CALM/arwiki huggingface dataset:
وبما أن الجزء الجنوبي من البيت يعتبر الأكثر تعرضا للشمس صيفا، ومن ثم الجزئين الغربي والشرقي، فلا بد أن يكون البيت في فصل الشتاء البارد مكشوفا من الجهة الجنوبية، وذلك لتمكين أشعة الشمس من اختراق البيت. ولهذا عند زراعتنا أشجارا مثمرة ومتساقطة الأوراق في الاتجاه الجنوبي، فإننا نعمل على عزل البيت من شمس الصيف في تلك الجهة. أما في الشتاء فتتساقط الأوراق وبالتالي تتمكن أشعة الشمس من الوصول إلى البيت. كما يمكننا تزويد المسكن بالحرارة عن طريق إقامة (الشرفة الحدائقية أوالدفيئة) بمحاذاة الواجهة الجنوبية للمبنى. ويوصى باتباع هذه الطريقة في المناطق الباردة كمناطق المرتفعات الجبلية، وحيثما يقع المشتل، لا بد من إقامة فتحتين الأولى في أعلى الواجهة والثانية في الأسفل، وذلك لتمكين الحرارة من الانتقال من الدفيئة إلى المنزل. أما الجهة الشمالية للمنزل فيتم إلحاقها بمعرش، وذلك لتظليل المنزل من الشمس، من خلال زراعة المتسلقات، علما أن المعرش يعمل في الصيف على تزويد المسكن بالهواء البارد.
ولمنع الرياح الغربية الباردة من الوصول إلى البيت، فلا بد من زراعة الأشجار دائمة الخضرة في الجهة الغربية، بحيث تعمل كمصد للرياح في فصل الشتاء وتحجب الشمس في فصل الصيف. ولحماية البيت من الريح الشرقية الحارة والجافة في الصيف، فبإمكاننا زراعة أشجار متساقطة الأوراق في تلك الجهة. وبالعادة، يكون مصدر الحرارة في المباني طبيعي وصناعي.فالمباني يجب تصميمها بطريقة تضمن الاستفادة من أكبر قدر من الأشعة الشمسية التي تسهم إسهاما كبيرا في تحسين الإضاءة وفي عملية التحكم بالحرارة. وتعتبر الحرارة ضرورية من أجل النظافة، وتسهم إسهاما فعالا في الحالة العقلية الصحية للبشر.
الأشجار كجزء من النسيج الحضري.
فيما سبق، تمت دراسة الأثر البيئي للنبات في التصميم المعماري على مستوى المبنى الواحد وحديقته الخاصة، ومن الضروري الإشارة على الأثر المضاعف للتطبيقات سالفة الذكر إذا تم تنفيذها على مستوى المباني المختلفة في المدينة وعلى الفراغات المعمارية التي تربط بينها- أي على المستوى الحضري، ولنا أن نتخيل مستقبل المدينة إذا حرص كل معماري على تصميم أبنية بيئية واتقن توزيع النباتات حولها لتحقيق الاستفادة القصوى من الطاقة الطبيعية وتوفير الراحة المناخية للمستخدمين. ماذا سيكون حال المدينة إذا زرعت أسطح المباني بها على مختلف ارتفاعاتها واستخداماتها؟
إن النباتات تلعب دورا هاما على مستوى النسيج الحضري وتربط بين اجزاء المدينة ومكوناتها، وتستخدم الأشجار متوسطة الحجم لحجب الرؤيا وكمصدات للرياح وكنقاط جذب بصري، بينما تستخدم الشجيرات لحجب الرؤيا المنخفضة وكحاجز للصوت كما تستخدم كسياج ولتأكيد مسار الطريق... أما الغطاء النباتي الأرضي فإنه يعمل على تلطيف حرارة الهواء وثبات التربة ومنع انجرافها كما تزيد من نفاذية التربة للماء والهواء...و أخيرا المتسلقات يمكن زراعتها لتثبيت المنحدرات ولتكسية الجدران.
وهناك بعض الأمور التي لابد من مراعاتها عند زراعة الأرصفة منها:(زلوم،40)
• تجنب استخدام الأشجار أو الشجيرات المنخفضة الأغصان عند التقاطعات للمحافظة على وضوح الرؤية.
• العمل على توفير مناطق مظللة ومناطق جذب على طول ممرات المشاة أو طرق الدراجات الهوائية.
• اخفاء مواقف السيارات ومناطق الخدمات باستخدام الأشجار والشجيرات والأسيجة المختلفة.
• زرع الحواجز النباتية مجاورة لممرات السيارات للتقليل من الضوضاء وانعكاسات الضوء الحادة.
• الأخذ بعين الاعتبار المحددات البيئية لمختلف النباتات إذ تعمل النباتات كمصدات للرياح ولتلطيف حرارة الشمس وتطوير المناخ المحلي.
ومن الجدير بالذكر أن هناك مجموعة من الأشجار يطلق عليها اسم أشجار الأرصفة يحبذ زراعتها في الأرصفة لما تتميز به من صفات ولعل أهمها (السنديان، المروحة، نخيل الواشنطونيا، الأسر، الشنار، سيفورا، كستناء، عروس الهند، الدردار، تيليا). أما في الجزر الوسطية فيفضل زراعة الشجيرات التالية للتقليل من الضوضاء وانعكاسات الضوء الحادة على جانبي الجزيرة، وهي (لافندر، الخبيزة بأنواعها، حصالبان، الشيح، الفضية).
و قد سبق الإشارة إلى دور المعماري في اختيار نوع النبات المناسب وتحديد موقعه على الرصيف والمسافة بين الأحواض المتتالية وشكل هذه الأحواض، وتأثير جذور الاشجار على بلاط الرصيف بزراعة جوانبه.
كما يمكننا استبدال هذه الدرابزينات أسفل جسور المشاة بشجيرات (مجموعة متقاربة من النباتات أو الصباريات) وزراعتها أسفل تلك الجسور وسوف تشكل مستقبلا حاجزا طبيعيا يمنع المشاة من عبور الشارع إلا من الأماكن المخصصة لذلك. (زلوم،62)
التوصيات (مدينة عمان).
وبناء على ما تقدم تم وضع توصيات للمعالجات المعمارية في التصميم البيئي باستخدام النباتات بما يتناسب والمناخ المحلي لمدينة عمان والمناطق المحيطة بها:
1*الراحة المناخية للإنسان يجب أن تكون هدفا أسمى يساهم المعماريون في تشكيله من خلال تصاميمهم للمبنى والبيئة المحيطة به وللنسيج الحضري بشكل عام.
المراجع العربية.
12-
عوض، عادل رفيقي، وأبو العلا، محمد توفيق. هندسة المدن وعلوم البيئة. المنظمة العربية للتربية والثقافة والعلوم إدارة برامج العلوم والبحث والعلمي. 2003م.
13-
الفجَّال خالد سليم. العمارة والبيئة في المناطق الصحراويَّة الحارة. الطبعة الأولى –الدار الثقافية للنشر القاهرة. 2002م.
14-
القيعي طارق محمود. تصميم وتنسيق الحدائق. ط4. منشأة المعارف، الإسكندريةـ مصر، 1995م
15-
الكناني، عادل إبراهيم ؛ ورفيقه عبد الله يادوز شفيق ؛ الغابات والتشجير – جامعة الموصل.1990.
16-
كنعان ربا، واستيتية: موفق. المرشد في التصميم المعماري المناخي. الطبعة الأولى – وزارة الطاقة والثروة المعدنية دائرة الطاقة المتجددة.
المؤسسات العلمية والمجلات والدوريات.
20- جامعة بير زيت.مركز علوم صحة البيئة والمهنة، التربية البيئية، مرجع عن البيئة العالمية، برنامج التعليم البيئي
21- الجمعية العلمية الملكية، دليل التصميم المعماري المناخي، 1989
22- رأفت ب، علي. العمارة البيئية الخضراء والتنمية العمرانية. مجلة عالم الفكر -الكويت –العدد 34 نيسان 2006. ص 194- 215.
23- هشام : علي مهران: العمارة الخضراء والتنمية العمرانية المستدامة. مجلة عالم الفكر -الكويت –العدد 34 نيسان 2006. ص 216 – 244.
المراجع الأجنبية.
24- Forman Richard T.T. (Harvard University) &amp; others. Landscape Ecology. John Welly &amp;Sons ,Inc. New York. 1986.
25- Givoni,B. Man, Climate and Architecture. 2nd Edition, Applied Science Publishers LTD. London. 1976.
26- Letchnez, Norbert. Heating Cooling Air Conditioning Design Strategies For Architects. 1992.
27- Olgyay,Vector. Design With Climate. Princeton University, New Jersey. 1973.
28- Reynolds ,John S. Courtyards, Aesthetic, Social, And Thermal Delight. John Welly &amp;Sons, Inc. New York.2002
29- Rubenstein, Harvy M. A Guide to Site and Environmental Planning. 2nd Edition. John Welly &amp;Sons, Inc. New York. 1979
30- Simonds, John Ormsbee. Landscape Architecture: A Manual Of Site Planning and Design. 4th Edition. Blacklick, OH, USA : McGraw-Hill Professional Publishing, 2006.د
الترانزستور ثنائي القطب أو ترانزستور الوصلة ثنائية الأقطاب هو عنصر إلكتروني فعّال شبه موصل ثلاثيّ الطبقات، يتكوّن من طبقتين من نفس النوع تفصل بينهما طبقة ثالثةٌ مُغايرة. تكون مادة الطبقات أشباه موصلات إما من النوع N أو من النوع P، إذا كانت الطبقتان من مادة شبه موصل مشوب من النوع N والطبقة المُغايرة من شبه موصلٍ مشوب من النوع P فإنّ الترانزستور يكونُ من النوع NPN. أمّا إذا كانت الطبقتان من شبه مُوصلٍ مشُوبٍ من النوع P، وكانت الطبقةُ المُغايرة من شبه مُوصلٍ مشُوب من النوع N، فإن الترانزستور يكون من النوع PNP.
صُنع الترانزستور للمرة الأولى عام 1947م في مختبرات بل، بإشراف كلٍّ من والتر براتين وجون باردين وويليام شوكلي. لاحقاً، حصلَ الثلاثةُ على جائزة نوبل في الفيزياء في العام 1956م تقديراً لعملهم. مُنذ منتصف الخمسينيّات من القرن العشرين، أصبح الترانزستور ثنائي القطب مُتوافراً للاستخدام التّجاري، وكان حجر أساس في ثورة تقنيّة وإلكترونيّة، ولا يكاد يخلو جهاز إلكتروني حديث من هذا العنصر.
هناكَ ثلاثُ نهاياتٍ طرفيّة للترانزستور ثنائي القطب، هُنّ القاعدة والباعث والمُجمّع، وتتصل كل نهاية مِنها مع إحدى طبقات الترانزستور. يُمكن تمثيل الترانزستور حسب بنيته على شكل ثُنائيين يُسميان وصلتا القاعدة والباعث والقاعدة والمجمع ويشتركان بالمصعد أو بالمهبط، حسب نوع الترانزستور. ولهذا فإنّ الترانزستور يخضع لنفس قواعد التحييز الخاصّة بالثنائي. عمليّاً، هناك أربعُ حالات لتحييز وصلتي الترانزستور هُنّ: التحييز الأمامي لوصلة القاعدة والباعث مع التحييز العكسيّ لوصلة القاعدة والمجمع أو بالعكس، أو تحييز كلتا الوصلتين أماميّاً أو كلتاهما عكسيّاً، وينتج عن كل عملية تحييز خواص مختلفة يمكن الاستفادة منها لتوظيف الترانزستور.
يُوجد العديد من الدارات التي تحقق حالات الانحياز المُختلفة للترانزستور، ويجري تصنيفها حسب النهاية المُشتركة بين دارتي الدخل والخرج في الدارة المُعتبرة، وينتج عن ذلك ثلاثةُ تصانيفَ مختلفةٍ لإعداد الوصلة هي: والباعث المشترك و ولكل وصلة خواص مختلفة عن الأخرى، لكن أكثرها استعمالاً هي الباعث المشترك. هناك عدّة نماذج تُستعمل لتمثيل عمل الترانزستور، أهمّها نموذجا آر إي و، وفيهما يجري تعويض الترانزستور بعناصر كهربائيّة خطيّة غير فعّالة، ثُمّ حساب المُحددات الأساسيّة الضابطة لعمله، مثلُ ربحيّ الجهد والتيار. وتهدف عملية النمذجة إلى إيجاد تمثيلٍ رياضيّ قادرٍ على محاكاة عمل الترانزستور.
تتُحدد آليّة عمل الترانزستور حسب موقع نقطة العمل، وهي نقطة تقع على مُحددات الخرج الخاصّة بالترانزستور وتربط بين جهد الخرج وتياره، ويمكن تحديد موقعها بدقّة من خلال اختيار عناصر دارة التّحييز. على أي حال، يُمكن أن يعمل الترانزستور كمضخم للإشارات الكهربائية الصغيرة أو كمضخم للاستطاعة، وفي كلتا الحالتين يقوم الترانزستور بتضخيم إشارة كهربائيّة تُوصل إلى دارة دخله، ثُمّ نقلِها إلى دارة خرجه. كما يُمكن أن يعمل كمفتاح إلكتروني، وفي هذه الحالة يجري التحكم بتدفق التيار في دارة خرج الترانزستور من خلال الجهد المُطبق دارة الدخل.
يُبدي الترانزستور ذات شكل هضبيّ بالنسبة لترددات إشارة الدخل، فمع زيادة التردد، يرتفع ربح الترانزستور ليصل إلى أعلى قيمة مُمكنة، ثُمّ يظلّ ثابتاً على طيف واسع قبل أن يعود وينخفض من جديد مع زيادة التردد فوق عتبة مُحددة. عمليّاً، يكون ربح الترانزستور أعلى ما يُمكن إذا كان ترددُ الإشارة يقعُ بين ترددين محددين يُسميان ترددا القطع الأدنى والأعلى، وتتبع قيمة هذه الترددات لعدد من عناصر الدارة أهمها مكثفاتُ العزل والتمرير والسِّعاتُ الطفيليّة بالإضافة للمقاومات المُستعملة في الدارة.
منذ مُنتصف الخمسينيّات من القرن العشرين، يتوافر الترانزستور في الأسواق كمنتج تجاري يُمكن شراؤه واستعماله في تصميم الدارات الإلكترونية المختلفة، ويتطلب ذلك مهارات خاصة في قراءة الخاصة به والتي ترفقُها الشركة المُصنّعة مع العنصر الإلكتروني، وهي تحتوي على مواصفاته وخواصه. بالإضافة لذلك، يتطلب استعمال الترانزستور امتلاك مهارات خاصة بتحديد نوعه ودبابيس الطرفيات؛ إمّا عن طريق اللجوء إلى ورقة البيانات الخاصّة به، أو عن طريق القياس باستعمال مقياس المقاومة.
الاسم والرمز.
سُميّ الترانزستور باسم ترانزستور الوصلة ثنائية الأقطاب لأنه يعتمد في مبدأ عمله على وصلة فيزيائيّة مُكوّنة من نوعين من حوامل الشحنات الكهربائية وهي الثغرات الإلكترونية والإلكترونات الحرة. ويُسمّى باللغة العربية ترانزستور ثنائي القطب، وأيضاً المِقْحَل زوجي الأقطاب، من أقْحَلَ يُقْحِلُ إقْحَالاً فهو مُقْحِل، والقحل هو الافتقار والقحط، وتشير هذه الكلمة إلى منطقة الافتقار أو العبور في الوصلة الثنائيّة.
يُرمز للترانزستور ثنائي القطب بالشكل الآتي: خط مُستقيم يُمثّل مادة شبه المُوصِل، يتصل هذ الخط مع ثلاثة تفرعات، تكون أحدها مُتعامدة معه، ويعني التعامد وجود وصلة ذات مقاومة أوميّة، ويُسمّى هذا القطب بقاعدة الترانزستور . أمّا القطبان الآخران، يسميّان الباعث والمُجمّع ، ويكونان مائلين بزاوية قيمتها 60 درجة عن الخط المستقيم، وهناك رأس سهم في مُنتصف التفريعة التي تصل بين القاعدة والباعث، حيث يحدد رأس السهم نوع الترانزستور، فهو يشير دائماً إلى شبه الموصل المشوب من النوع N؛ فإذا كانت القاعدة من النوع N أشار إليها، وكان الترانزستور من النوع PNP، بينما إذا كانت من النوع P، أشار للاتجاه المعاكس، وكان الترانزستور من النوع NPN. توجد التركيبة السابقة ضمن إطار تغليف دائريّ.
سُميت القاعدة بهذا الاسم لأنّها كانت الأساس الذي ارتكزت عليه كامل البُنية في الترانزستورات الأولى، أمّا الباعث فأطلق عليه هذا الاسم لأنّه المصدر، أو الباعث الأساسيّ، لحوامل الشحنات، فيما سُمّيَ المُجمّع بذلك لأنّه يقوم بالتقاط أو تجميع حملة الشحنات المُنطلقة من الباعث والقاعدة.
خلال النصف الأول من القرن العشرين، كان الصمام المُفرّغ هو العنصر الإلكتروني الذي تدور حوله الأبحاث. في العام 1904م، نجح
جون فلمنج في تطوير ديود الصمام المُفرّغ ، ثُمّ أضاف لي دي فورست عام 1906 شبكة تحكم للصمام المُفرّغ لينتج بذلك أول مضخم، وهو الصمام الثلاثي، والذي استعمل بشكل مكثف في تطبيقات الراديو والهاتف، وخضع في السّنوات اللاحقة لتعديلات كبيرة ليتكمن من تحمل استطاعة أعلى ويعمل على ترددات أكبر مع محاولة تصغير حجمه.
في العام 1930م؛ حصل الفيزيائي يوليوس ليلينفيلد على أول براءة اختراع خاصة بمبدأ عمل ترانزستور الأثر الحقلي، ولكنّه لم ينشر أي أبحاث لاحقة حول ذلك، وتمّ تجاهل عمله بشكل كامل على المستوى الصّناعي، بينما لاحقاً حصل الفيزيائي أوسكار هيل على براءة اختراع أخرى لترانزستور الأثر الحقلي وذلك عام 1934م.
استخدم الصمام الإلكتروني في عملية تضخيم الإشارة في شبكات الهاتف، ولكنّه كان غير موثوقٍ، بالإضافة لاستهلاكه العالي للطاقة وإشعاعه الحراري، وفي الثلاثينيّات من القرن العشرين، بدا واضحاً بالنسبة للمسؤول عن مختبرات بل، ، بأنّ هناك حاجة ماسة لجهاز جديد يواكب تطلعات شركات الهاتف الراغبة في مزيدٍ من التوسع، وبدأ العمل على صنف غريب من العناصر سُمّي أشباه الموصلات. خلال الحرب العالمية الثانية، عملت مختبرات بل بشكل حثيث لتطوير بلورة نقية من عنصر شبه موصل هو الجرمانيوم، وذلك لاستخدامها في مازج الترددات المُستعمل في وحدات الاستقبال في الرادارات، في نفس الوقت، نجح مشروع آخر في نفس المختبرات في إنتاج بلورات أشباه موصلات من الجرمانيوم ذات جودة جيدة.
في 23 ديسمبر 1947م، نجح والتر براتين وجون باردين ووليام شوكلي في مختبرات بل في صناعة أول ترانزستور باستعمال الجرمانيوم، وكان ترانزستور نقطة الاتصال، كان الترانزتسور الأول مُكوّناً من قطبين معدنيين مُتقاربين مُثبّتين برقّة على سطح شريحة من الجرمانيوم، سُميت النقطتان بالباعث والمُجمّع على التوالي، أمّا السطح السفلي لشريحة الجرمانيوم فقد سمي بالقاعدة. كان مبدأ عمل الترانزستور يعتمد على تحييز الباعث إيجابياً، من أجل تضخيم التيار القادم من القاعدة.و بعد 6 أشهر، تحديداً في 30 يونيو 1948م، أعلنت مختبرات بل عن الاختراع رسمياً في موتمر صحفي. لقد كانت إيجابيات الترانزستور مقارنة مع الصمام الثلاثي واضحة من البداية، فهو أصغر حجماً وأقل وزناً وليس بحاجة لفترة تسخين أو إحماء، ما يجعله متاحاً للاستخدام الفوري، بالإضافة لكونه أقل استهلاكاً للطاقة.
في الفترة التالية؛ تواصل عمل الفريق لتحسين الترانزستور من خلال إزالة نقاط الاتصال والاستعاضة عنها بوصلة PN (P-N)، ونجح الفريق في صناعة ترانزستور يعمل بهذا المبدأ، لكنه عجز عن تقديم بجودة تلك التي يقدمها ترانزستور نقطة الاتصال، نتيجة لذلك، تأخّر الإعلان عن نجاح تنفيذ وصلة PN حتى العام 1951م، لمعالجة مشكلة الاستجابة الترددية. بعد ذلك بأربعة أعوام، وتحديداً في العام 1956م، حصل المُخترعون الثلاثة على جائزة نوبل في الفيزياء بسبب "أبحاثهم على أشباه الموصلات ولاكتشاف تأثير الترانزستور".
كان عنصر الجرمانيوم غير مستقر كيميائيّاً بشكل كافيّ بالإضافة لدرجة انصهار منخفضة، لذلك، تحوّل التنافس نحو تطوير ترانزستور وصلة ثنائية القطب باستعمال شبه مُوصِل آخر هو السيليكون، الذي يقع مباشرة فوق الجرمانيوم في الجدول الدوري، ويبدي خواصاً أكثر ملاءَمة للتطبيقات الصناعيّة. تسارع السباق في منتصف العام 1954م، ففي 25 أبريل، أعلنت مُختبرات بل عن نجاحها في إنتاج وصلة PN باستعمال السيليكون عن طريق إشابة رقاقة من السيليكون من النوع N باستعمال طبقة رقيقة من ذرات البورون، لكن شركة تكساس إنسترومنتس فاجأت الجميع في 10 مايو بإعلانها في مؤتمر صحفي عن إنتاج أول ترانزستور وصلة ثنائية القطبية باستعمال السيليكون.
بعد ذلك، فتح تطوير الترانزستور السيليكوني الباب لظهور المذياع، والذي يُسمى أيضاً راديو ترانزستور في إشارة إلى اعتماده على الترانزستور بشكل أساسي في بنيته الداخليّة. ظهر المذياع أولاً في اليابان في عام 1954م، حيث نجحت شركة هندسة الاتصالات البعاديّة في طوكيو، والمعروفة اليوم باسم سوني، في إنتاج أول راديو ترانزستور، لكن تأخر الإنتاج الاستهلاكي حتى العام التالي، حيث عُرض تحت اسم سوني تي آر 55 . أمّا تكساس إنسترومنتز فأعلنت في 18 أوكتوبر 1954م عن الإصدار التجاري لراديو الترانزستور الخاص بها تحت الاسم التجاري ريجينسي تي آر 1.
أشباه الموصلات.
تُعرّف أشباه الموصلات بأنّها مواد فيزيائيّة تتغير قيمة مقاومتها الكهربائية تبعاً لشروط مُحددة، فإن توافرت هذه الشروط، سلكت هذه المادة سلوك الموصل الكهربائي، وإذا لم تتوافر سلكت المادة سلوكاً يشبه سلوك العازل. تسمح هذه الخاصية باستعمال المواد شبه المُوصِلة لأغراض التحكم بالتيار الكهربائي. على سبيل المثال، في درجة حرارة الغرفة، تبلغ المقاومة الكهربائية لعازل مثل الميكا formula_1 أوم•متر، في حين أنها تبلغ مُوصل مثل النحاس formula_2 أوم•متر، أما المقاومة الكهربائيّة لشبه مُوصِل مثل الجرمانيوم فهي formula_3 أوم•متر.
تُشكّل ذرات أشباه الموصلات بُنيّة ذريّة ذات نمط دوري مٌحدد تُسمّى البلّورة، إذا تكررت نفسُ البنية ضمن مادة شبه المُوصِل، فتُسمّى حينئذ بالبنية بلورة أحاديّة البلورة ويمكن تفسير خواص أشباه الموصلات اعتماداً على بنيتها البلورية. بُنية بلورتي الجرمانيوم والسيليكون، وهما شبه موصِلين، هي بنيّة وحيدة البلورة.
تتألف كل ذرة من ذرات البلورة من نواة يدور حولها عدد من الإلكترونات، تتوزع الإلكترونات في مدارات مختلفة حسب سويّة الطاقة، وكلما كان مدار الإلكترون أبعد عن النواة كانت الطاقة اللازمة لانتزاعه من ذرته أقل. يُسمّى أبعد مدار عن النواة بمدار التكافؤ، في الجرمانيوم والسيليكون، يحتوي مدار التكافؤ على أربع إلكترونات. في بلورة السيليكون النقية أو في بلورة الجرمانيوم النقية تكون كل ذرة مشتركة مع أربع ذرات مجاورة لها في رابطة تساهمية، وتسهم كل ذرة بأحد إلكترونات التكافؤ من مدارها الخارجي لإنشاء هذه الرابطة.
بالرغم من وجود الرابطة التساهمية، فإن بإمكان إلكترون التكافؤ إذا امتص طاقة كافية من مصادر خارجية أن يقفز خارج ذرته ويصبح إلكتروناً حراً، تشمل المصادر الخارجية الطاقة الضوئية مُمثلة بالفوتونات أو الطاقة الحراريّة. تُسمّى الإلكترونات الحرة التي تقفز خارج ذرتها بحوامل الشحنة الذاتيّة . يُخلّف كل إلكترون حر وراءه ثغرة إلكترونية موجبة الشحنة، وهي مفهوم نظري يُعبّر عن غياب الإلكترون. تحتوي أشباه الموصلات في درجة حرارة الغرفة مليارات الإلكترونات الحرة، مثلاً يحتوي 1 سم3 من الجرمانيوم على formula_4 إلكترون حر، ولكن هذا العدد ما يزال صغيراً مقارنة مع مثيله في النواقل، في 1 سم3 من النحاس يوجد formula_5 إلكترون، وبناء على ذلك فإن الجرمانيوم يسلك سلوك شبه موصل في درجة حرارة الغرفة.
في بنيةٍ ذريّة معزولة، هناك مستويات طاقيّة مُتمايزة لكل إلكترون يدور حول النواة. إنّ لكل عنصر مستوياته الطاقية المميزة ضمن البنية الذريّة الخاصّة به، وتفصل بين هذه المستويات فجوات طاقية تسمى كل منها فجوة نطاق، ولا يُمكن للإلكترون أن ينتقل من مستوى ذو طاقة دُنيا إلى مستوى ذو طاقة عُليا بدون أن يكتسب طاقةً أكبر من قيمة الفجوة بين المستويين. أمّا في البنية البلوريّة، فإنّ الذرات تقترب من بعضها البعض وتتداخل مدارتها. نتيجةً لذلك، فإنّ بعض الإلكترونات في مدارات مُحددة قد تكتسب طاقة إضافية، لتصبح طاقتها الإجماليّة أكبر من تلك التي تقع في نفس المدارات في ذرات مجاورة. بشكلٍ عام، كلما كان الإلكترون بعيداً عن النواة، كلما كانت طاقته أكبر، بالإضافة لذلك، فإن أي ألكترون غادر ذرته يملك طاقة أكبر من أي ألكترون آخر مازال ضمن المدارات الإلكترونية للذرة الأم نفسها.
يُسمى مستوى الطاقة الأخير في الذرة بنطاق التكافؤ، وتحدد الإلكترونات التي تقع في هذه النطاق تكافؤ العنصر الكيمائي. لكي يصبح الإلكترون حُراً ويخرج من مستواه الطاقيّ، نحو مستوى الطاقة التالي الذي يُسمّى نطاق التوصيل، يجب أن يكتسب طاقة أكبر أو تساوي الفجوة الطاقيّة التي تفصل بين النطاقين. لا يوجد قيمة محددة بدقة لطاقة الإلكترون ليصبح نطاق التكافؤ، ولكن هناك حدّ أعلى لا يمكن أن يمتلك أي إلكترون في نطاق التكافؤ طاقةً أعلى منه، ويسمى هذا المستوى الطاقي بمستوى فيرمي، يتبع مستوى فيرمي بشكل مباشر لدرجة الحرارة، كما يتأثر أيضاً في حالة الإشابة.
في المُوصِلات يتداخل نطاق التوصيل مع نطاق التكافؤ، وتكون إلكترونات التكافؤ حرّة في الانتقال ضمن البنية الشبكية للذرات أو الجزئيات التي تكوّن المادة المُوصِلة. أمّا في أشباه المُوصِلات، فتفصل فجوة طاقيّة قيمتها أقل من 5 إلكترون.فولط بين النطاقين، وتزيد قيمة هذه الفجوة عن القيمة السابقة في العوازل. يجب الانتباه إلى أن قيمة الفجوة الطاقية تتبع لدرجة الحرارة، ففي درجة حرارة الصفر المطلق، تكون قيمة الفجوة في مادة مثل السيليكون مساوية للصفر، ويسلك العنصر سلوك مُوصِل مثالي. أمّا في درجة حرارة الغرفة، فإن قيمة الفجوة تبلغ 0.67 و1.1 إلكترون.فولط للجرمانيوم والسيليكون على الترتيب، ويسلك العنصران عندها سلوك أشباه الموصلات.
الإشابة.
تُصنّف أشباه الموصلات حسب تجانس تكوينها إلى أشباه موصلات ذاتية وأشباه موصلات مشوبة. أمّا أشباه الموصلات الذاتيّة فهي أشباه الموصلات التي تتكون مادتها من نوع واحد من الذرات، وأمّا أشباه الموصلات المشُوبة فهي أشباه موصلات ذاتية تمّ إضافة ذارت أخرى من مادة أخرى إليها، بعملية تُسمّى الإشابة. تكون تراكيز ذرات المادة الشائبة بين formula_6 وformula_7 ذرة/سم3، أمّا تركيز ذرات مادة شبه الموصل الأصليّة فيكون حوالي formula_8 ذرة/سم3، أي أكثر بعشرة آلاف ضعف على الأقل.
تدخل المادة الشائبة ضمن تركيب البنية البلورية لنصف الناقل الذاتي فتحوّله إلى نصف ناقل مشوب. إذا كان عدد إلكترونات التكافؤ في المادة الشائبة أكبر من عدد إلكترونات التكافؤ في نصف الناقل الذاتي، فيكون هناك فائض من الإلكترونات في البنية البلورية الجديدة، ويوصف شبه الموصل بأنه ينتمي إلى النوع N، وهي مأخوذة من الحرف الأول لكلمة سالب . أما إذا كان عدد إلكترونات التكافؤ في المادة الشائبة أقل من عدد إلكترونات التكافؤ في شبه الموصل الذاتي، فيكون هناك فائض في الثغرات الإلكترونية. ويُوصف شبه الموصل الناتج بأنه من النوع P، والاسم مأخوذ من الحرف الأول لكلمة موجب .
تُشكّل أشباه الموصولات من النوعين N وP حجر الأساس الذي يُستخدم في بناء العناصر الإلكترونية، وتقوم عليها كامل صناعة الإلكترونيات.
النوع N.
يجري تصنيع شبه موصل مشوب من النوع N بإضافة شوائب من عنصر خماسي التكافؤ، مثل الإثمد، إلى مادة شبه الموصل الأصليّة. نتيجة لذلك، تُشكّل الذرة الشائبة أربع روابط تساهمية مع ذرات المادة الأصلية، ويبقى الإلكترون الخامس حرّاً ضمن شبه الموصل المشوب. تسمى الذرات الشوائب بالذرات المانحة، لأنّها تمنح إلكترونها الخامس الفائض لذرات أخرى بحاجة لإلكترون من أجل تشكيل رابط تساهمية.
يُسبب تشويب المادة بذرات مانحة امتلاك الإلكترونات الفائضة لمستوى طاقي أعلى من مستوى فيرمي، ولكنّه يظل غير كافيّاً لبلوغ حزمة التوصيل. نتيجة لذلك تحتاج هذه الإلكترونات لطاقة أقل لبلوغ نطاق التوصيل، أي تُقلل عملية التشويب السابقة من قيمة الفجوة الطاقية التي يجب على الإلكترونات الحرة التغلب عليها.
على الرغم من وجود عدد كبير من الإلكترونات الحرّة في مادة شبه المُوصِل المشوب من النوع N، فإنّه يظلّ مُتعادلاً كهربائيّاً، على اعتبار أن عدد البروتونات الإجماليّ يساوي عدد الإلكترونات الحرة.
النوع P.
يجري تصنيع شبه موصل مشوب من النوع P بإضافة شوائب من عنصر ثلاثي التكافؤ، مثل البورون أو الإنديوم أو الغاليوم، إلى مادة شبه الموصل الأصليّة. نتيجة لذلك، تشكل الذرة الشائبة ثلاث روابط تساهمية مع ذرات المادة الأصلية، وتحتاج لإلكترون رابع لتشكيل الرابع الرابعة، ويُعبّر عن غياب الإلكترون بثغرة إلكترونية. تسمى الذرات الشوائب بالذرات المُتقبّلة أو الآخذة، لأنها مستعدة لتستقبل إلكترون حر متى ما سنحت لها الفرصة من أجل إكمال الرابطة التساهمية الأخيرة.
إذا اكتسب أحد إلكترونات ذرات المادة الأساسية طاقة حركية كافية فإنه سيخرج من نطاق التكافؤ الخاص بذرته، ويسبب ذلك ظهور ثغرة إلكترونية في الموقع الذي تركه الإلكترون. بعد ذلك، يقوم الإلكترون بملء الفراغ أو الثغرة الإلكترونية في إحدى الذرات الشائبة الأخرى. وتسبب هذه الحركة انتقالاً للشحنة الكهربائية ويولد ذلك تياراً كهربائياً معاكساً في الاتجاه لجهة حركة الإلكترون. ويُمكن النظر إلى ذلك بطريقة أخرى، حيث تسبب حركة الإلكترونات من ذرة إلى أخرى ضمن البنية البلورية المشوبة، حركةً للثغرات بالاتجاه المعاكس.
على الرغم من وجود عدد كبير من الثغرات الإلكترونية في مادة شبه الموصل المشوب من النوع P، فإنّه يظل متعادلاً كهربائياً، على اعتبار أن عدد البروتونات الإجمالي يساوي عدد الإلكترونات، وتكون الشحنة الكلية مُتعادلة.
حوامل الشحنة الأقلية والأكثرية.
في شبه الموصل الذاتي، قد تكتسب بعض إلكترونات التكافؤ طاقة حركيّة إضافيّة كافيّة لتُغادر نطاق التكافؤ، ويكون مصدر هذه الطاقة ضوئيٌّ أو حراريٌّ. نتيجةً لذلك، تغادر هذه الإلكترونات ذرّاتها وتصبح إلكتروناتٍ حُرّة ضمن البنية البلوريّة وتُخلّف وراءَها ثغراتٍ إلكترونيّة مُوجبة.
في شبه موصولٍ مشوبٍ من النوع N، تحصل الزيادة في عدد الإلكترونات المُرشّحة لتصبح إلكترونات حُرّة، ويكون عدد هذه الإلكترونات أكبر بكثير من عدد الثغرات الموجودة في هذا النوع من أشباه الموصلات المشوبة. أمّا في شبه الموصل من النوع P، فإنّ الإشابة تُسبب زيادةً في عدد الثغرات الإلكترونيّة في مقابل بقاء عدد الإلكترونات المرشحة لتكون حرة على ما هو عليه. لذلك، في شبه الموصل من النوع N، توصف الإلكترونات بأنّها حاملات الشحنة الأكثرية وتُوصف الثغرات بأنهنّ حملات الشحنة الأقليّة. أمّا في شبه الموصل المشوب من النوع P، فإنّ حاملات الشحنة الأكثرّية هُنّ الثغرات الإلكترونيّة وحاملات الشحنة الأقليّة هُنّ الإلكترونات.
تتحرك حاملات الشحنة بإحدى طريقتين، هما الانجراف والانتشار . أمّا الانجراف فهو حركة حاملات الشحنة بتأثير الحقل الكهربائي، وأما الانتشار فهو حركة حاملات الشحنة بين منطقتين، يكون تركيز الحاملات مرتفعاً في المنطقة الأولى ومُنخفضاً في الثانية، ويكون الانتقال من المنطقة ذات التركيز المرتفع إلى المنطقة ذات التركيز المنخفض. على أي حال، وفي كلا النوعين، N و P، تحمل حاملات الشحنة الأكثريّة الجزء الأكبر من الشحنة الكهربائيّة وتُسبب حركتها مرور تيارٍ رئيسيّ في الوصلة، أمّا حركة حاملات الشحنة الأقليّة، فتسبب مرور تيّارٍ ثانويّ صغير القيمة مُقارنةً مع التيّار الرئيسيّ.
بنية الترانزستور.
الوصلة ثنائية الطبقات.
بنية الوصلة.
يتم تصنيع وصلة PN من خلال جمع مادتي شبه موصل واحد من نوعين مختلفين، هما النوع P والنوع N. يمكن أن تجري عملية الجمع باستخدام تقنيات مُختلفة مثل غرس الأيونات أو عن طريق الانتشار. تُقسّم وصلة PN إلى ثلاث مناطق هي: المنطقة P والمنطقة N وبينهما منطقة الوصلة التي تسمى أيضاً منطقة العبور أو منطقة افتقار، والسبب في التسمية الأولى هو كونها المنطقة التي تعبرها حوامل الشحنات أثتاء حركتها، وفي التسمية الثانية هو افتقارها لحوامل الشحنات التي سوف تنتقل من جانبي الوصلة بعد عملية الجمع بحيث تنجذب الإلكترونات الحرة السالبة إلى الثغرات الإلكترونية الموجبة.
في الحالة العامة، وبعد إنشاء وصلة PN، تنتقل الإلكترونات الحرة، والتي تشكل حوامل الشحنة الأكثرية في شبه الموصل من النوع N، باتجاه الثغرات الإلكترونية في شبه الموصل من النوع P، وتسمى هذه العملية بانتشار الإلكترونات، وكلما كان موقع الإلكترون الحر أقرب إلى الوصلة، كان انجذابه نحو الثغرة الإلكترونية أكبر. نتيجة لذلك تتجمع الشحنة السالبة على طرف الوصلة في شبه الموصل من النوع P، والشحنة الموجبة على طرف الوصلة في شبه الموصل من النوع N.