ریپورتر
4th April 2010, 07:19 PM
طرز کار نیمه هادی ها
ترانزیستور نیمه هادی های نوع N
lang>=faو P
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.
http://www.rasekhoon.net/_WebsiteData/Article/ArticleImages/1/1388/farvardin/09/250070%20(1).jpg
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.
۱border=>
http://www.rasekhoon.net/_WebsiteData/Article/ArticleImages/1/1388/farvardin/09/250070%20(2).jpg
از لحاظ ساختاری می توان یک ترانزیستور را با دو دیود مدل کرد. 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.
یک پیوند نیمه هادی از نوع PN 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.
http://www.rasekhoon.net/_WebsiteData/Article/ArticleImages/1/1388/farvardin/09/250070%20(3).jpg
پيوند كووالانسي نيمه هادي ها :
گرچه تعداد زيادي از عناصر داراي خاصيت نيمه هادي الكتريكي هستند ، ولي در اينجا به بررسي عناصر سيليكن و ژرمانيم كه داراي كاربرد وسيعي در الكترونيك مي باشند، مي پردازيم. اين عناصر (سيليكن و ژرمانيم ) عناصر چهار ظرفيتي بوده كه در باند ظرفيت داراي چهار الكترون هستند [تعداد الكترونهاي سيليكن 14 و ژرمانيم 32 است ]. علاوه بر سيليكن و ژرمانيم عناصر ديگر نظير كربن و يا تركيباتي مثل گاليم ، ارسنيد (Ga-As) مي توانند به صورت نيمه هادي مورد استفاده قرار گيرند ، ولي به علت ملاحظات عملي كاربرد سيليكن و ژرمانيم در ساختن قطعات الكتريكي بطور وسيعي افزايش يافته است .
عناصر سيليكن و ژرمانيم هر دو داراي ساختمان كريستالي هستند . ساختمان كريستالي اين عناصر نظير اكثر جامدات ، بصورت سه بعدي و منظم است .
ساختمان سه بعدي كريستالهاي سيليكن و ژرمانيم بصورت هرم چهار گوش مي باشد كه در هر راس آن يك اتم قرار گرفته است.
در اين شبكه كريستالي چهار الكترون ظرفيت هر يك ازا تمها با الكترونهاي ظرفيت اتمهاي مجاور خود به اشتراك گذاشته شده و پيوند ظرفيتي تشكيل مي دهند . بنابراين هر اتم ، ديگر داراي چهار الكترون ظرفيت نبوده بلكه در مدار خارجي آن هشت الكترون مشترك با ساير اتمهاي مجاور قرار خواهد گرفت . اين به اشتراك گذاشتن الكترونها باعث پيوند هر اتم با اتمهاي مجاور خواهد بود . الكترونهايي كه در اين پيوندهاي كووالانسي قرار مي گيرند ، الكترونهاي آزاد نبوده و نمي توانند در هدايت الكتريكي شركت نمايند . اين الكترونها وابسته به هسته هاي اتمي بوده و به اين ترتيب اين عناصر با وجود داشتن جهار الكترون ظرفيت ، داراي هدايت الكتريكي خيلي كمي خواهند بود .
اگر به اتمهاي اين عناصر انرژي كافي داده شود ، در اينصورت بعضي از اين پيوندها شكسته شده و الكترونهاي باند ظرفيت وارد باند هدايت شده و نظير الكترون آزاد عمل مي نمايند و به اين ترتيب هدايت الكتريكي آن افزايش پيدا مي كند .
انرژي لازم براي تحريك اتمها و يا شكستن پيوندهاي كووالانسي مي تواند بصورت انرژي نوراني ، حرارتي و يا الكتريكي به عنصر اعمال شود .
يك نيمه هادي خالص كه در آن الكترونهاي باند ظرفيت تشكيل پيوند كووالانسي مي دهند بصورت يك عايق عمل مي نمايند . در اينحالت سطوح انرژي باند هدايت خالي است . در درجه حرارت اتاق ، انرژي حرارتي كافي براي شكستن بعضي از پيوندهاي ظرفيتي وجود دارد. بنابراين برخي از پيوندها شكسته شده و الكترونهايي آزاد مي شوند . اما اگر نيمه هادي سرد شود و درجه حرارت آن به صفر مطلق برسد ؛ در اينصورت انرژي حرارتي از بين رفته وتمامي الكترونهاي عنصر تشكيل پيونهاي ظرفيتي خواهند داد (مگر اينكه شكل ديگري از انرژي به عنصر اعمال شده باشد ) . در اينحالت عنصر به هيچوجه هدايت نخواهد كرد .
منبع:
سایت برق و الکترونیک
http://www.articles.ir
ترانزیستور نیمه هادی های نوع N
lang>=faو P
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.
http://www.rasekhoon.net/_WebsiteData/Article/ArticleImages/1/1388/farvardin/09/250070%20(1).jpg
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.
۱border=>
http://www.rasekhoon.net/_WebsiteData/Article/ArticleImages/1/1388/farvardin/09/250070%20(2).jpg
از لحاظ ساختاری می توان یک ترانزیستور را با دو دیود مدل کرد. 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.
یک پیوند نیمه هادی از نوع PN 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.
http://www.rasekhoon.net/_WebsiteData/Article/ArticleImages/1/1388/farvardin/09/250070%20(3).jpg
پيوند كووالانسي نيمه هادي ها :
گرچه تعداد زيادي از عناصر داراي خاصيت نيمه هادي الكتريكي هستند ، ولي در اينجا به بررسي عناصر سيليكن و ژرمانيم كه داراي كاربرد وسيعي در الكترونيك مي باشند، مي پردازيم. اين عناصر (سيليكن و ژرمانيم ) عناصر چهار ظرفيتي بوده كه در باند ظرفيت داراي چهار الكترون هستند [تعداد الكترونهاي سيليكن 14 و ژرمانيم 32 است ]. علاوه بر سيليكن و ژرمانيم عناصر ديگر نظير كربن و يا تركيباتي مثل گاليم ، ارسنيد (Ga-As) مي توانند به صورت نيمه هادي مورد استفاده قرار گيرند ، ولي به علت ملاحظات عملي كاربرد سيليكن و ژرمانيم در ساختن قطعات الكتريكي بطور وسيعي افزايش يافته است .
عناصر سيليكن و ژرمانيم هر دو داراي ساختمان كريستالي هستند . ساختمان كريستالي اين عناصر نظير اكثر جامدات ، بصورت سه بعدي و منظم است .
ساختمان سه بعدي كريستالهاي سيليكن و ژرمانيم بصورت هرم چهار گوش مي باشد كه در هر راس آن يك اتم قرار گرفته است.
در اين شبكه كريستالي چهار الكترون ظرفيت هر يك ازا تمها با الكترونهاي ظرفيت اتمهاي مجاور خود به اشتراك گذاشته شده و پيوند ظرفيتي تشكيل مي دهند . بنابراين هر اتم ، ديگر داراي چهار الكترون ظرفيت نبوده بلكه در مدار خارجي آن هشت الكترون مشترك با ساير اتمهاي مجاور قرار خواهد گرفت . اين به اشتراك گذاشتن الكترونها باعث پيوند هر اتم با اتمهاي مجاور خواهد بود . الكترونهايي كه در اين پيوندهاي كووالانسي قرار مي گيرند ، الكترونهاي آزاد نبوده و نمي توانند در هدايت الكتريكي شركت نمايند . اين الكترونها وابسته به هسته هاي اتمي بوده و به اين ترتيب اين عناصر با وجود داشتن جهار الكترون ظرفيت ، داراي هدايت الكتريكي خيلي كمي خواهند بود .
اگر به اتمهاي اين عناصر انرژي كافي داده شود ، در اينصورت بعضي از اين پيوندها شكسته شده و الكترونهاي باند ظرفيت وارد باند هدايت شده و نظير الكترون آزاد عمل مي نمايند و به اين ترتيب هدايت الكتريكي آن افزايش پيدا مي كند .
انرژي لازم براي تحريك اتمها و يا شكستن پيوندهاي كووالانسي مي تواند بصورت انرژي نوراني ، حرارتي و يا الكتريكي به عنصر اعمال شود .
يك نيمه هادي خالص كه در آن الكترونهاي باند ظرفيت تشكيل پيوند كووالانسي مي دهند بصورت يك عايق عمل مي نمايند . در اينحالت سطوح انرژي باند هدايت خالي است . در درجه حرارت اتاق ، انرژي حرارتي كافي براي شكستن بعضي از پيوندهاي ظرفيتي وجود دارد. بنابراين برخي از پيوندها شكسته شده و الكترونهايي آزاد مي شوند . اما اگر نيمه هادي سرد شود و درجه حرارت آن به صفر مطلق برسد ؛ در اينصورت انرژي حرارتي از بين رفته وتمامي الكترونهاي عنصر تشكيل پيونهاي ظرفيتي خواهند داد (مگر اينكه شكل ديگري از انرژي به عنصر اعمال شده باشد ) . در اينحالت عنصر به هيچوجه هدايت نخواهد كرد .
منبع:
سایت برق و الکترونیک
http://www.articles.ir