ترانزيستور

معرفی

ترانزیستورهای جدید به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند: ترانزیستورهای اتصال دوقطبی(s) و ترانزیستورهای اثر می‌دانیTs. اعمال جریان در BJTها و ولتاژ در FETها بیین ورودی وترمینال مشترک رسانایی بین خروجی و ترمینال مشترک را افزایش می‌دهد، از اینرو سبب کنترل جریان بین آنها می‌شود. مشخصات ترانزیستورها به نوع آن بستگی دارد. مدل‌های ترانزیستور را ببینید. لغت «ترانزیستور» به نوع اتصال نقطه‌ای آن اشاره دارد، اما انی سمبل قدیمی با سمبل‌هایی را کردند که اختلاف ساختار ترانزیستور دوقطبی را به صورت دقیقتر نشان می‌داد، اما این ایده خیلی زود رها شد. در مدارات آنالوگ، ترانزیستورها در تقویت کننده‌ها استفاده می‌شوند، (تقویت کننده‌های جریان مستقیم، تقویت کننده‌های صدا، تقویت کننده‌های امواج رادیویی) و منابع تغذیه تنظیم شده خطی. همچنین از ترانزیستورها در مدارات دیجیتال بعنوان یک سوئیچ الکترونیکی استفاده می‌شوند، اما به ندرت به صورت یک قطعه جدا، بلکه به صورت بهم پیوسته در مدارات مجتمع یکپارچه بکار می‌روند. مدارات دیجیتال شامل گیت‌های منطقی، حافظه با دسترسی تصادفی (RAM)، میکروپروسسورها و پردازنده‌های سیگنال دیجیتال (DSPs) هستند. ترانزیستور می‌تواند به عنوان سویچ نیز کار کند. ترانزستور سه بایه دارد.

ساختمان ترانزیستور

BJT از اتصال سه لایه بلور نیمه هادی تشکیل می‌شود. لایه وسطی بیس(base)، و دو لایه جانبی، یکی امیتر(emitter) و دیگری کلکتور(collector) نام دارد. نوع بلور بیس، با نوع بلورهای امیتر و کلکتور متفاوت است. دریک ترانزیستور دوقطبی، لایه امیتر یا گسیلنده بیشترین مقدار ناخالصی را دارد. که الکترونها از امیتر به سوی لایه کلکتور که ناخالصی کمتری دارد، گسیل داده می شود^.

اهمیت

ترانزیستور از سوی بسیاری بعنوان یکی از بزرگترین اختراعات در تاریخ نوین مطرح شده‌است، در رتبه بندی از لحاظ اهمیت در کنار ماشین چاپ، خودرو و ارتباطات الکترونیکی و الکتریکی قرار دارد. ترانزیستور عنصر فعال کلیدی در الکترونیک مدرن است. اهمیت ترانزیستور در جامعه امروز متکی به قابلیت آن برای تولید انبوه که از یک فرآیند (ساخت) کاملاً اتماتیک که قیمت تمام شده هر ترانزیستور در آن بسیار ناچیز است استفاده می‌کند. اگرچه میلیون‌ها ترانزیستور هنوز تکی (به صورت جداگانه) استفاده می‌شوند ولی اکثریت آنها به صورت مدار مجتمع (اغلب به صورت مختصر IC و همچنین میکرو چیپ یا به صورت ساده چیپ نامیده می‌شوند) همراه با دیودها، مقاومت‌ها، خازن‌ها و دیگر قطعات الکترونیکی برای ساخت یک مدار کامل الکترونیک ساخته می‌شوند. یک گیت منطقی حاوی حدود بیست ترانزیستور است در مقابل یک ریزپردازنده پیشرفته سال ۲۰۰۶ که می‌تواند از بیش از ۷/۱ میلیون ترانزیستور استفاده کند (ماسفت‌ها)[۱]. قیمت کم، انعطاف پذیری و اطمینان از ترانزیستور یک قطعه همه کاره برای وظایف غیرمکانیکی مثل محاسبه دیجیتال ساخته‌است. مدارات ترانزیستوری به خوبی جایگزین دستگاه‌های کنترل ادوات و ماشین‌ها شده‌اند. استفاده از یک میکروکنترلر استاندارد و نوشتن یک برنامه رایانه‌ای که عمل کنترل را انجام می‌دهد اغلب ارزان تر و موثرتر از طراحی معادل مکانیکی آن می‌باشد. بعلت قیمت کم ترانزیستورها و ازاینرو رایانه‌ها گرایشی برای دیجیتال کردن اطلاعات وجود دارد. با رایانه‌های دیجیتالی که توانایی جستوجوی سریع، دسته بندی و پردازش اطلاعات دیجیتال را ارائه می‌کنند، تلاش بیشتری برای دیجیتال کردن اطلاعات شده‌است. در نتیجه امروزه داده‌های رسانه‌ای بیشتری به دیجیتال تبدیل می‌شوند، در پایان توسط رایانه تبدیل شده و به صورت آنالوگ در اختیار قرار می‌گیرد. تلویزیون، رادیو و روزنامه‌ها چیزهایی هستند که تحت تاثیر این انقلاب دیجیتال واقع شده‌اند.

مزایای ترانزیستورها بر لامپ‌های خلإ

قبل از گسترش ترانزیستورها، لامپ‌های خلإ (یا در UK لامپ‌های ترمیونیک یا فقط لامپ‌ها) قطعات فعال اصلی تجهیزات الکترونیک بودند. مزایای کلیدی که به ترانزیستورها اجازه جایگزینی با لامپ‌های خلإ سابق در بیشتر کاربردها را داد در زیر آمده‌است: اندازه کوچک تر (با وجود ادامه کوچک سازی لامپ‌های خلإ) تولید کاملاً اتوماتیک هزینه کمتر (در حجم تولید) امکان ولتاژ کاری پایین تر (اما لامپ‌های خلإ در ولتاژهای بالاتر می‌توانند کار کنند) نداشتن دوره گرم شدن (بیشتر لامپ‌های خلإ به ۱۰ تا ۶۰ ثانیه زمان برای عملکرد صحیح نیاز دارند) تلفات توان کمتر (نداشتن توان گرمایی، ولتاژ اشباع خیلی پایین) قابلیت اطمینان بالاتر و سختی فیزیکی بیشتر(اگرچه لامپ‌های خلإ از نظر الکتریکی مقاوم ترند. همچنین لامپ خلإ در برابر پالس‌های الکترومغناطیسی هسته‌ای (NEMP) وتخلیه الکترو استاتیکی (ESD) مقاوم ترند عمر خیلی بیشتر (قطب منفی لامپ خلإ سرانجام ازبین می‌رود و خلإ آن می‌تواند آلوده بشود) فراهم آوردن دستگاه‌های مکمل (امکان ساختن مدارات مکمل متقارن: لامپ خلإ قطبی معادل نوع مثبت BJTها و نوع مثبت FETها در دسترس نیست) قابلیت کنترل جریان بالا (ترانزیستورهای قدرت بریای کنترل صدها آمپر در دسترسند، لامپ‌های خلإ برای کنترل حتی یک آمپر بسیار بزرگ و هزینه برند) میکروفونیک بسیار کمتر (لرزش می‌تواند با خصوصیات لامپ خلإ تلفیق شود، به هر حال این ممکن است در صدای تقویت کننده‌های گیتار شرکت کند)

تاریخچه

اولین سه حق ثبت اختراع ترانزیستور اثرمیدان در سال ۱۹۲۸ در آلمان توسط فیزیک دانی به نامJulius Edgar Lilienfeld ثبت شد، اما او هیچ مقاله‌ای در باره قطعه اش چاپ نکرد و این سه ثبت اختراع از طرف صنعت نادیده گرفته شد. در سال ۱۹۳۴ فیزیکدان آلمانی دکتر Oskar Heil ترانزیستور اثر میدان دیگری را به ثبت رساند. هیچ مدرک مستقیمی وجود ندارد که این قطعه ساخته شده‌است، اما بعداً کارهایی در دهه ۱۹۹۰ نشان داد که یکی از طرح‌های Lilienfeld کار کرده و گین قابل توجه‌ای داده‌است. اوراق قانونی از آزمایشگاه‌های ثبت اختراع بل نشان می‌دهد که Shockley و Pearson یک نسخه قابل استفاده از اختراع Lilienfeld ساخته‌اند، در حالی که آنها هیچگاه این را در تحقیقات و مقالات خود ذکر نکردند. ترانزیستورهای دیگر، R. G. Arns در ۲۳ دسامبر ۱۹47 Wiliam Shockley, John Bardeen و Walter Brattain موفق به ساخت اولین ترانزیستور اتصال نقطه‌ای در آزمایشگاه بل شدند. این کار با تلاش‌های زمان جنگ برای تولید دیودهای مخلوط کننده ژرمانیم خالص «کریستال» ادامه یافت، این دیودها در واحدهای رادار بعنوان عنصر میکسر فرکانس در گیرنده‌های میکروموج استفاده می‌شد. یک پروژه موازی دیودهای ژرمانیم در دانشگاه Purdue موفق شد کریستال‌های نیمه هادی ژرمانیم را با کیفیت خوب که در آزمایشگاه‌های بل استفاده می‌شد را تولید کند.[۲] سرعت سوئیچ تکنولوژی لامپی اولیه برای این کار کافی نبود، همین تیم Bell را سوق داد تا از دیودهای حالت جامد به جای آن استفاده کنند. آنها با دانشی که در دست داشتند شروع به طراحی سه قطبی نیمه هادی کردند، اما دریافتند که کار ساده‌ای نیست. Bardeen سرانجام یک شاخه جدید فیزیک سطحی را برای محاسبه رفتار عجیبی که دیده بودند ایجاد کرد و سرانجام Brattain و Bardeen موفق به ساخت یک قطعه کاری شدند. آزمایشگاه‌های تلفن بل به یک اسم کلی برای اختراع جدید نیاز داشتند: «سه قطبی نیمه هادی»، «سه قطبی جامد»، «سه قطبی اجزاء سطحی»، «سه قطبی کریستال» و «لاتاتورن» که همه مطرح شده بودند، اما «ترانزیستور» که توسط John R. Pierce ابداع شده بود، برنده یک قرعه کشی داخلی شد. اساس وبنیاد این اسم در یاداشت فنی بعدی شرکت رای گیری شد: ترانزیستور، این یک ترکیب مختصر از کلمات «ترانسکانداکتانس» یا «انتقال» و «مقاومت متغیر» است. این قطعه منطقاً متعلق به خانواده مقاومت متغیر می‌باشد و یک امپدانس انتقال یا گین دارد بنابراین این اسم یک ترکیب توصیفی است. -آزمایشگاه‌های تلفن بل- یاداشت فنی(۲۸ می‌۱۹۴۸) Pierce این نام را قدری متفاوت تفسیر کرد: دلیلی که من این نام را انتخاب کردم این بود که من فکر کردم این قطعه چکار می‌کند، در آن زمان تصور می‌شد که این قطعه مثل دو لامپ خلإ است. لامپ‌های خلإ هدایت انتقالی دارند بنابراین ترانزیستور مقاومت انتقالی دارد. و این اسم می‌بایست متناسب با نام دیگر قطعات مثل وریستور، ترمیستور باشد. و من اسم ترانزیستور را پیشنهاد کردم. PBC Show مصاحبه با john R. Pierce بل فوراً ترانزیستور تک اتصالی را جزء تولیدات انحصاری شرکت Western Electric، شهر Allentown در ایالت Pennsylvania قرار داد. نخستین ترانزیستورهای گیرنده‌های رادیو AM در معرض نمایش قرار گرفتند، اما در واقع فقط در سطح آزمایشگاهی بودند. بهرحال در سال ۱۹50 Shockley یک نوع کاملاً متفاوت ترانزیستور را ارائه داد که به ترانزیستور اتصال دوقطبی معروف شد. اگرچه اصول کاری این قطعه با ترانزیستور تک اتصالی کاملاً فرق می‌کند، قطعه‌ای است که امروزه به عنوان ترانزیستور شناخته می‌شود. پروانه تولید این قطعه نیز به تعدادی از شرکت‌های الکترونیک شامل Texas Instrument که تعداد محدودی رادیو ترانزیستوری بعنوان ابزار فروش 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 کم کم رفع شدند. اگرچه اغلب نادرست به Sony نسبت داده می‌شود، ولی اولین رادیو ترانزیستوری تجاری Regency TR-1 بود که توسط Regency Division از I.D.E.A (گروه مهنسی توصعه صنعتی) شهر Indianapolis ایالت Indiana ساخته شده و در ۱۸ اکتبر ۱۹۵۴ اعلام شد. آین رادیو در نوامبر ۱۹۵۴ به قیمت ۹۵/۴۹ دلار(معادل با ۳۶۱ دلار در سال ۲۰۰۵) به فروش گذاشته شد و تعداد ۱۵۰۰۰۰ از آن به فروش رفت. این رادیو از ۴ ترانزیستور استفاده می‌کرد وبا یک باتری ۵/۲۲ ولتی راه اندازی می‌شد. هنگامیکه Masaru Ibuka، موسس شرکت ژاپنی سونی از آمریکا دیدن می‌کرد آزمایشگاه‌های بل ارائه مجوز ساخت شامل ریز دستوراتی مبنی بر چگونگی ساخت ترانزیستور را اعلام کرده بودند. Ibuka مجوز خرید ۵۰۰۰۰ دلاری پروانه تولید را از وزیر دارایی ژاپن گرفت و در سال ۱۹۵۵ رادیوی جیبی خود را تحت مارک سونی معرفی کرد. (کلمه جیبی اشاره دارد به مطلب بدنامی سونی وقتیکه فروشنده آنها پیراهن مخصوصی با جیب‌های بزرگ داشت). این محصول بزودی با طرح‌های بلند پروازانه ادامه پیدا کرد، اما آنها بعنوان آغاز رشد شرکت سونی از طرف عموم مورد توجه قرار می‌گرفتند تا سونی به یک قدرت تولیدی تبدیل شد. بعد از دو دهه ترانزیستورها بتدریج جای لامپ‌های خلإ را در بسیاری از کاربردها گرفتند و بعدها امکان تولید دستگاه‌های جدیدی از قبیل مدارات مجتمع و رایانه‌های شخصی را فراهم آوردند. از Shockley, Bardeen و Brattian بخاطر تحقیقاتشان در مورد نیمه هادی‌ها وکشف اثر ترانزیستر با جایزه نوبل فیزیک قدردانی شد. Bardeen می‌رفت که دومین جایزه نوبل فیزیک را دریافت کند، یکی از دو نفری که بیش از یک جایزه از یک متد می‌گرفت. اولین ترانزیستور Gallium-Arsenide Schottky-gate توسط Carver Mead ساخته و در سال ۱۹۶۶ گزارش داده شد.

کاربرد

ترانزیستور دارای ۳ ناحیه کاری می‌باشد. ناحیه قطع/ناحیه فعال(کاری یا خطی)/ناحیه اشباع ناحیه قطع حالتی است که ترانزیستور در ان ناحیه فعالیت خاصی انجام نمی‌دهد. اگر ولتاژ بیس را افزایش دهیم ترانزیستور از حالت قطع بیرون امده و به ناحیه فعال وارد می‌شود در حالت فعال ترانزیستور مثل یک عنصر تقریبا خطی عمل می‌کند اگر ولتاژ بیس را همچنان افزایش دهیم به ناحیه‌ای می‌رسیم که با افزایش جریان ورودی در بیس دیگر شاهد افزایش جریان بین کلکتور و امیتر نخواهیم بود به این حالت می‌گویند حالت اشباع و اگر جریان ورودی به بیس زیاد تر شود امکان سوختن ترانزیستور وجود دارد. ترانزیستور هم در مدارات الکترونیک آنالوگ و هم در مدارات الکترونیک دیجیتال کاربردهای بسیار وسیعی دارد. درمدارات آنالوگ ترانزیستور در حالت فعال کار می‌کند و می‌توان از آن به عنوان تقویت کننده یا تنظیم کننده ولتاژ (رگولاتور) و... استفاده کرد. و در مدارات دیجیتال ترانزیستور در دو ناحیه قطع و اشباع فعالیت می‌کند که می‌توان از این حالت ترانزیستور در پیاده سازی مدار منطقی، حافظه، سوئیچ کردن و... استفاده کرد. به جرات می‌توان گفت که ترانزیستور قلب تپنده الکترونیک است.

عملکرد

ترانزیستور از دیدگاه مداری یک عنصر سه‌پایه می‌باشد که با اعمال یک سیگنال به یکی از پایه‌های آن میزان جریان عبور کننده از دو پایه دیگر آن را می‌توان تنظیم کرد. برای عملکرد صحیح ترانزیستور در مدار باید توسط المان‌های دیگر مانند مقاومت‌ها و... جریان‌ها و ولتاژهای لازم را برای آن فراهم کرد و یا اصطلاحاً آن را بایاس کرد.

انواع

دو دسته مهم از ترانزیستورها BJT (ترانزیستور دوقطبی پیوندی) (Bipolar Junction Transistors) و FET (ترانزیستور اثر میدان) (Field Effect Transistors) هستند. ترانزیستورهای اثزمیدان یا FETها نیز خود به دو دستهٔ ترانزیستور اثر میدان پیوندی(JFET) و MOSFET‌ها (Metal Oxide SemiConductor Field Effect Transistor) تقسیم می‌شوند.

ترانزیستور دوقطبی پیوندی

در ترانزیستور دو قطبی پیوندی با اعمال یک جریان به پایه بیس جریان عبوری از دو پایه 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 و 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 بجای استفاده از مقاومت وخازن و... در مدارات مجتمع تمامآازترانزیستوراستفاده می‌کنند

ترانزیستور اثر میدان پیوندی(JFET)

در ترانزیستورهای JFET(Junction Field Effect Transistors(در اثر میدان، با اعمال یک ولتاژ به پایه گیت میزان جریان عبوری از دو پایه سورس و درین کنترل می‌شود. ترانزیستور اثر می‌دانی