الأدوات الإلكترونية (١)

تعتمد الأجهزة الإلكترونية الحديثة مثل الهواتف والحواسيب على أدوات مصنوعة من أشباه الموصلات، وأبسطها الدايود المكون من وصلة نوع pn. يعمل الدايود على تمرير التيار في اتجاه واحد فقط، إذ ينحاز أمامياً ليمر التيار عند تجاوز جهد معين، أو ينحاز عكسياً ليمنع مرور التيار ويعمل كمقاوم كبير جداً. أما الترانزستور فيتكون من طبقتين تحيطان بطبقة مركزية، ويستخدم لزيادة وتضخيم تغيرات الجهد في الدوائر الإلكترونية. تجمع الرقائق الميكروية آلاف هذه الأدوات في مساحات صغيرة جداً لتقليل مسافات انتقال الإشارات وتسريع عمل الحواسيب والأجهزة. مثال ذلك توصيل دايود سيليكون في دائرة كهربائية مع مصدر قدرة ومقاوم، حيث يحسب جهد البطارية الكلي بجمع الهبوط في الجهد عبر المقاوم $IR$ والهبوط عبر الدايود $V_d$.

الفكرة الأساسية

تعتمد الأدوات الإلكترونية مثل الدايودات والترانزستورات على أشباه الموصلات المكونة من وصلات نوع pn لضبط حركة الشحنات والتحكم في مسار واتجاه التيار الكهربائي وتضخيم الإشارات، وتتجمع آلاف منها داخل رقائق ميكروية لتكوين قلب الأجهزة الحديثة.

الشرح

الدايود هو أبسط الأدوات المصنوعة من أشباه الموصلات، ويتكون من قطعة شبه موصلة من النوع p موصولة بقطعة أخرى من النوع n، ويحدث بينهما حد فاصل يسمى وصلة pn. عندما يتصل الدايود بطريقة الانحياز الأمامي، تدفع ناقلات الشحنة باتجاه طبقة النضوب فتتلاشى، ويسمح الدايود بمرور التيار الكهربائي. أما في الانحياز العكسي، فتنجذب الشحنات بعيداً عن الوصلة فيتسع عرض طبقة النضوب، ويكمل الدايود عمله كمقاوم كبير جداً لا يسمح بمرور التيار إلا بمقدار ضئيل جداً.

الترانزستور أداة بسيطة مصنوعة من مادة شبه موصلة، ويتكون من ترانزستور npn الذي يضم طبقتين من النوع n على طرفي رقيقة مصنوعة من مادة شبه موصلة من النوع p تسمى القاعدة، بينما تسمى الطبقتان الأخريان الباعث والجامع. يمكن اعتبار الترانزستور تشكيلاً مبدئياً لدايودين موصولين معاً بصورة عكسية. يقلل تدفق الشحنات البسيط عبر تيار القاعدة $I_B$ من الانحياز العكسي للدايود بين القاعدة والجامع، مما يسمح لشحنة أكبر بالتدفق من الجامع إلى الباعث على شكل تيار جامع $I_C$. ويعني ذلك أن التغيير القليل في تيار القاعدة $I_B$ ينتج تغييراً كبيراً في تيار الجامع $I_C$، ويقاس ذلك بما يسمى كسب التيار، وهو النسبة بين تيار الباعث إلى تيار القاعدة.

مثال محلول خطوة بخطوة

دايود في دائرة كهربائية بسيطة مصنوع من السليكون له خصائص I/V موصولة بمصدر قدرة ومقاوم مقداره $R = 470 ext{ }Γ$. إذا عمل مصدر القدرة على انحياز الدايود إلى الأمام، وعُدِّل جهده حتى أصبح التيار المار في الدايود $I = 0.012 ext{ A}$، فما مقدار جهد مصدر القدرة؟

الخطوة الأولى: تحليل المسألة ورسمها. المعلوم: $I = 0.012 ext{ A}$، و$R = 470 ext{ }Γ$، ومن الشكل $V_d = 0.70 ext{ V}$. المجهول: جهد مصدر القدرة $V_b = ?$

الخطوة الثانية: إيجاد الكمية المجهولة. يُعطى الهبوط في الجهد عبر المقاوم من خلال المعادلة $V = IR$، وجهد مصدر القدرة يساوي مجموع الهبوط في الجهد في المقاوم والدايود: $V_b = IR + V_d$ $V_b = (0.012 ext{ A})(470 ext{ }Γ) + 0.70 ext{ V}$ $V_b = 5.64 ext{ V} + 0.70 ext{ V} = 6.3 ext{ V}$

الخطوة الثالثة: تقويم الجواب. الوحدات صحيحة لأن فرق جهد مصدر القدرة مقيس بوحدة الفولت، والجواب منطقي يتفق مع التيار والمقاومة.

أخطاء شائعة

• الخلط بين قطبية الدايود في الانحياز الأمامي والانحياز العكسي، واعتقاد أن الدايود يمرر التيار في الاتجاهين بالتساوي.
• إهمال مقدار الهبوط الثابت في الجهد عبر الدايود (مثل $0.70 ext{ V}$ في دايود السليكون) عند حساب الجهد الكلي في الدائرة.
• الاعتقاد الخاطئ بأن تيار القاعدة الصغير في الترانزستور يستهلك طاقة كبيرة، متجاهلين أن دوره الأساسي هو التحكم وتضخيم التيار في دائرة الجامع.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

السؤال الأول: ما جهد البطارية اللازم لتوليد تيار كهربائي مقداره $2.5 ext{ mA}$ في الدايود الوارد في المثال 4 إذا علمت أن المقاومة $R = 470 ext{ }Γ$ وجهد الدايود $V_d = 0.70 ext{ V}$؟ الإجابة: أولاً نحول التيار إلى أمبير: $I = 2.5 imes 10^{-3} ext{ A} = 0.0025 ext{ A}$. ثم نحسب جهد البطارية من المعادلة: $V_b = IR + V_d$ $V_b = (0.0025 ext{ A})(470 ext{ }Γ) + 0.70 ext{ V}$ $V_b = 1.175 ext{ V} + 0.70 ext{ V} = 1.88 ext{ V}$.

السؤال الثاني: في دائرة ترانزستور، إذا قيست تيار القاعدة فكان $55 ext{ }Ε ext{A}$، وكان تيار الجامع $6.6 ext{ mA}$، فاحسب مقدار كسب التيار من القاعدة إلى الجامع. الإجابة: نحول تيار القاعدة إلى المللي أمبير لتتوحد الوحدات أو نحول تيار الجامع إلى الميكرو أمبير: $I_C = 6.6 ext{ mA} = 6600 ext{ }Ε ext{A}$ $I_B = 55 ext{ }Ε ext{A}$ كسب التيار من القاعدة إلى الجامع هو النسبة بين التيارين: ext{كسب التيار} = rac{I_C}{I_B} = rac{6600 ext{ }Ε ext{A}}{55 ext{ }Ε ext{A}} = 120.