ترانزیستورچیست؟ چگونه کار میکند؟
تاریخچه آن و معرفی چند نمونه از آن
اولین ترانزیستورها:
در اولیــن ماههــای سـال ۱۹۴۸ نخسـتین نمـونـه از یـک ترانزیـسـتـور که بدنه فلزی داشت در مجموعه آزمایشگاه های Bell ساخته شد. این ترانزیستور که قرار بود جایگزین لامپهای خلاء - الکترونیک - شود Type A نام گرفت. این ترانزیستور که کاربرد عمومی داشت و بسیار خوب کار می کرد یکسال بعد به تعداد ۳۷۰۰ عدد تولید انبوه شد تا در اختیار دانشگاه ها، مراکز نظامی، آزمایشگاه ها و شرکت ها برای آزمایش قرار گیرد.
بازسازی اولین ترانزیستور جهان
اولین نمونه ترانزیستور بدنه فلزی
جالب آنکه این اختراع در زمان خود آنقدر مهم بود که هر عدد از این ترانزیستورها در بسته بندی جداگانه با شماره سریال و مشخصات کامل نگهداری می شد. همانطور که در شکل مشاهده می شود این ترانزیستور تنها دارای دو پایه بود. Collector و Emitter و پایه Base به بدنه فلزی آن متصل بود.
تولید ترانزیستورهای بدنه فلزی تا سال ۱۹۵۰ ادامه داشت تا اینکه در این سال در آزمایشگاه های Bell اولین ترانزیستور با بدنه پلاستیکی ساخته شد. طبیعی بود که در اینحالت ترانزیستور می بایست سه پایه داشته باشد. اما به دلیل مشکلاتی که در ساخت این ترانزیستور وجود داشت تولید آن به حالت انبوه نرسید و در همان سال ترانزیستور های جدید دیگری با پوشش پلاستیکی جایگزین همیشگی آن شدند.
اولین نمونه ترانزیستور بدنه پلاستیکی
لازم به ذکر است که به عقیده بسیاری از دانشمندان، ترانزیستور بزرگترین اختراع بشر در قرن نوزدهم بوده که بدون آن هیچ یک از پیشرفت های امروزی در علوم مختلف امکان پذیر نبوده است. تمامی پیشرفت های بشر که در مخابرات، صنعت حمل و نقل هوایی، اینترنت، تجهیزات کامپیوتری، مهندسی پزشکی و ... روی داده است همگی مرهون این اختراع میباشد.
نمونه اصلاح شده بدنه پلاستیکی
ترانزیستور وسیله ای است که جایگزین لامپهای خلاء - الکترونیک - شد و توانست همان خاصیت لامپها را با ولتاژهای کاری پایین تر داشته باشد. ترانزیستورها عموما" برای تقویت جریان الکتریکی و یا برای عمل کردن در حالت سوییچ بکار برده می شوند. ساختمان داخلی آنها از پیوندهایی از عناصر نیمه هادی مانند سیلیکون و ژرمانیوم تشکیل شده است.
ریزپردازنده ها به صورت یک جزء لاینفک در بسیاری از محصولاتی که ما هرروزه از آن ها استفاده می کنیم در آمده اند ، مانند تلویزیون ، اسباب بازی ها ، رادیو ، و البته کامپیوترها . ولی این ترانزیستورها هستند که اجزای اصلی ریزپردازنده ها را تشکیل می دهند .
در پایین ترین سطح خود ، ممکن است ترانزیستورها به نظر ساده برسند . اما تولید آن ها عملاً به سال های سال تحقیقات کشنده نیاز داشته است. تا پیش از ترانزیستورها ، کامپیوترها به لامپ های خلاء و کلید های مکانیکی متکی بودند. در سال 1958 تعدادی مهندس ( که یکی از آن ها به نام رابرت نویس ، بعداً پایه گذار شرکت اینتل شد ) دست به دست هم دادند تا 2 ترانزیستور را روی یک قطعه بلور سیلیکون بکارند و اولین مدار مجتمع را بسازند؛ چیزی که به ساخت ریزپردازنده منجر شد .
ترانزیستورها در واقع کلیدهای قطع و وصلِ برق در ابعاد مینیاتوری هستند . اگر ریزپردازنده را یک «ساختمان» در نظر بگیرید ، ترانزیستورها، حکم آجری را دارند که برای بنای این ساختمان باید روی هم گذاشته شوند.
درست همانند یک کلید ساده ی چراغ ، ترانزیستورها در دوحالت کار می کنند: حالت وصل، و حالت قطع. این حالت قطع یا وصل ، یا خاموش و روشنِ ترانزیستورهاست که امکان پردازش اطلاعات را فراهم می سازد .
● یک کلید ساده ی برقی چطور کارمی کند ؟
تنها چیزی که کامپیوترها از آن سردر می آورند ، سیگنال های الکتریکی است که قطع و وصل می شوند . برای درکِ بهتر ترانزیستورها ، لازم است بفهمید که یک مدار قطع و وصل الکترونیکی چه طور کار می کند . مدارات قطع و وصل الکترونیکی از اجزای مختلفی تشکیل می شود. یکی ، مسیر جریان است که جریانِ الکتریکی عموماً از طریق یک سیم در آن گردش می کند.
دیگری ، خودِ کلید یا سویچ است ؛ وسیله ای که گردش جریان الکتریکی را شروع و متوقف می کند، آن هم یا با بازگذاشتن مسیر جریان یا مسدود کردن آن. ترانزیستورها هیچ قطعه ی متحرکی ندارند و تنها با علایم الکتریکی قطع و وصل می شوند. قطع و وصل شدنِ ترانزیستورها ، کار ریزپردازنده ها را میسر می سازد .
● ترانزیستور چطور از عهده ی اطلاعات برمی آید ؟
شمارنده ی باینری چیزی است که فقط دارای دو حالت است ، درست مانند ترانزیستور. حالت «وصل» ترانزیستور را با 1 نشان می دهند و حالت قطع آن را با 0 . ردیف های مشخصی از الگوی 1ها و 0هایی که به وسیله ی ترانزیستورهای متعدد تولید می شوند ، می توانند نشان دهنده ی حروف ، اعداد ، رنگ ها ، و خطوط باشند. به این می گویند دستگاه باینری.
( دستگاه باینری ، یک روش شمارش است که فقط از دو رقم 0 و 1 تشکیل شده است و تمام اعداد فقط با این دو رقم نمایش داده می شوند .)
● اسم خود را برحسب باینری هجی کنید:
هر حرف الفبا یک معادل باینری دارد . اطلاعات پیچیده تری را نیز می توان با حالت قطع و وصل یا حالتِ باینری ترانزیستور ها تولید نمود؛ مانند گرافیک ، صوت ، و ویدیو .
● نیمه هادی ها و جریان الکتریسته:
با اضافه کردن چند نوع ناخالصی معین به سیلیکون یک ترانزیستور، ساختار بلورین آن تغییر می کند، و خاصیت هدایت الکتریسته ی آن بهتر می شود . اگر به سیلیکون، فلز بور اضافه کنید، سیلیکونِ مثبت یا نوعِ P ) P مخفف Positive ) تولید می شود که فاقدِ الکترون است . اگر به سیلیکون، فلز فسفر اضافه نمایند ، سیلیکونِ منفی یا نوع N ) N مخفف Negative ) به دست می آید که شامل تعداد بسیار زیادی الکترون آزاد است.
● حالت های قطع و وصل یک ترانزیستور:
الف) ترانزیستورها از سه پایانه تشکیل می شوند : منبع ، گیت ، مخرج .
ب) در ترانزیستور نوع منفی ، هم منبع و هم مخرج بار منفی دارند و روی توده ای از سیلیکون نوع مثبت را گرفته اند .
ج ) هنگامی که ولتاژ مثبت به گیت وارد می شود ، الکترون های موجود در سیلیکون نوع مثبت ، جذب منطقه ی زیرینِ گیت می شوند ، و یک کانال الکترونیکی بین منبع و مخرج را شکل می دهند .
د) هنگامی که ولتاژ مثبت به مخرج وارد می شود ، الکترون ها از منبع جدا شده و به سمت مخرج می روند. در این حالت ، ترانزیستور ، وصل است.
ه) اگر ولتاژ از روی گیت برداشته شود ، الکترون ها جذبِ منطقه ی واقع بین منبع و مخرج نمی گردند . مسیر جریان از بین می رود ، و ترانزیستور به حالت قطع در می آید.
● ریزپردازنده ها چطور بر زندگی ما تاثیر می گذارند:
کارکردِ باینری ترانزیستورها به پردازنده ها این قابلیت را می دهد که ماموریت های بسیاری را انجام دهند، از یک نامه نگاری ساده تا ویرایش فایل های ویدیویی. ریزپردازنده ها به نقطه ای رسیده اند که ترانزیستورها می توانند صدها میلیون دستورالعمل در ثانیه را روی یک تراشه ی واحد به اجرا در آورند . اتومبیل ها ، تجهیزات پزشکی ، تلویزیون ها ،کامپیوترها ، و حتا سفینه های فضایی از ریزپردازنده ها استفاده می کنند. همه ی آن ها متکی به گردش اطلاعات باینری هستند که به یمنِ وجودِ ترانزیستور ممکن گشته است.
ساختار و طرز کار ترانزیستور اثر میدانی ( فت ):
همانگونه که از نام این المام مشخص است، پایه کنترلی آن جریانی مصرف نمی کند و تنها با اعامل ولتاژ و ایجاد میدان درون نیمه هادی ، جریان عبوری از FET کنترل می شود. به همین دلیل ورودی این مدار هیچ کونه اثر بارگذاری بر روی طبقات تقویت قبلی نمی گذارد و امپدانس بسیار بالایی دارد.
فت دارای سه پایه با نامهای درِین D - سورس S و گیت G است که پایه گیت ، جریان عبوری از درین به سورس را کنترل می نماید. فت ها دارای دو نوع N کانال و P کانال هستند. در فت نوع N کانال زمانی که گیت نسبت به سورس مثبت باشد جریان از درین به سورس عبور می کند . FET ها معمولاً بسیار حساس بوده و حتی با الکتریسیته ساکن بدن نیز تحریک می گردند. به همین دلیل نسبت به نویز بسیار حساس هستند.
نوع دیگر ترانزیستورهای اثر میدانی MOSFET ها هستند ( ترانزیستور اثر میدانی اکسید فلزی نیمه هادی - Metal-Oxide Semiconductor Field Efect Transistor ) یکی از اساسی ترین مزیت های ماسفت ها نویز کمتر آنها در مدار است.
فت ها در ساخت فرستنده باند اف ام رادیو نیز کاربرد فراوانی دارند. برای تست کردن فت کانال N با مالتی متر ، نخست پایه گیت را پیدا می کنیم. یعنی پایه ای که نسبت به دو پایه دیگر در یک جهت مقداری رسانایی دارد و در جهت دیگر مقاومت آن بی نهایت است. معمولاً مقاومت بین پایه درین و گیت از مقاومت پایه درین و سورس بیشتر است که از این طریق می توان پایه درین را از سورس تشخیص داد.
اگر ساده بخواهیم به موضوع نگاه کنیم عملکرد یک ترانزیستور را می توان تقویت جریان دانست. مدار منطقی کوچکی را در نظر بگیرید که تحت شرایط خاص در خروجی خود جریان بسیار کمی را ایجاد می کند. شما بوسیله یک ترانزیستور می توانید این جریان را تقویت کنید و سپس از این جریان قوی برای قطع و وصل کردن یک رله برقی استفاده کنید.
موارد بسیاری هم وجود دارد که شما از یک ترانزیستور برای تقویت ولتاژ استفاده می کنید. بدیهی است که این خصیصه مستقیما" از خصیصه تقویت جریان این وسیله به ارث می رسد کافی است که جریان وردی و خروجی تقویت شده را روی یک مقاومت بیندازیم تا ولتاژ کم ورودی به ولتاژ تقویت شده خروجی تبدیل شود.
اعمال ولتاژ با پلاریته موافق باعث عبور جریان از یک
پیوند PN می شود و چنانچه پلاریته ولتاژتغییر کند
جریانی از مدار عبور نخواهد کرد.
جریان ورودی ای که که یک ترانزیستور می تواند آنرا تقویت کند باید حداقل داشته باشد. چنانچه این 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. از این خاصیت ترانزیستور معمولا" برای ساخت سوییچ های الکترونیکی استفاده می شود.
همانطور که در مطلب قبل (اولین ترانزیستورها) اشاره کردیم ترانزستورهای اولیه از دو پیوند نیمه هادی تشکیل شده اند و بر حسب آنکه چگونه این پیوند ها به یکدیگر متصل شده باشند می توان آنها را به دو نوع اصلی PNP یا NPN تقسیم کرد. برای درک نحوه عملکرد یک ترانزیستور ابتدا باید بدانیم که یک پیوند (Junction) نیمه هادی چگونه کار می کند.
از لحاظ ساختاری می توان یک ترانزیستور را با دو دیود مدل کرد.
در شکل اول شما یک پیوند نیمه هادی از نوع PN را مشاهده می کنید. که از اتصال دادن دو قطعه نیمه هادی P و N به یکدیگر درست شده است. نیمه هادی های نوع N دارای الکترونهای آزاد و نیمه هادی نوع P دارای تعداد زیادی حفره (Hole) آزاد می باشند. بطور ساده می توان منظور از حفره آزاد را فضایی دانست که در آن کمبود الکترون وجود دارد.
اگر به این تکه نیمه هادی از خارج ولتاژی بصورت آنچه در شکل نمایش داده می شود اعمال کنیم در مدار جریانی برقرار می شود و چنانچه جهت ولتاژ اعمال شده را تغییر دهیم جریانی از مدار عبور نخواهد کرد (چرا؟).
این پیوند نیمه هادی عملکرد ساده یک دیود را مدل می کند. همانطور که می دانید یکی از کاربردهای دیود یکسوسازی جریان های متناوب می باشد. 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. به همین دلیل اولین دیودهای ساخته شده توانایی کار در فرکانسهای رادیویی - مثلآ برای آشکار سازی - را نداشتند.
معمولآ برای کاهش این خازن ناخاسته، سطح پیوند را کاهش داده و آنرا به حد یک نقطه می رسانند.
گفتیم که اگر به یک پیوند PN ولتاژ با پلاریته موافق متصل کنیم جریان از این پیوند عبور کرده و اگر ولتاژ را معکوس کنیم در مقابل عبور جریان از خود مقاومت نشان می دهد. برای درک دقیق نحوه کارکرد یک ترانزیستور باید با نحوه کار دیود آشنا شویم، باید اشاره کنیم که قصد نداریم تا به تفضیل وارد بحث فیزیک الکترونیک شویم و فقط سعی خواهیم کرد با بیان نتایج حاصل از این شاخه علمی ابتدا عملکرد دیود و سپس ترانزیستور را بررسی کنیم.
همانطور که می دانید دیود ها جریان الکتریکی را در یک جهت از خود عبور می دهند و در جهت دیگر در مقابل عبور جریان از خود مقاومت بالایی نشان می دهند. این خاصیت آنها باعث شده بود تا در سالهای اولیه ساخت این وسیله الکترونیکی، به آن دریچه یا Valve هم اطلاق شود.
منحنی رفتار یک دیود در هنگام اعمال ولتاژ مثبت
از لحاظ الکتریکی یک دیود هنگامی عبور جریان را از خود ممکن می سازد که شما با برقرار کردن ولتاژ در جهت درست (+ به آند و - به کاتد) آنرا آماده کار کنید. مقدار ولتاژی که باعث میشود تا دیود شروع به هدایت جریان الکتریکی نماید ولتاژ آستانه یا (forward voltage drop) نامیده می شود که چیزی حدود 0.6 تا 0.7 ولت می باشد. به شکل اول توجه کنید که چگونه برای ولتاژهای مثبت - منظور جهت درست می باشد - تا قبل از 0.7 ولت دیود از خود مقاومت نشان می دهد و سپس به یکباره مقاومت خود را از دست می دهد و جریان را از خود عبور می دهد.
اما هنگامی که شما ولتاژ معکوس به دیود متصل می کنید (+ به کاتد و - به آند) جریانی از دیود عبور نمی کند، مگر جریان بسیار کمی که به جریان نشتی یا Leakage معرف است که در حدود چند µA یا حتی کمتر می باشد. این مقدار جریان معمولآ در اغلب مدار های الکترونیکی قابل صرفنظر کردن بوده و تاثیر در رفتار سایر المانهای مدار نمیگذارد. اما نکته مهم آنکه تمام دیود ها یک آستانه برای حداکثر ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژمعکوس بیش از آن شود دیوید می سوزد و جریان را در جهت معکوس هم عبور می دهد. به این ولتاژ آستانه شکست یا Breakdown گفته می شود.
نماد فنی و دو نمونه از انواع دیوید
در دسته بندی اصلی، دیودها را به سه قسمت اصلی تقسیم می کنند، دیودهای سیگنال (Signal) که برای آشکار سازی در رادیو بکار می روند و جریانی در حد میلی آمپر از خود عبور می دهند، دیودهای یکسوکننده (Rectifiers) که برای یکسوسازی جریانهای متناوب بکاربرده می شوند و توانایی عبور جریانهای زیاد را دارند و بالآخره دیود های زنر (Zener) که برای تثبیت ولتاژ از آنها استفاده می شود.
در ادامه بحث نحوه کارکرد یک ترانزیستور لازم است قدری راجع به انواع دیود که در مطلب قبل به آنها اشاره کردیم داشته باشیم.
دیودهای سیگنال
این نوع از انواع دیودها برای پردازش سیگنالهای ضعیف - معمولا" رادیویی - و کم جریان تا حداکثر حدود 100mA کاربرد دارند. معروفترین و پر استفاده ترین آنها که ممکن است با آن آشنا باشید دیود 1N4148 است که از سیلیکون ساخته شده است و ولتاژ شکست مستقیم آن 0.7 ولت است.
استفاده از دیود سیگنار در مدار رله برای جلوگیری از
ایجاد ولتاژ های ناخواسته زیاد
اما برخی از دیود های سیگنال از ژرمانیم هم ساخته می شوند، مانند OA90 که ولتاژ شکست مستقیم پایینتری دارد، حدود 0.2 ولت. به همین دلیل از این نوع دیود بیشتر برای آشکار سازی امواج مدوله شده رادیویی استفاده می شود.
بصورت یک قانون کلی هنگامی که ولتاژ شکست مستقیم دیوید خیلی مهم نباشد، از دیودهای سیلیکون استفاده می شود. دلیل آن مقاومت بهتر آنها در مقابل حرارت محیط یا حرارت هنگام لحیم کاری و نیز مقاومت الکتریکی کمتر در ولتاژ مستقیم است. همچنین دیود های سیلیکونی سیگنال معمولا" در ولتاژ معکوس جریان نشتی بسیار کمتری نسبت به نوع ژرمانیم دارند.
از کاربرد دیگری که برای دیودهای سیگنال وجود دارد می توان به استفاده از آنها برای حفاظت مدار هنگامی که رله در یک مدار الکترونیکی قرار دارد نام برد. هنگامی که رله خاموش می شود تغییر جریان در سیم پیچ آن میتواند در دوسر آن ولتاژ بسیار زیادی القا کند که قرار دادن یک دیود در جهت مناسب میتواند این ولتاژ را خنثی کند. به شکل اول توجه کنید.
