انواع ترانزیستور
ترانزیستور چیست ؟
ترانزیستور یک دستگاه دارای سه پایانه است و از سه لایه مجزا تشکیل شده است. دو تا از آنها دوپ شده اند تا یک نوع نیمه هادی بدهند و نوع مخالف آن وجود دارد، یعنی دو تا از نوع n و یکی از نوع p، یا دو تا از نوع p و یکی ممکن است از نوع n باشند. طوری چیده شده که دو لایه مشابه ترانزیستور لایه ای از نوع مخالف را ساندویچ کنند. در نتیجه این ادوات نیمه هادی با توجه به نحوه ساخت آنها به عنوان ترانزیستور PNP یا ترانزیستور NPN تعیین می شوند. نام سه الکترود به طور گسترده استفاده می شود، اما معانی آنها همیشه قابل درک نیست:
پایه: نام پایه ترانزیستور به این دلیل است که در ترانزیستورهای اولیه، این الکترود پایه کل دستگاه را تشکیل می داد. اولین ترانزیستورهای تماس نقطه ای دارای دو کنتاکت نقطه ای بودند که روی ماده پایه قرار می گرفتند. این ماده پایه اتصال پایه را تشکیل می داد.
امیتر: امیتر نام خود را از این واقعیت به دست می آورد که حامل های بار را منتشر می کند.
کلکتور: کلکتور نام خود را از این واقعیت به دست می آورد که حامل های شارژ را جمع آوری می کند.
برای عملکرد ترانزیستور، ضروری است که ناحیه پایه بسیار نازک باشد. در ترانزیستورهای امروزی، پایه معمولاً فقط حدود 1 میکرومتر عرض دارد. این واقعیت نازک بودن ناحیه پایه ترانزیستور است که کلید عملکرد دستگاه است.
تاریخچه ترانزیستور
درست قبل از کریسمس، در 23 دسامبر 1947 بود که تیم شاکلی، باردین و براتین اختراع جدید خود از ترانزیستور تماس نقطه ای را به مدیران ارشد آزمایشگاه های بل در ایالات متحده نشان دادند. هیچ کس نمی توانست تصور کند که اختراع ترانزیستور چه تاثیری بر صنعت الکترونیک و در واقع کل جهان خواهد داشت. تنها یک هفته از زمانی که تیم موفق شد دستگاه را با موفقیت وارد کار کند، می‌گذشت. بنابراین می توان گفت تاریخ اختراع ترانزیستور 16 دسامبر 1947 است. اختراع اولین ترانزیستور داستانی از عزم راسخ در میان تعدادی از شکست ها بود. همچنین یادآوری است که اگرچه شاکلی، باردین و براتین اسامی مرتبط با اختراع ترانزیستور هستند، افراد زیادی از آنها حمایت کردند و بسیاری دیگر پایه‌های اختراع ترانزیستور تماس نقطه‌ای را تنظیم کردند. قبل از اختراع ترانزیستور، پایه های زیادی وجود داشت که باید در جای خود قرار می گرفتند. مردم سال‌ها با هادی‌های اهمی آشنا بودند و نحوه عملکرد مقاومت‌های پایه را درک می‌کردند، اما دسته‌ای از مواد به نام نیمه‌رساناها وجود داشت که کمی متفاوت بودند. حتی در قرن نوزدهم مشاهده شد که این نیمه هادی ها دارای ضریب مقاومت منفی بودند، آنها می توانستند جریان های الکتریکی را اصلاح کنند و یک اثر فوتوالکتریک از خود نشان دادند. اولین کاربرد نیمه هادی ها در مجموعه های بی سیم بود که در آن از سبیل یا آشکارسازهای کریستال گربه استفاده می شد. بعداً در جنگ جهانی دوم، پایه های بیشتری ایجاد شد، زیرا از اکسید مس و یکسو کننده های سلنیوم برای یکسوسازی برق AC استفاده می شود.
همچنین کار بر روی دیودهای تماس نقطه‌ای باعث می‌شود سیگنال‌های مایکروویو برای مجموعه‌های راداری که از فرکانس‌های بالاتری استفاده می‌کردند شناسایی یا دمودوله شوند. پایه دیگری که برای اختراع ترانزیستور در دهه های 1920 و 1930 ایجاد شد، کار نظری بر روی فیزیک زیر مولکولی بود. اگرچه این در ابتدا به سمت دستگاه‌های ترمیونیک، یعنی لوله‌ها یا دریچه‌های خلاء هدایت می‌شد، اما تأثیر زیادی بر درک نیمه‌رساناها داشت.
انواع قطعات الکترونیکی فعال و غیرفعال را در مقاله شناخت قطعات الکترونیکی روی برد بخوانید.
نحوه عملکرد ترانزیستور
یک ترانزیستور را می توان به عنوان دو اتصال P-N در نظر گرفت که پشت به پشت قرار می گیرند. یکی از اینها، یعنی اتصال امیتر پایه، بایاس رو به جلو است، در حالی که دیگری، اتصال جمع کننده پایه بایاس معکوس است. مشخص شده است که وقتی جریانی در پیوند امیتر بیس جریان می یابد، جریان بزرگتری در مدار کلکتور جریان می یابد، حتی اگر پیوند کلکتور پایه بایاس معکوس باشد. برای وضوح مثال یک ترانزیستور NPN در نظر گرفته شده است. همین استدلال را می توان برای دستگاه PNP به کار برد، با این تفاوت که حفره ها به جای الکترون ها حامل اکثریت هستند.
هنگامی که جریان از محل اتصال امیتر پایه عبور می کند، الکترون ها از امیتر خارج شده و به سمت پایه جریان می یابند. با این حال دوپینگ در این منطقه کم نگه داشته می شود و حفره های نسبتا کمی برای ترکیب مجدد وجود دارد. در نتیجه، بیشتر الکترون‌ها می‌توانند مستقیماً از ناحیه پایه و در ناحیه جمع‌کننده جریان پیدا کنند که توسط پتانسیل مثبت جذب می‌شوند.
فقط بخش کوچکی از الکترون‌های امیتر با حفره‌هایی در ناحیه پایه ترکیب می‌شوند که جریانی را در مدار بیس-امیتر ایجاد می‌کند. این بدان معنی است که جریان کلکتور بسیار بیشتر است.
نسبت بین جریان کلکتور و جریان پایه نماد یونانی Β است. برای اکثر ترانزیستورهای سیگنال کوچک این ممکن است در ناحیه 50 تا 500 باشد. در برخی موارد می تواند حتی بیشتر باشد. این بدان معنی است که جریان کلکتور معمولاً بین 50 تا 500 برابر جریان در پایه است. برای یک ترانزیستور با قدرت بالا مقدار Β تا حدودی کمتر است: 20 یک مقدار نسبتا معمولی است.
معرفی انواع ترانزیستور ها
- ترانزیستور دو قطبی
یک ترانزیستور دوقطبی باید از ترانزیستور اثر میدانی متمایز شود. یک ترانزیستور اتصال دوقطبی، BJT، نام خود را از این واقعیت به دست می‌آورد که از سوراخ‌ها و الکترون‌ها در عملکرد خود استفاده می‌کند. ترانزیستورهای اثر میدانی دستگاه های تک قطبی هستند که از یک یا هر یک از انواع حامل شارژ استفاده می کنند. یک ترانزیستور دوقطبی، یا دقیق تر ترانزیستور پیوند دوقطبی، BJT، دارای دو اتصال دیود PN است که پشت به هم هستند. ترانزیستور دوقطبی دارای سه پایانه به نام های امیتر، پایه و کلکتور است. ترانزیستور جریان را تقویت می کند – ترانزیستورهای دوقطبی بر خلاف لوله های خلاء دریچه های ترمیونیک و FET که دستگاه های ولتاژ هستند، دستگاه های جریان هستند. جریانی که در مدار بیس جریان دارد بر جریانی که بین کلکتور و امیتر می گذرد تأثیر می گذارد.
قطعات الکترونیکی و ترانزیستور ها با توجه به حساسیت کاری آنها باید از منابع معتبر تهیه شوند و شرکت رویال صنعت سامانه با دفاتری در هنگ کنگ و ترکیه توانایی واردات قطعات الکترونیکی را دارد.
- ترانزیستور اثر میدانی
مفهوم ترانزیستور اثر میدان حول این مفهوم است که بار روی یک جسم مجاور می تواند بارها را در یک کانال نیمه هادی جذب کند. اساساً با استفاده از یک اثر میدان الکتریکی کار می کند – از این رو نام آن. FET از یک کانال نیمه هادی با الکترودهایی در دو انتها تشکیل شده است که به آنها تخلیه و منبع گفته می شود. یک الکترود کنترلی به نام گیت در مجاورت بسیار نزدیک کانال قرار می گیرد تا بار الکتریکی آن بتواند بر کانال تاثیر بگذارد. به این ترتیب دروازه FET جریان حامل ها (الکترون ها یا حفره ها) را که از منبع به سمت تخلیه جریان می یابد، کنترل می کند. این کار را با کنترل اندازه و شکل کانال رسانا انجام می دهد. کانال نیمه هادی که در آن جریان جریان رخ می دهد ممکن است از نوع P یا N باشد. این باعث ایجاد دو نوع یا دسته FET می شود که به عنوان FET های کانال P و N-Channel شناخته می شوند. علاوه بر این، دو دسته دیگر نیز وجود دارد. افزایش ولتاژ در گیت می تواند تعداد حامل های شارژ موجود در کانال را کاهش یا افزایش دهد. در نتیجه FET حالت بهبود و FET حالت تخلیه وجود دارد.
انواع ترانزیستورهای اثر میدانی
راه های زیادی برای تعریف انواع مختلف FET وجود دارد. انواع مختلف به این معنی است که در طول طراحی مدار الکترونیکی، انتخاب قطعه الکترونیکی مناسب برای مدار وجود دارد. با انتخاب دستگاه مناسب می توان بهترین عملکرد را برای مدار داده شده به دست آورد. انواع مختلفی از FET در بازار وجود دارد که نام های مختلفی برای آنها وجود دارد. برخی از دسته بندی های اصلی در زیر به تأخیر می افتند.
Junction FET، JFET: Junction FET یا JFET از یک اتصال دیود بایاس معکوس برای ایجاد اتصال دروازه استفاده می کند. ساختار از یک کانال نیمه هادی تشکیل شده است که می تواند از نوع N یا P باشد. سپس یک دیود نیمه هادی بر روی کانال به گونه ای ساخته می شود که ولتاژ روی دیود بر کانال FET تأثیر می گذارد. در عمل این بایاس معکوس است و این بدان معنی است که به طور موثر از کانال جدا می شود – فقط جریان معکوس دیود می تواند بین این دو جریان یابد. JFET ابتدایی ترین نوع FET است و اولین بار توسعه یافت. با این حال هنوز هم در بسیاری از زمینه های الکترونیک خدمات عالی ارائه می دهد.
FET دروازه عایق / MOSFET سیلیکون اکسید فلز: ماسفت از یک لایه عایق بین دروازه و کانال استفاده می کند. به طور معمول این از لایه ای از اکسید نیمه هادی تشکیل می شود. نام IGFET به هر نوع FET اطلاق می شود که دارای دروازه عایق باشد. متداول ترین شکل IGFET ماسفت سیلیکونی – Metal Oxide Silicon FET است. در اینجا، دروازه از یک لایه فلز ساخته شده است که روی اکسید سیلیکون قرار دارد که به نوبه خود روی کانال سیلیکونی قرار دارد. ماسفت ها به طور گسترده در بسیاری از زمینه های الکترونیک و به ویژه در مدارهای مجتمع استفاده می شوند. عامل کلیدی IGFET / MOSFET امپدانس بسیار بالای دروازه ای است که این FET ها می توانند ارائه دهند. گفته می شود، یک ظرفیت خازنی مرتبط وجود خواهد داشت و این امر با افزایش فرکانس امپدانس ورودی را کاهش می دهد.
ماسفت دو دروازه ای: این یک فرم تخصصی از ماسفت است که دارای دو گیت به صورت سری در طول کانال است. این امر باعث می شود تا در مقایسه با دستگاه های تک گیت، بهبودهای قابل توجهی در عملکرد، به ویژه در RF ایجاد شود. دروازه دوم ماسفت ایزوله اضافی بین ورودی و خروجی را فراهم می کند و علاوه بر این می تواند در برنامه هایی مانند اختلاط / ضرب استفاده شود.
MESFET: فلز سیلیکون FET معمولاً با استفاده از گالیوم آرسنید ساخته می شود و اغلب به عنوان GaAs FET شناخته می شود. اغلب GaAsFET ها برای کاربردهای RF استفاده می شوند که می توانند عملکرد کم نویز با بهره بالا را ارائه دهند. یکی از معایب فناوری GaAsFET ناشی از ساختار دروازه بسیار کوچک است و این باعث می شود که آن را به آسیب های ناشی از استاتیک، ESD بسیار حساس کند. هنگام کار با این دستگاه ها باید بسیار مراقب باشید
HEMT / PHEMT: ترانزیستور با تحرک الکترون بالا و ترانزیستور با تحرک الکترون بالا شبه شکل، پیشرفت های مفهومی اولیه FET هستند، اما برای فعال کردن عملکرد فرکانس بسیار بالا توسعه یافته اند. اگرچه گران هستند، اما فرکانس های بسیار بالا و سطوح بالایی از عملکرد را امکان پذیر می کنند.
FinFET: فناوری FinFET در حال حاضر در مدارهای مجتمع مورد استفاده قرار می گیرد تا با اجازه دادن به اندازه ویژگی های کوچکتر، سطوح بالاتری از یکپارچگی حاصل شود. از آنجایی که سطوح تراکم بالاتری مورد نیاز است و به‌طور فزاینده‌ای دشوار می‌شود که اندازه ویژگی‌های کوچکتر را درک کنیم، فناوری FinFET به طور گسترده‌تری مورد استفاده قرار می‌گیرد.
قطعات نصب سطحی در پکیج های مختلفی عرضه می‌شوند که اکثر آنها استاندارد سازی شده اند تا ساخت مجموعه های PCB با استفاده از تجهیزات خودکار را بسیار آسان‌تر کنند.
برای آشنایی با انواع قطعات smd کلیک کنید.
- IGBT
ترانزیستورهای دوقطبی گیت عایق یا IGBT(Insulated gate bipolar transistors) شکلی از دستگاه های نیمه هادی گسسته هستند که عموماً برای کاربردهای برق مورد استفاده قرار می گیرند: منابع تغذیه، سوئیچینگ برق و غیره. مزیت ترانزیستورهای IGBT این است که بسیاری از ویژگی‌های ماسفت‌ها و ترانزیستورهای دوقطبی را با هم ترکیب می‌کنند که قابلیت‌های ولتاژ و جریان بالا ترانزیستورهای دوقطبی را با سوئیچینگ با سرعت بالا و عملکرد جریان گیت پایین ماسفت‌های قدرتی فراهم می‌کنند. نیاز به ترانزیستور دوقطبی گیت عایق، IGBT، به این دلیل به وجود آمد که هم ماسفت ها و هم ترانزیستورهای اتصال دوقطبی، BJT، محدودیت های خود را دارند، به ویژه زمانی که صحبت از کاربردهای جریان بالا می شود. بر این اساس، اختراع ترانزیستور IGBT، مزایای هر دو نوع دستگاه را قادر ساخت تا در یک دستگاه نیمه هادی واحد ترکیب شوند.