مدارات مجتمع و ساختار نیمه رساناها،ترانزیستور ها

[Farzin2x]

با سلام و درود دوستان
بعد از اینکه کمی در انجمن جست و جو کردم متوجه شدم هیچ تاپیکی به مدارات مجتمع اختصاص داده نشده که جای تاسف دارد،پس تصمیم گرفتم که همچین تاپیکی را باز کنم.
دوستان حرفه ای و کسانی که در صنعت الکترونیک و رباتیک چیزی برای گفتن دارن،حالا وقتشه که هرچی در مورد آی سی میدونن بریزن بیرون،از تاریخچه ی آن ها تا روش ساخت و آنالیز دقیق آی سی های آنالوگ و دیجیتال.
لطفا از نوشتن مطلب در مورد برنامه نویسی خودداری کنید چون به اندازه ی کافی تاپیک برای برنامه نویسی وجود دارد.
لطفا از پایین بود سطح مطالب شکایت نکنید چون مطالب از حالت مقدماتی شروع و کم کم پیشرفته تر میشوند.
سعی کردم از کلمات جدید استفاده کنم و دلیل نبود عکس اینه که خواننده مطالب رو با هوش فضایی تجسم کند.
مطالب طوری هستن که از سطح یک دانش آموز پایه ششمم که فقط مقداری با الکترونیک آشناست شروع بشه و به سطح دانش آموز چهارم دبیرستان برسد.(تیزهوشان)
اگر نظر یا پیشنهادی یا انتقادی دارید لطفا بیان کنید
سعی میکنم که هر روز مطلب جدیدی بذارم.

 

[Farzin2x]

پاسخ : مدارات مجتمع

مدار مجتمع
مدار جتمع،یکپارچه،(آی سی)یاintergrated circuit ،وسیله ای است که زندگی ما رو بشدت تغییر داده،حالا چرا؟
اول یکم درمورد ترانزیستور و نیمه رسانا ها می گم.

تحولی که ترانزیستور به جود آورد قابل تصور نیست،این قطعه پای و اساس مدار مجتمع هست و کم کم 20 تا از اون ها در مدارهای مجتمع آنالوگ و بیش از 10 میلیون در پروسسور های کامپیوتر وجود دارد؛چرا اینقدر ترانزیستور؟ واضحه!!ترانزیستور توانی اینو داره به عنوان کلید،تقویت کننده ی جریان،خارن،مقاومت نقش ایفا کنه!!!! بجای یک دونه مقاومت چند تا ترانزیستور میشه گذاشت!!!گفتن دلیلش خارج از مطالب تاپیک هست ولی اینو بدونید که تمام این-ها بخاطر خواصیت عجیب نیمه رسانا ها هستن که بهش می پردازیم.
به عنوان حرف آخر در مورد ترانزیستور باید بدونید در یک مدار مجتمع از انواع ماسفت ها-نوعی ترانزیستور-و یا از ترانزیستور های دو قطبی*1 و یا ترانزیستور های اثر میدان استفاده میشود.

نیمه هادی یا نیمه رسانا:مواد بین هادی ها و غیر هادی ها که در گروه چهار اصلی چدول تناوبی جای دارند-خوبه که بدونید نیمه رساناها یک گرایش جدا در الکترونیک هستند-در لایه ی والانس*2این مواد چهار الکترون وجود دارد*3 خاصیت جالب این مواد در عبور جریان باعث شده در ساخت دیود و ترانزیستور و بدنه و پولک مدار مجتمع از آن استفاده شود.
اگر مطالب بیشتری در این خصوص می خواهید لطفا اطلاع بدید که بیشتر در مورد ترانزیستور و نیمه هادی ها بنویسم.
این مطالب گفتم که در آینده که به مباحث مربوط به ساخت ترانزیستوررسیدیم دچار مشکل نشویم ولی حالا میریم سراغ خود مدارهای مجنمع.
تاریخچه این قطعات به 50سال پیش میرسه که بشر سعی میکرد رایانه هارو :CPU (Central Processing Unit)
کوچکتر کند،این قطعه که در رایانه های امروزی بیشتر از 10میلیون ترانزیستور دارد و 3000نفر در شرکت اینتل سعی در طراحی مدل ها جدید آن را دارند مغز تمام سیستم های هوشمند و رایانه هاست.

این آی سی که جزء ساده ترین و در عین حال پر مصرفترین آی سی های دنیاست یک آی سی آنالوگ هست:IC555
و در حدود 20 ترانزیستور داره،در مورد این آیسی که خودش یه دنیا داره بعدا گفته میشه ولی دلیل بیان این آی سی در این جا اینه که از مدار داخل ااون در هرنوع آی سی بعد از اون استفاده شده .
خب تا الآن شناخت کافی از مدارات مجنمع داریم و می تونیم مباحث رو کمی پیشرفته تر کنیم.
تا الآن داشتم زمینه سازی میکردم و حالا بحث آی سی ها رو باز می کنیم.

*1:BJT
*2:لایه ظرفیت
*3:هادی ه او غیر هادی ها به ترتیب کم تر و بیشتر از4 الکترون در لایه ی ظرفیت خود دارند.

 

[Farzin2x]

پاسخ : مدارات مجتمع

​

مدار مجتمع
خب تا الآن در مورد مدارات مجتمع به انداره کافی پیش زمینه کسب کردیم.
شاید این سوال به وجود بیاد که آیا دردسر ساخت و طراحی یک آی سی ارزششو داره؟جواب بله هست زیرا در تولید انبوه قیمت تمام شده بسیار پایین تر است به علاوه:
1) سرعت افزایش و زمان پاسخ دهی به سیگنال کاهش می یابد.
2) به دلیل اینکه لحیم کاری وجود ندارد اتصالات مطمئن تر هستند.
3) قطعات در محل بسیار کوچکتری جا میشوند که از لحاظ اقتصادی و پیچیدگی و همچنین حمل نقل مدار بسیار مقرون به صرفه است.*1
یعنی کلا مدارهای مجتمع خیلی بدرد بخورن.
مدارهای مجتمع به دو دسته ی(خطی)و(دیجیتال) تقسیم میشوند.

مدار مجتمع خطی:
این آی سی ها شامل تمام آی سی های راه اندازی موتور و تقویت حریان بصورت ساده یا عملیاتی

مدار مجتمع دیجیتال:
این آی سی ها تمام(سی پی یو)ها و آی سی های حافظه*2و مدار های منطقی*3 میشود.

*:1در واقع اجزای داخلی آی سی خیلی کوچکتر از چیزی هست که ما از بیرون می بینیم.
*2:ROM(Read only memory) *3:logical gete بعدا توضیح داداه میشود

 

[Farzin2x]

پاسخ : مدارات مجتمع و ساختار نیمه رساناها

نیمه هادی ها​

نیمه هادی ها نقش مهمی در پیشرفت الکترونیک داشتند که یکی از این پیشرفت ها اختراع رایانه بود؛از این مواد در دیود-ها،ترانزیستورها و مدارهای مجتمع استفاده می شود.

آشنایی با نیمه رسانا ها واستفاده از آن ها بخش بسیار بسیار مهمی از طراحی و ساخت یک مدار مجتمع و همچنین فهم الکترونیک می باشد.
نیمه رسانا ها در باند آخر خود 4 الکترون دارند و در گروه 4 اصلی از جدولی تناوبی قرار دارند،نیمه رسانا ها به خودی خود عایق هستند ولی افزودن مقدار کمی از عناصر گروه های کناری مانند گروه سه و گروه پنج که عناصرشان به ترتیب 3 و 5 الکترون در مدار آخر خود دارند آن ها به موادی با خاصیت هدایت جریان الکتریکی مابین عایق ها و هادی ها تبدیل می شوند؛اینکه نیمه رساناها چگونه کار می کنند رو در مطالب بعدی و در بحث ماسفت ها بیان می کنم.
دلیل اینکه نیمه رسانا ها خاصیت هدایت جریان پیدا می کنند به کاهش( باند ممنوع) در سطوح انرژی آن هاست که مربوط به رشته ی برق می شود و از مطالب ما خارج است.
بهتر است بدانید که کریستال نیمه هادی ها در دمای صفر مطلق عایق است و الکترون آزاد ندارد!!!!
دلیلش این است بین اتماهای نیمه رسانا پیوند اشتراکی برقرار است.
اگر از مواد گروه 5 مانند آرسنیک به مواد گروه 4 که نیمه رسانا هستند مانند ژرمانیوم به مقدار%001/0 اضافه شود رسانایی آن 10هزار برابر می شود!!!!!!!!چرا؟
زیرا 5 الکترون باند آخر آرسنیک با 4 اتم مجاور خود پیوند اشتراکی برقرار می کند و آخرین الکترون به عنوان الکترون آزاد رها می شود،به این ماده که دارای الکترون آزاد زیاد،حفره های کم*1 است نیمه هادی نوع(N)می گویند.*2
حالا اگر مواد گروه 4 با گروه 3 ترکیب شوند سه الکترون ماده گروه3 با سه اتم مجاور پیوند اشتراکی برقرار می کند و پیوند چهارم بدون الکترون باقی می ماند-یعنی حفره-پس حفره ها زیاد و الکترون های آزاد کم یعنی نیمه هادی نوع(P)*3.
فردا بحث نیمه رسانا ها ادامه می دیم و کمی در مورد دیود صحبت می کنیم و سپس به ماسفت ها می پردازیم.

*1:حفره به معنا کمبود الکترون در مدارهای عناصر سازنده ی ماده هست.
*2:این نیمه هادی تمایل به دادن الکترون به دلبل زیاد بود الکترون آزاد دارد دارد پس منفی یا( Negative)
*3: این نیمه هادی تمایل به گرفتن الکترون برای پر کردن حفره ها دارد دارد پس مثبت یا Possitive))

 

[Farzin2x]

پاسخ : مدارات مجتمع و ساختار نیمه رساناها

اتصالPN(دیود)​

اگر نیمه هادی نوع N را با نیمه هادی نوعP اتصال دهیم دیود به وجود می آید.در دیود نیمه هادیN کاتود و P آند است. روش کار دیود به صورت زیره.
در محل اتصال دو نیمه هادی الکترون های موجود در نوعNجذب حفره ها می شن؛یعنی در محل اتصال نیمه هادی ها نه الکترون آزاد و نه حفره ای وجود دارد،به این محل ناحیه ی تخیله می گن و در این مکان یون های مثبت و منفی پیدا می شود در حالی که در نقاط دیگر دیود یونی وجود نداره.
مثل خازن در دیود نیمه هادی ها جوشن ها حساب می شن و به اختلاف پتانسیلی که بین آن ها به وجود می آید اختلاف پتانسیل <<سد>> می گن که تو دیودهای سیلیسیوم7/0 و در دیود های ژرمانیوم25/0 هست.
در دیود جهت میدان از N به P هست و اگر دیود در بایاس مستقیم قرار بگیره عرض ناحیه ی تخلیه کم می شه،الکترون های آزاد از N حرکت و بعد از عبور از ناحیه ی پیوند و نیمه هادی P به قطب مثبت باتری می رسن،حفره ها هم در جهت معکوس الکترونها در حرکتن پس جریان در دیود برقرا میشه.
اگر دیود در بایاس معکوس قرار بگیره الکترونهای آزاد جذب قطب مثبت و حفره ها جذب قطب منفی میشن و همچنین عرض ناحیه ی تخلیه هم زیاد میشه و جریان در دیود برقرار میشه.

ترانزیستورها​

به اندازه ی کافی درموردشون اطلاعات داریم فقط اینجا به چگونگی کار یک pnp و یک ترانزیستور اثر میدان پی می بریم.
اگر pnp در بایاس مستقیم-یعنی امیتر به مثبت،کلکتور به منفی،بیس به مثبت و منفی-باشد این اتفاقات می افتد(با فرض اینکه در مورد اندازه ی نیمه هادی ها و خالصیتشون در ترانزیستور می دونید):
1)الکترون های بیس نمی تونن با حفرهای کلکتور یا امتر ادغام شن پس مشکلی ایجاد نمیکنن
2)حفره ها از امیتر حرکت و از لایه ی نازک بیس گذشته و به کلکتور می رسن،در این بین الکترون های آزاد بیس و کلکتور هم گیر میندازن
3)یون ها از کلکتور به مثبت باطری برمیگردن و دوباره شارش پیدا میکنن.
خیلی خلاصه کردن چون میدونم که می دونید ترانزیستور چطوری کار میکنه،ولی برای توضیحات بیشتر به این جا مراجعه کنید:
https://www.youtube.com/watch?v=FODFowmDfvY
ماسفت ها هم بعدن توضیح میدم