ترانزستور

المقحل أو الترانزستور (بالإنجليزية: Transistor) (اختصاراً لكلمتي Transfer Resistor أي مُقاوِمُ النَقْل) وهي نبيطة تعتبر أحد أهم مكونات الأدوات الإلكترونية الحديثة مثل الحاسوب، اخترعه العلماء الأمريكيون (والتر براتن) و(جون باردين) و(وليام شوكلي)، هو بلورة من مادة شبه موصل مطعمة بالجرمانيوم أو السيليكون تحتوي على بلورة رقيقة جدًا بحيث تكون المنطقة الوسطى منها شبه موصل موجب أو سالب وتسمى القاعدة بينهما المنطقتان الخارجيتان من النوعية المخالفة وله قدرة كبيرة على تكبير الإشارات الإلكترونية.
للمقحل ثنائي القطب وصلتين من نوع "م س" وثلاثة أطراف. حيث يربط طرفان من الوصلتين "م س"، في العادة يربط الباعث والمجمِّع إلى دائرة خارجية، بينما يصل الطرف الثالث القاعدة بدائرة داخلية. لكن رفع الجهد المطبقة على القاعدة قليلا يؤدي إلى دخول عدد كبير من الإلكترونات إلى القاعدة عبر الوصلة المنحازة أماميا، ويتفاوت هذا العدد حسب قوة الجهد. ولأن منطقة القاعدة رقيقة جدا، يستطيع مصدر الفولتية في الدائرة الخارجية جذب الإلكترونات عبر الوصلة المنحازة عكسيا. ونتيجة لذلك يسري تيار قوي عبر الترانزستور وعبر الدائرة الخارجية. وبهذه الطريقة يمكن التحكم في سريان تيار قوي عبر الدائرة الخارجية، بتزويد القاعدة بإشارة صغيرة.

تاريخ الترانزستور

سجل الفيزيائي جوليس ادجر لينيفلد  أول براءة اختراع للمقحل في كندا عام 1925م وكان هذا الاختراع مشابه للترانزستور الحقلي ولكنه مع ذلك لم ينشر أبحاث عن هذا الترانزستور ولم يحقق عمليا باستخدام نبائط واقعية وفي عام 1934م قام الألمانى اوسكر هيل  بتسجيل براءة اختراع لمقحل مشابه للمقحل السابق..
في عام 1942م قام "هبرت مارتين" (Herbert marten) بعمل بتجربة باستخدام ما يسمى "الديو دايو" (الوصلة الثنائية المزدوجة)أثناء العمل على لاقط بنظام رادار دوبلر وهذه الوصلة الثنائية المزدوجة مكونة من اثنين من الوصلات الثنائية ووصلات معدنية على قاعدة من شبه الموصل ولكنه اكتشف عدد من الظواهر التي لم يتمكن من تفسيرها عن طريق الوصلتين المنفصلتين واستتبع هذا ظهور الفكرة الأساسية لمقحل التوصيل.
في عام 1947م قام "جون باردين" و"والتر براتين" في معامل "AT & T bell "في الولايات المتحدة الأمريكية بملاحظة انه عند توصيل مصدر كهربي على بلورة من الجرمانيوم ان الطاقة الناتجة أكبر من طاقة المصدر الكهربي الداخلة وقد قام "وليام شوكلى" بمعرفة السبب في ذلك وعلى مدار شهور قليلة عملوا على التوسع الكبير لعلوم أشباه الموصلات وقد جاء اسم الترانزستور من الكلمة الإنجليزية "Transfer resistor" التي تعني ناقل المقاومة.

أهمية الترانزستور

في الواقع ان الترانزستور هو أهم المكونات الإلكترونية الحديثة ويعتبر من أعظم الإختراعات في القرن العشرين ويستمد أهميته في حياة المجتمع من القدرة الفائقة على إنتاجه باستخدام عمليات تلقائية إليه "عمليات تصنيع أشباه الموصلات"مما يجعل إنتاجه قليل التكلفة.
و على الرغم من أن العديد من الشركات تنتج سنويا ما يزيد عن المليار من المقاحل المنفصلة إلا أن الغالبية العظمى من المقاحل التي تنتج تكون في الدوائر المتكاملة "Integrated circuit" والتي تختصر إلى "IC" وتحتوى هذه الدوائر المتكاملة على العديد من المقاحل والوصلات الثنائية والمقاومات والمكثفات والمكونات الإلكترونية الأخرى والتي تمثل دائرة إلكترونية كاملة تقوم بعمل وظيفة معينة وهناك أيضا "البوابات المنطقية" (Logic gates) والتي تتكون من عدد من المقاحل والتي قد تصل إلى العشرين لعمل بوابة منطقية واحدة وفي المعالجات الدقيقة "معالج دقيق" المتقدمة وصل عدد المقاحل إلى 3 مليار في شريحة واحدة في عام 2011 حيث كان قد وصل إلى 60 مليون في الشريحة في عام 2002 ومن أهم مميزات المقحل التكلفة الضئيلة المرونة في الاستخدام والثبات مما جعله واسع الاستخدام والانتشار وقد دخلت المقاحل في دوائر التحكم الميكانيكية وحلت محل الأدوات الميكانيكية التي كانت تستخدم في ذلك ويمكن أيضا استخدام متحكم دقيق "متحكم دقيق" في كتابة برنامج صغير لأداء وظيفة التحكم المطلوبة والمكافئة للمهمة التي يقوم بها التصميم الميكانيكي.

استخدامه

كان استخدام الترانزستور ثنائي القطب (Bipolar Junction Transistor) وإلى تختصر إلى (BJT) هو الأكثر شيوعا في الستينيات والسبعينيات من القرن الماضى ولكن مع ظهور الترانزستور ثنائى المجال (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) تقلص دور ثنائى القطب إلى الدوائر التناظرية مثل المكبرات البسيطة لكبر منطقة عمله الخطية " Linear Mode Operation" وسهولة تصنيعه وهناك العديد من الخصائص للترانزستور ثنائى المجال مثل استخدامه في الدوائر ذات القدرة المنخفضة باستخدام تقنية ال " C MOS " والتي تعنى استخدام المعدن والأكسيد وشبه الموصل المتكامل والتي تجعل مشاركة الدوائر الرقمية سهلة وهناك العديد من ترانزستورات تأثير المجال الحديثة وإلى تجمع بين الاستخدام في دوائر القدرات العالية والدوائر التناظرية المؤقتة " Clocked Analog circuit " مثل معادلات الجهود والمكبرات وناقلات القدرة والمحركات...

العمليات المبسطة

يستمد المقحل أهميته وضروريته في الحياة من قدرته على معالجة الإشارات الصغيرة والتي توضع على اثنين من أطرافة وتنتج إشارات كبيرة على طرفين آخرين وتسمى هذه الخاصية بنسبة التكبير (Gain) ويمكن التحكم في المقحل بما يجعل الدخل متناسبا مع الخروج بنسبة معينة وفي هذا الحالة يستخدم المقحل كمكبر و يمكن أيضا استخدام المقحل كمفتاح لفتح وغلق التيار والذي يمكن التحكم فيه عن طريق بقية عناصر الدائرة..

استخدام الترانزستور كمكبر

صُمم المقحل ذو الباعث المتصل بالأرض لكى يستجيب إلى الإشارات الصغيرة الداخلة إلى القاعدة ، ويقوم بتكبير هذه الإشارات على المخرج عند المجمع، وهناك العديد من تكوينات لدوائر تقوم بالتكبير لها مميزات مختلفة سواء للتيار أو الجهد أو الاثنين معا بحسب المطلوب.
ففي بعض الهواتف المحمولة والتلفاز هناك العديد من المنتجات التي يدخل فيها المقحل كمكبر مثل مكبرات الصوت أو النقل الراديوي أو معالجة الإشارات وكانت أول دائرة مقحل ذات قدرات ضعيفه تصل إلى بعض الأجزاء من العشرة من الواط وتم تكبيرها. ومع التقدم ازدادت نسبة التكبير ونقائه تدريجيا عندما وجدت مقاحل أحسن وتم تقويم مواصفات المقحل ووصلت القدرات الآن إلى بضع المئات من الواط وبتكلفة قليلة.

أنواع الترانزستورات

إن نوعي الترانزستور يختلفان عن بعضهما اختلافا طفيفا في كيفية وضعهما في دائرة معينة فكل منها له ثلاثة اطراف تسمى في حالة المقحل ثنائى القطب بـ : القاعدة "Base " والباعث "Emitter " والمجمع "Collector " وبمرور تيار متغير في القاعدة سيظهر تأثره مجمعا في المجمع والباعث، وفي حالة مقحل تأثير المجال تسمى البوابة "Gate "، المنبع "Source "، المصب "Drain " ويتحكم الجهد على البوابة في فرق الجهد بين المنبع والمصب..
يمكن تقسيم المقاحل إلى عدة فئات حسب التقسيم::
1:- طبقا لشبه الموصل:
جرمانيومي- سليكوني – جاليومي – زرنخيى – كربيدي سليكوني
2:- طبقا للبناء:
BJT ثنائي القطب، MOSFET تأثير المجال، IGBT المقحل ذو البوابة المعزولة
3:- طبقا للقطبية:
NPN (س م س) المقحل من النوع السالب ويعنى منطقة من النوع السالب يليها منطقة من النوع الموجب يليها منطقة من النوع السالب
PNP (م س م) المقحل من النوع الموجب ويعنى منطقة من النوع الموجبة يليها منطقة من النوع السالب يليها منطقة من النوع الموجب
4:- طبقا لقدرة التشغيل:
صغير – متوسط – كبير
5:- طبقا لأقصى تردد تشغيل:
موجات راديوية أو موجات الميكرومترية ويعطى أقصى تردد وفعال بجهد الثقل ويرمز له بالرمز FT والذي ينتج نسبة تكبير مساوية للوحدة .
6:- طبقا للتطبيق المستخدم فيه:
مفتاح – متعدد الأغراض – صوتي عالي الجهد – زوجي متماثل – عالي نسبة التكبير
7:- طبقا للتغليف الفيزيائي:
ذو الثقب المعدني - ذو الثقب البلاستيكي – المحمل سطحيا – سلسلة شبكة الكور – مغير القدرة
8:- طبقا لمعامل التكبير (hfe):
لذلك فان مقحل معين يمكن أن يوصف بهذا الوصف (سليكوني – ثنائي القطب من النوع السالب – مغير للطاقة عالي التردد – مفتاح).