كيف تعمل الإلكترونيات

أساسيات أشباه الموصلات

نظرة عامة

أصبحت التكنولوجيا الحديثة ممكنة بفضل فئة من المواد تسمى أشباه الموصلات. جميع المكونات النشطة ، والدوائر المتكاملة ، والرقائق الصغيرة ، والترانزستورات ، وكذلك العديد من أجهزة الاستشعار مبنية بمواد شبه موصلة. في حين أن السيليكون هو أكثر المواد شبه الموصلة استخداماً وأفضل استخداماً في مجال الإلكترونيات ، إلا أنه يتم استخدام مجموعة واسعة من أشباه الموصلات بما في ذلك الجرمانيوم ، وأرسينيد الجاليوم ، وكربيد السليكون ، وكذلك أشباه الموصلات العضوية. كل مادة تجلب مزايا معينة للجدول مثل نسبة التكلفة / الأداء ، والتشغيل عالي السرعة ، ودرجة الحرارة العالية ، أو الاستجابة المرغوبة للإشارة.

أشباه الموصلات

ما يجعل أشباه الموصلات مفيدة للغاية هي القدرة على التحكم بدقة في خصائصها الكهربائية وسلوكها أثناء عملية التصنيع. يتم التحكم في خصائص أشباه الموصلات عن طريق إضافة كميات صغيرة من الشوائب في أشباه الموصلات من خلال عملية تسمى doping ، مع الشوائب المختلفة وتركيزات تنتج تأثيرات مختلفة. من خلال التحكم في المنشطات ، يمكن التحكم في الطريقة التي يتحرك بها تيار كهربائي عبر أشباه الموصلات.

في الموصل النموذجي ، مثل النحاس ، تحمل الإلكترونات التيار وتعمل كحامل شحن. في أشباه الموصلات ، يعمل كل من الإلكترون و "الثقوب" ، غياب الإلكترون ، بمثابة ناقلات الشحنة. من خلال التحكم في منشطات أشباه الموصلات ، يمكن تكييف الموصلية ، وشاحن الشحنة ليتم إما الإلكترون أو الثقب.

هناك نوعان من المنشطات ، N-type ، و P-type. تحتوي الدوبوتات من النمط N ، عادة الفوسفور أو الزرنيخ ، على خمسة إلكترونات ، والتي عند إضافتها إلى أشباه الموصلات توفر إلكترونًا حرًا إضافيًا. بما أن الإلكترونات لها شحنة سالبة ، فإن المادة المشبعة بهذه الطريقة تسمى N-type. فالمشتقات من النوع P ، مثل البورون والجاليوم ، لها ثلاثة إلكترونات فقط مما يؤدي إلى عدم وجود إلكترون في بلورة أشباه الموصلات ، مما يؤدي إلى خلق ثقب أو شحنة موجبة بشكل فعال ، ومن هنا يكون اسم P-type. إن كل من الدوبنتس من النوعين N و P- ، حتى في الكميات الدقيقة ، سيجعل أشباه الموصلات موصلًا محترمًا. ومع ذلك ، فإن أشباه الموصلات من النوعين N و P ليست فريدة في حد ذاتها ، كونها مجرد موصلات لائقة. ومع ذلك ، عندما تضعهم على اتصال مع بعضهم البعض ، وتشكيل تقاطع PN ، تحصل على بعض السلوكيات مختلفة جدا ومفيدة للغاية.

PN Junction Diode

لا يعمل تقاطع PN ، على عكس كل مادة على حدة ، مثل موصل. وبدلاً من السماح بتدفق التيار في أي من الاتجاهين ، يسمح تقاطع PN بتدفق التيار في اتجاه واحد فقط ، مما يؤدي إلى إنشاء صمام ثنائي أساسي. ويساعد استخدام فولتية عبر تقاطع PN في اتجاه الأمام (تحيز للأمام) في دمج الإلكترونات في منطقة N-type مع الثقوب في منطقة P-type. إن محاولة عكس تدفق التيار (التحيز العكسي) من خلال الصمام الثنائي يدفع الإلكترونات والثقوب إلى بعضها ، مما يمنع التيار من التدفق عبر التقاطع. الجمع بين تقاطعات PN بطرق أخرى يفتح الأبواب لمكونات أشباه الموصلات الأخرى ، مثل الترانزستور.

الترانزستورات

يرصد الترانزستور الأساسي من مزيج من تقاطع ثلاث مواد من النوعين N و P وليس من النوعين المستخدمان في الصمام الثنائي. ويؤدي الجمع بين هذه المواد إلى ترانزستورات NPN و PNP المعروفة باسم ترانزستورات الوصلات ثنائية القطب أو BJTs. يسمح المركز أو القاعدة ، المنطقة BJT للترانزستور بالعمل كمحول أو مكبر للصوت.

في حين أن ترانزستورات NPN و PNP قد تبدو وكأنها ثنائيات ثنائية موضوعة إلى الخلف ، مما يمنع كل تيار من التدفق في أي اتجاه. عندما تكون الطبقة الوسطى متحيزة للأمام بحيث يتدفق تيار صغير عبر الطبقة المركزية ، تتغير خصائص الصمام الثنائي المشكل مع الطبقة المركزية للسماح بتدفق تيار أكبر بكثير عبر الجهاز بأكمله. يعطي هذا السلوك الترانزستور القدرة على تضخيم التيارات الصغيرة والعمل كمفتاح تشغيل مصدر حالي أو إيقاف تشغيله.

يمكن إجراء مجموعة متنوعة من أنواع الترانزستورات وغيرها من أجهزة أشباه الموصلات من خلال الجمع بين تقاطعات PN بعدة طرق ، من الترانزستورات الوظيفية المتقدمة والخاصة إلى الصمامات المتحكم فيها. ما يلي سوى عدد قليل من المكونات المصنوعة من مجموعات دقيقة من تقاطعات PN.

• مدينة دبي الأكاديمية العالمية
• ديود ليزر
• الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)
• زينر ديود
• دارلينجتون الترانزستور
• الترانزستور ذو التأثير الميداني ، بما في ذلك الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET)
• الترانزستور IGBT
• مقوم سيليكون مضبوط (SCR)
• الدائرة المتكاملة (ICs)
• الصغري
• الذاكرة الرقمية - ذاكرة الوصول العشوائي و ROM

أجهزة الاستشعار

بالإضافة إلى التحكم الحالي الذي تسمح به أشباه الموصلات ، فإن لها أيضًا خصائص تجعل من المستشعرات الفعالة. يمكن أن تكون حساسة للتغيرات في درجة الحرارة والضغط والضوء. التغير في المقاومة هو النوع الأكثر شيوعًا للاستجابة لمستشعر شبه موصل. وهناك عدد قليل من أنواع أجهزة الاستشعار التي أمكن تحقيقها بواسطة خصائص أشباه الموصلات مدرجة أدناه.

• مستشعر تأثير القاعة (مستشعر المجال المغناطيسي)
• الثرمستور (مستشعر درجة الحرارة المقاوم)
• CCD / CMOS (مستشعر الصورة)
• Photodiode (مستشعر الضوء)
• Photoresistor (مستشعر الضوء)
• Piezoresistive (أجهزة استشعار الضغط / الإجهاد)