ترانزیستور به زبان ساده

اگر کمی در زمینه ی الکترونیک مطالعه کرده باشید حتما نام قطعه ی ترانزیستور به گوشتان خورده است. این قطعه تحول عظیمی در حوزه الکترونیک ایجاد کرده است. کمتر بردی یا آی سی در جهان وجود دارد که این قطعه در آنها به کار نرفته باشد. اکثر سایت های ایرانی و خارجی تعریف خیلی پیچیده ای از این قطعه دارند اما در این مقاله تعریف و کاربرد این قطعه را به زبانی ساده توضیح خواهیم داد. ترانزیستور ها امروزه در انوع مختلفی وجود دارند ، در این مقاله به بررسی ترانزیستور های BJT که از پر کاربرد ترین و معروف ترین نوع ترانزیستور ها هستند،می پردازیم.

ترانزیستور چیست؟

از ترانزیستور ها عمدتا با عنوان کلید های دیجیتال یاد میشود، اما این به چه معنی است؟ منظور از کلید های دیجیتالی همان اعداد باینری صفر و یک هستند که صفر به معنی خاموش و یک به معنی روشن است. حال این چه فایده ای دارد؟ بگذارید با یک مثال ساده این را توضیح دهیم. شما برای روشن یا خاموش کردن یک لامپ از کلید استفاده میکنید و این کار به صورت فیزیکی انجام میشود. برد کوچکی را تصور کنید که برای خاموش یا روشن کردن قطعات کوچک آن نیاز به کلید داشته باشید،مطمئنا کار با کلیدی با این سایز طاقت فرسایی خواهد بود.هدف از خلق ترانزیستور ها همین بوده که هم قطعه بسیار کوچکی باشد و هم بتوانید بدون دخالت فیزیکی هر زمان که خواستید قسمتی از برد های الکترونیکی را خاموش یا روشن کنید. پس ما با دستور دادن به این قطعه میتوانم مسیر یک مدار را قطع یا وصل کنیم. قابلیت دیگری که این قطعه ی شگفت انگیز دارد این است که جریان را تقویت کند.برای مثال این قطعات در آمپلی فایر ها به منظور تقویت سیگنال های صوتی به کار میروند یا در مسیر موتور های درایور قرار میگیرند تا با تقویت جریان الکتریکی از فشار به باتری یا سوختن موتور جلوگیری کند.

ساختار ترانزیستور :

این نوع ترانزستور از ماده هایی نیمه هادی ساخته میشوند. حالا چرا نیمه هادی ؟ خب همان طور که میدانید این قطعه خاموش یا روشن میشود پس باید بتواند زمانی که خاموش است عایق کامل و زمانی که روشن است رسانای کامل باشد به همین دلیل مواد تشکیل دهنده ی این قطعه نیمه هادی است که در اکثر اوقات از سلسیوم و ژرمانیوم ساخته میشود. ترانزیستور ها دارای سه پایه می باشند که این پایه ها بیس و کالکتور و امیتر نامگذاری میشوند. بعضی از ترانزیستور هایی که شش پایه ای هستند از ترکیب دو ترانزیستور ساخته شده اند. این ترانزیستور ها در دو دسته ی PNP و NPN وجود دارند که P به معنی مثبت (Positive) و N به معنی منفی (Negative) میباشد که حرف وسط نشانگر پایه بیس میباشد. پایه های کالکتور و امیتر به عنوان پایه های ورودی و خروجی ولتاژ محسوب میشوند و پایه بیس، دروازه یا به اصطلاح گیت (Gate) میباشد.

ترانزیستور چگونه کار میکند؟

قبل تر توضیح دادیم که ترانزیستور نوعی کلید است که میتوان آن را خاموش و روشن کرد. شاید برایتان سوال شده باشد که این اتفاق چگونه رخ میدهد. ترانزیستور ها با ولتاژ دستور میگیرند. این در ترانزیستور های npn و pnp متفاوت است برای مثال  ترانزیستور npn با ولتاژ 5 روشن است و مسیر باز است و با ولتاژ صفر ترانزیستور خاموش است و مسیر بسته می باشد ولی در ترازیستور pnp کاملا برعکس است و با ولتاژ  صفر روشن است و مسیر باز است و با ولتاژ 5 ترانزیستور خاموش میشود. نکته ای که باید متوجه ی آن باشید این است که ولتاژی که به پایه بیس میرسد باید با جریان خیلی کم تزریق شود در غیر این صورت ترانزیستور میسوزد.

حالت های ترانزیستور :

حالت های ترانزیستور ها فقط به خاموش و روشن بودن ختم نمیشود. حالت های دیگری هم در ترانزیستور ها وجود دارند که در ادامه کامل آنها را توضیح میدهیم.

⦁ ناحیه فعال (Active Region):

در این ناحیه، ترانزیستور به عنوان تقویت‌کننده عمل می‌کند. جریان بیس به طور خطی با جریان کلکتور مرتبط است. برای ترانزیستور NPN، این به معنای بایاس مستقیم بیس-امیتر و بایاس معکوس کلکتور-بیس است. در ترانزیستور PNP، شرایط معکوس است.

⦁ ناحیه اشباع (Saturation Region):

در این ناحیه، ترانزیستور به عنوان یک سوئیچ بسته عمل می‌کند و جریان زیادی از کلکتور به امیتر می‌گذرد. برای ترانزیستور NPN، هر دو پیوند بیس-امیتر و بیس-کلکتور بایاس مستقیم هستند. برای ترانزیستور PNP، هر دو پیوند بایاس معکوس هستند.

⦁ ناحیه قطع (Cut-off Region):

در این ناحیه، ترانزیستور به عنوان یک سوئیچ باز عمل می‌کند و جریان بسیار کمی از کلکتور به امیتر می‌گذرد. برای ترانزیستور NPN، هر دو پیوند بیس-امیتر و بیس-کلکتور بایاس معکوس هستند. برای ترانزیستور PNP، هر دو پیوند بایاس مستقیم هستند.

کاربرد های ترانزیستور:

ترانزیستورهای BJT بسیار پر کاربرد هستند و در موقعیت های متفاوتی به کار گرفته می‌شوند:

⦁ تقویت‌کننده‌ها:

BJTها به عنوان تقویت‌کننده‌های جریان و ولتاژ در مدارهای صوتی، RF و دیگر مدارهای الکترونیکی استفاده می‌شوند.

⦁ سوئیچ‌ها:

BJTها به عنوان سوئیچ‌های الکترونیکی در مدارهای دیجیتال و منابع تغذیه کاربرد دارند.

⦁ نوسان‌سازها:

در نوسان‌سازهای الکترونیکی برای تولید سیگنال‌های فرکانس ثابت به کار می‌روند و برای ارسال و دستورات بیشتر از آنها در آی سی ها استفاده میشود.

تقویت‌کننده‌ها:

تقویت‌کننده ساده با ترانزیستور NPN:

مدار تقویت‌کننده ساده شامل یک ترانزیستور NPN، یک مقاومت بار (Rc) و یک منبع تغذیه است. سیگنال ورودی به پایه بیس اعمال می‌شود. جریان بیس تغییرات کوچکی در جریان کلکتور ایجاد می‌کند که باعث تغییرات ولتاژ در مقاومت بار می‌شود. این ولتاژ خروجی تقویت‌شده سیگنال ورودی است.

تقویت‌کننده ساده با ترانزیستور PNP:

در این مدار، ترانزیستور PNP به کار می‌رود. سیگنال ورودی به پایه بیس اعمال می‌شود و جریان بیس تغییرات کوچکی در جریان کلکتور ایجاد می‌کند. این تغییرات ولتاژ در مقاومت بار (Rc) موجب تقویت سیگنال ورودی می‌شود.

سوئیچ‌ها:

سوئیچ با ترانزیستور NPN:

ترانزیستور NPN به عنوان یک سوئیچ الکترونیکی عمل می‌کند. وقتی ولتاژ مثبت به پایه بیس اعمال می‌شود، ترانزیستور در ناحیه اشباع قرار می‌گیرد و جریان بزرگی از کلکتور به امیتر می‌گذرد. این ویژگی برای کنترل مدارهای دیجیتال و روشن و خاموش کردن بارهای مختلف بسیار مفید است.

سوئیچ با ترانزیستور PNP:

ترانزیستور PNP به عنوان یک سوئیچ عمل می‌کند. وقتی ولتاژ منفی به پایه بیس اعمال می‌شود، ترانزیستور در ناحیه اشباع قرار می‌گیرد و جریان بزرگی از کلکتور به امیتر می‌گذرد. این نوع سوئیچ برای کاربردهایی که نیاز به ولتاژ منفی دارند، مناسب است.

نوسان‌سازها:

نوسان‌ساز با ترانزیستور NPN:

مدارهای نوسان‌ساز مانند مدار کولپیتس (Colpitts Oscillator) از ترانزیستورهای NPN برای تولید سیگنال‌های فرکانس ثابت استفاده می‌کنند. در این مدارها، ترانزیستور به عنوان عنصر فعال عمل می‌کند که انرژی لازم برای نوسان را تأمین می‌کند.

نوسان‌ساز با ترانزیستور PNP:

مدارهای نوسان‌ساز با ترانزیستورهای PNP نیز مشابه با مدارهای NPN عمل می‌کنند، اما با توجه به جهت جریان و ولتاژهای مورد نیاز، طراحی متفاوتی دارند. این نوع مدارها در برخی کاربردهای خاص مانند تولید سیگنال‌های فرکانس پایین به کار می‌روند.

تاریخچه ی ترانزیستور ها :

شاید برایتان جالب باشد که چگونگی پیدایش این قطعه ی شگفت انگیز را بدانید در ادامه کامل آن را توضیح خواهیم داد. در 16 دسامبر 1947، جان باردین (John Bardeen) و والتر براتین (Walter Brattain)، دو دانشمند از آزمایشگاه‌های بل، اولین ترانزیستور نقطه‌تماسی (Point-Contact Transistor) را ساختند. آن‌ها با همکاری ویلیام شاکلی (William Shockley)، که بعدها تئوری جامعی برای عملکرد ترانزیستور ارائه داد، توانستند اولین نمونه عملی ترانزیستور را معرفی کنند. این اختراع نقطه عطفی در تاریخ الکترونیک بود و به سه دانشمند جایزه نوبل فیزیک در سال 1956 تعلق گرفت. در دهه 1950، ویلیام شاکلی نوع جدیدی از ترانزیستورها را به نام ترانزیستور پیوندی (BJT) توسعه داد. این ترانزیستورها از سه لایه نیمه‌هادی تشکیل شده و به دو نوع NPN و PNP تقسیم می‌شوند. ترانزیستورهای پیوندی به دلیل کارایی بالاتر و ساختار ساده‌تر، به سرعت جایگزین ترانزیستورهای نقطه‌تماسی شدند.
امروزه ترانزیستورها با فناوری‌های پیشرفته‌ای مانند فناوری CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) ساخته می‌شوند که در تراشه‌های مدرن به کار می‌رود. این ترانزیستورها در پردازنده‌های کامپیوتر، حافظه‌ها، و انواع دستگاه‌های الکترونیکی استفاده می‌شوند. پژوهش‌های کنونی در زمینه ترانزیستورها به دنبال کاهش بیشتر ابعاد، افزایش سرعت و کاهش مصرف انرژی هستند. تکنولوژی‌های نوینی مانند ترانزیستورهای نانو لوله کربنی (CNT) و ترانزیستورهای تک‌مولکولی از جمله موضوعات مورد توجه در این زمینه هستند.

نتیجه‌گیری :

ترانزیستورهای PNP و NPN با ساختار ساده و عملکرد چندگانه، از اجزای اصلی مدارهای الکترونیکی هستند که در بسیاری از کاربردهای صنعتی و مصرفی استفاده می‌شوند. فهم عمیق از نحوه عملکرد و مدل‌سازی این ترانزیستورها برای طراحی و تحلیل مدارهای الکترونیکی ضروری است. با استفاده از مثال‌های کاربردی می‌توان دید که چگونه این ترانزیستورها در مدارهای مختلف عمل می‌کنند و نقش حیاتی در بهبود عملکرد و کارایی مدارها دارند.