بحث عن الكترونيات الحالة الصلبة نقدمه لطلاب المرحلة الثانوية في مادة الفيزياء وذلك مع اقتراب موعد الاختبارات فإنه يتم طلب أبحاث منهم لكل مادة، لأن دراسة الإلكترونيات من الدروس الهامة في مداة الفيزياء ودورها في توصيل التيار الكهربي حيث أنه السبب الرئيسي الذي يجعل المواد شبه الموصلة للتيار الكهربي تقوم بدروها في توصيل التيار الكهربي نتيجة تحرر تلك الإلكترونات وسوف نفدم لكم خلال المقال جميع العناصر التي تجعل من هذا البحث مميز ومفيد لكم بدرجة كبيرة، حيث يتضمن المقدمة والعناصر الرئيسية للبحث ومنها التوصيل الكهربي في المواد الصلبة ونظرية الأحزمة في المواد الصلبة وأنواع أشباه الموصلات للتيار الكهربي وغيرها من العناصر حتى نصل إلى خاتمة البحث.
مقدمة بحث عن الكترونيات الحالة الصلبة
- تم تصنيف المواد الصلبة البلورية إلى مواد موصلة للتيار الكهربي ومواد شبه موصلة للتيار الكهربي ومواد عازلة لا يمكنها توصيل التيار الكهربي وذلك يكون حسب قابليتها لحمل التيار الكهربي.
- قد يكون التركيب البلوري لجميع المواد متشابه والذي يتم على أساسه تكوين الشبكات البلورية بين عناصر المواد وتكون الإلكترونات حرة الحرة في درجات الحرارة المرتفعة.
- تعرف الإلكترونات الخارجية للذرة باسم إلكترونات التكافوء وهي التي تلعب الدور الرئيسي في تحديد الخواص الفيزيائية والكيميائية للمواد وغالبًا ما تكون المدارات الخارجية التي تحتوي على إلكترونات تكافوء مشبعة.
- المواد الصلبة التي تمتلك إلكترون تكافوء تعد ضمن المواد عالية التوصيل للتيار الكهربي لأن ذلك الإلكترون يكون مستعد لأن يكون حرًا بمجرد حصوله على مقدرا قليل من الطاقة.
- درة موصلية المواد شبه الموصلة للتيار الكهربي تكون بين المواد العازلة للتيار الكهربي والمواد الموصلة للتيار الكهربي وتعتمد درجة توصيبل أشباه الموصلات للتيار الكهربي على درجة حرارة الغرفة فهي لا تقوم بتوصيل التيار الكهربي في درجات الحرارة العادية حيث تحتاج إلى درجة حرارة مرتفعة ليزيد من قدرتها على توصيل التيار الكهربي عن طرسيق تحرر إلكترون التكافوء الموجود في المستوى الخارجي للذرة.
التوصيل الكهربي في المواد الصلبة
هناك مواد تعمل على توصيل التار الكهربي كما توجد مواد عازلة لا يمكنها توصيل التيار الكهربي وقد وجد بعض المواد التي تعرف باسم أشباه الموصلات ومن ذلك فيمكننا تقسيم المواد من حيث قدرتها على توصيل التيار الكهربي كما يلي:
- مواد موصلة للتيار الكهربي: وتكون حركة الإلكترونات في المواد جيدة التوصيل للتيار الكهربي حركة سريعة وبشكل عشوائي مما ينتج عنه تغير في إتجاه الحركة عند الاصطدام بالذرات وتكون:
- درجة الموصلية هي مقلوب المقاومة بمعنى أنه كلما زادت مقاومة مادة تقل درجة موصليتها للتيار الكهربي.
- كثافة الإلكترونات الحرة داخل المواد الموصلة وعدد الإلكترونات الحرة الموجودة في وحدة حجم المادة.
- مواد عازلة لا يمكنها توصيل التيار الكهربي: تكون :
- حزم التكافوء ممتلئة.
- حزم التنشيط فارغة.
- مواد شبه موصلات للتيار الكهربي: هي عبارة عن مواد تمتلك في تركيبها الذري 4 من الإلكترونات تكافوء بحيث تعمل على المساهمة في ربط الذرات مع بعضها البعض في المادة البلورية الصلبة:
- تنقسم أنواع أشباه الموصلات إلى نوعان هما:
- أشباه الموصلات النائية.
- أشباه الموصلات المعالجة.
- تنقسم أنواع أشباه الموصلات إلى نوعان هما:
نظرية الأحزمة للمواد الصلبة
- نظرية الأحزمة للمواد الصلبة هي عبارة عن وصف يتم التعبير به عن قدرة المادة على توصيل التيار الكهربي من خلال وصف كل من حزمة التكافوء حزمة التوصيل عن طريق الفجوات الممنوعة.
- المواد شبه الموصلة للتيار الكهربي لا تمتلك إلكترونات في جميع مستويات الطاقة الخارجية لديها، وفقًا لنظرية الاستبعاد فإن الإكترونات لا تتساوى في مقدار الطاقة لذا فإن مستويات الطاقة يكون كل منها له قيمة تختلف عن غيره من مستويات الطاقة لنفس الذرة.
- حزم التوصيل: هي حزم الطاقة ذات المستويات العليا بحيث يسمح ذلك للإلكترونات بالانتقال عبر المستويات.
- حزم التكافوء: هي حزم الطاقة ذات المستويات الدنيا وتكون المستويات ممتلئة بالإلكترونات المرتبطة مع بعضها في المواد الصلبة البلورية وتكون الإلكترونات متأهبة ومستعدة للحركة مع ذرة أخرى.
- المنطقة بين حزمة التكافوء وخحزمة التصيل تختلف في المواد وفقًا لقدرة المواد على توصيل التيار الكهربي فنجد أن:
- المواد العازلة للتيار الكهربي: تكون المنطقة المحظورة بين حزمة التوصيل وحزمة التكافوء ذات سمك عريض ولذا فإن الإلكترون لا يحتاج إلى طاقة كبيرة حتى يمكنه الانتقال من حزمة التكافوء إلى حزمة التوصيل.
- المواد الصلبة: نجد أن حزمة التكافوء متداخلة مع حزمة التوصيل لذا فإن حركة الإلكترون بها تكون حرة.
- المواد شبه الموصلة للتيار الكهربي: تكون المنطقة ال محرمة الموجودة بين حزم التوصيل وحزم التكافوء معتدلة ويمكن تحديدها في بعض المواد مثل السليكون وقيمتها تصل إلى 1.1 ev.
أشباه الموصلات للتيار الكهربي
تعريفها
- هي عبارة عن مجموعة من المواد التي تتميز بأن عدد الغلكترونات الموجود بها 4 إلكترونات تكافوء بحيث تساهم هذه الإلكترونات في ربط ذرات العناصر مع بعضها البعض داخل المواد البلورية الصلبة.
خصائصها
تتميز المواد شبه الموصلة للتيار الكهربي عن المواد الموصلة للتيار الكهربي والمواد العازلة للتيار الكهربي بعدد من الخصائص وهي:
- تكون المواد شبه الموصلة للتيار الكهربي صغيرة الجحم جدًا.
- لا يمكن أشباه الموصلات ان تقوم بتوليد كمية كبيرة من التيار الكهربي.
- تتميز بأن تكلفة صناعتها ومعالجتها قليلة لا تحتاج إلى تكلفة مالية ضخمة.
- تتمتع بعمر افتراضي كبير مقارنة بحجمها الصغير فقد يصل عمرها الافتراضي وقدرتها على توصيل التيار الكهربي إلى حوالي 20 عام.
- تنقسم المواد شبه الموصلة للتيار الكهربي إلى نوعين هما:
- أشباه موصلات نقية أو ذاتية.
- أشباه موصلات غير نقية أو شائبة أو معالجة.
أشباه الموصلات النقية
- تعرف أيضًا باسم المواد ذاتية التوصيل للتيار الكهربي.
- هي عبارة عن المواد التي تقوم بتوصيل التيار الكهربي نتيجة تحرر الإلكترونات والفجوات عن طريق تعريضها لدرجة الحرارة المرتفعة.
- وتكون نقية وخالية من الشوائب والعيوب عند درجة الصفر المطلق مثل مادتى السليكون والجرمانيوم.
- يقع كل من مادة الجرمانيوم والسليكون في الجدول الدوري في المجموعة الرابعة وذلك يعني أنه تحتوي على 4 إلكترونات في مدار التكافوء ونتيجة ذلك فإن مدارها الخارجي يحتاج |إلى 4 إلكترونات أخرى تساعدها على التشبع بحيث تصبح الذرة ذات أقل طاقة ممكنة لها من خلال المساهمة خمع 4 ذرات مجاورة لها بحيث تساهم بإلكترون مع ذرة واحدة فتصبح وكأنها تحتوي على 8 إلكترونات وينتج عن ذلك تكون الشبكة البلورية.
- تكون الروتبط في أشباه الموصلات النقية متعادلة كهربيًا في درجة الحرارة العادية أما في حال ارتفاع درجة الحرارة فإن الإلكترونات تكتسب طاقة زائدة تساعدها على ان تكون حرة مما يزيد من قدرة المواد على توصيل التيار الكهربي بشكل أكبر.
- الفجوات: هي المنطقة الفاصلة بيم كل من حزم التكافوء وحزم التوصيل في المواد شبه الموصلة للتيار الكهربي ولا تحتوي على مستويات للطاقة.
أشباه الموصلات المعالجة
- تعرف باسم أشباه الموصلات الغير نقية أو المشوهة او اللاذاتية؟
- هي المواد التي يتم معالجتها باستخدام الشوائت حتى يمكنها توصيل التيار الكهربي.
- الشوائب: هي عبارة عن ذرات مانحة للإلكترونات أو ذرات مستقبلة للإلكترونات يتم إضافتها لأشباه الموصلات للتيار الكهربي بمقدار قليل حتى تزيد من قدرتها على توصيل التيار الكهربي بصورة أفضل.
- وجود الشوائب في المواد شبه الموصلة للتيار الكهربي يزيد من قدرة المواد الصلبة على توصيل التيار الكهربي ويتم اختصار الاعتماد على درجة الحرارة مما يؤدي إلى ظهور نوع واحد فقط من حاملات الشحنة واختفاء النوع الآخر.
- يحدث ذلك في الأجهزة الكهربية لأنه يجب السيطرة على درجة توصيلها للتيار الكهربي حتى تتمكن من أداء دورها والغرض المرجو منها فمثلًا يتم إضافة كميات قليلة من الشوائب إلى المواد النقية حتى تزيد من دقرتها على توصيل التيار الكهربي.
- سريات التيار الكهربي في المواد أشباه الموصلات في حالة وجود ما يلي:
- انحدار في الجهد.
- انحدار في كثافة الحاملات للشحنات سواء كانت شحنة موجبة أو شحنة سالبة.
- تغير في الإزاحة الكهربية مع مرور الوقت.
- تنقسم مواد أشباه الموصلات للتيار الكهربي إلى نوعين هما:
نوع سالب:
- يتكون هذا النوع عند إضافة بعض مواد المجموعة الخامسة في الجدول الدوري كمواد شائبة لأشباه الموصلات النقسية وهي مواد يوجد في مدارها الخارجي 5 إلكترونات حرة فينتج عن ذلك ارتنباط 4 إلكترونات مع 4 ذرات مجاورة لها ويظل إلكترون واحد لا يدخل في أي روابط تساهمية مع الذرات المجاورة يعرف هذا الإلكترون باسم الإلكترون المانح.
نوع موجب
- عند إضافة عناصر المجموعة ال ثالثة في الجدول الدوري إلى اشباه الموصلات للتيار الكهربي والتي تحتوي على 3 إلكترونات في المدار الخارجي لها فإن 4 إلكترونات يرتبطون بروابط تساهمية مع 3 ذرات أخرى وبذلك يظل هناك إلكترون الذرة الرابعة يحتاج إلى تكوين رابطة تساهمية.
- تم تعريف نقصان الروابط التساهمية الناتج عن نقص عدد الإلكترونات باسم الفجوة لذا فإنه تم اعتبار الفجوات ناقلات للشحنة الموجبة وتكون شحنتها مساوية لشحنة الإلكترون.
خاتمة بحث عن الكترونيات الحالة الصلبة
ختامًا لهذا البحث وقد تعرفنا من خلاله على قدرة بعض المواد على التوصيل ا لكهربي وأنواعها حيث تنقسم إلى ثلاثة أنواع من حيث قدرتها على التوصيل الكهربي فهناك مواد موصلة للتيار الكهربي ومواد عازلة للتيار الكهربي ومواد شبه موصلة للتيار الكهربي وتحدثنا خلال العناصر عن المواد شبه الموصلة للتيار الكهربي والتي تنقسم إلى نوعين وكيف تكون تلك المواد قادرة على توصيل التيار الكهربي من خلال الإلكترونات الخارجية لها ومدى ترابطها مع الكترونات الذرات المجاروة لها بروابط تساهمية.
