ترانزیستور چیست؟

ترانزیستورها قلب تپنده مدارهای الکترونیکی هستند و بخش اصلی تراشه های الکترونیکی را تشکیل می دهند. این قطعه که در اواسط قرن بیستم توسعه یافت، مبنایی برای پیشرفت سریع صنعت الکترونیک شد و عصر کوچک سازی وسایل الکترونیکی با آن آغاز شد. ترانزیستور، به عنوان یکی از قطعات الکترونیکی حساس و بسیار پرکاربرد، در واقع اساس طراحی بسیاری از دستگاه ها، مدارها و تراشه های الکترونیکی می باشد.

ترانزیستور چیست؟

ترانزیستور به زبان ساده، قطعه ای الکترونیکی است که ولتاژ یا جریان را کنترل و تنظیم می کند و مانند یک دروازه یا سوئیچ عمل می کند. فرض کنید یک مدار داریم که دارای دو بخش است و می خواهیم جریان عبوری از بخش اول به بخش دوم مدار را کنترل کنیم. یعنی می خواهیم قطعه ای بین بخش اول و دوم مدار قرار دهیم که طبق تصمیم ما، در بعضی مواقع جریان بخش اول مدار را به طور کامل به بخش دوم منتقل کند، در بعضی مواقع اجازه عبور هیچ جریانی به بخش دوم مدار را ندهد و در بعضی مواقع قسمتی از جریان بخش اول را به بخش دوم مدار انتقال دهد.

برای اینکه روی جریان انتقالی از بخش اول مدار به بخش دوم آن کنترل داشته باشیم باید از ترانزیستور استفاده کنیم. این قطعه 3 پایه دارد که همانند تصویر پایین، یک پایه آن به بخش اول و یک پایه به بخش دوم مدار وصل می شود و از طریق پایه سوم که پایه کنترلی ترانزیستور است می توان تصمیم به انتخاب یکی از سه حالت فوق گرفت.

کاربرد ترانزیستور

از ترانزیستورها در بردها و دستگاه‌های الکترونیکی مختلف استفاده میشود و کاربردهای گسترده‌ای دارند که اینجا به آنها اشاره می کنیم:

1. تقویت کننده‌ ها: یکی از کاربردهای مهم ترانزیستور، استفاده به عنوان تقویت کننده است. تقویت کننده‌ها سیگنال الکتریکی کوچکی را در ورودی می‌گیرند و آن را در خروجی تقویت می‌کنند. امروزه ازاین خاصیت ترانزیستورها برای تقویت صدا استفاده میشود، از جمله در سیستم‌های استریو و تقویت کننده‌های صدای آلات موسیقی. همچنین در رادیو ها و در تجهیزاتی مانند سمعک از ترانزیستورها به عنوان تقویت کننده استفاده میشود.
2. سوئیچ‌ ها: با توجه به سرعت بالای خاموش و روشن شدن ترانزیستورها، در بسیاری از مدارات از آنها به عنوان سوئیچ استفاده می‌شود. این قابلیت ترانزیستور برای فرمان قطع و وصل رله های الکتریکی به کار برده میشود. همچنین در مدارهای دیجیتال نیز برای کنترل دقیق جریان از آن استفاده می شود.
3. تراشه‌ های حافظه کامپیوتر: یکی از رایج‌ترین کاربردهای ترانزیستورها، استفاده از آنها در تراشه‌های حافظه کامپیوتر است. در واقع تراشه های حافظه کامپیوتر، ریزپردازنده ها و مدارات مجتمع، از در کنار هم قرار گرفتن میلیاردها ترانزیستور ساخته می شوند.

انواع ترانزیستور

در حالت کلی دو نوع اساسی از ترانزیستورها وجود دارد، ترانزیستور پیوندی دوقطبی (Bipolar Junction Transistor) یا BJT و ترانزیستور اثر میدان (Field-Effect Transistor) یا FET. در ادامه، به بررسی هر کدام از آنها می پردازیم.

1) ترانزیستور BJT

ترانزیستور پیوندی دوقطبی یا BJT، نوعی از ترانزیستور است که در آن از الکترون ها و حفره ها به عنوان حامل بار استفاده شده است. ترانزیستورهای BJT خود به دو نوع npn و pnp تقسیم بندی می شوند.

ساختار ترانزیستور BJT

ترانزیستورها نیز همانند انواع دیود از مواد نیمه هادی ساخته می شوند. ترانزیستور در واقع از دو دیود که کاتد یا آند آنها مشترک است، تشکیل می شود. ترانزیستورهای BJT دارای سه پایه بیس (Base) که با حرف B نشان داده میشود، کلکتور (Collector) که با حرف C نشان داده میشود و امیتر (Emitter) که با حرف E نشان داده میشود، می باشند. در تصویر پایین، ساختار پیوندهای P و N در ترانزیستورهای NPN و PNP به همراه نماد مداری آنها نشان داده شده است.

در شکل زیر نیز تعدادی از ترانزیستورهای پرکاربرد مانند BC639 ،BC640 ،BC547 ،BC557، BD139 ،BD140 که زوج های NPN و PNP هستند، به همراه ترتیب پایه های آنها نشان داده شده است. همانطور که مشخص است ترتیب پایه های بیس، کلکتور و امیتر در ترانزیستورهای BJT همیشه یکسان نیست و برای مشخص کردن پایه های هر ترانزیستور باید به دیتاشیت آن مراجعه کرد.

عملکرد ترانزیستور BJT

ترانزیستور بسیار مشابه شیر آب عمل میکند. برای درک بهتر این تشابه، جریان عبوری بین کلکتور و امیتر ترانزیستور را مانند حجم آب عبوری از شیر یا فلکه آب در نظر بگیرید. همانطور که شیر آب سه حالت می تواند داشته باشد، کاملا باز، قطع و مقداری باز، ترانزیستور نیز دارای سه حالت عملکردی مختلف است که عبارتند از اشباع، قطع و فعال (خطی). در تصویر پایین، این تشابه در عملکرد ترانزیستور و شیر آب همراه با حالت های متناظر آنها نشان داده شده است:

بنابراین طبق توضیحات فوق، سه حالت عملکرد ترانزیستور عبارتند از:

1. اشباع (saturation): ترانزیستور در این ناحیه مانند اتصال کوتاه عمل میکند و جریان کلکتور به طور کامل وارد امیتر میشود.
2. قطع (cut-off): در این ناحیه، ترانزیستور مانند مدار باز عمل میکند و هیچ جریانی از کلکتور به امیتر نمی رود.
3. فعال (active): در این ناحیه، جریان جاری شده از کلکتور به امیتر، متناسب با جریان بیس ترانزیستور می باشد.

همانطور که قبلا اشاره کرده بودیم ترانزیستور از دو دیود تشکیل شده است که یکی پیوند کلکتور و دیگری پیوند امیتر است. در جدول پایین، نوع بایاس هر کدام از این دو پیوند برای اینکه ترانزیستور به ناحیه اشباع، فعال یا قطع برود، مشخص شده است.

2) ترانزیستور اثر میدان یا FET

ترانزیستورهای اثرمیدانی (FET) یکی دیگر از انواع ترانزیستورها هستند که کاربردهای مختلفی در الکترونیک دارند. این ترانزیستورها نیز مانند ترانزیستورهای BJT سه پایه دارند. پایه درین (drain)، سورس (source) و گیت (gate) که به ترتیب مشابه کلکتور، امیتر و بیس ترانزیستورهای BJT هستند. در این ترانزیستورها ولتاژ ترمینال گیت می تواند جریان بین درین و سورس را کنترل کند.

ترانزیستورهای FET انواع مختلفی دارند از جمله ماسفت (MOSFET) و JFET که به دلیل اهمیت و کاربرد زیاد ماسفت ها، در این مقاله به بررسی این ترانزیستور می پردازیم. از FETها بیشتر در تقویت کننده‌های کم نویز، تقویت کننده‌های بافر و سوئیچ‌ های آنالوگ استفاده می‌شود و از ماسفت ها در منابع تغذیه سوئیچینگ، رگولاتورهای ولتاژ، تقویت کننده ها و درایورهای الکتروموتورها استفاده میشود.

ماسفت

ترانزیستور اثر میدان اکسید فلز (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) یا ماسفت، پرکاربردترین ترانزیستور اثر میدانی در مدارات آنالوگ و دیجیتال است. ماسفت ها دارای دو نوع کانال P یا PMOS و کانال N یا NMOS می باشند. در تصویر پایین، نماد مداری ماسفت به همراه چند نمونه از آن نشان داده شده است:

ساختار ماسفت

ساختار ماسفت کانال N در تصویر پایین نشان داده شده است. همانطور که مشخص است، این ماسفت از دو پیوند نوع n و یک پیوند نوع p تشکیل شده است. پایه های درین و سورس ماسفت به پیوندهای n وصل هستند و پایه گیت از طریق یک لایه متال اکسید به بقیه بخش های ماسفت متصل است.

در ماسفت ها وقتی به پایه گیت ولتاژ اعمال می شود، یک میدان الکتریکی به وجود می آید که باعث ایجاد باریکه جریان بین پایه های درین و سورس میشود. به این ترانزیستورها اثر میدان گفته میشود چون روشن شدن ماسفت، در اثر اعمال ولتاژ بین گیت و سورس و در نتیجه ایجاد میدان در ماسفت است. همانطور که گفته شد، در ماسفت ها پایه گیت از پیوندهای n و p و پایه های درین و سورس ایزوله است. در نتیجه مقاومت ورودی ماسفت ها بسیار زیاد و در حد مگا اهم است، پس نمی توان کنترل ماسفت ها را مانند ترانزیستورهای BJT که با جریان اعمالی به پایه بیس کنترل میشد، انجام داد و در واقع ماسفت ها با ولتاژ کنترل می شوند.

عملکرد ماسفت

ماسفت نیز همانند ترانزیستورهای BJT دارای سه ناحیه عملکردی است که عبارتند از ناحیه اشباع (triode)، قطع (cut-off) و فعال (active). ماسفت در ناحیه های اشباع و قطع به عنوان سوئیچ و در ناحیه فعال به عنوان تقویت کننده عمل می کند.

3) سایر ترانزیستورها

علاوه بر ترانزیستورهای JFET ،BJT و ماسفت که تا اینجا بررسی شدند، ترانزیستورهای دیگری نیز وجود دارند از جمله ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق (IGBT)، OFET، FREDFET، ITFET و ... که بین این ترانزیستورها، IGBT پرکاربردتر است و در ادامه به بررسی آن می پردازیم.

IGBT

ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق (Insulated Gate Bipolar Transistor) یا IGBT، ترکیبی از ترانزیستور پیوندی دو قطبی (BJT) و ماسفت است. در واقع IGBT بهترین ویژگی های BJT و ماسفت را در خود دارد. از خصوصیات ماسفت، مقاومت ورودی بزرگ و سرعت سوئیچینگ بالا و از خصوصیات BJT، ولتاژ اشباع پایین، ویژگی هایی است که در IGBT جمع شده است. IGBT دارای سه پایه گیت، کلکتور و امیتر است و در تصویر پایین، نماد مداری آن به همراه چند نمونه IGBT نشان داده شده است:

از آن‌جایی که IGBT تلفات پایین BJT را همراه با سرعت سوئیچ زنی بالای ماسفت قدرت دارد، یک سوئیچ حالت جامد بهینه است که بهترین گزینه برای استفاده در مدارات الکترونیک قدرت است. از IGBTها در مدارات الکترونیک قدرت از جمله منابع تغذیه، مبدل ها و اینورترها که نیاز به قطعات سوئیچینگ حالت جامد دارند و ماسفت‌ و BJT در آن‌جا کارایی لازم را ندارد، استفاده میشود. ترانزیستورهای BJT با ولتاژ بالا و جریان بالا در دسترس هستند، اما سرعت سوئیچ زنی آن‌ها کم است. همچنین با وجود سرعت سوئیچ زنی بالای ماسفت‌های قدرت، قطعات ولتاژ بالا و جریان بالای آن گران قیمت هستند و بنابراین در این موارد بهترین انتخاب، IGBT می باشد.

جمع بندی

در این یادداشت، به بررسی نکاتی مهم در خصوص پرکاربردترین ترانزیستورها از جمله BJT، ماسفت و IGBT پرداخته شد و به سوالاتی مثل ترانزیستور چیست؟ ترانزیستور چگونه کار می کند؟ کاربرد ترانزیستور چیست؟ و انواع مختلف ترانزیستور چیست؟ پاسخ داده شد.

تمامی موارد فوق را به صورت عملی همراه با نکات تجربی دیگر در مورد انواع ترانزیستورها و روش های تست آنها به طور کامل در دوره آموزش جامع متخصص الکترونیک بررسی کرده ایم.

در پایان، ممنون که همراه ما بودید. هر سوال یا ابهامی در مورد مطالب ارائه شده در این مقاله دارید حتما در کامنت ها بنویسید، به تمام سوالات پاسخ داده میشه. اگه انتقاد یا پیشنهادی هم داشتید ممنون میشم با ما در میان بزارید.