ترانزیستور چیست؟

بای بست الکترونیک

ترانزیستور از اجزای اصلی مدارهای الکترونیکی می باشد. از عناصر نیمه هادی مانند سیلیکون ، سیلیسیم و ژرمانیوم ساخته می شود.
ترانزیستور 3 تا پایه دارد. انواع ترانزیستور: به صورت کلی ترانزیستورها به دو دسته اصلی تقسیم می شوند که در ادامه با ساختار آن ها آشنا می شویم. 

ترانزیستور چیست؟

ترانزیستور چیست

  • ترانزیستور
  • کاربرد ترانزیستور
  • انواع ترانزیستور
  • تفاوت MOSFET و ترانزیستور FET
  • مقایسه ترانزیستور BJT-FET

ترانزیستور

ترانزیستور قلب تپنده مدار های الکترونیکی است که جزء اصلی تراشه های الکترونیکی را تشکیل می دهد.ترانزیستور ها در مدار گاهی به صورت کلید قطع و وصل و گاهی به صورت تقویت کننده ولتاژ یا جریان مورد استفاده قرار می گیرد.
ترانزیستور از عناصری به نام نیمه هادی مانند سیلیکون ، سیلیسیم و ژرمانیوم ساخته می شود ، نیمه هادی ها جریان الکتریسیته را نسبتا خوب هدایت می کنند به همین دلیل به آنها نیمه هادی می گویند. ترانزیستور می تواند مقدار هادی بودن خود را تغییر دهد (اما نه به اندازه ای خوب که رسانا خوانده شوند مانند مس و آلومنیوم و نه تقریبا بد به اندازه ای که عایق نامگذاری شوند مانند شیشه در واقع  میزان رسانایی یک نیمه هادی وابسته به پارامترهایی مثل دما و تعداد کم یا زیاد الکترون ها هست)  بنابراین در برخی شرایط رسانای جریان برق هستند و در برخی موارد  به صورت نارسانا عمل می کنند.

ترانزیستورها 3 تا پایه دارند

ترانزیستور هم در مدارات الکترونیک آنالوگ و هم در مدارات الکترونیک دیجیتال کاربردهای بسیار وسیعی دارد.

انواع ترانزیستور

ترانزیستورها به دو دسته اصلی تقسیم می شوند که در ساختار و نحوه فعال شدن تفاوت دارند.
   1. ترانزیستور دوقطبی پیوندی BJT)Bipolar Junction Transistor)

ترانزیستور دوقطبی پیوندی   2. ترانزیستور اثر میدانی FET)Field Effect Transistors)  که شامل : ترانزیستور اثر میدانی( MOSFET) و ترانزیستور پیوند اثر میدانی (JFET) است.

ترانزیستور اثر میدانی

ترانزیستور دوقطبی پیوندی BJT)  Bi-polar junction transistor)

 ترانزیستور دارای سه پایه به نام های کلکتور، بیس و امیتر می باشد. کلکتور با حرف C ، بیس با حرف B و امیتر با حرف E نمایش داده می شود.گاهی اوقات این پایه ها در طرف مسطح ترانزیستور مشخص شده اند.ترانزیستور دارای یک طرف صاف و یک طرف گرد می باشد.اگر طرف گرد آن رو به روی شما باشد پایه ی کلکتور سمت چپ, بیس در وسط و امیتر در سمت راست خواه بود. ترانریستور در سیستم های آنالوگ به عنوان تقویت کننده جریان و در سیستم های دیجیتال به عنوان کلید قطع و وصل جریان میباشند.
در سیستم های دیجیتال بیس,سوئیچ خاموش و روشن ترانزیستور می باشد.اگر جریان به سمت بیس جاری شود,جریان از کلکتور به سمت امیتر جاری خواهد شد (سوئیچ روشن است) و اگر جریانی به سمت بیس نداشته باشیم,جریان نمی تواند از کلکتور به سمت امیتر جاری شود (سوئیچ خاموش است).
ساختار داخلی ترانزیستور های دو قطبی، تشکیل شده از سه قطعه نیمه هادی دارای ناخالصی های منفی (N) و مثبت (P) است که به صورت های ترکیبی از NPN یا PNP ساخته میشوند.

تنها تفاوت بین PNP و NPN در جهت پیکان امیتر است اگر جهت پیکان به سمت داخل بود نوع ترانزیستور PNP هست و اگر جهت پیکان به سمت بیرون بود نوع ترانزیستور NPN  است.به این معنا که در PNP  باید جریانی الکتریکی از پایه امیتر به سمت بیس ایجاد شود و با ایجاد چنین ولتاژی بین پایه بیس و امیتر، جریانی الکتریکی از امیتر به سمت کلکتور ایجاد خواهد شد. البته جریان ایجاد شده بین امیتر و کلکتور، به نسبت جریان اولیه بین امیتر و بیس، NPN با برقراری جریان از پایه بیس به سمت امیتر، جریانی از کلکتور به سمت اِمیتر نیز ایجاد می‌شود بیشتر است.

ترانزیستور دوقطبی پیوندی

 

ترانزیستور اثر میدان  FET) Field Effect Transistors)

دسته‌ای از ترانزیستورها هستند که مبنای کار کنترل جریان در آن‌ها توسط یک میدان الکتریکی صورت می‌گیرد. با توجه به اینکه در این ترانزیستورها تنها یک نوع حامل بار (الکترون آزاد یا حفره) در ایجاد جریان الکتریکی دخالت دارند، می‌توان آن‌ها را جزو ترانزیستورهای تک‌قطبی محسوب کرد که در مقابل ترانزیستورهای دوقطبی (که حامل‌های اکثریت و اقلیت هم‌زمان در آن‌ها نقش دارند) قرار می‌گیرند. ترانزیستورهای اثر میدان دارای سه پایه ی سورس، درین و گیت هستند. این دسته از ترانزیستورها خود به دو گروه ماسفت و جی‌فت تقسیم می‌شوند. در این نوع ترانزیستورها، برخلاف ترانزیستورهای دو قطبی پیوندی که کنترل جریان امیتر و کلکتور با جریان ورودی به بیس صورت می‌گیرد، کنترل جریان سورس و درین با اعمال ولتاژ به گیت صورت می‌گیرد. ترانزیستور FETیک وسیله ی  حساس به ولتاژ است.

FET دارای سه پایه با نام‌های درِین D - سورس S و گیت G است که پایه گیت، جریان عبوری از درین به سورس را کنترل می‌نماید. FET دارای دو نوع N کانال و P کانال هستند. در فت نوع N کانال زمانی که گیت نسبت به سورس مثبت باشد جریان از درین به سورس عبور می‌کند. FETها معمولاً بسیار حساس بوده و حتی با الکتریسیته ساکن بدن نیز تحریک می‌گردند. به همین دلیل نسبت به نویز بسیار حساس هستند.

ترانزیستور اثر میدان

ترانزیستور اثر میدانی(MOSFET)

برای تعویض یا تقویت سیگنال ها استفاده می شودMOSFET همانند JFET عمل می کند اما دارای ترمینال G است که از کانال رسانا جدا شده است. برای تعویض یا تقویت سیگنال ها استفاده می شود. از قابلیت تغییر رسانایی با مقدار ولتاژ اعمال شده می توان برای تقویت یا تعویض سیگنال های الکترونیکی استفاده کرد. MOSFET اکنون در مدارهای دیجیتال و آنالوگ متداول تر از BJTs (ترانزیستورهای اتصال دو قطبی) هستند.MOSFET تقریباً رایج ترین ترانزیستور در مدارهای دیجیتالی است ، زیرا صدها هزار یا میلیون ها از آنها ممکن است در یک تراشه حافظه یا ریز پردازنده گنجانده شوند. از آنجا که می توان آنها را از نوع نیمه هادی از نوع p یا نوع n ساخت ، از جفت های مکمل ترانزیستور MOS می توان برای ساخت مدارهای سوئیچینگ با مصرف انرژی بسیار کم ، به شکل منطق CMOS استفاده کرد.

ساختار ماسفت

این دستگاه چهار ترمینال با پایانه های منبع (S) ، دروازه (G) ، تخلیه (D) و بدنه (B) است. کار یک MOSFET به خازن MOS بستگی دارد خازن MOS قسمت اصلی MOSFET است سطح نیمه هادی در لایه اکسید زیر که بین پایانه های منبع و تخلیه قرار دارد با اعمال ولتاژ دروازه مثبت یا منفی می توان از نوع p به n معکوس کرد. هنگامی که ولتاژ دروازه مثبت را اعمال می کنیم ، سوراخ های موجود در زیر لایه اکسید با نیروی دافع و سوراخ ها با بستر به سمت پایین فشار می یابند منطقه کاهش جمعیت با بارهای منفی محدود که با اتمهای پذیرنده همراه است ، جمع شده است. کانال رسیدن الکترون ها شکل می گیرد. ولتاژ مثبت نیز الکترون ها را از منبع n و تخلیه مناطق به کانال جذب می کند. حال اگر ولتاژ بین تخلیه و منبع اعمال شود ، جریان آزادانه بین منبع و تخلیه جریان می یابد و ولتاژ گیت الکترون های موجود در کانال را کنترل می کند اگر ولتاژ منفی اعمال کنیم ، یک کانال سوراخ زیر لایه اکسید تشکیل می شود.

+P محل جریان و منبع قوی در مدل N است .جریان به دلیل وجود حفره های دارای جریان با بار مثبت که به عنوان کانال POS MOSFET نیز شناخته می شود ، جریان می یابد. وقتی ولتاژ منفی را به G اعمال می کنیم، الکترونهای موجود در زیر لایه اکسید نیروی دافعه را جذب(تحمل) می کنند و به سمت پایین به داخل بستر رانده می شوند منطقه تخلیه توسط بارهای مثبت محدودی که با اتمهای اهدا کننده در ارتباط هستند جمع شده است. ولتاژ دروازه منفی همچنین سوراخ هایی از منبع p و منبع تخلیه را به داخل کانال کانال جذب می کند.
ترانزیستور اثر میدانی
+Nمحل جریان و منبع قوی در مدل P است . جریان به دلیل جریان الکترونهایی با بار منفی ، که به عنوان کانال N MOSFET نیز شناخته می شود ، جریان می یابد. هنگامی که ما از ولتاژ مثبتG استفاده می کنیم ، سوراخ های موجود در زیر لایه اکسید نیروی دافع کننده را تجربه می کنند و سوراخ ها به سمت پایین به سمت بارهای منفی محدود شده که با اتم های گیرنده در ارتباط هستند سوار می شوند. ولتاژ دروازه مثبت همچنین الکترونها را از منبع n و منبع تخلیه به کانال جذب می کند بنابراین یک کانال دستیابی به الکترون شکل می گیرد.

ترانزیستور اثر میدانی
ترانزیستور اثر میدانی 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 (فابلیت استفاده در آی سی را دارد)و فضای کمتری اشغال می‌کنند. همچنین مصرف توان بسیار ناچیزی دارند.
 نقطه کار این ترانزیستورها نسبت به دما حساس است وتغییر می‌کند. بنابراین بیشتر در سوئیچینگ بکار می‌‌روند.
تفاوت اصلی MOSFETو JFET این بار این است کهMOSFET به دو شکل اساسی موجود است:
نوع کاهش(Depletion Type): ترانزیستور نیاز دارد ولتاژ منبع دروازه (VGS) برای خاموش کردن دستگاه "خاموش".حالت کاهش MOSFET معادل سوئیچ "معمولاً بسته" است.
نوع پیشرفت(Enhancement Type): ترانزیستور نیاز به ولتاژ منبع گیت دارد (VGS) برای روشن کردن دستگاه "روشن"حالت بهبود MOSFET معادل سوئیچ "معمولاً باز" است.
و در نهایت به تکنولوژی‌هایی که از دو نوع ترانزیستورهای دوقطبی و Mosfet در آن واحد استفاده می‌کنند Bicmos می‌گویند.

تفاوت MOSFET و ترانزیستور FET:

  • ماسفت‌ها در مقایسه با بی‌جی‌تی‌ها بسیار کوچکند.
  • ماسفت‌ها در بازه‌ای از گستره عملکردشان مانند یک مقاومت کنترل‌شده با ولتاژ عمل می‌کنند و نسبت به آی‌سی‌های مقاومتی مشابه جای کمتری در تراشه‌ها می‌گیرند·
  • ماسفت‌ها مقاومت بسیار زیاد ورودی‌شان است؛ این ویژگی بدین معنا خواهد بود که ثابت زمانی مدار ورودی به قدری بالا است که اجازه می‌دهد بار الکتریکی ذخیره‌شده در خازن کوچک ورودی برای مدت طولانی باقی بماند و بتوان از آن به عنوان یک ابزار ذخیره‌سازی در مدارهای دیجیتال استفاده کرد.
  • ماسفت‌ها قابلیتشان در مصارف توان‌بالا است که می‌توانند جریان‌ها زیاد را در چند نانوثانیه کلیدزنی کنند که این مدت نسبت به آنچه در بی‌جی‌تی‌ها امکان‌پذیر است بسیار سریع‌تر است همین ویژگی امکان استفاده از ماسفت‌ها را در مدارهای فرکانس‌بالایِ توان‌بالا ممکن می‌سازد.
  • ماسفت‌ها در مدارهای دیجیتال این است که توان مصرفی آن‌ها در حالت خاموش تقریباً صفر است.

ترانزیستور پیوند اثر میدانی JFET) junction gate field-effect transistor)

ترانزیستور اثر میدان، و با اعمال یک ولتاژ به پایه گیت میزان جریان عبوری از دو پایه سورس و درین کنترل می‌شود از آنجا که عملکرد آنها به یک میدان الکتریکی (از این رو اثر میدان نام) تولید شده توسط ولتاژ ورودی گیت متکی است ، این باعث می شود تا JFET یک قطعه مبتنی بر ولتاژ باشد.
ترانزیستور پیوند اثر میدانی JFET دو دسته است نوع n یا N-Type و نوع p یا P-Typeدارد درواقع  ترانزیستورها در دو نوع افزایشی و تخلیه‌ای هستند نواحی کار این ترانزستورها شامل "فعال" و "اشباع" و "ترایود" است و موارد مصرف این نرانزیستور با توجه به پیشرفت روز افزون صنعت الکترونیک و به دلیل جریان دهی محدود و عدم امکان استفاده در آی سی ها کمتر  شده است.
 ترانزیستور پیوند اثر میدانی ، یک قطعه کنترل‌ شده با ولتاژ‌ است، هیچ جریانی از گیت آن نمی‌گذرد. بنابراین، جریان سورس (ISIS) گذرنده از آن، برابر با جریان درین (IDID) است.

مقایسه ترانزیستورBJT-FET

  1. ترانزیستور‌های پیوندی دوقطبی BJT

    ویژگی ها:

                 _ دو قطبی بودن

                 _ کنترل پذیری توسط جریان

                 _ امپدانس ورودی کم

                 _ سطح نویز بالا

                 _ پایداری دمایی کمتر

                 _ بهره آن ها بهره ولتاژ است

  2. ترانزیستور‌های اثر میدانی FET
    ویژگی ها:

                 _ تک قطبی بودن

                 _ کنترل پذیری توسط ولتاژ

                 _ امپدانس ورودی زیاد

                 _ سطح نویز پایین

                 _ پایداری دمایی بهتر

                 _ بهره آن ضریب ترارسانایی است

ترانزیستور‌های اثر میدانی FET