ترانزیستور یک قطعه سه پایه است که ساختار فیزیکی آن بر اساس عملکرد نیمه هادی ها می باشد.ترانزیستور را از دو نوع نیمه هادی با نام سلسیوم و ژرمانیوم می سازند.عموما در یک تقسیم بندی ترانزیستور ها را به دو دسته ترانزیستور های BJT و FET تقسیم می کنند . ترانزیستور های BJT با نام ترانزیستور های پیوند دو قطبی و ترانزیستور های FET با نام ترانزیستور های اثر میدان شناخته شدهاند.FETها دارای سرعت سوئیچینگ کمتر از BJT هستند .
معمولا ترانزیستور را با دو دیود مدل سازی می کنند از این مدل برای تشخیص سالم بودن ترانزیستور استفاده می کنند.عملکرد ترانزیستور هابه عنوان یک طبقه در مدار بستگی به نظر طراح دارد اما در صورتی که ترانزیستور را یک جعبه سیاه در نظر بگیریم که دارای دو ورودی و دو خروجی است با توجه به اینکه ترانزیستور دارای سه پایه است باید یکی از پایه ها را به عنوان پایه مشترک بین ورودی و خروجی در نظر بگیریم. این پایه مشترک اساس آرایش های مختلف ترانزیستور است .یکی از پایه های ترانزیستور با نام Base و پایه دیگر با نام امیتر (تزریق کننده) و پایه آخر با نام کالکتور (جمع کننده ) شناخته شده است . بسته به اینکه کدامیک از پایه های مذکور به عنوان پایه مشترک در نظر گرفته شود آرایش های بیس مشترکCommon Base – کالکتور مشترکCommon Collector- امیتر مشترک Common Emitter – ممکن خواهد بود.
ترانزیستور از سه لایه نیمه هادی نوع P , N که در کنار هم قرار می گیرند تشکیل شده است . این لایه های نیمه هادی به دو صورت کنار هم چیده می شوند .
P-N-P , N-P-N
ترانزیستور NPN تیپ منفی و ترانزیستور PNP تیپ مثبت .
سه پایه ای که از نیمه هادی ها خارج می شوند به نام های امیتر (E) یا منتشر کننده ، بیس (B) یا پایه و کلکتور (C) یا جمع کننده نام گذاری شده اند . نیمه هادی که امیتر را تشکیل میدهد نسبت به دولایه ی بیس و کلکتور ناخالصی بیش تری دارد و لایه ی بیس نسبت به کلکتور و امیتر ناخالصی کم تری دارد .در نتیجه از نظر ناخالصی پایه های ترانزیستور به این ترتیب از کم به زیاد قرار می گیرند : بیس ، کلکتور و امیتر مدل دیودی ترانزیستور این نوع ترانزیستورها را به اختصار ترانزیستورهای BJT (Bipolar Juncetion Transistor یا ترانزیستورهای اتصال قطبی ( دو قطبی ) می نامند .عبارت Bipolar یا دو قطبی ناشی از عملکرد الکترون ها و حفره ها به عنوان حامل های جریان می باشد .
برای اینکه بتوانیم از ترانزیستور بعنوان تقویت کننده و سوئیچ و ... استفاده کنیم باید ابتدا ترانزیستور را مورد تغذیه Dc قرار دهیم . این تغذیه را بایاس ترانزیستور می گویند . برای اینکه ترانزیستوری شروع به کار کند باید بصورتی در مدار قرار گیرد که دیود بیس – امیتر آن در بایاس مستقیم و دیود کلکتور – بیس در بایاس معکوس باشد، در غیر این صورت ترانزیستور خاموش می باشد
انواع بایاس ترانزیستور :
-1 بایاس ثابت ( مستقیم ) : در این بایاس بیس توسط یک مقاومت RB به منبع ولتاژ Dc متصل می گردد
2- بایاس کلکتور – بیس ( بایاس اتوماتیک ) : در این بایاس بیس توسط یک مقاومت RB به کلکتور متصل است .
3-بایاس سرخود : دراین بایاس بیس توسط مقاومت R1 به منبع تغذیه ی Dc و توسط مقاومت R2 به زمین متصل است و توسط این دو مقاومت و یک تقسیم ولتاژ بین آن ها ولتاژ ثابتی برای بیس فراهم می کند .
اعمال ولتاژ با پلاریته موافق باعث عبور جریان از یک پیوند PN می شود و چنانچه پلاریته ولتاژتغییر کند جریانی از مدار عبور نخواهد کرد. اگر ساده بخواهیم به موضوع نگاه کنیم عملکرد یک ترانزیستور را می توان تقویت جریان دانست. مدار منطقی کوچکی را در نظر بگیرید که تحت شرایط خاص در خروجی خود جریان بسیار کمی را ایجاد می کند. شما بوسیله یک ترانزیستور می توانید این جریان را تقویت کنید و سپس از این جریان قوی برای قطع و وصل کردن یک رله برقی استفاده کنید.
موارد بسیاری هم وجود دارد که شما از یک ترانزیستور برای تقویت ولتاژ استفاده می کنید. بدیهی است که این خصیصه مستقیما" از خصیصه تقویت جریان این وسیله به ارث می رسد کافی است که جریان وردی و خروجی تقویت شده را روی یک مقاومت بیندازیم تا ولتاژ کم ورودی به ولتاژ تقویت شده خروجی تبدیل شود.
جریان ورودی ای که که یک ترانزیستور می تواند آنرا تقویت کند باید حداقل داشته باشد. چنانچه این جریان کمتر از حداقل نامبرده باشد ترانزیستور در خروجی خود هیچ جریانی را نشان نمی دهد. اما به محض آنکه شما جریان ورودی یک ترانزیستور را به بیش از حداقل مذکور ببرید در خروجی جریان تقویت شده خواهید دید. از این خاصیت ترانزیستور معمولا" برای ساخت سوییچ های الکترونیکی استفاده می شود
از لحاظ ساختاری می توان یک ترانزیستور را با دو دیود مدل کرد. همانطور که در مطلب قبل (اولین ترانزیستورها) اشاره کردیم ترانزستورهای اولیه از دو پیوند نیمه هادی تشکیل شده اند و بر حسب آنکه چگونه این پیوند ها به یکدیگر متصل شده باشند می توان آنها را به دو نوع اصلی PNP یا NPN تقسیم کرد. برای درک نحوه عملکرد یک ترانزیستور ابتدا باید بدانیم که یک پیوند (Junction) نیمه هادی چگونه کار می کند.
. در شکل اول شما یک پیوند نیمه هادی از نوع PN را مشاهده می کنید. که از اتصال دادن دو قطعه نیمه هادی P و N به یکدیگر درست شده است. نیمه هادی های نوع N دارای الکترونهای آزاد و نیمه هادی نوع P دارای تعداد زیادی حفره (Hole) آزاد می باشند. بطور ساده می توان منظور از حفره آزاد را فضایی دانست که در آن کمبود الکترون وجود دارد.
اگر به این تکه نیمه هادی از خارج ولتاژی بصورت آنچه در شکل نمایش داده می شود اعمال کنیم در مدار جریانی برقرار می شود و چنانچه جهت ولتاژ اعمال شده را تغییر دهیم جریانی از مدار عبور نخواهد کرد (چرا؟(این پیوند نیمه هادی عملکرد ساده یک دیود را مدل می کند. همانطور که می دانید یکی از کاربردهای دیود یکسوسازی جریان های متناوب می باشد. از آنجایی که در محل اتصال نیمه هادی نوع N به P معمولآ یک خازن تشکیل می شود پاسخ فرکانسی یک پیوند PN کاملآ به کیفیت ساخت و اندازه خازن پیوند بستگی دارد. به همین دلیل اولین دیودهای ساخته شده توانایی کار در فرکانسهای رادیویی - مثلآ برای آشکار سازی - را نداشتند. معمولآ برای کاهش این خازن ناخاسته، سطح پیوند را کاهش داده و آنرا به حد یک نقطه می رسانند.
ترانزیستور را معمولا به عنوان یکی از قطعات الکترونیک میشناسند. ترانزیستور یکی از ادوات حالت جامد است که از مواد نیمه رسانایی مانند سیلیسیم (سیلیکان) ساخته میشود.
ترانزیستور هم در مدارات الکترونیک آنالوگ و هم در مدارات الکترونیک دیجیتال کاربردهای بسیار وسیعی دارد. در آنالوگ میتوان از آن به عنوان تقویت کننده یا تنظیم کننده ولتاژ (رگولاتور) و ... استفاده کرد. کاربرد ترانزیستور در الکترونیک دیجیتال شامل مواردی مانند پیاده سازی مدار منطقی، حافظه، سوئیچ کردن و ... میشود.
دو دسته مهم از ترانزیستورها BJT (ترانزیستور دوقطبی پیوندی
(Bypolar Junction Transistors) و FET (ترانزیستور اثر میدانی)
) (Field Effect Transistors) هستند. FET ها نیز خود به دو دستهٔ Jfetها
(Junction Field Effect Transistors) و MOSFETها
(Metal Oxide SemiConductor Field Effect Transistor) تقسیم میشوند.
در ترانزیستور دو قطبی پیوندی با اعمال یک جریان به پایه بیس جریان عبوری از دو پایه کلکتور و امیتر کنترل میشود. ترانزیستورهای دوقطبی پیوندی در دونوع npn و pnp ساخته میشوند. بسته به حالت بایاس این ترانزیستورها ممکن است در ناحیه قطع، فعال و یا اشباع کار کنند. سرعت بالای این ترانزیستورها و بعضی قابلتهای دیگر باعث شده که هنوز هم از آنها در بعضی مدارات خاص استفاده شود.
ترانزیستور اثر میدانی(JFET):
در ترانزیستور اثر میدانی با اعمال یک ولتاژ به پایه گیت میزان جریان عبوری از دو پایه سورس و درین کنترل میشود. ترانزیستور اثر میدانی بر دو قسم است: نوع n یا N-Type و نوع p یا P-Type. از دیدگاهی دیگر این ترانزیستورها در دو نوع افزایشی و تخلیهای ساخته میشوند.نواحی کار این ترانزستورها شامل "فعال" و"اشباع" و "ترایود" است این ترانزیستورها تقریبا هیچ استفادهای ندارند چون جریان دهی آنها محدود است و به سختی مجتمع میشوند.
ترانزیستور اثر میدانی(MOSFET):
این ترانزیستورها نیز مانند Jfetها عمل میکنند با این تفاوت که جریان ورودی گیت آنها صفر است. همچنین رابطه جریان با ولتاژ نیز متفاوت است. این ترانزیستورها دارای دو نوع PMOS و NMOS هستند که تکنولوژی استفاده از دو نوع آن در یک مدار تکنولوژی CMOS نام دارد. این ترانزیستورها امروزه بسیار کاربرد دارند زیرا براحتی مجتمع میشوند و فضای کمتری اشغال میکنند. همچنین مصرف توان بسیار ناچیزی دارند.به تکنولوژیهایی که از دو نوع ترانزیستورهای دوقطبی و Mosfet در آن واحد استفاده میکنند Bicmos میگویند. البته نقطه کار این ترنزیستورها نسبت به دما حساس است وتغییر میکند.بنابراین بیشتر در سوئیچینگ بکار میروند AMB
ب : احتیاج نداشتن به فیلامان و در نتیجه ، نداشتن تلفات حرارتی تاشی از گرم کردن فیلامان
ج : احتیاج نداشتن به مدت زمان جهت گرم شدن فیلامان
د : کار کردن در ولتاژ های بسیار کم
و : استحکام زیاد و داشتن عمر طولانی
ز : ساده بودن سیم کشی طراحی های ترانزیستوری
باید توجه داشت که لامپها نیز نسبت به ترانزیستور ها از برتری هایی برخوردارند ، از جمله : قدرت بسیار بالا ، تغییر نکردن نقطه کار بر اثر گرما و ... ولی ترانزیستور با داشتن برتریهای فوق در قدرتهای کم و متوسط جانشین لامپها شده است .
به تکنولوژیهایی که از دو نوع ترانزیستورهای دوقطبی و Mosfet در آن واحد استفاده میکنند Bicmos میگویند .البته نقطه کار این ترنزیستورها نسبت به دما حساس است وتغییر میکند.بنابراین بیشتر در سوئیچینگ بکار میروند AMB
ترانزیستور معمولی ، یک المان سه قطبی است که از سه کریستال نیمه هادی نوع n و p که در کنار یک دیگر قرار میگیرند تشکیل شده است . ترتیب قرار گرفتن نیمه هادی ها در کنار هم ، می تواند به دو صورت انجام پذیرد:
الف : دو قطعه نیمه هادی نوع n
در دو طرف و نیمه هادی نوع p در وسط .
ب: دو قطعه نیمه هادی نوع p در دو طرف و نیمه هادی نوع n در وسط .
در حالت (الف) ترانزیستور npn و در حالت (ب)
تورانزیستور pnp می نامند .
پایه های خروجی
ترانزیستور را به ترتیب امیتر ( منتشر کننده ) ، بیس ( پایه ) و
کلکتور ( جمع کننده ) نامگذاری کرده اند . امیتر را با حرف E
، بیس را با حرف B و کلکتور را با حرف C
نشان می دهند . پایه های ترانزیستور را می توان با پایه های
لامپ تریود از نظر نوع عملکرد به شرح زیر مقایسه نمود
:
الف : امیتر با کاتد E=K
ب : بیس با شبکه فرمان B=G
ج : کلکتور با آند C=A
ترانزیستور در هر مداری می تواند متفاوت از قبل ظاهر شود- منبع ولتاژ یا منبع جریان و یا تقویت کننده ولتاژ و ....- این تفاوت را المانهای همراه ترانزیستور که اکثرا مقاومت و خازن(دیود و...) هستند تعیین می کنند نحوه قرار گیری این المانها به همراه ترانزیستور و منبع تغذیه را بایاس ترانزیستور گویند.در مدار های بایاس برای ترانزیستور یک ولتاژ مثبت به همراه زمین یا یک ولتاژ مثبت به همراه ولتاژ منفی را برای ترانزیستور بسته به کاربرد در نظر می گیرند .
عملکرد ترانزیستور ها(BJT) در سه ناحیه تعریف می شود . 1-ناحیه قطع 2- ناحیه فعال 3- ناحیه اشباع
این سه ناحیه بر اساس بایاس پایه های ترانزیستور و ولتاژ آن ها تعریف می شود .
1- به عنوان کلید به منظور قطع و وصل قسمتی از مدار
از ترانزیستور در ناحیه قطع و اشباع به عنوان کلید دیجیتال و سوئیچ استفاده می کنند .ولتاژ VCE در حالت اشباع کمتر از 0.2 است . در حالت اشباع توان تلف شده ترانزیستور بسیار کم است زیرا توان تلف شده ترانزیستور از حاصلضرب ولتاژ VCE و IC بدست می آید که هردو مقدار کوچکی هستند.
2- به عنوان تقویت کننده ولتاژ
3- به عنوان تقویت کننده جریان
4- به عنوان منبع جریان ثابت
5- به عنوان منبع ولتاژ ثابت
در 4 مورد بعدی بالا از ترانزیستور در ناحیه فعال که همان ناحیه خطی عملکرد ترانزیستور است استفاده می شود .