ترانزیستور چیست؟

adminadmin
204 بازدید
ترانزیستور , ترانزیستور چیست؟

تاریخچه ترانزیستور ها

اگر سلول های بدن را بلوک های سازنده زندگی بدانیم ، ترانزیستورها بلوک های سازنده انقلاب دیجیتال هستند. بدون ترانزیستورها، تکنولوژی که هر روز استفاده می‌کنید مانند تلفن‌های همراه، رایانه‌ها، ماشین‌ها و غیره بسیار متفاوت خواهند بود.

قبل از ترانزیستورها، مهندسان از لوله های خلاء و کلیدهای الکترومکانیکی برای تکمیل مدارهای الکتریکی استفاده می کردند. لوله ها با حالت ایده آل فاصله ی زیادی داشتند. آنها باید قبل از کار خود را گرم می کردند غیر قابل اعتماد و حجیم بودند و انرژی زیادی مصرف می کردند. همه چیز از تلویزیون گرفته تا سیستم های تلفن و کامپیوترهای اولیه از این قطعات استفاده می کردند، اما در سال های پس از جنگ جهانی دوم، دانشمندان به دنبال جایگزین هایی برای لوله های خلاء بودندو از چندین دهه قبل برای آن تلاش کرده بودند و  در نهایت موفق شدند.

ترانزیستور ها دقیقا چه نوع وسیله ای هستند؟

ترانزیستورها وسایلی هستند که حرکت الکترون ها و در نتیجه الکتریسیته را کنترل می کنند. آنها چیزی شبیه یک شیر آب کار می کنند – نه تنها یک جریان را شروع و متوقف می کنند، بلکه میزان جریان را نیز کنترل می کنند. با الکتریسیته، ترانزیستورها می‌توانند سیگنال‌های الکترونیکی را سوئیچ یا تقویت کنند و به شما امکان می‌دهند جریان عبوری از مدار را با دقت کنترل کنید.

ترانزیستور

ترانزیستورهای ساخته شده در آزمایشگاه بل در ابتدا از عنصر ژرمانیوم ساخته شده بودند. دانشمندان آنجا می دانستند ژرمانیوم خالص عایق خوبی است. اما افزودن ناخالصی ها (فرآیندی به نام دوپینگ) ژرمانیوم را به یک هادی ضعیف یا نیمه هادی تبدیل کرد. نیمه هادی ها موادی هستند که دارای خواصی در بین عایق ها و هادی ها هستند و امکان هدایت الکتریکی در درجات مختلف را فراهم می کنند. زمان اختراع ترانزیستورها تصادفی نبود. برای کارکرد صحیح ترانزیستورها به مواد نیمه هادی خالص نیاز داشتند درست پس از جنگ جهانی دوم، بهبود در پالایش ژرمانیوم و همچنین پیشرفت در دوپینگ، ژرمانیوم را برای کاربردهای نیمه هادی مناسب ساخت.

بسته به عنصر مورد استفاده برای دوپینگ، لایه ژرمانیوم حاصل یا از نوع منفی (نوع N) یا نوع مثبت (نوع P) بود. در یک لایه نوع N، عنصر دوپینگ، الکترون‌هایی را به ژرمانیوم اضافه کرد و خروج الکترون‌ها را آسان‌تر کرد. برعکس، در یک لایه نوع P، عناصر دوپینگ خاصی باعث از دست دادن الکترون های ژرمانیوم می شود، بنابراین، الکترون های مواد مجاور به سمت آن جریان می یابد.

نوع N و نوع P را در مجاورت یکدیگر قرار دهید یک دیود P-N ایجاد می کنید. این دیود اجازه می دهد تا یک جریان الکتریکی جریان یابد، اما تنها در یک جهت که یک ویژگی مفید در ساخت مدارهای الکترونیکی است.

ترانزیستورهای تمام عیار مرحله بعدی بودند. برای ایجاد ترانزیستورها، مهندسان ژرمانیوم دوپینگ را لایه‌بندی کردند تا دو لایه پشت سر هم با پیکربندی P-N-P یا N-P-N بسازند. نقطه تماس یک اتصال(junction) نامیده می شود، بنابراین ترانزیستور اتصال (junction) نامیده می شوند.

این روزها، به جای ژرمانیوم، از نیمه هادی های مبتنی بر سیلیکون استفاده می کنند که قابل اعتمادتر و مقرون به صرفه تر از ترانزیستورهای مبتنی بر ژرمانیوم هستند. اما زمانی که این فناوری به کار گرفته شد، ترانزیستورهای ژرمانیومی برای بیش از 20 سال مورد استفاده گسترده قرار گرفتند.

ترانزیستورها عمدتاً به عنوان سوئیچ و تقویت کننده کار می کنند. با توجه به این عملکردها، جای تعجب نیست که دستگاه های مرتبط با صدا اولین محصولات تجاری بودند که از ترانزیستورها استفاده کردند. در سال 1952 سمعک های ترانزیستوری و در سال 1954 رادیو ها وارد بازار شدند.

عملکرد ترانزیستورها در رادیوها ساده است. صداها از طریق میکروفون ضبط می شوند و به سیگنال های الکتریکی تبدیل می شوند. این سیگنال‌ها از طریق یک مدار عبور می‌کنند و ترانزیستور سیگنال را تقویت می‌کند، که متعاقباً وقتی به بلندگو می‌رسد بسیار بلندتر می‌شود.

با این حال، متقاعد کردن تولیدکنندگان مبنی بر اینکه این مفهوم اولیه روی محصولات تولید انبوه کار می کند، کار چندان ساده ای نبود. در سال 1954، ترانزیستورها به اثبات رسیدند اما اجزای الکترونیکی جدیدی بودند. سازندگان دستگاه‌ها سال‌ها بود که از لوله‌های خلاء به‌طور سودآور استفاده می‌کردند، بنابراین به‌طور قابل‌توجهی در مورد تغییر به ترانزیستور تردید داشتند.

texas instrument company

اما پت هاگرتی، معاون شرکتی به نام تگزاس اینسترومنتز(Texas instruments)، متقاعد شده بود که ترانزیستورها صنعت الکترونیک را متحول خواهند کرد. تگزاس اینسترومنتز از پیشرفت‌های آزمایشگاه‌های بل در ترانزیستورهای ژرمانیوم برای توسعه یک رادیو ترانزیستوری کوچک جیبی با کمک یک شرکت کوچک به نام IDEA استفاده کرد. این دو شرکت با هم یک رادیو به نام Regency TR-1 ایجاد کردند که در 18 اکتبر 1954 اعلام شد. از ابتدا تا انتها، مسابقه برای ساخت TR-1 نیازمند قطعات جدید و نوآورانه‌ای بود که در داخل یک کیف جیبی قرار می‌گرفتند، که به اندازه‌ای کوچک بود که واقعاً توجه جهان را به خود جلب کرد. بلندگو، خازن ها و سایر اجزا فقط برای این پروژه ساخته شده اند. با این حال، ترانزیستورها چیزی بودند که این پروژه را واقعاً ممکن کردند.

از ابتدا تا انتها، مسابقه برای ساخت TR-1 نیازمند قطعات جدید و نوآورانه‌ای بود که در داخل یک کیف جیبی قرار می‌گرفتند، که به اندازه‌ای کوچک بود که واقعاً توجه جهان را به خود جلب کرد. بلندگو، خازن ها و سایر اجزا فقط برای این پروژه ساخته شده اند. با این حال، ترانزیستورها چیزی بودند که این پروژه را واقعاً ممکن کردند.

Texas instruments فرآیندهایی را برای تولید انبوه ترانزیستورها برای رادیوهای خود ابداع کرد و در این فرآیند ثابت کرد که ترانزیستورها و محصولات بعدی آنها می توانند مقرون به صرفه تر، قابل حمل تر و موثرتر از لوله های خلاء باشند. در عرض یک سال، شرکت های دیگری مانند امرسون ( Emerson ) ،جنرال الکتریک( General Electric )و ریتون (Raytheon) همگی شروع به فروش محصولات مبتنی بر ترانزیستور کردند و رونق الکترونیک مدرن آغاز شده بود.

هنگامی که تولید انبوه سمعک ها و رادیوهای ترانزیستوری تبدیل به واقعیت شد، مهندسان متوجه شدند که ترانزیستورها جایگزین لوله های خلاء در رایانه ها نیز خواهند شد. یکی از اولین کامپیوترهای پیش ترانزیستوری، انیاک معروف (انتگرالگیر) 30 تن وزن داشت که بخشی از آن به لطف بیش از 17000 لوله خلاء آن بود. بدیهی بود که ترانزیستورها مهندسی کامپیوتر را کاملاً تغییر می‌دادند و منجر به ماشین‌های کوچک‌تر می‌شدند.

ترانزیستورهای ژرمانیوم مطمئناً به شروع عصر رایانه کمک کردند، اما ترانزیستورهای سیلیکونی انقلابی در طراحی رایانه ایجاد کردند و کل صنعت را در silicon valley کالیفرنیا به وجود آوردند.

در سال 1954، جورج تیل، دانشمند تگزاس اینسترومنتز، اولین ترانزیستور سیلیکونی را ساخت. بلافاصله پس از آن، سازندگان روش هایی را برای تولید انبوه ترانزیستورهای سیلیکونی توسعه دادند که ارزان تر و قابل اطمینان تر از ترانزیستورهای مبتنی بر ژرمانیوم بودند.

ترانزیستورهای سیلیکونی برای تولید کامپیوتر به طرز شگفت انگیزی کار می کردند. با مهندسی هوشمند، ترانزیستورها به رایانه‌ها کمک می‌کردند تا از طریق محاسبات بسیار زیادی در مدت زمان کوتاهی انرژی بگیرند. عملکرد سوئیچ ساده ترانزیستورها چیزی است که رایانه شما را قادر می سازد تا وظایف بسیار پیچیده را انجام دهد. در یک تراشه کامپیوتری، ترانزیستورها بین دو حالت باینری 0 و 1 سوئیچ می‌کنند . این زبان کامپیوترها است. یک تراشه کامپیوتری می‌تواند میلیون‌ها ترانزیستور داشته باشد که به طور مداوم سوئیچ می‌کنند و به تکمیل محاسبات پیچیده کمک می‌کنند.

در یک تراشه کامپیوتری، ترانزیستورها جدا از هم نیستند، بلکه اجزای مجزا هستند. آنها بخشی از چیزی هستند که یک مدار مجتمع نامیده می شود (همچنین به عنوان ریزتراشه شناخته می شود)، که در آن ترانزیستورهای زیادی به طور هماهنگ برای کمک به کامپیوتر در تکمیل محاسبات کار می کنند. مدار مجتمع یک قطعه از مواد نیمه هادی است که با ترانزیستورها و سایر قطعات الکترونیکی بارگذاری شده است.

رایانه ها از این جریان ها در کنار جبر بولی برای تصمیم گیری ساده استفاده می کنند. با تعداد زیادی ترانزیستور، یک کامپیوتر می تواند خیلی سریع تصمیمات ساده بگیرد و بنابراین محاسبات پیچیده را نیز خیلی سریع انجام دهد.

کامپیوترها برای انجام وظایف به میلیون ها یا حتی میلیاردها ترانزیستور نیاز دارند. به لطف قابلیت اطمینان و اندازه فوق‌العاده کوچک ترانزیستورهای منفرد، که بسیار کوچک‌تر از قطر یک موی انسان هستند، مهندسان می‌توانند تعداد نامحسوسی از ترانزیستورها را در مجموعه گسترده‌ای از محصولات کامپیوتری قرار دهند.

در دهه‌های 1960 و 1970، محصولات ترانزیستوری عمدتاً از طراحی ترانزیستور اتصال بنیادی که توسط آزمایشگاه‌های بل توسعه یافته بود استفاده می‌کردند. پیشرفت در توسعه سیلیکون در دهه 1970 منجر به تولید ترانزیستورهای اثر میدان نیمه هادی اکسید فلزی (MOSFET) شد. ماسفت‌ها از اصول مشابه سایر ترانزیستورها استفاده می‌کنند و بسته به کاربرد مورد نظر، با انواع دیگر فلزات و اکسیدها دوپینگ می‌شوند.

بسیاری از انواع ترانزیستورهای دیگر نیز وجود دارد. مهندسان ترانزیستورها را بر اساس مواد نیمه هادی، کاربرد، ساختار، رتبه بندی توان، فرکانس کاری و سایر متغیرها دسته بندی می کنند. با پیشرفت تکنولوژی، مهندسان آموختند که می توانند ترانزیستورهای زیادی را به طور همزمان، بر روی یک قطعه از مواد نیمه هادی مشابه، همراه با اجزای دیگر مانند خازن ها و مقاومت ها بسازند.

نتیجه چیزی است که به آن مدار مجتمع می گویند. این مدارها که معمولاً فقط “تراشه” نامیده می شوند، حاوی میلیاردها ترانزیستور بی نهایت کوچک هستند. از دهه 1960، تعداد ترانزیستورها در واحد سطح هر 1.5 سال دو برابر شده است، به این معنی که مهندسان می توانند تعداد بیشتری از آنها را در محصولات کوچکتر و کوچکتر جمع کنند.

ترانزیستورهای تجاری سیلیکونی مدرن ممکن است اندازه کوچکتر از 45 نانومتر داشته باشند. آنها به قدری کوچک هستند که کارت  گرافیک جدید NVDIA ( GeForce RTX 3080,) بیش از 28 میلیارد ترانزیستور دارد که بیشترین تعداد ترانزیستورهای موجود در یک تراشه است. و این ترانزیستورها در مقایسه با آنچه در آینده می آیند غول پیکر هستند.

دانشمندانی در کره جنوبی به تازگی اولین ترانزیستور مولکولی جهان را ساخته اند که از یک مولکول بنزن ساخته شده است. اگرچه اندازه کوچک آن شگفت‌انگیز است اما مهندسان تاکید می‌کنند که آن‌قدر به حجم زیاد اهمیت نمی‌دهند، بلکه به کارایی اهمیت می‌دهند. تراشه‌های امروزی گرمای هدر رفته زیادی ایجاد می‌کنند، زیرا ترانزیستورهای آن‌ها آنطور که سازندگان محصول می‌خواهند انرژی را از خود عبور نمی‌دهند. ترانزیستورهای مولکولی ممکن است کلید بهبود کارایی را داشته باشند.

مواد ترانزیستور نیز به لطف پیشرفت های اخیر در ماده ای به نام گرافن در حال تغییر هستند. گرافن الکترون‌ها را بسیار سریع‌تر از سیلیکون منتقل می‌کند و می‌تواند منجر به تولید پردازنده‌های کامپیوتری شود که 1000 برابر سریع‌تر از محصولات مبتنی بر سیلیکون هستند.

مهم نیست که توسعه به کجا می‌رود، مطمئناً ترانزیستورها به پیشبرد تحقیقات محصول و پیشرفت‌های تکنولوژیکی ادامه خواهند داد که ما هنوز نمی‌توانیم تصور کنیم. رایانه‌ها سریع‌تر، ارزان‌تر و قابل اعتمادتر خواهند شد. تلفن های همراه و پخش کننده های موسیقی تا ابعاد بسیار کوچک کوچک می شوند و همچنان نسبت به مدل های قبلی هزینه کمتری دارند.

این قدرت ترانزیستورها در تغییر چشم انداز فناوری و در نهایت جامعه برای یک دستگاه ساده که 80 سال پیش اختراع شد، بد نیست.

تعریف ترانزیستور

transistor pin

ترانزیستور وسیله ای نیمه هادی است که سیگنال ضعیفی را از مدار کم مقاومت به مدار مقاومت بالا منتقل می کند. کلمات trans به معنای خاصیت انتقال و istor به معنای خاصیت مقاومت ارائه شده به اتصالات است. به عبارت دیگر، این یک دستگاه سوئیچینگ است که سیگنال های الکتریکی را مانند ولتاژ یا جریان، تنظیم و تقویت می کند.

ترانزیستور از دو دیود PN تشکیل شده است که پشت به هم متصل شده اند. دارای سه پایانه به نام های امیتر، بیس و کلکتور می باشد. بیس قسمت میانی است که از لایه های نازکی تشکیل شده است. قسمت سمت راست دیود امیتر و قسمت سمت چپ دیود پایه کلکتور نامیده می شود. این نام ها بر اساس ترمینال مشترک ترانزیستور ذکر شده است. اتصال مبتنی بر امیتر ترانزیستور به بایاس رو به جلو و اتصال پایه کلکتور با بایاس معکوس متصل می شود که مقاومت بالایی ارائه می دهد.

پایانه های ترانزیستوری

ترانزیستور دارای سه ترمینال به نام های امیتر، کلکتور و پایه است که در زیر با جزئیات توضیح داده شده است.


امیتر

قسمتی که بخش بزرگی از حامل بار اکثریت را تامین می کند، امیتر نامیده می شود. امیتر همیشه به صورت بایاس رو به جلو نسبت به بیس متصل است به طوری که اکثر حامل بار را به بیس تامین می کند. اتصال امیتر-بیس مقدار زیادی حامل بار را به بیس تزریق می کند زیرا به شدت دوپینک شده و اندازه متوسطی دارد.

کلکتور

بخشی که حامل بار تامین شده توسط امیتر را جمع آوری می کند، کلکتور نامیده می شود. اتصال کلکتور-بیس همیشه در بایاس معکوس است. عملکرد اصلی آن حذف اکثر بارها از محل اتصال خود به بیس است. بخش کلکتور ترانزیستور نیز نسبتاً دوپ شده است، اما اندازه آن بزرگتر است به طوری که می تواند بیشتر حامل بار عرضه شده توسط امیتر را جمع کند.

بیس

بخش میانی ترانزیستور به عنوان بیس شناخته می شود. بیس دو مدار را تشکیل می دهد، مدار ورودی با امیتر و مدار خروجی با کلکتور. مدار امیتر-بیس بایاس رو به جلو است و مقاومت پایینی را به مدار ارائه می دهد اما اتصال بیس کلکتور در بایاس معکوس است و مقاومت بالاتری را در برابر مدار ارائه می دهد. بیس ترانزیستور به آرامی دوپ شده و بسیار نازک است به همین دلیل اکثریت حامل های بار را به بیس ارائه می دهد.

شرایط کار ترانزیستور

هنگامی که اتصال امیتر در بایاس رو به جلو و اتصال کلکتور در بایاس معکوس باشد، گفته می شود که در ناحیه فعال است. ترانزیستور دارای دو اتصال است که می توانند به روش های مختلف بایاس شوند. هدایت کاری متفاوت ترانزیستور در جدول زیر نشان داده شده است.

ناحیه عملکرداتصال کلکتور(CB)اتصال امیتر(BE)وضعیت
فعال Reversed-biased
Forward-biased
FR
اشباع Forward-biased
Forward-biased
FF
قطع Reversed-biased
Reversed-biased
RR
معکوس Forward-biased
Reversed-biased
RF

FR

در این حالت، اتصال امیتر-بیس به صورت بایاس رو به جلو و اتصال بیس کلکتور به صورت بایاس معکوس متصل می شود. ترانزیستور در ناحیه فعال است و جریان کلکتور به جریان امیتر بستگی دارد. ترانزیستوری که در این ناحیه کار می کند برای تقویت استفاده می شود.

FF

در این شرایط، هر دو اتصال به سمت جلو بایاس هستند. ترانزیستور در حالت اشباع است و جریان کلکتور مستقل از جریان بیس می شود. ترانزیستورها مانند یک کلید بسته عمل می کنند.

RR

هر دو جریان بایاس معکوس هستند. امیتر حامل بار عمده را به بیس تامین نمی کند و جریان حامل ها توسط کلکتور جمع آوری نمی شود. بنابراین ترانزیستورها مانند یک کلید بسته عمل می کنند.

RF

اتصال امیتر-بیس در بایاس معکوس است و اتصال کلکتور-بیس در بایاس رو به جلو نگه داشته می شود. از آنجایی که کلکتور در مقایسه با محل اتصال امیتر کمی دوپ شده است، نمی تواند اکثر حامل بار را به بیس تامین کند. بنابراین عملکرد ضعیفی از ترانزیستور به دست می آید.

دسته بندی بلاگ
اشتراک گذاری

نوشته های مرتبط

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

سبد خرید

سبد خرید شما خالی است.

ورود به سایت