همه چیز درباره ترانزیستورها الکترونیکی

همه چیز درباره ترانزیستورها از جمله دستگاه‌های نیمه‌هادی هستند که برای کنترل جریان برق استفاده می‌شوند. آنها در مدارهای الکترونیکی به عنوان الکترونیک سوئیچ یا تقویت‌ کننده استفاده می‌شوند. ترانزیستورها می‌توانند به صورت تکیه (unipolar) یا دوگانه (bipolar) عمل کنند.

ترانزیستورهای تکیه، به عنوان مثال ترانزیستورهای فیلد افکت (Field-Effect Transistors)، شامل ترانزیستورهای

• MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors)
• JFET (Junction Field-Effect Transistors)

هستند. در این نوع ترانزیستورها، جریان بین سرنگهای ورودی کنترل می‌شود و به عنوان سوئیچ یا تقویت‌کننده عمل می‌کند.

ترانزیستورهای دوگانه شامل ترانزیستورهای جوانکشی (BJT – Bipolar Junction Transistors) هستند. این نوع ترانزیستورها دارای سه لایه نیمه‌هادی (معمولاً نوع N و P) هستند که به عنوان پایه‌های مختلف نامیده می‌شوند:

• پایه امیتر (Emitter)،
• پایه پایه (Base) و
• پایه گرده (Collector).

جریان بین پایه و امیتر کنترل شده و در اثر آن، جریان بین پایه و گرده وارونه می‌شود. ترانزیستورهای جوانکشی به عنوان تقویت‌کننده استفاده می‌شوند و در مدارهای الکترونیکی بسیار رایج هستند.

وجود انواع مختلف ترانزیستورها و توانایی‌های متنوع آنها، به مهندسان الکترونیک اجازه می‌دهد تا از آنها در طراحی مدارهای مختلف استفاده کنند، از جمله تقویت کننده‌ها، سوئیچ‌ها، آمپلی‌فایرها، منابع جریان و مدارهای مجتمع. همچنین، با پیشرفت تکنولوژی، ترانزیستورهای با توان بالا و کارایی بهتری توسعه یافته‌اند، از جمله ترانزیستورهای قدرت بالا (Power Transistors) و ترانزیستورهای سیلیکون گان (Silicon-Germanium Transistors) که در فرکانس‌های بالا عملکرد بهتری دارند.

ترانزیستور یکی از اجزای اصلی مدارهای الکترونیکی است و در انتقال و تقویت سیگنال‌های الکتریکی استفاده می‌شود. ترانزیستورها در دستگاه‌های الکترونیکی مختلفی از قبیل رادیوها، تلویزیون‌ها، کامپیوترها، تلفن‌ها، اینورترها و سایر دستگاه‌های الکترونیکی به کار می‌روند. در اینجا مقاله‌ای کوتاه در مورد ترانزیستورهای الکترونیکی ارائه خواهیم داد.

تاریخچه ترانزیستورهای الکترونیکی:

همه چیز درباره ترانزیستورها در دهه ۱۹۴۰ توسط سه محقق به نام‌های ویلیام شاکلی، جان باردین و ویلیام براتین در شرکت بل لابوراتوریز کشف شدند. این کشف عمده‌ای در صنعت الکترونیک به حساب می‌آید و تأثیر زیادی بر روی پیشرفت فناوری الکترونیک داشت. ترانزیستورها به طور چشم‌گیری اندازه و قدرت مدارات الکترونیکی را بهبود بخشید.

ترانزیستورها یکی از اختراعات مهم در زمینه الکترونیک و نیمه‌هادی هستند. تاریخچه ترانزیستورها به طور کلی با ظهور نیمه‌هادی‌ها و تکنولوژی مرتبط با آنها مرتبط است. در ادامه، به مراحل مهم در تاریخچه ترانزیستورها اشاره خواهم کرد:

– لامپ خلأ:

قبل از ترانزیستورها، از لامپ خلأ به عنوان قطعه الکترونیکی اصلی برای تقویت و کنترل جریان برق استفاده می‌شد. لامپ خلأ دارای الکترودهای مثبت و منفی بود و با تغییر جریان الکترونیکی بین این دو الکترود، جریان برق قابل کنترل بود.

– ترانزیستور بر پایه جوانکشی:

در سال 1947، سه محقق از شرکت بل لبوراتوارز به نام‌های ویلیام شاکلی، جان باردین و والتر براتین ترانزیستور بر پایه جوانکشی را معرفی کردند. این ترانزیستور به عنوان اولین تراشه نیمه‌هادی دوگانه با استفاده از جوانکشی‌های ناخالصی (دو نوع N و P) ساخته شده بود و توانست جریان الکترونیکی را کنترل کند. این اختراع راه‌اندازی انقلابی در صنعت الکترونیک بود و تأسیسات اصلی برای توسعه تکنولوژی نیمه‌هادی را فراهم کرد.

– ترانزیستورهای پیوستگی:

در دهه 1950، ترانزیستورهای پیوستگی (Junction Transistors) با استفاده از ساختارهای پیوسته نیمه‌هادی توسعه یافتند. این ترانزیستورها از سه لایه نیمه‌هادی تشکیل شده بودند: دو لایه N و یک لایه P یا بالعکس. ترانزیستورهای پیوستگی مزایایی نسبت به ترانزیستورهای بر پایه جوانکشی داشتند، از جمله کارایی بالا، اندازه کوچکتر و قابلیت تولید صنعتی بهتر.

– رانزیستورهای فیلد افکت:

در دهه 1960، ترانزیستورهای فیلد افکت (Field-Effect Transistors – FETs) معرفی شدند. این ترانزیستورها شامل ترانزیستورهای MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) و JFET (Junction FET) می‌شوند. ترانزیستورهای فیلد افکت به عنوان سوئیچ‌ها و تقویترانزیستورها یکی از اختراعات مهم در زمینه الکترونیک و نیمه‌هادی هستند. تاریخچه ترانزیستورها به طور کلی با ظهور نیمه‌هادی‌ها و تکنولوژی مرتبط با آنها مرتبط است.

پایه های ترانزیستورها، وظیفه هر پایه

همه چیز درباره ترانزیستورها معمولاً سه پایه دارند که به ترتیب با نام‌های پایه‌های امیتر (Emitter)، بیس (Base) و کلکتور (Collector) شناخته می‌شوند. هر پایه وظیفه خاص خود را در عملکرد ترانزیستور دارد. در ادامه، وظیفه هر پایه ترانزیستور را توضیح می‌دهم:

1. پایه امیتر (Emitter):

پایه امیتر ترانزیستور معمولاً به عنوان پایه ورودی (Input) عمل می‌کند. این پایه مسئول تزریق جریان الکترون‌ها یا سورس جریان انجام شده توسط ترانزیستور است. در ترانزیستورهای NPN، امیتر مرتبط با جریان الکترونی است که از آن خارج می‌شود. در ترانزیستورهای PNP، امیتر مرتبط با جریان حفره (hole) است که وارد ترانزیستور می‌شود.

2. پایه بیس (Base):

پایه بیس ترانزیستور وظیفه کنترل جریان بین پایه امیتر و کلکتور را دارد. جریانی که به پایه بیس وارد می‌شود، باعث تغییر جریان بین پایه امیتر و کلکتور می‌شود. در ترانزیستورهای NPN، جریان الکترونی از پایه بیس به پایه امیتر جریان می‌کند و تأثیری بر جریان کلکتور دارد. در ترانزیستورهای PNP، جریان حفره از پایه بیس به پایه امیتر جریان می‌کند و تأثیری بر جریان کلکتور دارد.

3. پایه کلکتور (Collector):

پایه کلکتور ترانزیستور مسئول جمع‌آوری جریان از پایه امیتر است و به عنوان پایه خروجی (Output) عمل می‌کند. جریانی که از پایه امیتر به کلکتور جریان می‌کند، در این پایه جمع‌آوری می‌شود و به منبع تغذیه خارجی یا محل استفاده انتقال داده می‌شود. NPNها، جریان الکترونی از پایه امیتر به پایه کلکتور جریان می‌کند. در PNPها، جریان حفره از پایه امیتر به پایه کلکتور جریان می‌کند.

در کل، پایه امیتر وظیفه تزریق و کنترل جریان ورودی را دارد، پایه بیس جریان بین پایه امیتر و کلکتور را کنترل می‌کند و پایه کلکتور جریان جمع‌آوری شده را به خارج از ترانزیستور انتقال می‌دهد.

انواع ترانزیستورهای الکترونیکی:

ترانزیستورهای الکترونیکی به سه نوع اصلی تقسیم می‌شوند: ترانزیستورهای جوانبی (BJT)، ترانزیستورهای میدانی (FET) و ترانزیستورهای یکپارچه (IC). در ادامه به مختصر به هر نوع از این ترانزیستورها اشاره می‌کنیم:

1. ترانزیستورهای جوانبی (BJT):

ترانزیستورهای جوانبی دارای سه لایه نیمه‌رسانا هستند: لایه پایه (Base)، لایه پایانه (Emitter) و لایه جمع‌کننده (Collector). این ترانزیستورها دارای دو نوع عمده به نام‌های NPN و PNP هستند. ترانزیستورهای NPN برای تقویت و تقویت سیگنال‌های مثبت و ترانزیستورهای PNP برای تقویت سیگنال‌های منفی استفاده می‌شوند.

2. ترانزیستورهای میدانی (FET):

ترانزیستورهای میدانی دارای سه پایه هستند: سرورجه (Source)، تخلیه (Drain) و کنترل (Gate). این ترانزیستورها بر اساس نوع نیمه‌رسانا که شرح می‌دهد که نحوه کارکرد مبدل‌های DC به DC محلول‌ها با ترانزیستورهای سوئیچینگ است.

3. ترانزیستورهای یکپارچه (IC):

ترانزیستورهای یکپارچه، یا IC، تعداد زیادی ترانزیستور را در یک تراشه کوچک یا یک قطعه مدار چاپی (PCB) یکپارچه می‌کنند. این ترانزیستورها در مدارهای الکترونیکی پیچیده و کامپکت مورد استفاده قرار می‌گیرند.

چینش ترانزیستورها

ترانزیستورها در انواع مختلف و با چینش های متفاوتی از پایه ها تولید می‌شوند. در زیر، چند نمونه از انواع چینش پایه های ترانزیستورها آورده شده است:

1. چینش پایه های NPN ترانزیستور:

   در ترانزیستورهای NPN، پایه‌ها به ترتیب امیتر (Emitter)، بیس (Base) و کلکتور (Collector) قرار دارند. این چینش در بیشتر ترانزیستورهای NPN استفاده می‌شود و در این حالت، جریان الکترونی از پایه امیتر به پایه بیس جریان می‌کند و از پایه کلکتور جمع‌آوری می‌شود.

2. چینش پایه های PNP ترانزیستور:

   در ترانزیستورهای PNP، چینش پایه‌ها به ترتیب کلکتور (Collector)، بیس (Base) و امیتر (Emitter) است. در این حالت، جریان حفره (hole) از پایه بیس به پایه امیتر جریان می‌کند و در پایه کلکتور جمع‌آوری می‌شود.

3. چینش پایه های MOSFET:

   در ترانزیستورهای MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)، چینش پایه‌ها متفاوت است. به طور کلی، یک MOSFET دارای سه پایه است که عبارتند از سورس (Source)، گیت (Gate) و درین (Drain). پایه گیت برای کنترل جریان بین سورس و درین استفاده می‌شود. درین جریان خروجی را جمع‌آوری می‌کند و سورس جریان ورودی را فراهم می‌کند.

4. چینش پایه های Darlington ترانزیستور:

   در ترانزیستورهای Darlington، دو ترانزیستور به صورت سری به هم وصل شده‌اند تا بهبود گین و تقویت جریان داشته باشند. در این حالت، پایه امیتر ترانزیستور اول به پایه بیس ترانزیستور دوم وصل می‌شود. پایه امیتر ترانزیستور دوم به عنوان خروجی استفاده می‌شود و جریان جمع‌آوری شده را از خود عبور داده و به خارج منتقل می‌کند.

مهم است بدانید که این فقط چند نمونه از انواع چینش پایه های ترانزیستورها هستند و در ترانزیستورهای دیگر نیز ممکن است چینش های متفاوتی وجود داشته باشد. همچنین، وظایف و نام‌گذاری پایه ها ممکن است در برخی ترانزیستورها تغییر کند، بنابراین در هرصد تغییر در سوال و پاسخ به درخواست جدید که نیازمند ادامه از جمله قبل است، متوقف شد.

مشخصات فیزیکی ترانزیستورها

ترانزیستورها در انواع مختلف و به شکل‌ها و اندازه‌های متنوعی وجود دارند. مشخصات فیزیکی ترانزیستورها ممکن است به ویژگی‌های زیر اشاره کند:

1. نوع بسته‌بندی (Package Type):

   ترانزیستورها معمولاً در بسته‌بندی‌های مختلف عرضه می‌شوند، از جمله TO-92، TO-126، TO-220، SOT-23 و بسیاری دیگر. هر بسته‌بندی ممکن است دارای ابعاد و تراکم پایه‌های مختلف باشد.

2. ابعاد فیزیکی:

   ترانزیستورها از نظر ابعاد فیزیکی می‌توانند متفاوت باشند. معمولاً ابعاد ترانزیستورها با واحدهای میلیمتر مشخص می‌شوند، از جمله طول، عرض و ارتفاع.

3. توان مصرفی:

   ترانزیستورها ممکن است در محدوده توان مصرفی متفاوتی قرار گیرند. این مشخصه نشان می‌دهد که ترانزیستور به چه میزان توان الکتریکی را مصرف می‌کند و ظرفیت آن برای تحمل حرارت را نیز نشان می‌دهد.

4. ولتاژ کاری:

   ترانزیستورها دارای ولتاژ کاری مشخصی هستند، که به ماکزیمم ولتاژی اشاره دارد که ترانزیستور می‌تواند به آن تحمل کند.

5. جریان کاری:

   جریان کاری ترانزیستور، حداکثر جریانی است که می‌تواند از آن عبور کند. این مشخصه نشان می‌دهد که ترانزیستور در چه حدی برای انتقال جریان مورد استفاده قرار می‌گیرد.

6. نوع تکنولوژی:

   ترانزیستورها ممکن است بر اساس نوع تکنولوژی ساخت به طور کلی به دو دسته بندی شوند: ترانزیستور های دیودی (BJT) و ترانزیستور های میدانی (FET) از جمله MOSFET و JFET.

این فقط برخی از مشخصات فیزیکی ترانزیستورها هستند. برای هر ترانزیستور خاص، باید به دیتاشیت (Datasheet) مربوطه مراجعه کرده تا مشخصات کامل و دقیق آن را بدست آورید.

درایو کردن ترانزیستورهای الکترونیکی:

ترانزیستورها نیاز به درایو برای کنترل و کارکرد صحیح دارند. درایو ترانزیستورها به معنای اعمال سیگنال کنترلی به پایه‌های ترانزیستورها برای تغییر وضعیت آنها است. درایو می‌تواند به صورت مستقیم (مانند استفاده از ولتاژ و جریان مستقیم) یا غیرمستقیم (مانند استفاده از سیگنال‌های AC و یا سیگنال‌های منطقی) انجام شود.

کلاسهای درایو ترانزیستورها

ترانزیستورها ممکن است در کلاس‌های مختلف درایو قرار بگیرند، که به نوع و روش درایو و کنترل جریان و ولتاژ آنها اشاره دارد. در زیر، چند کلاس معمول درایو ترانزیستورها آورده شده است:

1. کلاس A (Class A):

   در کلاس A، ترانزیستور به طور مداوم و در طی چرخه کامل سیگنال ورودی، جریان را از خروجی عبور می‌دهد. این کلاس درایو عموماً برای تقویت سیگنال‌های تاپ‌هات (low-power) استفاده می‌شود و به علت مصرف توان ثابت در طول چرخه، باعث ایجاد گرمای زیاد در ترانزیستور می‌شود.

2. کلاس B (Class B):

   در کلاس B، دو ترانزیستور به طور جداگانه برای نصف دوره سیگنال ورودی کار می‌کنند. یکی از ترانزیستورها به عنوان درایو ورودی و دیگری به عنوان درایو خروجی عمل می‌کند. این کلاس درایو به علت عدم مصرف توان در خروجی در زمانی که سیگنال ورودی صفر است، به عنوان کلاس تقویت توانا (high-power) استفاده می‌شود.

3. کلاس AB (Class AB):

   کلاس AB میانگین بین کلاس A و B است. در این کلاس، ترانزیستور درایو خروجی جریان را تقویت می‌کند تا زمانی که سیگنال ورودی صفر است، و در آن زمان، جریان بسیار کمی را عبور می‌دهد. این کلاس مصرف توان کمتری نسبت به کلاس A دارد، اما تاخیر بیشتری در درایو خروجی دارد.

4. کلاس C (Class C):

   در کلاس C، ترانزیستور فقط برای بخش کوتاهی از چرخه سیگنال ورودی کار می‌کند. این کلاس درایو عموماً برای ایجاد سیگنال‌های پالسی و رادیوفرکانس (RF) استفاده می‌شود.

5. کلاس D (Class D):

   در کلاس D، ترانزیستور به صورت سوئیچینگ کار می‌کند و خروجی را به صورت پالسی یا مربعی تولید می‌کند. این کلاس درایو عموماً برای ایجاد سیگنال‌های پالس‌های الکترونیکی و درایورهای PWM (پالس عرض متغیر) استفاده می‌شود.

موارد استفاده از ترانزیستورهای الکترونیکی:

ترانزیستورهای الکترونیکی در بسیاری از دستگاه‌ها و سیستم‌های الکترونیکی استفاده می‌شوند. برخی از موارد استفاده عبارتند از:

• مدارات تقویت سیگنال و تقویت کننده‌ها
• مدارات قطع و وصل سریع (مانند مبدل‌های DC به DC)
• مدارات درایور (برای کنترل و راه‌اندازی دستگاه‌هایی مانند موتورها و رله‌ها)
• مدارات منطقی (به عنوان عناصر منطقی در مدارات دیجیتال)
• مدارات سوئیچینگ (برای کنترل جریان و ولتاژ در مدارات تغذیه سوئیچینگ)
• مدارات RF (در دستگاه‌ها و سیستم‌های ارتباطی بی‌سیم)
• مدارات ازتراکندگی (در سوئیچ‌ها و مدارهای قطع و وصل)

مزایا و معایب ترانزیستورهای الکترونیکی:

مزایا ترانزیستورهای الکترونیکی:

• سرعت بالا و زمان پاسخ کوتاه:

ترانزیستورهای الکترونیکی قادر به سوئیچ کردن سریع و پاسخگویی به سیگنال‌های الکتریکی با سرعت بالا هستند، که این ویژگی آنها را برای استفاده در مدارهای فرکانس بالا و سیستم‌هایی که نیاز به عملکرد سریع دارند، مناسب می‌سازد.

• توانایی تقویت سیگنال و تقویت قدرت:

ترانزیستورهای الکترونیکی قابلیت تقویت سیگنال الکتریکی را دارند. این ویژگی آنها را برای استفاده در مراحل تقویت سیگنال در مدارهای الکترونیکی و تقویت قدرت در اپلیکیشن‌های قدرت بالا مفید می‌سازد.

• اندازه کوچک و وزن سبک:

ترانزیستورهای الکترونیکی اندازه کوچکی دارند و به راحتی در مدارهای الکترونیکی یکپارچه می‌شوند. این ویژگی آنها را برای استفاده در دستگاه‌هایی که نیاز به فضای کوچک و وزن سبک دارند، مناسب می‌سازد.

• مصرف توان کم:

ترانزیستورهای الکترونیکی مصرف توان کمتری نسبت به قطعات قدیمی‌تر مانند لامپ‌های خازنی دارند. این ویژگی آنها را برای استفاده در دستگاه‌های قابل حمل و باتری‌های قدرت محدود مفید می‌سازد.

• پایداری در دماهای بالا:

ترانزیستورهای الکترونیکی می‌توانند در دماهای بالا به طور پایدار عمل کنند، که این خاصیت آنها را برای استفاده در برنامه‌های صنعتی و برق صنعتی مناسب می‌سازد.

معایب ترانزیستورهای الکترونیکی:

• پرهزینه:

ترانزیستورهای الکترونیکی از نظر قیمت نسبتاً گران هستند، به خصوص در مقایسه با قطعات ساده‌تر مانند رله‌ها. این می‌تواند در برخی از برنامه‌های با بودجه محدود، مشکل ساز باشد.

• حساسیت به ولتاژ:

ترانزیستورهای الکترونیکی حساس به ولتاژ هستند و در صورتی که ولتاژهای بیش از حدی به آنها اعمال شود، ممکن است خراب شوند. بنابراین، نیاز به مدیریت دقیق و کنترل ولتاژ در مدارها دارند.

• حساسیت به دما:

در برخی از موارد، ترانزیستورهای الکترونیکی حساس به دما هستند و در دماهای بالا ممکن است عملکرد آنها تحت تأثیر قرار بگیرد. بنابراین، در برنامه‌هایی که نیاز به عملکرد در دماهای بالا دارند، نیاز به سیستم‌های خنک کننده و مدیریت دما دارند.

• اعمال محدودیت‌ها:

ترانزیستورهای الکترونیکی برای عملکرد صحیح نیاز به پیکربندی و اعمال محدودیت‌های خاص دارند. این محدودیت‌ها ممکن است شامل ولتاژها، جریان‌ها و زمان‌های خاص باشند.

• خطر نویز و انتقال حرارت:

ترانزیستورهای الکترونیکی با افزایش فرکانس و توان، ممکن است نویز تولید کنند و گرمای بیشتری تولید کنند که نیاز به روش‌های مناسب برای کنترل نویز و حرارت دارند.

چندین کارخانه معروف

چندین کارخانه معروف در جهان وجود دارند که ترانزیستورهای الکترونیکی را تولید می‌کنند. برخی از این کارخانه‌ها عبارتند از:

1. Intel
2. Samsung Electronics
3. TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company)
4. GlobalFoundries
5. IBM Micro