صفر تا صد ترانزیستورها و کاربرد و انواع آن

صفر تا صد ترانزیستورها و کاربرد و انواع آن

ترانزیستور ها، به عنوان ابرقدرتمندترین عناصر نیمه‌هادی الکترونیک، توانسته‌اند راه را برای یک انقلاب فناورانه در دنیای الکترونیک باز کنند. نه تنها این اجزا برای جایگزینی لامپ‌ها و رله‌های قدیمی به کار می‌روند، بلکه امکانات فراوانی از جمله تقویت سیگنال، کنترل دقیق جریان، و سوئیچینگ سریع را فراهم کرده‌اند.ترانزیستورها، به عنوان عناصر کلیدی در طراحی مدارهای الکتریکی، نقش بسیار حیاتی در پیشرفت فناوری الکترونیک ایفا کرده‌اند. این اجزا کوچک، اما قدرتمند، از ابتدای دهه ۱۹۵۰ به عنوان یک جایگزین نوین برای لامپ‌های الکتریکی ولتاژ بالا وارد بازار شدند.ترانزیستور به‌طور کلی یک دستگاه نیمه‌هادی است که توانایی کنترل جریان الکتریکی را بین سه لایه ی  نیمه‌هادی دارد: امیتر، بیس و کلکتور.

ساختار لایه‌های ترانزیستور

ترانزیستورها دو ساختار اصلی دارند: Bipolar Junction Transistor (BJT) و Field-Effect Transistor (FET)  

هر کدام از این دو نوع ساختار دارای اجزای خاص خود هستند که در عملکرد و کاربردهایشان تأثیرگذارند.

ساختار ترانزیستورهای Bipolar Junction Transistor (BJT):

ساختار P-N-P BJT:

لایه‌های نیمه‌رسانای P و N و P: این ترانزیستور شامل لایه‌هایی از نیمه‌رساناهای P و N و P است که به ترتیب به هم وصل شده‌اند. این لایه‌ها معمولاً به صورت نازک و در کنار هم قرار می‌گیرند.

سه قسمت اصلی:

ترانزیستورها به واسطه‌ی ساختار سه لایه نیمه‌هادی خود، امکان کنترل دقیق جریان الکترونی را فراهم می‌کنند. در اینجا به جزئیات بیشتر در مورد هر لایه اشاره خواهیم کرد:

۱.امیتر (Emitter): نوع نیمه‌هادی: لایه امیتر از نوع N نیمه‌هادی است، که به این معناست که الکترون‌ها حاملان جریان در این لایه هستند.

وظیفه امیتر: امیتر مسئول ارسال الکترون‌ها به سمت لایه بیس است. الکترون‌هایی که از امیتر به بیس منتقل می‌شوند، اولین گام در جریان اصلی ترانزیستور را شکل می‌دهند

۲.بیس (Base): نوع نیمه‌هادی: بیس از نوع P نیمه‌هادی است، که به این معناست که جریان از طریق حفره‌ها (شکاف‌های خالی از الکترون) حرکت می‌کند.

وظیفه بیس: بیس نقش مهمی در کنترل جریان الکترون‌ها ایفا می‌کند. این لایه با فراهم کردن یک مانع برای الکترون‌ها، جریان از امیتر به کلکتور را کنترل می‌کند.

3. ۳. کلکتور (Collector): نوع نیمه‌هادی: لایه کلکتور نیز از نوع N نیمه‌هادی است.

وظیفه کلکتور: کلکتور جریان الکترون‌ها را از لایه بیس جمع می‌کند. این لایه مسئول ایجاد جریان نهایی ترانزیستور است.

ساختار ترانزیستورهای Field-Effect Transistor (FET):

ساختار MOSFET:

Gate  (گیت): این نوع FET دارای گیت است که توسط ولتاژی که به آن وارد می‌شود، کنترل می‌شود.
کنترل کننده جریان: گیت وظیفه کنترل جریان بین سورس و درین را دارد. با اعمال ولتاژ به گیت، یک کانال نیمه‌رسانایی درون ترانزیستور به وجود می‌آید که جریان الکتریکی را از سورس به درین تنظیم می‌کند.

Source (سورس)و Drain (درین): جریان بین این دو نقطه عبور می‌کند و کنترل شده توسط گیت می‌شود.
نقطه ورود جریان: سورس نقطه‌ای است که جریان الکتریکی وارد کانال FET می‌شود. در ساختار FET، سورس معمولاً به نوعی از نیمه‌رسانا (مثلاً نوع N یا P) است که جریان الکتریکی از آن به سمت کانال حرکت می‌کند.
نقطه خروجی جریان: درین مانند خروجی ترانزیستور عمل می‌کند. جریان از کانال به درین جریان یافته و از آن خارج می‌شود. معمولاً درین نیز به نوعی از نیمه‌رسانا است و جریانی که از کانال می‌آید به سمت آن حرکت می‌کند.

Channel (کانال): وجود ولتاژ بر روی گیت باعث ایجاد یک کانال نیمه‌رسانایی درون ساختار FET می‌شود که جریان را کنترل می‌کند.
مسیر جریان: کانال بخشی از نیمه‌رسانایی بین سورس و درین است که جریان الکتریکی از سورس به درین را انتقال می‌دهد. ایجاد یا قطع کانال توسط ولتاژی که به گیت وارد می‌شود صورت می‌گیرد و این کانال نقش اصلی در کنترل جریان الکتریکی دارد.

نکته:

ولتاژی که به گیت می‌رسد باعث تغییر میزان هدایت کانال نیمه‌رسانایی می‌شود. این اثر تحت عنوان اثر Field-Effect شناخته می‌شود که اصلی‌ترین عامل کنترل جریان در FET هاست.این اجزا همگی در ترکیب با یکدیگر، توانایی کنترل جریان الکتریکی در FET ها را فراهم می‌کنند. ولتاژی که به گیت می‌رسد به طور مستقیم تغییراتی در کانال ایجاد می‌کند و جریان را کنترل می کند.

تفاوت اصلی بین BJT و FET

تفاوت اصلی بین Bipolar Junction Transistor (BJT) و Field-Effect Transistor (FET) در روش کنترل جریان است که هر کدام از این دو نوع ترانزیستور از آن استفاده می‌کنند.

Bipolar Junction Transistor (BJT)

کنترل جریان با جریان:  در BJT، جریان کلیدی برای کنترل جریان اصلی (کلکتور به امیتر)، جریانی است که از بیس به امیتر وارد می‌شود. این نوع ترانزیستور با تغییر جریان ورودی (بیس)، جریان خروجی (کلکتور به امیتر) را کنترل می‌کند.

Field-Effect Transistor (FET)

کنترل جریان با ولتاژ:  در FET، جریان از سورس به درین از طریق یک کانال نیمه‌رسانایی عبور می‌کند. ولتاژی که به گیت وارد می‌شود، تاثیر بر روی مقاومت کانال دارد و جریان را کنترل می‌کند. به طور مستقیم، این ولتاژ به جریان اعمال نمی‌شود، بلکه اثر Field-Effect باعث تغییرات در مقاومت کانال می‌شود و در نتیجه جریان تغییر می‌کند.

دیگر تفاوت‌ها:

مقاومت ورودی: FET ها مقاومت ورودی بسیار بالایی دارند و تقریباً جریانی از ورودی به داخل خود عبور نمی‌دهند. در حالی که BJT ها مقاومت ورودی کمتری دارند و به طور فعال جریان ورودی را تقویت می‌کنند.

حساسیت به دما: BJT ها حساس‌تر به تغییرات دما هستند و عملکرد آن‌ها ممکن است با تغییر دما تحت تأثیر قرار گیرد، در حالی که FET ها در مقابل تغییرات دما مقاوم‌تر هستند.

انرژی مصرفی: FET ها معمولاً انرژی کمتری مصرف می‌کنند نسبت به BJT ها.

این تفاوت‌ها در عملکرد و کاربردهای هر یک از این دو نوع ترانزیستور، آن‌ها را برای موارد مختلف الکترونیکی و فناوری‌های مختلف مناسب می‌کند.

مواد تشکیل دهنده ترانزیستور:

ترانزیستورها از مواد نیمه‌رسانا ساخته می‌شوند که به طور عمده از سه نوع مواد استفاده می‌کنند:

۱. سیلیسیم (Silicon):

سیلیسیم به طور گسترده‌ای در صنعت الکترونیک به عنوان نیمه‌رسانا استفاده می‌شود. این ماده به دلیل ویژگی‌های خاص خود، از جمله در دسترس بودن و پراکنده بودن در طبیعت و همچنین داشتن ویژگی‌های الکتریکی مناسب، برای ساخت ترانزیستورها و دیگر قطعات الکترونیکی بسیار مناسب است.

۲. ژرمانیم (Germanium):

ژرمانیم نیز یک نیمه‌رسانا است که در گذشته برای ساخت ترانزیستورها استفاده می‌شد، اما اکثراً به دلیل برخی محدودیت‌های الکتریکی و حساسیت به دما، جایگزین سیلیسیم شده است. با این حال،ژرمانیم هنوز در برخی کاربردهای خاص در الکترونیک مورد استفاده قرار می‌گیرد.

۳. مواد دیگر:

علاوه بر سیلیسیم و ژرمانیم، برخی ترانزیستورها از مواد دیگری مانند آرسنید گالیوم (Gallium Arsenide) و کربید سیلیسیم (Silicon Carbide) نیز ساخته می‌شوند. این مواد برای کاربردهای خاص مانند فرکانس‌های بالا یا در شرایط دمایی و ولتاژی خاص استفاده می‌شوند.

در ترانزیستورها، استفاده از این مواد نیمه‌رسانا بسیار حیاتی است زیرا ویژگی‌های الکتریکی و عملکرد آن‌ها بستگی بسیار زیادی به خصوصیات مواد مورد استفاده دارد.

بایاس دهی ترانزیستورها:

بایاس دهی یا Biasing به معنای اعمال ولتاژ یا جریان مشخصی به یک ترانزیستور یا سایر اجزای مدار الکترونیکی است تا در شرایطی مناسب برای عملکرد بهینه قرار گیرند. این ولتاژ یا جریان باید به گونه‌ای تنظیم شود که ترانزیستور به درستی کار کند، بدون این که بیش از حد گرم شود یا از حالت کاری خود خارج شود.بطورکلی بایاس دهی ترانزیستور، یکی از مراحل مهم در طراحی مدارهای الکترونیکی است که باعث می‌شود ترانزیستور در وضعیت مناسبی برای انجام وظایف الکترونیکی خود قرار گیرد.

انواع بایاس دهی:

بایاس دهی DC:

در این نوع بایاس دهی، یک ولتاژ یا جریان DC به ترانزیستور اعمال می‌شود. این بایاس دهی به ترانزیستور اجازه می‌دهد که در یک نقطه عملکرد مشخص قرار گیرد که معمولاً برای کاربردهای مداوم یا پایدار استفاده می‌شود.

بایاس دهی AC:

در این نوع بایاس دهی، یک سیگنال AC معمولاً با فرکانس‌های بالا به ترانزیستور اعمال می‌شود. این نوع بایاس دهی برای کاربردهایی که نیاز به پاسخ سریع و بهبود کیفیت سیگنال دارند، استفاده می‌شود.

انواع بایاس های DC اصلی:

بایاس دهی امیتر-بیس (Emitter-Base Bias):

در BJT، ولتاژی به بیس و ناشی از این به امیتر اعمال می‌شود. این نوع بایاس دهی برای استفاده در تقویت‌کننده‌ها و سوئیچینگ استفاده می‌شود.

بایاس دهی کلکتور-بیس (Collector-Base Bias):

در BJT، ولتاژی به بیس و ناشی از این به کلکتور اعمال می‌شود. این نوع بایاس دهی به عنوان استفاده در بخش‌هایی از مدارها که نیاز به استحکام و پایداری بالا دارند، استفاده می‌شود.

اهمیت بایاس دهی:

تقویت جریان: بایاس دهی به ترانزیستور امکان تقویت جریان‌های ورودی را فراهم می‌کند.

کنترل جریان: با بایاس دهی در منطقه کاری مورد نظر، ترانزیستور قابلیت کنترل و تقویت جریان‌ها را دارا می‌شود.

کاربرد در مدارهای الکترونیکی: برای ایجاد منطقه‌های کاری مورد نیاز در مدارهای الکترونیکی، بایاس دهی ترانزیستور بسیار حیاتی است.

انواع ترانزیستورها:

طبق نوع عملکرد و ساختار، ترانزیستورها به دو دسته دوقطبی (Bipolar) و اثر میدانی (Field-Effect) تقسیم می‌شوند. این دو دسته ترانزیستور دارای ویژگی‌ها و اصول عملکرد متفاوتی هستند.

۱. ترانزیستورهای دوقطبی (Bipolar Transistors):

ترانزیستورهای دوقطبی شامل BJT (Bipolar Junction Transistor) هستند. این ترانزیستورها دارای دو نوع PNP و NPN هستند.

الف. PNP Transistor:

• ساختار: این ترانزیستور دارای دو لایه N (سیلیسیم) با لایه میانی P (ژرمانیم) است.
• عملکرد: جریان اصلی از کلکتور به امیتر جریان می‌دهد.
• کنترل: ولتاژ بیس از ولتاژ امیتر کمتر است.
• کاربردها: استفاده در مدارات تقویت‌کننده‌های عمومی.

ب. NPN Transistor:

• ساختار: این ترانزیستور دارای دو لایه P(سیلیسیم) با لایه میانی N (ژرمانیم) است.
• عملکرد: جریان اصلی از امیتر به کلکتور جریان می‌دهد.
• کنترل: ولتاژ بیس از ولتاژ امیتر بیشتر است.
• کاربردها: استفاده در مدارات تقویت‌کننده‌های عمومی.

۲. ترانزیستورهای اثرمیدانی (Field-Effect Transistors):

ترانزیستورهای اثرمیدانی شامل MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) و JFET (Junction Field-Effect Transistor) می‌شوند.

الف. MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor):

• ساختار: دارای گیت ایزوله شده با یک لایه اکسید است.
• عملکرد: به دو نوع N-channel و P-channel تقسیم می‌شود که جریان بین سورس و درین را کنترل می‌کند.
• کنترل: ولتاژ گیت جریان را کنترل می‌کند.
• کاربردها: استفاده در مدارات افزایش فرکانس و کاربردهای دیجیتال و آنالوگ.

ب. JFET (Junction Field-Effect Transistor):

• ساختار: دارای گیتی با تماس مستقیم به لایه نیمه‌رسانا است.
• عملکرد: به دو نوع N-channel و P-channel تقسیم می‌شود که جریان بین سورس و درین را کنترل می‌کند.
• کنترل: ولتاژ گیت جریان را کنترل می‌کند.
• کاربردها: استفاده در مدارات تقویت کننده‌ها و مدارات فرکانس بالا.

کاربردهای ترانزیستورها:

1. ۱. تقویت سیگنال:ترانزیستورها به عنوان تقویت‌کننده‌های قدرتمند در دستگاه‌های صوتی مانند اسپیکرها و دستگاه‌های تصویری مثل تلویزیون‌ها استفاده می‌شوند. این تقویت‌کننده‌ها امکان افزایش ولتاژ و جریان سیگنال‌های ورودی را فراهم می‌کنند.
2. ۲. سوئیچینگ:ترانزیستورها به عنوان سوئیچ‌های الکترونیکی در مدارهای دیجیتال مورد استفاده قرار می‌گیرند. وضعیت روشن یا خاموش شدن ترانزیستورها در این مدارها باعث انجام عملیات منطقی (مثل جمع و تفریق) می‌شود.
3. ۳. مدارهای تقویت کننده:ترانزیستورها در مدارهای تقویت کننده صدا و تصویر به کمک انواع مدارهای تقویتی مانند مدارهای تقویت کننده توان مورد استفاده قرار می‌گیرند.
4. ۴. الکترونیک مصرفی:دستگاه‌های الکترونیک مصرفی مانند کامپیوترها، گوشی‌های هوشمند، تلویزیون‌ها و رادیوها از ترانزیستورها برای کنترل و پردازش اطلاعات استفاده می‌کنند.
5. ۵. الکترونیک قدرت:در مبدل‌های DC-DC و AC-DC، ترانزیستورها برای کنترل و مدیریت جریان الکتریکی و تغییر ولتاژ مورد استفاده قرار می‌گیرند.
6. ۶. سنسورها و حسگرها:ترانزیستورها در دستگاه‌های حسگر و سنسور جهت اندازه‌گیری و تفسیر سیگنال‌های محیطی نظیر دما، فشار، نور و… به کار می‌روند.
7. ۷. الکترونیک فضایی:در سیستم‌های فضایی، ترانزیستورها در مدارهای کنترل و اندازه‌گیری استفاده می‌شوند، اما با شرایط خاص فضا سازگار می‌شوند.

ترانزیستورها به دلیل امکانات متعدد و تنوع کاربردها، اساسی‌ترین ساختارهای الکترونیک مدرن را فراهم کرده و به تحولات چشم‌گیر در زمینه‌های ارتباطات، کامپیوتر، الکترونیک مصرفی و سایر صنایع فناورانه کمک کرده‌اند.

مزایا ترانزیستورها:

1. اندازه کوچک: ترانزیستورها اندازه‌ی کوچکی دارند که امکان ساخت بردهای الکترونیکی با تراکم بالا و دستگاه‌های کوچکتر را فراهم می‌کند.
2. کارایی بالا: این قطعات از لحاظ سرعت عملکرد و کارایی بسیار بالاتری نسبت به قطعات قدیمی‌تر الکترونیکی دارند.
3. مصرف انرژی کمتر: ترانزیستورها از انرژی کمتری برای عملکرد استفاده می‌کنند که منجر به صرفه‌جویی در مصرف انرژی می‌شود.
4. کاربردهای گسترده: این قطعات در انواع مختلف صنایع مانند الکترونیک، کامپیوتر، مخابرات، پزشکی، و… کاربرد دارند.
5. سرعت بالا: ترانزیستورها امکان پردازش سریع داده‌ها را فراهم می‌کنند که برای برنامه‌ها و دستگاه‌هایی که نیاز به سرعت بالا دارند بسیار مهم است.
6. پایداری و عمر طولانی: ترانزیستورها دارای پایداری بالا و عمر زیادی هستند که منجر به استفاده طولانی‌مدت و پایداری در عملکرد دستگاه‌ها می‌شود.
7. مناسب برای تقویت سیگنال‌ها: ترانزیستورها قادرند سیگنال‌های ضعیف را تقویت کرده و انتقال دهند که برای بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی بسیار حیاتی است.
8. مقاومت در برابر شرایط محیطی: این قطعات در برابر شرایط مختلف محیطی مانند دما، فشار و… مقاومت خوبی دارند.
9. قابلیت کنترل جریان: ترانزیستورها قابلیت کنترل دقیق جریان را فراهم می‌کنند که برای کاربردهای مختلف الکترونیکی بسیار حیاتی است.
10. پایداری در کارکرد: ترانزیستورها دارای پایداری بالا در طول زمان هستند که این امر موجب عملکرد قابل اعتماد در طول زمان می‌شود.

روش تست ترانزیستور:

برای تست یک ترانزیستور می‌توان از چند روش مختلف استفاده کرد، از جمله:

۱. استفاده از اسکوپ آزمایشگاهی یا مولتی‌متر:

اندازه‌گیری ولتاژ و جریان: با استفاده از مولتی‌متر می‌توان ولتاژ بیس، ولتاژ کلکتور و جریان کلکتور را اندازه‌گیری کرد. این اندازه‌گیری‌ها به کمک راهنمایی دیتاشیت ترانزیستور، بررسی عملکرد صحیح آن را تأیید می‌کند.

۲. استفاده از دستگاه تست ترانزیستور (Transistor Tester):

دستگاه‌های خاص تست ترانزیستورها: دستگاه‌هایی وجود دارند که به صورت خودکار و با اتصال پایه‌های ترانزیستور، ویژگی‌ها و عملکرد آن را تست می‌کنند. این دستگاه‌ها بررسی نوع و جهت ترانزیستور و همچنین عملکرد آن را انجام می‌دهند.

۳. استفاده از مدارهای تست ترانزیستور:

مدارهای خاص تست ترانزیستور: برخی مدارهای طراحی شده برای تست ترانزیستورها وجود دارند که با استفاده از آن‌ها می‌توان ترانزیستور را تست کرد. این مدارها معمولاً شامل منابع ولتاژ و جریان مخصوصی هستند که با اتصال به پایه‌های ترانزیستور، عملکرد آن را بررسی می‌کنند.

۴. استفاده از پیکربندی‌های تست الکترونیکی:

استفاده از دستگاه‌های تست الکترونیکی پیشرفته: برخی از دستگاه‌های تست الکترونیکی دارای امکانات خاصی هستند که اندازه‌گیری ولتاژ‌ها، جریان‌ها و خصوصیات دیگر ترانزیستورها را به صورت دقیق انجام می‌دهند.

توجه: قبل از هر چیز، اگر امکان دارد، دیتاشیت (ورق داده) ترانزیستور مورد نظر را بررسی کنید و مقادیر مشخصات آن را بررسی نمایید. این مقادیر به شما کمک می‌کنند تا عملکرد صحیح ترانزیستور را بررسی کرده و نتایج را با مقادیر مشخصه‌ها مقایسه کنید.

جمع بندی

دراین مطلب سعی کردیم تعریف درستی از یکی از اجزای مهم در تجهیزات و بردهای الکترونیکی یعنی ترانزیستور را ارائه دهیم.در ادامه به توضیح درباره ی ساختار،انواع،کاربرد،مزایا،روش های تست،بایاس دهی وجنس ترانزیستور پرداختیم و نگاهی به جزییات هر کدام داشتیم.