ترانزیستور چیست؟

ترانزیستور یکی از پرکاربردترین قطعات در صنعت الکترونیک است که با اختراع آن در سال ۱۹۴۷ میلادی تحولی عظیم در صنعت الکترونیک به وقوع پیوست . ترانزیستور معمولی ، یک المان سه قطبی معمولی است که از سه عدد نیمه هادی نوع N و P تشکیل شده است . ( برای آشنایی با نیمه هادی ها ، به صفحه آشنایی با نیمه هادی ها از همین وب سایت مراجعه فرمایید ) . 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 (۱) نمایی از ساختمان این نوع ترانزیستور نمایش داده شده است .

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 (۲) نمایی از ساختمان این نوع ترانزیستور نمایش داده شده است .

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 و عملاً 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 (۳) تصویری از نسبت تقریبی ضخامت و سطح تماس لایه های ترانزیستور نمایش داده شده است .

این نوع ترانزیستورها را به اختصار BJT می نامند که از عبارت Bipolar Junction Transistor به معنای ترانزیستور پیوندی دوقطبی گرفته شده است . در شکل (۴) یک نمونه ترانزیستور BJT نمایش داده شده است .

در مدارها برای نشان دادن ترانزیستور از علامت اختصاری آنها استفاده می کنند . در شکل (۵) علامت اختصاری ترانزیستور PNP و در شکل (۶) علامت اختصاری ترانزیستور NPN نمایش داده شده است . جهت فلش در علامت اختصاری ترانزیستور ، نشان دهنده جهت قراردادی جریان در پیوند بیس – امیتر است .

بایاسینگ ترانزیستور :

به منظور فعال کردن ترانزیستور در مدار ، ابتدا باید ترانزیستور را از نظر ولتاژ DC تغذیه کرد . عمل تغذیه ولتاژ پایه های ترانزیستور را بایاسینگ ترانزیستور می گویند . برای اینکه ترانزیستور عمل تقویت جریان و یا تقویت ولتاژ را به درستی انجام دهد باید اتصال بیس – امیتر در بایاس مستقیم و اتصال بیس – کلکتور در بایاس معکوس باشد . در شکل (۷) این نوع بایاسینگ برای یک ترانزیستور NPN نمایش داده شده است .

چون پیوند بیس – امیتر ، در بایاس مستقیم است ناحیه تخلیه پیوند بیس – امیتر از بین می رود ( جهت آشنایی با اتصال نیمه هادی ها و ایجاد ناحیه تخلیه بین آنها و نیز تأثیر بایاس مستقیم و معکوس بر ناحیه تخلیه ، به صفحه دیود از همین وب سایت مراجعه فرمایید ) 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 ۹ 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 %۹۰ الکترونهایی که وارد بیس می شوند مدار خود را از طریق کلکتور می بندند . در شکل (۸) نسبت تقریبی تقسیم الکترونها بین امیتر ، کلکتور و بیس نمایش داده شده است .

حال که با بایاسینگ صحیح ترانزیستور آشنا شدید می خواهیم بررسی کنیم که 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 (۹) مدار مربوط به تقویت سیگنال الکتریکی توسط ترانزیستور نمایش داده شده است .

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 ۱۰۰ 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 ۱ کیلو اهمی ، اثر چندانی روی ترانزیستور ندارد . یک سیگنال متناوب با دامنه مثلاً ۰.۱ ولت را به ورودی ترانزیستور اعمال می کنیم . ولتاژ امیتر – بیس را نیز حدود ۰.۷ ولت انتخاب می کنیم زیرا ۰.۷ ولت ، پیوند امیتر – بیس را کاملاً هادی می کند . ولتاژ کلکتور – بیس را نیز حدود ۱۰ 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 ۲۰ 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 مقاوت ها می توان دامنه سیگنال را به هر مقدار دلخواه تقویت نمود . همانطور که مشاهده کردید جریانی که از مقاومت ۱۰۰ 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 I_C و جریانی را که از بیس عبور می کند با I_B و جریانی را که از امیتر عبور می کند با I_E 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 (۱۰) جهت قراردادی جریان در ترانزیستور NPN و در شکل (۱۱) جهت قراردادی جریان در ترانزیستور PNP نمایش داده شده است .

نامگذاری ولتاژ ترانزیستور :

قبلاً گفتیم که 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 V_BE ، ولتاژی که بین پایه های کلکتور و بیس قرار دارد با V_CB ، ولتاژی که بین پایه های کلکتور و امیتر قرار دارد با V_CE ، ولتاژ منبع تغذیه کلکتور را با V_CC و ولتاژی که انرژی بیس را تأمین می کند با V_BB 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 I_CO یا I_CBO 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 :
۱- حداکثر ولتاژ کلکتور – امیتر : این پارامتر ، حداکثر ولتاژ مجاز بین پایه های کلکتور و امیتر را مشخص می کند و آن را با V_CEmax نمایش می دهند .

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

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

۴-حداکثر درجه حرارت محل پیوند : حداکثر درجه حرارتی است که در محل اتصال کلکتور – بیس ، ترانزیستور می تواند تحمل کند و آن را با T_j 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 : ۱- روش ژاپنی ۲- روش اروپایی ۳- روش آمریکایی

روش ژاپنی :

در این سیستم ، نامگذاری ترانزیستور را با عدد ۲ شروع کرده و به دنبال آن حرف S را می آورند . بعد از حرف و عدد ۲S ، یکی از حروف C ، B ، A و D را قرار می دهند که هر یک مفاهیمی به شرح زیر دارند :
حرف A : این حرف نشان دهنده این است که ترانزیستور از نوع PNP بوده و در فرکانس های بالا نیز می تواند کار کند .
حرف B : این حرف نشان دهنده این است که ترانزیستور از نوع PNP بوده و در فرکانس های کم می تواند کار کند .
حرف C : این حرف نشان دهنده این است که ترانزیستور از نوع NPN بوده و در فرکانس های بالا نیز می تواند کار کند .
حرف D : این حرف نشان دهنده این است که ترانزیستور از نوع NPN بوده و در فرکانس های کم می تواند کار کند .
بعد از این حروف تعداد ۲ یا ۳ یا ۴ رقم قرار می گیرد که با مراجعه به جدول مشخصات ترانزیستورها ، می توان مقادیر مشخصه های الکتریکی آن را بدست آورد . در این سیستم ، حروف روی ترانزیستور ، مشخص کننده جنس نیمه هادی به کار رفته ( ژرمانیوم یا سیلیسیم ) و همچنین حدود قدرت آن نمی باشد . مثلاً المان ۲SC829 نشان دهنده ترانزیستور از نوع NPN با محدوده فرکانسی بالا می باشد . لازم به تذکر است که بر روی اکثر ترانزیستورها ، حرف ۲S را قید نمی نمایند . مثلاً C829 همان ۲SC829 می باشد .

روش اروپایی :

در نامگذاری به روش اروپایی ، تا سال ۱۹۶۰ ، ترانزیستور را با حروف OC و OD و با دو ، سه یا چهار عدد به دنبال آنها مشخص می کردند که OC برای ترانزیستورهای کم قدرت و OD برای ترانزیستورهی قدرت به کار می رفت مانند OC72 . در این روش نامگذاری ، نوع ترانزیستور و جنس نیمه هادی به کار رفته در آن و نیز محدوده فرکانسی آن مشخص نبود . از سال ۱۹۶۰ به بعد ، سیستم نامگذاری ترانزیستورها تغییر کرد . بدین نحو که ترانزیستورهای به کار رفته در رادیو و تلویزیون و یا در وسایل الکتریکی عمومی بیشتر با دو حرف و سه شماره و ترانزیستورهای خاص با سه حرف و دو شماره مشخص می شوند مانند ترانزیستور BUX38 که این ترانزیستور در فرکانس های رادیویی با جریان و ولتاژ زیاد به کار برده می شود . در ادامه روش نامگذاری با دو حرف و سه شماره که کاربرد بیشتری دارد بیان خواهد شد .

روش نامگذاری با دو حرف و سه شماره :

در این روش حرف اول نشان دهنده جنس نیمه هادی است که اگر ژرمانیوم باشد با حرف A و اگر سیلیسیم باشد با حرف B مشخص می شود . برای حرف دوم نیز از حروف S ، L ، F ، D ، C و یا U استفاده می نمایند که معانی هر یک از این حروف به شرح زیر است :
C : ترانزیستور کم قدرت با فرکانس کار کم .
D : ترانزیستور قدرت با فرکانس کار کم .
F : ترانزیستور کم قدرت با فرکانس کار زیاد .
L : ترانزیستور قدرت با فرکانس کار زیاد .
S : ترانزیستور کم قدرت که به عنوان سوئیچ به کار می رود .
U : ترانزیستور قدرت که به عنوان سوئیچ به کار می رود .
سه شماره بعد ، نشان دهنده سری ترانزیستور می باشد که با استفاده از این سه شماره و جدول مشخصات ، می توان مشخصات الکتریکی ترانزیستور را بدست آورد . به عنوان مثال مشخصات ظاهری ترانزیستور BC107 عبارت است از :
B : جنس ترانزیستور از سیلیسیم می باشد .

C : ترانزیستور کم قدرت بوده و در فرکانس کم می تواند کار کند .
مشخصات الکتریکی را با مراجعه به کتاب مشخصات ترانزیستور و پیدا کردن جدول مربوطه به دست می آورند .
در این سیستم نامگذاری ، نوع ترانزیستور یعنی NPN و یا PNP بودن آن ، از روی حروف ترانزیستور مشخص نیست .

روش آمریکایی :

در این روش نامگذاری ، ترانزیستور را با حرف و عدد ۲N مشخص می کنند و تعدادی رقم به عنوان شماره سری به دنبال آن می آورند که با توجه به این ارقام و با استفاده از جدول مشخصات ترانزیستورها ، مشخصات الکتریکی ترانزیستور را بدست می آورند . به عنوان مثال ترانزیستور ۲N3055 ، یک ترانزیستور قدرت است که در فرکانس های کم کار می کند .