อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ - คู่มือฉบับย่อ

เป็นที่เห็นกันอย่างแพร่หลายว่าระยะห่างของนิวเคลียสจากอิเล็กตรอนของอะตอมใดอะตอมหนึ่งไม่เท่ากัน โดยปกติอิเล็กตรอนจะหมุนในวงโคจรที่กำหนดไว้อย่างดี อิเล็กตรอนจำนวนหนึ่งสามารถจับได้โดยเปลือกนอกหรือวงโคจรเท่านั้น การนำไฟฟ้าของอะตอมส่วนใหญ่ได้รับอิทธิพลจากอิเล็กตรอนของเปลือกนอก อิเล็กตรอนเหล่านี้มีส่วนเกี่ยวข้องอย่างมากกับการนำไฟฟ้า

ตัวนำและฉนวน

การนำไฟฟ้าเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่ผิดปกติหรือไม่มีการควบคุม การเคลื่อนไหวเหล่านี้ทำให้อะตอมบางชนิดดีelectrical conductors. วัสดุที่มีอะตอมประเภทนี้จะมีอิเล็กตรอนอิสระจำนวนมากอยู่ในเปลือกนอกหรือวงโคจร

เมื่อเทียบกับ insulating materialมีอิเล็กตรอนอิสระจำนวนค่อนข้างน้อย ดังนั้นอิเล็กตรอนชั้นนอกของฉนวนจึงมักจะจับตัวกันแน่นและแทบจะไม่ยอมให้กระแสไหลผ่านเลย ดังนั้นในวัสดุฉนวนจึงมีการนำไฟฟ้าน้อยมาก

เซมิคอนดักเตอร์

ระหว่างตัวนำและฉนวนมีการจำแนกประเภทที่สามของอะตอม (วัสดุ) ที่เรียกว่าเซมิคอนดักเตอร์ โดยทั่วไปการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์อยู่ระหว่างการนำไฟฟ้าของโลหะและฉนวน อย่างไรก็ตามที่อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์เซมิคอนดักเตอร์ยังทำหน้าที่เหมือนฉนวนที่สมบูรณ์แบบ

Silicon และ germaniumเป็นองค์ประกอบเซมิคอนดักเตอร์ที่คุ้นเคยมากที่สุด คอปเปอร์ออกไซด์แคดเมียม - ซัลไฟด์และแกลเลียมอาร์เซไนด์เป็นสารประกอบเซมิคอนดักเตอร์อื่น ๆ ที่ใช้บ่อย โดยทั่วไปวัสดุประเภทนี้จัดเป็นองค์ประกอบประเภท IVB อะตอมดังกล่าวมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนสี่ตัว ถ้าพวกมันสามารถละทิ้งเวเลนซ์อิเล็กตรอนได้สี่ตัวความเสถียรก็สามารถทำได้ นอกจากนี้ยังสามารถทำได้โดยการรับอิเล็กตรอนสี่ตัว

ความเสถียรของอะตอม

แนวคิดเรื่องเสถียรภาพของอะตอมเป็นปัจจัยสำคัญต่อสถานะของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดในแถบเวเลนซ์คือ 8 เมื่อมีอิเล็กตรอนครบ 8 ตัวในวงเวเลนซ์อาจกล่าวได้ว่าอะตอมมีเสถียรภาพ ในstable atomพันธะของเวเลนซ์อิเล็กตรอนมีความแข็งมาก อะตอมประเภทนี้เป็นฉนวนที่ดีเยี่ยม ในอะตอมดังกล่าวไม่มีอิเล็กตรอนอิสระสำหรับการนำไฟฟ้า

ตัวอย่างขององค์ประกอบที่มีความเสถียรคือก๊าซเช่นอาร์กอนซีนอนนีออนและคริปทอน เนื่องจากคุณสมบัติของมันก๊าซเหล่านี้จึงไม่สามารถผสมกับวัสดุอื่นได้และโดยทั่วไปรู้จักกันในชื่อinert gases.

ถ้าจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนในเปลือกนอกน้อยกว่า 8 แสดงว่าอะตอมไม่เสถียรกล่าวคืออะตอมที่มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนน้อยกว่า 8 จะไม่เสถียร พวกเขาพยายามยืมหรือบริจาคอิเล็กตรอนจากอะตอมข้างเคียงเพื่อให้มีความเสถียร อะตอมในเปลือกนอกที่มีเวเลนซ์อิเล็กตรอน 5, 6 หรือ 7 มีแนวโน้มที่จะยืมอิเล็กตรอนจากอะตอมอื่นเพื่อแสวงหาความเสถียรในขณะที่อะตอมที่มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนหนึ่ง, สองหรือสามมีแนวโน้มที่จะปล่อยอิเล็กตรอนเหล่านี้ไปยังอะตอมอื่น ๆ ที่อยู่ใกล้เคียง

อะไรที่มีน้ำหนักก็เป็นเรื่องสำคัญ ตามทฤษฎีของอะตอมสสารทั้งหมดไม่ว่าจะเป็นของแข็งของเหลวหรือก๊าซประกอบด้วยอะตอม อะตอมประกอบด้วยส่วนกลางที่เรียกว่านิวเคลียสซึ่งเก็บนิวตรอนและโปรตอนไว้ โดยปกติโปรตอนเป็นอนุภาคที่มีประจุบวกและนิวตรอนเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเป็นกลาง อิเล็กตรอนซึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุลบจะถูกจัดให้อยู่ในวงโคจรรอบนิวเคลียสในลักษณะคล้ายกับอาร์เรย์ของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ รูปต่อไปนี้แสดงองค์ประกอบของอะตอม

พบว่าอะตอมของธาตุต่างๆมีจำนวนโปรตอนนิวตรอนและอิเล็กตรอนต่างกัน เพื่อแยกความแตกต่างของอะตอมหนึ่งจากอีกอะตอมหนึ่งหรือเพื่อจำแนกอะตอมต่างๆจำนวนที่ระบุจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสของอะตอมนั้นจะถูกกำหนดให้กับอะตอมของแต่ละธาตุ หมายเลขนี้เรียกว่าatomic numberขององค์ประกอบ เลขอะตอมสำหรับองค์ประกอบบางส่วนที่เกี่ยวข้องกับการศึกษาเซมิคอนดักเตอร์แสดงไว้ในตารางต่อไปนี้

ธาตุ	สัญลักษณ์	เลขอะตอม
ซิลิคอน	ศรี	14
เจอร์เมเนียม	เก	32
สารหนู	เช่น	33
พลวง	Sb	51
อินเดียม	ใน	49
แกลเลียม	Ga	31
โบรอน	ข	5

โดยปกติอะตอมจะมีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนของดาวเคราะห์เท่ากันเพื่อรักษาประจุสุทธิให้เป็นศูนย์ อะตอมมักรวมตัวกันเพื่อสร้างโมเลกุลหรือสารประกอบที่เสถียรผ่านเวเลนซ์อิเล็กตรอนที่มีอยู่

โดยทั่วไปเรียกกระบวนการรวมของเวเลนซ์อิเล็กตรอนอิสระ bonding. ต่อไปนี้เป็นพันธะประเภทต่างๆที่เกิดขึ้นในการผสมอะตอม

• พันธะไอออนิก
• พันธะโควาเลนต์
• พันธะโลหะ

ตอนนี้ให้เราพิจารณารายละเอียดเกี่ยวกับพันธะอะตอมเหล่านี้

พันธะไอออนิก

แต่ละอะตอมกำลังแสวงหาความเสถียรเมื่ออะตอมรวมตัวกันเพื่อสร้างโมเลกุล เมื่อวงวาเลนซ์มีอิเล็กตรอน 8 ตัวจะบอกว่าเป็นstabilized condition. เมื่อเวเลนซ์อิเล็กตรอนของอะตอมหนึ่งรวมตัวกับอะตอมอื่นจนเสถียรเรียกว่าionic bonding.

• ถ้าอะตอมมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนมากกว่า 4 ตัวในเปลือกนอกมันก็กำลังมองหาอิเล็กตรอนเพิ่มเติม อะตอมดังกล่าวมักเรียกว่าacceptor.

• ถ้าอะตอมใดมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนน้อยกว่า 4 ตัวในเปลือกนอกพวกมันจะพยายามเคลื่อนออกจากอิเล็กตรอนเหล่านี้ อะตอมเหล่านี้เรียกว่าdonors.

ในการสร้างพันธะไอออนิกอะตอมของผู้บริจาคและตัวรับมักจะรวมเข้าด้วยกันและการรวมกันจะเสถียร เกลือทั่วไปเป็นตัวอย่างทั่วไปของพันธะไอออนิก

ตัวเลขต่อไปนี้แสดงตัวอย่างของอะตอมอิสระและพันธะไอออนิก

จะเห็นได้จากรูปด้านบนว่าอะตอมโซเดียม (Na) บริจาคอิเล็กตรอน 1 เวเลนซ์ให้กับอะตอมของคลอไรด์ (Cl) ซึ่งมีเวเลนซ์อิเล็กตรอน 7 ตัว อะตอมของคลอไรด์จะมีความสมดุลในทางลบทันทีเมื่อได้รับอิเล็กตรอนพิเศษและทำให้อะตอมกลายเป็นไอออนลบ ในทางกลับกันอะตอมของโซเดียมจะสูญเสียเวเลนซ์อิเล็กตรอนไปและอะตอมของโซเดียมจะกลายเป็นไอออนบวก อย่างที่เราทราบกันดีว่าไม่เหมือนกับประจุดึงดูดอะตอมของโซเดียมและคลอไรด์จะถูกยึดเข้าด้วยกันด้วยแรงไฟฟ้าสถิต

พันธะโควาเลนต์

เมื่อเวเลนซ์อิเล็กตรอนของอะตอมใกล้เคียงใช้ร่วมกันกับอะตอมอื่นจะเกิดพันธะโคเวเลนต์ ในพันธะโควาเลนต์จะไม่เกิดไอออน นี่คือความแตกต่างที่ไม่เหมือนใครในพันธะโควาเลนต์และพันธะไอออนิก

เมื่ออะตอมมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนสี่ตัวในเปลือกนอกมันสามารถแบ่งปันอิเล็กตรอนหนึ่งตัวกับอะตอมใกล้เคียงสี่อะตอม แรงโควาเลนต์ถูกสร้างขึ้นระหว่างอิเล็กตรอนสองตัวที่เชื่อมโยงกัน อิเล็กตรอนเหล่านี้จะเลื่อนวงโคจรระหว่างอะตอมสลับกัน แรงโควาเลนต์นี้สร้างพันธะแต่ละอะตอมเข้าด้วยกัน ภาพประกอบของพันธะโควาเลนต์แสดงในรูปต่อไปนี้

ในการจัดเรียงนี้จะแสดงเฉพาะนิวเคลียสและเวเลนซ์อิเล็กตรอนของแต่ละอะตอมเท่านั้น คู่อิเล็กตรอนถูกสร้างขึ้นเนื่องจากอะตอมแต่ละตัวถูกยึดติดกัน ในกรณีนี้จำเป็นต้องมีห้าอะตอมเพื่อให้พันธะเกิดขึ้น กระบวนการสร้างพันธะขยายวงกว้างออกไปทุกทิศทาง ตอนนี้แต่ละอะตอมเชื่อมโยงกันในเครือข่ายแลตทิซและโครงสร้างผลึกถูกสร้างขึ้นโดยเครือข่ายตาข่ายนี้

พันธะโลหะ

พันธะประเภทที่สามมักเกิดขึ้นในตัวนำไฟฟ้าที่ดีและเรียกว่าพันธะโลหะ ในพันธะโลหะแรงไฟฟ้าสถิตมีอยู่ระหว่างไอออนบวกและอิเล็กตรอน ตัวอย่างเช่นแถบวาเลนซ์ของทองแดงมีอิเล็กตรอน 1 ตัวอยู่ในเปลือกนอก อิเล็กตรอนนี้มีแนวโน้มที่จะเกาะอยู่รอบ ๆ วัสดุระหว่างอะตอมที่แตกต่างกัน

เมื่ออิเล็กตรอนนี้ออกจากอะตอมหนึ่งมันจะเข้าสู่วงโคจรของอะตอมอื่นทันที กระบวนการนี้ซ้ำซากแบบไม่หยุดนิ่ง อะตอมจะกลายเป็นไอออนบวกเมื่ออิเล็กตรอนออกจากมัน มันคือrandom process. หมายความว่าอิเล็กตรอนหนึ่งตัวจะเชื่อมโยงกับอะตอมเสมอ ไม่ได้หมายความว่าอิเล็กตรอนมีความเกี่ยวข้องกับวงโคจรเฉพาะ มันมักจะโรมมิ่งในวงโคจรที่แตกต่างกัน ด้วยเหตุนี้อะตอมทั้งหมดจึงมีแนวโน้มที่จะใช้เวเลนซ์อิเล็กตรอนร่วมกันทั้งหมด

อิเล็กตรอนแขวนอยู่รอบ ๆ ในเมฆที่ปกคลุมไอออนบวก เมฆที่ลอยอยู่นี้จะผูกมัดอิเล็กตรอนแบบสุ่มกับไอออน รูปต่อไปนี้แสดงตัวอย่างการเชื่อมโลหะของทองแดง

จำนวนอิเล็กตรอนในวงแหวนรอบนอกของอะตอมยังคงเป็นสาเหตุของความแตกต่างระหว่างตัวนำและฉนวน อย่างที่เราทราบกันดีว่าวัสดุที่เป็นของแข็งส่วนใหญ่จะใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าเพื่อนำอิเล็กตรอน วัสดุเหล่านี้สามารถแยกออกเป็นตัวนำเซมิคอนดักเตอร์และฉนวน

อย่างไรก็ตามตัวนำเซมิคอนดักเตอร์และฉนวนมีความแตกต่างกันโดยแผนภาพระดับพลังงาน ปริมาณพลังงานที่จำเป็นในการทำให้อิเล็กตรอนออกจากวงเวเลนซ์และนำไปสู่การนำไฟฟ้าจะถูกนำมาคำนวณที่นี่ แผนภาพคือส่วนประกอบของอะตอมทั้งหมดภายในวัสดุ แผนภาพระดับพลังงานของฉนวนเซมิคอนดักเตอร์และตัวนำแสดงดังรูปต่อไปนี้

วงวาเลนซ์

ส่วนด้านล่างคือไฟล์ valence band. มันแสดงถึงระดับพลังงานที่ใกล้เคียงกับนิวเคลียสของอะตอมมากที่สุดและระดับพลังงานในแถบ Valance จะมีจำนวนอิเล็กตรอนที่ถูกต้องที่จำเป็นในการปรับสมดุลของประจุบวกของนิวเคลียส ดังนั้นวงดนตรีนี้จึงถูกเรียกว่าfilled band.

ในวงวาเลนซ์อิเล็กตรอนจะจับกับนิวเคลียสอย่างแน่นหนา เมื่อเลื่อนขึ้นไปในระดับพลังงานอิเล็กตรอนจะถูกผูกมัดเบา ๆ มากขึ้นในแต่ละระดับต่อเนื่องไปยังนิวเคลียส ไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะรบกวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนที่ของพวกมันต้องการพลังงานที่มากขึ้นและวงโคจรของอิเล็กตรอนแต่ละวงมีระดับพลังงานที่แตกต่างกัน

การนำวง

แถบบนสุดหรือวงนอกสุดในแผนภาพเรียกว่า conduction band. ถ้าอิเล็กตรอนมีระดับพลังงานซึ่งอยู่ภายในวงนี้และค่อนข้างมีอิสระที่จะเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ ในคริสตัลก็จะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า

ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เซมิคอนดักเตอร์เราส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับความจุและแถบการนำไฟฟ้า ต่อไปนี้เป็นข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับเรื่องนี้ -

• วงเวเลนซ์ของแต่ละอะตอมแสดงระดับพลังงานของเวเลนซ์อิเล็กตรอนในเปลือกนอก

• ต้องเพิ่มพลังงานจำนวนที่แน่นอนให้กับเวเลนซ์อิเล็กตรอนเพื่อทำให้พวกมันเข้าไปในแถบการนำไฟฟ้า

ช่องว่างต้องห้าม

ความจุและแถบการนำจะถูกคั่นด้วยช่องว่างไม่ว่าจะอยู่ที่ใดก็ตามเรียกว่าช่องว่างต้องห้าม ในการข้ามช่องว่างต้องห้ามจำเป็นต้องใช้พลังงานจำนวนหนึ่ง หากไม่เพียงพออิเล็กตรอนจะไม่ถูกปล่อยออกมาเพื่อเป็นตัวนำ อิเล็กตรอนจะยังคงอยู่ในแถบวาเลนซ์จนกว่าจะได้รับพลังงานเพิ่มเติมเพื่อข้ามช่องว่างต้องห้าม

สถานะการนำของวัสดุเฉพาะสามารถระบุได้ด้วยความกว้างของช่องว่างต้องห้าม ในทฤษฎีอะตอมความกว้างของช่องว่างจะแสดงเป็นอิเล็กตรอนโวลต์ (eV) โวลต์ของอิเล็กตรอนหมายถึงปริมาณพลังงานที่ได้รับหรือสูญเสียไปเมื่ออิเล็กตรอนอยู่ภายใต้ความต่างศักย์ 1 โวลต์อะตอมของแต่ละองค์ประกอบมีค่าระดับพลังงานที่แตกต่างกันซึ่งทำให้สามารถนำ

โปรดทราบว่าไฟล์ forbidden regionของฉนวนค่อนข้างกว้าง ในการทำให้ฉนวนเข้าไปในการนำไฟฟ้าจะต้องใช้พลังงานจำนวนมาก ตัวอย่างเช่น Thyrite

หากใช้ฉนวนที่อุณหภูมิสูงพลังงานความร้อนที่เพิ่มขึ้นจะทำให้อิเล็กตรอนของแถบวาเลนซ์เคลื่อนที่เข้าไปในแถบการนำไฟฟ้า

ดังที่ชัดเจนจากแผนภาพแถบพลังงานช่องว่างที่ต้องห้ามของเซมิคอนดักเตอร์มีขนาดเล็กกว่าฉนวนมาก ตัวอย่างเช่นซิลิคอนต้องได้รับพลังงาน 0.7 eV เพื่อเข้าสู่แถบการนำไฟฟ้า ที่อุณหภูมิห้องการเติมพลังงานความร้อนอาจเพียงพอที่จะทำให้เกิดการนำในสารกึ่งตัวนำ ลักษณะเฉพาะนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์โซลิดสเตต

ในกรณีของตัวนำวงดนตรีนำและวงวาเลนซ์บางส่วนจะทับซ้อนกัน ในแง่หนึ่งไม่มีช่องว่างต้องห้าม ดังนั้นอิเล็กตรอนของเวเลนซ์แบนด์จึงสามารถปลดปล่อยให้กลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระได้ โดยปกติที่อุณหภูมิห้องปกติการนำไฟฟ้าเพียงเล็กน้อยจะเกิดขึ้นภายในตัวนำ

ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้อาจมีอิเล็กตรอนอิสระหนึ่งตัวหรือมากกว่าต่อหนึ่งอะตอมซึ่งเคลื่อนที่ไปตลอดทางผ่านด้านในของโลหะภายใต้อิทธิพลของสนามที่ใช้

รูปต่อไปนี้แสดงการกระจายของประจุภายในโลหะ เป็นที่รู้จักกันในชื่อelectron-gas description of a metal.

hashed regionแทนนิวเคลียสที่มีประจุบวก จุดสีน้ำเงินแสดงถึงเวเลนซ์อิเล็กตรอนในเปลือกนอกของอะตอม โดยพื้นฐานแล้วอิเล็กตรอนเหล่านี้ไม่ได้เป็นของอะตอมเฉพาะใด ๆ และด้วยเหตุนี้พวกมันจึงสูญเสียเอกลักษณ์เฉพาะตัวและท่องไปในอะตอมอย่างอิสระไปยังอะตอม

เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องทิศทางของการขนส่งจะเปลี่ยนไปในแต่ละครั้งที่ชนกับไอออนหนัก นี่เป็นไปตามทฤษฎีอิเล็กตรอน - แก๊สของโลหะ ระยะห่างเฉลี่ยระหว่างการชนเรียกว่าmean free path. อิเล็กตรอนที่ผ่านพื้นที่หน่วยในโลหะในทิศทางตรงกันข้ามในเวลาที่กำหนดบนพื้นฐานแบบสุ่มทำให้กระแสเฉลี่ยเป็นศูนย์

เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้ากับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กระแสอิเล็กตรอนจะไหลไปทางด้านบวกของแหล่งกำเนิดและกระแสของรูจะไหลไปทางด้านลบของแหล่งกำเนิด สถานการณ์ดังกล่าวเกิดขึ้นกับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เท่านั้น

ซิลิคอนและเจอร์เมเนียมเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่พบมากที่สุด โดยทั่วไปการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์อยู่ระหว่างการนำไฟฟ้าของโลหะและฉนวน

เจอร์เมเนียมเป็นสารกึ่งตัวนำ

ต่อไปนี้เป็นประเด็นสำคัญบางประการเกี่ยวกับ Germanium -

• มีอิเล็กตรอนสี่ตัวในวงโคจรนอกสุดของเจอร์เมเนียม ในพันธะอะตอมจะแสดงด้วยอิเล็กตรอนวงนอกเท่านั้น

• อะตอมของเจอร์เมเนียมจะแบ่งเวเลนซ์อิเล็กตรอนในพันธะโควาเลนต์ สิ่งนี้แสดงในรูปต่อไปนี้ เจอร์เมเนียมเป็นสารที่เกี่ยวข้องกับพันธะโควาเลนต์ เจอร์เมเนียมในรูปผลึกเรียกว่าผลึกขัดแตะ โครงสร้างประเภทนี้มีอะตอมที่เรียงตัวกันดังแสดงในรูปต่อไปนี้

• ในการจัดเรียงเช่นนี้อิเล็กตรอนจะอยู่ในสถานะที่เสถียรมากดังนั้นจึงมีความเหมาะสมน้อยกว่าที่จะเชื่อมโยงกับตัวนำ เจอร์เมเนียมเป็นวัสดุฉนวนในรูปบริสุทธิ์และเรียกว่าintrinsic semiconductor.

รูปต่อไปนี้แสดงโครงสร้างอะตอมของซิลิคอนและเจอร์เมเนียม

ซิลิคอนเป็นสารกึ่งตัวนำ

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ยังใช้ซิลิกอนในการผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ โครงสร้างอะตอมของซิลิกอนและเจอร์เมเนียมแสดงไว้ในรูปด้านบน โครงสร้างตาข่ายคริสตัลของซิลิกอนคล้ายกับเจอร์เมเนียม

ต่อไปนี้เป็นประเด็นสำคัญบางประการเกี่ยวกับซิลิคอน -

• มีอิเล็กตรอน 4 ตัวในเปลือกนอกสุดเช่นเจอร์เมเนียม

• ในรูปแบบบริสุทธิ์ไม่มีการใช้เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์

• ปริมาณการนำไฟฟ้าที่ต้องการสามารถหาได้โดยการเพิ่มสิ่งสกปรก

• การเพิ่มสิ่งเจือปนจะต้องกระทำอย่างระมัดระวังและอยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีการควบคุม

• ขึ้นอยู่กับชนิดของสิ่งเจือปนที่เพิ่มเข้ามามันจะสร้างอิเล็กตรอนส่วนเกินหรือการขาดดุล

รูปต่อไปนี้แสดงผลึกภายในของซิลิคอน

ซิลิคอนบริสุทธิ์หรือเจอร์เมเนียมแทบจะไม่ถูกใช้เป็นเซมิคอนดักเตอร์ เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้งานได้จริงจะต้องมีการควบคุมปริมาณสิ่งสกปรกที่เพิ่มเข้าไป การเติมสารไม่บริสุทธิ์จะเปลี่ยนความสามารถของตัวนำและทำหน้าที่เป็นสารกึ่งตัวนำ กระบวนการเพิ่มสิ่งเจือปนลงในวัสดุที่แท้จริงหรือบริสุทธิ์เรียกว่าdoping และสิ่งเจือปนเรียกว่าก dopant. หลังจากเติมสารแล้ววัสดุที่อยู่ภายในจะกลายเป็นวัสดุภายนอก ในทางปฏิบัติหลังจากการเติมสารเหล่านี้สามารถใช้งานได้จริงเท่านั้น

เมื่อสิ่งเจือปนถูกเพิ่มเข้าไปในซิลิกอนหรือเจอร์เมเนียมโดยไม่ได้ปรับเปลี่ยนโครงสร้างผลึกจะมีการผลิตวัสดุประเภท N ในบางอะตอมอิเล็กตรอนจะมีอิเล็กตรอน 5 ตัวในวงวาเลนซ์เช่นสารหนู (As) และพลวง (Sb) การเติมซิลิกอนด้วยสิ่งเจือปนอย่างใดอย่างหนึ่งจะต้องไม่เปลี่ยนโครงสร้างผลึกหรือกระบวนการยึดติด อิเล็กตรอนส่วนเกินของอะตอมที่ไม่บริสุทธิ์ไม่มีส่วนร่วมในพันธะโคเวเลนต์ อิเล็กตรอนเหล่านี้จับกันอย่างหลวม ๆ โดยอะตอมของผู้ให้กำเนิด รูปต่อไปนี้แสดงการเปลี่ยนแปลงของผลึกซิลิกอนด้วยการเติมอะตอมที่ไม่บริสุทธิ์

ผลของการเจือปนกับวัสดุประเภท N

ผลของการเติมสารชนิด N มีดังต่อไปนี้ -

• นอกจากสารหนูในซิลิคอนบริสุทธิ์แล้วคริสตัลจะกลายเป็นวัสดุประเภท N

• อะตอมของสารหนูมีอิเล็กตรอนเพิ่มเติมหรือประจุลบที่ไม่ได้มีส่วนในกระบวนการสร้างพันธะโคเวเลนต์

• สิ่งสกปรกเหล่านี้ยอมแพ้หรือบริจาคอิเล็กตรอนหนึ่งตัวให้กับคริสตัลและเรียกว่าสิ่งสกปรกจากผู้บริจาค

• วัสดุประเภท N มีอิเล็กตรอนพิเศษหรืออิสระมากกว่าวัสดุภายใน

• วัสดุประเภท N ไม่มีประจุลบ ที่จริงแล้วอะตอมของมันทั้งหมดเป็นกลางทางไฟฟ้า

• อิเล็กตรอนพิเศษเหล่านี้ไม่ได้มีส่วนร่วมในกระบวนการสร้างพันธะโควาเลนต์ พวกเขามีอิสระที่จะเคลื่อนที่ผ่านโครงสร้างผลึก

• คริสตัลซิลิกอนภายนอกชนิด N จะเข้าสู่การนำโดยใช้พลังงานเพียง 0.005eV

• ต้องใช้ 0.7eV เท่านั้นในการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนของผลึกภายในจากแถบวาเลนซ์ไปยังแถบการนำไฟฟ้า

โดยปกติแล้วอิเล็กตรอนถือเป็นพาหะในปัจจุบันส่วนใหญ่ในคริสตัลประเภทนี้และโฮลเป็นพาหะในปัจจุบันของชนกลุ่มน้อย ปริมาณวัสดุของผู้บริจาคที่เพิ่มเข้าไปในซิลิคอนพบจำนวนผู้ให้บริการปัจจุบันส่วนใหญ่ในโครงสร้างของมัน

จำนวนอิเล็กตรอนในซิลิกอนชนิด N มีจำนวนมากกว่าคู่อิเล็กตรอนของซิลิคอนภายในหลายเท่า ที่อุณหภูมิห้องการนำไฟฟ้าของวัสดุนี้มีความแตกต่างกันอย่างชัดเจน มีพาหะในปัจจุบันมากมายที่จะมีส่วนร่วมในการไหลของกระแส การไหลของกระแสไฟฟ้าส่วนใหญ่เกิดจากอิเล็กตรอนในวัสดุประเภทนี้ ดังนั้นวัสดุภายนอกจึงกลายเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี

ผลของการเจือปนต่อวัสดุประเภท P

ผลของการเติมสารชนิด P มีดังต่อไปนี้ -

• เมื่อเพิ่มอินเดียม (ใน) หรือแกลเลียม (Ga) ลงในซิลิกอนบริสุทธิ์วัสดุประเภท P จะเกิดขึ้น

• วัสดุเจือประเภทนี้มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนสามตัว พวกเขากำลังมองหาอิเล็กตรอนตัวที่สี่อย่างกระตือรือร้น

• ในวัสดุประเภท P แต่ละหลุมสามารถเติมอิเล็กตรอนได้ เพื่อเติมเต็มพื้นที่หลุมนี้อิเล็กตรอนจากกลุ่มพันธะโคเวเลนต์ที่อยู่ใกล้เคียงต้องการพลังงานน้อยกว่ามาก

• โดยทั่วไปซิลิกอนจะถูกเจือด้วยวัสดุยาสลบในช่วง 1 ถึง 106 ซึ่งหมายความว่าวัสดุ P จะมีรูมากกว่าซิลิกอนบริสุทธิ์ของคู่อิเล็กตรอน

• ที่อุณหภูมิห้องมีความแตกต่างของลักษณะเฉพาะในการนำไฟฟ้าของวัสดุนี้

รูปต่อไปนี้แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างผลึกของซิลิคอนมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อเจือด้วยองค์ประกอบตัวรับ - ในกรณีนี้คืออินเดียม วัสดุ P ชิ้นหนึ่งไม่มีประจุบวก อะตอมของมันเป็นกลางทางไฟฟ้าเป็นหลัก

อย่างไรก็ตามมีรูในโครงสร้างโควาเลนต์ของกลุ่มอะตอมหลายกลุ่ม เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่เข้ามาและเติมเต็มหลุมหลุมนั้นจะกลายเป็นโมฆะ หลุมใหม่ถูกสร้างขึ้นในกลุ่มที่ถูกผูกมัดซึ่งอิเล็กตรอนเหลืออยู่ การเคลื่อนที่ของรูเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน วัสดุประเภท P จะเข้าสู่การนำโดยใช้พลังงานเพียง 0.05 eV

รูปด้านบนแสดงให้เห็นว่าคริสตัลชนิด P จะตอบสนองอย่างไรเมื่อเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า สังเกตว่ามีจำนวนหลุมมากกว่าอิเล็กตรอน เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้าอิเล็กตรอนจะถูกดึงดูดไปที่ขั้วแบตเตอรี่บวก

ในความหมายหนึ่งรูจะเคลื่อนไปทางขั้วแบตเตอรี่เชิงลบ อิเล็กตรอนจะถูกหยิบขึ้นมาที่จุดนี้ อิเล็กตรอนจะเติมเต็มรูทันที หลุมนั้นจะกลายเป็นโมฆะ ในเวลาเดียวกันอิเล็กตรอนจะถูกดึงออกจากวัสดุโดยขั้วแบตเตอรี่บวก ดังนั้นหลุมจึงเคลื่อนที่ไปยังขั้วลบเนื่องจากอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปมาระหว่างกลุ่มที่มีพันธะต่างกัน เมื่อใช้พลังงานการไหลของรูจะเป็นไปอย่างต่อเนื่อง

โครงสร้างผลึกที่ทำจากวัสดุ P และ N เป็นที่รู้จักกันโดยทั่วไปว่า junction diode. โดยทั่วไปถือว่าเป็นอุปกรณ์สองขั้ว ดังแสดงในแผนภาพต่อไปนี้ขั้วหนึ่งติดกับวัสดุประเภท P และอีกขั้วหนึ่งกับวัสดุประเภท N

จุดยึดทั่วไปที่วัสดุเหล่านี้เชื่อมต่อกันเรียกว่า a junction. ไดโอดทางแยกช่วยให้พาหะในปัจจุบันไหลไปในทิศทางเดียวและขัดขวางการไหลของกระแสในทิศทางย้อนกลับ

รูปต่อไปนี้แสดงโครงสร้างผลึกของไดโอดทางแยก ดูตำแหน่งของวัสดุประเภท P และ N เกี่ยวกับทางแยก โครงสร้างของคริสตัลต่อเนื่องจากปลายด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง ทางแยกทำหน้าที่เป็นเพียงจุดแยกที่แสดงถึงจุดสิ้นสุดของวัสดุหนึ่งและจุดเริ่มต้นของอีกชิ้นหนึ่ง โครงสร้างดังกล่าวช่วยให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ได้อย่างทั่วถึงในโครงสร้างทั้งหมด

แผนภาพต่อไปนี้แสดงส่วนของสารเซมิคอนดักเตอร์สองส่วนก่อนที่จะมีรูปร่างเป็นทางแยก PN ตามที่ระบุไว้แต่ละส่วนของวัสดุมีmajority และ minority current carriers.

ปริมาณของสัญลักษณ์พาหะที่แสดงในแต่ละวัสดุบ่งบอกถึงฟังก์ชันส่วนน้อยหรือส่วนใหญ่ ดังที่เราทราบว่าอิเล็กตรอนเป็นพาหะส่วนใหญ่ในวัสดุประเภท N และโฮลเป็นพาหะของชนกลุ่มน้อย ในวัสดุประเภท P รูเป็นพาหะส่วนใหญ่และอิเล็กตรอนอยู่ในส่วนน้อย

ในขั้นต้นเมื่อมีการสร้างไดโอดทางแยกจะมีปฏิสัมพันธ์เฉพาะระหว่างพาหะในปัจจุบัน ในวัสดุประเภท N อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ข้ามทางแยกเพื่ออุดรูในวัสดุ P การกระทำนี้เรียกกันโดยทั่วไปว่าdiffusion. การแพร่กระจายเป็นผลมาจากการสะสมของพาหะในวัสดุหนึ่งสูงและการรวมตัวที่ต่ำกว่าในอีกวัสดุหนึ่ง

โดยทั่วไปผู้ให้บริการปัจจุบันซึ่งอยู่ใกล้กับทางแยกจะมีส่วนร่วมในกระบวนการแพร่กระจายเท่านั้น อิเล็กตรอนที่ออกจากวัสดุ N ทำให้เกิดไอออนบวกในตำแหน่งของมัน ในขณะที่ป้อนวัสดุ P เพื่อเติมหลุมไอออนลบจะถูกสร้างขึ้นโดยอิเล็กตรอนเหล่านี้ เป็นผลให้แต่ละด้านของจุดต่อมีไอออนบวกและลบจำนวนมาก

บริเวณที่รูและอิเล็กตรอนเหล่านี้หมดลงโดยทั่วไปรู้จักกันในคำว่าพื้นที่พร่อง เป็นพื้นที่ที่ไม่มีผู้ให้บริการส่วนใหญ่ในปัจจุบัน โดยปกติพื้นที่พร่องจะพัฒนาขึ้นเมื่อมีการสร้างจุดเชื่อมต่อ PN รูปต่อไปนี้แสดงขอบเขตการพร่องของไดโอดทางแยก

วัสดุประเภท N และชนิด P ถือว่าเป็นกลางทางไฟฟ้าก่อนที่จะรวมเข้าด้วยกันที่จุดเชื่อมต่อทั่วไป อย่างไรก็ตามหลังจากการรวมการแพร่จะเกิดขึ้นในทันทีเนื่องจากอิเล็กตรอนข้ามทางแยกเพื่อเติมหลุมทำให้ไอออนลบเกิดขึ้นในวัสดุ P การกระทำนี้ทำให้บริเวณใกล้เคียงของทางแยกรับประจุลบ อิเล็กตรอนที่ออกจากวัสดุ N ทำให้เกิดไอออนบวก

ในทางกลับกันกระบวนการทั้งหมดนี้ทำให้ด้าน N ของทางแยกรับประจุบวกสุทธิ การสร้างประจุเฉพาะนี้มีแนวโน้มที่จะบังคับให้อิเล็กตรอนและรูที่เหลืออยู่ห่างจากจุดเชื่อมต่อ การดำเนินการนี้ทำให้ผู้ให้บริการประจุรายอื่นกระจายข้ามทางแยกได้ค่อนข้างยาก เป็นผลให้ประจุถูกสร้างขึ้นหรืออาจมีสิ่งกีดขวางโผล่ออกมาข้ามทางแยก

ดังแสดงในรูปต่อไปนี้. ศักยภาพในการกีดขวางผลลัพธ์มีแบตเตอรี่ขนาดเล็กเชื่อมต่อผ่านทางแยก PN ในรูปที่กำหนดให้สังเกตขั้วของอุปสรรคที่อาจเกิดขึ้นนี้เกี่ยวกับวัสดุ P และ N แรงดันไฟฟ้าหรือศักย์ไฟฟ้านี้จะมีอยู่เมื่อคริสตัลไม่ได้เชื่อมต่อกับแหล่งพลังงานภายนอก

ศักยภาพในการกั้นของเจอร์เมเนียมอยู่ที่ประมาณ 0.3 V และของซิลิกอนเท่ากับ 0.7 V ค่าเหล่านี้ไม่สามารถวัดได้โดยตรงและปรากฏในพื้นที่ประจุไฟฟ้าของทางแยก ในการผลิตการนำกระแสไฟฟ้าศักยภาพการกั้นของทางแยก PN จะต้องเอาชนะโดยแหล่งจ่ายแรงดันภายนอก

คำว่าอคติหมายถึงการประยุกต์ใช้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงเพื่อตั้งค่าเงื่อนไขการทำงานบางอย่าง หรือเมื่อใช้แหล่งพลังงานภายนอกกับทางแยก PN เรียกว่าแรงดันไบแอสหรือเพียงแค่ให้น้ำหนัก วิธีนี้อาจเพิ่มหรือลดศักยภาพการกั้นของทางแยก ด้วยเหตุนี้การลดลงของศักยภาพของสิ่งกีดขวางทำให้ผู้ให้บริการปัจจุบันกลับไปยังพื้นที่พร่อง การปฏิบัติตามเงื่อนไขอคติสองประการจะถูกนำไปใช้ทางแยก PN ข้อต่อ

• Forward Biasing - มีการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าภายนอกที่มีขั้วเดียวกันให้กับศักย์ของสิ่งกีดขวางซึ่งทำให้ความกว้างของพื้นที่พร่องเพิ่มขึ้น

• Reverse Biasing - จุดเชื่อมต่อ PN มีความเอนเอียงในลักษณะที่การประยุกต์ใช้แรงดันไฟฟ้าภายนอกป้องกันไม่ให้พาหะในปัจจุบันเข้าสู่พื้นที่พร่อง

ส่งต่อการให้น้ำหนัก

รูปต่อไปนี้แสดงไดโอดทางแยก PN แบบเอนเอียงไปข้างหน้าโดยใช้แรงดันไฟฟ้าภายนอก คุณจะเห็นว่าขั้วบวกของแบตเตอรี่เชื่อมต่อกับวัสดุ P และขั้วลบของแบตเตอรี่เชื่อมต่อกับวัสดุ N

ต่อไปนี้เป็นข้อสังเกต -

• แรงดันไฟฟ้าแบบไบแอสนี้จะขับไล่พาหะในปัจจุบันส่วนใหญ่ของวัสดุประเภท P และ N แต่ละชนิด เป็นผลให้มีรูและอิเล็กตรอนจำนวนมากเริ่มปรากฏที่ทางแยก

• ที่ด้าน N ของจุดเชื่อมต่ออิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่เข้าไปเพื่อทำให้ไอออนบวกเป็นกลางในบริเวณพร่อง

• บนวัสดุด้าน P อิเล็กตรอนจะถูกลากจากไอออนลบซึ่งทำให้พวกมันเป็นกลางอีกครั้ง ซึ่งหมายความว่าการให้น้ำหนักไปข้างหน้าจะยุบส่วนที่หมดลงและด้วยเหตุนี้จึงมีโอกาสเกิดอุปสรรคด้วย หมายความว่าเมื่อทางแยก PN มีความเอนเอียงไปข้างหน้าจะทำให้กระแสไฟฟ้าไหลต่อเนื่อง

รูปต่อไปนี้แสดงการไหลของพาหะปัจจุบันของไดโอดแบบเอนเอียงไปข้างหน้า มีการจัดหาอิเล็กตรอนคงที่เนื่องจากแหล่งจ่ายแรงดันภายนอกที่เชื่อมต่อกับไดโอด การไหลและทิศทางของกระแสจะแสดงโดยลูกศรขนาดใหญ่ที่อยู่นอกไดโอดในแผนภาพ โปรดสังเกตว่าการไหลของอิเล็กตรอนและการไหลของกระแสหมายถึงสิ่งเดียวกัน

ต่อไปนี้เป็นข้อสังเกต -

• สมมติว่าอิเล็กตรอนไหลผ่านสายไฟจากขั้วแบตเตอรี่ลบไปยังวัสดุ N เมื่อเข้าสู่สารนี้พวกมันจะไหลไปที่ทางแยกทันที

• ในทำนองเดียวกันในอีกด้านหนึ่งอิเล็กตรอนจำนวนเท่ากันจะถูกดึงออกจากด้าน P และส่งกลับไปที่ขั้วแบตเตอรี่บวก การดำเนินการนี้จะสร้างรูใหม่และทำให้พวกมันเคลื่อนไปยังทางแยก

• เมื่อรูและอิเล็กตรอนเหล่านี้มาถึงทางแยกพวกมันจะรวมตัวกันและหายไปอย่างมีประสิทธิภาพ เป็นผลให้มีรูและอิเล็กตรอนใหม่เกิดขึ้นที่ปลายด้านนอกของไดโอด ผู้ให้บริการส่วนใหญ่เหล่านี้สร้างขึ้นอย่างต่อเนื่อง การดำเนินการนี้จะดำเนินต่อไปตราบเท่าที่ใช้แหล่งจ่ายแรงดันภายนอก

• เมื่อไดโอดเอนเอียงไปข้างหน้าจะสังเกตได้ว่าอิเล็กตรอนไหลผ่านโครงสร้างทั้งหมดของไดโอด สิ่งนี้เป็นเรื่องปกติในวัสดุประเภท N ในขณะที่รูวัสดุ P เป็นตัวพากระแสที่เคลื่อนที่ สังเกตว่าการเคลื่อนที่ของรูในทิศทางเดียวต้องเริ่มต้นด้วยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในทิศทางตรงกันข้าม ดังนั้นการไหลของกระแสรวมคือการเพิ่มของรูและอิเล็กตรอนไหลผ่านไดโอด

ย้อนกลับการให้น้ำหนัก

รูปต่อไปนี้แสดงไดโอดทางแยก PN แบบย้อนกลับโดยใช้แรงดันไฟฟ้าภายนอก คุณจะเห็นว่าขั้วบวกของแบตเตอรี่เชื่อมต่อกับวัสดุ N และขั้วลบของแบตเตอรี่เชื่อมต่อกับวัสดุ P โปรดทราบว่าในการจัดเรียงดังกล่าวขั้วแบตเตอรี่คือการต่อต้านขั้ววัสดุของไดโอดเพื่อให้ประจุที่แตกต่างกันดึงดูด ดังนั้นผู้ให้บริการประจุไฟฟ้าส่วนใหญ่ของวัสดุแต่ละชนิดจึงถูกลากออกจากทางแยก การให้น้ำหนักย้อนกลับทำให้ไดโอดไม่เป็นตัวนำไฟฟ้า

รูปต่อไปนี้แสดงการจัดเรียงของพาหะปัจจุบันส่วนใหญ่ในไดโอดแบบย้อนกลับ

ต่อไปนี้เป็นข้อสังเกต -

• เนื่องจากวงจรอิเลคตรอนของวัสดุ N ถูกดึงเข้าหาขั้วแบตเตอรี่บวก

• อิเล็กตรอนแต่ละตัวที่เคลื่อนที่หรือออกจากไดโอดจะทำให้ไอออนบวกเกิดขึ้นแทน ด้วยเหตุนี้จึงทำให้ความกว้างของพื้นที่พร่องที่เพิ่มขึ้นเทียบเท่ากับด้าน N ของทางแยก

• ด้าน P ของไดโอดมีผลคล้ายกับด้าน N ในการกระทำนี้อิเล็กตรอนจำนวนหนึ่งออกจากขั้วแบตเตอรี่ลบและเข้าสู่วัสดุประเภท P

• จากนั้นอิเล็กตรอนเหล่านี้จะเคลื่อนที่เข้าไปในหลุมจำนวนหนึ่งทันที แต่ละหลุมที่ถูกยึดจะกลายเป็นไอออนลบ จากนั้นไอออนเหล่านี้จะถูกขับไล่โดยขั้วแบตเตอรี่ลบและขับเคลื่อนไปยังทางแยก ด้วยเหตุนี้จึงมีการเพิ่มความกว้างของพื้นที่พร่องที่ด้าน P ของทางแยก

ความกว้างโดยรวมของพื้นที่พร่องโดยตรงขึ้นอยู่กับแหล่งจ่ายแรงดันภายนอกของไดโอดแบบย้อนกลับ ในกรณีนี้ไดโอดไม่สามารถรองรับการไหลของกระแสผ่านบริเวณการพร่องในวงกว้างได้อย่างมีประสิทธิภาพ เป็นผลให้ประจุศักย์เริ่มพัฒนาข้ามทางแยกและเพิ่มขึ้นจนกระทั่งศักย์ของสิ่งกีดขวางเท่ากับแรงดันไบแอสภายนอก หลังจากนี้ไดโอดจะทำงานเป็นไม่ใช่ตัวนำ

ข้อ จำกัด การนำที่สำคัญของไดโอดทางแยก PN คือ leakage current. เมื่อไดโอดมีความเอนเอียงย้อนกลับความกว้างของพื้นที่พร่องจะเพิ่มขึ้น โดยทั่วไปเงื่อนไขนี้จำเป็นเพื่อ จำกัด การสะสมของพาหะในปัจจุบันใกล้กับทางแยก สายการบินส่วนใหญ่ในปัจจุบันส่วนใหญ่ถูกลบล้างในพื้นที่พร่องและด้วยเหตุนี้พื้นที่พร่องจึงทำหน้าที่เป็นฉนวน โดยปกติแล้วพาหะในปัจจุบันจะไม่ผ่านฉนวน

จะเห็นว่าในไดโอดแบบย้อนกลับกระแสไฟฟ้าบางส่วนไหลผ่านบริเวณพร่อง กระแสนี้เรียกว่ากระแสไฟฟ้ารั่ว กระแสไฟรั่วขึ้นอยู่กับผู้ให้บริการรายย่อยในปัจจุบัน ดังที่เราทราบกันดีว่าพาหะของชนกลุ่มน้อยคืออิเล็กตรอนในวัสดุประเภท P และรูในวัสดุประเภท N

รูปต่อไปนี้แสดงให้เห็นว่าพาหะในปัจจุบันตอบสนองอย่างไรเมื่อไดโอดกลับลำเอียง

ต่อไปนี้เป็นข้อสังเกต -

• ผู้ให้บริการรายย่อยของวัสดุแต่ละชนิดจะถูกผลักผ่านเขตพร่องไปยังทางแยก การกระทำนี้ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้ารั่วน้อยมาก โดยทั่วไปกระแสไฟฟ้ารั่วจะมีขนาดเล็กมากจนถือได้ว่าเล็กน้อย

• ในกรณีของกระแสไฟฟ้ารั่วอุณหภูมิมีบทบาทสำคัญ ผู้ให้บริการรายย่อยในปัจจุบันส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ

• ที่อุณหภูมิห้อง 25 ° C หรือ 78 ° F มีผู้ให้บริการรายย่อยจำนวนเล็กน้อยอยู่ในไดโอดไบอัสย้อนกลับ

• เมื่ออุณหภูมิโดยรอบสูงขึ้นจะทำให้การสร้างผู้ให้บริการรายย่อยเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญและเป็นผลให้เกิดกระแสรั่วเพิ่มขึ้นตามลำดับ

ในไดโอดแบบย้อนกลับทั้งหมดการเกิดกระแสไฟฟ้ารั่วเป็นเรื่องปกติในระดับหนึ่ง ในไดโอดเจอร์เมเนียมและซิลิคอนกระแสไฟรั่วมีเพียงไม่กี่ตัวmicroamperes และ nanoamperesตามลำดับ เจอร์เมเนียมมีความไวต่ออุณหภูมิมากกว่าซิลิกอน ด้วยเหตุนี้ซิลิคอนส่วนใหญ่จึงถูกใช้ในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ทันสมัย

มีสเกลปัจจุบันที่หลากหลายสำหรับการดำเนินการอคติไปข้างหน้าและย้อนกลับ ส่วนข้างหน้าของเส้นโค้งบ่งชี้ว่าไดโอดดำเนินการเมื่อ P-region เป็นค่าบวกและ N-region เป็นลบ

ไดโอดแทบจะไม่มีกระแสไฟฟ้าในแนวต้านสูงกล่าวคือเมื่อ Pregion ถูกทำให้เป็นลบและ N-region ทำให้เป็นบวก ตอนนี้รูและอิเล็กตรอนถูกระบายออกไปจากทางแยกทำให้ศักยภาพของสิ่งกีดขวางเพิ่มขึ้น เงื่อนไขนี้ระบุโดยส่วนกระแสย้อนกลับของเส้นโค้ง

ส่วนประของเส้นโค้งแสดงถึง ideal curveซึ่งจะส่งผลหากไม่ใช่เพราะเหตุหิมะถล่ม รูปต่อไปนี้แสดงลักษณะคงที่ของไดโอดทางแยก

ลักษณะของ DIODE IV

ลักษณะของแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าและย้อนกลับ (IV) ของไดโอดโดยทั่วไปจะเปรียบเทียบกับเส้นโค้งลักษณะเดียว รูปที่แสดงในส่วนลักษณะไปข้างหน้าแสดงให้เห็นว่าโดยปกติแรงดันไปข้างหน้าและแรงดันย้อนกลับจะถูกพล็อตบนเส้นแนวนอนของกราฟ

ค่ากระแสไปข้างหน้าและย้อนกลับจะแสดงบนแกนแนวตั้งของกราฟ แรงดันไปข้างหน้าแสดงไปทางขวาและแรงดันย้อนกลับไปทางซ้าย จุดเริ่มต้นหรือค่าศูนย์อยู่ที่ศูนย์กลางของกราฟ Forward Current ยาวเหนือแกนนอนโดย Reverse Current ยื่นลงด้านล่าง

ค่าแรงดันไปข้างหน้าและกระแสทางตรงรวมกันจะอยู่ที่ส่วนบนขวาของกราฟและแรงดันย้อนกลับและกระแสย้อนกลับที่มุมล่างซ้าย โดยปกติสเกลต่างๆจะใช้เพื่อแสดงค่าไปข้างหน้าและย้อนกลับ

ไปข้างหน้าลักษณะ

เมื่อไดโอดถูกลำเอียงไปข้างหน้ามันจะนำกระแส (IF) ไปข้างหน้า ค่า IF ขึ้นอยู่กับปริมาณของแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าโดยตรง ความสัมพันธ์ของแรงดันไปข้างหน้าและกระแสไปข้างหน้าเรียกว่าแอมป์ - โวลต์หรือคุณสมบัติ IV ของไดโอด ลักษณะทั่วไปของไดโอดไปข้างหน้า IV แสดงในรูปต่อไปนี้

ต่อไปนี้เป็นข้อสังเกต -

• แรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าวัดผ่านไดโอดและ Forward Current เป็นการวัดกระแสผ่านไดโอด

• เมื่อแรงดันไปข้างหน้าของไดโอดเท่ากับ 0V กระแสไปข้างหน้า (IF) เท่ากับ 0 mA

• เมื่อค่าเริ่มต้นจากจุดเริ่มต้น (0) ของกราฟถ้า VF เพิ่มขึ้นทีละ 0.1-V ขั้นตอน IF จะเริ่มสูงขึ้น

• เมื่อค่าของ VF มากพอที่จะเอาชนะอุปสรรคที่อาจเกิดขึ้นของทางแยก PN จะเกิด IF เพิ่มขึ้นอย่างมาก จุดที่เกิดขึ้นมักเรียกว่าแรงดันไฟฟ้าที่หัวเข่าV_K. สำหรับไดโอดเจอร์เมเนียมV_K อยู่ที่ประมาณ 0.3 V และ 0.7 V สำหรับซิลิคอน

• หากค่า IF เพิ่มขึ้นมากเกิน V_Kกระแสไปข้างหน้าจะค่อนข้างมาก

การดำเนินการนี้ทำให้เกิดความร้อนมากเกินไปในการพัฒนาบนทางแยกและสามารถทำลายไดโอดได้ เพื่อหลีกเลี่ยงสถานการณ์นี้ตัวต้านทานป้องกันจะเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับไดโอด ตัวต้านทานนี้ จำกัด กระแสไปข้างหน้าเป็นค่าพิกัดสูงสุด โดยปกติตัวต้านทานการ จำกัด กระแสจะใช้เมื่อไดโอดทำงานในทิศทางไปข้างหน้า

ลักษณะย้อนกลับ

เมื่อไดโอดมีความเอนเอียงแบบย้อนกลับมันจะนำกระแสไฟฟ้าย้อนกลับซึ่งโดยปกติจะมีขนาดค่อนข้างเล็ก ลักษณะทั่วไปของ diode reverse IV แสดงไว้ในรูปด้านบน

เส้นกระแสย้อนกลับแนวตั้งในกราฟนี้มีค่าปัจจุบันแสดงเป็นไมโครแอมแปร์ จำนวนผู้ให้บริการกระแสไฟฟ้าส่วนน้อยที่มีส่วนร่วมในการนำกระแสย้อนกลับค่อนข้างน้อย โดยทั่วไปหมายความว่ากระแสไฟฟ้าย้อนกลับจะคงที่ในส่วนใหญ่ของแรงดันย้อนกลับ เมื่อแรงดันย้อนกลับของไดโอดเพิ่มขึ้นตั้งแต่เริ่มต้นกระแสไฟฟ้าย้อนกลับจะเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยมาก ที่จุดสลายแรงดันไฟฟ้า (VBR) กระแสจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว แรงดันไฟฟ้าทั่วไดโอดยังคงที่อย่างสมเหตุสมผลในขณะนี้

ลักษณะแรงดันคงที่นี้นำไปสู่การใช้งานไดโอดจำนวนมากภายใต้สภาวะอคติย้อนกลับ กระบวนการที่รับผิดชอบในการนำกระแสในไดโอดที่มีอคติย้อนกลับเรียกว่าAvalanche breakdown และ Zener breakdown.

ข้อมูลจำเพาะของไดโอด

เช่นเดียวกับการเลือกอื่น ๆ ต้องพิจารณาการเลือกไดโอดสำหรับแอปพลิเคชันเฉพาะ โดยทั่วไปผู้ผลิตจะให้ข้อมูลประเภทนี้ ข้อมูลจำเพาะเช่นแรงดันไฟฟ้าสูงสุดและพิกัดกระแสสภาวะการทำงานปกติข้อเท็จจริงเชิงกลการระบุตะกั่วขั้นตอนการติดตั้ง ฯลฯ

ต่อไปนี้เป็นข้อกำหนดที่สำคัญบางประการ -

• Maximum forward current (IFM) - กระแสไปข้างหน้าซ้ำสูงสุดที่สามารถผ่านไดโอด

• Maximum reverse voltage (VRM) - แรงดันไบอัสย้อนกลับสูงสุดหรือสูงสุดสัมบูรณ์ที่สามารถนำไปใช้กับไดโอด

• Reverse breakdown voltage (VBR) - แรงดันไฟฟ้าย้อนกลับคงที่ต่ำสุดที่จะเกิดการเสีย

• Maximum forward surge current (IFM-surge)- กระแสไฟฟ้าสูงสุดที่สามารถทนได้ในช่วงเวลาสั้น ๆ ค่าปัจจุบันนี้มากกว่า IFM มาก

• Maximum reverse current (IR) - กระแสไฟฟ้าย้อนกลับสูงสุดที่แน่นอนที่สามารถทนได้ที่อุณหภูมิในการทำงานของอุปกรณ์

• Forward voltage (VF) - แรงดันตกไปข้างหน้าสูงสุดสำหรับกระแสไปข้างหน้าที่กำหนดที่อุณหภูมิในการทำงานของอุปกรณ์

• Power dissipation (PD) - กำลังไฟสูงสุดที่อุปกรณ์สามารถดูดซับได้อย่างปลอดภัยอย่างต่อเนื่องในอากาศอิสระที่ 25 ° C

• Reverse recovery time (Trr) - เวลาสูงสุดที่ใช้อุปกรณ์ในการสลับจากสถิติเปิดเป็นปิด

เงื่อนไขสำคัญ

• Breakdown Voltage - เป็นแรงดันไบแอสย้อนกลับต่ำสุดที่ทางแยก PN พังลงพร้อมกับกระแสย้อนกลับที่เพิ่มขึ้นอย่างกะทันหัน

• Knee Voltage - เป็นแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าซึ่งกระแสไฟฟ้าผ่านทางแยกเริ่มเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว

• Peak Inverse Voltage - เป็นแรงดันย้อนกลับสูงสุดที่สามารถใช้กับทางแยก PN ได้โดยไม่ทำให้เสียหาย

• Maximum Forward Rating - เป็นกระแสไปข้างหน้าทันทีสูงสุดที่ทางแยก PN สามารถผ่านได้โดยไม่ทำให้เสียหาย

• Maximum Power Rating - เป็นกำลังสูงสุดที่สามารถกระจายออกจากทางแยกโดยไม่ทำลายทางแยก

ไดโอดเปล่งแสงมีอิทธิพลโดยตรงหรือโดยอ้อมต่อกิจกรรมประจำวันของเรา ตั้งแต่การแสดงข้อความไปจนถึงทีวี LED จะมี LED เหล่านี้อยู่ทุกที่ โดยพื้นฐานแล้วเป็นไดโอดทางแยก PN ที่ปล่อยแสงเมื่อกระแสไฟฟ้าไปข้างหน้าได้รับอนุญาตให้ผ่านมัน รูปต่อไปนี้แสดงสัญลักษณ์ลอจิกของ LED

PN Junction Diode เปล่งแสงอย่างไร

LED ไม่ได้ทำจากซิลิคอนหรือเจอร์เมเนียมและองค์ประกอบเช่น Gallium Arsenide (GaAs) และ Gallium Phosphide (GaP) วัสดุเหล่านี้ถูกใช้อย่างจงใจเมื่อเปล่งแสง ดังนั้นเมื่อ LED มีความเอนเอียงไปข้างหน้าตามปกติอิเล็กตรอนจะข้ามทางแยกและรวมกันเป็นรู

การกระทำนี้ทำให้อิเล็กตรอนของพื้นที่ชนิด N หลุดจากการนำกระแสและกลับไปที่แถบวาเลนซ์ ในการทำเช่นนี้พลังงานที่ครอบครองโดยอิเล็กตรอนอิสระแต่ละตัวจะถูกปลดปล่อยออกมา พลังงานที่ปล่อยออกมาส่วนหนึ่งจะปรากฏเป็นความร้อนและส่วนที่เหลือจะถูกให้เป็นพลังงานแสงที่มองเห็นได้

หาก LED ทำจากซิลิคอนและเจอร์เมเนียมจากนั้นในระหว่างการรวมตัวของอิเล็กตรอนอีกครั้งพลังงานทั้งหมดจะกระจายไปในรูปของความร้อนเท่านั้น ในทางกลับกันวัสดุเช่น Gallium Arsenide (GaAs) และ Gallium Phosphide (GaP) มีโฟตอนเพียงพอที่จะทำให้เกิดแสงที่มองเห็นได้

• ถ้าไฟ LED ทำจากแกลเลียมอาร์เซไนด์จะให้แสงสีแดง
• ถ้า LED ทำจาก Gallium Phosphide ไฟ LED ดังกล่าวจะเปล่งแสงสีเขียว

ตอนนี้ให้พิจารณาไฟ LED สองดวงที่เชื่อมต่อกลับไปด้านหลังผ่านแหล่งจ่ายแรงดันภายนอกเช่นขั้วบวกของ LED หนึ่งดวงเชื่อมต่อกับขั้วลบของ LED อื่นหรือในทางกลับกัน เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้าภายนอกกับวงจรนี้ไฟ LED หนึ่งดวงจะทำงานพร้อมกันและเนื่องจากการทำงานของวงจรนี้จะเปล่งแสงที่แตกต่างกันเมื่อ LED หนึ่งลำเอียงไปข้างหน้าและอีกดวงหนึ่งมีความลำเอียงย้อนกลับหรือในทางกลับกัน

ข้อดีของ LED

LED มีข้อดีดังต่อไปนี้ -

• มีขนาดค่อนข้างเล็ก
• การสลับที่รวดเร็วมาก
• สามารถทำงานด้วยแรงดันไฟฟ้าต่ำมาก
• อายุขัยที่ยาวนานมาก
• ขั้นตอนการก่อสร้างอนุญาตให้ผลิตในรูปทรงและลวดลายที่แตกต่างกัน

การใช้งาน LED

LED ส่วนใหญ่จะใช้ในการแสดงตัวเลขที่ระบุตัวเลข 0 ถึง 9 นอกจากนี้ยังใช้ใน seven-segment display พบในมิเตอร์ดิจิตอลนาฬิกาเครื่องคิดเลข ฯลฯ

เป็นเซมิคอนดักเตอร์ไดโอดชนิดเฉพาะซึ่งทำขึ้นเพื่อใช้งานในพื้นที่การสลายย้อนกลับ รูปต่อไปนี้แสดงโครงสร้างผลึกและสัญลักษณ์ของซีเนอร์ไดโอด ส่วนใหญ่จะคล้ายกับไดโอดธรรมดา อย่างไรก็ตามมีการปรับเปลี่ยนเล็กน้อยเพื่อแยกความแตกต่างจากสัญลักษณ์ของไดโอดปกติ เส้นโค้งงอระบุตัวอักษร 'Z' ของซีเนอร์

ความแตกต่างที่สำคัญที่สุดในไดโอดซีเนอร์และไดโอดทางแยก PN ปกติอยู่ในโหมดที่ใช้ในวงจร โดยปกติไดโอดเหล่านี้จะทำงานในทิศทางอคติย้อนกลับเท่านั้นซึ่งหมายความว่าขั้วบวกต้องเชื่อมต่อกับด้านลบของแหล่งจ่ายแรงดันและขั้วลบกับขั้วบวก

หากใช้ไดโอดธรรมดาแบบเดียวกับซีเนอร์ไดโอดไดโอดจะถูกทำลายเนื่องจากกระแสไฟมากเกินไป คุณสมบัตินี้ทำให้ซีเนอร์ไดโอดมีนัยสำคัญน้อยลง

ภาพประกอบต่อไปนี้แสดงตัวควบคุมที่มีซีเนอร์ไดโอด

ไดโอดซีเนอร์เชื่อมต่อในทิศทางไบแอสย้อนกลับกับแหล่งจ่าย DC ที่ไม่มีการควบคุม มีการเจืออย่างมากเพื่อให้แรงดันไฟฟ้าพังย้อนกลับลดลง ส่งผลให้ชั้นพร่องบางมาก ด้วยเหตุนี้ซีเนอร์ไดโอดจึงมีแรงดันไฟฟ้าย้อนกลับที่คมชัดV_z.

ตามการทำงานของวงจรการสลายจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วโดยมีกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหันดังแสดงในรูปต่อไปนี้

แรงดันไฟฟ้า V_zคงที่เมื่อกระแสเพิ่มขึ้น เนื่องจากคุณสมบัตินี้ซีเนอร์ไดโอดจึงใช้กันอย่างแพร่หลายในการควบคุมแรงดันไฟฟ้า ให้แรงดันเอาต์พุตเกือบคงที่โดยไม่คำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าผ่านซีเนอร์ ดังนั้นแรงดันไฟฟ้ายังคงอยู่ที่ค่าคงที่

เราจะเห็นว่าที่แรงดันย้อนกลับเฉพาะที่เรียกว่าแรงดันไฟฟ้าที่หัวเข่ากระแสจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วด้วยแรงดันคงที่ เนื่องจากคุณสมบัตินี้ไดโอดซีเนอร์จึงใช้กันอย่างแพร่หลายในการรักษาเสถียรภาพแรงดันไฟฟ้า

โฟโตไดโอดคือไดโอดทางแยก PN ที่จะนำกระแสเมื่อสัมผัสกับแสง ไดโอดนี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อทำงานในโหมดอคติย้อนกลับ หมายความว่าความเข้มของแสงตกกระทบมากขึ้นกระแสอคติย้อนกลับก็จะมากขึ้น

รูปต่อไปนี้แสดงสัญลักษณ์แผนผังและรายละเอียดโครงสร้างของโฟโต้ไดโอด

การทำงานของ Photo Diode

มันคือ reverse-biased diode. กระแสไฟฟ้าย้อนกลับจะเพิ่มขึ้นเมื่อความเข้มของแสงตกกระทบเพิ่มขึ้น ซึ่งหมายความว่ากระแสไฟฟ้าย้อนกลับเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มของแสงที่ตกลงมา

ประกอบด้วยทางแยก PN ที่ติดตั้งบนวัสดุพิมพ์ชนิด P และปิดผนึกในกล่องโลหะ จุดเชื่อมต่อทำจากเลนส์โปร่งใสและเป็นหน้าต่างที่แสงควรตกลงมา

ดังที่เราทราบเมื่อไดโอดทางแยก PN มีความเอนเอียงย้อนกลับกระแสไหลย้อนกลับจำนวนน้อยมาก กระแสไฟฟ้าย้อนกลับถูกสร้างขึ้นโดยใช้ความร้อนโดยคู่ของรูอิเล็กตรอนในบริเวณพร่องของไดโอด

เมื่อแสงตกบนทางแยก PN จะถูกดูดซับโดยทางแยก สิ่งนี้จะทำให้เกิดคู่ของรูอิเล็กตรอนมากขึ้น หรือเราสามารถพูดได้ว่าปริมาณของกระแสย้อนกลับเพิ่มขึ้น

กล่าวอีกนัยหนึ่งคือเมื่อความเข้มของแสงตกเพิ่มขึ้นความต้านทานของไดโอดทางแยก PN จะลดลง

• การกระทำนี้ทำให้ไดโอดเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าได้มากขึ้น
• ไดโอดเหล่านี้มีเวลาตอบสนองที่รวดเร็วมาก
• สิ่งเหล่านี้ใช้ในอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ระดับสูง
• นอกจากนี้ยังใช้ในวงจรเตือนภัยวงจรตัวนับเป็นต้น

เซลล์โฟโตวอลเทอิกพื้นฐานประกอบด้วย n-type และ p-type semiconductor ที่สร้างทางแยก pn พื้นที่ด้านบนขยายออกและโปร่งใสโดยทั่วไปจะโดนแดด ไดโอดหรือเซลล์เหล่านี้มีความพิเศษที่สร้างแรงดันไฟฟ้าเมื่อสัมผัสกับแสง เซลล์จะเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง

รูปต่อไปนี้แสดงไฟล์ symbol of photovoltaic cell.

การทำงานของเซลล์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์

การสร้างเซลล์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์นั้นคล้ายกับไดโอดทางแยก PN ไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านอุปกรณ์เมื่อไม่มีการใช้แสง ในสถานะนี้เซลล์จะไม่สามารถสร้างกระแสได้

จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องทำให้เซลล์มีอคติอย่างเหมาะสมซึ่งต้องใช้แสงในปริมาณที่พอเหมาะ ทันทีที่ใช้แสงจะสามารถสังเกตเห็นสถานะที่โดดเด่นของไดโอดทางแยก PN เป็นผลให้อิเล็กตรอนได้รับพลังงานเพียงพอและแยกตัวออกจากอะตอมแม่ คู่หลุมอิเล็กตรอนที่สร้างขึ้นใหม่เหล่านี้ในบริเวณพร่องข้ามทางแยก

ในการกระทำนี้อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่เข้าไปในวัสดุประเภท N เนื่องจากความเข้มข้นของไอออนบวกตามปกติ ในทำนองเดียวกันรูกวาดเข้าไปในวัสดุประเภท P เนื่องจากมีเนื้อหาเชิงลบ สิ่งนี้ทำให้วัสดุประเภท N รับประจุลบทันทีและวัสดุ P รับประจุบวก จากนั้นทางแยก PN จะส่งแรงดันไฟฟ้าขนาดเล็กเพื่อตอบสนอง

ลักษณะของเซลล์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์

รูปต่อไปนี้ทางด้านซ้ายแสดงลักษณะอย่างใดอย่างหนึ่งกราฟระหว่างกระแสไฟฟ้าย้อนกลับ (I _R ) และไฟส่องสว่าง (E) ของโฟโต้ไดโอด IR วัดบนแกนแนวตั้งและวัดความส่องสว่างบนแกนแนวนอน กราฟเป็นเส้นตรงผ่านตำแหน่งศูนย์

กล่าวคือ I _R = mE

m = กราฟความชันของเส้นตรง

พารามิเตอร์ m คือความไวของไดโอด

รูปด้านขวาแสดงลักษณะอื่นของโฟโต้ไดโอดกราฟระหว่างกระแสย้อนกลับ (I _R ) และแรงดันย้อนกลับของโฟโต้ไดโอด เป็นที่ชัดเจนจากกราฟว่าสำหรับแรงดันย้อนกลับที่กำหนดกระแสย้อนกลับจะเพิ่มขึ้นเมื่อการส่องสว่างเพิ่มขึ้นที่ทางแยก PN

โดยทั่วไปเซลล์เหล่านี้จะจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์โหลดเมื่อมีการใช้แสง หากต้องการแรงดันไฟฟ้าที่มากขึ้นอาร์เรย์ของเซลล์เหล่านี้จะถูกใช้เพื่อให้ได้ค่าเดียวกัน ด้วยเหตุนี้เซลล์แสงอาทิตย์จึงถูกนำมาใช้ในงานที่มีพลังงานแสงในระดับสูง

นี่คือไดโอดทางแยก PN พิเศษที่มีความเข้มข้นของสิ่งสกปรกที่ไม่สอดคล้องกันในวัสดุ PN ในไดโอดทางแยก PN ปกติสิ่งเจือปนของยาสลบมักจะกระจายไปทั่วทั้งวัสดุอย่างเท่าเทียมกัน ไดโอด Varactor เจือด้วยสิ่งสกปรกจำนวนน้อยมากใกล้กับทางแยกและความเข้มข้นของสิ่งเจือปนจะเพิ่มขึ้นโดยเคลื่อนออกจากทางแยก

ในไดโอดทางแยกแบบเดิมพื้นที่พร่องคือพื้นที่ที่แยกวัสดุ P และ N พื้นที่พร่องได้รับการพัฒนาในช่วงเริ่มต้นเมื่อมีการสร้างทางแยกในขั้นต้น ไม่มีผู้ให้บริการปัจจุบันในภูมิภาคนี้ดังนั้นพื้นที่พร่องจึงทำหน้าที่เป็นสื่ออิเล็กทริกหรือฉนวน

วัสดุประเภท P ที่มีรูเป็นพาหะส่วนใหญ่และวัสดุประเภท N ที่มีอิเล็กตรอนเป็นพาหะส่วนใหญ่ทำหน้าที่เป็นแผ่นประจุไฟฟ้า ดังนั้นไดโอดจึงถือได้ว่าเป็นตัวเก็บประจุที่มีแผ่นประจุตรงข้ามชนิด N และ P และบริเวณพร่องทำหน้าที่เป็นอิเล็กทริก อย่างที่เราทราบกันดีว่าวัสดุ P และ N ซึ่งเป็นเซมิคอนดักเตอร์ถูกคั่นด้วยฉนวนบริเวณพร่อง

เรียกว่าไดโอดที่ออกแบบมาเพื่อตอบสนองต่อเอฟเฟกต์ความจุภายใต้อคติย้อนกลับ varactors, varicap diodes, หรือ voltage-variable capacitors.

รูปต่อไปนี้แสดงสัญลักษณ์ของ Varactor diode

โดยปกติไดโอด Varactor จะทำงานในสภาวะอคติย้อนกลับ เมื่ออคติย้อนกลับเพิ่มขึ้นความกว้างของพื้นที่พร่องก็เพิ่มขึ้นส่งผลให้ความจุน้อยลง ซึ่งหมายความว่าเมื่ออคติย้อนกลับลดลงสามารถเห็นการเพิ่มขึ้นของความจุที่สอดคล้องกันได้ ดังนั้นความจุของไดโอดจึงแปรผกผันกับแรงดันไบแอส โดยปกติจะไม่เป็นเส้นตรง มันทำงานระหว่างศูนย์และแรงดันไฟฟ้าย้อนกลับ

ความจุของ Varactor diode แสดงเป็น -

$$ C_T = E \ frac {A} {W_d} $$

• C_T = ความจุรวมของทางแยก

• E = การอนุญาตของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์

• A = พื้นที่หน้าตัดของทางแยก

• W_d = ความกว้างของชั้นพร่อง

ไดโอดเหล่านี้เป็นตัวแปรที่ใช้ในงานไมโครเวฟ ไดโอด Varactor ยังใช้ในวงจรเรโซแนนซ์ซึ่งจำเป็นต้องมีการปรับแต่งแรงดันไฟฟ้าหรือการควบคุมความถี่ในระดับหนึ่ง ไดโอดนี้ยังใช้ใน Automatic Frequency Control (AFC) ในเครื่องรับวิทยุ FM และโทรทัศน์

ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ส่วนใหญ่เกิดจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์สองชั้นชนิดตรงกันข้ามโดยเชื่อมต่อกับด้านหลัง ประเภทของสิ่งเจือปนที่เติมลงในซิลิกอนหรือเจอร์เมเนียมจะตัดสินขั้วเมื่อเกิดขึ้น

ทรานซิสเตอร์ NPN

ทรานซิสเตอร์ NPN ประกอบด้วยวัสดุประเภท N สองตัวคั่นด้วยชั้นบาง ๆ ของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ชนิด P โครงสร้างผลึกและสัญลักษณ์แผนผังของทรานซิสเตอร์ NPN แสดงไว้ในรูปด้านบน

มีโอกาสในการขายสามรายการที่นำออกมาจากวัสดุแต่ละประเภทที่รู้จักกันในชื่อ emitter, baseและ collector. ในสัญลักษณ์เมื่อหัวลูกศรของตัวปล่อยถูกนำออกไปด้านนอกจากฐานแสดงว่าอุปกรณ์เป็นประเภท NPN

ทรานซิสเตอร์ PNP

ทรานซิสเตอร์ PNP ประกอบด้วยวัสดุประเภท P สองชิ้นคั่นด้วยชั้นบาง ๆ ของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N โครงสร้างผลึกและสัญลักษณ์แผนผังของทรานซิสเตอร์ PNP แสดงไว้ด้านล่าง

ในสัญลักษณ์เมื่อหัวลูกศรของตัวปล่อยพุ่งเข้าหาฐานแสดงว่าอุปกรณ์เป็นประเภท PNP

ต่อไปนี้เป็นเทคนิคการผลิตบางส่วนที่ใช้ในการสร้างทรานซิสเตอร์ -

ประเภทการแพร่กระจาย

ในวิธีนี้เวเฟอร์ของเซมิคอนดักเตอร์ต้องอยู่ภายใต้การแพร่กระจายของก๊าซบางอย่างของสิ่งสกปรกทั้งชนิด N และชนิด P เพื่อสร้างตัวปล่อยและทางแยกของตัวรวบรวม ขั้นแรกให้กำหนดจุดเชื่อมต่อตัวรวบรวมฐานและฝังภาพถ่ายก่อนการแพร่กระจายฐาน ต่อมาตัวปล่อยจะกระจายที่ฐาน ทรานซิสเตอร์ที่ผลิตโดยเทคนิคนี้มีสัญญาณรบกวนที่ดีขึ้นและยังเห็นการปรับปรุงอัตราขยายปัจจุบัน

ประเภทที่ปลูก

เกิดจากการวาดผลึกเดี่ยวจากซิลิกอนหรือเจอร์เมเนียมที่หลอมละลาย เพิ่มความเข้มข้นของสิ่งเจือปนที่ต้องการในระหว่างการวาดคริสตัล

ประเภท Epitaxial

ซิลิกอนหรือเจอร์เมเนียมชั้นเดียวที่มีความบริสุทธิ์สูงมากและมีความบริสุทธิ์สูงมากปลูกบนพื้นผิวที่มีการเจืออย่างมากชนิดเดียวกัน คริสตัลเวอร์ชันที่ปรับปรุงแล้วนี้จะสร้างคอลเลกชันที่สร้างตัวปล่อยและทางแยกฐาน

ประเภทโลหะผสม

ในวิธีนี้ส่วนฐานทำจากวัสดุประเภท N บาง ๆ ที่ด้านตรงข้ามของชิ้นส่วนจะมีอินเดียมจุดเล็ก ๆ สองจุดติดอยู่และการก่อตัวที่สมบูรณ์จะถูกเก็บไว้ที่อุณหภูมิสูงเป็นเวลาสั้น ๆ อุณหภูมิจะสูงกว่าอุณหภูมิหลอมละลายของอินเดียมและต่ำกว่าเจอร์เมเนียม เทคนิคนี้เรียกอีกอย่างว่าการก่อสร้างแบบหลอมรวม

ประเภทแกะสลักด้วยไฟฟ้า

ในวิธีนี้ที่ด้านตรงข้ามของเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์จะมีการฝังความหดหู่เพื่อลดความกว้างของพื้นที่ฐาน จากนั้นโลหะที่เหมาะสมจะถูกชุบด้วยไฟฟ้าเข้าไปในบริเวณที่กดทับเพื่อสร้างทางแยกตัวปล่อยและตัวเก็บรวบรวม

ทรานซิสเตอร์มีสามส่วน ได้แก่ - ส่วน emitter, base, และ collector.

• base มีความบางกว่าตัวปล่อยมากและตัวสะสมนั้นค่อนข้างกว้างกว่าทั้งสองอย่าง

• emitter ถูกเจืออย่างมากเพื่อให้สามารถฉีดตัวพาประจุจำนวนมากสำหรับการนำกระแส

• ฐานจะส่งผ่านตัวพาประจุส่วนใหญ่ไปยังตัวสะสมเนื่องจากมีการเจือน้อยกว่าตัวปล่อยและตัวเก็บประจุเล็กน้อย

สำหรับการทำงานที่เหมาะสมของทรานซิสเตอร์พื้นที่ฐานของตัวปล่อยจะต้องมีความเอนเอียงไปข้างหน้าและพื้นที่ฐานตัวสะสมจะต้องมีความเอนเอียงแบบย้อนกลับ

ในวงจรเซมิคอนดักเตอร์แรงดันต้นทางเรียกว่าแรงดันไบแอส ในการทำงานทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จะต้องมีทางแยกทั้งสองแบบเอนเอียง เงื่อนไขนี้ทำให้มีกระแสไหลผ่านวงจร พื้นที่พร่องของอุปกรณ์จะลดลงและผู้ให้บริการปัจจุบันส่วนใหญ่จะถูกฉีดเข้าไปในทางแยก หนึ่งในทางแยกของทรานซิสเตอร์จะต้องเอนเอียงไปข้างหน้าและอื่น ๆ จะต้องมีความเอนเอียงย้อนกลับเมื่อมันทำงาน

การทำงานของทรานซิสเตอร์ NPN

ดังที่แสดงในรูปด้านบนตัวปล่อยไปยังทางแยกฐานจะเอนเอียงไปข้างหน้าและตัวแยกไปยังทางแยกฐานจะเอนเอียงแบบย้อนกลับ ส่งต่ออคติบนตัวปล่อยไปยังทางแยกฐานทำให้อิเล็กตรอนไหลจากตัวปล่อยชนิด N ไปยังไบแอส เงื่อนไขนี้กำหนดกระแสตัวปล่อย (I _E )

ในขณะที่ข้ามวัสดุประเภท P อิเล็กตรอนมักจะรวมตัวกับรูโดยทั่วไปมีน้อยมากและเป็นกระแสฐาน (I _B ) อิเล็กตรอนส่วนที่เหลือข้ามบริเวณการพร่องบาง ๆ และไปถึงบริเวณตัวสะสม กระแสนี้ถือเป็นกระแสสะสม (I _C )

กล่าวอีกนัยหนึ่งกระแสของตัวปล่อยจะไหลผ่านวงจรตัวเก็บรวบรวม ดังนั้นจึงถือได้ว่ากระแสอีซีแอลคือผลรวมของฐานและกระแสสะสม สามารถแสดงเป็น

ฉัน_E = ฉัน_B + ฉัน_C

การทำงานของทรานซิสเตอร์ PNP

ดังแสดงในรูปต่อไปนี้ตัวปล่อยไปยังทางแยกฐานจะเอนเอียงไปข้างหน้าและทางแยกตัวรวบรวมไปยังฐานจะเอนเอียงแบบย้อนกลับ ส่งต่ออคติบนตัวปล่อยไปยังทางแยกฐานทำให้รูไหลจากตัวปล่อยชนิด P ไปยังไบแอส เงื่อนไขนี้กำหนดกระแสตัวปล่อย (I _E )

ในขณะที่ข้ามวัสดุประเภท N อิเล็กตรอนมักจะรวมตัวกับอิเล็กตรอนโดยทั่วไปมีน้อยมากและเป็นกระแสฐาน (I _B ) ส่วนที่เหลือของรูข้ามพื้นที่พร่องบาง ๆ และไปถึงบริเวณตัวสะสม กระแสนี้ถือเป็นกระแสของตัวสะสม (I _C )

กล่าวอีกนัยหนึ่งกระแสของตัวปล่อยจะไหลผ่านวงจรตัวเก็บรวบรวม ดังนั้นจึงถือได้ว่ากระแสอีซีแอลคือผลรวมของฐานและกระแสสะสม สามารถแสดงเป็น

ฉัน_E = ฉัน_B + ฉัน_C

เมื่อเชื่อมต่อทรานซิสเตอร์ในวงจรจำเป็นต้องมีขั้วหรือขาหรือขาสี่ขั้วและสองขั้วทั้งสำหรับอินพุตและเอาต์พุต อย่างที่เราทราบกันดีว่าทรานซิสเตอร์มีเพียง 3 ขั้วสถานการณ์นี้สามารถเอาชนะได้โดยการทำให้ขั้วใดขั้วหนึ่งเป็นเรื่องธรรมดาสำหรับทั้งส่วนอินพุตและเอาต์พุต ดังนั้นทรานซิสเตอร์สามารถเชื่อมต่อได้ในสามรูปแบบดังนี้ -

• การกำหนดค่าฐานทั่วไป
• การกำหนดค่า Emitter ทั่วไป
• Common Collector Configuration

ต่อไปนี้เป็นประเด็นสำคัญที่ควรทราบเกี่ยวกับการทำงานของทรานซิสเตอร์

• ทรานซิสเตอร์สามารถทำงานได้ในสามภูมิภาค ได้แก่ บริเวณที่ใช้งานความอิ่มตัวและพื้นที่ตัด

• ทรานซิสเตอร์เมื่อใช้ในพื้นที่แอ็คทีฟทางแยกฐานอีซีแอลจะเอนเอียงไปข้างหน้าและทางแยกฐานตัวสะสมจะเอนเอียงแบบย้อนกลับ

• ทรานซิสเตอร์เมื่อใช้ในบริเวณความอิ่มตัวทางแยกของตัวส่งสัญญาณฐานจะเอนเอียงไปข้างหน้าและทางแยกฐานตัวเก็บรวบรวมจะเอนเอียงไปข้างหน้าด้วย

• ทรานซิสเตอร์เมื่อใช้ในพื้นที่ตัดทั้งทางแยกตัวปล่อยฐานและทางแยกฐานตัวเก็บจะมีความเอนเอียงแบบย้อนกลับ

การเปรียบเทียบการกำหนดค่าทรานซิสเตอร์

ตารางต่อไปนี้แสดงการเปรียบเทียบการกำหนดค่าทรานซิสเตอร์

ลักษณะเฉพาะ	Emitter ทั่วไป	ฐานทั่วไป	นักสะสมทั่วไป
กำไรปัจจุบัน	สูง	ไม่	มาก
การใช้งาน	ความถี่เสียง	ความถี่สูง	การจับคู่ความต้านทาน
ความต้านทานอินพุต	ต่ำ	ต่ำ	สูงมาก
ความต้านทานขาออก	สูง	สูงมาก	ต่ำ
การเพิ่มแรงดันไฟฟ้า	ประมาณ. 500	ประมาณ. 150	น้อยกว่า 1

ข้อดีและข้อเสียของทรานซิสเตอร์

ตารางต่อไปนี้แสดงข้อดีและข้อเสียของทรานซิสเตอร์

ข้อดี	ข้อเสีย
แรงดันไฟฟ้าต่ำ	การพึ่งพาอุณหภูมิ
แรงดันไฟฟ้าสูง	ลดการกระจายพลังงาน
มีขนาดเล็กกว่า	อิมพีแดนซ์อินพุตต่ำ

ปัจจัยการขยายปัจจุบัน (α)

อัตราส่วนของการเปลี่ยนแปลงของกระแสสะสมต่อการเปลี่ยนแปลงของกระแสอีซีแอลที่ตัวสะสมคงที่ต่อแรงดันไฟฟ้าฐาน V_cb เรียกว่าปัจจัยการขยายปัจจุบัน ‘α’. สามารถแสดงเป็น

$ \ alpha = \ frac {\ Delta I_C} {\ Delta I_B} $ ที่ Constant V _CB

เป็นที่ชัดเจนว่าปัจจัยการขยายในปัจจุบันมีค่าน้อยกว่าเอกภาพและเป็นสัดส่วนผกผันกับกระแสฐานโดยพิจารณาว่าฐานมีการเจือเล็กน้อยและบาง

ปัจจัยการขยายฐานปัจจุบัน (β)

มันคืออัตราส่วนของการเปลี่ยนแปลงของกระแสสะสมต่อการเปลี่ยนแปลงของกระแสฐาน การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในกระแสฐานส่งผลให้กระแสของตัวสะสมมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมาก ดังนั้นทรานซิสเตอร์จึงสามารถรับกระแสได้ สามารถแสดงเป็น

$$ \ beta = \ frac {\ Delta I_C} {\ Delta I_B} $$

ทรานซิสเตอร์เป็นเครื่องขยายเสียง

รูปต่อไปนี้แสดงว่าตัวต้านทานโหลด (R _L ) อยู่ในอนุกรมที่มีแรงดันแหล่งจ่ายสะสม (V _cc ) การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าเล็กน้อยΔV_i ระหว่างตัวปล่อยและฐานทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในปัจจุบันของตัวปล่อยที่ค่อนข้างใหญ่ ΔI_E.

เรากำหนดโดยสัญลักษณ์ 'a' - เศษส่วนของการเปลี่ยนแปลงปัจจุบันนี้ - ซึ่งรวบรวมและส่งผ่าน R_L. การเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าขาออกในตัวต้านทานโหลดΔV_o = a’RL ΔI_Eอาจมีการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าอินพุตΔV _Iหลายครั้ง ภายใต้สถานการณ์เหล่านี้การขยายแรงดันไฟฟ้าA == V_O/ΔV_I จะมากกว่าเอกภาพและทรานซิสเตอร์ทำหน้าที่เป็นเครื่องขยายเสียง

Field Effect Transistor (FET) เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์สามขั้ว การทำงานขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่ควบคุม โดยลักษณะของ JFET และทรานซิสเตอร์สองขั้วมีความคล้ายคลึงกันมาก อย่างไรก็ตาม BJT เป็นอุปกรณ์ควบคุมกระแสและ JFET ถูกควบคุมโดยแรงดันไฟฟ้าอินพุต ส่วนใหญ่มี FET สองประเภท

• Junction Field Effect ทรานซิสเตอร์ (JFET)
• โลหะออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ FET (IGFET)

ทรานซิสเตอร์ Junction Field Effect

การทำงานของทรานซิสเตอร์ Junction Field Effect ขึ้นอยู่กับการไหลของพาหะส่วนใหญ่ (อิเล็กตรอนหรือโฮล) เท่านั้น โดยทั่วไป JFET ประกอบด้วยไฟล์N พิมพ์หรือ Pพิมพ์แถบซิลิกอนที่มีจุดเชื่อมต่อ PN ที่ด้านข้าง ต่อไปนี้เป็นประเด็นสำคัญที่ต้องจำเกี่ยวกับ FET -

• Gate- ด้วยการใช้เทคนิคการแพร่กระจายหรือการผสมแถบชนิด N ทั้งสองด้านจะถูกเจืออย่างมากเพื่อสร้างทางแยก PN บริเวณที่เจือเหล่านี้เรียกว่าประตู (G)

• Source - เป็นจุดเริ่มต้นของสายการบินส่วนใหญ่ที่พวกเขาเข้าไปในแถบเซมิคอนดักเตอร์

• Drain - เป็นจุดออกของผู้ให้บริการส่วนใหญ่ที่พวกเขาออกจากแถบเซมิคอนดักเตอร์

• Channel - เป็นพื้นที่ของวัสดุประเภท N ที่พาหะส่วนใหญ่ผ่านจากแหล่งกำเนิดไปยังท่อระบายน้ำ

JFET ที่ใช้กันทั่วไปในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ภาคสนามมีสองประเภท: N-Channel JFET และ P-Channel JFET.

N-Channel JFET

มีชั้นบาง ๆ ของวัสดุประเภท N ที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวประเภท P รูปต่อไปนี้แสดงโครงสร้างผลึกและสัญลักษณ์แผนผังของ N-channel JFET จากนั้นประตูจะถูกสร้างขึ้นที่ด้านบนของช่อง N ด้วยวัสดุประเภท P ในตอนท้ายของช่องและประตูจะมีการต่อสายตะกั่วและวัสดุพิมพ์ไม่มีการเชื่อมต่อ

เมื่อแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายและท่อระบายน้ำของ JFET กระแสไฟฟ้าสูงสุดจะไหลผ่านช่องสัญญาณ กระแสไฟฟ้าในปริมาณที่เท่ากันจะไหลจากแหล่งจ่ายและขั้วท่อระบายน้ำ ปริมาณการไหลของช่องสัญญาณจะถูกกำหนดโดยค่าของ V _DDและความต้านทานภายในของช่องสัญญาณ

ค่าทั่วไปของความต้านทานการระบายแหล่งที่มาของ JFET นั้นค่อนข้างไม่กี่ร้อยโอห์ม เป็นที่ชัดเจนว่าแม้ว่าประตูจะเปิดอยู่การนำกระแสเต็มรูปแบบจะเกิดขึ้นในช่อง โดยพื้นฐานแล้วปริมาณแรงดันไบอัสที่ใช้ที่ ID จะควบคุมการไหลของพาหะในปัจจุบันที่ผ่านช่องทางของ JFET ด้วยการเปลี่ยนแปลงแรงดันเกตเล็กน้อย JFET สามารถควบคุมได้ทุกที่ระหว่างการนำไฟฟ้าเต็มรูปแบบและสถานะการตัด

P-Channel JFETs

มีชั้นบาง ๆ ของวัสดุประเภท P ที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวประเภท N รูปต่อไปนี้แสดงโครงสร้างผลึกและสัญลักษณ์แผนผังของ N-channel JFET ประตูถูกสร้างขึ้นที่ด้านบนของช่อง P ด้วยวัสดุประเภท N ในตอนท้ายของช่องและประตูจะติดสายตะกั่ว รายละเอียดการก่อสร้างส่วนที่เหลือคล้ายกับ N-channel JFET

โดยปกติสำหรับการใช้งานทั่วไปเทอร์มินอลเกตจะถูกทำให้เป็นบวกเมื่อเทียบกับเทอร์มินัลต้นทาง ขนาดของชั้นพร่องทางแยก PN ขึ้นอยู่กับความผันผวนของค่าของแรงดันไฟฟ้าประตูแบบย้อนกลับ ด้วยการเปลี่ยนแปลงแรงดันเกตเล็กน้อย JFET สามารถควบคุมได้ทุกที่ระหว่างการนำไฟฟ้าเต็มรูปแบบและสถานะการตัด

ลักษณะผลลัพธ์ของ JFET

ลักษณะเอาท์พุทของ JFET ถูกวาดระหว่างกระแสระบาย (I _D ) และแรงดันแหล่งระบาย (V _DS ) ที่แรงดันแหล่งจ่ายคงที่ (V _GS ) ดังแสดงในรูปต่อไปนี้

ในขั้นต้นกระแสท่อระบายน้ำ (I _D ) จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วพร้อมกับแรงดันไฟฟ้าของแหล่งระบาย (V _DS ) แต่จะกลายเป็นค่าคงที่ที่แรงดันไฟฟ้าที่เรียกว่าแรงดันไฟฟ้าแบบหนีบ (V _P ) เหนือแรงดันไฟฟ้าที่บีบออกความกว้างของช่องสัญญาณจะแคบลงจนทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้น้อยมาก ดังนั้นกระแสระบาย (I _D ) จะคงที่เหนือแรงดันไฟฟ้าแบบหนีบ

พารามิเตอร์ของ JFET

พารามิเตอร์หลักของ JFET คือ -

• ความต้านทานท่อระบายน้ำ AC (ถ.)
• Transconductance
• ปัจจัยการขยาย

AC drain resistance (R_d)- เป็นอัตราส่วนของการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าของแหล่งระบาย (ΔV _DS ) ต่อการเปลี่ยนแปลงของกระแสท่อระบายน้ำ (ΔI _D ) ที่แรงดันเกต - ต้นทางคงที่ สามารถแสดงเป็น

R _d = (ΔV _DS ) / (ΔI _D ) ที่ค่าคงที่ V _GS

Transconductance (g_fs)- เป็นอัตราส่วนของการเปลี่ยนแปลงของกระแสท่อระบายน้ำ (ΔI _D ) ต่อการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าของแหล่งกำเนิดประตู (ΔV _GS ) ที่แรงดันแหล่งจ่ายคงที่ สามารถแสดงเป็น

g _fs = (ΔI _D ) / (ΔV _GS ) ที่ค่าคงที่ V _DS

Amplification Factor (u)- เป็นอัตราส่วนของการเปลี่ยนแปลงแรงดันแหล่งระบาย (ΔV _DS ) ต่อการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าของแหล่งกำเนิดประตู (ΔV _GS ) กระแสท่อระบายคงที่ (ΔI _D ) สามารถแสดงเป็น

u = (ΔV _DS ) / (ΔV _GS ) ที่ค่าคงที่ I _D

มีสองวิธีที่ใช้ในการให้น้ำหนัก JFET: วิธีอคติตนเองและวิธีการแบ่งศักยภาพ ในบทนี้เราจะพูดถึงวิธีการทั้งสองนี้โดยละเอียด

วิธีอคติในตนเอง

รูปต่อไปนี้แสดงวิธีอคติในตัวของ n-channel JFET กระแสระบายไหลผ่านR_sและสร้างแรงดันไบอัสที่ต้องการ ดังนั้น,R_s คือตัวต้านทานอคติ

ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าข้ามตัวต้านทานไบแอส

$$ V_s = I_ {DRS} $$

ดังที่เราทราบกันดีว่ากระแสประตูมีขนาดเล็กเล็กน้อยเทอร์มินัลประตูอยู่ที่กราวด์ DC, V _G = 0,

$$ V_ {GS} = V_G - V_s = 0 - I_ {DRS} $$

หรือ$ V_ {GS} = -I_ {DRS} $

V _GSช่วยให้ประตูลบ WRt ไปยังแหล่งที่มา

วิธีการแบ่งแรงดันไฟฟ้า

รูปต่อไปนี้แสดงวิธีการแบ่งแรงดันไฟฟ้าในการให้น้ำหนัก JFET ที่นี่ตัวต้านทาน R ₁และ R ₂สร้างวงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้าข้ามแรงดันไฟฟ้าของท่อระบายน้ำ (V _DD ) และมีความเหมือนกับที่ใช้ในการให้น้ำหนักทรานซิสเตอร์มากหรือน้อย

แรงดันไฟฟ้าข้าม R ₂ให้อคติที่จำเป็น -

$$ V_2 = V_G = \ frac {V_ {DD}} {R_1 + R_2} \ ครั้ง R_2 $$

$ = V_2 + V_ {GS} + I_D + R_S $

หรือ$ V_ {GS} = V_2 - I_ {DRS} $

วงจรได้รับการออกแบบมาเพื่อให้ V _GSเป็นค่าลบเสมอ สามารถหาจุดปฏิบัติการได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้ -

$$ I_D = \ frac {V_2 - V_ {GS}} {R_S} $$

และ$ V_ {DS} = V_ {DD} - I_D (R_D + R_S) $

Metal-oxide semiconductor field-effect transistorsหรือที่เรียกว่า MOSFETs มีความสำคัญมากกว่าและเป็นส่วนเสริมใหม่ของตระกูล FET

มีสารตั้งต้นชนิด P เจือเล็กน้อยซึ่งมีการกระจายโซนประเภท N สองโซน คุณลักษณะเฉพาะของอุปกรณ์นี้คือโครงสร้างประตู ที่นี่ประตูเป็นฉนวนอย่างสมบูรณ์จากช่อง เมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับประตูมันจะทำให้เกิดประจุไฟฟ้าสถิต

ณ เวลานี้ไม่อนุญาตให้กระแสไฟฟ้าไหลในบริเวณประตูของอุปกรณ์ นอกจากนี้ประตูยังเป็นพื้นที่ของอุปกรณ์ซึ่งเคลือบด้วยโลหะ โดยทั่วไปจะใช้ซิลิกอนไดออกไซด์เป็นวัสดุฉนวนระหว่างประตูและช่อง ด้วยเหตุนี้จึงเรียกอีกอย่างหนึ่งว่าinsulated gate FET. มีสอง MOSFETS ที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย i) Depletion MOSFET ii) Enhancement MOSFET

ดีมอสเฟต

ตัวเลขต่อไปนี้แสดง n-channel D-MOSFET และสัญลักษณ์ ประตูสร้างตัวเก็บประจุโดยมีประตูเป็นแผ่นเดียวและอีกแผ่นเป็นช่องที่มีชั้นSiO ₂เป็นอิเล็กทริก เมื่อแรงดันประตูแตกต่างกันสนามไฟฟ้าของตัวเก็บประจุจะเปลี่ยนไปซึ่งจะทำให้ความต้านทานของ n-channel แตกต่างกันไป

ในกรณีนี้เราสามารถใช้แรงดันไฟฟ้าบวกหรือลบกับประตูได้ เมื่อ MOSFET ทำงานด้วยแรงดันเกตลบจะเรียกว่าโหมดพร่องและเมื่อทำงานด้วยแรงดันเกตบวกจะเรียกว่าเป็นโหมดการเพิ่มประสิทธิภาพของการทำงานของ MOSFET

โหมดพร่อง

รูปต่อไปนี้แสดง N-Channel D-MOSFET ภายใต้โหมดการทำงานที่พร่อง

การดำเนินการมีดังนี้ -

• อิเล็กตรอนส่วนใหญ่มีอยู่ที่ประตูเนื่องจากประตูเป็นลบและขับไล่อิเล็กตรอนของ n ช่อง

• การกระทำนี้ทำให้ไอออนบวกในส่วนของช่องสัญญาณ กล่าวอีกนัยหนึ่งอิเล็กตรอนอิสระบางตัวของnช่องหมด เป็นผลให้มีจำนวนอิเล็กตรอนน้อยลงสำหรับการนำกระแสผ่านn ช่อง

• ยิ่งแรงดันลบที่ประตูมากเท่าใดกระแสไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายไปยังท่อระบายน้ำก็จะน้อยลง ดังนั้นเราสามารถเปลี่ยนความต้านทานของช่อง n และกระแสจากแหล่งจ่ายไปยังท่อระบายน้ำได้โดยการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าเชิงลบที่ประตู

โหมดการเพิ่มประสิทธิภาพ

รูปต่อไปนี้แสดง n ช่อง D MOSFET ภายใต้โหมดการทำงานที่เพิ่มประสิทธิภาพ ที่นี่ประตูทำหน้าที่เป็นตัวเก็บประจุ อย่างไรก็ตามในกรณีนี้ประตูเป็นบวก มันกระตุ้นอิเล็กตรอนในn ช่องและจำนวนอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นใน n ช่อง

แรงดันเกตบวกช่วยเพิ่มหรือเพิ่มการนำไฟฟ้าของช่องสัญญาณ ยิ่งแรงดันไฟฟ้าบวกบนประตูมากเท่าใดการนำไฟฟ้าจากแหล่งกำเนิดไปยังท่อระบายน้ำก็จะมากขึ้น

ดังนั้นเราสามารถเปลี่ยนความต้านทานของช่อง n และกระแสจากแหล่งจ่ายไปยังท่อระบายน้ำได้โดยการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าบวกที่ประตู

ลักษณะการถ่ายโอนของ D - MOSFET

รูปต่อไปนี้แสดงลักษณะการถ่ายโอนของ D-MOSFET

เมื่อ V _{GS เป็น}ลบ I _Dจะต่ำกว่าค่าของ I _DSSจนกระทั่งถึงศูนย์และ V _GS = V _GS (ปิด) (โหมดพร่อง) เมื่อ V _GSเป็นศูนย์ I _D = I _DSSเนื่องจากประตูและขั้วต้นทางสั้นลง I _Dเพิ่มขึ้นเหนือค่าของ I _DSSเมื่อ V _GSเป็นค่าบวกและ MOSFET อยู่ในโหมดการปรับปรุง

แอมพลิฟายเออร์เชิงปฏิบัติการหรือออปแอมป์เป็นแอมพลิฟายเออร์ที่แตกต่างที่มีอัตราขยายสูงมากโดยมีอิมพีแดนซ์อินพุตสูงและอิมพีแดนซ์เอาต์พุตต่ำ โดยทั่วไปแล้วแอมพลิฟายเออร์ในการทำงานจะใช้เพื่อให้การเปลี่ยนแปลงแอมพลิจูดของแรงดันไฟฟ้าออสซิลเลเตอร์วงจรกรอง ฯลฯ ออปแอมป์อาจมีขั้นตอนของแอมพลิฟายเออร์ที่แตกต่างกันจำนวนหนึ่งเพื่อให้ได้รับแรงดันไฟฟ้าสูง

นี่คือแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลที่มีอัตราขยายสูงโดยใช้การเชื่อมต่อโดยตรงระหว่างเอาต์พุตและอินพุต เหมาะสำหรับการใช้งาน DC และ AC เครื่องขยายเสียงในการทำงานทำหน้าที่ทางอิเล็กทรอนิกส์มากมายเช่นอุปกรณ์เครื่องมือวัดเครื่องกำเนิดสัญญาณตัวกรองแอคทีฟ ฯลฯ นอกเหนือจากการดำเนินการทางคณิตศาสตร์ต่างๆ อุปกรณ์อเนกประสงค์นี้ยังใช้ในแอพพลิเคชั่นที่ไม่ใช่เชิงเส้นเช่นเครื่องเปรียบเทียบแรงดันตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลและตัวแปลงดิจิตอลเป็นอนาล็อกแอมพลิฟายเออร์ลอการิทึมเครื่องกำเนิดฟังก์ชันที่ไม่ใช่เชิงเส้นเป็นต้น

แอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลพื้นฐาน

ภาพประกอบต่อไปนี้แสดงเครื่องขยายเสียงพื้นฐาน -

ในรูปด้านบน -

• V_DI = อินพุตที่แตกต่างกัน

• V_DI= V ₁ - V ₂

• V_DO = เอาต์พุตที่แตกต่างกัน

• V_DO= V _C1 - V _C2

เครื่องขยายเสียงนี้ขยายความแตกต่างระหว่างทั้งสองสัญญาณ, V ₁และ V 2

แรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกัน

$$ A_d = \ frac {V_ {DO}} {V_ {DI}} $$

และ

$$ A_d = \ frac {(V_ {C1} - V_ {C2})} {V_ {DI}} $$

ดังแสดงในรูปต่อไปนี้แอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการพื้นฐานประกอบด้วยสามขั้นตอน -

ขั้นตอนการป้อนข้อมูล

นี่เป็นขั้นตอนแรกและมีลักษณะดังต่อไปนี้

• CMR สูง (การปฏิเสธโหมดทั่วไป)
• อิมพีแดนซ์อินพุตสูง
• ความกว้างของแถบกว้าง
• ออฟเซ็ตอินพุตต่ำ (DC)

นี่คือลักษณะสำคัญบางประการสำหรับประสิทธิภาพของเครื่องขยายเสียงที่ใช้งานได้ ขั้นตอนนี้ประกอบด้วยสเตจแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลและทรานซิสเตอร์มีความเอนเอียงเพื่อให้ทำหน้าที่เป็นแหล่งกระแสคงที่ แหล่งกระแสคงที่จะเพิ่ม CMR ของเครื่องขยายเสียงที่แตกต่างกันอย่างมาก

ต่อไปนี้เป็นอินพุตสองตัวสำหรับเครื่องขยายเสียงที่แตกต่างกัน -

• V ₁ = อินพุตที่ไม่กลับด้าน
• V ₂ = อินเวอร์เตอร์อินพุต

ขั้นกลาง

นี่เป็นขั้นตอนที่สองและออกแบบมาเพื่อรับแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าที่ดีขึ้น ต้องใช้เกนปัจจุบันเพื่อจ่ายกระแสให้เพียงพอเพื่อขับเคลื่อนสเตจเอาท์พุทซึ่งส่วนใหญ่ของกำลังขยายแอมพลิฟายเออร์ในการทำงานจะถูกสร้างขึ้น ขั้นตอนนี้ประกอบด้วยแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไปตามด้วยตัวติดตามอีซีแอลและสเตจการเปลี่ยนระดับ DC วงจรเปลี่ยนระดับช่วยให้แอมพลิฟายเออร์มีอินพุตที่แตกต่างกันสองตัวพร้อมเอาต์พุตเดียว

V out = + ve	เมื่อ V 1 > V 2
V ออก = -ve	เมื่อ V 2 <V 1
V ออก = 0	เมื่อ V 1 = V 2

ระยะเอาท์พุท

นี่เป็นขั้นตอนสุดท้ายของ op-amp และได้รับการออกแบบให้มีอิมพีแดนซ์เอาต์พุตต่ำ สิ่งนี้ให้กระแสไฟฟ้าที่จำเป็นในการขับเคลื่อนโหลด กระแสไฟฟ้ามากหรือน้อยจะถูกดึงออกมาจากขั้นตอนการส่งออกเนื่องจากและเมื่อโหลดแตกต่างกันไป ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่ขั้นตอนก่อนหน้าจะทำงานโดยไม่ได้รับอิทธิพลจากโหลดเอาต์พุต ข้อกำหนดนี้ได้รับการตอบสนองโดยการออกแบบขั้นตอนนี้เพื่อให้มีอิมพีแดนซ์อินพุตสูงและได้รับกระแสไฟฟ้าสูงอย่างไรก็ตามมีอิมพีแดนซ์เอาต์พุตต่ำ

แอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานได้มีสองอินพุต Non-inverting input และ Inverting input.

รูปด้านบนแสดงประเภทของเครื่องขยายเสียงที่ใช้งานได้ สัญญาณที่ใช้ที่ขั้วอินพุตกลับด้านจะถูกขยาย แต่สัญญาณเอาต์พุตอยู่นอกเฟสโดยมีสัญญาณอินพุต 180 องศา สัญญาณที่ใช้ที่ขั้วอินพุตแบบไม่กลับด้านจะถูกขยายและสัญญาณเอาต์พุตอยู่ในเฟสกับสัญญาณอินพุต

สามารถเชื่อมต่อ op-amp ในวงจรจำนวนมากเพื่อให้มีลักษณะการทำงานที่หลากหลาย

Inverting Amplifier

รูปต่อไปนี้แสดงแอมพลิฟายเออร์กลับด้าน สัญญาณอินพุตถูกขยายและกลับด้าน นี่คือวงจรขยายคงที่ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด

V _o = -R _f .V _ใน / R ₁

แรงดันไฟฟ้า A = (-R _f / R ₁ )

เครื่องขยายเสียงแบบไม่กลับด้าน

รูปต่อไปนี้แสดงวงจร op-amp ที่ทำงานเป็นแอมพลิฟายเออร์แบบไม่กลับด้านหรือตัวคูณค่าคงที่และมีเสถียรภาพความถี่ที่ดีขึ้น

สัญญาณอินพุตถูกขยาย แต่ไม่ได้กลับด้าน

เอาต์พุต V _o = [(R ₁ + R _f ) / R ₁ ] V ₁

แรงดันไฟฟ้า A = (R ₁ + R _f ) / R ₁

Inverting Summing Amplifier

รูปต่อไปนี้แสดงแอมพลิฟายเออร์ผลรวมกลับด้าน เป็นวงจรที่ใช้มากที่สุดของ op-amp วงจรแสดงแอมพลิฟายเออร์ผลรวมสามอินพุทซึ่งให้วิธีการหาผลรวมแรงดันไฟฟ้าสามตัวในเชิงพีชคณิตโดยแต่ละตัวคูณด้วยปัจจัยที่ได้รับคงที่ แรงดันขาออกจะแสดงเป็น

V _o = [(- ร₄ / ร₁ ) V ₁ ] [(- ร₄ / ร₂ ) V ₂ ] [(- ร₄ / ร₃ ) V ₃ ]

V _o = -R ₄ (V ₁ / R ₁ + V ₂ / R ₂ + V ₃ / R ₃ )

ถ้า R ₁ = R ₂ = R ₃ = R ₄ = R & R _s = R / 3

V _o = - (V ₁ + V ₂ + V ₃ )

รูปต่อไปนี้แสดงให้เห็นว่าส่วนประกอบข้อเสนอแนะที่ใช้เป็นตัวเก็บประจุและการเชื่อมต่อที่เป็นผลลัพธ์เรียกว่าเป็นตัวรวม

การเทียบเท่ากราวด์เสมือนแสดงให้เห็นว่านิพจน์สำหรับแรงดันไฟฟ้าระหว่างอินพุตและเอาต์พุตสามารถหาได้ในรูปของกระแส (I) จากอินพุตไปยังเอาต์พุต จำได้ว่ากราวด์เสมือนหมายความว่าเราสามารถพิจารณาแรงดันไฟฟ้าที่จุดต่อของ R และ X _Cเป็นกราวด์ได้ (ตั้งแต่ V _i ≈ 0 V) ​​อย่างไรก็ตามไม่มีกระแสไฟฟ้าลงกราวด์ ณ จุดนั้น อิมพีแดนซ์ capacitive สามารถแสดงเป็น

$$ X_C = \ frac {1} {jwC} = \ frac {1} {sC} $$

ที่ไหน s= jw ในสัญกรณ์ Laplace การแก้สมการสำหรับ $ V_o / V_i $ ให้สมการต่อไปนี้

$$ I = \ frac {V_1} {R_1} = \ frac {-V_0} {X_c} = \ frac {- \ frac {V_0} {I}} {sC} = \ frac {V_0} {V_1} $$

$$ \ frac {V_0} {V_1} = \ frac {-1} {sCR_1} $$

สามารถเขียนในโดเมนเวลาเป็น

$$ V_o (t) = - \ frac {1} {RC} \ int V_1 (t) dt $$

วงจรสร้างความแตกต่างจะแสดงในรูปต่อไปนี้

ตัวแยกความแตกต่างให้การทำงานที่เป็นประโยชน์ความสัมพันธ์ที่เป็นผลลัพธ์ของวงจร

V _o (เสื้อ) = RC (dv1 (t) / dt

ต่อไปนี้เป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญบางประการของเครื่องขยายเสียงในการทำงาน -

เปิดลูปแรงดันไฟฟ้าเพิ่ม (AVOL)

การเพิ่มแรงดันไฟฟ้าแบบลูปเปิดของแอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานได้คือผลต่างที่ได้รับภายใต้สภาวะที่ไม่มีการใช้ผลตอบรับเชิงลบ AVOL มีตั้งแต่ 74 db ถึง 100 db

AVOL = [V _o / (V ₁ - V ₂ )]

เอาท์พุทชดเชยแรงดันไฟฟ้า (VOO)

แรงดันไฟฟ้าชดเชยเอาต์พุตของแอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานได้คือแรงดันเอาต์พุตเมื่อแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่แตกต่างกันเป็นศูนย์

การปฏิเสธโหมดทั่วไป (CMR)

หากอินพุตทั้งสองมีศักยภาพเท่ากันทำให้เกิดศูนย์อินพุตที่แตกต่างกันและหากเอาต์พุตเป็นศูนย์แอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานได้จะมีการปฏิเสธโหมดทั่วไปที่ดี

โหมดทั่วไปกำไร (AC)

อัตราขยายโหมดทั่วไปของแอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานได้คืออัตราส่วนของแรงดันเอาต์พุตโหมดทั่วไปกับแรงดันไฟฟ้าอินพุตโหมดทั่วไป

ผลต่างกำไร (AD)

อัตราขยายที่แตกต่างของแอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานได้คืออัตราส่วนของเอาต์พุตต่ออินพุตดิฟเฟอเรนเชียล

โฆษณา = [V _o / (V ₁ ) - V ₂ ]

อัตราส่วนการปฏิเสธโหมดทั่วไป (CMRR)

CMRR ของแอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานได้ถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของอัตราขยายที่แตกต่างกันของลูปปิดกับอัตราขยายโหมดทั่วไป

CMRR = โฆษณา / AC

อัตราการเคลื่อนที่ (SR)

Slew rate คืออัตราการเปลี่ยนแปลงแรงดันขาออกที่เกิดจากแรงดันไฟฟ้าขาเข้า อัตราการฆ่าในอุดมคติคือไม่มีที่สิ้นสุดซึ่งหมายความว่าเอาต์พุตของแอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานได้ควรเปลี่ยนทันทีเพื่อตอบสนองต่อแรงดันไฟฟ้าขั้นตอนอินพุต

เราได้พูดถึงแอปพลิเคชั่นของ op-amp ไปแล้วเช่นตัวแยกต่างตัวรวมตัวขยายผลรวม ฯลฯ แอปพลิเคชั่นทั่วไปอื่น ๆ ของแอมป์ปฏิบัติการ ได้แก่ -

• เครื่องขยายเสียงลอการิทึม
• Gyrator (เครื่องจำลองการเหนี่ยวนำ)
• ตัวติดตามแรงดันไฟฟ้า DC และ AC
• ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล
• ตัวแปลงดิจิตอลเป็นอนาล็อก
• แหล่งจ่ายไฟสำหรับการป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกิน
• ตัวบ่งชี้ขั้ว
• ผู้ติดตามแรงดันไฟฟ้า
• ตัวกรองที่ใช้งานอยู่

ออสซิลเลเตอร์เป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่สร้างการสั่นแบบไซน์ที่เรียกว่า sinusoidal oscillator. จะแปลงพลังงานอินพุตจากแหล่งกระแสตรงเป็นพลังงานเอาท์พุต AC ของรูปคลื่นเป็นระยะที่ความถี่เฉพาะและเป็นที่ทราบกันดีว่าแอมพลิจูด คุณลักษณะเฉพาะของออสซิลเลเตอร์คือรักษาเอาท์พุท AC

รูปต่อไปนี้แสดงเครื่องขยายเสียงที่มีสัญญาณตอบรับแม้ว่าจะไม่มีสัญญาณอินพุตที่ใช้ภายนอกก็ตาม ออสซิลเลเตอร์ไซน์เป็นรูปแบบหนึ่งของเครื่องขยายสัญญาณตอบรับโดยที่ข้อกำหนดพิเศษจะถูกวางไว้บนแรงดันไฟฟ้าที่ได้รับA_v และเครือข่ายข้อเสนอแนะ β.

พิจารณาแอมพลิฟายเออร์ป้อนกลับของรูปด้านบนโดยที่แรงดันป้อนกลับ V _f = βV _Oให้แรงดันไฟฟ้าอินพุตทั้งหมด

$ V_i = V_f = \ เบต้า V_0 = A_V \ เบต้า V_i $ (1)

$ V_i = A_V \ beta V_i $ หรือ $ (1 - A_V \ beta) V_i = 0 $ (2)

หากต้องการสร้างแรงดันไฟฟ้าขาออกแรงดันไฟฟ้าขาเข้าจะไม่สามารถเป็นศูนย์ได้ ดังนั้นเพื่อให้ V _iมีอยู่สมการ (2) จึงต้องการสิ่งนั้น

$ (1 - A_V \ beta) = 0 $ หรือ $ A_V \ beta = 1 $ (3)

สมการ (3) เรียกว่า “Barkhausen criterion”ซึ่งระบุข้อกำหนดพื้นฐานสองประการสำหรับการสั่น -

• แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นรอบ ๆ แอมพลิฟายเออร์และวงจรป้อนกลับที่เรียกว่าอัตราขยายของลูปต้องเป็นเอกภาพหรือ $ A_V \ beta = 1 $

• การเลื่อนเฟสระหว่าง $ V_i $ และ $ V_f $ เรียกว่าการเลื่อนเฟสแบบลูปต้องเป็นศูนย์

หากเป็นไปตามเงื่อนไขทั้งสองนี้แอมพลิฟายเออร์ป้อนกลับของรูปด้านบนจะสร้างรูปคลื่นสัญญาณออกไซน์อย่างสม่ำเสมอ

ตอนนี้ให้เราคุยรายละเอียดเกี่ยวกับวงจรออสซิลเลเตอร์ทั่วไป

เฟส Shift Oscillator

วงจรออสซิลเลเตอร์ที่เป็นไปตามความคืบหน้าพื้นฐานของวงจรป้อนกลับคือออสซิลเลเตอร์แบบกะเฟส ออสซิลเลเตอร์กะเฟสแสดงในรูปต่อไปนี้ ข้อกำหนดสำหรับการสั่นที่กำไรห่วง (βA) ควรจะมากกว่าความสามัคคีและกะระยะระหว่าง input และ output ควรจะเป็น 360 o

ข้อมูลป้อนกลับมีให้จากเอาต์พุตของเครือข่าย RC กลับไปที่อินพุตของเครื่องขยายเสียง ขั้นตอนของแอมพลิฟายเออร์ op-amp ให้การกะระยะ 180 องศาเริ่มต้นและเครือข่าย RC จะแนะนำการกะระยะเพิ่มเติม ที่ความถี่เฉพาะการเปลี่ยนเฟสที่เครือข่ายแนะนำคือ 180 องศาดังนั้นลูปจะเป็น 360 องศาและแรงดันไฟฟ้าป้อนกลับเป็นแรงดันไฟฟ้าอินพุตเฟส

จำนวนขั้นต่ำของขั้นตอน RC ในเครือข่ายข้อเสนอแนะคือสามส่วนเนื่องจากแต่ละส่วนมีการกะระยะ 60 องศา RC oscillator เหมาะอย่างยิ่งกับช่วงความถี่เสียงตั้งแต่ไม่กี่รอบไปจนถึงประมาณ 100 KHz ที่ความถี่สูงขึ้นอิมพีแดนซ์ของเครือข่ายจะต่ำจนอาจโหลดแอมพลิฟายเออร์ได้อย่างจริงจังซึ่งจะช่วยลดแรงดันไฟฟ้าที่ได้รับต่ำกว่าค่าต่ำสุดที่ต้องการและการสั่นจะหยุดลง

ที่ความถี่ต่ำผลการโหลดมักไม่เป็นปัญหาและมีค่าความต้านทานและค่าความจุขนาดใหญ่ที่ต้องการ การใช้การวิเคราะห์เครือข่ายพื้นฐานการสั่นของความถี่สามารถแสดงเป็น

$$ f = \ frac {1} {2 \ pi RC \ sqrt {6}} $$

Wien Bridge Oscillator

วงจรออสซิลเลเตอร์ที่ใช้งานได้จริงใช้วงจร op-amp และ RC bridge โดยมีความถี่ของออสซิลเลเตอร์ที่กำหนดโดย R และ Cส่วนประกอบ รูปต่อไปนี้แสดงวงจรออสซิลเลเตอร์ Wien bridge เวอร์ชันพื้นฐาน

สังเกตการเชื่อมต่อบริดจ์พื้นฐาน ตัวต้านทาน R ₁และ R ₂และตัวเก็บประจุ C ₁และ C ₂เป็นองค์ประกอบการปรับความถี่ในขณะที่ตัวต้านทาน R ₃และ R ₄เป็นส่วนหนึ่งของเส้นทางป้อนกลับ

ในแอปพลิเคชั่นนี้แรงดันไฟฟ้าขาเข้า (V _i ) ไปยังบริดจ์คือแรงดันเอาต์พุตของเครื่องขยายเสียงและแรงดันขาออก (V _o ) ของบริดจ์คือป้อนกลับไปยังอินพุตของเครื่องขยายเสียง การละเลยผลการโหลดของอิมพีแดนซ์อินพุตและเอาต์พุตของ op-amp การวิเคราะห์วงจรบริดจ์ส่งผลให้

$$ \ frac {R_3} {R_4} = \ frac {R_1} {R_2} + \ frac {C_2} {C_1} $$

และ

$$ f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {R_1C_1R_2C_2}} $$

ถ้า R ₁ = R ₂ = R และ C ₁ = C ₂ = C ความถี่ของออสซิลเลเตอร์ที่ได้คือ

$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi RC} $$

Hartley Oscillator

รูปต่อไปนี้แสดงออสซิลเลเตอร์ Hartley เป็นหนึ่งในวงจร RF ที่พบบ่อยที่สุด โดยปกติจะใช้เป็นออสซิลเลเตอร์ในเครื่องรับสัญญาณการสื่อสาร ทรานซิสเตอร์สองขั้วชุมทางในการเชื่อมต่ออีซีแอลที่พบบ่อยคือเครื่องขยายเสียงแรงดันและจะลำเอียงโดยวงจรอคติสากลประกอบด้วย R ₁ , R ₂ , R E ตัวเก็บประจุบายพาสอิมิตเตอร์ (C _E ) เพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นของระยะทรานซิสเตอร์เดี่ยวนี้

Radio Frequency Choke (RFC) ในวงจรสะสมทำหน้าที่เป็นวงจรเปิดที่ความถี่ RF และป้องกันไม่ให้พลังงาน RF เข้าสู่แหล่งจ่ายไฟ วงจรถังประกอบด้วย L ₁ , L ₂และ C ความถี่ของการสั่นจะถูกกำหนดโดยค่าของ L ₁ , L ₂และ C และกำหนดโดยการสั่นที่ความถี่เรโซแนนซ์ของวงจรถัง LC ความถี่เรโซแนนซ์นี้แสดงเป็น

$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L_TC}} $$

สัญญาณเอาต์พุตสามารถนำมาจากตัวเก็บรวบรวมโดยการเชื่อมต่อแบบคาปาซิทีฟหากโหลดมีขนาดใหญ่และความถี่ของการสั่นจะไม่ได้รับผลกระทบ

Piezoelectricity

คุณสมบัติของเพียโซอิเล็กทริกแสดงโดยสารคริสตัลธรรมชาติหลายชนิดซึ่งสิ่งที่สำคัญที่สุด ได้แก่ ควอตซ์เกลือโรแชลล์และทัวร์มาลีน เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้าแบบไซน์บนวัสดุเหล่านี้พวกมันจะสั่นด้วยความถี่ของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้

ในทางกลับกันเมื่อวัสดุเหล่านี้ถูกบีบอัดและวางไว้ภายใต้ความเครียดเชิงกลที่จะสั่นสะเทือนพวกมันจะสร้างแรงดันไฟฟ้าไซน์ที่เท่ากัน ดังนั้นวัสดุเหล่านี้จึงถูกเรียกว่าเป็นผลึกเพียโซอิเล็กทริก ควอตซ์เป็นคริสตัลเพียโซอิเล็กทริกที่ได้รับความนิยมมากที่สุด

คริสตัลออสซิลเลเตอร์

แผนภาพวงจรของคริสตัลออสซิลเลเตอร์แสดงในรูปต่อไปนี้

คริสตัลที่นี่ทำหน้าที่ปรับแต่งวงจร วงจรสมมูลของคริสตัลแสดงไว้ด้านล่าง

คริสตัลออสซิลเลเตอร์มีความถี่เรโซแนนซ์สองความถี่: ความถี่เรโซแนนซ์แบบอนุกรมและความถี่เรโซแนนซ์แบบขนาน

ความถี่เรโซแนนซ์ของซีรี่ส์

$$ f_s = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$

ความถี่เรโซแนนซ์แบบขนาน

$$ f_p = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC_T}} $$

ความถี่เรโซแนนซ์ทั้งสองเกือบจะเท่ากันเนื่องจาก C / Cm มีขนาดเล็กมาก ในรูปด้านบนคริสตัลเชื่อมต่อเพื่อทำงานในโหมดเรโซแนนซ์แบบขนาน

ตัวต้านทาน R ₁ , R ₂ , R _Eและทรานซิสเตอร์รวมกันเป็นวงจรขยาย ตัวต้านทาน R ₁และ R ₂ให้แรงดันไฟฟ้า DC ไบอัสที่เสถียร ตัวเก็บประจุ (C _E ) ให้บายพาส AC ของตัวต้านทานตัวปล่อย (R _E ) และ RFC ให้อิมพีแดนซ์สูงกับความถี่ที่สร้างโดยออสซิลเลเตอร์เพื่อไม่ให้เข้าสู่สายไฟ

คริสตัลจะขนานกับตัวเก็บประจุ C ₁และ C ₂และอนุญาตให้ป้อนกลับแรงดันไฟฟ้าสูงสุดจากตัวเก็บรวบรวมไปยังตัวปล่อยเมื่อความต้านทานสูงสุด ที่ความถี่อื่นอิมพีแดนซ์ของคริสตัลจะต่ำดังนั้นผลตอบรับที่ได้จึงน้อยเกินไปที่จะรักษาการสั่น ความถี่ออสซิลเลเตอร์จะเสถียรที่ความถี่เรโซแนนซ์ขนานของคริสตัล

จุดประสงค์พื้นฐานของเครือข่ายไบแอสคือการสร้างความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและกระแสของตัวเก็บ - ฐาน - ตัวปล่อยและกระแสที่จุดปฏิบัติการของวงจร (จุดปฏิบัติการเรียกอีกอย่างว่าจุดนิ่ง, จุด Q, จุดไม่มีสัญญาณ, จุดว่าง, หรือจุดคงที่) เนื่องจากทรานซิสเตอร์แทบจะไม่ทำงานที่จุด Q นี้โดยทั่วไปแล้วเครือข่ายอคติพื้นฐานจึงใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงหรือจุดเริ่มต้นสำหรับการออกแบบ

การกำหนดค่าวงจรจริงและโดยเฉพาะอย่างยิ่งค่าเครือข่ายไบอัสจะถูกเลือกตามเงื่อนไขของวงจรไดนามิก (การแกว่งแรงดันเอาต์พุตที่ต้องการระดับสัญญาณอินพุตที่คาดหวัง ฯลฯ ) เมื่อกำหนดจุดปฏิบัติการที่ต้องการแล้วฟังก์ชันต่อไปของเครือข่ายไบอัสคือ เพื่อรักษาเสถียรภาพของวงจรเครื่องขยายเสียง ณ จุดนี้ เครือข่ายอคติพื้นฐานต้องรักษาความสัมพันธ์ปัจจุบันที่ต้องการเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและแหล่งจ่ายไฟและการเปลี่ยนทรานซิสเตอร์ที่เป็นไปได้

ในบางกรณีการเปลี่ยนแปลงความถี่และการเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากส่วนประกอบอีกครั้งจะต้องถูกชดเชยด้วยเครือข่ายอคติ โดยทั่วไปกระบวนการนี้เรียกว่าการรักษาเสถียรภาพอคติ การลดความเสถียรของไบแอสที่เหมาะสมจะรักษาวงจรแอมพลิฟายเออร์ไว้ที่จุดปฏิบัติการที่ต้องการ (ภายในขีด จำกัด ในทางปฏิบัติ) และจะป้องกันไม่ให้เกิดความร้อน

ปัจจัยความเสถียร 'S'

มันถูกกำหนดให้เป็นอัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแสสะสมปัจจุบัน WRt ความอิ่มตัวย้อนกลับปัจจุบันรักษา keeping และ V _BEคงที่ จะแสดงเป็น

$$ S = \ frac {\ mathrm {d} I_c} {\ mathrm {d} I_c} $$

วิธีการปรับสภาพอคติ

วิธีการทำให้จุดปฏิบัติการเป็นอิสระจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิหรือการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ของทรานซิสเตอร์เรียกว่า stabilization. มีหลายรูปแบบสำหรับการทำให้ไบแอสเสถียรของแอมพลิฟายเออร์โซลิดสเตต รูปแบบทั้งหมดเหล่านี้มีส่วนร่วมในรูปแบบของความคิดเห็นเชิงลบ นั่นคือขั้นตอนใด ๆ ในกระแสทรานซิสเตอร์จะสร้างแรงดันไฟฟ้าหรือการเปลี่ยนแปลงกระแสที่สอดคล้องกันซึ่งมีแนวโน้มที่จะถ่วงดุลการเปลี่ยนแปลงครั้งแรก

มีสองวิธีพื้นฐานในการสร้างข้อเสนอแนะเชิงลบข้อเสนอแนะแรงดันไฟฟ้าย้อนกลับและข้อเสนอแนะผกผันในปัจจุบัน

ข้อเสนอแนะแรงดันไฟฟ้าผกผัน

รูปต่อไปนี้แสดงเครือข่ายอคติแรงดันไฟฟ้าผกผันพื้นฐาน ชุมทางอีซีแอลฐานจะลำเอียงไปข้างหน้าโดยแรงดันไฟฟ้าที่สถานีชุมทางของ R ₁และ R 2 ทางแยกฐาน - ตัวเก็บรวบรวมมีความเอนเอียงแบบย้อนกลับโดยความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าที่ตัวรวบรวมและฐาน

โดยปกติตัวสะสมของแอมพลิฟายเออร์คู่ความต้านทานจะอยู่ที่แรงดันไฟฟ้าประมาณครึ่งหนึ่งของตัวต้านทานแหล่งจ่าย (R ₃ ) ซึ่งเชื่อมต่อระหว่างตัวสะสมและฐาน เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าของตัวสะสมเป็นบวกส่วนหนึ่งของแรงดันไฟฟ้านี้จึงเป็นข้อมูลป้อนกลับไปยังฐานเพื่อรองรับอคติไปข้างหน้า

อคติไปข้างหน้าปกติ (หรือจุด Q) บนทางแยกฐานของตัวปล่อยเป็นผลมาจากแรงดันไฟฟ้าทั้งหมดระหว่างตัวปล่อยและฐาน ในฐานะที่เป็นนักสะสมเพิ่มขึ้นในปัจจุบันลดลงของแรงดันไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่ผลิตทั่ว R L เป็นผลให้แรงดันไฟฟ้าสะสมลดลงลดความคิดเห็นที่แรงดันไฟฟ้าไปยังฐานผ่าน R 3 ซึ่งจะช่วยลดอคติไปข้างหน้าของตัวปล่อยลดกระแสของตัวปล่อยและลดกระแสของตัวรวบรวมให้เป็นค่าปกติ เนื่องจากมีการลดลงครั้งแรกในกระแสของตัวสะสมการกระทำที่ตรงกันข้ามจะเกิดขึ้นและกระแสของตัวสะสมจะเพิ่มขึ้นเป็นค่าปกติ (จุด Q)

รูปแบบใด ๆ ของข้อเสนอแนะเชิงลบหรือผกผันในเครื่องขยายเสียงมีแนวโน้มที่จะต่อต้านการเปลี่ยนแปลงทั้งหมดแม้จะเกิดจากการขยายสัญญาณก็ตาม ความคิดเห็นที่ผกผันหรือเชิงลบนี้มีแนวโน้มที่จะลดและรักษาเสถียรภาพของผลกำไรรวมทั้งการเปลี่ยนแปลงที่ไม่ต้องการ หลักการของการเพิ่มเสถียรภาพโดยวิธีการป้อนกลับนี้ใช้ในแอมพลิฟายเออร์ทุกประเภทไม่มากก็น้อย

ข้อเสนอแนะผกผันปัจจุบัน

รูปต่อไปนี้แสดงเครือข่ายอคติแบบผกผัน - กระแส (ตัวปล่อยสัญญาณตอบกลับ) โดยใช้ทรานซิสเตอร์ NPN ข้อเสนอแนะปัจจุบันมักใช้มากกว่าการตอบกลับแรงดันไฟฟ้าในแอมพลิฟายเออร์โซลิดสเตต เนื่องจากทรานซิสเตอร์ส่วนใหญ่เป็นอุปกรณ์ที่ทำงานในปัจจุบันแทนที่จะเป็นอุปกรณ์ที่ใช้แรงดันไฟฟ้า

การใช้ความต้านทานป้อนกลับของตัวปล่อยในวงจรอคติใด ๆ สามารถสรุปได้ดังต่อไปนี้กระแสฐานขึ้นอยู่กับความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่างฐานและตัวปล่อย ถ้าความต่างศักย์ลดลงกระแสไฟฟ้าฐานจะไหลน้อยลง

ตรงข้ามเป็นจริงเมื่อความแตกต่างเพิ่มขึ้น กระแสทั้งหมดที่ไหลผ่านตัวเก็บรวบรวม แรงดันตกคร่อมตัวต้านทานอิมิตเตอร์ดังนั้นจึงไม่ขึ้นอยู่กับทั้งหมด เมื่อกระแสสะสมเพิ่มขึ้นกระแสของตัวปล่อยและแรงดันตกคร่อมตัวต้านทานตัวปล่อยก็จะเพิ่มขึ้นด้วย ข้อเสนอแนะเชิงลบนี้มีแนวโน้มที่จะลดความแตกต่างระหว่างฐานและตัวปล่อยซึ่งจะทำให้กระแสฐานลดลง ในทางกลับกันกระแสฐานที่ต่ำกว่ามีแนวโน้มที่จะลดกระแสของตัวสะสมและถ่วงดุลกับตัวสะสมเริ่มต้นที่เพิ่มขึ้น

การชดเชยอคติ

ในแอมพลิฟายเออร์โซลิดสเตทเมื่อการสูญเสียในการรับสัญญาณไม่สามารถทนได้ในแอพพลิเคชั่นเฉพาะเทคนิคการชดเชยมักใช้เพื่อลดการลอยของจุดปฏิบัติการ เพื่อให้มีอคติและเสถียรภาพทางความร้อนสูงสุดสามารถใช้ทั้งวิธีการชดเชยและการรักษาเสถียรภาพร่วมกันได้

รูปต่อไปนี้แสดงเทคนิคการชดเชยไดโอดที่ใช้ทั้งการชดเชยไดโอดและการป้องกันความเสถียรของอคติในตัวเอง ถ้าทั้งไดโอดและทรานซิสเตอร์เป็นชนิดเดียวกันแสดงว่ามีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเท่ากันทั้งวงจร ที่นี่ไดโอดจะเอนเอียงไปข้างหน้า KVL สำหรับวงจรที่กำหนดสามารถแสดงเป็น -

$$ I_c = \ frac {\ beta [V - (V_ {BE} - V_o)] + (Rb + Rc) (\ beta + 1) ICO} {Rb + Rc (1 + \ beta)} $$

จากสมการข้างต้นเห็นได้ชัดว่า $ V_ {BE} $ ตามอุณหภูมิ VO wrt และ Ic จะไม่มีผลต่อการเปลี่ยนแปลงใน $ V_ {BE} $ นี่เป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพในการดูแลจุดปฏิบัติการของทรานซิสเตอร์เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงใน $ V_ {BE} $

อุปกรณ์ชดเชยอุณหภูมิ

นอกจากนี้เรายังสามารถใช้อุปกรณ์ที่ไวต่ออุณหภูมิบางอย่างเพื่อชดเชยความแปรผันของลักษณะภายในของทรานซิสเตอร์ เทอร์มิสเตอร์มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิติดลบซึ่งหมายความว่าเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นความต้านทานจะลดลงแบบทวีคูณ รูปต่อไปนี้แสดงวงจรที่ใช้เทอร์มิสเตอร์ (R _T ) เพื่อลดการเพิ่มขึ้นของกระแสสะสมเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงใน $ V_ {BE} $, ICO หรือβด้วยอุณหภูมิ

เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น R _{T จะ}ลดลงและกระแสที่ป้อนผ่าน R _Tไปยัง R _Eจะเพิ่มขึ้น แรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อม R _Eอยู่ในทิศทางตรงกันข้ามเพื่อย้อนกลับทรานซิสเตอร์ R _Tทำหน้าที่เหมือนมีแนวโน้มที่จะชดเชยการเพิ่มขึ้นของ IC ซึ่งเพิ่มขึ้นเนื่องจากอุณหภูมิที่สูงขึ้น