ترانزیستور چیست؟ عملکرد و انواع آن

ترانزیستور چیست؟

ترانزیستور یک نیمه هادی مینیاتوری است که جریان یا ولتاژ را تنظیم یا کنترل می‌کند. اکثر ترانزیستورها از سیلیکون (Si) ساخته شده‌اند، اما می‌توان آنها را از مواد دیگری مانند ژرمانیوم و آرسنید گالیم (GaAs) ساخت. سیلیکون، یک عنصر شیمیایی است که اغلب در ماسه یافت می‌شود، به طور معمول رسانای الکتریسیته نیست. یک فرایند شیمیایی به نام دوپینگ، فرایندی که در آن ناخالصی‌ها برای تعدیل خواص الکتریکی، نوری و ساختاری به یک نیمه‌رسانا وارد می‌شوند، الکترون آزاد را که حامل جریان الکتریکی هستند، را وارد سیلیکون می‌کند.

سیلیکون را می‌توان به عنوان یک نیمه هادی نوع n طبقه‌بندی کرد، الکترون‌ها از آن خارج می‌شوند، یا یک نیمه هادی نوع p که الکترون‌ها به داخل آن جریان می‌یابند. در هر صورت، ترانزیستور را قادر می‌سازد تا به عنوان یک کلید یا تقویت کننده عمل کند.

کار پایه های ترانزیستور چیست؟

ترانزیستور مانند مجموعه‌ای از دو دیود است که کاتدها یا آندهای آنها به هم گره خورده است. دارای سه پایانه است که جریان الکتریکی را حمل می‌کند: وظیفه پایه های ترانزیستور بشرح زیر است.

• امیتر که به عنوان سر منفی ترانزیستور npn نیز شناخته می‌شود.
• بیس ترمینالی است که ترانزیستور را فعال می‌کند. ترمینال بیس مسیر جریان بین دو ترمینال دیگر را کنترل می‌کند.
• کلکتور که سر مثبت ترانزیستور npn است.
• در ترانزیستورهای pnp پایه امیتر به عنوان سر مثبت و پایه کلکتور به سر منفی متصل می شوند.

ترکیب پایه های ترانزیستور هم در دیتاشیت آن قابل شناسایی است و هم به کمک مولتی متر میتوان پایه های ترانزیستور را شناسایی کرد.

---

ساختار ترانزیستور چگونه است؟

ساختار سه لایه ترانزیستور به صورت یکی از 2 حالت زیر است:

• یک لایه نیمه هادی نوع n بین دو لایه نوع p در پیکربندی مثبت – منفی – مثبت (PNP).
• یک لایه از نوع p بین دو لایه نوع n در پیکربندی منفی – مثبت – منفی (NPN)

صرف نظر از پیکربندی آن، لایه نیمه هادی داخلی به عنوان الکترود کنترل عمل می‌کند. یک تغییر کوچک در جریان یا ولتاژ در این لایه، یک تغییر بزرگ و سریع در جریان عبوری از کل قطعه ایجاد می‌کند و ترانزیستور را به کار می‌اندازد. در ادامه موضوع ترانزیستور چیست انواع ترانزیستورها را بررسی می کنیم.

انواع ترانزیستور 

ترانزیستورها از نظر ساختار داخلی به دو دسته کلی ترانزیستور اتصال دوقطبی (BJT) ترانزیستور اثر میدانی (FET) تقسیم می‌شوند. همچنین ترانزیستورها از نظر سایز به نمونه های ترانزیستور اس ام دی SMD، نوع dip و ترانزیستور قابلمه ای تقسیم می‌شوند.

• ترانزیستور اتصال دوقطبی (BJT)

BJT یکی از رایج‌ترین انواع ترانزیستور است و می‌تواند NPN یا PNP باشد. درواقع یک ترانزیستور BJT از سه پایانه تشکیل شده است: امیتر، بیس و کلکتور. یک BJT می‌تواند یک سیگنال الکتریکی را تقویت کند یا جریان را روشن یا خاموش کند. در عملکرد عادی خود، اتصال بیس-امیتر BJT بایاس رو به جلو با مقاومت امیتر بسیار کوچک است، در حالی که اتصال بیس-کلکتور بایاس معکوس با مقاومت بزرگ است.

در ترانزیستورهای BJT نوع PNP، رسانش از طریق عدم وجود الکترون اتفاق می‌افتد. بیس مقدار جریان از امیتر به کلکتور را کنترل می‌کند. در یک ترانزیستور BJT نوع NPN، الکترون‌ها از امیتر به بیس می‌روند و توسط کلکتور جمع‌آوری می‌شوند. هنگامی که این اتفاق می‌افتد، جریان معمولی از کلکتور به امیتر جریان می‌یابد. بیس تعداد الکترون‌های ساطع شده توسط امیتر را کنترل می‌کند.

• ترانزیستور اثر میدانی (FET)

ترانزیستورهای اثرمیدانی (FET) یکی دیگر از انواع ترانزیستور در دنیای نیمه هادی ها هستند که کاربردهای متعددی در صنعت الکترونیک دارند.

ترانزیستور فت دارای سه‌پایه است، سورس، درین و گیت که به ترتیب مشابه امیتر، کلکتور و پایه BJT هستند. در FET، لایه‌های سیلیکونی نوع n و p متفاوت از BJT چیده شده‌اند. آنها همچنین با لایه‌هایی از فلز و اکسید پوشانده می‌شوند تا ترانزیستور اثر میدان نیمه‌رسانای اکسید فلز (MOSFET) ایجاد شود. در FET، اثر میدان به پدیده‌ای اشاره دارد که مسیر جریان را فعال و ترانزیستور را روشن می‌کند. در این ترانزیستورها ولتاژ در ترمینال گیت می تواند جریان بین سورس و درین را کنترل کند.

FETها معمولا در تقویت کننده‌های کم نویز، تقویت کننده‌های بافر و سوئیچ‌های آنالوگ استفاده می‌شوند. ترانزیستور اثر میدانی فلز نیمه هادی (MESFET) معمولاً برای کاربردهای فرکانس بالا مانند مدارهای مایکروویو استفاده می‌شود. با پیشرفت تکنولوژی ساخت انواع ماسفت های توان بالا مانند LDMOS و RF CMOS، کاربری ماسفت ها در تقویت کننده ها، رگولاتورهای ولتاژ و درایورهای الکتروموتورها گسترش پیدا کرد.

هنگام تست ترانزیستور ماسفت با مولتی متر باید به بار ذخیره شده در آن توجه کرد. قبل از اتصال مولتی متر، آن را با پیچ گوشتی با رعایت عدم تماس دست به قسمت فلزی تخلیه کرد.

ترانزیستورها چگونه کار می‌کنند؟

یک ترانزیستور می‌تواند به عنوان یک سوئیچ یا دروازه برای سیگنال‌های الکترونیکی عمل کند و یک گیت الکترونیکی را چندین بار در ثانیه باز و بسته کند. ترانزیستور اطمینان حاصل می‌کند که مدار روشن است اگر جریان داشته باشد و اگر جریان نداشته باشد خاموش است. ترانزیستورها در مدارهای سوئیچینگ پیچیده که شامل تمام سیستم‌های مخابراتی مدرن هستند استفاده می‌شوند. این مدارها سرعت سوئیچینگ بسیار بالایی مانند صدها گیگاهرتز یا بیش از 100 میلیارد چرخه روشن و خاموش در ثانیه ارائه می‌دهند. قبل از به‌وجود آمدن انواع میکروکنترلر، مهندسین می توانستند پروژه های ساده خود را با ترانزیستور ها به سختی بسازند.

ترانزیستورها را می‌توان برای تشکیل یک گیت منطقی ترکیب کرد که چندین جریان ورودی را برای ارائه خروجی متفاوت مقایسه می‌کند. رایانه‌های دارای گیت‌های منطقی می‌توانند با استفاده از جبر بولی تصمیمات ساده‌ای بگیرند. این تکنیک‌ها پایه و اساس محاسبات و برنامه‌های کامپیوتری مدرن هستند.

ترانزیستورها همچنین نقش مهمی در تقویت سیگنال‌های الکترونیکی دارند. به عنوان مثال، در امواج رادیویی، مانند گیرنده‌های FM که سیگنال الکتریکی دریافتی ممکن است به دلیل اختلال ضعیف باشد، تقویت سیگنال برای ارائه خروجی صوتی مورد نیاز است. در ادامه به روش های مختلف تست ترانزیستور می پردازیم.

نحوه تست ترانزیستور با مولتی متر

دلایل مختلفی مانند اضافه جریان، گرما، ولتاژ اضافی موجب خراب شدن و یا سوختن ترانزیستور می گردد. همانطور که می‌دانید، تنوع قطعات الکترونیکی بسیار زیاد دارد. هر یک منحصر به فرد است و به انواع مختلفی از تجهیزات برای آزمایش نیاز دارد. یکی از پرکاربردترین ابزار تست ترانزیستور مولتی متر است. اینکه چگونه سلامت و یا خرابی ترانزیستور را تشخیص دهیم در ادامه به آن می پردازیم.

ابتدا باید ولتاژ کار ترانزیستور در مدار را بررسی کرد چنانچه ولتاژ کار ترانزیستور (بایاسینگ) درست باشد و ترانزیستور وظیفه خود را انجام ندهد احتمالا خراب است. ساده‌ترین روش تست تزانزیستور، اهم چک است. از اهم متر می توان برای بررسی وضعیت خرابی و یا سلامت ترانزیستور استفاده کرد، یعنی اینکه آیا ترانزیستور درست کار می‌کند یا خیر. همانطور که پیش از این گفته شد، اتصال بیس-امیتر فوروارد و اتصال بیس-کلکتور معکوس است. بنابراین، اتصال بیس-امیتر باید مقاومت پایینی (معمولا بین 100 الی 1 کیلو اهم) داشته باشد و اتصال معکوس کلکتور-بیس باید مقاومت بسیار بالاتری (معمولا بیش از 100 کیلو اهم) داشته باشد. اگر اهم متر مقادیری جز مقادیر گفته شده را نشان دهد، احتمالا ترانزیستور معیوب است و باید عوض شود.

تصور زیر نحوه تست سلامت ترانزیستور npn یا (N-Chanel) را نشان می‌دهد. روش تست ترانزیستور pnp هم به همین شکل است با این تفاوت که سیم های اهم متر باید معکوس شوند.

کاربرد ترانزیستور چیست؟

ترانزیستورها در انواع دستگاه‌های الکترونیکی به کار برده می‌شوند و کاربردهای گسترده‌ای دارند.

• تراشه‌های حافظه کامپیوتر

یکی از رایج‌ترین کاربردهای ترانزیستورها در تراشه‌های حافظه کامپیوتر است. این تراشه‌ها اطلاعات را به عنوان بارهای الکتریکی ذخیره می‌کنند و ترانزیستورها مانند سوئیچ‌های کوچکی عمل می‌کنند که می‌توانند مدار را خاموش و روشن کنند. این فرایند باعث می‌شود آنها برای ذخیره داده‌ها ایده آل باشند زیرا می‌توانند اطلاعات زیادی را در یک فضای فشرده نگهداری کنند. علاوه بر این، آنها سریع هستند؛ قابلیتی که برای رایانه‌هایی که نیاز به دسترسی سریع به مقادیر زیادی از داده‌ها دارند، ضروری است.

• سوئیچ‌ها

ترانزیستورها اغلب به عنوان سوئیچ استفاده می‌شوند؛ زیرا به سرعت روشن و خاموش می‌شوند. این قابلیت ترانزیستور را برای مدارهای دیجیتال ایده آل می‌کند، شرایطی که می‌توانند جریان الکتریسیته را با دقت زیادی کنترل کنند.

• تقویت کننده‌ها

یکی دیگر از کاربردهای ترانزیستورها به عنوان تقویت کننده است. تقویت کننده‌ها سیگنال الکتریکی کوچکی را می‌گیرند و آن را تقویت می‌کنند. اولین کاربرد تجاری ترانزیستورها در سمعک و رادیوهای جیبی بود. امروزه ترانزیستورها کاربردهای متنوعی برای تقویت صدا دارند، مانند سیستم‌های استریو و تقویت کننده‌های صدای آلات موسیقی.

مزایا و محدودیت‌های ترانزیستورها

قبل از توسعه ترانزیستورها، لوله‌های خلأ (الکترون) اجزای اصلی فعال در تجهیزات الکترونیکی بودند.

مزایای ترانزیستورها

در ادامه مزایای اصلی که مسیر را برای استفاده از ترانزیستورها در اکثر کاربردهای امروزی به جای لامپ‌های خلأ هموار کرده است، را بیان خواهیم کرد:

• ترانزیستورها بر خلاف لامپ‌های خلأ فاقد بخار کاتدی هستند و همین امر باعث کاهش مصرف برق و همچنین رفع تاخیر می‌شود. علاوه بر این، آنها با مسائلی مانند تخلیه کاتد مواجه نیستند.
• ترانزیستورها از نظر اندازه و وزن بسیار کوچک هستند و این به کاهش اندازه تجهیزات کمک می‌کند.
• ترانزیستورها ولتاژهای عملیاتی پایینی دارند که با باتری‌های تنها چند سلولی سازگار است.
• به لطف ترانزیستورها مدارهایی با بهره‌وری انرژی بیشتر به راحتی پیاده‌سازی شدند. برای کاربردهای کم مصرف (مثلاً تقویت ولتاژ)، مصرف انرژی ترانزیستور بسیار کمتر از لامپ‌های خلا است.
• بر خلاف لامپ‌های خلأ در برابر شکستگی، نشت، خروج گاز و سایر آسیب‌های فیزیکی،ترانزیستورها آسیب پذیر نیستند.
• ترانزیستورها حساسیت بسیار کمی نسبت به شوک مکانیکی و ارتعاش از خود نشان می‌دهند و استحکام فیزیکی ارائه می‌دهند و سیگنال‌های کاذب ناشی از شوک را از بین می‌برند.

محدودیت‌های ترانزیستورها

ترانزیستورها می‌توانند محدودیت‌های زیر را داشته باشند:

• ترانزیستورها تحرک الکترون بالاتری را که لوله‌های خلأ می‌توانند ارائه دهند، ارائه نمی‌دهند.
• نیمه هادی ها مانند ترانزیستورها در معرض آسیب ناشی از رویدادهای الکتریکی و حرارتی بسیار کوتاه (از جمله تخلیه الکترواستاتیکی در حمل و نقل) آسیب پذیر هستند، در حالی که لوله‌های خلأ از نظر الکتریکی مقاوم‌تر هستند.
• ترانزیستورها به تشعشعات و پرتوهای کیهانی حساس هستند.