أشباه الموصلات Semiconductor 

أشباه الموصلات Semiconductor 

يمكن تقسيم المواد أشباه الموصلات إلى :

المواد الموصلة . المواد العازلة . المواد شبه الموصلة .

المواد الموصلة :

هى المواد التى يمكن لإلكترونات المدارالخارجى فيها أن تتحررمن ذراتها وتتحرك حركة عشوائية بين الذرات وإذا تعرضت لفرق جهد (أى الالكترونات) يشكل تيار كهربى.

ومن أمثلة المواد الموصلة كهربائيا : الفضة والنحاس والألمنيوم وعموم المعادن.

المواد العازلة :

هى المواد التى تشد فيها قوة جذب النواة لإلكترونات المدار الخارجى فلا تستطيع الخروج من الذرة ، ومن أمثلة المواد العازلة للكهرباء ، الورق والزجاج والميكا والبلاستيك والمطاط وغيرها. 

المواد شبه الموصلة :

تعرف المواد شبه الموصلة بالمواد التى تكون عازلة عند درجة الصفر المطلق بفعل الترابط القوى بين ذراتها وتزاد موصليتها بإرتفاع درجة الحرارة حيث تعمل الحرارة على تفكيك الرابطة بين ذراتها.

والشكل يوضح التركيب الذرى لمادة الجرامنيوم ، ويعد السيلكون من أهم عناصر أشباه الموصلات وهوعصب الأجهزة والدوائرالإلكترونية.

يعتبرعنصرا السيليكون (Si) والجرمانيوم (Ge)

---------------------------

ما هو السيلكون ؟

يعد السيلكون أحد العناصر الشائعة الوجود كمكون رئيسى للتراب والأحجار. 

وترتيبه فى الجدول الدورى للعناصر بعد الألمونيوم مباشرة ، وقبل الكربون والجرامنيوم. 

---------------------------

الثنائى (الدايود) ) Diode

تعريف الثنائى : هو عنصر اليكترونى يحتوى على طرفين (المصعد والمهبط).

تركيب الثناثى : يتكون الثناثى شبه الموصل من بلورتين من المواد شبه الموصلة،

 إحداهما شبه موصل موجب (P) والأخر شبه موصل سالب (N).

---------------------------

أطراف الثنائى : شبه الموصل (الدايود)

 يتم تصنيع الدايود بأحجام وأشكال  مختلفة ، مما يتناسب مع شدة التيار وقيمة الجهد في الدوائر الإلكترونية ، ويحتوي الدايود على طرفين وهما الموجب والسالب ، الطرف الموجب (P) يسمى المصعد أو الأنود (A) ، والطرف السالب (N) يسمى  المهبط أو الكاثود (K).

---------------------------

نظرية عمل الثنائى :

يسمح الموحد بمرور التيار الكهربى فى إتجاه واحد ، وذلك عندما يكون جهد المصعد موجب بالنسبة للمهبط  (توصيل أمامى) ، والا يمر إلا تيار ضئيل جدا ، عندما يكون جهد المصعد سالبا بالنسبة للمهبط (توصيل عكسى) ، ويعمل الدايود فعليا بإعتباره كمفتاح جهد يوصل فى أحد الإتجاهات ولا يوصل فى الإتجاه الاخر.

---------------------------

طريقة فحص الدايود :

سنفحص الدايود بإستخدام جهاز الأفوميتر الرقمى على وضع علامة الموحد ، ضع الكابل الأحمر للمقياس على طرف ( الأنود)  للدايود. بينما الكابل الأسود على طرف (الكاثود)  للدايود ، إذا ظهرت القراءة  فإن الدايود سليم و في الإنحياز الأمامى .

إعكس طرفين الأفوميتر، ضع الكابل الأسودعلى طرف (الأنود) للدايود ، بينما الكابل الأحمرعلى طرف (الكاثود) للدايود ، سنلاحظ لا تظهر قراءة على جهاز الأفوميتر ، فإن الدايود يكون سليم  وفي حالة الإنحياز العكسى ، ويكون الدايود سليم ، أما إذا ظهرت القراءة في كلا الوضعين فإن الدايود يكون تالف.

---------------------------

أنواع الدايودات (الثنائيات).

الثنائيات لها عدة أنواع كثيرة مع تطور التكنولوجيا.

سنتعرف فى هذا الشرح أيضا على خمسة   أنواع من الدايودات (الثنائيات).

---------------------------

 أولا: ثنائى السيليكون (الموحد السيلكونى ) (Sillicon diode) .

هو الثنائى المصنوع من السيلكون ، ومحقون بشوائب تكون بلورة موجبة ، ومع شوائب أخرى تكون بلورة سالبة ، بحيث تكون البلورتان الموجبة والسالبة متجاورتين ، ويعتبر ثنائى السيلكون من القطع المشهورة فى الدوائر الإلكترونية ، ويستعمل دائما فى دوائر القدرة ، مثل دوائر التوحيد،والجهد الحافز له 0.7V

---------------------------

ثانيا : ثنائى الجيرمانيوم (Germanum diode) .

هو الثنائى المصنوع من الجيرمانيوم ، ويختلف عن السيلكون بأن الجهد الحافز له0.3V وهو جزءً من الدائرة الكهربائية ويقوم بتوصيل الإشارة الكهربائية من خلال الثنائي الذي يسير في إتجاه واحد فقط .

---------------------------

 ثالثا : ثنائى الزينر (Zener diode) .

يُستخدم ثنائي زينر كمنظم جهد فى تثبيت جهد الخرج ، وقيمة الجهد عادة تكون مكتوبة على قطعة الزينر، والخط الأسود دائما يدل على الكاثود.

---------------------------

 رابعا: ثنائى الانبعاث الضوئى (LED) .

هو الثنائى المشع للضوء ، 

وهو مصدر ضوئي مصنوع من مواد أشباه الموصلات تبعث الضوء حينما يمر خلاله تيار كهربائي ، ولمعرفة طرف الكاثود أو الأنود تجد طرف أطوال من الطرف الأخر الطرف الأطوال هو الأنود .

---------------------------

 خامسا: الثنائى الضوئى (Photo diode) .

يتكون الثنائى الضوئى من شبه موصل (P)، والأخر سالب (N ) ونافذة شفافة منفذة للضوء ، عندما يسقط الضوء على الثنائى الضوئى يقوم الضوء بكسر الروابط البلورية ، ويتحرر عدد من الشحنات التى تسمى بشحنات الأقلية ، يزاد هذا العدد بزيادة الضوء الساقط ، وللدايود استخدامات عديدة  فى جميع الأجهزة.

---------------------------

طريقة توصيل الثنائى شبه الموصل فى الدوائر للالكترونية 

أولا طريقة الانحياز الأمامى : 

حيث يتم توصيل أطراف الثنائى مع مصدر للطاقة الكهربائية ومصباح على التوالى ، يوصل  طرف الثنائى الموجب  مع الطرف الموجب للبطارية والطرف السالب للبطارية متصل مع الطرف الأول للمصباح ، والطرف الثانى للمصباح مع الطرف السالب  للثنائى كما بالصورة ، وفى هذه الحالة يسمح الثنائى بمرور التيار الكهربائى من خلاله.

---------------------------

ثانيا  طريقة الانحياز العكسى :

يتم توصيل أطراف الثنائى بشكل عكسى ، يوصل طرف الثنائى الموجب مع الطرف السالب للبطارية وطرف الثنائى السالب مع الطرف الأول للمصباح ، والطرف الثانى من المصباح  مع الطرف الموجب للبطارية ، وفى هذه الحالة يكون الثنائى ممانع لمرور التيار الكهربائى والا يعمل المصباح.

---------------------------

دوائر التوحيد 

دوائر التوحيد هى دوائر تحويل التيار الكهربائى من التيار المتردد AC إلى تيار مستمر DC .

فى الصورة الموضحة أنواع دوائر التوحيد  مع رسم توضيحى لشكل الموجة قبل اتوحيد وبعد التوحيد.

نصف الموجة : بثنائى واحد. 

موجة كاملة : بإثين ثنائى  باستخدام  طرف مشترك بين ملفين.

 موجة كاملة : باستخدام اربعة ثنائيات.

---------------------------

تركيب دوائر التوحيد 

وتتركب دوائر التوحيد من مجموعة من الموحدات السليكونية ومكثفات للتنعيم أيضا 

أنواع دوائرالتوحيد : 

---------------------------

أولا : دائرة تقويم نصف موجة باستخدام (موحد واحد) ويظهر الشكل التالى تركيب دائرة التقويم نصف موجة ومكوناتها كما بالشكل 

نعلم أن الدايود يمرر التيار الكهربى فى إتجاه واحد فقط وهو الإتجاه الذى يجعله متصلا توصيلا أماميا ، لذلك فإن الدايود إذا اتصل بمصد تيار متردد فإنه سوف يمرر إتجاه واحد فقط من الإشارة الإتجاه الموجب أو السالب حسب توصيله.

---------------------------

ثانيا: دائرة تقويم موجة كاملة بإستخدام دائرة القنطرة (Bridge Circuit) المكونة من (أربعة موحدات).

هى الطريقة الثانية والأكثر كفاءة والتى تستفيد من كامل الإشارة المترددة الداخلة والشكل يوضح طريقة القنطرة أربع موحدات للحصول على النتيجة المطلوبة.

لاحظ أنه عند مرورالإشارة المتغيرة ، فإنه فى النصف الموجب سوف تكون الدايودات  ( D1 و D2 ) متصلين توصيلا أماميا

(أى كأنهم مفاتيح مغلقة) ، وباقى الدايودات ستكون متصلة بشكل عكسى (أى كأنهم مفاتيح مفتوحة) كما بالشكل  (D1 و D2 ) متصلين توصيلا أماميا.

---------------------------

بهذا الشكل سوف يسرى التيار للحمل ويكون الموجب فى الطرف الأعلى ، والسالب فى الطرف الأسفل ، وفى حالة مرور السالب من الموجة ، فإن الدايودات (D1 و D2 ) ، سوف تكون هى المتصلة أماميا وباقة الدايودات ستكون متصلة عكسيا كما بالشكل ( D4 و D3 ).

وبهذه الطريقة سوف يسرى التيار للحمل ويكون الموجب على الطرف العلوى للحمل أيضا ، والسالب على الطرف السفلى . فيكون شكل إشارة الخرج كما بالشكل 

---------------------------

فى الشكل الموضح إشارة الدخل وإشارة الخرج.

على اليمين إشارة الدخل ، وعلى اليسار إشارة الخرج.

---------------------------

ثالثا : دائرة تقويم موجة كاملة بإستخدام دائرة القنطرة الجاهزة Bridge Circuit

وتسمى الثنائيات الجسرية والشكل يوضح أمثلة لبعض دوائر القنطرة الجاهزة 

 ويطلق عليه تجاريا بريدج.

يتكون البريدج (القنطرة) داخليا من أربعة ثنائيات عادية موصلة مع بعضها بشكل  كوبرى ، يحتوى البريديج على أربعة نقاط يكون مشار عليها بالرموز التالية

 (  ~ ، ~ ، - ، + )

إشارتتى ( ~ ، ~  ) الموجودة على القطبين هى مدخل البريدج ( تيار متردد). 

إشارتى( + ، - ) هى مخارج البريدج موجب وسالب. 

---------------------------

رابعا : دائرة تقويم موجة كاملة بإستخدام موحدين ومحول ذو طرف وسط 

تحتاج هذه الدائرة إلى محول ذو ملفين وله طرف مشترك بين الملفين  كما بالشكل 

عند مرور النصف الموجب من الموجة . فإن الدايود الموجود فى الأعلى سيكون موصلا توصيلا أماميا ، والدايود السفلى سيكون موصلا توصيلا عكسيا ، وعند مرور النصف السالب من الموجب يحدث العكس وبالتالى فإن الإشارة الناتجة فى الخرج تكون كما هى كما هى موضحة بالشكل دائرة توحيد موجه كاملة باستخدام موحدين ومحول ذو طرف وسط .

---------------------------

فحص القنطرة :

يتم فحص الموحد فى القنطرة كما أننا نفحص الثنائى الموحد العادى بأخذ كل نقطتين بالنظر إلى الشكل السابق أى أننا سنفحص الثنائيات الأربعة (بإستخدام الأفوميتر).

---------------------------

دوائر التنعيم :  

إذا تم توصيل أى مكثف على التوازى يعمل على تنعيم الجهد ، ولاكن إذا كان المكثف صغير السعة جدا ، فإن عملية التنعيم التى سيقوم بها ستكون غير ملحوظة نهائيا ، ولذلك نستخدم مكثفات ذات سعة كهربية عالية فى عملية التنعيم حتى يكون زمن التفريغ كبير ، لذا نستخدم المكثفات الكميائية فى عمليات تنعيم الجهد  نظرا لسعتها الكبيرة. 

انظر الشكل لاحظ كيف قام المكثف بعمل تنعيم للتيار، ولاكن لاحظ أيضا أنه ما زال هناك تذبذب قليل فى الإشارة ، فتلك الإشارة لا يمكن أن تدخل على الجهازالإلكترونى مباشرة بهذا الشكل ، لذا نقوم بعملية التثبيت فى النهاية.

الشكل يوضح دائرة تنعيم الجهد مع رسم توضحى  تذبذبات الجهد.

---------------------------

تثبيت الجهد :

لابد من التعرف على عنصر إلكترونى هام أولا قبل التحدث عن مرحلة تثبيت الجهد وهو 

(موحد الزينر ) Zenger-Diode 

موحد الزينر هو دايود عادى ، ولاكن عملية إضافة الشوائب تكون مكثفة.

فكرة عمل ثنائى الزينر :

صنع خصيصا للعمل فى إتجاه التوصيل العكسى ، ولاكن إذا تم توصيله أماميا فإنه يوصل التيار، وإذا تم توصيله عكسيا فإنه يمنع مرور التيار، ولاكن إذا كان مصدر الجهد فى حالة تزايد فى القيمة ( وزينر متصل عكسيا ) ، فإن فرق الجهد المطبق على ثنائى زينر يبدأ يزيد مع زيادة الجهد للمصدر، حتى يصل إلى قيمة معينة للجهد ، فيثبت فرق الجهد بين طرفيه عند هذه القيمة حتى لو زادت قيمة مصدر الجهد عن ذلك.

إذن ثنائى الزينر يوصل عكسيا ، ويعرف بجهد تشغيله ويرمز له بالرمز كما بالصورة .

---------------------------

والدائرة توضح عمل ثنائى الزينر.

---------------------------

فنلاحظ أن فرق الجهد المطبق على ثنائى زينر 

هو مصدر جهد ثابت آخر كما بالصورة

الآن فى مرحلة التثبيت ، يتم استخدام ثنائى زينر.

 فيعمل على تثبيت قيمة التيار فى الخرج كما بالصورة.

---------------------------

 استخدامات الدايود:

سنتعرف على  تطبيقات الدايود المستخدمة في حياتنا اليومية .

 يستخدم فى دوائر توحيد نصف الموجة ، يستخدم فى دوائر توحيد الموجة الكاملة .

 يستخدم فى دوائر تنظيم الجهد ، يستخدم  كمستشعر للضوء والحرارة .

يستخدم كمصدر ضوئي ،  يستخدم فى الحماية من التيار العكسي .

 يستخدم فى الحماية من انعكاس القطبية .

 ---------------------------

أسئلة وإجابتها 

-------------------

ماهى عائلة  أشباه الموصلات ؟

المواد شبه الموصلة هى مواد تقع فى خصائصها بين المواد العازلة والمواد الموصلة مثل السيلكون والجرامانيوم .

 --------------------------

اذكر خمسة  أنواع من السيلكون  ؟

ثنائى السيلكون 

ثنائى الجرامنيوم

ثنائى زينر موحد الزينر 

ثنائى الانبعاث الضوئى الليد

الثنائى الضوئى ( فوتو دايود)

 ---------------------------

 ما هى انحيازات الموحد السيلكونى ؟

انحياز امامى

 يتم توصيل سالب البطارية بالطرف (N ) فى الثنائى وموجب البطارية بالطرف (P) فى الثنائى .

انحياز عكسى 

 يتم توصيل موجب البطارية بالطرف (N ) فى الثنائى وسالب  البطارية بالطرف (P)  فى الثنائى .

 ---------------------------

ما هى أنواع دوائر التوحيد ؟

دائرة تقويم نصف موجة باستخدام موحد واحد .

دائرة تقوم موجة كاملة بستخدام القنطرة أربعة موحدات .

دائرة توحيد موجة كاملة باستخدام موحدين بمحول ذو طرف وسط .

---------------------------

ما هو الغرض من دائرة التوحيد ؟

دائرة التوحيد الغرض منها تحويل التيارالكهربى من التيار المتردد (AC)  إلى تيار مستمر (DC).

---------------------------

مما تتركب دوائر التوحيد ؟

تتركب دوائر التوحيد من مجموعة من الموحدات السيلكونية ومجموعة مكثفات للتنعيم .

--------------------------

مما يتكون هو الثنائى الدايود ؟

يتكون الثنائى الدايود من بلورتين شرحتين .   

بلورة (P ) موجبة وبلورة( N ) سالبة . وهما من أشباه المواصلات سيلكون وجرامنيوم وله طرفين أنود وكاثود (مصعط ومهبط ).

---------------------------

ما هى نظرية عمل الموحد السيلكونى (الثناثى ) ؟

نظرية عمله يسمح بمرور التيار الكهربى فى اتجاه واحد. عندما يكون جهد المصعد موجب بالنسبة لجهد المهبط إنحياز أمامى والأ يمر إلا تيار كبير جدا عندما يكون جهد المصعد سالب . ويعتبر الدايود مفتاح جهد يوصل فى أحد الإتجاهات والا يوصل فى الإتجاه الأخر .

---------------------------

هل السيليكون في حالته النقية ليس موصلًا جيدًا للكهرباء ؟

في حالته النقية ، يحتوي السيليكون على عدد قليل جدًا من الإلكترونات الحرة ، ولهذا تكون قدرته على توصيل الكهرباء ضعيفة. 

 باختصار - السيليكون النقي = شبه موصل = توصيل ضعيف للكهرباء.

---------------------------

ما المواد التى يطعم بيها السيلكون ليصبح مادة موصلة موجبة ؟

حتى تتحول بلورة السيليكون  بلورة موجبة فإنه يتم تطعيمها بشوائب مثل الجاليوم  والبورون ليقوم أى منهما بمهمة تغير طبيعة السيلكون .

---------------------------

عرف الثنائى ؟

الثنائي أو الديود (Diode) هو عنصر إلكتروني يسمح بمرور التيار الكهربائي في اتجاه واحد فقط ، ويمنعه في الاتجاه الآخر . و يحتوى على طرفين المصعد  والمهبط .

---------------------------

بين بالرسم تركيب الثنانى ؟

الصورة توضح تركيب الثنائى 

الطرف السالب والطرف الموجب 

ومنطقة الاستنزاف

---------------------------

وضح بالرسم رمز الثنائى وشكله التجارى ؟

الصورة توضح رمز الثنائى  ويحتوى على القطب الموجب والقطب السالب 

وأيضا شكل الثنائى التجارى 

---------------------------

مما تتكون دوائر التوحيد ؟

تتكون دوائر التوحيد من مجموعة من الموحدات السليكونية ومكثفات للتنعيم 

1- الثنائيات : هي العنصر الأساسي في دوائر التوحيد ، لأنها تسمح بمرور التيار في اتجاه واحد فقط.

 2-مكثف كميائى : لتنعيم التيار بعد التوحيد وجعل التيار المستمر أكثر ثباتًا.

---------------------------

ما هى أنواع دوائر التوحيد  مع الرسم ؟

1- نصف الموجة 

تستخدم دايود واحد فقط  يمرر نصف الموجة الموجب فقط من التيار المتردد وتمنع النصف السالب.

---------------------------

2 - موجة كاملة باستخدام محول ذو طرف وسط 

تستخدم دايودين مع محول ذو طرف وسط

كل دايود يمرر نصف دورة من الإشارة ، واحدة للنصف الموجب وواحدة للنصف السالب

---------------------------

3 - موجة كاملة بجسر 

أربعة دايودات  لا تحتاج محول خاص ويوحد كامل الموجة.

خلال كل نصف دورة (موجب أو سالب)، يتم تفعيل زوجين من الدايودات لتوصيل التيار في نفس الاتجاه عبر الحمل.

النصف الموجب والسالب من الموجة يتم تحويلهما إلى تيار مستمر

---------------------------

وضح بالرسم شكل الموجة الكاملة قبل التوحيد وبعد التوحيد ؟

الشكل يوضح الموجة قبل التوحيد

وبعد التوحيد

---------------------------

ارسم دائرة توحيد موجة كاملة باستخدام اربعة موحدات ؟

الشكل يوضح دائرة توحيد موجة كاملة 

بإستخدام اربع موحدات 

---------------------------

ما اسم المكون الذى يقوم بعملية تنعيم الجهد وتحسين شكل الموجة وجعلها أقرب ما يكون للجهد المستمر ؟

المكثف الكميائى . 

يوضع المكثف بعد مخرجات دائرة التوحيد كلما زادت سعة المكثف  زادت قدرته على تقليل التموجات وجعل الجهد أنعم. 

---------------------------

ماذا يحدث لو كانت  سعة مكثف التنعيم صغيرة ؟

فان عملية التنعيم التى سيقوم بها ستكون غير ملحوظة نهائيا .

---------------------------

أى المكثفات تستخدم لتكون عملية التنعيم سليمة ؟

تستخدم مكثفات كميائية ذات سعة كهربية عالية فى عملية التنعيم حتى يكون زمن التفريغ كبير .

---------------------------

 وضح بالرسم شكل موحد الزينر التجارى ورمزه فى الدائرة الالكترونية ؟

الشكل يوضح  موحد الزينر التجارى ورمزه فى الدائرة الالكترونية .

---------------------------

ارسم دائرة كهربية مكونة من

 (زينر- مقاومة - بطارية )

 توضح فيها توصيل موحد الزينر ؟

---------------------------

أى المكثفات تستخدم لتكون عملية التنعيم سليمة ؟

المكثف الكميائى  بحيث تكون سعته أكبر كلما زاد التيار المطلوب من الدائرة.

كلما زادت السعة ، أصبح الجهد الخارج أنعم وأقل تموجًا.

---------------------------

مما تتكون دوائر التوحيد ؟

تتكون دوائر التوحيد عادةً من مكونات بسيطة أساسية،أهمها:

الديودات (Diodes)

وهي العنصر الرئيسي الديود يسمح بمرور التيار في إتجاه واحد فقط ، ويمنع مروره في الاتجاه العكسي لذلك نستخدمها لتوحيد التيارالمتردد.

المحول الكهربائي (Transformer) (اختياري)

إذا كنت بحاجة لتغيير قيمة الجهد (رفع أو خفض)،يتم استخدام محول قبل التوحيد.

مكثف (Capacitor) (للتنعيم)

بعد التوحيد بالديودات،يكون التيار شبه مستمر لكنه فيه تموجات (Ripple)،لذلك نضيف مكثف ليخزن الشحنات ويملأ الفجوات ، فيصبح التيارأنعم وأقرب للمستمرالصافي.

---------------------------

ارسم دائرة توحيد نصف موجة ؟

الشكل يوضح دائرة توحيد نصف موجة باستخدام موحد واحد وشكل الموجة قبل التوحيد وبعده.

---------------------------

تدريب عملى على دايود الزينر ؟

مكونات الدائرة :

بطارية 9 فولت - مفتاح - مقاومة 1 كيلوأوم - زينر 2.7 فولت - أفوميتر

خطوات التنفيذ:

1 - وصل الدائرة بالمكونات المذكورة أعلاه .

الصورة توضح التوصيل.

2 - قيس الجهد على طرفى الزينر ومقاومة الحمل. 

الجهد على طرفى الزينر أثناء القياس هو vzi= 2.61v

---------------------------

مع تحيات سمير حسانين 

مصر -  المنصورة - مدينة ميت سلسيل