نظریه نیمرسانا (بخش نخست)

1 بیان ساده شده نظریه نیمرسانا
نیمرسانا ماده ای است که مقاومت ویژه آن خیلی کمتر از مقاومت ویژه عایق و در عین حال خیلی بیشتر از مقاومت ویژه رساناست، و مقاومت ویژه اش با افزایش دما کاستی می پذیرد. مثلا، مقاومت ویژه مس 8-10اهم – متر کوا رتز1012 اهم – متر، و مقاومت ویژه مواد نیمرسانای، یعنی سیلیسیم 5/ . اهم- متر و از آن ژرمانیم 2300 اهم -متر در دمای c27 است. برای درک عملکرد نیمرسانا ها و ابزار نیمرسانا، قدری آشنایی با مفاهیم اساسی ساختار اتمی ماده ضروری است.
2 دیودهای نیمرسانا
ساختمان
دیود نیمرسانا وسیله ای است که در مقابل عبور جریان، در یک جهت مقاومت زیاد و در جهت دیگر مقاومت کمی برو ز می دهد. دیود را به طور گستردهای و برای اهداف گوناگون در مدارهای الکترونیکی به کار می گیرند و اساساً شامل یک پیوند p-n است که از بلور سیلیسیوم و یا ژرمانیم تشکیل می شود. (شکل ب) نماد دیود نیمرسانا در شکل الف نموده شده است.

جهتی که دیود در مقابل عبور جریان مخالفت کمی بروز می دهد با سر پیکان نشان داده شده است.
دیود نیمر سانا نسبت به دیود گرما یونی از مزایای زیادی برخوردار است، این دیود به منبع گرم کن نیاز ندارد، بسیار کوچک تر و سبک تر است ، و قابلیت اطمینان بسیار بیشتری دارد.
ژرمانیم یا سیلیسیمی که در ساخت دیود نیمرسانا به کار می رود باید ابتدا تا رسیدن به غلظت نا خالصی کمتر از یک جزء در 10 10 جزء پالوده شود. سپس اتمهای ناخالصی مطلوب، بخشنده ها یا پذیرنده ها، به مقادیر مورد لزوم اضافه شده و ماده به شکل یک تک بلور ساخته می شود.
برای ساختن پولک ژرمانیم نوع n مقداری ژرمانیم ذاتی را با کمی ناخالصی در یک بوته ودر خلأ ذوب می کنند، ویک بلور هسته را تا عمق چند میلیمتری در مذاب فرو می برند. دمای ژرمانیم مذاب درست بالای نقطه ذوب بلور هسته قرار دارد، و چند میلیمتری از هسته غوطه ور در مذاب نیز ذوب می شود. این هسته با سرعت ثابتی چرخانده می شود و همزمان به آرامی از مذاب بیرون کشیده می شود، بدین سان یک بلور نوع n تشکیل شده است. با کنترل دقیق این فرایند می توان به غلظت نا خالصی مورد نیاز دست یافت.
قرصی از ایندیم در یک پولک ژرمانیم قرار می دهند و به آن دمای با لاتر از نقطه ذوب ایندیم ولی پایین تراز نقطه ذوب ژرمانیم حرارت داده می شود. اينديم ذوب مي شود و ژرمانيم را حل مي كند تا اينكه محلول اشباح شده از ژرمانيم در اينديم به دست آيد. سپس پولك به آرامي سرد مي شود و در خلال سرد شدن يك ناحيه ژرمانيم نوع p در پولك توليد شده و آلياژي از ژرمانيم و اينديم (عمدتاً اينديم) در پولك ته نشين مي شود. پيوند p-n آلياژ سيليسيم را نيز مي توان با همين روش و با بكارگيري آلومينيوم به عنوان پذيرنده، تشكيل داد.
ژرمانيم نوع p تا دماي خيلي نزديك به نقطه ذوب ژرمانيم گرم مي شود، و پيرامون آن را عنصر بخشنده آنتيموان كه گازي شكل است فرا مي گيرد. اتم هاي آنتيموان در ژرمانيم پخش مي شود تا يك ناحيه نوع nرا توليد كند. اگر از يك بلور نوع n استفاده شود، گاليوم گازي شكل به عنوان عنصر پذيرنده براي تهيه ناحيه نوع p در بلور بكار مي رود. وقتي قرار است وسيله اي سيليسيمي ساخته شود، از بور به عنوان عنصر پذيرنده و از فسفر به عنوان عنصر بخشنده استفاده مي شود.
ديود پيوندي شامل بلوري است كه هم داراي ناحيه نوع p و هم ناحيه نوع n است. ديود هاي پيوندي يا از ژرمانيم ساخته مي شود و يا از سيليسيم، اولي داراي مزيت مقاومت مستقيم كمتر و دومي از مزيت داشتن ولتاژ شكست بيشتر و جريان اشباع معكوس كمتر برخوردار است. اتصال به پيوند با سيمهايي كه به هر يك از اين دو ناحيه وصل شده، برقرار مي شود. معمولاً براي جلوگيري از نفوذ رطوبت كل وسيله را در محفظه اي بسته قرار مي دهند.

ديودهاي اتصال- نقطه اي
اصولاً ديود اتصال- نقطه اي از يك قرص ژرمانيم نوع n كه نوك يا سبيلهايش، از سيم تنگستني است و بر رويه آن فشرده مي شود، تشكيل يافته است. اتصال به سبيل از طريق دو سيم مسي انجام مي شود در خلال ساخت ديود اتصال- نقطه اي، يك تپ جريان از ديود عبور مي كند و باعث مي شود كه در مساحتي از قرص و درست در مجاورت نوك سبيل يك ناحيه نوع p تشكيل شود. در اين حالت پيوند n-p كه ظرفيت در قرص ايجاد شده است.
انواع ديودها و كاربرد آن ها
پارامترهاي مهم ديودهاي نيمرسانا عبارتند از :
1- مقاومت هاي a.c. مستقيم و معكوس.
2- جريان مستقيم حداكثر.
3- ظرفيت پيوند.
4- فعاليت در ناحيه شكست.
انواع اصلي ديود كه در مدارهاي الكترونيكي جديد بكار مي روند، عبارتند از :
1- ديودهاي سيگنالي.
2- ديودهاي توان.
3- ديودهاي زنر.
4- ديودهاي با طرفيت متغير (وركتور).
1. ديودهاي سيگنالي
اصطلاح ديود سيگنالي تمامي ديودهايي را در بر مي گيرد كه در مدارهايي كه مقادير اسمي زياد جريان يا ولتاژ نياز نيست بكار مي روند. شرايط معمولي عبارتند از نسبت بزرگ مقاومت معكوس به مقاومت مستقيم و حداقل ظرفيت پيوند. برخي ديودهاي موجود در بازار از انواعي هستند كه كاربردهاي آن دارند، ديودهاي ديگري از اين نوع يافت مي شوند كه كاربردهاي مداري خاص، مثلاً، آشكار ساز، امواج راديويي، يا كليدالكترونيكي در مدارهاي منطقي بسيار مناسبند. حداكثر ولتاژ معكوس، يا ولتاژ معكوس قله، كه معمولاً از ديود انتظار ارائه آن مي رود معمولاً خيلي بالا نيست، حداكثر جريان مستقيم هم بالا نيست. بيشتر انواع ديود سيگنالي داراي ولتاژ معكوس قله اي در گستره v30 تا v 150 و حداكثر جريان مستقيم در حدود بين 40 وmA250 است. ولي اخيراً مي توان به مقادير بالاتري دست يافت.
2. ديودهاي توان
ديودهاي توان را غالباً براي تبديل جريان متفاوب به جريان مستقيم، مانند يك سوسازها، بكار مي برند. پارامترهاي مهم ديود توان عبارتد از ولتاژ معكوس قله، حداكثر جريان مستقيم و نسبت مقاومت. ولتاژ معكوس قله احتمالاً دست در گستره V50 تا V1000 است با حداكثر جريان مستقيم كه شايد A30 است. مقاومت مستقيم بايد تا حد امكان پايين باشد تا از افت چشمگيري در ولتاژ دو سر ديود وقتي كه جريان مستقيم زيادي جريان دارد جلوگيري مي كند؛ معمولاً اين مقاومت خيلي بيشتر از يك يا دو اهم نيست.
3. ديودهاي زنر
جريان معكوس بزرگي كه در هنكام در گذشتن ولتاژ دو سر ديود از ولتاژ شكست ديود، جاري مي شود لزوماً نبايد باعث آسيب رساندن به وسيله شود.
ديود زنر چنان ساخته شده است كه به آن امكان مي دهد در بدون خراب شدن، در ناحيه شكست كار كند، به شرط آن كه جريان از طريق مقاومت خارجي به يك مقدار مجاز محدود شود. جريان زياد در ولتاژ شكست يا دو عامل، به نام اثر زنر و اثر بهمني، فراهم مي آيد در ولتاژهايي تا حدود V5 ميدان الكتريكي نزديك به پيوند چندان شديد است كه مي تواند الكترونها را از پيوند كوالانسي كه اتم ها را كنار هم نگاه مي دارد بيرون بكشد. زوجهاي حفره- الكترونهاي اضافي توليد مي شوند و اين زوج ها براي افزودن جريان معكوس در دسترسند. اين اثر ر ا اثر زنر مي نامند.
اثر بهمني وقتي پيش مي آيد كه ولتاژ پيش ولت مخالف بيش از V5 يا در همين حدود باشد. سرعت حركت حاملين بار از ميان شبكه بلور چندان افزايش مي يابد كه اين بارها به اندازه كافي داراي انرژي جنبشي شوند كه اتم ها را در اثر برخورد يونيده كنند. اتمي را يونيده گويند كه يكي از الكترونهاي خود را ازدست داده باشد. بدين سان حاملين بار اضافي توليد شده از ميان شبكه بلور عبور مي كنند و ممكن است با ساير اتم ها نيز برخورد كرده و حتي از طريق يونش حاملين بيشتري ايجاد كنند. در اين روش تعداد حاملين بار، و در نتيجه جريان معكوس، به سرعت افزايش مي يابد.
ديودهاي زنر با ولتاژهاي مرجع استاندارد شده متعددي قابل دسترسند. مثلاً، مي توان بهديود زنري با يك ولتاژ (شكست) مرجع V2/8 دست يافته. نام ديگر اين وسيله ديود مرجع ولتاژ است. رايج ترين كاربرد ديود زنر در مدارهاي پايدارنده ولتاژ است اين نوع ديود را به عنوان مرجع ولتاژ نيز بكار مي برند.
3 ترانزيستور
انواع ترانزيستور
ترانزيستور وسيله اي نيمرساناست كه مي تواند سيگنال الكتريكي را تقويت كند، به عنوان كليد الكترونيكي عمل كند، و عملكردهاي متعدد ديگري داشته باشد. اساساً ترانزيستور شامل يك بلور ژرمانيم يا سيليسيم و حاوي سه ناحيه مجزا است. اين سه ناحيه ممكن است دو ناحيه نوع p باشد كه يك ناحيه نوع n از آنها را جدا كرده است يا دو ناحيه نوع n كه با يك ناحيه نوع p از هم جدا شده اند. نوع اول، ترانزيستور p-n-p و نوع دوم ترانزيستور نوع n-p-n است، كاربرد اين هر دو نوع ترانزيستور متداول است، و گاهي هم هردو در يك مدار واحد مورد استفاده قرار مي گيرند، ولي بحث ما در اين فصل درباره ترانزيستور نوع p-n-p است. اما براي عملكرد مربوط به ترانزيستور n-p-n لازم است حفره را به جاي الكترون، الكترون را به حاي حفره، منفي را به جاي مثبت و مثبت را به جاي منفي بخوانيم.
ميانه سه ناحيه ترانزيستور بيس (پايه) و دو ناحيه بيروني اميتر (گسيلنده) و كلكتور گردآور ناميده مي شود. در اغلب ترانزيستورها ناحيه كلكتور از نظر فيزيكي بزرگتر از ناحيه اميتر ساخته مي شود، چون انتظار مي رود ناحيه توان بيشتري را تلف كند. نماد ترانزيستور p-n-p در شكل(الف) و نماد ترانزيستور در شكل (ب) نموده شده است. توجه كنيد كه سر پيكان سيم اميتر در دو شكل با جهتهاي مختلفي نشان داده شده است، كه در ترانزيستور n-p-n به خارج نشانه رفته اند. بزودي مشخص خواهد شد كه سر پيكان جهت حركت حفره ها را در داخل اميتر نشان مي دهند.
ترانزيستورها نسبت به لامپ هاي گرمايوني مزاياي زيادي دارند؛ شايد مهم ترين امتياز اين است كه ترانزيستورها نسبت به لامپ گرمايوني، پيش از شروع به كار نياز به منبع تواني براي گرم شدن ندارد. همين نكته باعث مي شود كه وسيله هاي ترانزيستوري بعد از وصل شدن كليد خيلي سريع تر از وسيله لامپي شروع به كار مي كند. مصرف توان نيز در اين حالت بسيار كمتر است و اين موضوع مخصوصاً براي تجهيزات بزرگ مانند كامپيوتر از اهميت زيادي برخوردار است. مزاياي ديگر ترانزيستور، اندازه كوچك تر آنها، ولتاژ كاركرد بسيار پايين و پايداري بهترشان است.

طرز كار ترانزيستور
ترانزيستور p-n-p شامل دوپيوند p-n است و معمولاً طوري كا ر مي كند كه يك پيوند، پيوند اميتر- بيس با پيش ولت موافق، و ديگري، پيوند كلكتور – بيس، با پيش ولت مخالف است. اين نكته را همراه با جهت جريانهاي گوناگوني از ترانزيستور مي گذرند. قرارداد متداولي كه بنا بر آن جهت جريان مخالف جهت حركت الكترونهاست به كار گرفته شده است.
توجه كنيد كه، در ابندا، ولتاژ اميتر- بيس، Eeb ، صفر است بنابراين اين جريان حامل بار اكثريتي كه از پيوند اميتر- بيس مي گذرد برابر است با جريان حامل باراقليتي جاري جهت مخالف و جريان خالص پيوند صفر است. پيوند كلكتور- بيس به وسيله ولتاژ پيش ولت Eeb به پيش ولت معكوس تبديل مي شود و از اين رو يك جريان حامل بار اقليتي از سيم كلكتور مي گذرد. اين جريان، جريان اشباع معكوس است كه در فصل پيش مورد بحث قرار گرفت ولي اكنون جريان نشتي كلكتور ناميده شده با نماد ICBO نموده مي شود.
اگر ولتاژ پيش ولت اميتر – بيس در جهت مثبت به اندازه چند دهم ولت افزايش يابد، پيوند اميتر- بيس با پيش ولت موافق بوده و يك جريان حامل بار اكثريتي جاري مي شود. اين جريان شامل حركت انقالي حفره ها از اميتر به بيس و گذر الكترونها از بيس به اميتر است. فقط جريان حفره ها براي كار ترانزيستور مفيد است، كه اين نكته بزودي روشن خواهد شد، و بنابراين از طريق آلايش بيس، كه خيلي دقيق تر از آلايشي است كه در اميتر انجام مي گيرد، اين جريان را از جريان الكترون خيلي بيشتر مي كنند. نسبت جريان حفره به كل جريان اميتر را نسبت تزريق اميتر يا كارايي اميتر مي نامند، و با نماد نشان مي دهند. معمولاً، تقرباً برابر 995/0 است و به اين معناست كه فقط 5/0% جريان اميتر شامل عبور الكترون از بيس به اميتر است.
حفره ها فوراً ازپيوند اميتر- بيس مي گذرند، و گفته مي شود كه به درون بيس گسيليده يا تزريق شده اند، و به حاملين بار اقليتي تبديل شده و پخش شدن در عرض بيس به سوي پيوند بيس- كلكتور را آغاز مي كنند. از آنجا كه بيس بسيار باريك بوده و نيز رقيق آلاييده شده است، اكثر حفره هاي گسيليده به پيوند كلكتور- بيس مي رسند و بار الكترون آزاد بر سر راه خود باز تركيب نمي شوند. حفره هاي گسيليده با رسيدن به پيوند، جريان حامل بار اقليتي را افزايش داده و از پيوند عبور كرده و ماية افزايش جريان كلكتور مي شود. نسبت تعداد حفرههاي وارده به كلكتور به تعداد حفره هاي گسيليده عامل انتقال بيس، با نماد β، ناميده مي شود. معمولاً: 995/0=β.
1- جريان كلكتور كمتر از جريان اميتر است زيرا: (الف) بخشي از جريان اميتر شامل الكترونهايي است كه در جريان كلكتور شركت ندارند و (ب) تمام حفره هاي تزريق شده به بيس موفق نمي شوندبه كلكتور برسند. عامل (الف) با نسبت تزريق اميتر و عامل (ب) با ضريب انتقال بيس نموده مي شود؛ بدين سان نسبت جريان كلكتور به جران اميتر برابر است با γβ با نشاندن مقادير معمولي ذكر شده براي γ و β روشن مي شود كه معمولاً، جريان كلكتور تقريباً 99/0 برابر جريان اميتر است.
2- جريان بيس كوچك بوده و سه مؤلفه دارد: (الف) يك جريان الكترون ورودي به بيس براي نشاندن حفره هاي پخش به جاي الكترونهاي از دست رفته از طريق تركيب مجدد، (ب) جريان الكترون حامل بار اكثريتي جاري شده از بيس به اميتر، و (ج) جريان نشتي كلكتور، ICBO. دو مؤلفه اول جريانهايي هستند كه به خارج از بيس جاري شده و روي هم رفته از ICBO كه به داخل بيس جاري مي شود بزرگتر است، از اينرو كل جريان بيس، به خارج از بيس جاري مي شود. كل جريان جاري شده به درون ترانزيستور بايد برابر كل جريان خارج شده از آن باشد و از اينرو جريان اميتر، IE ، برابر است با مجموع جريانهاي كلكتور و بيس، به ترتيب Ic و Ib .
3- اگر جريان اميتر به هر وسيله اي تغيير كند، تعداد حفره هاي ورودي به كلكتور، و در نتيجه جريان كلكتور و نيز به همان ترتيب تغيير مي كند. مقدار ولتاژ كلكتور- بيس، Vcb تأثير نسبتاً ناچيزي بر جريان كلكتور دارد، كه به زودي به اين، نكته خواهيم رسيد. بنابراين، كنترل جريان خروجي (كلكتور) را مي توان از طريق جريان ورودي به اميتر انجام داد و اين جريان نيز به نوبه خود، مي تواند با تغيير ولتاژ پيش ولت اعمال شده به پيوند اميتر- بيس كنترل شود. افزايش ولتاژ پيش ولت (كه در جهت مستقيم است) ارتفاع سد پتانسيل را كاهش داده و جاري شدن جريان اميتر بيشتر را ممكن مي كند؛ برعكس، كاهش ولتاژ پيش ولت جريان اميتر را كاهش مي دهد.
4- نسبت جريان خروجي ترانزيستور به جريان ورودي آن در غياب يك سيگنال a.c. بهره جريان D.C. ترانزيستور ناميده مي شود. در بحث پيشين جريان خروجي جريان كلكتور، Ic ، و جريان ورودي جريان اميتر، Ie، بوده است.
علامت منفي نشانه اين است كه جريانهاي ورودي و خروجي در جهت هاي مخالف جاري مي شوند. بنابر قرارداد، جرياني كه به ترانزيستور وارد مي شود مثبت و جرياني كه از آن خارج مي شود منفي است. از آنجا كه كار ترانزيستور به حركت حفره ها و الكترونها، هر دو، بستگي دارد در واقع بايد اين وسيله را «ترانزيستور دو قطبي» ناميد.
5- ترانزيستور را مي توان به يكي از سه روشي در يك مدار وصل كردكه در هر حالت يك الكترود در ورودي و خروجي مشترك است. از اين رو چنين اتصالي به نام الكترود مشترك توصيف مي شود؛ مثلاً، در اتصال بيس- مشترك، بيس هم در ورودي و هم در خروجي مشترك است، سيگنال ورودي بين اميتر و بيس تغذيه مي شود، و سيگنال خروجي بين كلكتور و بيس ظاهر مي شود. در تمام اتصالات، پيوند بيس- اميتر همواره با پيش ولت موافق و پيوند كلكتور – بيس پيوسته با پيش ولت مخالف است.
اتصال بيس- مشترك
آرايشي اساسي اتصال (يا پيكر بندي) بيس- مشترك ترانزيستور داراي منبع تغذيه متناوب نيروي محركه الكتريكي با (e.m.f.) برابر Es ولت مقدار مؤثر (r.m.s) و مقاومت داخلي Rs اهم است كه به دو سر ورودي آن وصل شده است. منبع تغذيه متناوب با ولتاژ اميتر- بيس، Eeb به طور متوالي اتصال دارد و پيش ولت موافق اعمال شده به پيوند اميتر- بيس را تغييرمي دهد.
در خلال نيم چرخه هاي مثبت e.m.f. منبع تغذيه، پيش ولت موافق اعمال شده به پيوند افزايش مي يابد، سد پتانسيل كاهش يافته و جريان افزايشي اميتر در ترانزيستور جاري مي شود. بر عكس، در خلال نيم چرخه هاي منفي جريان اميتر كاهش مي يابد و به اين ترتيب مايه تغيير جريان كلكتور بر طبق شكل موج منبع متناوب مي شود. باتري پيش ولت كلكتور- بيس، Ecb ، مقاومت داخلي ناچيزي دارد و بنابراين ولتاژ كلكتور- بيس با تغيير جريان كلكتور ثابت مي ماند. تا آنجا كه به جريانهاي متناوب مربوط است، مدار كلكتور- را مدار اتصال كوتاه مي گويند.
در يك مدار تقويت كننده بيس – مشترك يك پارامتر مهم بهره جريان مدر اتصال كوتاه ترانزيستور با نماد hfb است. بهره جريان مدار اتصال كوتاه به صورت نسبت تغيير جريان كلكتور به تغيير جريان اميتر توليد كننده ان تعريف مي شود.
بهره جريان مدار اتصال كوتاه به اين جهت تصريح مي شود كه تحليل نشان مي دهد كه بهره جريان تابعي است از مقدار مقاومتي كه در مدار كلكتور قرار مي گيرد. اما، براي مدار بيس- مشترك، اختلاف بين بهره جريان مدار اتصال كوتاه و بهره جريان براي هر مقاومت بار كلكتور ويژه به ازاي تمام مقادير مقاومت به كار رفته در مدارهاي عملي بسيار كوچك بوده و در اين كتاب از آن چشم مي پوشيم.
پيونداميتر – بيس به وسيله باتري Ebe با پيش ولت موافق بوده و پيوند كلكتور – بيس از طريق پتانسيلي برابر (Ebe – Ece) با پيش ولت مخالف است. اما، چون ولتاژ باتري پيش ولت كلكتور – اميتر Ece بسيار بزرگتر از ولتاژ پيش ولت اميتر- بيس Ebe است، ولتاژ پيش ولت مخالف را مي توان صرفاً برابر Ece ولت گرفت.
وقتي كه ترانزيستوري با اين روش وصل شده باشد، جريان ورودي همان جريان بيس است و ديگر مانند پيش جريان اميتر نخواهد بود. در خلال نيم چرخه هاي منفي ولتاژ سيگنال ورودي Es ، پيش ولت موافق پيوند اميتر- بيس افزايش مي يابد، و بدينسان جريان اميتر، Ie، به اندازه Ic δ افزايش پيدا مي كند. جريان كلكتور نيز به اندازه= hfbΔie Ic δ فزوني مي گيرد.
مشخصه هاي ايستايي ترانزيستور
نمودارهاي جريان- ولتاژ زيادي براي مطالعه طرز كار ترانزيستور در مدار در دسترسند. منحنيهاي حاصل كه منحني هاي مشخه ايستايي نام دارند، اطلاعاتي را درباره مقدار جريان جاري به داخل يا به خارج از الكترود به ازاي هر جريان مشخص جاري به داخل يا به خارج از الكترود ديگر و يا ولتاژ مشخصي بين دو الكترود بدست مي دهند. براي هر مدار مي توان 4 مجموعه منحني مشخصه رسم كرد: (الف) مشخصه ورودي (ب) مشخصه انتقال، (ج) مشخصه خروجي، و (د) مشخصه متقابل. ولي، در اين كتاب مشخصه مدار كلكتور – مشترك مورد بحث قرار نمي گيرد.
مشخصه استايي بيس- مشترك
روش تعيين مشخصه هاي ايستايي ترانزيستور اينست كه ترانزيستور را به يك مدار مناسب ببنديم و سپس جريان ها و يا ولتاژهاي مناسب را در چند مرحله جداگانه تغيير دهيم، و مقادير متناظر ساير جريانها را در هر مرحله يادداشت كنيم.
جريانهاي كلكتور و بيس جاري به خارج از ترانزيستوراند و در اين صورت بنا به تعريف منفي نشان داده مي شوند؛ جريان اميتر جاري به داخل ترانزيستور نشان داده شده و بايد مثبت گرفته شود. اگر قرار باشد مشخصه هاي ترانزيستور n-p-n را اندازه گيري كنيم، بايد قطبيت دو باطري وارونه شود.

مشخصه خروجي بيس – مشترك
مشخصه خروجي نحوه تغيير جريان كلكتور را نسبت به تغيير ولتاژ كلكتور- بيس باثابت نگاه داشتن جريان اميتر نشان مي دهد. جريان اميتر در يك مقدار كم مناسب نگاه داشته مي شود و ولتاژ كلكتور بيس در چندين مرحله مجزا از صفر افزايش مي يابد و در هر مرحله جرياني كه از كلكتور مي گذرد يادداشت مي شود. آنگاه ولتاژ كلكتور- بيس را به صفر برمي گردانند و جريان اميتر را تا مقدار مناسب ديگري افزايش مي دهند و همين روش كار را تكرار مي كنند. در اين روش مي توان به يك خانواده كامل منحني هاي مربوط به جريان كلكتور برحسب ولتاژ كلكتور- بيس دست يافت. مشخصه هاي خروجي ترانزيستور n-p-n شكل مشابهي دارند ولي در انها هم Ic و هم Vce مثبت است.
عكس شيب مخصه خروجي ، مقاومت خروجي ترانزيستور را بدست مي دهد، در صورتي كه دو سر ورودي، در نقطه اي كه اندازه گيري انجام مي شود، به جريان متناوب مدار باز شده باشد. مقاومت خروجي مدار باز از خاصيت هاي ترانزيستور است: وقتي سيگنالي به دو سر خروجي اعمال مي شود مقاومت خروجي به مقاومت منبع سيگنال وابسته است. چون منحني ها در قسمت عمده طولشان خطي هستند، مقاومت خروجي نسبتاً ثابت است، و چون منحني ها تقريباً موازي محور ولتاژ كلكتور، بيس هستند مقاومت خروجي خيلي زياد، و از مرتبه kΩ 100 يا بيشتر است.
مي توان ملاحظه كرد كه وقتي ولتاژ كلكتور- 20 به صفر كاهش داده شده است، هنوز مقداري از جريان كلكتور جاري است. دليل اين امر آن است كه سد پتانسيل دو سر پيوند كلكتور- بيس بايد قبل از اينكه جريان كلكتور متوقف شود، تا صفر كاهش پيدا كند (چرا كه سد پتانسيل) به عبور حاملين بار اقلييتي كمك مي كند). يكي ديگر از جنبه هاي مهم منحني مشخصه، جريان كلكتور است كه به ازاي تمام مقادير منحني ولتاژ كلكتور – بيس وقتي جريان اميتر صفر باشد، جريان پيدا مي كند. اين جريان‌، جريان حامل بار اقليتي است كه پيوند كلكتور- بيس عبور مي كند ( شبيه به جريان اشباع معكوس در يك ديود پيوندي ) و جريان نشستي كلكتور با نماد ICBO نام دارد.
بهره جريان اتصال كوتاه hfb ترانزيستور را مي توان از مشخصه خروجي براورد كرد زيرا تعيين تغيير جريان كلكتور حاصل از تغيير جريان اميتر، براي يك مقدار ثابت ولتاژ كلكتور – بيس، كار ساده اي است بدين سان، وقتي كه جريان اميتر از 5mA تا 7mA تغيير مي كند، جريان كلكتور از 4/9mA تا 6/8mA تغيير مي يابد و از اينرو hfb برابر2/9/1 يا 95/0 مي شود. از ‌آنجا كه بهره جريان كمتر از واحد است و مقاومت ظاهري ورودي و خروجي خيلي باهم فرق دارند، اتصال بيس- مشترك براي مدارهاي بسامد شنيداري به ندرت بكار مي رود.
مشخصه ايستايي اميتر- مشترك
براي تعيين مشخصه ايستايي ترانزيستوري كه به شكل اميتر- مشترك بسته شده است، ترانزيستور بايد با اميتر- مشترك در مدار بسته شود؛ تنها تغييراتي كه در مدار لازم است صورت گيرد حذف ميلي آمپرسنج از مدار اميتر و قراردادن يك ميكروآمپرسنج در مدار بيس است.
الف- مشخصه ورودي اميتر- مشترك
مشخصه ورودي چگونگي تغييرات جريان بيس نسبت به تغييرات ولتاژ بيس – اميتر را، در حالي كه ولتاژ كلكتور اميتر ثابت است، نشان مي دهد. روش تعيين مشخصه ورودي اين است كه ولتاژ كلكتور- ايمتر را در يك مقدار مناسب ثبت نگاه دارند و ولتاژ بيس- اميتر را در مرحله اي جداگانه افزايش دهند و در هر مرحله جريان بيس را يادداشت كنند. هيمن روش مجدداً براي مقدار ثابت اما متفاوتي از ولتاژ كلكتور- اميتر Vce تكرار مي شود، چون تغيير اين ولتاژ بر منحني مشخصه ورودي اثر مي گذارد.
ب- مشخصه انتقالي جريان اميتر – مشترك
مشخصه انتقالي چگونگي تغييرات جريان كلكتور نسبت به تغييرات جريان بيس را، در حالي كه ولتاژ كلكتور- اميتر ثابت نگاه داشته شده است، نشان مي دهد. براي اين اندازه گيري ولتاژ كلكتور- اميتر ثابت نگاه داشته شده و جريان بيس در چندين مرحله مجزا افزايش داده مي شود و در هر مرحله جريان كلكتور را يادداشت مي كنند. سرانجام نموداري از تغيير جريان كلكتور بر حسب جريان بيس رسم مي شود. از آنجاكه مشخصه انتقالي از مقدار ولتاژ كلكتور – اميتور مستقل نيست، شيوه كار براي تعدادي از ولتاژهاي مختلف كلكتور- اميتر تكرار مي شود تا خانواده اي از منحني ها به دست آيد.
ج- منحني مشخصه خروجي اميتر- مشترك
منحني مشخصه خروجي، تغييراتي را كه در جريان كلكتور كه بر اثر تغيير ولتاژ كلكتور- اميتر، به ازاي مقدار ثابت جريان بيس، اتفاق مي افتد، نشان مي دهد. جريان بيس روي مقدار مناسبي ميزان مي شود و ولتاژ كلكتور- اميتر در چند مرحله مجزا از صفر افزليش داده مي شود و انگاه جريان كلكتور را در هر مرحله يادداشت مي كنند. سپس ولتاژ كلكتور- اميتر را به صفر بر مي گردانند و جريان بيس به يك مقدار مناسب ديگر افزايش داده مي شود، و آنگاه همين كار مجدداً تكرار مي شود در اين روش مي توان به خانواده اي از منحني ها دست يافت. براي منحني مشخصه متناظر n-p-n بايد قطبيتهاي ICو Ibو Vce به مثبت برگردانده شوند.
وقتی منحنی مشخصه نباشد، شیب آن مطابق با نقطه اندازه گیری تغییر می کند و بنابراین همیشه باید نقطه اندازه گیری ذکر شود. معمولاً جز مواردی که تصریح می شود، شیب خطی ترین بخش منحنی مشخصه اندازه گیری می شود. برای دستیابی به بالاترین میزان دقت نموهای داده شده به هر سوی نقطه انتخابی باید تا حد امکان کوچک گرفته شود هر چند در این فصل برای واضح تر کردن نمودارها این موضوع رعایت نشده است.
می توان منحنی های مشخصه خروجی را نیز برای تعیین بهره جریان اتصال کوتاه، hfe، ترانزیستور بکار گرفت، زیرا برای مقدار ولتاژ کلکتور- امیتر Vce مشخصی، تغییر جریان در کلکتور، Icδ را بر اثر تغییر جریان بیس، Ibδ می توان با تصویر کردن از روی منحنیهای مناسب به دست آورد. بنابراین به ازای Vce=-47 تغییری در جریان بیس از A μ40-تا A μ60- ، یک تغییر جریان کلکتور از 12 تا mA9/2 در پی دارد.
جریان نشتی کلکتور، ICBO، یک ترانزیستور بیس- مشترک نسبت به دما بسیار حساس است و تقریباً به ازای هر 12درجه سانیگراد افزایش دما در ترانزیستورهای سیلیسیمی و به ازای هر 8 درجه سانتیگراد افزایش دما در ترانزیستورهای ژرمانیم، دو برابر می شود. و اما، جریان نشتی ترانزیستور سیلیسیم در دمایی مشخص بسیار کمتر از جریان نشتی یک ترانزیستور ژرمانیم معادل آن در همان دماست.
معمولاً، ICBO در C20 برای ترانزیستور ژرمانیم می تواند حدود A μ10باشو ولی برای تراتزیستور سیلیسیم فقط حدود A n50 است.
د- منحنی های مشخصه متقابل امیتر- مشترک
منحنیهای مشخصه متقابل ترانزیستوری که به صورت امیتر – مشترک بسته شده است، تغییرات جریان کلکتور را که در اثر تغییرات ولتاژ بیس- امیتر، با ثابت نگاه داشتن ولتاژ کلکتور- امیتر پیش می آید نشان می دهد. شیب منحنی مشخصه متقابل رسانندگی مقابل ترانزیستور است.
ساخت ترانزیستور
از سال 1948 که ترانزیستور اختراع شد، رو شهای گوناگونی برای ساخت آن تکامل پیدا کرده است و توصیف اکثر آنها خارج از حوصله این کتاب است. از رایج ترین انواع مورد استفاده ترانزیستور دو نوع ترانزیستور پیوند آلیاژی و ترانزیستور تخت سیلیسیم است که فقط ساخت این دو نوع را معرفی خواهیمکرد.
ساخت ترانزیستور پیوند آلیاژی ژرمانیم این روش تعمیم روشی است که بیشتر برای دیود پیوند آلیاژی توصیف کردیم. ساخت ترانزیستور تخت سیلیسیم است.
4 لامپ های گرمایونی
لامپ گرمایونی شامل دو یا چند الکترود است که درون حبابی شیشه ای که بخش اعظم هوای داخل آن خارج شده است، قرار دارند. این لامپ در انواع متعدد و متفاوتی یافت می شود که کاربرد همه آنها متداول است اما در این فصل تنها به انواع ساده تر آن مانند دو قطبی (دیودس)، سه قطبی (تریود)، چهار قطبی (تترود) و پنج قطبی (پنتد) می پردازیم.
در تمام انواع این لامپها یکی از الکترودها کاتود و دیگری آنود است و اصول اساسی کار به این ترتیب است که وقتی کاتود تا دمای مناسبی گرم می شود تعداد زیادی الکترون گسیل می کند. بخشی از این الکترونها را آنود گردآوری می کند و جریان آنود را تشکیل می دهد. الکترونهای گسیلیده، در خلال گذارشان از کاتود به آنود، می توانند از میان یک، دو، یا سه شبکه بسته به نوع لامپ عبور کنند و پتانسیل اعمال شده به این شبکه ها می تواند جریان الکترونها و در نتیجه جریان آنود را کنترل کند.
گسیل گرمایونی
در دمای معمولی الکترونهای فلز می توانند به طور تصادفی در ساختار اتمی فلز در هر سو حرکت کنند، و برخی از الکترونهای نزدیک به سطح فلز در هوای پیرامون پراکنده می شوند. فلزات معمولی در دمای اتاق تعداد زیادی از الکترونهای خود را از دست نمی دهند و برای جلوگیری از ترک دائمی الکترونها از سطح فلز باید نیرویی وجود داشته باشد. به محض اینکه الکترونی فلز را ترک می کند، فلزیک بار منفی (بار الکترونی) از دست می دهد و این عمل معادل است با افزایش یک بار مثبت آن. این بار مثبت نیرویی به الکترون گسیلیده وارد می آورد که الکترون را به سوی فلز برمی گرداند، و برای اینکه الکترون بتواند بگریزد باید دارای مقدار کافی انرژی جنبشی باشد که بر این نیرو غالب آید. الکترونهای بسیار کمی هستند که در دمای معمولی این انرژی کافی را داشته باشند و تعداد الکترونهایی که می توانند از سطح فلز بگریزند بسیار اندک است. به منظور افزایش چشمگیر تعداد الکترونهایی که از فلز می گریزند باید به این الکترونها انرژی اضافی داده شود، و بهترین راه انجام این کار گرم کردن فلز است با افزایش دمای فلز، الکترونهای بیشتری انرژی کافی به دست می آورند که آنها را قادر می سازد به نیروی برگرداننده غلبه کنند و بتوانند از فلز بگریزند.
در اغلب فلزات اگر مشخصات فلز تغییر نکند، گسیل الکترون کافی باید در دمای بالایی صورت گیرد. در عمل امکان انتخاب مواد کاتودی محدود است به تنگستن، تنگستن توریم دار و اندوده نیکلی با آمیزه اکسید باریم و اکسید استرونتیوم که ممکن است مقداری هم اکسید کلسیم به آن افزوده شود. همین که الکترونی از کاتود می گریزد دستخوش نیرویی کند کننده که از جانب الکترونهای منفی باری که قبلاً گریخته اند وارد می آید، واقع می شود. الکترون با این نیرو کند می شود و ممکن است به کاتود برگردانده شود. همچنین این امکان وجود دارد که سرعت این الکترون گسیلیده بر اثر برخورد با مولکولی گازی کند شود ولی برای به حداقل رساندن این اثر کاتود را در یک حباب شیشه ای تخلیه شده قرار می دهند.
بدین سان الکترونها همواره از سطح کاتود گرم گسیلیده می شوند و سپس در معرض نیروهایی واقع می شوند که می خواهند آنها را به کاتود برگردانند. اغلب الکترونهای گسیلیده قبل از برگشتن به کاتود تنها به فاصله کوتاهی از آن دور می شوند؛ این فاصله با سرعت گسیل الکترون متناسب است. بنابراین پیرامون کاتود را ابری از الکترونها فرا گرفته است، که برخی از آنها از کاتود دور می شوند و برخی به سوی آن می آیند. تنها الکترونهایی که برای غلبه بر نیروهای بازدارنده انرژی کافی دارند می توانند از مجاورت کاتود بگریزند. ابر الکترونی اطراف کاتود بار فضایی نامیده می شود. واضح است که بار فضایی منفی است.
اگر الکترود دیگر، یعنی آنود، به فضای تخلیه شده وارد شود و نسبت به کاتود پتانسیل مثبت پیدا کند، آنگاه نیرویی ربایشی به الکترونهای گسیلیده وارد می آورد. بنابراین الکترونهای گسیل شده در معرض نیرویی ترمزی ناشی از میدانهای الکتریکی پدید آمده از کاتود مثبت بار و بار فضایی مثبت بار ، و نیرویی ربایشی ناشی از میدان الکتریکی پدید آمده از آنود، قرار دارند. در نزدیکی آنود میدان الکتریکی شتاب دهنده از میدان الکتریکی کند کننده بزرگ تر است، درحالی که در نزدیکی کاتود میدان الکتریکی کند کننده غالب است. در نقطه ای میان کاتود و آنود این دو میدان الکتریکی مساويند و خنثی می شوند و الکترونی که به این نقطه می رسد نه شتابدار است و نه کند شده. الکترونهای گسیلیده ای که برای رسیدن به این نقطه انرژی کافی دارند، تحت تأثیر میدا آنود قرار می گیرند و به سرعت به سوی آنود شتاب می گیرند و درآنجا در جریان سهیم می شوند.
افزایش پتانسیل مثبت آنود نقطه میدان الکتریکی صفر را به کاتود نزدیک تر می کنند و رسیدن الکترونهای کم انرژی تر را به آنود، ممکن می سازند. بنابراین با افزایش ولتاژ آنود، جریان آنود نیز افزایش می یابد. اگر افزایش ولتاژ آنود به میزانی برسد که موضع میدان الکتریکی صفر در کاتود قرار گیرد، تمامی الکترونهای گسیلیده به آنود می رسند و بار فضایی وجود نخواهد داشت. بنابراین جریان آنود در حداکثر مقدار خود خواهد بود، زیرا الکترونهای گسیلیده دیگری وجود ندارد که آنود آنها را گردآوری کند. افزایش بیشتر ولتاژ آنود، افزایشی متناظر را در جریان آنود درپی نخواهد داشت؛ تنها راه برای افزایش جریان آنود افزایش دمای کاتود و در نتیجه افزایش تعداد الکترونهای گسیلیده است.