباه الكترون الموصلات (2) مستويات الطاقة المانحة الإلكترونات تضع الإلكترونات في حزمة التوصيل في النوع P من أشباه الموصلات الكترون فجوة ممنوعة فجوة حزمنا تكافؤ (b)، تُنتج مستويات طاقة المستقبل فجوات في حزمة التكافؤ وزارة | سليم Ministrucation 2023-1445

المجسات الحرارية إن الموصلية الكهربائية لأشباه الموصلات النقية وغير النقية حساسة لكل من درجة الحرارة والضوء، وبعكس الفلزات التي تنخفض موصليتها بارتفاع درجة حرارتها، فإن زيادة درجة حرارة أشباه الموصلات مح بوصول المزيد من الإلكترونات إلى حزمة التوصيل، فتزداد الموصلية وتقل المقاومة. وقد صمم جهاز شبه موصل سُمي المجس الحراري، بحيث تعتمد مقاومته بدرجة كبيرة على درجة الحرارة. ويمكن استخدام المجس الحراري مقياسا حساسًا لدرجة الحرارة، وللكشف عن تغيرات درجة الحرارة للمكوّنات الأخرى للدائرة الكهربائية. ويمكن استخدامه أيضًا للكشف عن الموجات الراديوية والأشعة تحت الحمراء والأنواع الأخرى من الإشعاع. مقاييس الضوء تعتمد التطبيقات المفيدة الأخرى لأشباه الموصلات على حساسيتها للضوء. فعندما يسقط الضوء على المادة شبه الموصلة، فإنه يعمل على إثارة إلكترونات حزمة التكافؤ، فتنقل إلى حزمة التوصيل بالطريقة نفسها التي تعمل بها مصادر الطاقة الأخرى على إثارة الذرات. وبذلك تتناقص المقاومة مع زيادة شدة الضوء. ويمكن تصميم أشباه الموصلات المعالجة للاستجابة لأطوال موجية محددة من الضوء، ويتضمن ذلك مناطق الأشعة تحت الحمراء ومنطقة الضوء المرئي من الطيف. بالإضافة إلى ذلك، تعدّ بعض المواد كالسليكون وكبريتيد الكادميوم مقاومات يعتمد مقدارها على الضوء، وتستخدم في مقاييس الضوء التي يستخدمها مهندسو الإضاءة في إنارة المحال التجارية والمكاتب والمنازل، ويستخدمها أيضًا المصورون الفوتوجرافيون لتعديل آلات التصوير لالتقاط أفضل الصور. مثال 3 موصلية السليكون المعالج يعالج السليكون بفلر الزرنيخ، بحيث يُستبدل بذرة واحدة من كل مليون ذرة سليكون ذرة زرنيخ واحدة. وتمنح كل ذرة زرنيخ حزمة التوصيل إلكتروناً واحدًا. a ما عدد الإلكترونات الحرة في كل cm3؟ b. ما النسبة بين عدد الإلكترونات الحرة في السليكون غير النقي والسليكون النقي إذا علمت أن عددها للسليكون النقي $1.45 x 100 free e/cm³ . هل يعتمد التوصيل على إلكترونات السليكون أم على إلكترونات الزرنيخ ؟ تحليل المسألة ورسمها . حدد القيم المعلومة والقيم المجهولة. الكترون زرنيخ مانح As .. .. 554 المعلوم المجهول 1 As atom / 10 Si atoms التي تمنح بواسطة الزرنيخ؟ 1 free e-/As atom 4.99×1022 Si atoms/cm 1.45x100 free e/cm³ free e/cm3 عدد الإلكترونات الحرة التي يمنحها الزرنيخ بالنسبة إلى الإلكترونات الحرة في السليكون النقي في شبه الموصل النقي؟ وزارة التعليم Ministry of Education 2023-1445

ة. إيجاد الكمية المجهولة بالتعويض .b free e cm3 =As من free e As atoms (Si atoms) As atom Si atoms / (free e) = (1 free e)(As atom 1 As atmos 1x10" Si atoms = 4.99 × 1016 free e/cm3 cm³ (4.99x10" Si atoms) cm free e / As atom = 1 free e-/ 1 As atom As atoms/ Si atoms = 1 As atom/1×10% Si atoms Si atoms/cm³ = 4.99×102 Si atoms/cm3 بالتعويض 4.99x10 free en cm في Si المعالج free e/cm3 100×1.45 في Si النقي ( في Si المعالج free e" / cm3 ) = النسبة في Si النقي free e/cm في Si المعالج free e/cm 10 × 4.99 في Si النقي free er/cm 100× 1.45 = = 3.44x106 c. التوصيل أساسه إلكترونات الزرنيخ المانحة بسبب وجود أكثر من ثلاثة ملايين إلكترون زرنيخ مقابل كل إلكترون موجود أصلا. تقويم الجواب • هل الوحدات صحيحة ؟ التحليل يؤكد صحة الوحدات. • هل الجواب منطقي ؟ النسبة كبيرة بدرجة كافية، بحيث إن الإلكترونات الموجودة أصلاً لا تساهم تقريبا في الموصلية. مسائل تدريبية 11. إذا أردت الحصول على 10×1 من إلكترونات الزرنيخ المعالج كإلكترونات حرة في السليكون عند درجة حرارة الغرفة، فما عدد ذرات الزرنيخ التي يجب أن توجد لكل ذرة سليكون؟ 12. إذا أردت الحصول على 510 من إلكترونات الزرنيخ المعالج بوصفها إلكترونات حرة في الجرمانيوم شبه الموصل الذي وصف في المسألة 6 فما عدد ذرات الزرنيخ التي يجب أن توجد لكل ذرة جرمانيوم؟ 13. للجرمانيوم 105×1.13 ناقل حراري حر في كل cm عند درجة حرارة 400.0K. إذا عولج الجرمانيوم بواسطة ذرة زرنيخ واحدة لكل مليون ذرة جرمانيوم، فما نسبة الناقلات المعالجة إلى الناقلات الحرارية؟ 14. للسليكون 4.54X10 ناقل حراري حر في كل cm عند درجة حرارة 400.0k. إذا عولج السليكون بواسطة ذرة زرنيخ واحدة لكل مليون ذرة سليكون، فما نسبة الناقلات المعالجة إلى الناقلات الحرارية؟ 15. في السؤال 14 كيف تتوقع أن يكون سلوك الأدوات المصنوعة من الجرمانيوم مقارنة بتلك المصنوعة من المعليكوين عند درجات حرارة تزيد على درجة حرارة غليان الماء؟ وزارة التعليم Minist555ducation 2023-1445

5-1 مراجعة 16 حركة الناقل في أي المواد الموصلة أو شبه الموصلة 19. موصل أم عازل ؟ لأكسيد الماغنسيوم فجوة ممنوعة أو العوازل يُرجح أن تبقى الإلكترونات في الذرة مقدارها eV 8. فهل هذه المادة موصلة أم عازلة أم نفسها ؟ شبه موصلة؟ 17. أشباه الموصلات إذا زادت درجة الحرارة يزداد عدد 20 أشباه الموصلات النقية وغير النقية إذا كنت تصمم الإلكترونات الحرة في أشباه الموصلات النقية. فمثلاً زيادة درجة الحرارة بمقدار درجات سيليزية (8) يضاعف عدد الإلكترونات الحرة في السليكون. فهل المرجح أن تعتمد موصلية الموصل دائرة متكاملة باستخدام بلورة سليكون، وأردت أن تحصل على منطقة ذات خصائص عازلة جيدة نسبيا، فهل يجب أن تعالج هذه المنطقة أم تتركها بوصفها شبه موصل نقي؟ النقي، أم شبه الموصل غير النقي، على درجة 21. التفكير الناقد يتضاعف عدد الناقلات الحرارية الحرة الحرارة؟ وضح إجابتك. 18 عازل أم موصل؟ يستخدم ثاني أكسيد السليكون على نطاق واسع في صناعة أدوات الحالة الصلبة. ويبين مخطط حزم الطاقة الخاص به فجوة طاقة بمقدار 9eV بين حزمة التكافؤ وحزمة التوصيل. فهل ثاني أكسيد السليكون مفيد أكثر بوصفه عازلا أم موصلا؟ التي ينتجها السليكون عند كل زيادة في درجة الحرارة مقدارها 8 ، ويتضاعف عدد الناقلات الحرارية الحرة التي ينتجها الجرمانيوم عند كل زيادة في درجة الحرارة مقدارها C" 13. يبدو أن الجرمانيوم أفضل للتطبيقات ذات درجة الحرارة الكبيرة، ولكن العكس هو الصحيح. وضح ذلك. وزارة التعليم Ministry of Education 2023-1445 556