در پست قبلی با دیود آشنا شدیم و در این پست با ترانزیستور آشنا خواهیم شد. اگر حس خواندن مطالب طولانی در مورد ترانزیستور را ندارید، همین چند خط زیر را بخوانید:
ترانزیستور چگونه ساخته شد؟
روز ۲۳ دسامبر ۱۹۴۷ در آزمایشگاه بل ، اتفاق بزرگی رخ داد. سه کارشناس این آزمایشگاه به نام‌های ویلیام شاکلی، جان باردین و والتر براتین موفق به ساخت اولین ترانزیستور اتصال نقطه‌ای شدند. این اختراع، جایزه نوبل فیزیک سال ۱۹۵۶ را نصیب این سه نفر کرد. آن‌ها هنگام تحقیق بر روی جایگزینی بهتر برای رله‌های مکانیکی و ساخت تقویت کننده‌های توانمندتر، موفق به ساخت قطعه‌ای شدند که ترانزیستور نام گرفت و تحولی بزرگ در دنیای الکترونیک به‌وجود آورد. شوکلی، نوع جدیدی از ترانزیستور را به نام ترانزیستور "دوقطبی" طراحی کرد که از نوع تماس نقطه‌ای برتر بود و آن را جایگزین کرد. بنابراین، ترانزیستور تا حد زیادی، خلق شوکلی بود.
ترانزیستورها چگونه کار می‌کنند؟
نحوه‌ی کار ترانزیستورها برای شما، به عنوان یک تازه‌کار، ممکن است سخت‌ترین مفهوم برای درک کردن باشد. دست کم، برای من این‌گونه بود. مسئله این است که تقریبا همه سعی در آموزش این دارند که ترانزیستور "یک دستگاه نیمه هادی.." است و به جای اینکه فقط به شما بگویند چه کاری انجام می‌دهد، این موارد را توضیح می‌دهند که "این دستگاه شامل مواد n_doped و p_doped" است. در مورد شما نمی‌دانم، اما این جمله به من کمک نکرد!
بنابراین بگذارید به روشی ساده نحوه‌ی کار ترانزیستورها را برای شما بیان کنم. ترانزیستور مانند یک سوئیچ الکترونیکی است که می‌تواند جریان را قطع و وصل کند. به بیان دیگر، ترانزیستور جریان یا ولتاژ را تنظیم می‌کند و به عنوان سوئیچ یا دروازه‌ی سیگنال‌های الکتریکی عمل می‌کند. ترانزیستورها انواع مختلفی دارند. یکی از موارد رایج، همان‌طور که در ابتدا گفتیم، ترانزیستور اتصال دوقطبی یا BJT است و معمولاً این‌گونه به نظر می‌رسد:
سه پایه به نام های بیس (b)، کلکتور (c) و امیتر (e) دارد که در ادامه نحوه کار هر یک را توضیح خواهم‌داد. این قطعه در دو نسخه‌یNPN و PNP موجود است. نماد شماتیک NPN و PNP به صورت زیر است:
پایه‌ی امیتر (Emitter)
سمت چپ ساختارهای تصویر بالا را به عنوان پایه‌ی امیتر در نظر می‌گیریم. ابعاد نیمه‌هادی مربوط به امیتر معمولی است و حامل اکثریت جریان آن، شدیداً تقویت شده‌است (از طریق دوپ شدن) چرا که وظیفه‌ی این پایه تامین حاملان اکثریت جریان در ترانزیستور است. خواه الکترون، خواه حفره، بنابراین به دلیل صادر کردن الکترون، به این پایه امیتر (به معنای گسیل کننده) می‌گویند. در نماد مداری پایه‌ی امیتر را با علامت E، مشخص می‌کنند.
پایه‌ی بیس (Base)
نیمه‌هادی وسطی در ساختارهای بالا، پایه بیس را ایجاد می‌کند. نیمه‌هادی بیس از دو نیمه‌هادی دیگر ابعاد کوچکتری دارد(عرض کمتر) و مقدار اندکی دوپ شده است. ماموریت اصلی آن عبور دادن حاملان اکثریت از پایه‌ی امیتر به پایه‌ی کلکتور است. در نماد مداری پایه بیس را با علامت B مشخص می‌کنند.
پایه‌ی کلکتور(Collector)
سمت راست ساختارهای تصویر بالا را به عنوان پایه کلکتور می‌گیریم. همان‌طور که از نام آن مشخص است، وظیفه‌ی آن جمع‌آوری و دریافت حامل‌های اکثریت است. ابعاد آن (از نظر عرض) از بیس و امیتر بزرگ‌تر است (از آن‌جا که کلکتور یک ترانزیستور نسبت به دو پایه‌ی دیگر توان بیشتری تلف می‌کند،آن را بزرگ‌تر از دو نیمه هادی دیگر می‌سازند.) و به صورت ملایم، دوپ شده است. در نماد مداری پایه‌ی کلکتور را با علامت C مشخص می‌کنند.
یک ترانزیستور به دلیل وجود نوعی ماده‌ی نیمه‌رسانا در آن کار می‌کند. جریانی که از بیس به امیتر می‌رود، جریانِ عبوری از کلکتور به امیتر را "باز" می‌کند.
در یک ترانزیستور NPN استاندارد، شما باید ولتاژ 7/0 ولت را بین بیس و امیتر اعمال کنید تا جریان از بیس به امیتر منتقل شود. هنگامی که 7/0 ولت را از بیس به امیتر وارد می‌کنید، ترانزیستور را روشن کنید و اجازه دهید تا جریان از کلکتور به امیتر منتقل شود.
بیایید به یک مثال نگاه کنیم:
در مثال بالا، نحوه‌ی کار ترانزیستورها را مشاهده می‌کنید. یک باتری 9 ولتی به یک LED و یک مقاومت، از طریق ترانزیستور، متصل می‌شود. این به این معنی است که تا روشن شدن ترانزیستور هیچ جریانی در آن قسمت از مدار جریان نخواهد یافت. برای روشن کردن ترانزیستور باید 7/0 ولت از بیس به امیتر وارد کنید. تصور کنید یک باتری کوچک7/0 ولت دارید. (در یک مدار عملی، شما می‌توانید از مقاومت‌ها استفاده کنید تا ولتاژ صحیح را از هر منبع ولتاژ دریافت کنید). وقتی باتری 7/0 ولت را از بیس به امیتر می‌زنید، ترانزیستور روشن می‌شود. این کار اجازه می‌دهد تا جریان از کلکتور به امیتر منتقل شود و در نتیجه LED روشن می‌گردد.
انواع ترانزیستور
حال به انواع ترانزیستور به صورت مفصل تر می‌پردازیم. به صورت کلی ترانزیستورها به دو دسته‌ی اصلی تقسیم می‌شوند که در ساختار و فعال شدن این قطعه تفاوت دارند.
1.ترانزیستور اتصال دوقطبی یا BJT که مخفف Bipohar Junction Transistor است.
2.ترانزیستور اثر میدانی یا FET که مخفف Field Effect Transistor می‌باشد.
ترانزیستور BJT
این نوع از ترانزیستورها مصرف زیادی در مدارهای الکترونیکی دارند. ساختار داخلی ترانزیستورهای دوقطبی، تشکیل شده از سه قطعه نیمه‌هادی دارای ناخالصی‌های منفی (N) و مثبت (P) است که به صورت ترکیبی از NPN یا PNP ساخته می‌شوند. هر کدام از این لایه‌ها اسامی خاص خود را دارند، لایه‌ی وسطی بیس (Base) و لایه های کناری کلکتور (Collector) و امیتر (Emitter) نامیده می‌شوند. به صورت معمول، عرض لایه‌ی کلکتور از بقیه‌ی لایه‌ها بیشتر بوده و امیتر ناخالصی بیشتری در خود جا داده است. جریان خروجی در این نوع ترانزیستور به صورت مستقیم با جریان اعمال شده به پایه ورودی متناسب است. به همین دلیل کنترل ترانزیستور BJT از طریق جریان اتفاق می‌افتد.
ترانزیستور FET
در ترانزیستورهای میدانی، جابه‌جایی حامل‌های الکتریکی (الکترون و حفره) در نیمه‌هادی‌ها با استفاده از یک میدان الکتریکی اتفاق می‌افتد. علت نام‌گذاری این قطعات هم به همین دلیل است. این ترانزیستورها دارای سه ترمینال اصلی هستند که به سورس (Sourse)، درین (Drain) و گیت (Gate) شناخته می‌شوند. در این نوع، بر خلاف مدل دو قطبی، کنترل جریان خروجی با اعمال ولتاژ به پایه ورودی صورت می‌گیرد. ترانزیستورهای FET دو نوع اصلی n کانال و یا p کانال دارند که n کانال ساختار فیزیکی مشابه ترانزیستور PNP و p کانال مشابه NPN دارد.
ناحیه‌ی کاری ترانزیستورها
· ناحیه‌ی قطع
· ناحیه‌ی فعال
· ناحیه‌ی اشباع
در ناحیه‌ی قطع، ترانزیستور غیر فعال است و به محض اعمال جریان یا ولتاژ به پایه‌ی ورودی، وارد ناحیه‌ی فعال می‌شود و سپس با اعمال جریان یا ولتاژ بیشتر به ورودی، جریان عبوری از دو پایه‌ی دیگر افزایش می‌یابد. سپس در نقطه‌ای دیگر، اعمال ولتاژ یا جریان، تغییری در جریان عبوری از دو پایه‌ی دیگر به وجود نمی‌آورد که این ناحیه اشباع نامیده می‌شود. در این ناحیه اعمال ولتاژ یا جریان بیشتر ممکن است باعث سوختن ترانزیستور شود.
برای تکمیل تقویت کننده ترانزیستور، مقاومت و خازن های اضافی به همراه حداقل یک منبع تغذیه DC مورد نیاز است.