أشباه الموصلات| أشهر أمثلتها وأنواعها،كيف يتم تصنيعها،وأهم تطبيقاتها فى الصناعة

لقد أحدثت أشباه الموصلات والدوائر الإلكترونية طفرة لا يمكن الإستهانة بها فى عصرنا الحالى، فبفضلها تمكن كاتب هذا المقال من كتابته وتمكنت أنت عزيزي القارئ من قراءته، فبكل تأكيد لا يوجد أحد فى ركن من أركان المعمورة إلا وقد إستخدم أشباه الموصلات بشكل ما لمئات المرات فى حياته.

فى هذا المقال سوف نتعرف على أشباه الموصلات وأمثلتها وأنواعها و طريقة عملها ونذكر بعض الأجهزة التى تعتمد عليها الكثير من الإبتكارات التى نستخدمها فى حياتنا اليومية كالراديو، والتلفاز، والسيارة، ومكيف الهواء، وأجهزة الكمبيوتر، والهواتف النقالة، بل وجميع وسائل الإتصال الحديثة، والكثير من الأدوات المنزلية.

ابدا تجربتك الان فى معامل براكسيلابس ثلاثيه الابعاد!

 

أشباه الموصلات

يتم تصنيف المواد فى الطبيعة من حيث قدرتها على توصيل الكهرباء إلى ثلاثة أصناف هى:

مواد موصلة للكهرباء وهي مواد تستطيع توصيل التيار الكهربي بسهولة، حيث أنها تحتوى علي عدد كبير من الإلكترونات الحرة نتيجة لضعف قوة جذب النواة لإكترونات التكافؤ -الإلكترونات الموجودة في المدار الأخير للذرة- وهى إلكترونات حرة تتسبب فى توصيل التيار الكهربائي.

مواد عازلة للكهرباء وهي مواد لا تحتوى على إلكترونات حرة تكفى لتوصيل التيار الكهربي نتيجة لقوة جذب النواة لإلكترونات التكافؤ، فلا تتمكن هذه الإلكترونات من التحرر وبالتالى فهى لا توصل التيار الكهربى.

ما هي أشباه الموصلات

هناك مواد قدرتها على توصيل الكهرباء تقع بين المواد الموصلة والمواد العازلة وتسمى باشباه الموصلات ويعد السيليكون والجرمانيوم من أهم تلك العناصر .

تتأثر القدرة على توصيل الكهرباء فى المواد شبه الموصلة بعوامل مختلفة كدرجة الحرارة، والشوائب الموجودة فى المادة، والضوء الساقط عليها، وفرق الجهد الكهربى التى تتعرض له، فمن خلال تغيير تلك العوامل نستطيع ان نجعل اشباه الموصلات إما عازلة تماماً للكهرباء أو موصلات ذات كفاءة عالية على التوصيل، وهذه الخاصية هى ما أكسبت اشباه الموصلات تلك الأهمية.

تاريخ أشباه الموصلات

تم استخدم مصطلح اشباه الموصلات لأول مرة من قبل أليساندرو فولتا عام 1782، ثم جاء مايكل فاراداي من بعده عام 1833 ليكون أول من لاحظ تأثير هذه المواد من خلال ملاحظة انخفاض المقاومة الكهربائية لكبريتيد الفضة مع الحرارة.

ثم في عام 1874، اكتشف كارل فيرديناند براون ووثّق لأول مرة سلوك أشباه النواقل كصماماتٍ ثنائيةٍ، إذ لاحظ براون أن التيار يتدفق بحرية في اتجاه واحد فقط عند التلامس بين نقطة معدنية وبلورة جالينا.

أما براءة الاختراع الأولى في هذا المجال فكانت عام 1901 عندما اخترع Jagadis Chandra Bose أول جهاز لاقط لإشارة موجات الراديو يحتوي على أشباه موصلات، حتى جاء اختراع الترانزستورات عام 1947 بمشاركة جون باردين ووالتر براتين وويليام شوكلي، والذي لا يزال حتى الآن حجر الأساس في صناعة مختلف الأجهزة الإلكترونية.

أمثلة على أشباه الموصلات

يعتبر زرنيخيد الغاليوم والجرمانيوم والسيليكون من أكثر اشباه الموصلات شيوعًا.

يستخدم السيليكون في تصنيع الدوائر الإلكترونية ويقف زرنيخيد الغاليوم باعتباره ثاني أفضل مادة شبه موصلة ويستخدم في الخلايا الشمسية وثنائيات الليزر والدوائر المتكاملة بتردد الميكروويف وما إلى ذلك ،

فكرة عمل أشباه الموصلات

من المعروف أن قدرة المادة على توصيل الكهرباء معتمدة فى الأساس على حركة الإلكترونات، حيث تقوم الإلكترونات بتوصيل الكهرباء من خلال حركتها خلال المادة، ومن المعروف أيضاً ان النواة موجبة الشحنة، وعلى الجانب الأخر فإن الإلكترونات سالبة الشحنة، وبالتالى تتولد قوة جذب بين النواة والإلكترونات، ولذلك فلابد من وجود وسيلة تساعد الإلكترونات على الهروب من قوى الجذب هذه حتى يمر التيار الكهربى خلال المادة.

في المواد الصلبة، تتواجد بعض الإلكترونات فى نطاقين هما نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل، الإلكترونات التى تتواجد فى نطاق التوصيل تتحرك كما شائت داخل المادة دون الخروج من حيز بلوراتها، أما الإلكترونات الموجودة فى نطاق التكافؤ هى إلكترونات حبيسة ولا توصل التيار الكهربى وتكون أقرب للنواة من الإلكترونات الحرة.

فى المواد الموصلة لا يكون هناك فاصل بين نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل، وتكون الإلكترونات فى النطاقين متشابكة فى ما بينهما، وبذلك تنتقل إلكترونات التكافؤ بين النطاقين بسهولة؛ على الجانب الأخر نجد فى المواد العازلة فاصل كبير بين النطاقين مما يتطلب طاقة كبيرة لنقل إلكترونات التكافؤ إلى نطاق التوصيل، وبالتالى يصعب مرور التيار الكهربى خلال المادة؛ وأخيراً وليس آخراً نجد فى أشباه الموصلات أن الفاصل بين النطاقين يكون متوسط وبالتالى يسهل أن تكتسب إلكترونات التكافؤ مقداراً من الطاقة يساعدها على إجتياز الفاصل والقفز إلى نطاق التوصيل، وبالتالى إكساب المادة القدرة على توصيل الكهرباء.

ابدا تجاربك مع براكسيلابس الان مجانا!

 

فيديو يوضح كيف تصنع أشباه الموصلات

أنواع أشباه الموصلات

هناك نوعان رئيسيان من أشباه الموصلات:

– أشباه الموصلات الداخلية Intrinsic Semiconductors

تسمى اشباه الموصلات في شكلها النقي باشباه الموصلات الداخلية وهي بالكاد مفيدة لأنها ليست موصلات جيدة ولا عوازل جيدة. وفي أنقى صورة، يحمل غلاف التكافؤ (من مادة أشباه الموصلات) عددًا متساويًا من الإلكترونات (يحتوي السيليكون على 4 إلكترونات تكافؤ).

– أشباه الموصلات الخارجية Extrinsic Semiconductors

تتم إضافة الشوائب (مثل البورون والأنتيمون وما إلى ذلك) إلى أشباه الموصلات النقية بطريقة تسمى Doping ،مما يزيد من السلوك الموصل لأشباه الموصلات.
اعتمادًا على مادة المستخدمة، يتم تقسيم أشباه الموصلات الخارجية إلى نوعين:

اشباه الموصلات – N – type Semiconductor.

اشباه الموصلات – P – type Semiconductor.

جرب معامل العلوم الافتراضية التي تقدمها براكسيلابس

واكتشف عالم من العلوم بين يديك!

ابدا تجربتك المعمليه عبر الانترنت الان!

 

أهمية أشباه الموصلات

تعد اشباه الموصلات مكونًا أساسيًا للأجهزة الإلكترونية، مما يتيح التقدم في الاتصالات والحوسبة والرعاية الصحية والأنظمة العسكرية والنقل والطاقة النظيفة وتطبيقات أخرى لا حصر لها.

بالإضافة إلى الإلكترونيات الاستهلاكية، تلعب أشباه الموصلات دورًا مركزيًا في تشغيل ماكينات الصرف الآلي للبنوك والقطارات والإنترنت والاتصالات وأجزاء أخرى من البنية التحتية الاجتماعية ، مثل الشبكة الطبية المستخدمة لرعاية المسنين.

علاوة على ذلك، تساعد الأنظمة اللوجيستية الفعالة في توفير الطاقة وتعزيز الحفاظ على البيئة العالمية.

مميزات أشباه الموصلات

• تكون عازله تماماً عند درجة صفر كلفن؛ وذلك بسبب شدة ارتباط الإلكترونات بذراتها.
• يمكن تشغيل أجهزة أشباه الموصلات مباشرة بعد تشغيل جهاز الدائرة.
• نظرًا لأن أشباه الموصلات صغيرة الحجم، فإن الدوائر التي تتضمنها مضغوطة جدًا .
• عند رفع درجة حرارتها تصبح الطاقة الحرارية كافية لكسر بعض الروابط بين الذرات فتتحرر بعض الإلكترونات تاركة مكانها فجوة ( ثقب ) وبذلك تصبح البلورة موصلة للكهربائية عن طريق الفجوات التي تتحرك عكس الإلكترونات.

تطبيقات و استخدامات أشباه الموصلات في الصناعة  

وعلى سبيل المثال نذكر بعض الإبتكارات التى تدخل فى صناعتها أشباه الموصلات:

الدايود (Diode):

يعد من أبسط أشكال الأجهزة التي تُصنع من اشباه الموصلات، حيث يتركب الجهاز من قطعة سيلكون نصفها مطعم بشوائب من نوع N-Type والنصف الأخر مطعم بشوائب من النوع P-type، وهناك العديد والعديد من التطبيقات المهمة للدايود في الدوائر الكهربية والإلكترونية والرقمية. وتعتبر أهم ميزة للدايود هى سماحه للتيار بالمرور في اتجاه، ويمنعه في اتجاه آخر.

تطبيقاته:

مقوم تيار نصف موجي (Half-Wave Rectifier): يستخدم لإنتاج تيار مستمر لكنه متقطع الشدة في نصف دورة، ومنعدم في النصف دورة الأخرى.

مقوم تيار موجي مكتمل (Full-Wave Rectifier): يستخدم لتحويل تيار متردد إلى تيار مستمر. يتميز هذا التيار عن التيار السابق في أنه لا ينعدم في نصف الدورة التالية، يتم استخدامه في العديد من التطبيقات التي تعمل بنظام البطاريات، ويتم استخدامه أيضا في أنظمة الطاقة الشمسية، وذلك لأن الخلايا الشمسية يمكنها أن تقوم بتوليد تيارات مستمرة فقط.

الڨاراكتور (Varactor diode): يتم إستخدام هذا الجهاز فى توليف تردد رنين الدائرة الكهربية، وفي تحميل إشارة معلومات على تردد حامل. ويستخدم أيضًا في إنتاج حلقة مقفلة الطور، وهو نظام تحكم إلكتروني يولد إشارة إرسال بطور معتمد على إشارة الاستقبال. ويستعمل في أجهزة تراكب الترددات في الراديو و التلفاز والهواتف الخلوية  وأجهزة الإرسال المختلفة.

الفوتودايود (Photodiode): فى الفوتودايود يقوم السيليكون بامتصاص طاقة فوتونات الضوء المسلط عليه حتى يخلق أزواجًا إضافية من الإلكترونات والفجوات مما يتسبب في تغير ملحوظ في شدة التيار. ويستخدم فى الخلايا الشمسية ومستشعر الضوء في الهواتفك الذكية، والكاميرات الرقمية، ومصابيح الإنارة في الشوارع، بالإضافة لأبواب المراكز التجارية.

 

الدايود الباعث للضوء (LED): الليد هو دايود باعث للضوء. وتتميز هذه  بسرعة الاستجابة، وصغر الحجم، وطول العمر الافتراضي مما أدى إلى إنتشارها بشكل واسع وإستخدامها كبديل لمصابيح الفلورسنت والتنجستين.

بهذا نكون قد ذكرنا أهم وأشهر استخدامات الدايود فى حياتنا اليومية ولكن ما زال هناك العديد والعديد من التطبيقات الأخرى من حولنا لهذا الإبتكار الرائع.

 

توفر معامل براكسيلابس الإفتراضية العديد من التجارب الخاصة بأشباه الموصلات، يمكنك تجربة نسختك المجانية من معامل براكسبلابس من هنا.

سجل فى مختبر براكسيلابس الافتراضي الان!