ترانزیستور کوارتز ؛ یا خاصیت (پیزو الکترونیک) نحوه عملکرد و کاربرد(مهندسی برق - الکترونیک)

پژوهشگر و نویسنده: دکتر (  افشین رشید )

نکته:تولید الکتریسیته به کمک نیروی فشار را پیزو الکتریک می گویند .توانایی تبدیل دوجانبه فشار مکانیکی و الکتریسیته را به یکدیگر "خاصیت پیزوالکتریک" می نامند.

پیزوالکتریک یا پیزوالکتریسیته عبارت است از تولید الکتریسیته ایجاد شده توسط پلاریزاسیون توسط یک کریستال در اثر اعمال تنش. زمانی که یک میدان الکتریکی به یک کریستال پیزوالکتریک اعمال شود، تحت کرنش قرار می‌گیرد که اصطلاحا آن را رفتار پیزوالکتریک معکوس می‌نامند.
شرط ضروری برای پیزوالکتریک بودن یک کریستال، عدم وجود تقارن مرکزی در ساختار کریستالی است.ترکیبات سرب-زیرکنات-تیتانات PZT با ساختار پروسکایت، ZnO و کوارتز مثالهایی از مواد پیزوالکتریک هستند. 

پیزوالکتریک Piezoelectric خاصیتی است که برخی کریستالها و از جمله کوارتز به هنگام اعمال ولتاژ به آنها تحت فشار قرار می گیرند یا به هنگام قرار گرفتن در معرض فشار مکانیکی، یک ولتاژ تولید می کنند از این خاصیت بلور کوارتز در ساعت استفاده می کنند که با اعمال ولتاژ از طریق باطری ساعت و در نظر تعداد خاصی نوسان بلور در یک ثانیه، ثانیه شمار ساعت به اندازه یک ثانیه پیش می رود یکی دیگر از کاربردهای کوارتز به دلیل داشتن خاصیت پیزوالکتریک، فرستنده های رادیویی، گیرنده های رادیویی و کامپیوترهاست به نوعی می توان گفت که تمام وسائل منقول و غیرمنقول، دقت و ظرافت خاص خود را مدیون این خاصیت کوارتز هستند تحقیقات نشان می دهند که اگر پاندول درون یک زنگوله به شکل یک بلور کوارتز ساخته شود و به حرکت درآید و به اصطلاح زنگوله به صدا در بیاید، برای یک دقیقه زنگ خواهد زد حقیقت این امر در اینست که تقریبا هیچ انرژی در این ماده تلف نخواهد شد در صورتیکه محورهای یک زنگ کوارتز دقیقا منطبق با محورهای تک بلور کوارتز باشد، دارای ولتاژ نوسانی در سطح خود خواهد بود جالبتر اینکه میزان این ولتاژ و نوسان آن هیچ ربطی به دما نخواهد داشت.

ساختمان داخلی: 

کوارتز، که از سیلیکون و اکسیژن تشکیل شده، شایع ترین ماده ی معدنی در کره ی زمین است.
میلیاردها نفر هر روز از کوارتز استفاده  می کنند ؛ اما تعداد کمی از آن ها از این موضوع خبر دارند، زیرا بلورهای ریز کوارتزی که از آن استفاده می کنند، درون ساعت های مچی و دیواری پنهان شده است.

اما این بلورهای سفید یا شفاف که در سراسر جهان یافت می شوند؛
برخی از مواد مانند برخی از سرامیک ها و بلورهای کوارتز، هنگامی که تحت فشار مکانیکی قرار گیرند، می توانند الکتریسیته تولید کنند. همان طور که پیش تر گفته شد، توانایی تبدیل دوجانبه ی فشار مکانیکی و الکتریسیته به یکدیگر را "خاصیت پیزوالکتریک" می نامند.
بلورهای کوارتز که دارای این خاصیت هستند، با یک ولتاژ معین برق، همیشه با بسامد یا فرکانس خاصی مرتعش می شوند. بنابراین این بلورها معیار دقیقی از بسامد یا فرکانس را حفظ می کنند، که به تنظیم حرکت ساعت کمک می کند و دقت آن را بسیار بالا می برد.

کاربرد ترانزیستور کوارتز (پیزو الکترونیک)

کوارتز در رادیوها، ریزپردازشگرها (میکروپروسسورها)،و بسیاری از دستگاههای صنعتی دیگر نیز به کار میروند.

در ساختار های بلوری، پراکندگی و فاصله ی اجزا ، دارای نظم هندسی ویژه ای است که معمولا" در تمام جهت ها یکسان نیست برخلاف بلورها در جامدهای بی شکل یا غیر بلورین، پراکندگی و فاصله اجزای سازنده آن ها در همه جهت ها یکسان است از این رو بعضی از خواص فیزیکی جامدهای غیر بلورین ، مانند رسانایی گرمایی ، انتشار نور و رسانایی الکتریکی نیز، در همه جهت ها یکسان است به این جامدهای غیر بلورین، همسانگرد یا ایزوتروپ می گویند. چون خواص فیزیکی بیشتر جامدهای بلورین در جهت های مختلف متفاوت است به آن ها ناهمسانگرد یا آن-ایزوتروپ می گویند. تنها بلورهایی که در دستگاه مکعبی متبلور می شوند، مانند اجسام غیر بلورین عمل می کنند؛ چون در سه جهت فضایی، دارای ابعاد مساوی هستند پدیده ی ناهمسانگردی، سبب پیدایش خواصی در بلورها می شود  که به واسطه ی همین خواص، کاربردهای مختلف و مهمی در صنعت پیدا می کنند. مثلا" اگر بلورهایی مانند کوارتز و یا تورمالین را از دو طرف بکشیم و یا فشار دهیم در جهت عمود بر فشار یا کشش، دارای بار الکتریکی مخالف یکدیگر می شوند. اگر جهت این فشار یا کشش را عوض کنیم، نوع بار الکتریکی تغییر می کند به این پدیده پیزوالکتریک می گویند. گرما در بعضی از بلورها الکتریسته ایجاد می کند و سبب می شود در یک سوی آن ها بار مثبت و سوی مقابل بار منفی پیدا کند. در نتیجه میان این دو سو، اختلاف پتانسیل الکتریکی به وجود می آید. همچنین اگر به این بلورها، جریان الکتریکی متناوب وصل کنیم، بلورها به تناوب منبسط و منقبض می شوند و بر اثر ارتعاش ، صوت تولید می کنند. از این خاصیت برای تولید امواج صوتی ، امواج ماورای صوت ، نوسان های الکتریکی ، ساختن میکروفون های بلوری و سوزن گرامافون استفاده می شود. بعضی از بلورها، مانند بلور عنصرهای ژرمانیم ، سیلیسیم و کربن، خاصیت نیمه رسانایی دارند و تا اندازه ای جریان الکتریکی را از خود عبور می دهند. اگر بلورهای نیمه رسانا را گرما دهیم و یا در مسیر تابش نور قرار دهیم ، مقاومت الکتریکی آن ها کم می شود و الکتریسیته را بهتر عبور می دهد. نیمه رساناها در صنایع الکترونیک و مخابرات به صورت دیود و ترانزیستور و قطعه های دیگر الکترو نیکی به کار می روند. دیود یا یکسو کننده از دو قطعه بلور نیمه رسانا ساخته می شود و برای یکسو کردن جریان های متناوب به کار می رود. ترانزیستور از سه قطعه بلور نیمه رسانا تشکیل می شود و برای تقویت جریان های ضعیف و یکسو کردن جریان متناوب کاربرد دارد.

  • پژوهشگر و نویسنده: دکتر (  افشین رشید )