الکترونیک چیست؟

در این مطلب به تعریف الکترونیک و بررسی تفاوت‌های بین الکترونیک و برق پرداخته می‌شود. ابتدا با هم به این پرسش که الکترونیک چیست؟ پاسخ دهیم:

کنترل جریان الکترون‌ها توسط دستگاه‌هایی (اجزای الکترونیکی) که مقاومت، حمل، انتخاب، هدایت، سوئیچ، ذخیره، دست‌کاری و بهره‌برداری از الکترون را انجام می‌دهند، صورت می‌گیرد.

حال با ما همراه باشید تا به بررسی 0 تا 100 الکترونیک بپردازیم.

تفاوت بین تعریف الکترونیک و برق

این دو اصطلاح، کلمات مشابهی هستند که در بسیاری از موارد موجب سردرگمی می‌شوند و به جای یکدیگر به کار برده می‌شوند، ولی در واقعیت تفاوت زیادی با هم دارند. در ادامه این مطلب تفاوت بین تعریف الکترونیک و برق را برای شما بیان کردیم:

• الکترونیک با جریان بار (الکترون) از طریق نیمه هادی ها یا رساناهای غیرفلزی (نیمه‌رساناها) سروکار دارد.
• برق با جریان بار از طریق هادی ها یا رساناهای فلزی سروکار دارد.
• به‌عنوان‌مثال: جریان بار از طریق سیلیکون که فلز نیست شامل مبحث الکترونیک می‌شود درحالی‌که جریان بار از طریق مس که یک فلز است در مبحث برق قرار می‌گیرد.

تاریخچه الکترونیک

دیود خلأ اولین قطعه الکترونیکی بود که توسط J.A فلمینگ اختراع شد. بعداً، لی دی فارست، ترایود را اختراع کرد؛ ترایود (Triode) یک لوله خلأ تقویت‌کننده ولتاژ است که شامل ۳ الکترود می‌باشد. لوله‌های خلأ کاربرد مهمی در مواردی از جمله مایکروویو، انتقال توان بالا و همچنین، گیرنده‌های تلویزیون ایفا می‌کنند.

شاید برای شما مفید باشد: آموزش الکترونیک از 0 تا  100

در سال 1947، اولین ترانزیستور در آزمایشگاه‌های بل بر اساس تحقیقات شاکلی، باردین و براتین ساخته شد. بااین‌حال، رادیوهای ترانزیستوری تا اواخر دهه 1950 به دلیل وجود لوله‌های خلأ توسعه‌نیافته بودند. در سال 1959، جک کیلبی از تگزاس ابزار، اولین مدار مجتمع یا آی سی (Integrated circuit یا به اختصار IC) را ایجاد کرد. مدارهای مجتمع شامل تعداد زیادی دستگاه نیمه‌رسانا مانند دیودها و ترانزیستورها در مقیاس بسیار کوچک هستند.

دوران لوله خلأ

مطالعات تئوری و تجربی الکتریسیته در طول قرن‌های 18 و 19 منجر به اختراع اولین ماشین‌های الکتریکی و آغاز استفاده گسترده از برق شد. تاریخ الکترونیک جدا از تاریخ الکتریسیته، در اواخر قرن نوزدهم با شناسایی الکترون توسط فیزیکدان انگلیسی جوزف جان تامسون و اندازه‌گیری بار الکتریکی آن توسط فیزیکدان آمریکایی رابرت A. Millikan در سال 1909، شروع به تکامل و توسعه کرد.

در زمان تامسون، مخترع آمریکایی توماس ادیسون در برخی از لامپ‌های خود در شرایط خاصی، نور آبی‌رنگ مشاهده کرد. همچنین، او متوجه شد که اگر پرتو دوم (آند) باتوجه‌به پرتو اول (کاتد) به طور مثبت شارژ شود، در لامپ، جریان از یک الکترود به الکترود دیگر منتقل می‌شود.

کار تامسون و شاگردانش و مهندس انگلیسی جان امبروز فلمینگ نشان داد که این پدیده که به‌اصطلاح، اثر ادیسون نام دارد، نتیجه گسیل الکترون از کاتد است. حرکت الکترون‌ها به سمت آند، یک صفحه فلزی و جریان الکتریکی ایجاد می‌کند که اگر آند دارای بار منفی باشد، ایجاد نخواهد شد.

این اختراع، انگیزه‌ای برای توسعه لوله‌های الکترونی فراهم کرد. در این راستا، مهندس آمریکایی ویلیام دی یک لوله اشعه ایکس ایجاد کرد. همچنین، کولیج و ترمیونیک فلمینگ یک لوله خلأ دو الکترودی برای استفاده در گیرنده‌های رادیویی ایجاد کردند.

تشخیص یک سیگنال رادیویی که شامل یک جریان متناوب با فرکانس بالا است، مستلزم آن است که سیگنال اصلاح شود. به‌عنوان‌مثال، جریان متناوب باید زمانی توسط دستگاه به جریان مستقیم (DC) تبدیل شود که سیگنال فقط یک قطبیت داشته باشد، نه زمانی که قطب دیگر نیز وجود داشته باشد (دقیقاً مطابق کاری که دریچه فلمینگ (در سال 1904) انجام داد).

پیش‌ازاین، سیگنال‌های رادیویی توسط دستگاه‌های مختلف توسعه‌یافته تجربی مانند تشخیص‌دهنده «cat whisker» که از یک whisker در تماس با سطح بلور طبیعی سولفید سرب (گالن) تشکیل شده بود، شناسایی می‌شد. مواد نیمه‌هادی (نیمه‌رسانا) این دستگاه‌ها غیرقابل‌اعتماد بودند و همچنین، حساسیت کافی را نیز نداشتند.

به‌علاوه، آن‌ها نیاز به تنظیم مداوم تماس whisker به کریستال داشتند تا نتیجه مطلوب ایجاد شود. بااین‌حال، اینها پیش‌گامان دستگاه‌های حالت جامد امروزی هستند. این واقعیت که یکسوکننده‌های کریستالی قادر به کارکردن بودند، دانشمندان را تشویق کرد که به مطالعه آنها ادامه دهند و به‌تدریج درک اساسی از خواص الکتریکی مواد نیمه‌رسانا جهت اختراع ترانزیستور به دست آورند.

در سال 1906، لی دی فارست، مهندس آمریکایی، نوعی لوله خلأ ایجاد کرد که قادر به تقویت سیگنال‌های رادیویی بود. دی فارست به شیر ترمیونیک دو الکترودی ساخته شده توسط فلمینگ، یک شبکه سیم ظریف بین کاتد و آند اضافه کرد. دستگاه جدیدی که دی فارست آن را آئودیون نامید (در سال 1907 ثبت اختراع شد)، در واقع یک لوله خلأ سه الکترودی بود.

در واقعیت، آند در چنین دستگاهی دارای یک پتانسیل مثبت (با بایاس مثبت) نسبت به کاتد است، درحالی‌که شبکه دارای بایاس منفی است. یک بایاس منفی بزرگ در شبکه از رسیدن هر الکترون ساطع شده از کاتد به آند جلوگیری می‌کند. بااین‌حال، ازآنجایی‌که فضای شبکه تا حد زیادی باز است، بایاس منفی کمتر به برخی از الکترون‌ها اجازه می‌دهد که از آن عبور کنند و به آند برسند؛ بنابراین تغییرات کوچک در پتانسیل شبکه می‌تواند مقادیر زیادی از جریان آند را کنترل کند.

انیاک (ENIAC) اولین کامپیوتر دنیا

لوله خلأ امکان ایجاد رادیو، تلفن از راه دور، تلویزیون و اولین کامپیوترهای دیجیتال الکترونیکی را فراهم کرد. این کامپیوترهای الکترونیکی اولیه در واقع بزرگ‌ترین سیستم‌های لوله خلأ ساخته شده بودند. شاید شناخته‌شده‌ترین آن‌ها ENIAC (مخفف Electronic Numerical Integrator and Computer) باشد که در سال 1946 تکمیل شد و به طور رسمی آغاز به کار کرد.

لوله‌های خلأ به دلیل اینکه در موارد گوناگونی کاربرد داشتند، پیشرفت‌های زیادی کردند. از جمله این پیشرفت‌ها عبارت‌اند از:

• آنها قادر هستند که توان بسیار زیادی را اداره کنند،
• در فرکانس‌های بسیار بالا کار کنند،
• قابلیت اطمینان بالاتر از حد متوسط را داشته باشند،
• بسیار فشرده شوند.

لوله اشعه کاتدی که برای نشان‌دادن شکل موج‌های الکتریکی روی صفحه‌نمایش برای اندازه‌گیری‌های مهندسی ساخته شده بود، به لوله تصویر تلویزیون تبدیل شد. چنین لوله‌هایی با تشکیل الکترون‌های ساطع شده از کاتد مانند یک پرتو نازک عمل می‌کنند که به صفحه فلورسنت در انتهای لوله برخورد می‌کند. همچنین، صفحه‌نمایش، نوری را ساطع می‌کند که از بیرون لوله قابل‌مشاهده است. انحراف پرتو الکترونی باعث می‌شود که الگوهای نور بر روی صفحه‌نمایش نشان‌داده‌شده و تصاویر نوری موردنظر تشکیل شوند.

با وجود موفقیت چشمگیر دستگاه‌های حالت جامد در کاربردهای الکترونیکی، عملکردهای تخصصی خاصی وجود دارد که فقط لوله‌های خلأ می‌توانند آنها را انجام دهند. این موارد معمولاً شامل عملیات در حداکثر توان یا فرکانس هستند.

لوله‌های خلأ شکننده هستند و در نهایت، در هنگام کار فرسوده می‌شوند. در زمان استفاده معمولی، خرابی لوله‌های خلأ به دو دلیل زیر رخ می‌دهد:

• دلیل اول این است که ایجاد اثرات گرمایش و سرمایش مکرر هنگام روشن و خاموش‌شدن تجهیزات (خستگی حرارتی) باعث شکستگی فیزیکی در بخشی از ساختارهای داخلی لوله می‌شود،
• دلیل دوم نیز شامل تخریب خواص کاتد توسط گازهای باقیمانده در لوله است.

لوله‌های خلأ نیز به‌منظور رسیدن به دمای عملیاتی، به مقداری زمان (از چند ثانیه تا چند دقیقه) برای “گرم‌شدن” نیاز دارند که در بهترین حالت این یک مشکل کوچک و در برخی موارد حتی محدودیتی جدی برای استفاده از آنها به شمار می‌رود. این محدودیت‌ها و مشکلات باعث ایجاد انگیزه‌ای در دانشمندان آزمایشگاه بل شد تا به دنبال جایگزینی برای لوله‌های خلأ باشند که در نهایت، این امر منجر به ایجاد ترانزیستور شد.

مدارهای مجتمع

تا سال 1960، ترانزیستورها به‌سرعت، جایگزین لوله‌های خلأ شدند، زیرا ترانزیستورها دارای قیمت ارزان‌تری بودند، در حین کار نمی‌سوختند و دارای وزن سبک‌تر و همچنین، قابل‌اعتمادتر بودند. به‌طورکلی در هر کامپیوتر از صدها هزار ترانزیستور استفاده می‌شد. نیاز به سیستم‌های هدایت الکترونیکی فشرده و سبک‌وزن، منجر به اختراع مدار مجتمع (IC) در سال 1958 توسط جک کیلبی از تگزاس اینسترومنتز آمریکا (Texas Instruments Incorporated) شد.

کیلبی (Kilby) اغلب با توسعه مفهوم یکپارچه‌سازی دستگاه و عناصر مدار بر روی تک تراشه سیلیکونی شناخته می‌شود، درحالی‌که نویس (Noyce) به ایجاد روش ادغام عناصر جداگانه معروف است. همچنین، رابرت نویس در کنار جک کیلبی از مخترعان مدار مجتمع شناخته می‌شود.

در اواخر سال 1971، اولین ریزپردازنده معرفی شد. این دستگاه شامل تمام مدارهای محاسباتی، منطقی و کنترلی موردنیاز برای انجام عملکردهای واحد پردازش مرکزی کامپیوتر (CPU) بود. این نوع آی سی در مقیاس بزرگ توسط تیمی در شرکت اینتل، همان شرکتی که آی سی حافظه را نیز در سال 1971 معرفی کرد، توسعه یافت. در نتیجه، هم اکنون مرحله کامپیوتری کردن تجهیزات الکترونیکی کوچک آماده شده است.

ریزپردازنده

زمانی که ریزپردازنده ایجاد شد، کامپیوترها تجهیزاتی بودند که برای محاسبات پردازش داده‌ها و همچنین، محاسبات علمی مورداستفاده قرار می‌گرفتند. اندازه آنها از کوچک (مینی‌کامپیوترها) تا بسیار بزرگ (سیستم‌های مرکزی) متغیر بود. ریزپردازنده این امکان را برای مهندسان کامپیوتر فراهم می‌کرد تا میکروکامپیوترها را توسعه دهند.

(میکروکامپیوترها سیستم‌هایی کوچک‌ هستند که دارای قدرت محاسباتی کافی برای انجام بسیاری از کارهای تجاری، صنعتی و علمی می‌باشند.) چنین سیستم‌هایی با استفاده از اجزای استاندارد برنامه‌ریزی‌شده برای انجام یک کار خاص، امکان کنترل مجموعه‌ای از دستگاه‌های کوچک (به‌عنوان‌مثال، دستگاه‌های روباتیک دستی برای جوشکاری نقطه‌ای) را فراهم می‌کنند.

تقاضای زیاد برای ریزپردازنده‌ها منجر به تولید با حجم بالا و کاهش چشمگیر قیمت شد. این موضوع به نوبه خود کاربرد این دستگاه‌ها را گسترش داد؛ به‌عنوان‌مثال، در لوازم‌خانگی و اتومبیل که قبلاً در آنها کنترل‌های الکترونیکی استفاده می‌شد که بسیار گران‌قیمت هم بودند. پیشرفت‌های حاصل شده در فناوری IC باعث ایجاد یکپارچگی در مقیاس بسیار بزرگ (VLSI) شد که به طور قابل‌توجهی چگالی مدار ریزپردازنده‌ها را افزایش داد.

این پیشرفت‌های فناوری باعث کاهش هزینه‌های ناشی از بهبود روش‌های تولید شد. همچنین، تولید انبوه رایانه‌های شخصی را برای استفاده در ادارات، مدارس و خانه‌ها امکان‌پذیر کرد.

در اواسط دهه 1980، ریزپردازنده‌های ارزان‌قیمت، کامپیوتری شدند. از همین جهت، آن‌ها در طیف وسیعی از محصولات مصرفی کاربرد پیدا کردند؛ از جمله رایج‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از:

• مایکروویو و ترموستات‌های قابل‌برنامه‌ریزی،
• ماشین‌های لباس‌شویی و خشک‌کن لباس،
• دستگاه‌های تلویزیونی تنظیم شونده و دوربین‌های خود تمرکز،
• نوار کاست و بازی‌های ویدئویی،
• تلفن و دستگاه‌های منشی تلفنی،
• آلات موسیقی،
• ساعت‌ها،
• سیستم‌های امنیتی.

 ازاین‌رو، میکروالکترونیک در تجارت، صنعت، دولت و سایر بخش‌ها نیز مطرح شد. به‌علاوه، استفاده از ریزپردازنده‌ها در دستگاه‌های خودپرداز (ATM) و حتی سیستم‌های مونتاژ خودکار کارخانه‌ها، رواج یافت.

تا اواسط سال 1986 آی‌سی‌های حافظه با ظرفیت 262144 بیت (رقم باینری) در دسترس بودند. در اوایل سال 1965، گوردون مور، از بنیان‌گذاران شرکت اینتل، قاعده‌ای را ارائه کرد که بیان می‌کند تعداد ترانزیستورهای روی یک تراشه با مساحت ثابت هر ۲ سال، به طور تقریبی دوبرابر می‌شود. این قانون به نام قانون مور (به انگلیسی: Moore’s Law)  نام‌گذاری شد.

به‌طورکلی از این قانون در پیش‌بینی تکنولوژی‌های لازم برای ساخت آی‌سی‌های آینده استفاده می‌شود (تصویر را مشاهده کنید).

تعریف مبانی پایه الکترونیک

۱. عناصر پسیو (Passive)

• قابلیت کنترل جریان الکتریکی توسط سیگنال الکتریکی دیگری را ندارند.
• برای کارکردن، نیاز به منبع خارجی ندارند. به‌عنوان‌مثال، یک مقاومت با هر ولتاژی کار خودش را انجام خواهد داد و مثل ترانزیستور نیاز به ولتاژ حداقلی (مثلاً ۰.۷) ندارد.
• گیرنده انرژی هستند.
• مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از: مقاومت، خازن، سلف و دیود.

۲. عناصر اکتیو (Active)

• جریان الکتریسیته را کنترل می‌کنند.
• برای کارکردن، نیاز به منبع خارجی دارند. به‌عنوان‌مثال، یک ترانزیستور نیاز به یک حداقل ولتاژی مثلاً ۰.۷ ولت دارد که بتواند کار کند.
• دهنده انرژی هستند.
• مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از: ترانزیستور‌ها، مدار‌های مجتمع (IC) ، یکسوکننده‌های باتری و LED.

*اختلاف‌نظر: برای دیود اختلاف‌نظر شدیدی وجود دارد که آیا اکتیو است یا پسیو. برخی از دانشمندان دیود را در دسته اکتیو و برخی دیگر آن را در دسته پسیو طبقه‌بندی می‌کنند.

۳. جریان مستقیم (DC)

• DC مخفف Direct Current
• یعنی عبور یک‌طرفه بار الکتریکی.
• به‌عبارت‌دیگر، در DC الکترون‌ها فقط در یک‌جهت جریان دارند.
• جهت جریان از منفی به مثبت است، اگرچه اغلب راحت‌تر است که جهت آن را از مثبت به منفی در نظر بگیریم.
• این جریان از منابعی مثل باتری، منابع تغذیه، سلول‌های خورشیدی یا دینام تأمین می‌شود.

۴. جریان متناوب (AC)

• AC مخفف Alternating current
• الکترون‌ها در هر دو جهت به‌صورت چرخه‌ای جریان دارند. (ابتدا به یک سمت، سپس به سمت دیگر در جریان هستند.)
• نرخ تغییر جهت فرکانس را بر حسب هرتز تعیین می‌کند.
• AC توسط دستگاهی که متناوب ساز نامیده می‌شود، قابل‌تولید می‌باشد.

۵. فرکانس

• واحد: هرتز
• نماد قدیمی:cps (cycles per second)
• یک ‌چرخه کامل زمانی تکمیل می‌شود که سیگنال AC از صفر ولت به یک ولت منتهی شود یا اینکه از صفر ولت به انتهای مخالف و سپس دوباره به صفر برگردد.
• تعداد امواج صوتی که در یک ثانیه منتشر می‌شود، بسامد یا فرکانس صدا نامیده می‌شود.
• محدوده صوتی از 20 هرتز تا 20000 هرتز است.

۶. ولتاژ

• واحد: ولت
• نماد کنونی: V یا U
• نماد قدیمی:E
• ولتاژ فشار الکتریسیته یا نیروی محرکه الکتریکی است.
• یک باتری 9 ولتی دارای ولتاژ 9 ولت DC است و بسته به پایانه‌ای که به‌عنوان مرجع استفاده می‌شود ممکن است مثبت یا منفی باشد.
• ولتاژ برق شهری بسته به محل زندگی 220، 240 یا 110 ولت است، این جریان AC است و بین مقادیر مثبت و منفی متناوب است.
• ولتاژ معمولاً بر حسب میلی‌ولت (mV) اندازه‌گیری می‌شود و هر 1000 میلی‌ولت 1 ولت است. در برخی موارد از میکروولت (uV) و نانوولت (nV) نیز برای اندازه‌گیری استفاده می‌شود.

۷. جریان

• واحد: آمپر (A)
• نماد: I
• جریان شامل شارش الکترون‌ها است.
• جریان از طریق اعمال میدان الکتریکی به رسانا یا با تغییر میدان الکتریکی در دو سر خازن ایجاد می‌شود.
• مقدار جریان توسط ولتاژ موجود، مقاومت بار و منبع تغذیه تعیین می‌شود.
• جریان می‌تواند متناوب یا مستقیم، مثبت یا منفی باشد.
• جریان می‌تواند با میلی‌آمپر نیز اندازه‌گیری شود. هر 1000 میلی‌آمپر برابر با 1 آمپر است. در برخی موارد نانو آمپر (nA) نیز برای اندازه‌گیری استفاده می‌شود.

۸. مقاومت

• واحد: اهم
• نماد: R یا Ω
• مقاومت به کاهش یا کم‌کردن مقدار حرکت الکتریسیته داخل مدار کمک می‌کند.
• سیم مسی مقاومت بسیار کمی دارد، بنابراین در آن یک ولتاژ کوچک می‌تواند جریان زیادی را عبور دهد؛ در مقابل، پلاستیک مقاومت بسیار بالایی دارد و از عبور جریان از یک سیم به سیم‌های مجاور جلوگیری می‌کند.
• مقاومت‌ها دارای توان مشخصی هستند و هر مقاومتی یک ولتاژ معینی را تحمل می‌کند، بنابراین می‌توان جریان را برای هر ولتاژ محاسبه کرد.
• مقاومت در دستگاه‌های پسیو (passive) همیشه مثبت است.

۹. ظرفیت خازن

• واحد: فاراد
• نماد: C
• شامل ظرفیت اندازه‌گیری بار ذخیره شده است.
• برخلاف باتری، خازن شارژ را به‌صورت الکترواستاتیک ذخیره می‌کند و بسیار سریع‌تر واکنش نشان می‌دهد.
• یک خازن جریان متناوب یا AC را از خود عبور می‌دهد، اما از جریان مستقیم یا DC عبور نمی‌کند.
• مقاومت AC (امپدانس) یک خازن به مقدار آن و فرکانس سیگنال AC بستگی دارد.
• ظرفیت خازنی همیشه یک مقدار مثبت است.

۱۰. اندوکتانس (Inductance)

• واحد: Henrys
• نماد: H یا L
• اندوکتانس ویژگی یک مدار الکتریکی است که بر اساس قانون لنز، متناسب با تغییر جریان الکتریکی برحسب زمان، نیروی محرکه الکتریکی درست می‌کند که در تقابل با تغییر جریان مدار است.
• اندوکتانس در همه قطعاتی که شامل مواد رسانا هستند، رخ می‌دهد.
• اندوکتانس همواره یک مقدار مثبت است.

۱۱. امپدانس

• واحد: اهم
• نماد: Ω یا Z
• برخلاف مقاومت، امپدانس یک مقدار وابسته به فرکانس است و برای سیگنال‌های AC مشخص می‌شود.
• امپدانس از ترکیب مقاومت، ظرفیت خازنی و اندوکتانس ساخته شده است.
• در بسیاری از موارد، مقدار امپدانس و مقاومت یکسان است.
• امپدانس معمولاً مثبت است؛ اما می‌تواند منفی نیز باشد.

۱۲. دسی‌بل (Decibel)

• واحد: بل (Bel)، اما چون این مقیاس بزرگ است از دسی‌بل استفاده می‌شود که نماد آن dB است.
• دسی‌بل نسبت لگاریتمی پایه 10 است که برای بیان افزایش یا کاهش توان، ولتاژ یا جریان در مدار استفاده می‌شود.
•  برای اندازه گیری شدت صدا از واحد دسی‌بل استفاده می‌شود.
• دسی‌بل در سیگنال‌ها، تجهیزات یا پدیده‌هایی که با بسامدهایی واقع در حوزه شنوایی انسان سروکار دارند، استفاده می‌شود؛ زیرا دسی‌بل‌ها معیار لگاریتمی ولتاژ، جریان یا قدرت هستند.

کاربرد الکترونیک

به‌طورکلی وسایل الکترونیکی نقش بسیار مهمی در زندگی روزمره ما دارند. از جمله مهم‌ترین وسایل الکترونیکی که ما در زندگی روزمره خود استفاده می‌کنیم عبارت‌اند از:

• کامپیوتر

امروزه کامپیوترها در همه‌جا کاربرد دارند. به‌عنوان‌مثال، در خانه، رایانه‌ها برای بازی، تماشای فیلم، انجام تحقیق و پروژه، پرداخت قبوض و موارد دیگر استفاده می‌شود. همچنین، در بسیاری از شرکت‌ها و ارگان‌ها برای انجام کارها از کامپیوتر استفاده می‌شود.

• تلفن همراه

تلفن‌های همراه برای اهداف مختلفی مانند ارسال پیامک، برقراری تماس تلفنی، گشتن در اینترنت، بازی‌کردن و گوش‌دادن به آهنگ استفاده می‌شوند.

• دستگاه خودپرداز یا ATM

خودپرداز یک دستگاه الکترونیکی است که برای مشتریان بانک این امکان را فراهم می‌کند تا در هر زمان به‌وسیله قراردادن کارت‌بانکی خود در دستگاه، بتوانند از حساب خود پول دریافت کرده یا موجودی حساب بانکی خود را چک کنند. همچنین، خودپردازها امکان واریز پول یا چک و جابه‌جایی پول بین حساب‌های بانکی را نیز برای مشتریان فراهم می‌کنند. ATM مخفف Automated Teller Machine به معنی عابربانک خودکار است. مشتری می‌تواند در هر زمانی از شبانه‌روز تا سقف مشخصی پول برداشت کند.

• تلویزیون

تلویزیون یک وسیله الکترونیکی است که در درجه اول برای سرگرمی استفاده می‌شود. همچنین، به‌طورکلی از این وسیله اغلب برای تماشای فیلم، اخبار، کارتون برای کودکان استفاده می‌شود. به‌علاوه، از کاربردهای دیگر تماشای تلویزیون، کسب اطلاعات و دانش است.

• دوربین دیجیتال

کاربرد اصلی دوربین دیجیتال برای گرفتن عکس و فیلم می‌باشد. همچنین، دوربین دیجیتال داده‌های عکس را به‌صورت ارقام عددی در حافظه خود ذخیره می‌کند؛ بنابراین امکان ذخیره‌سازی تعداد زیادی از عکس در فضای کمی وجود دارد. امروزه اکثر دوربین‌هایی که تولید می‌شوند، دیجیتال هستند.

• ترانزیستور

ترانزیستورها در مدارهای آمپلی‌فایر به‌عنوان دستگاه‌های خطی استفاده می‌شوند؛ یعنی سیگنال ورودی و سیگنال خروجی بزرگ‌تر تقریباً مشابه یکدیگر هستند. ترانزیستورها و سایر وسایل نیمه‌هادی نیز ممکن است به‌عنوان سوئیچ استفاده شوند. در چنین کاربردهایی، پایه یا گیت ترانزیستور، بسته به نوع ترانزیستور مورداستفاده، به‌عنوان یک ابزار کنترل برای روشن یا خاموش‌کردن جریان بین امیتر و کلکتور یا منبع و تخلیه استفاده می‌شود.

• تریستورها

تریستورها دسته مهم دیگری از وسایل نیمه‌هادی هستند که در کاربردهای سوئیچینگ استفاده می‌شوند. ساده‌ترین این دستگاه‌ها، یکسوکننده تنظیم‌پذیر از سیلیکون است که ممکن است به‌عنوان دو ترانزیستور متصل به یکدیگر در نظر گرفته شود.

اگر مقدار مناسبی از جریان گیت اعمال شود، دستگاه شروع به هدایت می‌کند. جریان گیت معادل جریان پایه برای ترانزیستور n-p-n است. جریان کلکتور بزرگ‌تر حاصل جریان پایه برای ترانزیستور p-n-p است. ترانزیستور p-n-p دارای ناحیه پایه غیرمعمول گسترده‌ای است، بنابراین بهره آن به‌خصوص در جریان‌های پایین، کم است.

الکترونیک دیجیتال

به‌طورکلی کامپیوترها فقط دو عدد 0 و 1 را می‌فهمند و تمام عملیات های خود را در حالت باینری انجام می‌دهند. بسیاری از وسایل الکتریکی و الکترونیکی دو حالت دارند: یا خاموش هستند یا روشن؛ مانند سوئیچ چراغ، لوله‌های خلأ و ترانزیستورها. ازآنجایی‌که از همان ابتدا کاربرد اصلی مدارهای مجتمع در کامپیوترها بوده است، مدارهای مجتمع دیجیتالی، رایج شده‌اند؛ بنابراین طراحی سیستم‌های الکترونیکی که از زبان دیجیتال برای کنترل عملکرد خود و برقراری ارتباط با سایر سیستم‌ها استفاده می‌کنند، آسان شده است.

مزیت اصلی استفاده از روش‌های دیجیتال این است که می‌توان صحت جریان سیگنال‌های دیجیتال را تأیید کرد و در صورت لزوم، خطاها را اصلاح کرد.

همان‌طور که سیستم‌های الکترونیکی پیچیده‌تر می‌شوند، لازم است که خطاهای ناشی از نویز نیز حذف شوند. در غیر این صورت، ممکن است سیستم‌ها دچار اختلال شوند. به‌طورکلی بسیاری از سیستم‌های الکترونیکی برای کار در محیط‌های پر سروصدا، مانند خودرو، استفاده می‌شوند. تنها راه مؤثر برای حذف نویز این است که سیستم‌های الکترونیکی به‌صورت دیجیتالی کار کنند.

افزایش سطح نویز الکتریکی محیط باعث انفجار واقعی در سیستم‌های الکترونیکی می‌شود. به‌صورت کلی هر سیستم الکتریکی مقداری نویز تولید می‌کند. همچنین، همه سیستم‌های الکترونیکی تا حدی در معرض اختلال ناشی از نویز هستند. دقت در طراحی سیستم‌ها برای محدودکردن میزان نویز ایجاد شده و محافظت از سیستم در برابر منابع نویز خارجی، امری ضروری است.

اپتوالکترونیک

یک مبحث جدید در الکترونیک از فوتون (بسته های نور) به جای الکترون استفاده می کند. با توافق های انجام شده، این رویکرد جدید به الکترونیک اضافه شده است، زیرا فانکشن های آن همان فانکشن هایی هستند که توسط سیستم‌های الکترونیکی استفاده می‌شوند و همچنین، این فانکشن ها اغلب در یک محیط الکترونیکی امبدد شده‌اند. این مبحث جدید، الکترونیک نوری یا اپتوالکترونیک نامیده می شود.

یک مشکل اساسی در استفاده از رایانه‌ها و مدارهای مجتمع سریع‌تر، مربوط به زمان لازم برای انتقال سیگنال‌های الکتریکی از طریق اتصالات سیمی است. این مسئله هم برای خود مدارهای مجتمع و هم برای اتصالات بین آن‌ها مشکل محسوب می‌شود. در بهترین شرایط، سیگنال‌های الکتریکی می‌توانند با حدود 90 درصد سرعت نور حرکت کنند و نرخ رایج سرعت آن‌ها 50 درصد سرعت نور است.

نور حدود 30 سانتی‌متر (12 اینچ) را در یک میلیاردم ثانیه طی می‌کند. همچنین، کامپیوترهای مدرن با سرعت بیش از یک میلیارد عملیات در ثانیه کار می‌کنند؛ بنابراین، اگر دو سیگنال از مکان‌های مختلف بخواهند هم زمان به مقصد برسند، باید مسیرهایی را طی ‌کنند که بیش از چند سانتی‌متر طول نداشته باشند.

برای رفع این مشکل دو روش قابل‌انجام است:

• در روش اول باید تمام مدارهای مجتمع را تاحدامکان نزدیک به هم قرارداد تا مسافت‌های طی شده توسط سیگنال‌ها به حداقل برسند. این روش یک مشکل ایجاد می‌کند؛ این مشکل شامل نیاز به خنک‌کننده است، زیرا در این روش، مدارهای مجتمع گرما تولید می‌کنند.
• در روش دوم باید تمام مسیرهای سیگنال‌ها برابر با طولانی‌ترین مسیر باشند. این کار نیاز به استفاده از سیم بیش‌تری دارد، زیرا در این روش، اکثر مسیرها طولانی‌تر از حالت عادی می‌باشند و در نتیجه، به مقدار سیم بیش‌تری نیاز است. همچنین، سیم‌های به‌کاررفته، فضای بیش‌تری نیز اشغال می‌کنند، بنابراین مدارهای مجتمع باید دورتر از حالت عادی قرار گیرند.

در نهایت، ازآنجایی‌که هیچ یک از این روش‌ها کارساز نخواهد بود، باید از یک تکنیک جدید استفاده شود. یکی از این تکنیک‌ها، استفاده از ارتباط نوری بین مدارهای مجتمع است. به‌طورکلی پرتوهای نور فضا اشغال نمی‌کنند و همچنین، با هوای خنک‌کننده نیز تداخل ندارند. اگر ارتباط نوری باشد، محاسبات ممکن است به‌صورت نوری انجام شوند. محاسبات نوری به شکل متفاوتی از مدار مجتمع نیاز دارند که این مدار مجتمع موردنیاز می‌تواند از آرسنید گالیم و ترکیبات III-V مرتبط ساخته شود.

فیبرهای نوری شیشه‌ای

در سال 1966 بر اساس مبانی نظری پیشنهاد شد که فیبرهای نوری شیشه‌ای را با خلوص بالاتری بسازند تا نور بتواند در فواصل طولانی از آن‌ها عبور کند. این فیبرهای نوری در اوایل دهه 1970 تولید شدند. به‌طورکلی این فیبرها دارای یک هسته مرکزی هستند که نور در آن حرکت می‌کند. همچنین، یک روکش بیرونی دارند که از شیشه‌ای با فرمول شیمیایی متفاوت ساخته شده و دارای ضریب شکست نور کمتری است.

این تفاوت در ضریب شکست نشان می‌دهد که نور در روکش بیرونی سریع‌تر از هسته حرکت می‌کند؛ بنابراین اگر پرتو نور از هسته به سمت روکش بیرونی شروع به حرکت کند، مسیر آن خم می‌شود تا نور را به داخل هسته برگرداند. در این صورت، حتی اگر فیبر نوری به‌صورت دایره‌ای خم شود، باز هم نور در هسته باقی می‌ماند.

تعریف فیبرهای چندحالته

هسته اولین فیبرهای نوری دارای قطر زیادی بودند. (چند میکرومتر [μm] یا حدود یک‌دهم قطر موی انسان) در آن‌ها، پرتوهای مختلف نور در هسته می‌توانستند در مسیرهای متفاوتی حرکت کنند که کوتاه‌ترین مسیر، مسیر مستقیماً روبه‌پایین است. همچنین، مسیرهای طولانی‌تری نیز در سرتاسر هسته وجود دارند. این امر حداکثر مسافتی را که یک پالس نوری می‌تواند طی کند را محدود می‌کند. در یک سیستم ارتباطات دیجیتال، پالس‌های متوالی می‌توانند با یکدیگر همپوشانی داشته و در انتها، غیرقابل‌تشخیص باشند. به‌طورکلی فیبرهایی که در آن‌ها نور می‌تواند مسیرها یا حالت‌های مختلفی داشته باشد، فیبرهای چندحالته نامیده می‌شوند.

در اواخر دهه 1970، فیبری با قطر هسته کوچک‌تر ساخته شد که در آن، نور فقط یک مسیر را محدود می‌کرد. این مورد فقط وقتی اتفاق می‌افتد که قطر هسته بزرگ‌تر از طول‌موج نوری باشد که در آن حرکت می‌کند – یعنی حدود 10 تا 15 میکرومتر (0.01 تا 0.015 میلی‌متر یا 0.0004 تا 0.0006 اینچ). در سال 1993 فیبرهای نوری دارای قابلیت حمل سیگنال‌های نوری بیش از 215 کیلومتر (135 مایل) شدند.

مزایای فیبرهای نوری

فیبرهای نوری نسبت به سیم‌های مسی یا کابل‌های کواکسیال چندین مزیت دارند که مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از:

• می‌توانند اطلاعات را با سرعت بالاتری حمل کنند.
• فضای کمتری اشغال می‌کنند.
• نسبت به نویز الکتریکی حساس نیستند.
• برقراری ارتباط غیرمجاز با آن‌ها غیرممکن است.
• دارای هزینه‌های کمتری هستند به‌طوری‌که در اکثر تأسیسات جدید، در مدارهای تلفن بین مراکز سوئیچینگ و فواصل طولانی‌تر از فیبرهای نوری استفاده شده است.

توابع نوری الکترونیکی

برخی از کاربردهای الکترونیکی به برهم‌کنش بین مواد سبک و نیمه‌هادی که در بخش اپتوالکترونیک ذکر شده است بستگی دارد. چنین کاربردهایی شامل تبدیل نور خورشید به الکتریسیته در سلول‌های خورشیدی است. اکثر سلول‌های این نوع از دیودهای سیلیکونی در محفظه‌هایی با طراحی خاص تشکیل شده‌اند تا نور خورشید آن‌ها را روشن کند.

سیلیکون در برابر نور مادون‌قرمز شفاف است و می‌تواند بدون تولید برق، از سلول خورشیدی عبور کند. اما امواج نور مرئی، انرژی کافی برای ایجاد جفت حفره الکترون دارند. در مجاورت محل اتصال p-n، حفره‌ها به سمت الکترون‌های نوع n جذب می‌شوند و همچنین، الکترون‌ها به سمت حفره‌های نوع p جذب می‌شوند. این مسئله باعث ایجاد جریانی می‌شود که می‌تواند برای تغذیه وسایل الکتریکی کوچک یا برای شارژ باتری‌های حافظه استفاده شود.

تریستورهای خاصی در دسترس هستند که به‌جای سیگنال گیت از نور استفاده می‌کنند. آن‌ها در سیستم‌هایی با ولتاژ بالا کاربرد دارند. مشکلات موجود در ارائه سیگنال‌های گیت به تریستورهایی با پتانسیل الکتریکی متفاوت، با استفاده از فیبرهای نوری (که عایق‌های الکتریکی هستند) حل می‌شود. برهم‌کنش نور با سیلیکون حامل‌هایی را درست مانند یک سلول خورشیدی تولید می‌کند. این حامل‌ها سیگنال گیت را برای روشن‌کردن تریستورها ارائه می‌دهند.

ابررساناها در علم الکترونیک

بسیاری از فلزات در دمای نزدیک به صفر مطلق (273- درجه سانتیگراد یا 460- درجه فارنهایت) کاملاً مقاومت خود را در برابر جریان الکتریکی از دست می‌دهند و ابررسانا می‌شوند. در این راستا، تغییرات چشمگیر دیگری نیز در خواص الکتریکی فلزات رخ می‌دهد. یکی از این تغییرات، اثر جوزفسون است که به نام فیزیکدان بریتانیایی برایان دی جوزفسون نام‌گذاری شده است. این پدیده را جوزفسون در سال 1962 کشف کرد.

دستگاه‌های اتصال جوزفسون در زمان‌ بسیار کوتاهی از یک حالت الکتریکی به حالت دیگر تغییر می‌کنند. همچنین، آن‌ها امکان تولید ریز مدارهای ابررسانایی را فراهم می‌کنند که می‌توانند سریع‌تر از هر نوع دیگری کار ‌کنند. تلاش‌های بسیار زیادی برای ساخت رایانه براین‌اساس صورت‌گرفته است، اما بیش‌تر پروژه‌ها به دلیل مشکلات فنی متوقف شده‌اند. همچنین، به دلیل افزایش سرعت ریز مدارهای نیمه‌هادی III-V استفاده از این دستگاه‌ها کاهش پیدا کرده است. اتصالات جوزفسون کاربردهای دیگری نیز در علم دارند. به‌عنوان‌مثال، آن‌ها دتکتورهای بسیار حساس میدان‌های مغناطیسی کوچک را می‌سازند. ولتاژ در یک اتصال جوزفسون بر اساس مبانی نظری شناخته شده است که تنها به مقادیر برخی از پارامترهای ثابت فیزیکی وابسته است. از همین رو، اکنون از اتصالات جوزفسون برای ارائه استاندارد مطلق ولتاژ استفاده می‌شود. از دیگر کاربردهای مهم اتصالات جوزفسون می‌توان به مترولوژی سیگنال‌های پرسرعت اشاره کرد. به‌طورکلی برای اندازه‌گیری پدیده‌های سریع به ابزارهای اندازه‌گیری سریع‌تر از آن‌ها نیاز است که دستگاه‌های جوزفسون این امکان را فراهم می‌کنند.

نمایشگرهای الکترونیکی

نمایشگرها، اطلاعات را به شکل قابل‌مشاهده از دستگاه‌های الکترونیکی به افراد بیننده منتقل می‌کنند. مثال‌های متداول در این زمینه عبارت‌اند از: صفحه ساعت‌های دیجیتال، نشانگرهای عددی روی تجهیزات استریو و لامپ‌های تصویر در دستگاه‌های تلویزیون و مانیتورهای کامپیوتر که پرکاربردترین این موارد شامل لامپ‌های تصویر بوده که می‌تواند اعداد، حروف، نمودارها و تصاویر ثابت و متحرک را ارائه دهد.

لامپ‌های تصویر استاندارد بسیار بالایی از عملکرد را تعیین می‌کنند و می‌توانند تصاویر رنگی روشن ارائه دهند، اما آن‌ها حجیم، سنگین و گران هستند. طراحان گیرنده‌های تلویزیون مدت‌هاست که می‌خواهند یک نمایشگر طراحی کنند که محاسن لامپ‌تصویر را داشته باشد؛ اما با معایب کمتر. خوشبختانه پیشرفت‌های موجود در نمایشگرهای مسطح این امکان را فراهم کرده است.

به‌طورکلی نمایشگرهای مسطح نسخه‌های پیشرفته نمایشگرهای کریستال مایع هستند که در صفحه‌های ساعت‌های دیجیتالی وجود دارند. این نمایشگرها اساساً دو ورق شیشه‌ای نازک موازی هستند که طرفین آن‌ها با یک ‌لایه رسانای الکتریکی مانند اکسید قلع ایندیم پوشیده شده است. لایه‌ای که نزدیک‌تر به بیننده است الگودار است، درحالی‌که لایه دیگر این طور نیست. به‌صورت کلی همه نمایشگرهای مسطح دارای ویژگی‌های یکسانی هستند، اما انواع مختلف آن‌ها به روش‌های متعددی از اثرات الکترواپتیکال استفاده می‌کنند.

نمایشگرهای رنگی

نمایشگرهایی که تصویر تولید می‌کنند با تعداد بی‌شماری از المنتورهای تصویری ریز طراحی شده‌اند. آن‌ها می‌توانند به‌صورت الکتریکی فعال شوند و الگوهایی از فرم‌های دلخواه تولید کنند. چنین نمایشگرهایی به‌عنوان دستگاه‌های تماشای تلویزیون، رایانه و دوربین‌های ویدئویی و دیجیتالی استفاده می‌شوند.

نمایشگرهای رنگی که می‌توانند به‌عنوان صفحه‌نمایش تلویزیون یا رایانه عمل کنند، در اندازه‌های بیش از 35 سانتی‌متر (15 اینچ)، با قیمتی تقریباً مشابه با لامپ‌های تصویر، موجود هستند. این نمایشگرها برای استفاده در لپ‌تاپ‌ها بسیار مناسب هستند، چرا که در این دستگاه‌ها نازکی صفحه‌نمایش امری ضروری است.

تلاش زیادی برای افزایش اندازه و کاهش هزینه نمایشگرهای مسطح انجام می‌شود، زیرا تقاضا و بازار بالقوه‌ای برای آن‌ها وجود دارد. در این راستا، بخش زیادی از کاهش هزینه‌ها از طریق تغییر در بخش تولید به دست می‌آید، جایی که بازدهی پایین ناشی از الگوها، یک مشکل بزرگ است.

بررسی الکترونیک از نظر ساختاری

الکترون‌های ظرفیت

ازآنجایی‌که الکترونیک به کنترل حرکت الکترون‌ها می‌پردازد، باید در نظر داشت که الکترون‌هایی که دارای بار منفی هستند، به سمت بارهای مثبت جذب شده و توسط بارهای منفی دیگر دفع می‌شوند؛ بنابراین، الکترون‌ها در خلأ تمایل دارند خود را از یکدیگر جدا کنند و ابری را تشکیل دهند که تحت‌تأثیر بارهای دیگری که ممکن است وجود داشته باشند. جریان الکتریکی از طریق حرکت الکترون‌ها در خلأ یا سیم و یا در هر رسانای الکتریکی دیگری ایجاد می‌شود. در هر یک از این موارد، الکترون‌ها در نتیجه جاذبه، به سمت بارهای مثبت یا به‌واسطه دافعه، به سمت بارهای منفی حرکت می‌کنند.

به‌طورکلی هر اتم از یک هسته شامل پروتون‌ها و نوترون‌ها تشکیل شده است که الکترون‌ها، از نظر تعداد برابر با پروتون‌های هسته می‌باشند. همچنین، آن‌ها در مدارهایی بسیار شبیه به مدارهای سیارات به‌دور خورشید حرکت می‌کنند. به دلیل برابری در تعداد بار مثبت و منفی، از نظر الکتریکی، اتم به‌عنوان یک کل بدون بار شناخته می‌شود.

هنگامی که اتم‌ها با جامدات خاصی به نام جامدات کووالانسی (به‌ویژه عناصر ستون IV جدول تناوبی) ترکیب می‌شوند، الکترون‌های ظرفیت (الکترون‌های بیرونی) بین اتم‌های همسایه به اشتراک گذاشته می‌شوند و در نتیجه، اتم‌ها به یکدیگر متصل می‌شوند. این امر نه‌تنها در جامدات عنصری که در آن‌ها همه اتم‌ها از یک نوع هستند اتفاق می‌افتد، بلکه در ترکیبات شیمیایی (به‌عنوان‌مثال، ترکیبات III-V) نیز رخ می‌دهد.

به‌طورکلی رسانایی الکتریسیته مواد مختلف، بسیار متفاوت است و به‌سهولت یا دشواری آزادکردن الکترون‌ها از اتم‌هایشان بستگی دارد. در مواد عایق، پیوند بین الکترون‌های بیرونی اتم‌های آن‌ها بسیار محکم هستند و نمی‌توانند آزادانه حرکت کنند. در فلزات، الکترون‌های ظرفیتی اضافی وجود دارد که این الکترون‌ها می‌توانند آزادانه حرکت کنند و در نتیجه، جریان الکتریکی را هدایت کنند.

بیش‌تر عایق‌ها و فلزات، مواد کریستالی هستند و از تعداد زیادی کریستال بسیار کوچک تشکیل شده‌اند. (در تمام بلورها، اتم‌ها در یک آرایه سه‌بعدی با فاصله منظم قرار گرفته‌اند.) بااین‌حال، جامدات نیمه‌رسانا برای کاربردهای الکترونیکی به‌صورت بلورهای بزرگ منفرد تهیه می‌شوند.

این واقعیت که اتم‌های یک نیمه‌رسانا در یک آرایه تناوبی و سه‌بعدی با اندازه‌های بزرگ قرار گرفته‌اند، باعث می‌شود اتم‌ها برای الکترون‌هایی که درون کریستال حرکت می‌کنند تقریباً نامرئی به نظر برسند. دلایل این رفتار بسیار پیچیده است. اما به‌طورکلی این ویژگی به الکترون‌ها اجازه می‌دهد تا بتوانند در نیمه‌هادی‌ها به‌صورت آزادانه حرکت کنند.

رسانایی در نیمه‌هادی‌ها

در نیمه‌رساناهایی مانند سیلیکون، هر اتم تشکیل‌دهنده دارای چهار الکترون بیرونی است که هر کدام با یک الکترون از یکی از چهار اتم همسایه جفت می‌شوند تا پیوندهای بین‌اتمی تشکیل دهند؛ بنابراین، در دمای اتاق، سیلیکون خالص هیچ الکترونی برای رسانش الکترونیکی ندارد که این موضوع آن را به یک رسانای بسیار ضعیف تبدیل می‌کند.

 بااین‌حال، اگر یک اتم از ستون V جدول تناوبی، مانند فسفر، جایگزین یک اتم سیلیکون شود، چهار الکترون از پنج الکترون بیرونی آن برای پیوند استفاده می‌شود، درحالی‌که الکترون پنجم آزاد خواهد بود تا درون کریستال حرکت کند. اگر اتم جایگزین از ستون III جدول تناوبی – مثلاً بور – انتخاب شود، فقط سه الکترون بیرونی خواهد داشت که یک الکترون برای تکمیل چهار پیوند بین‌اتمی کم است.

در صورت کامل‌بودن این پیوند، کریستال از نظر الکتریکی خنثی خواهد بود که به این معنی است که اگر یک الکترون وجود نداشته باشد، فضای خالی دارای بار مثبت خواهد بود. همچنین، یک الکترون همسایه می‌تواند به داخل جای خالی حرکت کند و جای خالی دیگری در جای قبلی الکترون باقی بگذارد. این جای خالی که دارای بار مثبت است، «حفره» نامیده می‌شود.

تعریف نیمه‌هادی نوع n و p

نیمه‌هادی‌هایی که الکترون‌ها حامل بار آن‌ها هستند، نیمه‌هادی نوع n نامیده می‌شوند (n مخفف negative به معنی منفی). اگر حامل‌های بار عمدتاً حفره باشند، نیمه‌هادی از نوع p است (p مخفف  Positive به معنی مثبت). فرایند جایگزینی عناصر (در اینجا به‌جای سیلیکون)، دوپینگ نامیده می‌شود و عناصر، ناخالصی نامیده می‌شوند. مقدار ناخالصی که در واقعیت موردنیاز است بسیار ناچیز می‌باشد و از حدود 100 اتم ناخالص در هر میلیون اتم سیلیکون تا 1 در میلیارد متغیر است.

توابع پایه الکترونیک

رکتیفایر (Rectifier)

یک‌سوسازی یا تبدیل جریان متناوب (AC) به جریان مستقیم (DC)، پیش‌تر در بخش دوران لوله خلأ ذکر شده است. یک دیود یا دستگاه دو ترمینال برای این فرایند موردنیاز است. دیودهای نیمه‌هادی از یک کریستال تشکیل شده‌اند که بخشی از آن از نوع n و بخشی از آن از نوع p است. مرز بین این دو قسمت را پیوند p-n می‌نامند (شکل را ببینید). همان‌طور که ذکر شد، تعدادی از سوراخ‌ها در نوع p و تعدادی از الکترون‌ها در نوع n قرار دارند.

اگر یک ولتاژ منفی به سمت نوع p اعمال شود که به معنای ولتاژ مثبت اعمال شده به سمت نوع n است، حفره‌های ناحیه نوع p از اتصال p-n دور می‌شوند و ناحیه‌ای در دو طرف اتصال p-n خالی از بار می‌شود، بنابراین عملاً به یک عایق تبدیل می‌شود. در این حالت که بایاس معکوس نامیده می‌شود، تنها یک جریان نشتی بسیار کوچک جریان می‌یابد.

بااین‌حال، اگر این ولتاژها معکوس شوند، شرایطی به نام بایاس روبه‌جلو ایجاد می‌شود و ولتاژ مثبت در سمت نوع p سوراخ‌هایی را در سراسر اتصال p-n دفع می‌کند. همچنین، ولتاژ منفی الکترون‌های سمت نوع n را دفع می‌کند. در این صورت، هم حفره‌ها و هم الکترون‌ها از اتصال p-n در جهت مخالف عبور می‌کنند و جریان الکتریکی ایجاد می‌شود (شکل را ببینید).

اتصال p-n در یک دیود نیمه‌هادی جریانی را با یک قطب ولتاژ اعمال شده هدایت می‌کند؛ اما با قطب دیگر جریان ندارد. دیودهای کوچک معمولی حدود 0.1 آمپر را با بایاس روبه‌جلو 1.5 ولت هدایت می‌کنند. دیودهای صنعتی بزرگ می‌توانند تا 5000 آمپر را حمل کنند و چندین هزار ولت را مسدود کنند.

امپلیفیکیشن (Amplification)

استفاده از ترانزیستورهای n-p-n

یک ترانزیستور با دو اتصال p-n موازی و بسیار نزدیک به یکدیگر ساخته شده است. یک پیکربندی معمولی ترانزیستور n-p-n است (شکل را ببینید) که دارای سطوح مختلف دوپینگ در دو ناحیه نوع n و سایر ویژگی‌هایی است که کارایی آن را بهبود می‌بخشد.

در طرح نشان‌داده‌شده در نمودار، مناطق n-p-n با منبع (امیتر)، گیت و تخلیه مدار مطابقت دارند. در عملکرد عادی، مانند مدار تقویت‌کننده، باتری‌ها برای اعمال یک بایاس کوچک روبه‌جلو در اتصال بیس – امیتر و یک بایاس معکوس بزرگ‌تر برای اتصال پایه – کلکتور وجود دارند.

مقاومت‌ها به‌صورت سری با هر باتری چیده شده‌اند تا شرایط عملیاتی حالت پایدار را ایجاد کنند و یک منبع سیگنال AC در سرب پایه وجود دارد. هنگامی که منبع سیگنال AC خاموش می‌شود، باتری در مدار امیتر – پایه باعث می‌شود جریان کمی از مقاومت سری و اتصال امیتر – پایه بایاس روبه‌جلو عبور کند. این کار منجر به حضور الکترون‌های اضافی در ناحیه پایه نوع p ترانزیستور می‌شود.

همچنین، تعداد زیادی از این الکترون‌ها به‌وسیله بایاس معکوس قوی به کلکتور جذب می‌شوند. در یک ترانزیستور متوسط ​​n-p-n، بیش از 100 الکترون از امیتر به کلکتور به‌ازای هر امیتر به پایه عبور می‌کند.

استفاده از ماسفت

نوع مهم دیگری از ترانزیستور که در اوایل دهه 1960 توسعه یافت، ترانزیستور اثر میدانی است، مانند ترانزیستور اثر میدانی فلز – اکسید – نیمه‌هادی یا ماسفت. نوع دیگری از ترانزیستور اثر میدانی، به شیوه‌ای مشابه کار می‌کند؛ اما بسیار کمتر مورداستفاده قرار می‌گیرد.

ماسفت از دو ناحیه تشکیل شده است: (1) منبع (که به بستر سیلیکونی متصل است)، (2) درین. فضای بین منبع و زهکش توسط یک‌لایه نازک از دی‌اکسید سیلیکون تشکیل شده است. بخش سوم گیت است که یک‌لایه فلزی نازک است که روی دی‌اکسید سیلیکون رسوب‌کرده است.

اسیلاتور (Oscillator)

اگر فیدبک مثبت باشد، سیگنال آن، سیگنال اصلی را تقویت می‌کند و می‌توان آمپلی‌فایر را برای تولید نوسان یا سیگنال AC ایجاد کرد. چنین سیگنال‌هایی برای اهداف زیادی موردنیاز هستند و در انواع مختلفی از مدارهای اسیلاتور ایجاد می‌شوند.

در یک اسیلاتور قابل‌تنظیم، مانند آنچه برای یک گیرنده رادیویی لازم است، ترکیب موازی یک سلف و یک خازن در مدار است: تنها در یک فرکانس، اثرات القایی و خازنی تعادل دارند. همچنین، در این فرکانس، ولتاژ ایجاد شده در مدار تنظیم شده حداکثر مقدار ممکن است.