ترانزیستور

ترانزیستور

 

تاریخچه ترانزیستور

در اواسط قرن نوزدهم با فراگیر شدن رادیو و تلویزیون ضرورت بهبود بخشیدن به کیفیت لامپهای دیودی وتریودی احساس گردید . تا اینکه در 23 دسامبر 1947 ترانزیستور توسط سه فیزیکدان به نامهای شاکلی، باردین و برتین به صنعت الکترونیک معرفی گردید.

     

اولین ترانزیستور دنیا از یک نارسانای مثلثی تشکیل شده که توسط دوسوزن طلا به نیمه رسانای ژرمانیم متصل می شود .این ترانزیستور برعکس لامپهای دیودی به گرما احتیاج نداشت وسریعا به کار می افتاد و همچنین بسیار سبکتر و ارزانتر از لامپهای دیودی بود.

بدین ترتیب شاکلی و همکاران وی به کمک فیزیک نیمه رسانا انقلابی را در عرصه الکترونیک پدید آوردند وبه پاس این اختراع مهم این محققان مفتخر به دریافت جایزه نوبل گردیدند.

ترانزیستور به سرعت روند تکاملی خود را طی می نمود به طوریکه در سال 1948 ترانزیستور صفحه ای ساخته شد.     

ترانزیستورها یکی از قطعات اساسی در الکترونیک هستند.ترانزیستور ها سوئیچ هایی هستند که برای خاموش و روشن کردن بکار می روند.اگر چه ترانزیستور ها یک قطعه ی ساده هستند اما یکی از مهم ترین قطعات الکترونیکی هستند.مثلا ترانزیستور تنها قطعه ای است که در ساخت یک پردازشگر پنتیوم استفاده می شود.یک چیپ پنتیوم تقریبا 5/3 میلیون ترانزیستور دارد.

ترانزیستور هایی که در پنتیوم وجود دارند کوچکتر از ترانزیستوری هستند که ما استفاده می کنیم اما عملکرد آن ها یکسان است.شکل بالا ترانزیستوری که ما استفاده می کنیم را نشان می دهد.

ترانزیستور درسال 1948 اختراع شد.

در اوایل ساخت این وسیله الکترونیکی و جایگزینی آن ها با لامپهای خلاء،ترانزیستورها اغلب از جنس ژرمانیم و بصورت PNP ساخته می شدند اما محدودیت های ساخت وفن آوری از یک طرف و تفاوت بهره دریافتی از طرف دیگر، سازندگان را مجبور کرد کهبعدها بیشتر از نیمه هادیی از جنس سیلیکون و با پلاریته NPN برای ساخت ترانزیستوراستفاده کنند.

تفاوت خاصی در عملکرد این دو نمونه وجود ندارد.

 

 

اولینترانزیستورها

 


اولین نمونه ترانزیستوربدنه فلزی

 

در اولیــن ماههــای سـال 1948نخسـتین نمـونـه از یـک ترانزیـسـتـور (Transistor) که بدنه فلزی داشت در مجموعهآزمایشگاه های Bell ساخته شد. این ترانزیستور که قرار بود جایگزین لامپهای خلاء - الکترونیک - شود Type A نام گرفت. این ترانزیستور که کاربرد عمومی داشت و بسیار خوبکار می کرد یکسال بعد به تعداد 3700 عدد تولید انبوه شد تا در اختیار دانشگاه ها،مراکز نظامی، آزمایشگاه ها و شرکت ها برای آزمایش قرار گیرد.

 جالب آنکه این اختراع در زمانخود آنقدر مهم بود که هر عدد از این ترانزیستورها در       بسته بندی جداگانه با شمارهسریال و مشخصات کامل نگهداری می شد. همانطور که در شکل مشاهده می شود اینترانزیستور تنها دارای دو پایه بود. Collector و Emitter و پایه Base به بدنه فلزیآن متصل بود.  


اولین نمونه ترانزیستور بدنه پلاستیکی

 


نمونه اصلاح شده بدنه پلاستیکی

 

بازسازی اولین ترانزیستور جهان

 

تولید ترانزیستورهای بدنه فلزیتا سال 1950 ادامه داشت تا اینکه در این سال در آزمایشگاه های Bell اولینترانزیستور با بدنه پلاستیکی ساخته شد. طبیعی بود که در این حالت ترانزیستور میبایست سه پایه داشته باشد. اما به دلیل مشکلاتی که در ساخت این ترانزیستور وجودداشت تولید آن به حالت انبوه نرسید و در همان سال ترانزیستور های جدید دیگری باپوشش پلاستیکی جایگزین همیشگی آن شدند.

لازم به ذکر است که به عقیدهبسیاری از دانشمندان، ترانزیستور بزرگترین اختراع بشر در قرن نوزدهم بوده که بدونآن هیچ یک از پیشرفت های امروزی در علوم مختلف امکان پذیر نبوده است. تمامی پیشرفتهای بشر که در مخابرات، صنعت حمل و نقل هوایی، اینترنت، تجهیزات کامپیوتری، مهندسیپزشکی و ... روی داده است همگی مرهون این اختراع می باشد.

ترانزیستور وسیلهای است که جایگزین لامپهای خلاء - الکترونیک - شد و توانست همان خاصیت لامپها را باولتاژهای کاری پایین تر داشته باشد. ترانزیستورها عموما برای تقویت جریان الکتریکیو یا برای عمل کردن در حالت سوییچ بکار برده می شوند. ساختمان داخلی آنها ازپیوندهایی از عناصر نیمه هادی مانند سیلیکون و ژرمانیوم تشکیل شده است.

 

ترانزیستور معمولی ، یک المان سه قطبی معمولی است که از سه عدد نیمه هادی نوع N و P تشکیل شده است .این نیمه هادی ها به دو شکل می توانند در کنار هم قرار گیرند .

 

الف ) دو نیمه هادی نوع N در دو طرف و یک نیمه هادی نوع P در وسط قرار می گیرند که در این حالت ترانزیستور را NPN می نامند . در شکل (1) نمایی از ساختمان این نوع ترانزیستور نمایش داده شده است .

شکل (1)

 

 

ب ) دو نیمه هادی نوع P در دو طرف و یک نیمه هادی نوع N در وسط قرار می گیرند که در این حالت ترانزیستور را PNP می نامند . در شکل (2) نمایی از ساختمان این نوع ترانزیستور نمایش داده شده است .

شکل (2)

 

 

پایه های ترانزیستور را امیتر (Emitter) ، بیس (Base) و کلکتور (Collector) می نامند که امیتر را با حرف E ، بیس را با حرف B و کلکتور را با حرف C نمایش می دهند .

نیمه هادی نوع N یا P که به عنوان امیتر به کار می رود ، نسبت به لایه های بیس و کلکتور دارای ناخالصی بیشتری می باشد . ضخامت این لایه حدود چند ده میکرون است و سطح تماس آن نیز بستگی به فرکانس کار و قدرت ترانزیستور دارد .

لایه بیس نسبت به لایه های کلکتور و امیتر دارای ناخالصی کمتری است و ضخامت آن نیز به مراتب کمتر از ضخامت لایه های امیتر و کلکتور می باشد وعملاً از چند میکرون تجاوز نمی کند.
ناخالصی لایه کلکتور از لایه امیتر کمتر و از لایه بیس بیشتر است . ضخامت این لایه به مراتب بزرگتر از ضخامت لایه امیتر می باشد زیرا تقریباً تمامی تلفات حرارتی ترانزیستور در لایه کلکتور ایجاد می شود . سطح تماس لایه کلکتور با لایه بیس حدوداً نه برابر سطح تماس لایه امیتر با لایه بیس می باشد .

در شکل (3) تصویری از نسبت تقریبی ضخامت و سطح تماس لایه های ترانزیستور نمایش داده شده است .

شکل (3)

 

 


این نوع ترانزیستورها را به اختصار
BJT می نامند که از عبارت Bipolar JunctionTransistor به معنای ترانزیستور پیوندی دوقطبی گرفته شده است . در شکل (4) یک نمونه ترانزیستور BJT نمایش داده شده است .

شکل (4)

 

در مدارها برای نشان دادن ترانزیستور از علامت اختصاری آنها استفاده می کنند . در شکل (5) علامت اختصاری ترانزیستور PNP و در شکل (6) علامت اختصاری ترانزیستور NPN نمایش داده شده است . جهت فلش در علامت اختصاری ترانزیستور ، نشان دهنده جهت قراردادی جریان در پیوند بیس امیتر است .

شکل (5)

 

شکل (6)

 

ترانزیستور دارای یک طرف صاف و یک طرف گرد می باشد.اگر طرف گرد آن رو به روی شما باشد پایه ی کلکتور سمت چپ,بیس در وسط و امیتر در سمت راست خواهد بود.

از نماد زیر برای رسم یا نمایش ترانزیستور در مدار استفاده می شود.

مدار ساده برای آشنایی با طرز کار یکترانزیستور

 


بطور جداگانه بین E و C و همچنین بین E و B منابع تغذیه ایقرار داده ایم. مقاومت ها یی که در مسیر هریک از این منابع ولتاژ قرار دادیم صرفا برای محدود کردن جریان بوده و نه چیز دیگر. چرا که در صورت نبود آنها، پیوندها براثر کشیده شدن جریان زیاد خواهند سوخت.

طرز کار ترانزیستور به اینصورت است،چنانچه پیوند BE را بصورت مستقیم بایاس )Bias به معنیاعمال ولتاژ و تحریک است) کنیم بطوری که این پیوند PN روشن شود )برای اینکار کافی است که به این پیوند حدود 0.6 تا 0.7 ولت با توجه بهنوع ترانزیستور ولتاژ اعمال شود)، در آنصورت از مدار بسته شده میان E و C می توان جریانبسیار بالایی کشید. اگر به شکل دوم دقت کنید بوضوح خواهید فهمید که این عمل چگونهامکان پذیر است. در حالت عادی میان E و C هیچ مدار بازی وجود ندارد اما به محض آنکه شما پیوند BE را باپلاریته موافق بایاس کنید، این پیوند تقریبا بصورت اتصال کوتاه عمل می کند و شما عملا خواهید توانست از پایههای E و C جریانقابل ملاحظه ای بکشید. (در واقع در اینحالت می توان فرض کرد که در شکل دوم عملا لایه PN مربوط به BE از بین می رود و بین EC یک اتصالکوتاه رخ می دهد.)

بنابراین مشاهده می کنید که با برقراری یک جریان کوچک Ib شما میتوانید یک جریان بزرگ Ic را داشته باشید. این مدار اساس سوئیچ های الکترونیکدر مدارهای الکترونیکی است. بعنوان مثال شما می توانید در مدار کلکتور یک رله قراردهید که با جریان مثلا چند آمپری کار می کند و در عوض با اعمال یک جریان بسیارضعیف در حد میلی آمپر - حتی کمتر - در مدار بیس که ممکن است از طریق یک مداردیجیتال تهیه شود، به رله فرمان روشن یا خاموش شدن بدهید.

 

مفهوم تقویت و تقویت کنندگی

یک تقویت کننده الکترونیکی تقویت کننده ای است که سیگنال ضعیفی به آن وارد می شود و سیگنال تقویت شده ای از آن خارج می شود به چنین تقویت کننده ای آمپلی فایر می گویند .

هرتقویت کننده ای 4 پایه دارد ،2پایه ورودی -2پایه خروجی ،ولی ترانزیستور3 پایه دارد بنابراین در تقویت کننده های ترانزیستوری ورودی به 2 پایه داده می شودواز یکی از پایه های ورودی در خروجی هم استفاده می شد یعنی یک پایه بین ورودی و خروجی مشترک می شود بر حسب اینکه کدام پایه مشترک باشد سه حالت داریم :

C.B : بیس مشترکیا تقویت کننده ولتاژ: این مدار قادر به تقویت ولتاژمی باشد.

C.C : کلکتورمشترک یا تقویت کننده جریان:این مدار قادر به تقویت جریان می باشد.

C.E : امیتر مشترک یا تقویت کننده جریان و ولتاژ برابر با تقویت توان: در این مدار هم تقویت ولتاژ و هم تقویت جریان می شود که با نام تقیت کننده توان معروف است.

 

بایاس ترانزیستور

برای اینکه بتوانیم از ترانزیستور به عنوان تقویت کننده و سوئیچ و.. استفاده کنیم باید ابتدا ترانزیستور را مورد تغذیه DCقرار دهیم .این تغذیه را بایاس ترانزیستور گویند .برای اینکه ترانزیستوری شروع به کار کند باید به صورتی درمدار قرار گیرد که دیود بیس امیتر آن دربایاس مستقیم و دیود بیس کلکتور در بایاس معکوس باشد .

در غیر این صورت ترانزیستور معکوس است .

در شکل (7) این نوع بایاسینگ برای یک ترانزیستور NPN نمایش داده شده است .

شکل (7)

 

چون پیوند بیس امیتر ، در بایاس مستقیم است ناحیه تخلیه پیوند بیس امیتر از بین می رود و الکترونهای قطب منفی منبع تغذیه V1 پس از عبور از مقاومت R1 که به منظور کنترل جریان مورد استفاده قرار گرفته ، وارد لایه امیتر می شوند و پس از عبور از لایه امیتر خود را به لایه بیس می رسانند . اما در این زمان با توجه به اینکه پیوند بیس کلکتور در بایاس معکوس است و عرض ناحیه تخلیه این پیوند زیاد است انتظار می رود که تمامی الکترونهای موجود در لایه بیس از طریق پایه بیس خود را به قطب مثبت منبع تغذیه V1 برسانند و هیچ الکترونی از لایه بیس وارد لایه کلکتور نشود اما در عمل چنین اتفاقی نمی افتد بلکه قسمت اعظم الکترونهای موجود در لایه بیس وارد لایه کلکتور می شوند و پس از عبور از این لایه و مقاومت R2 خود را به قطب مثبت منبع تغذیه V2 می رسانند و فقط تعداد کمی از الکترونهای موجود در لایه بیس ، خود را از طریق پایه بیس به قطب مثبت منبع تغذیه V1 می رسانند . علت این عمل این است که اولاً ولتاژ پایه کلکتور بیشتر از ولتاژ پایه بیس است و این ولتاژ قادر است الکترونهای موجود در لایه بیس را به طرف خود جذب کند . ثانیاً لایه بیس بسیار نازک است و الکترونها به محض وارد شدن به لایه بیس ، جذب کلکتور می شوند . ثالثاً سطح کلکتور حدود 9 برابر بزرگتر از سطح امیتر است لذا احاطه کامل بر ورود الکترونهای وارد شده به بیس داشته و تقریباً تمامی آنها را جذب می کند. رابعاً ناخالصی بیس کم است و در نتیجه الکترونهای وارد شده به بیس ، کمتر با حفره ها ترکیب می شوند و تعداد زیادی از آنها به صورت الکترون آزاد باقی می مانند . با توجه به مطالب فوق تقریباً بیش از %90 الکترونهایی که وارد بیس می شوند مدار خود را از طریق کلکتور می بندند . در شکل (8) نسبت تقریبی تقسیم الکترونها بین امیتر ، کلکتور و بیس نمایش داده شده است .  

 شکل (8)

 

 

ترانزیستور چگونه عمل تقویت کنندگی را انجام می دهد

 برای تقویت یک سیگنال الکتریکی توسط ترانزیستور ، باید سیگنال الکتریکی را به ورودی ترانزیستور داده و از خروجی ترانزیستور ، سیگنال تقویت شده را دریافت کنیم . در شکل (9) مدار مربوط به تقویت سیگنال الکتریکی توسط ترانزیستور نمایش داده شده است .

شکل (9)

 

در این شکل پایه بیس به عنوان پایه مشترک بین ورودی و خروجی و پیوند امیتر بیس به عنوان ورودی و پیوند کلکتور بیس به عنوان خروجی آن در نظر گرفته شده است . پیوند بیس امیتر در بایاس مستقیم است و لذا مقاومت آن کم می باشد اما پیوند بیس کلکتور در بایاس معکوس بوده و لذا مقاومت زیادی دارد . حال یک مقاومت مثلاً 100 اهمی را جهت کنترل جریان در ورودی ترانزیستور با اتصال بیس امیتر سری می نماییم . از آن جایی که اتصال کلکتور بیس در بایاس معکوس می باشد لذا سری کردن یک مقاومت زیاد مثلاً 1 کیلو اهمی ، اثر چندانی روی ترانزیستور ندارد . یک سیگنال متناوب با دامنه مثلاً 1/0 ولت را به ورودی ترانزیستور اعمال    می کنیم . ولتاژ امیتر بیس را نیز حدود 7/0 ولت انتخاب می کنیم زیرا 7/0 ولت ، پیوند امیتر بیس را کاملاً هادی می کند . ولتاژ کلکتور بیس را نیز حدود 10 ولت انتخاب می کنیم و چون پیوند کلکتور بیس در بایاس معکوس است لذا هیچ گونه اشکالی در مدار به وجود نمی آید . حال اگر مقاومت دینامیکی پیوند امیتر بیس را مثلاً 20 اهم فرض کنیم جریانی که در پیوند امیتر بیس برقرار می شود برابر است با :

 

همانطور که قبلاً گفته شد قسمت اعظم جریان گذرنده از پیوند امیتر بیس از طریق کلکتور مسیر خود را می بندد و لذا این جریان از کلکتور و مقاومت یک کیلو اهمی که با کلکتور سری شده است نیز عبور می کند و در دو سر مقاومت یک کیلو اهمی افت ولتاژ متناوبی ایجاد می شود که مقدار آن برابر است با :

همانطور که مشاهده می کنید این ولتاژ خیلی بیشتر از ولتاژ متناوب ورودی است . لذا می توان سیگنال تقویت شده را از دو سر مقاومت یک کیلو اهمی دریافت کرد . ضریب تقویت یا بهره ولتاژ این مدار از رابطه زیر بدست می آید .


بنابراین با طراحی مدارات ترانزیستوری و با تغییر مقاومت ها می توان دامنه سیگنال را به هر مقدار دلخواه تقویت نمود . همانطور که مشاهده کردید جریانی که از مقاومت 100 اهمی عبور کرد از مقاومت یک کیلو اهمی نیز عبور می نماید و این عمل ، توسط ترانزیستور انجام می شود . لذا می توان گفت که ترانزیستور در یک جریان ثابت عمل انتقال مقاومت را انجام می دهد . نام ترانزیستور نیز از همین عمل ترانزیستور یعنی انتقال مقاومت گرفته شده است یعنی کلمه
Transistor از عبارت Transfer of resistor به معنای انتقال مقاومت گرفته شده است .

 

 


جهت جریان در ترانزیستور :

جریانی را که از کلکتور عبور می کند با IC و جریانی را که از بیس عبور می کند با IB و جریانی را که از امیتر عبور می کند با IE نمایش می دهند . همانطور که قبلاً گفته شد جریانی که از امیتر عبور می کند به دو انشعاب تقسیم می شود . قسمت بسیار کمی از جریان امیتر از بیس و قسمت اعظم آن از کلکتور عبور می کند و لذا جریان امیتر برابر است با جریان بیس به علاوه جریان کلتکور یعنی داریم :


برای سادگی و درک جهت جریان ، معمولاً جهت قراردادی جریان را در نظر می گیرند . در جهت قراردادی ، جریان از قطب مثبت منبع تغذیه خارج شده و پس از عبور از مدار خارجی به قطب منفی آن وارد می شود . در شکل (10) جهت قراردادی جریان در ترانزیستور
NPN و در شکل (11) جهت قراردادی جریان در ترانزیستور PNP نمایش داده شده است .

شکل (10)

 

شکل (11)

 

 


نامگذاری ولتاژ ترانزیستور :

برای استفاده از ترانزیستور باید اول بایاسینگ ترانزیستور را تأمین کنیم ولتاژهایی که به این منظور به قسمت های مختلف ترانزیستور اعمال می شود با هم فرق می کنند . این ولتاژها به این ترتیب نامگذاری می شوند که ولتاژی که بین پایه های بیس و امیتر قرار دارد با VBE ، ولتاژی که بین پایه های کلکتور و بیس قرار دارد با VCB ، ولتاژی که بین پایه های کلکتور و امیتر قرار دارد با VCE ، ولتاژ منبع تغذیه کلکتور را با VCC و ولتاژی که انرژی بیس را تأمین می کند با VBB نشان می دهند . بین ولتاژهای پایه های ترانزیستور رابطه زیر برقرار است .

 

 

تأثیر درجه حرارت بر ترانزیستور :

افزایش درجه حرارت بیشتر بر روی جریان معکوس پیوند بیس کلکتور نسبت به جریان های دیگر اثر می گذارد . با توجه به اینکه پیوند بیس کلکتور در بایاس مخالف قرار دارد جریان بسیار ضعیفی که عامل آن حامل های اقلیت هستند از کلکتور به طرف بیس جاری می شود و افزایش درجه حرارت باعث می شود که تعداد بیشتری از پیوندها شکسته شده و الکترون های بیشتری آزاد گردند و در نتیجه جریان معکوس پیوند بیس کلکتور افزایش می یابد . این جریان را جریان قطع کلکتور نامیده و آن را با ICO یا ICBO نمایش می دهند .



مقادیر حد در ترانزیستورها : هر المان نیمه هادی ، از جمله ترانزیستور ، برای مقادیر الکتریکی مشخصی ساخته می شود . مثلاً هر ترانزیستوری را برای تحمل توان مشخصی می سازند . اگر مقادیر الکتریکی اعمال شده به ترانزیستور بیشتر از آنچه کارخانه سازنده مشخص کرده است باشد ترانزیستور معیوب می شود . این مقادیر الکتریکی به مقادیر حد معروفند . کارخانجات سازنده ، حداکثر مقدار مجاز مقادیر الکتریکی را مشخص می کنند . مهمترین این مقادیر عبارتند از :

1- حداکثر ولتاژ کلکتور امیتر : این پارامتر ، حداکثر ولتاژ مجاز بین پایه های کلکتور و امیتر را مشخص می کند و آن را با VCEmax نمایش می دهند .

2- حداکثر جریان کلکتور : حداکثر جریانی است که ترانزیستور می تواند در دمای مشخص شده از طرف کارخانه سازنده ، تحمل کند و آن را با ICmax نمایش می دهند .

3- حداکثر توان : حداکثر توانی است که می تواند در یک ترانزیستور به صورت حرارت تلف شود و آن را با Pmax نمایش می دهند .

4- حداکثر درجه حرارت محل پیوند : حداکثر درجه حرارتی است که در محل اتصال کلکتور بیس ، ترانزیستور می تواند تحمل کند و آن را با Tj نمایش می دهند .

 

 


نامگذاری ترانزیستورها

 برای نامگذاری ترانزیستورها ، سه روش مشهور در دنیا وجود دارد اگر چه تعدادی از کارخانجات در گوشه و کنار دنیا از سیستم نامگذاری خاصی استفاده می کنند . این سه روش عبارتند از : 1- روش ژاپنی 2- روش اروپایی 3- روش آمریکایی

/ 0 نظر / 50 بازدید