بحث عن الكترونيات الحالة الصلبة
سنوفر لطلاب المرحلة الثانوية في مادة الفيزياء بحثًا إلكترونيًا عن الإلكترونيات في الحالة الصلبة على موقع موسوعة. وبالنظر إلى قرب موعد الاختبارات، يُطلب من الطلاب عمل أبحاث لكل مادة. ويُعتبر دراسة الإلكترونيات من الدروس الهامة في مادة الفيزياء، حيث تلعب دورًا في توصيل التيار الكهربائي، وتعد سببًا رئيسيًا لتمكين المواد شبه الموصلة من توصيل التيار الكهربائي. سنقوم بتوفير جميع العناصر التي تجعل هذا البحث مميزًا ومفيدًا بدرجة كبيرة، بما في ذلك المقدمة والعناصر الرئيسية للبحث، مثل التوصيل الكهربائي في المواد الصلبة ونظرية الأحزمة في المواد الصلبة وأنواع أشباه الموصلات للتيار الكهربائي وغيرها من العناصر، حتى نصل إلى خاتمة البحث.
مقدمة بحث عن الكترونيات الحالة الصلبة
- تم تصنيف المواد الصلبة البلورية إلى مواد موصلة للتيار الكهربائي ومواد شبه موصلة للتيار الكهربائي ومواد عازلة غير قادرة على توصيل التيار الكهربائي، وذلك يتوقف على قابلية هذه المواد لحمل التيار الكهربائي.
- من الممكن أن يكون التركيب البلوري لجميع المواد متشابهًا، وبناءً عليه يتم تشكيل الشبكات البلورية بين عناصر المواد، وتكون الإلكترونات حرةً في درجات الحرارة العالية.
- تُعرف الإلكترونات الخارجية للذرة باسم إلكترونات التكافؤ، وهي التي تلعب الدور الرئيسي في تحديد الخواص الفيزيائية والكيميائية للمواد، وغالبًا ما تكون المدارات الخارجية التي تحتوي على إلكترونات تكافؤ مشبعة.
- المواد الصلبة التي تحتوي على إلكترون تكافؤ تصنف على أنها مواد عالية التوصيل للتيار الكهربائي، حيث يكون الإلكترون جاهزًا للحرية حالما يتم إضافة كمية صغيرة من الطاقة إليه.
- تتكون درة الموصلية من المواد شبه الموصلة للتيار الكهربائي بين المواد العازلة للتيار الكهربائي والمواد الموصلة للتيار الكهربائي، وتعتمد قدرة أشباه الموصلات على توصيل التيار الكهربائي على درجة حرارة الغرفة، حيث لا تستطيع توصيل التيار الكهربائي في درجات الحرارة العادية، وتحتاج إلى درجة حرارة مرتفعة لزيادة قدرتها على توصيل التيار الكهربائي، وذلك عن طريق تحرر إلكترونات التكافؤ الموجودة في المستوى الخارجي للذرة.
التوصيل الكهربي في المواد الصلبة
توجد مواد تعمل على توصيل التيار الكهربي، ومواد عازلة لا يمكنها توصيل التيار الكهربي، وتم اكتشاف بعض المواد المعروفة باسم أشباه الموصلات، ويمكن تصنيف المواد حسب قدرتها على توصيل التيار الكهربي كما يلي:
- مواد موصلة للتيار الكهربي: تتميز حركة الإلكترونات في المواد الجيدة التوصيل للتيار الكهربي بالسرعة والتشتت العشوائي، مما يؤدي إلى تغيير اتجاه الحركة عند اصطدامها بالذرات:
- تعتبر درجة الموصلية مقلوبة لمقاومة المادة، وبالتالي كلما زادت مقاومة المادة، تقل درجة موصليتها للتيار الكهربائي.
- يتعلق كثافة الإلكترونات الحرة داخل المواد الموصلة وعددها في وحدة حجم المادة.
- مواد عازلة لا يمكنها توصيل التيار الكهربي: تكون :
- حزم التكافؤ ممتلئة.
- حزم التنشيط فارغة.
- مواد شبه موصلات للتيار الكهربي: المواد التي تحتوي في تركيبها الذري على 4 إلكترونات تكافؤ تساهم في ربط الذرات مع بعضها البعض في المواد 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
- تُعدْ نظرية الأحزمة للمواد الصلبة وصفًا لقدرة المادة على توصيل التيار الكهربائي، ويتم التعبير عنها من خلال وصف حزمة التكافؤ وحزمة التوصيل والفجوات الممنوعة التي تمنع تدفق التيار الكهربائي.
- المواد شبه الموصلة للتيار الكهربي هي المواد التي لا تحتوي على إلكترونات في جميع مستويات الطاقة الخارجية لديها، وبموجب نظرية الاستبعاد، فإن الإلكترونات لا تتساوى في كمية الطاقة، لذلك فإن كل من مستويات الطاقة لديها قيمة مختلفة عن غيرها من مستويات الطاقة لنفس الذرة.
- حزم التوصيل: هي حزم الطاقة ذات المستويات العليا التي تسمح للإلكترونات بالانتقال بين المستويات.
- حزم التكافؤ: تعني مصطلح الحالة الصلبة المتبلورة الحزم الطاقية ذات المستويات الدنيا، ويكون لكل مستوى إلكترونات مترابطة مع بعضها البعض، وتكون هذه الإلكترونات جاهزة للحركة مع ذرة أخرى.
- تختلف المواد في المنطقة بين حزمة التكافؤ وحزمة التوصيل وفقًا لقدرتها على توصيل التيار الكهربائي، حيث نجد أن:
- المواد العازلة للتيار الكهربي: تكون المنطقة المحصورة بين حزمة التوصيل وحزمة التكافؤ ذات سمك عريض، ولذلك فإن الإلكترون لا يحتاج إلى طاقة كبيرة حتى يتمكن من الانتقال من حزمة التكافؤ إلى حزمة التوصيل.
- المواد الصلبة: نجد أن حزمة التكافؤ تتداخل مع حزمة التوصيل، وبالتالي فإن حركة الإلكترون فيها تكون حرة.
- المواد شبه الموصلة للتيار الكهربي: تكون المنطقة الوسطى بين حزم التوصيل وحزم التكافؤ معتدلة في بعض المواد مثل السيليكون، ويمكن تحديد قيمتها حتى 1.1 إلكترون-فولت.
أشباه الموصلات للتيار الكهربي
تعريفها
- تتميز هذه المواد بأنها تحتوي على 4 إلكترونات تكافؤ، وهذه الإلكترونات تساعد في ربط ذرات العناصر مع بعضها البعض داخل المواد البلورية الصلبة.
خصائصها
تتميز المواد شبه الموصلة بخصائص تفوق تلك المواد الموصلة والعازلة للتيار الكهربائي، ومن هذه الخصائص ما يلي:
- تكون المواد شبه الموصلة للتيار الكهربائي صغيرة الحجم جداً.
- الموصلات غير النقية غير قادرة على توليد كميات كبيرة من التيار الكهربائي.
- تتميز بتكلفة صناعتها ومعالجتها القليلة التي لا تحتاج إلى تكلفة مالية ضخمة.
- تمتلك قدرة على العمر الافتراضي الكبير بالرغم من حجمها الصغير، حيث يمكن أن يصل عمرها الافتراضي وقدرتها على توصيل التيار الكهربي إلى ما يقرب من 20 عامًا.
- تنقسم المواد شبه الموصلة للتيار الكهربي إلى نوعين هما:
- أشباه موصلات نقية أو ذاتية.
- تتميز الموصلات الشبه نقية أو المشوبة أو المعالجة بخواص مختلفة.
أشباه الموصلات النقية
- تُعرف أيضًا باسم المواد النفسية التوصيل للتيار الكهربائي.
- تتمثل هذه المواد في الموصلات الكهربائية التي تسمح بتدفق التيار الكهربائي عند تعرضها لدرجات حرارة مرتفعة وتحرر الإلكترونات والفجوات.
- تكون المواد النقية خالية من الشوائب والعيوب عند درجة الصفر المطلق، مثل المواد السليكونية والجرمانية.
- تقع المادتان الجرمانيوم والسليكون في المجموعة الرابعة في الجدول الدوري، وهذا يعني أنهما يحتويان على 4 إلكترونات في المدار الخارجي للذرة، ولذلك فإن هذه الذرات تحتاج إلى 4 إلكترونات أخرى لتحقيق التشبع، وبالتالي تصبح الذرات ذات أقل طاقة ممكنة عندما تشارك مع 4 ذرات مجاورة لها لتصبح وكأنها تحتوي على 8 إلكترونات، وينتج عن ذلك تشكل الشبكة البلورية.
- في الموصلات النقية، تكون الروابط الكهربائية متعادلة في درجة الحرارة العادية، ولكن عندما ترتفع درجة الحرارة، تكتسب الإلكترونات طاقة إضافية تجعلها حرة، مما يزيد من قدرة المواد على توصيل التيار الكهربائي بشكل أكبر.
- الفجوات: هي المنطقة التي تفصل بين حزمة التكافؤ وحزمة التوصيل في المواد شبه الموصلة للتيار الكهربائي، والتي لا تحتوي على مستويات للطاقة.
أشباه الموصلات المعالجة
- تُعرف باسم أشباه الموصلات غير النقية أو المشوهة أو اللاذعة؟
- تشير هذه المادة إلى المواد التي يتم تنقيتها من الشوائب لتمكينها من توصيل التيار الكهربائي.
- الشوائب: تُعتبر هذه الذرات ذات خاصية إما مانحة للإلكترونات أو مستقبلة للإلكترونات، وتتم إضافتها إلى الشبه الموصلات لتزيد من قدرتها على توصيل التيار الكهربائي بصورة أفضل عند تعرضها لتيار كهربائي بسيط.
- تزيد وجود الشوائب في المواد شبه الموصلة للتيار الكهربائي من قدرتها على توصيل التيار، ويتم اختصار الاعتماد على درجة الحرارة، مما يؤدي إلى ظهور نوع واحد فقط من حاملات الشحنة واختفاء النوع الآخر.
- يحدث هذا في الأجهزة الكهربائية لأنه يجب التحكم في مستوى توصيلها بالتيار الكهربائي حتى يتمكن الجهاز من أداء وظيفتها والغرض المطلوب منها، فعلى سبيل المثال يتم إضافة كميات قليلة من الشوائب إلى المواد النقية لزيادة قدرتها على توصيل التيار الكهربائي.
- تتدفق السريانات الكهربائية في المواد الشبه موصلة عند وجود المعايير التالية:
- انحدار في الجهد.
- يحدث انحدار في كثافة الحاملات للشحنات، سواء كانت شحنة موجبة أو سالبة.
- تتغير الإزاحة الكهربائية مع مرور الوقت.
- تنقسم مواد أشباه الموصلات للتيار الكهربي إلى نوعين هما:
نوع سالب:
- يتكون هذا النوع عند إضافة مواد المجموعة الخامسة في الجدول الدوري كمواد شائبة لأشباه الموصلات النقية، وهي مواد تحتوي على 5 إلكترونات حرة في مدارها الخارجي، وبسبب ذلك ينشأ رابطة تساهمية بين 4 إلكترونات و4 ذرات مجاورة لها، ويبقى إلكترون واحد دون أي روابط تساهمية مع الذرات المجاورة، ويُطلق على هذا الإلكترون الإلكترون المانح.
نوع موجب
- عندما يتم إضافة عناصر المجموعة الثالثة في الجدول الدوري إلى الشبه الموصلات، والتي تحتوي على ثلاثة إلكترونات في المدار الخارجي، فإن أربعة إلكترونات يتم ربطها بروابط تساهمية مع ثلاث ذرات أخرى، وبالتالي يبقى إلكترون الذرة الرابع بحاجة إلى تكوين رابطة تساهمية.
- يعرف نقصان الروابط التساهمية الناتج عن نقص عدد الإلكترونات باسم الفجوة، وبالتالي يعتبر الفجوات ناقلات للشحنة الموجبة وتكون شحنتها مساوية لشحنة الإلكترون.
خاتمة بحث عن الكترونيات الحالة الصلبة
في ختام هذه الدراسة، تعرفنا على قدرة بعض المواد على توصيل التيار الكهربائي وأنواعها، حيث تنقسم إلى ثلاثة أنواع من حيث قدرتها على توصيل التيار الكهربائي، فهناك مواد موصلة للتيار الكهربائي ومواد عازلة للتيار الكهربائي ومواد شبه موصلة للتيار الكهربائي، وتحدثنا في هذه الدراسة عن المواد شبه الموصلة للتيار الكهربائي والتي تنقسم إلى نوعين وكيفية قدرتها على توصيل التيار الكهربائي من خلال الإلكترونات الخارجية لها ومدى ترابطها مع الإلكترونات الذرية المجاورة لها بروابط تساهمية.
نأمل في نهاية مقالنا حول بحث الكترونيات الحالة الصلبة أن يكون المقال قدم لكم جميع المعلومات حول المواد شبه الموصلة للتيار الكهربائي، وأن تتمكنوا من استخدامه والاستفادة منه في إعداد أبحاثكم وتحقيق درجات مرتفعة، ونتمنى لكم النجاح الدائم. كما يمكنكم الاطلاع على المزيد من الأبحاث والإجابات على أسئلتكم في جميع المواد عن طريق الضغط على الرابط التالي لمعرفة كل ما هو جديد في الموسوعة العربية الشاملة: جديد الموسوعة.
المراجع: 1.
