الکترونیک (Electronics) شاخه‌ای از رشته مهندسی برق است که در آن به بررسی و کنترل حرکت الکترون‌ها (جریان الکتریکی) در سیستم‌ها و قطعات مختلف می‌پردازیم. الکترونیک به ما کمک می‌کند تا بتوانیم یک سری مدار الکترونیکی با کاربری ویژه طراحی کنیم، برای مثال مدار ریموت تلویزیون یا مدارهایی برای روشن یا خاموش کردن LEDها. در این مطلب از مجله فرادرس توضیح می‌دهیم الکترونیک چیست و مفاهیم پایه و کاربردهای آن به چه صورت است.

در اولین بخش برای اینکه بهتر متوجه شوید الکترونیک چیست و روی چه موضوعاتی تمرکز دارد، تفاوت‌های کلیدی آن را با مهندسی برق توضیح داده‌ایم. سپس به بیان مبانی و اصول پایه الکترونیک پرداخته‌ایم که شامل دسته‌بندی مواد بر اساس رسانایی الکتریکی، تعریف رسانا، نیمه‌رسانا، نارسانا و توضیح انواع نیمه‌هادی‌ها می‌شود. بخش بعدی این نوشته به توضیح مهندسی الکترونیک و ارائه یک سری از مهم‌ترین مفاهیم و تعاریف این حوزه مانند عناصر پسیو و اکتیو در مدار، جریان‌های مستقیم و متناوب و … اختصاص دارد. در ادامه شاخه‌های مختلف و کاربردهای الکترونیک را توضیح داده‌ایم. به این ترتیب با مطالعه این مطلب تا انتها می‌آموزید که الکترونیک چیست و اصول پایه و کاربردهای آن چه هستند.

الکترونیک چیست؟

الکترونیک شاخه‌ای از علم و تکنولوژی است که به طراحی، توسعه و کاربرد مدارها و عناصری که در وسایلی مانند کامپیوترها، تلفن‌های هوشمند، تلویزیون‌ها و … بکار می‌روند، اختصاص دارد. اصول کار الکترونیک بر مبنای بررسی حرکت الکترون‌ها در موادی مانند رساناها، نیمه‌رساناها و نارساناها است، به این صورت که بسته به هدف موردنظر، جریان الکتریکی توسط عناصری مانند رزیستورها، خازن‌ها یا ترانزیستورها کنترل و هدایت می‌شود تا عملیاتی مانند محاسبات، پردازش سیگنال یا ارتباطات شکل بگیرد.

مولفه‌های الکترونیکی مانند خازن‌ها، رزیستورها، سلف‌ها، دیودها، ترانزیستورها، مدارهای مجتمع یا آی‌سی‌ها و … مهم‌ترین اجزای الکترونیک هستند که در ساخت مدارها و سیستم‌های الکترونیکی بکار می‌روند. ترکیبات مختلف اتصال این عناصر منجر به شکل‌گیری عملکرد و کاربری‌های متنوعی در مدارهای الکترونیکی خواهند شد. در ادامه با این عناصر و عملکرد هر کدام بیشتر آشنا خواهید شد تا بهتر متوجه شوید الکترونیک چیست و بر مبنای چه اصولی کار می‌کند.

الکترونیک و برق چه تفاوتی با هم دارند؟

در مهندسی برق یا Electrical engineering که دارای تاریخچه قدیمی‌تری از الکترونیک است، موضوع اصلی تولید، توزیع و انتقال انرژی الکتریکی به مناطق مختلف است. این در حالی است که مهندسی الکترونیک با روی کار آمدن نیمه‌رساناها توسعه پیدا کرد. فهرست زیر نشان می‌دهد برخی از مهم‌ترین تفاوت‌های مهندسی برق با مهندسی الکترونیک یا علم الکترونیک چیست:

• الکترونیک یکی از زیرشاخه‌های مهندسی برق محسوب می‌شود.
• وقتی که از حرکت الکترون‌ها در مواد نیمه‌رسانا صحبت می‌کنیم، در حوزه الکترونیک هستیم (برای مثال، بررسی جریان در دیودها یا ترانزیستورها).
• وقتی که از حرکت الکترون‌ها در مواد رسانا صحبت می‌کنیم، در حال بررسی و مطالعه سایر تکنولوژی‌های مهندسی برق هستیم.
• در الکترونیک اغلب با ولتاژهای پایین سروکار داریم، در حالی که در مهندسی برق با جریان‌ها و ولتاژ‌های بالا کار می‌کنیم.

علاوه‌بر این تفاوت‌های بنیادین، در مهندسی الکترونیک این امکان وجود دارد تا بتوانیم مدارهای هوشمند را طراحی و برنامه‌نویسی کنیم. اما در مهندسی برق مدارهای الکتریکی را داریم که اغلب ولتاژ بالا هستند و کار روی آن‌ها خطراتی به همراه دارد.

چگونه الکترونیک را با فرادرس بهتر یاد بگیریم؟

برای یادگیری جنبه‌های مختلف علم الکترونیک شامل مفاهیم پایه و اجزای الکترونیکی، انواع سیگنال‌های الکترونیکی، تحلیل و طراحی مدارهای الکترونیکی، عملیات برق پایه و مدارهای منطقی بهترین روش این است که از فیلم‌های آموزشی تهیه شده در این زمینه استفاده کنید. در همین راستا می‌توانید دوره‌های فرادرس با موضوع الکترونیک را مشاهده کنید که برای دسترسی راحت‌تر شما برخی از لینک‌های مرتبط در ادامه فهرست شده‌اند:

1. فیلم آموزش مدارهای الکتریکی ۱ فرادرس
2. فیلم آموزش مدارهای الکتریکی ۲ فرادرس
3. فیلم آموزش فیزیک الکترونیک – بخش یکم فرادرس
4. فیلم آموزش تئوری و فناوری ساخت ادوات نیمه هادی فرادرس

مبانی و اصول پایه الکترونیک چیست؟

برای اینکه بهتر بیاموزیم الکترونیک چیست، ابتدا لازم است با مبانی و مفاهیم پایه در آن یا «فیزیک الکترونیک» آشنا شویم. علم الکترونیک بر اساس ساختار اتم‌ها در جامدات و حرکت الکترون‌ها توسعه پیدا کرده است. می‌دانیم الکترون‌های یک اتم ذرات بارداری با بار منفی هستند که دور هسته در حال حرکت‌اند. ویژگی مهم و جالب الکترون‌ها این است که این ذرات باردار می‌توانند در صورت کسب انرژی از یک منبع خارجی از وابستگی هسته خارج شده و آزادانه درون ساختار ماده حرکت کنند. چنین فرآیندی موجب برقراری و جاری شدن خاصیتی به نام «جریان الکتریکی» می‌شود. بنابراین جریان الکتریکی همان حرکت یا شارش الکترون‌ها در یک راستای مشخص است.

کشف جریان الکتریکی نقطه شروع الکترونیک بود. الکترونیک در ساده‌ترین تعریف خود همان حرکت الکترون‌ها است و علت تشابه اسمی بین این دو کلمه نیز همین است. اما این تعریف برای الکترونیک یک تعریف کامل نیست، چون بلافاصله این سوال مطرح می‌شود که در الکترونیک حرکت یا جریان الکترون‌ها در چه ماده‌ای مدنظر ما است. بنابراین برای اینکه تعریف کاملی از الکترونیک ارائه دهیم، ابتدا بهتر است به طبقه‌بندی الکتریکی مواد مسلط شویم.

دسته‌بندی مواد بر اساس رسانایی الکتریکی

گفتیم الکترون‌ها کاملا به هسته اتم وابسته هستند، مگر اینکه با دریافت انرژی از یک منبع خارجی بتوانند از این وابستگی خارج شوند. این وابستگی در ماده‌ای با حالت جامد بر اساس «نظریه نواری» و در قالب وابستگی به نوارهای انرژی یا Energy Bands تعریف می‌شود.

دقت کنید در بخش‌های قبل اشاره کردیم که موضوع الکترونیک چیست و احتمالا حدس زده‌اید که در الکترونیک مطالعات روی مواد «جامد» به منظور گرفتن کاربری‌های خاص انجام می‌شود. تصویر زیر نظریه نواری در فیزیک حالت جامد (یکی از گرایش‌های علم فیزیک) را توضیح می‌دهد. در این نظریه فرض می‌شود از کنار هم قرار گرفتن تعداد خیلی زیادی اتم برای ساخت یک جامد، ترازهای انرژی گسسته و بسیار نزدیک به هم به نوارهای انرژی تبدیل می‌شوند:

بنابراین طبق این نظریه، اتم‌های یک جامد به‌صورت مجزا بررسی نمی‌شوند. بلکه مطالعه روی برآیند اثر کلیه اتم‌‌ها انجام می‌شود. پس فیزیک حالت جامد زیربنای مفاهیم و مطالعات در الکترونیک محسوب می‌شود. در فیزیک حالت جامد، موقعیت الکترون‌ها در داخل یک جامد در قالب سه نوار انرژی و به‌صورت زیر تعریف می‌شود:

• نوار رسانش یا Conduction Band
• نوار ظرفیت یا Valence Band
• نوار ممنوعه (گاف نواری) یا Band Gap

البته نوار یا نوارهای دیگری به عنوان نوارهای پر شده از الکترون‌های داخلی نیز داریم که شامل الکترون‌های داخلی با وابستگی قوی به هسته هستند. نوار ظرفیت نواری است که در دمای صفر مطلق توسط بیرونی‌ترین الکترون‌ها یا همان الکترون‌های ظرفیت اشغال شده است. در این نوار الکترون‌ها به اتم‌های خود در حدی ضعیف‌تری وابسته هستند و این وابستگی در قالب پیوندهای قوی کووالانسی یا یونی تعریف می‌شود. اگر از طریق یک منبع خارجی انرژی کافی به این الکترون‌ها داده شود، می‌توانند با خارج شدن از این نوار (پرش یا برانگیختگی) وارد نواری به نام نوار رسانش شوند. الکترون‌ها در نوار رسانش این قابلیت را دارند که با حرکت آزادانه خود در داخل جامد، در فرآیند رسانش الکتریکی و ایجاد جریان مشارکت کنند.

مهم‌ترین نواری انرژی در این ساختار، گاف نواری یا نوار ممنوعه است. گاف به فاصله بین نوار ظرفیت و نوار رسانش در ماده جامد گفته می‌شود. گفتیم نوار ظرفیت در یک ماده جامد همواره دارای الکترون است و هدف ما در مطالعه الکترونیک، ایجاد و تقویت جریان الکتریکی در اثر بهبود حرکت آزادانه الکترون‌ها است. پس باید با اعمال انرژی خارجی بتوانیم تا حد امکان الکترون‌های بیشتری را از نوار ظرفیت وارد نوار رسانش کنیم. به این ترتیب الکترون‌ها با ورود به این نوار می‌توانند در رسانایی الکتریکی مشارکت کرده و آن را بهبود ببخشند.

نکته مهم در این فرآیند این است که تا حد امکان از ورود الکترون‌ها به ناحیه گاف جلوگیری شود. به الکترون‌هایی که وارد این ناحیه می‌شوند، الکترون‌های به دام افتاده (Trapped Electrons) گفته می‌شود که اثر خوبی روی کارکرد قطعات الکترونیکی ندارند. برای اینکه از چنین اتفاقی جلوگیری کنیم، لازم است انرژی خارجی برای تحریک الکترون‌ها و برانگیخته شدن آن‌ها مساوی یا بیشتر از اندازه گاف آن ماده باشد. اندازه گاف معمولا با $$E_g$$

تعریف رسانا، نیمه‌‌رسانا و نارسانا

در بخش قبل کاملا یاد گرفتیم مفاهیم پایه فیزیک حالت جامد در الکترونیک چیست. طبقه‌بندی جامدات بر اساس اندازه اندازه گاف‌ نواری، به شکل زیر انجام می‌شود:

• رساناها
• نیمه‌رساناها
• نارساناها (عایق‌ها)

همان‌طور که تصویر بالا مشاهده می‌کنید، در مواد رسانای الکتریکی نوارهای رسانش و ظرفیت هم‌پوشانی یا اورلب دارند، به این معنا که برای این مواد گاف نواری وجود ندارد. به این ترتیب، در یک رسانا الکترون‌ها می‌توانند به‌راحتی و بدون نیاز به انرژی خارجی از اتم خارج شده و در سرتاسر ماده جامد حرکت کنند. به همین دلیل است که این مواد الکتریسیته و گرما را به‌خوبی هدایت می‌کنند. در مقابل، برای یک عایق یا نارسانا گاف نواری خیلی بزرگ است، به‌صورتی که حتی با اعمال انرژی بالا در دمای اتاق باز هم عملا این امکان وجود ندارد که بتوانیم الکترون‌ها را وارد نوار رسانش کنیم.

ملاحظه می‌کنید که الکترون‌ها در یک عایق پس از دریافت انرژی از یک منبع خارجی، در نهایت در میانه گاف قرار می‌گیرند که برای رسانش مناسب نیست. پس در یک نارسانا نوار رسانش همیشه خالی است، در حالی که در رسانا نوار رسانش بدون صرف انرژی می‌‌تواند شامل الکترون باشد. به همین علت است که مواد عایق رسانایی الکتریکی و حرارتی ندارند. گروه سومی از مواد هم وجود دارند که در آن‌ها اندازه گاف خیلی بزرگ نیست و می‌توانیم با اعمال انرژی کافی به الکترون‌ها، رسانایی الکتریکی را در این مواد ایجاد کنیم. این گروه از مواد نیمه‌رساناها یا نیمه‌هادی‌ها نامیده می‌شوند که در الکترونیک به مطالعه این مواد می‌پردازیم.

نیمه‌‌ هادی چیست و چه انواعی دارد؟

در بخش قبل تا حدی مشخص کردیم که ویژگی‌ مواد موردنظر در الکترونیک چیست. در این بخش بیشتر در مورد این گروه از مواد صحبت خواهیم کرد. توضیح دادیم که در رسانا به‌علت هم‌پوشانی نوارهای ظرفیت و رسانش، عملا الکترون‌های بیرونی در کل ماده در حال حرکت آزادانه هستند. اما در نیمه‌رسانا یا نیمه‌هادی، گاف داریم. بنابراین با استفاده از گرما یا تابش فوتون می‌توانیم الکترون‌های ظرفیت را به نوار رسانش برانگیخته کنیم. این فرآیند باعث می‌شود در نوار ظرفیت جای خالی الکترون ایجاد شود. به جای خالی الکترون در نوار ظرفیت، حفره یا Hole گفته می‌شود.

پس در نیمه‌رساناها علاوه‌بر الکترون‌ها (حامل‌های بار منفی)، حفره‌ها (حامل‌های بار مثبت) نیز در رسانایی الکتریکی مشارکت می‌کنند و از این نکته در ساخت وسایل الکترونیکی نظیر دیودهای نورگسیل یا LEDها و ترانزیستورها استفاده شده است. با توجه به اینکه حفره‌ها در نوار ظرفیت و در کنار تعداد زیادی الکترون قرار دارند، طبیعی است که در یک نیمه‌رسانای نوعی، همواره تحرک یا Mobility الکترون‌ها از حفره‌ها بیشتر باشد. با این وجود در محاسبات پایه الکترونیک، جریان ناشی از هر دو حامل در نظر گرفته می‌شود.

نیمه‌هادی‌ها به دو گروه عمده نیمه‌رسانای ذاتی و غیرذاتی تقسیم می‌شوند. نیمه‌رساناهای غیرذاتی نیز شامل نوع n و نوع p هستند. در ادامه این بخش توضیح می‌دهیم انواع نیمه‌هادی‌ها چه تفاوتی با هم دارند تا بهتر متوجه شوید الکترونیک چیست و بر اساس چه مفاهیمی کار می‌کند.

نیمه‌ هادی ذاتی

در یک نیمه‌رسانای ذاتی فقط یک نوع عنصر در ساختار ماده جامد وجود دارد. تصویر زیر نمودار نواری برای یک نیمه‌رسانای ذاتی را در دو موقعیت دمایی مختلف نشان داده است. در مورد نمودار نواری در دمای صفر مطلق ملاحظه می‌کنید که تمام الکترون‌های ظرفیت در نوار ظرفیت قرار دارند. در این شرایط رفتار الکتریکی ماده شبیه یک عایق است. اما در تصویر سمت راست، دما زیاد شده است و در نتیجه، تعدادی از الکترون‌های نوار ظرفیت به نوار رسانش برانگیخته شده‌اند. حفره‌های متناظر با این الکترون‌ها نیز در تصویر با رنگ سفید مشخص شده‌اند.

عناصری مانند سیلیکون یا سیلیسیوم (Si) یا ژرمانیوم (Ge) که هر کدام دارای ظرفیت چهار در جدول تناوبی هستند، نیمه‌رسانای ذاتی محسوب می‌شوند. چهار الکترون این مواد در دمای صفر مطلق از طریق پیوندهای کووالانسی کاملا به هسته اتمی وابسته‌اند. اما اگر دما زیاد شود، برخی از این الکترون‌ها می‌توانند برانگیخته شده و از پیوند کووالانسی خارج شوند. به این ترتیب حفره‌هایی در ماده ایجاد می‌شوند که از نظر تعداد با الکترون‌های آزاد برابر‌اند ولی از نظر بار مخالف آن‌ها هستند. تصویر سمت چپ از شکل زیر، توصیف کننده این موقعیت است:

حالا فرض کنید علاوه‌بر دما، این نیمه‌رسانا در معرض میدان الکتریکی هم قرار داده شود. در این صورت حرکت الکترون‌های آزاد و حفره‌ها مطابق تصویر سمت راست است. پس جریان کل در این نیمه‌رسانای ذاتی برابر است با مجموع جریان ناشی از هر دو نوع حامل بار یعنی الکترون‌ها و حفره‌ها:

$$I = I_h + I_e$$

تعداد الکترون‌هایی که در رسانایی چنین نیمه‌رسانایی مشارکت دارند، با کمیتی به نام چگالی الکترون یا $$n$$ مشخص می‌شود. در دماهای متناهی، احتمال حضور این حامل‌های بار در نوار رسانش به‌صورت نمایی با اندازه گاف نواری کاهش می‌یابد:

$$n = n_0 e^ {frac{-E_g}{2K_B T}}$$

در این رابطه $$K_B$$

نیمه‌ هادی غیرذاتی

نیمه‌رسانای غیرذاتی بر اساس وارد کردن مقدار خیلی خیلی کمی از یک عنصر دیگر به نام ناخالصی یا Impurity در ساختار یک نیمه‌رسانای ذاتی ساخته می‌شود. هدف از ساخت چنین نیمه‌هادی‌هایی افزایش خاصیت رسانندگی در نیمه‌رسانای ذاتی است، به این صورت که مقدار خیلی خیلی کوچکی از عنصر دیگری را به ساختار یا شبکه اصلی یک نیمه‌رسانای ذاتی وارد می‌کنیم یا اصطلاحا نیمه‌رسانای خود را توسط یک ناخالصی «داپ» (Doping) می‌کنیم. در واقع منظور ما از داپ نیمه‌رسانا قرار دادن یک اتم ناخالصی در حدود $$10^7$$ اتم است.

با توجه به نوع ناخالصی داپ شده در یک نیمه‌رسانا، نیمه‌رساناهای غیرذاتی را می‌توان در قالب دو گروه در نظر گرفت:

• نیمه‌رسانای نوع n
• نیمه‌رسانای نوع p

اگر مطابق شکل سمت چپ از تصویر بالا، یک نیمه‌رسانای ذاتی مانند سیلیسیوم (Si) توسط عنصر پنج ظرفیتی مانند آرسنیک یا As داپ شود، در این صورت چهار الکترون ظرفیت سیلیسیوم با چهار الکترون ظرفیت از آرسنیک پیوند کووالانسی تشکیل می‌دهند. اما یکی از الکترو‌ن‌های آرسنیک بدون پیوند باقی‌ می‌ماند. به این ترتیب این الکترون می‌تواند به عنوان حامل بار منفی در رسانش و ایجاد جریان الکتریکی مشارکت داشته باشد. چنین نیمه‌رسانایی را نیمه‌رسانای غیرذاتی نوع n می‌نامیم.

به همین شکل اگر در یک نیمه‌رسانای ذاتی یک ناخالصی سه ظرفیتی مانند بور یا B را وارد کنیم، در این صورت سه الکترون از Si با سه الکترون از B پیوند تشکیل می‌دهند و یکی از الکترون‌های سیلیسیوم بدون پیوند باقی می‌ماند. جای خالی الکترونی که باید به‌عنوان جفت با این الکترون از Si پیوند دهد، توسط یک حفره در شکل سمت راست مشخص شده است. پس در این حالت یک حفره اضافی در نیمه‌رسانای ذاتی ایجاد کرده‌ایم که می‌تواند به‌عنوان یک حامل بار مثبت در رسانش شرکت کند. چنین نیمه‌رسانایی، نیمه‌رسانای غیرذاتی نوع p نامیده می‌شود.

در نیمه‌رسانای نوع n یک الکترون به روش داپ کردن وارد ساختار نیمه‌رسانا شده است. اتمی که چنین الکترونی را به ساختار نیمه‌رسانای ذاتی وارد کرده است، «دهنده یا Donor» نام دارد. به‌طور مشابه، حفره ایجاد شده در نیمه‌رسانای نوع p نیز در اثر وارد شدن اتمی به نام «پذیرنده یا Acceptor» در نیمه‌رسانای ذاتی ایجاد شده است. پس آرسنیک و بور برای سیلیکون به ترتیب دهنده و پذیرنده هستند.

علت نام‌گذاری این دو نوع نیمه‌رسانا به‌صورت n و p توضیحات بالا است. هر چه میزان ناخالصی داپ شده در نیمه‌رسانای ذاتی بیشتر باشد، به همان میزان تعداد یا چگالی یکی از حامل‌های بار (الکترون یا حفره) در نیمه‌رسانا بیشتر می‌شود. اگر ناخالصی دهنده باشد، چگالی الکترون‌ها بیشتر می‌شود و نیمه‌رسانای ما از نوع n است، اما اگر ناخالصی پذیرنده باشد، حفره‌های ماده بیشتر می‌شوند و نیمه‌رسانا از نوع p است.

مهندسی الکترونیک چیست؟

در بخش‌های گذشته یاد گرفتیم مبانی و اصول پایه علم الکترونیک چیست و دیدیم که این مفاهیم در حقیقت بخشی از گرایش حالت جامد از علم فیزیک محسوب می‌شوند. در این بخش می‌خواهیم با تکیه به این اصول، توضیح دهیم بخش مهندسی در علم الکترونیک چیست و چه مباحثی در آن مطرح می‌شود. در مهندسی الکترونیک روی طراحی، توسعه، آزمودن و تولید سیستم‌ها و قطعات الکترونیکی کار می‌شود. روند کار به این صورت است که از مواد نیمه‌رسانا برای ساخت قطعات و طراحی مدارها و سیستم‌هایی با هدف حل یک مشکل خاص استفاده می‌شود.

در ادامه یادگیری الکترونیک، بهتر است ابتدا با عناصر پرکاربرد در ساخت مدارهای الکترونیک آشنا شویم که در قالب دو گروه عناصر پسیو و اکتیو تقسیم‌بندی می‌شوند. برای مثال، در طراحی مدارهای مجتمع (IC) از تعدادی عناصر اکتیو و پسیو استفاده می‌شود تا بتوانیم عملکردهای مختلفی مانند تقویت‌کنندگی، محاسبات و پردازش سیگنال دریافت کنیم. همچنین در ادامه این بخش یک سری از مهم‌ترین مفاهیم و اصطلاحات در الکترونیک را معرفی خواهیم کرد. برای تسلط بیشتر روی مبانی الکترونیک و آشنایی با منابع یادگیری آن می‌توانید مطلب زیر از مجله فرادرس را مطالعه کنید.

عناصر فعال یا اکتیو در الکترونیک

ابتدا توضیح می‌دهیم تعریف و ویژگی‌های کلیدی عناصر فعال، اکتیو یا Active Components در الکترونیک چیست. این عناصر یا قطعات می‌توانند جریان الکتریسیته در مدار را کنترل کرده و موجب تقویت سیگنال‌ها شوند. برای اینکه بتوانیم از این قطعات در مدارهای خود استفاده کنیم، لازم است یک منبع تغذیه خارجی در مدار داشته باشیم. به‌طور خلاصه می‌توانیم ویژگی‌های کلیدی این عناصر را از هشت جنبه زیر بررسی کنیم:

• تقویت‌کنندگی: موجب تقویت سیگنال‌ها (افزایش دامنه) می‌شوند.
• کنترل: می‌توانند جریان و ولتاژ در مدار را کنترل کنند.
• منبع تغذیه: برای عملکرد خود، نیازمند وجود یک منبع تغذیه خارجی در مدار هستند.
• عملکرد: مدولاسیون سیگنال.
• قطبیت: اغلب دارای پایانه‌های مثبت و منفی هستند.
• خطی یا غیرخطی بودن: اغلب رفتار غیرخطی نشان می‌دهند (برای مثال، دیودها یا ترانزیستورها).
• انرژی: می‌توانند انرژی به مدار اضافه کنند.
• پیچیدگی: اغلب در مراحل ساخت و نحوه عملکرد پیچیده‌تر هستند.

در ادامه برخی از عناصر اکتیو در الکترونیک معرفی شده‌اند:

• ترانزیستورها: کاربرد در تقویت‌کنندگی و تغییر وضعیت یا Switching.
• دیودها: کاربرد در یکسوسازی جریان و تنظیم ولتاژ.

عناصر غیرفعال یا پسیو در الکترونیک

در این بخش می‌آموزیم منظور از عناصر پسیو، غیرفعال یا Passive Components در الکترونیک چیست. این عناصر برخلاف عناصر اکتیو نمی‌توانند جریان الکتریکی در مدار را توسط سیگنال الکتریکی دیگری کنترل کنند، اما قابلیت ذخیره‌سازی انرژی و آزادسازی آن در مدار برای این قطعات وجود دارد. همچنین این عناصر برای انجام عملکرد خود نیازمند منبع تعذیه خارجی نیستند. به این ترتیب با در نظر گرفتن جنبه‌های مشابه با بخش عناصر اکتیو به منظور ارائه مقایسه بهتر، می‌توانیم ویژگی‌‌های کلیدی این عناصر را به شکل زیر در نظر بگیریم:

• تقویت‌کنندگی: موجب تقویت سیگنال‌ها نمی‌شوند.
• کنترل: نمی‌توانند جریان و ولتاژ در مدار را کنترل کنند و فقط قادرند به جریان و ولتاژ پاسخ دهند.
• منبع تغذیه: برای عملکرد خود، نیازمند یک منبع تغذیه خارجی در مدار نیستند.
• عملکرد: ذخیره انرژی در قالب میدان‌های الکتریکی یا مغناطیسی.
• قطبیت: به‌جز خازن‌های الکترولیتی، در مجموع غیرقطبی هستند.
• خطی یا غیرخطی بودن: اغلب رفتار خطی دارند (برای مثال، رزیستورها).
• انرژی: می‌توانند انرژی را در مدار ذخیره و سپس آزاد کنند.
• پیچیدگی: اغلب در مراحل ساخت و نحوه عملکرد پیچیدگی کمتری دارند.

در فهرست زیر برخی از عناصر پسیو در الکترونیک را مشاهده می‌کنید:

• رزیستورها (مقاومت‌ها): کاربرد در محدودسازی جریان و تقسیم ولتاژ.
• خازن‌ها: کاربرد در ذخیره‌سازی و آزادسازی انرژی الکتریکی و فیلتر کردن سیگنال‌ها.
• القاگرها (سلف): کاربرد در ذخیره‌سازی انرژی در میدان مغناطسیی، فیلتر کردن سیگنال‌ها و بلوکه کردن نویزهای با فرکانس بالا.
• ترانسفورماتورها (مبدل‌ها): کاربرد در تبدیلات انرژی الکتریکی بین مدارها از طریق القای الکترومغناطیسی و تنظیم سطوح ولتاژ.

کمیت‌های مهم در الکترونیک چه هستند؟

برای اینکه بتوانید در الکترونیک موفق شوید، لازم است با تعاریف، واحدهای اندازه‌گیری و نمادهای مهم‌ترین کمیت‌های این حوزه کاملا آشنا باشید. در این بخش با کمیت‌های مهمی مانند انواع جریان، ولتاژ، فرکانس، مقاومت، ظرفیت، اندوکتانس، امپدانس و دسی‌بل آشنا می‌شویم.

جریان مستقیم و متناوب

جریان در الکترونیک با واحد استانداردی به نام آمپر ($$A$$) اندازه‌گیری و با نماد $$I$$ نشان داده می‌شود. تعریف ساده جریان، حرکت الکترون‌ها است که با اتصال یک منبع ولتاژ یا باتری به یک سیم رسانای حامل جریان برقرار می‌شود. اندازه جریان «شدت جریان الکتریکی» نامیده می‌شود و می‌توانیم این کمیت را توسط رابطه ساده‌ای به نام «قانون اهم» و با در دست داشتن مقادیر ولتاژ و مقاومت سیم به‌دست آوریم:

جریان بسته به منبع تامین کننده‌ خود می‌تواند مثبت یا منفی و مستقیم یا متناوب باشد. واحدهای مرسوم دیگر برای اندازه‌گیری جریان میلی‌آمپر ($$mA$$) و نانوآمپر ($$nA$$)‌ هستند. همچنین یکی از مهم‌ترین مفاهیمی که در الکترونیک لازم است بدانید، تفاوت «جریان‌ مستقیم» (Direct Current) و «جریان‌ متناوب» (Alternating Current) است. در جریان مستقیم یا DC، الکترون‌ها فقط در یک جهت جریان پیدا می‌کنند. علی‌رغم اینکه بنظر می‌رسد جهت شارش جریان باید از پایانه مثبت منبع ولتاژ به پایانه منفی آن باشد، اما جهت شارش قراردادی جریان همواره از پایانه منفی به مثبت است.

در مقابل چینن جریانی، جریان متناوب یا AC را داریم که مشخصه آن شارش جریان در هر دو جهت و به شکل چرخه‌ای است (ابتدا در یک جهت و سپس در جهت مخالف). نرخ تغییر جهت جریان تعیین کننده پارامتری به نام فرکانس است که با واحد «دور بر ثانیه یا هرتز» (Hz) اندازه‌گیری می‌شود. در ادامه توضیح می‌دهیم تعریف فرکانس در الکترونیک چیست.

مقاومت

مقاومت الکتریکی یا $$R$$ کمیت مهم دیگری است که با واحدی به نام اهم ($$Omega$$) اندازه‌گیری می‌شود. مقاومت نشان دهنده میزان دشواری حرکت الکترون‌ها در یک مدار یا سیم است. اگر سیم حامل جریان، رسانایی بالایی داشته باشد، مقاومت آن کم است، برای مثال سیم‌های مسی مقاومت پایینی دارند. بنابراین طبق قانون اهم با اعمال ولتاژ کوچکی می‌توانیم از این سیم جریان خوبی دریافت کنیم. اما مواد نارسانایی مانند پلاستیک مقاومت زیادی در مقابل عبور جریان الکتریکی از خود نشان می‌دهند. میزان مقاومت مواد مختلف به ویژگی‌های فیزیکی، ابعاد و جنس آن ماده بستگی دارد.

در همین زمینه می‌توانید برای تمرین روش‌های مختلف حل و بررسی انواع مدارهای الکتریکی فیلم آموزش رایگان حل تمرین مدارات الکتریکی ساده – معادلات سلف، خازن و مقاومت فرادرس را مشاهده کنید که لینک آن برای دسترسی راحت‌تر شما در ادامه قرار داده شده است:

همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد، رزیستورها یا قطعاتی به نام مقاومت عناصری پسیو در الکترونیک محسوب می‌شوند که مقاومت مشخصی دارند و برای قرار گرفتن در مسیر جریان در مدارها طراحی شده‌اند. با توجه به مشخص بودن اندازه مقاومت در این قطعات، برای هر ولتاژ مقدار جریان عبوری از مدار برای این عناصر توسط قانون اهم قابل محاسبه است. دقت کنید مقاومت برای تمام عناصر پسیو همواره مقداری مثبت است.

فرکانس

هرگاه مقدار ولتاژ یک سیگنال AC از صفر ولت تا نزدیکی بیشترین مقدار ممکن زیاد شود، مجددا به صفر ولت بازگردد و به منفی اکسترمم قبلی رسیده و مجددا صفر شود، در این صورت یک چرخه کامل داریم که برای اندازه‌گیری این روند از پارامتری به نام فرکانس استفاده می‌شود. واحد فرکانس هرتز یا دور بر ثانیه ($$Hz$$ یا cycle per second) است. به این ترتیب تعداد دفعاتی که یک سیگنال یک چرخه کامل را در یک ثانیه طی می‌کند، فرکانس نام دارد.

ولتاژ (اختلاف پتانسیل)

ولتاژ در الکترونیک و مهندسی برق به معنای نیروی الکتروموتیو یا نیروی محرکه‌‌ای است که موجب حرکت الکترون‌ها در یک جهت می‌شود. اگر بخواهیم ولتاژ را با سایر کمیت‌ها مقایسه کنیم، اثر آن مانند اثری است که کمیت فشار در فیزیک دارد. ولتاژ را «اختلاف پتانسیل الکتریکی» هم می‌نامند. این کمیت با نماد $$V$$ یا $$U$$ نشان داده می‌شود و واحد اندازه‌گیری آن در سیستم بین‌المللی استاندارد واحدها ولت ($$V$$) است.

عموما منابع تامین کننده ولتاژ در مدار باتری‌ها هستند. یک باتری $$9 V$$ای دارای یک ولتاژ DC به اندازه $$9 V$$ است که می‌تواند بسته به نوع پایانه انتخابی به عنوان مرجع، مثبت با منفی باشد. شبکه برق شهری بسته به منطقه‌ای که در آن زندگی می‌کنید، دارای ولتاژی به اندازه $$220 V$$ یا $$110 V$$ یا $$240 V$$ است که هر سه از نوع AC‌ محسوب می‌شوند. متناوب بودن برق شهری به معنای این است که ولتاژ بین مقادیر مثبت و منفی تغییر می‌کند. اغلب مقادیر واقعی ولتاژ کوچکتر از یک ولت هستند و به همین علت از واحدهایی مانند میلی‌ولت ($$mV$$)، میکروولت ($$mu V$$) یا نانوولت ($$nV$$) برای بیان این مقادیر استفاده می‌شود.

ظرفیت

ظرفیت خازن کمیتی است که نشان‌ می‌دهد مقدار بار یا انرژی الکتریکی ذخیره شده در یک خازن چقدر است. پس این کمیت مستقیما به قطعه‌ای به نام خازن مرتبط است. واحد اندازه‌گیری ظرفیت خازن ($$C$$) فاراد است که با $$F$$ نشان داده می‌شود.

برخلاف باتری‌ها، خازن‌ها بار را به شیوه‌ای کاملا الکتروستاتیکی (و نه شیمیایی) ذخیره می‌کنند. یک خازن جریان AC را عبور می‌دهد ولی DC را نه. به این ترتیب مقاومت جریان AC یک خازن که «امپدانس» نامیده می‌شود، به مقدار و فرکانس سیگنال AC عبوری از آن وابسته است. همچنین این نکته را مدنظر داشته باشید که ظرفیت خازن همواره مقدار مثبتی دارد.

ضریب خودالقایی (اندوکتانس)

ضریب خودالقایی یکی دیگر از مهم‌ترین پارامترهایی است که می‌خواهیم ببینیم ویژگی‌های آن در الکترونیک چیست. این کمیت با نماد $$H$$ یا $$L$$ نشان داده می‌شود و واحد اندازه‌گیری آن هنری ($$H$$) است. اندوکتانس در هر قطعه‌ای از یک ماده رسانا رخ می‌دهد، اما به جهت کاربرد این خاصیت بهتر است از یک پیچه یا کویل استفاده شود.

یک سلف یا القاگر بار را به شیوه مغناطیسی ذخیره می‌کند و امپدانس خیلی کمی نسبت به جریان DC نشان می‌دهد (تقریبا صفر). این در حالی است که چنین قطعه‌ای نسبت به جریان AC بسته به مقدار ضریب خودالقایی و فرکانس، امپدانس بالاتری نشان می‌دهد. از این جنبه می‌توانیم القاگر را نقطه مقابل خازن در نظر بگیریم. اندوکتانس هم مانند ظرفیت خازن همواره مقدار مثبتی دارد.

امپدانس

در این بخش می‌خواهیم ببینیم تعریف امپدانس و تفاوت آن با مقاومت در الکترونیک چیست. برخلاف مقاومت، امپدانس کمیتی است که مقدار آن به فرکانس وابسته است و برای سیگنال‌‌های AC مشخص می‌شود. با اینکه واحد امپدانس هم اهم است، اما آن را با نماد $$Z$$ نشان می‌دهیم. امپدانس ترکیبی از مقاومت، ظرفیت و / یا اندوکتانس است. در خیلی از مواقع، امپدانس و مقاومت یکسان هستند (برای مثال در رزیستورها). اغلب امپدانس مانند مقاومت مقداری مثبت دارد، اما می‌تواند در برخی از مدارها منفی هم باشد.

دسی بل

دسی‌بل در حوزه الکترونیک صدا کاربرد دارد و معادل است با شدت صوت که از لگاریتم ولتاژ، جریان یا توان به‌دست می‌آید و به نحوه پاسخ گوش انسان بستگی دارد. واحد اصلی این کمیت بل ($$B$$) است، اما چون این واحد بسیار بزرگ است، اغلب از واحد دسی‌بل ($$dB$$) برای اندازه‌گیری و بیان این کمیت استفاده می‌شود. یک دسی‌بل یک دهم یک بل است.

پیوندگاه P-N و دیودها

برای اینکه بدانیم دیود در الکترونیک چیست و بر مبنای چه اصولی کار می‌کند، ابتدا لازم است با مفهوم پیوندگاه P-N یا P-N Junction آشنا شویم. پیوندگاه P-N ساده‌ترین و پایه‌ای‌ترین شکل از یک ابزار نیمه‌رسانا است که از اتصال دو نوع نیمه‌رسانای نوع n و p ساخته می‌شود. به این ترتیب در این پیکربندی یک سمت قطعه منفی‌تر و سمت دیگر آن مثبت‌تر است و در نتیجه نوعی عدم‌تعادل در توزیع بار الکتریکی خواهیم داشت. بخش میانی چنین ابزاری که شامل اتصال دو نوع نیمه‌رسانا به یکدیگر است، پیوندگاه P-N نام دارد.

دیودها بر اساس تشکیل چنین پیوندگاهی یعنی از اتصال دو نیمه‌رسانای نوع n و p به هم ساخته می‌شوند. زمانی که این دو نوع نیمه‌رسانا را به هم وصل می‌کنیم، الکترون‌ها از نیمه‌رسانای نوع n به سمت نوع p منتشر یا دیفیوز شده و با حفره‌ها ترکیب می‌شوند.

به این ترتیب لایه‌ای با بار منفی مطابق تصویر بالا در نزدیکی نیمه‌رسانای نوع p تشکیل می‌شود. به همین شکل لایه‌ای با بار مثبت در نزدیکی نیمه‌رسانای نوع n خواهیم داشت. بنابراین به‌صورت طبیعی ناحیه‌ای شامل بارهای مثبت و منفی در پیوندگاه P-N تشکیل می‌شود که «ناحیه تخلیه» (Depletion Zone) نامیده می‌شود. چنین نام‌گذاری بر این اساس انجام شده است که این منطقه از حامل‌های بار اکثریت در آن نیمه‌رسانا تخلیه شده است.

رفتار پیوندگاه P-N در بایاس مستقیم و معکوس

فرآیند انتشار یا Diffusion پس از گذشت مدت زمان کوتاهی در یک پیوندگاه P-N متوقف می‌شود و ناحیه تخلیه کاملا شکل می‌گیرد. عرض ناحیه تخلیه در اینکه الکترون‌ها چگونه در نیمه‌رسانا حرکت کرده و جریان تولید می‌کنند، موثر است. در این بخش می‌خواهیم ببینیم بایاس چه تاثیری روی تغییرات عرض ناحیه تخلیه در یک پیوندگاه P-N دارد.

بایاس به فرآیندی گفته می‌شود که طی آن ولتاژ خارجی به پیوندگاه P-N اعمال می‌شود. به این ترتیب مشخصات ناحیه تخلیه در دیود تغییر می‌کند. اگر بایاس مستقیم باشد، به این معنا که ترمینال مثبت منبع ولتاژ به ناحیه نوع p در پیوندگاه متصل شود، در این صورت حفره‌های نیمه‌رسانای نوع p و الکترون‌های نیمه‌رسانای نوع n به سمت ناحیه تخلیه هل داده می‌شوند. در نتیجه عرض ناحیه تخلیه کاهش یافته و جریان کوچکی بر اثر حرکت الکترون‌ها در یک راستای مشخص شکل خواهد گرفت.

در مقابل، اگر بایاس معکوس اعمال شود، یعنی ترمینال مثبت منبع ولتاژ در مدار به نیمه‌رسانای نوع n متصل شود، در این صورت ولتاژ کاتد (نیمه‌رسانای نوع n) از آند خیلی بیشتر است. بنابراین با افزایش عرض ناحیه تخلیه در این شرایط، عبور حامل‌های بار و برقراری جریان در این منطقه دشوار می‌شود. باباس معکوس شبیه یک کلید یک طرفه عمل می‌کند و برای قطعاتی مانند ترانزیستورها مناسب است.

کاربرد دیودهای پیوندگاه P-N

در نهایت می‌خواهیم ببینیم کاربرد دیودها در الکترونیک چیست. مهم‌ترین کاربرد دیودها به‌عنوان یکسوکننده و در تبدیل جریان‌های متناوب به مستقیم است. همچنین نوع خاصی از دیودها به نام دیودهای زنر، برای تنظیم ولتاژ در مدارها استفاده می‌شوند. در بخش بعد خواهید دید که دیودهای پیوندگاه P-N به ‌عنوان یکی از مهم‌ترین اجزای سازنده در عملکرد ترانزیستورهای PNP و NPN محسوب می‌شوند. در این قطعات چندین پیوندگاه P-N ممکن است داشته باشیم.

همچنین می‌توانیم از دیودها به‌عنوان کلید و به منظور آن و آف کردن مدارهای کوچکتر در سیستم‌های پیچیده‌تر استفاده کنیم. اعمال بایاس معکوس به دیودها با توجه به حساسیت ایجاد شده به نور موجب می‌شود نوع دیگری از دیودها به نام دیودهای حساس به نور یا فوتودیودها را داشته باشیم. اگر بایاس مستقیم به دیودی اعمال شود، می‌توانیم از ویژگی تابش نور آن دیود به‌عنوان یک دیود نورگسیل یا LED نیز استفاده کنیم.

ترانزیستور چیست و چه انواعی دارد؟

ترانزیستورها یکی از مهم‌ترین قطعات الکترونیکی در دنیای امروز محسوب می‌شوند که از سه نیمه‌رسانای به هم متصل شده تشکیل شده‌اند. از ترانزیستورها برای تغییر حالت یا سوییچینگ و یا به‌عنوان تقویت کننده استفاده می‌شود، به این صورت که در این قطعات به جریان اجازه آف شدن یا تقویت دامنه داده می‌شود. کاربرد گسترده ترانزیستورها در طراحی و ساخت سیستم‌های ارتباطی، ریزتراشه‌‌های حافظه کامپیوتری و ابزارهای ذخیره‌سازی است. دو نوع اصلی ترانزیستور عبارت‌اند از:

ترانزیستورها اغلب از موادی مانند سیلیکون و ژرمانیوم ساخته می‌شوند تا بتوانیم روی عبور جریان از این قطعه کنترل لازم را داشته باشیم. به‌علاوه این نیمه‌رساناهای بکار رفته در ساختار ترانزیستور، داپ شده هستند و در نتیجه پیوندگاه P-N در محل اتصال آن‌ها به هم تشکیل خواهد شد. معمول‌ترین نوع ترانزیستورها که بیشترین کاربرد را در ساخت تلفن‌های هوشمند، کامپیوترها و تلویزیون‌ها دارند، ترانزیستورهای اثر میدان ساخته شده از اکسید فلز و نیمه‌رسانا هستند که ماسفت (MOSFET) نامیده می‌شوند.

ترانزیستورها بسته به روش ساخت، مشخصات و اصول عملکرد خود انواع مختلفی دارند. برای مثال، در ترانزیستور پیوندی دو قطبی یا BJT، کلمه دو قطبی از این واقعیت ناشی شده است که هر دو نوع حامل بار یعنی الکترون‌ها و حفره‌ها در جریان الکتریکی مشارکت دارند. دو نوع ترانزیستور دو قطبی پیوندی داریم:

• ترانزیستورهای PNP
• ترانزیستورهای NPN

سه رکن اساسی این نوع ترانزیستورها عبارت است از:

• لایه‌های نیمه‌رسانای نوع n و p
• پیوندگاه
• پایانه‌ها

برای مثال، ترانزیستور PNP از دو لایه نیمه‌رسانای نوع p و یک لایه نیمه‌رسانای نوع n ساخته شده است، در حالی که برای ترانزیستور NPN تعداد لایه‌های نیمه‌رسانا برعکس است. پیوندگاه در یک ترانزیستور به معنای ناحیه ممنوعی است که در ابتدا در مقابل عبور جریان مقاومت می‌کند، اما با اعمال بایاس در این ناحیه می‌توانیم روی عبور جریان کنترل ایجاد کنیم.

دلیل قرار دادن سه ترمینال برای یک ترانزیستور نیز این است که بتوانیم این قطعه را در یک مدار خارجی قرار دهیم. سه ترمینال یک ترانزیستور BJT را به شکل زیر نام‌گذاری می‌کنیم:

• امیتر
• پایه یا بیس
• کلکتور یا جمع‌کننده

کلکتور سر مثبت ترانزیستور، امیتر سر منفی آن و بیس سری است که عموما به زمین وصل می‌شود. به تفاوت جهت جریان در دو نوع ترانزیستور PNP و NPN در شکل بالا توجه کنید.

یادگیری نرم‌افزارها و کاربردهای الکترونیک با فرادرس

پس از اینکه در اولین بخش از معرفی دوره‌‌های آموزشی فرادرس یاد گرفتید اصول پایه و مبانی الکترونیک چیست، در این قسمت قصد داریم چند فیلم آموزشی از مجموعه فرادرس در زمینه یادگیری و کار با نرم‌افزارهای کاربردی الکترونیک را به همراه پروژه‌های عملی به شما معرفی کنیم:

1. فیلم آموزش مقدماتی STM32 میکروکنترلر ARM + پروژه های عملی فرادرس
2. فیلم آموزش برنامه نویسی آردوینو Arduino – مقدماتی فرادرس
3. فیلم آموزش برد آردوینو Arduino با انجام پروژه های عملی فرادرس
4. فیلم آموزش پروتئوس – تحلیل و طراحی مدار در Proteus فرادرس
5. فیلم آموزش میکروکنترلر ای وی آر و کدویژن AVR و Codevision – مقدماتی فرادرس
6. فیلم آموزش آلتیوم دیزاینر + مبانی طراحی بردهای فرکانس و سرعت بالا در Altium Designer فرادرس

کاربردهای الکترونیک چیست؟

در الکترونیک شاخه‌های متنوعی داریم که هر کدام کاربردهای جالب‌توجه خود را دارد. در این بخش توضیح می‌دهیم شاخه‌های مختلف الکترونیک چیست. پس از مطالعه این بخش متوجه خواهید شد که بخشی از مشاغل در حوزه الکترونیک چیست. برای مثال، یکی از جذاب‌ترین بخش‌های الکترونیک طراحی الگوریتم‌های یادگیری ماشین بر روی سخت‌افزارهای جاسازی شده، به ویژه در آردوینو است. در نتیجه مشاغل آزاد یا شرکتی مانند کدنویس آردوینو یا طراح چنین سیستم‌هایی همواره موردتقاضا خواهند بود.

اینترنت اشیا (IoT)

اولین شاخه‌ الکترونیک که در این بخش به توضیح آن می‌پردازیم، «اینترنت اشیا» (Internet of Things) نامیده می‌شود. در این حوزه از الکترونیک تلاش می‌کنیم ابزار الکترونیکی را به اینترنت متصل کنیم تا بتوانیم آن قطعه را در هر زمان و مکانی کنترل کنیم. به این ترتیب قادر خواهید بود در شرایطی که در منزل نیستید، توسط اینترنت بیشتر ابزارهای الکترونیکی منزل خود را کنترل کنید.

هوش مصنوعی (AI) و یادگیری ماشین (ML)

در این دو حوزه مهم و به‌روز، با امکان دادن به سیستم‌ها برای یادگیری از داده‌ها، تطبیق و تصمیم‌گیری هوشمند، الکترونیک متحول می‌شود. کاربرد این دو تکنولوژی در بسیاری از ابزارهای الکترونیکی از تلفن‌های هوشمند گرفته تا وسایل نقلیه خودران، موجب بهبود قابل‌توجه عملکرد آن‌ها و تجربه کاربران شده است.

ربات‌های هوشمند

در ادامه کاربردهای هوش مصنوعی، در این شاخه از الکترونیک روی ساخت ربات‌های هوشمند معطوف می‌شود که می‌توانند همه چیز را یاد بگیرند و درست مانند انسان‌ها اقدامات درست را انجام دهند. هدف از طراحی این ربات‌ها این است که بتوانند با محیط اطراف خود سازگار شده و با انسان‌ها تعامل داشته باشند. همچنین در حل مسائل پیچیده و در حوزه‌هایی مانند صنعت، تولید و درمان و سلامت کمک‌کننده باشند.