ترانسیستور چیست؟

ترانزیستور چیست?

ترانزیستور یک نیمه هادی مینیاتوری است که جریان یا ولتاژ را تنظیم یا کنترل می کند و علاوه بر تقویت و تولید این سیگنال های الکتریکی و به عنوان یک کلید/دروازه برای آنها عمل می کند. به طور معمول، ترانزیستورها از سه لایه یا پایانه های یک ماده نیمه هادی تشکیل شده اند که هر یک می توانند جریانی را حمل کنند. هنگامی که به عنوان تقویت کننده کار می کند، یک ترانزیستور یک جریان ورودی کوچک را به جریان خروجی بزرگتر تبدیل می کند. به عنوان یک سوئیچ، می تواند در یکی از دو حالت متمایز – روشن یا خاموش – برای کنترل جریان سیگنال های الکترونیکی از طریق یک مدار الکتریکی یا دستگاه الکترونیکی باشد.

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. آنها عناصر اساسی در مدارهای مجتمع (IC) هستند که از تعداد زیادی ترانزیستور تشکیل شده است که به مدار متصل شده و در یک ریزتراشه سیلیکونی پخته شده اند.

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. اختراع ترانزیستور که یکی از مهم‌ترین پیشرفت‌ها در تاریخ رایانه‌های شخصی در نظر گرفته می‌شود، به روند کوچک‌سازی در الکترونیک دامن زد. از آنجایی که این دستگاه‌های حالت جامد به طور قابل توجهی کوچک‌تر، سبک‌تر و انرژی کمتری نسبت به لوله‌های خلاء مصرف می‌کردند، سیستم‌های الکترونیکی ساخته شده با ترانزیستور نیز بسیار کوچک‌تر، سبک‌تر، سریع‌تر و کارآمدتر بودند. 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 که الکتریسیته را به روشی “نیمه مشتاقانه” هدایت می کند، جایی بین یک هادی واقعی مانند مس و یک عایق مانند پلاستیک پیچیده شده دور سیم ها قرار می گیرد. اگرچه اکثر ترانزیستورها از سیلیکون (Si) ساخته شده اند، اما می توان آنها را از مواد دیگری مانند ژرمانیوم و آرسنید گالیم (GaAs) ساخت.

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 می شوند:

  ترانزیستور اتصال دوقطبی (BJT)

  ترانزیستور اثر میدانی (FET)

BJT یکی از رایج ترین انواع ترانزیستور است و می تواند NPN یا PNP باشد. این بدان معناست که یک BJT از سه پایانه تشکیل شده است: امیتر، پایه و کلکتور. با پیوستن به این سه لایه، یک BJT می تواند یک سیگنال الکتریکی را تقویت کند یا جریان را روشن یا خاموش کند.

دو نوع بار الکتریکی — الکترون ها و حفره ها — در ایجاد جریان جریان دخیل هستند. در عملکرد عادی خود، اتصال بیس-امیتر BJT بایاس رو به جلو با مقاومت امیتر بسیار کوچک است، در حالی که اتصال بیس-کلکتور بایاس معکوس با مقاومت بزرگ است.

در BJT نوع PNP، رسانش از طریق حفره ها یا عدم وجود الکترون اتفاق می افتد. جریان کلکتور کمی کمتر از جریان امیتر است. تغییرات در مورد دوم بر اولی تأثیر می گذارد. پایه جریان جریان از امیتر به کلکتور را کنترل می کند. در این حالت، قطره چکان سوراخ هایی را منتشر می کند که سپس توسط کلکتور جمع آوری می شود.

در یک BJT نوع NPN، الکترون ها از امیتر به پایه عبور می کنند و توسط کلکتور جمع آوری می شوند. هنگامی که این اتفاق می افتد، جریان معمولی از کلکتور به امیتر جریان می یابد. پایه تعداد الکترون های ساطع شده توسط امیتر را کنترل می کند.

یک ترانزیستور اثر میدانی (FET) همچنین دارای سه پایانه است – منبع، تخلیه و دروازه – که به ترتیب مشابه امیتر، کلکتور و پایه BJT هستند. در FET، لایه‌های سیلیکونی نوع n و p متفاوت از BJT چیده شده‌اند. آنها همچنین با لایه‌هایی از فلز و اکسید پوشانده می‌شوند تا ترانزیستور اثر میدان نیمه‌رسانای اکسید فلز (MOSFET) ایجاد شود.

در FET، جلوه میدان به اثری اشاره دارد که جریان جریان را فعال می کند و ترانزیستور را روشن می کند. الکترون‌ها نمی‌توانند از منبع نوع n به درن جریان پیدا کنند، زیرا گیت نوع p بین آنها حاوی سوراخ‌هایی است. اما اتصال یک ولتاژ مثبت به دروازه، میدان الکتریکی ایجاد می کند که الکترون ها را قادر می سازد از منبع به درن جریان پیدا کنند. این اثر میدانی را ایجاد می کند که جریان جریان را در FET تسهیل می کند.

FET ها معمولا در تقویت کننده های کم نویز، تقویت کننده های بافر و سوئیچ های آنالوگ استفاده می شوند. ترانزیستور اثر میدانی فلز نیمه هادی (MESFET) معمولاً برای کاربردهای فرکانس بالا مانند مدارهای مایکروویو استفاده می شود.

انواع دیگر ترانزیستورها عبارتند از:

  ترانزیستور اثر میدان اتصال (JFET)، یک نیمه هادی سه ترمینال ضروری در کنترل های سطح دقیق و ولتاژی در الکترونیک آنالوگ.

  ترانزیستور لایه نازک (TFT)، نوعی از FET که اغلب در نمایشگرهای کریستال مایع (LCD) استفاده می شود.

  ترانزیستور شاتکی، که ترکیبی از یک ترانزیستور و یک دیود شاتکی است که برای سوئیچینگ بسیار سریع شناخته شده است تا ترانزیستور را از اشباع شدن با منحرف کردن جریان ورودی بیش از حد جلوگیری کند.

  ترانزیستور انتشار، که نوعی BJT است که از انتشار مواد ناخالص بر روی یک بستر تشکیل می شود.

سخن پایانی:

ترانسیستورها در سیستم های دزدگیر و ریموت کنترل ها وجود دارند وظیفه این قطعات در سیستم های حفاظتی کاهش ولتاژ و انتشار فرکانس در ریموت کنترل های دزدگیر اماکن است و این قطعات مهم باعث بهبود عملکرد سیستم های حفاظتی شده اند.