امروز: یکشنبه ۲۹-مرداد-۱۳۹۶ / الأحد 28-ذو القعدة-1438 / Sunday 2017-August-20

مناسبت روز
پیام سایت :

مقاله درباره ترانزیستور

مقاله درباره ترانزیستور

سه نفر از دانشمندان لابراتوارهای بل در صدد کشف چیزی بودند که به جای لامپ رادیو به کار برند ولی کوچکتر و محکمتر باشد برق کمتری مصرف کند و دوام بیشتری داشته باشد و برر اثر کار زیاد نسوزد که ناگهان ترانزیستور را کشف کردند که تمام این خصوصیات را به علاوه مزایای بیشتری دارا است.

در ۳۰ ژوئن ۱۹۴۸ دکتر جان باردین و والد براتاین دانشمندان آزمایشگاه تحقیقاتی شرکت بل، واقع در نیویورک خبر اختراع خود را به عموم جهان رساندند. این اختراع ترانزیستور نام گرفت.

یک ترانزیستور که بزرگتر از یک عدس نیست تقریباْ قادر است هر کاری را که لامپ‌های خلاء انجام می‌دادند، انجام دهد. به علاوه کارهایی را هم که این لامپها قادر به انجام آن نبودند انجام می‌دهد. به مرور زمان ترانزیستور جای لامپهای خلاء را گرفت. درست مثل اتومبیل که جای گاریهای قدیمی و اسبی را گرفت.
اگر چه ترانزیستور می تواند کارهای لامپ خلاء را انجام دهد، اما اصلاْ شباهتی به آن ندارد. نه کاتدی دارد و نه شبکه و صفحه ای حتی شکل ظاهری آن هم با لامپ خلاء کاملاْ متفاوت است. ترانزیستور یک وسیله یک سو کننده و نوسان ساز بسیار عالی است و رل مهمی در تمامی صنایع جدید به عهده دارد. ترانزیستور بدون آنکه نیازی به گرم شدن داشته باشد به محض برقراری اتصال و ولتاژ شروع به کار می کند. جریان مصرفی آن، یک هزارم جریان مصرفی لامپ معمولی است.


به همین دلیل بسیار ارزانتر و استفاده از آن ساده‌تر است.
ترانزیستور و مدار کوچک یکپارچه این امکان را به وجود آورد که رادیوهای کوچک جیبی و تلویزیونهای کوچکتر با تصویر بزرگتر ساخته شود. یک صنعت کاملا جدید پا به عرصه وجود گاشت. امروز از برکت دستگاه تنظیم قلب که با ترانزیستور کار می کند قلب بسیاری از بیماران به حال عادی می طپد. نابینایان با کمک دستگاههای ترانزیستوری می توانند موانع را ببینند نوار قلبی بیمار بستری را به وسیله تلفن به کارشناس قبل در هر نقطه دنیا که باشد می فرستند. هواپیماهای جت با سیستم هدایت سبک وزنی مجهز هستند و بالاخره همین مدار بسته یکپارچه است که امکانات سفر بشر به ماه را فراهم نمود.

مصرف ترانزیستور به طور روزافزونی رو به ازدیاد است. در رادیو، تلویزیون، مدارات الکترونیکی، هواپیما، رایانه، پزشکی و موشک ترانزیستور استفاده می‌شود. در ابتدا وجود ترانزیستور باعث شد که ارتباطات تلفنی راه دور، به طور مستقیم و بدون استفاه از اپراتور امکان پذیر شود. برای اولین بار در تاریخ، ارتباط بین دو شهر انگل وود و نیوجرسی با استفاده از ترانزیستور برقرار شد.

امروزه بعد از گذشت حدود نیم قرن ازاختراع ترانزیستور و مشتقات آن کار به جایی رسیده است که هر کس می تواند در منزل رایانه شخصی داشته باشد. ترانزیستور معمولی چیزی بیشتر از دو تکه سیم بسیار کوچک که در یک پولک ساخته شده از ژرمانیم یا سیلیکن قرار داده شده نیست.

تئوری کار ترانزیستور کمی پیچیده و تکنیکی است اما هر چه هست در ساخت آن از خواص نیمه رسانا استفاده شده است که از زمان کشف آن مدت زیادی نمی گذرد.
در نیمه رساناها مثل ژرمانیم و سیلیکن تعداد کمی الکترون حامل جریان وجود دارد شاید یک الکترون در هر یک میلیون اتم. اگر چه این رقم خیلی کوچک است، اما می توان با تغییر ساختمان داخلی مواد، با استفاده از میدانهای الکتریکی این رقم را هزار برابر نمود.

برای روشن تر شدن مفهوم بالا باید ساختمان اتم را کمی بیشتر مطالعه کرد. الکترونهای موجود در مواد نارسانا در مدارهای مختلف بهصورت حلقه ای در اطراف هسته اتم در چرخش هستند و سرعت زیاد و تولید انرژی فراوان سبب می شود که الکترونها نتوانند از مسیر خود منحرف و یا جابجا شوند.

در نتیجه الکترونها امکان برقراری هیچ نوع جریان الکتریکی را نمی یابند. در اجسام نارسانا، پوسته الکترونی و یا باند ظرفیتی آن(آخرین حلقه الکترون دار به دور هسته اتم) از باند هدایت جدا بوده و انرژی بسیار زیادی لازم است تا یک الکترون را از پوسته الکترونی جدا کند و به باند هدایت کننده بفرستد. اما در اجسام رسانا مانند فلزات این پوسته الکترونی یا باند هدایت کننده تداخل پیدا کرده و الکترونهای به راحتی جابجا می شوند.

در یک عنصر نیمه رسانا مانند ژرمانیم و یا سیلیکن الکترونهای موجود در باند ظرفیت نزدیک به باند هدایت کننده قرار ندارند اما می توان با تحریک خارجی آنها را در هم داخل کرد. به طور مثال گرمای محیط و اتاق می تواند تعداد زیادی الکترونهای اتم ژرمانیم را به باند هدایت بفرستد و در اثر این جابجایی حفره هایی در محل های قبلی الکترونها به وجود می آید.

این حفره ها حامل بار مثبت بوده و حاضر به پذیرش الکترونهای عناصر قبلی و مواد دیگر هستند. حفره ها نه تنها الکترونها را می پدیرند بلکه خود به طرف باند هادی حرکت می کنند و در اثر این حرکت جریانی را به وجود می آورند و در عین حال الکترونها را هم در مسیر همین جریان با خود حمل می کنند.

کمترین تحریک خارجی حفره ها را در جهت حفره هایی که از فرار لکترونها به سمت باند هادی به وجود آمده است به حرکت درآورده و این حفره های متحرک علاوه بر اینکه خود تولید جریان می نمایند، الکترونهایی را که از مواد خارجی دیگر به داخل اتم ژرمانیم وارد شده اند حمل کرده و در نتیجه باعث افزایش جریان می شوند.

تشریحات آزمایشگاه تحقیقاتی بل در اول جولای سال ۱۹۴۸ چنین می گوید: کار ترانزیستور بر پایه این حقیقت که الکترونهای موجود در نیمه رساناها می توانند به دو صورت متفاوت جریان را برقرار کنند، قرار دارد. بیشتر الکترونهای موجود در نیمه رسانا اصولاٌ‌ کمکی به برقراری جریان نمی کنند. بلکه آنها در وضعیت ثابتی به هم چسبیده اند.

درست مثل اینکه آنها را با چسب به هم چسبانده باشند. تنها وقتی که یکی از این الکترونها از جای خود خارج شود و یا به طریقی یک الکترون خارجی به مجموعه آنها وارد شود، جریان برقرار می شود. به زبان دیگر اگر یکی از الکترونهای موجود در مجموعه به هم چسبیده از محل خود جدا شود حفره ای که در اثر این جابجایی بوجود می آید مانند حباب هوای موجود در مایع می تواند حرکت کند و جریانی را برقرار سازد.
در ترانزیستوری که از واد نیمه رسانا ساخته شده است به طور معمول فقط در اثر ورود الکترون اضافی شروع به برقراری جریان می کند. جریان از نقطه ورود الکترون که ولتاژ مثبت کمی دارد شروع به حرکت کرده و از محل خروج الکترون خارج می شود ولتاژ نقطه خروجی ولتاژ منفی بیشتری دارد.
بعد از اختراع ترانزیستور و به وجود آمدن انواع گوناگون آن مدارهای مجتمع اختراع شد. به این قطعات آی سی می گویند. آی سی ممکن است گاهی صدها ترانزیستور ساخته شده باشد که داخل یک قطعه ۳*۱ سانتیمتری قرار گرفته اند. اختراع آی سی تحول عظیم دیگری را در صنعت الکترونیک به وجود آورد. در ادامه تحقیقات و پیشرفتهایی که در زمینه ساخت آی سی به دست آمد، آی سی های برنامه ریزی شده اختراع شدند در یک آی سی برنامه ریزی شده که ابعادی معادل ۸*۲ سانتیمتر دارد میلیونها حافظه وجود دارد.
اختراع رایانه های خانگی مدیون وجود آی سی هاست که همه آنها به وجود ترانزیستور و اختراع آن مربوط می شود.
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. 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.
دیود منتشر کننده نور (LED)
دیود منتشر کننده نور که به طور رایج LED نامیده می شود واقعاً قهرمان ناشناخته جهان الکترونیک است. آنها دوجین کار متفاوت انجام می دهند و در همه وسایل الکترونیکی یافت می شوند آنها شماره ها را در ساعتهای دیجیتال نشان می دهند اطلاعات را از کنترل تلویزیون می فرستند و نور آنها به شمانشان می دهد که چه وقت وسایلتان روشن است و تصاویر را روی تلویزیون های پلاسما نشان می دهند.
اساساً LED ها لامپهای کم نوری هستند که به آسانی در مدار های الکترونیکی قرار می گیرند اما برخلاف لامپهای معمول آنها فیلامانی که بسوزد ندارند و به ویژه اینکه گرم نمی شوند آنها فقط با حرکت الکترونها در یک ماده نیمه هادی نور می دهند .
دیود چیست؟
یک دیود ساده ترین نوع از ادوات نیمه هادی است کلاً یک نیمه هادی مادهای است که تغییر در قابلیت جریان دهی دارند. اغلب نیمه هادی ها از یک رسانای ضعیف که ناخالصی به آن افزوده شده به وجود می آید.(فرایند افزودن ناخالصی دو پینگ نامیده می شود.)
در مورد LED ها ماده رسانا نوعاً آلومینیوم گالیوم آرسناید است (AlGaAs) در آلومینیوم گالیوم آرسناید خالص تمام اتمها به طور کامل با همسایه هایش محدود شده است و هیچ الکترون آزادی برای هدایت جریان الکتریکی وجود ندارد. در ماده دوپینگ شده اتمهای الحاقی تعادل را به هم می زنند خواه افزایش الکترون یا سوراخها (جایی که الکترون می تواند برود ) هر یک از این ملحقات می تواند ماده را بیشتر رسانا کند یک نیمه هادی با الکترون اضافی نوع N نامیده می شود چرا که ذرات بار شونده منفی دارد در نوع N الکترون های آزاد از ناحیه شارژ منفی به ناحیه شارژ مثبت حرکت می کنند
یک نیمه هادی با سوراخهای بیشتر ماده نوع P نامیده می شود چرا که ذرات بار شونده مثبت بیشتری دارد الکترونها می توانند از سوراخی به سوراخ دیگر حرکت کنند حرکت از ناحیه شارژ منفی به ناحیه شارژ مثبت در نتیجه سوراخها به نظر می آید که از ناحیه شارژ مثبت به ناحیه شارژ منفی حرکت می کنند.
یک نیمه هادی با سوراخهای بیشتر ماده نوع P نامیده می شود چرا که ذرات بار شونده مثبت بیشتری دارد الکترونها می توانند از سوراخی به سوراخ دیگر حرکت کنند حرکت از ناحیه شارژ منفی به ناحیه شارژ مثبت در نتیجه سوراخها به نظر می آید که از ناحیه شارژ مثبت به ناحیه شارژ منفی حرکت می کنند. یک دیود شامل یک بخش N متصل به بخش P است با الکترونهایی در هر طرف . این چینش الکترونها را فقط در یک جهت حرکت می دهد . وقتی هیچ ولتاژی اعمال نشود الکترونهای ماده نوع N سوراخهای ماده نوع P را در راستای اتصال بین لایه ها پر می کند و ناحیه تخلیه را ایجاد می کند. در ناحیه تخلیه ماده نیمه هادی به عایق خوبی تبدیل می شود وهمه سوراخها پر می شوند و هیچ الکترون یا سوراخی برای ایجاد جریان وجود ندارد.
ناحیه تخلیه
برای خلاصی از ناحیه تخلیه شما مجبورید تا الکترون را از ماده نوع N به ماده نوع P حرکت دهید و سورا خها برعکس . برای انجام این عمل شما باید طرف N دیود را به طرف منفی باطری و P را به طرف مثبت وصل کنید الکترون آزاد نوع N توسط الکترود منفی دفع و به الکترود مثبت کشیده می شوند سوراخهای ماده P معکوس این حرکت را انجام می دهند وقتی اختلاف ولتاژ بین دو الکترود به قدر کافی زیاد است الکترونهای ناحیه تخلیه از سوراخهایشان جدا می شوند و دوباره شروع به حرکت آزادانه می کنند ناحیه تخلیه از بین می رود و جریان از دیود می گذرد.
بایاس مستقیم
اگر شما سعی کنید جریان را از مسیر دیگر عبور دهید با اتصال مثبت باتری به N و منفی به P جریان به دلیل ایجاد ناحیه تخلیه عبور نمی کند .
چطور یک دیود نور تولید می کند؟
نور شکلی از انرژی است، نور از اجزا بسیار ریزی به نام فتون تشکیل می شود، فتون ها انرژی و لختی دارند اما جرم ندارند در واقع فتونها در نتیجه حرکت الکترونها آزاد می شوند در یک اتم الکترونها در اربیتالهایی دور هسته می چرخند الکترونهای اربیتال های مختلف مقدار انرژی متفاوتی دارند، کلاً الکترونها با انرژی بیشتر در اربیتالهای دور تر از هسته حرکت می کنند.برای یک الکترون برای پرش از یک اربیتال پایین به بالا چیزی که باید بگیرد انرژی است برعکس الکترون وقتی از اربیتال بالا به پایین می افتد انرژی آزاد می کند این انرژی به شکل فتون آزاد می شود، یک افت انرژی بیشتر فتون بیشتری آزاد می کند که با فرکانس بیشتر مشخص می شود .همان طور که در بخش قبل دیدیم الکترونهایی که از دیود عبور می کنند می توانند در سوراخهای لایه P بیفتند .این یک افت از باند رسانایی به اربیتال پایین تر است بنابر این الکترونها انرژی به شکل فتون آزاد می کنند این در هر دیودی رخ می دهداما فقط وقتی شما فتونها را می بینید که دیود از ماده خاصتی ساخته شده باشد برای مثال اتمها در یک دیود سیلیکون استاندارد به نحوی چیده شده اند که افت الکترون فاصله کمی دارد بنابر این فرکانس فتونها به قدری کم است که با چشم انسان دیده نمی شود این در بخش مادون قرمز طیف نور است که لزوماً چیز بدی نیست البته LED های مادون قرمز برای کنترل های از راه دور مناسب اند .
دیود های منتشر کننده نور مریی (VLEDs) مانند آنهایی که شماره های یک ساعت دیجیتال را روشن می کنند از ماده هایی با این خصوصیت ساخته شده اند که فاصله بین اربیتال رسانایی آنها و اربیتال پایین تر بیشتر است .اندازه این فاصله فرکانس فتون را نشان می دهد به عبارت دیگر این فاصله رنگ نور را مشخص می کند.
در حالی که همه دیود ها نور آزاد می کنند اغلب آنها این کار را به طور موثری انجام نمی دهند یک دیود معمولی ماده نیمه رسانا خودش مقدارزیادی انرژی نوری جذب می کند.LED ها به نحوی ساخته می شوند که نور را در جهت خاصتی متمرکز می کند.همانطور که در نمودار می بینید اغلب نور تولید شده در کناره دیود از طریق قسمت گرد بیرون می آید.
LED ها مزایای زیادی برلامپهای معمولی دارند . یکی از آنها این است که آنها فیلامان ندارند که بسوزد بنابر این عمر طولانی دارند. به علاوه حباب پلاستیکی شان دوامشان را بیشتر می کند. و همچنین خیلی راحت در مدارهای الکترونیکی قرار می گیرند .
اما مزیت اصلی آنها کیفیت آنها است در مقایسه با لامپهای معمولی فرآیند تولید نور باعث تولید مقدار زیادی گرما نمی شود (فیلامانی برای گرم شدن ندارد برای تولید نور باید فیلامان گرم شود).
دیود تونل
یکی ازقطعات نیمه رسانا که مشخصه اش یک مقاومت منفی را نشان می دهد دیود تونل است . این قطعه یک دیود است که غلظت ناخالصی درآن بسیار زیاد وپیوند آن بسیارنازک است. شکست در دیود تونل در مقاذیر بایاس معکوس خیلی پایین اتفاق می افتد و در نتیجه ناحیه ی مقاومت معکوس زیاد وجود ندارد.شیب منفی در بایاس مستقیم کم معمولا بین۰٫۱ تا ۰٫۳ ولت ایجاد می شود.(از این جا به بعد چند خط حرف بیخود…)_این مشخصه جالب و عجیب ومفیدو..به دلیل نفوذ در سد پتانسیل در پیوند با الکترونهایی که انرژی کافی برای عبور از این سد ندارند به وجود می آید. این اثر معروف به اثر تونل در فیزیک کلاسیک غیر قابل توجیه است ولی با مکانیک کوانتومی قابل توضیح است . دیود های تونل را می توان باظرفیت خیلی کمی تولید کرد و نوسان ساز هایی که با آن کار می کنند در فرکانسهای چند مگا هرتزی قابل ساخت هستند برای به دست آوردن بیشترین مقدار خروجی (یا همان به قول دانشجویان متعال برق ماکزیمم سویینگ متقارن) باید نقطه کار در وسط ناحیه مقاومت منفی قرار داده شود واضح است که دامنه خروجی کمتر از یک ولت می باشد.

مقاله درباره ترانزیستور

نظر خود را بگذارید .

تمامی حقوق مادی و معنوی این سایت متعلق به کانون مهندسین نور میباشد .

نقشه سایت
قالب وردپرس