ترانزیستور،یک قطعه ای است معمولا سه پایه،که دو کار میتواند انجام دهد،تقویت و کلید زنی به عنوان سوییچ کنترل شده.از همین دو قابلیت،میتوان هزاران کاربرد گرفت.در ساختار ترانزیستور ها،از نیمه هادی ها استفاده شده است.به خاطر اینکه در ترانزیستور ها،قدرت سیگنال کنترل شده از قدرت سیگنال کنترل کننده بیش تر است،میگوییم که ترانزیستور تقویت کننده است.امروزه،ترانزیستور ها را در بسته های تنهایی نیز تولید میکنند اما بیش تر،در بسته های مدار مجتمع،همانند cpu ها،عرضه میشوند.ترانزیستور ها،پایه و اساس لوازم الکترونیک امروزی هستند،شاید اولین ترانزیستور fet در سال 1926 اختراع شده باشد اما در آن زمان،از آن برای ساختن هیچ دستگاهی استفاده نشد.اولین ترانزیستور پیوندی،عملا در سال 1947 ساخته شد،ترانزیستور عملا انقلابی در الکترونیک به وجود آورد،و راه را برای عرضه ی نمونه های کوچکتر و ارزان تر رادیو ها،ماشین حساب ها و کامپیوتر ها و چیز های دیگر،باز کرد.
ترانزیستور ها،معمولا از نیمه هادی ها ساخته میشوند و برای این کار،معمولا از نیمه هادی های سیلیسیم و ژمانیم استفاده میشود اما دیگر نیمه هادی ها نیز میتوانند استفاده شوند.ترانزیستور ها ممکن است در زمینه ی حامل بار،یک نوع حامل بار داشته باشند،همانند ترانزیستور های اثر میدان،یا ممکن است دو نوع حامل بار داشته باشند همانند ترانزیستور های bjt یا پیوند دوقطبی.تا قبل از فراگیر شدن استفاده از ترانزیستور،لامپ های خلا کار آنها را انجام میدادند.ترانزیستور ها در مقایسه با لامپ های خلا،بسیار کوچکتر هستند،و توان بسیار کمتری برای راه اندازی نیاز داشته و نیز تلفات گرمایی آنها نیز بسیار پایین است.البته،هنوز،گاهی ممکن است یک سری از برتری های لامپ خلا نیز نسبت به ترانزیستور باقی مانده باشد،همانند قابلیت کارشان با فرکانس های بسیار بالا و همچنین ولتاژ های بسیار بالا.
اهمیت ترانزیستور:ترانزیسور،عملا مهم ترین قطعه ی اکتیو در دستگاه های الکترونیکی مدرن است.بسیاری بر این اعتقاد هستند که ترانزیستور،مهم ترین اختراع قرن 21 بوده است(به نظر بنده نیز اینچنین استD:).امروزه،بسیاری از کمپانی ها،ترانزیستور ها را در انواع پکیج و ابعاد با انواع کارایی ها به صورت تکی،وارد بازار میکنند،اما،تعداد بسیار عظیمی از ترانزیستور ها،در مدارات مجتمع،و شاید در کنار قطعاتی دیگر همچون دیود ها،مقاومت ها،خازن ها و ...وجود دارند.یک مدار مجتمع گیت دیجیتالی ساده،ممکن است حدودا بیست عدد ترانزیستور داشته باشد،حال آنکه،یک میکرو پروسسور پیشرفته،میتواند حدود چند میلیارد ترازیستور،داخل خود داشته باشد.برای مثال تعداد ترانزیستور های تولید شده،جالب است بدانید در سال 2002،به ازای هر انسان،60 میلیون ترانزیستور،تولید شده است!
کاربرد های ساده ی ترانزیستور ها:
یکی از بزرگ ترین کاربرد های ترانزیستور ها،این است که میتوان به یک جفت از پایه هایش،یک سیگنال کوچک داد و از یک جفت دیگر(یک پایه در این دو جفت مشترک خواهد بود،یا کلکتور یا بیس یا امیتر،یا پایه های ماسفت،که هرکدام مشترک باشد کاربرد خاصی در تقویت کنندگی خواهد داشت)سیگنالی تقویت شده و بزرگ تر را دریافت کرد.به این ویژگی،افزایش(گین)میگویند.میتوان سیگنالی بزرگ تر از نظر دامنه،بزرگ تر از نظر جریان و یا هردوی آنها،دریافت کرد.به این قابلیت ترانزیستور،تقویت کننده(آمپلی فایر)میگویند.کاربرد بزرگ دیگر ترانزیستور،توانایی آن در قطع و وصل کردن دو نقطه از مدار توسط فرمان ما یا فرمان های الکترونیکی،است.در این قابلیت،ترانزیستور جریان قطعاتی را قطع و یا وصل میکند،که به این قابلیت،قابلیت کلید(سوییچ)گفته میشود.
در حالت کلی،دو نوع ترانزیستور وجود دارد،ترانزیستور های پیوند دوقطبی یا BJTو ترانزیستور های اثر میدان یا FET.تفاوت های زیادی بین این دو وجود دارد که باعث میشود هرکدام،در جای خاصی استفاده شود.ترانزیستور های پیوند دوقطبی،داراری سه پایه با نام های انتشاردهنده(امیتر)،پایه(بیس)و جمع کننده(کلکتور).در حالت کلی،جریان کوچکی که از بیس به امیتر میرود،باعث کنترل جریان بسیار بزرگی که از کلکتور به امیتر میرود،میشود.در ترانزیستور های اثر میدان،پایه ها با نام های دروازه(گیت)،منبع(سورس)و چاه(درین) نام گذاری میشوند،و ولتاژ گیت،جریان بین سورس و درین را کنترل میکند.(کنترل گر در ترانزیستور های پیوند دو قطبی جریان و ترانزیستور های اثر میدان،ولتاژ میباشد که هرکدام معایب و مزایای خود را دارند)
تصویر زیر،یک ترانزیستور را در یک مدار ساده نشان میدهد.شار جریانی که از کلکتور به امیتر میرود،بستگی به جریانی که از بیس عبور میکند دارد،به دلیل اینکه پیوند بیس/امیتر در این ترانزیستور ها،همانند دیود رفتار میکند،یک افت ولتاژی بین بیس و امیتر وجود دارد که مثل ولتاژ هدایت دیود است و تا ولتاژی که به بیس اعمال میشود،از آن ولتاژ بیش تر نشود،ترانزیستور پیوند دو قطبی روشن نخواهد شد،چون جریانی از بیس عبور نخواهد کرد.میزان این ولتاژ،بستگی به جنس مواد به کار رفته در ساخت ترانزیستور دارد و با VBE در دیتاشیت ترانزیستور ذکر میشود که معمولا در ترانزیستور های سیلیسیم حدود 0.5تا0.7ولت و در ژرمانیوم ها حدود 0.2 ولت است.این نکته،از معایب ترانزیستور های پیوند دوقطبی به شمار میرود.
ترانزیستور به عنوان سوییچ:ترانزیستور ها،اغلب در مدارات دیجیتالی،به عناون یک کلید در دو وضعیت روشن و خاموش،به کار میروند،هم به عنوان کلید های قدرت مثلا در منابع تغذیه سوییچینگ و هم در کاربرد های کم توان همانند گیت های دیجیتالی.سه مشخصه حائز اهمیت ترانزیستور در اینجا،حداکثر ولتاژی که میتواند تحمل کند،حداکثر جریانی که میتواند از آن عبور کند و سرعت کلید زنی اش،که با زمان افزایش و سقوط(رایس تایم و فال تایم)مشخص میشود،است.در یک ترانزیستوری که امیترش به گراند(زمین) وصل شده،همانند مدار شکل زیر،که ترانزیستور یک لامپ را روشن میکند،هنگامی که کلید بسته شود و جریان بیس افزایش یابد،جریان کلکتور به امیتر نیز به طور نمایی افزایش پیدا میکند.ولتاژ کلکتور افت زیادی پیدا میکند به این علت که مقاومت الکتریکی بین کلتور و امیتر کاهش پیدا کرده است.اگر ولتاژ کلکتور/امیتر صفر(یا نزدیک به صفر)شود،جریان ترانزیستور زیاد شده و تنها با مقاومت بار(در اینجا لامپ)و مقدار ولتاژ منبع جریان محدود میگردد.این حالت،اشباع ترانزیستور نام دارد چون جریان به طور ازادانه از کلکتور به امیتر میرود.هنگام اشباع بودن ترانزیستور،میگوییم ترانزیستور روشن است.مشکلی اصلی ترانزیستور های bjt،جریان بیس آنها است.ترانزیستورbjtیک گین جریان را ایجاد میکند،و اجازه میدهد یک جریان بسیار بزرگی در کلکتور،تابع جریانی باشد که از بیس عبور میکند.نسبت این دو جریان(بهره)،بستگی به نوع ترانزیستور دارد.در برخی از ارایش های خاص،ممکن است جریان کنترل کننده در کلکتور باشد.در شکل زیر،یک مقاومت که به بیس وصل شده،به مقداری انتخاب شده تا جریان کافی برای بیس را فراهم کند تا از اشباع بودن ترانزیستور اطمینان حاصل شود.در یک مدار سوییچینگ واقعی،میخواهیم که ترانزیستور،تا حد ممکن،هنگام خاموش بودن همانند یک کلید باز عمل کند(در عمل،گر به بیس فرمان ندهیم باز هم جریان کوچکی از آن عبور خواهد کرد)و در زمان روشن بودن،دوسر کلکتور و امیترش اتصال کوتاه باشد(که در عمل انچنین نیست)و نیز،به صورت فوری بین این دو وضعیت،تغییر وضعیت دهد(که زمان کمی طول میکشد روشن یا خاموش شود).در واقعیت سعی میشود تا حد ممکن در زمان خاموش بودن ترانزیستور،جریان نشتی اش کم باشد،در زمان روشن بودن،مقاومتش تا حد ممکن کم باشد و نیز تا حد ممکن که در کار مدار اختلال ایجاد نکند،سریع باشد.
ترانزیستور به عنوان تقویت کننده:در مدار امیتر مشترک،جوری طراحی شده که تغییرات کم ولتاژ ورودی،تغییرات جریان بیس را داشته باشد،و به تغییرات زیاد جریان خروجی تبدیل شود.در نهایت،تغییرات کوچک ولتاژ ورودی،به تغییرات بزرگ ولتاژ خروجی تبدیل میشود.بسیاری از پیکره بندی ها و آرایش ها در مدارات تک ترانزیستوری میتوان پیاده کرد،برخی،ولتاژ را افزایش میدهند،برخی،جریان و برخی نیز هردو را.
از تلفن های موبایل گرفته تا تلوزیون ها،همگی دارای مدارات بازسازی صدا،ارتباطات رادیویی،پردازش سیگنال و ... هستند،توان ترانزیستور های اولیه به زور توانشان به چندین میلی وات میرسید،اما امروزه معماری ترانزیستور ها و تقویت کننده ها تکامل یافته و شاهد ترانزیستور های مخصوص تقویت صوت گاها با توان های چند صد وات وجود دارند،استفاده از آنها بسیار رایج بوده و قیمت پایینی نیز دارند.
مقایسه ترانزیستور ها با لامپ های خلا:
مزایا:
1-در تزانزیستور ها،دیگر نیاز به گرم شدن کاتد نیست.مزیتی که باعث کاهش بسیار زیاد مصر انرژی میشودو همچنین زمان تاخیر گرم شدن را دیگر ندارند.
2-ابعاد ترانزیستور ها بسیار کوچک است،که باعث میشود حجم دستگاه ها به طور قابل ملاحظه ای کاهش پیدا کند.
3-تعداد بسیار زیادی در حدود چند میلیارد از ترانزیستور ها میتوانند درون یک قطعه کوچک به صورت مدار مجتمع،جای گیرند.
4-توان مصرفی و ولتاژ کاری بسیار پایینی دارند که باعث میشود در دستگاه های پرتابل و با باطری هایی با تعداد سلول بسیار کم،به خوبی فعالیت کنند.
5-ساختن مداراتی با بازده ی بسیار بالا،با ترانزیستور ممکن میشود.برای کاربرد های کم توان،به طور خاص،مصرف انرژی به طور قابل ملاحظه ای کمتر از لامپ های خلا است.
6-دستگاه های مکمل،حال میتوانند وجود داشته باشند،همانند دستگاه های کامپلی منتاری متقارن،در لامپ های خلا نمیتوان آنها را ساخت.
7-ترانزیستور ها،خیلی کم به شوک و ضربه و لرزش های مکانیکی حساس اند،و همچنین در برابر شوک و ضربه،سیگنال های الکتریکی نا خواسته تولید نمیکنند.
8-ترانزیستور ها حساس به شکستن شیشه همانند لامپ های خلا نیستند،و داخل پکیج های بسیار محکم سیلیکونی قرار دارند.
معایب:
1-ترانزیستور ها،ممکن است به مرور زمان فرسوده شده و بسوزند،یک ترانزیستور با 10 سال کار کرد،باید همانند یک ترانزیستور 1 ساله کارکند،اما در عمل اینطور نیست و این تغییرات در مرور زمان ممکن است باعث سوختن ترانزیستور ها شود،اما زمان و عمر مشخصی ندارد و به شدت وابسته به قدرت مورد استفاده،جنس نیمه هادی،گرما،اشتباهات و خطا های کارخانه سازنده و ... دارد.
2-ترانزیستور ها در توان ها و قدرت های بالا،دچار مشکل هستند.هنوز هم در دکل های صدا و سیما،به علت نیاز به توان بالا،از لامپ های خلا که امروزه کمی توانایی انتقال الکترون هایشان نیز بهبود یافته است، استفاده میشود.
3-دستگاه های ترانزیستوری،به شوک های کوتاه و تخلیه های الکترونیکی حساس هستند.اما لامپ های خلا،از نظر الکترونیکی بسیار مقاوم تر هستند.
4-حساسیت ترانزیستور ها به تابش ها و اشعه های کیهانی زیاد است و باعث مشکلاتی در کاربرد های فضایی میشود!
5-لامپ های خلا در کاربرد های صوتی،خطی تر عمل میکنند و اعوجاج هارمونیکی بسیار کمتری دارند،و این باعث شده که هنوز عده ی زیادی در سیتستم های hifi خانگی و یا استدیویی،لامپ های خلا را ترجیه دهند.
انواع استابیلایزر
