بحث عن الكترونيات الحالة الصلبة
يتم تقديم بحث عن الكترونيات الحالة الصلبة على موقع موسوعة لطلاب المرحلة الثانوية في مادة الفيزياء، حيث يتم طلب البحوث منهم قبل اقتراب موعد الاختبارات. فدراسة الإلكترونيات هي جزء مهم في مادة الفيزياء وتلعب دورا في توصيل التيار الكهربي، حيث تعتبر السبب الرئيسي وراء قدرة المواد شبه الموصلة على توصيل التيار الكهربي نتيجة لتحرر الإلكترونات. سنقدم لكم في هذا المقال جميع العناصر التي تجعل البحث مميزا ومفيدا لكم بشكل كبير، بما في ذلك المقدمة والعناصر الرئيسية للبحث مثل 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 تقسيم المواد الصلبة البلورية إلى مواد موصلة للتيار الكهربائي ومواد شبه موصلة للتيار الكهربائي ومواد عازلة لا توصل التيار الكهربائي، وذلك يتوقف على قدرتها على توصيل التيار الكهربائي.
- قد يكون تركيب البلورات لجميع المواد متشابها، ومن خلاله يتم تشكيل الشبكات البلورية بين عناصر المواد وتحرر الإلكترونات في درجات الحرارة العالية.
- تعرف الإلكترونات الخارجية للذرة بإسم إلكترونات التكافؤ وتلعب دورا رئيسيا في تحديد الخواص الفيزيائية والكيميائية للمواد وغالبا ما تكون المدارات الخارجية التي تحتوي على إلكترونات تكافؤ مشبعة.
- المواد الصلبة التي تحتوي على إلكترون تكافؤ تعتبر من المواد الموصلة للتيار الكهربائي بسبب استعداد الإلكترون لأن يكون حرا بمجرد الحصول على كمية صغيرة من الطاقة.
- تعتبر المواد الشبه موصلة للتيار الكهربي من المواد التي تقع بين المواد العازلة والمواد الموصلة للتيار الكهربي، وتعتمد قدرة توصيلها للتيار الكهربي على درجة حرارة الغرفة، حيث لا توصل التيار الكهربي في درجات الحرارة العادية، وتحتاج إلى درجة حرارة مرتفعة لزيادة قدرتها على توصيل التيار الكهربي من خلال تحرير الإلكترونات في المستوى الخارجي للذرة.
التوصيل الكهربي في المواد الصلبة
هناك مواد توصل التيار الكهربائي وأخرى تعزله، وتوجد بعض المواد المعروفة بأشباه الموصلات، ومن هذه المواد يمكننا تصنيفها حسب قدرتها على توصيل التيار الكهربائي كالآتي:
- مواد موصلة للتيار الكهربي: تكون حركة الإلكترونات في المواد التوصيلة للتيار الكهربائي سريعة وعشوائية، مما يتسبب في تغير اتجاه الحركة عند اصطدامها بالذرات
- درجة التوصيل هي نقل المقاومة بالتبادل، أي أن زيادة المقاومة تقلل درجة التوصيل للتيار الكهربائي.
- كثافة الإلكترونات الحرة داخل المواد الموصلة وعدد الإلكترونات الحرة الموجودة في وحدة حجم المادة.
- مواد عازلة لا يمكنها توصيل التيار الكهربي: تكون :
- حزم التكافؤ ممتلئة.
- حزم التنشيط فارغة.
- مواد شبه موصلات للتيار الكهربي: تتألف هذه المواد من 4 إلكترونات تكافؤ في تركيبها الذري، وتساهم في ربط الذرات مع بعضها 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
- نظرية الأحزمة للمواد الصلبة هي وصف لقدرة المادة على توصيل التيار الكهربي من خلال توزيع الشحنة عبر الفجوات الممنوعة في حزمة التوصيل وحزمة التكافؤ.
- المواد شبه الموصلة للتيار الكهربائي لا تحتوي على إلكترونات في جميع مستويات الطاقة الخارجية لها، ووفقا لنظرية الاستبعاد، فإن الإلكترونات لا تتساوى في مقدار الطاقة، وبالتالي فإن مستويات الطاقة لكل منها قيمة مختلفة عن غيرها من مستويات الطاقة لنفس الذرة.
- حزم التوصيل: هي حزم الطاقة ذات المستويات العليا التي تسمح للإلكترونات بالانتقال عبر المستويات.
- حزم التكافؤ: هي حزم الطاقة ذات المستويات المنخفضة وتكون المستويات مشبعة بالإلكترونات المرتبطة مع بعضها في المواد البلورية الصلبة وتكون الإلكترونات متحمسة وجاهزة للتحرك مع ذرة أخرى.
- تختلف المنطقة بين حزمة التوصيل وحزمة التكافؤ في المواد وفقا لقدرة تلك المواد على توصيل التيار الكهربائي، ونجد أن:
- المواد العازلة للتيار الكهربي: يكون المنطقة المحظورة بين حزمة التوصيل وحزمة التكافؤ سميكة وبالتالي لا يحتاج الإلكترون إلى طاقة كبيرة للانتقال من حزمة التكافؤ إلى حزمة التوصيل.
- المواد الصلبة: نجد تداخلا بين حزمة التكافؤ وحزمة التوصيل، لذا حركة الإلكترون فيها تكون حرة.
- المواد شبه الموصلة للتيار الكهربي: تكون المنطقة المحظورة الموجودة بين حزم التوصيل وحزم التكافؤ معتدلة ويمكن تحديدها في بعض المواد مثل السيليكون وقيمتها تصل إلى 1.1 إلكترون فولت.
أشباه الموصلات للتيار الكهربي
تعريفها
- تتميز هذه المواد بأنها تحتوي على 4 إلكترونات تكافؤ، وتساهم هذه الإلكترونات في ربط ذرات العناصر مع بعضها البعض في المواد البلورية الصلبة.
خصائصها
تتميز المواد شبه الموصلة للتيار الكهربائي بخصائص عديدة مختلفة عن المواد الموصلة للتيار الكهربائي والمواد العازلة للتيار الكهربائي
- تكون المواد الشبه موصلة للتيار الكهربائي صغيرة جدا في الحجم.
- لا يستطيع الموصلات البديلة توليد كمية كبيرة من التيار الكهربائي.
- تتميز بتكلفة صناعتها ومعالجتها المنخفضة، ولا تحتاج إلى تكلفة مالية ضخمة.
- تتمتع بفترة حياة طويلة مقارنة بحجمها الصغير، حيث يمكن أن تصل فترة حياتها الافتراضية وقدرتها على إيصال التيار الكهربائي لمدة تصل إلى حوالي 20 عاما.
- تنقسم المواد شبه الموصلة للتيار الكهربي إلى نوعين هما:
- أشباه موصلات نقية أو ذاتية.
- أشباه الموصلات غير النقية أو الملوثة أو المعالجة.
أشباه الموصلات النقية
- تعرف أيضا باسم المواد ذاتية التوصيل للتيار الكهربي.
- تعمل هذه المواد على توصيل التيار الكهربائي بفعل تحرر الإلكترونات والفجوات عند تعرضها لدرجات حرارة عالية.
- عندما تكون خالية من الشوائب والعيوب عند درجة الصفر المطلق، فإنها تكون نقية مثل مادتي السيليكون والجرمانيوم.
- تقع المادتان الجرمانيوم والسيليكون في المجموعة الرابعة في الجدول الدوري. تحتوي كل منهما على 4 إلكترونات في مدار التكافؤ، مما يعني أنها تحتاج إلى 4 إلكترونات إضافية في مدارها الخارجي لتحقيق التشبع. من خلال مساهمة 4 ذرات مجاورة، تستطيع الذرة الحصول على إلكترون واحد من كل ذرة، مما يجعلها تحتوي على 8 إلكترونات وتشكل الشبكة البلورية.
- تكون الروابط في المواد الشبه موصلة متعادلة كهربيا في درجة الحرارة العادية. وعند ارتفاع درجة الحرارة ، تكتسب الإلكترونات طاقة إضافية تجعلها حرة ، مما يزيد من قدرة المواد على توصيل التيار الكهربائي بشكل أكبر.
- الفجوات: هي المنطقة الواقعة بين حزم التكافؤ وحزم التوصيل في المواد شبه الموصلة للتيار الكهربائي ولا تحتوي على مستويات طاقة.
أشباه الموصلات المعالجة
- هل تعرف باسم المواد شبه الموصلة غير النقية أو المشوهة أو اللاذاتية؟
- تتعامل هذه المواد مع الشوائب لتكون قادرة على توصيل التيار الكهربائي.
- الشوائب: هي جسيمات تتبرع بالإلكترونات أو تستقبل الإلكترونات وتضاف إلى المواد شبه الموصلة لتزيد من قدرتها على توصيل التيار الكهربي بشكل أكثر فاعلية عند إضافتها بكمية صغيرة.
- وجود عيوب في مواد شبه الموصلات يزيد من قدرتها على توصيل التيار الكهربائي ويؤدي إلى اختصار الاعتماد على درجة الحرارة، مما يؤدي إلى ظهور نوع واحد فقط من حاملات الشحنة واختفاء النوع الآخر.
- يحدث ذلك في الأجهزة الكهربائية لأنه يجب ضبط قدرة توصيلها للتيار الكهربائي، حتى تتمكن من أداء وظيفتها وتحقيق الغرض المقصود منها. على سبيل المثال، يتم إضافة كميات قليلة من الشوائب إلى المواد النقية لزيادة قدرتها على توصيل التيار الكهربائي.
- تحدث تدفقات كهربائية في المواد شبه الموصلة في حالة وجود ما يلي:
- انحدار في الجهد.
- تنخفض كثافة الشحنات عند حملها سواء كانت إيجابية أو سالبة.
- تتغير في القيمة الكهربائية مع مرور الزمن.
- تنقسم مواد أشباه الموصلات للتيار الكهربي إلى نوعين هما:
نوع سالب:
- يتكون هذا النوع عند إضافة بعض المواد من المجموعة الخامسة في الجدول الدوري كشوائب إلى الموصلات النقية. تحتوي هذه المواد على 5 إلكترونات حرة في المدار الخارجي، مما يؤدي إلى تكوين رابطات مع 4 ذرات مجاورة. ويبقى إلكترون واحد لا يشترك في رابطات مع الذرات المجاورة، ويعرف هذا الإلكترون بإلكترون المانح.
نوع موجب
- عند إضافة عناصر المجموعة الثالثة في الجدول الدوري إلى شبه الموصلات التي تحتوي على 3 إلكترونات في المدار الخارجي ، فإن 4 إلكترونات ستترابط بروابط تساهمية مع 3 ذرات أخرى ، وبالتالي ستحتاج الذرة الرابعة إلى تشكيل رابطة تساهمية.
- تم تعريف نقص الروابط التساهمية الناتج عن نقص عدد الإلكترونات باسم الفجوة، وبالتالي يعتبر الفجوات ناقلة للشحنة الموجبة وشحنتها متساوية لشحنة الإلكترون.
خاتمة بحث عن الكترونيات الحالة الصلبة
في الختام، قد تعرفنا من خلال هذا البحث على القدرة المختلفة للمواد على التوصيل الكهربي، حيث تنقسم إلى ثلاثة أنواع. هناك المواد الموصلة للتيار الكهربي والمواد العازلة للتيار الكهربي والمواد شبه الموصلة للتيار الكهربي. تحدثنا أيضا عن المواد شبه الموصلة وتنقسم إلى نوعين، وكيفية قدرتها على توصيل التيار الكهربي من خلال الإلكترونات الخارجية وترابطها مع الكترونات الذرات المجاورة لها بروابط تساهمية.
في ختام مقالنا عن البحث عن الإلكترونيات الحالة الصلبة، نأمل أن يكون المقال قد قدم لكم جميع المعلومات حول المواد شبه الموصلة لتيار الكهرباء. يمكنكم استخدام هذه المعلومات والاستفادة منها في إعداد أبحاثكم وستساعدكم في تحقيق درجات عالية. نتمنى لكم التفوق الدائم، وإذا كنتم تبحثون عن المزيد من الأبحاث والإجابات على أسئلتكم في جميع المواد، يمكنكم النقر على الرابط التالي للاطلاع على كل جديد في هذه الموسوعة العربية الشاملة: جديد الموسوعة.
المراجع: 1.