ترانزیستور چیست و چگونه کار میکند

ترانزیستور چیست و چگونه کار میکند ؟

در ساده‌ترین تعریف، ترانزیستور المانی نیمه هادی است که از آن برای کنترل یا تقویت جریان الکتریکی استفاده می‌شود. ترانزیستورها به دو گروه زیر طبقه‌بندی می‌شوند:

1- ترانزیستورهای (BJT (Bipolar Junction Transistors

2- ترانزیستورهای (FET (Field Effect Transistors

تفاوت این دو گروه ترانزیستور، در روش کنترل جریان عبوری از آنها است.

ترانزیستورهای (Bipolar Junction Transistors (BJT

این نوع ترانزیستورها که در واقع از ترکیب دو عدد دیود بوجود می‌آیند، در دو نوع NPN و PNP ساخته می‌شوند. نوع NPN این ترانزیستورها، که متعارف‌ترین گونه ترانزیستورهای BJT می‌باشد، از قرار گرفتم یک نیمه‌های نوع P در بین دو نیمه‌هادی نوع N ساخته می‌شود. در حالی‌که نوع PNP آنها، با قرار گرفتن مواد نیمه‌هادی نوع N در بین دو نیمه‌هادی نوع P تولید می‌شود.

ترانزیستورهای BJT دارای سه پایه به نامهای “بیس” (Base)، “کلکتور” (Collector) و “امیتر (Emitter) هستند.

در نوع NPN، جریان از کلکتور به سمت امیتر حرکت کرده و توسط جریان بیس-امیتر کنترل می‌شود. اما در نوع PNP، جریان از امیتر به سمت کلکتور حرکت کرده و توسط جریان امیتر-بیس کنترل می‌شود.

در شکل زیر نماد شماتیک ترانزیستورهای PNP و NPN به همراه ساختار شماتیک ترانزیستورها نمایش داده شده است.

در نماد شماتیک ترانزیستورها BJT ، پایه‌ای که بر روی آن فلش وجود دارد، معرف امیتر (Emitter) است. چنانچه نوک فلش به سمت بیرون باشد، ترانزیستور NPN و چنانچه نوک فلش به سمت داخل باشد، ترانزیستور PNP است.

اتصال پایه “بیس” (Base) به پایه های “امیتر” (Emitter) و “کلکتور” (Collector) نیز، نمایانگر این مطلب است که جریان عبوری از درون ترانزیستور، توسط پایه “بیس” کنترل می‌شود.

در واقع پایه بیس، نظیر فلکه یک شیر آب عمل کرده و مقدار جریان عبوری را کنترل می‌کند.

در شکل زیر نماد یک ترانزیستور NPN نمایش داده شده است.

حال با ذکر یک مثال به بررسی عملکرد یک ترانزیستور پرداخته می‌شود. در شکل زیر یک عدد ترانزیستور NPN در یک مدار ساده قرار دارد. همانطور که قبلا ذکر گردید، در این نوع ترانزیستور، سمت عبور جریان از Collector به Emitter است و مقدار جریان عبوری توسط جریان Base به Emitter کنترل می‌شود.

با بسته شدن کلید، جریان از سمت منبع و از طریق اتصال Base-Emitter به سمت زمین هدایت می‌شود. با عبور مقدار جریان مشخصی از طریق اتصال P-N، که در اینجا اتصال Base-Emitter است، مقدار مقاومت اتصال بسیار کم و به صفر اهم نزدیک می‌شود (دقیقا مانند عملکرد یک دیود).

در این زمان، جریان اصلی که بسیار بیشتر از جریان کنترلی است، از طریق Collector به سمت Emitter حرکت می‌کند. نسبت مقدار جریان کنترل به جریان اصلی به جنس موادی بستگی دارد که ترانزیستور از آنها ساخته می‌شود. با قطع کلید، جریان فرمان قطع شده و مقاومت اتصال Base-Emitter افزایش می‌یابد. با افزایش مقاومت اتصال، جریان عبوری از Collector به Emitter نیز قطع می‌شود.

روش تست ترانزیستورهای BJT بسیار شبیه به روش تست دیود است. به خاطر داشته باشید که قبل از تست یک ترانزیستور، اگر امکان‌پذیر است، ترانزیستور را از روی بورد جدا شود. در صورت عدم امکان، تمامی منابع ولتاژ، از بورد قطع شوند و سپس نسبت به تست ترانزیستور اقدام شود.

مولتی‌متر را بر روی وضعیت تست دیود قرار دهید.

بدین ترتیب افت ولتاژ در حالت Forward و Reverse بین پایه‌های Base و Collector و نیز Base و Emitter قابل اندازه‌گیری خواهد بود.

در یک ترانزیستور سالم، افت ولتاژ در حالت Forward در حدود 0.7 ولت و در حالت Reverse باید به صورت مدار باز (OL) نمایش داده شود. چنانچه در دو حالت، مقدار افت ولتاژ یکسان باشد، نمایانگر خرابی ترانزیستور خواهد بود.

ترانزیستورهای (Field Effect Transistors (FET

نظیر ترانزیستورهای BJT، ترانزیستورهای FET نیز برای کنترل مقدار جریان عبوری مورد استفاده قرار میگیرند. تنها تفاوت آنها در این است که به جای جریان کنترل، از ولتاژ، جهت کنترل مقدار جریان عبوری اصلی از درون ترانزیستور استفاده می‌شود.

ترانزیستورهای FET در دو نوع زیر وجود دارند:

•   (JFET (Junction Field Effect Transistor
•   (MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

ترانزیستورهای JFET

ساختار ترانزیستورهای JFET، به صورت کانالی از مواد نیمه هادی است که از درون مواد نیمه هادی با قطبیت متفاوت عبور کرده است. ترانزیستورهای JFET نیز دارای سه عدد پایه با نامهای Drain، Gate و  Source  هستند. در قیاس با پایه‌های ترانزیستورهای BJT به ترتیب با Collector، Base و Emitter قابل مقایسه هستند.

در شکل زیر، ترانزیستورهای JFET از نوع n-channel  و p-channel نمایش داده شده‌ است.

نماد ترانزیستورهای JFET در مدلهای N-Channel و P-Channel در شکل زیر نمایش داده شده است.

روش عملکرد ترانزیستورهای JFET بسیار متفاوت از نحوه عملکرد ترانزیستورهای BJT است. ترکیب مواد نیمه هادی نوع N و نوع P در امتداد کانال مرکزی این نوع ترانزیستور، باعث ایجاد منطقه تخلیه (Depletion Region) در مرکز ترانزیستور می‌شود.

در زمانی که هیچ ولتاژ کنترلی به پایه Gate اعمال نشود، منطقه تخلیه، زیاد گسترش نمی‌یابد. به همین دلیل جریان میتواند به راحتی از سمت پایه Drain به سمت پایه Source حرکت کند.

اما با افزایش میزان ولتاژ در پایه Gate، ناحیه تخلیه به سمت مرکز کانال گسترش یافته و باعث افزایش میزان مقاومت ترانزیستور می‌شود. به تبع آن میزان جریان عبوری از سمت پایه Drain به سمت پایه Source کاهش می‌یابد.

با رسیدن مقدار ولتاژ پایه Gate به حد مشخصی، ناحیه تخلیه بیش از پیش به سمت داخل کانال گسترش می‌یابد. در این حالت مقاومت ترانزیستور به حدی افزایش می‌یابد که مدار به حالت باز در خواهد آمد و باعث قطع جریان عبوری از پایه Drain به پایه Source خواهد شد.

لازم به ذکر است که برای عملکرد صحیح ترانزیستور، پلاریته ولتاژ اعمالی به پایه Gate باید رعایت شود. برای ترانزیستورهای N-Channel  باید ولتاژ منفی و برای ترانزیستورهای P-Channel باید ولتاژ مثبت به پایه Gate اعمال شود.

در صورت عدم رعایت پلاریته ولتاژ اعمالی به پایه Gate، ترانزیستور به صورت دائم به جریان ورودی از پایه Drain اجازه عبور به سمت پایه Source را خواهد داد. و بنابراین مدار به صورت وصل دائم خواهد بود.

به خاطر داشته باشید که فارغ از سطح ولتاژ، جریان عبوری از پایه Gate بسیار اندک است و به همین دلیل تلفات حرارتی آنها در قیاس با ترانزیستورهای BJT بسیار کمتر است. برای تست این نوع ترانزیستور، مقدار مقاومت بین پایه Gate و پایه‌های Drain و Source باید اندازه‌گیری شود.

از آنجا که کانال بین Drain  و Source یکپارچه است، بنابراین تفاوتی ندارد که مقاومت Gate با کدام پایه اندازه‌گیری شود. همینطور مقاومت بین پایه‌های Drain و Source در زمانی که هیچ ولتاژی به پایه Gate اعمال نمی‌شود باید بسیار کم و در حد چند صد اهم باشد. با اعمال ولتاژ در پایه Gate، این مقاومت باید افزایش یابد.

ترانزیستورهای (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFET

نوع دیگر ترانزیستورهای FET، ترانزیستورهای MOSFET هستند. در این نوع ترانزیستورها، پایه Gate با استفاده از لایه‌ای از شیشه (Silicon Dioxide) از کانال نیمه‌هادی درون ترانزیستور عایق می‌شود. بنابراین امکان عبور جریان از پایه Gate وجود نخواهد داشت. و به همین دلیل این نوع ترانزیستورها راندمان بسیار بالایی در زمان کار دارند. این نوع ترانزیستورها نیز در دو نوع N-Type و P-Type ساخته می‌شوند.

هر کدام از این دو نوع در دو ساختار نرمال‌روشن (Normally On) و یا نرمال‌خاموش (Normally Off) وجود دارند.

ترانزیستورهای MOSFET که در حالت نرمال خاموش هستند با عنوان Enhancement Type یا “مدل افزایشی”، شناخته می‌شوند. این کار با افزایش میزان ناخالصی مواد کانال انجام می‌شود و به همین دلیل هدایت الکتریکی این نوع ترانزیستور زیاد خوب نیست. به همین دلیل در شرایط نرمال، جریان نمیتواند بین Source و Drain حرکت کند.

حال چنانچه به پایه Gate یک MOSFET افزایشی، از نوع N-Channel ولتاژ مثبت اعمال شود، الکترون‌های آزاد موجود در کانال، به سمت پایه Gate جذب میشود. انباشته شدن الکترونها در سمت پایه Gate باعث افزایش هدایت الکتریکی بین Drain و Source و نهایتا عبور جریان خواهد شد.

به همین صورت اگر به پایه Gate یک  MOSFET افزایشی، از نوع P-Channel ولتاژ منفی اعمال شود، تمام الکترونها دفع می‌شوند. سپس الکترونها به سمت خارج کانال هدایت می‌شوند که این امر باعث خواهد شد تا بار مثبت درون کانال افزایش یابد. باید مجدد دقت شود که نوع پلاریته ولتاژ اعمالی به پایه Gate، در عملکرد صحیح ترانزیستور بسیار حائز اهمیت است.

نماد شماتیک ترانزیستورهای MOSFET نوع افزایشی، در شکل زیر نمایش داده شده است. چناچه جهت فلش رو به داخل باشد، ترانزیستور نوع N و چنانچه به بیرون باشد، ترانزیستور نوع P خواهد بود.

گره (Node) نشان‌دهنده پایه Source است.

فضای خالی (Gap) بین Drain  و Source که به صورت خط چین نمایش داده شده است، نشان دهنده این امر است که ترانزیستور در حالت نرمال خاموش است.

ترانزیستورهای MOSFET که در حالت نرمال روشن هستند با عنوان Depletion Type شناخته می‌شوند. این نوع از ترانزیستورهای MOSFET، به دلیل جنس مواد تشکیل شده در آن، از رسانایی الکتریکی بسیار بالایی برخوردار هستند. به همین دلیل و بدون وجود هیچ ولتاژی بر روی Gate، جریان میتواند بین Drain و Source عبور کند.

حال چنانچه ولتاژی منفی به پایه Gate نوع N-Channel آن اعمال شود، باعث دفع الکترونها و خروج آنها از درون کانال خواهد شد. به تبع آن جریان بین پایه‌های Drain و Source قطع می‌شود. از سوی دیگر چنانچه ولتاژی مثبت به پایه Gate نوع P-Channel اعمال شود، تمامی الکترونها به درون کانال کشیده می‌شوند. این امر باعث کاهش رسانایی و قطع جریان بین Drain و Source خواهد شد.

نماد ترانزیستورهای MOSFET نوع Depletion Type در شکل زیر نمایش داده شده است. مجدد چنانچه جهت فلش به داخل باشد معرف N-Channel و چنانچه جهت فلش به سمت بیرون باشد معرف P-Channel است. همینطور گره (Node)، نمایانگر پایه Source است و خط توپر یکپارچه بین Drain و Source نمایانگر این است که ترانزیستور در حالت نرمال روشن هستند.

برای تست ترانزیستورهای MOSFET مقاومت بین Gate و Drain  باید بی‌نهایت باشد، در غیر اینصورت، ترانزیستور معیوب است. همچنین مقاومت بین Drain و Source نوع Enhancement باید بسیار زیاد و در نوع Depletion باید بسیار کم باشد.

در صورت تمایل به مشاهده مطالب آموزشی نظیرترانزیستور چیست و چگونه کار میکند و یا دیدن فیلم های آموزشی به قسمت مطالب آموزشی وب سایت و نیز کانال اینستاگرام شرکت به آدرس Instagram.com/AltonSegal مراجعه فرمایید.