ترانزیستور

ترانزیستور اتصال دوقطبی BJT از اتصال سه لایه بلور نیمه‌هادی تشکیل می‌شود. لایهٔ وسطی، بیس (به انگلیسی: Base)، و دو لایهٔ کناری، امیتر (به انگلیسی: Emitter) و کلکتور (به انگلیسی: Collector) نام دارد. نوع بلور بیس، با نوع بلور امیتر و کلکتور متفاوت است. معمولاً ناخالصی امیتر بیشتر از دو لایهٔ دیگر و عرض لایه بیس کمتر و عرض لایهٔ کلکتور بیشتر از لایه‌های دیگر است.

در یک ترانزیستور دو قطبی، امیتر یا گسیلنده بیشترین ناخالصی را دارد؛ که الکترون‌ها از امیتر به‌سوی کلکتور که ناخالصی کمتری دارد، گسیل داده می‌شوند.

ترانزیستور یکی از بزرگترین اختراعات در تاریخ نوین است و در رتبه‌بندی اهمیت، در کنار ماشین چاپ، خودرو و ارتباطات الکترونیک قرار دارد. ترانزیستور عنصر فعال بنیادی در الکترونیک مدرن است. اهمیت ترانزیستور در جامعهٔ امروز متکی به قابلیت تولید انبوه آن است که از یک فرایند ساخت کاملاً اتوماتیک که قیمت تمام‌شده هر ترانزیستور در آن بسیار ناچیز است، استفاده می‌کند. اگرچه ترانزیستور هنوز جداگانه نیز استفاده می‌شود ولی بیشتر در مدارهای مجتمع (IC، میکروچیپ، یا چیپ) همراه با دیود، مقاومت، خازن و دیگر قطعات الکترونیکی برای ساخت یک مدار الکترونیک به کار می‌رود. برای نمونه یک گیت منطقی حدود بیست ترانزیستور دارد یا یک ریزپردازنده پیش‌رفته در ۲۰۰۶ از بیش از ۷٫۱ میلیون ترانزیستور ماس‌فت ساخته شده‌است.

قیمت کم، انعطاف‌پذیری و اطمینان، از ترانزیستور یک قطعهٔ همه‌کاره ساخته‌است. مدارهای ترانزیستوری به خوبی جای‌گزین دستگاه‌های کنترل و ماشین‌ها شده‌اند. استفاده از یک میکروکنترلر استاندارد و یک برنامه رایانه‌ای که کنترل را انجام می‌دهد اغلب ارزان‌تر و مؤثرتر از طراحی مکانیکی معادل آن است.

به سبب قیمت کم ترانزیستورها، گرایش برای دیجیتال کردن اطلاعات بیشتر شده‌است، زیرا رایانه‌های دیجیتالی توانایی خوبی در جستجوی سریع، دسته‌بندی و پردازش اطلاعات دیجیتال دارند. در نتیجه امروزه داده‌های رسانه‌ای بیشتری به دیجیتال تبدیل می‌شوند و پس از پردازش با رایانه در اختیار کاربر قرار می‌گیرند. تلویزیون، رادیو و روزنامه‌ها از جمله چیزهایی هستند که بیشتر از این انقلاب دیجیتالی اثر گرفته‌اند.

قبل از گسترش ترانزیستور، لامپ‌ خلاء قطعه فعال اصلی تجهیزات الکترونیک بود. از مزایای ترانزیستور که آن‌ را در بیشتر کاربردها جایگزین لامپ‌ خلاء کرده میتوان این‌ها را نام برد:

• اندازه به مراتب کوچک‌تر
• تولید کاملاً اتوماتیک
• هزینه کمتر (در تولید انبوه)
• ولتاژ کاری پایین‌تر (لامپ‌ خلاء در ولتاژهای بیش‌تر کار می‌کند)
• بی‌نیازی به گرم‌شدن اولیه (بیشتر لامپ‌های خلاء به ۱۰ تا ۶۰ ثانیه زمان برای گرم‌شدن نیاز دارند)
• تلفات توان کمتر (گرمایی، ولتاژ اشباع خیلی پایین)
• قابلیت اطمینان و سختی بدنه بیشتر (اگرچه لامپ‌ خلاء از نظر الکتریکی و در برابر پالس‌های الکترومغناطیسی هسته‌ای (NEMP) و تخلیه الکتروستاتیکی (ESD) مقاوم‌ترند)
• عمر بسیار بیشتر (کاتد لامپ خلاء و حتی خلاء آن‌ سرانجام از بین می‌رود)
• فراهم آوردن دستگاه‌های مکمل (امکان ساختن مدارات مکمل متقارن: لامپ خلاء قطبی معادل نوع مثبت BJTها و نوع مثبت FETها در دسترس نیست)
• قابلیت کنترل جریان‌های زیاد (ترانزیستورهای قدرت برای کنترل صدها آمپر یا بیشتر در دسترس‌ند، لامپ‌ خلاء برای کنترل حتی یک آمپر، بزرگ و هزینه‌بر است)
• نداشتن پرتوهای خطرناک در ولتاژهای بالا.
• میکروفونیک بسیار کمتر (لرزش می‌تواند بر خصوصیات لامپ خلاء اثر بگذارد).

نخسین ترانزیستور اثر میدان را یولیوس ادگار لیلینفلد، فیزیک‌دانی آلمانی، در ۱۹۲۸ اختراع و ثبت کرد، گرچه او هیچ مقاله‌ای دربارهٔ آن منتشر نکرد و این اختراع از سوی صنعت نادیده گرفته شد. فیزیکدان آلمانی دیگری، اسکار هایل، ترانزیستور اثر میدان دیگری را در ۱۹۳۴به ثبت رساند. هیچ مدرکی که این ترانزیستور ساخته شده‌باشد در دست نیست، اما بعداً کارهایی در دهه ۹۰ میلادی نشان داد که یکی از طرح‌های لیلینفلد کار کرده و بهره تقویت کنندگی قابل توجهی داشته‌است. مدارک ثبت اختراع آزمایشگاه‌های بل نشان می‌دهد که ویلیام شاکلی و جرالد پیرسن یک نسخه قابل استفاده از اختراع لیلینفلد ساخته‌اند، در حالی که آن‌ها هیچ‌گاه آن را در تحقیقات و مقالات خود یاد نکردند.

در ۲۳ دسامبر ۱۹۴۷، ویلیام شاکلی، جان باردین و والتر براتین، اولین ترانزیستور اتصال نقطه‌ای را در آزمایشگاه‌های بل ساختند. این کار با تلاش‌های زمان جنگ برای تولید دیود میکسر کریستال ژرمانیم خالص ادامه یافت، این دیود در رادار به عنوان میکسر فرکانس در گیرنده‌های میکروموج استفاده می‌شد. یک پروژه دیود ژرمانیم در دانشگاه پردو، کریستال‌های نیمه‌هادی ژرمانیم را با کیفیت خوب که در آزمایشگاه‌های بل استفاده می‌شد ساخت. سرعت سوئیچ لامپ خلأ برای این کار کافی نبود، و این، تیم بل را بر آن داشت تا از دیود نیمه‌هادی استفاده کنند. آن‌ها با دانش خود شروع به طراحی یک سه‌قطبی نیمه‌هادی کردند، اما دریافتند که کار ساده‌ای نیست. جان باردین سرانجام یک شاخه جدید فیزیک سطح را برای محاسبه رفتار عجیبی که دیده بودند پیش نهاد و سرانجام براتین و باردین یک قطعه عملی ساختند.

آزمایشگاه‌های بل برای این اختراع به یک نام نیاز داشت: «سه‌قطبی نیمه‌هادی»، «سه‌قطبی جامد»، «سه‌قطبی اجزاء سطحی»، «سه‌قطبی کریستال» و «لاتاتورن» که مطرح شده‌بودند، اما «ترانزیستور» را که جان رابینسون پیرس پیش‌ نهاده بود، برنده قرعه کشی شد. برای این اسم در یادداشت فنی بعدی شرکت رای‌ گرفته‌شد؛

"ترانزیستور، ترکیب اختصاری از «ترانسفر» (انتقال) و «رزیستور» (مقاومت) است. این قطعه منطقاً متعلق به خانواده مقاومت متغیر است که "امپدانس انتقالی" و "بهره" دارد؛ بنابراین این اسم یک ترکیب توصیفی است. -آزمایشگاه‌های تلفن بل- یاداشت فنی (۲۸ می۱۹۴۸)"

در آن زمان تصور می‌شد که این قطعه مثل دو لامپ خلاء است. لامپ‌ خلاء هدایت انتقالی دارد، بنابراین ترانزیستور هم هدایت انتقالی دارد؛ و این اسم می‌بایست متناسب با نام دیگر قطعات مثل واریستور، ترمیستور باشد؛ و نام ترانزیستور پیشنهاد شد.

آزمایشگاه‌های بل، ترانزیستور تک اتصالی را بی‌درنگ از تولیدات انحصاری شرکت وسترن الکتریک در آلنتون پنسیلوانیا قرار داد. نخستین ترانزیستورها برای گیرنده‌های رادیو AM ساخته و به نمایش گذاشته شدند اگر چه در واقع فقط آزمایش‌گاهی بودند. به هر حال در ۱۹۵۰ شاکلی یک نوع کاملاً متفاوت ترانزیستور را پیش نهاد که به ترانزیستور اتصال دوقطبی معروف شد. اگرچه اصول کار آن با ترانزیستور تک اتصالی فرق می‌کند، این قطعه‌ای است که امروزه به عنوان ترانزیستور شناخته می‌شود. پروانه تولید آن نیز به تعدادی از شرکت‌های الکترونیک شامل تگزاس اینسترومنتس که تعداد محدودی رادیو ترانزیستوری تولید می‌کرد داده شد. ترانزیستورهای اولیه از نظر شیمیایی ناپایدار بودند و فقط برای کاربردهای فرکانس و توان پایین مناسب بودند، اما همینکه طراحی ترانزیستور توسعه یافت این مشکلات نیز کم‌کم رفع شدند.

هنگامی که ماسارو ایبوکا، مؤسس شرکت ژاپنی سونی از آمریکا بازدید می‌کرد آزمایشگاه‌های بل مجوز ساخت و نیز دستورالعمل‌های ساخت ترانزیستور را منتشر کرده بود. ایبوکا پروانه تولید را از وزارت دارایی ژاپن گرفت و در ۱۹۵۵ رادیوی جیبی خود را با مارک سونی معرفی کرد. بعد از دو دهه ترانزیستورها به تدریج جای لامپ‌های خلاء را در بسیاری از کاربردها گرفتند و بعدها امکان تولید مدارات مجتمع و دستگاه‌های جدیدی مانند رایانه‌های شخصی را فراهم آوردند.

از ویلیام شاکلی، جان باردین و والتر براتِین به پاس تحقیقاتشان در نیمه‌هادی‌ها و کشف اثر ترانزیستور با جایزه نوبل فیزیک قدردانی شد.

ترانزیستور، قلب تپندهٔ الکترونیک است. ترانزیستور در مدارات الکترونیک آنالوگ و دیجیتال کاربردهای بسیار دارد. در مدارات آنالوگ، ترانزیستور در ناحیه فعال کار می‌کند و می‌توان از آن به عنوان تقویت‌کننده یا تثبیت کننده ولتاژ (رگولاتور) و … استفاده کرد. در مدارات دیجیتال ترانزیستور در دو ناحیه قطع و اشباع کار می‌کند که می‌توان از آن در پیاده‌سازی مدار منطقی، حافظه و سوئیچ (وسیله قطع و وصل جریان) استفاده کرد.

ترانزیستور، یک قطعه سه‌پایه است که با اعمال ولتاژ به یکی از پایه‌ها، می‌توان جریان از دوپایه دیگر را کنترل کرد. برای کار ترانزیستور در مدار، ولتاژها و جریان‌های لازم را باید با مقاومت‌ها برای آن فراهم کرد یا اصطلاحاً آن را بایاس کرد. ترانزیستور سه ناحیه کاری دارد:

1. قطع
2. فعال (کاری یا خطی)
3. اشباع

در ناحیه قطع ترانزیستور خاموش است. در ترانزیستورهای BJT، با افزایش ولتاژ بیس، ترانزیستور از حالت قطع بیرون آمده و به ناحیه فعال وارد می‌شود. در حالت فعال ترانزیستور مثل یک عنصر تقریباً خطی عمل می‌کند اگر ولتاژ بیس را همچنان افزایش دهیم به ناحیه‌ای می‌رسیم که با افزایش جریان ورودی بیس دیگر شاهد افزایش جریان بین کلکتور و امیتر نخواهیم بود. به این حالت اشباع می‌گویند و اگر جریان ورودی بیس زیادتر شود ممکن است ترانزیستور بسوزد.

دو دسته اصلی ترانزیستورها، ترانزیستور دوقطبی پیوندی (Bipolar Junction Transistors, BJT) و ترانزیستور اثرِ میدان (Field Effect Transistors, FET) هستند. ترانزیستورهای اثر میدان، خود به دو دستهٔ ترانزیستور پیوند اثر میدانی (JFET) و ترانزیستور اثر میدان نیمه‌هادیِ اکسید-فلز (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET) که به اختصار به آن ماس‌فت گفته می‌شود، تقسیم می‌شوند.

ترانزیستور دوقطبی پیوندی

در ترانزیستور دو قطبی پیوندی با اعمال جریان به پایه بیس جریان عبوری از دوپایه کلکتور و امیتر کنترل می‌شود. ترانزیستورهای دوقطبی پیوندی در دونوع npn و pnp ساخته می‌شوند. بسته به حالت بایاس این ترانزیستورها ممکن است در ناحیه قطع، فعال یا اشباع کار کنند. سرعت بالای این ترانزیستورها و بعضی قابلیت‌های دیگر باعث شده که هنوز هم از آن‌ها در بعضی مدارات خاص استفاده شود. امروزه در مدارات مجتمع به جای استفاده از مقاومت و خازن، از ترانزیستور استفاده می‌کنند. روش‌های بایاس ترانزیستور

1. بایاس ثابت
2. بایاس سرخود
3. بایاس اتوماتیک

ترانزیستور پیوند اثر میدانی (JFET)

در ترانزیستورهای پیوند اثر میدانی (JFET)، با اعمال ولتاژ به پایه گِیت، میزان جریان میان دوپایه سورس و دِرِین کنترل می‌شود. ترانزیستور اثر میدانی به دو نوع تقسیم می‌شود: نوع n یا N-Type و نوع p یا P-Type. از دیدگاهی دیگر این ترانزیستورها در دو نوع افزایشی و تخلیه‌ای ساخته می‌شوند. نواحی کار این ترانزیستورها شامل «فعال» و «اشباع» و «ترایود» است این ترانزیستورها تقریباً هیچ استفاده‌ای ندارند چون محدودیت جریان دارند و به سختی مجتمع می‌شوند.

انواع ترانزیستور پیوندی

• PNP: شامل سه لایه نیمه‌هادی که دو لایه کناری از نوع p و لایه میانی از نوع n است و در آن جهت جاری شدن حفره‌ها با جهت جریان یکی است.
• NPN: شامل سه لایه نیم هادی که دو لایه کناری از نوع n و لایه میانی از نوع p است.

پس از درک ایده‌های اساسی برای pnp می‌توان به سادگی آن‌ها را به ترانزیستور پرکاربردتر npn مربوط ساخت.

ساختار ترانزیستور پیوندی

ترانزیستور پیوندی دارای دو پیوند است. یکی بین امیتر و بیس و دیگری بین بیس و کلکتور. به همین دلیل ترانزیستور شبیه دو دیود است. دیود سمت چپ دیود بیس _ امیتر یا دیود امیتر، و دیود سمت راست دیود کلکتور _ بیس یا دیود کلکتور است. میزان ناخالصی ناحیه وسط به مراتب کمتر از دو ناحیه جانبی است. این کاهش ناخالصی باعث کم شدن هدایت و زیاد شدن مقاومت این ناحیه می‌گردد.

امیتر که به شدت آلاییده (Doped) شده، نقش گسیل یا تزریق الکترون به بیس را به عهده دارد. بیس بسیار نازک ساخته شده و آلایش (Doping) آن ضعیف است و لذا بیشتر الکترون‌های تزریق شده از امیتر را به کلکتور عبور می‌دهد. میزان آلایش کلکتور کمتر از میزان آلایش امیتر و بیشتر از آلایش بیس است و کلکتور الکترون‌ها را از بیس جمع می‌کند.

طرز کار ترانزیستور پیوندی

طرز کار ترانزیستور pnp مشابه npn است، به شرط اینکه الکترونها و حفره‌ها با یکدیگر عوض شوند. در نوع npn به علت بایاس مستقیم دیود امیتر ناحیه تهی کم عرض می‌شود، در نتیجه حاملهای اکثریت یعنی الکترونها از ماده n به ماده p هجوم می‌آورند. حال اگر دیود بیس _ کلکتور را به حالت معکوس بایاس کنیم، ناحیه دیود کلکتور به علت بایاس معکوس عریض‌تر می‌شود. الکترونهای جاری شده به ناحیه p در دو جهت جاری می‌شوند. بخشی از آن‌ها از پیوندگاه کلکتور عبور کرده به ناحیه کلکتور می‌رسند و تعدادی از آن‌ها با حفره‌های بیس بازترکیب شده و به عنوان الکترونهای ظرفیت به سوی بیس روانه می‌شوند، این مؤلفه بسیار کوچک است.

اتصال بیس مشترک

در این اتصال پایه بیس بین هر دو بخش ورودی و خروجی مدار مشترک است. جهت‌های انتخابی برای جریان شاخه‌ها جهت قراردادی جریان در همان جهت حفره‌ها می‌شود.

اتصال امیتر مشترک

مدار امیتر مشترک بیشتر از سایر روش‌ها در مدارهای الکترونیکی کاربرد دارد و مداری است که در آن امیتر بین بیس و کلکتور مشترک است. این مدار دارای امپدانس ورودی کم، و امپدانس خروجی بالاست.

اتصال کلکتور مشترک

اتصال کلکتور مشترک برای تطبیق امپدانس در مدار بکار می‌رود، زیرا برعکس حالت قبلی دارای امپدانس ورودی زیاد و امپدانس خروجی پائین است. اتصال کلکتور مشترک غالباً به همراه مقاومتی بین امیتر و زمین به نام مقاومت بار بسته می‌شود.

ترانزیستور اثر میدان FET

این ترانزیستورها نیز مانند JFETها عمل می‌کنند با این تفاوت که جریان ورودی گیت آن‌ها صفر است. همچنین رابطه جریان با ولتاژ نیز متفاوت است. این ترانزیستورها دارای دو نوع PMOS و NMOS هستند که فناوری استفاده از دو نوع آن در یک مدار تکنولوژی CMOS نام دارد.

این ترانزیستورها امروزه بسیار کاربرد دارند زیرا به راحتی مجتمع می‌شوند و فضای کمتری اشغال می‌کنند. همچنین مصرف توان بسیار ناچیزی دارند. به تکنولوژی‌هایی که از دو نوع ترانزیستورهای دوقطبی و Mosfet در آن واحد استفاده می‌کنند Bicmos می‌گویند.

البته نقطه کار این ترانزیستورها نسبت به دما حساس است و تغییر می‌کند؛ بنابراین بیشتر در سوئیچینگ بکار می‌روند.

ساختار و طرز کار ترانزیستور اثر میدانی - فت

همانگونه که از نامش بر می‌آید، پایه کنترلی آن جریانی مصرف نمی‌کند و تنها با اعمال ولتاژ و ایجاد میدان درون نیمه‌هادی، جریان عبوری از FET کنترل می‌شود. به همین دلیل ورودی این مدار هیچ گونه اثر بارگذاری بر روی طبقات قبلی نمی‌گذارد و امپدانس بسیار بالایی دارد.

فت دارای سه‌پایه با نام‌های درین D، سورس S و گیت G است که پایه گیت، جریان عبوری از درین به سورس را کنترل می‌نماید. فت‌ها 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 می‌کند. FETها معمولاً بسیار حساس بوده و حتی با الکتریسیته ساکن بدن نیز تحریک می‌گردند. به همین دلیل نسبت به نویز بسیار حساس هستند.

نوع دیگر ترانزیستورهای اثر می‌دانی MOSFETها هستند (ترانزیستور اثر می‌دانی اکسید فلزی نیمه‌هادی - Metal-Oxide Semiconductor Field Efect Transistor) یکی از اساسی‌ترین مزیت‌های ماسفت‌ها نویز کمتر آن‌ها در مدار است.

فت‌ها 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 می‌کنیم؛ یعنی پایه‌ای که نسبت به دوپایه دیگر در یک جهت مقداری رسانایی دارد و در جهت دیگر مقاومت آن بی‌نهایت است. معمولاً مقاومت بین پایه درین و گیت از مقاومت پایه درین و سورس بیشتر است که از این طریق می‌توان پایه درین را از سورس تشخیص داد.

نحوه سوختن ترانزیستورها

ترانزیستورها فارغ از نحوه اتصال و نحوه ورود شوک به مدار آن به دو صورت کلی می‌سوزند:

الف) حالت سوختن اتصال کوتاه امیتر به کلکتور یا حالت Junction:

در این حالت مسیر امیتر به کلکتور به صورت یکسره برقرار می‌گردد که این حالت ترانزیستور با قطع ورودی تریگر روی پایه base یا gain همچنان برقرار است. در واقع در این حالت مثل آن می‌ماند که سوئیچ به صورت یکسره و تا زمان وجود ولتاژ روی پایه امیتر همچنان برقرار باشد.

ب) حالت سوختن قطع ارتباط مسیر امیتر به کلکتور یا حالت Cut off Circuite:

حالت سوختن Cut off Circuite: در این حالت ارتباط امیتر به کلکتور به صورت دائمی قطع می‌گردد؛ یعنی حتی با تحریک base یا gain ترانزیستور، دیگر هیچ اثر خروجی ولتاژ روی پایه کلکتور ترانزیستور وجود ندارد. به‌طور کلی در این حالت، ارتباط پایه امیتر به کلکتور تحت هیچ شرایطی برقرار نمی‌گردد.

دلایل سوختن ترانزیستورها

سوختن ترانزیستور می‌تواند دلایل زیادی داشته باشد. از جمله این دلایل می‌توان به اعمال ولتاژ بالای خارج از محدوده ولتاژ ترانزیستور به آن اشاره کرد که این ولتاژ می‌تواند از طریق پایه Emitter به ترانزیستور منتقل شده یا در مدارات مکانیکی اعمال بار سلفی سیم پیچ مصرف‌کننده و در زمان Peak Off آن به پایه کلکتور اشاره کرد که جلوگیری از هرکدام از آن‌ها روش‌های مربوط به خود را دارد.

یکی دیگر از دلایل آن می‌تواند قراردادن مصرف‌کننده با جریان بیش از اندازه قدرت سوئیچ ترانزیستور باشد که منجر به گرم شدن، داغ شدن و نهایتاً سوختن ترانزیستور می‌گردد.

همچنین قطعات نیمه‌هادی که در نقش سویچینگ هستند و اتصال کوتاه می‌شوند به دلیل وجود جریان‌های ضربه‌ها یا ولتاژ بالاست (بهترین وقتی رخ می‌دهد که ولتاژ ضربه‌ای، متغیر با زمان فرکانس بالا و … باشد)

همچنین از دلایل سوختن قطعات نیمه‌هادی که در نقش سویچینگ هستند و اتصال باز می‌شوند به دلیل وجود جریان‌های dc ضربه‌ای می‌باشد.

این دو دلیل هم بابت عدم ایده‌آل بودن دیفیوژن قطعات در هنگام ساخت قطعه است؛ یعنی وقتی که قطعه p روی n قرار می‌گیرد به جای اینکه سطوح صاف و مثلاً مثل مستطیل باشند، لبه‌های تند و تیز یا در جاهایی یکنواختی وجود دارد که لبه‌های تیز باعث حالت اول و لبه‌های صاف ایجاد حالت دوم می‌کند.

• اختراع‌ها در ایالات متحده (۱۹۴۶–۱۹۹۱)
• ترانزیستور ۲ان۳۹۰۴
• ترانزیستور ۲ان۳۹۰۶
• ترانزیستور بی سی ۵۴۸
• ۲ان۲۲۲۲

• «ترانزیستور چگونه کار می‌کند». وبگاه سیمرغ. بایگانی‌شده از اصلی در ۱۹ دسامبر ۲۰۰۵. دریافت‌شده در ۳۰ مرداد ۱۳۹۰.