ترانزیستور مهمترین قطعۀ مداری در الکترونیک است و برای تقویت یا قطع و وصل سیگنال‌ها به کار می‌رود. ترانزیستور یکی از ادوات حالت جامد است که از مواد نیمه‌رسانایی مانند سیلیسیم و ژرمانیم ساخته می‌شود. یک ترانزیستور در ساختار خود دارای پیوندهای نوع N و نوع P است.
ترانزیستورها به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند: ترانزیستورهای اتصال دوقطبی (BJT) و ترانزیستورهای اثر میدانی (FET). اِعمال جریان در BJTها، و ولتاژدر FETها بین ورودی و ترمینال مشترک، رسانایی بین خروجی و ترمینال مشترک را افزایش می‌دهد، از این‌رو سبب کنترل شدت جریان بین آنها می‌شود. مشخصات ترانزیستورها به نوع آنها بستگی دارد. شکل ظاهری ترانزیستورها با توجه به توان و فرکانس کاری‌شان متفاوت است.
در مدارهای آنالوگ، ترانزیستورها در تقویت‌کننده‌ها استفاده می‌شوند (تقویت سیگنال‌هایی مانند صوت، امواج رادیویی، …) و نیز منابع تغذیه تثبیت‌شده خطی و غیرخطی (منبع تغذیه سوییچینگ). در مدارهای دیجیتال از ترانزیستورها به عنوان سوییچ (کلید) الکترونیکی استفاده می‌شود، اگر چه به ندرت به صورت یک قطعۀ جداگانه، بلکه به صورت به‌هم‌پیوسته در مدارهای مجتمع یکپارچه به کار می‌روند. مدارهای دیجیتال شامل گیت‌های منطقی (logic gates)، حافظه با دسترسی تصادفی (RAM)، ریزپردازنده‌ها و پردازنده‌های سیگنال دیجیتال (DSP) هستند.
ترانزیستور BJT، سه‌پایه دارد: بِیس (پایه Base)، کُلِکتور یا کالِکتِر (جمع‌کننده Collector) و اِمیتر (منتشرکننده Emitter).
ترانزیستور به عنوان یکی از بزرگترین اختراعات در تاریخ نوین مطرح شده‌است و در رتبه‌بندی از لحاظ اهمیت، در کنار ماشین چاپ، خودرو و ارتباطات الکترونیکی و الکتریکی قرار دارد. ترانزیستور عنصر فعال بنیادی در الکترونیک مدرن است. اهمیت ترانزیستور در جامعهٔ امروز متکی به قابلیت تولید انبوه آن است که از یک فرایند ساخت کاملاً اتوماتیک که قیمت تمام شده هر ترانزیستور در آن بسیار ناچیز است، استفاده می‌کند. اگرچه ترانزیستورها هنوز به صورت جداگانه نیز استفاده می‌شوند ولی بیشتر در مدارهای مجتمع (اغلب به صورت مختصر IC و همچنین میکرو چیپ یا به صورت ساده چیپ ساخته و نامیده می‌شوند) همراه با دیودها، مقاومت‌ها، خازن‌ها و دیگر قطعات الکترونیکی برای ساخت یک مدار کامل الکترونیک به کار می‌روند. مثلاً یک گیت منطقی حدود بیست ترانزیستور دارد یا یک ریزپردازنده پیشرفته سال ۲۰۰۶ از بیش از ۷٫۱ میلیون ترانزیستور ماسفت ساخته شده‌است.
قیمت کم، انعطاف‌پذیری و اطمینان، از ترانزیستور یک قطعهٔ همه‌کاره ساخته‌است. مدارهای ترانزیستوری به خوبی جایگزین دستگاه‌های کنترل ادوات و ماشین‌ها شده‌اند. استفاده از یک میکروکنترلراستاندارد و نوشتن یک برنامه رایانه‌ای که عمل کنترل را انجام می‌دهد اغلب ارزان‌تر و مؤثرتر از طراحی مکانیکی معادل آن است.
به سبب قیمت کم ترانزیستورها، گرایش برای دیجیتال کردن انواع اطلاعات نیز بیشتر شده‌است زیرا رایانه‌های دیجیتالی توانایی خوبی در جستجوی سریع، دسته‌بندی و پردازش اطلاعات دیجیتال دارند. در نتیجه امروزه داده‌های رسانه‌ای بیشتری به دیجیتال تبدیل می‌شوند و پس از پردازش رایانه به صورت آنالوگ در اختیار کاربر قرار میگیرند. تلویزیون، رادیو و روزنامه‌ها از جمله چیزهایی هستند که بیشتر تحت تأثیر این انقلاب دیجیتالی قرار داشته‌اند.
مزایای ترانزیستورها بر لامپ‌های خلاء
قبل از گسترش ترانزیستورها، لامپ‌های خلاء قطعات فعال اصلی تجهیزات الکترونیک بودند. مزایای اصلی که به ترانزیستورها اجازه دادند در بیشتر کاربردها جایگزین لامپ‌های خلاء شوند در زیر آمده‌است:
- اندازه به مراتب کوچک‌تر
- تولید کاملاً اتوماتیک
- هزینه کمتر (در تولید انبوه)
- ولتاژ کاری پایین‌تر (اما لامپ‌های خلاء در ولتاژهای بالاتر می‌توانند کار کنند)
- نیاز نداشتن به گرم شدن اولیه (بیشتر لامپ‌های خلاء به ۱۰ تا ۶۰ ثانیه زمان برای عملکرد صحیح نیاز دارند)
- تلفات توان کمتر (توان گرمایی، ولتاژ اشباع خیلی پایین)
- قابلیت اطمینان بالاتر و سختی فیزیکی بیشتر (اگرچه لامپ‌های خلاء از نظر الکتریکی مقاوم ترند. همچنین لامپ خلاء در برابر پالس‌های الکترومغناطیسی هسته‌ای (NEMP) و تخلیه الکترواستاتیکی (ESD) مقاوم ترند)
- عمر خیلی بیشتر (قطب منفی لامپ خلاء سرانجام از بین می‌رود و نیز خلاء آن میتواند از بین برود)
- فراهم آوردن دستگاه‌های مکمل (امکان ساختن مدارات مکمل متقارن: لامپ خلاء قطبی معادل نوع مثبت BJTها و نوع مثبت FETها در دسترس نیست)
- قابلیت کنترل جریان‌های زیاد (ترانزیستورهای قدرت برای کنترل صدها آمپر یا بیشتر در دسترسند، لامپ‌های خلاء برای کنترل حتی یک آمپر بسیار بزرگ و هزینه برند)
- میکروفونیک بسیار کمتر (لرزش میتواند بر خصوصیات لامپ خلاء تأثیر بگذارد).
کاربرد
رانزیستور، قلب تپندهٔ الکترونیک است. ترانزیستور هم در مدارات الکترونیک آنالوگ و هم در الکترونیک دیجیتال کاربردهای بسیار دارد. در مدارات آنالوگ، ترانزیستور در حالت فعال کار می‌کند و می‌توان از آن به عنوان تقویت‌کننده یا تثبیت کننده ولتاژ (رگولاتور) و … استفاده کرد. در مدارات دیجیتال ترانزیستور در دو ناحیه قطع و اشباع فعالیت می‌کند که می‌توان از این حالت ترانزیستور در پیاده‌سازیمدار منطقی، حافظه و سوئیچ (وسیله قطع و وصل جریان) استفاده کرد.
عملکرد
ترانزیستور از دیدگاه مداری یک عنصر سه‌پایه است که با اعمال ولتاژ به یکی از پایه‌ها میزان جریان عبورکننده از دوپایه دیگر را می‌توان تنظیم کرد. برای عملکرد صحیح ترانزیستور در مدار، ولتاژها و جریان‌های لازم را باید با مقاومت‌ها برای آن فراهم کرد یا اصطلاحاً آن را بایاس کرد. ترانزیستور سه ناحیه کاری دار:
- ناحیه قطع
- ناحیه فعال (کاری یا خطی)
- ناحیه اشباع
در ناحیه قطع ترانزیستور خاموش است. در ترانزیستورهای BJT، با افزایش ولتاژ بیس، ترانزیستور از حالت قطع بیرون آمده و به ناحیه فعال وارد می‌شود. در حالت فعال ترانزیستور مثل یک عنصر تقریباً خطی عمل می‌کند اگر ولتاژ بیس را همچنان افزایش دهیم به ناحیه‌ای می‌رسیم که با افزایش جریان ورودی بیس دیگر شاهد افزایش جریان بین کلکتور و امیتر نخواهیم بود. به این حالت اشباع می‌گویند و اگر جریان ورودی بیس زیادتر شود ممکن است ترانزیستور بسوزد.
انواع
دو دسته اصلی ترانزیستورها، ترانزیستور دوقطبی پیوندی (Bipolar Junction Transistors, BJT) و ترانزیستور اثرِ میدان (Field Effect Transistors, FET) هستند. ترانزیستورهای اثر میدان، خود به دو دستهٔ ترانزیستور پیوند اثر میدانی (JFET) و ترانزیستور اثر میدان نیمه‌هادیِ اکسید-فلز (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET) که به اختصار به آن ماسفت گفته می‌شود، تقسیم می‌شوند.
تفاوت این دو گروه ترانزیستور، در روش کنترل جریان عبوری از آنها است.
:max_bytes(150000):strip_icc()/GettyImages-678914485-58e5bd2e5f9b58ef7e205a09.jpg)
ترانزیستورهای (Bipolar Junction Transistors (BJT یا ترانزیستور دوقطبی پیوندی
این نوع ترانزیستورها که در واقع از ترکیب دو عدد دیود بوجود می‌آیند، در دو نوع NPN و PNP ساخته می‌شوند. نوع NPN این ترانزیستورها، که متعارف‌ترین گونه ترانزیستورهای BJT می‌باشد، از قرار گرفتم یک نیمه‌های نوع P در بین دو نیمه‌هادی نوع N ساخته می‌شود. در حالی‌که نوع PNP آنها، با قرار گرفتن مواد نیمه‌هادی نوع N در بین دو نیمه‌هادی نوع P تولید می‌شود. ترانزیستورهای BJT دارای سه پایه به نامهای “بیس” (Base)، “کلکتور” (Collector) و “امیتر (Emitter) هستند. در نوع NPN، جریان از کلکتور به سمت امیتر حرکت کرده و توسط جریان بیس-امیتر کنترل می‌شود در حالی‌که در نوع PNP، جریان از امیتر به سمت کلکتور حرکت کرده و توسط جریان امیتر-بیس کنترل می‌شود. در شکل زیر نماد شماتیک ترانزیستورهای PNP و NPN به همراه ساختار شماتیک ترانزیستورها نمایش داده شده است.
- در نماد شماتیک ترانزیستورها BJT ، پایه‌ای که بر روی آن فلش وجود دارد، معرف امیتر (Emitter) است. چنانچه نوک فلش به سمت بیرون باشد، ترانزیستور NPN و چنانچه نوک فلش به سمت داخل باشد، ترانزیستور PNP است. اتصال پایه “بیس” (Base) به پایه های “امیتر” (Emitter) و “کلکتور” (Collector) نیز، نمایانگر این مطلب است که جریان عبوری از درون ترانزیستور، توسط پایه “بیس” کنترل می‌شود. در واقع پایه بیس، نظیر فلکه یک شیر آب عمل کرده و مقدار جریان عبوری را کنترل می‌کند. در شکل زیر نماد یک ترانزیستور NPN نمایش داده شده است.
ترانزیستور NPN چگونه کار می‌کند؟
ترانزیستورها از ویژگی موادی تحت عنوان نیمه‌رساناها استفاده می‌کنند. با برقراری جریان از پایه بیس به سمت امیتر، جریانی از کلکتور به سمت اِمیتر نیز ایجاد می‌شود. در شکل زیر شماتیک این مفهوم نشان داده شده است.
در یک ترانزیستورِ استانداردِ NPN، با اعمال ولتاژ ۰.۷ ولت بین پایه بیس و امیتر، اصطلاحا ترانزیستور روشن است. با اعمالِ ولتاژ مذکور، جریان از کلکتور به امیتر برقرار خواهد شد. برای نمونه مداری را مطابق با شکل زیر فرض کنید.
با استفاده از مدار بالا می‌توان نحوه عملکرد ترانزیستور را توضیح داد. این مدار از منبعی ۹ ولتی، دیود (LED)، مقاومت و ترانزیستور تشکیل شده است. با توجه به این مدار، منبع ۹ ولتی از طریق یک ترانزیستور به مقاومت و دیود وصل شده. در نتیجه تا زمانی که ترانزیستور روشن نباشد، جریانی در مدار برقرار نخواهد شد. بنابراین ترانزیستور نقش یک کلید را ایفا می‌کند.
حال جهت روشن کردن ترانزیستور، بایستی ولتاژ ۰.۷ ولت بین پایه‌های بیس و امیتر برقرار شود. از این رو همان‌طور که در شکل بالا نیز نشان داده شده، با وصل کردن یک منبع ۰.۷ ولتی بین پایه‌های بیس و امیتر، منبع ۹ ولتی به مدار متصل شده و جریان الکتریکی در دیود و مقاومت برقرار می‌شود.
ترانزیستور PNP چگونه کار می کند؟
نوع دیگری از ترانزیستورهای پیوندی دوقطبی، ترانزیستور PNP است. پایه‌های این ترانزیستور نیز مشابه با ترانزیستور NPN، به‌صورت زیر هستند.
- بیس
- کلکتور
- امیتر
در ترانزیستور PNP، جریان عکس ترانزیستور NPN است. در حقیقت به‌منظور روشن کردن PNP، بایستی جریانی الکتریکی از پایه امیتر به سمت بیس ایجاد شود. با ایجاد چنین ولتاژی بین پایه بیس و امیتر، جریانی الکتریکی از امیتر به سمت کلکتور ایجاد خواهد شد. توجه داشته باشید که جریان ایجاد شده بین امیتر و کلکتور، به نسبت جریان اولیه بین امیتر و بیس، بیشتر خواهد بود. در شکل زیر شماتیک این مفهوم نشان داده شده است.
همانند ترانزیستور NPN، جهت روشن کردن ترانزیستورِ PNP نیز بایستی اختلاف پتانسیل ۰.۷ ولت بین پایه‌های امیتر و بیس برقرار شود. به شکلی دقیق‌تر پتانسیل بیس بایستی ۰.۷ ولت کمتر از پتانسیل امیتر باشد.
برای درک بهتر مفهوم ترانزیستور PNP، مداری را مطابق با شکل زیر فرض کنید. در این مدار از جزئی به نام «فتورزیستور» (Photoresistor) استفاده شده است. فتورزیستور اِلِمانی است که مقاومت الکتریکیش وابسته به نوری است که به آن تابیده می‌شود. در حقیقت با افزایش نور تابیده شده به آن، مقاومتش کاهش می‌یابد.
حالت اول: مدار در فضای روشن
فرض کنید مدار فوق را در فضایی روشن قرار می‌دهیم. در این حالت نور به فتورزیست تابیده شده و مقاومت الکتریکی از خود نشان نمی‌دهد. با توجه به شکل فوق، پتانسیل الکتریکی دو پایه بیس و امیتر با یکدیگر برابر هستند (VA=VB=9 V)؛ در نتیجه ترانزیستور در این حالت خاموش بوده و جریانی در مدار برقرار نمی‌شود.
حالت دوم: مدار در فضای تاریک
در این حالت نوری به فتورزیست تابیده نمی‌شود؛ از این رو مقاومت الکتریکی آن افزایش یافته و اختلاف پتانسیل دو سرش متفاوت است. بدیهی است که پتانسیل در نقطه A (که پتانسیل امیتر نیز هست) برابر با ۹ ولت است. با فرض اینکه مقاومت فتورزیست در فضای تاریک برابر با R باشد، پتانسیل در نقطه B (یا همان پتانسیل بیس) برابر با Vbase=9−RI است.
بنابراین به‌طور خلاصه می‌توان گفت در این حالت اختلاف پتانسیلی بین پایه امیتر و بیس وجود دارد. اگر اختلاف مذکور بیشتر از ۰.۷ باشد، ترانزیستور روشن شده و نهایتا LED نیز روشن می‌شود. بنابراین ما مداری ساخته‌ایم که میتواند چراغ‌های خیابان را در روز خاموش و در شب روشن نگه دارد!
- استفاده از مدار ارائه شده در بالا میتواند در صرفه‌جویی مصرف انرژی بسیار مفید باشد.
- روش تست ترانزیستورهای BJT بسیار شبیه به روش تست دیود است. به خاطر داشته باشید که قبل از تست یک ترانزیستور، اگر امکان‌پذیر است، ترانزیستور را از روی بورد جدا شود. در صورت عدم امکان، تمامی منابع ولتاژ، از بورد قطع شوند و سپس نسبت به تست ترانزیستور اقدام شود. مولتی‌متر را بر روی وضعیت تست دیود قرار دهید. بدین ترتیب افت ولتاژ در حالت Forward و Reverse بین پایه‌های Base و Collector و نیز Base و Emitter قابل اندازه‌گیری خواهد بود. در یک ترانزیستور سالم، افت ولتاژ در حالت Forward در حدود 0/7 ولت و در حالت Reverse باید به صورت مدار باز (OL) نمایش داده شود. چنانچه در دو حالت، مقدار افت ولتاژ یکسان باشد، نمایانگر خرابی ترانزیستور خواهد بود.
ترانزیستورهای (Field Effect Transistors (FET یا ترانزیستور اثر میدان
نظیر ترانزیستورهای BJT، ترانزیستورهای FET نیز برای کنترل مقدار جریان عبوری مورد استفاده قرار میگیرند. تنها تفاوت آنها در این است که به جای جریان کنترل، از ولتاژ، جهت کنترل مقدار جریان عبوری اصلی از درون ترانزیستور استفاده می‌شود. ترانزیستورهای FET در دو نوع زیر وجود دارند:
– (JFET (Junction Field Effect Transistor
– (MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
ساختار ترانزیستورهای JFET، به صورت کانالی از مواد نیمه هادی است که از درون مواد نیمه هادی با قطبیت متفاوت عبور کرده است. ترانزیستورهای JFET نیز دارای سه عدد پایه با نامهای Drain، Gate و Source هستند که در قیاس با پایه‌های ترانزیستورهای BJT به ترتیب با Collector، Base و Emitter قابل مقایسه هستند. در شکل زیر، ترانزیستورهای JFET از نوع n-channel و p-channel نمایش داده شده است.
نماد ترانزیستورهای JFET در مدلهای N-Channel و P-Channel در شکل زیر نمایش داده شده است.
روش عملکرد ترانزیستورهای JFET بسیار متفاوت از نحوه عملکرد ترانزیستورهای BJT است. ترکیب مواد نیمه هادی نوع N و نوع P در امتداد کانال مرکزی این نوع ترانزیستور، باعث ایجاد منطقه تخلیه (Depletion Region) در مرکز ترانزیستور می‌شود.
در زمانی که هیچ ولتاژ کنترلی به پایه Gate اعمال نشود، منطقه تخلیه، زیاد گسترش نمی‌یابد و به همین دلیل جریان میتواند به راحتی از سمت پایه Drain به سمت پایه Source حرکت کند.
اما با افزایش میزان ولتاژ در پایه Gate، ناحیه تخلیه به سمت مرکز کانال گسترش یافته و باعث افزایش میزان مقاومت ترانزیستور می‌شود. به تبع آن میزان جریان عبوری از سمت پایه Drain به سمت پایه Source کاهش می‌یابد.
با رسیدن مقدار ولتاژ پایه Gate، به حد مشخصی، ناحیه تخلیه بیش از پیش به سمت داخل کانال گسترش می‌یابد. در این حالت مقاومت ترانزیستور به حدی افزایش می‌یابد که مدار به حالت باز در خواهد آمد و باعث قطع جریان عبوری از پایه Drain به پایه Source خواهد شد.
لازم به ذکر است که برای عملکرد صحیح ترانزیستور، پلاریته ولتاژ اعمالی به پایه Gate باید رعایت شود. برای ترانزیستورهای N-Channel باید ولتاژ منفی و برای ترانزیستورهای P-Channel باید ولتاژ مثبت به پایه Gate اعمال شود. در صورت عدم رعایت پلاریته ولتاژ اعمالی به پایه Gate، ترانزیستور به صورت دائم به جریان ورودی از پایه Drain اجازه عبور به سمت پایه Source را خواهد داد و بنابراین مدار به صورت وصل دائم خواهد بود. به خاطر داشته باشید که فارغ از سطح ولتاژ، جریان عبوری از پایه Gate بسیار اندک است و به همین دلیل تلفات حرارتی آنها در قیاس با ترانزیستورهای BJT بسیار کمتر است. برای تست این نوع ترانزیستور، مقدار مقاومت بین پایه Gate و پایه‌های Drain و Source باید اندازه‌گیری شود.
از آنجا که کانال بین Drain و Source یکپارچه است، بنابراین تفاوتی ندارد که مقاومت Gate با کدام پایه اندازه‌گیری شود. همینطور مقاومت بین پایه‌های Drain و Source در زمانی که هیچ ولتاژی به پایه Gate اعمال نمی‌شود باید بسیار کم و در حد چند صد اهم باشد. با اعمال ولتاژ در پایه Gate، این مقاومت باید افزایش یابد.
ترانزیستورهای (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFET
نوع دیگر ترانزیستورهای FET، ترانزیستورهای MOSFET هستند. در این نوع ترانزیستورها، پایه Gate با استفاده از لایه‌ای از شیشه (Silicon Dioxide) از کانال نیمه‌هادی درون ترانزیستور عایق می‌شود و بنابراین امکان عبور جریان از پایه Gate وجود نخواهد داشت. به همین دلیل این نوع ترانزیستورها راندمان بسیار بالایی در زمان کار دارند. این نوع ترانزیستورها نیز در دو نوع N-Type و P-Type ساخته می‌شوند و هر کدام از این دو نوع در دو ساختار نرمال روشن (Normally On) و یا نرمال خاموش (Normally Off) وجود دارند.
ترانزیستورهای MOSFET که در حالت نرمال خاموش هستند با عنوان Enhancement Type یا “مدل افزایشی”، شناخته می‌شوند. این کار با افزایش میزان ناخالصی مواد کانال انجام می‌شود و به همین دلیل هدایت الکتریکی این نوع ترانزیستور زیاد خوب نیست و به همین دلیل در شرایط نرمال، جریان نمیتواند بین Source و Drain حرکت کند. حال چنانچه به پایه Gate یک Enhancement Type MOSFET، از نوع N-Channel ولتاژ مثبت اعمال شود، الکترون‌های آزاد موجود در کانال، به سمت پایه Gate جذب شده و انباشته شدن آنها در سمت پایه Gate باعث افزایش هدایت الکتریکی بین Drain و Source و نهایتا عبور جریان خواهد شد.
به همین صورت اگر به پایه Gate یک Enhancement Type MOSFET، از نوع P-Channel ولتاژ منفی اعمال شود، تمام الکترونها دفع شده و به سمت خارج کانال هدایت می‌شوند که این امر باعث خواهد شد تا بار مثبت درون کانال افزایش یابد. باید مجدد دقت شود که نوع پلاریته ولتاژ اعمالی به پایه Gate، در عملکرد صحیح ترانزیستور بسیار حائز اهمیت است.
نماد شماتیک ترانزیستورهای MOSFET نوع افزایشی، در شکل زیر نمایش داده شده است. چناچه جهت فلش رو به داخل باشد، ترانزیستور نوع N و چنانچه به بیرون باشد، ترانزیستور نوع P خواهد بود. گره (Node) نشان‌دهنده پایه Source و فضای خالی (Gap) بین Drain و Source که به صورت خط چین نمایش داده شده است، نشان دهنده این امر است که ترانزیستور در حالت نرمال خاموش است.
ترانزیستورهای MOSFET که در حالت نرمال روشن هستند با عنوان Depletion Type شناخته می‌شوند. این نوع از ترانزیستورهای MOSFET، به دلیل جنس مواد تشکیل شده در آن، از رسانایی الکتریکی بسیار بالایی برخوردار هستند و به همین دلیل و بدون وجود هیچ ولتاژی بر روی Gate، جریان میتواند بین Drain و Source عبور کند. حال چنانچه ولتاژی منفی به پایه Gate نوع N-Channel آن اعمال شود، باعث دفع الکترونها و خروج آنها از درون کانال خواهد شد و به تبع آن جریان بین پایه‌های Drain و Source قطع می‌شود. از سوی دیگر چنانچه ولتاژی مثبت به پایه Gate نوع P-Channel اعمال شود، تمامی الکترونها به درون کانال کشیده شده و مجدد باعث کاهش رسانایی و قطع جریان بین Drain و Source خواهد شد.
نماد ترانزیستورهای MOSFET نوع Depletion Type در شکل زیر نمایش داده شده است. مجدد چنانچه جهت فلش به داخل باشد معرف N-Channel و چنانچه جهت فلش به سمت بیرون باشد معرف P-Channel است. همینطور گره (Node)، نمایانگر پایه Source است و خط توپر یکپارچه بین Drain و Source نمایانگر این مطلب است که ترانزیستورهای Depletion type در حالت نرمال روشن هستند.
برای تست ترانزیستورهای MOSFET مقاومت بین Gate و Drain باید بی‌نهایت باشد، در غیر اینصورت، ترانزیستور معیوب است. همچنین مقاومت بین Drain و Source نوع Enhancement باید بسیار زیاد و در نوع Depletion باید بسیار کم باشد.
جهت جریان در ترانزیستور ها
جریانی که از کلکتور عبور می کند با حرف IC ، جریانی که از بیس عبور می کند با حرف IB ، جریانی که از امیتر عبور می کند راباحرف IE نشان می دهند. همان طوری که در شکل نشان داده می شود ، جریانی که از امیتر عبور می کند ، به دو انشعاب تقسیم می شود. قسمت بسیار اعظم آن از کلکتور عبور می کند.
لذا جریان امیتر برابر است با جریان بیس به علاوه ی جریان کلکتور یعنی :برای سادگی ، معمولا جهت قراردادی را در نظر می گیرند. در جهت قراردادی ، جریان از قطب مثبت باتری خارج شده و پس از عبور از مدار خارجی ، به قطب منفی آن وارد می شود. در شکل زیر جهت قراردادی جریان در ترانزیستور NPN و PNP نشان داده شده است. جهت قراردادی ، همیشه با جهت دیود بیس – امیتر مطابقت دارد.
نام گذاری ولتاژ های ترانزیستور
در این قسمت به نام گذاری ولتاژ قسمت های مختلف می پردازیم.
ولتاژی که بین پایه های بیس و امیتر قرار میگیرد با VBE ، ولتاژِ که در قسمت کلکتور- بیس قرار میگیرد با VCB ، ولتاژی که بین کلکتور – امیتر وصل می شود با VCE ، ولتاژ منبع تغذیه ی کلکتور را با VCC و ولتاژی که انرژی بیس را تامین می کند با VBB نشان داده می شوند. شکل زیر ولتاژ قسمت های مختلف ترانزیستور را نشان می دهد . بین ولتاژ های ترانزیستور رابطه ی VCE=VCB+VBE برقرار است.
آرایش های ترانزیستور
آرایش های ترانزیستور در مدار ، به سه صورت امیتر مشترک ، بیس مشترک. کلکتور مشترک است. در این جا به بررسی مختصر هر آرایش و سبب نام گذاری آن ها می پردازیم.
– پایه مشترک در ترانزیستور
در تزانزیستور ، همیشه سیگنال ورودی به دوپایه از سه پایه ی ترانزیستور داده می شود و سیگنال خروجی از دو پایه آن گرفته می شود ، به طوری که یکی ز پایه ها بین ورودی و خروجی ، مشترک است ، لذا با توجه به پایه ی مشترک نام آرایش انتخال می شود.
۱) آرایش امیتر مشترک ( Common Emitter )
در این آرایش پایه ی امیتر ، بین ورودی و خروجی مدار مشترک است و سبب نام گذاری این آرایش نیز به دلیل مشترک بودن پایه ی امیتر است. در هر آرایشی پایه ی مشترک را مبنا قرار می دهند و ولتاژ های نقاط مختلف را نسبت به آن اندازه می گیرند. شکل زیر آرایش امیتر مشترک را بدون رسم سایر المان های مورد نیاز ، نشان می دهد. این آرایش در مدارات کاربرد بیش تری دارد.
۲) آرایش بیس مشترک ( Common Base )
در این آرایش پایه ی بیس بین ورودی و خروجی مدار مشترک است. شکل زیر این آرایش را به طور ساده نشان می دهد.
۳) آرایش کلکتور مشترک ( Common Collector )
پایه ی مشترک بین ورودی و خروجی ، در این آرایش ، کلکتور است و به دلیل مشترک بودن پایه ی کلکتور نیز به آن کلکتور مشترک می گویند. این آرایش را امیتر فالوور ( Emitter Follower ) نیز می گویند.
منحنی مشخصه های ترانزیستور
روابط بین جریان ها و ولتاژ ها و تغییرات آن ها در ترانزیستور و هم چنین ضریب تقویت به عامل هایی چون درجه حرارت ، فرکانس و غیر خطی بودن المان ها بستگی دارد ( منظور از غیر خطی بودن این است که نسبت تغییرات جریان ها و ولتاژ ها تابع یک معادله ی خطی ریاضی نیست. ) لذا معمولا از طریق ریاضی نمی توان مقادیر را به درستی تعیین کرد . برای به دست آوردن این رابطه ها از منحنی هایی ، که بیان کننده ی روابط بین جریان ها و ولتاژ ها ( باتوجه به آرایش ترانزیستور ) است استفاده می شود. این منحنی ها عبارت است از :
۱) منحنی مشخصه ی ورودی
۲) منحنی مشخصه ی انتقالی
۳) منحنی مشخصه ی خروجی
۱) منحنی مشخصه ی ورودی
منحنی مشخصه ی ورودی ترانزیستور بیان کننده ی مقدار جریان ورودی ، برحسب ولتاژ ورودی است . همان طوری که مدار ورودی شبیه یک دیود است منحنی مشخصه ی آن نیز شبیه منحنی مشخصه ی ولت – آمپر دیود معمولی است. شکل زیر منحنی مشخصه ی ورودی ترانزیستور AC 127 می باشد.
این ترانزیستور از جنس ژرمانیوم است و به همین دلیل جریان بیس آن بالا است اما در ترانزیستور ها سیلیسیوم این طور نیست و جریان بیس کمتری دارند.
باید توجه داشت که در ترانزیستور منحنی مشخصه ی ورودی به ازای یک ولتاژ معین VCE رسم می شود. اگر VCEتغییر کند منحنی مشخصه نیز کمی تغییر می کند. البته این تغییرات بسیار جزئی است و در اکثر موارد می توان ار آن صرف نظر کرد. مقدار ولتاژ VCE را ، که به ازای آن منحنی مشخصه ی ورودی رسم شده است ، کارخانه سازنده مشخص می نماید. در شکل زیر منحنی مشخصه ی ورودی به ازای VCE = 1v و VCE = 20v رسم شده است.
در شکل زیز منحنی مشخصه ی ترانزیستوری از جنس سیلیسیم رسم شده است.
۲) منحنی مشخصه ی انتقالی
منحنی مشخصه ی انتقالی، رابطه ی بین جریان ورودی و خروجی ترانزیستور را به ازای مقادیرثابت VCE نشان می دهد . شکل زیر منحنی مشخصه انتقالی ترانزیستور BC 107 را به ازای VCE = 5v نشان می دهد. چون ضریب تقویت جریان ، برابر نسبت جریان خروجی به ورودی است ، لذا از این منحنی می توان ضریب تقویت جریان را بدست آورد . ضریب تقویت جریان را با β نشان می دهند. مقدار β بستگی به مشخصات فیزیکی و ساخت ترانزیستور دارد.
۳) منحنی مشخصه ی خروجی
منحنی مشخصه ی خروجی رابطه ی بین جریان و ولتاژ خروجی به ازای جریان ورودی معین را نشان می دهد. اگر تقویت کننده امیتر مشترک باشد ( تقویت کننده ی امیتر مشترک بعدا توضیح داده خواهد شد ) جریان ورودی را IB ، جریان خروجی IC و ولتاژ خروجی VCE خواهد بود. شکل زیر منحنی مشخصه خای خروجی ترانزیستور را به ازای جریان های IB ثابت نشان می دهد.
مقدار جریان خروجی تابع دو عامل IB و VCE است. یعنی با کم و زیاد شدن IB جریان خروجی IC نیز کم یا زیاد می شود. این مطلب در مورد VCE نیز ثابت است ، لیکن تاثیر تغییرات VCE بر IC ناچیز و در مواردی غیر قابل توجع است. از طرفی جریان IB هم به VBE بستگی دارد.
نحوه سوختن ترانزیستورها
ترانزیستورها فارغ از نحوه اتصال و نحوه ورود شوک به مدار آن به دو صورت کلی می‌سوزند:
الف) حالت سوختن اتصال کوتاه امیتر به کلکتور یا حالت Junction:
در این حالت مسیر امیتر به کلکتور به صورت یکسره برقرار می‌گردد که این حالت ترانزیستور با قطع ورودی تریگر روی پایه base یا gain همچنان برقرار است. در واقع در این حالت مثل آن می‌ماند که سوئیچ به صورت یکسره و تا زمان وجود ولتاژ روی پایه امیتر همچنان برقرار باشد.
ب) حالت سوختن قطع ارتباط مسیر امیتر به کلکتور یا حالت Cut off Circuite:
حالت سوختن Cut off Circuite: در این حالت ارتباط امیتر به کلکتور به صورت دائمی قطع می‌گردد. یعنی حتی با تحریک base یا gain ترانزیستور، دیگر هیچ اثر خروجی ولتاژ روی پایه کلکتور ترانزیستور وجود ندارد. بطور کلی در این حالت، ارتباط پایه امیتر به کلکتور تحت هیچ شرایطی برقرار نمی‌گردد.
دلایل سوختن ترانزیستورها
سوختن ترانزیستور میتواند دلایل زیادی داشته باشد. از جمله این دلایل می‌توان به اعمال ولتاژ بالای خارج از محدوده ولتاژ ترانزیستور به آن اشاره کرد که این ولتاژ میتواند از طریق پایه Emitter به ترانزیستور منتقل شده یا در مدارات مکانیکی اعمال بار سلفی سیم پیچ مصرف‌کننده و در زمان Peak Off آن به پایه کلکتور اشاره کرد که جلوگیری از هرکدام از آنها روش‌های مربوط به خود را دارد.
یکی دیگر از دلایل آن میتواند قراردادن مصرف‌کننده با جریان بیش از اندازه قدرت سوئیچ ترانزیستور باشد که منجر به گرم شدن، داغ شدن و نهایتاً سوختن ترانزیستور می‌گردد.
همچنین قطعات نیمه‌هادی که در نقش سویچینگ هستند و اتصال کوتاه می‌شوند به دلیل وجود جریان‌های ضربه‌ها یا ولتاژ بالاست (بهترین وقتی رخ می‌دهد که ولتاژ ضربه‌ای، متغیر با زمان فرکانس بالا و … باشد)
همچنین از دلایل سوختن قطعات نیمه‌هادی که در نقش سویچینگ هستند و اتصال باز می‌شوند به دلیل وجود جریان‌های dc ضربه‌ای می‌باشد.
این دو دلیل هم بابت عدم ایده ال بودن دیفیوژن قطعات در هنگام ساخت قطعه است. یعنی وقتی که قطعه P روی N قرار میگیرد به جای اینکه سطوح صاف و مثلاً مثل مستطیل باشند، لبه‌های تند و تیز یا در جاهایی یکنواختی وجود دارد که لبه‌های تیز باعت حالت اول و لبه‌های صاف ایجاد حالت دوم می‌کند.
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 :
۱- 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.
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 ICmax نمایش می دهند.
۳- حداکثر توان : حداکثر توانی است که می تواند در یک ترانزیستور به صورت حرارت تلف شود و آن را با Pmaxنمایش 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 Tj نمایش می دهند.
