دانلود مقاله دیود زنر

دیود های زنر یا شکست ، دیود های نیمه هادی با پیوند p-n هستند که در ناحیه بایاس معکوس کار کرده و دارای کاربردهای زیادی در الکترونیک ، مخصوصآ به عنوان ولتاژ مبنا و یا تثبیت کننده ی ولتاژ دارند.

هنگامیکه پتانسیل الکتریکی دو سر دیود را در جهت معکوس افزایش دهیم در ولتاژ خاصی پدیده شکست اتفاق می افتد، بد ین معنی که با افزایش بیشتر ولتاژ ، جریان بطور سریع و ناگهانی افزایش خواهد داشت.

دیود های زنر یا شکست دیود هایی هستند که در این ناحیه یعنی ناحیه شکست کار میکنند و ظرفیت حرارتی آنها طوری است که قادر به تحمل محدود جریانمعینی در حالت شکست می باشند، برای توجیه فیزیکی پدیده شکست دو نوع مکانیسم وجود دارد.

مکانیسم اول در ولتاژهای کمتر از 6 ولت برای دیودهایی که غلظت حامل ها در آن زیاد است اتفاق می افتد و به پدیده شکست زنر مشهور است.

در این نوع دیود ها به علت زیاد بودن غلظت ناخالصی ها در دو قسمت p و n ، عرض منطقه ی بار فضای پیوند باریک بوده و در نتیجه با قرار دادن یک اختلاف پتانسیل v بر روی دیود (پتانسیل معکوس) ، میدان الکتریکی زیادی در منطقه ی پیوند ایجاد می شود.

با افزایش پتانسیل v به حدی می رسیمکه نیروی حاصل از میدان الکتریکی ، یکی از پیوند های کووالانسی را می شکند.

با افزایش بیشتر پتانسیل دو سر دیود از انجایی که انرژی یا نیروهای پیوند کووالانسی باند ظرفیت در کریستال نیمه هادی تقریبأ مساوی صفر است ، پتانسیل تغییر چندانی نکرده ، بلکه تعداد بیشتری از پیوندهای ظرفیتی شکسته شده و جریان دیود افزایش می یابد.

آزمایش نشان میدهد که ضریب حرارتی ولتاژ شکست برای این نوع دیود منفی است ، یعنی با افزایش درجه حرارت ولتاژ شکست کاهش می یا بد.

بنابر این دیود با ولتاژ کمتری به حالت شکست می رود (انرژی باند غدغن برای سیلیکن و ژرمانیم در درجه حرارت صفر مطلق بترتیب 1.21 و0.785 الکترون_ولت است، و در درجه حرارت 300 درجه کلوین این انرژی برای سیلیکن ev 1.1و برای ژرمانیم ev0.72 خواهد بود).

ثابت می شود که می دان الکتریکی لازم برای ایجاد پدیده زنر در حدود 2*10است.

این مقدار برای دیود هایی که در آنها غلظت حامل ها خیلی زیاد است در ولتاژهای کمتر از 6 ولت ایجاد می شود .

برای دیودهایی که دارای غلظت حاملهای کمتری هستند ولتاژ شکست زنر بالاتر بوده و پدیده ی دیگری بنام شکست بهمنی در آنها اتفاق می افتد (قبل از شکست زنر) که ذیلأ به بررسی آن می پردازیم.

مکانیسم دیگری که برای پدیده شکست ذکر می شود ، مکانیسم شکست بهمنی است.

این مکانیسم در مورد دیودهایی که ولتاژ شکست آنها بیشتر از 6 ولت است صادق می باشد .

در این دیود ها به علت کم بودن غلظت ناخالصی ، عرض منطقه ی بار فضا زیاد بوده و میدان الکتریکی کافی برای شکستن پیوندهای کووالانسی بوجود نمی آید ، بلکه حاملهای اقلیتی که بواسطه انرژی حرارتی آزاد می شود ، در اثر میدان الکتریکی شتاب گرفته و انرژی جنبشی کافی بدست آورده و در بار فضا با یون های کریستال برخورد کرده و در نتیجه پیوندهای کووالانسی را می شکنند .

با شکستن هر پیوند حاملهای ایجاد شده که خود باعث شکستن پیوند های بیشتر می شوند .

بدین ترتیب پیوندها بطور تصاعدی یا زنجیری و یا بصورت پدیده ی بهمنی شکسته می شوند و این باعث می شود که ولتاژ دو سر دیود تقریبأ ثابت مانده و جریان آن افزایش یافته و بواسطه ی مدار خارجی محدود می شود .

چنین دیود هایی دارای ضریب درجه ی حرارتی مثبت هستند .

زیرا با افزایش درجه ی حرارت اتمهای متشکله کریستال به ارتعاش در آورده ، در نتیجه احتمال برخورد حاملهای اقلیت با یونها ، بهنگام عبور از منطقه بار فضا زیادتر می گردد .

به علت زیاد شدن برخوردها احتمال اینکه انرژی جنبشی حفره یا الکترون بین دو برخورد متوالی بمقدار لازم برای شکست پیوند برسد کمتر شده و در نتیجه ولتاژ شکست افزایش می یابد.

همانطور که در مبحث الکتریسته گفتیم عناصر ژرمانیوم و سیلیکون در آخرین مدار یا لایه اتمی خود دارای 4 الکترون هستند که تمایل به جذب یا از دست دادن الکترون ها به منظور تکمیل مدار آخر خود تا رسیدن به 8 الکترون را دارند.

با اضافه کردن مقدار کمی اتم نا خالصی به نیمه هادی مذکور امکان ازدیاد بار الکتریکی بوجود خواهد آمد مثلا" ترکیب اتم ژرمانیوم که دارای 4 الکترون در مدار خارجی می باشد با ارسنیک که 5 الکترون دارد پیوندهای مشترکی با یک الکترون اضافی برای هر اتم نا خالصی ارسنیک بوجود می آید در نتیجه جسم حاصل منفی ویا نیمه هادی نوع N حاصل می شود .برای حالت عکس هم به همین ترتیب است یعنی اگر مقداری ژرمانیوم را با مقداری گالیوم که دارای 3 الکترون در مدار خارجی است مخلوط کنیم بعد از تشکیل پیوند اشتراکی با اتم ناخالصی مجموعا" 7 الکترون به جای 8 الکترون در مدار خارجی بدست می آید.

کمبود یک الکترون برای هر پیوند اشتراکی با اتم خالصی به منزله یک بار مثبت است که آن را حفره می نامند این نوع اضافه کردن باعث بوجود آمدن نیمه هادی نوع P با بار مثبت می شود .

از نیمه هادی های ذکر شده در ساخت دیود استفاده می شود و دیود ها برای یکسو کردن جریان الکتریکی به کار می رود(یعنی تبدیل جریان ACبه DC ) دیود مثل یک جاده یک طرفه عمل کرده واز یک سو جریان را از خود عبور می دهد واز سوی دیگر نه.

یکسو کننده ها- برای شارژ باتری ها،آبکاری،جوشکاری بعضی فلزات ،دستگاه های صوتی وتصویری،تجزیه شیمیایی و ...احتیاج به جریان دایم Dc داریم وچون برق شهر متناوب است بنابراین در دستگاه های مختلف به روش های گوناگون جریان مذکور را مستقیم می کنند.لامپ الکترونی ،دینام جریان مستقیم ودیود ها از روش های معمول یکسو سازی می باشد که در این جا انواع یکسو سازی های دیودی که بیشتر مورد استفاده دارد شرح داده می شود.

یکسو ساز نیم موج - اگرولتاژ متناوبی را به دیودوصل کنیم هنگامی که نیم سیکل مثبت به آند می رسدازآن عبور می کند به مجرد اینکه نیم سیکل منفی شروع می شود دیود نیم سیکل منفی را از خود عبور نمی دهد.به این ترتیب ولتاژ متناوب تبدیل به ولتاژ یکسو شده ی ضربان دار می شود .در خروجی فقط نیم سیکل های مثبت وجود دارد برای صاف کردن این ولتاژ ضربانی از خازن وسیم پیچ یا مقاومت استفاده می شود .از مشخصه یک سو سازهای نیم موج افت ولتاژ و عدم کیفیت می باشد.

یکسو ساز تمام موج - برای بدست آوردن ولتاژ مناسب و صاف تر از این یکسو کننده ها استفاده می شود که هم نیم سیکل مثبت وهم نیم سیکل منفی را هدایت وتثبیت می نماید در شکل زیر دو نمونه از آن ها را می بینید.

عیب یابی دیودها- اهم متر را روی رنج R×1 قرار می دهیم وسیم های آن را به دو سر دیود متصل می کنیم اگر عقربه منحرف شد یعنی دیود از این سو جریان عبور می دهد حال اگر جای سیم های اهم متر را عوض کنیم نباید عقربه منحرف شود .نتیجه اینکه با اتصال سیم های اهم متر ،دیودی که درهر دو حالت عقربه را منحرف کند وهمچنین دیودی که درهر دو حالت عقربه را منحرف نکند خراب است .(تذکر :هنگام آزمایش بهتر است یک سر دیود از مدار جدا شود .).

ترانسفور ماتور (مبدل)- تشکیل شده است از هسته ای ازآهن خالص به شکل قاب یا حلقه که برروی آن دو دسته سیم پیچی شده است که تعداد حلقه های آن متفاوت واز یکدیگر مجزاست.به سیم پیچی که جریان می دهند اولیه وسیم پیچ یا مدار دیگر را ثانویه می نامند.با عبور جریان متناوب در مدار سیم پیچ اولیه ،درمدار ثانویه یک جریان الکتریکی القا می شود که ولتاژ وشدت جریان بوجود آمده به قطر سیم وتعداد دور آن ها بستگی دارد.وبطور کلی می توان گفت ترانسفور ماتور می تواند ولتاژ وشدت را به دلخواه تغییر دهد بدون آنکه توان تغییرکند.پس ترانسفور ماتور ممکن است افزاینده یا کاهنده باشد.در اکثر وسایل صوتی وتصویری از ترانسفور ماتور کاهنده ولتاژ استفاده می شود از موارد استفاده ترانسفور ماتور ها ،کوره های القایی،دستگاه های جوشکاری هویه هفت تیری وکویل خود رو را می توان نام برد (لازم به تذکر است که ترانسفور ماتور با جریان متناوب کار می کند.) ترموستات ها- ترموستات ها کلید های خود کاری هستند که جهت تنظیم درجه حرارت بکار می روند از انواع آن ها می توان ترموستات بی متالی وترموستات گازی را نام برد.

ترموستات بی متالی - می دانیم در اثر گرما فلزات منبسط می شوند واین انبساط برای فلزات مختلف متفاوت است هر گاه دوقطعه فلز مختلف که دارای ضریب انبساط حرارتی متفاوت هستند را به هم جوش دهیم وآن را در نزدیکی منبع حرارتی مورد نظر ودر مسیر جریان برق قرار دهیم هر دو فلز گرم می شوند وطول آن ها ازدیاد می یابد ولی چون ازدیاد طول یکی از فلزات بیشتر از دیگری است لذا دو فلز به یک طرف خم می شوند این حرکت مستقیما" ویا بوسیله اهرم هایی به یک کنتاکت منتقل شده ومدار را قطع یا وصل می کند از این وسیله در فیوزها ،سماور برقی،اتوی برقی و...بالاخره در اکثر وسایل برقی که در آن ها یک المان حرارتی وجود دارد استفاده می شود.همچنین برای حفاظت موتور ها از سوختن نیزمورد استفاده قرار می گیرد.

ترموستات گازی- این ترموستات با انبساط وانقباض گازهای حساس نظیر اتر ویا جیوه کار می کند .

گاز مذکور در محفظه ای بنام بلو و لوله مویی همراه آن قرار دارد ودر نزدیکی منبع حرارت قرار می گیرد .بطور خلاصه انبساط گاز درون بلو از طریق لوله مویی به فانوسک مخزن گاز ونهایتا" به پلاتین های قطع و وصل جریان فشار وارد کرده وباعث قطع جریان می شود .با سرد شدن محیط اطراف بلو قضیه بر عکس می شود.

از ترموستات های گازی در رادیاتور ،در آبگرم کن ها ویخچال ها استفاده می شود .نمونه ساده تری از ترموستات گازی در رادیاتور خود رو استفاده می شود.

از اتصال دولایه p & n دیود درست می شود 1- بعد از پیوند نیمه هادی نوع p & n کنار یکدیگر ، الکترونهای آزاد و حفره ها از محل پیوند عبور کرده ، با هم ترکیب می شوند و تشکیل یک لایه سد یا عایق می دهند .

2- یک منطقه تخلیه در محل پیوند ها ایجاد می شود که فاقد الکترونهای آزاد و حفره ها می باشد ، لکن اتمهایی که الکترون از دست داده و یا گرفته اند ، در دو طرف لایه سد و در منطقه تخلیه وجود دارند .

3- اتمهای یونیزه شده ، ایجاد سد پتانسیل می کنند که برای نیمه هادی ژرمانیومی حدود ۰.۲ ولت است و برای نیمه هادی سیلسیمی حدود ۰.۶ ولت است .

4- سد پتانسیل باعث که از حرکت و ترکیب بیشتر الکترونها و حفره ها در لایه سد جلوگیری به عمل آید .

5- کریستال نیمه هادی نوع p دارای بار الکتریکی مثبت و کریستال نیمه هادی n دارای بار الکتریکی منفی می باشد .

بایاس دیود وصل کردن ولتاژ به دیود را بایاس کردن دیود می گویند .

بایاس مستقیم اگرنیمه هادی نوع p به قطب مثبت باتری و نیمه هادی نوع n به قطب منفی آن وصل شود و ولتاژ از پتانسیل سد دیود بیشترباشد ، در مدار جریان بر قرار خواهد شد .

بایاس معکوس اگر قطب مثبت باتری به نیمه هادی نوع n وصل شود و قطب منفی باتری به نیمه هادی نوع p وصل شود ، جریانی در مدار نخواهیم داشت .

تست دیود همانطور که گفته شد اگر دوید در بایاس موافق یا معکوس قرار بگیرد جریان را از خود عبور می دهد و ما می توانیم دیود را با یک مدار ساده سری کنیم ( البته با رعایت قطبهای دیود و باتری ) اگر مدار شروع به کار کرد پس دیود سالم است و در غیر این صورت دیود سوخته شده است .

انواع دیود ها - دیود اتصال نقطه ای 2- دیود زنر 3- دیود نور دهنده LED 4- دیود خازنی ( واراکتور ) 5- فتو دیود دیود اتصال نقطه ای دیود های معمولی در بایاس معکوس ایجاد ظرفیت خازنی ( حدود PF ) می کنند .

اگر بخواهیم در فرکانس های بالا به کار می بریم ، به علت ظرفیت خازنی در بایاس معکوس ، جریان در مدار عبور می کند .

چون در فرکانس های بالا مقاومت دیود کم می شود .

برای جلوگیری از این کار از دیود اتصال نقطه ای استفاده می کنیم دیود زنر یود زنر ، مانند یک دیود معمولی از دو نیمه هادی نوع P & N ساخته می شود .

اگر یه دیود معمولی را در بایاس معکوس اتصال دهیم و ولتاژ معکوس را زیاد کنیم ، در یک ولتاژ خاص ، دیود در بایاس معکوس نیز شروع به هدایت می کند .

ولتاژی که دیود در بایاس مخالف ، شروع به هدایت می کند ، به ولتاژ زنر معروف است و با تنظیم نا خالصی می توان ولتاژ شکسته شدن پیوند ها را کنترل کرد ولتاژ زنر : ولتاژی که دیود زنر به ازای آن در بایاس معکوس ، هادی می شود به ولتاژ زنر معروف است .

دیود نوردهنده LED این دوید از دو نوع نیمه هادی P & N تشکیل شده است .

هر گاه این دیود ، در بایاس مستقیم ولتاژی قرار گیرد و شدت جریان به اندازه کافی باشد ، دیود ، از خود نور تولید می کند .

نور تولید شده در محل اتصال دو نیمه هادی تشکیل می شود .

نور تولیدی بستگی به جنس به کار برده شده در نیمه هادی دارد .

این لامپ چند مزایا بر لامپ های معمولی دارد که عبارتند از: 1- کوچک بودن و نیاز به فضای کم 2- محکم بودن و داشتن عمر طولانی ( حدود صد هزار ساعت کار ) 3- قطع و وصل سریع نور 4- تلفات حرارتی کم 5- ولتاژ کار کم ، بین ۱.۷ ولت تا 3.3 ولت 6- جریان کم حدود چند میلی آمپر با نور قابل رویت 7- توان کم ، حدود ۱۰ تا ۱۵۰ میلی وات دیود خازنی ( واراکتور ) این دیود از دو نیمه هادی نوع P & N تشکیل می شود .

دیود خازنی در واقع دیودی است که به جای خازن بکار می رود و مقدار ظرفیت آن با ولتاژ دو سر آن رابطه عکس دارد فتو دیود این دیود از دو نیمه هادی نوع P & N تشکیل می شود .

با این تفاوت که محل پیوند P & N ، جهت تابانیدن نور به آن از مواد پلاستیکی سیاه پوشیده نمی باشد ، بلکه توسط شیشه و یا پلاستیک شفاف پوشیده می گردد تا نور بتواند با آسانی به آن بتابد .

روی اکتر فتو دیود ها یک لنز بسیار کوچک نصب می شود تا بتواند نور تابانیده شده به آن را متمرکز کرده و به محل پیوند برساند .

دیود نوری 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 پر انرژی 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 تأمین 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 سیلیسیوم می‌تواند دارای بازده خوب در تبدیل انرژی الکتریکی باشد.

یک عنصر نیمه هادی دو سر است که جریان الکتریکی را یکسو می‌کند.

دیودها دارای قطب مثبت (آنود) و منفی (کاتود) هستند و جریان را فقط هنگامیکه از سمت مثبت وارد ی‌شود (بایاس مستقیم) از خود عبور می‌دهند.

قطب کاتود معمولاً روی بدنه دیود نشانه گذاری شده است.

دیود نوری (LED) و دیود زینر نمونه‌های دیگری از انواع دیودها هستند.

دیود زینر نوعی دیود است که بطور معکوس بایاس می‌شود و از آن برای تهیه یک ولتاژ ثابت (که معمولاً مقدار آن روی دیود نوشته می‌شود) استفاده می‌شود.

دیود نورانی (LED) به دیودی گفته می‌شود که هنگام روشن بودن نور متصاعد می‌کند.

دیودهای نورانی در رنگهای مختلف ساخته شده است.

دیود نوری نوع خاصی از دیود است که هنگامیکه در معرض نور قرار می‌گیرد روشن می‌شود.

از این دیود بعنوان حسگر برای تشخیص نور استفاده می‌شود لیتوگرافی، هنر ساختن در ابعاد کوچک • توسعه نانوفناوری بستگی به توان محققان در تولید کارآمد ساختارهایی با ابعاد کمتر از 100 نانومتر (کمتر از یک هزارم قطر موی انسان) دارد.

• فوتولیتوگرافی، فناوری‌ای است که هم‌اکنون برای ساخت مدار روی میکروچیپ‌ها به کار گرفته می‌شود.

کاربرد این فناوری را می‌توان به تولید نانوساختارها تعمیم داد، ولی تغییرات لازم بسیار گران و از نظر تکنیکی دشوارند.

• روش‌های ساخت سیستم‌های نانومتری دو دسته‌اند: بالا به پایین که با کندن مولکول‌ها از سطح ماده صورت می‌گیرد و پایین به بالا که با نشاندن اتم‌ها و مولکول‌ها در کنار هم ساختار نانویی به وجود می‌آورد.

• لیتوگرافی نرم و لیتوگرافی قلمی دو مثال از روش‌های مربوط به بالا به پایین هستند.

محققان با استفاده از روش‌های پایین به بالا در حال ساخت نقاطی کوانتومی هستند که می‌توانند به عنوان رنگ‌های بیولوژیک به کار روند.

یادتان هست آخرین بار کِی رایانه‌تان را ارتقا داده‌اید یا به جای رایانه کُندِ قدیمی، رایانه جدیدی گرفته‌اید؟

اگر سرعت پردازنده‌ها را بر اساس سالی که اولین‌بار به بازار عرضه شدند یادداشت کنید، شما هم می‌توانید با رسم یک نمودار در کاغذ نیم‌لگاریتمی، به کشفِ دوباره «قانون مور» نائل آیید!

قانون مور نشان می‌دهد که از سال 1970 تا کنون، سرعت پردازنده‌ها هر 18 ماه دو برابر شده است.

سرعت یک پردازنده ارتباط مستقیمی با تعداد ترانزیستورهای به‌کاررفته در مدار مجتمع آن دارد.

فکر می‌کنید اندازه پردازنده سریعِ امروزِ شما از پردازنده کُندِ سه سال پیش بزرگتر است؟

مسلم است که نه!

علت این رشد سرسام‌آور، پیشرفت فناوری و قابلیت دسترسی بشر به توان طراحی و گنجاندن تعداد بیشتری ترانزیستور در واحد سطح است.

این رقم برای پردازنده‌های امروزی به بیشتر از 10 میلیارد ترانزیستور در یک سانتیمتر مربع می‌رسد.

می‌توانید طول یک ترانزیستور را تخمین بزنید؟

اگر به عدد 100 نانومتر رسیده‌اید، محاسبه شما درست است.

اما 100 نانومتر طول رشته‌ای است که فقط از 500 اتم سیلیکون تشکیل شده باشد.

با این اطلاعات فکر می‌کنید آیا باز هم بشر قادر است به این رشد سریع ادامه دهد؟

اگر بخواهیم به همین ترتیب پیش برویم، تا سال 2010 طول هر ترانزیستور از 50 اتم و تا سال 2015 حتی از 5 اتم هم کمتر خواهد شد.

همین واقعیت است که ایده ساختن نانوساختارها با ابعاد چند اتم را هم برای دانشمندان و هم برای شرکت‌ها بسیار جذاب کرده است.

روش معمول تولید در سال‌های اخیر دانشمندان روش‌های مختلفی برای ایجاد نانوساختارها پیدا کرده‌اند، اما این روشها در حال حاضر در مرحله آزمونِ کارآیی و توانمندی‌اند.

«فُتولیتوگرافی»، فناوری‌ای که امروزه برای ساخت پردازنده‌های رایانه و می‌توان گفت تمام انواع مدارهای مجتمع به کار گرفته می‌شود، قابلیت ارتقا برای تولید ساختارهایی در ابعاد کمتر از 100 نانومتر دارد.

اما انجام این کار بسیار مشکل، گران و پردردسر است.

برای پیدا کردن روش‌های جایگزین، محققانِ ساخت سیستم‌های نانومتری, در حال بررسی هزاران ایده و صدها روش هستند، تا شاید یکی از آنها جواب بدهد.

ابتدا به سراغ سودمندی‌ها و کاستی‌های فُتولیتوگرافی می‌رویم.

تولیدکنندگانِ مدارهای مجتمع در دنیا از این شیوه بسیار کارآمد برای تولید بیش از 10 میلیارد ترانزیستور در هر ثانیه استفاده می‌کنند.

ارزش تولیدات صنعتی با استفاده از تنها این یک فناوری، به بیش از 140 میلیارد دلار در سال می‌رسد.

فُتولیتوگرافی در اصل تعمیم‌یافته عکاسی است.

ابتدا چیزی شبیه نگاتیو عکاسی از شِمای مدار مجتمع تهیه می‌شود.

این نگاتیو ــ که در اینجا «ماسک» نامیده می‌شود ــ برای تکثیر طرح بر روی هادی‌ها و نیمه‌هادیها به کار گرفته می‌شود.

تهیه نگاتیو به سادگی عکاسی نیست، اما با داشتن آن می‌توان به‌راحتی هزاران نسخه تکثیر کرد.

بنابراین، روند کار به دو بخش اصلی تقسیم می‌شود: اول تهیه ماسک (که می‌تواند کُند و هزینه‌بر باشد)، و دوم استفاده از ماسک برای تهیه نسخه‌های بعدی (که باید سریع و ارزان باشد).

برای تولید ماسکِ یک قطعه رایانه‌ای، ابتدا شِمای مدار در مقیاس به‌نسبت بزرگ طراحی می‌شود.

سپس این طرح به صورت لایه نازکی از فلز (اغلب کُروم) روی صفحه شفافی (اغلب شیشه یا سیلیکون) درمی‌آید که در مجموع به آن «ویفر» گفته می‌شود.

سپس فُتولیتوگرافی، در فرآیندی شبیه آنچه در تاریکخانه عکاسی اتفاق می‌افتد، ابعاد طرح را کوچک می‌کند.

برای این کار یک دسته پرتو نور (اغلب نور فرابنفشِ یک لامپ جیوه) از ماسک عبور می‌کند و با استفاده از یک عدسی، تصویری روی سطح سیلیکون تشکیل می‌دهد.

روی سیلیکون با لایه‌ای از جنس پلیمرهای آلی حساس به نور (فُتورِزیست) پوشانده شده است.

قسمت‌هایی که نور دیده‌اند در فرآیند تثبیت حذف می‌شوند و طرحی معادل طرح اولیه روی سطح سیلیکون پدیدار می‌شود.

سؤال این است: چرا از فُتولیتوگرافی برای تولید نانوساختارها استفاده نکنیم؟

دو محدودیت در مقابل این فناوری وجود دارد.

اول اینکه کوچک‌ترین طول موج فرابنفشی که در فرآیند تولید استفاده می‌شود 250 نانومتر است.

سعی در تهیه ساختارهای با ابعاد کمتر از این طول موج، مانند سعی در خواندن نوشته‌های بسیار ریز است.

پدیده «پراش» باعث محو شدن نوشته‌ها می‌شود.

پیشرفت‌های تکنیکی مختلف، محدودیت‌های فُتولیتوگرافی را کمی عقب رانده‌اند.

کوچک‌ترین ساختارهایی که تولید انبوه شده‌اند، ابعادی در حدود 100 نانومتر دارند.

با این حال، این ابعاد هنوز برای دستیابی به بسیاری خواص جالب نانوساختارها به اندازه کافی کوچک نیستند.

محدودیت دوم هم پیامد محدودیت اول است.

چون از نظر تکنیکی تولید این ساختارها با نور بسیار دشوار است، انجام این کار بسیار گران تمام می‌شود.

ابزارهای لیتوگرافی که برای ساخت عناصری با ابعاد کمتر از 100 نانومتر به کار می‌روند هر کدام 10 تا 100 میلیون دلار ــ یعنی در حدود 10 تا 100 میلیارد تومان ــ قیمت دارند.

صرف این هزینه شاید برای تولیدکنندگان منطقی نباشد، اما برای فیزیک‌دان‌ها، زیست‌شناسان، مهندسان مواد و شیمی‌دان‌ها که برای بررسی خواص سیستم‌های نانومتری به تولید ساختارهای با طراحی خودشان نیاز دارند، ضروری است.

نمونه هایی از نانولیتوگرافی، به مقیاس‌ها دقت کنید.

نانوچیپ‌های آینده صنعت الکترونیک به طور جدی به دنبال پیاده کردن روش‌های جدید ساخت سیستم‌های نانومتری است تا بتواند به روند ساختن ابزارهای کوچک‌تر، سریع‌تر و ارزان‌تر ادامه دهد.

طبیعی است که در قدم اول باید تلاش کنیم تا روش‌های موجود برای میکروالکترونیک را به نانوالکترونیک تعمیم دهیم.

اما همان‌طور که گفتم، استفاده از روش معمولِ فُتولیتوگرافی در ابعاد ریزتر، بسیار دشوارتر است.

به همین علت، تولیدکنندگان قعطات رایانه به دنبال فناوری‌های جایگزین برای ساخت نانوچیپ‌ها در آینده هستند.

لیتوگرافی پرتو الکترونی، یکی از جایگزین‌های پیش رو است.

در این روش، طرح مدار با استفاده از پرتو الکترون روی لایه نازکی از پلیمر نوشته می‌شود.

پرتو الکترون در ابعاد اتمی پراشیده نمی‌شود، بنابراین لبه‌های طرح دیگر ناخوانا نیستند.

محققان از این روش برای ترسیم خطوطی با پهنای چند نانومتر روی سطح سیلیکون آغشته به فوتورِزیست استفاده کرده‌اند.

با این حال، ابزارهای پرتو الکترونی که امروزه وجود دارند، برای تولید انبوه در صنعت مناسب نیستند.

زیرا این روش کُند است؛ کاری شبیه نسخه‌برداری از روی یک نوشته با دست.

اگر الکترون‌ها جوابگو نیستند، پس چه باید کرد؟

یک جواب دیگر، استفاده از اشعه ایکس با طول موجی بین 1/0 تا 10 نانومتر یا نور فرافرابنفش با طول موج بین 10 تا 70 نانومتر است.

کوچک‌تر بودن طول موج این نورها از طول موج نور فرابنفش که اینک در فُتولیتوگرافی استفاده می‌شود، تأثیر پراش را کمتر می‌کند.

با این حال، این فناوری‌ها هم مشکلات خاص خودشان را دارند.

عدسی‌های معمولی نور در برابر نور فرا ـ فرابنفش دیگر شفاف نیستند و اشعه ایکس را متمرکز نمی‌کنند.

در عین حال، انرژی زیادِ این پرتوها به‌سرعت به مواد تشکیل‌دهنده ماسک و عدسی‌ها آسیب می‌رساند.

اما صنعت میکروالکترونیک، ترجیح می‌دهد از تعمیم روش‌های موجود برای تولید نانوچیپ‌ها استفاده کند.

بنابراین، این روش‌ها به طور جدی در حال توسعه‌اند.

بعضی از این روش‌ها ــ مثلاً استفاده از فُتولیتوگرافی پیشرفته فرا ـ فرابنفش برای ساخت مدار مجتمع ــ ممکن است به روش‌های پررونق تجاری تبدیل شوند.

با این حال، با این روش‌ها نانوچیپ‌های ارزان ساخته نمی‌شوند و نمی‌توان نانوفناوری را در دسترس تعداد بیشتری از مهندسان و دانشمندان قرار داد.

نیاز به سیستم‌های ساده‌تر و ارزان‌ترِ ساخت ابزار نانومتری، دانشمندان را به جست‌وجوی روش‌هایی متفاوت از آنچه در صنعت الکترونیک به کار می‌رود، ترغیب کرده است.

«لیتوگرافی نرم» یکی از این روش‌هاست که بیشتر شبیه ساختن یک مهر لاستیکی از طرح مدار و چاپ آن با تماس مکانیکی است.

روش دیگر که از میکروسکوپ نیروی اتمی استفاده می‌کند «لیتوگرافی قلمی» نام دارد که شبیه نوشتن با جوهر و پرِ قو است.

دسته دیگری از روش‌ها که به روش‌های «پایین به بالا» معروف‌اند، با رویکردی به‌کل متفاوت به تولید نانوساختارها می‌پردازند.

در این روش‌ها اتم‌ها یک‌به‌یک در کنار هم قرار می‌گیرند تا ساختار مورد نظر ما را تشکیل دهند.

عناصر ژرمانیوم و سیلیکون در آخرین مدار یا لایه اتمی خود دارای 4 الکترون هستند که تمایل به جذب یا از دست دادن الکترون ها به منظور تکمیل مدار آخر خود تا رسیدن به 8 الکترون را دارند.

با اضافه کردن مقدار کمی اتم نا خالصی به نیمه هادی مذکور امکان ازدیاد بار الکتریکی بوجود خواهد آمد مثلا" ترکیب اتم ژرمانیوم که دارای 4 الکترون در مدار خارجی می باشد با ارسنیک که 5 الکترون دارد پیوندهای مشترکی با یک الکترون اضافی برای هر اتم نا خالصی ارسنیک بوجود می آید در نتیجه جسم حاصل منفی ویا نیمه هادی نوع N حاصل می شود .برای حالت عکس هم به همین ترتیب است یعنی اگر مقداری ژرمانیوم را با مقداری گالیوم که دارای 3 الکترون در مدار خارجی است مخلوط کنیم بعد از تشکیل پیوند اشتراکی با اتم ناخالصی مجموعا" 7 الکترون به جای 8 الکترون در مدار خارجی بدست می آید.

یکسو کننده ها- برای شارژ باتری ها،آبکاری،جوشکاری بعضی فلزات ،دستگاه های صوتی وتصویری،تجزیه شیمیایی و ...احتیاج به جریان دایم Dc داریم وچون برق شهر متناوب است بنابراین در دستگاه های مختلف به روش های گوناگون جریان مذکور را مستقیم می کنند.لامپ الکترونی ،دینام جریان مستقیم ودیود ها از روش های معمول یکسو سازی می باشد که در این جا انواع یکسو سازی های دیودی که بیشتر مورد استفاده دارد شرح داده می شود.