نماد الکترونیک قطعات نیمههادی: اصول و نماد دیود
نماد الکترونیک ترانزیستورها میتونه حامل اطلاعات قابل توجهی دربارهی نوع اون ترانزیستور، پایههاش، جهت جریان عبوری ازش، کارکردش، و حتی ساختار داخلیش باشه. باید این توانایی رو در خودمون ایجاد کنیم تا بتونیم با نگاه کردن به نماد ترانزیستور، ویژگیهای اون ترانزیستور رو استخراج کنیم. با این کار، هم مدارهایی رو که میبینیم، بهتر درک میکنیم و هم موقع ترسیم نماد قطعات، احتمال اشتباهاتمون کمتر میشه. یه قاعدهی خیلی مهم که برای درک نماد قطعات نیمههادی بهش نیاز داریم، خودش رو بهسادگی داخل نماد دیود نشون میده. پس بهتره که یه مروری روی مفاهیم پایهی نماد نیمههادیها و بهخصوص، نماد الکترونیک دیود داشته باشیم. این مطالعه، إنشاءالله یه شروعی میشه برای درک بهتر نماد الکترونیک قطعات نیمههادی.
دیود احتمالاً از نظر ساختاری، سادهترین قطعهی نیمههادی (نیمرسانا یا نیمهرسانا) باشه و نماد الکترونیکش هم خوشبختانه خیلی پیچیده نیست؛ حداقل از بین قطعات رایج، احتمالاً نماد الکترونیک ماسْفِت (MOSFET) با اون پیچیدگی، دست همه رو از پشت بسته :)) خوبی سادگی دیود و نمادش، اینه که با درک نماد الکترونیک دیود و معنی و مفهومی که پشت اون نماد خوابیده، میتونیم نماد الکترونیک ترانزیستورهای رایج (BJT و ماسفت) رو هم بهتر بشناسیم. توجه داشته باشید که داخل این مقاله، فقط روی نماد الکترونیک قطعات تمرکز داریم و قرار نیست که داخل نحوهی کار خود قطعه عمیق بشیم. بهتره که سراغ مفاهیم پایه بریم و کار رو شروع کنیم.
یه مرور کوتاه
نکتهی اول- یکی از اساسیترین مفاهیم موجود داخل این بحث، نیمههادیهای نوع P و نوع N هستن. نگران نباشید! اینجا با ساختار داخلی این نیمههادیها و مکانیزم رسانندگی الکتریکی اونها، کاری نداریم! ولی یه موضوعی که قطعاً باید باهاش کنار بیایم، این اسم P و N هست و اینکه این اسمها چه مفاهیمی رو باید برای ما تداعی کنه. به این قضیه توجه خاص داشته باشید و با این حروف P و N ارتباط برقرار کنید:
- حرف «P»، اول کلمهی «Positive» و به معنی «مثبت» هست.
- حرف «N»، اول کلمهی «Negative» و به معنی «منفی» هست.
باید ارتباط «P» رو با «مثبت» و «N» رو با «منفی» داخل ذهن خودتون برقرار کنید. این یه اصل خیلی مهم داخل درک کارکرد و نماد الکترونیک قطعات نیمههادی هست. اگر معنی کلمات انگلیسی «Positive» و «Negative» رو میدونید، که خب طبیعتاً هیچ مشکلی با این قضیه ندارید و خیلی براتون بدیهیه. کلمهی «Plus» هم که باز به معنی «مثبت» و «بعلاوه» (علامت جمع) هست، ممکنه که به شما کمک کنه تا این ارتباط ذهنی رو شکل بدید.
برای افراد مختلف، بهخصوص کسایی که سنوسال کمتری دارن و تعاملشون با زبان انگلیسی کم بوده، ممکنه که برقراری این ارتباط ذهنی کمی سخت باشه. راستش خیلی طبیعیه. و یه راهحلی که مثل خیلی جاها، اینجا هم میتونه کمک کنه اینه که برای خودتون یه نشونهای بذارید. این یه مسألهی شخصیه و خودتون باید یه نشونهای پیدا کنید که براتون کار میکنه… بهعنوان مثال، شاید بتونید صدای «ن» موجود داخل «N» انگلیسی رو با «ن» موجود داخل «مـنـفی» ارتباط بدید… یا شاید سهنقطه بودن حرف «ث» داخل «مـثـبت» با سهنقطه بودن صدای «پ» داخل «P» براتون یه نشونه باشه… :)
از بحث اصلی دور نشیم. پس هر موقع که اسم نیمههادی نوع P رو شنیدیم، باید یهجورایی یاد «مثبت» و «بار الکتریکی مثبت» بیُفتیم و خلاصه، افکار «مثبت» داشته باشیم! :)) و هر زمانی هم که اسم نیمههادی نوع N رو شنیدیم، ذهنمون سمت «منفی»، «بار الکتریکی منفی»، «الکترون»، و هر چیز مشابهی میره؛ ولی افکار منفی به ذهن خودمون راه ندیم. :| البته عکس اینها هم برقراره دیگه، یعنی هر موقع به «مثبت» فکر کردیم، یادمون به «P» میافته و هر وقت به فکرِ «منفی» افتادیم، باید یادی از «N» بکنیم.
توجه
این مورد، از محدودهی بحث امروز ما خارجه و قطعاً نیازی به پیچیده کردن مطلب نداریم، ولی برای اینکه تصور غلطی به وجود نیاد، به نظرم میآد که بد نیست ذکر بشه: ربط دادن نیمههادی نوع P به «مثبت» و نیمههادی نوع N به «منفی»، نباید این تصور اشتباه رو به وجود بیاره که این مواد، بار الکتریکی مثبت یا منفی دارن؛ خیر! این مواد توی حالت عادی، بدون بار الکتریکی و خنثی هستن. قضیهی «مثبت» و «منفی»، به سازوکار رسانندگی الکتریکی اونها ربط داره که واردش نمیشیم. ما اینجا فقط قصد داریم که یه ارتباط ذهنی بین «P» و «N» با «مثبت» و «منفی» برقرار کنیم. پس اون چیزی که باید در نظر داشته باشید، اینه که نیمههادی نوع P، شما رو یاد «مثبت» بندازه و نیمههادی نوع N، مفهوم «منفی» رو تداعی کنه، و برعکس. همین. هیچ برداشت اضافهای از این قضیه نکنید! :)
ادامه میدیم.
نکتهی دوم- «قراردادی» که داخل مدارهای الکتریکی برای «جهتِ جریان» در نظر گرفتهایم، اینه که جریان همیشه از سمت «مثبت» به سمت «منفی» حرکت میکنه، درسته؟ مثلاً همیشه برای یه باتری توی یه مدار، فرض ما اینه که جریان از سرِ «مثبتِ» باتری وارد مدار میشه و بعد از عبور از قطعات، وارد سرِ «منفیِ» باتری میشه. پس هر موقع که داخل بحث الکترونیک، «مثبت» و «منفی» رو جایی دیدیم، ناخودآگاه «جهت جریان» از سمت «مثبت» به سمت «منفی» برامون تداعی میشه. عکس این مورد هم برقراره دیگه: هر موقع فکر ما سمت «جهت جریان» بره، میتونیم «سرچشمهی» اون جریان رو «مثبت» و «مقصد» جریان رو «منفی» ببینیم.
نکتهی سوم- این نکته دیگه خیلی «طبیعیه»؛ دربارهی «جهت جریان» صحبت کردیم: مفهوم «جهت» رو همیشه و همهجا بهخوبی با استفاده از یه «فلش» یا «پیکان» نشون میدیم.
یه نتیجهی خیلی مهم و اساسی
حالا یه جورایی این سه تا نکتهی قبلی رو با هم ادغام میکنیم و ازش یه نتیجهی کلی میگیریم:
داخل نماد الکترونیک قطعات نیمههادی، هر زمان که با یه «فلش» مواجه بشیم، میتونیم مکان نیمههادی نوع P و N رو از روی جهت اون فلش استخراج کنیم! کافیه یادِ «جهتِ جریان» بیُفتیم: جریان، همیشه از P (مثبت) داره به سمت N (منفی) حرکت میکنه.
پس از این به بعد، یه نگاه دیگهای به نماد الکترونیک قطعات نیمههادی داشته باشید: هر زمان که یه فلش دیدید، مفهوم «جهت جریان» رو به خاطر بیارید؛ با این کار، میتونید سمت P و N رو شناسایی کنید. شکل زیر رو ببینید. داخل این شکل، روال ذهنی ما از موقع دیدن یه فلش تا تعیین مکان P و N نشون داده شده.
این یه نتیجهی خیلی مهمه که اساس نماد الکترونیک قطعات نیمههادی رو شکل میده. این نتیجه رو پَسِ ذهن خودتون نگه دارید و بدونید که همیشه به کار میآد.
فلشهای عجیبوغریب
«نوکِ» پیکان داخل نماد الکترونیک قطعات نیمههادی، لزوماً اون جایی قرار نگرفته که داخل فلشهای معمولی بهش عادت داریم. :D مثلاً شکل زیر رو در نظر بگیرید. ما معمولاً به شکل اون فلش پایینی عادت داریم؛ اما داخل قطعات نیمههادی، اون «نوک» پیکان میتونه روی پارهخط حرکت کنه و در وسط یا حتی اون یکی سمتِ «بیربطِ» پارهخط قرار بگیره. :)) مثل این میمونه که نوک پیکان، داره روی پارهخط و در راستای جهت فلش، حرکت میکنه. بههرحال، حتی اگه به شکل عجیبوغریبی هم برخوردید، یادتون باشه که نوک پیکان، همیشه روی یه پارهخط قرار داره، و اون نوک و اون پارهخط، بههمراه هم فلش رو تشکیل میدن و جهت اون رو تعیین میکنن؛ پس سه تا فلشی که داخل شکل زیر نشون داده شدهاند، جهت یکسانی دارن.
در بحث نیمههادیها، نهایتاً برای ما فرقی نمیکنه که «نوک» پیکان کجای پارهخط قرار گرفته؛ اون چیزی که برای ما مهمه اینه که «جهت» پیکان به کدوم سمت هست. وقتی این مورد معلوم باشه، ما میتونیم مکان نیمههادی نوع P و N رو مشخص کنیم. به شکل زیر نگاه کنید. مهم نیست که فلش چقدر عجیب باشه، در هر صورت مکان P و N رو تعیین میکنه.
یه نکتهی دیگه: تمام فلشهایی که داخل شکلهای قبلی آورده شده، دارن از چپ به راست رو نشون میدن. این مورد، فقط برای سادهسازی مفهوم بوده و اینکه جهت P به N داخل ذهن شما تثبیت بشه. اما فلشهایی که توی طبیعت میبینید، قرار نیست همیشه از چپ به راست رو نشون بِدَن؛ بلکه فلش ممکنه به هر سمتوسوی دیگهای اشاره کنه… اهمیتی نداره. تنها چیزی که مهمه، اینه که ما در امتداد جهت فلش، از P به N حرکت میکنیم. شکل زیر رو ببینید. این فلشها در جهتهای مختلفی پخش شدهاند، ولی داخل هر فلش، P داره به N اشاره میکنه. (بیشتر شبیه یه قطبنمای تقلبی شد… :|)
نماد الکترونیک دیود
نماد الکترونیک دیود، خیلی چیزی بیشتر از یه «فلش» نیست! :)) پس نتیجهگیری بالا هم مستقیماً دربارهاش برقراره.
«فلشِ» دیود رو بهسادگی داخل شکل زیر میبینید:
حالا که فلش دیود رو شناسایی کردیم، خیلی سریع میتونیم با استفاده از نتیجهگیری بالا، مکان نیمههادی نوع P و N رو هم تعیین کنیم.
همونطوری که از شکل بالا مشخص شد، یه دیود معمولی از یه پیوند P-N (P-N junction) تشکیل شده؛ این نکته رو ما فقط با کار کردن روی نماد الکترونیک قطعه استخراج کردیم، ولی میدونیم که با واقعیت قضیه و دانش ما دربارهی دیودها هم کاملاً مطابقت داره. از قضای روزگار، فلش موجود داخل نماد دیود، دقیقاً جهت جریانی رو نشون میده که توی حالت عادی میتونه ازش عبور کنه.
اسم پایههای دیود
حالا که داریم دربارهی دیود حرف میزنیم، خوبه که یه اشارهای هم به اسم پایههای اون داشته باشیم. دیود، دو تا پایه داره:
- آنُد (Anode): اون پایهی دیود که به نیمههادی نوع P وصله. این پایه، معمولاً با «A» نشون داده میشه.
- کاتُد (Cathode): اون یکی پایه که به نیمههادی نوع N وصل شده. این پایه رو معمولاً با «K» نشون میدن!
حالا، اگر اسم دو تا پایهی دیود رو بلد بشید، احتمالاً یهو به یه بینش عمیقی دربارهی کارکرد دیود دست پیدا نمیکنید! :)) ولی از اون طرف، اگه اسم پایهها رو ندونید، اونوقت داخل درک مطالبی که میخونید یا میشنوید، مشکل پیدا میکنید… نتیجهی اخلاقی داستان، اینه که باید اسم دو تا پایهی دیود رو بلد بشیم.
قضیهی حفظ کردن اسم پایههای دیود، مثل اینکه یه مشکل جهانیه. :)) کافیه که یه جستوجوی سریع در موردش بزنید. برای حل این مشکل هم احتمالاً یهجور علامت و نشونه میتونه کمک کنه... هر کسی یه نشونهای خاص خودش میذاره… بهعنوان یه سری مثال، میتونید موارد زیر رو در نظر بگیرید:
- مثلاً شاید بگیم که چون «الف» و «A»، حرف اول الفبا هستن، پس «شروع» جریان رو نشون میدن و در واقع، جریان از پایهی آند، «سرچشمه» میگیره. یا مثلاً اگه حروف الفبا رو بخوایم بگیم، «جهت» حرکتمون روی حروف از «الف» به «ک» یا از «A» به «C» و «K» هست؛ حالا چون نماد دیود، جهت جریان رو نشون میده، پس ما در امتداد فلش از آند به کاتد حرکت میکنیم.
- یا ممکنه که با تکیه روی حرف و صدای «ن»، یه جمله برای خودمون بسازیم: سمتِ N، آنــد نــیست! :))
- یا مثلاً یه روش دیگه یه مدت پیش داخل این صفحه دربارهی دیود دیدم، که جالبه. به شکل زیر نگاه کنید. اون «K» برعکس رو داخل نماد دیود میبینید؟ همون سمت، میشه «کــاتد».
نکتهی آخر
استانداردهای مختلفی برای ترسیم نماد الکترونیک قطعات وجود داره. کافیه که به این صفحهی ویکیپدیا دربارهی نماد الکترونیک قطعات یه سَری بزنید تا اسم چند تا از این استانداردها رو ببینید. بههرحال، اون نمادهایی که شما داخل طبیعت و در مدارهای مختلف باهاشون مواجه میشید، لزوماً از هیچ «استانداردی» پیروی نمیکنن؛ حالا چه شکلهایی که با دست کشیده شدهاند و چه مدارهایی که با نرمافزارهای جورواجور ترسیم میشن. از طرف دیگه، گیر دادن بیقیدوشرط به یه «استاندارد» موقع آموزش و یادگیری، ممکنه (و البته، فقط «شاید») که یه مقداری بحث رو پیچیده کنه و مانع درک راحتتر مطلب بشه.
هرچند که داخل تهیهی این مقاله، من همیشه به مفاد استاندارد IEEE Std 315-1975 (معادل با ANSI Y32.2-1975 و CSA Z99-1975) با عنوان «Graphic Symbols for Electrical and Electronics Diagrams» توجه داشتهام، اما به دلایلی که ذکر شد، الزامی برای مطابقت کامل با استاندارد احساس نکردم. چون که مقالهی حاضر، روی یادگیری مفاهیم کلی تمرکز داره، پس جاهایی وجود داره که برای جلوگیری از پیچیدهتر شدن بحث، عمداً از استاندارد تخطی کردهام. پس توجه داشته باشید که انطباق کامل با استانداردهای نماد الکترونیک، مد نظر این مقاله نیست؛ هرچند که سعی کردهام تا در طی سادهسازی مطالب، مفهوم «اشتباهی» رو هم لابهلای سایر مفاهیم وارد نکنم. إنشاءالله که موفق بوده باشم.
جمعبندی
همیشه از روی نماد الکترونیک قطعات نیمههادی، میشه به اطلاعات قابل توجهی دربارهی قطعه دست پیدا کرد. پس با نگاه کردن به قطعات مختلف داخل یه مدار، میتونیم نوع اونها رو شناسایی کنیم و درک بهتر و راحتتری از کارکرد مدار داشته باشیم. از طرف دیگه، اگه موقع ترسیم نماد خیلی از قطعات نیمههادی، جهت فلش رو اشتباه بذاریم، ناخواسته نوع قطعه رو کلاً تغییر میدیم. پس داشتن یه درک مناسب از نماد قطعات نیمههادی، میتونه خیلی به ما کمک کنه.
نماد الکترونیک BJT و حتی خیلی بدتر از هر چیز دیگهای، نماد الکترونیک ماسفت :))، میتونن خیلی گیجکننده باشن و شاید حتی صرف حفظ کردن نماد ماسفت هم برای بعضیها سخت باشه. حالا برای اینکه بتونیم نماد الکترونیک قطعه رو تحلیل کنیم و خیلی نیازی به حفظ کردن جهت فلشها و جریان نداشته باشیم، بهتره که با اصول این نمادها آشنا بشیم. با استفاده از این اصول، میتونیم یه مسیر منطقی رو برای تحلیل کردن نماد قطعات، طی کنیم و بدون اتکای زیاد به حفظ کردن، معنی و مفهوم نماد رو درک کنیم.
یه نکتهی خیلی اساسی داخل نماد قطعات نیمههادی، «فلش» هست؛ باید تمرین کنیم که هر جا داخل نماد قطعه، «فلش» رو دیدیم، مکان نیمههادی نوع P و N رو شناسایی کنیم. «فلش» تقریباً همیشه داره جهت رو از P به سمت N نشون میده؛ درست مثل فلش «جهت جریان»، که همیشه از «مثبت» به «منفی» اشاره میکنه. اگه توی ذهن خودمون یه رابطه بین «P» با «مثبت» و «N» با «منفی» برقرار کنیم، چون میدونیم که جریان همیشه در جهت حرکت بار مثبت هست، پس دیگه داخل شناسایی مکان نیمههادی نوع P و N، مشکلی نخواهیم داشت.
این «قاعدهی فلش» :D، بهخوبی، خودش رو توی نماد سادهی دیود نشون میده: هم جهت جریان و هم مکان نیمههادی نوع P و N رو تعیین میکنه. پس اگر نماد دیود و «قاعدهی فلش» رو بلد بشیم، درک، تحلیل، و ترسیم نماد سایر قطعات نیمههادی هم برامون راحتتر میشه، إنشاءالله.