دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .
نیمه هادی ها و ساختمان داخلی آنها
نیمه هادی ها عناصری هستند که از لحاظ هدایت ، ما بین هادی و عایق قرار دارند، و مدار آخر نیمه هادیها ، دارای 4 الکترون میباشد.
ژرمانیم و سیلیکون دو عنصری هستند که خاصیت نیمه هادی ها را دارا می‌باشند و به دلیل داشتن شرایط فیزیکی خوب ، برای ساخت نیمه هادی دیود ترانزیستور ، آی سی (IC ) و .... مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ژرمانیم دارای عدد اتمی32 میباشد .
این نیمه هادی ، در سال 1886 توسط ونیکلر کشف شد.
این نیمه هادی ، در سال 1810توسط گیلوساک و تنارد کشف شد. اتمهای نیمه هادی ژرمانیم و سیلیسیم به صورت یک بلور سه بعدی است که با قرار گرفتن بلورها در کنار یکدیگر ، شبکه کریستالی آنها پدید می‌آید .
اتم های ژرمانیم و سیلیسیم به دلیل نداشتن چهار الکترون در مدار خارجی خود تمایل به دریافت الکترون دارد تا مدار خود را کامل نماید. لذا بین اتم های نیمه هادی فوق ، پیوند اشتراکی برقرار میشود.
بر اثر انرژی گرمائی محیط اطراف نیمه هادی ، پیوند اشتراکی شکسته شده و الکترون آزاد می‌گردد. الکترون فوق و دیگر الکترون هائی که بر اثر انرژی گرمایی بوجود می‌آید در نیمه هادی وجود دارد و این الکترون ها به هیچ اتمی‌وابسته نیست.
د ر مقابل حرکت الکترون ها ، حرکت دیگری به نام جریان در حفره ها که دارای بار مثبت می‌باشند، وجود دارد. این حفره ها، بر اثر از دست دادن الکترون در پیوند بوجود می‌آید.
بر اثر شکسته شدن پیوندها و بو جود آمدن الکترون های آزاد و حفره ها ، در نیمه هادی دو جریان بوجود می‌آید.جریان اول حرکت الکترون که بر اثر جذب الکترون ها به سمت حفره ها به سمت الکترون ها بوجود خواهد آمد و جریان دوم حرکت حفره هاست که بر اثر جذب حفره ها به سمت الکترون ها بوجود می‌آید. در یک کریستال نیمه هادی، تعداد الکترونها و حفره ها با هم برابرند ولی حرکت الکترون ها و حفره ها عکس یکدیگر می‌باشند.
1. نیمه هادی نوع N وP
از آنجایی که تعداد الکترونها و حفره های موجود در کریستال ژرمانیم و سیلیسیم در دمای محیط کم است و جریان انتقالی کم میباشد، لذا به عناصر فوق ناخالصی اضافه می‌کنند.
هرگاه به عناصر نیمه هادی ، یک عنصر 5 ظرفیتی مانند آرسنیک یا آنتیوان تزریق شود، چهار الکترون مدار آخر آرسنیک با چهار اتم مجاور سیلسیم یا ژرمانیم تشکیل پیوند اشتراکی داده و الکترون پنجم آن ، به صورت آزاد باقی می‌ماند.
بنابرین هر اتم آرسنیک، یک الکترون اضافی تولید می‌کند، بدون اینکه حفره ای ایجاد شده باشد. نیمه هادی هایی که ناخالصی آن از اتم های پنج ظرفیتی باشد، نیمه هادی نوع N نام دارد.
در نیمه هادی نوع N ، چون تعداد الکترون ها خیلی بیشتر از تعداد حفره هاست لذا عمل هدایت جریان را انجام می‌دهند . به حامل هدایت فوق حامل اکثریت و به حفره ها حامل اقلیت می‌گویند.
هرگاه به عناصر نیمه هادی ژرمانیم و سیلیسیم ، یک ماده 3 ظرفیتی مانند آلومنیوم یا گالیم تزریق شود، سه الکترون مدار آخر آلومنیوم با سه الکترون سه اتم سیلیسیم یا ژرمانیم مجاور ، تشکیل پیوند اشتراکی می‌دهند . پیوند چهارم دارای کمبود الکترون و در واقع یک حفره تشکیل یافته است .
هر اتم سه ظرفیتی، باعث ایجاد یک حفره میشود، بدون اینکه الکترون آزاد ایجاد شده باشد. در این نیمه هادی ناخالص شده، الکترون ها فقط در اثر شکسته شدن پیوندها بو جود می‌آیند.
نیمه هادی هایی که ناخالصی آنها از اتم های سه ظرفیتی باشد، نوع P می‌نامند .
حفره ها در این نیمه هادی به عنوان حامل های اکثریت و الکترون ها به عنوان حاملهای اقلیت وجود دارد، تبدیل یک نیمه هادی نوع p وn و بالعکس بوسیله عملی به نام «جبران»(Compensation) امکان پذیر میباشد .
2. اتصال PN و تشکیل نیمه های دیود
لحظه ای که دو قطعه نیمه هادی نوع P وN را به هم پیوند می‌دهیم، از آنجایی که الکترون ها و حفره ها قابل انتقال می‌باشند، الکترون های موجود در نیمه هادی نوع N به خاطر بار الکتریکی مثبت حفره ها ، جذب حفره ها می‌گردند. لذا در محل اتصال نیمه هادی نوع P وN ، هیچ الکترون آزاد و حفره وجود ندارد.
3ـ1) لایه تهی
گرایش الکترونهای طرف n پخش شدن در تمامی‌جهات است. بعضی از آنها از پیوندگاه می‌گذرند. وقتی الکترونی وارد ناحیه p میشود، یک حامل اقلیتی به حساب می‌آید.
وجود تعداد زیادی حفره در اطراف این الکترون باعث میشود که عمر این حامل اقلیتی کوتاه باشد. یعنی الکترون بلافاصله پس از ورود به ناحیه p به داخل یک حفره فرو می‌افتد. با این اتفاق ، حفره ناپدید و الکترون نوار رسانش به الکترون ظرفیت تبدیل میشود.
هر بار که یک الکترون از پیوندگاه می‌گذرد، یک زوج یون تولید می‌کند. دایره هایی که درون آنها علامت مثبت است، نماینده یو نهای مثبت و دایره های با علامت منفی نماینده یو نهای منفی اند . به دلیل بستگی کوالانسی ، یونها در ساختار بلوری ثابت اند و مانند الکترونهای نوار رسانش یا حفره ها نمی‌توانند به این سو و آن سو حرکت کنند.
هر زوج یون مثبت و منفی را دو قظبی می‌نامیم . ایجاد یک به معنی این است که یک الکترون نوار رسان ش و یک حفره از صحنه عمل خارج شده اند. ضمن اینکه تعداد دو قطبیها افزایش می‌یابد ، ناحیه ای در نزدیکی پیو ندگاه از بارهای متحرک خالی از بار را لایه تهی می‌نامیم .
3ـ2) پتانسیل سد
هر دو قطبی دارای یک میدان الکتریکی است . بردارها جهت نیروی وارد به بار مثبت را نشان می‌دهند. بنابراین ، وقتی الکترونی وارد لایه تهی میشود، میدان الکتریکی سعی می‌کند الکترون را به درون ناحیه n به عقب براند. با عبور هر الکترون، شدت میدان افزایش می‌یابد تا آنکه سرانجام گذرالکترون ازپیوندگاه متو قف میشود.
در تقریب دوم ، باید حاملهای اقلیتی رانیز منظور کنیم . به خاطر داشته باشیم که طرف p دارای تعداد الکترون نوار رسانش است که از گرما ناشی میشوند. آنها که در داخل لایه تهی واقع اند توسط میدان به ناحیه n برده میشوند. این عمل شدت میدان را اندکی کاهش می‌دهد و تعداد کمی‌حاملهای اکثریتی از طرف راست به چپ اجازه عبورمی‌یابند تا میدان به شدت قبلی خود بگردد. به محلی که در آن الکترون ها و حفره ها وجود ندارند را ناحیه تخلیه یا سر کنندگی می‌نامند.
حال تصویر نهایی تعادل را در پیوندگاه ارائه می‌دهیم:
1. تعداد کمی‌حاملهای اقلیتی از یک طرف پیوندگاه به طرف دیگر سوق می‌یابند. عبور آنها میدان را کاهش می‌دهد مگر اینکه،
2. تعداد کمی‌حاملهای اکثریتی از پیوندگاه با عمل پخش گذر کنند و شدت میدان را به مقدار اولیه برگردنند
میدان موجود بین یونها معرف اختلاف پتانسیلی است که به آن پتانسیل سد می‌گوییم . پتانسیل سد کنندگی برای نیمه هادی سیلیسیم بین 6/0 تا 7/0 ولت و برای نیمه هادی ژرمانیم بین 2/0 تا 3/0 ولت می‌نامند.
مقدار ولتاژی که لازم است تا سد کنندگی مورد نظر در پیوند PN خنثی شود را ولتاژ سد کنندگی می‌نامند و آن را با Vy نشان می‌دهند.
هنگام هدایت دیود ، افت ولتاژ دو سر آن در حالت ایده آل صفر و در حالت واقعی ، برابر مقدار ولتاژ سد کنندگی میباشد.
قطب منفی منبع به بلور n، و قطب مثبت آن به بلور p متصل است. این نوع اتصال را بایاس مستقیم می‌نامیم.
هرگاه پتانسیل منفی به آند(A) و پتانسیل مثبت به کاتد (K) وصل شود، دیود هدایت نمی‌کند و این حالت را بایاس مخالف دیود می‌نامند.
منبع dc را وارونه می‌بندیم تا بایاسی معکوس برای دیود برقرار شود.
میدانی که از خارج اعمال میشود با میدان لایه تهی هم جهت است. به این دلیل ، حفره ها و الکترونها به سوی دو انتهای بلوار عقب نشینی می‌کنند (از پیوندگاه دور میشوند) . الکترونهای دور شونده پشت سر خود یونهای مثبت بر جای می‌گذارند ، و حفره هایی که می‌روند یونهای منفی باقی می‌گذارند . بنابراین لایه تهی پهنتر میشود .هر چه بایاس معکوس بزرگتر باشد لایه تهی پهنتر است.
وقتی حفره ها و الکترونها از پیوندگاه دور میشوند، یونهای نوزاد اختلاف پتانسیل بین دو طرف لایه تهی را افزایش می‌دهند.
هر چه لایه تهی پهنتر میشود ، این اختلاف پتانسیل بزرگتر است. افزایش پهنای لایه تهی وقتی متوقف میشود که اختلاف پتانسیل آن با ولتاژ معکوس اعمال شده مساوی باشد.
هنگام قطع دیود ، مقاومت دو سر آن زیاد میباشد و مانند یک مدار باز عمل می‌کند.
با توجه به حالت های بررسی شده در خصوص دیود ، منحنی مشخصه ، زیرا به دست می‌آوریم.
3ـ3 ولتاژ شکست
اگر ولتاژ معکوس را افزایش دهیم سرانجام به ولتاژ شکست می‌رسیم ، در دیودهای یکسو ساز(آنهای که ساخته شده اند تا در یک جهت بهتر از جهت دیگر رسانایی داشته باشند)، ولتاژ شکست معمولاً ازV 50 بیشتر است.
همین که ولتاژ شکست فرا می‌رسد، تعداد زیادی حامل اقلیتی در لایه تهی ظاهر میشود و رسانش شدید میشود.
در بایاس معکوس الکترون به راست و حفره به چپ رانده میشود. سرعت الکترون ، ضمن حرکت زیاد میشود .
هرچه میدان لایه تهی قویتر باشد حرکت الکترون سریعتر است . در ولتاژی معکوس بزرگ، الکترونها به سرعتیهای بالا می‌رسند. این الکترونهای بسیار سریع ممکن است با یک الکترون ظرفیت برخورد کند.
اگر این الکترون بسیار سریع دارای انرژی کافی باشد، می‌تواند الکترون ظرفیت را به موازی در نوار رسانش حاصل میشود .
اکنون این دو الکترون هر دو شتاب می‌گیرند و می‌توانند دو الکترون دیگر را از جای خود بکنند. به این ترتیب ممکن است تعداد حاملهای اقلیتی بسیار زیاد شود و کار رسانش در دیود شدت گیرد.
حالت شکست بای بیشتر دیودها مجاز نیست. به عبارت دیگر، ولتاژ معکوس در دو سر دیود باید در مقداری کمتر از ولتاژ شکست نگه داشته شود.
3ـ4 منحنی دیود در بایاس مستقیم
چون منبع dc جریان مثبت را در جهت پیکان دیود برقرار می‌کند، دیود بایاس
مستقیم دارد. هرچه ولتاژ اعمال شده بیشتر باشد ، جریان دیود بیشتر است.
با تغییر ولتاژ اعمال شده، میتوانید جریان دیود(با استفاده از آمپرسنج متوالی) و ولتاژ دیود(با ولت سنج موازی) را اندازه بگیرید. با ترسیم نقاط مربوط به جریانها و ولتاژهای متناظر نموداری ازجریان دیود بر حسب ولتاژ دیود به دست می‌آید.
3ـ5 منحنی دیود
وقتی دیودی را در بایاس معکوس قرار دهید . فقط جریان ضعیفی را به دست می‌آورید. با اندازه گیری جریان و ولتاژ دیود میتوانید منحنی بایاس معکوس را رسم کنید.این منحنی چیزی شبیه خواهد بود . در اینجا هیچ مطلب شگفتی وجود ندارد.
به ازای تمام ولتاژهای معکوس کمتر از ولتاژ شکست BV ، جریان دیود بسیار ضعیف است در ولتاژ شکست به ازای افزایش اندکی در ولتاژ، جریان دیود به سرعت افزایش می‌یابد.
با انتخاب مقادیر مثبت برای ولتاژ و جریان مستقیم ، ومقادیر منفی برای ولتاژ و جریان معکوس ، می‌توانیم منحنیهای مستقیم و معکوس را روی یک تک نمودار رسم کنیم. در این نمودار کشش دیود را جمعبندی می‌کند و بیان می‌دارد که به ازای هر مقدار ولتاژ دیود چه جریانی از دیود می‌گذرد.
3ـ6 دیود ایده آل
تقریب دیود ایده آل تمام جزئیات را جز استخوان بندی عملکرد دیود کنار می‌گذارد . عمل دیود چیست؟ در جهت مستقیم به خوبی هدایت می‌کند و هدایت آن در جهت معکوس بسیار ضعیف است. در شرایط ایده آل ، وقتی دیود بایاس مستقیم دارد مانند یک رسانای کامل (ولتاژ صفر) است .
به اصطلاح مداری، دیود ایده آل مانند یک کلید خودکار عمل می‌کند. وقتی جریان مثبت در جهت پیکان دیود برقرار باشد کلید بسته است . اگر جریان مثبت بخواهد در جهت مخالف بگذرد، کلید باز است. این ساده ترین مدل است.
علیرغم اینکه تقریب دیود ایده آل در ابتدا افراطی به نظر می‌رسد ، ولی در بیشتر مدارهای دیودی پاسخهای مناسبی می‌دهد . مواقعی پیش می‌آید که این تقریب کارایی ندارد، به این دلیل ، به تقریب دوم و سوم نیاز داریم . ولی دیود ایده آل برای تحلیل مقدماتی مدارهای دیودی تقریب بسیار خوبی است.
3ـ7 ظرفیت دیود
دیود نیز مانند عناصری که پایه اتصال سیمی‌دارند ، ظرفیت ناخواسته ای دارد که ممکن است روی عمل آنها در بسامدهای بالا اثر بگذارد، این ظرفیت خارجی معمولا از 1PF کمتر است .
مع هذا ، ظرفیت داخلی که در پیوندگاه دیود ایجاد میشوند، از این ظرفیت خارجی مهمتر است، ظرفیت داخلی دیود را ظرفیت گذار می‌نامیم و با CT نمایش می‌دهیم . کلمه « گذار» به عبور از حاده نوع p به نوع n اشاره دارد . ظرفیت گذار را ظرفیت لایه تهی ، ظرفیت سد ، و ظرفیت پیوندگاه نیز می‌گویند.
3ـ8 دیود با ظرفیت متغییر(وراکتور)
ظرفیت گذار هر دیود با افزایش ولتاژ معکوس کاهش می‌یابد. دیودهای سیلیسیم که برای این اثر ظرفیتی متغیر بهینه میشوند دیود با ظرفیت متغیر (وراکتور) نام دارند.
در بسیاری از موارد، دیود با ظرفیت متغیر جای خازنهای متغیر مکانیکی را می‌گیرند. به عبارت دیگر ، وراکتور موازی با یک اقاگر تشکیل یک ودار تشدید می‌دهد، با تغییر ولتاژ معکوس وراکتور می‌توانیم بسامد بسامد تشدید را تغییر دهیم . این کنترل الکترونیکی بسامد تشدید در کوک کردن از دوره، نوسانگری روبشی،و کاربردهای دیگر مناسب است که ابدا مورد بحث قرار خواهند گرفت .
3ـ9 دیود زنر
دیود زنر برای کار در ناحیه شکست ساخته شده است . با تغییر میزان آلایش ، کارخانه های سازنده می‌توانند دیودهای زنری تولید کنند ولتاژ شکست آنها از 2 تا V 200 تغییر کند. با اعمال ولتاژ معکوسی که از ولتاژ شکست زنر در گذرد،وسیله ای خواهیم داشت که مانند یک منبع ولتاژ ثابت عمل می‌کند.
3ـ9ـ1 شکست بهمنی و شکست زنر
وقتی ولتاژ معکوس اعمال شده به مقدار شکست برسد، حاملهای اقلیتی در لایه تهی شتاب می‌گیرد و به سرعتهایی می‌رسند که بتوانند الکترونهای ظرفیت را از مدار های خارجی اتم جدا کنند. آنگاه الکترونهای تازه آزاد شده می‌توانند سرعتهای به اندازه کافی بالا را کسب و سایر الکترونهای ظرفیت را آزاد کنند. در این را بهمنی از الکترونهای آزاد ایجاد میشود. بهمن در ولتاژهای معکوس بیشتر از TV یا در این حدود به وجود می‌آید.
اثر زنر مطلب دیگری است. وقتی غلظت آلایش در دیودی خیلی زیاد باشد لایه تهی بسیار باریک میشود. به این دلیل میدان الکتریکیدر لایه تهی بسیا ر شدید است، وقتی شدت میدان تقریبا به V/cm 300000 برسد، میدان چندان شدید هست که الکترونها را از مدارهای ظرفیت خارج کند. ایجاد الکترونهای آزاد با این روش شکست زنر می‌نامیم (گسیل میدان قوی نیز گفته میشود).
برای ولتاژهای شکست کمتر ازv 4 اثر زنر بیشتر عمده است، اثر بهمنی برای ولتاژهای شکست بیشتر ازv 6 عمده میشود، و بین 4 و6 ولت این دو اثر با هم حضور دارند . در ابتدا تصور می‌شد اثر زنر تنها ساز و کار شکست در دیودهاست.
به این دلیل ، نام « دیود زنر» قبل ازکشف اثر بهمنی از کاربرد وسیعی بر خوردار شد . بنابراین کلیه دیودهایی که برای کار در ناحیه شکست بهینه شده اند، هنوز نام دیود زنر را بر خود دارند.
3ـ10خاصیت خازنی پیوند و دیودهای وراکتور
یک دیود در بایاس معکوس مثل یک خازن عمل می‌کند و ظرفیتی حدود 2PF (برای سیلیکنی) ازخود نشان می‌دهد. منطقه تخلیه در دیود مثل عایق دی الکترونیک در خازن و قسمتهای p وn مشابه صفحات خازن هستند با ازدیاد ولتاژ معکوس ، چون ضخامت منطقه تخلیه خم زیاد میشود، ظرفیت کاهش می‌یابد.
با فعال کردن نیمه هادی ها به طور مناسب ، « دیودهای وراکتور » که با تغییر ولتاژ مکوس از 2v تا30v ،ظرفیتشان از 10PF تا20PF تغییر می‌نماید.
اتز این دیودها در تیونرهایVHFوUHF (به خصوص در تلویزیونها) استفاده میشود تا ظرفیت خازن هماهنگ کننده، متناسب با اختلاف پتانسیل دو سرش بتواند به طور خودکار فرکانس دلخواه را تنظیم کند.
مدارهای دیودی
1. ترانس ورودی 2.یکسو ساز نیم موج
3. یکسو ساز تمام موج 4.یکسو ساز پل
5. فیلتر خازنی 6.محاسبه مقادیر دیگر
7.جریان ضربه ای 8 .عیب یابی
9.خواندن برگه داده 10.فیوز
11. ترانس ایده آل 12.رامنمای طراحی
13.محاسبه جریان ضربه ای 14. فیلترهای RCو LC
15. منبع تغذیه متقارن 16.چند برابر کننده ولتاژ
17. کلید110/220 18. محدود کننده
19. مهارکننده DC 20.آشکار ساز نوک به نوک
21.برگشت dc
3-11عیب یابی
وقتی مدار درست کار کند ولتاژ نقطه A نسبت به زمین V 18+ ، ولتاژ نقطه B نسبت به زمین V 10+ و ولتاژ نقطه Cنسلت به زمین V10+ است.
حال دو مورد عیب را در مدار فوق بررسی می‌کنیم. وقتی مداری درست کار نکند تعمیر کار می‌یابد کار را با اندازه گیری ولتاژها آغتز کند. این اندازه گیری ها معمولا باعث میشوند که بتوانیم محدوده عیب را پیدا کنیم .
برای مثال فرض کنید این ولتاژها را اندازه گیری کرده باشیم:
VB=+10V , VC=0V و V 18+=VA
با این مقادیر ممکن است احتمالات مختلفی به ذهن خطور کند اول اینکه ممکن است مقاومت بار قطع باشد که این حدس صحیح نیست چرا که در این صورت ولتاژ باردرهمان مقدار V10 باقی خواهد ماند.
احتمال دوم که به ذهن می‌رسد اتصال کوتاه مقاومت بار است که باز این حدس هم صحیح نیست چرا که در این صورت ولتاژ نقطه B هم برابر صفر خواهد بود.
در نتیجه تنها امکان موجود قطع سیستم اتصال بین دو نقطه خواهد بود که این جواب صحیح است .
این مثال از مواردی است که خرابی ایجاد شده نشانه واحدی ایجاد کرده است. در واقع تنها امکان موجود با توجه به مقادیر ولتاژ اندازه گیری شده قطع ارتباط بین نقاط B وC است.در صورتی که همه خرابی ها دارای نشانه واحدی نیستند. اکثر مواقع تعدادی خرابی نشانه مشترکی دارند. به عبارت دیگر ولتاژهای مشابهی ایجاد می‌کنند . برای روشن تر شدن موضوع فرض کنید تعمیر کار مقادیر ولتاژهای زیر را اندازه گیری کرده باشد.
V 0 = VC و 0= VB و V 18+=VA
خوب، در مورد این عیب چه فکر می‌کنید . ابتدا قطع شدن مقاومت سری (RS ) به ذهن خطور می‌کند که این حدس درستی است.
اما آیا این تنها خرابی متحمل است؟ در نظر بگیرید که شما با این فرض تغذیه را قطع کرده و به کمک اهم متر سعی درآزمایش مقاومت RS و یا ارتباطات مربوطه می‌نمایید اما هم مقاومت سالم است و هم اتصالات مربوطه درست است .
خوب مشکل در کجاست؟ اتصال کوتاه دیود زنر ،اتصال کوتاه مقاومت بار ، چکه لحیم بین نقاط B وC و زمین، بله همة این موارد هم می‌تواند عامل بروز چنین عیبی باشد. پس در این حالت شما موارد زیادی را باید تحقیق نمایید که بلاخره به علت اصلی خواهید رسید.
در خاتمه بخاطر داشته باشید که وقتی قطعه ای می‌سوزد معمولا قطع میشود . اما نه همیشه بعضی مواقع قطعات سوخته اتصال کوتاه میشوند. از دیگر موارد اتصال کوتاه همانطور که قبلا گفته شد چکه لحیم است که در برد مدار چاپی می‌تواند تولید اتصال کوتاه نماید.
4)ساختمان نیمه هادی ترانزیستور
از سال 1930 به بعد نیمه هادی ها به توجه به پیشرفت علم الکترونیک جای المان های لامپی را گرفتند و در سال 1947 آقایان والتر براتین و جان باردین عمل
تقویت سیگنال توسط ترانزیستور را آزمایش نموده اند.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 35 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
