ترانزیستور چیست؟

ترانزیستور‌ که اساس آن یک پیوند P-N معمولی است. این‌بار می‌خواهیم قطعه‌ای را که از اتصال دو پیوند P-N به هم ایجاد می‌شود و ترانزیستور نام دارد، بشناسیم. ترانزیستور یک قطعه‌ی سه پایه‌ی نیمه‌هادی است که می‌تواند ولتاژ یا جریان را تحت کنترل گرفته و تنظیم کند. به عبارتی ترانزیستور در مقابل سیگنال‌ها مانند یک سوییچ یا دروازه عمل می‌کند. 

چرا به ترانزیستور‌ها نیاز داریم؟

تصور کنید یک گیرنده FM دارید که سیگنالی مدنظر را دریافت می‌کند. سیگنال دریافتی شما مسلما سیگنال ضعیفی خواهد بود چرا که در طول مسیر خود از فرستنده تا گیرنده دچار اعوجاج و افت دامنه شده است. حال اگر این سیگنال را به همین شکل مورد استفاده قرار دهید، خروجی مطلوب و دقیقی نخواهید داشت؛ بنابراین نیاز داریم تا به نحوی این سیگنال دریافتی را تقویت کنیم. تقویت کنندگی به این معنا که قدرت آن را افزایش دهیم.

اما این مثال تنها یک نمونه بود. تقویت کننده‌ها در هرجایی که لازم باشد قدرت سیگنال افزایش پیدا کند، مورد نیاز هستند.

ترانزیستور وسیله‌ای است که کار تقویت کردن سیگنال را برای ما انجام می‌دهد. هم‌چنین می‌تواند مانند سوییچی بین حالات و انتخاب‌های مختلف ما در مدار باشد؛ و نیز می‌تواند ولتاژ و جریان سیگنالی که دریافت می‌کند را تنظیم کند. جزییات ساختاری ترانزیستور

ترانزیستور یک دستگاه یا ابزار حالت جامد سه پایه است که از اتصال متوالی (back to back) دو دیود ایجاد می‌شود؛ بنابراین در ساختار خود دارای دو پیوند P-N است. سه پایه‌ی آن از سه نیمه‌هادی موجود در این پیوند‌ها گرفته می‌شوند. اتصال متوالی یا پشت به پشت دیود ها، دو نوع ترانزیستور ایجاد می‌کند؛ NPN و PNP؛ که به ترتیب به معنای قرار گرفتن نیمه هادی نوع P. در بین دو نیمه هادی نوع N، و قرار گرفتن نیمه هادی نوع N. در بین دو نیمه هادی نوع P. است.

نام پایه‌های ترانزیستور امیتر، بِیس و کلکتور می‌باشد و هرکدام عملکرد و ویژگی‌های خاص خود را دارند که در ادامه در مورد آن‌ها صحبت می‌کنیم. پایه‌ی امیتر (Emitter)

سمت چپ ساختار‌های تصویر بالا را به عنوان پایه امیتر می‌گیریم. ابعاد نیمه‌هادیِ مربوط به امیتر معمولی است و حامل اکثریت جریان آن، شدیدا تقویت شده است (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 بِیس (Base)

نیمه‌هادی وسطی در ساختار‌های بالا، پایه بیس را ایجاد می‌کند. نیمه هادی بیس از دو نیمه هادی 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 پایه‌ی 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 وظیفه 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 نیمه‌هادی دیگر می‌سازند.) و به صورت ملایم دوپ شده است. در نماد مداری پایه‌ی کلکتور را با علامت C. مشخص می‌کنند.

همان‌طور که می‌بینیم پایه‌ی فلش دار ترانزیستور همواره معین کننده امیتر است. باید دقت داشت که پایه‌های امیتر و کلکتور را به دلیل وظایف منحصر به فردی که هر کدام دارند، نمی‌توان به جای هم به کار برد؛ بنابراین همواره باید پایه‌های ترانزیستور را به درستی در مدار وصل کرد.

در ترانزیستور‌های واقعی برای تشخیص پایه‌ها، یک فرورفتگی یا خراش در سمت پایه‌ی امیتر ایجاد میکنند تا قابل تشخیص باشد. ترانزیستور‌های NPN و PNP نیز به کمک مولتی متر از یکدیگر قابل تشخیص هستند. در تصویر زیر تعدادی از انواع مختلف ترانزیستور‌ها را در عمل می‌بینید.

تا اینجا با جزئیات ساختاری ترانزیستور‌ها آشنا شدیم، اما برای فهم چگونگی عملکرد آن‌ها، ابتدا باید مفهوم بایاس دهی (Biasing) را بدانیم.بایاس ترانزیستور ‌ می‌دانیم که ترانزیستور از ترکیب دو دیود ساخته شده است و در ساختار آن دو پیوند داریم. پیوندی میان نیمه‌هادی‌های بیس و امیتر که به آن پیوند بیس- امیتر گفته می‌شود و پیوندی میان نیمه‌هادی‌های بیس و کلکتور که به آن پیوند کلکتور- بیس گفته می‌شود.

بایاس دهی به معنای کنترل عملکرد مدار از طریق تامین منبع توان می‌باشد. به عبارت دیگر، عملکرد هر دو پیوند P-N موجود در ترانزیستور را می‌توان با کمک بایاس دادن به آن‌ها از طریق یک منبع dc، کنترل کرد.

اگر کمی در مدار‌های بالا دقت کنیم متوجه می‌شویم که:

اگر نیمه‌هادی نوع N. را به تغذیه‌ی منفی و نیمه‌هادی نوع P. را به تغذیه‌ی مثبت وصل کنیم، بایاس مستقیم خواهیم داشت. اگر نیمه‌هادی نوع N. را به تغذیه‌ی مثبت و نیمه‌هادی نوع P. را به تغذیه‌ی منفی وصل کنیم، بایاس معکوس خواهیم داشت.

پس از اعمال تغذیه، پیوند بیس-امیتر همواره در حالت بایاس مستقیم قرار خواهد گرفت چرا که مقاومت امیتر بسیار کم است. در مقابل، پیوند کلکتور-بیس در وضعیت بایاس معکوس خواهد بود و مقاومت آن نیز اندکی بیشتر است.

به این ترتیب برای پیوند بیس- امیتر یک بایاس مستقیم کوچک کافی خواهد بود در حالی که کلکتور باید یک بایاس معکوس بزرگ دریافت کند.

جهت جریان که در مدار‌های بالا نشان داده شده است، جهت جریان قراردادی گفته می‌شود و نشانگر جهت حرکت جریان حفره‌ای است. (جهت جریان الکترون‌ها برعکس خواهد بود.) ترانزیستور PNP

با نگاه کردن به تصویر زیر می‌توانیم به چگونگی کارکرد ترانزیستور PNP پی ببریم. می‌بینیم که پیوند بیس- امیتر در حالت بایاس مستقیم و پیوند کلکتور- بیس در حالت بایاس معکوس است.

ولتاژ VEE پتانسیلی مثبت را برای امیتر تامین می‌کند و در نتیجه امیتر که در اینجا یک نیمه‌هادی نوع P. است، با دریافت پتانسیل مثبت حفره‌ها را از خود دور می‌کند. حفره‌ها از پیوند بیس- امیتر عبور کرده و به ناحیه‌ی بیس می‌روند. ناحیه‌ی بیس در اینجا یک نیمه‌هادی نوع N. است و به همین دلیل درصد کمی از آن حفره‌ها با الکترون‌های آزاد بیس بازترکیب می‌شوند. این فرآیند بازترکیبی باعث ایجاد جریانی اندک در بیس می‌شود که آن را با IB نمایش می‌دهند. اما حفره‌های باقی مانده از پیوند کلکتور-بیس عبور کرده و به ناحیه‌ی کلکتور می‌روند. این‌ها جریان کلکتور را که با IC نشان داده می‌شود، ایجاد می‌کنند؛ بنابراین جریان کلکتور در ترانزیستور NPN جریانی حفره‌ای است.

با رسیدن حفره‌ها به ناحیه کلکتور، الکترون‌هایی از سمت منفی باتری که به کلکتور متصل است، آمده و حفره‌ها را پر می‌کنند. این جریان الکترون‌ها به مرور زیادتر شده و در حالی‌که جریان اقلیت محسوب می‌شوند به سمت امیتر روانه خواهند شد. در آن‌جا هر الکترون که به ترمینال مثبت VEE وارد می‌شود، حفره‌ای در عوض آن به سمت امیتر خواهد رفت که باعث ایجاد جریان امیتر، IE خواهد شد.

هدایت جریان در یک ترانزیستور PNP از طریق حفره‌ها اتفاق می‌افتد. جریان کلکتور اندکی کمتر از جریان امیتر است. کاهش یا افزایش جریان امیتر بر جریان کلکتور نیز تاثیر خواهد گذاشت.

ترانزیستور NPN

با نگاه کردن به تصویر زیر می‌توانیم به چگونگی کارکرد ترانزیستور NPN پی ببریم. می‌بینیم که پیوند بیس- امیتر در حالت بایاس مستقیم و پیوند کلکتور- بیس در حالت بایاس معکوس است.

ولتاژ VEE پتانسیلی منفی را برای امیتر تامین می‌کند و در نتیجه امیتر که در اینجا یک نیمه‌هادی نوع N. است، با دریافت پتانسیل منفی الکترون‌ها را از خود دور می‌کند. الکترون‌ها از پیوند بیس- امیتر عبور کرده و به ناحیه‌ی بیس می‌روند. ناحیه‌ی بیس در اینجا یک نیمه‌هادی نوع P. است و به همین دلیل درصد کمی از آن الکترون‌ها با حفره‌های آزاد بیس بازترکیب می‌شوند. این فرآیند بازترکیبی باعث ایجاد جریانی اندک در بیس می‌شود که آن را با IB نمایش می‌دهند. اما الکترون‌های باقی مانده از پیوند کلکتور- بیس عبور کرده و به ناحیه‌ی کلکتور می‌روند. این‌ها جریان کلکتور را که با IC نشان داده می‌شود، ایجاد می‌کنند.

با رسیدن الکترون‌ها به انتهای ناحیه کلکتور و ورود آن‌ها به ناحیه پتانسیل مثبت باتری، به ازای هر الکترون ورودی، الکترونی از ترمینال منفی باتری یعنی VEE وارد ناحیه امیتر می‌شود. این جریان الکترونی به مرور افزایش یافته و در ترانزیستور جریان می‌یابد (IE).

هدایت جریان در یک ترانزیستور NPN از طریق الکترون‌ها اتفاق می‌افتد. جریان کلکتور بالاتر از جریان امیتر است. کاهش یا افزایش جریان امیتر بر جریان کلکتور نیز تاثیر خواهد گذاشت.

نمونه کاربرد ترانزیستور:مدار آمپلی فایر قدرت – ۱۵۰ وات مزایای ترانزیستور‌ها

ترانزیستور‌ها نسبت به سایر انواع تقویت‌کننده‌ها مزایای زیادی دارند، از جمله آن‌ها می‌توانیم به موارد زیر اشاره کنیم:

بهره ولتاژ بالا. به ولتاژ تغذیه کمتری نیاز دارند. برای کاربرد‌های تقویت‌کنندگی توان پایین بهترین انتخاب هستند. ابعاد کوچک و وزن کم. از نظر مکانیکی نیز از تیوب‌های خلاء محکم‌تر هستند. برخلاف تیوب‌های خلاء به حرارت خارجی نیاز ندارند. برای اینکه با خازن‌ها و مقاومت‌ها ترکیب شده و تشکیل IC دهند، بسیار ایده‌آل هستند.