در این مقاله، ما قصد داریم شما را با انواع ترانزیستور آشنا کنیم.
باور کنید یا نه، تلفن شما صدها هزار و رایانه تان میلیون ها ترانزیستور در خود دارد. اغراق نیست اگر بگوییم اگر ترانزیستور اختراع نمی شد، زندگی امروز بسیار متفاوت خواهد بود.
ترانزیستور یک دستگاه نیمه هادی است که سیگنال ضعیفی را از مدار مقاومت کم به مدار مقاومت بالا منتقل می کند. این نام از ادغام دو واژه انتقال و مقاومت برای تبدیل شدن به انتقال مقاومت حاصل می شود. کلمات trans به معنی خاصیت انتقال و istor به معنای خاصیت مقاومت ارائه شده است. به عبارت دیگر، این یک دستگاه سوئیچینگ است که سیگنال الکتریکی مانند ولتاژ یا جریان را تنظیم و تقویت می کند.
ترانزیستور یک قطعه الکترونیکی است که در مدارهای مختلف یافت می شود و برای تقویت یا تغییر سیگنال های الکترونیکی و توان الکتریکی استفاده می شود.
ترانزیستور دستگاهی است که جریان یا ولتاژ را تنظیم می کند و به عنوان سوئیچ یا دروازه سیگنال های الکترونیکی عمل می کند. ترانزیستورها از سه لایه ماده نیمه رسانا تشکیل شده اند که هر یک توانایی حمل جریان را دارند.
ترانزیستور در سال 1947 توسط سه دانشمند در آزمایشگاه های بل اختراع شد و به سرعت به عنوان یک تنظیم کننده سیگنال الکترونیکی جایگزین لوله خلا شد. ترانزیستور جریان یا ولتاژ را تنظیم می کند و به عنوان سوئیچ یا دروازه سیگنال های الکترونیکی عمل می کند.
ترانزیستور شامل دو دیود PN است که پشت به پشت متصل می شوند. این سه ترمینال نام های امیتر، پایه و جمع کننده دارد. پایه قسمت میانی است که از لایه های نازک تشکیل شده است. قسمت راست دیود را دیود امیتر و قسمت چپ را دیود جمع کننده می نامند. این اسامی مطابق با ترمینال مشترک ترانزیستور ذکر شده است. محل اتصال ترانزیستور بر پایه امیتر به بایاس متصل به جلو و محل اتصال کلکتور در بایاس معکوس متصل می شود که مقاومت بالایی را ارائه می دهد.
نمادهای ترانزیستور
دو نوع ترانزیستور وجود دارد، یعنی ترانزیستور NPN و ترانزیستور PNP. ترانزیستوری که دارای دو بلوک از ماده نیمه هادی نوع n و یک بلوک از ماده نیمه رسانای نوع P است، به عنوان ترانزیستور NPN شناخته می شود. به همین ترتیب، اگر ماده دارای یک لایه ماده از نوع N و دو لایه ماده از نوع P باشد، آن را ترانزیستور PNP می نامند. تنها تفاوت ترانزیستور NPN و PNP در جهت جریان است.
ترمینال ترانزیستور
ترانزیستور دارای سه ترمینال است که امیتر، جمع کننده و پایه نامیده می شوند. پایانه های دیود در زیر با جزئیات توضیح داده شده اند.
امیتر
بخشی که قسمت عمده ای از حامل بار اکثریت را تامین می کند امیتر نامیده می شود. ساطع کننده از نظر پایه نسبت به پایه همیشه متمایل به جلو است به طوری که حامل بار اصلی را به پایه می رساند. محل اتصال پایه امیتر مقدار زیادی حامل بار اکثریت را به پایه تزریق می کند زیرا دارای دوپینگ زیاد و اندازه متوسط است.
کلکتور
به بخشی که قسمت عمده حامل بار اکثریت تهیه شده توسط فرستنده را جمع می کند کلکتور گفته می شود. محل اتصال کلکتور و پایه همیشه در جهت گیری معکوس است. وظیفه اصلی آن حذف بیش ترین بارها از محل اتصال آن با پایه است. قسمت جمع کننده ترانزیستور نسبتاً دوپ شده است، اما اندازه آن بزرگ تر است به طوری که می تواند بیش تر حامل بار تهیه شده توسط فرستنده را جمع کند.
پایه
قسمت میانی ترانزیستور به عنوان پایه شناخته می شود. پایه دو مدار را تشکیل می دهد، مدار ورودی با امیتر و مدار خروجی با جمع کننده. مدار پایه امیتر در بایاس جلو قرار دارد و مقاومت کم در برابر مدار را ارائه می دهد. محل اتصال کلکتور – پایه در جهت گیری معکوس است و مقاومت بالاتری در برابر مدار دارد. پایه ترانزیستور کمی دوپ شده و بسیار نازک است و به همین دلیل اکثر حامل های بار را به پایه ارائه می دهد.
کار ترانزیستور
معمولاً از سیلیسیم برای ساخت ترانزیستور به دلیل درجه ولتاژ بالا، جریان بیش تر و حساسیت دما کم تر استفاده می شود. بخش پایه امیتر که در ترکیبات پایه رو به جلو نگه داشته می شود، جریان پایه ای است که از منطقه پایه عبور می کند. بزرگی جریان پایه بسیار کم است. جریان پایه باعث می شود که الکترون ها به داخل منطقه جمع کننده یا حفره ای در منطقه پایه ایجاد شوند.
پایه ترانزیستور بسیار نازک و کمی دوپ شده است و به همین دلیل در مقایسه با گسیل کننده تعداد الکترون کم تری دارد. تعداد کمی الکترون ساطع کننده با سوراخ ناحیه پایه ترکیب شده و الکترون های باقی مانده به سمت منطقه کلکتور منتقل شده و جریان جمع کننده را تشکیل می دهند. بنابراین می توان گفت که جریان کلکتور بزرگ با تغییر ناحیه پایه به دست می آید.
شرایط عملیاتی ترانزیستور
هنگامی که محل اتصال امیتر در بایاس رو به جلو باشد و محل اتصال کلکتور در بایاس معکوس باشد، گفته می شود که در منطقه فعال است. ترانزیستور دارای دو اتصال است که می تواند به روش های مختلف مغرضانه باشد.
انواع ترانزیستور
همان طور که قبلا ذکر شد، در مقیاس گسترده تر، خانواده های اصلی ترانزیستورها BJT و FET هستند. صرف نظر از خانواده ای که به آن تعلق دارند، همه ترانزیستورها آرایش مناسب / خاصی از مواد نیمه هادی مختلف دارند. مواد نیمه هادی متداول مورد استفاده برای تولید ترانزیستور، سیلیکون، ژرمانیم و گالیوم آرسنید است.
اصولاً ترانزیستورها بسته به ساختار آن ها طبقه بندی می شوند. هر نوع ترانزیستور ویژگی ها، مزایا و معایب خاص خود را دارد.
از نظر فیزیکی و ساختاری، تفاوت بین BJT و FET در این است که در BJT هر دو حامل بار اکثریت و اقلیت مورد نیاز هستند، در حالی که در مورد FET ها، فقط حامل های بار اکثریت مورد نیاز است.
برخی از ترانزیستورها بر اساس خصوصیات و خصوصیاتشان در درجه اول برای هدف سوئیچینگ (MOSFET) استفاده می شوند و از طرف دیگر، برخی ترانزیستورها برای تقویت (BJT) استفاده می شوند. بعضی از ترانزیستورها برای اهداف تقویت و سوئیچینگ طراحی شده اند.
ترانزیستورهای اتصال
ترانزیستورهای اتصال به طور کلی به عنوان ترانزیستور اتصال دو قطبی (BJT) نامیده می شوند. اصطلاح “دو قطبی” به معنی الکترون و سوراخ برای هدایت جریان است و اصطلاح “اتصال” به معنی آن است که شامل پیوند PN است (در واقع دو اتصال).
BJT ها دارای سه ترمینال به نام های Emitter (E) ، Base (B) و Collector (C) هستند. ترانزیستورهای BJT بسته به نوع ساختار در ترانزیستورهای NPN و PNP طبقه بندی می شوند.
BJT اساساً دستگاه هایی با کنترل جریان هستند. اگر مقدار کمی جریان از پایه یک ترانزیستور BJT عبور کند، باعث جریان زیاد جریان از انتشار دهنده به کلکتور می شود. ترانزیستورهای دو قطبی دارای آمپدانس ورودی کم هستند و باعث می شود جریان زیادی از طریق ترانزیستور عبور کند.
ترانزیستورهای دو قطبی اتصال فقط توسط جریان ورودی روشن می شوند که به ترمینال پایه داده می شود. BJT ها می توانند در سه منطقه زیر فعالیت کنند:
منطقه قطع: در این جا ترانزیستور در حالت “خاموش” است یعنی جریانی که از ترانزیستور عبور می کند صفر است. در اصل یک سوئیچ باز است.
منطقه فعال: در این جا ترانزیستور به عنوان تقویت کننده عمل می کند.
منطقه اشباع: در این جا ترانزیستور کاملاً “ON” است و هم چنین به عنوان یک سوئیچ بسته کار می کند.
ترانزیستور NPN
NPN یکی از دو نوع ترانزیستور اتصال دو قطبی (BJT) است. ترانزیستور NPN از دو ماده نیمه هادی نوع n تشکیل شده است و آن ها توسط یک لایه نازک از نیمه هادی نوع p از هم جدا می شوند. در این جا، حامل های بار اکثریت الکترون هستند در حالی که حفره ها حامل های بار اقلیت هستند. جریان الکترون از ساطع کننده به کلکتور توسط جریان در ترمینال پایه کنترل می شود.
مقدار کمی جریان در ترمینال پایه باعث می شود مقدار زیادی جریان از ساطع کننده به کلکتور منتقل شود. امروزه ترانزیستور دوقطبی که بیش تر مورد استفاده قرار می گیرد ترانزیستور NPN است، زیرا تحرک الکترون ها از حفره ها بیش تر است.
ترانزیستور PNP
PNP نوع دیگری از ترانزیستورهای اتصال دو قطبی (BJT) است. ترانزیستورهای PNP حاوی دو ماده نیمه هادی نوع p هستند و توسط یک لایه نازک از نیمه هادی نوع n جدا می شوند. حامل های بار اکثریت در ترانزیستورهای PNP سوراخ هستند در حالی که الکترون ها حامل های بار اقلیت هستند. در ترانزیستور PNP جریان از امیتر به کلکتور جریان می یابد.
ترانزیستور PNP هنگامی که ترمینال پایه نسبت به امیتر پایین کشیده می شود روشن است.
FET (ترانزیستور اثر میدان)
ترانزیستور FET یکی دیگر از انواع اصلی ترانزیستور است. اساساً FET دارای سه ترمینال (مانند BJT) است. سه ترمینال عبارتند از: Gate (G) ، Drain (D) و Source (S).
ترانزیستورهای اثر میدان به ترانزیستورهای اثر میدان اتصال (JFET) و ترانزیستورهای اثر میدان دروازه عایق بندی شده (IG-FET) یا ترانزیستورهای اثر میدان نیمه هادی اکسید فلز (MOSFET) طبقه بندی می شوند.
FET ها می توانند اندازه و شکل کانال بین Source و Drain را کنترل کنند، که با ولتاژ اعمال شده در Gate ایجاد می شود.
ترانزیستورهای اثر میدان دستگاه های تک قطبی هستند، زیرا برای کار فقط به حامل های بار اکثریت نیاز دارند (برخلاف BJT که ترانزیستورهای دو قطبی هستند).
JFET (ترانزیستور اثر میدان اتصال)
ترانزیستور JFET نوع اولیه و ساده ترانزیستور اثر میدان است. از JFET به عنوان کلید، تقویت کننده و مقاومت استفاده می شود. این ترانزیستور دستگاهی با ولتاژ کنترل شده است. به جریان مغرضانه ای احتیاج ندارد.
ولتاژ اعمال شده بین گیت و منبع، جریان الکتریکی بین منبع و تخلیه ترانزیستور را کنترل می کند. ترانزیستورهای JFET در هر دو نوع N-Channel و P-Channel موجود است.
N-Channel JFET
درN-Channel JFET، جریان ناشی از الکترون است. هنگامی که ولتاژ بین دروازه و منبع اعمال می شود، یک کانال بین منبع و تخلیه برای جریان تشکیل می شود. این N-Channel نامیده می شود. امروزه، JFET های N-Channel به نوع P-Channel ترجیح داده می شوند.
P-Channel JFET
در این نوع JFET جریان به دلیل وجود سوراخ است. کانال بین Source و Drain، P-Channel نامیده می شود.
MOSFET
ترانزیستور اثر میدانی نیمه هادی اکسید فلز (MOSFET) متداول ترین و محبوب ترین نوع در بین ترانزیستورها است. نام “اکسید فلز” نشان می دهد که منطقه دروازه و کانال توسط یک لایه نازک از اکسید فلز (معمولاً SiO2) از هم جدا شده اند.
از این رو، MOSFET به عنوان FET عایق بندی شده نیز شناخته می شود زیرا منطقه گیت کاملاً از منطقه منبع – تخلیه عایق بندی شده است. یک ترمینال اضافی وجود دارد که به عنوان لایه یا بدنه شناخته می شود، نیمه هادی اصلی (سیلیکون) است که FET در آن ساخته می شود. بنابراین، MOSFET دارای چهار ترمینال تخلیه، منبع، دروازه و بدنه یا بستر است.
MOSFET مزایای بسیاری نسبت به BJT و JFET دارد، عمدتا امپدانس ورودی بالا و امپدانس خروجی کم را ارائه می دهد. این در مدارهای سوئیچینگ و قدرت استفاده می شود و جز اصلی فناوری های طراحی مدار مجتمع است.
ترانزیستورهای MOSFET در انواع تخلیه و تقویت موجود هستند. علاوه بر این، انواع تخلیه و افزایش به انواع N-Channel و P-Channel طبقه بندی می شوند.
N-Channel MOSFET
MOSFET با داشتن منطقه کانال N بین منبع و تخلیه، N-channel MOSFET نامیده می شود. در این جا، ترمینال های منبع و دروازه با مواد n نوع واقع در یک ماده نیمه رسانای نوع p سنگین (بستر) به شدت دوپ می شوند.
جریان بین منبع و تخلیه به دلیل الکترون است. ولتاژ گیت، جریان را در مدار کنترل می کند.
N-Channel MOSFET بیش تر از P-Channel MOSFET استفاده می شود زیرا تحرک الکترون ها از تحرک حفره ها بیش تر است.
P – Channel MOSFET
MOSFET دارای منطقه کانال P بین منبع و تخلیه به عنوان P-Channel MOSFET نامیده می شود. در این جا، پایانه های منبع و تخلیه به شدت با مواد نوع P دوپ می شوند و بستر با مواد نوع N دوپ می شود. جریان بین منبع و تخلیه به دلیل غلظت سوراخ است. ولتاژ اعمال شده در گیت، جریان را از طریق منطقه کانال کنترل می کند.
انواع ترانزیستور بر اساس عملکرد
ترانزیستورها نیز بسته به توابع (عملیات یا برنامه هایی) که انجام می دهند طبقه بندی می شوند. انواع مختلف ترانزیستورها بر اساس عملکرد آن ها در زیر توضیح داده شده است.
ترانزیستورهای سیگنال کوچک
عملکرد اصلی ترانزیستورهای سیگنال کوچک تقویت سیگنال های کوچک است اما گاهی اوقات از این ترانزیستورها برای هدف سوئیچینگ نیز استفاده می شود. ترانزیستورهای سیگنال کوچک به صورت ترانزیستورهای NPN و PNP در بازار موجود هستند. ما معمولاً می توانیم مقداری از ترانزیستور سیگنال کوچک را که نشانگر hFE ترانزیستور است، مشاهده کنیم.
بسته به این مقدار hFE، ما می توانیم ظرفیت ترانزیستور را برای تقویت سیگنال درک کنیم. مقادیر hFE معمولاً در دسترس 10 تا 500 است. مقدار جریان جمع کننده این ترانزیستورها 80 تا 600 میلی آمپر است. این نوع ترانزیستورها با دامنه فرکانس 1 تا 300 مگاهرتز کار می کنند. خود اسم ترانزیستور نشان می دهد که این ترانزیستورها سیگنال های کوچکی را تقویت می کنند که از ولتاژها و جریان های کوچکی مانند چند میلی ولت و میلی آمپر جریان استفاده می کنند.
ترانزیستورهای سیگنال کوچک تقریباً در همه انواع تجهیزات الکترونیکی استفاده می شوند و هم چنین این ترانزیستورها در چندین کاربرد استفاده می شوند، برخی از آن ها سوئیچ ON یا OFF برای استفاده عمومی، درایور دیود LED، درایور رله، عملکرد قطع صدا، مدارهای تایمر، تقویت کننده دیود مادون قرمز، مدارهای تغذیه بایاس و غیره هستند.
ترانزیستورهای سوئیچینگ کوچک
ترانزیستورهای سوئیچینگ کوچک آن دسته از ترانزیستورهایی هستند که در درجه اول برای سوئیچینگ، بعضاً برای تقویت نیز استفاده می شوند. مانند ترانزیستورهای سیگنال کوچک، ترانزیستورهای سوئیچینگ کوچک نیز به صورت NPN و PNP در دسترس هستند و این نوع ترانزیستورها نیز مقادیر hFE دارند.
محدوده مقدار hFE برای این ترانزیستورها از 10 تا 200 است. در مقدار hFE 200، ترانزیستورها تقویت کننده خوبی نیستند اما به عنوان سوئیچ های بهتر عمل می کنند. مقادیر جریان جمع کننده از 10 تا 1000 میلی آمپر است. این ترانزیستورها بیش تر در کاربردهای سوئیچینگ استفاده می شوند.
ترانزیستور قدرت
ترانزیستورهایی که در تقویت کننده ها و منابع تغذیه با قدرت بالا استفاده می شوند، ترانزیستور قدرت نامیده می شوند. ترمینال جمع کننده این ترانزیستور به پایه یک دستگاه فلزی متصل است و این ساختار به عنوان مخزن گرما عمل می کند که قدرت اضافی را برای برنامه ها از بین می برد.
این نوع ترانزیستورها به صورت ترانزیستورهای NPN ،PNP و Darlington موجود هستند. در این جا، مقادیر جریان جمع کننده از 1 تا 100 آمپر و دامنه فرکانس عملکرد از 1 تا 100 مگاهرتز است. مقادیر توان این ترانزیستورها از 10 تا 300 وات است. نام ترانزیستور خود نشان می دهد که ترانزیستورهای قدرت در برنامه هایی که به قدرت بالا، ولتاژ بالا و جریان زیاد نیاز دارند، استفاده می شوند.
ترانزیستورهای فرکانس بالا
ترانزیستورهای فرکانس بالا برای سیگنال های کوچکی که در فرکانس های بالا کار می کنند استفاده می شود و این موارد در برنامه های سوئیچینگ با سرعت بالا مورد استفاده قرار می گیرند. ترانزیستورهای با فرکانس بالا را ترانزیستورهای RF نیز می نامند.
این ترانزیستورها حداکثر مقادیر فرکانس حدود 2000 مگاهرتز را دارند. مقدار جریان جمع کننده (IC) از 10 تا 600 میلی آمپر است. این نوع ترانزیستورها به صورت NPN و PNP نیز موجود هستند. این ها عمدتا در کاربردهای سیگنال های با فرکانس بالا استفاده می شوند و هم چنین این ترانزیستورها باید فقط با سرعت زیاد روشن یا خاموش باشند. این ترانزیستورها در مدارهای اسیلاتور و تقویت کننده HF ،VHF ،UHF ،CATV و MATV استفاده می شوند.
ترانزیستور عکس
ترانزیستورهای عکس ترانزیستورهایی هستند که بسته به نور کار می کنند، یعنی این ترانزیستورها به نور حساس هستند. ترانزیستور عکس ساده چیزی نیست جز یک ترانزیستور دو قطبی که به جای ترمینال پایه، دارای منطقه حساس به نور است.
ترانزیستورهای عکس به جای 3 ترمینال (در BJT) فقط 2 ترمینال دارند. هنگامی که ناحیه حساس به نور تاریک باشد، پس هیچ فعلی در ترانزیستور جریان نمی یابد، یعنی ترانزیستور در حالت خاموش است.
هنگامی که ناحیه حساس به نور در معرض نور باشد، مقدار کمی جریان در ترمینال پایه تولید می شود و باعث می شود جریان زیادی از کلکتور به گسیل کننده منتقل شود. ترانزیستورهای عکس در هر دو نوع ترانزیستور BJT و FET موجود هستند. این ها به عنوان Photo-BJT و Photo-FET نام گذاری شده اند.
بر خلاف Photo-BJT ، Photo-FET با استفاده از نور ولتاژ گیت را ایجاد می کند که جریان بین ترمینال های تخلیه و منبع را کنترل می کند. Photo-FET نسبت به BJT عکس بیش تر به نور حساس هستند.
ترانزیستورهای Uni-Junction (UJT)
ترانزیستورهای Uni-Junction (UJT) فقط به عنوان کلیدهای کنترل شده الکتریکی استفاده می شوند. این ترانزیستورها به دلیل طراحی آن ها هیچ مشخصه تقویت کننده ای ندارند. این ها به طور کلی سه ترانزیستور اصلی هستند که در آن ها، دو ترمینال Base و سومی Emitter نامیده می شوند.
حال، اجازه دهید عملکرد ترانزیستور یک اتصال را ببینیم. اگر اختلاف پتانسیلی بین انتشار دهنده و ترمینال های پایه (B1 یا B2) وجود نداشته باشد، مقدار کمی جریان بین B1 و B2 جریان می یابد.
اگر ولتاژ کافی به ترمینال امیتر وارد شود، در ترمینال امیتر جریان زیادی ایجاد می شود و به جریان کوچک بین B1 و B2 اضافه می شود، که باعث جریان زیاد در ترانزیستور می شود.
در این جا، جریان ساطع کننده منبع جریان اصلی برای کنترل جریان کل در ترانزیستور است. جریان بین ترمینال B1 و B2 بسیار کم است و به همین دلیل، این ترانزیستورها برای اهداف تقویت مناسب نیستند.
ما را در اینستاگرام دنبال کنید.
