" مهندسی برق قدرت و صنعتی "

ترانزیستور

ترانزیستور:

سه نفر از دانشمندان لابراتوارهای بل در صدد کشف چیزی بودند که به جای لامپ رادیو به کار برند ولی کوچکتر و محکمتر باشد برق کمتری مصرف کند و دوام بیشتری داشته باشد و برر اثر کار زیاد نسوزد که ناگهان ترانزیستور را کشف کردند که تمام این خصوصیات را به علاوه مزایای بیشتری دارا است.

در 30 ژوئن 1948 دکتر جان باردین و والد براتاین دانشمندان آزمایشگاه تحقیقاتی شرکت بل، واقع در نیویورک خبر اختراع خود را به عموم جهان رساندند. این اختراع ترانزیستور نام گرفت.

یک ترانزیستور که بزرگتر از یک عدس نیست تقریباْ قادر است هر کاری را که لامپ‌های خلاء انجام می‌دادند، انجام دهد. به علاوه کارهایی را هم که این لامپها قادر به انجام آن نبودند انجام می‌دهد. به مرور زمان ترانزیستور جای لامپهای خلاء را گرفت. درست مثل اتومبیل که جای گاریهای قدیمی و اسبی را گرفت.

اگر چه ترانزیستور می تواند کارهای لامپ خلاء را انجام دهد، اما اصلاْ شباهتی به آن ندارد. نه کاتدی دارد و نه شبکه و صفحه ای حتی شکل ظاهری آن هم با لامپ خلاء کاملاْ متفاوت است.ترانزیستور یک وسیله یک سو کننده و نوسان ساز بسیار عالی است و رل مهمی در تمامی صنایع جدید به عهده دارد. ترانزیستور بدون آنکه نیازی به گرم شدن داشته باشد به محض برقراری اتصال و ولتاژ شروع به کار می کند. جریان مصرفی آن، یک هزارم جریان مصرفی لامپ معمولی است. به همین دلیل بسیار ارزانتر و استفاده از آْن ساده‌تر است.

ترانزیستور و مدار کوچک یکپارچه این امکان را به وجود آورد که رادیوهای کوچک جیبی و تلویزیونهای کوچکتر با تصویر بزرگتر ساخته شود. یک صنعت کاملا جدید پا به عرصه وجود گاشت.امروز از برکت دستگاه تنظیم قلب که با ترانزیستور کار می کند قلب بسیاری از بیماران به حال عادی می طپد. نابینایان با کمک دستگاههای ترانزیستوری می توانند موانع را ببینند نوار قلبی بیمار بستری را به وسیله تلفن به کارشناس قبل در هر نقطه دنیا که باشد می فرستند.هواپیماهای جت با سیستم هدایت سبک وزنی مجهز هستند و بالاخره همین مدار بسته یکپارچه است که امکانات سفر بشر به ماه را فراهم نمود.

مصرف ترانزیستور به طور روزافزونی رو به ازدیاد است. در رادیو، تلویزیون، مدارات الکترونیکی، هواپیما، رایانه، پزشکی و موشک ترانزیستور استفاده می‌شود. در ابتدا وجود ترانزیستور باعث شد که ارتباطات تلفنی راه دور، به طور مستقیم و بدون استفاه از اپراتور امکان پذیر شود. برای اولین بار در تاریخ، ارتباط بین دو شهر انگل وود و نیوجرسی با استفاده از ترانزیستور برقرار شد.

امروزه بعد از گذشت حدود نیم قرن ازاختراع ترانزیستور و مشتقات آن کار به جایی رسیده است که هر کس می تواند در منزل رایانه شخصی داشته باشد. ترانزیستور معمولی چیزی بیشتر از دو تکه سیم بسیار کوچک که در یک پولک ساخته شده از ژرمانیم یا سیلیکن قرار داده شده نیست.

تئوری کار ترانزیستور کمی پیچیده و تکنیکی است اما هر چه هست در ساخت آن از خواص نیمه رسانا استفاده شده است که از زمان کشف آن مدت زیادی نمی گذرد.

در نیمه رساناها مثل ژرمانیم و سیلیکن تعداد کمی الکترون حامل جریان وجود دارد شاید یک الکترون در هر یک میلیون اتم. اگر چه این رقم خیلی کوچک است، اما می توان با تغییر ساختمان داخلی مواد، با استفاده از میدانهای الکتریکی این رقم را هزار برابر نمود.

برای روشن تر شدن مفهوم بالا باید ساختمان اتم را کمی بیشتر مطالعه کرد. الکترونهای موجود در مواد نارسانا در مدارهای مختلف بهصورت حلقه ای در اطراف هسته اتم در چرخش هستند و سرعت زیاد و تولید انرژی فراوان سبب می شود که الکترونها نتوانند از مسیر خود منحرف و یا جابجا شوند.

در نتیجه الکترونها امکان برقراری هیچ نوع جریان الکتریکی را نمی یابند. در اجسام نارسانا، پوسته الکترونی و یا باند ظرفیتی آن(آخرین حلقه الکترون دار به دور هسته اتم) از باند هدایت جدا بوده و انرژی بسیار زیادی لازم است تا یک الکترون را از پوسته الکترونی جدا کند و به باند هدایت کننده بفرستد. اما در اجسام رسانا مانند فلزات این پوسته الکترونی یا باند هدایت کننده تداخل پیدا کرده و الکترونهای به راحتی جابجا می شوند.

در یک عنصر نیمه رسانا مانند ژرمانیم و یا سیلیکن الکترونهای موجود در باند ظرفیت نزدیک به باند هدایت کننده قرار ندارند اما می توان با تحریک خارجی آنها را در هم داخل کرد. به طور مثال گرمای محیط و اتاق می تواند تعداد زیادی الکترونهای اتم ژرمانیم را به باند هدایت بفرستد و در اثر این جابجایی حفره هایی در محل های قبلی الکترونها به وجود می آید.

این حفره ها حامل بار مثبت بوده و حاضر به پذیرش الکترونهای عناصر قبلی و مواد دیگر هستند.حفره ها نه تنها الکترونها را می پدیرند بلکه خود به طرف باند هادی حرکت می کنند و در اثر این حرکت جریانی را به وجود می آورند و در عین حال الکترونها را هم در مسیر همین جریان با خود حمل می کنند.

کمترین تحریک خارجی حفره ها را در جهت حفره هایی که از فرار لکترونها به سمت باند هادی به وجود آمده است به حرکت درآورده و این حفره های متحرک علاوه بر اینکه خود تولید جریان می نمایند، الکترونهایی را که از مواد خارجی دیگر به داخل اتم ژرمانیم وارد شده اند حمل کرده و در نتیجه باعث افزایش جریان می شوند.

تشریحات آزمایشگاه تحقیقاتی بل در اول جولای سال 1948 چنین می گوید: کار ترانزیستور بر پایه این حقیقت که الکترونهای موجود در نیمه رساناها می توانند به دو صورت متفاوت جریان را برقرار کنند، قرار دارد.

 بیشتر الکترونهای موجود در نیمه رسانا اصولاٌ‌ کمکی به برقراری جریان نمی کنند. بلکه آنها در وضعیت ثابتی به هم چسبیده اند.

درست مثل اینکه آنها را با چسب به هم چسبانده باشند. تنها وقتی که یکی از این الکترونها از جای خود خارج شود و یا به طریقی یک الکترون خارجی به مجموعه آنها وارد شود، جریان برقرار می شود. به زبان دیگر اگر یکی از الکترونهای موجود در مجموعه به هم چسبیده از محل خود جدا شود حفره ای که در اثر این جابجایی بوجود می آید مانند حباب هوای موجود در مایع می تواند حرکت کند و جریانی را برقرار سازد.

در ترانزیستوری که از واد نیمه رسانا ساخته شده است به طور معمول فقط در اثر ورود الکترون اضافی شروع به برقراری جریان می کند. جریان از نقطه ورود الکترون که ولتاژ مثبت کمی دارد شروع به حرکت کرده و از محل خروج الکترون خارج می شود ولتاژ نقطه خروجی ولتاژ منفی بیشتری دارد.

بعد از اختراع ترانزیستور و به وجود آمدن انواع گوناگون آن مدارهای مجتمع اختراع شد. به این قطعات آی سی می گویند. آی سی ممکن است گاهی صدها ترانزیستور ساخته شده باشد که داخل یک قطعه 3*1 سانتیمتری قرار گرفته اند.

 اختراع آی سی تحول عظیم دیگری را در صنعت الکترونیک به وجود آورد. در ادامه تحقیقات و پیشرفتهایی که در زمینه ساخت آی سی به دست آمد، آی سی های برنامه ریزی شده اختراع شدند در یک آی سی برنامه ریزی شده که ابعادی معادل 8*2 سانتیمتر دارد میلیونها حافظه وجود دارد.

اختراع رایانه های خانگی مدیون وجود آی سی هاست که همه آنها به وجود ترانزیستور و اختراع آن مربوط می شود

ترانزیستور 

در سالهای 1904تا 1947 لامپها تنها وسایل الکترونیکی بودند که برای تقویت مورد استفاده قرار می گرفتند . در سال 1906لامپ سه قطبی توسط لی دی فورست ساخته شد و در سال 1930لامپ های چهار قطبی ( تترود ) و پنج قطبی ( پنتود ) نیز ساخته شدند . در سال های بعد ، صنعت الکترونیک به عنوان یک صنعت اصلی و مهم با قابلیت توسعه بسیار ، مورد توجه قرار گرفت . در 23 دسامبر 1947 صنعت الکترونیک به موفقیت جدیدی دست یافت .

دربعد از ظهر این روز والتربراتین و جان باردین عمل تقویت سیگنال را توسط اولین ترانزیستوری که در لابراتوار کمپانی بل ، طراحی . ساخته شده بود ، انجام دادند . 

برتریهای ترانزیستور بر لامپ های الکترونی 

بعد از اختراع ترانزیستور ، برتریهای این المان نسبت به لامپهای الکترونی ، به زودی آشکار گشت . به طوری که در رادیو و تلویزیون و هم همچنین مدارات الکترونی ترانزیستوری ، بلافاصله ساخته شدند . در زیر به برخی از برتریهای ترانزیستود نسبت به لامپ های الکترونی اشاره شده است . 

الف: کوچک تر و سبک تر بودن 
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 . 

ساختمان ترانزیستور 

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 

نیمه هادی نوع N یا P به عنوان امیتر به کار می روند ، نسبت به لایه و کلکتور دارای ناخالصی بیشتری می باشد . ضخامت این لایه حدود چند ده میکرون است . و سطح تماس آن نیز بستگی به میزان فرکانسی و قدرت ترانزیستور دارد . 

لایه بیس نسبت به کلکتور دارای ناخالصی کمتری است و ضخامت آن نیز به مراتب کمتر از امیتر و کلکتور می باشد و عملا از چند میکرون تجاوز نمی کند . 
ناخالصی لایه کلکتور از امیتر کمتر و از بیس بیشتر است . ضخامت این لایه به مراتب بزرگتر از امیتر می باشد ، زیرا تقریبا تمامی تلفات حرارتی ترانزیستور در کلکتور ایجاد می شود . 
این نوع ترانزیستورها را به اختصار BJT (Bipolar Junction Transistor ) می نامند . 

عملکرد ترانزیستور 

بایاسینگ ترانزیستور : برای اینکه بتوان از ترانزیستور به عنوان تقویت کننده ، سوییچ و ...استفاده نمود ، باید ابتدا ترانزیستور را از نظر ولتاژDC تغذیه کرد ، عمل تغذیه ولتاژ پایه های ترانزیستور را بایاسینگ ترانزیستور می گویند .

با توجه به اینکه ترانزیستور دارای سه پایه می باشد می توانیم یکی از پایه هارا به عنوان مشترک و دو پایه دیگر را به عنوان ورودی و خروجی در نظر بگیریم . اتصال ولتاژ DC به پایه های مختلف ترانزیستور نحوه کار آن را بیان می کند . چون پایه های ترانزیستور سه عدد است ، لذا می توانیم ولتاژ dc را به فرمهای مختلف به ترانزیستور متصل کنیم

انواع ترانزیستور:

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.