أجهزة أشباه الموصلات

تتكون أجهزة أشباه الموصلات من مادة ليست موصلاً جيداً ولا عازلاً جيداً، أنشأت هذه الأجهزة تطبيقات واسعة بسبب موثوقيتها، والتكلفة المنخفضة. هذه هي المكونات المنفصلة التي تستخدم في العديد من الأجهزة مثل أجهزة الطاقة وأجهزة الإستشعار الضوئية للضغط وبواعث الضوء، بما في ذلك ليزر الحالة الصلبة. لدى هذه الأجهزة مجموعة واسعة من قدرات التعامل مع التيار والجهد، مع التصنيفات الحالية أكثر من 5000 أمبير ومعدلات الجهد أكثر من 100000 فولت.

والأهم من ذلك، أنّ أجهزة أشباه الموصلات قابلة للاندماج في الدوائر الإلكترونية الدقيقة المعقدة ولكنّها سهلة الإنشاء، والعناصر الأساسية لغالبية الأنظمة الإلكترونية بما في ذلك الإتصالات مع معالجة البيانات والمستهلكين ومعدات التحكم الصناعي.

ما هي أجهزة أشباه الموصلات؟

أجهزة أشباه الموصلات ليست سوى مكونات إلكترونية 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، تستخدم هذه الأجهزة التوصيل الإلكتروني في الحالة الصلبة بدلاً من الإنبعاث الحراري في الفراغ العالي. يتم تصنيع أجهزة أشباه الموصلات لكل من الأجهزة المنفصلة والدوائر المتكاملة، والتي تتكون من عدد قليل إلى مليارات من الأجهزة المصنعة والمترابطة على ركيزة أو رقاقة واحدة من أشباه الموصلات.

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

عندما يحتوي أحد أشباه الموصلات المخدرة على ثقوب زائدة يطلق عليه أشباه الموصلات من نوع (p-type) (موجب الشحنة للثقوب) (positive for holes)، وعندما يحتوي على فائض من الإلكترونات الحرة، يُعرف باسم (n-type) (سالب الشحنة للإلكترونات)، تسمى الروابط التي تتشكل عندما يتم ربط أشباه الموصلات من النوع (n) والنوع (p) معاً تقاطع (p–n junction).

أجهزة أشباه الموصلات:

الصمام الثنائي (الدايود) – Diode:

الصمام الثنائي (الدايود) هو أشباه الموصلات عبارة عن جهاز يتكون عادةً من تقاطع (p-n) واحد، يشكل تقاطع أشباه الموصلات من النوع (p) والنوع (n) منطقة استنفاد حيث يتم حجز التوصيل الحالي بسبب عدم وجود ناقلات شحنة متنقلة، عندما يكون الجهاز متحيزاً للأمام، يتم تقليل منطقة الاستنفاد هذه، مما يسمح بتوصيل كبير، وعندما يكون الصمام الثنائي متحيزاً عكسياً، يمكن تحقيق التيار الأقل 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 للإستفادة من هذه الظاهرة باسم “الثنائيات الضوئية”، كما تُستخدم ثنائيات أشباه الموصلات المركبة لتوليد الضوء، والصمامات الثنائية الباعثة للضوء وثنائيات الليزر.

الترانزستور – Transistor:

يتم تشكيل ترانزستورات الوصلة ثنائية القطب بواسطة تقاطعات (p-n)، إما في تكوين (p-n-p) أو تكوين (n-p-n)، الوسط أو القاعدة، المنطقة بين التقاطعات عادةً ما تكون ضيقة جداً، تُعرف المناطق الأخرى ومحطاتها ذات الصلة بالباعث والمجمع، يغير تيار صغير يتم تمريره من خلال التقاطع بين القاعدة والباعث خصائص تقاطع مجمع القاعدة بحيث يمكن أن يكون موصلاً للتيار على الرغم من أنّه منحازاً عكسياً، هذا يؤدي إلى خلق تياراً أكبر بين المجمع والباعث، ويتحكم فيه تيار باعث القاعدة.

قائمة بأجهزة أشباه الموصلات الشائعة:

تتضمن قائمة أجهزة أشباه الموصلات الشائعة بشكل أساسي أجهزة تحتوي على طرفين أو ثلاثة أطراف أو أربعة أطراف:

الأجهزة ذات الطرفين هي:

• الصمام الثنائي (الصمام الثنائي المعدل) – (Diode (rectifier diode.
  
• الدايود – Gunn diode.
  
• الدايود – IMPATT diode.
  
• الليزر دايود – Laser diode.
  
• الزينر دايود – Zener diode.
  
• الدايود – Schottky diode.
  
• الدايود المدبب – PIN diode.
  
• الدايود – Tunnel diode.
  
• الدايود الباعث للضوء (LED) – Light-emitting diode – (LED).
  
• الترانزيستور – Photo transistor.
  
• الخلايا الضوئية – Photocell.
  
• الخلايا الشمسية – Solar cell.
  
• الدايود لقمع الجهد العابر – Transient-voltage-suppression diode.
  
• VCSEL.
  

الأجهزة ذات الثلاثة أطراف:

• الترانزيستور ثنائي القطب – Bipolar transistor.
  
• ترانزيستور حقل التأثير – Field-effect transistor.
  
• الترانزيستور – Darlington transistor.
  
• الترانزيستور – (Insulated-gate bipolar transistor (IGBT.
  
• الترانزيستور الأحادي – Unijunction transistor.
  
• السيليكون المعدل – Silicon-controlled rectifier.
  
• الثايرستور – Thyristor.
  
• TRIAC.
  

الأجهزة ذات الأطراف الأربعة:

• مقرنة الصور (Optocoupler).
  
• مستشعر التأثير (مستشعر المجال المغناطيسي).
  

تطبيقات أجهزة أشباه الموصلات:

يمكن إستخدام جميع أنواع الترانزستور كوحدات بناء للبوابات المنطقية، وهو أمر مفيد لتصميم الدوائر الرقمية، في الدوائر الرقمية مثل المعالجات الدقيقة، تعمل الترانزستورات كمفتاح (تشغيل / إيقاف)، في (MOSFET)، على سبيل المثال، يحدد الجهد المطبق على البوابة ما إذا كان المفتاح قيد التشغيل أو الإيقاف. تستخدم الترانزستورات للدوائر التناظرية لا تعمل كمفاتيح (تشغيل – إيقاف) نسبياً، يستجيبون لنطاق مستمر من المدخلات مع نطاق مستمر من المخرجات، حيث تشمل الدوائر التناظرية الشائعة المذبذبات ومكبرات الصوت، تُعرف الدوائر التي تتفاعل أو تترجم بين الدوائر التناظرية والدوائر الرقمية بدوائر الإشارة المختلطة.

مميزات أجهزة أشباه الموصلات:

• نظراً لأنّ أجهزة أشباه الموصلات لا تحتوي على أسلاك كهربائية، فلا حاجة إلى طاقة لتسخينها للتسبب في إنبعاث الإلكترونات.
  
• نظراً لعدم الحاجة إلى تسخين، يتم ضبط أجهزة أشباه الموصلات على التشغيل بمجرد تشغيل الدائرة.
  
• أثناء التشغيل، لا تصدر أجهزة أشباه الموصلات أي ضوضاء وطنين.
  
• تتطلب أجهزة أشباه الموصلات تشغيلاً منخفض الجهد مقارنة بالأنابيب المفرغة.
  
• نظراً لأحجامها الصغيرة، فإنّ الدوائر التي تتضمن أجهزة أشباه الموصلات تكون مضغوطة للغاية.
  
• أجهزة أشباه الموصلات هي أجهزة مقاومة للصدمات.
  
• أجهزة أشباه الموصلات أرخص مقارنة بالأنابيب المفرغة.
  
• تتمتع أجهزة أشباه الموصلات بعمر غير محدود تقريباً.
  
• نظراً لعدم وجود أنابيب مفرغة في أجهزة أشباه الموصلات، فلا توجد مشكلة في تدهور أو خراب هذه الأنابيب.
  

عيوب أجهزة أشباه الموصلات:

• مستوى الضوضاء يكون 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، لدى هذه الأجهزة استجابة ضعيفة.
  

وبالتالي، فإنّ كل هذه المميزات والعيوب تتعلق بالأنواع المختلفة من أجهزة أشباه الموصلات والتي تشمل جهاز ذو طرفين، أوثلاثة أطراف أوأربعة أطراف.