ترانزیستور چیست و چگونه کار میکند؟

تصور کنید گوشی هوشمند یا کامپیوتر شما بدون هیچ دلیلی از کار بیفتد و تمام ارتباطات قطع شود. همه این دستگاه های پیشرفته به یک قطعه بسیار کوچک و مهم به نام ترانزیستور وابسته هستند. ترانزیستور یک کلید هوشمند است که جریان برق را با دقت بالایی کنترل می کند. در این مقاله به بررسی این موضوع که ترانزیستور چیست و چه کاربردی دارد پرداخته ایم.

آموزشگاه فن آموزان اصفهان برگزار کننده آموزش تعمیرات برد الکترونیکی، آموزش طراحی برد الکترونیکی و آموزش رباتیک در اصفهان است.

ترانزیستور چیست؟

ترانزیستور یک قطعه الکترونیکی نیمه هادی و یکی از اصلی ترین واحد سازنده مدارهای مدرن بوده که دارای 3 پایه نیز می باشد. ترانزیستور یک سوئیچ برای قطع و وصل کردن جریان که مبنای کدهای صفر و یک در پردازنده ها است.

معرفی اجزای ترانزیستور

• بیس
• کلکتور
• امیتر (Emitter)

بیس

بیس کنترل کننده اصلی ترانزیستور است. سیگنال ورودی از طریق این پایه وارد ترانزیستور می شود و جریان عبوری از آن تعیین می کند که ترانزیستور در چه حالتی قرار گیرد. با اعمال جریان کمی به بیس، می توان جریان بسیار بزرگ تری را در مسیر اصلی مدار کنترل کرد.

کلکتور

کلکتور پایه ای است که جریان اصلی مدار از آن عبور می کند. این پایه به منبع تغذیه متصل است و جریان را از مدار خارجی دریافت می کند. عملکرد کلکتور به طور مستقیم تحت تاثیر سیگنال اعمال شده به بیس قرار دارد.

امیتر (Emitter)

امیتر خروجی اصلی ترانزیستور است که جریان از آن به بیرون هدایت می شود. این پایه به زمین یا پایین ترین سطح ولتاژ مدار متصل است. ترکیب جریان های ورودی از بیس و کلکتور در امیتر جمع شده و از آن خارج می شود.

نحوه عملکرد ترانزیستور

ترانزیستور یک قطعه نیمه هادی است که از دو اتصال پیوند P-N تشکیل شده و بر اساس کنترل جریان از طریق پایه بیس عمل می کند. هنگامی که ولتاژ مناسبی به پایه بیس اعمال می شود، سد پتانسیل در ناحیه بیس-امیتر شکسته شده و حامل های اقلیت شروع به حرکت می کنند. این جریان کوچک در بیس باعث می شود تعداد زیادی از حامل های بار از کلکتور به امیتر عبور کنند و در نتیجه جریان بسیار بزرگ تری در مسیر کلکتور-امیتر برقرار شود. این پدیده به عنوان تقویت جریان شناخته می شود و نسبت جریان کلکتور به جریان بیس، ضریب تقویت جریان یا بتا نامیده می شود. ترانزیستور بسته به میزان ولتاژ اعمال شده می تواند در سه ناحیه فعال، اشباع و قطع کار کند که هر ناحیه کاربرد مشخصی در طراحی مدار دارد.

انواع ترانزیستور

• ترانزیستور پیوندی دوقطبی
• ترانزیستور اثر میدان

ترانزیستور پیوندی دو قطبی

ترانزیستور پیوندی دوقطبی یکی از قدیمی ترین و رایج ترین انواع ترانزیستور است که عملکرد آن بر اساس کنترل جریان توسط جریان بیس استوار است. در ترانزیستور پیوندی دو قطبی، الکترون و حفره در انتقال جریان نقش دارند. BJT در دو نوع NPN و PNP تولید می شود و به دلیل جریان بالا، در مدارهای تقویت کننده و سوئیچینگ، دارای کاربرد زیادی است.

ترانزیستور اثر میدان

ترانزیستور اثر میدان بر اساس کنترل جریان توسط ولتاژ الکتریکی عمل می کند و در مقایسه با BJT مقاومت ورودی بسیار بالاتری دارد. در این ترانزیستور تنها یک نوع حامل بار در انتقال جریان شرکت می کند و به همین دلیل به آن تک قطبی نیز گفته می شود. FET به دلیل مصرف توان پایین و سرعت سوئیچینگ بالا، در مدارهای مجتمع و پردازنده های دیجیتال امروزی نقش مهمی دارد.

حالت های عملکرد ترانزیستور

• حالت فعال
• حالت قطع
• حالت اشباع

حالت فعال

در حالت فعال، ترانزیستور به عنوان یک تقویت کننده عمل می کند. در حالت فعال، پیوند بیس امیتر در بایاس مستقیم و پیوند بیس کلکتور در بایاس معکوس قرار دارد. جریان کوچک ورودی در بیس باعث ایجاد جریان بزرگ تری در مسیر کلکتور-امیتر می شود و ترانزیستور در این ناحیه بیشترین کاربرد را در مدارهای آنالوگ دارد.

حالت قطع

در حالت قطع، هیچ جریانی از ترانزیستور عبور نمی کند و قطعه مثل یک کلید باز عمل می کند. در این حالت هر دو پیوند بیس امیتر و بیس کلکتور در بایاس معکوس قرار دارند. ولتاژ اعمال شده به بیس به حد آستانه نرسیده و در نتیجه مسیر کلکتور-امیتر مسدود است.

حالت اشباع

در حالت اشباع، ترانزیستور مانند یک کلید بسته عمل می کند و حداکثر جریان ممکن از مسیر کلکتور امیتر عبور می کند. در این حالت هر دو پیوند بیس امیتر و بیس کلکتور در بایاس مستقیم قرار دارند. این حالت در مدارهای دیجیتال و سوئیچینگ کاربرد اصلی دارد و افت ولتاژ روی ترانزیستور به کمترین مقدار ممکن می رسد.

مزایای ترانزیستور

• کم هزینه و کوچک
• حساسیت مکانیکی کم
• ولتاژ کار پایین
• عمر بسیار زیاد
• بدون مصرف برق اضافه
• سوئیچینگ سریع
• توسعه مدارها با بازدهی بهتر
• توسعه مدار مجتمع

کم هزینه و کوچک

ترانزیستورها به دلیل فرآیند تولید ساده و استفاده از مواد نیمه هادی ارزان قیمت، هزینه پایینی دارند. ابعاد بسیار کوچک آن ها امکان جاسازی میلیون ها ترانزیستور را در یک تراشه فراهم می کند و این ویژگی پایه اصلی توسعه مدارهای مجتمع مدرن است.

حساسیت مکانیکی کم

ترانزیستورها ساختار جامد دارند و برخلاف لامپ های خلا، قطعات متحرک یا شکننده ای در آن ها وجود ندارد، به همین دلیل در برابر لرزش، ضربه و شرایط سخت محیطی مقاومت بیشتری داشته و برای کاربردهای صنعتی و نظامی مناسب هستند.

ولتاژ کار پایین

ترانزیستورها با ولتاژهای پایین کار می کنند و به منابع تغذیه پرولتاژ نیازی ندارند که این ویژگی مصرف انرژی را کاهش می دهد و طراحی مدارهای قابل حمل و باتری محور را ساده تر می کند.

عمر بسیار زیاد

ترانزیستورها به دلیل نبود قطعات مکانیکی متحرک و فرسایش پذیر، عمر طولانی دارند و این قطعات بدون افت عملکرد قابل توجه در طولانی مدت کار می کنند.

بدون مصرف برق اضافه

ترانزیستورها در حالت قطع هیچ توانی مصرف نمی کنند به همین دلیل در مدارهای دیجیتال که میلیون ها ترانزیستور به صورت همزمان سوئیچ می کنند، نقش مهمی در کاهش مصرف کلی توان دارد.

سوئیچینگ سریع

ترانزیستورها قادرند در زمان های بسیار کوتاه بین حالت قطع و اشباع جابجا شوند. این سرعت بالا آن ها را برای پردازش سیگنال های دیجیتال با فرکانس بالا و طراحی پردازنده های مدرن عالی می کند.

توسعه مدارها با بازدهی بهتر

استفاده از ترانزیستورها امکان طراحی مدارهایی با بازدهی بالاتر، اتلاف حرارتی کمتر و عملکرد دقیق تر را فراهم می کند. این ویژگی در طراحی تجهیزات پزشکی، مخابراتی و صنعتی اهمیت ویژه ای دارد.

توسعه مدار مجتمع

ترانزیستور پایه و اساس فناوری مدارهای مجتمع است. امکان قرار دادن تعداد بسیار زیادی ترانزیستور در فضایی بسیار کوچک، تحول بنیادینی در صنعت الکترونیک ایجاد کرد و زمینه ساز ظهور رایانه ها و گوشی های هوشمند امروزی شد.

معایب ترانزیستور

• فاقد تحرک بالای الکترون
• آسیب پذیری در برابر رویدادهای الکتریکی و حرارت
• تاثیرپذیری از پرتوهای کیهانی و تابش

فاقد تحرک بالای الکترون

تحرک حامل های بار در نیمه هادی های متداول مانند سیلیکون محدود است و این موضوع سرعت عملکرد ترانزیستور را در فرکانس های بسیار بالا کاهش می دهد. در کاربردهایی که به فرکانس های فوق العاده بالا نیاز است، این محدودیت چالش جدی به شمار می رود.

آسیب پذیری در برابر رویدادهای الکتریکی و حرارت

ترانزیستورها در برابر اضافه ولتاژ، جریان زیاد و دمای بالا آسیب پذیر هستند. یک پالس الکتریکی ناخواسته یا افزایش دمای بیش از حد مجاز به طور دائمی به ساختار نیمه هادی آسیب می رساند و قطعه را از کار می اندازد.

تاثیرپذیری از پرتوهای یون ساز

ترانزیستورها در برابر اشعه یونیزان (پرتوهای یون ساز) حساس هستند. اشعه یونیزان ساختار کریستالی نیمه هادی را تغییر می دهند و باعث بروز خطا در عملکرد مدار می گردند.

آموزشگاه فن آموزان زیر نظر سازمان فنی حرفه ای بوده و آموزش هایی از جمله آموزش مکانیک خودرو در اصفهان، آموزش برق خودرو، آموزش تعمیرات لوازم خانگی، آموزش برق ساختمان و… را نیز برگزار می کند.