ترانزیستور چیست؟

ترانزیستور(transistor)، قطعه ای نیمه هادی به منظور تقویت، کنترل و تولید سیگنال های الکتریکی است که از اجزای فعال ریزتراشه ها می باشد.
این قطعه در تمامی تجهیزات الکترونیکی نصب می گردد و به سلول های عصبی عصر اطلاعات تبدیل شده اند. پهپادها نیز از این قطعه در مدارهای خود استفاده می نمایند.

تاریخچه ترانزیستور

ترانزیستور در سال ۱۹۴۷ توسط سه فیزیکدان آمریکایی اختراع گردید. جان باردین، والتر اچ براتین و ویلیام بی شاکلی، این قطعه را به عنوان جایگزین لوله خلا معرفی نمودند. این جایگزینی در اواخر دهه ۱۹۵۰ به طور کامل صورت پذیرفت. در دهه های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ نیز سایر محققین این قطعه را توسعه دادند.

علل جایگزینی این قطعه با لوله های خلا

اندازه ترانزیستور کوچکتر از لوله های خلا می باشد. همچنین تولید آنها در تعداد بالا بسیار مقرون به صرفه تر از تولید لوله های خلا است. ضمنا لوله های خلا دارای تلفات توان بسیار زیادی می باشند. بنابراین این قطعه را جایگزین لوله های خلا نموده اند. علت دیگر این جایگزینی، ضریب اطمینان بالاتر ترانزیستور نسبت به لوله های خلا است. لذا عمرشان نیز بسیار بیشتر از لوله های خلا می باشد.

انواع ترانزیستور

انواع ترانزیستور در دو دسته کلی دو قطبی یا BJT و اثر میدانی یا FET جای می گیرند.
تفاوت انواع ترانزیستور به حامل های بار مربوط می گردد. در ترانزیستورهای دوقطبی الکترون ها و حفره ها حامل بار می باشند. این در حالی است که ترانزیستورهای اثر میدانی تک قطبی بوده و فقط دارای یک نوع حمل کننده بار می باشند.

ترانزیستور دو قطبی

مدل دوقطبی یا BJT اولین شکل از ترانزیستور بودند که اختراع گردید. آنها امروز هم به طور گسترده در بخش های مختلف مورد استفاده قرار می گیرند.
قیمت مناسب و استفاده آسان سبب کاربرد گسترده این مدل در صنایع مختلف نظیر ساخت پهپاد شده است. ضمنا مدل دو قطبی یا BJT اکثر نیازهای بهره برداران را نیز برآورده می سازند. لذا گزینه ای مناسب جهت انتخاب می باشند.

آشنایی با اجزای مختلف ترانزیستور

ساختار ترانزیستور عموما از سه بخش مختلف تشکیل شده است:منتشر کننده یا امیتر، پایه و کلکتور.
وقتی سیگنال الکتریکی روی پایه اعمال می گردد، اثرش را بر مواد نیمه هادی جهت هدایت جریان الکتریکی می گذارد. در اکثر موارد این جریان بین منتشر کننده و کلکتور یا جمع کننده برقرار می باشد. جریان به کمک منبع ولتاژی نظیر باتری هدایت می گردد. نرخ جریان نیز در هر لحظه توسط سیگنال ارسالی به پایه کنترل می گردد.

پایه

در مدل های اولیه، این بخش، پایه کل دستگاه را تشکیل می داد. از این رو نام بخش مذکور را پایه گذاشتند. به عبارتی نخستین مدل های تزانزیستورها دارای دو کنتاکت نقطه ای بودند که روی پایه قرار می گرفتند.

منتشر کننده

نام منتشر کننده از این حقیقت گرفته شده است که حامل های بار را منتشر می نماید.

کلکتور یا جمع آوری کننده

حامل های شارژ توسط کلکتور جمع آوری می گردد. از این رو نام این بخش را جمع آوری کننده گذاشته اند.
به منظور عملکرد مناسب ترانزیستور بایستی پایه نازک باشد. در مدل های امروزی این بخش حدود ۱ میلیمتر عرض دارد.

کاربرد ترانزیستور در صنایع مختلف

برای نخستین بار در دهه ۱۹۵۰ در سمعک و رادیو جیبی، ترانزیستور مورد استفاده تجاری قرار گرفت. این قطعات اندازه کوچکی داشتند و مصرف انرژی آنها نیز کم بود. بنابراین جایگزین مناسبی برای لوله های خلا بودند. لذا از آنها به منظور تقویت سیگنال های الکتریکی ضعیف و تولید صداهای قابل شنیدن استفاده گردید.

ترانزیستورها در طیف گسترده‌ای از دستگاه‌های الکترونیکی از جمله رایانه‌ها، تلفن‌های همراه، تلویزیون‌ها و بسیاری دیگر استفاده می‌شوند.

در اینورترهای منبع تغذیه

اینورترهای منبع تغذیه، جریان متغیر را به جریان مستقیم تبدیل می نماید. کاربرد ترانزیستور در فرکانس های پایین و توان های بالا سبب شده است تا اینورترهای مذکور نیز ترانزیستوری گردند. به گونه ای که قادرند جریان صدها آمپری را در ولتاژهای بیش از هزار ولت تحمل نمایند.

رایج ترین کاربرد آنها در عصر حاضر، استفاده در تراشه های حافظه کامپیوتر و ریزپردازنده ها می باشد. پهپادها به عنوان تجهیزی که در صنایع مختلف کاربرد دارد نیز از این قطعه در ساختار خود استفاده می نماید.

ترانزیستور چگونه کار می کند؟

وقتی جریان به قطب الکتریکی پایه اعمال می گردد، پایه تعیین می کند آیا جریان می تواند از منتشر کننده به جمع کننده ترانزیستور برسد یا خیر؟ لذا در این حالت این قطعه به صورت یک سوئیچ عمل می نماید.

اگر جریان برقرار باشد، مدار روشن است و در غیر این صورت مدار خاموش می باشد. این دو حالت متمایز توسط کدهای باینری ۱ و ۰ کامپیوتری مشخص می گردند.

اتصال P-N در ترانزیستور

یک ترانزیستور را می توان به عنوان دو اتصال P-N در نظر گرفت که پشت به پشت هم قرار می گیرند. یکی از این اتصالات، منتشر کننده نامیده می شود و بایاس رو به جلو می باشد. دیگری جمع کننده است و بایاس معکوس است.

وقتی جریانی در منتشر کننده به حرکت درآید، جریان بزرگتری در جمع کننده به جریان می افتد.

هنگامی که جریان از محل اتصال منتشر کننده عبور می کند، الکترون ها از منتشر کننده خارج شده و به سمت پایه جریان می یابند. با این حال ناخالصی در این ناحیه کم نگه داشته می شود و حفره های نسبتا کمی برای ترکیب وجود دارد. در نتیجه بیشتر الکترون ها قادرند به طور مستقیم از سمت پایه به طرف جمع کننده جریان پیدا نمایند. بنابراین توسط پتانسیل مثبت جذب می شوند.

فقط بخش کوچکی از الکترون های ناحیه منتشر کننده با حفره هایی در ناحیه پایه ترکیب می شوند. حاصل این ترکیب نیز ایجاد جریانی در مدار پایه – پخش کننده می باشد. این بدان معناست که جریان کلکتور یا جمع کننده بسیار بیشتر می باشد.

مفهوم نسبت جریان

نسبت جریان در ترانزیستور چیست؟ منظور از نسبت جریان، نسبت بین جریان در جمع کننده به جریان در پایه می باشد که با نماد یونانی B نشان داده می شود. برای اکثر ترانزیستورها با سیگنال کوچک میزان این عدد در ناحیه بین ۵۰ تا ۵۰۰ می باشد. در برخی موارد مقدار این عدد ممکن است بیشتر نیز باشد. سوال اینجاست که عدد مذکور چه مفهومی را می رساند؟ این عدد بیان می کند که میزان جریان در کلکتور معمولا بین ۵۰ تا ۵۰۰ برابر جریان در پایه می باشد.

ویژگی خاص ترانزیستور

ترانزیستور به عنوان قطعه ای بسیار مهم در تجهیزات الکترونیکی یک ویژگی خاص دارد که آن را از سایر قطعات متمایز می سازد. این ویژگی به نحوه رسانش در این قطعه مربوط می شود. تغییر در میزان هادی بودن ویژگی خاص این قطعه است. به عبارتی زمانی که نیاز است تا رسانایی داشته باشد، جریان را از خود عبور می دهد. در مواقعی که استفاده از آن به عنوان عایق جریان مد نظر باشد، عبور جریان را متوقف می سازد.

نکات مهم در انتخاب ترانزیستور

• دیتاشیت ترانزیستور: قبل از انتخاب ترانزیستور، حتماً دیتاشیت آن را مطالعه کنید تا با مشخصات فنی آن به طور کامل آشنا شوید.
• محیط کار: دمای محیط کار، رطوبت و سایر عوامل محیطی می‌توانند بر عملکرد ترانزیستور تأثیر بگذارند.
• تغذیه: ولتاژ و جریان باتری باید با مشخصات ترانزیستور مطابقت داشته باشد.
• حفاظت: برای محافظت از ترانزیستور در برابر نوسانات ولتاژ و جریان، بهتر است از دیودهای محافظ و مقاومت‌های محدودکننده استفاده شود.

جمع بندی

ترانزیستور یک قطعه نیمه‌هادی است که می‌تواند جریان الکتریکی را تقویت یا قطع کند و به دسته کلی دو قطبی یا BJT و اثر میدانی یا FET تقسیم می شوند و در طیف گسترده‌ای از مدارهای الکترونیکی از جمله تقویت‌کننده‌ها، سوئیچ‌ها، نوسان‌سازها، مدارات منطقی و بسیاری دیگر استفاده می‌شوند. در انتخاب ترانزیستور به نکاتی مثل دیتاشیت ترانزیستور، محیط کار، تغذیه و محافظت از ترانزیستور در برابر نوسانات ولتاژ و جریان توجه کرد.

سوالات متداول درباره ترانزیستور

منابع: