لیام الکترونیک
لیام الکترونیک
ترانزیستورها قطعات اکتیو سه‌سری هستند که از مواد نیمه‌هادی مختلف ساخته شده‌اند و می‌توانند در کاربردهای ولتاژ سیگنال کوچک به عنوان یک عایق یا یک رسانا عمل کنند. توانایی ترانزیستور در تغییر بین این دو حالت سبب می‌شود این قطعه دو عملکرد اساسی داشته باشد: تقویت‌کنندگی و سوئیچینگ.
از ترانزیستورها در اندازه‌های کوچک و انواع گسسته، می‌توان برای ساخت سوئیچ‌های الکترونیکی ساده، منطق دیجیتال و مدارهای تقویت‌کننده سیگنال استفاده کرد. هزاران، میلیون‌ها و حتی میلیاردها ترانزیستور در کنار یکدیگر درون تراشه‌های کوچکی تعبیه می‌شوند و حافظه‌های رایانه، ریزپردازنده‌ها و سایر مدارهای مجتمع پیچیده را تشکیل می‌دهند.
هدف ما در این آموزش، این است که درک گسترده‌ای از عملکرد ترانزیستور داشته باشید. همچنین، وارد جزئیات عمیق فیزیک نیمه‌هادی‌ها یا مدل‌های معادل نمی‌شویم. اما به اندازه کافی عمیق به موضوع عملکرد ترانزیستور خواهیم پرداخت تا به این درک برسید که چگونه می‌توان از ترانزیستور به عنوان سوئیچ یا تقویت‌کننده استفاده کرد.
دو نوع اساسی از ترانزیستورها وجود دارد: «تزانزیستور پیوندی دوقطبی» (Bipolar Junction Transistor) یا BJT و «ترانزیستور اثر میدان» (Field-Effect Transistor) یا FET. تمرکز ما در این مطلب روی BJT است، زیرا درک آن کمی آسان‌تر است و در این صورت نوع FET را نیز می‌توان به خوبی شناخت.
ترانزیستور BJT خود دو نوع دارد: NPN و PNP. با محدود کردن بحث خود به ترانزیستور NPN، سرعت بیان مطلب را بالا می‌بریم. توجه کنید که با درک صحیح ترانزیستور NPN، مفاهیم ترانزیستورهای PNP و حتی FET را به آسانی متوجه خواهید شد.
ترانزیستورها اساساً سه پایه دارند. در BJT، این پایه‌ها «کلکتور» (Collector)، «بیس» (Base) و «امیتر» (Emitter) نام دارند و آن‌ها را به ترتیب با سه حرف B ،C و E نشان می‌دهیم. شکل زیر نماد دو ترانزیستور NPN و PNP را نشان می‌دهد.
تنها تفاوت نمادهای این دو ترانزیستور، جهت پیکان روی امیتر آن‌ها است. پیکان روی امیتر ترانزیستور NPN به سمت بیرون و جهت پیکان روی امیتر ترانزیستور PNP به سمت داخل ترانزیستور است. شکل زیر دو ترانزیستور BJT را نشان می‌دهد که یکی از آن‌ها NPN و دیگری PNP است.
ترانزیستورها از نیمه‌هادی‌های ساخته شده‌اند و براساس ویژگی‌های آن‌ها کار می‌کنند. نیمه‌هادی ماده‌ای است که هادی خالص (مانند سیم مسی) نیست، از طرفی عایق (مانند هوا) هم نیست. رسانایی (اجازه به برقراری جریان الکترون) یک نیمه‌هادی به متغیرهایی مانند دما یا وجود الکترون‌های کمتر و بیشتر بستگی دارد.
در اینجا کمی عمیق‌تر وارد ساختار ترانزیستور می‌شویم. البته نگران نباشید، نمی‌خواهیم خیلی عمیق به فیزیک آن بپردازیم. ترانزیستورها به نوعی توسعه‌ای از یکی دیگر از قطعات نیمه‌هادی، به نام دیود هستند. به نوعی ترانزیستورها چیزی جز دو دیود نیستند که کاتدها (یا آندهای) آن‌ها به هم پیوند خورده است. شکل زیر این موضوع را به خوبی نشان می‌دهد.
اتصال دیود بیس به امیتر در اینجا مهم است و باید با جهت پیکان روی نماد ترانزیستور مطابقت داشته باشد. جهت پیکان جهت جریان گذرنده از ترانزیستور را نشان می‌دهد.
نمایش دیودی ترانزیستور نقطه خوبی برای آشنایی با آن است، اما خیلی دقیق نیست. درک خود از عملکرد ترانزیستور را بر اساس این مدل دیودی قرار ندهید (و اصلاً سعی نکنید که آن را روی برد بورد پیاده‌سازی کنید، زیرا کار نمی‌کند). موارد زیادی در سطح فیزیک کوانتوم وجود دارد که کنش متقابل بین سه ترمینال را کنترل می‌کنند.
در واقع، این مدل زمانی مفید خواهد بود که تست ترانزیستور لازم باشد. با استفاده از گزینه تست دیود (یا مقاومت) روی یک مولتی‌متر، می‌توانید ترمینال‌های BE و BC را تست و وجود دیودها را بررسی کنید.
ترانزیستورها با قرار گرفتن سه لایه مختلف از مواد نیمه‌هادی در کنار هم ساخته می‌شوند. بعضی از این لایه‌ها الکترون‌های اضافی به آن‌ها افزوده شده‌اند (فرایندی به نام دوپینگ یا ناخالص‌سازی یا آلاییدن)، و بعضی دیگر الکترون‌هایشان حذف شده‌اند. در واقع، این مواد با حفره‌ها (عدم وجود الکترون‌ها) آلاییده شده‌اند. به یک ماده نیمه‌هادی با الکترون اضافی نیمه‌هادی نوع n و به ماده‌ای که الکترون از آن خارج شده نیمه‌هادی نوع p گفته می‌شود. n حرف ابتدای واژه negative به معنی منفی است و به این دلیل استفاده می‌شود که بار الکترون منفی است. دلیل استفاده از p نیز مثبت یا positive بودن بار به دلیل وجود حفره است. ترانزیستورها با قرار گرفتن ماده نیمه‌هادی n در دو طرف نیمه‌هادی p یا برعکس ساخته می‌شوند. شکل زیر ساختار ساده یک ترانزیستور NPN را نشان می‌دهد.
الکترون‌ها به شرط آنکه اندکی نیرو (ولتاژ) برای حرکت داشته باشند، به راحتی می‌توانند از ناحیه n به ناحیه p منتقل شوند. اما برقراری جریان از ناحیه p به ناحیه n واقعاً سخت است (به ولتاژ زیادی نیاز دارد). نکته خاص در مورد ترانزیستور که مدل دو دیودی ما را ناتوان می‌کند، این واقعیت است که در صورت بایاس مستقیم پیوند بیس-امیتر، الکترون‌ها می‌توانند به راحتی از بیس نوع p به کلکتور نوع n منتقل شوند. بایاس مستقیم بیس-امیتر یعنی اینکه ولتاژ بیس نسبت به ولتاژ امیتر بزرگ‌تر است.
ترانزیستور NPN برای گذر الکترون از امیتر به کلکتور طراحی شده است (بنابراین جهت قراردادی جریان از کلکتور به امیتر است). امیتر الکترون‌هایی را به بیس می‌فرستد (emit می‌کند). بیس تعداد الکترون‌های گسیل شده را کنترل می‌کند. اکثر الکترون‌های گسیل شده توسط کلکتور جمع یا collect می‌شوند و سپس در مدار گردش می‌کنند.
ترانزیستور PNP به روشی مشابه، اما برعکس کار می‌کند. در این ترانزیستور، باز هم بیس جریان را کنترل می‌کند، اما این جریان در جهت مخالف، یعنی از امیتر به کلکتور، برقرار است. این بار، امیتر به جای الکترون‌ها، حفره‌ها را گسیل می‌دهد که توسط کلکتور جمع می‌شوند.
ترانزیستور به نوعی مانند یک شیر الکترون است. بیس مانند سرِ شیر است که می‌توانید آن را تنظیم کنید تا الکترون‌ها بیشتر یا کمتر از امیتر به کلکتور منتقل شوند. این تشبیه را در ادامه بیشتر بررسی می‌کنیم.
تشبیه و مقایسه مفاهیمی که دسترسی بصری به آن‌ها برایمان به راحتی میسر نیست با موارد ملموس، کمک زیادی به ما در درک آن‌ها خواهد کرد. بدین منظور، ترانزیستور را با شیر آب مقایسه می‌کنیم. برای مقایسه ترانزیستور با شیر آب، جریان الکتریکی را مشابه دبی آب در نظر می‌گیریم. همچنین، ولتاژ را مشابه فشار آب درون لوله و و مقاومت الکتریکی را متناظر با سطح مقطع لوله فرض می‌کنیم.
