فيديو السؤال: فهم الوصلات الثنائية ‪p‬‏-‪n‬‏ الفيزياء

نسخة الفيديو النصية

املأ الفراغات. تتكون الوصلة الثنائية ‪p‬‏-‪n‬‏ من نوعين مختلفين من أشباه الموصلات: شبه موصل من النوع ‪p‬‏، وشبه موصل من النوع ‪n‬‏. يحتوي شبه الموصل من النوع ‪p‬‏ على عدد (فراغ) من الإلكترونات الحرة من شبه الموصل النقي، ويحتوي شبه الموصل من النوع ‪n‬‏ على عدد (فراغ) من الإلكترونات الحرة من شبه الموصل النقي. عندما يوصل شبه موصل من النوع ‪p‬‏ بشبه موصل من النوع ‪n‬‏، تلتئم الإلكترونات في شبه الموصل (فراغ) مع الفجوات الإلكترونية في شبه الموصل (فراغ)، ويحدث ذلك منطقة بين المادتين تعمل باعتبارها (فراغ). أ: أكثر، أقل، من النوع ‪n‬‏، من النوع ‪p‬‏، موصلًا. ب: أقل، أكثر، من النوع ‪p‬‏، من النوع ‪n‬‏، موصلًا. ج: أقل، أكثر، من النوع ‪n‬‏، من النوع ‪p‬‏، عازلًا. د: أكثر، أقل، من النوع ‪n‬‏، من النوع ‪p‬‏، عازلًا. هـ: أقل، أكثر، من النوع ‪p‬‏، من النوع ‪n‬‏، عازلًا.

في هذا السؤال، علينا أن نتذكر بعض المعلومات عن أشباه الموصلات من النوع ‪p‬‏ والنوع ‪n‬‏، بالإضافة إلى تأثير وضعهما متلامسين لتكوين وصلة ثنائية ‪p‬‏–‪n‬‏.

الوصلة الثنائية هي ما يمنح بعض الدايودات قدرتها على السماح بمرور التيار عبرها في اتجاه واحد دون السماح بمروره في الاتجاه المعاكس. من المثير للاهتمام أن فهمنا لهذا سيتيح لنا أن نملأ الفراغ الأخير في السؤال أولًا. لكي نملأ هذا الفراغ، علينا معرفة إذا ما كانت المنطقة بين شبه الموصلين، والتي تشير إلى الوصلة الثنائية، تعمل باعتبارها موصلًا أم عازلًا.

تذكر أن الموصل يسمح بتدفق الشحنة بحرية، ولا يسمح العازل بذلك. إذن، للسماح بتدفق الشحنة في اتجاه واحد دون الاتجاه الآخر، كما يحدث في الدايود، لا بد أن تعمل الوصلة الثنائية على نحو ما باعتبارها عازلًا.

يمكننا أن نفكر في الأمر هكذا. إذا حاولنا أن نصنع دايودًا من نوع واحد فقط من أشباه الموصلات — إما النوع ‪n‬‏ أو النوع ‪p‬‏ — فإن هذا يسمح بتدفق الشحنة في الاتجاهين عبر المكون. هذا لأن شبه الموصل المطعم يتكون من مادة معدلة لزيادة قدرتها على توصيل الكهرباء. إذن، لكي نصنع دايودًا وظيفيًّا فعليًّا يمكن أن يمر التيار عبره في اتجاه واحد فقط، لا بد من إضفاء بعض الخواص العازلة عليه، وهو ما يتحقق بتكوين وصلة ثنائية.

بناء على هذا، نعرف أن الفراغ الأخير لا بد أن يملأ بكلمة: عازلًا. وعليه، يمكننا استبعاد الخيارين أ، ب لأنهما يحتويان على كلمة: موصلًا.

الآن، لنعد إلى أول فراغين في السؤال. يقول السؤال: «يحتوي شبه الموصل الذي من النوع ‪p‬‏ على عدد (فراغ) من الإلكترونات الحرة من شبه الموصل النقي، ويحتوي شبه الموصل الذي من النوع ‪n‬‏ على عدد (فراغ) من الإلكترونات الحرة من شبه الموصل النقي». الخياران المتاحان بالنسبة لأي من هذين الفراغين هما: أكثر أو أقل. من ثم، علينا أن نفكر في عدد الإلكترونات الحرة في شبه موصل من النوع ‪p‬‏ وشبه موصل من النوع ‪n‬‏ مقارنة بشبه موصل نقي.

تذكر أن عدد الإلكترونات الحرة في شبه الموصل النقي يساوي عدد الفراغات أو الفجوات الإلكترونية. يمكننا أن نختار تطعيم شبه موصل نقي ليصبح شبه موصل من النوع ‪p‬‏ أو من النوع ‪n‬‏ بناء على نوع الشوائب المستخدمة في التطعيم. إذن، بمجرد تطعيم شبه موصل، لا يظل عدد الإلكترونات الحرة وعدد الفجوات الإلكترونية متساويين. هذا لأن عملية التطعيم تؤدي إلى زيادة عدد الإلكترونات الحرة أو الفجوات في شبكة شبه الموصل.

تذكر أن عدد الإلكترونات الحرة في شبه موصل يرمز له بالحرف ‪𝑛‬‏. وعدد الفجوات الإلكترونية في شبه موصل يرمز له بالحرف ‪𝑝‬‏. من هنا جاءت تسميتا النوع ‪n‬‏ والنوع ‪p‬‏.

في شبه موصل من النوع ‪p‬‏، يزداد عدد الفجوات الإلكترونية؛ مما يزيد من قيمة ‪𝑝‬‏. زيادة عدد الفجوات تقلل عدد الإلكترونات الحرة. بناء على هذا، يحتوي شبه موصل من النوع ‪p‬‏ على عدد أقل من الإلكترونات الحرة من شبه الموصل النقي، ومن ثم، فلا بد أن نملأ الفراغ الأول بكلمة: أقل.

في شبه موصل من النوع ‪n‬‏، يزداد عدد الإلكترونات الحرة؛ مما يزيد من قيمة ‪𝑛‬‏. بناء على هذا، يحتوي شبه موصل من النوع ‪n‬‏ على عدد أكثر من الإلكترونات الحرة من شبه الموصل النقي. من ثم، لا بد أن نملأ الفراغ الثاني بكلمة: أكثر. بهاتين الإضافتين، نعرف أن الخيار د غير صحيح؛ لذا، دعونا نستبعده.

ينتهي الأمر بنا إلى الفراغين الثالث والرابع. يقول السؤال هنا: «عندما يوصل شبه موصل من النوع ‪p‬‏ بشبه موصل من النوع ‪n‬‏، تلتئم الإلكترونات في شبه الموصل الذي (فراغ) مع الفجوات الإلكترونية في شبه الموصل الذي (فراغ)». الخياران المتاحان لأي من الفراغين هما: النوع ‪p‬‏ والنوع ‪n‬‏. لكي نملأ هذين الفراغين — الأول والثاني — نستخدم المعلومات التي تذكرناها.

هنا، لدينا إلكترونات حرة تلتئم مع فجوات إلكترونية أو فراغات. علينا أن نعرف حاملات الشحنة التي يوفرها كل نوع من نوعي أشباه الموصلات. ولأن شبه الموصل من النوع ‪n‬‏ يحتوي على وفرة من الإلكترونات الحرة، فمن البديهي أنه يوفر معظم الإلكترونات الحرة للالتئام. بناء على هذا، بالنسبة إلى الفراغ الثالث، لا بد أن نكتب: من النوع ‪n‬‏.

بالمثل، لأن شبه الموصل من النوع ‪p‬‏ به وفرة من الفجوات، فمن البديهي أنه يوفر معظم الفجوات للالتئام. بناء على هذا، بالنسبة إلى الفراغ الرابع، علينا أن نكتب: من النوع ‪p‬‏.

تتيح لنا هاتان الإضافتان استبعاد الخيار هـ. هكذا يتبقى لدينا الخيار ج، الذي يناظر ما اخترناه لملء الفراغات كلها.

إذن، الخيار ج هو الإجابة الصحيحة. تتكون الوصلة الثنائية من نوعين مختلفين من أشباه الموصلات: شبه موصل من النوع ‪p‬‏، وشبه موصل من النوع ‪n‬‏. يحتوي شبه الموصل الذي من النوع ‪p‬‏ على عدد أقل من الإلكترونات الحرة من شبه الموصل النقي، ويحتوي شبه الموصل الذي من النوع ‪n‬‏ على عدد أكثر من الإلكترونات الحرة من شبه الموصل النقي. عندما يوصل شبه موصل من النوع ‪p‬‏ بشبه موصل من النوع ‪n‬‏، تلتئم الإلكترونات في شبه الموصل الذي من النوع ‪n‬‏ مع الفجوات الإلكترونية في شبه الموصل الذي من النوع ‪p‬‏، ويحدث ذلك منطقة بين المادتين تعمل باعتبارها عازلًا.