ملخص الفصل ٨: إلكترونيات الحالة الصلبة

8-1 التوصيل الكهربائي في المواد الصلبة

• تفسر نظرية الأحزمة التوصيل في المواد الصلبة؛ فعند تقارب الذرات في البلورة تتجزأ مستويات الطاقة إلى أحزمة، وتفصل فجوة الطاقة بين حزمة التكافؤ وحزمة التوصيل.
• في الموصلات تكون حزمة التوصيل مملوءة جزئيًّا فتتحرك الإلكترونات بسهولة، وفي العوازل تكون فجوة الطاقة كبيرة، أما أشباه الموصلات مثل السليكون والجرمانيوم ففجوتها صغيرة فتوصل قليلًا وتزداد موصليتها بارتفاع درجة الحرارة.
• تزداد موصلية شبه الموصل بالمعالجة بالشوائب: إضافة ذرة خماسية التكافؤ كالزرنيخ تعطي إلكترونًا حرًّا فينتج شبه موصل من النوع السالب n، وإضافة ذرة ثلاثية التكافؤ كالجاليوم تنتج فجوة فيتكون شبه موصل من النوع الموجب p.

راجع صفحة ٢٢٣ في الكتاب

8-2 الأدوات الإلكترونية

• الدايود يتكون من شبه موصل من النوع p ملتصق بآخر من النوع n، وتتكون عند الوصلة طبقة النضوب الخالية من ناقلات الشحنة، فيسمح الدايود بمرور التيار في اتجاه واحد فقط.
• عند الانحياز الأمامي يكون الطرف p موصولًا بالقطب الموجب فيمر التيار بعد تجاوز جهد نحو 0.7 V للسليكون، وعند الانحياز العكسي لا يمر إلا تيار صغير جدًّا، ولذلك يُستخدم الدايود مقوّمًا يحوّل الجهد المتناوب إلى جهد مستمر.
• الترانزستور أداة بسيطة من ثلاث طبقات من أشباه الموصلات (npn أو pnp) تعمل على زيادة تغيرات الجهد أو تضخيمها، وتحتوي الرقاقة الميكروية على ملايين الترانزستورات والدايودات والمقاومات.

راجع صفحة ٢٣٥ في الكتاب

مثال محلول

عُولجت بلورتان من السليكون: الأولى بإضافة ذرات زرنيخ، والثانية بإضافة ذرات جاليوم. صنّف كل بلورة إلى نوع شبه الموصل الناتج، وحدّد ناقلات الشحنة الأغلب فيها.

1. السليكون رباعي التكافؤ، فكل ذرة منه ترتبط بأربع ذرات مجاورة.
2. الزرنيخ خماسي التكافؤ، فيرتبط بأربعة إلكترونات ويبقى الخامس حرًّا قريبًا من حزمة التوصيل، فهو مادة مانحة.
3. الجاليوم ثلاثي التكافؤ، فينقصه إلكترون لإكمال الروابط فتتكون فجوة، فهو مادة مستقبلة.
4. تحقق: الشحنة الكلية للبلورة تبقى متعادلة في الحالتين، والاختلاف فقط في نوع ناقل الشحنة الذي يسهل حركته.

الإجابة: البلورة المعالجة بالزرنيخ شبه موصل من النوع n وناقلاتها الأغلب الإلكترونات، والمعالجة بالجاليوم شبه موصل من النوع p وناقلاتها الأغلب الفجوات.