ترانزیستور چیست؟

مغز شما حاوی حدود 100 میلیارد سلول به نام نورون است، سوئیچ های کوچکی که به شما امکان می‌دهند به چیزها فکر کنید و آنها را به خاطر بسپارید. کامپیوترها هم حاوی میلیاردها "سلول مغزی" مینیاتوری هستند. این سلول‌ها در کامپیوتر ترانزیستور نامیده می‌شوند و معمولا از یک عنصر شیمیایی به نام سیلیکون که در ماسه یافت می شود،  ساخته می‌شوند.

ترانزیستورها بیش از نیم قرن پیش توسط جان باردین، والتر براتین و ویلیام شاکلی اختراع شدند و الکترونیک را متحول کردند. اما ترانزیستور چیست و چگونه کار می کند؟

در تصویر فوق یک ترانزیستور معمولی را بر روی یک برد الکترونیکی مشاهده می‌کنید. اگرچه مدارهای الکترونیکی ساده حاوی ترانزیستورهای منفرد مانند این هستند، اما مدارهای پیچیده درون رایانه ها نیز حاوی ریزتراشه هایی هستند که هر یک ممکن است دارای هزاران، میلیون ها یا صدها میلیون ترانزیستور باشند.

 

بیشتر بخوانید: ماسفت چیست و چگونه کار میکند؟

 

ترانزیستور چگونه کار می‌کند؟

 

تصویر 1: یک ترانزیستور 5401B در نمای نزدیک

 

توضیح عملکرد یک ترانزیستور واقعاً ساده و واقعاً پیچیده است. بیایید با بخش ساده شروع کنیم. ترانزیستور یک قطعه الکترونیکی مینیاتوری است که می تواند دو کار متفاوت انجام دهد. ترانزیستور می‌تواند به عنوان تقویت کننده یا سوئیچ کار کند.

هنگامی که ترانزیستور به عنوان یک تقویت کننده کار می کند، یک جریان الکتریکی کوچک در یک سمت (یک جریان ورودی) دریافت می‌کند و یک جریان الکتریکی بسیار بزرگتر (جریان خروجی) در سمت دیگر تولید می‌کند. به عبارت دیگر ترانزیستور یک نوع تقویت کننده جریان است.

یکی از اولین چیزهایی که بشر از ترانزیستورها برای ساخت آن استفاده کرد، سمعک بود. سمعک دارای یک میکروفون کوچک است که صداهای دنیای اطراف شما را دریافت می‌کند و آنها را به یک جریان الکتریکی تبدیل می‌کند. این جریان الکتریکی به یک ترانزیستور وارد می شود و تقویت می‌گردد و خروجی ترانزیستور یک بلندگوی کوچک را تغذیه می کند، بنابراین شما یک نسخه بسیار بلندتر از صداهای اطراف خود را می شنوید.

خرید ماسفت از فروشگاه اینترنتی لیون الکترونیک 

 

ترانزیستورها می‌توانند به عنوان سوئیچ نیز به کار روند. جریان الکتریکی کوچکی که از قسمتی از ترانزیستور می گذرد می تواند جریان بسیار بزرگتری را کنترل کند. به عبارت دیگر، جریان کوچک، جریان بزرگتر را کنترل می‌کند.

 اساساً همه تراشه های کامپیوتری اینگونه کار می کنند. به عنوان مثال، یک تراشه حافظه حاوی صدها میلیون یا حتی میلیاردها ترانزیستور است که هر کدام را می توان به صورت جداگانه روشن یا خاموش کرد. از آنجایی که هر ترانزیستور می تواند در دو حالت متفاوت قرار بگیرد، می‌تواند دو مقدار مختلف صفر و یک را ذخیره کند. با میلیاردها ترانزیستور، یک تراشه می‌تواند میلیاردها صفر و یک و تقریباً به همان تعداد اعداد و حروف معمولی (یا کاراکترها، همانطور که ما آنها را می‌نامیم) ذخیره کند.

 

تصویر فوق یکی از سمعک‌های ابتدایی را نشان می‌دهد، سمعک‌های فشرده جزو اولین کاربردهای ترانزیستورها بودند  و این یکی متعلق اواخر دهه 1950 یا 1960 است. این سمعک تقریباً به اندازه یک بسته کارت بازی است و  برای قرار گرفتن در جیب ژاکت طراحی شده. در طرف دیگر کیس یک میکروفون وجود دارد که صداهای محیط را دریافت می کند. شما می‌توانید به صورت واضح چهار ترانزیستور کوچک سیاه رنگ داخل آن را ببینید که صداها را تقویت می کنند و سپس آنها را به بلندگوی کوچکی که در گوش شما قرار دارد می‌فرستند.

نکته مهم در مورد ماشین‌های مکانیکی و قدیمی این بود که شما می‌توانستید قطعات آن را از هم جدا کنید تا بفهمید چگونه کار می‌کنند. با کمی سماجت و بررسی، می‌توانستید کشف کنید که هر جزء چه کاری انجام می‌دهد و چگونه یک حرکت به حرکت دیگری منجر می‌شود.

بیشتر بخوانید:بررسی 6 تفاوت ماسفت و IGBT در لیون الکترونیک 

 

اما الکترونیک کاملاً متفاوت است. در الکترونیک همه چیز در مورد استفاده از الکترون‌ها برای کنترل الکتریسیته است. الکترون یک ذره در داخل یک اتم است. این ذره بسیار کوچک است، و وزن آن معادل 0.0000000000000000000000000000000001 کیلوگرم است.

پیشرفته ترین ترانزیستورها می‌توانند حرکت تک تک الکترون‌ها را کنترل کنند، بنابراین می‌توانید تصور کنید که چقدر کوچک هستند. در یک تراشه کامپیوتری مدرن به اندازه یک ناخن، احتمالاً بین 500 میلیون تا دو میلیارد ترانزیستور جداگانه خواهید یافت. و هیچ شانسی برای جدا کردن این ترانزیستورها از هم وجود ندارد تا بفهمیم چگونه کار می‌کنند، بنابراین باید عملکرد ترانزیستور را با تئوری و تخیل درک کنیم. اول از همه، اگر بدانیم ترانزیستور از چه چیزی ساخته شده است، به درک بیشتر ما از آن کمک می‌کند.

 

ترانزیستور چگونه ساخته می شود؟

تصویر 2: ویفر سیلیکونی

ترانزیستورها اغلب از سیلیکون که یک عنصر شیمیایی موجود در ماسه است ساخته می‌شوند. سیلیکون در حالت نرمال الکتریسیته را هدایت نمی‌کند، یعنی اجازه نمی‌دهد الکترون‌ها به راحتی از آن عبور کنند. سیلیکون یک ماده نیمه هادی است، به این معنی که در واقع نه یک رسانا است (چیزی شبیه فلز که اجازه می دهد الکتریسیته جریان یابد) و نه یک عایق (چیزی مانند پلاستیک که جریان الکتریسیته را متوقف می کند).

اگر سیلیکون را با ناخالصی‌ها ترکیب کنیم (فرآیندی که به عنوان دوپینگ شناخته می‌شود)، رفتار آن در برابر عبور جریان الکتریکی متفاوت می‌شود. اگر سیلیکون را با عناصر شیمیایی آرسنیک، فسفر یا آنتیموان ترکیب کنیم، سیلیکون مقداری الکترون «آزاد» اضافی به دست می‌آورد، الکترون‌هایی که می‌توانند جریان الکتریکی را حمل کنند، بنابراین الکترون‌ها به طور طبیعی‌ از آن خارج می‌شوند.

از آنجایی که الکترون ها دارای بار منفی هستند، سیلیکونی که به این روش دوپ می شود را نوع n (نوع منفی) می‌نامیم. ما همچنین می‌توانیم سیلیکون را با ناخالصی‌های دیگر مانند بور، گالیم و آلومینیوم دوپ کنیم. سیلیکونی که به این روش ترکیب می‌شود، دچار کمبود الکترون می‌شود، بنابراین الکترون‌های موجود در مواد مجاور تمایل دارند به درون آن جریان پیدا کنند.

ما این نوع سیلیکون را نوع p (نوع مثبت) می‌نامیم.

توجه به این نکته مهم است که هیچ یک از سیلیکون های نوع n یا p به خودی خود شارژ ندارند: هر دو از نظر الکتریکی خنثی هستند. درست است که سیلیکون نوع n دارای الکترون‌های «آزاد» اضافی است که رسانایی آن را افزایش می‌دهد، در حالی که سیلیکون نوع p کمتر از آن الکترون‌های آزاد دارد که به افزایش رسانایی آن کمک می‌کند.

در هر مورد، رسانایی اضافی ناشی از افزودن اتم‌های خنثی از ماده ناخالصی به سیلیکون است که در ابتدا خنثی بوده است، توضیح دقیق تری نیاز دارد تا ایده ای به نام نظریه باند را معرفی کنم که کمی فراتر از حوصله این مقاله است. تنها چیزی که باید به خاطر داشته باشیم این است که «الکترون‌های اضافی» به معنای الکترون‌های آزاد اضافی هستند، الکترون‌هایی که می‌توانند آزادانه حرکت کنند و به حمل جریان الکتریکی کمک کنند.

بیشتر بخوانید: تفاوت ماسفت و BJT

ساندویچ های سیلیکونی

ما اکنون دو نوع مختلف سیلیکون داریم. اگر آنها را به صورت لایه‌ای کنار هم قرار دهیم و ساندویچ‌هایی از مواد نوع p و نوع n درست کنیم، می‌توانیم انواع مختلفی از قطعات الکترونیکی بسازیم که به روش‌های مختلف کار می‌کنند.

فرض کنید یک تکه سیلیکون نوع n را به یک تکه سیلیکون نوع p متصل می کنیم و کنتاکت هایی را به دو طرف آن متصل کنیم. اتفاقات هیجان انگیز و مفیدی در محل اتصال این دو لایه شروع می‌شود. اگر جریان الکتریکی را به آن متصل کنیم، می‌توانیم الکترون‌ها را در محل اتصال از سمت نوع n به سمت نوع p به جریان بیاندازیم و در مدار جریان ایجاد کنیم.

این پدیده به این دلیل اتفاق می افتد که فقدان الکترون در سمت نوع p پیوند، الکترون ها را از سمت نوع n می‌کشد و بالعکس. اما اگر جریان را معکوس کنیم، الکترون ها اصلاً جریان پیدا نمی کنند. آنچه ما در اینجا ساخته ایم دیود (یا یکسو کننده) نامیده می شود. دیود یک قطعه الکترونیکی است که به جریان الکتریکی اجازه می دهد تنها در یک جهت از آن عبور کند.

اگر می‌خواهید جریان الکتریکی متناوب (دو طرفه) را به جریان مستقیم (یک طرفه) تبدیل کنید، استفاده از دیود بسیار مفید است.

 

ترانزیستور چیست و چگونه کار می‌کند؟

حالا فرض کنید به جای دو لایه، از سه لایه سیلیکون در ساندویچ خود استفاده می کنیم. می‌توانیم یک ساندویچ p-n-p یا یک ساندویچ n-p-n درست کنیم. اگر کنتاکت‌های الکتریکی را به هر سه لایه ساندویچ متصل کنیم، می‌توانیم قطعه‌ای بسازیم که یا جریانی را تقویت می‌کند یا آن را روشن یا خاموش می‌کند. بیایید ببینیم که یک ترانزیستور n-p-n چگونه کار می کند؟

بیایید نام سه کنتاکت الکتریکی را بیان کنیم. ما دو پایه متصل به دو قطعه سیلیکون نوع n را امیتر و کلکتور و پایه متصل به سیلیکون نوع p را بیس می نامیم. می‌دانیم هنگامی که هیچ جریانی در ترانزیستور جریان ندارد، سیلیکون نوع p کم الکترون است (در اینجا با علائم مثبت نشان داده شده است) و دو قطعه سیلیکون نوع n دارای الکترون های اضافی هستند (که با منفی نشان داده شده است).

 

روش دیگری برای بیان این موضوع این است که بگوییم در حالی که نوع n دارای الکترون اضافی است، نوع p دارای حفره هایی است که الکترون ها باید در آن قرار بگیرند. در حالت نرمال، حفره‌های نیمه هادی بیس مانند یک مانع عمل می‌کنند و از عبور هر جریان از امیتر به کلکتور در زمان خاموش بودن ترانزیستور، جلوگیری می‌کند.

ترانزیستور زمانی شروع به کار می‌کند که الکترون‌ها و حفره‌ها شروع به حرکت در محل دو  اتصال بین سیلیکون نوع n و p کنند.

بیایید ترانزیستور را برای بایاس به منبع توان متصل کنیم. فرض کنید یک منبع توان را به پایه بیس و امیتر به نحوی متصل کنیم که قطب مثبت به بیس و قطب منفی به امیتر متصل  متصل گردد، و منبع دیگری را به گونه‌ای که قطب منفی آن به بیس و قطب مثبت آن به کلکتور باشد به ترانزیستور متصل کنیم. در این حالت چون امیتر دارای بار منفی و کلکتور دارای بار مثبت است، الکترون ها از امیتر به بیس کشیده می‌شوند و سپس از بیس به کلکتور، و ترانزیستور  از حالت خاموش وارد حالت "روشن" خود می‌گردد.

جریان کمی که در پایه بیس جاری می‌کنیم باعث می‌شود جریان زیادی بین امیتر و کلکتور جریان یابد. با تبدیل جریان ورودی کوچک به جریان خروجی زیاد، ترانزیستور مانند یک تقویت کننده عمل می کند. اما در عین حال مانند یک سوئیچ نیز عمل می کند. هنگامی که جریانی در پایه بیس وجود ندشته باشد، جریان بسیار کمی بین کلکتور و امیتر جاریست.

اما به محض ایجاد جریان در پایه بیس،  یک جریان بزرگ از امیتر به کلکتور جریان می‌یابد. بنابراین جریان بیس کل ترانزیستور را روشن و خاموش می‌کند. از نظر فنی، این نوع ترانزیستور دوقطبی نامیده می‌شود، زیرا دو نوع مختلف (یا "قطبیت") بار الکتریکی (الکترون‌های منفی و حفره‌های مثبت) در ایجاد جریان دخیل هستند.

 

ترانزیستور اثر میدانی (FET) چیست و چگونه کار می کند؟

وظیفه همه ترانزیستورها کنترل حرکت الکترون‌ها است، اما همه آنها این کار را به یک روش انجام نمی‌دهند. مانند یک ترانزیستور دو قطبی، یک FET (ترانزیستور اثر میدان) دارای سه ترمینال مختلف است. اما نام آنها سورس (مشابه با امیتر)، درین (مشابه با کلکتور) و گیت (مشابه با بیس) است. در FET، لایه‌های سیلیکون نوع n و p به روشی متفاوت چیده شده و با لایه‌هایی از فلز و اکسید پوشیده شده‌اند. که المانی به نام ماسفت (ترانزیستور اثر میدانی نیمه هادی اکسید فلز) را ایجاد می‌کند.

اگر چه الکترون‌های اضافی در نیمه‌هادی سورس و درین نوع n وجود دارد، اما به دلیل حفره‌هایی که در نیمه هادی گیت نوع p بین آنها وجود دارد، نمی‌توانند از یکی به دیگری جریان پیدا کنند. با این حال، اگر یک ولتاژ مثبت به گیت وصل کنیم، یک میدان الکتریکی در آنجا ایجاد می‌شود که به دلیل همنام بودن با گیت به آن فشار وارد می‌کند و باعث ایجاد یک کانال نازک بین سورس و درین می‌گردد و به جریان اجازه عبور می‌دهد. پس در نتیجه این "اثر میدان" به جریان اجازه  عبور می‌دهد و ترانزیستور را روشن می‌کند.

باید توجه داشت که ترانزیستور ماسفت یک ترانزیستور تک قطبی است، زیرا تنها یک نوع از بار الکتریکی در کارکرد آن دخیل است.

 

بیشتر بخوانید:  ویژگی و کاربرد ماسفت IRF540 چیست؟

کاربرد ترانزیستورها در ماشین حساب و کامپیوترها؟

در عمل، شما نیازی به دانستن هیچ یک از این مطالب در مورد الکترون‌ها و حفره‌ها ندارید، مگر اینکه بخواهید طراحی تراشه های کامپیوتری را به عنوانشغل خود انتخاب کنید! تنها چیزی که باید بدانید این است که ترانزیستور مانند تقویت کننده یا کلید کار می کند و از جریان کمی برای روشن کردن یک ترانزیستور بزرگتر استفاده می کند. اما یک چیز دیگر وجود دارد که ارزش دانستن دارد: چگونه همه اینها به رایانه ها در ذخیره اطلاعات و تصمیم گیری کمک می کند؟

 

ما می توانیم چند سوئیچ ترانزیستور را کنار هم قرار دهیم تا چیزی به نام گیت منطقی بسازیم که چندین جریان ورودی را با هم مقایسه می کند و  نتیجه را به صورت سیگنال خروجی برمیگرداند. گیت‌های منطقی به رایانه‌ها اجازه می‌دهند با استفاده از یک تکنیک ریاضی به نام جبر بولی، تصمیمات بسیار ساده‌ای بگیرند. مغز شما هم به همین ترتیب تصمیم می گیرد.

برای مثال، با استفاده از «ورودی‌ها» (چیزهایی که می‌دانید) درباره آب و هوا و آنچه در راهرو دارید، می‌توانید تصمیمی مانند این بگیرید: «اگر باران می‌بارد و من یک چتر دارم، به مغازه‌ می‌روم». این نمونه‌ای از جبر بولی است که از چیزی به نام "عملگر" AND استفاده می‌کند. شما می توانید تصمیمات مشابهی را با سایر عملگرها بگیرید.

"اگر باد می آید یا برف می بارد، پس من کت می پوشم" نمونه ای از استفاده از عملگر OR است. یا در مورد "اگر باران می بارد و من یک چتر دارم یا یک کت دارم، خوب است که بیرون بروم". با استفاده از AND، OR و سایر عملگرها به نام NOR، XOR، NOT و NAND، رایانه ها می توانند اعداد باینری را جمع یا مقایسه کنند. این ایده سنگ بنای برنامه های کامپیوتری است: مجموعه منطقی دستورالعمل هایی که کامپیوترها را وادار به انجام کارها می کند.

به طور معمول، ترانزیستور پیوندی هنگامی که جریانی در پایه بیس وجود نداشته باشد خاموش هستند و هنگامی که جریانی در پایه بیس جریان پیدا کند، به حالت "روشن" سوئیچ می‌شود. این بدان معناست که برای روشن یا خاموش کردن ترانزیستور جریان الکتریکی لازم است. اما ترانزیستورهایی مانند این را می‌توان به گیت‌های منطقی متصل کرد تا جریان خروجی آنها به ورودی‌هایشان بازگردد. با این ترکیب ترانزیستور و گیت منطقی باعث می‌شویم ترانزیستور حتی زمانی که جریان پایه بیسش از بیرون تامین نگردد، روشن بماند. 

 هر بار که یک جریان جدید به بیس تزریق گردد، ترانزیستور روشن یا خاموش ‌شود. و در یکی از آن حالت‌های پایدار (روشن یا خاموش) باقی بماند. این نوع چیدمان یا ترکیب جدید به عنوان فلیپ فلاپ شناخته می شود و ترانزیستور را به یک سلول حافظه ساده تبدیل می کند که صفر (زمانی که خاموش است) یا یک (زمانی که روشن است) را ذخیره می کند. فلیپ فلاپ ها فناوری اساسی پشت تراشه های حافظه کامپیوتری هستند.

 

سخن پایانی

هر شخصی که بخواهد در زمینه الکترونیک کار کند، باید کار با ترانزیستور را فرا بگیرد. ترانزیستورها قطعات بسیار پرکاربردی هستند و تقریبا در تمامی بردهای الکترونیکی به چشم می‌خورند.

شما می‌توانید برای خرید ترانزیستور دو قطبی و همچنین خرید ترانزیستور ماسفت به وبسایت لیون الکترونیک مراجعه نمایید، خرید قطعات الکترونیک اورجینال از وبسایت لیون الکترونیک همراه با گارانتی و مدت تست هم اکنون در اختیار شماست. شما همچنین می‌توانید برای قطعات ناموجود در بازار  از طریق وبسایت لیون الکترونیک اقدام به ثبت سفارش و واردات قطعات الکترونیک مورد نظر خود نمایید.