مقاله آشنایی با ساختمان و عملکرد نیمه هادی دیود و ترانزیستور

مقدمه:
نیمه هادی ها یکی از پایه های اساسی در فناوری الکترونیک مدرن هستند که نقش بی بدیلی در ساخت دیودها، ترانزیستورها و مدارهای مجتمع ایفا می کنند. این مواد، به دلیل ویژگی های منحصر به فرد هدایت الکتریکی، بین هادی ها و عایق ها قرار می گیرند و امکان کنترل جریان الکتریکی را با دقت بالا فراهم می کنند. در نیمه هادی ها، اتم های ژرمانیم و سیلیکون به عنوان شناخته شده ترین عناصر، ساختمان بلوری سه بعدی دارند و با تشکیل شبکه کریستالی منظم، شرایط لازم برای هدایت کنترل شده جریان الکتریکی را ایجاد می کنند. اتم های این عناصر دارای چهار الکترون در مدار آخر خود هستند و تمایل دارند با ایجاد پیوندهای اشتراکی، مدار خارجی خود را کامل کنند.

در دماهای محیطی، انرژی گرمایی موجود موجب شکسته شدن بخشی از این پیوندها می شود و الکترون های آزاد و حفره ها ایجاد می شوند. این الکترون ها و حفره ها حامل های اصلی جریان در نیمه هادی ها هستند. حرکت الکترون ها و حفره ها، جریان های موازی اما معکوس یکدیگر را شکل می دهد و اساس عملکرد مواد نیمه هادی را تشکیل می دهد. با افزودن ناخالصی های کنترل شده به نیمه هادی ها، می توان نوع و تعداد حامل های جریان را تغییر داد و خواص هدایت خاصی ایجاد کرد.

نیمه هادی های نوع N و نوع P، نمونه های اصلی این دستکاری ها هستند. در نیمه هادی نوع N، اضافه شدن عناصر پنج ظرفیتی مانند آرسنیک، باعث افزایش تعداد الکترون های آزاد می شود، در حالی که حفره ها نقش ثانویه دارند. در مقابل، نیمه هادی نوع P با افزودن عناصر سه ظرفیتی مانند آلومینیوم، حفره ها را به عنوان حامل های اکثریت ایجاد می کند و الکترون ها نقش ثانویه پیدا می کنند. ترکیب این دو نوع نیمه هادی و ایجاد پیوند PN، مبنای ساخت دیودها را فراهم می آورد.

اتصال PN موجب تشکیل لایه تهی می شود؛ منطقه ای که در آن هیچ حامل متحرکی وجود ندارد و ایجاد اختلاف پتانسیل طبیعی به نام پتانسیل سد، جریان های ناخواسته را محدود می کند. ولتاژ اعمال شده به دیود، رفتار جریان را تعیین می کند؛ در بایاس مستقیم جریان از دیود عبور می کند و در بایاس معکوس جریان بسیار کم است تا رسیدن به ولتاژ شکست، نقطه ای که جریان ناگهان افزایش می یابد. این رفتار، مشخصه ای کلیدی برای تحلیل و طراحی مدارهای دیودی است.

از منظر عملکرد، منحنی های ولتاژ-جریان دیودها نشان دهنده نحوه پاسخ دیود در شرایط مختلف بایاس مستقیم و معکوس هستند. دیود ایده آل، مدلی ساده و تقریباً کامل برای تحلیل اولیه مدارها ارائه می دهد؛ در این مدل، هدایت در جهت مستقیم بسیار بالا و در جهت معکوس تقریباً صفر در نظر گرفته می شود. با این حال، بررسی دقیق تر دیودهای واقعی به پارامترهایی مانند ظرفیت دیود، دیود وراکتور و دیود زنر، رفتار شکست و خاصیت خازنی پیوند نیاز دارد.

ترانزیستورها، پیشرفته تر از دیودها، از ترکیب سه لایه نیمه هادی نوع N و P شکل می گیرند و با پیکربندی های مختلف، مانند بیس مشترک، امیتر مشترک و کلکتور مشترک، توانایی تقویت و سوئیچینگ جریان های الکتریکی را دارند. انواع بایاس ها و تنظیمات مقاومت بیس، ولتاژهای شکسته و منحنی های عملکرد ترانزیستور، هر یک نقش تعیین کننده ای در کنترل جریان و ولتاژ در مدارهای الکترونیکی دارند.

درک دقیق ساختمان و عملکرد دیودها و ترانزیستورها، تحلیل منحنی ها، پتانسیل سد، لایه تهی، ولتاژ شکست و نحوه رفتار در شرایط بایاس مختلف، پایه ای برای طراحی مدارهای الکترونیکی پیچیده و پایدار فراهم می آورد. این مفاهیم، اصولی ترین جنبه های نیمه هادی ها را روشن می کنند و نمایی جامع از چگونگی کنترل جریان های الکتریکی در مواد نیمه هادی ارائه می دهند، از درک ابتدایی اتم های تشکیل دهنده بلور تا رفتار نهایی در مدارهای عملیاتی.

فهرست مطالب
نیمه هادی ها و ساختمان داخلی آنها
۱٫نیمه هادی نوع N وP
۲٫اتصال PN و تشکیل نیمه های دیود
۳ـ۱) لایه تهی
۳ـ۲) پتانسیل سد
۳ـ۳ ولتاژ شکست
۳ـ۴ منحنی دیود در بایاس مستقیم
۳ـ۵ منحنی دیود
۳ـ۶ دیود ایده آل
۳ـ۷ ظرفیت دیود
۳ـ۸ دیود با ظرفیت متغییر(وراکتور)
۳ـ۹ دیود زنر
۳ـ۹ـ۱ شکست بهمنی و شکست زنر
۳ـ۱۰خاصیت خازنی پیوند و دیودهای وراکتور
مدارهای دیودی
۳-۱۱عیب یابی
۴)ساختمان نیمه هادی ترانزیستور
۴ـ۱ ترانزیستور بدون بایاس
۴ـ۲ بایاس FF وRR
۴ـ۳ بایاس FR
۱)مستقیم ـمعکوس
۴ـ۴ مقاومت اهمی بیس
۴ـ۵ ولتاژهای شکسته
۴ـ۶ بیس مشترک
۴ـ۷ امیتر مشترک
۴ـ ۸ کلکتور مشترک
۴ـ۹عیب یابی
عیوب متداول
تعمیرکار چگونه باید فکر کند؟
فهرست منابع