توضیحات

پروژه شبیه سازی تحلیل حرارتی ترانزیستور دوقطبی پیوندی در کامسول

Name: پروژه شبیه سازی تحلیل حرارتی ترانزیستور دوقطبی پیوندی در کامسول
SKU: 3588
Price: 490000 IRT
Availability: InStock

در سال ۱۸۷۳ دیود گرمایونی توسط فردریک گوتری کشف گردید و توماس ادیسون دیود لوله خلا را اختراع کرد. گرمایش کاتد در بایاس مستقیم اجازه منتقل شدن الکترون به جلو و به خلأ را می داد اما در بایاس معکوس الکترون به راحتی از آند آزاد نشد و خیلی زود عیب این قطعه مشخص شد. در سال ۱۹۰۴ تا ۱۹۴۷ لامپ ها تنها وسایل الکترونیکی ای بودند که برای تقویت مورداستفاده قرار می گرفتند. در سال ۱۹۰۶ لامپ سه قطبی توسط لیدی فورست ساخته شد و در سال های بعد لامپ های چهار قلبی و پنج قطبی نیز ساخته شدند. سالهای بعد صنعت الکترونیک به منزله یک صنعت اصلی و مهم با قابلیت توسعه بسیار زیاد مورد توجه قرار گرفت. در سال ۱۹۳۴ فیزیکدان آلمانیOskar Heil ترانزیستور اثر میدانی را به ثبت رساند. اما هیچ مدرک مستقیمی وجود ندارد که این قطعه ساخته شده است. در سال ۱۹۳۹ Russell Ohl اولین اتصال PN را در آزمایشگاه های بل ساخت و این شروعی برای ساخت دیود کنترل شونده یا همان ترانزیستور بود.

در۲۳ دسامبر ۱۹۴۷ این صنعت به موفقیت جدیدی دست یافت. در این روز Wiliam Shochly به همراه John Bardeen و Walter Brattain عمل تقویت سیگنال را توسط اولین ترانزیستوری که در آزمایشگاه بل طراحی و ساخته بودند، انجام دادند که این ترانزیستور به نام ترانزیستور اتصال نقطه ای یاBJT شهرت یافت. همین اختراع سبب شد تا این سه دانشمند جایزه نوبل را از آن خود نمایند.

بعد از اختراع ترانزیستور برتری های این المان نسبت به لامپ های الکترونی، به زودی آشکار گردید. به طوری که رادیو و تلویزیون و مدارات الکترونیکی بلافاصله ساخته شد. از مزایای مهم ترانزیستور نسبت به لامپ الکترونی میتوان به کوچک بودن آن، سبک بودنش، نداشتن تلفات حرارتی به دلیل حذف فيلامان و عمر طولانی و کار در ولتاژهای پایینتر اشاره کرد.

هرچند از لامپ خلأ هنوز در ساخت اسیلوسکوپ، رادار و دستگاه مولد اشعه ایکس و سایر دستگاه های پر قدرت استفاده می شود(یادآور می شود که در فناوری های جدید به دلیل قدرت مصرفی بالا و حجم زیاد و دوام کم این لامپ ها، این قطعات نیز به تدریج از دور خارج شده و جای خود را به قطعات جدید می دهند.)

به عقیده بسیاری از دانشمندان، ترانزیستور بزرگ ترین اختراع بشر در قرن نوزدهم بوده که بدون آن هیچیک از پیشرفت های امروزی در علوم مختلف امکان پذیر نبوده است.

انواع ترانزیستور:

ترانزیستورها را می توان به دو نوع کلی ترانزیستورهای اثر ولتاژ(PET) و ترانزیستورهای اثر میدان(FET) تقسیم بندی نمود. تفاوت بین این دو نوع را می توان به تفاوت در نوع کنترل کانال در آنها اشاره کرد.

شکل ساختار کلی دو دسته ترانزیستور.

از جمله مهمترین نوع ترانزیستورهای اثر ولتاژ می توان به ترانزیستور دوقطبی پیوندی(BJT) اشاره کرد. در ترانزیستور دو قطبی پیوندی با اعمال یک جریان به پایه بیس جریان عبوری از دو پایه کلکتور و امیتر کنترل میشود. ترانزیستورهای دوقطبی پیوندی در دو نوع npn و pnp ساخته می شوند. بسته به حالت بایاس این ترانزیستورها ممکن است در ناحیه قطع، فعال و یا اشباع کار کنند. سرعت بالای این ترانزیستورها و بعضی قابلیت های دیگر باعث شده که هنوز هم از آنها در بعضی مدارات خاص استفاده شود. امروزه بجای استفاده از مقاومت و خازن در مدارات مجتمع تماما از ترانزیستور استفاده می کنند.

ترانزیستورهای اثر میدان را می توان به صورت زیر تقسیم نمود.

شکل دسته بندی ترانزیستور اثر میدان.

تفاوت این سه دسته در نوع شکل گیری خازن گیت آنها است. در IGFET خازن در عایق شکل می گیرد. در JFET خازن توسط ناحیه تخلیه پیوندP-N شکل می گیرد. در MESFET خازن توسط ناحیه تخلیه یا سد شاتکی شکل می گیرد. در MOSFET عایق با رشددادن لایه اکسید شکل میگیرد. در حالی که در MISFET عایق با نشاندن دی الکتریک شکل می گیرد. در بخش HFET گیت از موادی با باند انرژی بزرگ به عنوان عایق شکل می گیرد.

فناوریBiCMOS ادغام فناوری سرعت بالا دوقطبی و فناوری توان مصرفی کم MOS است. در نتیجه گیتBiCMOS توانایی راه اندازی جریان بالاتری نسبت به CMOS دارد، در حالی که توان مصرفی پایین تر را حفظ می کند. BiCMOS توانایی دست یابی به مدارات VLSI با سرعت -توان-تراکمی که پیش از این با فناوری های دوقطبی و CMOS دست نیافتنی بود. در فناوریBiCMOS، فناوریCMOS ستون اصلی مدارات دیجیتال است و فناوری دوقطبی برای ساخت کاربردهای رادیو فرکانسی (RF) و آنالوگ استفاده می شود.

ترانزیستور دوقطبی پیوندی:

ترانزیستور پیوندی دوقطبی(BJT) در سال ۱۹۴۸ اختراع شد. با معرفی دستگاه هایی که با ترانزیستور نیم رسانا کار می کردند انقلابی در دنیا پدید آمد. ترانزیستورBJT برای سال های متمادی انتخاب اول برای انواع دستگاههای دیجیتال و آنالوگ بود اما در دهه های اخیر به سرعت با MOSFET جایگزین گشته است. BJT امروزه در مدارات آنالوگ و بخصوص فرکانس بالا کاربرد زیادی دارد .

ترانزیستور پیوندی دوقطبی نوعی ترانزیستور است که دارای سه پایه به نام های بیس(B)، امیتر (E) و کلکتور (C) است و چون در این قطعه اثر الکترون ها و حفره ها هر دو مهم است، به آن ترانزیستور دو قطبی گفته میشود و در مقابل ترانزیستورهای تک قطبی، مانند ترانزیستور اثر میدان و ترانزیستور اتصال نقطه ای، قرار میگیرد که تنها یک نوع حامل باردارند. با توجه به نحوه قرار گرفتن نیمه رساناهای مثبت و منفی در ترانزیستور، آنها را به دو دسته PNP و NPN تقسیم می کنند.

ترانزیستور دوقطبی پیوندی از نوع PNP:

شامل سه لایه نیمه رسانا که دولایه کناری از نوع p و لایه میانی از نوع n است، است و مزیت اصلی آن در تشریح عملکرد ترانزیستور این است که جهت جاری شدن حفره ها با جهت جریانیکی است.

یک ترانزیستورBJT از نوع PNP از سه قطعه نیمه هادی متصل به هم تشکیل می شود:

شکل ساختار ترانزیستورBJT نوع PNP.

۱- یک نیمه هادیP با نام امیتر

۲- یک نیمه هادیN با نام بیس

۳- یک نیمه هادیP با نام کلکتور

ترانزیستور پیوندی دو قطبی از نوع NPN:

شامل سه لایه نیم رسانا که دولایه کناری از نوع N و لایه میانی از نوع P است. و مزیت اصلی آن سرعت بالاتر حامل ها در سیلیکون است. یک ترانزیستورBJT از نوع NPN از سه قلعه نیمه هادی متصل به هم تشکیل می شود:

۱- یک نیمه هادیN با نام امیتر

۲- یک نیمه هادیP با نام بیس

۳- یک نیمه هادیN با نام کلکتور

شکل ساختار ترانزیستورBJT نوع NPN.

ترانزیستور اثر میدان:

نخستین بار، ترانزیستور در سال های۱۹4۷ و ۱۹4۸ میلادی توسط ویلیام شاکلی ، والتر براتین و جان باردن در آزمایشگاه های بل ابداع شد. پس از آن در سال ۱۹5۸ میلادی اولین مدار مجتمعه (IC) توسط جک کیل بای و رابرت نویز اختراع شد و به این ترتیب صنعت میکروالکترونیک پا به عرصه گذاشت. یک مدار مجتمع از تعداد زیادی ترانزیستور و قطعات الکترونیکی دیگر تشکیل شده است و بنا به کاربردهای مختلف طراحی و ساخته میشود. برای درک بیشتر اهمیت کاربرد مدار مجتمع و جز اصلی آن یعنی ترانزیستور، باید توجه داشت که در بسیاری از وسایلی که ما امروزه در زندگی استفاده می کنیم، مدارهای مجتمع الكترونیكی جزو اصلی و مهم هستند. رایانه ها، خودروها، تلفن های همراه و ثابت، بسیاری از تلویزیون ها، رادیوها و دوربین های دیجیتال از جمله محصولات الکترونیکی هستند که در آنها مدارهای مجتمع به کار می رود. همانطور که اشاره شد، ترانزیستور مهمترین عنصر تشکیل دهنده مدارهای مجتمع (IC) می باشد. از این رو لازم است بیشتر با انواع ترانزیسورهاو عملکرد آنها آشنا شویم. ترانزیستور انواع گوناگونی دارد که مهمترین آن ترانزیستور اتصال دوقطبی (BJT) و ترانزیستور اثر میدان نیم رسانا اکسید فلز(MOSFET) یا به اختصار(MOS) می باشد. از زمان ارائه (MOS) این ترانزیستورها به دلیل توان مصرفی کم و صرفه اقتصادی، همواره متداول ترین نوع ترانزیستور در مدار های دیجیتال میکروالکترونیک بوده اند. ترانزیستور(MOS) سه خروجی دارد که سورس (چشمه)، درین و گیت نامیده می شوند. ترانزیستورهای(MOS) شامل دو نوع متفاوت (NMOS) و (PMOS) می باشند. در ترانزیستور (NMOS) الكترون های آزاد حامل بار الکتریکی است و در ترانزیستور (PMOS) حفره های آزاد حامل بار الکتریکی می باشند. همانطور که در شکل دیده می شود در ترانزیستور(NMOS) بدنه از جنس نیم رسانای نوع p است و نواحی سورس و درین دارای دوپینگ نوع n می باشند. در حالیکه، در ترانزیستور (PMOS ) بدنه از جنس نیم رسانای نوع n است و نواحی سورس و درین نیم رسانای نوع P می باشد.

شکل ساختار طرحوار ترانزیستور اثر میدان (الف) NMOS و (ب) PMOS

جنس ترانزیستورهای(MOS)، مانند بسیاری از قطعات الکترونیکی دیگر، از عنصر سیلیسیم (Si) است که با افزودن ناخالصی از عناصر سه ظرفيتی و پنج ظرفیتی به ترتیب به نیم رسانای آلاينده نوع p و نوع n به دست می آید. در هر دو نوع ترانزیستور (NMOS) و (PMOS)، بر روی ناحیة کانال یک لایه اکسید سیلیسیم که یک ماده نارسانا است قرار میگیرد و روی آن یک لایه نازک از جنس فلز به عنوان گیت لایه نشانی می شود.

استفاده از نرم افزار شبیه ساز کامسول:

همگام با احساس نیاز به شبیه سازی ادوات الکترونیکی جدید، نرم افزارهایی جهت انجام این شبیه – سازی ها طراحی شده اند. عموما در این نرم افزارها، ساختار و ابعاد قطعه، نوع ماده به کار رفته و خصوصیات فیزیکی آن، با قواعد خاص، در یک فایل متنی نوشته می شود و خود نرم افزار با توجه به ابعاد، نوع ماده بکار رفته، مدل های فیزیکی و …، معادلات اصلی حاکم بر قطعه را تخمین زده و حل می نماید. البته دانستن پدیده های فیزیکی ای که بر قطعه حاکم خواهد بود، از سوی شخصی که فایل متنی قطعه را تعریف می کند و می نویسد، لازم و ضروری است. زیرایک قسمت از فایل متنی تعریف قطعه، به مشخص کردن مدل های فیزیکی اختصاص دارد که در صورتی می توان نحوه درست عملکرد قطعه را به دست آورد که این مدل های فیزیکی به درستی مشخص شده باشند.

از جمله این نرم افزارها، می توان به نرم افزار COMSOL اشاره کرد که قادر به شبیه سازی قطعات دوبعدی و سه بعدی است.