در مجموعه آموزش های تحلیل و بررسی مدارات الکترونیکی قسمت ششم به یکی دیگر از قطعات کلیدی و کاربردی، شناخت ترانزیستور می پردازیم. ترانزیستورها یکی از مهم ترین و بنیادی ترین قطعات علم الکترونیک به شمار می روند. به کمک این قطعه مدارات با جریان های بسیار ضعیف تا مدارات با جریان های قوی، کنترل و اجرا می شوند. در طرف دیگر ترانزیستورهای هسته اصلی ساخت پردازنده ها را تشکیل می دهند. ترانزیستورها در علم الکترونیک به قدری اهمیت دارند که بدون وجود آن ها، قطعا هیچ مداری به صورت عملی امکان روشن شدن و فعالیت را نخواهد داشت. به عبارت دیگر، علم الکترونیک با قطعه ترانزیستور مفهوم و موجودیت پیدا می کند. در این آموزش قصد داریم تا به مفهوم ترانزیستور، تعریف، پارامترها و کاربردها بپردازیم. همانطور که در قسمت های پیشین سلسله آموزش ها ابتدا با معرفی قطعه آموزش را شروع نمودیم، این آموزش را ابتدا با معرفی قطعه شروع کرده و سپس در ادامه وارد جزییات بیشتری خواهیم شد. در ادامه با مرجع تخصصی الکترونیک به زبان فارسی، دیجی اسپارک همراه باشید.
مفهوم و تعریف ترانزیستور
ترانزیستور یک دستگاه الکترونیکی نیم‌رسانا است که برای کنترل جریان الکتریکی استفاده می‌شود. این دستگاه به طور گسترده در مدارات الکترونیکی و سیستم‌های دیجیتالی استفاده می‌شود و از اهمیت بسیاری برخوردار است.ترانزیستورها در معماری‌های مختلفی مانند ترانزیستورهای پلانار، ترانزیستورهای نیمه‌هادی، و ترانزیستورهای فلز-نیمه‌هادی وجود دارند. ترانزیستورهای بیپولار و ترانزیستورهای فلز-نیمه‌هادی شامل سه لایه نیمه‌رسانای نوع N و P هستند، در حالی که ترانزیستورهای فلز-اکسید-نیمه‌هادی (MOSFET) دارای لایه اکسیدی هستند که بین دروازه و کانال ترانزیستور قرار دارد.وظیفه ترانزیستور اصلی در مدارات الکترونیکی، تقویت و کنترل جریان الکتریکی است. این دستگاه می‌تواند به صورت سوئیچ (روشن/خاموش) عمل کند و جریان الکتریکی را تنظیم کند. به عبارت دیگر، با اعمال ولتاژ ورودی به ترانزیستور، جریان از منبع به بار تنظیم می‌شود.ترانزیستورها از طریق ترکیب و اجرای پیوستهٔ چندین ترانزیستور به صورت مدارات مجتمع بزرگتر مانند میکروپروسسورها، میکروکنترلرها و گیت‌های منطقی ساخته می‌شوند. این اجزا بسیار کوچک و قدرتمند هستند و امکانات بسیاری را برای ساخت مدارات الکترونیکی پیچیده فراهم می‌کنند.
ساختار و نحوه عملکرد ترانزیستور
ترانزیستورها دارای سه پایه هستند. یکی از این پایه ها به عنوان سیگنال ورودی تعریف می شود. حال هرگاه که ولتاژ اعمال شده به این پایه از حداقل ولتاژ مورد نیاز بیشتر شود، ترانزیستور روشن شده و دو پایه دیگر به هم اتصال می دهند. هرگاه که ولتاژ به قسمت سیگنال اعمال شود، دو پایه دیگر به هم اتصال داده و جریان الکتریکی برقرار می گردد. با توجه به ساختار و تعریف ترانزیستور، این قطعه را می توان همانند یک سوییچ فرض کرد؛ سوییچی که عملکرد مکانیکی نداشته و به صورت الکترونیکی با اعمال ولتاژ به یکی از پایه های آن، دو پایه دیگر به هم اتصال داده و جریان الکتریکی برقرار می شود. در کنار این، شما می توانید جریان خروجی را در یک ترانزیستور کنترل کنید. نکته جالب توجه اینست که شما می توانید میزان جریان خروجی در ترانزیستور را هم کنترل کنید. به عبارت دیگر با اعمال سیگنال مناسب به ورودی، میزان جریان گذرنده از دو پایه دیگر قابل کنترل خواهد بود. ترانزیستورها به طور عمده از جامد نیمه‌رساناها ساخته شده‌اند و از ساختارهای مختلفی برخوردارند. به عنوان مثال، ترانزیستورهای بیپولار دارای ساختار PNP و NPN هستند، در حالی که ترانزیستورهای فلز-اکسید-نیمه‌هادی (MOSFET) دارای ساختار P-channel و N-channel هستند. در این پاسخ، به صورت خلاصه به ساختار و عملکرد ترانزیستورهای بیپولار PNP و NPN اشاره خواهم کرد.
ترانزیستور بیپولار PNP:
ساختار ترانزیستور PNP شامل سه لایه نیمه‌رسانا است: نیمه‌رسانا نوع P (پایه/پیوند بیس) که بین دو لایه نیمه‌رسانای نوع N (امیتر و کلکتور) قرار دارد. در ترانزیستور PNP، جریان اصلی درون دستگاه توسط حرکت حفره‌ها ایجاد می‌شود. وقتی جریان پایه به پایه اعمال می‌شود، حفره‌ها از امیتر به پایه حرکت کرده و با جریان پایه بازیابی می‌شوند. این باعث ایجاد آبشاری از حرفه‌ها در ناحیه پایه می‌شود و جریان کلکتور افزایش می‌یابد.
ترانزیستور بیپولار NPN:
ساختار ترانزیستور NPN نیز شامل سه لایه نیمه‌رسانا است: نیمه‌رسانا نوع N (پایه/پیوند بیس) که بین دو لایه نیمه‌رسانای نوع P (امیتر و کلکتور) قرار دارد. در ترانزیستور NPN، جریان اصلی درون دستگاه توسط حرکت الکترون‌ها ایجاد می‌شود. وقتی جریان پایه به پایه اعمال می‌شود، الکترون‌ها از کلکتور به پایه حرکت کرده و با جریان پایه بازیابی می‌شود.
عملکرد ترانزیستورهای بیپولار PNP و NPN به شکلی مشابه است، به این معنی که جریان پایه کنترل کننده جریان کلکتور است. با تغییر جریان پایه، جریان کلکتور نیز تغییر می‌کند. اما نحوه کنترل جریان در این دو نوع ترانزیستور متفاوت است.در ترانزیستور NPN، وقتی جریان پایه اعمال می‌شود، الکترون‌هایی که از کلکتور جذب می‌شوند، از طریق ناحیه پایه می‌گذرند و به امیتر رسیده و به خارج خارج می‌شوند. در نتیجه، با افزایش جریان پایه، جریان کلکتور نیز افزایش می‌یابد.در ترانزیستور PNP، عملکرد برعکس است. وقتی جریان پایه اعمال می‌شود، حفره‌هایی که از امیتر جذب می‌شوند، از طریق ناحیه پایه می‌گذرند و به پایه رسیده و به خارج خارج می‌شوند. در این حالت، با افزایش جریان پایه، جریان کلکتور کاهش می‌یابد.بنابراین، در هر دو ترانزیستور PNP و NPN، جریان کلکتور به طور مستقیم یا معکوس تحت تأثیر جریان پایه قرار می‌گیرد، به این ترتیب که می‌توان با کنترل جریان پایه، جریان کلکتور را تنظیم کرد و ترانزیستور را به عنوان یک افزاینده یا یک سوئیچ در مدارهای الکترونیکی استفاده کرد.در کاربردهای وسیعی مانند مدارات تقویت صوتی، اینورترها، سیستم‌های منطقی، مدارات قدرت و غیره، ترانزیستورهای PNP و NPN از اهمیت بسزایی برخوردارند.
عملکرد ترانزیستورها براساس ساختار و عملکرد الکترونیکی آنها است. در ترانزیستورهای بیپولار PNP و NPN، جریان اصلی که از کلکتور به امیتر جریان می‌کند، توسط جریان پایه کنترل می‌شود. جریان پایه، جریانی است که از پایه به بینابین کلکتور و امیتر وارد می‌شود.وقتی جریان پایه به ترانزیستور PNP اعمال می‌شود، این جریان حفره‌ها را به سمت پایه حرکت می‌دهد. حفره‌ها از امیتر به پایه می‌رسند و سپس به خارج ترانزیستور خارج می‌شوند. این باعث ایجاد یک آبشار کاهنده از حفره‌ها در ناحیه پایه می‌شود و جریان کلکتور کاهش می‌یابد. در نتیجه، ترانزیستور PNP به عنوان یک سوئیچ عمل می‌کند و برای کنترل جریان استفاده می‌شود.اما در ترانزیستورهای NPN، وقتی جریان پایه اعمال می‌شود، الکترون‌ها از کلکتور به سمت پایه حرکت می‌کنند. الکترون‌ها از ناحیه پایه عبور کرده و به امیتر می‌رسند و سپس به خارج ترانزیستور خارج می‌شوند. این باعث ایجاد یک آبشار افزاینده از الکترون‌ها در ناحیه پایه می‌شود و جریان کلکتور افزایش می‌یابد. در نتیجه، ترانزیستور NPN به عنوان یک افزاینده عمل می‌کند و برای تقویت و افزایش جریان استفاده می‌شود.در ترانزیستورهای بیپولار، جریان پایه به تزریق اغتشاش (اندازه‌گیری الکترون‌ها و حفره‌ها) در ناحیه پایه منجر می‌شود. این تزریق اغتشاش باعث تغییرات الکتریکی در ناحیه پایه می‌شود که منجر به تغییر جریان کلکتور می‌شود. در ترانزیستور NPN، تزریق اغتشاش الکترونی اتفاق می‌افتد و جریان کلکتور با افزایش جریان پایه افزایش می‌یابد. در ترانزیستور PNP، تزریق اغتشاش حفره‌ای اتفاق می‌افتد و جریان کلکتور با افزایش جریان پایه کاهش می‌یابد. ترانزیستورهای بیپولار نیز قابلیت افزایش نرخ جریان را دارند. با اعمال جریان پایه، تغییرات الکترونیکی در ناحیه پایه ایجاد می‌شود که منجر به افزایش نرخ جریان کلکتور می‌شود. این افزایش نرخ جریان به دلیل تأثیر فعالسازی الکترونیکی و تأثیر امالی بین لایه‌های ترانزیستور بیپولار است.به عنوان یک خلاصه، ترانزیستورهای بیپولار PNP و NPN از تزریق اغتشاش و افزایش نرخ استفاده می‌کنند تا جریان کلکتور را با تغییرات جریان پایه کنترل کنند. در ترانزیستورهای بیپولار PNP و NPN، تغییر جریان پایه می‌تواند به صورت آنالوگ یا دیجیتال اتفاق بیافتد. این تغییرات جریان پایه باعث تغییرات قابل توجهی در جریان کلکتور می‌شود. به عبارت دیگر، ترانزیستورهای بیپولار به عنوان افزاینده‌ها عمل می‌کنند که جریان کوچکی را که به پایه وارد می‌شود، به جریان بزرگتری که از کلکتور عبور می‌کند، تقویت می‌کنند.ساختار ترانزیستورهای بیپولار PNP و NPN شامل سه قسمت اصلی است: پایه (Base)، امیتر (Emitter) و کلکتور (Collector). پایه می‌تواند متصل به یک منبع جریان کوچک باشد و وظیفه کنترل جریان بین امیتر و کلکتور را دارد.زمانی که جریان به پایه وارد می‌شود، این جریان به عنوان جریان کنترلی شناخته می‌شود و باعث تزریق اغتشاش یا افزایش نرخ جریان در ناحیه پایه می‌شود. این تغییرات در ناحیه پایه باعث تغییر جریان باریکه (کوچک) از امیتر به کلکتور می‌شود. در نتیجه، ترانزیستور بیپولار توانایی تقویت جریان را دارد و می‌تواند جریان ورودی را به جریان خروجی بزرگتری تقویت کند.
انواع مختلف ترانزیستورها
ترانزیستورها در انواع مختلفی موجود هستند، از جمله:
ترانزیستورهای بیپولار (Bipolar Junction Transistor – BJT):
ترانزیستور NPN: در این ترانزیستور، جریان اصلی از کلکتور به امیتر جریان می‌کند و جریان پایه برای کنترل جریان کلکتور استفاده می‌شود.
ترانزیستور PNP: در این ترانزیستور، جریان اصلی از امیتر به کلکتور جریان می‌کند و جریان پایه برای کنترل جریان کلکتور استفاده می‌شود.
ترانزیستورهای میدانی (Field-Effect Transistor – FET):
ترانزیستور MOSFET: این ترانزیستور بر اساس میدان الکتریکی کنترل جریان کلکتور است. دارای دو نوع MOSFET است: MOSFET با کانال N و MOSFET با کانال P.
ترانزیستور JFET: این ترانزیستور نیز بر اساس میدان الکتریکی عمل می‌کند و جریان کلکتور را کنترل می‌کند. دارای دو نوع JFET است: JFET با کانال N و JFET با کانال P.
ترانزیستورهای یکپارچه (Integrated Circuit Transistor – IC Transistor):
ترانزیستور دارای ساختار بیپولار یکپارچه (Bipolar IC Transistor): این ترانزیستورها درون مدارهای یکپارچه قرار دارند و به عنوان اجزای سازنده مدارهای الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
ترانزیستور دارای ساختار میدانی یکپارچه (FET IC Transistor): این ترانزیستورها درون مدارهای یکپارچه استفاده می‌شوند و قابلیت تقویت و کنترل جریان را دارند.
ترانزیستورهای قدرت (Power Transistors):
ترانزیستورهای قدرت بیپولار: این ترانزیستورها برای کاربردهای قدرت بالا و تقویت جریان قدرت استفاده می‌شوند، مانند درایورها، سوئیچینگ قدرت، و تقویت کننده‌های صوتی.
ترانزیستورهای قدرت MOSFET: این ترانزیستورها با کاربردهای قدرت بالا همراه هستند و معمولاً در مدارهای تغذیه، سیستم‌های قدرت، و الکترونیک صنعتی استفاده می‌شوند.
ترانزیستورهای نوری (Optoelectronic Transistors):
ترانزیستورهای فتوترانزیستور (Phototransistors): این ترانزیستورها قابلیت تشدید و تحریک توسط نور را دارند و در سنسورهای نوری، ارتباطات نوری و سوئیچینگ نوری استفاده می‌شوند.
ترانزیستورهای نیمه‌رساناهای دیگر:
ترانزیستورهای دیودی (DARLINGTON Transistors): این ترانزیستورها دو ترانزیستور بیپولار را در یک بسته‌بندی ترکیب کرده‌اند و قابلیت تقویت جریان بسیار بالا را دارند.
ترانزیستورهای نیمه‌رسانای زیگلر-نیکلسون (Sziklai Pair Transistors): این ترانزیستورها نوعی ترکیبی از ترانزیستورهای NPN و PNP هستند که جریان تقویت شده را تولید می‌کنند.
همچنین، در دسته ترانزیستورهای جدید و نوآورانه، ترانزیستورهای نانو، ترانزیستورهای کوانتومی، و ترانزیستورهای گرافنیتی (Graphene Transistors) نیز مطرح هستند که خصوصیات خاصی را از جمله سرعت بالا و کارایی بالا دارند.
ترانزیستور چگونه کار می‌کند؟
ترانزیستور یک قطعه الکترونیکی است که برای تقویت و کنترل جریان الکتریکی استفاده می‌شود. ترانزیستور در اصل از سه لایه نیمه‌هادی تشکیل شده است که به ترتیب به نام‌های پایه بیس (Base)، پایه کلکتور (Collector) و پایه امیتر (Emitter) شناخته می‌شوند. نوع ترانزیستور می‌تواند NPN یا PNP باشد، که تفاوت اصلی آنها در ترتیب قرارگیری لایه‌های نیمه‌هادی است.عملکرد ترانزیستور به این صورت است:
ترانزیستور NPN:
ولتاژ بین پایه امیتر (Emitter) و پایه بیس (Base) اعمال می‌شود. اگر ولتاژ بیشتر از ولتاژ آستانه (Threshold) باشد، جریان الکترونی از پایه امیتر به پایه بیس جاری می‌شود.
جریان الکترونی که از پایه بیس جریان می‌کند، تقویت می‌شود و از پایه کلکتور خارج می‌شود.
جریان خروجی پایه کلکتور برابر با تقویت جریان ورودی است.
این تقویت جریان در ترانزیستور NPN با تراشه انتقال الکترون صورت می‌گیرد.
ترانزیستور PNP:
ولتاژ بین پایه امیتر (Emitter) و پایه بیس (Base) اعمال می‌شود. اگر ولتاژ کمتر از ولتاژ آستانه (Threshold) باشد، جریان الکترونی از پایه بیس به پایه امیتر جاری می‌شود.
جریان الکترونی که از پایه بیس جریان می‌کند، تقویت می‌شود و به سمت پایه کلکتور جاری می‌شود.
جریان خروجی پایه کلکتور برابر با تقویت جریان ورودی است.
این تقویت جریان در ترانزیستور بر اساس نوع عملکرد و نحوه استفاده می‌توانند به انواع مختلفی تقسیم شوند.
ترانزیستورهای بیپلر (Bipolar Transistors): به دو نوع NPN و PNP تقسیم می‌شوند و از لایه‌های نیمه‌هادی P و N ساخته شده‌اند. ترانزیستورهای بیپلر شامل ترانزیستورهای جوانی و دارلینگتون می‌شوند.
ترانزیستورهای میدانی (Field-Effect Transistors – FETs): این نوع ترانزیستورها بر اساس کنترل جریان توسط میدان الکتریکی کار می‌کنند. دو نوع اصلی FET هستند: ترانزیستورهای MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors) و JFET (Junction Field-Effect Transistors). ترانزیستورهای MOSFET شامل MOSFET با کانال N و P هستند و ترانزیستورهای JFET شامل JFET با کانال N و P هستند.
ترانزیستورهای یکپارچه (Integrated Circuit Transistors – IC Transistors): این ترانزیستورها در چیپ‌های الکترونیکی بسیار کوچک قرار دارند و دروازه‌های منطقی و مدارهای تقویت کننده استفاده می‌شوند. آنها می‌توانند MOSFET یا BJT باشند و بر اساس نوع مدار، ترانزیستورهای تک قطبی (Unipolar Transistors) و دو قطبی (Bipolar Transistors) را شامل می‌شوند.
ترانزیستورهای قدرت (Power Transistors): این نوع ترانزیستورها برای کنترل و تقویت جریان‌ها و قدرت‌های بالا استفاده می‌شوند. آنها می‌توانند بر اساس نوع ساختار به ترانزیستورهای قدرت MOSFET، ترانزیستورهای قدرت BJT و ترانز
ترانزیستورهای نانو (Nanotransistors): این نوع ترانزیستورها با استفاده از مواد نانوساختار تولید می‌شوند و ابعاد بسیار کوچکی دارند. آنها به عنوان قسمتی از نانوالکترونیک و تکنولوژی نانو استفاده می‌شوند و قابلیت افزایش کارایی و کاهش اندازه دستگاه‌های الکترونیکی را فراهم می‌کنند.
ترانزیستورهای نیمه‌هادی تثبیت‌شده (Fixed Bias Transistors): در این نوع ترانزیستورها، ولتاژ بیاس به طور مستقل تنظیم شده و جریان کاری آنها توسط یک مقاومت ولتاژ تقسیم شده است. این ترانزیستورها برای کاربردهایی مانند تقویت سیگنال و تقویت قدرت استفاده می‌شوند.
ترانزیستورهای فلز-نیمه‌هادی (Metal-Semiconductor Transistors): در این نوع ترانزیستورها، لایهٔ نیمهٔ هادی بین دو الکترود فلزی قرار دارد. این ترانزیستورها عمدتاً در سنسورها و انواع دیودهای نوری استفاده می‌شوند.
ترانزیستورهای اثر میدان هیبریدی (Hybrid Field-Effect Transistors): این نوع ترانزیستورها ترکیبی از ترانزیستورهای میدانی (FET) و ترانزیستورهای بیپلر (BJT) هستند. آنها به عنوان گزینه‌هایی برای کاربردهایی که نیاز به سرعت و قدرت بالا دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرند.
نواحی کاری ترانزیستور
یک ترانزیستور با اعمال ولتاژ به پایه ورودی روشن شده و پایه های خروجی را به هم متصل می کند. به عنوان مثال با اعمال ولتاژ مناسب به پایه بیس، پایه کلکتور به امیتر متصل شده و جریان الکتریکی شروع به جاری شدن می نماید. یک ترانزیستور به طور کلی دارای ۳ ناحیه کاری مختلف است. این نواحی عبارتند از
۱-ناحیه قطع
۲-ناحیه خطی
۳-ناحیه اشباع
در رابطه با ناحیه قطع، زمانیکه ولتاژ اعمال شده به ورودی، به عنوان مثال پایه بیس، از حداقل ولتاژ کمتر باشد ترانزیستور خاموش بوده و هیچ جریانی بین پایه های خروجی، به عنوان مثال امیتر و کلکتور برقرار نخواهد شد. در ادامه این موضوع، با افزایش ولتاژ و روشن شدن ترانزیستور، این قطعه وارد ناحیه خطی می شود. در ناحیه خطی با افزایش ولتاژ جریان خروجی افزایش می یابد. به عبارت دیگر در این ناحیه با افزایش ولتاژ ورودی جریان افزایش و با کاهش ولتاژ ورودی جریان خروجی کاهش می یابد. در این مرحله پس از افزایش ولتاژ و گذر از ناحیه خطی وارد ناحیه اشباع خواهیم شد. در ناحیه اشباع هرچقدر که ولتاژ را افزایش دهید(ولتاژ تا آستانه تحمل ترانزیستور) تغییری در جریان نخواهیم داشت. نمودار زیر روند عملکرد این قطعه را در سه ناحیه مختلف نمایش می دهد.
توجه: ولتاژ بین پایه بیس و امیتر(VBE) سبب روشن شدن ترانزیستور BJT و ولتاژ بین پایه های گیت-سورس(VGS) روشن کننده ترانزیستور MOSFET است. این دو پایه همچنین جریان خروجی را با توجه به ولتاژ خو.د کنترل می کنند.
ترانزیستورها در موارد مختلفی و در نواحی کاری مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. در زیر، به برخی از نواحی کاری ترانزیستورها اشاره می‌کنم:
تقویت (Amplification): ترانزیستورها به طور گسترده در نواحی تقویت استفاده می‌شوند. با تزریق جریان کنترلی به پایه ترانزیستور، جریان بین کلکتور و امیتر تقویت می‌شود. این نوع ترانزیستورها به عنوان افزاینده‌ها (Amplifiers) در مدارهای الکترونیکی استفاده می‌شوند تا سیگنال‌ها را تقویت کنند.
سوئیچینگ (Switching): ترانزیستورها به عنوان سوئیچ‌ها (Switches) نیز استفاده می‌شوند. با تغییر وضعیت روشن و خاموش شدن جریان کنترلی، ترانزیستور می‌تواند جریان بین کلکتور و امیتر را کنترل کند. این نوع ترانزیستورها در سیستم‌های دیجیتال، منطقی و رله‌های الکترونیکی استفاده می‌شوند.
تنظیم و کنترل (Regulation and Control): ترانزیستورها در نواحی تنظیم و کنترل استفاده می‌شوند. با کنترل جریان پایه، می‌توان جریان بین کلکتور و امیتر را تنظیم کرد. این نوع ترانزیستورها در رگولاتورها (Regulators)، منابع تغذیه (Power Supplies)، مدارهای قدرت و کنترل سرعت استفاده می‌شوند.
درایورها (Drivers): ترانزیستورها به عنوان درایورها (Drivers) در مدارهای قدرت استفاده می‌شوند. آنها جریان بالا را به بارهای قدرتی مانند موتورها، سلف‌ها و بارهای مقاومتی ارسال می‌کند.
سوئیچینگ قدرت (Power Switching): ترانزیستورهای قدرت، به عنوان سوئیچ‌های قدرت، در کاربردهایی که نیاز به کنترل جریان بالا یا ولتاژ بالا دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرند. این کاربردها شامل درایو سوئیچ‌های قدرت، تقویت کننده‌های صوتی قدرتمند، منابع تغذیه قدرت، تبدیل کننده‌های DC به DC و سوئیچینگ اینورترها می‌شود.
سنسورها (Sensors): در برخی از ترانزیستورها، تغییر در محیط در برابر تغییرات فیزیکی مانند دما، نور، فشار و غیره تأثیر می‌گذارد. این ترانزیستورها به عنوان سنسورها استفاده می‌شوند تا این تغییرات را به سیگنال الکتریکی تبدیل کنند. مثال‌هایی از این نوع ترانزیستورها شامل ترانزیستورهای نوری (Phototransistors)، ترانزیستورهای حسگر دما و ترانزیستورهای فشارسنج هستند.
ارتباطات (Communications): ترانزیستورها به طور وسیع در صنعت ارتباطات استفاده می‌شوند. این شامل بخش‌هایی از تجهیزات مانند رادیوها، تلویزیون‌ها، مخابرات سیار، مودم‌ها و دستگاه‌های ارتباطات بی‌سیم است.
ترانزیستورهای منفی و مثبت PNP , NPN
در قسمت قبلی به بررسی نواحی کاری این قطعه پرداختیم. همانطور که گفته شد ولتاژ بین پایه های بیس و امیتر در ترانزیستور BJT و ولتاژ بین پایه های گیت و سورس در ترانزیستورهای MOSFET جهت روشن شدن قطعه بسیار تاثیر گذار هستند. در کنار این، ترانزیستور BJT دارای دو نوع NPN و PNP و ترانزیستور MOSFET دارای دو نوع N و P است. ترانزیستور NPN ترانزیستوری مثبت و ترانزیستور PNP ترانزیستوری منفی محسوب می گردد.ترانزیستورهای PNP و NPN دو نوع رایج ترانزیستورهای بیپولار هستند و اصول عملکرد آنها متفاوت است. تفاوت اصلی بین ترانزیستورهای PNP و NPN در ساختار لایه‌های نیمه‌رسانای آنها و جریان الکترون‌ها و حفره‌ها است که در آنها حرکت می‌کنند. البته، عملکرد کلی ترانزیستورهای PNP و NPN به شکلی مشابه است و هر دو نوع قابلیت تقویت جریان را دارند.در ترانزیستورهای PNP، لایه‌های نیمه‌رسانای نوع P در میان لایه‌های نوع N قرار دارند. بنابراین، در ترانزیستور PNP، جریان اصلی درون دستگاه توسط جریان حفره‌ها (Positive carriers) تشکیل می‌شود. هنگامی که جریان پایه (Base current) به ترانزیستور PNP اعمال می‌شود، این جریان باعث ایجاد جریان کلکتور (Collector current) می‌شود و در نتیجه از امپلیفایر استفاده می‌شود.در ترانزیستورهای NPN، لایه‌های نیمه‌رسانای نوع N در میان لایه‌های نوع P قرار دارند. در این حالت، جریان اصلی درون دستگاه توسط جریان الکترون‌ها (Negative carriers) تشکیل می‌شود. وقتی جریان پایه به ترانزیستور NPN اعمال می‌شود، جریان کلکتور افزایش می‌یابد و ترانزیستور به عنوان یک افزاینده (Amplifier) عمل می‌کند.در هر دو ترانزیستور PNP و NPN، جریان پایه (Base current) کنترل کننده جریان کلکتور (Collector current) است. با تنظیم جریان پایه، جریان کلکتور قابل کنترل است.در ترانزیستورهای PNP و NPN، جریان پایه تأثیر مستقیم بر جریان کلکتور دارد. وقتی جریان پایه به ترانزیستور اعمال می‌شود، بین لایه‌های پایه (Base) و امیتر (Emitter) تغییرات الکتریکی اتفاق می‌افتد که باعث تغییر در عملکرد ترانزیستور می‌شود.در ترانزیستورهای NPN، هنگامی که جریان پایه به ترانزیستور اعمال می‌شود، الکترون‌های بار الکترونی به سمت لایه پایه حرکت کرده و در آنجا با جریان پایه بازیابی می‌شوند. این حرکت الکترون‌ها باعث ایجاد یک آبشار افزاینده می‌شود و جریان الکترونی به عنوان جریان کلکتور افزایش می‌یابد. بنابراین، ترانزیستور NPN به عنوان یک افزاینده استفاده می‌شود.در ترانزیستورهای PNP، هنگامی که جریان پایه به ترانزیستور اعمال می‌شود، جریان حفره‌ها به سمت لایه پایه حرکت می‌کنند و با جریان پایه بازیابی می‌شوند. این جریان حفره‌ها باعث ایجاد یک آبشار کاهنده می‌شود و جریان کلکتور به عنوان یک جریان کاهنده کنترل می‌شود. بنابراین، ترانزیستور PNP به عنوان یک سوئیچ استفاده می‌شود.به طور خلاصه، در ترانزیستورهای NPN، جریان کلکتور با افزایش جریان پایه افزایش می‌یابد، در حالی که در ترانزیستورهای PNP، جریان کلکتور با افزایش جریان پایه کاهش می‌یابد. این تفاوت ساختاری باعث می‌شود که این دو نوع ترانزیستور در کاربردهای مختلفی مورد استفاده قرار گیرند.
موضوع مثبت و منفی بودن دقیقا برای ترانزیستورهای ماسفت نیز برقرار است. ترانزیستورهای نوع P منفی و ترانزیستور های نوع N مثبت محسوب می شوند. در ترانزیستور مثبت، اعمال ولتاژ مثبت، به عنوان مثال ۰٫۶ سبب روشن شدن قطعه می شود، حال اینکه در ترانزیستور منفی اعمال ولتاژ زیر صفر ولت، به عنوان مثال ۶٫۰- سبب روشن شدن ترانزیستور خواهد شد. بدین ترتیب برای راه اندازی و کار با ترانزیستور باید به این موضوعات دقت نظر لازم را در نظر داشت.
کاربردهای ترانزیستور
ترانزیستورها کاربردهای بسیار گسترده‌ای در صنعت الکترونیک دارند. در زیر، برخی از کاربردهای ترانزیستورها را ذکر می‌کنم:
الکترونیک مصرفی: ترانزیستورها در مدارهای الکترونیکی مصرفی مانند تلویزیون‌ها، رادیوها، رایانه‌ها، موبایل‌ها و سایر دستگاه‌های الکترونیکی که در زندگی روزمره استفاده می‌شوند، به عنوان قسمتی اساسی برای تقویت و کنترل سیگنال‌های الکتریکی استفاده می‌شوند.
صنعت مخابرات: در تجهیزات مخابراتی مانند مودم‌ها، روترها، تلفن‌های همراه و سیستم‌های مخابراتی دیگر، ترانزیستورها به عنوان قسمتی اساسی در مدارهای فرستنده و گیرنده و همچنین در تقویت سیگنال‌ها و تنظیم قدرت استفاده می‌شوند.
صنعت قدرت: در صنعت قدرت، ترانزیستورهای قدرت به عنوان سوئیچ‌ها در تجهیزاتی مانند منابع تغذیه قدرت، تبدیل کننده‌های DC به DC، اینورترها و درایوهای موتور استفاده می‌شوند.
رایانش و میکروپردازنده‌ها: ترانزیستورها در مدارهای میکروپردازنده‌ها و رایانه‌های شخصی (PCs) به عنوان دروازه‌های منطقی استفاده می‌شوند تا عملیات منطقی و محاسباتی را انجام دهند. ترانزیستورهای سریع و کوچک بهبود قابلیت عملکرد و سرعت رایانه‌ها را فراهم می‌کنند.
الکترونیک صنعتی: در صنعت، ترانزیستورها به عنوان قسمتی اساسی در مدارهای کنترل و اتوماسیون استفاده می‌شوند. آنها در مدارهای کنترل دما، فشار، سرعت و دیگر پارامترهای صنعتی استفاده می‌شوند تا فرآیندهای تولید و سیستم‌های اتوماسیون صنعتی را کنترل کنند.
پزشکی: ترانزیستورها در صنعت پزشکی به عنوان قسمتی از تجهیزاتی مانند مانیتورهای قلب، دستگاه‌های تشخیص تصویری (MRI و CT Scan) و دستگاه‌های پزشکی دیگر استفاده می‌شوند. آنها در تقویت سیگنال‌های بیولوژیکی و انتقال اطلاعات در سیستم‌های پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
همچنین، ترانزیستورها در بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی کوچکتر مانند ساعت‌ها، دستگاه‌های حفاظتی، تجهیزات اندازه‌گیری، سیستم‌های صوتی و وسایل الکترونیکی مصرفی دیگر نیز استفاده می‌شوند.کاربردهای ترانزیستورها بسیار متنوع هستند و هر روزه با پیشرفت تکنولوژی، کاربردهای جدیدی برای آنها پیدا می‌شود.توجه: ترانزیستور خود جریان را به صورت مستقل افزایش نمی دهد، بلکه با اتصال به یک منبع تغذیه قوی تر جریان این منبع را در مدار جاری می کند.در کنار این ترانزیستور می تواند به عنوان یک سوییچ الکترونیکی عمل کند. در این سوییچ زمانیکه ولتاژی به پایه بیس اعمال شود، ترانزیستور پایه های امیتر و کلکتور یا گیت و درین خود را به هم اتصال می دهد. در این حالت اگر مصرف کننده ای بین این دو پایه قرار داشته باشد، می تواند به عنوان یک سوییچ با دریافت فرمان وسیله برقی را کنترل نمایید. توجه: جهت اطلاعات مربوط به محاسبات ترانزیستور، روی این لینک کلیک کنید.
مزایا و معایب استفاده از ترانزیستور
مزایای استفاده از ترانزیستورها نیز عبارتند از:
تقویت و کنترل جریان: ترانزیستورها قابلیت تقویت جریان الکترونی را دارند. با اعمال جریان کنترل شده به پایه بیس یا دروازه ترانزیستور، جریان بین پایه کلکتور یا سورس و درین خروجی تقویت می‌شود. این امکان به ما می‌دهد که با استفاده از ترانزیستورها، سیگنال‌های ضعیف را به سیگنال‌های قدرتمند تقویت کرده و کنترل کنیم.
سرعت بالا: ترانزیستورها به دلیل ساختار نیمه‌هادی و اثر میدان، دارای سرعت بالایی هستند. زمانی که ولتاژ ورودی تغییر کند، ترانزیستورها به سرعت پاسخ می‌دهند و سیگنال را تقویت می‌کنند. این ویژگی مهم برای برنامه‌هایی است که نیاز به سرعت پردازش دارند، مانند کامپیوترها، تلفن همراه و سیستم‌های ارتباطات.
اندازه کوچک: ترانزیستورها دارای اندازه کوچکی هستند و به راحتی درون مدارها قرار می‌گیرند. این ویژگی به ما امکان می‌دهد تعداد بیشتری ترانزیستور را در یک چیپ الکترونیکی قرار دهیم و قدرت و عملکرد مدار را بهبود بخشیم.
کارایی بالا: ترانزیستورها کارایی بالایی دارند و به طور کلی به طور مؤثرتری انرژی را تبدیل می‌کنند.پایداری حرارتی: ترانزیستورها دارای پایداری حرارتی بالا هستند و به طور معمول قادر به کارکرد صحیح در دماهای مختلف هستند. این ویژگی اهمیت زیادی در برنامه‌هایی دارد که نیازمند کارکرد در شرایط دمایی متغیر است.
امکان اینتگرال: ترانزیستورها به راحتی در مدارهای اینتگرال قرار می‌گیرند. این به معنای امکان یکپارچه‌سازی تعداد زیادی ترانزیستور در یک چیپ الکترونیکی است. این امر منجر به کاهش هزینه تولید، افزایش قدرت و عملکرد مدارها می‌شود.
استحکام مکانیکی: ترانزیستورها دارای استحکام مکانیکی بالایی هستند و در مقابل ضربه‌ها و لرزش‌ها مقاوم هستند. این ویژگی بسیار مهم در صنایع خودرو، هوا و فضا، و دستگاه‌هایی است که در محیط‌های سخت قرار می‌گیرند.
معایب استفاده از ترانزیستورها نیز عبارتند از:
چگالی حرارتی: با افزایش تعداد ترانزیستورها در یک چیپ، چگالی حرارتی نیز افزایش می‌یابد. این می‌تواند باعث ایجاد مشکلات حرارتی، افت کارایی و نیاز به سیستم‌های خنک کننده قوی‌تر شود.
حساسیت به ضربه‌های الکترواستاتیک: ترانزیستورها به طور عمومی حساسیت بیشتری نسبت به ضربه‌های الکترواستاتیک (ESD) دارند. ضربه‌های الکترواستاتیک می‌توانند باعث آسیب و خرابی ترانزیستورها شوند.
حساسیت به تغییرات ولتاژ و جریان: ترانزیستورها به تغییرات ولتاژ و جریان حساس هستند. تغییرات ناخواسته در ولتاژ یا جریان ممکن است باعث خرابی و نقص عملکرد ترانزیستورها شود. بنابراین، نیاز به استفاده از مدارهای کنترل و پایدارسازی می‌باشد.
نویز و نوسانات: ترانزیستورها در فرکانس‌های بالا و در برخی حالت‌ها ممکن است نویز و نوسانات را ایجاد کنند. این مسئله مهم است در برنامه‌هایی که نیاز به دقت بالا و عدم تداخل سیگنال دارند، مانند سیستم‌های رادیویی و ارتباطات بی‌سیم.
مصرف انرژی: ترانزیستورها به طور عمومی مصرف انرژی کمتری نسبت به سایر قطعات الکترونیکی دارند، اما با افزایش تعداد ترانزیستورها در یک چیپ، مصرف انرژی نیز افزایش خواهد یافت.
قطعیت عمر: ترانزیستورها نیاز به شرایط عملیاتی مناسب دارند و در صورت عدم رعایت این شرایط، می‌توانند آسیب ببینند. عمر ترانزیستورها نیز به طور کلی محدود است و در طول زمان ممکن است نیاز به تعویض یا تعمیر داشته باشند.
روش تست ترانزیستور
برای تست ترانزیستور در مدارات الکترونیکی، می‌توان از روش‌های مختلف استفاده کرد. در زیر، چند روش رایج برای تست ترانزیستور را بررسی می‌کنیم:
روش استفاده از اسیلوسکوپ: با استفاده از اسیلوسکوپ، می‌توان سیگنال ورودی و خروجی ترانزیستور را مشاهده کرد و عملکرد آن را تحلیل کرد. با اعمال سیگنال ورودی به ترانزیستور، می‌توان خروجی را بررسی کرد و مشخص کرد که آیا ترانزیستور به درستی کار می‌کند یا خیر.
روش استفاده از مولتی‌متر: با استفاده از مولتی‌متر، می‌توان مقادیر جریان و ولتاژ ترانزیستور را اندازه‌گیری کرد. با تغییر ولتاژ ورودی و اندازه‌گیری جریان خروجی، می‌توان خصوصیات ترانزیستور را بررسی کرد.
روش استفاده از منبع جریان: در این روش، ترانزیستور به عنوان یک بخش از مدار استفاده می‌شود و با اعمال ولتاژ ورودی و اندازه‌گیری جریان، عملکرد ترانزیستور و مقدار جریان آن را بررسی می‌کنیم. این روش به خصوص برای تست ترانزیستورهای قدرتمند و بزرگتر استفاده می‌شود.
روش استفاده از دستگاه‌های تست خاص: برخی دستگاه‌های تست خاص برای تست ترانزیستورها وجود دارد که امکان تست دقیق و جامع را فراهم می‌کنند. این دستگاه‌ها اغلب قابلیت تشخیص نوع و خصوصیات ترانزیستور را دارند.
روش استفاده از منبع تغذیه قابل تنظیم: با استفاده از منبع تغذیه قابل تنظیم، می‌توان ولتاژ و جریان مورد نیاز برای تست ترانزیستور را تأمین کرد. با اعمال ولتاژ و جریان مشخص به ترانزیستور و اندازه‌گیری جریان و ولتاژ خروجی، می‌توان عملکرد و خصوصیات ترانزیستور را بررسی کرد.
روش استفاده از مدارهای تست ترانزیستور: برخی مدارهای طراحی شده به‌خصوص برای تست ترانزیستورها وجود دارند. این مدارها امکان اعمال سیگنال‌های مختلف به ترانزیستور را فراهم می‌کنند و خروجی را بررسی می‌کنند تا عملکرد و خواص ترانزیستور را تشخیص دهند.
روش استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی: با استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی مدار، می‌توان عملکرد ترانزیستور را شبیه‌سازی کرده و نتایج را تحلیل کرد. این روش مخصوصاً برای مدارات پیچیده و شبیه‌سازی دقیق ترانزیستورها استفاده می‌شود.
همچنین، در تست ترانزیستورها باید به مشخصات و نوع ترانزیستور توجه کرد. برای هر نوع ترانزیستور (مثل NPN، PNP، MOSFET و … ) روش‌های تست ممکن است متفاوت باشند و به دلیل پیچیدگی ترانزیستورهای بسیار پیشرفته، ممکن است نیاز به دستگاه‌ها و مدارهای تست ویژه‌ای داشته باشید.
لوازم مورد نیاز
لینک خرید انواع ترانزیستور، کلیک کنید
جمع بندی
در سلسله آموزش های مدارهای الکترونیکی قسمت ششم به ترانزیستور پرداختیم. آنطورکه در آموزش هم گفته شد، ترانزیستور یک قطعه فوق العاده کلیدی جهت تقویت جریان و سوییچ به کار می رود. در این آموزش مطابق رویه معمول ابتدا به معرفی و شرح قطعه پرداختیم. پس از این مرحله انواع ترانزیستورها و پس از این مرحله نواحی کاری ترانزیستور مورد بررسی قرار گرفت. در این آموزش مطابق سایر آموزش ها به معرفی پایه ها و نام گذاری آن ها پرداخته شد. در نهایت با معرفی ترانزیستورهای مثبت و منفی، بحث را پایان دادیم.
چنانچه در مراحل راه اندازی و انجام این پروژه با مشکل مواجه شدید، بدون هیچ نگرانی در انتهای همین پست، به صورت ثبت نظر سوالتان را مطرح کنید. من در سریع‌ترین زمان ممکن پاسخ رفع مشکل شما را خواهم داد. همچنین اگر ایرادی در کدها و یا مراحل اجرایی وجود دارند می‌توانید از همین طریق اطلاع رسانی کنید.
ممنون از توضیحات خوب شما
سپاس از لطف و همراهی شما