ترانزیستور، ساختار و انواع آن

در این مقاله قصد داریم در مورد یک قطعه الکترونیک پرکاربرد بنام ترانزیستور صحبت کنیم.  ترانزیستور، ساختار و انواع آن

فهرست مطالب

• 1- ترانزیستور چیست؟
• 2- چگونه ترانزیستورها دنیای فناوری را متحول کردند؟
• 3- ترانزیستور چگونه ساخته می‌شود؟
• 4- ساختار ترانزیستور
• 5- پایانه‌های ترانزیستور
• 6- ترانزیستور چگونه کار می‌کند؟
• 7- انواع ترانزیستور
• 8- مزایا و محدودیت‌های ترانزیستور

————————————————–

1- ترانزیستور چیست؟

ترانزیستور یک نیمه هادی مینیاتوری‌است که جریان یا ولتاژ را تنظیم و یا کنترل می‌کند و علاوه بر تقویت و تولید این سیگنال‌های الکتریکی، به عنوان یک کلید برای آنها عمل می‌کند. به طور معمول، ترانزیستورها از سه لایه یا پایانه‌های یک ماده نیمه هادی تشکیل شده اند که هر یک می‌توانند جریان را حمل کنند. هنگامی که ترانزیستور به عنوان تقویت‌کننده کار می‌کند، جریان ورودی کوچک را به جریان خروجی بزرگتر تبدیل می‌کند. و به عنوان یک سوئیچ، می‌تواند در یکی از دو حالت متمایز – روشن یا خاموش – برای کنترل سیگنال‌های الکترونیکی از طریق یک مدار الکتریکی یا دستگاه الکترونیکی عمل کند.

————————————————–

2- چگونه ترانزیستورها دنیای فناوری را متحول کردند؟

برای بررسی اثر این قطعه الکترونیکی پرکاربرد در دنیای فناوری، بهتر‌است در ابتدا به تاریخچه اختراع آن بپردازیم. ترانزیستور در آزمایشگاه های بل در نیوجرسی در سال 1947 توسط سه فیزیکدان برجسته آمریکایی به نام های جان باردین، والتر براتین، و ویلیام شاکلی اختراع شد.

این تیم به رهبری شاکلی در تلاش برای توسعه نوع جدیدی از تقویت‌کننده برای سیستم تلفن ایالات متحده بود، که در واقع مشخص شد آنچه آنها اختراع کردند، کاربردهای بسیار گسترده تری دارد.

در ابتدا، آنها بر روی ایده ای کار می کردند که از یک اثر میدانی برای کنترل جریان در یک نیمه هادی استفاده‌ می‌کرد، اما از آنجا که نتوانستند ایده ­شان را عملی کنند، تمرکز خود را بر روی ایده دیگری معطوف کردند. پس از چندی، باردین و براتین اولین ترانزیستور عملی، معروف به ترانزیستور نقطه تماس را بر روی ویفر ژرمانیوم، در روز سه شنبه 16 دسامبر 1947 ساختند.

اگرچه شاکلی نقش بزرگی در این پروژه بازی کرده‌بود، اما از کنار گذاشته شدنش بسیار عصبانی و آشفته بود.

اندکی بعد، او در طول اقامت خود در هتلی که برای شرکت در یک کنفرانس فیزیک رفته بود، توانست به تنهایی نظریه ترانزیستور اتصال را که وسیله ای بسیار بهتر از ترانزیستور تماس نقطه ای بود، کشف کند.

ادامه

در حالی که باردین از آزمایشگاه‌های بل کناره‌گیری کرد تا به دانشگاه بپیوندد (او با تحصیل در رشته ابررساناها در دانشگاه ایلینوی موفقیت بیشتری کسب کرد)، براتین مدتی در آنجا ماند تا اینکه بازنشسته شد،

و شاکلی شرکت تولید ترانزیستور خود را راه اندازی کرد و به الهام بخشیدن به پدیده مدرن «سیلیکون ولی» (منطقه مرفه اطراف پالو آلتو، کالیفرنیا، جایی که شرکت‌های الکترونیکی در آن تجمع کرده اند) کمک کرد.

و در نهایت دو تن از کارمندان او، رابرت نویس و گوردون مور، اینتل، بزرگترین تولید کننده میکرو تراشه در جهان را تأسیس کردند.

باردین، براتین و شاکلی چند سال بعد زمانی که برترین جایزه علمی جهان، جایزه نوبل فیزیک 1956، را برای کشف خود به اشتراک گذاشتند، برای مدت کوتاهی دوباره با هم متحد شدند.

اختراع ترانزیستور که یکی از مهم‌ترین پیشرفت‌ها در تاریخ رایانه‌های شخصی در نظر گرفته‌می‌شود، به گرایش به کوچک‌سازی در الکترونیک دامن زد.

از آنجایی که این ادوات حالت جامد به طور قابل توجهی کوچک‌تر و سبک‌تر بودند و انرژی کمتری نسبت به لوله‌های خلاء مصرف می‌کردند، سیستم‌های الکترونیکی ساخته‌شده با آن‌ها نیز بسیار کوچک‌تر، سبک‌تر، سریع‌تر و کارآمدتر بودند.

در ادامه

ترانزیستورها، به طور قابل توجهی به انرژی کمتری نیاز داشتند و بر خلاف لوله های خلاء، به گرمکن خارجی نیاز نداشتند. همانطور که اندازه ترانزیستورها به طور تصاعدی کاهش یافت، هزینه آنها نیز کم شد و فرصت‌های بیشتری برای استفاده از آنها ایجاد شد.

ادغام ترانزیستورها با مقاومت‌ها و سایر دیودها یا قطعات الکترونیکی، موجب کوچکتر شدن آی‌سی‌ها گردید. این پدیده در مورد کوچک سازی به قانون مور مربوط می‌شود که بیان می‌کند تعداد ترانزیستورها در یک آی سی کوچک هر دو سال، دو برابر می‌شود.

حال ترانزیستورها از عناصر اساسی در مدارهای مجتمع (IC) هستند. به طوریکه برای ایجاد ریزپردازنده از میلیون‌ها ترانزیستور که در یک IC جاسازی شده اند، استفاده می‌شود. آنها همچنین تراشه‌های حافظه رایانه و دستگاه های ذخیره سازی حافظه را برای پخش‌کننده‌های MP3، تلفن‌های هوشمند، دوربین‌ها و بازی‌های الکترونیکی، هدایت می‌کنند.

تقریباً ترانزیستورها در تمام آی‌سی‌ها که بخشی از هر دستگاه الکترونیکی هستند، تعبیه شده‌اند. ترانزیستورها همچنین برای کاربردهای با فرکانس پایین و توان بالا، مانند اینورترهای منبع تغذیه که جریان متناوب را به جریان مستقیم تبدیل می‌کنند، استفاده‌می‌شوند.

علاوه بر این، از ترانزیستورها در کاربردهای فرکانس بالا، مانند مدارهای نوسانگر که برای تولید سیگنال‌های رادیویی استفاده‌می‌شوند، نیز بهره گرفته‌می‌شود.

————————————————–

3- ترانزیستور چگونه ساخته‌می‌شود؟

ترانزیستور از سیلیکون، یک عنصر شیمیایی موجود در ماسه ساخته‌می‌شود که خاصیت رسانایی ندارد. به عبارتی، اجازه نمی‌دهد که الکترون‌ها به راحتی از درون آن عبور کنند و در نتیجه الکتریسیته را هدایت نمی‌کند و در دسته ی نیمه هادی ها، به این معنی که در واقع نه یک رسانا است (چیزی شبیه فلز که اجازه می‌دهد الکتریسیته جریان یابد) و نه یک عایق (چیزی مانند پلاستیک که جریان الکتریسیته را متوقف می‌کند)، قرار دارد.

اما چطور می‌توان از سیلیکون برای ساخت ترانزیستور استفاده‌کرد؟

یک فرآیند شیمیایی به نام دوپینگ، که در آن ناخالصی‌ها برای تعدیل ویژگی‌های الکتریکی، نوری و ساختاری به یک نیمه‌رسانا وارد می‌شوند، سیلیکون را قادر می‌سازد تا الکترون‌های آزاد را که حامل جریان الکتریکی هستند، به دست آورد.

بنابراین، در صورت دوپ شدن سیلیکون با عناصر شیمیایی آرسنیک، فسفر یا آنتیموان، سیلیکون می‌تواند مقداری الکترون «آزاد» اضافی به دست ‌آورد، الکترون‌هایی که می‌توانند جریان الکتریکی را حمل کنند، که در این صورت الکترون‌ها به طور طبیعی‌تری از آن خارج می‌شوند.

از آنجایی که الکترون‌ها دارای بار منفی هستند، سیلیکونی که به این روش ناخالص می‌شود، نوع‌n (نوع‌منفی) نامیده‌می‌شود.

ترانزیستور

ما همچنین می‌توانیم سیلیکون را با ناخالصی‌های دیگر مانند بور، گالیوم و آلومینیوم ترکیب کنیم. سیلیکونی که به این روش ناخالص می‌شود، الکترون‌های «آزاد» کمتری دارد، که بنابراین الکترون‌های موجود در مواد مجاور تمایل دارند به درون آن جریان پیدا کنند. به این نوع سیلیکون، نوع‌p (نوع مثبت) گفته‌می‌شود.

لازم به ذکر‌است که هیچ یک از سیلیکون های نوعn یا p در واقع به خودی خود شارژ ندارند و هر دو از نظر الکتریکی خنثی هستند.

پس به طور خلاصه می‌توان گفت که سیلیکون نوعn دارای الکترون‌های «آزاد» اضافی‌است که رسانایی آن را افزایش می‌دهد، در حالی که سیلیکون نوع‌p کمتر از آن الکترون‌های آزاد دارد، که به افزایش رسانایی آن در جهت عکس کمک می‌کند.

در هر دو حالت، رسانایی اضافی از افزودن اتم‌های خنثی (بدون بار) ناخالصی به سیلیکون که در ابتدا خنثی بود، ناشی‌می‌شود. توضیح دقیق تر این فرآیند به معرفی ایده ای به نام نظریه باند نیاز دارد که کمی فراتر از حوصله این مقاله‌است.

تنها نکته ای که باید به خاطر داشته باشیم این‌است که “الکترون‌های اضافی” به معنای الکترون‌های آزاد اضافی هستند که می‌توانند آزادانه حرکت و به حمل جریان الکتریکی کمک کنند.

————————————————–

4- ساختار ترانزیستور

ترانزیستور دارای سه لایه‌است که ساختار آن شامل یکی از حالت های زیراست:

1) یک لایه نیمه هادی نوعn بین دو لایه نوع‌p در پیکربندی مثبت – منفی – مثبت (PNP)،

2) یک لایه نوع‌p بین دو لایه نوعn در پیکربندی منفی – مثبت – منفی (NPN)؛

صرف نظر از پیکربندی لایه‌ها، لایه نیمه هادی داخلی به عنوان الکترود کنترل عمل می‌کند.

یک تغییر کوچک در جریان یا ولتاژ در این لایه، یک تغییر بزرگ و سریع در جریان عبوری از کل قطعه ایجاد می‌کند و ترانزیستور را قادر به کار می‌کند.

پس در حالت کلی دو نوع ترانزیستور وجود دارد، ترانزیستور NPN و ترانزیستور PNP.

نماد ترانزیستورهای NPN و PNP در شکل زیر نشان داده شده‌است.

تنها تفاوت بین ترانزیستور NPN و PNP در جهت جریان آن‌ها‌است.

————————————————–

5- پایانه‌های ترانزیستور

ترانزیستور مانند مجموعه ای از دو دیود است که کاتدها یا آندهای آنها به هم گره خورده‌است، و دارای سه پایانه به نام های امیتر، کلکتور و بیس است که جریان الکتریکی را حمل می‌کنند و به اتصال به مدارهای خارجی کمک می‌کنند. در ادامه هریک از این پایانه ها با جزئیات توضیح داده شده اند.

امیتر، پایانه ای که با حرف E نشان داده می‌شود.

اندازه متوسطی دارد و به شدت دوپ شده‌است، زیرا وظیفه اصلی آن تامین حامل های بار اکثریت متعدد برای پشتیبانی از جریان برق است و از آنجایی که الکترون ساطع می‌کند، امیتر نامیده می‌شود.

امیتر همیشه به صورت بایاس مستقیم نسبت به بیس متصل می‌شود.

کلکتور، پایانه ای است که بخش عمده ای از حامل بار تامین شده توسط امیتر را جمع آوری می‌کند، و با حرف C مشخص می‌شود. اتصال کلکتور-بیس همیشه در بایاس معکوس است و وظیفه اصلی آن حذف اکثر بارها از محل اتصال خود به بیس است. بخش کلکتور ترانزیستور نسبتاً دوپ شده‌است، و اندازه بزرگتری نسبت به امیتر و بیس دارد.

بیس، پایانه ای است که در بخش میانی ترانزیستور قرار دارد و با حرف B مشخص می‌شود. بیس در واقع ترمینال مرکزی بین امیتر و کلکتور است و هدف اصلی آن انتقال حامل ها از امیتر به کلکتور است.

مدار بیس-امیتر در بایاس مستقیم است و مقاومت پایینی را به مدار ارائه می‌دهد. اتصال بیس-کلکتور در بایاس معکوس است و مقاومت بالاتری را در برابر مدار ارائه می‌دهد. پایانه بیس ترانزیستور، کمی دوپ شده و بسیار نازک است.

————————————————–

6- ترانزیستور چگونه کار می‌کند؟

در این بخش می خواهیم از یک مثال برای درک بهتر نحوه کار ترانزیستور استفاده کنیم. لوله ای را تصور کنید که آب آزادانه در آن جریان دارد و تا زمانی که توسط مانعی مانند یک صفحه یا دیسک آن را مسدود نکنیم، به مسیر خود ادامه می‌دهد.

حال، اگر لوله کوچکتری را به لوله اصلی وصل کنیم و در این لوله کوچک یک گیت نوسانی قرار دهیم، می‌توانیم دیسک تعبیه شده را با استفاده از یک قرقره حرکت دهیم. هرچه گیت نوسانی بیشتر باز شود، آب بیشتری در لوله اصلی جریان می یابد.

از آنجا که گیت نوسانی کمی سنگین است، مقدار کم آب برای باز کردن آن کافی نخواهد بود و به مقدار معینی آب برای باز شدن گیت نیاز‌است. بنابراین، هرچه آب بیشتری در این لوله کوچک جریان داشته باشد، گیت بیشتر باز می‌شود و اجازه می‌دهد تا آب بیشتری در لوله اصلی جریان یابد.

اساساً ترانزیستور NPN اینگونه کار می‌کند. شاید بدانید که هنگام طراحی مدارهای الکترونیکی، از مقدار جریان معمولی استفاده می‌شود.

فرض بر اینکه: 

از این رو، برای مدار ترانزیستور NPN نیز فرض می‌کنیم که جریان از بخش مثبت باتری، به پین کلکتور و بیس جاری و سپس از پین امیتر خارج می‌شود. معمولا از این جهت برای طراحی مدارها استفاده می‌شود. اگرچه، این چیزی نیست که در واقع اتفاق می افتد.

واقعیت آن است که الکترون‌ها از منفی به مثبت یک باتری در جریان هستند، و این مسئله توسط جوزف تامپسون که آزمایش هایی برای کشف الکترون انجام داد، ثابت شد، او همچنین ثابت کرد که الکترون‌ها در جهت مخالف، جریان دارند. بنابراین، در واقعیت، الکترون‌ها از قسمت منفی به امیتر و سپس از کلکتور و پایه های بیس جریان می یابند که به این عمل گردش الکترون گفته می‌شود. به یاد داشته باشید، که ما همیشه مدارها را با استفاده از روش جریان معمولی طراحی می کنیم.

اما، دانشمندان و مهندسان می‌دانند که جریان الکترون دقیقاً چگونه کار می‌کند. ما می دانیم که الکتریسیته، گردش الکترون‌ها از طریق یک سیم‌است.

ادامه

سیم مسی، رسانا و لاستیک، عایق‌است و الکترون‌ها می‌توانند به راحتی از طریق مس جریان داشته باشند، اما نمی‌توانند از طریق عایق لاستیکی عبور کنند. اگر به مدل اصلی یک اتم برای یک رسانای فلزی توجه کنیم، می بینیم که هسته در مرکز قرار دارد و توسط تعدادی لایه مداری که الکترون‌ها را نگه می دارند، احاطه شده‌است.

هر لایه حداکثر تعداد الکترون را در خود جای می‌دهد و یک الکترون برای پذیرفته شدن در هر لایه باید مقدار مشخصی انرژی داشته باشد. الکترون‌هایی که در دورترین فاصله از هسته قرار دارند، بیشترین انرژی را دارند. بیرونی ترین لایه به لایه ظرفیت یا والانس معروف است، و یک رسانا بین 1 تا 3 الکترون در لایه والانس خود دارد.

الکترون

الکترون‌ها توسط هسته در جای خود نگه داشته می‌شوند، اما لایه دیگری به نام نوار رسانایی وجود دارد، که اگر یک الکترون بتواند به این نوار برسد، آنگاه می‌تواند از اتم جدا شده و به سمت اتم های دیگر حرکت کند. در یک اتم فلزی مانند مس، لایه والانس و نوار رسانایی همپوشانی دارند، بنابراین حرکت الکترون‌ها بسیار آسان است. در یک عایق، بیرونی ترین لایه، بسته بندی می‌شود و فضای بسیار کمی برای پیوستن یک الکترون وجود دارد.

از آنجاییکه هسته چسبندگی محکمی روی الکترون‌ها دارد و نوار رسانش دور است، الکترون‌ها نمی‌توانند برای فرار به آن برسند. بنابراین، الکتریسیته نمی‌تواند از این ماده عبور کند. با این حال، ماده دیگری به نام نیمه هادی وجود‌دارد.

سیلیکون نمونه ای از نیمه هادی‌ها‌است. در این ماده، تعداد زیادی الکترون در لایه والانس وجود دارد که نمی‌تواند رسانا باشد، بنابراین به عنوان یک عایق عمل‌می‌کند. اما، از آنجایی که نوار رسانایی کاملاً نزدیک‌است، با فراهم شدن مقداری انرژی خارجی، برخی از الکترون‌ها می‌توانند انرژی کافی برای پرش به نوار رسانایی و آزاد شدن را به دست ‌آورند. بنابراین، این ماده می‌تواند هم به عنوان عایق و هم به عنوان رسانا عمل کند.

ادامه

سیلیکون خالص تقریباً هیچ الکترون آزادی ندارد، بنابراین کاری که مهندسان انجام می‌دهند این‌است که سیلیکون را با مقدار کمی از ماده دیگری که خواص الکتریکی آن را تغییر می‌دهد، دوپ می‌کنند.

و همانطور که در بخش قبل توضیح داده‌شد، سیلیکون می‌تواند در دو نوع‌p و N دوپینگ شود و در نهایت دو ترانزیستور نوعnPN و PNP بدست آید.

حال تصور می کنیم که سیلیکون هنوز دوپینگ نشده‌است، بنابراین فقط سیلیکون خالص داخل آن‌است. هر اتم سیلیکون توسط 4 اتم سیلیکون دیگر احاطه‌می‌شود. هر اتم 8 الکترون در لایه والانس خود می‌خواهد. اما، اتم های سیلیکون فقط 4 الکترون در لایه والانس خود دارند.

بنابراین، آنها یواشکی یک الکترون را با اتم همسایه خود به اشتراک می گذارند تا 8 الکترون مورد نظر خود را بدست آورند. این اشتراک گذاری به عنوان پیوند کووالانسی شناخته‌می‌شود. از این رو، هنگامی که ما مواد نوعn مانند فسفر را به آن اضافه می‌کنیم، موقعیت برخی از اتم های سیلیکون را می‌گیرد.

اتم های فسفر دارای 5 الکترون در لایه والانس خود هستند. بنابراین، از آنجایی که اتم‌های سیلیکون برای به دست آوردن 8 الکترون مورد نظر خود، الکترون‌هایی را به اشتراک می‌گذارند، به این الکترون اضافی نیازی ندارند، به این معنی که اکنون الکترون‌های اضافی در ماده وجود دارد و این الکترون‌ها آزادانه در اطراف حرکت می‌کنند. در دوپینگ نوع‌p، ماده‌ای مانند آلومینیوم را به آن اضافه می‌کنیم، این اتم تنها 3 الکترون در لایه والانس خود دارد.

بنابراین  نمی‌تواند چهار همسایه خود را با یک الکترون به اشتراک بگذارد، از این رو، یکی از آنها باید بدون الکترون باشد. این بدان معناست که حفره ای ایجاد شده‌است که الکترون می‌تواند در آن بنشیند و اشغال کند.

ما اکنون دو قطعه سیلیکون دوپ شده داریم، یکی با الکترون‌های زیاد و دیگری با الکترون‌های غیر کافی. این دو ماده به هم می پیوندند و یک اتصال PN را تشکیل می‌دهند، در این اتصال ناحیه‌ای تحت عنوان منطقه تخلیه ایجاد‌می‌شود.

در این ناحیه، برخی از الکترون‌های اضافی از سمت نوعn حرکت می‌کنند تا حفره سمت نوع‌p را اشغال کنند. این مهاجرت مانعی را با تجمع الکترون‌ها و حفره‌ها در طرف های مخالف تشکیل می‌دهد. الکترون‌ها دارای بار منفی هستند و بنابراین حفره‌ها دارای بار مثبت در نظر گرفته‌می‌شوند.

بنابراین این تجمع باعث ایجاد یک ناحیه با بار کمی منفی و یک ناحیه با بار مثبت کمی‌می‌شود که یک میدان الکتریکی ایجاد می‌کند و از حرکت الکترون‌های بیشتر در عرض جلوگیری می‌کند.

اختلاف پتانسیل

اختلاف پتانسیل در این ناحیه معمولاً حدود 0.7 ولت‌است. هنگامی که یک منبع ولتاژ را به دو سر وصل کنیم، با اتصال پایانه مثبت به ماده نوع‌p، یک بایاس مستقیم ایجاد‌می‌شود و الکترون‌ها شروع به گردش می‌کنند.

منبع ولتاژ باید بیشتر از 0.7 ولت باشد، در غیر این صورت الکترون‌ها نمی‌توانند پرش را انجام دهند. هنگامی که منبع تغذیه را معکوس می کنیم تا پایانه مثبت به ماده نوعn متصل شود، الکترون‌های نگه داشته‌شده در مانع به سمت ترمینال مثبت و حفره‌ها به سمت ترمینال منفی کشیده می‌شوند. که در واقع در این حالت جهت گیری معکوس اتفاق افتاده‌است.

در یک ترانزیستور NPN، ما دو لایه از مواد نوعn داریم، که یعنی دو اتصال و در نتیجه دو مانع وجود‌دارد. بنابراین، هیچ جریانی نمی‌تواند به طور معمول از آن عبور کند. اما ماده امیتر نوعn به شدت دوپ شده‌است و از این رو تعداد زیادی الکترون اضافی وجود‌دارد.

ترمینال بیس نوع‌p نیز کمی دوپ شده‌است، بنابراین چند حفره در اینجا نیز موجود‌است. کلکتور نوعn به میزان متوسطی دوپ شده‌است، بنابراین چند الکترون اضافی در اینجا نیز وجود‌دارد.

باتری

در صورتیکه یک باتری را به بیس و امیتر وصل کنیم، با اتصال مثبت به لایه نوع‌p،  یک بایاس مستقیم ایجاد می‌شود. بایاس مستقیم باعث می‌شود تا زمانی که ولتاژ حداقل 0.7 ولت‌است، مانع موجود فرو بریزد. از این رو، با کاهش مانع، الکترون‌ها برای پر کردن فضای درون ماده نوع‌p هجوم می‌آورند.

برخی از این الکترون‌ها یک حفره را اشغال‌می‌کنند و به سمت پایانه مثبت باتری کشیده‌می‌شوند. لایه نوع‌p نازک‌است و به آرامی به طور عمدی دوپ شده‌است، به طوری که احتمال افتادن الکترون‌ها در یک حفره کم‌است. باقی الکترون‌ها برای حرکت در اطراف آزاد خواهند بود.

و

بنابراین، فقط یک جریان کوچک از ترمینال بیس خارج می‌شود و الکترون‌های اضافی را در ماده نوع‌p باقی می گذارد. اگر باتری دیگری را بین امیتر و کلکتور ، با اتصال مثبت به کلکتور متصل کنیم، الکترون‌های با بار منفی در کلکتور به سمت ترمینال مثبت کشیده‌می‌شوند که باعث بایاس معکوس‌می‌شود. اگر به خاطر داشته‌باشید در بایاس معکوس، الکترون‌ها و حفره‌های مانع، به عقب کشیده‌می‌شوند.

بنابراین، الکترون‌های سمت نوع‌p مانع به سمت نوعn و حفره‌های سمت نوعn به سمت نوع‌p کشیده‌می‌شوند. حال، تعداد زیادی الکترون در مواد نوع‌p وجود دارد که برای اشغال این حفره‌ها حرکت می‌کنند و برخی از آنها به دلیل ولتاژ زیاد باتری و در نتیجه جاذبه بیشتر، به عرض کشیده‌می‌شوند. همانطور که این الکترون‌ها کشیده‌می‌شوند، به سمت باتری نیز جریان می یابند تا جریانی در سراسر اتصال بایاس معکوس ایجاد شود.

ولتاژ بالاتر بر روی پایه بیس، ترانزیستور را به طور کامل باز می‌کند، که به این معنی‌است که جریان بیشتر و الکترون‌های بیشتری در لایه نوع‌p حرکت می‌کنند، و بنابراین الکترون‌های بیشتری از طریق بایاس معکوس کشیده‌می‌شوند. همچنین الکترون‌های بیشتری را در سمت امیتر ترانزیستور در مقایسه با سمت کلکتور می‌بینیم.

برای درک بهتر این ساختار، پیشنهاد می کنیم ویدیو زیر را تماشا کنید.

شرایط کار ترانزیستور

هنگامی که محل اتصال امیتر در بایاس مستقیم و اتصال کلکتور در بایاس معکوس باشد، گفته‌می‌شود که ترانزیستور در ناحیه فعال‌است. ترانزیستور دارای دو اتصال‌است که می‌توانند به روش‌های مختلف بایاس شوند. در ادامه حالت‌های کاری متفاوت ترانزیستور توضیح داده‌شده‌است.

FR :

در این حالت، اتصال امیتر-بیس به صورت بایاس مستقیم و اتصال پایه کلکتور به صورت بایاس معکوس‌است. ترانزیستور در ناحیه فعال‌است و جریان کلکتور به جریان امیتر بستگی دارد. ترانزیستوری که در این ناحیه فعال‌است برای تقویت استفاده‌می‌شود.

FF :

در این شرایط، هر دو اتصال در حالت بایاس مستقیم هستند. ترانزیستور در حالت اشباع‌است و جریان کلکتور مستقل از جریان بیس می‌باشد. در این حالت ترانزیستور مانند یک کلید بسته عمل‌می‌کند.

RR :

هر دو جریان بایاس معکوس هستند. امیتر حامل بار اکثریت را به بیس تامین نمی‌کند و جریان حامل ها توسط کلکتور جمع آوری نمی‌شود. بنابراین ترانزیستورها مانند یک کلید بسته عمل می‌کنند.

RF :

اتصال امیتر-بیس در بایاس معکوس‌است و اتصال کلکتور-بیس در بایاس مستقیم نگه داشته‌می‌شود. از آنجایی که کلکتور در مقایسه با امیتر کمی دوپ شده‌است، حامل بار اصلی را به بیس تامین نمی‌کند. از این رو، ترانزیستور به صورت ضعیف عمل می‌کند.

————————————————–

7- انواع ترانزیستور:

انواع مختلفی از ترانزیستورها وجود دارد که برخی از آن‌ها عبارتند از:

1- ترانزیستوراتصال دو قطبی (BJT)

2- ترانزیستور شاتکی

3- ترانزیستور دارلینگتون

4- ترانزیستور دوقطبی ناهمگون

5- ترانزیستور اثر میدان

6- ترانزیستور اتصالی FET

7- ترانزیستور ماسفت

8- ترانزیستور چندگانه امیتر

9- ترانزیستور Avalanche

10- ترانزیستور Diffusion

7-1- تقسیم‌بندی ترانزیستورها بر اساس کاربرد

از آنجا که ترانزیستورهای اتصال دوقطبی (BJT) و اثر میدان (FET) نسبت به سایرین پرکاربردتر هستند، در ادامه به توضیح آن‌ها و زیر مجموعه هایشان می‌پردازیم.

1- ترانزیستور اتصال دوقطبی (BJT)

ترانزیستورهای اتصالی، به طور کلی ترانزیستور اتصال دوقطبی (BJT) نامیده‌می‌شوند. اصطلاح “Bipolar” به معنای الکترون و حفره برای هدایت جریان و اصطلاح “Junction” به معنی اتصال PN (در واقع دو اتصال)‌است. BJT ها دارای سه پایانه به نام2های امیتر (E)، بیس (B) و کلکتور (C) هستند.

ترانزیستورهای BJT بسته به ساختار به دو دسته ترانزیستورهای NPN و PNP طبقه‌بندی می‌شوند. BJT ها اساساً دستگاه‌های کنترل‌شده با جریان هستند. در صورتیکه مقدار کمی جریان از پایانه بیس یک ترانزیستور BJT عبور کند، جریان زیادی از امیتر به کلکتور ایجاد می‌شود. ترانزیستورهای اتصال دوقطبی امپدانس ورودی پایینی دارند که باعث می‌شود جریان زیادی از ترانزیستور عبور کند.

ترانزیستورهای اتصال دوقطبی فقط با جریان ورودی که به ترمینال بیس داده‌می‌شود، روشن می‌شوند.

ترانزیستور BJT نوعnPN

NPN یکی از دو نوع ترانزیستور اتصال دوقطبی (BJT)‌است. ترانزیستور NPN از دو ماده نیمه هادی نوعn تشکیل شده‌است که توسط یک لایه نازک از نیمه هادی نوع‌p از هم جدا می‌شوند. در این نوع ترانزیستور، حامل های باراکثریت، الکترون‌ها هستند، در حالی که حفره ها حامل های بار اقلیت هستند.

جریان الکترون‌ها از امیتر به کلکتور توسط جریانی که در ترمینال بیس جاری شده‌است، کنترل‌می‌شود. مقدار کم جریان در ترمینال بیس منجر به جاری شدن جریان زیاد از امیتر به کلکتو‌رمی‌شود. امروزه ترانزیستور دوقطبی پرکاربرد، از نوع  ترانزیستور NPN‌است، زیرا تحرک الکترون‌ها بیشتر از تحرک حفره‌ها‌ست. معادله استاندارد برای جریان‌های جاری در ترانزیستور به صورت زیراست:

IE = IB + IC

نمادها و ساختار ترانزیستورهای NPN در ادامه آورده‌شده‌است.

ترانزیستور BJT نوع‌PNP

PNP نوع دیگری از ترانزیستورهای اتصال دوقطبی (BJT)‌است. ترانزیستورهای PNP شامل دو ماده نیمه هادی نوع‌p هستند‌که توسط یک لایه نازک از نیمه هادی نوعn از هم جدا می‌شوند. حامل های بار اکثریت در ترانزیستورهای PNP ، حفره ها،  و حامل های بار اقلیت، الکترون‌ها‌هستند.

فلش مشخص‌شده در ترمینال امیتر ترانزیستور، گردش جریان معمولی را نشان می‌دهد. در ترانزیستور PNP، جریان از امیتر به کلکتور جاری می‌شود. ترانزیستور PNP زمانی روشن‌است که ترمینال بیس نسبت به امیتر پایین کشیده‌شود. در ادامه نماد و ساختار ترانزیستور PNP نشان داده‌شده‌است.

ترانزیستور اثر میدانی (FET)

ترانزیستور اثر میدانی (FET) یکی دیگر از انواع اصلی ترانزیستور‌است. اساسا، ترانزیستور FET دارای سه ترمینال (مانند BJT)‌است که عبارتند از : گیت (G)، درین (D) و سورس (S).

ترانزیستورهای اثر میدانی به ترانزیستورهای اثر میدان اتصالی (JFET) و ترانزیستورهای اثر میدانی گیت عایق (IG-FET) یا ترانزیستورهای اثر میدانی نیمه هادی اکسید فلزی (MOSFET) طبقه‌بندی می‌شوند. برای اتصالات در مدار، یک ترمینال چهارم به نام Body یا Substrate را نیز در نظر می‌گیریم.

FET‌ها بر روی اندازه و شکل کانال بین سورس و درین، که توسط ولتاژ اعمال‌شده در گیت ایجاد‌می‌شود، کنترل‌دارند. ترانزیستورهای اثر میدانی، ادوات تک قطبی هستند، چراکه برای کار فقط به حامل‌های شارژ اکثریت نیاز دارند (برخلاف BJT که ترانزیستورهای دوقطبی هستند).

ترانزیستور اثر میدان اتصال (JFET)

ترانزیستور اثر میدان اتصال (JFET) اولین و ساده ترین نوع ترانزیستور اثر میدانی‌است. JFET‌ها قابلیت استفاده‌به عنوان کلید، تقویت‌کننده و مقاومت را دارند. در واقع، این نوع از ترانزیستور یک دستگاه کنترل ولتاژ‌است و نیازی به جریان بایاس ندارد. ولتاژ اعمال‌شده بین ترمینال‌های گیت و سورس، جریان الکتریکی بین ترمینال‌های سورس و درین ترانزیستور را کنترل می‌کند. ترانزیستورهای JFET در دو نوعn-Channel و P-Channel موجود‌هستند.

1-1) ترانزیستورهای JFET نوعn-Channel

در ترانزیستورهای JFET نوعn-Channel، گردش جریان به دلیل الکترون‌ها اتفاق می‌افتد. هنگامی که ولتاژ بین گیت و سورس اعمال‌می‌شود، یک کانال بین سورس و درین برای گردش جریان تشکیل‌می‌شود. این کانال N–Channel نام دارد.

امروزه JFET‌های N-Channel نسبت به JFET کانال P ترجیح داده‌می‌شوند. در ادامه نمادهای ترانزیستور JFET کانال N آورده‌شده‌است.

1-2) ترانزیستورهای JFET نوع‌p-Channel

در این نوع از ترانزیستورهای JFET، گردش جریان به دلیل حفره‌ها ایجاد‌می‌شود. کانال بین سورس و درین، کانال P نامیده‌می‌شود. نمادهای JFET‌های کانال P در ادامه آورده‌شده‌است. در اینجا، علامت‌های فلش جهت گردش جریان را نشان می‌دهد.

2) ماسفت

ترانزیستور اثر میدان نیمه هادی اکسید فلز یا ماسفت (MOSFET) متداول ترین و محبوب ترین نوع در بین تمام ترانزیستورها‌است. نام “اکسید فلز” نشان می‌دهد که ناحیه گیت و کانال توسط یک لایه نازک از اکسید فلز (معمولاً SiO2) از هم جدا شده‌اند. از این رو، ماسفت به عنوان FET گیت عایق‌شده نیز شناخته‌می‌شود، زیرا ناحیه گیت کاملاً از منطقه سورس – درین عایق شده‌است.

در ترانزیستور ماسفت یک ترمینال اضافی به نام Substrate یا Body وجود دارد که نیمه هادی اصلی (سیلیکون) بوده و FET در آن ساخته‌می‌شود. بنابراین، ماسفت دارای چهار پایانه به نام‌های درین، سورس، گیت و زیرلایه‌است.

ترانزیستور ماسفت مزایای زیادی نسبت به BJT و JFET دارد و می‌تواند امپدانس ورودی بالا و امپدانس خروجی کم را ارائه دهد. این نوع از ترانزیستور، عمدتا در مدارهای سوئیچینگ و قدرت استفاده‌می‌شود و جزء اصلی در فناوری‌های طراحی مدار مجتمع‌است.

ترانزیستورهای ماسفت در انواع کاهشی و افزایشی موجود‌هستند. علاوه بر این، انواع کاهشی و افزایشی به انواع N-Channel و P-Channel طبقه‌بندی‌می‌شوند.

2-1) ماسفت نوعn-Channel

ماسفت که دارای ناحیه N-Channel بین سورس و درین‌است، ماسفت N-Channel نامیده‌می‌شود. در این حالت، پایانه‌های سورس و گیت به شدت با مواد نوعn واقع در یک ماده نیمه هادی نوع‌p (زیرلایه)، دوپ شده‌اند. گردش جریان بین سورس و درین به دلیل وجود الکترون‌است. ولتاژ گیت، گردش جریان در مدار را کنترل‌می‌کند. ماسفت N-Channel بیشتر از ماسفت P-Channel استفاده‌می‌شود زیرا تحرک الکترون‌ها بیشتر از تحرک حفره‌هاست. نمادها و ساختارهای ترانزیستورهای ماسفت N-Channel در هر دو حالت افزایش و کاهش آورده‌‌شده‌است.

2-2) ماسفت نوع‌p-Channel

ماسفت که دارای ناحیه P-Channel بین سورس و درین‌است، ماسفت P-Channel نامیده‌می‌شود. در این حالت، پایانه‌های سورس و درین به شدت با مواد نوع‌p و زیرلایه با مواد نوعn دوپ شده‌است. گردش جریان نیز بین سورس ودرین، به دلیل غلظت حفره‌ها ایجاد‌می‌شود. ولتاژ اعمال‌شده در گیت، گردش جریان را در ناحیه کانال کنترل می‌کند. نمادها و ساختارهای ترانزیستورهای ماسفت P-Channel در هر دو حالت کاهشی و افزایشی آورده‌شده‌است

7-2- تقسیم‌بندی ترانزیستورها بر اساس عملکرد

ترانزیستورها را براساس عملکردشان نیز می‌توان در گروه‌های مختلفی طبقه‌بندی کرد که عبارتند از:

1) ترانزیستورهای سیگنال کوچک

عملکرد اصلی ترانزیستورهای سیگنال کوچک، تقویت سیگنال‌های کوچک‌است، اما گاهی اوقات از این ترانزیستورها برای سوئیچینگ نیز استفاده‌می‌شود. ترانزیستورهای سیگنال کوچک به شکل ترانزیستورهای NPN و PNP در بازار موجود هستند. مقادیر چاپ‌شده بر روی بدنه ترانزیستور سیگنال کوچک، نشان‌دهنده hFE ترانزیستور‌است. hFE به درک ظرفیت ترانزیستور برای تقویت سیگنال کمک می‌کند. مقادیر رایج hFE برای این نوع ترانزیستور در محدوده 10 تا 500‌است. مقدار جریان کلکتور این ترانزیستورها 80 تا 600 میلی آمپر‌است. این نوع ترانزیستورها با محدوده فرکانسی 1 تا 300 مگاهرتز کار می‌کنند.

نام ترانزیستور خود نشان می‌دهد که این ترانزیستورها سیگنال‌های کوچکی را تقویت می‌کنند که از ولتاژها و جریان‌های کوچکی مانند چند میلی ولت و میلی آمپراستفاده‌می‌کنند.

ترانزیستورهای سیگنال کوچک تقریباً در همه انواع تجهیزات الکترونیکی استفاده می‌شوند و همچنین از این ترانزیستورها در کاربردهای مختلف مانند کلیدهای روشن یا خاموش برای‌استفاده عمومی، درایور دیود LED، درایور رله، عملکرد قطع صدا، مدارهای تایمر، مدارهای تغذیه بایاس و غیره استفاده‌می‌شوند.

2) ترانزیستورهای سوئیچینگ کوچک

ترانزیستورهای سوئیچینگ کوچک ترانزیستورهایی هستند که عمدتاً برای سوئیچینگ و گاهی اوقات برای تقویت استفاده می‌شوند. مانند ترانزیستورهای سیگنال کوچک، ترانزیستورهای سوئیچینگ کوچک نیز به شکل NPN و PNP موجود و دارای مقادیر hFE هستند. محدوده مقدار hFE برای این ترانزیستورها از 10 تا 200‌است. این نوع از ترانزیستورها در مقدار hFE 200، تقویت‌کننده‌های خوبی نیستند، اما به عنوان سوئیچ می‌توانند بهتر عمل کنند. مقادیر جریان کلکتور از 10 تا 1000 میلی آمپر متغیر‌است. این ترانزیستورها بیشتر در کاربردهای سوئیچینگ استفاده می‌شوند.

3) ترانزیستورهای قدرت

ترانزیستورهایی که در تقویت‌کننده‌ها و منابع تغذیه پرقدرت استفاده می‌شوند، ترانزیستورهای قدرت نامیده‌می‌شوند. ترمینال کلکتور این ترانزیستور به پایه یک دستگاه فلزی متصل‌است و این ساختار به عنوان هیت سینک عمل‌می‌کند که نیروی اضافی را دفع می‌کند. این نوع از ترانزیستورها در قالب ترانزیستورهای NPN، PNP و دارلینگتون موجود می‌باشند. در ترانزیستور قدرت مقادیر جریان کلکتور از 1 تا 100 آمپر، و محدوده فرکانس کاری از 1 تا 100 مگاهرتز متغیر‌است. همچنین، مقادیر توان این ترانزیستورها از 10 تا 300 وات می‌باشد. نام ترانزیستور خود نشان می‌دهد که ترانزیستورهای قدرت در کاربردهایی استفاده‌می‌شوند که به توان بالا، ولتاژ بالا و جریان بالا نیاز‌است.

4) ترانزیستورهای فرکانس بالا

ترانزیستورهای فرکانس بالا برای سیگنال‌های کوچکی که در فرکانس‌های بالا کار می‌کنند، استفاده‌می‌شوند. همچنین، از آن‌ها برای برنامه‌های سوئیچینگ با سرعت بالا نیز استفاده‌می‌شود. ترانزیستورهای فرکانس بالا را ترانزیستور RF نیز می نامند. این ترانزیستورها دارای حداکثر فرکانس حدود 2000 مگاهرتز‌هستند. مقدار جریان کلکتور (IC) بین 10 تا 600 میلی آمپر‌است.

این نوع ترانزیستورها به صورت NPN و PNP نیز موجود‌هستند. آن‌ها عمدتاً در کاربردهای سیگنال‌های فرکانس بالا استفاده‌می‌شوند و همچنین باید فقط در سرعت های بالا روشن یا خاموش باشند. این ترانزیستورها در مدارهای نوسان‌ساز و تقویت‌کننده HF، VHF، UHF، CATV و MATV استفاده‌می‌شوند.

5) ترانزیستور Photo

ترانزیستورهای Photo، ترانزیستورهایی هستند‌که بسته‌به نور کار می‌کنند، یعنی این ترانزیستورها به نور حساس‌هستند. یک ترانزیستور Photo ساده چیزی نیست جز یک ترانزیستور دوقطبی که به جای ترمینال بیس دارای ناحیه حساس به نور‌است.

ترانزیستورهای Photo به جای 3 ترمینال (در BJT) فقط 2 ترمینال دارند. هنگامی که ناحیه حساس به نور تاریک‌است، در ترانزیستور هیچ جریانی گردش ندارد، یعنی ترانزیستور در حالت خاموش‌است. هنگامی که ناحیه حساس به نور در معرض نور قرار می گیرد، مقدار کمی جریان در ترمینال بیس ایجاد‌می‌شود و باعث‌می‌شود جریان زیادی از کلکتور به امیتر جاری‌شود.

ترانزیستورهای Photo ، در هر دو نوع ترانزیستور BJT و FET موجود‌هستند. اینها به عنوان Photo-BJT و Photo-FET نامگذاری‌می‌شوند. برخلاف photo-BJT‌ها، photo-FET‌ها با استفاده‌از نور، ولتاژ گیت را تولید می‌کنند که گردش جریان بین پایانه‌های درین و سورس را کنترل می‌کند.

Photo-FET‌ها نسبت به photo-BJT‌ها به نور حساس‌تر‌هستند. نمادهای photo-BJT و photo-FET در شکل فوق نشان داده‌شده‌است.

6) ترانزیستورهای پیوندی (UJT)

ترانزیستورهای پیوندی (UJT) فقط به عنوان کلیدهای کنترل‌شده الکتریکی استفاده‌می‌شوند.این ترانزیستورها به دلیل طراحی شان هیچ ویژگی تقویتی ندارند. اینها عموماً شامل سه ترانزیستور هستند‌که در آن‌ها، دو ترمینال بیس و سومی امیتر نامیده‌می‌شوند.

حالا بیایید عملکرد ترانزیستور تک پیوندی را ببینیم. اگر بین امیتر و هر یک از پایانه‌های بیس (B1 یا B2) اختلاف پتانسیل وجود نداشته‌باشد، مقدار کمی جریان بین B1 و B2 جاری‌می‌شود.

اگر مقدار کافی ولتاژ به ترمینال امیتر اعمال‌شود، جریان زیادی در ترمینال امیتر تولید‌می‌شود که به جریان کم بین B1 و B2 اضافه‌می‌شود، و در نهایت باعث ایجاد جریان زیادی در ترانزیستور می‌شود. در اینجا، جریان امیتر، منبع جریان اولیه برای کنترل جریان کل در ترانزیستور‌است. جریان بین پایانه‌های B1 و B2 بسیار کم‌است و به همین دلیل این ترانزیستورها برای تقویت مناسب نیستند.

————————————————–

8- مزایا ومحدودیت‌های ترانزیستور

مزایای استفاده‌از ترانزیستور

ترانزیستور به عنوان یک اختراع بسیار مهم در علم ثابت شده‌است و کاربردها و مزایای زیادی‌دارد: اندازه آن کوچک‌است و بسیار مقرون به صرفه‌است. برای عملکرد به ولتاژ بسیار پایین نیاز‌دارد. عمر طولانی دارد و برای کار کردن نیازی به برق ندارد. یک مدار مجتمع واحد را می‌توان با استفاده از ترانزیستور توسعه داد. جریان به سرعت در پایانه‌های آن تغییر می‌کند.

محدودیت‌های استفاده از ترانزیستور

حتی اگر ترانزیستورها بسیار کارآمد باشند، محدودیت‌هایی برای استفاده از آن وجود‌دارد: ترانزیستورها به دلیل تغییر شرایط الکتریکی و دمایی خیلی راحت آسیب می بینند. آنها فاقد تحرک الکترون بالا هستند. آنها می‌توانند تحت تأثیر تشعشع قرار گیرند.

————————————————–

مراجع

Transistor

Types of Transistors: Definition, Formula, Applications & Sample Questions

Transistor Explained- How Transistors Work

What is a Transistor: How Does It Work – NPN & PNP

Difference between NPN And PNP Transistor: Circuit Diagram, Working

Transistor

مطالب مرتبط

ماسفت

مدار‌مجتمع (IC)