ترانزیستور چیست و چگونه کار میکند؟ انواع ترانزیستور

مغز ما که برای فکر کردن و به خاطر سپردن از 100 میلیارد سلول به نام نورون تشکیل شده است. کامپیوتر نیز دارای میلیاردها سلول کوچک مغزی به نام ترانزیستور است. ترانزیستور از عنصر شیمیایی به نام سیلیکون تشکیل شده است.  در این مقاله ما بررسی میکنیم که ترانزیستور ها چه هستند و چگونه کار میکنند.

ترانزیستور چیست؟

ترانزیستور نوعی دستگاه نیمه هادی است که برای هدایت و عایق بندی جریان الکتریکی و ولتاژ استفاده می شود. ترانزیستور اساسا به عنوان کلید و تقویت کننده عمل می کند. به عبارت ساده می توان گفت که ترانزیستور یک دستگاه کوچک است که برای کنترل یا تنظیم جریان سیگنال های الکترونیکی استفاده می شود.

ترانزیستور سه پایه دارد. با ارائه جریان بسیار کم به پایه وسط Base میتوان جریان خیلی زیادی را بین دو پایه Collector و Emitter عبور داد.

ترانزیستورها یکی از اجزای اصلی در اکثر دستگاه های الکترونیکی هستند. ترانزیستور در سال 1974 توسط سه فیزیکدان آمریکایی جان باردین، والتر براتین و ویلیام شوکلی ساخته شد و یکی از مهمترین اختراعات تاریخ علم به شمار می آید. ترانزیستور ها از مواد نیمه هادی ساخته شده اند که معمولاً بعنوان تقویت کننده یا سوئیچینگ استفاده می شوند ، همچنین می توانند برای کنترل ولتاژ و جریان جاری شده استفاده شوند. ترانزیستور از مواد نیمه رسانا تشکیل شده است.

ساختار ترانزیستور

ترانزیستور از سه لایه نیمه هادی تشکیل شده است که توانایی نگه داشتن جریان را دارند. اگر سیلیکون با آرسنیک، فسفر و آنتیموان ترکیب شود، حامل های بار اضافی را به دست می آورد و الکترون ها به عنوان نیمه هادی منفی نوع N شناخته می شوند در حالی که اگر سیلیکون با ناخالصی های دیگری مانند بور، گالیم، آلومینیوم ترکیب شود، حامل های بار اندکی به دست می آید و حفره ها به عنوان یک نیمه هادی نوع P یا مثبت شناخته می شوند.

کار اصلی یک ترانزیستور کنترل جریان جاری شده از یک کانال با تغییر جریان بسیار کمتر دیگری است که از کانال دوم جریان دارد.

ترانزیستور چگونه کار می کند؟

مفهوم کار، بخش اصلی برای درک نحوه استفاده از ترانزیستور یا نحوه کار آن است، سه پایه در ترانزیستور وجود دارد:

• بیس: برای فعال کردن ترانزیستور استفاده می شود.
• امیتر: الکترود منفی ترانزیستور است.
• کلکتور: الکترود مثبت ترانزیستور است.

اگر ترانزیستور از نوع NPN باشد ، ما باید ولتاژی را برای تحریک آن اعمال کنیم. ولتاژ اعمال شده به پایه بیس باعث روشن شدن ترانزیستور می شود که این حالت بایاس مستقیم است و جریان از طریق کلکتور به امیتر شروع به جریان می کند. وقتی ترانزیستور در حالت بایاس معکوس قرار دارد یعنی پایه بیس 0 ولت می شود یا ولتاژی روی آن نیست ، ترانزیستور در حالت خاموش می ماند و اجازه نمی دهد جریانی از کلکتور به امیترجاری شود.

اگر ترانزیستور از نوع PNP باشد ، به طور معمول در حالت ON است یعنی اگر ولتاژ بیس 0 یا LOW باشد فعال است. زمانی که ولتاژ بیس مثبت یا HIGH باشد ترانزیستور خاموش است.

برای حفاظت از ترانزیستور ، ما یک مقاومت را به صورت سری به آن متصل می کنیم ، برای یافتن مقدار آن مقاومت ، از فرمول زیر استفاده می شود:

RB = VBE / IB

جهت کسب اطلاعات بیشتر، مقاله ترانزیستور PNP و ترانزیستور NPN را بخوانید.

کاربرد های ترانزیستور

ترانزیستور ها بیشتر به عنوان تقویت کننده های ولتاژ و نیرو مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین در مدارهای مختلف به عنوان سوئیچ استفاده می شود و در ساخت مدار های منطقی دیجیتال به عنوان گیت های AND ، NOT و … استفاده می شود. میلیون ها ترانزیستور در ریزپردازنده ها وجود دارد.. در گذشته، آن ها در رادیو ها، تجهیزات تلفن، شنوایی و ….استفاده می شدند. آنها در میکروفون ها برای تغییر سیگنال های صوتی به سیگنال های الکتریکی نیز استفاده می شود.

مزایای ترانزیستور

• هزینه پایین تر و اندازه کوچکتر
• حساسیت مکانیکی کمتر
• ولتاژ کار پایین
• عمر فوق العاده طولانی
• بدون مصرف برق
• سوئیچینگ سریع
• ایجاد مدارهایی با کارآیی بهتر
• برای توسعه یک مدار IC استفاده می شود.

معایب ترانزیستور

ترانزیستور ها نیز محدودیت کمی دارند. که به شرح زیر است:

• ترانزیستور ها از تحرک الکترون بالاتری برخوردار هستند.
• ترانزیستور ها در صورت بروز حوادث الکتریکی و حرارتی به راحتی آسیب می بینند. به عنوان مثال ، تخلیه الکترواستاتیک در هندلینگ
• ترانزیستور ها تحت تأثیر اشعه های کیهانی و تابش قرار می گیرند.

انواع ترانزیستور

عمدتا می توانیم ترانزیستور را به دو دسته ترانزیستور اتصال دو قطبی (BJT) و ترانزیستور اثر میدان (FET) تقسیم کنیم. علاوه بر این می توانیم آن را مانند زیر تقسیم کنیم:

ترانزیستور اتصال دو قطبی (BJT)

ترانزیستور اتصال دو قطبی از نیمه هادی با سه ترمینال بیس ، امیتر و کلکتور ساخته شده است. در این روش ، حفره ها و الکترون ها هر دو درگیر می شوند. فقط با ارائه مقدار کمی جریان به پایه بیس، جریان زیادی از کلکتور به امیتر جریان می یابد. این ترانزیستور ها به عنوان دستگاه های کنترل کننده جریان نیز نامیده می شوند. NPN و PNP دو عضو اصلی خانواده BJT هستند که قبلاً در مورد آنها بحث کردیم.

ترانزیستور اثر میدان (FET)

ترانزیستور های اثر میدان شامل سه پایه source، gate ، drian هستند. آن ها بعنوان ابزار های کنترل ولتاژ درنظر گرفته می شوند زیرا سطح ولتاژ را کنترل می کنند. برای کنترل رفتار الکتریکی ، می توان میدان الکتریکی اعمالی خارجی را انتخاب کرد، به همین دلیل ترانزیستور های اثر میدان نامیده می شوند. در این ترانزیستور ها تنها یک نوع حامل بار(الکترون آزاد یا حفره) در ایجاد جریان الکتریکی دخالت دارند ، از این رو بعنوان ترانزیستور تک قطبی نیز شناخته می شود. عمدتا دارای امپدانس ورودی بالا در مگا اهم با فرکانس برق پایین بین پایه های drain و source هستند. FET ها بسیار کارآمد، قوی و ارزان هستند.

ترانزیستور های اثر میدانی دو نوع هستند، ترانزیستور های اثر پیوندی میدان (JFET) و ترانزیستور های اثر میدان اکسید فلزی (MOSFET). جریان از بین دو کانال به نام کانال n و کانال p عبور می کند.

ترانزیستور اثر میدان پیوندی (JFET)

ترانزیستور اثر میدان پیوندی هیچ اتصال PN ندارد اما به جای مواد نیمه رسانای با مقاومت بالا ، آن ها کانال های سیلیکونی نوع n و p را برای جریان حامل های بار الکتریکی با دو پایه drain یا پایه source تشکیل می دهند. در کانال n ، جریان جاری شده منفی است در حالی که جریان در کانال p مثبت است.

برای مشاهده اطلاعات بیشتر، مقاله ترانزیستور JFET را بخوانید.

ترانزیستور اثر میدانی اکسید فلز (MOSFET)

ترانزیستور اثر میدانی اکسید فلز به عنوان ترانزیستور اثر میدان کنترل شده با ولتاژماسفت نیز شناخته می شود. در اینجا ، الکترون های gate اکسید فلز با لایه نازکی از دی اکسید سیلیکون که به عنوان شیشه نامیده می شود ، از کانال n و کانال p عایق می شوند. جریان بین drain و source مستقیماً با ولتاژ ورودی متناسب است. ماسفت یک دستگاه سه پایه با پایه های gate، drain و source است. دو نوع MOSFET با کانال های متفاوت وجود دارد که MOSFET با کانال N و MOSFET با کانال P هستند.

دو نوع ترانزیستور اثر میدان اکسید فلز وجود دارد، نوع تخلیه و نوع افزایشی.

برای مشاهده اطلاعات بیشتر، مقاله ماسفت چیست را بخوانید.

ترانزیستور چیست؟

ترانزیستور یک قطعه کوچک است که برای کنترل یا تنظیم سیگنال های الکترونیکی استفاده می شود.

ترانزیستور چگونه کار میکند؟

با ارائه جریان الکتریکی کم به پایه وسط Base میتوان جریان خیلی زیادی را بین دو پایه Collector و Emitter عبور داد.