فصل الالكترونيات الحديثة للثانوية العامة

فصل الالكترونيات الحديثة للثانوية العامة

فصل الالكترونيات الحديثة للثانوية العامة

الإلكترونيات هي السمة المميزة لهذا العصر : نسخة ورد فى نهاية الصفحة

(1)          أصبحت الإلكترونيات والاتصالات جزء لا يتجزأ من حياتنا ، فالتلفزيون والتليفون المحمول والكمبيوتر والأقمار الصناعية تعد من وسائل نقل المعلومات أو الثقافة والترفيه.

(2)          أصبحت الإلكترونيات عنصرا أساسيا في الحرب الحديثة لأنها تساعد في عمليات التوجيه والاستطلاع والرصد والتشويش والخداع .

(3)          الإلكترونيات لها دور أساسي في مجال الطب سواء في التشخيص أو المتابعة أو العمليات الجراحية .

(4)          تلعب الإلكترونيات دورا حيويا في جميع مجالات الحياة بدءا من الألعاب الإلكترونية إلي الحرب الإلكترونية .

  E أصل علم الإلكترونيات : علم الإلكترونيات مبني علي سلوك الإلكترون .

-           أحوال الإلكترون : هناك حالتان للإلكترون :

(1)     الإلكترون الحر : كما في حالة الإلكترون المتحرك في أنبوبة التلفزيون ( أنبوبة أشعة الكاثود)  ، ويخضع الألكترون في حركته هذه للفيزياء الكلاسيكية.

(2)     الإلكترون المقيد : وهو يخضع للفيزياء الكمية ، وقد يتم تقييد الإلكترون داخل ذرة أو جزئ أو في جسم المادة .

  E أحوال المادة : توجد المواد في أربع صور :

(1) الحالة الصلبة .       (2) السائلة .             (3) الغازية .

(4) البلازما : حيث تكون الغازات متأينة كما في مصباح الفلورسنت ، وتتكون المادة في كل صورة من جزيئات .

E المسافة بين الجزيئات : أهم ما يميز حالات المادة عن بعضها هو المسافة بين الجزيئات فمثلا :

(أ‌)              الحالة الصلبة (الجامدة) :

(1)       تكون المسافات صغيرة بين الجزيئات لأن ذرات المادة تتقارب مع بعضها إلي مسافة معينة بفعل قوي التجاذب بينها .

(2)       إذا تقاربت الذرات أكثر من ذلك تظهر قوي التنافر لتمنع هذا التقارب .

(3)       أي أن المسافة البينية بين الذرات تمثل نقطة الاتزان بين قوي التجاذب وقوي التنافر بين الذرات .

(ب‌)        الحالة الغازية : تكون المسافات كبيرة بين الجزيئات .

(ت‌)        الحالة السائلة : تكون المسافة بين الجزيئات وسطا بين الحالة الصلبة والغازية .

E حركة الذرات داخل المادة  :

(1)     تتذبذب الذرات حول مواضع اتزانها بفعل الحرارة ولكن يفصل بينها فراغ .

(2)     لا يمكن رؤية هذه الفراغات بالعين المجردة لأن المسافات البينية أصغر بكثير من الطول الموجي لفوتونات الضوء المرئي الذي تحس به العين .

    

E الإلكترون داخل الذرة :

(1)  الإلكترون داخل الذرة يعتبر مقيدا فلا يستطيع مغادرتها من تلقاء نفسه بل يحتاج إلي طاقة خارجية لتحرره وتسمي هذه الطاقة ( طاقة التأين) .

(2)  طاقة الإلكترون داخل الذرة أقل من طاقته وهو حر ، وهذا هو السبب في بقائه داخل الذرة ، ويسمي فرق الطاقة (طاقة الربط) ، وهذا هو سر إستقرار الذرة

(3)  الإلكترون داخل الذرة له طاقة متقطعة القيمة حسب نموذج بور فهو يشغل واحدا من مستويات الطاقة المسموح بها ، ولا يمكنه أن يحصل علي قيمة طاقة تقع بين هذه المستويات .

(4)  يربط الإلكترون بالنواة قوة تجاذب كهربية ، ويحكم الإلكترون داخل الذرة ميكانيكا الكم .

-  طاقة التأين : هي مقدار الطاقة الخارجية اللازمة لتحرير الإلكترون ومغادرة الذرة .

-  طاقة الربط : هي الفرق بين طاقة التأين وطاقة الإلكترون المقيد ، وهي سبب استقرار الذرة .

E تفسير بقاء الإلكترون مقيدا داخل الذرة :

    اذا كان الإلكترون يشغل مستوي طاقة معين فإنه لا يفقد الطاقة أو يكتسبها ، وعلي ذلك فإن احتمال سقط الإلكترون علي النواة أو وجوده في مالانهاية = صفر ، وهذا يفسر بقاء الإلكترون مقيدا داخل الذرة .

E انتقال الإلكترونات بين مستويات الطاقة :

(1)    كلما ابتعد مستوي الطاقة عن نواة الذرة زادت طاقته .

(2)    كلما زادت قيمة مستوي الطاقة يقل احتمال تواجد الإلكترون فيه .

(3)    إذا اكتسب إلكترون طاقة عن طريق امتصاص فوتون فإنه ينتقل إلي مستوي أعلي (عملية الإستثارة ).

(4)    إذا عاد الإلكترون إلي المستوي الأول فإنه يفقد الطاقة التي سبق اكتسابها علي هيئة فوتون (عملية استرخاء) .

(5)    هناك عملية اتزان مستمرة بين (عملية الاستثارة) و(عملية الاسترخاء) وهي عملية الرجوع إلي المستوي الأدني .

أشباه الموصلات النقية

{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{

q الجوامد من حيث قدرتها علي توصيل التيار الكهربي : تنقسم إلي ثلاثة أقسام :

(1)     الموصلات : وهي مواد جيدة التوصيل للكهربية والحرارة لوفرة الإلكترونات الحرة بها : مثل المعادن والفضة والنحاس والحديد والرصاص .

(2)     العوازل : وهي مواد رديئة التوصيل للكهربية والحرارة لندرة الإلكترونات الحرة بها ، مثل الزجاج والبورسلين والخشب والبلاستيك .

(3)     أشباه الموصلات : وهي مواد ليست جيدة التوصيل كما أنها ليست رديئة التوصيل في درجات الحرارة العادية أي أنها مرحلة متوسطة وتزداد فيها التوصيلية بزيادة درجة الحرارة ، مثل الجرمانيوم والسليكون .

-        أنواع أشباه الموصلات : يوجد منها نوعين :

(1)          شبه موصل نقي .

(2)  شبه موصل غير نقي .                     

أشباه الموصلات النقية

{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{

 

-   بللورة السليكون النقية : يدخل السليكون في تركيب الرمل وصخور القشرة الأرضية .

(1)       تتركب ذرة السليكون من نواة تحتوي علي 14 بروتون ويحيط بها ثلاث مستويات للطاقة يحتوي الأول منها علي 2 إلكترون والثاني علي 8 إلكترونات ويوجد بالقشرة الخارجية أي بمستوي الطاقة الأخير 4 إلكترونات ، أي أن ذرة السليكون رباعية التكافؤ ( وكذلك ذرة الجرمانيوم ) .

(2)       ترتبط ذرات السليكون مع بعضها البعض مكونة بللورات ويتم ذلك بأن ترتبط كل ذرة من ذرات السليكون مع أربع ذرات مجاورة بروابط تساهمية ( تكافئية ) وبذلك تحتوي القشرة الخارجية لكل ذرة سليكون علي ثمانية إلكترونات بالمشاركة .

(3)       في درجات الحرارة المنخفضة تكون جميع الروابط سليمة وتكون الإلكترونات شديدة التماسك بذراتها فيصعب فك هذا التماسك ولا توجد إلكترونات حرة لذا تكون بللورات السليكون أو الجرمانيوم عازلة وخاصة في درجة الصفر كلفن .

-        أنواع الإلكترونات في ذرة السليكون : يوجد بالذرة نوعان من الإلكترونات

(1)          إلكترونات المستويات الداخلية : وهي مرتبطة بشدة وترتبط جذبا بالنواة .

(2)          إلكترونات التكافؤ: وتوجد بالقشرة الخارجية ، ولها حرية حركة أكبر في المسافات البينية .

-        العوامل التي تؤثر في التوصيلية الكهربية لبللورة الجرمانيوم : تتميز أشباه الموصلات بحساسيتها الشديدة للحرارة وكذلك للشوائب لذا يمكن زيادة درجة التوصيل الكهربي لبللورة السليكون بطريقيتين :

(1)          رفع درجة حرارة البللورة .

(2)          إضافة شوائب إلي البللورة النقية (التطعيم) .

q أولا : رفع درجة الحرارة :

(أ‌)   عند رفع درجة حرارة السليكون تصبح الطاقة الحرارية كافية لكسر بعض الروابط فتتحرر بعض الإلكترونات وتصبح إلكترونات حرة ، وتصبح البللورة موصلة للكهربية ، أي أن أشباه الموصلات تتميز بزيادة التوصيلية الكهربية لها بارتفاع درجة الحرارة .

(ب‌)           يترك الإلكترون الذي تحرر في مكانه فراغا في الرابطة المكسورة يسمي

     ( الفجوة ) تظهر فيها شحنة موجبة .

(ج)   كلما زادت درجة الحرارة زاد عدد الإلكترونات الحرة وعدد الفجوات الموجبة حتي تصل البللورة إلي حالة اتزان حراري وعندها يتساوي عدد الروابط المكسورة في الثانية مع عدد الروابط التي يتم تكوينها في الثانية .

- ملاحظات هامة :

(1) يمكن كسر مزيد من الروابط في بللورات شبه الموصل بزيادة مؤثر خارجي مثل الضوء بشرط أن تكون طاقة الفوتون كافية لكسر الروابط .

(2) الذرة التي كسرت إحدي روابطها لا تسمي أيون موجب لأن الفجوة الموجبة تقتنص إلكترونا جديدا بسرعة من رابطة مجاورة أو من الإلكترونات الحرة فتعود الذرة متعادلة وتنتقل الفجوة إلي رابطة أخري .

q ثانيا : التطعيم : (إضافة شوائب إلي البللورة النقية ) : تزداد درجة التوصيل الكهربي لذرات السليكون بإضافة نسبة قليلة جدا من بعض الشوائب إليها ، وبذلك نحصل علي شبه موصل غير نقي ، وهذه الشوائب نوعين :

(أ‌)     شوائب من عناصر خماسية التكافؤ : مثل الفوسفور P والأنتيمون sb .

(ب‌)        شوائب من عناصر ثلاثية التكافؤ : مثل البورون B والألمونيوم AL .

أشباه الموصلات غير نقية

{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{

-  يمكن الحصول علي نوعين من أشباه الموصلات غير نقية هما :

(1)          شبه الموصل من النوع السالب .

(2)          شبه موصل من النوع الموجب .

q أولا : شبه موصل من النوع السالب (n-type) :

(1)    يحتوي مستوي الطاقة الأخير لذرة الأنتيمون sb أو الفوسفور P أو غيرهما من المجموعة الخامسة علي 5 إلكترونات لأن كلا منهما خماسي التكافؤ.

(2)    إذا أضيف قليل من الأنتيمون أو الفوسفور إلي عنصر السليكون أثناء تصنيع البللورة فإن كل ذرة أنتيمون تشارك بأربع إلكترونات من الإلكترونات الخمسة لترتبط مع أربع ذرات سليكون مجاورة ويصبح الإلكترون الخامس في ذرة الأنتيمون ضعيف الارتباط وتكون الطاقة اللازمة لتحريره صغيرة جدا فيسهل انتقاله داخل البللورة من موضع لأخر ، وعندئذ تصبح البللورة موصلة للكهربية بدرجة أكبر .

(3)    أصبح في البللورة مصدر أخر للإلكترونات وهو ذرات الشوائب ، وعندئذ يكون تركيز الإلكترونات الحرة n  أكبر من تركيز الفجوات الموجبة  P)  P  n >) فإذا فرضنا أن تركيز الأيونات الموجبة للشوائب المعطية = N_D فإن :

تركيز الإلكترونات الحرة n = تركيز الفجوات P + تركيز الشوائب المعطية N_D

أي أن :P + N_D   n = ، لأن مجموع الشحنة الموجبة = مجموع الشحنة السالبة

- ملاحظات :

(1) تسمي مادة الأنتيمون مادة معطية لأنها هي التي تعطي الإلكترونات الحرة السالبة فتصبح ذرات الأنتيمون موجبة التكهرب .

(2) تسمي بللورة السليكون التي تحتوي علي شوائب من الأنتيمون (بللورة من النوع السالب) ويرمز لها بالرمز n-type وذلك لأن التوصيل الكهربي يتم فيها نتيجة حركة الإلكترونات الزائدة خلالها ولأن تركيز الإلكترونات الحرة n أكبر من تركيز الفجوات p .

(3) تكون البللورة من النوع السالب متعادلة كهربية لأن مجموع شحنات الفجوات + الشحنات الزائدة لذرات المعطي (الأنتيمون ) تتعادل مع الشحنات السالبة للإلكترونات المتحررة  . n = p + N_D

q ثانيا : شبه موصل من النوع الموجب (P-type) :

(1)          البورون B والألمونيوم AL والأنديوم عناصر ثلاثية التكافؤ أي يحتوي مستوي الطاقة الخارجي لأي ذرة من ذراتها علي 3 إلكترونات .

(2)          عند تطعيم بللورة السليكون بنسبة قليلة من ذرات البورون مثلا أثناء تصنيع البللورة فإن كل ذرة من ذرات البورون تشترك مع ثلاثة ذرات سليكون ويبقي مكان خالي للإلكترون الناقص يظهر علي شكل فجوة أو ثقب في رابطة السليكون .

(3)          لكي تتماسك البللورة تقتنص ذرة البورون أحد الإلكترونات من رابطة مجاورة ليملأ هذه الفجوة تاركا في مكانه الأصلي فجوة موجبة فتصبح ذرة البورون سالبة .

(4)          تعمل كل فجوة عمل شحنة موجبة تحاول اقتناص إلكترون سالب وعلي ذلك تتحرك الفجوات الموجبة في البللورة في اتجاه عكس اتجاه حركة الإلكترونات ويصبح السليكون في هذه الحالة موصلا للكهربية بدرجة أكبر .

(5)          يلاحظ أن ذرات الشوائب تضيف فجوات موجبة غير الفجوات التي نشأت بفعل الحرارة في البللورة النقية لذا فإن تركيز الفجوات الموجبة P يكون أكبر من تركيز الإلكترونات الحرة n (P>n)  فإذا فرضنا أن تركيز الأيونات السالبة للشوائب = N_A ، فإن تركيز الفجوات الموجبة p = تركيز الإلكترونات الحرة n +_تركيز أيونات الشائبة السالبة N_A أي أن :

P = N_A + n ، حيث يكون مجموع الشحنة الموجبة = مجموع الشحنات السالبة .

-       ملاحظات :

(1)          تسمي بللورة السليكون التي تحتوي علي شوائب من البورون (بللورة من النوع الموجب) ويرمز لها بالرمز p-type وذلك لأن التوصيل الكهربي يتم فيها نتيجة حركة الفجوات الموجبة .

(2)          تسمي مادة البورون التي تقتنص الإلكترونات ( مادة مستقبلة ) .

(3)          تكون البللورة متعادلة كهربيا وذلك لأن الشحنات الموجبة للفجوات تساوي الشحنات السالبة لذرات المادة المتقبلة ( البورون ) + الشحنات السالبة للإلكترونات الحرة P = n + N_A .

قانون فعل الكتلة في أشباه الموصلات

 

(1)       نفرض أن n_i هو تركيز الإلكترونات أو الفجوات في حالة السليكون النقي فإن :

تركيز الإلكترونات الحرة n × تركيز الفجوات الموجبة P = مربع تركيز الإلكترونات أو مربع تركيز الفجوات np = constant   

:. Np = n_i²                                                        

فإذا زادت n تنقص p وبالعكس ، ويسمي هذا القانون ( قانون فعل الكتلة ) .

(2)    يمكن علي سبيل التقريب نقول أنه :

(أ‌)              في حالة n-type : يكون n = N_D

                             :. P =

(ب‌)        في حالة p-type : يكون p = N_A

                             :. n =

المكونات الإلكترونية ( أو النبائط)

{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{

- المكونات أو النبائط الإلكترونية : هي وحدات البناء التي تبني عليها جميع الأنظمة الإلكترونية .

- أنواع المكونات الإلكترونية :

(1) مكونات بسيطة : مثل المقاومة R والمفتاح switch والمكثف C وملف الحث L .

(2) مكونات أكثر تعقيدا : مثل الوصلة الثنائية (الدايود) والترانزستور بأنواعه .

(3) مكونات أو نبائط متخصصة : مثل نبائط التحكم في التيار ونبائط كهروضوئية .

- مميزات النبائط :

(1) تصنع أغلبها من أشباه الموصلات .

(2) تتميز بحساسيتها للعوامل المحيطة بها مثل الضوء والحرارة والضغط والتلوث الذري والكيميائي وغيرها .

(3) تستخدم النبائط كمحسات أي كوسائل قياس لهذه العوامل .

الوصلة الثنائية

 

(1)            تتكون الوصلة الثنائية pn من جزئية أحدها من النوع n-type والأخر من النوع p-type ففي هذه الحالة فإن الفجوات في p-type (وهي ذات تركيز عال) تنتشر إلي منطقة n-type حيث أن تركيز الفجوات بها قليل ، وكذلك الإلكترونات في منطقة n-type ذات التركيز العالي تنتشر في منطقة p-type ذات التركيز المنخفض بالنسبة للإلكترونات .

(2)            لذا ينشأ تيار انتشار يدفع الفجوات من منطقة p إلي منطقة n وتيار يدفع الإلكترونات من منطقة n إلي منطقة p .

(3)             ولما كانت كل منطقة علي حدة متعادلة (بسبب تعادل الشحنات الموجبة والشحنات السالبة في كل منطقة علي حدة ) فإن هجرة الكترونات من منطقة n-type من شأنه أن يكشف جزءا من الأيونات الموجبة دون غطاء يعادلها من الإلكترونات ، وكذلك فإن هجرة فجوات من منطقة p-type من شأنه كشف جزء من الأيونات السالبة دون غطاء يعادلها من الفجوات .

(4)            ينتج عن ذلك منطقة خالية من الإلكترونات والفجوات تكون بها أيونات موجبة في ناحية وأيونات سالبة في ناحية أخري تسمي المنطقة الفاصلة ( المنطقة القاحلة) .

(5)            ينشأ في هذه المنطقة مجال كهربي يتجه من الأيونات الموجبة إلي الأيونات السالبة ويتسبب في دفع تيار يسمي ( تيارا انسيابيا) في اتجاه عكس اتجاه تيار الانتشار .

(6)            وفي حالة الاتزان يتزن التيار في الاتجاه الأمامي مع التيار في الاتجاه العكسي لتكون المحصلة صفرا .

{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{

توصيل الوصلة الثنائية في الدوائر الكهربية ( أي بجهد خارجي )

 

q أولا : طريقة التوصيل العكسي : توصل البللورة الموجبة P بالطرف السالب للمصدر (البطارية) وتوصل البللورة السالبة n بالطرف الموجب ويحدث الأتي :

(1)     تنجذب الالكترونات الحرة الموجودة في البللورة السالبة نحو القطب الموجب للمصدر وبذلك تبتعد عن السطح الفاصل .

(2)     تنجذب الفجوات الموجبة في البللورة الموجبة نحو القطب السالب للمصدر وبذلك تبتعد عن السطح الفاصل .

(3)     تتسع المنطقة الفاصلة الخالية من حاملات الشحنة ويزداد الجهد الحاجز تدريجيا حتي يقترب من جهد البطارية .

(4)     يكون المجال الناشي عن البطارية في نفس اتجاه المجال الداخلي في المنطقة الانتقالية ويزداد الجهد العائق وبذلك لا تسمح البللورة إلا بمرور تيار كهربي ضئيل جدا خلال الوصلة الثنائية .

-         ملاحظة : في طريقة التوصيل العكسي تكون مقاومة الوصلة الثنائية كبيرة جدا .

q ثانيا : طريقة التوصيل الأمامي : يوصل طرف البللورة p بالطرف الموجب لمصدر كهربي (بطارية) ويوصل طرف البللورة n بالطرف السالب فيحدث الأتي :

(1)     تتنافر بعض الإلكترونات الحرة في البللورة السالبة مع القطب السالب للبطارية وتتحرك مقتربة من المنطقة الفاصلة .

(2)     تتنافر الفجوات الموجبة في البللورة الموجبة مع القطب الموجب للبطارية مقتربة من المنطقة الفاصلة وبذلك يقل الجهد الحاجز.

(3)     يكون المجال الناشئ عن البطارية عكس اتجاه المجال الداخلي في المنطقة الداخلية فيضعفه .

(4)     تعبر الإلكترونات المنطقة الفاصلة لتملأ الفجوات الموجبة فيمر في الوصلة الثنائية تيار كبير نسبيا .

-      ملاحظة : في التوصيل الأمامي تكون مقاومة البللورة الثنائية صغيرة جدا .

q ملاحظات هامة :

(1)            تسمي البللورة الثنائية (n – P ) دايود .

(2)            الوصلة الثنائية توصل التيار بسهولة في اتجاه (عندما يكون التوصيل أمامي) وتمنعه تقريبا في الاتجاه العكسي وعندما يكون التوصيل عكسي .

(3)            يمكن تشبيه عمل الوصلة الثنائية بمفتاح :

-         عندما يكون التوصيل أمامي يمر التيار كما لو كان المفتاح مغلقا on .

-         عندما يكون التوصيل عكسي لا يمر التيار تقريبا كما لو كان المفتاح مفتوحا OFF .

   q استخدام الوصلة الثنائية في تقويم التيار المتردد :

(1)            الوصلة الثنائية تبدي مقاومة صغيرة جدا عندما يكون التوصيل أمامي فتسمح بمرور التيار الكهربي ، بينما تكون مقاومتها كبيرة جدا عندما يكون التوصيل عكسيا فلا تسمح بمرور التيار الكهربي تقريبا .

(2)            إذا وصل طرفا الوصلة الثنائية بمصدر تيار متردد فإنها تسمح فقط لأنصاف الذبذبات بالمرور عندما يكون جهد البللورة الموجبة موجبا وجهد البللورة السالبة سالبا ( توصيل أمامي) وبذلك يمر التيار الكهربي في الدائرة في اتجاه واحد ، أي أنه يصبح مقوما تقويما نصف موجيا ويصبح الطرف (أ) موجبا والطرف (ب) سالبا .

q مميزات الوصلة الثنائية :

(1)            لا يحتاج لتشغيله إلا لمصدر كهربي واحد منخفض الجهد .

(2)            يمكن إدماجه بسهولة في توصيلات الأسلاك .

(3)            المقوم البللوري صغير الحجم وخفيف الوزن .

الترانزيستور

{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{

-  تم اكتشاف الترانزيستور بواسطة مجموعة من العلماء هم باردين ، شوكلي ، براتين .

- تركيبه : الترانزستور عبارة عن وصلة ثلاثية من بللورة السليكون تحتوي علي :

(1) بللورة رقيقة جدا من النوع الموجب أو السالب تسمي القاعدة B وتوجد في الوسط .

(2) الباعث E :تتميز بصغر مساحة سطحها ووفرة الشوائب نسبيا .

(3) المجمع C : تتميز بكبر مساحة سطحها وقلة الشوائب .

- أنواع الترانزستور : يوجد نوعان من الترانزستور هما :

(1) ترانزستور pnp : وفيه تكون القاعدة من النوع السالب n بينما الباعث والمجمع من النوع الموجب p.

(2) ترانزستور npn : وفيه تكون القاعدة من النوع الموجب p بينما الباعث والمجمع من النوع السالب n .

- ملاحظة : لا تختلف فكرة عمل الترانزستور من النوع pnp عن فكرة عمل الترانزستور npn إلا أن الفجوات هي التي تلعب نفس الدور بدلا من الإلكترونات .

- مميزات الترانزستور :

(1) صغر الحجم وخفة الوزن ورخص الثمن .

(2) يخدم لمدة طويلة .

(3) يستخدم لتشغيله جهود كهربية صغيرة .

- ملاحظة :

لا يستخد الترانزيستور في تكبير شدة التيار لأن I_C = I_e ( تيار المجمع = تيار الباعث) .                                             

qمرور التيار الكهربي في الترانزيستور من النوع npn  :

(1)   تنطلق الإلكترونات من الباعث السالب n إلي القاعدة p حيث تنتشر بعض الوقت إلي أن يتلقفها المجمع n الموجب .

(2)   ولأن الإلكترونات تنتشر في قاعدة مليئة بالفجوات فإن عملية الإلتئام التي تتم في القاعدة تستهلك نسبة من هذه الإلكترونات .

(3)   فإذا كان تيار الإلكترونات المنطلق من الباعث هو I_E فإن ما يصل إلي المجمع I_C هو

 I_C = α_eI_E .

(4)            وما يستهلك في القاعدة هو I_B = (1 - α_e) I_E ، وهذا الجزء لابد أن يعوضه التيار في سلك القاعدة ولذلك فإن نسبة تيار المجمع إلي تيار القاعدة ويسمي β_e هي :

β_e =  =  =

حيث α_e هي نسبة ما يصل من تيار الباعث إلي المجمع .

(5)            ولأن عرض القاعدة صغير جدا فلا تفقد نسبة كبيرة من الفجوات فيها أي أن α_e قريبة من الواحد الصحيح ولذلك فإن β_e كبيرة جدا ، أي أنه إذا وضعت إشارة كهربية صغيرة (مثلا الخرج من ميكروفون) في تيار القاعدة فإنه يظهر تأثيرها مكبرا في تيار المجمع ، وهذه هي الفكرة الأساسية في همل الترانزستور كمكبر ، وهذا ما يسمي فعل الترانزستور .

الترانزستور كمفتاح

{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{

(1)            يوصل الترانزستور بالدائرة الكهربية بحيث يكون الباعث مشتركا بين المجمع والقاعدة فإذا كان :

-         V_CC هو جهد البطارية في دائرة المجمع .

-         V_CE هو فرق الجهد بين المجمع والباعث .

-         I_C شدة تيار المجمع ، R_C المقاومة ، وعندئذ يكون :

فرق جهد البطارية = فرق الجهد بين المجمع والباعث + فرق الجهد بين طرفي المقاومة R_C ، أي أن :

V_CC = V_CE + I_C R_C                                 

(2)            في المعادلة السابقة نلاحظ أنه : كلما زادت قيمة I_C تقل V_CE حتي تصل إلي أقل قيمة لها حوالي 0.2V عندما يكون تيار القاعدة كبيرا .

(3)            اذا اعتبرنا القاعدة هي الدخل والمجمع هو الخرج والباعث مشترك ( متصل بجهده الأرضي) فإن سلوك الترانزستور كمفتاح يتم علي النحو الأتي :

(أ‌)               إذا أعطينا القاعدة جهدا موجبا : يسري التيار في المجمع I_C ويكون كبيرا وتزداد قيمة I_CR_C وعندئذ يكون فرق الجهد بين الباعث والمجمع V_CE صغيرا أي يكون الخرج صغيرا كما لو كان المفتاح مغلقا في وضع ON.

(ب‌)          إذا أعطينا القاغدة جهدا صغيرا أو سالبا : ينقطع التيار في المجمع I_C ويصبح فرق الجهد بين الباعث والمجمع V_CE كبيرا أي يكون الخرج كبيرا كما لو كان المفتاح مفتوحا أي في وضع OFF .

-         ملاحظة : يلاحظ مما سبق أن :

(1)            اذا كان الدخل كبيرا فإن الخرج يكون صغيرا .

(2)            وإذا كان الدخل صغيرا فإن الخرج يكون كبيرا أي أن العلاقة بينهما عكسية ، وتسمي هذه النبطية ( عاكس ).

الإلكترونيات الرقمية

{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{

-         الإشارات في الأجهزة الإلكترونية : تعمل الأجهزة الإلكترونية علي تحويل الكميات الطبيعية إلي إشارات كهربية مثل :

(1)            تحويل الصوت إلي إشارات كهربية كما في الميكروفون .

(2)            تحويل الصوت إلي إشارات كهربية كما في أجهزة الإرسال التلفزيوني أو كاميرات الفيديو .

(3)            في أجهزة الإرسال يتم تحويل الصوت أو الصورة إلي إشارات كهربية ثم إلي إشارات كهرومغناطيسية.

(4)            في أجهزة الاستقبال يعمل الهوائي علي تحويل الإشارات الكهرومغناطيسية إلي إشارات كهربية ثم تعمل أجهزة الاستقبال علي تحويلها إلي صوت أو صورة .

q أنواع الإلكترونيات :

(1)     الإلكترونيات التناظرية : هي التي تتعامل مع الكميات الطبيعية كما هي حيث تأخذ الكميات أي قيمة مثل الأرقام العشرية 1,2,3.

(2)     الإلكترونيات الرقمية :

-         هي التي تتعامل مع الكميات الطبيعية بعد تحويلها إلي شفرة غير متصلة والأساس في هذه الشفرة هي مرتفع أو منخفض فالكود 0  يمثل منطق منخفض ، والكود 1 يمثل منطق مرتفع .

-         يتم تشفير كل عدد أو حرف أو جزء من صورة بالمحول التناظري الرقمي في جهاز الإرسال أو التخزين كما يقوم المحول الرقمي التناظري في المستقبل بعكس ذلك حيث يحول الرقمي إلي تناظري .

q أهم ما يميز الإلكترونيات الرقمية عن الإلكترونيات التناظرية :

(1)            التخلص من الإشارات الكهربية الغير منتظمة والغير مفيدة مثل الضوضاء الكهربية التي تعمل علي التشويش .

(2)            التخلص من التداخل بين الإشارات العشوائية وإشارة المعلومة والتي تعمل علي تشويش الإشارة الأصلية مثل ظهور نقط بيضاء أو سوداء علي الصورة في شاشة التلفزيون .

q أهم استخدامات الإلكترونيات الرقمية :

(1)            التليفون المحمول .

(2)            القنوات الفضائية الرقمية .

(3)            أقراص الليزر CD .

(4)            أجهزة الكمبيوتر المبنية علي الالكترونيات الرقمية :

-         كل ما يدخل فيه سواء أعداد أو حروف يتحول إلي شفرات ثنائية .

-         تتجزأ الصور إلي عناصر صغيرة تسمي pixels تحول أيضا إلي شفرة .

-         يقوم الكمبيوتر بجميع العمليات الحسابية باستخدام الجبر الثنائي .

-         يقوم بتخزين المعلومات في الذاكرة المؤقتة RAM أو الذاكرة المستديمة مثل القرص الصلب علي شكل مغنطة في اتجاه معين وهي تدل عي 0 والمغنطة في اتجاه مضاد وهي تدل علي 1 .         

البوابات المنطقية

{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{

-      هي أجزاء من الدوائر الالكترونية للأجهزة الحديثة تقوم بالعمليات المنطقية علي الإشارات الرقمية (المبنية علي الجبر الثنائي) 0,1 مثل العكس NOT ، أو التوافق AND .

(1)            بوابة العاكس NOT : لها مدخل واحد ومخرج واحد

-         أي أنه إذا كان الدخل I يصبح الخرج 0 وعندما يكون الدخل 0 يصبح الخرج 1 وعملها يماثل عمل المفتاح في الدائرة يضئ المصباح عند فتح المفتاح ولا يضئ عند غلقه .

(2)             بوابة التوافق AND : لها مدخلان ومخرج واحد ولا يمكن أن يوجد خرج إلا اذا اتفق الدخلان علي نفس القيمة ( 1,1) وعملها يماثل عمل مفتاحين علي التوالي في الدائرة .

(3)            بوابة الاختيار OR : لها مدخلان ومخرج واحد ولابد من وجود 1 علي الدخلين ليصبح الخرج 1 وعملها يماثل عمل مفتاحين علي التوازي في الدائرة .

{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{

q أهم استخدامات الترانزستور :

(1)            بجانب استخدام الترانزستور كمكبر يمكن استخدامه في :

-         البوابات المنطقية : وفي هذه الحالة يتم توظيف الترانزستور ليعمل كمفتاح وليس كمكبرا كالأتي :

(أ‌)      بوابة عاكس NOT .

(ب‌)بوابة توافق AND وفيها نستخدم ترانزستور له أكثر من باعث ، وعندما يكون جهد كل باعث موجب أي 1  يعمل علي توصيل التيار .

(ت‌)بوابة اختيار OR وذلك عندما نستخدم زوج من الترانزستور علي التوازي فإذ توفر علي باعث أحدهما جهد موجب أي 1 يكفي ذلك لتوصيل التيار .

(2)            صنع دوائر الذاكرة :

(أ‌)               الذاكرة المؤقتة : وفيها يتم الاحتفاظ بالرقم 0 أو الرقم 1 حتي يزول التيار فيزول ما تم تخزينه .

(ب‌)          تخزين البيانات علي القرص الصلب : وفيها يتم تسجيل الشفرات علي قرص بلاستيك بواسطة شعاع ليزر حيث تمثل الحفرة الرمز 1 وعدم الحفرة الرمز 0 وتسمي هذه العملية بالكتابة .

(ت‌)          قارئة الليزر : وفيها يتم الاستدلال علي الرموز 0 ,1 التي تم حفرها علي القرص الصلب بواسطة شعاع ليزر ليتم قراءة المعلومات (الأغنية أو الفيلم ) مرة أخري .

(ث‌)          الكاميرات الرقمية : وفيها تتحول الصور إلي اشارات رقمية يتم ارسالها قطعة قطعة ويتم تسجيلها علي شريط صغير ممغنط ثم يتم تحميلها علي الكمبيوتر .

الدوائر الإلكترونية

{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{

-      الدوائر الالكترونية : الأنظمة الالكترونية التناظرية أو الرقمية تتكون من مكونات إلكترونية تشكل مسارا مغلقا يسمي دائرة .

-      أنواع المكونات الإلكترونية :

(1)            مكونات غير فعالة : مثل المقاومة والدايود وملف الحث والمكثف .

(2)            مكونات فعالة : لها إمكانية التكبير مثل الترانزستور أو متخصصة مثل الخلايا الكهروضوئية .

-         وهذه المكونات يمكن أن تكون علي هيئة :

(1)            دوائر منفصلة : يتم لحام مكوناتها الأساسية معا أو كل علي حدة .

(2)            دوائر متكاملة : حيث تجمع كل المكونات فوق شريحة رقيقة من السيليكون يحدد عليها أماكن تلك المكونات .

-         يمكن أن تتكرر نفس الوحدات علي شريحة السليكون ويتم تقطيعها إلي شرائح صغيرة كل منها تحمل نفس الخصائص والمواصفات كما يمكن تصميمها وعليها كل المكونات اللازمة مثل اللوحة الأم في الكمبيوتر وبها كل من المشغل والذاكرة المؤقتة RAM .

-         أدخلت الدوائر المتكاملة في الطب للتشخيص والعلاج في أجهزة القياس .

q لعمل دايود : نبدأ بشريحة n –type ويتم عمل انتشار ذرات p-type في منطقة محدودة من الشريحة فيما يعرف بالانتشار الانتقائي .

q لعمل ترانزستور npn : يتم عمل ثغرة في منطقة np السابق تكوينها لتسمح بانتشار ذرات n وهي عملية كيميائية طويلة يستخدم فيها قناع وضوء وهي أشبه بعملية الطباعة .

q التصغير إلي أين :

-         بعد ظهور الترانزستور والدوائر المتكاملة أدي ذلك إلي ظهور الحاسب الشخصي .

-         يتم التطوير الدائم في الأجهزة حتي نعمل علي :

(1)            زيادة السعة .

(2)            زيادة السرعة .

(3)            زيادة قدرة الجهاز.

(4)            انقاص حجمه ووزنه وتكلفته .

q قانون مور :

    السعة والسرعة للكمبيوتر يتضاعفان كل ثمانية عشر شهرا .

- التكامل البسيط : عند احتواء شريحة لها مساحة رأس الدبوس علي 100 ترانزستور .

- التكامل المتوسط : عند احتواء هذه الشريحة علي 1000 ترانزستور .

- التكامل الكبير : عند احتواء الشريحة علي 10000 ترانزستور

- التكامل الكبير جدا : عندما تحتوي هذه الشريحة علي 100000  ترانزستور .

- التكامل الفائق : وصل عدد ما تحتويه هذه الشريحة 3×10⁸  ترانزستور .

q الصعوبات التي تقف في طريق التصغير :

من أهم تلك الصعوبات هي حيود الضوء لأنه عندما تكون الأبعاد مقاربة للطول الموجي λ للضوء تظهر ظاهرة الحيود لكن رغم ذلك فإننا نتجه إلي مستوي الذرة حيث :

- يمكن أن تخزن 0 ,1 علي شكل إلكترون .

0 للمستوي الأرضي له ، 1 لمستوي الإثارة أو 0 لدورانه حول نفسه مغزليا ، 1 لدورانه مغزليا في الاتجاه المضاد ، وهو ما يعرف بعلم الكمبيوتر الكمي 

فصل الالكترونيات الحديثة للثانوية العامة