ترانزیستور چیست؟ | نحوه کار و معرفی انواع آن به زبان ساده

«ترانزیستور» (Transistor) نوعی قطعه نیمه‌هادی است که مانند یک کلید گاهی رسانا و گاهی عایق جریان الکتریکی یا ولتاژ است، اما عملکرد اساسی آن سوئیچینگ و یا تقویت‌کنندگی است. به‌عبارت ساده‌تری، ترانزیستور یک قطعه کوچک برای کنترل یا تنظیم سیگنال‌های الکترونیکی است و یکی از اجزای اساسی در اکثر وسایل الکترونیکی محسوب می‌شود.

ترانزیستورها به‌عنوان یکی از مهم‌ترین اختراعات علمی، در سال ۱۹۴۷ توسط سه فیزیک‌دان آمریکایی به نام‌های «جان باردین» (John Bardeen)، «والتر براتین» (Valter Brattain) و «ویلیام شاکلی» (William Shockley) توسعه یافتند.

اجزای ترانزیستور

یک ترانزیستور معمولی از سه پایه با مواد نیمه‌هادی مختلف تشکیل شده است. ولتاژ یا جریانی که به هر یک از جفت پایه‌های ترانزیستور اعمال می‌شود، جریان عبوری از جفت پایه‌های دیگر را کنترل می‌کند.

سه پایه ترانزیستور عبارت‌اند از:

• بیس (Base): برای فعال کردن ترانزیستور استفاده می‌شود.
• کلکتور (Collector): سر مثبت ترانزیستور است.
• امیتر (Emitter): سر منفی ترانزیستور است.

نحوه عملکرد ترانزیستور

ترانزیستور یکی از اجزای اساسی در مدارهای الکترونیکی است که به‌عنوان تقویت‌کننده یا سوئیچ الکتریکی عمل می‌کند. این قطعه از مواد نیمه‌هادی مانند سیلیکون یا ژرمانیم ساخته می‌شود و می‌تواند جریان الکتریکی را کنترل کند. ترانزیستورها در دو نوع اصلی، یعنی اتصال دوقطبی (BJT) و اثر میدان (FET) وجود دارند که هرکدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند.

در ترانزیستورهای اتصال دوقطبی، سه پایه به نام‌های امیتر، بیس و کلکتور وجود دارد. جریان الکتریکی از امیتر به کلکتور جاری می‌شود، اما میزان آن با اعمال ولتاژ به پایه بیس کنترل می‌شود. در نوع NPN، بیس با یک ولتاژ مثبت نسبت به امیتر فعال شده و باعث افزایش جریان بین امیتر و کلکتور می‌شود. در مقابل، در نوع PNP، بیس باید ولتاژ منفی نسبت به امیتر داشته باشد تا جریان برقرار شود.

ترانزیستورهای اثر میدان (FET) دارای سه پایه سورس، گیت و درین هستند. در این نوع ترانزیستور، جریان بین سورس و درین توسط ولتاژ اعمال‌شده به گیت کنترل می‌شود. در مدل MOSFET که یکی از پرکاربردترین انواع ترانزیستور است، گیت با یک لایه اکسید از نیمه‌هادی جدا شده و کنترل جریان را بدون نیاز به عبور جریان از گیت انجام می‌دهد. این ویژگی باعث مصرف توان کمتر و استفاده گسترده آن در مدارات مجتمع (IC) و پردازنده‌ها شده است.

به‌طورکلی، ترانزیستورها با قابلیت کنترل دقیق جریان، نقشی حیاتی در صنعت الکترونیک دارند و در دستگاه‌هایی مانند کامپیوترها، تلفن‌های همراه، تقویت‌کننده‌های صوتی و مدارهای دیجیتال مورد استفاده قرار می‌گیرند.

انواع ترانزیستور

ترانزیستورها براساس نحوه استفاده عمدتاً به دو دسته تقسیم می‌شوند: ترانزیستور پیوندی دوقطبی و ترانزیستور اثر میدان. ترانزیستور پیوندی دوقطبی مانند کلیدی‌ست که با جریان تحریک می‌شود و  ترانزیستور اثر میدان مانند کلیدی می‌ماند که با ولتاژ تحریک می‌شود

ترانزیستور پیوندی دوقطبی (BJT)

«ترانزیستور پیوندی دوقطبی» (Bipolar Junction Transistor) یا BJT، سه پایه (بیس، امیتر و کلکتور) دارد. در این نوع ترانزیستور، جریان بسیار کوچک بین بیس و امیتر، می‌تواند جریان بزرگ‌تر بین پایه کلکتور و امیتر را کنترل کند.

ترانزیستورهای BJT خود به دو نوع PNP و NPN دسته‌بندی می‌شوند:

• ترانزیستور PNP از یک ماده نوع N که بین دو ماده نوع P قرار گرفته، ساخته شده که جریان را کنترل می‌کند. علاوه‌براین،می‌توان ساختار این قطعه را این گونه در نظر گرفت: ترانزیستور PNP شامل دو دیود کریستالی است که به‌صورت سری به هم متصل شده‌اند. دیود سمت راست، دیود کلکتور-بیس و دیود سمت چپ، دیود امیتر-بیس نامیده می‌شود.
• ترانزیستور NPN از دو ماده نوع N همراه با یک ماده نوع P که بین آن‌ها جای گرفته تشکیل شده است. این نوع ترانزیستور اساساً برای تقویت سیگنال‌های ضعیف مورد استفاده قرار می‌گیرد. در یک ترانزیستور NPN، الکترون‌ها از امیتر به‌سمت ناحیه کلکتور حرکت کرده و سبب شکل‌گیری جریان در ترانزیستور می‌شوند.

ترانزیستورهای پیوندی سه نوع پیکربندی دارند: بیس مشترک (CB)، کلکتور مشترک (CC) و امیتر مشترک (CE).

بیس مشترک: در پیکربندی «بیس مشترک» (Common Base)، پایه بیس ترانزیستور بین پایه‌های ورودی و خروجی مشترک است.

کلکتور مشترک: در این پیکربندی، پایه‌های کلکتور بین پایه‌های ورودی و خروجی مشترک هستند.

امیتر مشترک: در پیکربندی امیتر مشترک، پایه امیتر بین پایه‌های ورودی و خروجی مشترک است.

ترانزیستور اثر میدان (FET)

«ترانزیستور اثر میدان» (Field Effect Transistor) یا FET دارای سه پایه به نام‌های «گیت» (Gate)، «سورس» (Source) و «درین» (Drain) است. ولتاژ پایه گیت می‌تواند جریان بین سورس و درین را کنترل کند. این نوع ترانزیستور یک ترانزیستور تک‌قطبی است که در آن از FET کانال N یا FET کانال P برای رسانایی استفاده می‌شود.

FETها در تقویت‌کننده‌های کم‌نویز، تقویت‌کننده‌های بافر و سوئیچ‌های آنالوگ به‌کار می‌روند.

انواع دیگر ترانزیستور

غیر از BJTها و FETها، انواع دیگری از ترانزیستور وجود دارد:

• MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor): در ترانزیستور ماسفت از یک گیت عایق‌شده برای کنترل جریان الکترون‌ها استفاده می‌شود.
• JFET (Junction Field-Effect Transistor): ترانزیستور پیوندی اثر میدان، جریان را به‌کمک میدان الکتریکی اعمال‌شده به ماده نیمه‌هادی کنترل می‌کند.
• IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor): این نوع ترانزیستور ترکیبی از ویژگی‌های BJT و MOSFET را داراست و در کاربردهای توان بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• TFT (Thin-Film Transistor): ترانزیستورهای فیلم نازک در سنسورها و صفحه‌نمایش‌های مسطح به‌کار می‌روند.
• HEMT (High Electron Mobility Transistor): ترانزیستور تحرک الکترونی بالا برای عملکرد با سرعت بالا و نویز کم استفاده می‌شود.
• ITFET (Inverted-T Field-Effect Transistor): از ساختار گیت Tشکل وارونه برای عملکرد بهبودیافته استفاده می‌کند.
• FREDFET (Fast-Reverse Epitaxial Diode Field-Effect Transistor): در کاربردهای سوئیچینگ سرعت بالا با زمان بازیابی معکوس کم، مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• Schottky Transistor: ترانزیستور شاتکی در محل پیوند بیس-کلکتور از سد شاتکی برای بهبود سرعت سوئیچینگ استفاده می‌کند.
• TFET (Tunnel Field-Effect Transistor): از ترانزیستور اثر میدان تونلی در کاربردهای توان پایین استفاده می‌شود.
• OFET (Organic Field-Effect Transistor): ترانزیستور اثر میدان آلی در نمایشگرها و لوازم الکترونیکی انعطاف‌پذیر به‌کار می‌رود.
• Diffusion Transistor: از پیوند نفوذی نیمه‌هادی جهت تقویت استفاده می‌کند.

نحوه کار ترانزیستورها

همان‌طور که گفته شد، ترانزیستور پیوندی دوقطبی سه پایه دارد. این نوع ترانزیستور یک قطعه جریان‌محور است که دو پیوند PN درون آن وجود دارد: یک پیوند بین ناحیه بیس و امیتر و دیگری بین ناحیه بیس و کلکتور. مقدار بسیار کمی از جریان عبوری امیتر به بیس می‌تواند مقدار نسبتاً بزرگی از جریان عبوری امیتر به کلکتور را کنترل کند.

در عملکرد معمول BJT، پیوند بیس-امیتر بایاس مستقیم و پیوند بیس-کلکتور بایاس معکوس است. هنگام عبور جریان از پیوند بیس-امیتر، این جریان در مدار کلکتور جاری خواهد شد. برای توضیح عملکرد ترانزیستور، یک نمونه ترانزیستور NPN را مثال خواهیم زد. اصول کار همان اصول کار ترانزیستور PNP است، با این تفاوت که حامل‌های جریان، حفره‌ها هستند و ولتاژها معکوس.

عملکرد ترانزیستور NPN

امیتر قطعه NPN از ماده نوع n ساخته شده است، ازاین‌رو، اکثر حامل‌ها الکترون هستند. زمانی که پیوند بیس-امیتر بایاس مستقیم است، الکترون‌ها از ناحیه نوع n به‌سمت ناحیه نوع p حرکت می‌کنند و اکثر حفره‌های حامل نیز به‌سمت ناحیه نوع n درحرکت هستند. هنگام مواجهه با یکدیگر، با هم ترکیب شده و سبب عبور جریان در سراسر پیوند می‌شوند. زمانی که پیوند بایاس معکوس است، حفره‌ها و الکترون‌ها از محل پیوند دور می‌شوند و ناحیه تخلیه بین دو ناحیه شکل گرفته و هیچ جریانی از آن عبور نخواهد کرد.

همان‌گونه که در شکل بالا نشان داده شده است، هنگام عبور جریان بین بیس و امیتر، الکترون‌ها امیتر را ترک کرده و به‌سمت بیس جریان می‌یابند. معمولاً الکترون‌ها هنگامی که به ناحیه تخلیه می‌رسند، با هم ترکیب می‌شوند. البته میزان آلایش در این ناحیه بسیار کم و بیس نیز بسیار نازک است. این بدین معنی است که اکثر الکترون‌ها می‌توانند بدون ترکیب مجدد با حفره‌ها در سراسر این ناحیه حرکت کنند. درنتیجه، الکترون‌ها به‌آرامی به‌سمت کلکتور جریان می‌یابند. به‌این ترتیب، آن‌ها می‌توانند از آنچه که عملاً یک پیوند بایاس معکوس است عبور کنند و جریان در مدار کلکتور جاری شود.

بایاس ترانزیستور

بایاس، فرایند اعمال ولتاژ کار DC به ترانزیستور است به‌گونه‌ای که سیگنال ورودی AC توسط ترانزیستور به‌درستی تقویت شود. ترانزیستورها برای عملکرد خود باید با جریان یا ولتاژ تغذیه شوند. این کار را می‌توان با مدارها و تکنیک‌های مختلف بایاس، انجام داد.

انواع بایاس ترانزیستور

در این بخش، رایج‌ترین روش‌های ترجیحی برای بایاس ترانزیستور را معرفی می‌کنیم:

• مقاومت بیس: پایه بیس ترانزیستور به مقدار بالایی از مقاومت بیس متصل است. ترانزیستور مورداستفاده در مدار نیز از نوع NPN است به‌گونه‌ای که سر دیگر مقاومت به بخش مثبت تغذیه وصل می‌شود. این کار سبب می‌شود پیوند بیس-امیتر، بایاس مستقیم و پایه بیس درمقایسه با پایه امیتر مثبت باشد.
• کلکتور به بیس: در بایاس کلکتور به بیس، مدار یک مقاومت بیس دارد که به پایه کلکتور فیدبک می‌دهد. این روش با روش مقاومت بیس متفاوت است. توجه داشته باشید که اگر جریان کلکتور تمایل به افزایش داشته باشد، ولتاژ مقاومت بار نیز افزایش می‌یابد که منجر به افزایش مقدار ولتاژ کلکتور-امیتر شده و جریان بیس نیز کاهش خواهد یافت.
• مقسم ولتاژ: این نوع بایاس به‌دلیل اینکه شامل دو مقاومت است، به‌طور گسترده‌ای رایج‌تر است. بایاس مقسم ولتاژ به‌دلیل مقاومت موجود در امیتر به تثبیت کمک می‌کند. یکی از معایب استفاده از این نوع بایاس این است که هنگام استفاده از آن در مدارها، سیگنال‌ها تمایل به مخلوط شدن دارند.

حالت‌های عملکرد ترانزیستور

ترانزیستورها بسته به شرایط بایاس (مستقیم یا معکوس)، دارای سه حالت اصلی عملیاتی هستند: ناحیه قطع، ناحیه فعال و ناحیه اشباع.

• حالت فعال (Active Mode): در این حالت، معمولاً از ترانزیستور به‌عنوان تقویت‌کننده جریان استفاده می‌شود و دو پیوند بایاس متفاوتی دارند، یعنی پیوند امیتر-بیس بایاس مستقیم و پیوند کلکتور-بیس بایاس معکوس است. در حالت فعال، جریان عبوری بین امیتر و کلکتور متناسب با جریان بیس است.
• حالت قطع (Cutoff Mode): در حالت قطع، هر دو پیوند بایاس معکوس هستند. درنتیجه، تقریباً هیچ جریان عبوری به‌جز نشت بسیار اندکی از جریان‌ها وجود ندارد. این ناحیه عمدتاً در مدارهای منطقی دیجیتال و سوئیچینگ استفاده می‌شود.
• حالت اشباع (Saturation Mode): در این حالت خاص، هر دو پیوند امیتر-بیس و کلکتور-بیس بایاس مستقیم هستند و جریان آزادانه از کلکتور به امیتر با مقاومت تقریباً صفر عبور می‌کند. در حالت اشباع، ترانزیستور کاملاً روشن و مدار بسته است. این ناحیه عمدتاً در مدارهای منطقی دیجیتال و سوئیچینگ به‌کار می‌رود.

مشخصه‌های ترانزیستور

مشخصه‌های ترانزیستور نمودارهایی هستند که می‌توانند رابطه بین جریان و ولتاژ یک ترانزیستور را در یک پیکربندی خاص نشان دهند.

• مشخصه‌های ورودی: نمودار تغییر جریان ورودی به‌ازای تغییر ولتاژ ورودی در ولتاژ خروجی ثابت.
• مشخصه‌های خروجی: نمودار رابطه جریان خروجی و ولتاژ خروجی به‌ازای جریان ورودی ثابت.
• مشخصه‌های انتقال جریان: نمودار تغییر جریان خروجی و ورودی به‌ازای ولتاژ ثابت.

مشخصه‌های ورودی

پیکربندی CB (بیس مشترک): تغییر جریان امیتر (I_E) به‌ازای تغییر ولتاژ بیس-امیتر (V_BE) در ولتاژ کلکتور ثابت (V_CB).

پیکربندی CC (کلکتور مشترک): تغییر I_B به‌ازای تغییر V_CB در ولتاژ کلکتور-امیتر ثابت (V_CE).

پیکربندی CE (امیتر مشترک): تغییر I_B به‌ازای تغییر V_BE  در V_CE ثابت.

مشخصه‌های خروجی

پیکربندی CB: تغییر جریان کلکتور (I_C) به‌ازای تغییر  V_CBدر جریان امیتر ثابت (I_E).

پیکربندی CC: تغییر I_E به‌ازای تغییرات V_CE در I_B ثابت.

پیکربندی CE: تغییر  I_C به‌ازای تغییرات V_CE در I_B ثابت.

مشخصه‌های انتقال جریان

پیکربندی CB: تغییر I_C به‌ازای تغییر I_E در V_CB ثابت.

پیکربندی CC: تغییر I_E به‌ازای تغییر I_B در V_CE ثابت.

پیکربندی CE: تغییر I_C به‌ازای تغییر I_B درV_CE  ثابت.

مزایای ترانزیستور

از مزایای ترانزیستور می‌توان به موارد زیر اشاره کرد: 

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

معایب ترانزیستور

موارد زیر را می‌توان از معایب ترانزیستورها به شمار آورد:‌

• فاقد تحرک بالای الکترون
• درمقابل رویدادهای الکتریکی و حرارتی آسیب‌پذیرند.
• تحت تأثیر پرتوهای کیهانی و تابش هستند.

کاربردهای ترانزیستور

ترانزیستورها یکی از مهم‌ترین اجزای الکترونیکی هستند که در طیف وسیعی از کاربردها، از مدارهای ساده تا سیستم‌های پیچیده دیجیتال، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

1. تقویت سیگنال

ترانزیستورها در بسیاری از مدارهای تقویت‌کننده برای افزایش شدت سیگنال‌های الکتریکی استفاده می‌شوند.

• تقویت‌کننده‌های صوتی: ترانزیستورها سیگنال‌های ضعیف میکروفون را دریافت کرده و آن‌ها را برای پخش در بلندگوها تقویت می‌کنند.
• گیرنده‌های رادیویی و تلویزیونی: امواج الکتریکی که از آنتن دریافت می‌شوند، بسیار ضعیف هستند. ترانزیستورها این امواج را تقویت کرده تا سیگنال واضح‌تری به مدارهای بعدی ارسال شود.
• سنسورها: بسیاری از سنسورها سیگنال‌های کم‌قدرتی تولید می‌کنند که برای پردازش نیاز به تقویت دارند.

2. مدارهای سوئیچینگ (کلیدهای الکترونیکی)

یکی از مهم‌ترین کاربردهای ترانزیستور، استفاده در مدارهای دیجیتال برای تغییر وضعیت بین روشن و خاموش (۰ و ۱) است.

• پردازنده‌های کامپیوتری: میلیاردها ترانزیستور در پردازنده‌ها به‌عنوان سوئیچ الکترونیکی عمل کرده و داده‌ها را پردازش می‌کنند.
• مدارهای کنترل روشنایی و موتورها: برای روشن و خاموش‌کردن لامپ‌های LED یا کنترل دور موتور در دستگاه‌های صنعتی، ترانزیستور به‌عنوان یک کلید به کار می‌رود.
• دستگاه‌های دیجیتال مانند تلفن همراه و نمایشگرهای LCD: ترانزیستورها برای مدیریت نمایش تصاویر، روشنایی و مصرف انرژی نقش کلیدی دارند.

3. مدارهای منطقی و دیجیتال

ترانزیستورها اساس ساخت مدارهای دیجیتال و کامپیوترها هستند.

• ساخت گیت‌های منطقی (AND, OR, NOT) و غیره: تمام عملیات منطقی در کامپیوترها توسط گیت‌های ساخته‌شده از ترانزیستورها انجام می‌شود.
• حافظه‌های دیجیتال: حافظه‌های رم (RAM) و فلش مموری‌ها برای ذخیره داده‌ها از ترانزیستورها استفاده می‌کنند.
• میکروکنترلرها و ریزپردازنده‌ها: تمامی تراشه‌های دیجیتال مانند پردازنده‌های موبایل، لپ‌تاپ و خودروها شامل میلیون‌ها ترانزیستور هستند که وظایف پردازشی را انجام می‌دهند.

4. تنظیم ولتاژ و جریان

ترانزیستورها در مدارهای منبع تغذیه برای تثبیت ولتاژ و جریان الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

• منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS): این منابع تغذیه در آداپتورهای لپ‌تاپ، شارژرهای موبایل و پاورهای کامپیوتر استفاده می‌شوند.
• مدارهای تنظیم‌کننده ولتاژ: از ترانزیستورها برای حفظ ولتاژ ثابت در مدارات الکترونیکی حساس مانند میکروکنترلرها استفاده می‌شود.
• محافظت از باتری‌ها: در شارژرهای هوشمند، ترانزیستورها برای کنترل و جلوگیری از اضافه ولتاژ و جریان بیش‌ازحد به کار می‌روند.

5. مدارهای مخابراتی

ترانزیستورها در سیستم‌های ارتباطی برای ارسال، دریافت و پردازش سیگنال‌های رادیویی و مخابراتی استفاده می‌شوند.

• تقویت‌کننده‌های فرستنده‌های رادیویی و تلویزیونی: برای ارسال امواج قوی‌تر به آنتن‌ها
• گوشی‌های موبایل و وای‌فای: برای پردازش سیگنال‌های بی‌سیم و ارتباط با شبکه
• ماهواره‌ها و تجهیزات مخابراتی: برای تقویت و پردازش داده‌های ارسال‌شده از فضا

6. مدارهای کنترلی و سنسورها

بسیاری از سیستم‌های کنترلی از ترانزیستورها برای پردازش سیگنال‌های سنسورها و اعمال فرامین کنترلی استفاده می‌کنند.

• خودروهای الکتریکی و صنعتی: ترانزیستورها در مدارهای کنترل سرعت موتور و ترمز‌های الکترونیکی استفاده می‌شوند.
• دستگاه‌های هوشمند و اینترنت اشیا (IoT): پردازش اطلاعات سنسورها برای کنترل خودکار تجهیزات.
• دوربین‌های دیجیتال و سنسورهای نور: تنظیم نور و کیفیت تصویر براساس محیط.

7. مدارات نوسان‌ساز و تولید فرکانس

ترانزیستورها برای تولید سیگنال‌های نوسانی در سیستم‌های ارتباطی و الکترونیکی استفاده می‌شوند.

• تولید سیگنال‌های رادیویی و بی‌سیم: برای ایجاد موج‌های فرکانسی در مخابرات و فرستنده‌ها.
• ساعت‌های دیجیتال و تایمرهای الکترونیکی: ایجاد پالس‌های زمانی برای شمارش و تنظیم ساعت سیستم‌ها.
• مدارهای ژنراتور فرکانس: برای آزمایش تجهیزات الکترونیکی و تولید امواج خاص.