بیان ساده شده نظریه نیمر سانا
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.
دیو دهای 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 میدهد . دیود را به طور گستردهای و برای اهداف گوناگون در مدارهای الکترونیکی به کا ر 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 مخالقت کمی بروز میدهد 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 میرود 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 خلاءذوب می کنند، ویک بلور هسته را تا عمق چند میلیمتری در مذاب فرو می برند. دمای ژرمانیم مذاب در ست 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 میشود. 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 بکار گیری 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 آنتیمیوان در ژرمانیم پخش می شود تا یک ناحیه نوع n را تولید کند . اگر از یک بلور نوع n استفاده شود، گالیم 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 اشباح 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 نیم رسانا 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 تون.
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 موج