تحقیق مقاله بیان ساده شده نظریه نیمه رسانا

بیان ساده شده نظریه نیمه رسانا

       نیمرسانا ماده ای است که مقاومت ویژه آن خیلی کمتر از مقاومت ویژه عایق و در عین حال خیلی بیشتر از مقاومت ویژه رساناست، و مقاومت ویژه اش با افزایش دما کاستی می پذیرد. مثلا، مقاومت ویژه مس 8-10اهم - متر کوا رتز1012  اهم - متر، و مقاومت ویژه مواد نیمرسانای، یعنی سیلیسیم 5/ . اهم- متر و از آن ژرمانیم 2300 اهم -متر در دمای c27 است. برای درک عملکرد نیمرسانا ها و ابزار نیمرسانا، قدری آشنایی با مفاهیم اساسی ساختار اتمی ماده ضروری است.

2   دیود های نیمرسانا

ساختمان

       دیود نیمرسانا وسیله ای است که در مقابل عبور جریان، در یک جهت مقاومت زیاد و در جهت دیگر مقاومت کمی برو ز می دهد. دیود را به طور گستردهای و برای اهداف گوناگون در مدارهای الکترونیکی به کار می گیرند و اساساً شامل یک پیوند p-n است که از بلور سیلیسیوم و یا ژرمانیم تشکیل می شود. (شکل ب) نماد دیود نیمرسانا در شکل الف نموده شده است.

جهتی که دیود در مقابل عبور جریان مخالفت کمی بروز می دهد با سر پیکان نشان داده شده است.

        دیود نیمر سانا نسبت به دیود گرما یونی از مزایای زیادی برخوردار است، این دیود به منبع گرم کن نیاز ندارد، بسیار کوچک تر و سبک تر است ، و قابلیت اطمینان بسیار بیشتری دارد.

       ژرمانیم یا سیلیسیمی  که در ساخت دیود نیمرسانا به کار می رود باید ابتدا تا رسیدن به غلظت نا خالصی کمتر از یک جزء در 10 10 جزء پالوده شود. سپس اتمهای ناخالصی مطلوب، بخشنده ها یا پذیرنده ها، به مقادیر مورد لزوم اضافه شده و ماده به شکل یک تک بلور ساخته می شود.

       برای ساختن پولک ژرمانیم نوع n مقداری ژرمانیم ذاتی را با کمی ناخالصی در یک بوته ودر خلأ ذوب می کنند، ویک بلور هسته را تا عمق چند میلیمتری در مذاب فرو می برند. دمای ژرمانیم  مذاب درست بالای نقطه ذوب بلور هسته  قرار دارد، و چند میلیمتری از هسته غوطه ور در مذاب نیز ذوب            می شود. این هسته با سرعت ثابتی چرخانده می شود و همزمان به آرامی از مذاب بیرون کشیده می شود، بدین سان یک بلور نوع n  تشکیل شده است. با کنترل دقیق این فرایند می توان به غلظت نا خالصی مورد نیاز دست یافت.

          قرصی از ایندیم در یک پولک ژرمانیم قرار می دهند و به آن دمای با لاتر از نقطه ذوب ایندیم ولی پایین تراز نقطه ذوب ژرمانیم حرارت داده می شود. ایندیم ذوب می شود و ژرمانیم را حل می کند تا اینکه محلول اشباح شده از ژرمانیم در ایندیم به دست آید. سپس پولک به آرامی سرد می شود و در خلال سرد شدن یک ناحیه ژرمانیم نوع p در پولک تولید شده و آلیاژی از ژرمانیم و ایندیم (عمدتاً ایندیم) در پولک ته نشین می شود. پیوند p-n آلیاژ سیلیسیم را نیز می توان با همین روش و با بکارگیری آلومینیوم به عنوان پذیرنده، تشکیل داد.

          ژرمانیم نوع p تا دمای خیلی نزدیک به نقطه ذوب ژرمانیم گرم می شود، و پیرامون آن را عنصر بخشنده آنتیموان که گازی شکل است فرا می گیرد. اتم های آنتیموان در ژرمانیم پخش می شود تا یک ناحیه نوع  nرا تولید کند. اگر از یک بلور نوع n استفاده شود، گالیوم گازی شکل به عنوان عنصر پذیرنده برای تهیه ناحیه نوع p در بلور بکار می رود. وقتی قرار است وسیله ای سیلیسیمی ساخته شود، از بور به عنوان عنصر پذیرنده و از فسفر به عنوان عنصر بخشنده استفاده می شود.

          دیود پیوندی شامل بلوری است که هم دارای ناحیه نوع p و هم ناحیه نوع n است. دیود های پیوندی یا از ژرمانیم ساخته می شود و یا از سیلیسیم، اولی دارای مزیت مقاومت مستقیم کمتر و دومی از مزیت داشتن ولتاژ شکست بیشتر و جریان اشباع معکوس کمتر برخوردار است. اتصال به پیوند با سیمهایی که به هر یک از این دو ناحیه وصل شده، برقرار می شود. معمولاً برای جلوگیری از نفوذ رطوبت کل وسیله را در محفظه ای بسته قرار می دهند.

دیودهای اتصال- نقطه ای

      اصولاً دیود اتصال- نقطه ای از یک قرص ژرمانیم نوع n که نوک یا سبیلهایش، از سیم تنگستنی است و بر رویه آن فشرده می شود، تشکیل یافته است. اتصال به سبیل از طریق دو سیم مسی انجام         می شود در خلال ساخت دیود اتصال- نقطه ای، یک تپ جریان از دیود عبور می کند و باعث می شود که در مساحتی از قرص و درست در مجاورت نوک سبیل یک ناحیه نوع p تشکیل شود. در این حالت پیوند n-p که ظرفیت در قرص ایجاد شده است.

انواع دیودها و کاربرد آن ها

پارامترهای مهم دیودهای نیمرسانا عبارتند از :

1- مقاومت های a.c. مستقیم و معکوس.

2- جریان مستقیم حداکثر.

3- ظرفیت پیوند.

4- فعالیت در ناحیه  شکست.

انواع اصلی دیود که در مدارهای الکترونیکی جدید بکار می روند، عبارتند از :

1- دیودهای سیگنالی.

2- دیودهای توان.

3- دیودهای زنر.

4- دیودهای با طرفیت متغیر (ورکتور).

1. دیودهای سیگنالی

        اصطلاح دیود سیگنالی تمامی دیودهایی را در بر می گیرد که در مدارهایی که مقادیر اسمی زیاد جریان یا ولتاژ نیاز نیست بکار می روند. شرایط معمولی عبارتند از نسبت بزرگ مقاومت معکوس به مقاومت مستقیم و حداقل ظرفیت پیوند. برخی دیودهای موجود در بازار از انواعی هستند که کاربردهای آن دارند، دیودهای دیگری از این نوع یافت می شوند که کاربردهای مداری خاص، مثلاً، آشکار ساز، امواج رادیویی، یا کلیدالکترونیکی در مدارهای منطقی بسیار مناسبند. حداکثر ولتاژ معکوس، یا ولتاژ معکوس قله، که معمولاً از دیود انتظار ارائه آن می رود معمولاً خیلی بالا نیست، حداکثر جریان مستقیم هم بالا نیست. بیشتر انواع دیود سیگنالی دارای ولتاژ معکوس قله ای در گستره v30 تا v 150 و حداکثر جریان مستقیم در حدود بین 40 وmA250 است. ولی اخیراً می توان به مقادیر بالاتری دست یافت.

2. دیودهای توان

         دیودهای توان را غالباً برای تبدیل جریان متفاوب به جریان مستقیم، مانند یک سوسازها، بکار             می برند. پارامترهای مهم دیود توان عبارتد از ولتاژ معکوس قله، حداکثر جریان مستقیم و نسبت مقاومت. ولتاژ معکوس قله احتمالاً دست در گستره  V50 تا V1000 است با حداکثر جریان مستقیم که شاید A30 است. مقاومت مستقیم باید تا حد امکان پایین باشد تا از افت چشمگیری در ولتاژ دو سر دیود وقتی که جریان مستقیم زیادی جریان دارد جلوگیری می کند؛ معمولاً این مقاومت خیلی بیشتر از یک یا دو اهم نیست.

3. دیودهای زنر

        جریان معکوس بزرگی که در هنکام در گذشتن ولتاژ دو سر دیود از ولتاژ شکست دیود، جاری می شود لزوماً نباید باعث آسیب رساندن به وسیله شود.

        دیود زنر چنان ساخته شده است که به آن امکان می دهد در بدون خراب شدن، در ناحیه شکست کار کند، به شرط آن که جریان از طریق مقاومت خارجی به یک مقدار مجاز محدود شود. جریان زیاد در ولتاژ شکست یا دو عامل، به نام اثر زنر و اثر بهمنی، فراهم می آید در ولتاژهایی تا حدود V5 میدان الکتریکی نزدیک به پیوند چندان شدید است که می تواند الکترونها را از پیوند کوالانسی که اتم ها را کنار هم نگاه می دارد بیرون بکشد. زوجهای حفره- الکترونهای اضافی تولید می شوند و این زوج ها برای افزودن جریان معکوس در دسترسند. این اثر ر ا اثر زنر می نامند.

         اثر بهمنی وقتی پیش می آید که ولتاژ پیش ولت مخالف بیش از V5 یا در همین حدود باشد. سرعت حرکت حاملین بار از میان شبکه بلور چندان افزایش می یابد که این بارها به اندازه کافی دارای انرژی جنبشی شوند که اتم ها  را در اثر برخورد یونیده کنند. اتمی را یونیده گویند که یکی از الکترونهای خود را ازدست داده باشد. بدین سان حاملین بار اضافی تولید شده از میان شبکه بلور عبور می کنند و ممکن است با سایر اتم ها نیز برخورد کرده و حتی از طریق یونش حاملین بیشتری ایجاد کنند. در این روش تعداد حاملین بار، و در نتیجه جریان معکوس، به سرعت افزایش می یابد.

         دیودهای زنر با ولتاژهای مرجع استاندارد شده متعددی قابل دسترسند. مثلاً، می توان بهدیود زنری با یک ولتاژ (شکست) مرجع V2/8 دست یافته. نام دیگر این وسیله دیود مرجع ولتاژ است. رایج ترین کاربرد دیود زنر در مدارهای پایدارنده ولتاژ است این نوع دیود را به عنوان مرجع ولتاژ نیز بکار می برند.

3   ترانزیستور

انواع ترانزیستور

        ترانزیستور وسیله ای نیمرساناست که می تواند سیگنال الکتریکی را تقویت کند، به عنوان کلید الکترونیکی عمل کند، و عملکردهای متعدد دیگری داشته باشد. اساساً ترانزیستور شامل یک بلور ژرمانیم یا سیلیسیم و حاوی سه ناحیه مجزا است. این سه ناحیه ممکن است دو ناحیه نوع p باشد که یک ناحیه نوع n از آنها را جدا کرده است یا دو ناحیه نوع n  که با یک ناحیه نوع p از هم جدا شده اند. نوع اول، ترانزیستور p-n-p و نوع دوم ترانزیستور نوع  n-p-n است، کاربرد این هر دو نوع ترانزیستور متداول است، و گاهی هم هردو در یک مدار واحد مورد استفاده قرار می گیرند، ولی بحث ما در این         فصل درباره ترانزیستور نوع p-n-p است. اما برای عملکرد مربوط به ترانزیستور n-p-n لازم است حفره را به جای الکترون، الکترون را به حای حفره، منفی را به جای مثبت و مثبت را به جای منفی بخوانیم.

         میانه سه ناحیه ترانزیستور بیس (پایه) و دو ناحیه بیرونی امیتر (گسیلنده) و کلکتور گردآور نامیده می شود. در اغلب ترانزیستورها ناحیه کلکتور از نظر فیزیکی بزرگتر از ناحیه امیتر ساخته می شود، چون انتظار می رود ناحیه توان بیشتری را تلف کند. نماد ترانزیستور p-n-p در شکل(الف) و نماد ترانزیستور در شکل (ب) نموده شده است. توجه کنید که سر پیکان سیم امیتر در دو شکل با جهتهای  مختلفی نشان داده شده است، که در ترانزیستور n-p-n به خارج نشانه رفته اند. بزودی مشخص خواهد شد که سر پیکان جهت حرکت حفره ها را در داخل امیتر نشان می دهند.

 ترانزیستورها نسبت به لامپ های گرمایونی مزایای زیادی دارند؛ شاید مهم ترین امتیاز این است که ترانزیستورها نسبت به لامپ گرمایونی، پیش از شروع به کار نیاز به منبع توانی برای گرم شدن ندارد.  همین نکته باعث می شود که وسیله های ترانزیستوری بعد از وصل شدن کلید خیلی سریع تر از وسیله لامپی شروع به کار می کند. مصرف توان نیز در این حالت بسیار کمتر است و این موضوع مخصوصاً برای تجهیزات بزرگ مانند کامپیوتر از اهمیت زیادی برخوردار است. مزایای دیگر ترانزیستور، اندازه کوچک تر آنها، ولتاژ کارکرد بسیار پایین و پایداری بهترشان است.

طرز کار  ترانزیستور

         ترانزیستور p-n-p شامل دوپیوند p-n است و معمولاً طوری کا ر می کند که یک پیوند، پیوند امیتر- بیس با پیش ولت موافق، و دیگری، پیوند کلکتور - بیس، با پیش ولت مخالف است. این نکته را همراه با جهت جریانهای گوناگونی از ترانزیستور می گذرند. قرارداد متداولی که بنا بر آن جهت جریان مخالف جهت حرکت الکترونهاست به کار گرفته شده است.

        توجه کنید که، در ابندا، ولتاژ امیتر- بیس، Eeb ، صفر است بنابراین این جریان حامل بار اکثریتی که از پیوند امیتر- بیس می گذرد برابر است با جریان حامل باراقلیتی جاری جهت مخالف و جریان خالص پیوند صفر است. پیوند کلکتور- بیس به وسیله ولتاژ پیش ولت Eeb به پیش ولت معکوس تبدیل می شود و از این رو یک جریان حامل بار اقلیتی از سیم کلکتور می گذرد. این جریان، جریان اشباع معکوس است که در فصل پیش مورد بحث قرار گرفت ولی اکنون جریان نشتی کلکتور نامیده شده  با نماد ICBO نموده می شود.

        اگر ولتاژ پیش ولت امیتر - بیس در جهت مثبت به اندازه چند دهم ولت افزایش یابد، پیوند امیتر- بیس با پیش ولت موافق بوده و یک جریان حامل بار اکثریتی جاری می شود. این جریان شامل  حرکت انقالی حفره ها از امیتر به بیس و گذر الکترونها از بیس به امیتر است. فقط جریان حفره ها برای کار ترانزیستور مفید است، که این نکته بزودی روشن خواهد شد، و بنابراین از طریق آلایش بیس، که خیلی دقیق تر  از آلایشی است که در امیتر انجام می گیرد، این جریان را از جریان الکترون خیلی بیشتر        می کنند. نسبت جریان حفره به کل جریان امیتر را نسبت تزریق امیتر یا کارایی امیتر می نامند، و با نماد    نشان می دهند.  معمولاً،     تقرباً برابر 995/0 است و به این معناست که فقط 5/0% جریان امیتر شامل عبور الکترون از بیس به امیتر است.

        حفره ها فوراً ازپیوند امیتر- بیس می گذرند، و گفته می شود که به درون بیس گسیلیده یا تزریق شده اند، و به حاملین بار اقلیتی تبدیل شده و پخش شدن در عرض بیس به سوی پیوند بیس- کلکتور را آغاز می کنند. از آنجا که بیس بسیار باریک بوده و نیز رقیق آلاییده شده  است، اکثر حفره های گسیلیده به پیوند کلکتور- بیس می رسند و بار الکترون آزاد بر سر راه خود باز ترکیب نمی شوند.  حفره های گسیلیده با رسیدن به پیوند، جریان حامل بار اقلیتی را افزایش داده و از پیوند عبور کرده  و مایه افزایش جریان کلکتور می شود. نسبت تعداد حفرههای وارده به کلکتور به تعداد حفره های گسیلیده عامل انتقال بیس، با نماد β، نامیده می شود. معمولاً: 995/0=β.

1- جریان کلکتور کمتر از جریان امیتر  است زیرا: (الف) بخشی از جریان امیتر شامل الکترونهایی است که در جریان کلکتور شرکت ندارند و (ب) تمام حفره های تزریق شده به بیس موفق نمی شوندبه کلکتور برسند. عامل (الف) با نسبت تزریق امیتر و عامل (ب)  با ضریب انتقال بیس نموده می شود؛ بدین سان نسبت جریان کلکتور به جران امیتر برابر است با γβ با نشاندن مقادیر معمولی ذکر شده برای γ و β روشن می شود که معمولاً، جریان کلکتور تقریباً 99/0 برابر جریان امیتر است.