ترانزیستور چیست؟ انواع و نحوه کارکرد

ترانزیستور چیست؟

ترانزیستور مهمترین قطعه و قلب تپنده انواع مدارات الکترونیکی است و قسمت اصلی تراشه های الکترونیکی را تشکیل می دهند. از آنها جهت تقویت یا قطع و وصل سیگنال ها استفاده شده و از مواد نیمه رسانایی مانند سیلیسیم و ژرمانیم ساخته می شود. ترانزیستورها در ساختار خود پیوندهای نوع N و نوع P دارند.

ترانزیستورها معمولاً در IC ها و کنار تراشه های دیگر از جمله مقاومت، خازن و … به کار رفته و قیمت پایین آنها به دلیل قابلیت تولید انبوه تمام اتوماتیک است، که این هزینه تولید کم، یکی از دلایل اصلی اهمیت آن برای جامعه امروز است.

ترانزیستورها به دو دسته کلی اتصال دوقطبی (BJT) و اثر میدانی (FET) تقسیم بندی می شوند. تفاوت این دو گروه، در نحوه کنترل جریان عبوری از آنها است. اعمال جریان در هر دو نوع BJTها، و ولتاژ در FETها بین ورودی و ترمینال مشترک، حالت رسانایی بین خروجی و ترمینال مشترک را افزایش داده، و به این ترتیب باعث کنترل شدت جریان بین آن‌ها می شود. مشخصات ترانزیستورها بستگی به نوع آنها داشته و شکل ظاهریشان با توجه به توان و فرکانس کاری متفاوت است.

تاریخچه ترانزیستور

در سال ۱۹۲۸ میلادی و در آلمان فیزیک دانی به نام لیلینفلد این قطعه مهم را اختراع کرد، اما به این دلیل که او هیچ مقاله ای درباره آن چاپ نکرد، باعث شد تا این ثبت اختراع از طرف صنعت نادیده گرفته شود. بعد از آن در سال ۱۹۳۴ فیزیکدان آلمانی دیگری به نام دکتر اسکار هایل، توانست ترانزیستور اثر میدان دیگری را به نام خود به ثبت برساند. با اینکه هیچ مدرک مستقیمی در دسترس نیست که نشان دهد این قطعه ساخته شده باشد، اما بعدها با کارهایی که در دهه ۱۹۹۰ انجام شد، نشان دهنده این بود که یکی از طرح های لیلینفلد کار کرده و توانسته خاصیت تقویت کنندگی قابل توجهی داشته باشد. اوراق قانونی آزمایشگاه های ثبت اختراع بل نشان دهنده این است که آقای ویلیام شاکلی و جرالد پیرسن، توانسته اند یک نسخه قابل استفاده از اختراع لیلینفلد بسازند، اما آنها هرگز این را در تحقیقات و مقالات خود ذکر نکرده بودند.

در تاریخ ۲۳ دسامبر سال ۱۹۴۷میلادی، ویلیام شاکلی، جان باردین و والتر براتین موفق شدند اولین ترانزیستور اتصال نقطه ای را در آزمایشگاه بل بسازند. این کار با تلاش هایی که زمان جنگ جهت تولید دیودهای میکسر کریستال ژرمانیم خالص انجام می شد ادامه یافت، در آن زمان این دیودها را در واحدهای رادار به عنوان میکسر فرکانس در گیرنده های میکروموج استفاده کی کردند. یک پروژه دیودهای ژرمانیم در دانشگاه پردو موفق به تولید کریستال های نیمه هادی ژرمانیم، با کیفیت خوب که در آزمایشگاه‌های بل به کار می رفت شد. سرعت سوئیچ در تکنولوژی لامپی اولیه که برای برای این کار استفاده می شد کافی نبود، به همین دلیل تیم بل مجبور شد داد تا دیودهای حالت جامد جایگزین آن کنند. آنها با دانشی که در دست داشتند شروع به طراحی و ساخت سه قطبی نیمه هادی کردند، اما پی بردند که این کار پیچیده ای است. آقای جان باردین سرانجام توانست یک شاخه جدید فیزیک سطحی را برای محاسبه رفتار عجیبی که دیده بودند ایجاد کند و سرانجام براتین و باردین موفق به ساخت یک قطعه کاری شدند.

آزمایشگاه های بل برای این اختراع جدید نیاز به یک اسم داشتند، از جمله اسامی پیشنهاد شده  برای این اختراع «سه قطبی نیمه هادی»، «سه قطبی جامد»، «سه قطبی اجزاء سطحی»، «سه قطبی کریستال» و «لاتاتورن» بودند، که از بین آنها «ترانزیستور» توسط جان رابینسون پیرس پیشنهاد شده بود، برنده قرعه کشی انتخاب اسم شد.

“ترانزیستور، یک ترکیب اختصاری از کلمات «ترانسفر» (انتقال) و «رزیستور» (مقاومت) است. این قطعه منطقاً متعلق به خانواده مقاومت متغیر است که “امپدانس انتقالی” و نیز “بهره” دارد؛ بنابراین این اسم یک ترکیب توصیفی است. (آزمایشگاه‌های تلفن بل- یاداشت فنی (۲۸ می۱۹۴۸))

آن زمان این گونه تصور می شد که این قطعه مانند دو لامپ خلاء است. لامپ‌های خلاء هدایت انتقالی دارند بنابراین ترانزیستور هدایت انتقالی دارد؛ و این اسم لازم بود با نام دیگر قطعات مثل وریستور و ترمیستور متناسب باشد؛ و به این ترتیب نام ترانزیستور پیشنهاد و قبول شد.

آزمایشگاه‌های بل فوراً ترانزیستور تک اتصالی را به عنوان تولیدات انحصاری شرکت وسترن الکتریک، شهر آلنتون در ایالت پنسیلوانیا ثبت شد.

اولین ترانزیستورها برای گیرنده های رادیو AM ساخته و با اینکه فقط در سطح آزمایشگاهی بودند به نمایش عموم گذاشته شدند. در هر صورت آقای شاکلی یک نوع کاملاً متفاوت ترانزیستور را در سال ۱۹۵۰ ارائه کرد که به ترانزیستور اتصال دوقطبی معروف شد. اگرچه اصول کار آن با ترانزیستور تک اتصالی کاملاً متفاوت است، اما امروزه این قطعه ای به عنوان ترانزیستور شناخته می شود.

در آن زمان مجوز تولید آن را به به تعدادی از شرکت های الکترونیک شامل تگزاس اینسترومنتس که تعداد محدودی رادیو ترانزیستوری تولید می کردند داشتند. ترانزیستورهای اولیه از نظر شیمیایی ناپایدار بودند و تنها جهت کاربردهای فرکانس و توان پایین قابل استفاده بودند، اما با توسعه طراحی ترانزیستور این مشکلات نیز کم کم برطرف شد.

زمانی که موسس شرکت ژاپنی سونی (ماسارو ایبوکا) در حال دیدن از آمریکا بود آزمایشگاه‌های بل مجوز ساخت و نیز دستورالعمل ساخت ترانزیستور را منتشر کرده بود. آقای ایبوکا پروانه تولید را از وزارت دارایی ژاپن گرفت و در سال ۱۹۵۵ رادیوی جیبی خود را ساخت با مارک سونی معرفی کرد. سپس بعد از دو دهه و به تدریج، لامپ های خلاً در بسیاری از کاربرد ها جای خود را به ترانزیستورها دادند. ترانزیستور ها امکان تولید مدارات مجتمع و دستگاه‌های جدیدی مانند رایانه های شخصی را فراهم آوردند.

ویلیام شاکلی، جان باردین و والتر براتِین جایزه نوبل را بخاطر تحقیقاتشان در مورد نیمه هادی ها و همچنین کشف اثر ترانزیستور از آن خود کردند و از آنها قدردانی شد.

طرز کار ترانزیستور

با اعمال ولتاژ با پلاریته موافق از یک پیوند PN باعث عبور جریان شده و در صورتی که پلاریته ولتاژ تغییر کند، هیچ جریانی از مدار عبور نمی کند. به بیان ساده تر می توان عملکرد یک ترانزیستور تقویت جریان دانست. اگر مدار منطقی کوچکی را که تحت شرایط خاص در خروجی خود جریان بسیار کمی ایجاد می کند را در نظر بگیریم. می توان این جریان را با استفاده از یک ترانزیستور تقویت کرد و از این جریان قوی جهت قطع یا وصل کردن یک رله برقی استفاده کنیم.

البته در کاربرد های بسیاری از یک ترانزیستور جهت تقویت ولتاژ استفاده می شود. و این خاصیت به دلیل توانایی تقویت جریان این وسیله است، اگر جریان وردی و خروجی تقویت شده را روی یک مقاومت بیندازیم، باعث می شود که ولتاژ کم ورودی به ولتاژ تقویت شده خروجی تبدیل می شود.

جریان ورودی ای که یک ترانزیستور می تواند آنرا تقویت کند باید حداقل داشته باشد. درصورتی که جریان کمتر از حداقل نامبرده باشد، ترانزیستور در خروجی خود هیچ جریانی را نشان نمی دهد. اما به محض آنکه شما جریان ورودی یک ترانزیستور را به بیش از حداقل مذکور ببرید در خروجی جریان تقویت شده خواهید دید. برای ساخت سوییچ های الکترونیکی معمولاً از این خاصیت ترانزیستور استفاده می شود.

تصویر شماره ۱: ترانزیستور‌ نوع NPN

یک ترانزیستور را از لحاظ ساختاری میتوان با دو دیود مدل کرد.

ترانزستورهای اولیه دارای دو پیوند نیمه هادی هستند و بر حسب چگونگی اتصال این پیوند ها به یکدیگر، ببه دو دسته کلی PNP یا NPN تقسیم بندی می شود. جهت درک بهتر نحوه عملکرد یک ترانزیستور ابتدا لازم است بدانیم که یک پیوند (Junction) نیمه هادی چگونه کار می کند.

تصویر شماره ۱ نشان دهنده یک پیوند نیمه هادی از نوع PN است که با اتصال دو قطعه نیمه هادی P و N به یکدیگر ساخته شده است. قطعه نیمه هادی های نوع N دارای الکترونهای آزاد و نیمه هادی نوع P دارای تعداد زیادی حفره (Hole) آزاد است. به تعریف ساده تر می توان اینطور بیان کرد که حفره آزاد را فضایی است که در آن کمبود الکترون وجود دارد.

اگر به این تکه نیمه هادی به این صورت که در تصویر شماره ۱ می بینید از خارج ولتاژی بصورت اعمال کنیم باعث ایجاد جریان در مدار می شود و در صورتی که جهت ولتاژ اعمال شده را تغییر دهیم هیچ جریانی از مدار عبور نمیکند، که در زیر دلیل آن را شرح می دهیم.

این پیوند نیمه هادی عملکرد ساده یک دیود را مدل می کند. یکی از کاربردهای دیود یکسوسازی جریان های متناوب است و از آنجایی که در محل اتصال نیمه هادی نوع N به P معمولآ یک خازن تشکیل می شود پاسخ فرکانسی یک پیوند PN کاملآ به کیفیت ساخت و اندازه خازن پیوند بستگی دارد. دلیل اینکه اولین دیودهای ساخته شده توانایی کار در فرکانسهای رادیویی – مثلآ برای آشکار سازی – را نداشتند نیز همید دلیل بود.

معمولآ برای کاهش این خازن ناخاسته، سطح پیوند را آنقدر کاهش می دهند که به حد یک نقطه برسد.

انواع ترانزیستور‌ها

همانطور که پیشتر به آن اشاره شده ترانزیستور‌ها انواع مختلفی دارند و هر کدام از آنها کاربرد‌های متفاوتی دارند. ترانزیستور‌های  FET‌ نسخه های جدیدتر و BJT ها ترانزیستور‌های اولیه بودند که هنوز هم در بسیاری از مدارات استفاده می شوند.

مهمترین دسته بندی آن‌ها را در تصویر زیر مشاهده می کنید.

ترانزیستور‌های پیوندی دو قطبی BJT: به این دلیل دو قطبی گفته می شود که از دو پیوند P-N تشکیل شده است. اینها در واقع همان ترانزیستور‌های معمولی هستند که براساس ساختارشان می توانند دو نوع NPN و PNP داشته باشند، معمولا نوع NPN به دلیل ساده تر بودن روابط حاکم بر آن، به نوع PNP ترجیح داده می شود. در تصویر زیر یک ترانزیستور BJT واقعی را مشاهده می کنید.

به تعریف دقیق تر، ترانزیستور نوع NPN از قرار گرفتن یک نیمه هادی نوع P. بین دو نیمه هادی نوع N. ساخته شده است و ترانزیستور PNP نیز از قرار گرفتن یک نیمه هادی نوع N. میان دو نیمه هادی نوع P ساخته می شود.

BJT قطعه ای است که توسط جریان کنترل می شود. و ترانزیستور‌های معمولی و تمام روابط حاکم بر آن‌ها، ذیر خانواده BJT قرار می گیرند.

ترانزیستور‌های اثر میدانی FET: یک قطعه نیمه هادی تک قطبی با سه ترمینال است که توسط ولتاژ کنترل شده (برخلاف BJT که با جریان کنترل می شوند) و مزیت مهم آنها این است که امپدانس ورودی بالایی، در مقیاس مگا اهم، دارند. از دیگر مزایای ویژه آن ها می‌توان به مصرف پایین توان، اتلاف گرمایی کم و بهره وری بالا را نام برد.

در این تصویر زیر مشاهده میکنید که یک FET از نظر ظاهری چگونه است

همانطور که پیشتر گفته شد FET یک قطعه تک قطبی است. به این معنی که در ساختار آن فقط از یک نوع نیمه هادی به عنوان بستر اصلی استفاده می شود، یا نیمه هادی نوع N. و یا نوع P. بنابراین هدایت جریان در FET‌ها یا توسط حامل های الکترونی اتفاق می‌افتد، و یا حامل های حفره ای (نه هردو به صورت همزمان).FET، یک قطعه‌ی نیمه‌هادی تک قطبی با سه ترمینال است که توسط ولتاژ قابل کنترل است.