مهندسی الکترونیک وکامپیوترودوربین مدارب

المانهاي الكترونيكي

پنجشنبه یازدهم آذر ۱۴۰۰ ساعت 2:3 توسط اکبرملایی آستمال |

در اینجا ما با المان های الکترونیکی که در اکثرمدارات الکترونیکی کاربرد زیادی دارند آشنا خواهیم شد. به ترتیب این المان ها :مقاومت-خازن‌‌ -سلف - دیود - ترانزیستور

مقاومت:

مقاومت الکتریکی یا امپدانس بیانگر مقاومت یک جسم فیزیکی در برابر عبور جریان الکتریکی از آن است. واحد بین المللی (SI) مقاومت الکتریکی، اهم (به انگلیسی: ohm) است. مقدار معکوس این کمیت رسانایی الکتریکی یا ادمیتانس نام دارد که با زیمنس (به انگلیسی: Siemens) اندازه‌گیری می‌شود.

خازن‌:

خازن‌ها انرژی الکتریکی را نگهداری می‌کنند و به همراه مقاومت‌ها، در مدارات تایمینگ استفاده می‌شوند. همچنین از خازن‌ها برای صاف کردن سطح تغییرات ولتاژ مستقیم استفاده می‌شود. از خازن‌ها در مدارات بعنوان فیلتر هم استفاده می‌شود. زیرا خازن‌ها به راحتی سیگنالهای غیر مستقیم AC را عبور می‌‌دهند ولی مانع عبور سیگنالهای مستقیم DC می‌شوند .

سلف:

سیم پیچ به طور ساده یک سیم هادی معمولی است که پیچانده شده است . مقاومت اهمی سیم پیچ را در اغلب موارد می توان صفر فرض نمود و بنابر این با عبور جریان dc سیم پیچ مانند یک هادی عمل کرده و عکس العملی ندارد . (ولتاژ دو سر آن صفر است) اما چنانچه جریان عبوری بخواهد تغییر نماید . سیم پیچ با تغییر جریان مخالفت نموده و این مخالفت به صورت ایجاد ولتاژی به نام ولتاژ القائی بروز نماید. و اصولاَ این خاصیت خودالقائی سیم پیچ می نامیم.
هرگاه از سیمی جریان عبور کند اطراف سیم میدان مغناطیسی ایجاد می شود . در سال 1824 دانشمندی به نام اورستد دریافت که هرگاه قطب نمائی به سیم حامل جریان نزدیک شود عقربه منحرف می شود . و اثبات این موضوع است که اطراف سیم حامل جریان میدان مغناطیسی وجود دارد . تجمع براده ها در نزدیکی سیم بیشتر بوده به این معنی که شدت میدان مغناطیسی ایجاد شده در نزدیکی سیم بیشتر است . و هر چه از سیم دورتر شویم میدان مغناطیسی ضعیف تر می شود.

دیود:

دیودها جریان الکتریکی را در یک جهت از خود عبور می‌‌دهند و در جهت دیگر در مقابل عبور جریان از خود مقاومت بالایی نشان می‌‌دهند. این خاصیت آنها باعث شده بود تا در سالهای اولیه ساخت این وسیله الکترونیکی ، به آن دریچه یا Valve هم اطلاق شود. از لحاظ الکتریکی یک دیود هنگامی عبور جریان را از خود ممکن می‌‌سازد که شما با برقرار کردن ولتاژ در جهت درست (+ به آند و - به کاتد) آنرا آماده کار کنید. مقدار ولتاژی که باعث می‌شود تا دیود شروع به هدایت جریان الکتریکی نماید ولتاژ آستانه یا (forward voltage drop) نامیده می‌شود که چیزی حدود 0.6 تا 0.6 ولت می‌‌باشد.

ترانزیستور:

بصورت استاندارد دو نوع ترانزیستور بصورت PNP و NPN داریم. انتخاب نامه آنها به نحوه کنار هم قرار گرفتن لایه های نیمه هادی و پلاریته آنها بستگی دارد. هر چند در اوایل ساخت این وسیله الکترونیکی و جایگزینی آن با لامپهای خلاء، ترانزستورها اغلب از جنس ژرمانیم و بصورت PNP ساخته می شدند اما محدودیت های ساخت و فن آوری از یکطرف و تفاوت بهره دریافتی از طرف دیگر، سازندگان را مجبور کرد که بعدها بیشتر از نیمه هادیی از جنس سیلیکون و با پلاریته NPN برای ساخت ترانزیستور استفاده کنند.

بسیار خوب تا اینجا مقدماتی ترین امادگی ها برای شناخت مدار های الکترونیکی متوجه شدیم.

اکنون المانهای معرفی شده را در انواع مختلف معرفی می کنیم:

توضیحات و انواع مقاومت:

تاثیر سطح مقطع بر مقاومت الکتریکی

مقاومت هر جسمی به الکترونهای آزاد آن بستگی دارد . می دانید که واحد شدت الکتریکی آمپر ( A ) است . یک آمپر یعنی این که 6/28ضرب در 10 به توان 18 الکترون آزاد در هر ثانیه از هر نقطه سیم عبور می کند . پس یک هادی خوب باید به مقدار کافی الکترون آزاد داشته باشد تا جریان الکتریکی با چندین آمپر بتواند از آن عبور کند .

بنا بر این طبق شکل هرگاه پهنای فلز افزایش یابد ، در حقیقت سطح مقطع زیادتر و در نتیجه ، مقاومت کم تر می شود . پس سطح مقطع عکس مقاومت عمل می کند

تاثیر طول هادی بر مقاومت الکتریکی :

شاید تصور کنیئ که با افزایش طول هادی عبور جریان راحت تر می شود ولی چنین نیست . اگر چه در یک قطعه مسیبلند تر تعداد بیشتری الکنرون آزاد وجود دارد ولی الکترونهای آزاد اضافی در طول سیم ، در اندازه گیری جریان الکتریکیداخل نمی شود . در واقع هر طول معین از هادی ، مقدار معینی مقاومت دارد و هر چه سیم طویل تر باشد ، مقاومت بیتر می شود .

تغییرات مقاومت به طول سیم

نکته : تغییر طول و سطح مقطع به میزان دو برابر مقاومت را تغییر نمی دهد .

اندازه گیری مقاومت الکتریکی در مدار

مدارهای الکتریکی به دو نوع بسته می شوند : سری یا موازی

اندازه گیری مقاومت الکتریکی در مدارسری :

در مدار سری همانگونه که از نامش پیدا است مقاومت ها به دنبال هم بسته شده اند پس باید تمامی مقدار آنها را با هم جمع کرد

اندازه گیری مقاومت الکتریکی در مدار موازی :

در مدار موازی باید حاصل ضرب تمام مقاومت ها را تقسیم بر مجموع مقاومت ها کرد .

کاربرد مقاومت های الکتریکی

مقاومت های اهمی برای اضافه کردن مقاومت مدارهای الکتریکی به کار می روند . در حقیقت ، آنها اجسامی هستند که در مقابل عبور جریان مقاومت زیادی از خود نشان می دهند . موادی که غالباٌ در مقاومت ها به کار می روند عبارتند از کربن ، آلیاژ مخصوص از فلزاتی از قبیل نیکروم ، کنستانتان و منگانان . مقاومت اهمی را طوری به مدار می بندیم که جریان همان طور که از بار الکتریکی و منبع ولتاژ عبور می کند ، از آن هم بگذرد . در این صورت مقاومت کل مدار مجموع مقاومت های بار الکتریکی ، منبع ولتاژ ، سیم های رابط و مقاومت اهمی است . توجه داشته باشید که فقط با اضافه کردن یک مقاومت اهمی مناسب به مدار می توان مقاومت کل مدار را به اندازه ی دلخواه تغییر داد .

انواع مقاومت ها 1- مقاومت های ترکیبی

2- مقاومت های سیم پیچی

3- مقاومت های لایه ای

طبقه بندی مقاومت های از نظر نوع کار

1- مقاومت های ثابت : مقاومت های ثابت دو سیم رابط دارند که به دو انتهای مقاومت متصل است . اصولا مقدار این نوع مقاومت های ثابت است ولی بعضی از آنها دارای مقاومتهای متفاوتی هستند . این مقاومت ها به دو دسته ی الف - مقاومت ها زبانه دار و ب - مقاومتهای قابل تنظیم تقسیم می شوند .

الف) مقاومت های زبانه دار : در این نوع مقاومت ها علاوه بر دو سیم انتهایی ، سر سیم های دیگری بین دو سر مقاومت وجود دارد . با اتصال ترمینال های مختلف به مدار مقاومت های متفاوتی حاصل می شود . هر یک از این مقاومت ها دارای مقاومت ثابتی هستند .

ب) مقاومت های قابل تنظیم : دیدید که مقاومت های ثابت قابلیت انعطاف ندارند ، زیرا مقاومتشان کاملا تعیین شده و مقدار آن تغییر نا پذیر است . مقاومت های زبانه دار تا حدودی قابلت انعطاف دارند ، چون بیش از یک مقدار مقاومت می توان از آنها بدست آورد . با وجود این تعداد مقاومت هایی را که می توان از آنها بدست آورد به 3 یا 4 محدود می شود . آنچه اغلب مورد نیاز است ، مقاومتی است که بوسیله آن بتوان حدود معینی از مقاومت را از 0 تا 1 حد اکثر بدست آورد . این مقاومت ها طوری ساخته نشده اند که بتوان آنها را پیوسته تغییر داد . در واقع ، هنگام نصب این مقاومت ها در مدار، آنها را روی مقاومت دلخواه تنظیم کرده و سپس با همان مقاومت در مدار کار می کنند .

2- مقاومت های متغییر : در بسیاری از وسایل الکتریکی مقدار بعضی از مقاومتها باید پیوسته تغییر کند ، پیچ ولوم رادیو ، کنترل کننده روشنایی تلویزیون از آن جمله اند . مقاومتهای متغیر مقاومتهایی هستند که پیوسته می توان مقدار آنها را تغییر داد .

به آن دسته از مقاومت هاي متغير ، " وابسته " گفته مي شود که به وسيله عواملي از قبيل نور ، حرارت ، ولتاژ و ... مقدار مقاومتشان تغيير کند . اين مقاومت ها انواع مختلفي دارد که عبارت اند از :

الف- مقاومتهاي تابع حرارت THERMISTOR (Tehrmally sensitive resistor):

مقدار اهم اين مقاومت ها تابع حرارت است . يعني ، در اثر حرارت ميزان مقاومتشان تغيير مي کند. مقاومت هاي حرارتي را تحت عنوان " ترميستور" مي شناسيم . در اين مقاومت ها تغييرات مقدار مقاومت نسبت به تغييرات دما خطي نيست. از اين مقاومت ها در مدارهابه صورت حس کننده(Sensor) هاي حرارتي در مسير دستگاه هاي الکتريکي نظير موتورهاي الکتريکي ، کوره ها ، سيستم هاي تهويه و تبريد استفاده مي شود . به طور کلي ترميستورها در مداراتي که دما را اندازه گيري يا کنترل مي کنند به کار مي روند و در دو نوع ساخته مي شوند . 1- ترميستور با ضريب حرارتي مثبت (PTC): که با افزايش دما مقدار مقاومت آن افزايش مي يابد . و 2- ترميستور با ضريب حرارتي منفي (NTC) : که با افزايش دما مقدار مقاومتش کاهش مي يابد .

ب- مقاومت هاي تابع نور LDR(Light Dependent Resistor):

مقدار مقاومت تابع نور تابع تغييرات شدت نور تابيده شده به سطح آن است. مقاومت تابع نور در فضاي تاريک داراي مقاومت خيلي زياد (در حد مگا اهم ) و در روشنايي داراي مقاومت کم ( در حد کيلو يا اهم ) است . مقاومت هاي LDR را " فتو رزيستور " هم مي نامند . براي اينکه نور روي عنصر مقاومتي فتورزيستور اثر گذارد معمولا سطح ظاهري آن را با شيشه يا پلاستيک شفاف مي پوشانند . از اين مقاومت در مدارات الکترونيکي به عنوان تشخيص دهنده ي نور (نور سنج ) استفاده مي شود . از جمله کاربردهاي اين مقاومت استفاده ي آن در دوربين هاي عکاسي و کليدهاي نوري و چشم هاي الکترونيکي است .

ج- مقاومت هاي تابع ولتاژ VDR ( Voltage Dependent Resistor ) : مقاومت هاي تابع ولتاژ ، مقاومت هايي هستند که متناسب با تغيير ولتاژ ، مقاومت آنها تغيير مي کند تا همواره ولتاژ يکساني در مدار وجود داشته باشد . مقاومت VDR را تحت عنوان " واريستور " نيز مي شناسند . مقدار اهم اين مقاومت ها با ولتاژ رابطه ي معکوس دارد . يعني با افزايش ولتاژ مقدار اهم آنها کاهش مي يابد . واريستورها به پلاريته ي ولتاژ اعمال شده وابسته نيستند که اين خود مزيتي براي اين نوع مقاومت ها محسوب مي شود ، زيرا براي استفاده در مدارات AC بسيار مناسب هستند. از جمله کاربرهاي اين مقاومت ها عبارتند از : 1- تثبيت کنندهاي ولتاژ 2- حفاظت مدارها در مقابل اضافه ولتاژها در لحظات قطع و وصل کليد .

د-مقاومت هاي تابع ميدان مغناطيسيMDR(Magnetic Dependen Resistor):

مقاومت هاي تابع ميدان به مقاومت هايي گفته مي شود که به سبب اثر ميدان مغناطيسي بر آنها مقدار اهمشان تغيير مي کند . در ساخت اين مقاومت ها از نيمه هادي هايي استفاده شده که داراي ضريب حرارتي منفي هستند. به همين دليل در صورت افزايش دما مقدار مقاومت آن ها کاهش مي يابد .

نحوه تعیین مقدار مقاومت ها از روی کد رنگی : رنگ اولین نوار نشان دهنده اولین عدد صحیح مقدار مقاومت است و رنگ دومین نوار نشان دهنده دومین عدد صحیح مقدار مقاومت است . رنگ سومین نوار نشان دهنده ضریب مقاومت است . رنگ نوار چهارم حدود خطا ( تلرانس ) را معین می کند .

رنگ عدد صحیح مضرب تلرانس

سیاه 0 1 -

قهوه ای 1 10 -

قرمز 2 100 -

نارنجی 3 1000 -

زرد 4 10000 -

سبز 5 100000 -

آبی 6 1000000 -

بنفش 7 10000000 -

خاکستری 8 100000000 -

سفید 9 1000000000 -

طلائی - - 5%

نقره ای - 10%

بی رنگ - - 20%

توضیحات و انواع خازن:

خازنهای ثابت:

این خازنها دارای ظرفیت معینی هستند که در وضعیت معمولی تغییر پیدا نمی‌کنند. خازنهای ثابت را بر اساس نوع ماده دی الکتریک به کار رفته در آنها تقسیم بندی و نام گذاری می‌کنند و از آنها در مصارف مختلف استفاده می‌شود. از جمله این خازنها می‌توان انواع سرامیکی ، میکا ، ورقه‌ای ( کاغذی و پلاستیکی ) ،الکترولیتی ، روغنی ، گازی و نوع خاص فیلم (Film) را نام برد. اگر ماده دی الکتریک طی یک فعالیت شیمیایی تشکیل شده باشد آن را خازن الکترولیتی و در غیر این صورت آن را خازن خشک گویند. خازنهای روغنی و گازی در صنعت برق بیشتر در مدارهای الکتریکی برای راه اندازی و یا اصلاح ضریب قدرت به کار می‌روند. بقیه خازنهای ثابت دارای ویژگیهای خاصی هستند.

خازنهای متغیر:

به طور کلی با تغییر سه عامل می‌توان ظرفیت خازن را تغیییر داد: "فاصله صفحات" ، "سطح صفحات" و "نوع دی الکتریک". اساس کار خازن متغیر بر مبنای تغییر سطح مشترک صفحات خازن یا تغییر ضخامت دی الکتریک است، ظرفیت یک خازن نسبت مستقیم با سطح مشترک دو صفحه خازن دارد. خازنهای متغیر عموما ازنوع عایق هوا یا پلاستیک هستند. نوعی که به وسیله دسته متحرک (محور) عمل تغییر ظرفیت انجام می‌شود "واریابل" نامند و در نوع دیگر این عمل به وسیله پیچ گوشتی صورت می‌گیرد که به آن "تریمر" گویند. محدوده ظرفیت خازنهای واریابل 10 تا 400 پیکو فاراد و در خازنهای تریمر از 5 تا 30 پیکو فاراد است. از این خازنها در گیرنده‌های رادیویی برای تنظیم فرکانس ایستگاه رادیویی استفاده می‌شود.

خازنهای سرامیکی:

خازن سرامیکی (Ceramic capacitor) معمولترین خازن غیر الکترولیتی است که در آن دی الکتریک بکار رفته از جنس سرامیک است. ثابت دی الکتریک سرامیک بالا است، از این رو امکان ساخت خازنهای با ظرفیت زیاد در اندازه کوچک را در مقایسه با سایر خازنها بوجود آورده ، در نتیجه ولتاژ کار آنها بالا خواهد بود. ظرفیت خازنهای سرامیکی معمولا بین 5 پیکو فاراد تا 1/0 میکرو فاراد است. این نوع خازن به صورت دیسکی (عدسی) و استوانه‌ای تولید می‌شود و فرکانس کار خازنهای سرامیکی بالای 100 مگاهرتز است. عیب بزرگ این خازنها وابسته بودن ظرفیت آنها به دمای محیط است، زیرا با تغییر دما ظرفیت خازن تغییر می‌کند. از این خازن در مدارهای الکترونیکی ، مانند مدارهای مخابراتی و رادیویی استفاده می‌شود.

خازنهای ورقه‌ای:

در خازنهای ورقه‌ای از کاغذ و مواد پلاستیکی به سبب انعطاف پذیری آنها ، برای دی الکتریک استفاده می‌شود. این گروه از خازنها خود به دو صورت ساخته می‌شوند:

خازنهای کاغذی:

دی الکتریک این نوع خازن از یک صفحه نازک کاغذ متخلخل تشکیل شده که یک دی الکتریک مناسب درون آن تزریق می‌گردد تا مانع از جذب رطوبت گردد. برای جلوگیری از تبخیر دی الکتریک درون کاغذ ، خازن را درون یک قاب محکم و نفوذ ناپذیر قرار می‌دهند. خازنهای کاغذی به علت کوچک بودن ضریب دی الکتریک عایق آنها دارای ابعاد فیزیکی بزرگ هستند، اما از مزایای این خازنها آن است که در ولتاژها و جریانهای زیاد می‌توان از آنها استفاده کرد.

خازنهای پلاستیکی:

در این نوع خازن از ورقه‌های نازک پلاستیک برای دی الکتریک استفاده می‌شود. ورقه‌های پلاستیکی همراه با ورقه‌های نازک فلزی (آلومینیومی) به صورت لوله ، در درون قاب پلاستیکی بسته بندی می‌شوند. امروزه این نوع خازنها به دلیل داشتن مشخصات خوب در مدارات زیاد به کار می‌روند. این خازنها نسبت به تغییرات دما حساسیت زیادی ندارند، به همین سبب از آنها در مداراتی استفاده می‌کنند که احتیاج به خازنی با ظرفیت ثابت در مقابل حرارت باشد. یکی از انواع دی الکتریکهایی که در این خازنها به کار می‌رود پلی استایرن (Polystyrene) است، از این رو به این خازنها "پلی استر" گفته می‌شود که از جمله رایج‌ترین خازنهای پلاستیکی است. ماکزیمم فرکانس کار خازنهای پلاستیکی حدود یک مگا هرتز است.

خازنهای میکا:

در این نوع خازن از ورقه‌های نازک میکا در بین صفحات خازن (ورقه‌های فلزی – آلومینیوم) استفاده می‌شود و در پایان ، مجموعه در یک محفظه قرار داده می‌شوند تا از اثر رطوبت جلوگیری شود. ظرفیت خازنهای میکا تقریبا بین 01/0 تا 1 میکرو فاراد است. از ویژگیهای اصلی و مهم این خازنها می‌توان داشتن ولتاژ کار بالا ، عمر طولانی و کاربرد در مدارات فرکانس بالا را نام برد.

خازنهای الکترولیتی:

این نوع خازنها معمولاً در رنج میکرو فاراد هستند. خازنهای الکترولیتی همان خازنهای ثابت هستند، اما اندازه و ظرفیتشان از خازنهای ثابت بزرگتر است. نام دیگر این خازنها، شیمیایی است. علت نامیدن آنها به این نام این است که دی ‌الکتریک این خازنها را به نوعی مواد شیمیایی آغشته می‌کنند که در عمل ، حالت یک کاتالیزور را دارا می‌باشند و باعث بالا رفتن ظرفیت خازن می‌شوند. برخلاف خازنهای عدسی ، این خازنها دارای قطب یا پایه مثبت و منفی می‌باشند. روی بدنه خازن کنار پایه منفی ، علامت – نوشته شده است. مقدار واقعی ظرفیت و ولتاژ قابل تحمل آنها نیز روی بدنه درج شده است .خازنهای الکترولیتی در دو نوع آلومینیومی و تانتالیومی ساخته می‌شوند.

خازن آلومینیومی:

این خازن همانند خازنهای ورقه‌ای از دو ورقه آلومینیومی تشکیل شده است. یکی از این ورقه‌ها که لایه اکسید روی آن ایجاد می‌شود "آند" نامیده می‌شود و ورقه آلومینیومی دیگر نقش کاتد را دارد. ساختمان داخلی آن بدین صورت است که دو ورقه آلومینیومی به همراه دو لایه کاغذ متخلخل که در بین آنها قرار دارند هم زمان پیچیده شده و سیمهای اتصال نیز به انتهای ورقه‌های آلومینیومی متصل می‌شوند. پس از پیچیدن ورقه‌ها آن را درون یک الکترولیت مناسب که شکل گیری لایه اکسید را سرعت می‌بخشد غوطه‌ور می‌سازند تا دو لایه کاغذ متخلخل از الکترولیت پر شوند. سپس کل مجموعه را درون یک قاب فلزی قرار داده و با یک پولک پلاستیکی که سیمهای خازن از آن می‌گذرد محکم بسته می‌شود.

خازن تانتالیوم:

در این نوع خازن به جای آلومینیوم از فلز تانتالیوم استفاده می‌شود زیاد بودن ثابت دی الکتریک اکسید تانتالیوم نسبت به اکسید آلومینیوم (حدودا 3 برابر) سبب می‌شود خازنهای تانتالیومی نسبت به نوع آلومینیومی درحجم مساوی دارای ظرفیت بیشتری باشند. محاسن خازن تانتالیومی نسبت به نوع آلومینیومی بدین قرار است:

ابعاد کوچکتر
جریان نشتی کمتر
عمر کارکرد طولانی

از جمله معایب این نوع خازن در مقایسه با خازنهای آلومینیومی عبارتند از:

خازنهای تانتالیوم گرانتر هستند.
نسبت به افزایش ولتاژ اعمال شده در مقابل ولتاژ مجاز آن ، همچنین معکوس شدن پلاریته حساس ترند.
قابلیت تحمل جریانهای شارژ و دشارژ زیاد را ندارند.
خازنهای تانتالیوم دارای محدودیت ظرفیت هستند (حد اکثر تا 330 میکرو فاراد ساخته می شوند).

انواع ترانزیستور:

دو دسته مهم از ترانزیستورها BJT (ترانزیستور دوقطبی پیوندی) (Bypolar Junction Transistors) و FET (ترانزیستور اثر میدانی) (Field Effect Transistors) هستند. FET ‌ها نیز خود به دو دستهٔ Jfet‌ها (Junction Field Effect Transistors) و MOSFET‌ها (Metal Oxide SemiConductor Field Effect Transistor) تقسیم می‌شوند.

ترانزیستور دوقطبی پیوندیدر ترانزیستور دو قطبی پیوندی با اعمال یک جریان به پایه بیس جریان عبوری از دو پایه کلکتور و امیتر کنترل می‌شود. ترانزیستورهای دوقطبی پیوندی در دونوع npn و pnp ساخته می‌شوند. بسته به حالت بایاس این ترانزیستورها ممکن است در ناحیه قطع، فعال و یا اشباع کار کنند. سرعت بالای این ترانزیستورها و بعضی قابلیت‌های دیگر باعث شده که هنوز هم از آنها در بعضی مدارات خاص استفاده شود.

ترانزیستور اثر میدانی(JFET)در ترانزیستور اثر میدانی با اعمال یک ولتاژ به پایه گیت میزان جریان عبوری از دو پایه سورس و درین کنترل می‌شود. ترانزیستور اثر میدانی بر دو قسم است: نوع n یا N-Type و نوع p یا P-Type. از دیدگاهی دیگر این ترانزیستورها در دو نوع افزایشی و تخلیه‌ای ساخته می‌شوند.نواحی کار این ترانزستورها شامل "فعال" و "اشباع" و "ترایود" است این ترانزیستورها تقریباً هیچ استفاده‌ای ندارند چون جریان دهی آنها محدود است و به سختی مجتمع می‌شوند.

ترانزیستور اثر میدانی(MOSFET)این ترانزیستورها نیز مانند Jfet‌ها عمل می‌کنند با این تفاوت که جریان ورودی گیت آنها صفر است. همچنین رابطه جریان با ولتاژ نیز متفاوت است. این ترانزیستورها دارای دو نوع PMOS و NMOS هستند که تکنولوژی استفاده از دو نوع آن در یک مدار تکنولوژی CMOS نام دارد. این ترانزیستورها امروزه بسیار کاربرد دارند زیرا براحتی مجتمع می‌شوند و فضای کمتری اشغال می‌کنند. همچنین مصرف توان بسیار ناچیزی دارند.

به تکنولوژی‌هایی که از دو نوع ترانزیستورهای دوقطبی و Mosfet در آن واحد استفاده می‌کنند Bicmos می‌گویند.

البته نقطه کار این ترانزیستورها نسبت به دما حساس است وتغییر می‌کند. بنابراین بیشتر در سوئیچینگ بکار می‌‌روند.

ترانزیستور دوقطبی پیوندی

ترانزیستور یک قطعه ‌الکترونیکی فعال بوده و از ترکیب سه قطعه n و p بدست می‌آید که ‌از ترزیق حاملین بار اقلیت در یک پیوند با گرایش مستقیم استفاده می‌کند و دارای سه پایه به نامهای بیس (B)، امیتر (E) و کلکتور (C) می‌باشد و چون در این قطعه ‌اثر الکترونها و حفره‌ها هر دو مهم است، به آن یک ترانزیستور دوقطبی گفته می‌شود.

تاریخچه
عصر نوین الکترونیک نیمه رساناها با اختراع ترانزیستور دوقطبی در 1948 توسط باردین، براتاین و شاکلی در آزمایشگاههای تلفن بل آغاز شد. این قطعه به همراه همتای اثر میدانی خود تاثیر شگفتی روی تقریبا تمام حوزه‌های زندگی نوین گذاشته ‌است.

ترانزیستور چگونه کار می کند ؟

نماد و شماتیک پیوندها در ترانزیستورها

در مطالب قبل بطور خلاصه راجع به دیودها و ترانزیستورها و پیوندهای PN صحبت کرده مثالهایی از کاربرد اصلی انواع دیود ارائه کردیم. در این قسمت راجع به گونه های ساده اولین ترانزیستورها که از سه لایه نیمه هادی تشکیل شده اند صحبت خواهیم کرد.

بصورت استاندارد دو نوع ترانزیستور بصورت PNP و NPN داریم. انتخاب نامه آنها به نحوه کنار هم قرار گرفتن لایه های نیمه هادی و پلاریته آنها بستگی دارد. هر چند در اوایل ساخت این وسیله الکترونیکی و جایگزینی آن با لامپهای خلاء، ترانزستورها اغلب از جنس ژرمانیم و بصورت PNP ساخته می شدند اما محدودیت های ساخت و فن آوری از یکطرف و تفاوت بهره دریافتی از طرف دیگر، سازندگان را مجبور کرد که بعدها بیشتر از نیمه هادیی از جنس سیلیکون و با پلاریته NPN برای ساخت ترانزیستور استفاده کنند. تفاوت خاصی در عملکرد این دو نمونه وجود ندارد و این بدان معنی نیست که ترانزیستور ژرمانیم با پلاریته NPN یا سیلیکون با پلاریته PNP وجود ندارد.

نمای واقعی تری از پیوندها در یک ترانزیستور که تفاوت
کلکتور و امیتر را بوضوح نشان می دهد.

برای هریک از لایه های نیمه هادی که در یک ترانزیستور وجود دارد یک پایه در نظر گرفته شده است که ارتباط مدار بیرونی را به نیمه هادی ها میسر می سازد. این پایه ها به نامهای Base (پایه) ، Collector (جمع کننده) و Emitter (منتشر کننده) مشخص می شوند. اگر به ساختار لایه ای یک ترانزیستور دقت کنیم بنظر تفاوت خاصی میان Collector و Emitter دیده نمی شود اما واقعیت اینگونه نیست. چرا که ضخامت و بزرگی لایه Collector به مراتب از Emitter بزرگتر است و این عملا" باعث می شود که این دو لایه با وجود تشابه پلاریته ای که دارند با یکدیگر تفاوت داشته باشند. با وجود این معمولا" در شکل ها برای سهولت این دو لایه را بصورت یکسان در نظر میگیردند.

بدون آنکه در این مطلب قصد بررسی دقیق نحوه کار یک ترانزیستور را داشته باشیم، قصد داریم ساده ترین مداری که می توان با یک ترانزیستور تهیه کرد را به شما معرفی کرده و کاربرد آنرا برای شما شرح دهیم. به شکل زیر نگاه کنید.

مدار ساده برای آشنایی با طرز کار یک ترانزیستور

بطور جداگانه بین E و C و همچنین بین E و B منابع تغذیه ای قرار داده ایم. مقاومت ها یی که در مسیر هریک از این منابع ولتاژ قرار دادیم صرفا" برای محدود کردن جریان بوده و نه چیز دیگر. چرا که در صورت نبود آنها، پیوندها بر اثر کشیده شدن جریان زیاد خواهند سوخت.

طرز کار ترانزیستور به اینصورت است، چنانچه پیوند BE را بصورت مستقیم بایاس (Bias به معنی اعمال ولتاژ و تحریک است) کنیم بطوری که این پیوند PN روشن شود (برای اینکار کافی است که به این پیوند حدود 0.6 تا 0.7 ولت با توجه به نوع ترانزیستور ولتاژ اعمال شود)، در آنصورت از مدار بسته شده میان E و C می توان جریان بسیار بالایی کشید. اگر به شکل دوم دقت کنید بوضوح خواهید فهمید که این عمل چگونه امکان پذیر است. در حالت عادی میان E و C هیچ مدار بازی وجود ندارد اما به محض آنکه شما پیوند BE را با پلاریته موافق بایاس کنید، با توجه به آنچه قبلا" راجع به یک پیوند PN توضیح دادیم، این پیوند تقریبا" بصورت اتصال کوتاه عمل می کند و شما عملا" خواهید توانست از پایه های E و C جریان قابل ملاحظه ای بکشید. (در واقع در اینحالت می توان فرض کرد که در شکل دوم عملا" لایه PN مربوط به BE از بین می رود و بین EC یک اتصال کوتاه رخ می دهد.)

بنابراین مشاهده می کنید که با برقراری یک جریان کوچک Ib شما می توانید یک جریان بزرگ Ic را داشته باشید. این مدار اساس سوئیچ های الکترونیک در مدارهای الکترونیکی است. بعنوان مثال شما می توانید در مدار کلکتور یک رله قرار دهید که با جریان مثلا" چند آمپری کار می کند و در عوض با اعمال یک جریان بسیار ضعیف در حد میلی آمپر - حتی کمتر - در مدار بیس که ممکن است از طریق یک مدار دیجیتال تهیه شود، به رله فرمان روشن یا خاموش شدن بدهید.

انواع ترانزیستور پیوندی

pnp شامل سه لایه نیم ‌هادی که دو لایه کناری از نوع p و لایه میانی از نوع n است و مزیت اصلی آن در تشریح عملکرد ترانزیستور این است که جهت جاری شدن حفره‌ها با جهت جریان یکی است.

npn شامل سه لایه نیم‌ هادی که دو لایه کناری از نوع n و لایه میانی از نوع p است. پس از درک ایده‌های اساسی برای قطعه pnp می‌توان به سادگی آنها را به ترانزیستور پرکاربردتر npn مربوط ساخت.

ساختمان ترانزیستور پیوندی
ترانزیستور دارای دو پیوندگاه ‌است. یکی بین امیتر و بیس و دیگری بین بیس و کلکتور. به همین دلیل ترانزیستور شبیه دو دیود است. دیود سمت چپ را دیود بیس _ امیتر یا صرفا دیود امیتر و دیود سمت راست را دیود کلکتور _ بیس یا دیود کلکتور می‌نامیم. میزان ناخالصی ناحیه وسط به مراتب کمتر از دو ناحیه جانبی است. این کاهش ناخالصی باعث کم شدن هدایت و بالعکس باعث زیاد شدن مقاومت این ناحیه می‌گردد.

امیتر که شدیدا آلائیده شده، نقش گسیل و یا تزریق الکترون به درون بیس را به عهده دارد. بیس بسیار نازک ساخته شده و آلایش آن ضعیف است و لذا بیشتر الکترونهای تزریق شده ‌از امیتر را به کلکتور عبور می‌دهد. میزان آلایش کلکتور کمتر از میزان آلایش شدید امیتر و بیشتر از آلایش ضعیف بیس است و کلکتور الکترونها را از بیس جمع‌آوری می‌کند.

طرز کار ترانزیستور پیوندی
طرز کار ترانزیستور را با استفاده ‌از نوع npn مورد بررسی قرار می‌دهیم. طرز کار pnp هم دقیقا مشابه npn خواهد بود، به شرط اینکه ‌الکترونها و حفره‌ها با یکدیگر عوض شوند. در نوع npn به علت تغذیه مستقیم دیود امیتر ناحیه تهی کم عرض می‌شود، در نتیجه حاملهای اکثریت یعنی الکترونها از ماده n به ماده p هجوم می‌آورند. حال اگر دیود بیس _ کلکتور را به حالت معکوس تغذیه نمائیم، دیود کلکتور به علت بایاس معکوس عریض‌تر می‌شود.

الکترونهای جاری شده به ناحیه p در دو جهت جاری می‌شوند، بخشی از آنها از پیوندگاه کلکتور عبور کرده، به ناحیه کلکتور می‌رسند و تعدادی از آنها با حفره‌های بیس بازترکیب شده و به عنوان الکترونهای ظرفیت به سوی پایه خارجی بیس روانه می‌شوند، این مولفه بسیار کوچک است.

نحوه ‌اتصال ترازیستورها
اتصال بیس مشترک در این اتصال پایه بیس بین هر دو بخش ورودی و خروجی مدار مشترک است. جهتهای انتخابی برای جریان شاخه‌ها جهت قراردادی جریان در همان جهت حفره‌ها می‌شود.

اتصال امیتر مشترک مدار امیتر مشترک بیشتر از سایر روشها در مدارهای الکترونیکی کاربرد دارد و مداری است که در آن امیتر بین بیس و کلکتور مشترک است. این مدار دارای امپدانس ورودی کم بوده، ولی امپدانس خروجی مدار بالا می‌باشد.

اتصال کلکتور مشترک اتصال کلکتور مشترک برای تطبیق امپدانس در مدار بکار می‌رود، زیرا برعکس حالت قبلی دارای امپدانس ورودی زیاد و امپدانس خروجی پائین است. اتصال کلکتور مشترک غالبا به همراه مقاومتی بین امیتر و زمین به نام مقاومت بار بسته می‌شود.

ترانزیستور اثر میدانی ( فت ) - FET

همانگونه که از نام این المان مشخص است، پایه کنترلی آن جریانی مصرف نمی کند و تنها با اعامل ولتاژ و ایجاد میدان درون نیمه هادی ، جریان عبوری از FET کنترل می شود. به همین دلیل ورودی این مدار هیچ کونه اثر بارگذاری بر روی طبقات تقویت قبلی نمی گذارد و امپدانس بسیار بالایی دارد.

فت دارای سه پایه با نهامهای درِین D - سورس S و گیت G است که پایه گیت ، جریان عبوری از درین به سورس را کنترل می نماید. فت ها دارای دو نوع N کانال و P کانال هستند. در فت نوع N کانال زمانی که گیت نسبت به سورس مثبت باشد جریان از درین به سورس عبور می کند . FET ها معمولاً بسیار حساس بوده و حتی با الکتریسیته ساکن بدن نیز تحریک می گردند. به همین دلیل نسبت به نویز بسیار حساس هستند.

نوع دیگر ترانزیستورهای اثر میدانی MOSFET ها هستند ( ترانزیستور اثر میدانی اکسید فلزی نیمه هادی - Metal-Oxide Semiconductor Field Efect Transistor ) یکی از اساسی ترین مزیت های ماسفت ها نویز کمتر آنها در مدار است.

فت ها در ساخت فرستنده باند اف ام رادیو نیز کاربرد فراوانی دارند. برای تست کردن فت کانال N با مالتی متر ، نخست پایه گیت را پیدا می کنیم. یعنی پایه ای که نسبت به دو پایه دیگر در یک جهت مقداری رسانایی دارد و در جهت دیگر مقاومت آن بی نهایت است. معمولاً مقاومت بین پایه درین و گیت از مقاومت پایه درین و سورس بیشتر است که از این طریق می توان پایه درین را از سورس تشخیص داد.

اعمال ولتاژ با پلاریته موافق باعث عبور جریان از یک پیوند PN می شود و چنانچه پلاریته ولتاژتغییر کند جریانی از مدار عبور نخواهد کرد.

اگر ساده بخواهیم به موضوع نگاه کنیم عملکرد یک ترانزیستور را می توان تقویت جریان دانست. مدار منطقی کوچکی را در نظر بگیرید که تحت شرایط خاص در خروجی خود جریان بسیار کمی را ایجاد می کند. شما بوسیله یک ترانزیستور می توانید این جریان را تقویت کنید و سپس از این جریان قوی برای قطع و وصل کردن یک رله برقی استفاده کنید.

موارد بسیاری هم وجود دارد که شما از یک ترانزیستور برای تقویت ولتاژ استفاده می کنید. بدیهی است که این خصیصه مستقیما" از خصیصه تقویت جریان این وسیله به ارث می رسد کافی است که جریان وردی و خروجی تقویت شده را روی یک مقاومت بیندازیم تا ولتاژ کم ورودی به ولتاژ تقویت شده خروجی تبدیل شود.

جریان ورودی ای که که یک ترانزیستور می تواند آنرا تقویت کند باید حداقل داشته باشد. چنانچه این جریان کمتر از حداقل نامبرده باشد ترانزیستور در خروجی خود هیچ جریانی را نشان نمی دهد. اما به محض آنکه شما جریان ورودی یک ترانزیستور را به بیش از حداقل مذکور ببرید در خروجی جریان تقویت شده خواهید دید. از این خاصیت ترانزیستور معمولا" برای ساخت سوییچ های الکترونیکی استفاده می شود.
از لحاظ ساختاری می توان یک ترانزیستور را با دو دیود مدل کرد.

همانطور که در مطلب قبل (اولین ترانزیستورها) اشاره کردیم ترانزستورهای اولیه از دو پیوند نیمه هادی تشکیل شده اند و بر حسب آنکه چگونه این پیوند ها به یکدیگر متصل شده باشند می توان آنها را به دو نوع اصلی PNP یا NPN تقسیم کرد. برای درک نحوه عملکرد یک ترانزیستور ابتدا باید بدانیم که یک پیوند (Junction) نیمه هادی چگونه کار می کند.

در شکل اول شما یک پیوند نیمه هادی از نوع PN را مشاهده می کنید. که از اتصال دادن دو قطعه نیمه هادی P و N به یکدیگر درست شده است. نیمه هادی های نوع N دارای الکترونهای آزاد و نیمه هادی نوع P دارای تعداد زیادی حفره (Hole) آزاد می باشند. بطور ساده می توان منظور از حفره آزاد را فضایی دانست که در آن کمبود الکترون وجود دارد.

اگر به این تکه نیمه هادی از خارج ولتاژی بصورت آنچه در شکل نمایش داده می شود اعمال کنیم در مدار جریانی برقرار می شود و چنانچه جهت ولتاژ اعمال شده را تغییر دهیم جریانی از مدار عبور نخواهد کرد (چرا؟).

این پیوند نیمه هادی عملکرد ساده یک دیود را مدل می کند. همانطور که می دانید یکی از کاربردهای دیود یکسوسازی جریان های متناوب می باشد. از آنجایی که در محل اتصال نیمه هادی نوع N به P معمولآ یک خازن تشکیل می شود پاسخ فرکانسی یک پیوند PN کاملآ به کیفیت ساخت و اندازه خازن پیوند بستگی دارد. به همین دلیل اولین دیودهای ساخته شده توانایی کار در فرکانسهای رادیویی - مثلآ برای آشکار سازی - را نداشتند.

معمولآ برای کاهش این خازن ناخاسته، سطح پیوند را کاهش داده و آنرا به حد یک نقطه می رسانند. (ادامه دارد ...)

همانطور که می دانید دیود ها جریان الکتریکی را در یک جهت از خود عبور می دهند و در جهت دیگر در مقابل عبور جریان از خود مقاومت بالایی نشان می دهند. این خاصیت آنها باعث شده بود تا در سالهای اولیه ساخت این وسیله الکترونیکی، به آن دریچه یا Valve هم اطلاق شود.

از لحاظ الکتریکی یک دیود هنگامی عبور جریان را از خود ممکن می سازد که شما با برقرار کردن ولتاژ در جهت درست (+ به آند و - به کاتد) آنرا آماده کار کنید. مقدار ولتاژی که باعث میشود تا دیود شروع به هدایت جریان الکتریکی نماید ولتاژ آستانه یا (forward voltage drop) نامیده می شود که چیزی حدود 0.6 تا 0.7 ولت می باشد. به شکل اول توجه کنید که چگونه برای ولتاژهای مثبت - منظور جهت درست می باشد - تا قبل از 0.7 ولت دیود از خود مقاومت نشان می دهد و سپس به یکباره مقاومت خود را از دست می دهد و جریان را از خود عبور می دهد.
نماد فنی و دو نمونه از انواع دیوید

اما هنگامی که شما ولتاژ معکوس به دیود متصل می کنید (+ به کاتد و - به آند) جریانی از دیود عبور نمی کند، مگر جریان بسیار کمی که به جریان نشتی یا Leakage معرف است که در حدود چند µA یا حتی کمتر می باشد. این مقدار جریان معمولآ در اغلب مدار های الکترونیکی قابل صرفنظر کردن بوده و تاثیر در رفتار سایر المانهای مدار نمیگذارد. اما نکته مهم آنکه تمام دیود ها یک آستانه برای حداکثر ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژمعکوس بیش از آن شود دیوید می سوزد و جریان را در جهت معکوس هم عبور می دهد. به این ولتاژ آستانه شکست یا Breakdown گفته می شود.

در دسته بندی اصلی، دیودها را به سه قسمت اصلی تقسیم می کنند، دیودهای سیگنال (Signal) که برای آشکار سازی در رادیو بکار می روند و جریانی در حد میلی آمپر از خود عبور می دهند، دیودهای یکسوکننده (Rectifiers) که برای یکسوسازی جریانهای متناوب بکاربرده می شوند و توانایی عبور جریانهای زیاد را دارند و بالآخره دیود های زنر در ادامه بحث نحوه کارکرد یک ترانزیستور لازم است قدری راجع به انواع دیود که در مطلب قبل به آنها اشاره کردیم داشته باشیم.

دیودهای سیگنال
این نوع از انواع دیودها برای پردازش سیگنالهای ضعیف - معمولا" رادیویی - و کم جریان تا حداکثر حدود 100mA کاربرد دارند. معروفترین و پر استفاده ترین آنها که ممکن است با آن آشنا باشید دیود 1N4148 است که از سیلیکون ساخته شده است و ولتاژ شکست مستقیم آن 0.7 ولت است.
اما برخی از دیود های سیگنال از ژرمانیم هم ساخته می شوند، مانند OA90 که ولتاژ شکست مستقیم پایینتری دارد، حدود 0.2 ولت. به همین دلیل از این نوع دیود بیشتر برای آشکار سازی امواج مدوله شده رادیویی استفاده می شود.
بصورت یک قانون کلی هنگامی که ولتاژ شکست مستقیم دیوید خیلی مهم نباشد، از دیودهای سیلیکون استفاده می شود. دلیل آن مقاومت بهتر آنها در مقابل حرارت محیط یا حرارت هنگام لحیم کاری و نیز مقاومت الکتریکی کمتر در ولتاژ مستقیم است. همچنین دیود های سیلیکونی سیگنال معمولا" در ولتاژ معکوس جریان نشتی بسیار کمتری نسبت به نوع ژرمانیم دارند.

از کاربرد دیگری که برای دیودهای سیگنال وجود دارد می توان به استفاده از آنها برای حفاظت مدار هنگامی که رله در یک مدار الکترونیکی قرار دارد نام برد. هنگامی که رله خاموش می شود تغییر جریان در سیم پیچ آن میتواند در دوسر آن ولتاژ بسیار زیادی القا کند که قرار دادن یک دیود در جهت مناسب میتواند این ولتاژ را خنثی کند. به شکل اول توجه کنید.
استفاده از دیود زنر برای تهیه ولتاژ ثابت

دیودهای زنر
همانطور که قبلا" اشاره کردیم از این دیودها برای تثبیت ولتاژ استفاده می شود. این نوع از دیود ها برای شکسته شدن با اطمینان در ولتاژ معکوس ساخته شده اند، بنابراین بدون ترس می توان آنها را در جهت معکوس بایاس کرد و از آنها برای تثبیت ولتاژ استفاده نمود. به هنگام استفاده از آنها معمولا" از یک مقاومت برای محدود کردن جریان بطور سری نیز استفاده می شود. به شکل نگاه کنید به این طریق شما یک ولتاژ رفرنس دقیق بدست آورده اید.

دیودهای زنر معمولا" با حروفی که در آنها Z وجود دارد نامگذاری می شوند مانند BZX یا BZY و ... و ولتاژ شکست آنها نیز معمولا" روی دیود نوشته می شود، مانند 4V7 که به معنی 4.7 ولت است. همچنین توان تحمل این دیود ها نیز معمولا" مشخص است و شما هنگام خرید باید آنرا به فروشنده بگویید، در بازار نوع 400mW و 1.3W آن در مطلب قبل راجع به دیودهای زنر و سیگنال صحبت کردیم و ضمن آوردن مثال، توضیح دادیم که این دیودها چگونه کار میکنند. حال در ادامه این مجموعه مطالب ابتدا به تشریح مختصر دیود های یکسو کننده میپردازیم.

دیود های یکسوساز عموما" در مدارهای جریان متناوب بکار برده می شوند تا با کمک آنها بتوان جریان متناوب (AC) را به مستقیم (DC) تبدیل کرد. این عملیات یکسوسازی یا Rectification نامیده می شود.

از مشهورترین این دیودها می توان به انواع دیودهای 1N400x و یا 1N540x اشاره کرد که دارای ولتاژ کاری بین 50 تا بیش از 1000 ولت هستند و می توانند جریان های بالا را یکسو کنند. این ولتاژ، ولتاژی است که دیود می تواند بدون شکسته شدن - سوختن - در جهت معکوس آنرا تحمل کند.

دیودهای یکسوساز معمولآ از سیلیکون ساخته می شوند و ولتاژ بایاس مستقیم آنها حدود 0.7 ولت می باشد.

یکسو سازی جریان متناوب با یک دیود
شما می توانید با قرار دادن فقط یک دیود در مسیر جریان متناوب مانع از گذر سیکل منفی جریان در جهت مورد نظر در مدار باشید به شکل اول دقت کنید که چگونه قرار دادن یک دیود در جهت موافق، فقط به نیم سیکل های مثبت اجاز خروج به سمت بار را می دهد. به این روش یکسوسازی نیم موج یا Half Wave گفته می شود.

بدیهی است برای بالابردن کیفیت موج خروجی و نزدیک کردن آن به یک ولتاژ مستقیم باید در خروجی از خازن هایی با ظرفیت بالا استفاده کرد. این خازن در نیم سیکل مثبت شارژ می شود و در نیم سیکل منفی در غیاب منبع تغذیه، وظیفه تغذیه بار را بعهده خواهد داشت.

یکسو ساز تمام موج با استفاده از پل دیود.

پل دیود یا Bridge Rectifiers
اما برای آنکه بتوانیم از نیمه منفی موج ورودی که در نیمی از سیکل جریان امکان عبور به خروجی را ندارد، استفاده کنیم باید از مداری بعتوان پل دیود استفاده کنیم. پل دیود همانطور که از شکل دوم مشخص است متشکل از چهار دیود به یکدیگر متصل می باشد. جریان متناوب به قسمتی که دو جفت آند و کاتد به یکدیگر متصل هستند وصل می شود و خروجی از یک جف آند و یک جفت کاتد به یکدیگر متصل شده گرفته می شود.

روش کار به اینصورت است که در سیکل مثبت مدار دیودهای 1 و 2 عمل کرده و خروجی را تامین میکنند و در سیکل منفی مدار دیودهای 3 و 4 عمل می کند و باز خروجی را در همان وضعیت تامین می کند. بسیار رایج است (Zener) که برای ترانزيستور چگونه کار میکند؟ - ۵

نماد و شماتیک پیوندها در ترانزیستورها

مدار ساده برای آشنایی با طرز کار یک ترانزیستور

بنابراین مشاهده می کنید که با برقراری یک جریان کوچک Ib شما می توانید یک جریان بزرگ Ic را داشته باشید. این مدار اساس سوئیچ های الکترونیک در مدارهای الکترونیکی است. بعنوان مثال شما می توانید در مدار کلکتور یک رله قرار دهید که با جریان مثلا" چند آمپری کار می کند و در عوض با اعمال یک جریان بسیار ضعیف در حد میلی آمپر - حتی کمتر - در مدار بیس که ممکن است از طریق یک مدار دیجیتال تهیه شود، به رله فرمان روشن یا خاموش شدن بدهید.

انواع دیود:

دسته بندی دیودها
در دسته بندی اصلی ، دیودها را به سه قسمت اصلی تقسیم می‌‌کنند، دیودهای سیگنال (Signal) که برای آشکار سازی در رادیو بکار می‌‌روند و جریانی در حد میلی آمپر از خود عبور می‌‌دهند، دیودهای یکسو کننده (Rectifiers) که برای یکسو سازی جریانهای متناوب بکار برده می‌‌شوند و توانایی عبور جریانهای زیاد را دارند و بالاخره دیودهای زنر (Zener) که برای تثبیت ولتاژ از آنها استفاده می‌شود.

اختراع دیود پلاستیکی (plastic diode)
محققان فیزیک دانشگاه اوهایو (Ohio State University) توانستند دیود تونل پلیمری اختراع کنند. این قطعه الکترونیکی منجر به ساخت نسل آینده حافظه‌های پلاستیکی کامپیوتری و چیپهای مدارات منطقی خواهد شد. این قطعات کم مصرف و انعطاف پذیر خواهند بود. ایده اصلی از سال 2003 که یک دانشجوی کارشناسی دانشگاه اوهایو ، سیتا اسار ، شروع به طراحی سلول خورشیدی پلاستیکی نمود بوجود آمد. تیم پژوهشی توسط پاول برگر (Paul Berger) ، پروفسور الکترونیک و مهندسی کامپیوتر و همچنین پروفسور فیزیک دانشگاه اوهایو رهبری می‌شود.

دیودهای نور گسل
در دیودی که بایاس مستقیم دارد، الکترونهای نوار رسانش از پیوندگاه عبور کرده و به داخل حفره‌ها می‌افتند. این الکترونها به هنگام صعود به نوار رسانش انرژی دریافت کرده بودند که به هنگام برگشت به نوار ظرفیت انرژی دریافتی را مجددا تابش می‌کنند. در دیودهای یکسوساز این انرژی به صورت گرما پس داده می‌شود، ولی دیودهای نور گسل LED این انرژی را به صورت فوتون تابش می‌کنند.

فوتودیودها
انرژی گرمایی باعث تولید حامل‌های اقلیتی‌ در دیود می‌گردد. با افزایش دما جریان دیود در بایس معکوس افزایش می‌یابد. انرژی نوری هم همانند انرژی گرمایی باعث بوجود آمدن حاملهای اقلیتی ‌می‌گردد. کارخانه‌های سازنده با تعبیه روزنه‌ای کوچک برای تابش نور به پیوندگاه دیودهایی را می‌سازند که فوتودیود نامیده می‌شوند. وقتی نور خارجی به پیوندگاه یک فوتودیود که بایس مستقیم دارد فرود آید، زوجهای الکترون _ حفره در داخل لایه تهی بوجود می‌آیند. هرچه نور شدیدتر باشد، مقدار حاملهای اقلیتی ‌نوری افزایش یافته، در نتیجه جریان معکوس بزرگتر می‌شود. به ‌این دلیل فوتودیودها را آشکارسازهای نوری گویند.

وراکتور
نواحی p و n در دو طرف لایه تهی را می‌توان مانند یک خازن تخت موازی در نظر گرفت، ظرفیت این خازن تخت موازی را ظرفیت خازن انتقال یا ظرفیت پیوندگاه گویند. ظرفیت خازن انتقال CT هر دیود با افزایش ولتاژ معکوس کاهش می‌یابد. دیودهای سیلسیم که برای این اثر ظرفیتی طراحی و بهینه شده‌اند، دیود با ظرفیت متغییر یا وارکتور نام دارند. وراکتور موازی با یک القاگر تشکیل یک مدار تشدید را می‌دهد که با تغییر ولتاژ معکوس وراکتور می‌توانیم فرکانس تشدید را تغییر بدهیم.

دیودهای شاتکی
دیود شاتکی یک وسیله تک‌قطبی است که در آن به جای استفاده ‌از دو نوع نیمه ‌هادی p و n متصل به هم ، معمولا از یک نوع نیم ‌هادی سیلیسیم نوع n با یک اتصال فلزی مانند طلا – نقره یا پلاتین استفاده می‌شود. در هر دو ماده ‌الکترون حامل اکثریت را تشکیل می‌دهد. وقتی که دو ماده به هم متصل می‌شوند، الکترونها در ماده سیلیسیم نوع n فورا به داخل فلز نفوذ می‌کنند و یک جریان سنگینی از بارهای اکثریت بوجود می‌آید. دیود شاتکی لایه تهی ذخیره بار ندارد. کاربرد این دیود در فرکانس‌های خیلی بالاست.

دیودهای زنر
این دیود سیلیسیم برای کار در ناحیه شکست طراحی و بهینه شده است، گاهی آن را دیود شکست هم می‌گویند. با تغییر میزان آلایش ، کارخانه‌های سازنده می‌توانند دیودهای زنری بسازند که ولتاژ شکست آنها از دو تا دویست ولت تغییر کند. با اعمال ولتاژ معکوس که ‌از ولتاژ شکست زنر بگذرد، وسیله‌ای خواهیم داشت که مانند یک منبع ولتاژ ثابت عمل می‌کند.

وقتی غلظت آلایش در دیود خیلی زیاد باشد، لایه تهی بسیار باریک می‌شود. میدان الکتریکی در لایه تهی بسیار شدید است. میدان چنان شدید است که ‌الکترونها را از مدارهای ظرفیت خارج می‌کند. ایجاد الکترونهای آزاد به ‌این روش را شکست زنر می‌نامیم.

کاربردها
قطعات پیوندی p - n در صنعت الکترونیک از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند. به عنوان مثال دیودهای نور افشان LED در نمایشگرهای دیجیتالی و گسیلنده‌های نور قرمز GaAs و InP بویژه برای سیستمهای مخابرات نوری مناسب هستند. آرایش لیزر نیم رسانا ، آشکارساز نوری را می‌توان در سیستم دیسک فشرده برای خواندن اطلاعات دیجیتال از دیسک چرخان مورد استفاده قرار داد.

کاربرد بسیار مهم پیوندها به عنوان باتری‌های خورشیدی است که ‌انرژی نوری جذب شده را به انرژی ‌الکتریکی مفید تبدیل می‌کنند. دیودهای با ظرفیت متغیر در تولید رمونی‌ها ، مخرب فرکانس‌های مایکروویو و فیلترهای فعال است. دیودهای زنر به عنوان مرجع در مدارهایی که نیازمند مقدار معینی از ولتاژ هستند، استفاده می‌شوند.
دیود تونلی

دیدکلی
دیود تونلی یک قطعه پیوندی p-n است که بر اساس تونل زنی مکانیک کوانتومی الکترونها از درون سد پتانسیل پیوند عمل می‌کند. چگونگی تونل زنی برای جریان معکوس در اصل اثر زنر است، هر چند مقدار اندکی گرایش معکوس برای شروع آن در دیودهای تونلی لازم است.

عملکرد دیود تونلی
دیود تونلی که شامل پیوند p-n است، در حالت تعادل تراز فرمی ، در سراسر آن ثابت است.( Eft در زیر لبه نوار ظرفیت طرف P قرار دارد و Efn بالای لبه نوار هدایت در طرف n واقع است). نوارها در مقیاس انرژی ، همپوشانی کرده‌اند تا Ef (انرژی فرعی) ثابت بماند. مفهوم آن اینست که با اندکی گرایش مستقیم یا معکوس وضعیتهای پر و خالی در مقابل هم قرار می‌گیرند که فاصله بین آنها اساسا پهنای ناحیه تهی است.

دیود تونلی تحت گرایش معکوس
تحت یک گرایش معکوس این امکان فراهم می‌شود که الکترونها از حالت پر نوار ظرفیت در زیر Eft به حالتهای خالی نوار هدایت در بالای Efn تونل بزنند. این شرایط مشابه اثر زنری است، با این تفاوت که هیچگونه گرایشی برای ایجاد حالت همپوشانی نوارها لازم نیست. با ادامه افزایش گرایش معکوس Efn به پایین آمدن خود در مقیاس انرژی نسبت به Efp ادامه داده و حالتهای پر بیشتری را از طرف p مقابل حالتهای خالی طرف n قرار می‌دهد. در نتیجه تونل زنی الکترونها از P به n با افزایش گرایش معکوس زیاد می‌شود.

دیود تونلی تحت گرایش مستقیم
وقتی یک گرایش مستقیم اعمال شود، Efn نسبت به Efp به اندازه qv در مقیاس انرژی افزایش می‌یابد. در نتیجه الکترونها زیر Efn در طرف n در مقابل وضعیتهای خالی بالای Efp در طرف P قرار می‌گیرند. این جریان مستقیم با افزایش گرایش مادامی که حالتهای پر بیشتری در مقابل حالتهای خالی قرار می‌گیرند، افزایش می‌یابد.

مقاومت فعال
در دیودهای تونلی با گرایش مستقیم ، هنگامی که Efn به افزایش خود نسبت به Efp ادامه می‌دهد، به نقطه‌ای می‌رسیم که در آن نوارها از مقابل هم می‌گذرند. در این حالت تعداد حالتهای پر در مقابل حالتهای خالی کاهش می‌یابد. این ناحیه از این جهت اهمیت دارد که کاهش جریان تونل زنی با افزایش گرایش ناحیه‌ای با شیب منفی تولید می‌کند. مقاومت فعال (دینامیک) dv/dt منفی است. این ناحیه با مقاومت منفی در بسیاری از کاربردها مفید است. اگر گرایش مستقیم بعد از ناحیه با مقاومت منفی افزایش یابد، جریان دوباره شروع به افزایش می‌کند.

کاربردهای مداری
مقاومت منفی دیود تونل را می‌توان برای کلید زنی ، نوسان ، تقویت و سایر عملیات مداری مورد استفاده قرار داد. این حوزه وسیع کاربردی همراه با این واقعیت که فرایند تونل زنی تاخیر زمانی رانش و نفوذ را ندارد، دیود تونلی را یک انتخاب طبیعی برای مدارهای بسیار سریع ساخته است.

دیود نوری:

قطعات دو پایانه طراحی شده برای پاسخ به جذب فوتون ، دیودهای نوری نامیده می‌شوند. از این قطعات پیوندی برای بهبودی سرعت پاسخ و حساسیت آشکارسازهای نوری یا تابش‌های پرانرژی استفاده می‌شود. بیشترین کاربرد آنها در مخابرات نوری و باتری‌های خورشیدی است.

دید کلی
قطعات دو پایانه طراحی شده برای پاسخ به جذب فوتون ، دیودهای نوری نامیده می‌شوند. برخی از دیودهای نوری سرعت پاسخ و حساسیت بسیار بالایی دارند. از آنجایی که ‌الکترونیک نوین علاوه بر سیگنالهای الکتریکی اغلب دارای سیگنالهای نوری نیز می‌باشد، دیودهای نوری نقش مهمی ‌را به عنوان قطعات الکترونیک ایفا می‌کنند. غالبا از قطعات پیوندی برای بهبودی سرعت پاسخ و حساسیت آشکارسازهای نوری یا تابش‌های پرانرژی استفاده می‌شود.

ولتاژ و جریان در یک پیوند نور تابیده
رانش حاملین بار اقلیت در دو سر یک پیوند تولید جریان می‌کنند، بویژه حاملین بار تولید شده در ناحیه تهی w توسط میدان پیوند جدا شده ‌الکترونها در ناحیه n و حفره‌ها در ناحیه p جمع می‌شوند. همچنین حاملین بار اقلیت که به صورت گرمایی در فاصله یک طول نفوذ از طرفین پیوند تولید می‌شوند، به ناحیه تهی نفوذ کرده و توسط میدان الکتریکی به طرف دیگر جاروب می‌شوند. اگر پیوند بطور یکنواخت توسط فوتون‌های با انرژی hv>Eg تحت تابش قرار گیرد، یک نرخ تولید اضافی در این جریان مشارکت می‌کند و ولتاژ مستقیم در هر دو سر یک پیوند نور تابیده به نام پدیده فوتوولتائیک ایجاد می‌شود.

باتری‌های خورشیدی
امروزه برای تامین توان الکتریکی مورد نیاز بسیاری از ماهواره‌های فضایی از آرایه‌های باتری خورشیدی از نوع پیوندی p-n استفاده می‌شود. باتری‌های خورشیدی می‌توانند توان مورد نیاز تجهیزات داخل یک ماهواره را در مدت زمان طولانی فراهم سازند. آرایه‌های پیوندی را می‌توان در سطح ماهواره توزیع و یا اینکه در باله‌های باتری خورشیدی متصل به بدنه ‌اصلی ماهواره جا داد.

برای بهره گیری از بیشترین مقدار انرژی نوری موجود ، لازم است که باتری خورشیدی دارای پیوندی با سطح مقطع بزرگ و در نزدیکی سطح قطعه باشد. پیوند سطحی توسط نفوذ یا کاشت یون تشکیل شده و برای جلوگیری از انعکاس و نیز کاهش بازترکیب ، سطح آن با مواد مناسب پوشیده می‌شود.

آشکارسازهای نوری
یک چنین قطعه‌ای برای اندازه گیری سطوح روشنایی یا تبدیل سیگنالهای نوری متغیر با زمان به سیگنالهای الکتریکی وسیله‌ای مناسب است. در بیشتر آشکارسازهای نوری سرعت پاسخ آشکارساز بسیار مهم است. مرحله نفوذ حاملین بار امری زمان‌بر است و باید در صورت امکان حذف شود. پس مطلوب است که پهنای ناحیه تهی به ‌اندازه کافی بزرگ باشد تا اکثر فوتون‌ها به‌جای نواحی خنثی n و p در درون ناحیه تهی جذب شوند.

وقتی که یک EHP در ناحیه تهی بوجود آید، میدان الکتریکی ، الکترون را به طرف n و حفره را به طرف p می‌کشد. چون این رانش حاملین بار در زمان کوتاهی رخ می‌دهد، پاسخ دیود نوری می‌تواند بسیار سریع باشد. هنگامی ‌که حاملین بار عمدتا در ناحیه تهی w ایجاد شوند، به آشکارساز یک دیود نوری لایه تهی گفته می‌شود. اگر w پهن باشد، اکثر فوتون‌های تابشی در ناحیه تهی جذب خواهند شد. w پهن منجر به کاهش ظرفیت پیوند شده و در نتیجه ثابت زمانی مدار آشکارساز را کاهش می‌دهد.

نحوه کنترل پهنای ناحیه تهی
روش مناسب برای کنترل پهنای ناحیه تهی ساختن یک آشکارساز نوری p-i-n است. ناحیه i مادامی که مقاومت ویژه زیاد است، لزومی ‌ندارد که حقیقتا ذاتی باشد. می‌توان آن را به روش رونشستی روی بستر نوع n رشد داد و ناحیه p را توسط نفوذ ایجاد کرد. هنگامی‌ که ‌این قطعه در گرایش معکوس قرار می‌گیرد، ولتاژ وارده تقریبا بطور کامل در دو سر ناحیه i ظاهر می‌شود. برای آشکارسازی سیگنالهای نوری ضعیف اغلب مناسب است که دیود نوری در ناحیه شکست بهمنی مشخصه‌اش عمل کند.

نویز و پهنای باند آشکارسازهای نوری
در سیستمهای مخابرات نوری حساسیت آشکارسازهای نوری و زمان پاسخ آنها بسیار مهم است. متاسفانه ‌این دو ویژگی عموما با هم بهینه نمی‌شوند. مثلا در یک آشکارساز نوری بهره به نسبت طول عمر حاملین بار به زمان گذار وابسته ‌است. از سوی دیگر پاسخ فرکانسی نسبت عکس با طول عمر حاملین بار دارد. معمولا حاصلضرب بهره در پهنای باند را به عنوان ضریب شایستگی برای آشکارسازها ملاک قرار می‌دهند.
طراحی برای افزایش بهره سبب کاهش پهنای باند می‌شود و برعکس ویژگی مهم دیگر آشکارسازها نسبت سیگنال به نویز است که مقدار اطلاعات مفید در مقایسه با نویز در زمینه آشکارساز را نشان می‌دهد. منبع اصلی نویز در نور رساناها نوسانات اتفاقی در جریان تاریک است. جریان نویز در تاریکی متناسب ، دما و رسانایی ماده ‌افزایش می‌یابد. افزایش مقاومت تاریک همچنین بهره نور رسانا را افزایش داده و بالطبع باعث کاهش پهنای باند می‌شود.

کاربرد دیود نوری
کاربرد باتری‌های خورشیدی محدود به فضای دور نیست. حتی با تضعیف شدت تابش خورشید توسط جو می‌توان توسط این باتری‌ها توان مفیدی را برای کاربردهای زمینی بدست آورد. یک باتری خوش ساخت از سیلیسیم می‌تواند دارای بازده خوب در تبدیل انرژی الکتریکی باشد.

مهندسی الکترونیک وکامپیوترودوربین مدارب

تعمیر بردهای الکترونیک به روش مهندسی معکوس

المانهاي الكترونيكي

مشخصات

موضوعات وب

پیوندها

پیوندهای روزانه

آرشیو وب