بحث عن أشباه الموصلات

التوصيل الكهربائي

يُعرّف التوصيل الكهربائي بأنه قدرة العناصر الكيميائية على توصيل التيار الكهربائي وتوصيل الحرارة أيضًا، وتُقسم العناصر الكيميائية أو المعادن حسب قدرتها على إيصال التيار الكهربائي إلى ثلاثة أقسام هي: الموصلات التي توصل التيار الكهربائي بدقة عالية مثل النحاس والذهب والفضة، والعازلات وهي التي لا تُوصل التيار الكهربائي نهائيًا مثل البلاستيك والخشب، وأشباه الموصلات والتي سيتم الحديث في هذا المقال عنها وتقديم بحث عن أشباه الموصلات.^[١]

بحث عن أشباه الموصلات

عند بدء البحث عن أشباه الموصلات يجب تعريفها، وهي المعادن التي تُوصل التيار الكهربائي بصعوبة فهي ليست موصلات ولا عازلات، وتُستخدم أشباه الموصلات للتحكم في مرور التيار الكهربائي في الأجهزة الإلكترونية، وتُوجد أشباه الموصلات بين الموصل والعازل في الرقائق الإلكترونية ومكونات جهاز الحاسوب والدوائر المتكاملة والدايود والترانزستورات، ومن العناصر الكيميائية التي تُصنّف على أنها أشباه موصلات السيليكون والجرمانيوم ومركبات زرنيخيد الغاليوم وكبريتيد الرصاص وفوسفيد الإنديوم، وهناك نوعان أساسيان من أشباه الموصلات.^[٢]
النوع الأول من أشباه الموصلات هو أشباه الموصلات من النوع N حيث تكون موصلية أشباه الموصلات عالية جدًا، وتُستخدم فيها المنشطات مثل الفسفور أو الزرنيخ التي تُضاف إلى السيليكون بكميات قليلة، ويحتوي السيليكون على أربع إلكترونات للمشاركة بينما يحتوي كل من الفوسفور والزرنيخ على خمسة إلكترونات للمشاركة، وعند إضافتها إلى السيليكون يبقى الإلكترون الخامس حُرًا غير مرتبط بأي شيء، وهذه الإلكترونات تبقى حرة الحركة لإيصال التيار الكهربائي وتكون شحنتها سالبة ومن هنا جاءت تسميتها بالنوع N.^[٣]
أما النوع الثاني من أشباه الموصلات فهو أشباه الموصلات من النوع P والتي تُستخدم عندما يكون الحث في أشباه الموصلات أكثر، ويتم إضافة المنشطات إلى السيليكون مثل البورون أو الغاليوم، حيث يحتوي كل من البورون والغاليوم على ثلاثة إلكترونات للمشاركة فقط وعند إضافتها إلى السيليكون سيكون عند السيليكون إلكترون زائد تُحدث ثقوبًا في السيليكون، فلذلك يحمل السيليكون شحنة موجبة ومن هنا جاء تسميتها بالنوع P وهو موصل جيد للكهرباء.^[٣]
إن من يبحث عن أشباه الموصلات يجد أنه يمكن تغيير قدرتها على إيصال التيار الكهربائي بمادة تُسمى المنشطات، ويتم ذلك من خلال الاختلاف في درجات الحرارة أو الحقول المُطبّقة أو يمكن إضافة الشوائب، ويُلاحظ أن تدفق التيار الكهربائي في أشباه الموصلات تكون في اتجاه واحد فقط، وأول من استخدم مصطلح أشباه الموصلات كان أليساندرو فولتا في عام 1782م، وفي عام 1901م تم إعطاء أول براءة اختراع لجهاز يستخدم أشباه الموصلات يُسمى cat whiskers اُستخدم للكشف عن موجات الراديو، وفي عام 1947م تم اختراع الترانزستور وهو جهاز يتكون من مواد مصنوعة من أشباه الموصلات وقد قام كل من العلماء جون باردين ووالتر براتين وويليام شوكلي بالمشاركة في اختراعه.^[٤]
يتم استخدام أشباه الموصلات لأنها تعمل على توفير أكبر للطاقة، ولأنها تؤدي وظائف أكثر أيضًا مثل استخدامها في أنانبيب التفريغ الزجاجية في الراديو، كما يمكن التحكم بحجمها وتصغيره كما في شرائح الحاسوب أو الرقائق، ويمكن الدمج بين أشباه الموصلات المختلفة مثل السيليكون والجيرمانيوم ويُساعد ذلك في تنظيم اتجاه حركة الإشارات الكهربائية بدقة فائقة وتكييفها لتلائم المتطلبات التي تحتاجها الأجهزة الإلكترونية مثل أجهزة الكمبيوتر والتلفزيون حتى تقوم بعملها بالشكل الصحيح، ويتم استخدام المنشطات للسيليكون مثل البورون أو الفوسفور للقيام بتغييرات في خصائص السيليكون الموصلية، ولكن قد ينتج تلوث بسبب هذه الإضافات غير مرغوب فيها مثل تغيير في الخصائص الكهربائية ولهذا السبب يجب التحكم في ظروف تصنيع أشباه الموصلات بطريقة دقيقة.^[٥] وللبحث عن أشباه الموصلات بشكل أكثريمكن إيجاد أن أبسط جهاز مكون من أشباه الموصلات هو الدايود أو الصمام الثنائي، حيث يتم استخدام النوعين من أشباه الموصلات معًا وهما النوع N والنوع P، فإذا تم قلب البطارية فإن الدايود سوف يوصل الكهرباء بشكل ممتاز بحيث تُوصل الإلكترونات الحرة في السيليكون من النوع N مع الطرف السالب للبطارية وتوصيل الثقوب في السيليكون من النوع P بواسطة الطرف الموجب للبطارية، وعندما يتقاطع السيليكون من النوع N مع السيليكون من النوع P تتصادم الثقوب والإلكترونات الحرة مع بعضها وتملأ الإلكترونات ثقوب السيليكون ويتم تدفق التيار عند هذا التقاطع وهكذا تستمر الحركة لإيصال التيار الكهربائي، ومن فوائد الدايود أنه يحمي الأجهزة الإلكترونية من التلف بحيث لا تعمل في حالة عكس البطارية.^[٣]
كما يوجد في البحث عن أشباه الموصلات مصطلح الترانزستور والذي يتم صُنعه باستخدام ثلاث طبقات، على خلاف الدايود المكون من طبقتين، كما يمكن أن يعمل الترانزستور كمكبر للصوت أو محول، ويقوم مبدأ عمل الترانزستور على تحويل التيار الصغير إلى تيار أكبر فهو مُكوّن من أكثر من دايود بوضع التوالي، ومن المعروف أن الدايود تمنع مرور التيار إلا باتجاه واحد فقط ومع ذلك عند تطبيق تيار صغير في الترانزستوريتم تحويله إلى تيار أكبر من خلال الترانزستور بشكل كامل، وهذا يُعطي الترانزستور خاصية التحويل للتيار الكهربائي وزيادة قوته كما يمكنه إيقاف تشغيل التيار الكهربائي، ويمكن لشريحة السيليكون أن تستوعب عددًا هائلًا من الترانزستورات، وباستخدام الترانزستورات التي يمكنها العمل كمفاتيح يمكن صُنع Boolean gates ومن خلال هذه البوابات يمكن صُنع شرائح المعالج الدقيق لأجهزة الكمبيوتر والأجهزة الإلكترونية الأخرى، حيث إن استخدام السيليكون في صُنع الترانزستورات جعل شرائح المعالجات الدقيقة غير مكلفة ويمكن صُنعها في أي مكان.^[٦]

المراجع

1. ↑ "Electrical_conductor", www.en.wikipedia.org, Retrieved 08-08-2019. Edited.
2. ↑ "semiconductor", www.techopedia.com, Retrieved 08-08-2019. Edited.
3. ^ ^{أ ب ت} "semiconductors types", www.electronics.howstuffworks.com, Retrieved 08-08-2019. Edited.
4. ↑ "what-is-a-semiconductor", www.thoughtco.com, Retrieved 08-08-2019. Edited.
5. ↑ "advantages-semiconductors", www.sciencing.com, Retrieved 08-08-2019. Edited.
6. ↑ "transistors", www.electronics.howstuffworks.com, Retrieved 08-08-2019. Edited.