الأدوات الإلكترونية

8-2 الأدوات الإلكترونية

Electronic Devices

رابط الدرس الرقمي

[www.ien.edu.sa](http://www.ien.edu.sa)

الأهداف

• تصف كيف يعمل الدايود على جعل التيار الكهربائي يسري في اتجاه واحد فقط.
• توضح كيف يمكن للترانزستور العمل على زيادة أو تضخيم تغيرات الجهد.

المفردات

• الدايود.
• طبقة النضوب.
• الترانزستور.
• رقاقة ميكروية.

---

تعتمد الأجهزة الإلكترونية في عصرنا الحاضر، ومنها الهاتف الذكي والتلفاز ومشغلات ألعاب الفيديو والحواسيب الصغيرة، على أدوات مصنوعة من أشباه الموصلات، تتجمع في رقائق من السليكون لا يتجاوز عرضها بضعة ملمترات. وفي هذه الأدوات يتغير كل من التيار والجهد بطرائق أكثر تعقيدًا عما وصف قانون أوم.

---

الدايودات

Diodes

يعد الدايود، الوصلة الثنائية أو الصمام الثنائي، أبسط الأدوات المصنوعة من أشباه الموصلات. وهو يتكون من قطعة صغيرة من مادة شبه موصلة من النوع (p) موصولة بقطعة أخرى من النوع (n).

وبدلًا من استخدام قطعتين منفصلتين من السليكون المعالج، ومن ثم وصلهما معًا، تؤخذ عينة واحدة من السليكون النقي ثم تعالج أولًا بالمعالج (p)، ومن ثم تعالج بالمعالج (n).

وتطلى منطقة الوصل الفلزية في كل منطقة، بحيث يمكن وصل الأسلاك بها، كما هو موضح في الشكل (8-9a). ويطلق على الحد الفاصل بين شبه الموصل من نوع (p) وشبه الموصل من نوع (n) بالوصلة، لذا تسمى الأداة الناتجة بالدايود نوع (pn).

تنجذب الإلكترونات الحرة في الطرف (n) من الوصلة نحو الفجوات الموجبة في الطرف (p)، حيث تتحرك الإلكترونات بسهولة إلى المنطقة (p) وتتحد مع الفجوات.

وبطريقة مماثلة تتحرك الفجوات من الطرف (p) إلى المنطقة (n)، حيث تتحد مع الإلكترونات، ونتيجة لهذا التدفق يكون للمنطقة (n) شحنة كلية موجبة، بينما يكون للمنطقة (p) شحنة كلية سالبة.

الشكل 8-9

الرسم التوضيحي لدايود نوع (pn) في الشكل (a) يوضح أن طبقة النضوب لا تحتوي على ناقلات للشحنة.

قارن مقدار التيار في كل من الدايود المنحاز عكسيًا في الشكل (b)، والدايود المنحاز أماميًا في الشكل (c).

---

وتنتج هذه الشحنات قوى في الاتجاه المعاكس، مما يؤدي إلى توقف حركة المزيد من ناقلات الشحنة. وتترك المنطقة المحيطة بالطبقة الفاصلة دون فجوات أو إلكترونات حرة، فتنضب فيها ناقلات الشحنة، لذلك تسمى طبقة النضوب.

ولأن طبقة النضوب لا تحتوي على ناقلات الشحنة، فإنها تعد رديئة التوصيل للكهرباء. ولذلك، يتكون الدايود من موصلين جيدي التوصيل نسبيًا عند الطرفين بينهما منطقة رديئة التوصيل.

عندما يوصل الدايود في الدائرة الكهربائية بالطريقة الموضحة في الشكل (8-9b)، فإن كلًا من الإلكترونات الحرة في المادة شبه الموصلة من النوع (n) والفجوات في المادة شبه الموصلة من النوع (p) تنجذب نحو البطارية، فيزداد عرض طبقة النضوب، ولا تتلاقى ناقلات الشحنة.

ويكاد لا يمر تيار كهربائي من خلال الدايود، لذا فإنه يعمل عمل مقاوم كبير جدًا. ويسمى الدايود الموصول بهذه الطريقة الدايود المنحاز عكسيًا.

أما إذا عكس طرفا وصلة الدايود أو عكس اتجاه توصيل البطارية، كما هو موضح في الشكل (8-9c)، فإن ناقلات الشحنة تدفع في اتجاه طبقة النضوب.

وإذا كان جهد البطارية كبيرًا بدرجة كافية، (0.7V) عند استعمال دايود السليكون، فإن الإلكترونات تصل إلى الطرف (p) وتملأ الفجوات. وتضمحل طبقة النضوب، ويعبر التيار من خلال الدايود.

وتستمر البطارية في تزويد الطرف (n) بالإلكترونات، وتزيل الإلكترونات من الطرف (p)، وبذلك تعمل البطارية عمل مزود للفجوات.

وبزيادة متواصلة في الجهد من البطارية يزداد التيار. ويسمى الدايود الموصول بهذه الطريقة الدايود المنحاز أماميًا.

يبين الرسم البياني الموضح في الشكل (8-10) التيار الكهربائي المار في دايود السليكون كدالة رياضية في الجهد المطبق عليه.

فإذا كان الجهد المطبق عليه سالبًا، فإن الدايود المنحاز عكسيًا يعمل عمل مقاومة ذات مقدار كبير جدًا، ووفقًا لذلك يمر تيار صغير جدًا فقط، تقريبًا:

[
10^{-11}A
]

لدايود السليكون.

وإذا كان الجهد موجبًا فإن الدايود يكون منحازًا أماميًا، ويعمل عمل مقاوم صغير، وعلى الرغم من ذلك فإن الدايود لا يحقق قانون أوم.

إن إحدى الاستخدامات الرئيسة للدايود هي تحويل الجهد المتناوب (AC) إلى جهد مستمر (DC) بقطبية واحدة فقط. وعندما يستخدم الدايود في دائرة كهربائية تقوم بهذه الوظيفة، فعندئذ تسمى المقوم.

ويبين السهم المرسوم على رمز الدايود، والذي ستشاهده في المثال 4، اتجاه التيار الاصطلاحي.

الشكل 8-10

يشير الرسم البياني إلى خصائص التيار - الجهد لوصلة دايود مصنوع من السليكون.

---

مثال 4

دايود في دائرة كهربائية بسيطة

دايود مصنوع من السليكون له خصائص (V/I) موضحة في الشكل (8-9)، وموصول بمصدر قدرة ومقاوم مقداره:

[
470\Omega
]

إذا عمل مصدر القدرة على انحياز الدايود إلى الأمام، وعدل جهده حتى أصبح التيار المار في الدايود:

[
12mA
]

فما مقدار جهد مصدر القدرة؟

1 تحليل المسألة ورسمها

ارسم مخططًا توضيحيًا للدائرة الكهربائية التي وصل بها الدايود والمقاومة (470\Omega) ومصدر القدرة. ثم بين اتجاه التيار.

المعلوم

[
I=0.012A
]

[
V_d=0.70V
]

من الشكل.

[
R=470\Omega
]

المجهول

[
V_b=?
]

2 إيجاد الكمية المجهولة

يعطي الهبوط في الجهد عبر المقاوم من خلال المعادلة:

[
V=IR
]

وجهد مصدر القدرة يساوي مجموع الهبوط في الجهد في المقاوم والدايود.

[
V_b=IR+V_d
]

بالتعويض:

[
I=0.012A,\quad R=470\Omega,\quad V_d=0.70V
]

[
V_b=(0.012A)(470\Omega)+0.70V
]

[
V_b=6.3V
]

3 تقويم الجواب

هل الوحدات صحيحة؟
فرق جهد مصدر القدرة مقيس بوحدة الفولت.

هل الجواب منطقي؟
تتفق مع التيار والمقاومة.

دليل الرياضيات

ترتيب العمليات.

---

مسائل تدريبية

• ما جهد البطارية اللازم لتوليد تيار كهربائي مقداره (2.5mA) في الدايود الوارد في المثال 4؟

• ما جهد البطارية اللازم لتوليد تيار كهربائي مقداره (2.5mA) إذا وصل دايود آخر مماثل على التوالي مع الدايود الوارد في المثال 4؟

• صف كيف يجب أن يوصل الدايودان معًا في المسألة السابقة؟

• صف ما يحدث في المسألة 23 إذا وصل الدايودان على التوالي في اتجاه غير صحيح.

• يبلغ مقدار الهبوط في الجهد للدايود المصنوع من الجرمانيوم (0.40V) عند مرور تيار كهربائي مقداره (12mA) خلاله. فإذا وصل مقاوم مقداره (470\Omega) على التوالي مع الدايود فما جهد البطارية اللازم؟

---

الدايودات المشعة للضوء

تبعث الدايودات المصنوعة من مزيج الجاليوم والألومنيوم مع الزرنيخ والفوسفور ضوءًا عندما تكون منحازة أماميًا.

فعندما تصل الإلكترونات إلى الفجوات في الوصلة فإنها تتحد معها مجددًا، وتطلق الطاقة الفائضة على هيئة ضوء بأطوال موجية محددة.

وتعرف هذه الدايودات بالدايودات المشعة للضوء، أو (LED) أو (LEDs).

وقد شكلت بعض الدايودات المشعة للضوء لتبعث حزمة ضيقة من ضوء الليزر المترابط الأحادي اللون. وتعد دايودات الليزر هذه مصادر قوية للضوء، وتستخدم في مشغلات الأقراص المدمجة (CD)، ومؤشرات الليزر، وفي الماسحات الضوئية لأشرطة الترميز المستخدمة في الأسواق التجارية الموضحة في الشكل (8-11).

كما تستخدم في شاشات التلفاز الحديثة والإضاءة وغيرها من الاستخدامات الواسعة.

ويمكن للدايودات استشعار الضوء والكشف عنه، مثل قدرتها على بعثه. والضوء الساقط على وصلة الدايود من النوع (pn) المنحاز عكسيًا يحرر إلكترونات ويكون فجوات، مما يؤدي إلى سريان تيار كهربائي يعتمد على شدة الضوء الساقط.

الشكل 8-11

تعمل صمامات الليزر عمل باعثات للضوء، وكاشفات لأشرطة الترميز.

ملاحظة

فاز ثلاثة علماء يابانيين بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 2014 لاختراعهم الصمام الثنائي الباعث للضوء الأزرق (LED).

---

مسألة تحفيز

يستخدم التقريب في كثير من الأحيان في الدوائر الكهربائية التي تحتوي على الصمامات الثنائية، وذلك لأن مقاومة الصمام غير ثابتة.

ويتم التقريب الأول في دوائر الصمامات عند تجاهل هبوط الجهد المنحاز إلى الأمام عبر الصمام. والتقريب الثاني يأخذ في الحسبان القيمة النموذجية لهبوط جهد الصمام.

أما التقريب الثالث فيستخدم المعلومات الإضافية الخاصة بالصمامات الثنائية. وكما هو موضح في الرسم البياني، فإن المنحنى يمثل خصائص منحنى التيار–الجهد للصمام.

ويوضح الخط المستقيم ظروف التيار–الجهد لجميع حالات هبوط الجهد الممكنة للصمام لدائرة مقاومة مقدارها:

[
180\Omega
]

وبطارية جهدها:

[
1.8V
]

وصمام ثنائي، وهبوط صفري لجهد الصمام وتيار مقداره:

[
10.0mA
]

عند إحدى النهايات، حتى هبوط مقداره:

[
1.8V
]

وتيار مقداره:

[
0.0mA
]

عند النهاية الأخرى.

استخدم دائرة الصمام في المثال 4 على أن تكون:

[
V_b=1.8V
]

ولكن مع مقاومة مقدارها:

[
R=180\Omega
]

• حدد تيار الصمام الثنائي مستخدمًا التقريب الأول.

• حدد تيار الصمام الثنائي مستخدمًا التقريب الثاني، وافترض هبوط جهد مقداره (0.70V) للصمام.

• حدد تيار الصمام الثنائي مستخدمًا التقريب الثالث، وذلك باستخدام الرسم البياني المرافق للصمام.

• قدر الخطأ لكل من التقريبات الثلاثة، وتجاهل البطارية والمقاومة. ثم ناقش أثر الجهود الكبيرة للبطارية في الأخطاء.

---

الترانزستورات والدوائر المتكاملة

Transistors and Integrated Circuits

يعد الترانزستور أداة بسيطة مصنوعة من مادة شبه موصلة معالجة؛ حيث يتكون ترانزستور (npn) من طبقتين من مادة شبه موصلة من النوع (n) على طرفي طبقة رقيقة مصنوعة من مادة شبه موصلة أيضًا من النوع (p).

وتسمى هذه الطبقة المركزية القاعدة، أما الطبقتان الأخريان فتسمى إحداهما الباعث، والأخرى الجامع.

ويوضح الشكل (8-12) الرسمين التخطيطيين لنوعي الترانزستور، ويوضح السهم المرسوم على الباعث اتجاه التيار الاصطلاحي.

الشكل 8-12

يقارن بين رمزي الدائرتين الكهربائيتين المستخدمتين لتمثيل ترانزستور (pnp) في الشكل (a)، وترانزستور (npn) في الشكل (b).

الرموز

[
B = القاعدة
]

[
C = الجامع
]

[
E = الباعث
]

---

تطبيق الفيزياء

دايود الليزر

يبعث دايود الليزر المثالي الضوء بطول موجي مقداره:

[
800nm
]

والذي يعد قريبًا من الأشعة تحت الحمراء. فيخرج الشعاع من بقعة صغيرة في رقاقة (GaAlAs).

وعندما يزود الدايود بتيار مقداره:

[
80mA
]

يحدث فيه هبوط جهد أمامي مقداره:

[
2V
]

وتستخدم دايودات الليزر عادة في الإرسال عبر الألياف البصرية.

---

تجربة عملية

كيف يمكن لجهاز الحاسوب اتخاذ القرارات؟
ارجع إلى دليل التجارب العملية على منصة عين الإثرائية.

---

يوضح الشكل (8-13) طريقة عمل ترانزستور (npn). ويمكن اعتبار وصلتي (pn) في الترانزستور تشكيلًا مبدئيًا لدايودين موصولين معًا بصورة عكسية.

وتعمل البطارية (V_C) الموضوعة على اليمين على إبقاء الجامع ذي شحنة موجبة أكبر من شحنة الباعث.

ويكون الدايود الموجود بين القاعدة والجامع منحازًا عكسيًا، وتكون طبقة النضوب عريضة، ولذلك لا يسري تيار من الجامع إلى القاعدة.

وعندما توصل البطارية (V_B) الموضوعة عن يسار تكون القاعدة ذات شحنة موجبة أكبر من شحنة الباعث، هذا من شأنه أن يجعل الدايود الموجود بين القاعدة والباعث منحازًا أماميًا، فيؤدي ذلك إلى السماح للتيار (I_B) بالمرور من القاعدة إلى الباعث.

إن القاعدة الرقيقة جدًا جزء من كلا الدايودين في الترانزستور. يقلل تدفق الشحنات بواسطة التيار (I_B) من الانحياز العكسي للدايود الذي بين القاعدة والجامع، بحيث يسمح للشحنة بالتدفق من الجامع إلى الباعث.

لذا ينتج التغير القليل في التيار (I_B) تغيرًا كبيرًا في التيار (I_C).

يسبب تيار الجامع هبوطًا في الجهد عبر المقاوم (R_C). وتنتج التغيرات الصغيرة في الجهد المطبق على القاعدة تغيرات كبيرة في تيار الجامع، مما يؤدي إلى تغيرات في الهبوط في الجهد عبر المقاوم (R_C).

ونتيجة لذلك فإن الترانزستور يضخم تغيرات الجهد الصغيرة إلى تغيرات أكبر كثيرًا.

وإذا كانت الطبقة المركزية مصنوعة من مادة شبه موصلة من النوع (n) فإن الأداة عندئذ تسمى ترانزستور (pnp). ويعمل هذا الترانزستور بطريقة مماثلة لطريقة عمل ترانزستور (npn)، إلا أن قطبي كل من البطاريتين معكوسان.

الشكل 8-13

تظهر الدائرة التي تستخدم ترانزستور (npn) كيف يمكن تضخيم الجهد.

---

كسب التيار

يعد كسب التيار من دائرة القاعدة إلى دائرة الجامع مؤشرًا مفيدًا على أداء الترانزستور.

وعلى الرغم من أن تيار القاعدة صغير جدًا إلا أنه يعتمد على جهد القاعدة–الباعث الذي يتحكم في تيار الجامع.

فمثلًا، إذا أزيل الجهد (V_B) في الشكل (8-12)، فسوف يهبط تيار الجامع إلى الصفر.

وإذا ازداد الجهد (V_B) ازداد تيار القاعدة (I_B)، وازداد أيضًا تيار الجامع (I_C)، ولكن بصورة كبيرة، من المحتمل أن يزيد (100) مرة أو أكثر.

يتراوح مدى كسب التيار من القاعدة إلى الجامع من (50) إلى (300) للاستخدامات العامة للترانزستورات.

في جهاز التسجيل، تضخم التغيرات الصغيرة في الجهد الحثي في الملف الناتجة عن المناطق الممغنطة الموجودة على الشريط؛ لتحريك ملف السماعة.

وفي الحواسيب يمكن للتيارات الصغيرة في دوائر القاعدة–الباعث تشغيل وإيقاف التيارات الكبيرة في دوائر الجامع–الباعث.

وبالإضافة إلى ذلك يمكن وصل العديد من الترانزستورات معًا لتنفيذ عمليات منطقية، أو لإضافة أرقام معًا. في هذه الحالات تعمل الترانزستورات عمل مفاتيح تحكم سريعة الأداء بدلًا من عملها مضخمات.

---

تجربة

الضوء الأحمر

ركب دائرة كهربائية تحتوي على مصدر قدرة مستمر (DC)، ومقاوم مقداره:

[
470\Omega
]

ودايود مشع للضوء الأحمر متصلة معًا على التوالي.

صل السلك القصير الخاص بالدايود الباعث للضوء مع القطب السالب لمصدر القدرة الموصول بمقبس (GFCI) المحمي.

ثم صل السلك الآخر الخاص بالدايود بالمقاوم.

ثم صل الطرف الآخر للمقاوم مع القطب الموجب لمصدر القدرة، ثم زد الجهد بالتدريج حتى يبدأ الدايود المشع للضوء في التوهج.

لاحظ قراءة الجهد على مصدر القدرة.

• ضع فرضية حول ما يحدث إذا عكست اتجاه التيار.

• جرب عن طريق عكس التوصيلات مع البطارية.

التحليل والاستنتاج

• وضح ملاحظاتك بدلالة خصائص الدايود المشع للضوء.

---

الرقائق الميكروية

دوائر متكاملة يسمى كل منها رقاقة ميكروية، تتكون من آلاف الترانزستورات والدايودات والمقاومات والموصلات، وطول كل منها لا يتجاوز الميكرومتر الواحد.

ويمكن صناعة كل هذه المكونات بمعالجة السليكون وتشويبه، إضافة شوائب، بذرات مانحة أو مستقبلة.

إن الحجم الصغير للرقائق الميكروية الموضحة في الشكل (8-14) يسمح بوضع الدوائر المعقدة في مساحة صغيرة.

ولأن الإشارات الإلكترونية تنتقل خلال مسافات قصيرة جدًا فقد زاد هذا من سرعة الحواسيب. وتستخدم الرقائق الآن في الأجهزة الكهربائية وفي السيارات، كما تستخدم في الحواسيب.

تتطلب إلكترونيات أشباه الموصلات عمل الفيزيائيين والكيميائيين والمهندسين معًا في فريق واحد؛ حيث يساهم الفيزيائيون بمعرفتهم لحركة الإلكترونات والفجوات في أشباه الموصلات.

ويعمل الفيزيائيون والكيميائيون معًا على إضافة كميات مضبوطة ودقيقة من المعالجات، الشوائب، إلى السليكون ذي النقاوة الكبيرة.

ويطور المهندسون وسائل إنتاج الرقائق التي تحتوي على الآلاف من الدايودات والترانزستورات المصغرة.

وبتكاثف جهودهم معًا استطاعوا نقل عالمنا هذا إلى العصر الإلكتروني.

الشكل 8-14

تشكل الرقائق الميكروية قلب وحدة المعالجة المركزية في أجهزة الحاسوب.

---

8-2 مراجعة

• دائرة الترانزستور: تيار الباعث في دائرة الترانزستور يساوي دائمًا مجموع تياري القاعدة والجامع:

[
I_E = I_B + I_C
]

فإذا كان كسب التيار من القاعدة إلى الجامع يساوي (95)، فما النسبة بين تيار الباعث إلى تيار القاعدة؟

• هبوط جهد الدايود: إذا كان الدايود في الشكل (8-9) منحازًا إلى الأمام بواسطة بطارية ومقاوم موصول معه على التوالي، وتكون تيار يزيد على (10mA)، وهبوط في الجهد دائمًا (0.70V) تقريبًا. افترض أن جهد البطارية زاد بمقدار (1V)، احسب:

a. مقدار الزيادة في الجهد عبر الدايود أو الجهد عبر المقاوم.
b. مقدار الزيادة في التيار المار في المقاوم.

• مقاومة الدايود: قارن بين مقداري مقاومة الدايود نوع (pn) عندما يكون منحازًا إلى الأمام وعندما يكون منحازًا عكسيًا.

• قطبية الدايود: في الدايود المشع للضوء، ما الطرف الذي يجب أن يوصل مع الطرف (p) لجعل الدايود يضيء؟

• كسب التيار: إذا قيس تيار القاعدة في دائرة الترانزستور فكان:

[
55\mu A
]

وكان تيار الجامع:

[
6.6mA
]

فاحسب مقدار كسب التيار من القاعدة إلى الجامع.

• التفكير الناقد: هل يمكن أن تستبدل ترانزستور (npn) بدايودين منفصلين يوصلان معًا من الطرف (p) لكل منهما؟ وضح إجابتك.