نیمه هادی ها (Semiconductors):

قطعاتی هستند که از وسایل نیمه رسانا (مثل سیلیکون[Si]، ژرمانیوم[Ge] و...) ساخته شده اند. نیمه هادیها اصل انقلاب الکترونیک دیجیتال (رقمی) را تشکیل می دهند و انواع بسیار مختلفی دارند مانند: دیود، ترانزیستور، تریستور، ترایاک، دایاک و آی سی.


1)       دیود(Diode):

دیود: قطعه ای است که جریان برق را از یک طرف عبور میدهد(بعداْ می گوییم از یک طرف یعنی چه؟). دیود ها انواع مختلفی دارند مانند LED و غیره که ادامه به شرح آنها می پردازیم. (شکل زیر را ببینید).

 

نکته: قسمت بالای دیود ها در شکل بالا کاتد آنها را نشان می دهد (کاتد سر منفی دیود است که با یک خط در دیود مشخص می شود).

همان طور که درقبلا گفته شد، دیود جریان را یکسو می کند. دیود ها انواع گوناگونی دارند. دیود زنر، دیود سیلیکونی، دیود ژرمانیوم و فتو دیود، از انواع دیود هستند. فتودیودها (Photo Diode) که به آنها دیود نوری گفته می شود، وقتی نور به آنها بتابد، جریان را از خود عبور می دهند.


معرفی (Light Emission Diod) LED

LED ها نیز نوعی دیود هستند که به آنها دیود نورانی می گویند و از از خود نور تولید می کنند (نورهای مادون قرمز، قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی، بنفش، سفید و ماورای بنفش از جمله نور های تولید شده LEDهستند).. در شکل زیر چند عددLED مشاهده میکنید:

 

لازم به ذکر است که حداکثر جریان قابل تحمل LED ،50mA است (اگر جریان LED را زیاد کنیم، نور آن بیشتر می شود ولی از جریان 20mA به بعد، تغییر محسوسی در افزایش نور آن مشاهده نمی- شود) و اگر جریان بیشتر از 50mA از LEDبگذرد، LED می سوزد و برای جلوگیری از این حالت، باید LED را با یک مقاومت سری کنیم. مثلاً ولتاژ لازم برای روشن شدن LED قرمز حدود 2.1 ولت می باشد و اگر ما بخواهیم این LED را با ولتاژ 4 ولت روشن کنیم و مصرف جریان LED ،20mAباشد، به مقاومتی به میزان زیر نیاز داریم:

(4-2.1)/20mA=95 ohm

که این مقاومت باید با LED سری شود (چون این مقاومت را نداریم، از مقاومت استاندارد 100 اهم استفاده می کنیم) و در حالت کلّی مقدار این مقامت به صورت زیر بدست می آید:

مقدار مقاومت لازم بر حسب اهم=(جریان مورد نظر برای LED)÷[(ولتاژ لازم برای روشن شدن LED)-(ولتاژ اعمال شده به LED)]

نکته: هر چقدر رنگ LED به سمت ماورای بنفش میل می کند، ولتاژ لازم برای روشن شدن LEDبیشتر می شود (مثلاً LED های ماورای بنفش برای روشن شدن، به حدود 7/3 ولت نیاز دارند).

نکته: انواع اندازه ی LED: LED ها اندازه های مختلفی دارند که این اندازه طول قسمت پلاستیکی LED می باشد که بر حسب میلی متر است.متداول ترین این اندازه ها 1mm، 2mm، 4mm و 8mm می باشند.برای تشخیص پایه ی کاتد و آند در LED به ادامه ی این بخش مراجعه کنید. در شکل های بالا LED پنج میلیمتری را مشاهده می کنید.


سؤال: دیود سیلیکونی و دیود ژرماتیوم چیست؟

دیود سیلیکونی از سیلیسیوم (Si) ساخته می شود و دیود ژرمانیوم نیز از ژرمانیوم ساخته می شود. این نوع دیودها انواع گوناگونی دارند مانند دیود شاتکی، دیود زنر و... . حدود 25 درصد مواد سازنده ی زمین را سیلیکون تشکیل می دهد؛ امّا استخراج آن به صورت خالص بسیار دشوار است. سیلیکون در دمای بالا حدود 1400 درجه سانتی گراد و هنگام ذوب شدن در کوره، نسبت به مواد دیگر واکنش بسیار نشان می دهدو بیشتر مواد موجود در کوره را جذب می کند. کاربرد دیود ژرمانیوم کمتر از دیود سیلیکون است.


سؤال: کاتد و آند در دیود چیست؟

به سری از دیود کاتد می گویند که به قطب منفی وصل می شود و به سری از دیود آند می گویند که به قطب مثبت وصل می شود.

در بیشتر دیودها پایه ی کاتد را علامت گذاری می کنند تا از پایه ی آند تشخیص داده شود (مانند حلقه های رنگی مقاومت ها). در دیود های معمولی پایه کاتد را با یک خط مشکی نشان می دهند که به صورت  است. دیود معمولی ممکن است دیود شاتکی، دیود زنر و یا هر دیود سیلیکونی یا دیود ژرمانیوم باشد (به غیر از دیود قدرت و LED) که آنها را در ذیل تعریف کرده ایم. اگر در دیود، کاتد و آند را به همین تر تیبی که گفته شد به منبع وصل کنیم، به شرط اینکه ولتاژ لازم برای روشن شدن دیود کافی باشد(در دیود سیلیکونی معمولی این ولتاژ 0.7V و در دیود ژرمانیوم 0.3V می باشد)، جریان قابل توجّهی از دیود عبور می کند و در این صورت می گوییم دیود به حالت هدایت رفته است (یا می گوییم دیود در بایاس مستقیم قرار دارد) یعنی از خود جریان عبور می دهد.


سؤال: ولتاژ شکست (ولتاژ بایاس معکوس) در دیود چیست؟

اگر در دیود کاتد و آند را بر عکس به برق وصل کنیم (یعنی سر کاتد را به قطب مثبت وصل کنیم و سر آند را به قطب منفی وصل کنیم) هر چقدر ولتاژ بالا باشد، جریان کمی دیود عبور می کند (که به این جریان، جریان اشباع معکوس می گویند) تا اینکه به ازای یک ولتاژ بالا (حدود 800 ولت برای دیود سیلیکون و 300V برای دیود ژرمانیوم) ناگهان جریان زیادی از دیود عبور می کند که به آن ولتاژ شکست دیود می گویند. یعنی در این ولتاژ دیود دیگر جریان را یکسو نمی کند و کل برق را از خود عبور می دهد. در این حالت ممکن است که دیود بسوزد.

 

نکته: در دیود های معمولی جریان اشباع معکوس در حد µA می باشد و به ازای هر 10˚C مقدار آن 2 برابر می شود. هرچه اندازه ی دیود بزرگتر باشد، جریان اشباع معکوس بیشتر می شود مثلاً در دیود قدرت جریان اشباع معکوس در حد mA می باشد.


نکته: دیود المان (یا همان قطعه) غیر قابل کنترل می باشد؛ یعنی روشن شدن و خاموش شدنش در اختیار ما نیست، یک دیود با ولتاژ مناسب (حدود 0.7V ولت) روشن می شود و زمانی خاموش می شود که جریان عبوری از آن صفر شود.


سؤال: برق متناوب (AC) چیست؟

برق مستقیم (DC) را ادیسون اختراع کرد (ولی در اصل کاشف برق DC ایرانیان بوده اند) ولی برق متناوب را دانشمندی به نام نیکولا تسلا ابداع کرد. برق متناوب، برقی است که در یک لحظه مثبت و در لحظه ای دیگر منفی است (چه از نظر ولتاژ وچه از نظر جریان). کار دیود این است که فقط قسمت منفی (یا مثبت) برق متناوب را از خود عبور می دهد. (مگر در حالتی که دیود دچار شکست شده باشد که در این صورت تمام برق متناوب را از خود عبور میدهد).


نکته: ولتاژ و جریان برق AC را می توان به راحتی و با استفاده از ترانس (که در ادامه تعریف شده است) کم یا زیاد کرد ولی ولتاژ و جریان برق DC را به همین سادگی نمی توان تغییر داد و باید از مدار های خاصی برای این کار استفاده کنیم.


سؤال: دیود محافظ چیست؟ در بعضی از مدارها دو سر + و – باتری، نباید اشتباه وصل شود (قطبیت معکوس نداشته باشد) چون در این صورت ممکن است که مدار آسیب ببیند دیود محافظ جلوی این اتفاق را می گیرد.

ظرفیت خازنی دیود: در اکثر دیودها کمی ولتاژ در دیود ذخیره می شود (مانند خازن) که به این ولتاژ ظرفیت خازنی دیود می گویند.


سؤال: دیود زنر چیست؟

دیود زنر دیودی است که ولتاژ معکوس را دائماً ارائه می کند. مثلاً دیود زنر 3.6V را در نظر می گیریم این دیود اگر به برق 12V وصل شود ولتاژ خروجی آن فقط 3.6V خواهد بود. دیود زنر را در نقشه های شماتیک با  نمایش می دهند و پایه ی آند و کاتد آن را نیز مشاهده می کنید. دیود زنر به صورت معکوس در مدار قرار می گیرد یعنی باید کاتد آن را به قطب مثبت و آند آن را به قطب منفی وصل کرد و در غیر این صورت، این دیود مانند دیود معمولی عمل می کند.


سؤال: دیود شاتکی چیست؟

وقتی دیود در حالت هدایت به سر می برد برای رفتن به حالت عدم هدایت مدت زمانی لازم دارد که به خاطر ظرفیت خازنی دیود است. در دیود شاتکی که اتصال بین یک نیمه رسانا و یک فلز صورت می گیرد، این ظرفیت خازنی تا حدود زیادی کم شده است. کاربرد این دیود در آشکار سازها و سوئیچ های سریع است. سرعت قطع و وصل این دیود به مراتب بیشتر از دیود معمولی می باشد چون این دیود از اتصال بین یک نیمه هادی و یک فلز ساخته می شود و به دلیل اینکه بارهای الکتریکی در فلز راحت تر از نیمه هادی جابه جا می شوند، در نتیجه سرعت قطع و وصل این دیود بیشتر است. در این دیود ولتاژ کمتری روی آند-کاتد آن افت می کند (حدود 0.2V). ولتاژ شکست دیود شاتکی کمتر از دیود سیلیکونی می باشد بنابراین از آن در مدارهایی با ولتاژ کم و جریان زیاد استفاده می کنیم. دیود شاتکی را در نقشه های شماتیک با  نمایش می دهند که پایه ی کاتد و آند آن را نیز مشاهده می کنید.


سؤال: تانل دیود چیست؟

تفاوت این دیود با دیود های عادی، در چگالی بالای ناخالصی در نیم رساناها است. سرعت قطع و وصل این دیود بسیار سریع است. این دیود در ولتاژهای خاصی دارای مقاومت منفی (به مقاومتی منفی می گویند که به مدار توان می دهد) است. تانل دیود را در نقشه های شماتیک با   نمایش می دهند که پایه ی کاتد و آند آن نیز در شکل مشخص است.


دیود های قدرت: این دیودها مانند دیودهای معمولی است با این تفاوت که این دیود ها می توانند گذر جریانی از 6 آمپر تا 250 آمپر را تحمّل کنند و اندازه این دیودها نسبت به دیود معمولی بسیار بسیار بزرگتر است. در این دیود ها جریان اشباع معکوس در حد mA است و ولتاژ شکست دیود قدرت از دیود معمولی بیشتر می باشد (حدود 1500V). در حالت بایاس مستقیم دیود قدرت حدود 2V افت ولتاژ بر روی آند-کاتدش ایجاد می شود.


دیود واراکتور: به دیودی که ظرفیت خازنی آن مورد استفاده قرار گیرد، دیود واراکتور می گویند. در این دیود با تغییر ولتاژ معکوس، ظرفیت خازنی اش تغییر می کند بنابراین به عنوان خازن متغیر با ولتاژ عمل می کند و کاربرد آن در تنظیم خودکار گیرنده های رادیویی است و محدوده ظرفیت این دیودها حدود 2500 پیکو فاراد است. دیود واراکتور را با   یا  نمایش می دهند که پایه ی کاتد و آند آن را در شکل مشاهده می کنید.


فتو دیود (Photo Diode): به دیودی می گویند که جریان اشباع معکوس با شدت نور تابیده شده به سطح آن تقریباً متناسب است. بنابراین از آن به عنوان آشکار ساز نوری استفاده می شود. فتو دیود به صورت معکوس در مدار قرار می گیرد. به فتو دیود، دیود نوری نیز می گویند (آن را با دیود نورانی LED اشتباه نگیرید چون به LED دیود نورانی می گویند و به فتو دیود، دیود نوری می گویند).

فتو دیود را در نقشه های شماتیک با  نمایش می دهند که پایه ی کاتد و آند آن را در شکل مشاهده می کنید.


نکته: در نقشه های شماتیک کلیّه ی دیودها را با نام D و فتودیود را با نام PD مشخص می کنند.

نکته: دیود ها انواع دیگری نیز دارند مانند دیود وارون، دیود گان، دیود پین و دیود لیزری.

نکته: هدف از سری کردن دیودها، افزایش ولتاژ شکست دیود و نیز هدف از موازی کردن دیودها، افزایش جریان عبوری از آنهاست.