پیشگفتار:
این نوشتار تلاشی است تاحدامکان جامع برای پاسخ به پرسشهایی چون قطعه الکترونیکی ترانزیستور چیست؟ چه کاری انجام میدهد؟ انواع ترانزیستور کدامند و ساختار هرکدام به چه شکل است؟ در تهیه این مطلب زمان زیادی صرف شد تا تعداد نسبتا زیادی از منابع داخلی و خارجی مطالعه شده و در نتیجه این نوشته تمامی نقطهنظرات آنها را در این مبحث پوشش دهد، خصوصا در بخش مربوط به معرفی انواع ترانزیستور. لذا امیدواریم که راهنمای کاملی برای شما مخاطبان کهرنیک تهیه دیده باشیم.
پیش از شروع به مطالعه توصیه میشود درصورتیکه این مطالب ما یعنی نیمههادی چیست و علت اهمیت آن در الکترونیک و درک پیوند p-n (یا p-n junction) را نخواندهاید، حتما مطالعه نمایید زیرا پایه مباحثی هستند که در اینجا مطرح میشود.
در بخش مربوط به معرفی انواع این قطعه تلاش شده که لیست کاملی از ترانزیستورهایی که چه در تئوری و چه در عمل با آنها مواجه میشوید معرفی شوند و ساختار آنها بهشکل ساده توضیح داده شوند. توجه شود به این خاطر که این مطلب تنها تلاش میکند بهطور خلاصه انواع ترانزیستور را مطرح کند و در واقع شما را با طبقهبندی آنها آشنا سازد، لذا با جزئیات کامل به معرفی هر نوع نپرداخته، که هرکدام مطلبی جدا را میطلبد که انشاءالله در ادامه نوشتههای سایت به بررسی جامع هرکدام از انواع آنها خواهیم پرداخت.
چنانچه یکی از انواع ترانزیستور مورد توجه شما است که در این مطلب بررسی نشده، حتما از طریق بخش دیدگاهها با ما در میان بگذارید تا آن را نیز به این نوشته اضافه کنیم. باایناوصاف در صورت تمایل با ما همراه باشید در سفری طولانی برای آشنایی با این قطعه الکترونیکی بسیار کاربردی!
ترانزیستور چیست؟
ترانزیستور (Transistor) یک قطعه نیمههادی است که برای تقویت یا سوئیچ سیگنالهایی با توان پایین یا بالا و یا با فرکانس پایین یا بالا استفاده میشود. این قطعه یکی از بلوکهای سازنده اساسی الکترونیک مدرن است؛ از مواد نیمههادی تشکیل شده که معمولاً حداقل سه ترمینال (پایه) برای اتصال به یک مدار الکترونیکی دارد (در برخی موارد ممکن است تنها دو پایه مشاهده کنید درحالیکه پایه سوم بدنه قطعه است که باید به زمین مدار شما وصل شود).
ولتاژ یا جریانی که به ورودی آن اعمال میشود، جریان عبوری از خروجی آن را کنترل میکند. چون توان خروجی (تحت کنترل) آن میتواند بیشتر از توان ورودی باشد، این قطعه میتواند یک سیگنال ورودی را تقویت کند. برخی از ترانزیستورها به صورت تکی (مجزا) ساخته میشوند، اما بسیاری دیگر براساس تکنولوژی ساخت خاصی بهشکلی بسیار کوچک در مدارهای مجتمع (آیسیها) تعبیه شدهاند. از آنجا که ترانزیستورها قطعات اکتیو (فعال) کلیدیای در تقریباً تمام الکترونیک مدرن هستند، بسیاری از مردم آنها را یکی از بزرگترین اختراعات قرن بیستم میدانند.
در ارتباط با نام Transistor باید گفت که اختصاری از واژه Transresistance است که خود این واژه ترکیبی از Transfer و Resistance میباشد. این نام برای نشان دادن توانایی دستگاه در "انتقال" جریان از طریق یک "مقاومت" و کنترل مؤثر جریان الکتریسیته انتخاب شد؛ توسط John R. Pierce، مهندس آزمایشگاههای بل، در سال ۱۹۴۸.
Julius Edgar Lilienfeld، فیزیکدان، مفهوم ترانزیستور اثر میدانی (FET) را در سال 1925 پیشنهاد کرد (در ادامه با آن آشنا خواهیم شد)، اما ساخت آن بهخاطر محدودیتهای تکنولوژی در آن زمان امکانپذیر نبود.
اولین نمونه عملیاتی، در سال ۱۹۴۷ توسط فیزیکدانانی چون John Bardeen و Walter Brattain و William Shockley در آزمایشگاههای بل اختراع شد و آنها به خاطر دستاوردشان جایزه نوبل فیزیک ۱۹۵۶ را بهطور مشترک دریافت کردند.
پرکاربردترین نوع ترانزیستور، ترانزیستور اثر میدانی نیمهرسانا-اکسید-فلز (MOSFET)، بین سالهای ۱۹۵۵ تا ۱۹۶۰ در آزمایشگاههای بل اختراع شد (با آن نیز در ادامه آشنا میشویم).
ترانزیستورها انقلابی در زمینه الکترونیک ایجاد کردند و راه را برای رادیوها، ماشینحسابها، رایانهها و سایر دستگاههای الکترونیکی کوچکتر و ارزانتر هموار کردند.
بیشتر ترانزیستورها از سیلیکون بسیار خالص و برخی از ژرمانیوم ساخته شدهاند، اما در مواردی از برخی مواد نیمههادی دیگر نیز استفاده میشود. یک ترانزیستور ممکن است فقط یک نوع حامل بار داشته باشد (مانند آنچه در یک ترانزیستور اثر میدانی رخ میدهد)، یا ممکن است دو نوع حامل بار داشته باشد (مانند آنچه در در ترانزیستورهای پیوندی دوقطبی وجود دارد). در بخش معرفی هرکدام از این 2 نوع به این مساله (نوع حامل بار) دوباره اشاره خواهیم کرد.
در مقایسه با لامپ خلاء (vacuum tube)، ترانزیستورها عموماً کوچکتر هستند و برای کار به توان کمتری نیاز دارند. رادیو یکی از اولین چیزهایی بود که با این فناوری متحول شد. اندازه رادیو مبتنیبر ترانزیستور بهخطر عدم نیاز به استفاده از لامپهای خلاء بهطرز چشمگیری کاهش یافت. هرچند برخی از لامپهای خلاء در فرکانسهای کاری بسیار بالا یا ولتاژهای کاری بالا، مانند لامپهای موج رونده و ژیروترونها، نسبت به ترانزیستورها مزایایی دارند. بسیاری از انواع ترانزیستورها با وجود تولید توسط تولیدکنندگان متعدد اما با مشخصات استاندارد ساخته میشوند.
ترانزیستور چه کاری انجام میدهد؟
همانطور که گفته شد دو کارکرد اصلی ترانزیستور عبارتند از: استفاده از آن بهعنوان تقویتکننده و همینطور بهعنوان سوئیچ. این عملکردها هم برای ترانزیستورهای تکی و هم برای ترکیبی از آنها کار میکنند.
از اتصال چندین ترانزیستور با سایر قطعات الکترونیکی مانند مقاومتها و دیودها حتی میتوان گیتهای منطقی ایجاد نمود.
در ادامه هر یک از این سه مورد را با جزئیات بیشتری بررسی خواهیم کرد.
تقویتکننده ترانزیستوری
هر زمان که بخواهید از کمی از چیزی برای به دست آوردن مقدار بیشتری از آن چیز استفاده کنید، به آن تقویت میگویند.
برای مقایسه، اهرم مکانیکی را در نظر بگیرید. وقتی نیاز به انجام کار مکانیکی روی چیزی دارید، اگر از اهرم استفاده کنید، میتوانید میزان کار خود را تقویت کنید (نیروی خروجی بیش از نیروی ورودی اعمالی خواهد بود).
آنچه با ترانزیستور میتوان به آن دست یافت این است که میتوانیم از کمی ولتاژ یا جریان (در ورودی) برای کنترل ولتاژ یا جریانی بسیار بزرگتر (در خروجی) بهرمند شویم. این همان چیزی است که ما آن را تقویتکننده مینامیم.
سوئیچ ترانزیستوری
یکی از بهترین ویژگیهای ترانزیستورها که الکترونیک دیجیتال مدرن را شکل میدهد، این است که این قطعه میتواند مانند یک سوئیچ عمل کند.
وقتی کلید برق خانه خود را روشن یا خاموش میکنید، با دستان خود کمی کار مکانیکی انجام میدهید که به الکتریسیته اجازه میدهد از لامپهای شما عبور کند یا نکند.
یک سوئیچ ترانزیستوری، مشابه یک سوئیچ برق، به ما این امکان را میدهد که از ولتاژ یا جریان برای روشن یا خاموش کردن ترانزیستور استفاده کنیم، که این بهنوبه خود به جریان دیگری در بخش دیگری از مدار اجازه میدهد عبور کند یا نکند.
قرار دادن سوئیچهای مختلف در ترکیبهای مختلف شرایطی را فراهم میسازد که میتوانیم انواع گیتهای منطقی مختلف را بسازیم که در ادامه به آنها خواهیم پرداخت.
گیت ترانزیستوری
یک گیت منطقی معمولی (اگر نمیدانید گیت منطقی چیست باید گفت که یک گیت منطقی (Logic Gate) بلوکی اساسی در مدارهای دیجیتال است. قطعهای است که یک عمل منطقی را بر روی یک یا چند ورودی باینری (0 یا 1) انجام داده تا یک خروجی باینری منفرد تولید کند) این روزها شامل چندین ترانزیستور و همچنین قطعات دیگری است. به نظر میرسد که با پیشرفت روزافزون تکنولوژی تولید، تکامل طولانی مدتی در تولید گیتهای منطقی در مدارها رخ داده است.
گیتهای منطقی ترانزیستوری این روزها معمولاً از MOSFETها و به طور خاص CMOSها ساخته میشوند. بعداً به تفصیل به آنها خواهیم پرداخت. برای مثال، یک گیت AND ترانزیستوری میتواند حداقل با دو ترانزیستور ساخته شود. برای دیدن اینکه چگونه میتوان گیتهای دیگر را از ترانزیستورها ساخت، به این منبع خوب مراجعه کنید.
در طول سالها توسعه، ترانزیستورها کوچکتر و کوچکتر میشوند. برای مثال، در سال ۱۹۷۱، ترانزیستورها ۱۰ میکرومتر بودند. از سال ۲۰۱۴، آنها ۱۴ نانومتر هستند و انتظار میرود تا سال 2027 به ۱ نانومتر برسند. اگر محاسبه کنید، این یعنی کاهش اندازه حدود 10000 در تنها 56 سال.
کاهش اندازه آنها امکان قرارگیری تعداد بیشتر و بیشتری از آنها را در قطعاتی مانند واحدهای پردازش مرکزی (CPUs) در رایانهها فراهم میکند. روند کلی کاهش اندازه قطعات که منجر به دو برابر شدن تعداد ترانزیستورهایی میشود که میتوانید در یک قطعه یا دستگاه قرار دهید، بهعنوان قانون مور شناخته میشود.
مشاهده تعداد ترانزیستورها در دستگاهها در طول سالها همیشه یک فعالیت سرگرمکننده است. برای مثال، تعداد آنها در پردازندههای مدرن اینتل در حد میلیارد بوده و همچنان در حال افزایش است. پردازنده محبوب i7 حدود ۱.۷۵ میلیارد ترانزیستور دارد. ذکر این نکته لازم است که یک روش برای بهینهسازی تعداد ترانزیستورهای مورد استفاده در گیتها، Pass transistor logic نامیده میشود. تکنولوژی همیشه مرزهای دستیابی به بیشتر با اندازه کمتر و قطعات کمتر را جابهجا میکند. این منجر به گنجاندن قابلیتهای بیشتر در همان فضای فیزیکی میشود.
نماد ترانزیستور و نام پایههای آن
منظور از نماد ترانزیستور شکلی است که در زمان رسم مدارهای الکترونیکی از آن برای نشان دادن این قطعه استفاده میشود. چون انواع مختلفی از ترانزیستور وجود دارد، طبیعتا با نمادهای متفاوتی برای آن نیز مواجه خواهیم بود. بهدلیل اینکه در ادامه این نگارش به معرفی مفصل انواع ترانزیستور خواهیم پرداخت، بهنظر بهتر است که در ضمن معرفی هرکدام از آنها نماد مربوط به آن نیز معرفی گردد.
در ارتباط با نام پایههای آن نیز همین نکته بالا را در نظر گرفتهایم. هرچند در ارتباط با نام پایههای ترانزیستورها تنوع به اندازه نمادها نیست، اما باز هم ضمن بررسی هرکدام از انواع این قطعه نام پایههای آن ذکر خواهد گردید.
طبقهبندی ترانزیستورها
ترانزیستورها را میتوان براساس موارد مختلفی طبقهبندی کرد که عبارتند از: دستهبندی از نظر ساختار، ماده نیمههادی، میزان توانی که میتوانند ارائه دهند، فرکانس کاری، کاربردی که دارند، پکیج فیزیکی (شکل ظاهری)، دمای کاری و غیره.
پس در واقع یک ترانزیستور مشخص فرضی را برای مثال میتوان اینگونه توصیف کرد که نوع ساختار آن MOSFET، از جنس سیلیکون است، برای کار در توان و فرکانسهای پایین مناسب بوده، بهعنوان سوئیچ کاربرد دارد، در پکیج TO220 ارائه شده، برای کار در دماهای رایج ساخته شده و غیره.
در ادامه این نوشتار برخی از مهمترین موارد (دستههای) بالا را انتخاب کرده و به بررسی انواع ترانزیستورهای موجود در هر دسته پرداختهایم. از میان دستههای بالا، طبقهبندی ترانزیستورها از نظر ساختار معمولا مطالب زیادی را در بر میگیرد لذا بخش زیادی از ادامه این نوشته را به خود اختصاص داده است.
انواع ترانزیستورها از نظر جنس
ژرمانیوم (Ge)
ژرمانیوم در ابتدا در ترانزیستورهای اولیه مورد استفاده قرار گرفت. این ترانزیستورهای ژرمانیومی که بهخاطر افت ولتاژ کمتر و حساسیت به دما بیشتر، نسبت به ترانزیستورهای سیلیکونی، شناخته شده میباشند تا حد زیادی جای خود را به ترانزیستورهای سیلیکونی دادهاند که پایداری حرارتی و عملکرد کلی بهتری ارائه میدهند.
سیلیکون (Si)
بهدلیل خواص الکتریکی عالی، پایداری حرارتی و مقرونبهصرفه بودن، رایجترین ماده در این صنعت هستند. فراوانی و سهولت تولید سیلیکون، آن را به مادهای پرکاربرد برای طیف وسیعی از دستگاههای الکترونیکی چون ترانزیستورهای سیلیکونی تبدیل کرده است.
آرسنید گالیوم (GaAs)
ترانزیستورهای GaAs (تلفظ انگلیسی گالیوم آرسناید) بهدلیل تحرک الکترونی بالاترشان در مقایسه با سیلیکون، در کاربردهای سرعت بالا و فرکانس بالا استفاده میشوند. آنها برای کاربردهای RF (فرکانس رادیویی)، ارتباطات ماهوارهای و دستگاههای مایکروویو ایدهآل هستند. توضیح اینکه در فیزیک حالت جامد، تحرک الکترون (Electron mobility) اینگونه تعریف میشود که یک الکترون با چه سرعتی میتواند در یک فلز یا نیمهرسانا، هنگامی که توسط یک میدان الکتریکی هل داده یا کشیده میشود، حرکت کند.
نیترید گالیم (GaN)
ترانزیستورهای GaN (تلفظ انگلیسی گالیوم نایتراید) نیز همانند ترانزیستورهای GaAs در کاربردهای فرکانس بالا مورد استفاده قرار میگیرند، اما GaN عموماً توانایی تحمل توان بیشتری را در واحد سطح دارد، راندمان و سرعت سوئیچینگ بالاتری را نیز ارائه میدهد، درحالیکه GaAs در زمینههای خاصی مانند تقویتکنندههای کمنویز بیشتر مورد توجه قرار گرفته است.
کاربید سیلیکون (SiC)
ترانزیستورهای SiC (تلفظ انگلیسی سیلیکون کارباید) بهطور خاص بهدلیل تواناییشان در کار در توانها و دماهای بالا مورد توجه هستند و همین امر آنها را برای الکترونیک قدرت و کاربردهای خودرو مناسب میکند.
انواع ترانزیستورها از نظر فرکانس کاری
ترانزیستورهای فرکانس پایین
نمونههای فرکانس پایین (Low-frequency transistors) برای تقویت یا سوئیچینگ سیگنالهایی با فرکانس معمولاً زیر چند مگاهرتز، طراحی و بهینه شدهاند. این ترانزیستورها معمولاً در تقویتکنندههای صوتی، منابع تغذیه و سایر مدارهایی که سوئیچینگ پرسرعت یا پردازش سیگنال در فرکانسهای بسیار بالا مورد نیاز نیست، استفاده میشوند.
ترانزیستورهای فرکانس بالا
بهوضوح این نمونهها (High-frequency transistors) برای کار در فرکانسهای بالا، از چند مگاهرتز تا چندین گیگاهرتز به کار میروند. توانایی آنها در روشن و خاموش شدن بسیار سریع آنها را قادر میسازد تا سیگنالهای فرکانس بالا را بهطور موثر مدیریت کنند. طبیعتا این دسته در ساخت تقویتکنندهها و نوسانسازهای RF و مایکروویو نیز مورد استفاده واقع میشوند.
ذکر این نکته لازم است که در این دسته (نمونههای فرکانس بالا) معمولا با دو واژه ترانزیستورهای RF و ترانزیستورهای مایکروویو نیز مواجه میشوید. بهطور خلاصه هر دو واژه اشاره به ترانزیستورهای فرکانس بالا دارند. اما اگر بخواهیم کمی بیشتر توضیح دهیم، RF (فرکانس رادیویی) به شکل عرفی اشاره به باند فرکانسی از چندصد کیلوهرتز تا حولوحوش 1 گیگاهرتز دارد و مایکروویو به باند فرکانسی بالاتر از 1 گیگاهرتز تا حولوحوش 30 گیگاهرتز. پس در واقع هر دو به فرکانسهای بالا اشاره دارند و فرکانسهای پایین که الکترونیک معمولی, معمولا با آنها سروکار دارد را در بر نمیگیرند.
انواع ترانزیستورها از نظر ساختار
همانطور که پیشتر نیز گفته شد، دستهبندی ترانزیستورها از نظر ساختار مطلب مفصلی است که در منابع مختلف به فرمهای متفاوتی به آن پرداخته شده است. اکثر منابع روی این موضوع که از نظر ساختار آنها را میتوان به دو نوع اصلی یعنی BJT و FET (که در ادامه به بررسی هر دو خواهیم پرداخت) تقسیم کرد، اتفاق نظر دارند.
اما ما در بررسیهای خود، تقسیمبندی زیر (تصویر زیر) را از هر جهت مناسبتر یافتیم. در این دستهبندی انواع اصلی ترانزیستورها از نظر ساختار شامل BJTها، FETها، IGBTها و Phototransistorها میباشند که برخی از آنها به زیردستههایی نیز تقسیمبندی میشوند. در ادامه این نوشتار براساس همین طبقهبندی به بررسی هرکدام از این انواع خواهیم پرداخت.
طبقهبندی براساس ساختار؛ در ادامه هرکدام از این موارد معرفی خواهند شد
ترانزیستورهای پیوندی دوقطبی
در اولین بررسی به سراغ ترانزیستورهای پیوندی دوقطبی (Bipolar Junction Transistors: BJTs) میرویم. یک BJT در نحوه عملکردش از هر دو حامل بار یعنی الکترون و حفره استفاده میکند، دقیقاً مانند دیودها و به همین دلیل نام "دوقطبی" را دارند. حفرهها و الکترونها بهخاطر استفاده از مواد نیمههادی معروف به نوع P و نوع N در ساختار این ترانزیستورها وجود دارند. همانطور که پیشتر در مقاله "درک پیوند p-n (یا p-n junction)" گفته شد هرکدام از مواد نیمههادی نوع N و P به فرم خاصی رفتار میکنند و حال اگر در کنار هم قرار گیرند، میتوانید آثار جالبتری به دست آورید.
یک دیود معمولی معمولاً از یک ماده نوع N و یک ماده نوع P تشکیل شده است. در حالی که یک BJT از سه نوع از این مواد تشکیل شده است که در فرمهای NPN و PNP وجود دارند. در واقع کلمه پیوند (در نام این نوع از ترانزیستورها) نیز به این دلیل است که در ساختار آنها دو پیوند PN وجود دارد. برای مثال، NPN دقیقاً همانطور که نامگذاری شده، به این شکل ساخته شده است که یک ماده نوع P بین دو ماده نوع N ساندویچ میشود.
در گذشته، ترانزیستورهای ژرمانیومی روش رایج ساخت BJTها بودند. بااینحال، اکنون ترانزیستورهای سیلیکونی متداول هستند. حالا بیایید به ترانزیستور NPN در مقایسه با PNP نگاهی بیندازیم، با نماد مداری، نام پایهها و ساختار آنها آشنا شده و نحوه کار آنها را بهتر درک کنیم.
NPN دقیقاً همانطور که نامگذاری شده است، از 3 لایه مواد نیمههادی (نوع N، نوع P و نوع N) تشکیل شده است. نماد مداری آن در زیر آورده شده است. نامگذاری 3 ترمینال (پایه) آن مطابق با تصویر عبارتند از: امیتر (Emitter)، بیس (Base)، کلکتور (Collector). علامت فلش روی امیتر جهت جریان را نشان میدهد. نمونهای از ساختار آن را نیز میتوانید در زیر مشاهده کنید.
ساختار (سمت چپ) و نماد مداری (سمت راست) BJT از نوع NPN
ساختار این قطعه بهگونهای تنظیم شده است که جریان معمولاً بین دو ماده نوع N جریان پیدا نمیکند، زیرا یک ماده نوع P آنها را از هم جدا میکند. نکته جالب این است که وقتی ماده نوع P را با استفاده از جریانی (از بیرون و از طریق biasing) دستکاری میکنیم، میتوانیم پلی بین دو ماده نوع N ایجاد کنیم که اجازه میدهد جریان بین آنها جاری شود.
برای مثال، برای یک NPN معمولی تکی، اگر حدود 0.7 ولت بین بیس و امیتر قرار دهیم، جریان کمی از بیس به امیتر جریان پیدا میکند که از طرفی باعث میشود جریان از ماده نوع P آسانتر جریان پیدا کند. بنابراین این امر اجازه میدهد که (در صورت بایاس کردن بخش کلکتور-امیتر) جریان بسیار بزرگتری از کلکتور به امیتر جاری شود. پس در واقع یک جریان کوچک در بیس میتواند جریان بسیار بزرگتری را بین کلکتور و امیتر کنترل کند.
پس برای یک BJT از نوع NPN، وقتی جریان از بیس به امیتر جریان مییابد (از طریق بایاس کردن)، ترانزیستور روشن میشود و جریان بسیار بیشتری از کلکتور به امیتر جاری میشود (از طریق بایاس کردن). به همین دلیل است که اغلب از BJTها بهعنوان قطعات کنترلشده با جریان یاد میکنیم. نکته کلیدی در اینجا این است که ولتاژ بیس به امیتر (Vbe)، که معمولاً حدود 0.7 ولت است، یکی از عوامل اصلی روشن کردن NPN است. البته، رفتار NPN بسیار پیچیدهتر از این است، اما این توصیفی کلی از عملکرد آن بود.
بهطور مشابه، PNPها دارای ترتیب ماده نوع P، نوع N و نوع P هستند، همانطور که در زیر ساختار و نماد مداری آن مشاهده میشود. PNPها مشابه NPNها هستند، اما جهت جریانها متفاوت است (همانطور که در نماد مداری نیز مشاهده میکنید که جهت فلش در امیتر برعکس شده است).
ساختار (سمت چپ) و نماد مداری (سمت راست) BJT از نوع PNP
ایده اصلی پشت این قطعه این است که دو ماده نوع P توسط یک ماده نوع N از هم جدا شدهاند، به این معنی که جریان به طور معمول بین دو ماده نوع P جریان پیدا نمیکند. بااینحال، میتوانیم ماده نوع N را طوری دستکاری کنیم که به عنوان پلی بین مواد نوع P عمل کند و اجازه دهد جریان، جریان پیدا کند.
برای یک BJT از نوع PNP، وقتی جریان از امیتر به بیس جریان یابد، جریان بسیار بیشتری میتواند از امیتر به کلکتور جاری شود. همانطور که گفته شد PNP مشابه NPN است، تنها جهت جریانها متفاوتاند. استفاده از NPN بسیار رایجتر است، اما گاهی اوقات با PNP مواجه میشوید.
بسیاری از اوقات NPNها و PNPها با هم استفاده میشوند تا رفتار مدار پیچیدهتری داشته باشیم. یک مثال خوب، مدار تقویتکنندهی پوش-پول میباشد. باز هم باید اشاره شود که PNPها کمی پیچیدهتر از این هستند، اما این توصیفی کلی از نحوه عملکرد آنها بود.
ترانزیستورهای اثر میدانی
به جز دستکاری ساختار با جریان چه کار دیگری میتوان انجام داد؟ بله، دستکاری آن با ولتاژ! این دقیقاً همان کاری است که با ترانزیستورهای اثر میدانی (Field-effect transistor: FET) انجام میدهیم.
FETها به ما اجازه میدهند از یک میدان الکتریکی (که بهدلیل اعمال ولتاژ به ورودی این قطعه ایجاد میشود) برای دستکاری رسانایی الکتریکی کانالی که روشن یا خاموش بودن ترانزیستور را کنترل میکند، استفاده کنیم (در واقع جاری شدن جریان در خروجی را میتوان با استفاده از اعمال ولتاژ در ورودی کنترل کرد).
FETها همچنین به عنوان ترانزیستورهای تکقطبی (Unipolar transistors) شناخته میشوند، زیرا تنها از یک نوع حامل بار الکتریکی استفاده میکنند (برخلاف آنچه در ارتباط با BJTها گفته شد که از هر دو حامل بار الکتریکی بهره میبرند). یعنی، FETها در عملکرد خود یا از الکترونها بهعنوان حاملهای بار استفاده میکنند و یا از حفرهها، اما نه هر دو.
FETها در دو حالت متفاوت میتوانند ساخته شوند: depletion mode و enhancement mode، که مربوط به این هستند که آیا ترانزیستور زمانی که ولتاژ گیت-سورس صفر است در حالت خاموش قرار دارد (enhancement mode) و یا در حالت روشن میباشد (depletion mode). در ادامه بیشتر در ارتباط با این دو حالت صحبت خواهیم کرد.
انواع مختلفی از FETها وجود دارند اما معمولا آنها را به دو نوع کلی یعنی JFET و MOSFET تقسیمبندی میکنند. ما در این نوشتار FETها را به چهار نوع دستهبندی کردهایم و به جز بررسی JFET و MOSFET به معرفی MESFET و HEMT نیز خواهیم پرداخت؛ پس بیایید نگاهی دقیقتر به این چهار نوع از FET بیندازیم و با نماد مداری، نام پایهها و ساختار آنها آشنا شویم.
ترانزیستور اثر میدانی پیوندی (junction field-effect transistor: JFET) یک قطعه بسیار ساده است. ایده اصلی این است که یک JFET معمولاً جریان را بین 2 پایه آن (که Source و Drain نامیده میشوند) هدایت میکند، مگر اینکه ولتاژی به پایه دیگر (که Gate نام دارد) اعمال شود. این بدان معناست که یک JFET معمولاً روشن است، تا زمانی که ولتاژی روی گیت آن اعمال نشده باشد.
در صورت اعمال ولتاژ به گیت، ولتاژ یک میدان الکتریکی ایجاد میکند که این میدان اثری چون "فشردن" کانالی را دارد که جریان از آن عبور میکند. درست مانند اینکه یک شلنگ باغ را فشار دهید تا جریان آب از آن عبور نکند.
میتوان از ماده نیمههادی نوع N برای کانال استفاده کرد (که یه این فرم JFET کانال N گویند) و یا میتوان از ماده نیمههادی نوع P برای کانال بهره برد (که به این فرم JFET کانال P گویند). نوع ماده تعیین میکند که چه نوع ولتاژی (مثبت یا منفی) باید به گیت اعمال شود. در ادامه با این دو نوع از JFET بیشتر آشنا میشویم.
- - JFET کانال N
ساختار معمول و نماد مداری یک JFET کانال N را میتوانید در زیر مشاهده کنید.
ساختار (سمت چپ) و نماد مداری (سمت راست) JFET کانال N
نکات اصلی که باید در مورد یک JFET کانال N بدانید عبارتند از:
● بایاس کردن (بستن مدار DC لازم) بین سورس و درین باعث جاری شدن جریان میشود. ولتاژ بیشتر، جریان را تا یک نقطه خاص افزایش میدهد. حالت اشباع جایی است که جریان با افزایش ولتاژ درین به سورس، Vds، ثابت میماند.
● اعمال ولتاژ بین گیت و سورس، جریان کلی که از سورس به درین جاری میشود را محدود میکند، بر این اساس که چه مقدار ولتاژ اعمال شده است. هنگامی که ولتاژ گیت به سورس به ولتاژِ قطعِ جریان برسد، جریانی از سورس به درین جاری نخواهد شد. این باعث خاموش شدن قطعه میشود.
برای درک بهتر این موضوع، تصویر زیر را مشاهده نمایید.
حالت a در تصویر بالا عدم اعمال ولتاژ گیت-سورس؛ حالت b اعمال کمی ولتاژ؛ حالت c اعمال ولتاژ به اندازهای که کانال بسته شد و دیگر جریان عبوری نخواهیم داشت
- - JFET کانال P
در مقابل، ساختار معمول یک JFET کانال P را میتوانید در زیر مشاهده کنید.
ساختار (سمت چپ) و نماد مداری (سمت راست) JFET کانال P
JFET کانال P بسیار شبیه به JFET کانال N عمل میکند، با این تفاوت که جریانها و ولتاژها معکوس میشوند.
مقدار کمی از Vgs (بخش سمت چپ در تصویر بالا)، افزایش مقدار Vgs (بخش سمت راست در تصویر بالا)
یکی از رایجترین انواع ترانزیستورهای اثر میدانی (FET)، ترانزیستور اثر میدانیِ نیمههادی-اکسید-فلز (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor: MOSFET) است که بهشکل مخفف واژه ماسفِت برای آن به کار میرود. گاهی اوقات، مردم بهطور خلاصه به آنها ترانزیستور MOS میگویند. همانطور که خواهیم دید، بخش MOS این قطعه از ساختار آن گرفته شده است که به خاطر سپردن عملکرد کلی آن را آسانتر میکند.
گیت این قطعه با استفاده از یک لایه عایق، از نظر الکتریکی ایزوله شده است و ولتاژ آن (ولتاژ گیت)، میزان رسانایی قطعه را تعیین میکند. این قابلیت تغییر رسانایی با مقدار ولتاژ اعمال شده میتواند برای تقویت یا سوئیچینگ سیگنالهای الکترونیکی مورد استفاده قرار گیرد. اصطلاح ترانزیستور اثر میدانی نیمههادی-عایق-فلز (MISFET) تقریباً مترادف با MOSFET است. یکی دیگر از مترادفهای نزدیک، ترانزیستور اثر میدانی با گیت عایقشده (IGFET) است. MOSFET دارای چهار ترمینال (پایه) به نامهای درین (Drain)، گیت (Gate)، سورس (Source) و بدنه/زیرلایه (Body/Substrate) است که ترمینال بدنه با ترمینال سورس اتصال کوتاه میشود لذا در مجموع سه پایه فعال باقی میماند.
آنچنان که پیشتر نیز در حالت کلی در ارتباط با FETها گفته شد، در اینجا نیز یک MOSFET میتواند در دو فرم متفاوت ساخته شود: depletion mode و یا enhancement mode. ماسفتهای enhancement mode در ولتاژ صفر گیت-سورس خاموش هستند و وجود ولتاژ روی گیت-سورس، آن را روشن کرده و اجازه میدهد جریان بین سورس و درین جاری شود. درحالیکه در یک ماسفت depletion mode، قطعه در ولتاژ صفر گیت-سورس روشن است و تغییر ولتاژ روی گیت-سورس و رساندن آن به مقدار مشخصی ماسفت را خاموش مینماید.
حال هرکدام از فرمهای بالا را میتوان در دو نوع ساخت که کانال N (یا NMOS) و کانال P (یا PMOS) نامیده میشوند. نتیجه اینکه ما میتوانیم ماسفتی depletion mode داشته باشیم که از نوع NMOS باشد یا از نوع PMOS؛ از طرفی دیگر ماسفتی enhancement mode داشته باشیم که که از نوع NMOS باشد یا از نوع PMOS.
در ادامه به بررسی NMOS و PMOS پرداخته، جزئیات تفاوت آنها با هم واضحتر خواهد شد.
- - NMOS
برای NMOS، ما یک ساختار ساده داریم که در آن سورس و درین از جنس ماده نوع N هستند و توسط یک ماده نوع P از هم جدا شدهاند. در بالای این لایه جداکننده، یک لایه اکسید و در بالای آن یک لایه فلزی وجود دارد که همان گیت است. میتوانید این ساختار را در زیر مشاهده کنید.
ساختار (سمت چپ) و نمادهای مداری (سمت راست) NMOS
همانطور که در بالا گفته شد NOMS ما (N-Channel MOSFET) میتواند از فرم depletion mode یا enhancement mode باشد. تفاوت این دو فرم در ساختار NMOS اینگونه خود را نشان میدهد که در NMOS در فرم enhancement Mode در زمان ساخت قطعه، کانالی وجود ندارد و کانال پس از اعمال ولتاژ به گیت-سورس در آن ایجاد میشود (بههمین دلیل این فرم در ولتاژ گیت-سورس صفر ولت خاموش هستند) درحالیکه در در NMOS در فرم depletion Mode در زمان ساخت قطعه، کانالی (نوع N) ایجاد شده است (و لذا این فرم در ولتاژ گیت-سورس صفر ولت روشن میباشند).
برای آشنایی بیشتر NMOS در فرم enhancement mode تصویر زیر ارائه شده است که این فرم NMOS را در شرایطی که ولتاژ گیت-سورسی اعمل نشده است (شکل بالایی) و زمانی که ولتاژ گیت-سورس اعمال شده (شکل پایینی) نشان میدهد.
همانطور که از قسمت اول تصویر زیر پیداست، تا زمانی که ولتاژ گیت-سورسی اعمال نشده کانالی هم نداریم. هر زمان که ولتاژی روی گیت به سورس (Vgs) اعمال شود، میدان الکتریکی تولید شده بر ماده نوع P تأثیر میگذارد تا کانالی بین دو ماده نوع N دیگر، یعنی سورس و درین، تشکیل دهد. این ولتاژ یک کانال ایجاد میکند و اجازه میدهد جریان از طریق آن بین سورس و درین جاری شود (با اعمال ولتاژ درین-سورس). یک نمونه عالی از NMOS در فرم enhancement mode با جریان بالا، IRLML6344TRPBF است.
ساختار NMOS از نوع enhancement mode بدون اعمال ولتاژها (بخش بالایی) و پس از اعمال ولتاژها (بخش پایینی)
- - PMOS
PMOS، بسیار شبیه به NMOS است، با این تفاوت که جای مواد نوع N و نوع P عکس وضعیت NMOS است. میتوانید ساختار و نمادهای مداری آن را در زیر مشاهده کنید.
ساختار (سمت چپ) و نمادهای مداری (سمت راست) PMOS
PMOS در فرم enhancement mode در تصویر زیر ارائه شده است که این فرم PMOS را در شرایطی که ولتاژ گیت-سورسی اعمل نشده است (شکل بالایی) و زمانی که ولتاژ گیت-سورس اعمال شده (شکل پایینی) نشان میدهد.
همانطور که از قسمت اول تصویر زیر پیداست، تا زمانی که ولتاژ گیت-سورسی اعمال نشده کانالی هم نداریم. هر زمان که ولتاژی روی گیت به سورس (Vgs) اعمال شود، میدان الکتریکی تولید شده بر ماده نوع N تأثیر میگذارد تا کانالی بین دو ماده نوع P دیگر، یعنی سورس و درین، تشکیل دهد. این ولتاژ یک کانال ایجاد میکند و اجازه میدهد جریان از طریق آن بین سورس و درین جاری شود (با اعمال ولتاژ درین-سورس).
ساختار (سمت چپ) و نماد مداری (سمت راست) BJT از نوع PNP
- - CMOS
وقتی NMOS و PMOS را در یک قطعه ترکیب میکنید چه اتفاقی میافتد؟ یک قطعه بسیار کاربردی به دست میآورید.
در واقع، (CMOS (Complimentary MOS در قلب پردازندهها، SRAM و تراشههای منطقی قرار دارد. مزایای فنی زیادی برای استفاده از CMOS وجود دارد که جزئیات آن در ویکیپدیا آمده است.
- MESFET
ترانزیستور اثر میدانی فلز-نیمههادی (metal–semiconductor field-effect transistor: MESFET) یک ترانزیستور اثر میدانی است که ساختار آن بسیار شبیه به یک JFET است. همانطور که از نام MESFET پیداست، یک اتصال فلزی مستقیماً روی نیمههادی دارد که این باعث ایجاد یک اتصال فلز-نیمههادی (که با نام اتصال یا پیوند شاتکی شناخته میشود) میگردد؛ برخلاف آنچه در JFET با آن مواجه هستیم که با یک اتصال نیمههادی-نیمههادی (که با نام اتصال یا پیوند p-n شناخته میشود) سروکار داریم.
ماده نیمههادیای که استفاده میشود میتواند سیلیکون یا سایر اشکال نیمههادی باشد. بااینحال، نیمههادیهای مرکب چون GaAs، InP یا SiC بیشتر مورد استفاده قرار میگیرند که سریعتر اما گرانتر از JFETها یا MOSFETهای مبتنی بر سیلیکون میباشند. GaAs بهدلیل تحرک الکترونی بسیار بالایی که دارد معمولا استفاده میشود زیرا امکان دستیابی به عملکرد مناسب در فرکانسهای بالا را فراهم میسازد.
MESFETهای تولیدی تا تقریباً 45 گیگاهرتز کار میکنند و معمولاً برای ارتباطات در فرکانسهای مایکروویو و رادار استفاده میشوند. اولین MESFETها در سال ۱۹۶۶ توسعه یافتند و یک سال بعد، عملکرد مطلوب آنها در فرکانسهای بسیار بالا مشاهده شد.
نماد و ساختار یک MESFET را در تصاویر زیر مشاهده مینمایید.
ساختار MESFET کانال N (سمت چپ) که احتمالا اکنون دیگر میتوانید ساختار کانال P آن را خودتان حدس بزنید؛ نمادهای مداری انواع MESFET (سمت راست)
- HEMT
ترانزیستور با تحرک الکترونی بالا (High-electron-mobility transistor: HEMT یا HEM FET)، که با نامهای HFET (Heterostructure FET) یا MODFET (modulation-doped FET) نیز شناخته میشود، یک ترانزیستور اثر میدانی است که به جای یک ماده نیمههادی که مطابق تصاویر بالا معمولاً برای MOSFET بهعنوان کانال استفاده میشود، از چندین لایه از مواد نیمههادی مرکب استفاده میکند. نمونهای رایج از چندین لایه از مواد نیمههادی مرکب GaAs با AlGaAs است. اگرچه بسته به کاربرد قطعه، تنوع گستردهای وجود دارد.
با این کار (ایجاد این ساختار) میتوان به تحرک الکترونی بالا رسید، حدود دو برابر آنچه در یک MESFET استاندارد یافت میشود که منجر به افزایش عملکرد در فرکانسهای بالا میگردد. اساساً، HEMT یک ترانزیستور تخصصی است که برای کاربردهای پرسرعت و فرکانس بالا مانند کاربردهای موجود در الکترونیک مایکروویو و موج میلیمتری طراحی شده است. HEMTهای GaAs میتوانند در فرکانسهای بالاتر از 100 گیگاهرتز کار کنند.
شکل زیر سطح مقطع یک قطعه HEMT را نشان میدهد. این ترانزیستور از زیرلایه نیمه عایق GaAs، به دنبال آن یک لایه GaAs بدون آلاییدگی و سپس یک لایه AlGaAs بسیار نازک بدون آلاییدگی تشکیل شده است. این لایه با یک لایه AlGaAs با آلاییدگی n پوشانده شده است.
نوع نسبتاً جدیدی از HEMT از GaN و نیترید گالیوم آلومینیوم (AlGaN) روی زیرلایه سیلیکون یا SiC استفاده میکند و بهدلیل عملکرد توان بالا توجه را به خود جلب کرده است.
ساختار یک HEMT کانال N
IGBT
ترانزیستور دوقطبی با گیت عایقشده که به اختصار IGBT نیز نامیده میشود، (بهطور ساده) ترکیبی از ترانزیستور پیوندی دوقطبی (BJT) و ترانزیستور اثر میدانی (MOSFET) بوده که نتیجه این ترکیب یک قطعه نیمههادی قدرت ایدهآل است که اساسا بهعنوان یک سوئیچ الکترونیکی در طیف وسیعی از کاربردها استفاده میشود.
IGBT بهترین ویژگیهای این دو نوع ترانزیستور رایج، یعنی امپدانس ورودی و سرعت سوئیچینگ بالای MOSFET را با ولتاژ اشباع پایین ترانزیستور دوقطبی (که منجر به تلفات پایین توان در زمان روشن بودن میشود) ترکیب کرده تا نوع دیگری از قطعه سوئیچینگ ترانزیستوری تولید کند که قادر به مدیریت جریانهای بزرگ کلکتور-امیتر با جریان گیت تقریباً صفر است.
ترانزیستور دوقطبی با گیت عایقشده (IGBT) فناوری گیت عایقشده MOSFET (که به همین خاطر بخشی از نام آن را تشکیل میدهد) را با ویژگیهای خروجی یک ترانزیستور دوقطبی رایج (که بخش دیگری از نام آن را تشکیل میدهد) ترکیب میکند. نتیجه این ترکیب این است که IGBT دارای ویژگیهای سوئیچینگ خروجی و هدایت یک ترانزیستور دوقطبی است اما مانند MOSFET با ولتاژ کنترل میشود.
IGBTها عمدتاً در کاربردهای الکترونیک قدرت، مانند اینورترها، مبدلها و منابع تغذیه، در مواردی که نیازها به قطعات سوئیچینگ حالت جامد توسط BJTهای قدرت و MOSFETهای قدرت بهطور کامل برآورده نمیشود، استفاده میشوند. BJTهای جریان بالا و ولتاژ بالا موجود هستند، اما سرعت سوئیچینگ آنها کند است، درحالیکه MOSFETهای قدرت ممکن است سرعت سوئیچینگ بالاتری داشته باشند، اما دستیابی به نمونههای ولتاژ بالا و جریان بالای آنها دشوار و در صورت تحقق نیز گران هستند. IGBTهایی تا حداکثر ۶ کیلوولت و حداکثر ۴۵۰۰ آمپر نیز برای راهآهن، انتقال جریان مستقیم ولتاژ بالا (HVDC) و سایر کاربردهای بزرگ در دسترس میباشند. از سال ۲۰۱۰، IGBT پس از MOSFET قدرت، دومین ترانزیستور قدرت پرکاربرد بود.
در تصویر زیر (در مدلی ساده شده) میتوانیم ببینیم که ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق شده (IGBT) یک قطعه سه ترمیناله (پایه) است که یک MOSFET کانال N با گیت عایق شده را با یک ترانزیستور دوقطبی PNP ترکیب میکند.
در نتیجه، ترمینالها به صورت کلکتور، امیتر و گیت نامگذاری شدهاند. دو ترمینال آن یعنی کلکتور (C) و امیتر (E) با مسیری که جریان را عبور میدهد مرتبط هستند، در حالی که ترمینال سوم آن یعنی گیت (G) دستگاه را کنترل میکند.
فوتوترانزیستور
یک فوتوترانزیستور یک ترانزیستور حساس به نور است که به عنوان یک قطعه نیمههادی عمل میکند و انرژی نور را به جریان الکتریکی تبدیل میکند. این قطعه بهعنوان یک سوئیچ و تقویتکننده کنترلشده با نور عمل میکند و رسانایی آن براساس شدت نور تابیده شده تغییر میکند. این امر آن را برای طیف وسیعی از کاربردها، از جمله تشخیص نور، حسگری و مدارهای کنترل، مفید میسازد.
انواع ترانزیستورها از نظر توان
ترانزیستورها را براساس میزان توانی که با آن سروکار دارند میتوان به دو دسته کلی تقسیمبندی نمود که عبارتند از ترانزیستورهای سیگنال کوچک (Small signal transistors) و ترانزیستورهای قدرت (Power transistors). ترانزیستورهای قدرت در مقایسه با ترانزیستورهای سیگنال کوچک برای مدیریت سطوح توان و جریانهای بالاتر طراحی شدهاند. در ادامه بیشتر با هرکدام از این دستهها آشنا خواهیم شد.
ترانزیستور سیگنال کوچک
ترانزیستور سیگنال (Signal transistor) یا ترانزیستور سیگنال کوچک (Small signal transistor) به نمونههایی اشاره دارد که برای تقویت یا سوئیچینگ سیگنالهای الکتریکی ضعیف طراحی شدهاند و معمولاً در مدارهایی که سطح سیگنال ولتاژ یا جریان پایین است استفاده میشوند.
اینها قطعههایی هستند که حداکثر جریان خروجی آنها حولوحوش 0.5 آمپر یا کمتر و حداکثر اتلاف توان آنها کمتر از ۱ وات است. واژه سیگنال کوچک به این دلیل به آنها اطلاق میشود تا از نمونههای قدرت (توان بالا) متمایز شوند.
برای کار در فرکانسهای پایین، انواع BJT و همچنین انواع FET آنها موجود است؛ اما برای کار در فرکانسها بالا (RF و مایکروویو) همانطور که پیشتر گفته شد باید سراغ نمونههای خاصی از BJTها و FETها برویم که برای این کار ساخته شدهاند.
ترانزیستورهای سیگنال کوچک در دستگاههای الکترونیکی مختلف، از جمله پیش تقویتکنندهها، مدارهای صوتی، سیستمهای ارتباطی و ... که در آنها با سیگنالهایی در محدوده میکروولت یا میلیآمپر سروکار داریم به کار میروند.
در صورتی که این قطعهها بهطور خاص برای کاربرد سوئیچینگ طراحی شده باشند (که معمولا در این حالت نیاز به سوئیچینگ با سرعت بالا میباشد) به آنها Small Switching Transistors میگویند که در واقع ترانزیستورهای سیگنال کوچکی هستند که بهطور ویژه برای کار بهعنوان سوئیچ ساخته شدهاند.
ترانزیستور قدرت (توان)
ترانزیستورهای قدرت که ترانزیستورها توان نیز نامیده میشوند (Power transistors)، قطعات نیمههادی تخصصیای هستند که برای مدیریت جریانها و ولتاژهای بالا طراحی شدهاند. اگر ترانزیستوری بتواند بیش از 1 آمپر جریان را هدایت کند، معمولاً ترانزیستور قدرت در نظر گرفته میشود.
چنین نمونههایی باید مقاومت خروجی کمی برای ارائه جریانهای بار بزرگ و ساختار خوبی برای مقاومت در برابر ولتاژهای بالا داشته باشند. آنها همچنین باید گرما را خیلی سریع دفع کنند تا از گرمای بیش از حد جلوگیری شود در واقع ممکن است در این حالت پکیج آنها به گونهای طراحی شده باشد که امکان اتصال به هیتسینک را فراهم کند. برای مثال پکیج TO-220 یک نوع معروف با قابلیت نصب از طریق سوراخ (پایهدار) است که دارای یک پد فلزی و سوراخ پیچ برای نصب هیتسینکهای مختلف میباشد.
انواع رایج ترانزیستورهای قدرت را میتوان اینگونه ذکر کرد:
● برای کار در فرکانسهای پایین هم با استفاده از BJTها و هم FETها (معمولا MOSFETها) و هم IGBTها میتوان ترانزیستور توان تولید کرد، یعنی برای مثال میتوانیم BJTای در فرکانسهای پایین داشته باشیم که بیش از 1 آمپر جریان را هدایت کند.
● برای کار در فرکانسهای بالا (فرکانسهای RF و مایکروویو) باید سراغ نمونههای خاصی برویم که برای این منظور ساخته شدهاند. برای مثال HEMTها (که همانطور که در بخش مربوط به آن گفته شد) یکی از انواع FET است که بهخاطر نوع ساخت قابلیت کار در توانهای بالا و فرکانسهای بالا را دارد. یا نمونه دیگر HBTها که همانطور که در بخش مربوط به آن گفته شد، یکی از انواع BJT میباشند که توان و فرکانس بالا را میتوانند مدیریت کنند.
ترانزیستورهای قدرت (در فرکانسهای پایین) قطعه ضروریای در الکترونیک قدرت هستند. از آنها برای سوئیچ کردن و تقویت سیگنالهای الکتریکی در مدارهایی مانند منبع تغذیه، کنترلکنندههای موتور و اینورترها استفاده میشود. برخلاف نمونههای سیگنال کوچک، اینها ابعاد فیزیکی بزرگتری دارند تا گرمای تولید شده توسط سطوح توان بالاتر را دفع کنند.
این نمونههای قدرت (در فرکانسهای بالا) جهت تقویت و سوئیچینگ در حوزههایی چون ارتباطات مایکروویو، سیستمهای راداری، تجهیزات صنعتی و ... کاربردهای وسیعی دارند.
سایر انواع ترانزیستورها
جدا از ترانزیستورهایی که در بخش "انواع ترانزیستور از نظر ساختار" به معرفی آنها پرداختیم (که شاید شناختهشدهترین آنها BJTها و FETها باشند)، انواع دیگری از ترانزیستورها وجود دارند که الزاما خارج از آن دستهبندی نیستند، یعنی ممکن است از نوع BJT یا MOSFET یا ... باشند، اما طراحی آنها بهنحوی صورت گرفته که حالا هرکدام ویژگیها و کاربردهای خاص خود را دارند و حتی ممکن است اسم مشخصی برای آنها در نظر گرفته شده باشد. لذا در این بخش به بررسی برخی از آنها خواهیم پرداخت تا اگر با نام آنها برخورد کردید، بدانید که چیست و برای چه هدفی طراحی شده است.
ترانزیستور دارلینگتون
فرض کنید به یک تقویتکننده یا سوئیچ جریان BJT از نوع NPN نیاز دارید، اما ترانزیستورهای تکیای که پیدا کردهاید، تقویت کافی برای رساندن جریان ورودی کم به جریان خروجی زیاد (مورد نیاز شما) را ندارند.
میدانیم که میتوانیم جریان را با یک ترانزیستور تقویت کنیم، پس آیا نمیتوانیم این کار را دو بار انجام دهیم تا میزان تقویت بیشتر شود؟ پاسخ این است که میتوانیم. ترانزیستورهای چندگانه باعث ایجاد چندین مرحله تقویت میشوند تا در مجموع میزان افزایش بسیار بیشتری به ما بدهند. این کار بهسادگی اتصال دو کلکتور NPNها به یکدیگر و اتصال امیتر اولی به بیس دومی میباشد. این ساختار معمولا با عنوان زوج دارلینگتون (Darlington pair) نامیده میشود. توجه شود که هم میتوان از ترکیب NPNها به زوج (یا جفت) دارلینگتون دست یافت و هم از ترکیب PNPها. نماد مداری آن برای هر دو حالت در زیر نشان داده شده است.
ساختار داخلی زوج دارلینگتون (سمت راست) و نماد مداری آن (سمت چپ)؛ ممکن است از تصاویر سمت راست در برخی منابع بهعنوان نماد مداری آن استفاده شود
این یک قطعه بسیار قدرتمند است که میتوانیم آن را با دو ترانزیستور مجزا بسازیم، اما اگر در یک پکیج، در شکل یک ترانزیستور ساخته شود، فضای بسیار کمتری را به خود اختصاص میدهد (که به همین فرم هم در بازار موجود میباشند).
نمونهای از یک دارلینگتون مدل FZT605TA است که میتوانیم از ۱ میلیآمپر برای راهاندازی آن (که در واقع میشود جریان ترانزیستور اول در داخل ساختار آن) استفاده کنیم که در نهایت بیش از ۱ آمپر جریان در خروجی (که در واقع میشود جریان کلکتور به امیتر ترانزیستور دوم در داخل ساختار آن) به ما میدهد. این یعنی تقویت بیش از ۱۰۰۰ برابر.
ترانزیستور شاتکی
این نمونه (Schottky transistor) ترکیبی از یک BJT و یک دیود شاتکی (بین بیس و کلکتور) است که با منحرف کردن جریان ورودی بیش از حد، از اشباع ترانزیستور جلوگیری میکند. به آن Schottky-clamped transistor نیز گفته میشود. نماد مداری و مدار معادل آن را در تصویر زیر مشاهده مینمایید.
مدار معادل آن (سمت چپ) و نماد مداری آن (سمت راست)؛ منظور از مدار معادل این است که ساختار آن معادل با ترکیبی از چه المانهایی است
دیود شاتکی از اشباع کامل ترانزیستور جلوگیری میکند، که این امر امکان تغییر سریعتر بین حالتهای روشن و خاموش را فراهم میکند. این نمونهها در مدارهای سوئیچینگ پرسرعت، مانند مدارهای منطقی دیجیتال و منابع تغذیه، که در آنها زمان پاسخ سریع بسیار مهم است، استفاده میشوند.
HBT
پیش از معرفی ترانزیستور دوقطبی با پیوندناهمگون (Heterojunction bipolar transistor: HBT) بار دیگر اشارهای به تفاوت میان دو واژه Homojunction (پیوندهمگون) و Heterojunction (پیوندناهمگون) خواهیم داشت. همانطور که در مقاله دیگر ما یعنی "درک پیوند p-n" نیز به آن اشاره شد یک پیوندهمگون (homojunction) یک اتصال است که بین لایههایی از مواد نیمهرسانای مشابه رخ میدهد که نمونه آن پیوندهمگون بین یک نیمهرسانای نوع n و یک نیمهرسانای نوع p (هر دو از یک جنس یعنی سیلیکون) میباشد که همانگونه که میدانیم به آن پیوند p-n میگویند. از اینجا مشخص است که یک پیوندناهمگون (heterojunction) اتصالی بین دو لایه یا ناحیه از نیمهرساناهای غیرمشابه است.
با این اوصاف HBT نوعی ترانزیستور پیوندی دوقطبی (BJT) است (عملکرد آن اساساً مشابه BJT است) که از مواد نیمههادی مختلف (معمولا مواد نیمههادی مرکب متفاوت) برای نواحی بیس و امیتر استفاده کرده لذا یک پیوندناهمگون ایجاد میکند؛ برای مثال پیوندی از GaAs با AlGaAs. این ساختار یعنی HBT عملکرد بسیار بهبود یافتهای را نسبت به BJT در فرکانسهای بالا ارائه میدهد. برخی از HBTها میتوانند در فرکانسهای چند صد گیگاهرتزی کار کنند. دیاگرام سادهشده ساختار یک HBT از نوع NPN که بیس آن از جنس GaAs و امیتر آن از جنس AlGaAs است در زیر آورده شده است.
دیاگرام سادهشده ساختار یک HBT از نوع NPN
HBT معمولاً در مدارهای فوق سریع مدرن، عمدتاً سیستمهای RF و مایکروویو و در کاربردهایی که نیاز به راندمان توان بالا دارند، مانند تقویتکنندههای توان RF در تلفنهای همراه، استفاده میشود. ایده استفاده از پیوندناهمگون به اندازه BJT معمولی قدمت دارد و به ثبت اختراعی از سال 1951 برمیگردد. نظریه دقیق HBT توسط هربرت کرومر در سال 1957 توسعه داده شد.
ماسفت چندگیتی
یک دستگاه چندگیتی (Multigate device)، ماسفت چندگیتی یا ترانزیستور اثر میدانی چندگیتی (Multi-gate field-effect transistor: MuGFET) به یک ترانزیستور اثر میدانی از نوع نیمههادی-اکسید-فلز (MOSFET) اشاره دارد که بیش از یک گیت روی یک ترانزیستور دارد. گیتهای چندگانه ممکن است توسط یک الکترود گیت تکی کنترل شوند، که در آن سطوح گیت چندگانه از نظر الکتریکی مانند یک گیت واحد عمل میکنند، یا توسط الکترودهای گیت مستقل. نماد و ساختار MOSFET دوگیتی را در تصاویر زیر مشاهده مینمایید.
ساختار (سمت چپ) و نمادهای مداری (سمت راست) ماسفت دوگیتی
ماسفتهای دوگیتی (Dual-gate MOSFETs) معمولاً در میکسرهای فرکانس بسیار بالا (VHF) و در تقویتکنندههای حساس VHF استفاده میشوند. در ارتباط با مزایای ماسفت چندگیتی و یا بهطور خاص ماسفت دوگیتی میتوان گفت:
● بهبود کنترل کانال:
دو گیت امکان کنترل دقیقتر بر رسانایی کانال را فراهم میکنند.
● کاهش مقدار ظرفیت خازنی فیدبک:
در کاربردهای RF، گیت دوم به کاهش ظرفیت خازنی بین ورودی و خروجی کمک میکند و منجر به بهبود پایداری و فرکانسهای عملیاتی بالاتر میشود. این بیشتر در کاربردهای تقویتکننده در فرکانس بالا استفاده میشود. عیب FET معمولی، ظرفیت خازنی بالای آن است، بهطوری که نمیتوان از آن در فرکانسهای بالاتر استفاده کرد.
● توانایی کاهش ابعاد فیزیکی MOSFETها (Scalability):
ابعاد MOSFETاهای دو گیتی را میتوان با حفظ عملکرد کوچکتر نمود که این مطلب آنها را برای مدارهای مجتمع پیشرفته مناسب میسازد.
● کاهش اثرات اتصال کوتاه شدن کانال:
طراحیهای دو گیتی میتوانند تأثیر اثرات اتصال کوتاه شدن کانال را کاهش دهند، که این مساله با کوچکتر شدن MOSFETها، اهمیت بیشتری پیدا میکنند.
ترانزیستور چندامیتری
این نمونه (Multiple-emitter transistor)، یک BJT تخصصی با چند امیتر و یک بیس و یک کلکتور است که عمدتاً در ورودیهای گیتهای منطقی NAND از نوع TTL و در فرم مدار مجتمع استفاده میشود. سیگنالهای ورودی به امیترها اعمال میشوند و امکان انجام عملیات منطقی با استفاده از تنها یک ترانزیستور فراهم میشود. ترانزیستورهای چندامیتری جایگزین دیودها در منطق دیود-ترانزیستور (DTL) میشوند تا منطق ترانزیستور-ترانزیستور (TTL) را ایجاد کنند و در نتیجه امکان کاهش زمان سوئیچینگ و اتلاف توان را فراهم آورند.
نماد و ساختار قطعه را در تصاویر زیر مشاهده مینمایید. استفاده از آنها در گیتهای منطقی در سال 1961 در بریتانیا و در سال 1962 در ایالات متحده ثبت اختراع شد.
ساختار (سمت چپ) و نماد مداری (سمت راست) این قطعه
ترانزیستور تکپیوندی
ترانزیستور تکپیوندی (Unijunction transistor: UJT) یک قطعه نیمههادی الکترونیکی سه پایه با تنها یک پیوند (دو ناحیه نیمههادی) است (به ساختار آن که در زیر آمده توجه کنید که تنها از یک پیوند p-n تشکیل شده است) که بهدلیل ویژگی منحصربهفرد خود یعنی "مقاومت منفی" شناخته شده است (برای درک این ویژگی نیاز به تحلیل نحوه عملکرد این ترانزیستور داریم که خارج از بحث این نوشتار است). این قطعه منحصراً به عنوان یک سوئیچ کنترلشده الکتریکی عمل میکند و بهعنوان تقویتکننده خطی استفاده نمیشود.
در دهه 1960، هزینه پایین بهازای هر واحد، همراه با ویژگی خاص آن که در بالا اشاره شد، استفاده از آن را در طیف گستردهای از کاربردها تضمین میکرد. انواع اصلی ترانزیستور تکپیوندی اکنون منسوخ در نظر گرفته میشوند، اما یک قطعه چند لایه (که پس از آن معرفی شد)، یعنی Programmable unijunction transistor، هنوز بهطور گسترده در دسترس است.
ترانزیستورهای تکپیوندی (UJT) مزایایی چون ساختار ساده، هزینه کم و مصرف توان پایین را دارند. آنها خصوصا در کاربردهایی که به مدارهای سوئیچینگ و تریگر کم توان نیاز است، مانند نوسانسازها، تایمرها، مولدهای پالس در فرکانسهای پایین تا متوسط (صدها کیلوهرتز) و ... مفید هستند.
نماد و ساختار این قطعه و همچنین مدار معادل سادهشده آن را در تصویر زیر مشاهده مینمایید. میبینید که ترانزیستور از دو بیس و یک امیتر تشکیل شده و جهت جریان امیتر (در صورت جاری شدن) نیز در نماد آن مشخص است.
ساختار (وسط)، نماد مداری (سمت چپ) و مدار معادل سادهشده (سمت راست) نوع N این قطعه؛ توجه شود اگر جای N و P در ساختار عوض شود، کانال از نوع P شده لذا ترانزیستور تکپیوندی نوع P خواهیم داشت، در این حالت جهت پیکان جریان در نماد مداری و همینطور جهت دیود در مدار معادل معکوس میشوند
ترانزیستور دیجیتال
یک ترانزیستور دیجیتال (Digital transistor) که نام دیگر آن ترانزیستور با مقاومت بایاس داخلی (bias resistor built-in transistor: BRT) نیز میباشد، (مطابق شکل زیر) یک ترانزیستور دوقطبی است که مقاومتهای R1 (مقاومتی سری در بیس) و R2 (مقاومتی بین بیس و امیتر) نیز در حین ساخت ترانزیستور همراه آن قرار داده شدهاند (اصطلاحا یکپارچه شدهاند) و اینگونه آن را برای کاربردهای سوئیچینگ در مدارهای دیجیتال مناسب میسازد. اصطلاح "دیجیتال" به کاربرد اصلی آن بهعنوان سوئیچ در مدارهای منطقی دیجیتال اشاره دارد.
ساختار (سمت چپ) و نماد مداری (سمت راست) این قطعه؛ توجه شود که ترانزیستور میتواند از نوع PNP نیز باشد که طبیعتا جهت پیکان جریان امیتر آن عکس میشود
گفته شد که مقاومتهای بایاس مطابق تصویر بالا پیکربندی میشوند. R1 ولتاژ اعمال شده به ترمینال B را به جریان تبدیل میکند تا عملکرد BRT را تثبیت کند، در حالی که R2 به عنوان یک مقاومت pull-down در هنگام خاموش بودن BRT عمل میکند و ولتاژ بیس را به سطح GND میرساند. بدون R2، جریان نشتی یا جریان قطع کلکتور (ICBO) که به ورودی در حالت "خاموش" جاری میشود، ممکن است بهدلیل انباشته شدن بار در بیس، باعث نقص عملکرد BRT شود. R2 با عبور جریان نشتی به GND به جلوگیری از نقص عملکرد کمک میکند.
این طراحی که در ترانزیستورهای دیجیتال استفاده شده (یعنی وجود مقاومتها همراه با ترانزیستور دوقطبی) منجر به افزایش پایداری، طراحی سادهتر مدار روی برد و بهبود یکپارچگی سیگنال میشود.
ترانزیستور بهمنی
ترانزیستور بهمنی (Avalanche transistor) یک ترانزیستور پیوندی دوقطبی بوده، بهگونهای طراحی شده که میتواند در ناحیهای از مشخصههای جریان کلکتور/ولتاژ کلکتور-امیتر خود کار کند که در آن ناحیه ولتاژ کلکتور-امیتر آن میتواند بیش از ولتاژ شکست کلکتور-امیتر باشد (مطابق تصویر زیر)، که این ناحیه، ناحیه شکست بهمنی (avalanche breakdown) نامیده میشود.
مشخصه خروجی یک BJT؛ ناحیه عملکرد عادی که معمولا BJTها در این ناحیه مورد استفاده واقع میشوند (ناحیهای که مقدار ولتاژ کلکتور-امیتر کمتر از مقدار شکست آن یعنی BVceo است) و ناحیه بهمنی (ناحیهای که مقدار ولتاژ کلکتور-امیتر بیشتر از مقدار شکست آن یعنی BVceo است و نکته دیگر اینکه در این ناحیه جریان بیس کوچکتر از صفر میباشد)
در صورتی که ترانزیستوری در ناحیه شکست بهمنی کار کند، گفته میشود که در مد بهمنی کار میکند: این شرایط به ترانزیستورهای بهمنی این توانایی را میدهد که جریانهای بسیار بالا را با زمانهای صعود و سقوط (زمانهای گذار) کمتر از یک نانوثانیه سوئیچ کنند. ترانزیستورهایی که بهطور خاص برای این منظور طراحی نشدهاند، میتوانند خواص بهمنی نسبتاً ثابتی داشته باشند. بهعنوان مثال، 82 درصد از نمونههای سوئیچ پرسرعت 15 ولتی 2N2369 که طی یک دوره 12 ساله تولید شدهاند، آنطور که جیم ویلیامز نوشته است، قادر به تولید پالسهای شکست بهمنی با زمان صعود 350 پیکوثانیه یا کمتر، با استفاده از منبع تغذیه 90 ولت بودند.
ترانزیستورهای بهمنی عمدتاً بهعنوان مولدهای پالس سریع استفاده میشوند که زمانهای صعود و نزول کمتر از یک نانوثانیه و ولتاژ و جریان خروجی بالایی دارند.
LDMOS
ترانزیستور LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor) یکی از انواع MOSFET قدرت (Power MOSFET) است؛ مبتنیبر سیلیکون بوده و برای کاربردهای توان بالا و فرکانس بالا طراحی شده است. ذکر این نکته لازم است که MOSFET قدرت نوع خاصی از MOSFET است که برای کاربرد در سطوح توان بالا طراحی شده است. ترانزیستورهای LDMOS برخلاف ترانزیستورهای مبتنیبر سیلیکون معمولی که معمولاً برای مدارهای دیجیتال با توان کم بهینه شدهاند، بهگونهای طراحی شده است که توانایی ترانزیستور را برای مدیریت مؤثر ولتاژها و توانهای بالاتر افزایش میدهد.
از ویژگیهای ترانزیستورهای LDMOS میتوان به کنترل توان بالا، راندمان مناسب، ولتاژ شکست بالا و مقاومت (در زمان روشن بودن) پایین اشاره کرد. این ویژگیها آنها را برای کار در سطوح توان بالا با حفظ عملکرد لازم مناسب میسازد. ترانزیستورهای RF LDMOS مبتنیبر سیلیکون (LDMOSهای طراحی شده برای کار در فرکانسهای RF) پرکاربردترین تقویتکننده توان RF در شبکههای تلفن همراه است. دستگاههای LDMOS بهطور گسترده در تقویتکنندههای توان RF برای base stationها مورد استفاده قرار میگیرند، زیرا نیاز به توان خروجی بالا با ولتاژ شکست درین-سورس معمولاً بالای 60 ولت دارند.
پسگفتار
این نوشتار تلاشی بود برای پاسخ به سوالاتی چون ترانزیستور چیست، انواع آن کدامند و چه کاربردهایی دارند. امیدواریم که اکنون درک بهتری از این موضوعات داشته باشید و این مطالب به شما در اجرای پروژههای برق و الکترونیک یاری رسان باشند.
درک انواع مختلف ترانزیستورها و کاربردهای خاص آنها برای طراحی و بهینهسازی مدارهای الکترونیکی بسیار مهم است. چه روی الکترونیک قدرت کار میکنید یا مدارهای دیجیتال یا سیستمهای RF و مایکروویو، انتخاب نوع ترانزیستور مناسب کلید دستیابی به عملکرد و کارایی مطلوب است.
همانطور که در ابتدا نیز گفته شد، برای آماده کردن این نوشته زمان زیادی جهت بررسی انواع ترانزیستورها اختصاص داده شد تا هرکدام که احتمال میدادیم برای شما کاربردی باشند، در این لیست قرار داده شوند. اگر نمونهای است که فکر میکنید جای آن در این دستهبندی خالی است، حتما ما را در جریان قرار دهید.
پیشنهادات ارزشمند خود را و هر سوالی که احیانا در ارتباط با این مطلب برای شما پیش آمد از طریق بخش نظرات با ما در میان بگذارید. در صورت تمایل میتواند از ترانزیستورها ما نیز در بخش فروشگاه کهرنیک دیدن نمایید.
عالی عالی.
کامل ترین مقاله ای بود که خوندم
دمتون گرم هم محصولاتتون عالی بودن همی مقاله هاتون👌
کانکتور هاتون بی نظیرن⚡️⚡️
قیمت محصولات رو همکارتون صحبت کردم گفتن این هفته اپدیت میشه ظاهرا کارهای پشتیبانی داره
مقاله نیست که خودش یه کتابه
دمتون گرممممم
ازش برا کنفرانس تو مدرسه استفاده کردم عالی بود
ثبت سفارش خارج هم دارید؟؟
کانکتور های روسب طلایی موجود دارید؟؟
کانکتور های روسی طلایی هم موجود دارید؟؟