يتكون جهاز أشباه الموصلات من مادة ليست موصلًا جيدًا ولا عازلًا جيدًا ، ويسمى أشباه الموصلات. أنشأت هذه الأجهزة تطبيقات واسعة بسبب موثوقيتها ، والاكتناز ، والتكلفة المنخفضة. هذه هي المكونات المنفصلة التي تستخدم في أجهزة الطاقة ، وأجهزة الاستشعار الضوئية المدمجة ، وبواعث الضوء ، بما في ذلك أشعة الليزر ذات الحالة الصلبة. لديهم مجموعة واسعة من قدرات التعامل مع التيار والجهد ، مع التصنيفات الحالية أكثر من 5000 أمبير ومعدلات الجهد أكثر من 100000 فولت. أكثر أهمية، أجهزة أشباه الموصلات تصلح للاندماج في الدوائر الإلكترونية الدقيقة المعقدة ولكن المتكونة بسهولة. لديهم مستقبل محتمل ، والعناصر الأساسية لغالبية الأنظمة الإلكترونية بما في ذلك الاتصالات مع معالجة البيانات ، والمستهلكين ، ومعدات التحكم الصناعي.

ما هي أجهزة أشباه الموصلات؟

أجهزة أشباه الموصلات ليست سوى مكونات الكترونية التي تستغل الخصائص الإلكترونية لمواد أشباه الموصلات ، مثل السيليكون والجرمانيوم وزرنيخيد الغاليوم ، وكذلك أشباه الموصلات العضوية. لقد حلت أجهزة أشباه الموصلات محل الأنابيب المفرغة في العديد من التطبيقات. يستخدمون التوصيل الإلكتروني في الحالة الصلبة بدلاً من الانبعاث الحراري في فراغ عالي. يتم تصنيع أجهزة أشباه الموصلات لكل من الأجهزة المنفصلة و دوائر متكاملة ، والتي تتكون من عدد قليل إلى مليارات من الأجهزة المصنعة والمترابطة على ركيزة أو رقاقة واحدة من أشباه الموصلات.

أجهزة أشباه الموصلات

تعتبر مواد أشباه الموصلات مفيدة من خلال سلوكها الذي يمكن التلاعب به بسهولة عن طريق إضافة الشوائب المعروف باسم المنشطات. يمكن التحكم في موصلية أشباه الموصلات عن طريق المجال الكهربائي أو المغناطيسي ، عن طريق التعرض للضوء أو الحرارة ، أو عن طريق التشوه الميكانيكي لشبكة بلورية أحادية مخدرة ، وبالتالي ، يمكن لأشباه الموصلات أن تصنع أجهزة استشعار ممتازة. يحدث التوصيل الحالي في أشباه الموصلات خاليًا من الإلكترونات والثقوب ، والتي تُعرف مجتمعة باسم ناقلات الشحن. يتم تنشيط السيليكون عن طريق إضافة كمية صغيرة من ذرات الشوائب وكذلك الفوسفور أو البورون ، مما يزيد بشكل كبير من عدد الإلكترونات أو الثقوب داخل أشباه الموصلات.

عندما يحتوي أحد أشباه الموصلات المخدرة على ثقوب زائدة يطلق عليه 'نوع p' (موجب للثقوب) أشباه الموصلات ، وعندما يحتوي على فائض من الإلكترونات الحرة ، يُعرف باسم 'نوع n' (سالب للإلكترونات) أشباه الموصلات ، علامة الشحن لمعظم ناقلات الشحن المتنقلة. تسمى الوصلات التي تشكلت حيث يتم ربط أشباه الموصلات من النوع n والنوع p معًا تقاطع p - n.

الصمام الثنائي

أشباه الموصلات الصمام الثنائي هو جهاز عادة ما تتكون من تقاطع pn واحد. يشكل تقاطع أشباه الموصلات من النوع p و n منطقة استنفاد حيث يتم حجز التوصيل الحالي بسبب عدم وجود ناقلات شحن متنقلة. عندما يكون الجهاز متحيزًا للأمام ، يتم تقليل منطقة النضوب هذه ، مما يسمح بتوصيل كبير ، عندما يكون الصمام الثنائي متحيزًا عكسيًا ، يمكن تحقيق تيار أقل فقط ويمكن توسيع منطقة النضوب. يمكن أن ينتج عن تعريض أشباه الموصلات للضوء أزواج ثقوب إلكترونية ، مما يزيد من عدد الحاملات الحرة وبالتالي الموصلية. تُعرف الثنائيات المُحسَّنة للاستفادة من هذه الظاهرة باسم الثنائيات الضوئية. كما تُستخدم ثنائيات أشباه الموصلات المركبة لتوليد الضوء ، والصمامات الثنائية الباعثة للضوء وثنائيات الليزر.

الصمام الثنائي

الترانزستور

الترانزستورات ثنائية القطب يتم تشكيلها بواسطة تقاطعات pn ، إما في تكوين p-n-p أو n-p-n. الوسط أو القاعدة ، المنطقة بين التقاطعات عادة ما تكون ضيقة جدًا. تُعرف المناطق الأخرى ومحطاتها ذات الصلة بالباعث والمجمع. يغير تيار صغير يتم حقنه من خلال التقاطع بين القاعدة والباعث خصائص تقاطع مجمع القاعدة بحيث يمكن أن يكون موصلًا للتيار على الرغم من أنه منحاز عكسيًا. هذا يخلق تيارًا أكبر بين المجمع والباعث ، ويتحكم فيه تيار باعث القاعدة.

الترانزستور

نوع آخر من الترانزستور اسمه حقل التأثير الترانزستور ، إنه يعمل على مبدأ أن موصلية أشباه الموصلات يمكن أن تزداد أو تنقص بوجود مجال كهربائي. يمكن للحقل الكهربائي أن يزيد من عدد الإلكترونات والثقوب في أشباه الموصلات ، وبالتالي يغير من الموصلية. يمكن تطبيق المجال الكهربائي عن طريق تقاطع pn منحازًا عكسيًا ، ويشكل ترانزستور تأثير مجال تقاطع (JFET) أو بواسطة قطب كهربائي معزول عن المادة السائبة بواسطة طبقة أكسيد ، ويشكل معدن أكسيد أشباه الموصلات تأثير الحقل الترانزستور (موسفيت).

“أمثلة لنظام التحكم في الحلقة المغلقة ”

الآن هو اليوم الأكثر استخدامًا في MOSFET ، جهاز الحالة الصلبة ، وأجهزة أشباه الموصلات. يتم شحن القطب الكهربائي للبوابة لإنتاج مجال كهربائي يمكنه التحكم في توصيل 'قناة' بين طرفين ، يسمى المصدر والصرف. اعتمادًا على نوع الناقل في القناة ، قد يكون الجهاز عبارة عن قناة n (للإلكترونات) أو قناة p (للفتحات) MOSFET.

مواد جهاز أشباه الموصلات

السيليكون (Si) هو المادة الأكثر استخدامًا في أجهزة أشباه الموصلات. إنها ذات تكلفة مواد خام أقل وعملية بسيطة نسبيًا. نطاق درجة الحرارة المفيد يجعلها حاليًا أفضل حل وسط بين مختلف المواد المنافسة. يتم تصنيع السيليكون المستخدم في تصنيع أجهزة أشباه الموصلات حاليًا في أوعية ذات قطر كبير بما يكفي للسماح بتصنيع رقائق بحجم 300 مم (12 بوصة).

كان الجرمانيوم (Ge) مستخدمًا على نطاق واسع في مادة أشباه الموصلات المبكرة ، لكن حساسيته الحرارية تجعله أقل فائدة من السيليكون. في الوقت الحاضر ، غالبًا ما يتم خلط الجرمانيوم مع السيليكون (Si) لاستخدامه في أجهزة SiGe عالية السرعة للغاية. IBM هي المنتج الرئيسي لهذه الأجهزة.

يستخدم زرنيخيد الغاليوم (GaAs) أيضًا على نطاق واسع مع الأجهزة عالية السرعة ، ولكن حتى الآن ، كان من الصعب تشكيل أوعية ذات قطر كبير من هذه المادة ، مما يحد من أحجام قطر الرقاقة الأصغر بكثير من رقائق السيليكون ، مما يجعل الإنتاج الضخم من زرنيخيد الغاليوم (GaAs) أغلى بكثير من السليكون.

قائمة بأجهزة أشباه الموصلات الشائعة

تشتمل قائمة أجهزة أشباه الموصلات الشائعة بشكل أساسي على محطتين ، وثلاثة أطراف وأربعة أجهزة طرفية.

أجهزة أشباه الموصلات الشائعة

الأجهزة ذات المحطتين هي

الصمام الثنائي (الصمام الثنائي المعدل)
غن ديود
الثنائيات IMPACT
الصمام الثنائي بالليزر
الصمام الثنائي زينر
شوتكي الصمام الثنائي
الصمام الثنائي PIN
نفق ديود
الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)
ترانزستور صور
ضوئية
الخلايا الشمسية
الصمام الثنائي لقمع الجهد العابر
VCSEL

ثلاثة أجهزة طرفية هي

الترانزستور ثنائي القطب
حقل التأثير الترانزستور
دارلينجتون الترانزستور
ترانزستور ثنائي القطب معزول البوابة (IGBT)
ترانزستور أحادي
السيليكون المعدل للرقابة
الثايرستور
ترياك

أربعة أجهزة طرفية هي

مقرنة الصور (Optocoupler)
مستشعر تأثير القاعة (مستشعر المجال المغناطيسي)

تطبيقات جهاز أشباه الموصلات

يمكن استخدام جميع أنواع الترانزستور كملف اللبنات الأساسية للبوابات المنطقية ، وهو مفيد في تصميم الدوائر الرقمية. في الدوائر الرقمية مثل المعالجات الدقيقة ، فإن الترانزستورات التي تعمل كمفتاح (on-off) في MOSFET ، على سبيل المثال ، يحدد الجهد المطبق على البوابة ما إذا كان المفتاح قيد التشغيل أو الإيقاف.

“ما هو منفذ على الكمبيوتر ”

تستخدم الترانزستورات للدوائر التناظرية لا تعمل كمفاتيح (تشغيل-إيقاف) نسبيًا ، فهي تستجيب لنطاق مستمر من المدخلات مع نطاق مستمر من الإخراج. تشمل الدوائر التناظرية الشائعة المذبذبات ومكبرات الصوت. تُعرف الدوائر التي تتفاعل أو تترجم بين الدوائر التناظرية والدوائر الرقمية باسم دوائر الإشارة المختلطة.

مزايا أجهزة أشباه الموصلات

نظرًا لأن أجهزة أشباه الموصلات لا تحتوي على خيوط ، فلا حاجة إلى طاقة لتسخينها للتسبب في انبعاث الإلكترونات.
نظرًا لعدم الحاجة إلى تدفئة ، يتم ضبط أجهزة أشباه الموصلات على التشغيل بمجرد تشغيل الدائرة.
أثناء التشغيل ، لا تصدر أجهزة أشباه الموصلات أي ضوضاء طنين.
تتطلب أجهزة أشباه الموصلات تشغيلًا منخفض الجهد مقارنة بالأنابيب المفرغة.
نظرًا لصغر حجمها ، فإن الدوائر التي تشتمل على أجهزة أشباه الموصلات تكون مضغوطة للغاية.
أجهزة أشباه الموصلات مقاومة للصدمات.
أجهزة أشباه الموصلات أرخص مقارنة بالأنابيب المفرغة.
تتمتع أجهزة أشباه الموصلات بعمر غير محدود تقريبًا.
نظرًا لعدم وجود فراغ في أجهزة أشباه الموصلات ، فلا توجد مشكلة في تدهور الفراغ.

عيوب أجهزة أشباه الموصلات

مستوى الضوضاء أعلى في أجهزة أشباه الموصلات مقارنة بالأنابيب المفرغة.
لا تستطيع أجهزة أشباه الموصلات العادية التعامل مع قدر أكبر من الطاقة مثل الأنابيب المفرغة العادية.
في نطاق التردد العالي ، لديهم استجابة ضعيفة.

وبالتالي ، فإن هذا كله يتعلق بأنواع مختلفة من أجهزة أشباه الموصلات تشمل محطتين ، وثلاثة أطراف وأربعة أجهزة طرفية. نأمل أن يكون لديك فهم أفضل لهذا المفهوم. علاوة على ذلك ، أي شكوك بشأن هذا المفهوم أو المشاريع الكهربائية والإلكترونية ، يرجى إبداء ملاحظاتك من خلال التعليق في قسم التعليقات أدناه. هنا سؤال لك ما هي تطبيقات أجهزة أشباه الموصلات؟

اعتمادات الصورة: