علم الالكترونيات

تاريخ التسجيل : 11/11/2010

تحياتى للجميع
هذا الموضوع للعالم
المخترع أديسون والعالم مليكان
يقف العالم اليوم على أبواب ثورة الكترونية ستعصف بكل ما هو قديم من علم و معلومات ولعلنا بدأنا نشهد بشكل واضح معالم هذه الثورة المخيفة وبدأنا نستخدم هذه الأجهزة الدقيقة الصغيرة بل المتناهية في الصغر والتي تقوم بأعقد العمليات الحسابية وتجيب عن اعقد الأسئلة التي وقف الإنسان عاجزا حيالها مدة طويلة من الزمن ولا يغيب عن بالنا أن الإنسان هو الذي أبدع هذه الأجهزة وهو الذي يتحكم بها وبدقة عملها.
أمام هذا المارد الجديد لا خيار لنا في أن نطرق أبواب هذا العلم وليس من مجال لنا في أن نزيد من تخلفنا تخلفاً لذلك لا بد لنا إلا اللحاق بهذا الركب السريع المتسارع.
* التعريف :
إن علم الالكترونيات هو العلم الذي تعلق بسريان الالكترونات في الفراغ او في الغاز كما هو الحال في الصمامات الالكترونية أو سريانها في المواد الصلبة (كما في الترانزستور) لذلك فإن هذا العلم يشمل تركيب وأسس تصميم وعمل هذه العناصر الأساسية ودراسة دوائرها والأجهزة التي تحويها .
* تأريخيه :
يعود ابتداء عصر الالكترونيات إلى عام 1883 حينما اكتشف أديسون ظاهرة الانبعاث الحراري وذلك أثناء محاولته تحسين إضاءة المصباح الذي اخترعه فبينما كان أديسون يجري تجاربه على المصباح ادخل لوحاً معدنياً داخل المصباح وعندما شحن فتيلة المصباح ووصل اللوح بسلك خارجي إلى القطب الموجب من الفتيلة لاحظ سريان تيار في ذلك السلك مما يدل على تدفق شحنات كهربائية من الفتيلة إلى اللوح وخلال الفراغ كذلك لاحظ عدم سريان التيار عند وصل اللوح بالقطب السالب للفتيلة وتعتبر هذه الظاهرة أول إثبات عملي بأن التيار يتكون من سريان الشحنات السالبة
عندما لاحظ أديسون هذه الظاهرة لم تكن فكرة الالكترونيات قد تبلورت بعد ففي عام 1897 رسخ طومسون فكرة وجود الالكترونات واستطاع بذلك تفسير ظاهرة أديسون ورغم أن طومسون لم يستطيع أن يعين قيمة شحنة الإلكترون أو كتلته فقد نجح في تحقيق النسبة بينهما وبين ثباتها في جميع الالكترونات.
وقد دارت بعدئذ أبحاث عديدة لتعيين شحنة وكتلة الإلكترون كان اعظمها نجاحاً تلك التجارب التي قام بها مليكان الذي تمكن في سنة 1910 من تعيين شحنة الإلكترون ومنها حسب كتلة الإلكترون معتمداً على النسبة التي وجدها طومسون.
وبعد انقضاء عشرين عاماً على ظاهرة أديسون تمكن فلمنكغ من استغلال هذه الظاهرة فأخترع الصمام الثنائي الذي اقتصر استخدامه في كشف امواج الراديو وذلك لعدم انتشار التيار المتناوب حينئذ.
ولعل دي فوريه يعتبر أحسن من ساهم في علم الالكترونيات وذلك عندما أضاف في سنة 1906 قضيباً ثالثاً إلى صمام فلمنكغ وبذلك أمكن استخدام هذا الصمام الثلاثي في كشف وتكبير وتوليد الإشارات الكهربائية.
لقد استخدمت ولعدة سنين خاصية التقويم للبلورات الطبيعية في الكشف عن الأمواج الراديويه إلا أن ظهور الصمام الثلاثي أدى إلى هجرتها فترة من الزمن غير أنها عادة إلى ميدان المنافسة قبيل الحرب العالمية الثانية حيث أظهرت هذه البلورات كفاءة أعلي في الكشف عن أمواج الرادار ذي الترددات العالية والذي كان قد اخترع في تلك الأيام ولقد استمرت الأبحاث في المواد البلورية حتى ادت الى اختراع الترانزستور عام 1948 الذي احدث ثورة عظمى في الصناعات الالكترونية وجعل الصمامات تختفي يوما بعد يوم من الكثير من الأجهزة الالكترونية .
FPRIVATE "TYPE=PICT;ALT
ومنذ ولادته وحتى الآن تتوالى الأبحاث في تطوير الترانزستور وقد أنتجت أصناف كثيرة منه وكذلك تستمر الأبحاث في تصغير وربط العديد منه لتكون دائرة متكاملة في شريحة واحدة .
وقد وصلت التقنية هذه الأيام بحيث يمكن تصنيع الترانزستور في مساحة لا تتعدى واحد من ألف من المليمتر المربع ومثل هذا التطور في الصناعات الالكترونية جعل الأجهزة الالكترونية تكون ذات أحجام صغيرة و تقوم بعملها بمدة أسرع .
ثانيا : قابلية المواد لتوصيل التيار الكهربائي :
تنقسم المواد من حيث توصيلها للتيار الكهربائى الى:
· المواد الموصلة: وهي المواد التى تحتوي على عدد كبير من الالكترونات الحره. مثل النحاس والفضة.
· المواد العازلة: وهي المواد التى لاتحتوي على الكترونات حرة. مثل الكوارتز والبورسلين.
· المواد شبة الموصلة: وهي المواد التى تحتوي على نسبة قليلة من الالكترونات الحرة. مثل السليكون والجرمانيوم.
سؤال هام :
ما هو الاختلاف الأساسي بين هذه المواد ؟ ( لماذا الموصلات توصل والعازلات تعزل والأشباه لها أحوال )
الإجابة / يرجع ذلك إلى عدد الإلكترونات الحرة المتوافرة في كل مادة .
ثالثا / نظرية نطاقات الطاقة في المواد الصلبة :
تبين نظرية نطاقات الطاقة مستخدمة بعض فروض نظرية الكم أن:
1. الالكترونات تدور حول النواة في مستويات محددة الطاقة.
2. المستوى الاول للطاقة( الاقرب للنواة) يمتلك أقل طاقة وكلما زاد بعد المستوى عن النواة زادت طاقتة.
3. عندما تتجمع الذرات لتشكل كتلة صلبة (بلورة) فإن الالكترونات في أى ذرة تتأثر بقوى كهربائية بسبب الشحنات الموجودة في الذرة بالاضافة الى تأثير الذرات المحيطة بها.
4. نتيجة تجمع الذرات تتداخل مستويات طاقة كل ذرة مع الذرات الاخرى في البلورة. وينتج عن ذلك حزم او نطاقات او أشرطة للطاقة.
5. كل نطاق يحوى مجموعة من مستويات الطاقة المتقاربة التى تكون فروق الطاقة بينها صغيرة جدا.
6. يوجد بين نطاقات الطاقة مسافات فجوات.
7. الفجوات لايوجد بها مستويات طاقة او الكترونات.
ملاحظات هامة
1. طريقة توزيع نطاقات الطاقة واتساع الفجوات بينها تحدد الخاصية الكهربايئه لمادة عن مادة أخرى .
2. نطاق التكافؤ: هو النطاق الخارجي ( الاخير) الذي يحتوي على الكترونات التكافؤ.
3. نطاق التوصيل: هو النطاق الذى يعلو نطاق التكافؤ ووجود الالكترونات فية يدل على أن المادة موصلة للتيار الكهربائى.
مقارنة هااااااااااااامة :
* وجه المقارنة *.............. * المواد الموصلة * .............. * المواد العازلة * ............. * أشباه الموصلات*
1- المقاومة النوعية : -------------- صغيرة جدا ------------ كبيرة جدا ------- أكبر من الموصلة وأقل من المواد العازلة ( متوسطة )
2- - طاقة الفجوة ( النطاق المحظور ) ----لا يوجد نطاق محظور ----------- يوجد والطاقة اللازمة لعبوره كبيرة جداً --- صغير نسبياً تستطيع بعض الالكترونات بإكساب الطاقة عبور النطاق المحظور .
3- نطاق التوصيل ----- مملوء نسبياً بالكترونات ----- خالي من الالكترونات ------خالي من الالكترونات في درجة الصفر المطلق
النـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ ـــــــوع السالب
عبارة عن بلورة شبه موصل نقى"Ge- Si" مخلوطة ببعض ذرات شائبة ثلاثية التكافؤ ( مثل الجاليوم والالومنيوم و الانديوم) تحتوى في مستوى الطاقة الاخير على ثلاث الالكترونات.
وفي هذا النوع من البلورات تكون كل ذرة شائبة" ثلاثية التكافؤ" وليكن الجاليوم مرتبطة بأربع ذرات سليكون عن طريق أربع روابط تساهمية تشارك فيهم ذرة الجاليوم بثلاث الكترونات ويتبقى في الرابطه الرابعة مكان لالكترون غير موجود يسمى فجوة و تقوم هذة الفجوة بجذب الكترون من رابطه مجاورة وعندما ينتقل الالكترون يملأ هذة الفجوة يترك خلفه فجوة جديدة وهكذا.
ونتيجه لحركة الالكترون بين الروابط يملأ الفجوة يتسبب ذلك فى وجود الكترونات حرة مما يجعل البلورة توصل التيار الكهربائى.
ملاحظات هامة:
1- كل ذرة عنصر ثلاثي التكافؤ تتسبب في وجود فجوة ويسمى هذا النوع من ذرات الشوائب بالذرات المتقبلة.
2- البلورة الموجبه سميت بهذا الأسم لأن المئول عن توصيل التيار الكهربائى فيها هي الفجوات.
3- البلورة الموجبه تكون متعادلة كهربائيا لأنها تتكون أصلا من عدد من الذرات المتعادلة كهربائيا.
تفسير عمل الشوائب فى بلورة شبه الموصل غير النقى فى ضوء نظرية نطاقات الطاقه
1- الشائبة خماسية التكافؤ
عند اضافة ذرات الشائبه الخماسية التكافؤ يؤدي ذلك الى تكوين مستويات طاقة اضافيه أسفل نطاق التوصيل مباشرة وقريبة جدا منه تسهل من انتقال الالكترونات الى نطاق التوصيل عند درجة الحرارة العادية فتصبح الكترونات حرة وتشارك في التوصيل الكهربائى.
2- الشائبة الثلاثية التكافؤ:
عند اضافة ذرات الشائبة الثلاثية التكافؤ يؤدى ذلك الى تكوين مستويات طاقه إضافية أعلى نطاق التكافؤ مباشرة وقريبة جدا منة. في درجات الحرارة العادية تمكن أن تنتقل بعض الالكترونات المثارة بفعل الحرارة من نطاق التكافؤ لتشغيل مستويات الطاقة الاضافيه هذه تاركه عدد كبير من الفجوات فى نطاق التكافؤ مما يؤدى الى زيادة التوصيل الكهربائى.
المزيد من الصور لتوضيح فكرة البلورة السالبة والبلورة الموجبة
فهي فكرة مهمة بنبني عليها باقي الفصل .
في هذه الصورة يتضح بعدما طعمنا الأنتيمون والبورن بالسيلكون
تكون لدينا بلورتان
سالبة مع الأنتيمون وموجبة مع البورن
وهنا يبين نطاق التكافؤ الذي في الأسفل ونطاق التوصيل الذي في الأعلى وبين النطاقين يوجد نطاق فيرمي وقريب من نطاق التوصيل توجد الإلكترونات الإضافية والتي تنتقل بين نطاق فيرمي ونطاق التوصيل بفعل الحركة الاهتزازية للشبكة لأن الفرق في الطاقة بين هاذين النطاقين 0.01e.v
نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل وبين هذين النطاقين يوجد مستوى فيرمي قريب من نطاق التكافؤ على العكس من النوع السالب حيث كان قريب من نطاق التوصيل ويوجد في مستوى فيرمي الثقوب ( الحفر ) المسئولة عن نقل التيار .
كيفية تشكيل الوصلة الثنائية:
عند تكون الوصلة الثنائية تنجذب بعض الالكترونات من المنطقة السالبة نحو منطقة الالتحام وتعبرها الى المنطقة الموجبه ونتيجة لذلك تصبح ذرات المنطقه السالبه" أيونات موجبة" وذرات المنطقة الموجبة " أيونات سالبة" ويستمر ذلك حتى يصبح فرق الجهد بين المنطقة السالبة والمنطقة الموجبة قيمة معينة بعض عندها انتقال مزيدا من الالكترونات من المنطقة السالبة الى المنطقة الموجبة.
عندما نصل عليه جهدا معينا , وبطريقه مباشره ( الطرف الإيجابي على المنطقه ( p ) والسلبي على ( N)
هذا الجهد يسبب في إختراق الإلكترونات لمنطقة الوسط , المرور بالحفر والذهاب إلى الطرف الموجب من البطاريه .... إذا
في هذه الحاله الدايود يسمح بمرور التيار.
· حاجز الجهد:
هو فرق الجهد بين المنطقة السالبة والمنطقة الموجبة للوصلة الثنائية والذى يقف عنده انتقال مزيدا من الالكترونات من المنطقة السالبة الى المنطقة الموجبة.
· الرمز الاصطلاحى للوصلة الثنائية في الدوائر الكهربائية:
هو :
فى هذه الطريقه توصل المنطقة السالبة بالقطب السالب للمصدر وتوصيل المنطقة الموجبة بالقطب الموجب للمصدر.
ونتيجه لذلك عندما تكون القوة الدافعه للمصدر اكبر من حاجز الجهد للوصلة الثنائيه يعمل فرق الجهد للمصدر على دفع الالكترونات من المنطقه n للبلورة نحو الحد الفاصل الى المنطقه p وفي نفس الوقت تدفع الفجوات نحو المنطقة n وحركة الالكترونات والفجوات تمثل مرور التيار الكهربائى.
- يقوم القطب السالب للمصدر بأمداد المنطقه السالبة فى الوصله بالالكترونات لتعويض الالكترونات التى غيرت الوصله الى المنطقة p وفى نفس الوقت يقوم القطب الموجب للمصدر بجذب الالكترونات التى زادت فى المنطقة"P " ويترتب على ذلك مرور تيار كهربائى فى الوصلة الثنائية ويقل حاجز الجهد وتنخفض مقاومة الوصلة الثنائية بشكل كبير.
في الصورة السابقة يتضح جهد البطارية مساو لجهد الحاجز لأنه دايود سيليكون لذلك لا يمر تيار وجهد الحاجز موجود . ولكن لاحظ
فى هذه الطريقة توصل المنطقة السالبة بالقطب الموجب للمصدر " البطاريه" وتوصل المنطقة الموجبه بالقطب السالب للمصدر.
استخدامات الوصلة الثنائية :
تقويم التيار المتردد:
تستخجم الوصله الثنائيه فى تقويم التيار المتردد لأنها تسمح بمرور التيار فى اتجاة " توصيل أمامى"وتمنع مروره فى اتجاة اخر"توصيل عكسى"لذلك تسمى بالصمام الثنائي"Diodevalve".
- التقويم النصف موجى للتيار المتردد:
· طريقة العمل:
1- فى النصف الموجب من دورة التيار المتردد تكون النقطة (P)أعلى جهد والنقطة(Y)أقل جهد لذلك تكون الوصله الثنائيه الأولى فى الاتجاه الأمامى لذلك تسمح بمرور التيار فى اتجاه السهم المتصل من النقطه (S)الى النقطه(Q) خلال مقاومه الحمل (Rl) فى نفس الوقت تكون الوصله الثنائيه الثانيه(2) فى الاتجاه العكس فلا تسمح بمرور التيار الكهربائى.
2- فى النصف السالب من دورة التيار المتردد تنعكس قطبيه الملف الثانوي حيث تكون النقطه "P" أقل جهدا من النقطه"Y" لذلك تصبح الوصله الثنائيه (1) فى الاتجاه العكسي فلاتسمح بمرور التيار بينما تصبح الوصله الثنائيه رقم (2) فى الاتجاه الأمامى فتسمح بمرور التيار فى اتجاه السهم المنقط ويكون اتجاه التيار المار فى مقاومة الحمل "Rl" فى الاتجاه من "S"----->"Q"
oعلل يفضل اشتخدام الوصله الثنائيه المصنوعه من السليكون فى عملية تقويم التيار المتردد عن تلك المصنوعه من الجرمانيوم؟
للاسباب التالية:
1- للسليكون تيار عكس أقل بكثير من الجرمانيوم.
2- للسليكون قيمه فرق جهد الانهيار اكبر من مادة الجرمانيوم.
3- السليكون يتحمل درجات حرارة مرتفعه.
4-السليكون أرخص من الجرمانيوم.
مع تحياتى

المصدر:منتديات دريم سات الفضائيه - http://ahmed2010.dahek.net

منتديات دريم سات الفضائية
https://ahmed2010.ahlamountada.com
آلآتصآل پنآ -دريم سآت -آلأرشيف -فيس پوگ