ترانزیستور چیست؟

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

فهرست

• چرا ترانزیستورها مهم هستند؟

• چگونه ترانزیستورها دنیای فناوری را متحول کردند؟

• ترانزیستورها توضیح دادند؟

• ترانزیستورها چگونه کار می کنند؟

• پایه های یک ترانزیستور؟

• انواع ترانزیستور

• سخن پایانی

• سوالات متداول

چرا ترانزیستورها مهم هستند؟

یک ترانزیستور به تنهایی فقط یک عنصر مدار دارد. در مقادیر کم، از ترانزیستورها برای ایجاد سوئیچ های الکترونیکی ساده استفاده می شود. ترانزیستورها عناصر اساسی مدارهای مجتمع (IC) هستند که در آن‌ها تعداد زیادی ترانزیستور به یکدیگر متصل شده و در یک ریزتراشه سیلیکونی پخته می‌شوند.

در تعداد زیادی از ترانزیستورها برای ایجاد ریزپردازنده استفاده می شود که در آن میلیون ها ترانزیستور در یک آی سی جاسازی شده است. آنها همچنین تراشه های حافظه رایانه و دستگاه های ذخیره سازی حافظه برای پخش کننده های MP3، تلفن های هوشمند، دوربین ها و بازی های الکترونیکی را هدایت می کنند. ترانزیستورها تقریباً در تمام آی سی ها که بخشی از هر دستگاه الکترونیکی هستند، عمیقاً تعبیه شده اند.

ترانزیستورها همچنین برای کاربردهای با فرکانس پایین و توان بالا، مانند اینورترهای منبع تغذیه که جریان متناوب را به جریان مستقیم تبدیل می‌کنند، استفاده می‌شوند. علاوه بر این، ترانزیستورها در کاربردهای فرکانس بالا، مانند مدارهای نوسانگر که برای تولید سیگنال های رادیویی استفاده می شوند، استفاده می شوند.

چگونه ترانزیستورها دنیای فناوری را متحول کردند؟

ترانزیستور که در سال ۱۹۴۷ در آزمایشگاه های بل اختراع شد، به سرعت جایگزین لوله خلاء حجیم به عنوان یک تنظیم کننده سیگنال الکترونیکی شد. ترانزیستور، که یکی از مهم‌ترین پیشرفت‌ها در تاریخ رایانه‌های شخصی است، روند کوچک‌سازی در الکترونیک را تسریع کرد. از آنجایی که این دستگاه‌های حالت جامد انرژی کمتری نسبت به لوله‌های خلاء مصرف کردند و همچنین کوچک‌تر و سبک‌تر بودند، مهندسان سیستم‌های الکترونیکی با استفاده از ترانزیستورها را به طرز چشمگیری کوچک‌تر، سریع‌تر، سبک‌تر و کارآمدتر ساختند.ترانزیستورها همچنین قوی تر بودند، به طور قابل توجهی به انرژی کمتری نیاز داشتند و برخلاف لوله های خلاء، به گرمکن خارجی نیاز نداشتند.

همانطور که اندازه ترانزیستورها به طور تصاعدی کاهش یافته است، هزینه آنها کاهش یافته است و فرصت های بیشتری برای استفاده از آنها ایجاد می کند. ادغام ترانزیستورها با مقاومت ها و سایر دیودها یا قطعات الکترونیکی، آی سی ها را کوچکتر کرده است. این پدیده در مورد کوچک سازی به قانون مور مربوط می شود که بیان می کند تعداد ترانزیستورها در یک آی سی کوچک هر دو سال دو برابر می شود.

ترانزیستورها توضیح دادند؟

یک نیمه هادی الکتریسیته را به روشی “نیمه مشتاقانه” هدایت می‌کند و در جایی بین یک هادی واقعی مانند مس و یک عایق مانند پلاستیک پیچیده شده دور سیم‌ها قرار دارد. اگرچه بیشتر ترانزیستورها از سیلیکون (Si) ساخته می‌شوند، مهندسان می‌توانند آنها را از مواد دیگری مانند ژرمانیوم و آرسنید گالیم (GaAs) بسازند.

سیلیکون، یک عنصر شیمیایی که اغلب در ماسه یافت می شود، به طور معمول رسانای الکتریسیته نیست. یک فرآیند شیمیایی به نام دوپینگ – که در آن ناخالصی‌ها برای تعدیل خواص 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. سیلیکون را می توان به عنوان یک نیمه هادی نوع n طبقه بندی کرد — الکترون ها از آن خارج می شوند — یا یک نیمه هادی نوع p — الکترون ها به داخل آن جریان می یابند. در هر صورت، نیمه هادی ترانزیستور را قادر می سازد تا به عنوان یک کلید یا تقویت کننده عمل کند.

ساختار سه لایه ترانزیستور شامل یکی از لایه های زیر است:

  یک لایه نیمه هادی نوع n بین دو لایه نوع p در پیکربندی مثبت – منفی – مثبت (PNP). یا

  یک لایه از نوع p بین دو لایه نوع n در پیکربندی منفی – مثبت – منفی (NPN)

صرف نظر از پیکربندی آن، لایه نیمه هادی داخلی به عنوان الکترود کنترل عمل می کند. 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 می‌سازد تا کار کند.

ترانزیستورها چگونه کار می کنند؟

یک ترانزیستور می تواند به عنوان یک سوئیچ یا دروازه برای سیگنال های الکترونیکی عمل کند و یک گیت الکترونیکی را چندین بار در ثانیه باز و بسته کند. این اطمینان حاصل می کند که مدار روشن است اگر جریان جریان داشته باشد و اگر جریان نداشته باشد خاموش است. ترانزیستورها در مدارهای سوئیچینگ پیچیده که شامل تمام سیستم های مخابراتی مدرن هستند استفاده می شوند. مدارها همچنین سرعت سوئیچینگ بسیار بالایی مانند صدها گیگاهرتز یا بیش از ۱۰۰ میلیارد چرخه روشن و خاموش در ثانیه ارائه می دهند.

ترانزیستورها را می توان برای تشکیل یک گیت منطقی ترکیب کرد که چندین جریان ورودی را برای ارائه خروجی متفاوت مقایسه می کند. رایانه های دارای گیت های منطقی می توانند با استفاده از جبر بولی تصمیمات ساده ای بگیرند. این تکنیک ها پایه و اساس محاسبات و برنامه های کامپیوتری مدرن هستند.

ترانزیستورها همچنین نقش مهمی در تقویت سیگنال های الکترونیکی دارند. به عنوان مثال، در برنامه های رادیویی، مانند گیرنده های FM، که سیگنال الکتریکی دریافتی ممکن است به دلیل اختلال ضعیف باشد، تقویت برای ارائه خروجی صوتی مورد نیاز است. ترانزیستورها این تقویت را با افزایش قدرت سیگنال فراهم می کنند.

پایه های یک ترانزیستور؟

ترانزیستور مانند مجموعه ای از دو دیود است که کاتدها یا آندهای آنها به هم گره خورده است. دارای سه پایانه است که جریان الکتریکی را حمل می کند و به اتصال به مدارهای خارجی کمک می کند:

  امیتر که به عنوان سرب منفی ترانزیستور نیز شناخته می شود،

  پایه که ترمینالی است که ترانزیستور را فعال می کند و

  کلکتور که سرب مثبت ترانزیستور است.

بیایید یک ترانزیستور NPN را برای درک این پایانه ها در نظر بگیریم. در این پیکربندی، سیلیکون نوع p (پایه) بین دو صفحه سیلیکون نوع n (گمکن و کلکتور) قرار می‌گیرد.

قطره چکان – که با حرف E نشان داده می شود – اندازه متوسطی دارد و به شدت دوپ شده است، زیرا وظیفه اصلی آن تامین حامل های اکثریت زیادی برای پشتیبانی از جریان برق است. از آنجایی که الکترون ساطع می کند، امیتر نامیده می شود.

پایه — که با حرف B مشخص می شود — ترمینال مرکزی بین امیتر و کلکتور است. نازک است و کمی دوپ شده است. هدف اصلی آن انتقال حامل ها از امیتر به کلکتور است.

کلکتور — که با حرف C مشخص می شود — حامل های ارسال شده توسط امیتر را از طریق پایه جمع آوری می کند. نسبتاً دوپ شده و بزرگتر از قطره چکان و پایه است.

امیتر، بیس و کلکتور عملکردهای یکسانی در مدار PNP دارند. تنها تفاوت در این نوع ترانزیستور این است که پایه نوع n بین امیتر و کلکتور نوع p قرار می گیرد که بر جهت فلش روی امیتر تأثیر می گذارد. این فلش همیشه بخشی از اتصال امیتر-پایه است. فلش به مدار NPN اشاره می کند و مدار PNP را نشان می دهد.

انواع ترانزیستور

ترانزیستورها به دو نوع عمده تقسیم می‌شوند:

1. 1. ترانزیستور اتصال دوقطبی (BJT)
   2. ترانزیستور اثر میدانی (FET)

ترانزیستور اتصال دوقطبی (BJT)

BJT یکی از رایج‌ترین انواع ترانزیستور است و می‌تواند به دو صورت NPN یا PNP باشد. این نوع ترانزیستور دارای سه پایانه است: امیتر، پایه و کلکتور. BJT می‌تواند یک سیگنال الکتریکی را تقویت کند یا جریان را روشن و خاموش کند.

• • در BJT، دو نوع بار الکتریکی الکترون‌ها و حفره‌ها برای ایجاد جریان دخیل هستند.
  • در عملکرد عادی، اتصال بیس-امیتر بایاس رو به جلو با مقاومت امیتر کوچک است، در حالی که اتصال بیس-کلکتور بایاس معکوس با مقاومت بزرگ است.

نوع PNP:

• • رسانش از طریق حفره‌ها (عدم وجود الکترون‌ها) اتفاق می‌افتد.
  • جریان کلکتور کمی کمتر از جریان امیتر است.
  • پایه جریان را از امیتر به کلکتور کنترل می‌کند.

نوع NPN:

• • الکترون‌ها از امیتر به پایه عبور می‌کنند و توسط کلکتور جمع‌آوری می‌شوند.
  • این عبور باعث می‌شود که جریان معمولی از کلکتور به امیتر جریان یابد.
  • پایه تعداد الکترون‌های ساطع‌شده توسط امیتر را کنترل می‌کند.

ترانزیستور اثر میدانی (FET)

FET نیز از سه پایانه تشکیل شده است: منبع، تخلیه و دروازه، که مشابه پایانه‌های امیتر، کلکتور و پایه در BJT هستند.

• • در FET، مهندسان لایه‌های سیلیکونی نوع n و p را به شکلی متفاوت از BJT چیده‌اند.
  • مهندسان این لایه‌ها را با لایه‌های فلز و اکسید می‌پوشانند تا ترانزیستور اثر میدان نیمه‌رسانای اکسید فلز (MOSFET) ایجاد شود.

عملکرد FET:

• • در FET، جلوه میدان به فرآیند فعال‌سازی جریان اشاره دارد که ترانزیستور را روشن می‌کند.
  • الکترون‌ها نمی‌توانند از منبع نوع n به درن جریان پیدا کنند، زیرا گیت نوع p بین آنها حاوی سوراخ‌هایی است.
  • با اتصال یک ولتاژ مثبت به دروازه، میدان الکتریکی ایجاد می‌شود که به الکترون‌ها این امکان را می‌دهد که از منبع به درن حرکت کنند.

کاربرد FET:

MESFET (ترانزیستور اثر میدانی فلز نیمه‌رسانا) معمولاً در کاربردهای فرکانس بالا مانند مدارهای مایکروویو استفاده می‌شود.

FET‌ها معمولاً در تقویت‌کننده‌های کم نویز، تقویت‌کننده‌های بافر و سوئیچ‌های آنالوگ استفاده می‌شوند.

انواع دیگر ترانزیستورها عبارتند از:

لایه نازک (TFT):

• • نوعی FET است که در نمایشگرهای LCD استفاده می‌شود.
  • از این ترانزیستور برای نمایش و کنترل پیکسل‌های نمایشگرهای کریستال مایع استفاده می‌شود.

اثر میدان اتصال (JFET):

• • نیمه‌هادی سه ترمیناله است.
  • برای کنترل دقیق سطح و ولتاژ در الکترونیک آنالوگ به کار می‌رود.
  • بیشتر در مدارهای آنالوگ و کنترل‌های دقیق استفاده می‌شود.

شاتکی:

• • ترکیبی از یک ترانزیستور و یک دیود شاتکی است.
  • این ترانزیستور برای سوئیچینگ سریع طراحی شده است.
  • از اشباع شدن ترانزیستور با منحرف کردن جریان ورودی بیش از حد جلوگیری می‌کند.

سخن پایانی:

ترانزیستورها در سیستم‌های دزدگیر و ریموت کنترل‌ها حضور دارند. این قطعات در سیستم‌های حفاظتی وظیفه کاهش ولتاژ و انتشار فرکانس در ریموت کنترل‌های دزدگیر اماکن را بر عهده دارند. این قطعات مهم باعث بهبود عملکرد سیستم‌های حفاظتی می‌شوند.