ترانزیستور یک قطعه الکترونیکی سه پایه است که دو نقش مهم در مدارات الکترونیکی دارد. اول تقویت کنندگی و دیگری به عنوان یک کلید. ترانزیستور در نقش تقویت کنندگی سیگنال ورودی را به ضریبی مشخص و قابل محاسبه تقویت کرده و در خروجی سیگنال تقویت شده را تحویل می‌دهد. اساس کار همه‌ی Amplifier ها، رادیو‌ها، گیرنده‌ها و فرستنده‌های آنالوگ و سیستم‌های صوتی، خاصیت تقویت کنندگی ترانزیستور است.
ترانزیستور در نقش کلید، برای قطع و وصل کردن مسیر جریان الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. شاید ساده به نظر برسد اما همین ویژگی ترانزیستور‌ها سبب شد تا تمام دستگاه‌های دیجیتالی مانند کامپیوتر، موبایل و.. پدید آیند. شاید شنیده باشید که دنیای دیجیتال دنیای صفر و یک است. اگر کمی دقت کنید، وسیله‌ای مانند کلید می‌تواند این دو وضعیت را پدید آورد.
تاریخچه پیدایش
پیش از اختراع ترانزیستور، از لامپ‌های خلا برای این کار استفاده می‌شد. مصرف زیاد برق، قیمت نسبتا گران و همچنین کندی تغییر وضعیت در لامپ‌های خلا باعث شده بود تا برای ساخت یک ماشین حساب به فضایی به بزرگی یک استادیوم ورزشی نیاز باشد. همچنین گرمای زیادی که توسط این لامپ‌های خلا تولید می‌شد، مشکلی غیر قابل چشم پوشی بود. همه‌ی این مشکلات، بخصوص مشکل گرانی، باعث شد تا نیاز به ابداع یک قطعه جایگزین احساس شود. جهت کسب اطلاعات بیشتر در مورد لامپ‌های خلا می‌توانید به صفحه ویکی پدیای لامپ‌های خلا مراجعه کنید.
لامپ‌های خلا در سال ۱۹۰۷ ابداع شدند. در سال ۱۹۰۹ یک فیزیک‌دان انگلیسی دیود را اختراع کرد. در بین سال‌های ۱۹۲۰ تا ۱۹۳۰ میلادی، تحقیقات و مقالاتی در مورد ایجاد ترانزیستور بوجود آمد. اما با این حال در سال ۱۹۴۷ اولین ترانزیستور جهان به دست John Bardeen و Walter Brattain ساخته شد.
البته ترانزیستورهای اولیه هم سرعت و ظرافت ترانزیستورهای امروزی را نداشتند، اما با این حال، جایگزین مناسبی برای لامپ‌های خلا بودند.
انواع ترانزیستور
ترانزیستور‌ها به طور کلی به سه دسته زیر تقسیم بندی می‌شوند.
- دو قطبی Bipolar junction transistor (BJT)
- اثر میدان Field-effect transistor (FET)
- اثر میدان با اکسید فلز نیمه هادی metal–oxide–semiconductor FET (MOSFET)
هر کدام از دسته‌های بالا دارای زیر شاخه‌هایی هستند. در این زیر شاخه‌ها ساختمان و ساختار ترانزیستور‌ها مشابه است اما هر کدام در یک یا چند ویژگی نسبت به سایر هم دسته‌ها تفاوت‌هایی وجود دارد.
اساس کار ترانزیستور
از آنجا که ساده‌ترین ساختار مربوط به ترانزیستورهای دوقطبی است، اساس کارکرد این نوع را بررسی میکنیم. این ترانزیستور از اتصال سه لایه کریستال نیمه‌هادی تشکیل شده است. این کریستال‌ها یکی در میان از نوع مثبت P یا منفی N هستند. در نتیجه دو نوع PNP و NPN خواهیم داشت. این ساختار بسیار شبیه اتصال دو دیود به هم است. با یک تفاوت کوچک! به لایه وسطی نگاه کنید. این لایه نسبت به دو لایه دیگر بسیار نازک‌تر است.
البته تصویر بالا یک حالت نمادین را نمایش می‌دهد و سه لایه نیمه‌هادی ترانزیستور‌ها در واقعیت مانند شکل زیر در کنار هم قرار می‌گیرند:
در ترانزیستورهای دوقطبی(BJT)، یک پایه از سه پایه‌ی ترانزیستور که در واقع همان لایه وسطی در شکل بالاست، برای کنترل وضعیت اتصال الکتریکی میان دو پایه دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد. این پایه کنترل کننده با نام Base شناخته می‌شود. دو پایه دیگر به نام Collector یعنی جمع کننده و Emitter به معنای پخش کننده نامگذاری شده‌اند. نماد این قطعه در مدارات الکترونیکی بصورت شکل زیر است:
منحنی مشخصه ترانزیستور
در حالت عادی و زمانی که جریان الکتریکی به گیت اعمال نشود، اتصال الکتریکی بین امیتر و کلکتور قطع است. زمانی که ولتاژ مناسب به گیت اعمال کنیم، اتصال الکتریکی بین دو پایه کلکتور و امیتر برقرار می‌شود. در این حالت ترانزیستور مانند یک تکه سیم جریان الکتریکی را از خود عبور می‌دهد. این دو حالتی که توصیف کردیم به ترتیب حالت قطع و اشباع ترانزیستور بودند. علاوه بر این دوحالت، ترانزیستور حالت دیگری دارد که به فعال نامیده می شود. در این حالت ترانزیستور نسبت به تغییرات کوچک جریان در پایه‌ی بیس بسیار حساس بوده و با تغییرات کم، به میزان قابل توجهی به منطقه قطع یا اشباع نزدیک می‌شود. این وضعیت در واقع نمایانگر خاصیت تقویت کنندگی ترانزیستور است. زمانی که در بازه‌ی مشخصی از ولتاژ بین کلکتور و امیتر و با اعمال جریان‌های مشخص، جریان خروجی را اندازه‌گیری کرده و ثبت کنیم، نموداری به دست خواهد آمد که منحنی مشخصه ترانزیستور نامیده می‌شود. در شکل زیر یک نمونه منحنی مشخصه ترانزیستور و ناحیه‌های قطع، فعال و اشباع را مشاهده می‌کنید.
تصویر بالا یک حالت عمومی برای مشخص کردن نقاط قطع، فعال و اشباع را نمایش می‌دهد، برای تعیین این مناطق در هر ترانزیستوری باید به منحنی مشخصه آن مراجعه کرد تا بتوان مقدار واقعی جریان بیس(IB) و ولتاژ مابین کلکتور و امیتر(VCE) و مقدار جریان در کلکتور (IC) را با توجه به خصوصیات ترانزیستور بدست آورد. نمونه‌ای از منحنی مشخه مربوط به ترانزیستور BC547 در شکل زیر نمایش داده شده است.
همانطور که در نمودار تصویر بالا مشاهده می‌کنید، ترانزیستور BC547 با جریان‌های بسیار ناچیر در پایه بیس، جریان‌هایی نسبتا بزرگ در پایه کلکتور برقرار می‌کند. به همین سبب از این ترانزیستور برای اولین مرحله تقویت صوت که معمولا ورودی صدا خیلی ناچیز است(به طور مثال صدای تولید شده توسط میکروفون)، استفاده می‌شود.
موفق و پیروز باشید.
