ترانزیستور

ترانزیستور مهم‌ترین قطعۀ مداری در الکترونیک است و برای تقویت یا قطع و وصل سیگنال‌ها به کار می‌رود. ترانزیستور یکی از ادوات حالت جامد است که از مواد نیمه‌رسانایی مانند سیلیسیم و ژرمانیم ساخته می‌شود. یک ترانزیستور در ساختار خود دارای پیوندهای نوع N و نوع P است.
ترانزیستورها به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند: ترانزیستورهای اتصال دوقطبی (BJT) و ترانزیستورهای اثر میدانی (FET). اِعمال جریان در BJTها، و ولتاژ در FETها بین ورودی و ترمینال مشترک، رسانایی بین خروجی و ترمینال مشترک را افزایش می‌دهد، از این‌رو سبب کنترل شدت جریان بین آن‌ها می‌شود. مشخصات ترانزیستورها به نوع آن‌ها بستگی دارد. شکل ظاهری ترانزیستورها با توجه به توان و فرکانس کاری‌شان متفاوت است.
در مدارهای آنالوگ، ترانزیستورها در تقویت‌کننده‌ها استفاده می‌شوند (تقویت سیگنال‌هایی مانند صوت، امواج رادیویی، ...) و نیز منابع تغذیه تثبیت‌شده خطی و غیرخطی (منبع تغذیه سوییچینگ). در مدارهای دیجیتال از ترانزیستورها به عنوان سوییچ (کلید) الکترونیکی استفاده می‌شود، اگر چه به ندرت به صورت یک قطعۀ جداگانه، بلکه به صورت به‌هم‌پیوسته در مدارهای مجتمع یک‌پارچه به کار می‌روند. مدارهای دیجیتال شامل گیت‌های منطقی (logic gates)، حافظه با دسترسی تصادفی (RAM)، ریزپردازنده‌ها و پردازنده‌های سیگنال دیجیتال (DSP) هستند.
ترانزیستور BJT، سه‌پایه دارد: بِیس (پایه Base)، کُلِکتور یا کالِکتِر (جمع‌کننده Collector) و اِمیتر (منتشرکننده Emitter).

ساختمان ترانزیستور اتصال دوقطبی

ترانزیستورهای اتصال دوقطبی BJT از اتصال سه لایه بلور نیمه‌هادی تشکیل می‌شوند. لایهٔ وسطی بیس یا پایه (به انگلیسی: Base)، و دو لایهٔ جانبی، یکی امیتر (به انگلیسی: Emitter) و دیگری کلکتور (به انگلیسی: Collector) نام دارد. نوع بلور بیس، با نوع بلورهای امیتر و کلکتور متفاوت است. معمولاً میزان ناخالصی در امیتر بیشتر از دو لایهٔ دیگر و همچنین عرض لایه بیس کمتر و عرض لایهٔ کلکتور بیشتر از لایه‌های دیگر است.
در یک ترانزیستور دو قطبی، لایهٔ امیتر یا گسیلنده بیشترین مقدار ناخالصی را دارد؛ که الکترون‌ها از امیتر به‌سوی لایهٔ کلکتور که ناخالصی کمتری دارد، گسیل داده می‌شوند.

اهمیت

ترانزیستور به عنوان یکی از بزرگترین اختراعات در تاریخ نوین مطرح شده‌است و در رتبه‌بندی از لحاظ اهمیت، در کنار ماشین چاپ، خودرو و ارتباطات الکترونیکی و الکتریکی قرار دارد. ترانزیستور عنصر فعال بنیادی در الکترونیک مدرن است. اهمیت ترانزیستور در جامعهٔ امروز متکی به قابلیت تولید انبوه آن است که از یک فرایند ساخت کاملاً اتوماتیک که قیمت تمام شده هر ترانزیستور در آن بسیار ناچیز است، استفاده می‌کند. اگرچه ترانزیستورها هنوز به صورت جداگانه نیز استفاده می‌شوند ولی بیشتر در مدارهای مجتمع (اغلب به صورت مختصر IC و همچنین میکرو چیپ یا به صورت ساده چیپ ساخته و نامیده می‌شوند) همراه با دیودها، مقاومت‌ها، خازن‌ها و دیگر قطعات الکترونیکی برای ساخت یک مدار کامل الکترونیک به کار می‌روند. مثلاً یک گیت منطقی حدود بیست ترانزیستور دارد یا یک ریزپردازنده پیشرفته سال ۲۰۰۶ از بیش از ۷٫۱ میلیون ترانزیستور ماسفت ساخته شده‌است.
قیمت کم، انعطاف‌پذیری و اطمینان، از ترانزیستور یک قطعهٔ همه‌کاره ساخته‌است. مدارهای ترانزیستوری به خوبی جایگزین دستگاه‌های کنترل ادوات و ماشین‌ها شده‌اند. استفاده از یک میکروکنترلر استاندارد و نوشتن یک برنامه رایانه‌ای که عمل کنترل را انجام می‌دهد اغلب ارزان‌تر و مؤثرتر از طراحی مکانیکی معادل آن است.
به سبب قیمت کم ترانزیستورها، گرایش برای دیجیتال کردن انواع اطلاعات نیز بیشتر شده‌است زیرا رایانه‌های دیجیتالی توانایی خوبی در جستجوی سریع، دسته‌بندی و پردازش اطلاعات دیجیتال دارند. در نتیجه امروزه داده‌های رسانه‌ای بیشتری به دیجیتال تبدیل می‌شوند و پس از پردازش رایانه به صورت آنالوگ در اختیار کاربر قرار می‌گیرند. تلویزیون، رادیو و روزنامه‌ها از جمله چیزهایی هستند که بیشتر تحت تأثیر این انقلاب دیجیتالی قرار داشته‌اند.

تاریخچه

اولین حق ثبت اختراع ترانزیستور اثر میدان در سال ۱۹۲۸ در آلمان توسط فیزیک‌دانی به نام یولیوس ادگار لیلینفلد ثبت شد، اما او هیچ مقاله‌ای دربارهٔ قطعه‌اش چاپ نکرد و این ثبت اختراع از طرف صنعت نادیده گرفته شد. در سال ۱۹۳۴ فیزیکدان آلمانی دکتر اسکار هایل ترانزیستور اثر میدان دیگری را به ثبت رساند. هیچ مدرک مستقیمی وجود ندارد که این قطعه ساخته شده باشد، اما بعداً کارهایی در دهه ۱۹۹۰ نشان داد که یکی از طرح‌های لیلینفلد کار کرده و بهره تقویت کنندگی قابل توجهی داشته‌است. اوراق قانونی آزمایشگاه‌های ثبت اختراع بل نشان می‌دهد که ویلیام شاکلی و جرالد پیرسن یک نسخه قابل استفاده از اختراع لیلینفلد ساخته‌اند، در حالی که آن‌ها هیچگاه این را در تحقیقات و مقالات خود ذکر نکردند.
در ۲۳ دسامبر ۱۹۴۷، ویلیام شاکلی، جان باردین و والتر براتین موفق به ساخت اولین ترانزیستور اتصال نقطه‌ای در آزمایشگاه‌های بل شدند. این کار با تلاش‌های زمان جنگ برای تولید دیودهای میکسر کریستال ژرمانیم خالص ادامه یافت، این دیودها در واحدهای رادار به عنوان میکسر فرکانس در گیرنده‌های میکروموج استفاده می‌شد. یک پروژه دیودهای ژرمانیم در دانشگاه پردو موفق شد کریستال‌های نیمه‌هادی ژرمانیم را با کیفیت خوب که در آزمایشگاه‌های بل استفاده می‌شد تولید کند. سرعت سوئیچ تکنولوژی لامپی اولیه برای این کار کافی نبود، همین تیم بل را سوق داد تا از دیودهای حالت جامد به جای آن استفاده کنند. آن‌ها با دانشی که در دست داشتند شروع به طراحی سه قطبی نیمه‌هادی کردند، اما دریافتند که کار ساده‌ای نیست. جان باردین سرانجام یک شاخه جدید فیزیک سطحی را برای محاسبه رفتار عجیبی که دیده بودند ایجاد کرد و سرانجام براتین و باردین موفق به ساخت یک قطعه کاری شدند.
آزمایشگاه‌های بل به یک اسم برای اختراع جدید نیاز داشتند: «سه قطبی نیمه‌هادی»، «سه قطبی جامد»، «سه قطبی اجزاء سطحی»، «سه قطبی کریستال» و «لاتاتورن» که همه مطرح شده بودند، اما «ترانزیستور» که توسط جان رابینسون پیرس پیشنهاد شده بود، برنده یک قرعه کشی داخلی شد. اساس این اسم در یاداشت فنی بعدی شرکت رای‌گیری شد:
"ترانزیستور، یک ترکیب اختصاری از کلمات «ترانسفر» (انتقال) و «رزیستور» (مقاومت) است. این قطعه منطقاً متعلق به خانواده مقاومت متغیر است که "امپدانس انتقالی" و نیز "بهره" دارد؛ بنابراین این اسم یک ترکیب توصیفی است. -آزمایشگاه‌های تلفن بل- یاداشت فنی (۲۸ می۱۹۴۸)"
در آن زمان تصور می‌شد که این قطعه مثل دو لامپ خلاء است. لامپ‌های خلاء هدایت انتقالی دارند بنابراین ترانزیستور هدایت انتقالی دارد؛ و این اسم می‌بایست متناسب با نام دیگر قطعات مثل وریستور، ترمیستور باشد؛ و نام ترانزیستور پیشنهاد شد.
آزمایشگاه‌های بل فوراً ترانزیستور تک اتصالی را جزء تولیدات انحصاری شرکت وسترن الکتریک، شهر آلنتون در ایالت پنسیلوانیا قرار داد. نخستین ترانزیستورها برای گیرنده‌های رادیو AM ساخته و به نمایش گذاشته شدند اگر چه در واقع فقط در سطح آزمایشگاهی بودند. به هر حال در سال ۱۹۵۰ شاکلی یک نوع کاملاً متفاوت ترانزیستور را ارائه داد که به ترانزیستور اتصال دوقطبی معروف شد. اگرچه اصول کار آن با ترانزیستور تک اتصالی کاملاً فرق می‌کند، این قطعه‌ای است که امروزه به عنوان ترانزیستور شناخته می‌شود. پروانه تولید آن نیز به تعدادی از شرکت‌های الکترونیک شامل تگزاس اینسترومنتس که تعداد محدودی رادیو ترانزیستوری تولید می‌کرد داده شد. ترانزیستورهای اولیه از نظر شیمیایی ناپایدار بودند و فقط برای کاربردهای فرکانس و توان پایین مناسب بودند، اما همینکه طراحی ترانزیستور توسعه یافت این مشکلات نیز کم‌کم رفع شدند.
هنگامی که ماسارو ایبوکا، مؤسس شرکت ژاپنی سونی از آمریکا دیدن می‌کرد آزمایشگاه‌های بل مجوز ساخت و نیز دستورالعمل‌های ساخت ترانزیستور را منتشر کرده بود. ایبوکا پروانه تولید را از وزارت دارایی ژاپن گرفت و در سال ۱۹۵۵ رادیوی جیبی خود را با مارک سونی معرفی کرد. بعد از دو دهه ترانزیستورها به تدریج جای لامپ‌های خلاء را در بسیاری از کاربردها گرفتند و بعدها امکان تولید مدارات مجتمع و دستگاه‌های جدیدی مانند رایانه‌های شخصی را فراهم آوردند.
از ویلیام شاکلی، جان باردین و والتر براتِین بخاطر تحقیقاتشان در مورد نیمه‌هادی‌ها و کشف اثر ترانزیستور با جایزه نوبل فیزیک قدردانی شد.

کاربرد

ترانزیستور، قلب تپندهٔ الکترونیک است. ترانزیستور هم در مدارات الکترونیک آنالوگ و هم در الکترونیک دیجیتال کاربردهای بسیار دارد. در مدارات آنالوگ، ترانزیستور در حالت فعال کار می‌کند و می‌توان از آن به عنوان تقویت‌کننده یا تثبیت کننده ولتاژ (رگولاتور) و … استفاده کرد. در مدارات دیجیتال ترانزیستور در دو ناحیه قطع و اشباع فعالیت می‌کند که می‌توان از این حالت ترانزیستور در پیاده‌سازی مدار منطقی، حافظه و سوئیچ (وسیله قطع و وصل جریان) استفاده کرد.

انواع

دو دسته اصلی ترانزیستورها، ترانزیستور دوقطبی پیوندی (Bipolar Junction Transistors, BJT) و ترانزیستور اثرِ میدان (Field Effect Transistors, FET) هستند. ترانزیستورهای اثر میدان، خود به دو دستهٔ ترانزیستور پیوند اثر میدانی (JFET) و ترانزیستور اثر میدان نیمه‌هادیِ اکسید-فلز (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET) که به اختصار به آن ماسفت گفته می‌شود، تقسیم می‌شوند.

ترانزیستور دوقطبی پیوندی

در ترانزیستور دو قطبی پیوندی با اعمال جریان به پایه بیس جریان عبوری از دوپایه کلکتور و امیتر کنترل می‌شود. ترانزیستورهای دوقطبی پیوندی در دونوع npn و pnp ساخته می‌شوند. بسته به حالت بایاس این ترانزیستورها ممکن است در ناحیه قطع، فعال یا اشباع کار کنند. سرعت بالای این ترانزیستورها و بعضی قابلیت‌های دیگر باعث شده که هنوز هم از آن‌ها در بعضی مدارات خاص استفاده شود. امروزه در مدارات مجتمع به جای استفاده از مقاومت و خازن، از ترانزیستور استفاده می‌کنند.

ترانزیستور پیوند اثر میدانی (JFET)

در ترانزیستورهای پیوند اثر میدانی (JFET)، با اعمال ولتاژ به پایه گِیت، میزان جریان میان دوپایه سورس و دِرِین کنترل می‌شود. ترانزیستور اثر میدانی به دو نوع تقسیم می‌شود: نوع n یا N-Type و نوع p یا P-Type. از دیدگاهی دیگر این ترانزیستورها در دو نوع افزایشی و تخلیه‌ای ساخته می‌شوند. نواحی کار این ترانزیستورها شامل «فعال» و «اشباع» و «ترایود» است این ترانزیستورها تقریباً هیچ استفاده‌ای ندارند چون محدودیت جریان دارند و به سختی مجتمع می‌شوند.

ساختار ترانزیستور پیوندی

ترانزیستور پیوندی دارای دو پیوند است. یکی بین امیتر و بیس و دیگری بین بیس و کلکتور. به همین دلیل ترانزیستور شبیه دو دیود است. دیود سمت چپ دیود بیس _ امیتر یا دیود امیتر، و دیود سمت راست دیود کلکتور _ بیس یا دیود کلکتور است. میزان ناخالصی ناحیه وسط به مراتب کمتر از دو ناحیه جانبی است. این کاهش ناخالصی باعث کم شدن هدایت و زیاد شدن مقاومت این ناحیه می‌گردد.
امیتر که به شدت آلاییده (Doped) شده، نقش گسیل یا تزریق الکترون به بیس را به عهده دارد. بیس بسیار نازک ساخته شده و آلایش (Doping) آن ضعیف است و لذا بیشتر الکترون‌های تزریق شده از امیتر را به کلکتور عبور می‌دهد. میزان آلایش کلکتور کمتر از میزان آلایش امیتر و بیشتر از آلایش بیس است و کلکتور الکترون‌ها را از بیس جمع می‌کند.

طرز کار ترانزیستور پیوندی

طرز کار ترانزیستور pnp مشابه npn است، به شرط اینکه الکترونها و حفره‌ها با یکدیگر عوض شوند. در نوع npn به علت بایاس مستقیم دیود امیتر ناحیه تهی کم عرض می‌شود، در نتیجه حاملهای اکثریت یعنی الکترونها از ماده n به ماده p هجوم می‌آورند. حال اگر دیود بیس _ کلکتور را به حالت معکوس بایاس کنیم، ناحیه دیود کلکتور به علت بایاس معکوس عریض‌تر می‌شود. الکترونهای جاری شده به ناحیه p در دو جهت جاری می‌شوند. بخشی از آن‌ها از پیوندگاه کلکتور عبور کرده به ناحیه کلکتور می‌رسند و تعدادی از آن‌ها با حفره‌های بیس بازترکیب شده و به عنوان الکترونهای ظرفیت به سوی بیس روانه می‌شوند، این مؤلفه بسیار کوچک است.

اتصال بیس مشترک

در این اتصال پایه بیس بین هر دو بخش ورودی و خروجی مدار مشترک است. جهت‌های انتخابی برای جریان شاخه‌ها جهت قراردادی جریان در همان جهت حفره‌ها می‌شود.

اتصال امیتر مشترک

مدار امیتر مشترک بیشتر از سایر روش‌ها در مدارهای الکترونیکی کاربرد دارد و مداری است که در آن امیتر بین بیس و کلکتور مشترک است. این مدار دارای امپدانس ورودی کم، و امپدانس خروجی بالاست.

اتصال کلکتور مشترک

اتصال کلکتور مشترک برای تطبیق امپدانس در مدار بکار می‌رود، زیرا برعکس حالت قبلی دارای امپدانس ورودی زیاد و امپدانس خروجی پائین است. اتصال کلکتور مشترک غالباً به همراه مقاومتی بین امیتر و زمین به نام مقاومت بار بسته می‌شود.

ترانزیستور اثر میدان FET

این ترانزیستورها نیز مانند JFETها عمل می‌کنند با این تفاوت که جریان ورودی گیت آن‌ها صفر است. همچنین رابطه جریان با ولتاژ نیز متفاوت است. این ترانزیستورها دارای دو نوع PMOS و NMOS هستند که فناوری استفاده از دو نوع آن در یک مدار تکنولوژی CMOS نام دارد.
این ترانزیستورها امروزه بسیار کاربرد دارند زیرا به راحتی مجتمع می‌شوند و فضای کمتری اشغال می‌کنند. همچنین مصرف توان بسیار ناچیزی دارند. به تکنولوژی‌هایی که از دو نوع ترانزیستورهای دوقطبی و Mosfet در آن واحد استفاده می‌کنند Bicmos می‌گویند.
البته نقطه کار این ترانزیستورها نسبت به دما حساس است و تغییر می‌کند؛ بنابراین بیشتر در سوئیچینگ بکار می‌روند.

ساختار و طرز کار ترانزیستور اثر میدانی - فت

همانگونه که از نامش بر می‌آید، پایه کنترلی آن جریانی مصرف نمی‌کند و تنها با اعمال ولتاژ و ایجاد میدان درون نیمه‌هادی، جریان عبوری از FET کنترل می‌شود. به همین دلیل ورودی این مدار هیچ گونه اثر بارگذاری بر روی طبقاتقبلی نمی‌گذارد و امپدانس بسیار بالایی دارد.
فت دارای سه‌پایه با نام‌های درین D، سورس S و گیت G است که پایه گیت، جریان عبوری از درین به سورس را کنترل می‌نماید. فت‌ها دارای دو نوع N کانال و P کانال هستند. در فت نوع N کانال زمانی که گیت نسبت به سورس مثبت باشد جریان از درین به سورس عبور می‌کند. FETها معمولاً بسیار حساس بوده و حتی با الکتریسیته ساکن بدن نیز تحریک می‌گردند. به همین دلیل نسبت به نویز بسیار حساس هستند.
نوع دیگر ترانزیستورهای اثر می‌دانی MOSFETها هستند (ترانزیستور اثر می‌دانی اکسید فلزی نیمه‌هادی - Metal-Oxide Semiconductor Field Efect Transistor) یکی از اساسی‌ترین مزیت‌های ماسفت‌ها نویز کمتر آن‌ها در مدار است.
فت‌ها در ساخت فرستنده باند اف ام رادیو نیز کاربرد فراوانی دارند. برای تست کردن فت کانال N با مالتی متر، نخست پایه گیت را پیدا می‌کنیم. یعنی پایه‌ای که نسبت به دوپایه دیگر در یک جهت مقداری رسانایی دارد و در جهت دیگر مقاومت آن بی‌نهایت است. معمولاً مقاومت بین پایه درین و گیت از مقاومت پایه درین و سورس بیشتر است که از این طریق می‌توان پایه درین را از سورس تشخیص داد.

نحوه سوختن ترانزیستورها

ترانزیستورها فارغ از نحوه اتصال و نحوه ورود شوک به مدار آن به دو صورت کلی می‌سوزند:
الف) حالت سوختن اتصال کوتاه امیتر به کلکتور یا حالت Junction:
در این حالت مسیر امیتر به کلکتور به صورت یکسره برقرار می‌گردد که این حالت ترانزیستور با قطع ورودی تریگر روی پایه base یا gain همچنان برقرار است. در واقع در این حالت مثل آن می‌ماند که سوئیچ به صورت یکسره و تا زمان وجود ولتاژ روی پایه امیتر همچنان برقرار باشد.
ب) حالت سوختن قطع ارتباط مسیر امیتر به کلکتور یا حالت Cut off Circuite:
حالت سوختن Cut off Circuite: در این حالت ارتباط امیتر به کلکتور به صورت دائمی قطع می‌گردد. یعنی حتی با تحریک base یا gain ترانزیستور، دیگر هیچ اثر خروجی ولتاژ روی پایه کلکتور ترانزیستور وجود ندارد. بطور کلی در این حالت، ارتباط پایه امیتر به کلکتور تحت هیچ شرایطی برقرار نمی‌گردد.

دلایل سوختن ترانزیستورها

سوختن ترانزیستور می‌تواند دلایل زیادی داشته باشد. از جمله این دلایل می‌توان به اعمال ولتاژ بالای خارج از محدوده ولتاژ ترانزیستور به آن اشاره کرد که این ولتاژ می‌تواند از طریق پایه Emitter به ترانزیستور منتقل شده یا در مدارات مکانیکی اعمال بار سلفی سیم پیچ مصرف‌کننده و در زمان Peak Off آن به پایه کلکتور اشاره کرد که جلوگیری از هرکدام از آن‌ها روش‌های مربوط به خود را دارد.
یکی دیگر از دلایل آن می‌تواند قراردادن مصرف‌کننده با جریان بیش از اندازه قدرت سوئیچ ترانزیستور باشد که منجر به گرم شدن، داغ شدن و نهایتاً سوختن ترانزیستور می‌گردد.
همچنین قطعات نیمه‌هادی که در نقش سویچینگ هستند و اتصال کوتاه می‌شوند به دلیل وجود جریان‌های ضربه‌ها یا ولتاژ بالاست (بهترین وقتی رخ می‌دهد که ولتاژ ضربه‌ای، متغیر با زمان فرکانس بالا و … باشد)
همچنین از دلایل سوختن قطعات نیمه‌هادی که در نقش سویچینگ هستند و اتصال باز می‌شوند به دلیل وجود جریان‌های dc ضربه‌ای می‌باشد.
این دو دلیل هم بابت عدم ایده ال بودن دیفیوژن قطعات در هنگام ساخت قطعه است. یعنی وقتی که قطعه p روی n قرار می‌گیرد به جای اینکه سطوح صاف و مثلاً مثل مستطیل باشند، لبه‌های تند و تیز یا در جاهایی یکنواختی وجود دارد که لبه‌های تیز باعت حالت اول و لبه‌های صاف ایجاد حالت دوم می‌کند.