مقاله کامل در مورد دیود و سیلیکن

دیود چگونه کار می کند؟
منحنی رفتار یک دیود در هنگام اعمال ولتاژ مثبت
 اگر به یک پیوند PN ولتاژ با پلاریته موافق متصل کنیم جریان از این پیوند عبور کرده و اگر ولتاژ را معکوس کنیم در مقابل عبور جریان از خود مقاومت نشان می دهد. باید اشاره کنیم که قصد نداریم تا به تفضیل وارد بحث فیزیک الکترونیک شویم و فقط سعی خواهیم کرد با بیان نتایج حاصل از این شاخه علمی ابتدا عملکرد دیود و سپس ترانزیستور را بررسی کنیم.
همانطور که می دانید دیود ها جریان الکتریکی را در یک جهت از خود عبور می دهند و در جهت دیگر در مقابل عبور جریان از خود مقاومت بالایی نشان می دهند. این خاصیت آنها باعث شده بود تا در سالهای اولیه ساخت این وسیله الکترونیکی، به آن دریچه یا Valve هم اطلاق شود. از لحاظ الکتریکی یک دیود هنگامی عبور جریان را از خود ممکن می سازد که شما با برقرار کردن ولتاژ در جهت درست (+ به آند و – به کاتد) آنرا آماده کار کنید. مقدار ولتاژی که باعث میشود تا دیود شروع به هدایت جریان الکتریکی نماید ولتاژ آستانه یا (forward voltage drop) نامیده می شود که چیزی حدود 0.6 تا 0.7 ولت می باشد. به شکل اول توجه کنید که چگونه برای ولتاژهای مثبت – منظور جهت درست می باشد – تا قبل از 0.7 ولت دیود از خود مقاومت نشان می دهد و سپس به یکباره مقاومت خود را از دست می دهد و جریان را از خود عبور می دهد. 
  نماد فنی و دو نمونه از انواع دیوید
اما هنگامی که شما ولتاژ معکوس به دیود متصل می کنید (+ به کاتد و – به آند) جریانی از دیود عبور نمی کند، مگر جریان بسیار کمی که به جریان نشتی یا Leakage معروف است که در حدود چند µA یا حتی کمتر می باشد. این مقدار جریان معمولآ در اغلب مدار های الکترونیکی قابل صرفنظر کردن بوده و تاثیر در رفتار سایر المانهای مدار نمیگذارد. اما نکته مهم آنکه تمام دیود ها یک آستانه برای حداکثر ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژمعکوس بیش از آن شود دیوید می سوزد و جریان را در جهت معکوس هم عبور می دهد. به این ولتاژ آستانه شکست یا Breakdown گفته می شود.
در دسته بندی اصلی، دیودها را به سه قسمت اصلی تقسیم می کنند، دیودهای سیگنال (Signal) که برای آشکار سازی در رادیو بکار می روند و جریانی در حد میلی آمپر از خود عبور می دهند، دیودهای یکسوکننده (Rectifiers) که برای یکسوسازی جریانهای متناوب بکاربرده می شوند و توانایی عبور جریانهای زیاد را دارند و بالآخره دیود های زنر (Zener) که برای تثبیت ولتاژ از آنها استفاده می شود
اطلاعات اولیه
سیلیکن یکی از عناصر شیمیایی جدول تناوبی است که نماد آن Si و عدد اتمی آن 14 می‌باشد. این شبه فلز 4 ظرفیتی به واکنش‌پذیری کربن نیست. این عنصر دومین عنصر از نظر فراوانی در سطح پوسته زمین است که 25.7% از وزن آن را به خود اختصاص می‌دهد. این عنصر در
خاک رس ، فلدسپار ، گرانیت ، کوارتز و ماسه معمولا به شکل دی‌اکسید سیلیکن وجود دارد که با عنوان سیلیکا شناخته می‌شود. ترکیبات سیلیکاتی حاوی سیلیکن ، اکسیژن و فلزات هستند. سیلیکن ماده اصلی شیشه ، ماده‌های نیمه رسانا ، سیمان ، سرامیک و Silicones می‌باشد که ماده پلاستیکی است که نام آن معمولا با سیلیکن اشتباه می‌شود.
تاریخچه
سلیکن که از واژه لاتین Silex به معنی سنگ چخماق گرفته شده است، برای اولین بار توسط “Antonie Lavoisier” در سال 1787 شناسایی شد و بعدا توسط “همفری دیوی” برای یک ترکیب بصورت نادرست دوباره گرفته شد. در سال 1811 “Gay Lussac” و “Thenard” سیلیکن بی‌نظم و ناخالصی را بوسیله گرما دادن پتاسیم و سیلیکن بدست آوردند. در سال 1824 “Berzelius” سیلیکن بی‌نظم را تقریبا با همان شیوه Lussac بدست آورد. Berzelius همچنین این عنصر را با شستن مکرر آن پالایش کرد.
پیدایش
سیلیکن ماده اصلی شهاب سنگهای Aerolite بوده که یک گروه از شهاب سنگها می‌باشد. همچنین سیلیکن ماده اصلی Tektites ها را که ماده اصلی شیشه نیز هست، تشکیل می‌دهد. سیلیکن بعد از اکسیژن دومین عنصر در پوسته زمین است که 25.7% آن را به خود اختصاص می‌دهد. عنصر سیلیکن به‌صورت آزاد در طبیعت وجود ندارد و معمولا به‌صورت اکسید سیلیکات وجود دارد. ماسه ، یاقوت ، عقیق ، کوارتز ، سنگ کریستال ، سنگ چخماق ، یشم و اوپال همگی موادی هستند که در آنها اکسید سیلیکن وجود دارد. گرانیت ، پنبه نسوز ، فلدسپار ، خاک رس ، هورن بلند و میکاتعدادی از کانی‌های سیلیکات می‌باشند.
خصوصیات قابل توجه
سیلیکن به‌صورت کریستال و متبلور ، درخشش فروزانی و رنگ مایل به خاکستری دارد. اگر چه سیلیکن یک عنصر بی‌اثر است، ولی با هالوژنها واکنش نشان داده و مواد قلیایی را رقیق می‌کند. اما بیشتر اسیدها بجز اسید هیدروفلوریک بر آن اثر نمی‌گذارند. عنصر سیلیکن بیش از 95% طول موج نور مادون قرمز را انتقال می‌دهد.
کاربردها
سیلیکن ماده بسیار مهمی است که برای بسیاری از صنایع بشری نقش حیاتی دارد. دی‌اکسید سیلیکن به شکل ماسه و خاک رس ماده اصلی ساخت بتون و آجر بوده و در ساخت سیمان نیز استفاده می‌شود. سیلیکن یک عنصر بسیار مهم برای زندگی گونه‌های حیوانات و گیاهان است. دیاتم‌ها سیلیکا را از آب می‌گیرند تا دیواره‌های سلولی محافظ خود درا بسازند.
سیلیکن از مواد بسیار مقاوم و نسوزی است که تولید مواد با درجه حرارت بالا استفاده میشود. همچنین سیلیکاتهای آن در مینا کاری و سفالگری کاربرد دارد.
سیلیکن جزء اصلی برخی از فلزات می‌باشد.
سیلیکای ماسه از ترکیبات مهم شیشه است. شیشه می‌تواند به شکلهای گوناگون ساخته شده ، در پنجره‌ها ، ظرفهای نگه دارنده و عایق‌ها استفاده شود.
کربید سیلیکن از مواد ساینده بسیار مهم به شمار می‌رود.
سیلیکن Ultrapure می‌تواند با آرسنیک ، بور ، گالیوم یا فسفر تخدیر شده و رسانایی سلیکن را برای استفاده در ترانزیستورها ، سلولهای خورشیدی و وسایل نیمه هادی که در الکترونیک کاربرد دارند، افزایش دهد.
سیلیکن می‌تواند در لیزرها برای تولید نور منسجم با طول موج 2560Angstrom بکار رود.
Silicones ها ترکیبات قابل انعطافی هستند که شامل Silicon-Oxygen ، Silicon Carbon می‌شوند که به میزان گسترده ای در کاشت سینه مصنوعی و لنزهای تماسی استفاده می‌شوند.
به نظر می‌رسد که سیلیکن بی‌نظم هیدروژنه در مقیاس وسیع در الکترونیک و سلولهای خورشیدی بکار گرفته شود.
سیلیکا به دلیل واکنش پذیری پایینش عنصر اصلی سازنده آجر می‌باشد.
تولید
سیلیکن به‌صورت اقتصادی با حرارت دادن سیلیکای خالص در کوره با استفاده از الکترودهای کربنی بدست می‌آید. در دمای بالا 1900 درجه سانتی‌گراد ، کربن سیلیکا را بر طبق معادله زیر به سیلیکن تبدیل می‌کند:
SiO+ 2C → Si + CO2
سلیکن مایع در زیر کوره جمع شده و سپس سرد و خشک می‌شود. سلیکنی که از این راه بدست
آید Metallurgical Grade Silicon نامیده می‌شود و 99% خالص می‌باشد. در سال 1997 این شیوه حدودا 50 سنت در هر گرم هزینه در برداشت.
پالایش
استفاده از سیلیکن در وسایل نیمه هادی ، تخلیص بیشتری از شیوه Metallurgical Grade Silicon را می‌طلبید. در طول تاریخ شیوه‌های گوناگونی برای تولید سیلیکن خالص وجود داشته است.
روشهای فیزیکی
روشهای اولیه پالایش سیلیکن بر این اساس بوده است که اگر سیلیکن ذوب شود و دوباره منجمد شود، آخرین قسمت جسم که جامد می‌شود، بیشترین خلوص را دارد. اولین شیوه پالایش سلیکن در سال 1919 شرح داده شد و در ساخت اجزاء رادارها در طی جنگ جهانی دوم مورد استفاده قرار گرفت که این عمل در واقع فشردن سلیکن بدست آمده از طریق شیوه Metallurgical Grade Silicon و حل کردن پودر سلیکن در اسید بود. به هنگام فشردن سیلیکن ، قسمت ناخالص در بیرون تفاله سلیکن قرار می‌گرفت و به این طریق ، دانه‌های خالص سلیکن بدست می‌آمد و در نتیجه سلیکن نا خالص اولین چیزی بود که در اسید حل می‌شد و سلیکن خالصتر را باقی می‌گذاشت.
در مرحله آب شدن در اولین شیوه پالایش سلیکن که در صنعت بسیار استفاده می‌شود، میله‌های Metallurgical Grade گرما داده می‌شوند تا آب شوند. سپس طول میله ها به تدریج کاهش می‌یابد و زمانی که سلیکن سرد و جامد می‌شود، قسمت کوچکی از میله بصورت ذوب شده باقی می‌ماند. از آنجا که بیشتر ناخالصی‌ها در قسمت ذوب شده باقی می‌مانند تا در قسمت جامد، وقتی که این فرایند کامل می‌شود، تمام ناخالصی‌ها به آخر میله روانه می‌شوند که آخرین قسمتی است
که ذوب می‌شود. قسمت آخر پس از سرد شدن جدا می‌شود و دور انداخته می‌شود. اگر خلوص بیشتری مد نظر باشد، این فرایند مجددا تکرار می‌شود.
روشهای شیمیایی
امروزه سیلیکن با تبدیل آن به ترکیبات سیلیکن و سپس پالایش آنها خالص می‌شود، چرا که این عمل به مراتب ساده‌تر از پالایش خود سیلیکن به تنهایی می‌باشد. بعد از عمل پالایش ترکیب سیلیکن ،‌ آن ترکیب مجددا به سیلکن خالص تبدیل می‌شود. تری‌کلرو سیلان یکی از ترکیبات سلیکن است که به‌عنوان میانجی برای عمل پالایش استفاده می‌شود.
البته تترا کلرید سلیکن و سیلان نیز استفاده می‌شوند. هنگامی که این گازها در دمای بالا به سیلکن دمیده می‌شوند، سیلیکن خالص را بوجود می‌آورد. در فرآیند Siemens ، میله‌های خالص سیلیکن در دمای 1150 درجه سانتی‌گراد در معرض تری کلروسیلان قرار می‌گیرد. گاز تری کلروسیلان تجزیه شده و سیلیکن بیشتری را در روی میله‌ها بوجود می‌آورد و باعث بزرگتر شدن آنها بر طبق فرمول شیمیایی زیر می‌شود:
HSiCl3 → Si + 2HCl + SiCl4
سیلیکن بدست آمده از این شیوه و همچنین فرآیندهای مشابه سیلیکن Polycrystalline نامیده می‌شود. سیلیکن Polycrystalline معمولا دارای ناخالصی یک قسمت در هر یک میلیارد قسمت است. DuPont یک بار توانست سیلیکن بسیار خالصی را با واکنش دادن تترا کلرید سیلیکن با بخار روی خالص در دمای 950 درجه را بر طبق معادله شیمیایی زیر تولید کند:SiCl4 + 2 Zn → Si + 2 ZnCl2

فایل : 19 صفحه

فرمت : Word