مقالات الکترونیکی

ترانزیستور چیست ؟

ترانزیستورها یکی از قطعات اساسی در الکترونیک هستند.ترانزیستور ها سوئیچ هایی هستند که برای خاموش و روشن کردن بکار می روند.اگر چه ترانزیستور ها یک قطعه ی ساده هستند اما یکی از مهم ترین قطعات الکترونیکی هستند.مثلا ترانزیستور تنها قطعه ای است که در ساخت یک پردازشگر پنتیوم استفاده می شود.یک چیپ پنتیوم تقریبا 3.5 میلیون ترانزیستور دارد.

ترانزیستور را معمولاً به عنوان یکی از قطعات الکترونیک می‌شناسند. ترانزیستور یکی از ادوات حالت جامد است که از مواد نیمه رسانایی مانند سیلیسیم و ژرمانیوم ساخته می‌شود.یک ترانزیستور در ساختار خود دارای پیوندهایپیوند نوع N و پیوند نوع P می‌باشد.

ترانزیستور دارای سه پایه به نام های کلکتور (Collector) و بیس (Base) و امیتر (Emitter) می باشد.معمولا کلکتور با حرف C و بیس با حرف B و امیتر با حرف E نمایش داده می شود.گاهی اوقات این پایه ها در طرف مسطح ترانزیستور مشخص شده اند.ترانزیستور دارای یک طرف صاف و یک طرف گرد می باشد.اگر طرف گرد آن رو به روی شما باشد پایه ی کلکتور سمت چپ,بیس در وسط و امیتر در سمت راست خواهد بود.

از نماد زیر برای رسم یا نمایش ترانزیستور در مدار استفاده می شود.

ترانزیستور چگونه کار می کند ؟

 اعمال ولتاژ با پلاريته موافق باعث عبور جريان از يک
پيوند PN مي شود وچنانچه پلاريته ولتاژتغيير کند
جرياني از مدار عبور نخواهد کرد.
اگر ساده بخواهيم به موضوع نگاه کنيم عملکرد يک ترانزيستور رامي توان تقويت جريان دانست. مدار منطقي کوچکي را در نظر بگيريد که تحت شرايط خاص درخروجي خود جريان بسيار کمي را ايجاد مي کند. شما بوسيله يک ترانزيستور مي توانيداين جريان را تقويت کنيد و سپس از اين جريان قوي براي قطع و وصل کردن يک رله برقياستفاده کنيد.
موارد بسياري هم وجود دارد که شما از يک ترانزيستوربراي تقويت ولتاژ استفاده مي کنيد. بديهي است که اين خصيصه مستقيما" از خصيصه تقويتجريان اين وسيله به ارث مي رسد کافي است که جريان وردي و خروجي تقويت شده را روي يکمقاومت بيندازيم تا ولتاژ کم ورودي به ولتاژ تقويت شده خروجي تبديل شود.

جريان ورودي اي که که يک ترانزيستور مي تواند آنرا تقويت کند بايد حداقلداشته باشد. چنانچه اين جريان کمتر از حداقل نامبرده باشد ترانزيستور در خروجي خودهيچ جرياني را نشان نمي دهد. اما به محض آنکه شما جريان ورودي يک ترانزيستور را بهبيش از حداقل مذکور ببريد در خروجي جريان تقويت شده خواهيد ديد. از اين خاصيتترانزيستور معمولا" براي ساخت سوييچ هاي الکترونيکي استفاده مي شود.

از لحاظ ساختاري مي توان يک ترانزيستور را با دو ديود مدل کرد.
همانطور که در مطلب قبلاشارهکرديم ترانزستورهاي اوليه از دو پيوند نيمه هادي تشکيل شده اند و بر حسب آنکه چگونهاين پيوند ها به يکديگر متصل شده باشند مي توان آنها را به دو نوع اصلي PNP يا NPN تقسيم کرد. براي درک نحوه عملکرد يک ترانزيستور ابتدا بايد بدانيم که يک پيوند (Junction) نيمه هادي چگونه کار مي کند.
در شکل اول شما يک پيوندنيمه هادي از نوع PN را مشاهده مي کنيد. که از اتصال دادن دو قطعه نيمه هادي P و N به يکديگر درست شده است. نيمه هادي هاي نوع N داراي الکترونهاي آزاد و نيمه هادينوع P داراي تعداد زيادي حفره (Hole) آزاد مي باشند. بطور ساده مي توان منظور ازحفره آزاد را فضايي دانست که در آن کمبود الکترون وجود دارد.

اگر به اينتکه نيمه هادي از خارج ولتاژي بصورت آنچه در شکل نمايش داده مي شود اعمال کنيم درمدار جرياني برقرار مي شود و چنانچه جهت ولتاژ اعمال شده را تغيير دهيم جرياني ازمدار عبور نخواهد کرد (چرا؟).

اين پيوند نيمه هادي عملکرد ساده يک ديود رامدل مي کند. همانطور که مي دانيد يکي از کاربردهاي ديود يکسوسازي جريان هاي متناوبمي باشد. از آنجايي که در محل اتصال نيمه هادي نوع N به P معمولآ يک خازن تشکيل ميشود پاسخ فرکانسي يک پيوند PN کاملآ به کيفيت ساخت و اندازه خازن پيوند بستگي دارد. به همين دليل اولين ديودهاي ساخته شده توانايي کار در فرکانسهاي راديويي - مثلآبراي آشکار سازي - را نداشتند.

معمولآ براي کاهش اين خازن ناخاسته، سطحپيوند را کاهش داده و آنرا به حد يک نقطه مي رسانند.

منحني رفتار يک ديود در هنگام اعمال ولتاژ مثبت
در مطلب قبلکلياتي راجع به ترانزيستور بيان کرديم همچنين گفتيم که اگر به يک پيوند PN ولتاژ با پلاريته موافق متصل کنيم جريان از اين پيوند عبور کرده و اگر ولتاژ رامعکوس کنيم در مقابل عبور جريان از خود مقاومت نشان مي دهد. براي درک دقيق نحوهکارکرد يک ترانزيستور بايد با نحوه کار ديود آشنا شويم، بايد اشاره کنيم که قصدنداريم تا به تفضيل وارد بحث فيزيک الکترونيک شويم و فقط سعي خواهيم کرد با بياننتايج حاصل از اين شاخه علمي ابتدا عملکرد ديود و سپس ترانزيستور را بررسي کنيم.

از لحاظ الکتريکي يک ديود هنگامي عبورجريان را از خود ممکن مي سازد که شما با برقرار کردن ولتاژ در جهت درست (+ به آند و - به کاتد) آنرا آماده کار کنيد. مقدار ولتاژي که باعث ميشود تا ديود شروع به هدايتجريان الکتريکي نمايد ولتاژ آستانه يا (forward voltage drop) ناميده مي شود کهچيزي حدود 0.6 تا 0.7 ولت مي باشد. به شکل اول توجه کنيد که چگونه براي ولتاژهايمثبت - منظور جهت درست مي باشد - تا قبل از 0.7 ولت ديود از خود مقاومت نشان مي دهدو سپس به يکباره مقاومت خود را از دست مي دهد و جريان را از خود عبور مي دهد.

 ترانزیستور چه کاری انجام می دهد؟

در میکرو چیپ های امروزی ، که حاوی میلیونها ترانزیستور هستند که در الگو یا طرح مخصوصی چیده شده اند خروجی تقویت شده ی یک ترانزیستور به ورودی ترانزیستور دیگر داده می شود تاآن هم عمل تقویت کنندگی را بر روی ورودی انجام دهد و به همین ترتیب ادامه می یابد که نتیجه یک خروجی تقویت شده و پر توان می باشد . چنین میکروچیپی می تواند سیگنالی بسیار ضعیفی را از آنتن بگیرد و یک صوت قوی و چهار کاناله را تحویل دهد.

با ساختن چیپ ها در طراحی های مختلف می توان تایمر هایی برای ساعت یا سنسور هایی برای نشان دادن درجه حرارت و یا کنترل کننده چرخ های ماشین تا قفل نشوند (سیستمABS) ساخت.می توان ترانزیستور ها را در آرایشی دیگر در داخل چیپ قرار داد(طراحی متفاوت) و پروسسور های منطقی و محاسباتی را ساخت که باعث می شوند تا ماشین حسابها محاسبه و کامپیوتر ها پردازش کنندو یا شبکه هایی را برای انتقال مکالمات تلفنی ساخت و یا سیستمهایی را ساخت که بتوانند صدا و تصویر را انتقال دهند.

می توان ترانزیستور ها را در بسته هایی چید که به آنها گیت های منطقی می گویند و می توانند دو عدد 1و 1 را باهم جمع کنند و یا می توان آنها را در آرایشی خاص قرار داد تا کارهای بسیار بزرگی را با استفاده از سرعت سوییچینگ – 100 میلیون بار بر ثانیه و بیشتر - خود انجام دهند .

البته کار به همین جا ختم نمی شود مداراتی که در چندین سال گذشته برای انجام عملی خاص به وسیله ترانزیستور ها بر روی بورد ها بسته می شود امروزه به مدد طراحی کامپیوتری و تکنیک مدارات مجتمع بر روی یک آی سی هزاران ترانزیستور و سیم کشی های مربوطه و تمام قطعات الکترونیکی لازم قرار داده می شود . شاید بتوان گفت که حجم مدارات هزاران بار کاهش یافته است.

بر همین مقیاس امروزه می توان گفت که ترانزیستور مجانی است ( 1 دلار تقسیم بر یک میلیون ترانزیستور ) و ترانزیستور های داخل مدارات مجتمع واقعا قابل اطمینان هستند.

چیزی که باعث می شود که ترانزیستور ها روز به روز پیشرفت می کنند و بهتر و ارزان تر می شونداین است که به مدد تحقیقات نیمه هادی  ها روز به روز بهتر و کاربردی تر می شوند . و این چیزی است که آزمایشگاههای بل برای آن تحقق می کند . دانشمندان این مرکز تحقیقاتی امروزه می دانند که چگونه نیمه هادی هار ا اتم به اتم به صورت مجازی ، از منابع سرشاری که مادر بی دریغ طبیعت در دسترس ما قرار داده است ، به وسیله تکنیک های لایه بندی بسازند.این چیزی است که می توان آن را جادو نامید.