دانلود تحقیق آشنایی با ساختمان و عملکرد نیمه هادی دیود و ترانزیستور

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[1] کشف شد.

این نیمه هادی ، در سال 1810توسط گیلوساک[2] و تنارد[3] 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[4] 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[5] 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 [6] 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[7].

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.

31) 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 .

32) 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[8] یا سر کنندگی می‌نامند.    

حال تصویر نهایی تعادل را در پیوندگاه ارائه می‌دهیم:

تعداد کمی‌حاملهای اقلیتی از یک طرف پیوندگاه به طرف دیگر سوق می‌یابند.

عبور آنها میدان را کاهش می‌دهد مگر اینکه،

تعداد کمی‌حامل های اکثریتی از پیوندگاه با عمل پخش گذر کنند و شدت میدان را به مقدار اولیه برگردنند

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 سومنیاز 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 همه 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.

شاید این آزمایش آغاز راهی بود که امروزه اثرات مثبت پیشرفت و تکنولوژی علم الکترونیک و کامپیوتر را مشاهده کنیم .

ساختمان ترانزیستور از سه لایه تشکیل یافته است ، بطوری که اگر دو لایه ازN و یک لایه از P باشد ، آنرا را ترانزیستور NPN می‌نامند.

به دلیل آنکه این المان از دو قطعه N و یک قطعه P ساخته شده است آن را ترانزیستور منفی می‌نامند.

اگر در ساختمان ترانزیستور از دو لایه نوع P و یک لایه نوع N استفاده شده باشد آن را ترانزیستور نوع PNP می‌نامند.

به دلیل اینکه این المان از دو قطعه Pو یک قطعه N ساخته شده است.

آن را ترانزیستور مثبت می‌نامند.

به لایه وسطی درترانزیستور بیس و دو لایه دیگر به نامهای امیتر و کلکتور می‌نامند.

معمولا لایه امیتر دارای ناخالصی بیشتر نسبت به کلکتور و بیس دارد و سطح کلکتور نسبت به امیتر به دلیل جمع کنندگی جریان در کلکتور بیشتر می‌باشد.

از آنجایی که بین پایه های بیس به امیتر و بیس د رکلکتور در ترانزیستور دارای دو پیوند PN می‌باشد ، می‌توان هر کدام از پیوندها را به صورت یک دیود نشان داد .

4ـ1 ترانزیستور بدون بایاس الکترونهای آزاد با عمل پخش ، از پیوندگاه گذشته اند ، که نتیجه اش تشکیل دو لایه تهی است.

برای هریک از این لایه های تهی ؤ پتانسیل سد برای ترانزیستور سیلیسیم تقریبا v7/0(برای ترانزیستور ژرمانیم v 3/0) در دمای c 25 است .

چون سه ناحیه ترانزیستور میزان آلایش متفائتی دارند، پهنای لایه های تهی یکسان نیست .

هر چه آلایش د ریک ناحیه شدید تر باشد، تراکم یونها در نزدیکی پیوندگاه بیشتر است .

یعنی لایه تهی در ناحیه امیتر(که شدیدا آلاییده است) نفوذ اندکی دارد ولی رخنه آن در بیس که آلایش کمتر دارد ، عمیقتر خواهد بود.

لیه تهی دوم نیز عمیقا در بیس گسترش می‌یابد، ولی رخنه آن عمق کمتری دارد .

چون دو لایه تهی وجود دارد ، دو تپه انرژی داریم .

مخصوصا توجه به این نکته مهم است که ، الکترونهای نوار رسانش درامیتربرای ورود به ماحیه بیس انرژی کافی ندارند.

بر حسب شعاع مدار، می‌توان گفت این الکترونها در مدارهایی از نوار رسانش جای گرفته اند ، که شعاع آنها از شعاع کوچکترین مدارمجاز در بیس کوچکتر است.

الکترونهای امیتر نمی‌توانند به بیس وارد شوند ؤ مگر اینکه به دیود امیتر بایاس مستقیم بدهیم و تپه انرژی را پایین بیاوریم.

4ـ2 بایاس FF وRR برای استفاده ترانزیستور به صورت تقویت کننده،‌سوئیچ و.....، ابتدا باید ترانزیستور را از نظر ولتاژ dc تغذیه کرد .

عمل تغذیه ولتاژ پایه های ترانزیستور را با یاسنگ ترانزیستور می‌نامند .

د رترانزیستور به دلیل داشتن سه پایه مجزا، می‌توان یکی از پایه ها را به عنوان پایه مشترک و دو پایه دیگر را به عنوان ورودی و خروجی در نظر گرفت .

بر این اساس بایاس موافق ترانزیستور NPN به صورت زیر است : بایاس مخالف ترانزیستور NPN به صورت زیر می‌باشد: 1) مستقیم ـ مستقیم 2) معکوس ـ معکوس الکترون های نیمه هادی نوع N ، توسط ولتاژ منفی باطری به سمت بیس رانده می‌شوند .

از قبل می‌دانیم که لایه بیس نسبت به امیتر و کلکتور دارای ناخالصی کمتری است و ضخامت آن نیز نسبت به دو لایه فوق العاده کم می‌باشد.

دروهله اول به نظر می‌رسد که جریان الکترون ها مسیر خود را باید از طریق بیس ـ امیتر ببندند ولی عملا این طور نیست و قسمت اعظم این جریان از طریق کلکتور بسته می‌شود.

دلیل این عمل آن است که: به کلکتور ولتاژ مثبت وصل شده است واین ولتاژ قادر است الکترونها را به طرف خود جذب کند لایه بیس بسیا رنازک است و الکترون ها به محض وارد شدن به لایه بیس ، به خاطر کم بودن این فاصله با کلکتور ، جذب آن می‌شوند.

سطح کلکتورحودود9 برابر بزرگتر از سطح امیتر می‌باشد، لذا احاطه کامل بر ورود الکترون به لایه بیس داشته و تقریبا آنها را جذب می‌کند.

ناخالصی بیس کم است و الکترون ها با حفره ها کمتر ترکیب می‌شوند،لذا تقریبا بیش از 95% الکترون هایی که وارد لایه بیس می‌شوند، مدار خود را از طریق کلکتور می‌بندند.

4ـ3 بایاس FR دیودامیتر را بایاس مستقیم ، و دیود کلکتور را بایاس معکوس بدهید ، نتیجه غیر قابل انتظار است .

عبور یک جریان بزرگ د رامیتر را انتظار داریم زیرا دیود امیتر بایاس مستقیم دارد.

اما انتظار عبور یک جریان بزرگ د رکلکتور را نداریم ، زیرا دیود کلکتوربایاس معکوس دارد .

دراینجا شرح مختصری درباب دلیل چنین جریان بزرگی ارائه می‌دهیم.

درلحظه ای که بایاس مستقیم به دیود داده می‌شود ، الکترونهای امیتر هنوز وارد ناحیه بیس نشده اند .

اگرVEB از پتانسیل سد بزرگتر باشد تعدادی از الکترونهای امیتر وارد ناحیه بیس و رسیدن به پایه خارجی بیس ، یا عبور از پیوندگاه کلکتور و رسیدن به ناحیه کلکتور .

الکترونهای که از بیس گذشته و به پایه خروجی آن می‌روند ، ابتدا باید د رحفره ها فرو افتند ، یعنی با حفره های بیس باز ترکیب شوند .آنگاه به عنوان الکترونهای ظرفیت از طریق حفره های مجاور به سوی پایین بیس بروند و ازآنجا به پایه خارجی بیس وارد شوند .

این مؤلفه جریان که به سمت خروجی بیس می‌رود، جریان باز ترکیب نام دارد.این مؤلفه بسیار کوچک است زیرا آلایش بیس ضعیف است ، یعنی ، تنها تعداد معدودی حفره دارد .

عامل مهم دیگری که د رعمل ترانزیستور دخالت دارد این است که بیس بسیار نازک است .

بیس با الکترونهای نوار رسانش تزریقی پر می‌شود و اینها فرصت انتشار در لایه تهی کلکتور را می‌یابند.

الکترونها با ورود به لایه تهی ،توسط میدان موجود در آن لایه به ناحیه کلکتور رانده می‌شود.

این الکترونها سپس می‌توانند به سمت پایه خروجی کلکتور جاری شوند.

1)مستقیم ـمعکوس جریان دائمی‌از الکترونها را مجسم کنید که قطب منفی را ترک کرده و به ناحیه امیتر وارد می‌شود.بایاس مستقیم این الکترونهای امیتر را به ناحیه بیس می‌راند.

بیس که نازک و آلایش آن ضعیف است، تقریبا به تمام این الکترونها طول عمر کافی می‌دهد تا در لایه تهی کلکتور پخش شوند.

سپس میدان موجود د رلایه تهی ، جریان دائم الکترونها به ناحیه کلکتور می‌راند .

این الکترونها کلکتور را ترک کرده و وارد پایه خارجی کلکتور می‌شوند و از آنجا به قطب مثبت منبع ولتاژ وارد می‌شود.

در بیشتر ترانزیستورها بیش از 95% الکترونهای که از امیتر تزریق شده اند ، خود را به کلکتور می‌رساند، یعنی ، کمتر از پنج درصد آنها د رحفره های بیس گرفتار می‌آیند و به سوی پایه خروجی بیس روان می‌شوند.

4ـ4 مقاومت اهمی‌بیس چون دو لایه تهی به بیس رخنه می‌کند،حفره های بیس ، در یک کانال نیمه رسانای P محبوس می‌شود افزایش بایاس معکوس در دیود کلکتور (معادل افزایش Vcv ) لایه تهی کلکتور را پهن می‌کند و در نتیجه پهنای کانالی را که محتوای حفره های بیس است کاهش می‌دهد.

به بیان دیگر،در بیس حفره های کمتری برای تولید جریان بازترکیب باقی می‌ماند .

مقاومت کانالp در بیس را( مقاومت اهمی‌بیس)، r1b می‌نامیم.

جریان باز ترکیب در بیس از r1b جاری می‌شود.

با این عمل،ولتاژی ایجاد می‌شود .

فعلا به خاطر داشته باشید که r1b وجود دارد و مقدار آن به پهنای کانال p و وهمچنین به آلایش بیس بستگی دارد.

در حالتهای نادر، r1bممکن است به بزرگی 1000 اهم باشد ، ولی نوعا بین 50 تا150 اهم است .درتحلیل های مقدماتی r1b چشم پوشی می‌شود.

4ـ5 ولتاژهای شکسته ازآنجا که هر یک از دو نیمه ترانزیستور یک دیود است ، ولتاژ معکوس با مقدار بیش از حد می‌تواند سبب شکست هر یک از دیودها شود.

ما فقط نگران دیود کلکتورهستیم.

وقتی VCB بیش از اندازه بزرگ باشد در دیود کلکتور به علت اثر بهمنی که قبلا بحث شد یا اثر گذر از میان (اثر رخنه ای هم گفته شده است) شکل اتفاق می‌افتد.

گذر از میان به این معنی است که لایه تهی کلکتور چندان پهن می‌شود که به لایه تهی امیتر برسد وقتی این عمل اتفاق بیفتد، الکترونهای امیترمستقیما به داخل لایه تهی کلکتور تزریق شوند .

حتی اگر همپوشانی دولایه تهی جزئی باشد ، جریان کلکتور می‌تواند چندان زیاد شود که ترانزیستور را نابود کند.

با افزایش ولتاژ کلکتور، لایه تهی کلکتور پهن می‌شود.

اکنون الکترونهای بیشتری می‌توانند از امیتر به کلکتور جاری شوند.افزایش بیشتر ولتاژ کلکتور ممکن است تپه امیتر را کلا نابود کند.

دراین حالت جریان عظیمی‌جاری می‌شود که ترانزیستور را خراب خواهد کرد.

اثرهای بهمنی و گذر از میان در ترانزیستورهای معمولی نامطلوبند.

می‌توانیم از این دوپدیده اجتناب کنیم د رصورتی که ولتاژ کلکتور را پاینتر از ولتاژ شکست ، که در برگ مشخصات کارخانه سازنده داده شود ،نگه داریم.

ترانزیستورهای PNP وNPN را به طور سمبلیک به صورت زیر نمایش می‌دهند.

جهت نشان دادن فلش در امیتر ترانزیستوها، لازم است این قاعده را به خاطر بسپاریم که جهت فلش در امیتر از قطعه P به سمت N می‌باشد لذا با دیدن سمبلهای ترانزیستور، به راحتی می‌توان نوع ترانزیستور و پایه های آن را تشخیص داد .

نکته دیگر در خصوص ترانزیستورهای که پایه های آنها مشخص نمی‌باشد، می‌توان به وسیله یک اهم متر، پایه های بیس نسبت به امیتر و کلکتور را مشخص نمود .

برای این منظور یک سر اهم متر نسبت به یک پایه ترانزیستورثابت نگه می‌داریم و سپس توسط سر دیگر اهم متر به دو پای دیگر ترانزیستوراتصال می‌دهیم.

این پروسه را آنقدر تکرار می‌کنیم تا در هر دو حالت عمل هدایت انجام پذیرد، سری که به طور ثابت نگه داشته ایم را بیس می‌نامیم اگر سر مثبت اهم متر به بیس وصل باشد آن ترانزیستور را NPN واگر سر منفی اهم متر به بیس وصل باشد، آن ترانزیستور را PNP می‌نامند.

پس از مشخص شدن نوع ترانزیستور و پایه بیس ، مقدار مقاومت دو حالت قبل را اندازه گیری می‌کنیم.

هرکدام از مقاومتها بیشتر باشد،آن سر امیتر و سر دیگر کلکتور می‌باشد .

زیرا سطح کلکتور در ترانزیستورها بزرگتر است و لذا دارای مقاومت کمتری می‌باشد.با توجه به مطالب ارائه شده به دلیل داشتن سه پایه د رهر ترانزیستور ، لازم است هماره یک پایه در ورودی و خروجی مشترک باشند و به این اساس مدار فوق را نامگذاری می‌کنند.

4ـ6 بیس مشترک در این حالت بیس بین ورودی و خروجیمدار مشترک می‌باشد و در زیر یک نمونه از مدار فوق را مشاهده می‌کنیم .

4ـ7 امیتر مشترک دراینحالت امیتر بین ورودی و خروجی مدار مشترک می‌باشد و در زیر یک نمونه از مدار فوق را مشاهده می‌کنید.

4ـ 8 کلکتور مشترک د راین حالت کلکتور بین ورودی و خروجی مدار مشترک می‌باشد .

در ترانزیستورها،ولتاژ بیس به امیتردر عنصر سیلیسیم بین 6/0 تا 7/0 ولت و برای ژرمانیم ، بین 2/0 تا3/0 ولت می‌باشد.

4ـ9عیب یابی ولتاژ منبع بیس برابر V 15 است که ازطریق یک مقاومت 470کیلواهم دیود امیتر را در بایاس مستقیم و منبع کلکتور هم از طریق مقاومت یک کیلو اهم دیود کلکتور را در بایاس معکوس قرار داده است .

با استفاده از تقریب ایده آل ولتاژ کلکتورـ امیتر ترانزیستور را محاسبه می‌کنیم.

عیوب متداول وقتی در حال عیب یابی مدار مستقیم یک کار معمول، اندازه گیری ولتاژ کلکتور – امیتر ترانزیستور است که چیزی حدودV8/ 11باید اندازه گیری شود .اما چرا از تقریب دوم و سوم استفاده نکردیم؟برای اینکه مقاومتها معمولا دارای تولرانس 5-+ درصد بوده و در نتیجه ولتاژ کلکتورـامیتر د رهر حال با آنچه ما محاسبه می‌کنیم متفاوت خواهد بود.

به هنگام بروز اشکال معمولا مواردی نظیر اتصال کوتاه و یا باز شدن اتفاق می‌افتد.خرابی هایی نظیر این،معمولا تغییراتزیادی در مقادیر جریان ولتاژ پد ید می‌آورند.برای مثال یکی از متداول ترین نوع خرابی ،نرسیدن ولتاژتغذیه به کلکتور و تقریبا برابر صفر خواهد شد.

یکی دیگر ازموارد خرابی عدم تغذیه بیس است که در اثر خرابی منبع ولتاژ بیس،قطع مقاومت بیس می‌آید که در هر حال جریان بیس صفر می‌شود .

این به نوبه خود باعث صفر شدن جریان کلکتور شده و درنتیجه ولتاژ ،کلکتورـامتیر ترانزیستور به مقدارV 15 خواهد شد که برابر ولتاژ منبع کلکتوراست.

البته خرابی ترانزیستور از نوع باز شدن هم همین اشکال را بوجود می‌آورد .