الكهروتقنية , إليكترونات ، التلفزة ، معالجة البيانات الإلكترونية -البرمجة والمكونات الصلبة في الكومبيوتر ، تقنية طبية
بسم الله الرحمن الرحيم
دروس في الإليكترونيات
الدرس الثامن
- العناصر الإليكترونية النصف موصلة
- الصمام الثنائي ( ديود)
العناصر النصف موصلة
الثورة في الإليكترونيات الحديثة
للأسف أن كلمة ثورة في اللغة العربي قد ساء أستعملها ، وذلك بفرض من مَن يريد تكبير ما هو ليس كبيرا، وذلك بظلم وبحق الثورات الحقيقية والفعلية . فالترانزيستور مثلا قد أحدث ثورة فعلية . الترانزيستور الذي أحدث اختراقا هائلا في الإليكترونيات الحديثة ، والذي دونه لم تصل البشرية لما وصلت له من هذه الإنجازات الضخمة من تقدم في حقول شتى ، علميا ، مدنيا ، وعسكريا وعمليا ، ودونه لم يتحقق التصغير للأجهزة ، ودونه لم تكن الدوائر المتكاملة أو وحدات الذاكرة بهذه الأحجام مثلا ، وبالتالي دونه لم تكن هناك وحدات المعالجة المركزية (CPU) التي تشكل الدماغ للحاسب ، ودونه يحتاج الحاسب الذي أمامنا إلى قاعة احتفال كاملة بكل ما فيها من خسارة وتبدد للمكان ، للوقت، للطاقة وللحرارة .
السليكون - العنصر الذي أحدث الثورة
لكي يرسي في أذهاننا ما نستوعبه ويثبت بصورة دائمة فعلينا أن نتمعّن جيدا لما يجري من التفاعلات أو" تـنـقيط" في العناصر النصف موصلة . فالترانزيستورات بأشكالها ، والصمامات الثنائية بأشكالها، والدوائر المتكاملة بأشكالها تقع جميعها تحت هذا التصنيف (فالترانزيستور مثلا يتكون من أثـنين من الديود ) .
المواد النصف موصلة
أن جودة التوصيل في الكهرباء عامة ، هي أهم مقياس للمعادن ، حيث أن المواد المعدنية تنقسم لثلاثة أنواع : الموصلة ، النصف موصلة ، والعازلة . و تتميز المواد الموصلة والنصف موصلة ( ذو "العامل الحراري السالب الخاص بالمقاومة" ?) بأن مقاومة التيار فيها تقل ، وجودة توصيلها تعلو كلما انخفضت درجة الحرارة ، وفي درجة معيّنة للحرارة تزول مقاومتها كليا ، وذو ("العامل الحراري الموجب الخاص بالمقاومة") تنخفض جودة توصيلها كلما انخفضت درجة الحرارة وتنقلب إلى مقاومة دون حدود أي إلى مادة عازلة في نقطة التجميد المطلقة ( نقطة الصفر في سُلم كلفين للحرارة أي 273,15 تحت الصفر في سلم الدرجات المئوية ) .
والمقياس لهذه العناصر هو قيمة المقاومة في للمساحة فيها :
المواد الموصلة : 1,5 مايكرو آوم لسنتيمتر الواحد (في الفضة مثلا )
المواد النصف موصلة : من 0,1 ميلي آوم وحتى 1 آوم لسنتيمتر ( للسيليكون المنقط )
المواد العازلة : واحد جيجا آوم للسنتيمتر الواحد في الخشب
والمجموعة المهمة للعناصر (الكيميائية) النصف موصلة هي :
- السليكون (عنصر كيميائي فلزي رمزه (س) ، الرقم الترتيبي 14 ) (والذي أحدث الثورة في عالم الإليكترونيات وتجده في شتى رمال صحراءنا) .
- الجرمانيوم ، عنصر كيميائي فلزي رمزه (جر) ، الرقم الترتيبي 32
- الألمنيوم ، عنصر فلزي رمزه (لو) ، الرقم الترتيبي 89
- البورون ، عنصر فلزي رمزه (ب) ، الرقم الترتيبي 31
- الجاليوم ، عنصر فلزي رمزه (جا) ، الرقم الترتيبي 3 …..
وإذا اقتربت منطقتان من المواد النصف موصلة تختلف فيهن قوة التوصيل فتتكون بينهن حدود ، ما يسمى بمنطقة "اجتياز إيجابي - سلبي" أو عملية نشر (Diffusion) . وبتأثير التحرك الحراري للجزئيات تتنقل الشحنات السالبة (الإليكترونات) فيه من منطقة (التوصيل) السالبة إلى المنطقة (التوصيل)الإيجابية ، وتتنقل الشحنات الإنجابية (الثقوب) من المنطقة الإيجابية الى منطقة السالبة .
وتـنقسم المكونات النصف موصلة إلى مجموعتين الأولى أحادية القطبية والذي يسري بها التيار فيها خلال منطقة واحدة فقط ، والثانية هي ثنائية القطبية ، حيث يسري التيار خلال في عدة مناطق فيها .
الصمام الثـنائي ( الثنائي DIODE) النصف موصل
من الموسوعة :
صمام ثنائي ، عنصر كهربائية له وصلتان : وصلة إيجابية المصعد ( أنود ) ، ووصلة سلبية المهبط (كاتود) ، يسري به معظم التيار باتجاه واحد ، وإذا تم توصيله بالاتجاه الأمامي أي الموجب بالموجب فيسري به تيار وقيمته تتعلق بالدائرة والمكونات الكهربائية الأخرى فهيا، وإذا تم توصيله بالاتجاه الخلفي فيتكون الجهد في الثنائي فقط ويسري به تيار ذو قيمة ضئيلة جدا ، ما يسمى بتيار "الحجز" . وفي التوصيل الأمامي تبدأ قيمة التيار بالارتفاع عندما تصل قيمة الجهد الموصل من 0,5 حتى 0,7 فولت ( ما يسمى بجهد الفتح أو الهَوِيس أي بوابة) .
أنواع الثنائي :
الثنائي العام universal ويستغل الثنائي لكثير من الوظائف مثل : كاشف (وهي علمية تقويم أيضا) ، أو كمعدل للترددات العالية .
ثنائي القدرة العالية ( ?الوظائف) ، وثنائيات القدرة التي تستغل في تقويم الجهد المتردد في الشبكة العامة حيث يحوّل الجهد من متردد إلى مستمر ، وهذا يستغل أيضا في كثر من الوظائف مثل الحماية ، فكثيرا من الدوائر في الأجهزة المنزلية مثلا يتم حمايتها من البريق بالثنائي ، كما يستعمل الثنائي في تثبيت الجهود المستعملة .
ثنائي التعـشيق (يعمل كمفتاح كهربائي) ، والذي يستعمل في التقنية الرقمية ، ولتحويل الجهد المتردد إلى الجهد المستمر (التقويم) .
الثنائي النفـقي (الذي يستغل تياره لتوليد الذبذبة )
الثنائي ذو الطبقات الأربع والذي يستعمل في التقنية الرقمية
ثنائي شوتكي (Hot-carrier-Diode) وثنائي القذيفة والذي يستعملا في الترددات العالية (جهد الفتح به 0,4 فولت) ( موجات المايكرو في نطاق جيجا هرتز) وفي التقنية الرقمية أيضا.
ثنائي الزينر ، يثبت قيمة الجهد (حسب المعـطيات) ،ويحدد بذلك قيمة الجهد في الدارة ، وهو ثنائي من مادة السيليكون تـتم فيه عملية الاختراق في الاتجاه المعاكس . ويوصل ثنائي الزينر في الاتجاه الأمامي مثل أي ثنائي سيليكون عادي .
الثنائي المصدر للضوء (LED light emitting diode ) ثنائي باعث مصدر الضوء ، يتم تشغيله بالاتجاه الأمامي من المواد الضوئية النصف موصلة ، التي تحول الطاقة الكهربائية الى طاقة إشعاعية ، وهو مثل باقي الثنائيات له طبقة P (طبقة موجبة) وطبقة N (طبقة سالبة)ولكن تنقيط طبقة N يكون اكثر بكثير، عند سير التيار تتحرك الإلكترونات عبر الطبقة العازلة الى طبقة ال P والاثقاب إلى طبقة N ثم يعودوا لتلائُم وتخرج بذلك طاقة ضوئية . ويخترق الأشياع في الغالب من المنطقة رقيقة جداً (1,5 مايكرومتر) بين الطبقة العازلة وطبقة P ويستخلص من :
المواد اللون طول الموجة (بالنانومتر)
جاليوم النتروجين أزرق 450
جاليوم الفوسفور( نتروجين) أخضر 555
جاليوم زرنيخ الفسفور(تتزوجين) أصفر 590
جاليوم زرنيخ الفسفور(تتزوجين) برتقالي 625
جاليوم زرنيخ الفسفور أحمر 655
جاليوم الزرنيخ(الزنك) تحت الحمراء 900
جاليوم الزرنيخ(السليكون ) تحت الحمراء 930
(ولكي لا يتعدى الجهد المتردد بالاتجاه المعاكس قيمة الجهد المصرح فلابد من توصيل ثنائي عادي أو إضافة ثنائي ضوئي آخر بالتوازي )
بقلم محمد زكي (عنتر)
