أشباه الموصلات.. حجر الأساس لتشغيل الأجهزة الإلكترونية

أشباه الموصلات..حجر الأساس لتشغيل الأجهزة الالكترونية

تعد أشباه الموصلات جزءًا مهمًا من تشغيل الأجهزة الإلكترونية التي لا غنى عنها في عصرنا الحالي، بداية من أجهزة الكمبيوتر حتى الهواتف الذكية، والتي تعطي للحياة السمة الرقمية الهائلة.

تلعب أشباه الموصلات دورًا مهمًا في تشغيل الأجهزة الإلكترونية من خلال دخولها في صناعة الترانزستور.

فالرقائق الإلكترونية التي تعمل على معالجة البيانات داخل أجهزة تحتوي على ملايين الترانزستورات.

يكمن دور أشباه الموصلات في قدرتها على توصيل التيار الكهربائي من مواد موصلة للكهرباء إلى أخرى عازلة. ومن هنا تنطلق نقطة البداية لتشغيل أي جهاز إلكتروني.

أشباه الموصلات.. حجر الأساس لتشغيل الأجهزة الإلكترونية

تعريف أشباه الموصلات 

في عالم الفيزياء، هناك مواد موصلة للكهرباء وأخرى عازلة أو بمعنى أوضح غير قادرة على توصيل الكهرباء مباشرةً، ومواد أخرى تلعب دور الوسيط في توصيل التيار الكهربائي بين المواد الموصلة إلى العازلة، وتسمي بأشباه الموصلات.

وتعتبر من أكثر أشباه الموصلات شيوعًا هي مواد: زرنيخيد الغاليوم والجرمانيوم والسيليكون.

أشباه الموصلات.. حجر الأساس لتشغيل الأجهزة الإلكترونية

أنواع أشباه الموصلات

تنقسم أشباه الموصلات إلى نوعين:

أشباه موصلات داخلية أو Intrinsic Semiconductors

يطلق هذا الاسم على أشباه الموصلات النقية التي لا تحتوي على أي شوائب، بحيث لا تكون موصلاً جيدًا أو عازلاً جيدًا.

في هذه الصورة تحمل مادة أشباه الموصلات عددًا متساويًا من الإلكترونيات أو علميًا “غلاف التكافؤ”. على سبيل المثال، تتكون مادة السيليكون من 4 إلكترونيات.

أشباه الموصلات الخارجية Extrinsic Semiconductors

يطلق هذا المصطلح على أشباه الموصلات بعد إضافة الشوائب أو بمعنى أوضح مواد مساعدة لتحفيز سلوكها، والتي تسمي في علم الإلكترونيات Doping.

من أشهر مواد الشوائب مادتي البورون والأنتيمون. وبناء على المادة المساعدة يتم تقسيم أشباه الموصلات الخارجية إلى نوعين: أشباه الموصلات – N – type Semiconductor، وأشباه الموصلات – P – type Semiconductor.

أشباه الموصلات..حجر الأساس لتشغيل الأجهزة الإلكترونية

كيف تعمل أشباه الموصلات؟ 

لكي نتفهم طريقة عمل أشباه الموصلات علينا توضيح بعض المفاهيم العلمية حول الطاقة وتحويل الكهرباء.

علميًا إن قدرة المادة على توصيل الكهرباء تعتمد على حركة الإلكترونيات داخل العنصر وقدرتها على مقاومة الانجذاب إلى النواة.

على عكس الإلكترونيات، إن النواة موجبة الشحنة، لذلك توجد قوة جذب بين الإلكترونيات والنواة.

فإذا كانت قوة الجذب ضعيفة لدرجة تختلق مسافة بين النواة والإلكترونيات، فإن المادة قادرة على تمرير التيار الكهربائي والعكس صحيح.

تتحرك الإلكترونيات خلال المادة في نطاقي التكافؤ والتوصيل. حينما تكون المسافة بين النطاقين كبيرة ولا يصعب نقل الإلكترونيات بين النطاقين عندما تكون المادة عازلة. وأما المواد الصلبة فتكون المسافة بين النطاقين صغيرة فيتم نقل التيار الكهربائي.

في حالة أشباه الموصلات، لا يوجد فاصل بين نطاقي التكافؤ والتوصيل، وتكون الإلكترونات في النطاقين متشابكة فيما بينهما، وبذلك تنتقل إلكترونات التكافؤ بين النطاقين بسهولة.

استخدامات أشباه الموصلات 

بما أن أشباه الموصلات هي صمام الأمان للأجهزة الإلكترونية.. إليك أهم استخداماته:

مقوم تيار نصف موجي (Half-Wave Rectifier):

يستخدم لإنتاج تيار مستمر، لكنه متقطع الشدة في نصف دورة، ومنعدم بنصف الدورة الأخرى.

مقوم تيار موجي مكتمل (Full-Wave Rectifier):

يستخدم لتحويل تيار متردد إلى تيار مستمر. يتميز هذا التيار عن السابق، أنه لا ينعدم في نصف الدورة التالية.

كما يستخدم في العديد من التطبيقات التي تعمل بنظام البطاريات، وأيضًا في أنظمة الطاقة الشمسية، لأن الخلايا الشمسية يمكنها أن توليد تيارات مستمرة فقط.

الفوتودايود (Photodiode):

في الفوتودايود يمتص السيليكون طاقة فوتونات الضوء المسلطة عليه حتى يخلق أزواجًا إضافية من الإلكترونات والفجوات؛ ما يتسبب في تغير ملحوظ بشدة التيار.

ويستخدم في 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 بسرعة الاستجابة، وصغر الحجم، وطول العمر الافتراضي، ما أدى إلى انتشارها على نطاق واسع واستخدامها كبديل لمصابيح الفلورسنت والتنجستين.

مميزات أشباه الموصلات 

تتميز أشباه الموصلات بأنها عازله تمامًا عند درجة صفر، بسبب شدة ارتباط الإلكترونات بذراتها.

بالتالي عند رفع درجة حرارتها تصبح الطاقة الحرارية كافية لكسر بعض الروابط بين الذرات فتتحرر بعض الإلكترونات تاركة مكانها فجوة (ثقب)، وبذلك تصبح البلورة موصلة للكهرباء عن طريق الفجوات التي تتحرك عكس الإلكترونات.

كما تتميز أشباه الموصلات أنها صغيرة الحجم؛ ما يعني أن الدوائر التي تتضمنها مضغوطة جدًا.

الخاتمة

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، فضلا عن الإلكترونيات الاستهلاكية.

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

المصادر

موقع Praxil labs 

موقع IBM Research 

 

أقرا أيضا 

للمزيد من أخبار عن التكنولوجيا اضغط الرابط التالي 

 

الرابط المختصر :