الاثنين، 14 مارس، 2016

أسس الهندسة الإلكترونية | المحاضرة الأولى | قسم هندسة الحواسيب والأتمتة - جامعة دمشق


المحاضرة الأولى :

Semiconductor 



- مقدمة : 

هي عبارة عن عناصر موجودة في الطبيعة " شأنها شأن العناصر الاخرى : النحاس , الحديد , الكربون ,, " , ما يميز هذه العناصر أنها في حالتها النقية تكون ناقليتا وسط بين الناقلية الكهربائية للوعازل و الناقلية الكهربائية للنواقل , تتأثر بدرجة الحرارة حيث : تزداد ناقليتا بزدياد درجة الحرارة و تنقص بنقصانها , و تكون عازلة في درجة الصفر المطلق .


خطأ شائع : الديود و الترانزستور ليسا انصاف نواقل ! حيث ان الديود هو عنصر إلكتروني مصنوع من انصاف نواقل .



- البنية البلورية للعناصر : 

تتألف أي مادة بشكل اساسي من بلورات و هذه البلورات عبارة عن توضع الذرات في المادة وفق شكل هندسي فراغي معين .


-  تصنيف العناصر من حيث الناقلية الكهربائية تبعاً للبنية البلوية : 


  • النواقل المعدنية : 
    ناقليتها عالية , يعني أن الالكترونات في ( مدار التكافؤ )* تكون عديمة الإرتباط بالذرة فهي تسبح في فضاء الشبكة البلورية للمادة دون أن تكون مرتبطة بأي من ذرات المادة ,  بالتالي تطبيق أي فرق كمون على طرفي المادة ينظم حركة الالكترونات في إتجاه واحد مما يؤدي إلى ظهور حادثة الناقلية حيث : كثافة الإلكترونات الحرة تشير إلى الناقلية العالية للعناصر .


    ** إلكترونات المدار الاخير ( مدار التكافؤ ) هي التي تساهم في عملية نقل التيار الكهربائي .
  • العوازل :
    في الظروف الطبيعية لا يتوفر أي الكترون حر في هذة المادة حيث أن مهما منحنا هذة المادة طاقة فلن يتحرر أي إلكترون إلى فضاء الشبكة البلورية و بالتالي مهما كان فرق الكمون المطبق عالي لا يوجد أثر للناقلية الكهربائية .
  • أنصاف النواقل :
    الجرمانيوم , السيلكون هما المادتان النصف ناقلتان الأكثر استخداماً في صناعة العناصر الإلكترونية
    - نلاحظ أن أنصاف النواقل تملك أربع إلكترونات على المدار الأخير "هذه الإلكترونات في درجة حرارة الصفر لمطلق " , تكرون موجودة على مداراتها و بالتالي لا يوجد لأي إلكترون حر في هذه المادة و هذا ما يعلل الناقلية المعدومة لأنصاف النواقل في درجة حرارة الصفر المطلق .
    - عندما أمنح المداة النصف الناقلة في حالتها النقية جزء من الطاقة و التي تساوي ( 1,1 ev بالنسبة لعنصر السيلكون وَ 0,72 ev لعنصر الجومانيوم ) يظهر نوع من الناقلية في هذة المواد ( أي ان هناك لأكترونات حرة أصبحت متوفرة في الشبكة البلورية لهذه المادة ) لأن : هذه الطاقة تسمح بكسر الروابط الذرية لبعض الإلكترونات في المدار التكافؤي .
    - السيلكون و الجرمانيوم هما العنصران الشائعان في تصنيع العناصر الإلكترونية لأنهما تحويان على خصائص تسمح باستثمارها لتحقيق خصائص كهربائية مرغوبة و أهمها : تأثرها بدرجة الحرارة و الضوء و هو ما يسمح لنا باستخدامها في تصنيع عناصر إلكترونية تتأثر بالضوء و هو ما يعرف بالإلكترونات الضوئية . 

-  حزم الطاقة :  Energy Band 


  •  tip طاقة الإلكترون في الذرة تزداد كلما ابتعدنا عن النواة .

-  التعبير الطاقي لتوزع الإلكترونات حول النواة :

  • الإلكترونات التي تتوضع على مدار الأول في جميع الذرات المشكلة للمداة تنتمي إلى حزمة طاقية واحدة . 
  • ليس من الضروري أن يكون جميع الإلكترونات الواقعة على مدار ما لعنصر ما لها بالتحديد نفس السوية الطاقية و إنما تنتمي إلى حزمة معينة .

- حزمة الطاقة : 

 هي تلك الحزمة المعبرة عن السوية الطاقية للإلكترونات المدار الاول لجميع ذرات المادة و التي تفصلها عن الحزمة المعبرة عن السوية الطاقية للإلكترونات المدار الثاني فجوة طاقية تسمى energy gap
        - من وجهة نظر الناقلية الكهربائية تهمنا سويتان فقط :
                               . سوية طاقية لإلكترونات التكافؤ .
                               . سوية طاقية لإلكترونات النقل . 

-  حزمة النقل : 

             تعبر عن السوية الطاقية لجميع الإلكترونات التي تسبح في فضاء الشبكة البلورية .

-  حزمة التكافؤ : 

            تعبر عن السوية الطاقية لجميع الإلكترونات التكافؤ لذرات المادة . 

- الثغرة الطاقية : 

            هي عبارة عن مجموعة من سويات الطاقة الممنوعة التي لا يسمح لأي الكترون بأن يتواجد فيها .



   -  ( مخطط سويات الطاقة في أنصاف النواقل ) : 








  •  أدني سوية طاقة في حزمة النقل تدعى Ec 
  • أعلى سوية طاقة في حزمة التكافؤ تدعى Ev 




                                                                            

** فكرة :

    لو أعطي لإلكترون  طاقة قيمتها 0.5ev و هو في حزمة التكافؤ لا ينتقل للفجوة و إنما يختزن هذه الطاقة          كطاقة كامنة و عندما تصبح هذه الطاقة مقدارها 1.1ev يختفي هذا الإلكترون من حزمة التكافؤ و يظهر في        حزمة النقل .
   و هذا تفسير الفجوة الطاقية في مادة السيلكون و الجرمانيوم .  
  

 - كيف تتشكل حزم النواقل الطاقة في النواقل ؟؟؟! 

في المعادن تكون كلا الحزمتين متقاطعتين , لأنه في النواقل : إلكترونات التكافؤ هي إلكترونات عديمة الإرتباط تقريباً في الذرة فلذلك هي في نفس الوقت تنتمي إلى حزمة التكافؤ و موجودة في حزمة النقل . 

- كيف تتشكل حزم الطاقة في العوازل ؟؟؟! 

تكون الثغرة الطاقية ذات قيمة عالية جداً , ففي مادة الألماس مثلا تكون الثغرة الطاقية مساوية لـ 7ev و هي قيمة كبيرة جدا لايستطيع الإلكترون من تجاوزها . 





في ما يلي صورة توضيحية عن الحزم الطاقية .. 


                                                                                                   إنتهى و الله ولي التوفيق .. :)