تحقیق مقاله ترانزیستور

ترانزیستور را معمولاً به عنوان یکی از قطعات الکترونیک می‌‌شناسند. ترانزیستور یکی از ادوات حالت جامد است که از مواد نیمه رسانایی مانند سیلیسیم (سیلیکان) ساخته می‌شود.

تاریخچه :

سه نفر از دانشمندان لابراتوارهای بل در صدد کشف چیزی بودند که به جای لامپ رادیو به کار برند ولی کوچکتر و محکمتر باشد برق کمتری مصرف کند و دوام بیشتری داشته باشد و برر اثر کار زیاد نسوزد که ناگهان ترانزیستور را کشف کردند که تمام این خصوصیات را به علاوه مزایای بیشتری دارا است.

در 30 ژوئن 1948 دکتر جان باردین و والد براتاین دانشمندان آزمایشگاه تحقیقاتی شرکت بل، واقع در نیویورک خبر اختراع خود را به عموم جهان رساندند. این اختراع ترانزیستور نام گرفت.

یک ترانزیستور که بزرگتر از یک عدس نیست تقریباْ قادر است هر کاری را که لامپ‌های خلاء انجام می‌دادند، انجام دهد. به علاوه کارهایی را هم که این لامپها قادر به انجام آن نبودند انجام می‌دهد. به مرور زمان ترانزیستور جای لامپهای خلاء را گرفت. درست مثل اتومبیل که جای گاریهای قدیمی و اسبی را گرفت.

اگر چه ترانزیستور می تواند کارهای لامپ خلاء را انجام دهد، اما اصلاْ شباهتی به آن ندارد. نه کاتدی دارد و نه شبکه و صفحه ای حتی شکل ظاهری آن هم با لامپ خلاء کاملاْ متفاوت است. ترانزیستور یک وسیله یک سو کننده و نوسان ساز بسیار عالی است و رل مهمی در تمامی صنایع جدید به عهده دارد. ترانزیستور بدون آنکه نیازی به گرم شدن داشته باشد به محض برقراری اتصال و ولتاژ شروع به کار می کند. جریان مصرفی آن، یک هزارم جریان مصرفی لامپ معمولی است. به همین دلیل بسیار ارزانتر و استفاده از آْن ساده‌تر است.

ترانزیستور و مدار کوچک یکپارچه این امکان را به وجود آورد که رادیوهای کوچک جیبی و تلویزیونهای کوچکتر با تصویر بزرگتر ساخته شود. یک صنعت کاملا جدید پا به عرصه وجود گاشت. امروز از برکت دستگاه تنظیم قلب که با ترانزیستور کار می کند قلب بسیاری از بیماران به حال عادی می طپد. نابینایان با کمک دستگاههای ترانزیستوری می توانند موانع را ببینند نوار قلبی بیمار بستری را به وسیله تلفن به کارشناس قبل در هر نقطه دنیا که باشد می فرستند. هواپیماهای جت با سیستم هدایت سبک وزنی مجهز هستند و بالاخره همین مدار بسته یکپارچه است که امکانات سفر بشر به ماه را فراهم نمود.

مصرف ترانزیستور به طور روزافزونی رو به ازدیاد است. در رادیو، تلویزیون، مدارات الکترونیکی، هواپیما، رایانه، پزشکی و موشک ترانزیستور استفاده می‌شود. در ابتدا وجود ترانزیستور باعث شد که ارتباطات تلفنی راه دور، به طور مستقیم و بدون استفاه از اپراتور امکان پذیر شود. برای اولین بار در تاریخ، ارتباط بین دو شهر انگل وود و نیوجرسی با استفاده از ترانزیستور برقرار شد.

امروزه بعد از گذشت حدود نیم قرن ازاختراع ترانزیستور و مشتقات آن کار به جایی رسیده است که هر کس می تواند در منزل رایانه شخصی داشته باشد. ترانزیستور معمولی چیزی بیشتر از دو تکه سیم بسیار کوچک که در یک پولک ساخته شده از ژرمانیم یا سیلیکن قرار داده شده نیست.

تئوری کار ترانزیستور کمی پیچیده و تکنیکی است اما هر چه هست در ساخت آن از خواص نیمه رسانا استفاده شده است که از زمان کشف آن مدت زیادی نمی گذرد.

در نیمه رساناها مثل ژرمانیم و سیلیکن تعداد کمی الکترون حامل جریان وجود دارد شاید یک الکترون در هر یک میلیون اتم. اگر چه این رقم خیلی کوچک است، اما می توان با تغییر ساختمان داخلی مواد، با استفاده از میدانهای الکتریکی این رقم را هزار برابر نمود.

برای روشن تر شدن مفهوم بالا باید ساختمان اتم را کمی بیشتر مطالعه کرد. الکترونهای موجود در مواد نارسانا در مدارهای مختلف بهصورت حلقه ای در اطراف هسته اتم در چرخش هستند و سرعت زیاد و تولید انرژی فراوان سبب می شود که الکترونها نتوانند از مسیر خود منحرف و یا جابجا شوند.

در نتیجه الکترونها امکان برقراری هیچ نوع جریان الکتریکی را نمی یابند. در اجسام نارسانا، پوسته الکترونی و یا باند ظرفیتی آن(آخرین حلقه الکترون دار به دور هسته اتم) از باند هدایت جدا بوده و انرژی بسیار زیادی لازم است تا یک الکترون را از پوسته الکترونی جدا کند و به باند هدایت کننده بفرستد. اما در اجسام رسانا مانند فلزات این پوسته الکترونی یا باند هدایت کننده تداخل پیدا کرده و الکترونهای به راحتی جابجا می شوند.

در یک عنصر نیمه رسانا مانند ژرمانیم و یا سیلیکن الکترونهای موجود در باند ظرفیت نزدیک به باند هدایت کننده قرار ندارند اما می توان با تحریک خارجی آنها را در هم داخل کرد. به طور مثال گرمای محیط و اتاق می تواند تعداد زیادی الکترونهای اتم ژرمانیم را به باند هدایت بفرستد و در اثر این جابجایی حفره هایی در محل های قبلی الکترونها به وجود می آید.

این حفره ها حامل بار مثبت بوده و حاضر به پذیرش الکترونهای عناصر قبلی و مواد دیگر هستند. حفره ها نه تنها الکترونها را می پدیرند بلکه خود به طرف باند هادی حرکت می کنند و در اثر این حرکت جریانی را به وجود می آورند و در عین حال الکترونها را هم در مسیر همین جریان با خود حمل می کنند.

کمترین تحریک خارجی حفره ها را در جهت حفره هایی که از فرار لکترونها به سمت باند هادی به وجود آمده است به حرکت درآورده و این حفره های متحرک علاوه بر اینکه خود تولید جریان می نمایند، الکترونهایی را که از مواد خارجی دیگر به داخل اتم ژرمانیم وارد شده اند حمل کرده و در نتیجه باعث افزایش جریان می شوند.

تشریحات آزمایشگاه تحقیقاتی بل در اول جولای سال 1948 چنین می گوید: کار ترانزیستور بر پایه این حقیقت که الکترونهای موجود در نیمه رساناها می توانند به دو صورت متفاوت جریان را برقرار کنند، قرار دارد. بیشتر الکترونهای موجود در نیمه رسانا اصولاٌ‌ کمکی به برقراری جریان نمی کنند. بلکه آنها در وضعیت ثابتی به هم چسبیده اند.

درست مثل اینکه آنها را با چسب به هم چسبانده باشند. تنها وقتی که یکی از این الکترونها از جای خود خارج شود و یا به طریقی یک الکترون خارجی به مجموعه آنها وارد شود، جریان برقرار می شود. به زبان دیگر اگر یکی از الکترونهای موجود در مجموعه به هم چسبیده از محل خود جدا شود حفره ای که در اثر این جابجایی بوجود می آید مانند حباب هوای موجود در مایع می تواند حرکت کند و جریانی را برقرار سازد.

در ترانزیستوری که از واد نیمه رسانا ساخته شده است به طور معمول فقط در اثر ورود الکترون اضافی شروع به برقراری جریان می کند. جریان از نقطه ورود الکترون که ولتاژ مثبت کمی دارد شروع به حرکت کرده و از محل خروج الکترون خارج می شود ولتاژ نقطه خروجی ولتاژ منفی بیشتری دارد.

بعد از اختراع ترانزیستور و به وجود آمدن انواع گوناگون آن مدارهای مجتمع اختراع شد. به این قطعات آی سی می گویند. آی سی ممکن است گاهی صدها ترانزیستور ساخته شده باشد که داخل یک قطعه 3*1 سانتیمتری قرار گرفته اند. اختراع آی سی تحول عظیم دیگری را در صنعت الکترونیک به وجود آورد. در ادامه تحقیقات و پیشرفتهایی که در زمینه ساخت آی سی به دست آمد، آی سی های برنامه ریزی شده اختراع شدند در یک آی سی برنامه ریزی شده که ابعادی معادل 8*2 سانتیمتر دارد میلیونها حافظه وجود دارد.

  کاربرد

ترانزیستور هم در مدارات الکترونیک آنالوگ و هم در مدارات الکترونیک دیجیتال کاربردهای بسیار وسیعی دارد. در آنالوگ می‌توان از آن به عنوان تقویت کننده یا تنظیم کننده ولتاژ (رگولاتور) و ... استفاده کرد. کاربرد ترانزیستور در الکترونیک دیجیتال شامل مواردی مانند پیاده سازی مدار منطقی، حافظه، سوئیچ کردن و ... می‌شود.به جرات می توان گفت که ترانزیستور قلب تپنده الکترونیک است.

  عملکرد

ترانزیستور از دیدگاه مداری یک عنصر سه‌پایه می‌‌باشد که با اعمال یک سیگنال به یکی از پایه‌های آن میزان جریان عبور کننده از دو پایه دیگر آن را می‌توان تنظیم کرد. برای عملکرد صحیح ترانزیستور در مدار باید توسط المان‌های دیگر مانند مقاومت‌ها و ... جریان‌ها و ولتاژهای لازم را برای آن فراهم کرد و یا اصطلاحاً آن را بایاس کرد.

  انواع

دو دسته مهم از ترانزیستورها BJT (ترانزیستور دوقطبی پیوندی) (Bypolar Junction Transistors) و FET (ترانزیستور اثر میدان) (Field Effect Transistors) هستند. ترانزیستورهای اثزمیدان یا FET‌ها نیز خود به دو دسته ی ترانزیستور اثر میدان پیوندی(JFET) و MOSFET‌ها (Metal Oxide SemiConductor Field Effect Transistor) تقسیم می‌شوند.

  ترانزیستور دوقطبی پیوندی

در ترانزیستور دو قطبی پیوندی با اعمال یک جریان به پایه بیس جریان عبوری از دو پایه کلکتور و امیتر کنترل می‌شود. ترانزیستورهای دوقطبی پیوندی در دونوع npn و pnp ساخته می‌شوند. بسته به حالت بایاس این ترانزیستورها ممکن است در ناحیه قطع، فعال و یا اشباع کار کنند. سرعت بالای این ترانزیستورها و بعضی قابلیت‌های دیگر باعث شده که هنوز هم از آنها در بعضی مدارات خاص استفاده شود.

  ترانزیستور اثر میدان پیوندی(JFET)

در ترانزیستورهای JFET(Junction Field Effect Transistors( در اثر میدان، با اعمال یک ولتاژ به پایه گیت میزان جریان عبوری از دو پایه سورس و درین کنترل می‌شود. ترانزیستور اثر میدانی بر دو قسم است: نوع n یا N-Type و نوع p یا P-Type. از دasdfghjfdgsdfgsdfgsdfgsdfgیدگاهی دیگر این ترانزیستورها در دو نوع افزایشی و تخلیه‌ای ساخته می‌شوند.نواحی کار این ترانزستورها شامل "فعال" و "اشباع" و "ترایود" است این ترانزیستورها تقریباً هیچ استفاده‌ای ندارند چون جریان دهی آنها محدود است و به سختی مجتمع می‌شوند.

انواع ترانزیستور پیوندی

pnp

شامل سه لایه نیم هادی که دو لایه کناری از نوع p و لایه میانی از نوع n است و مزیت اصلی آن در تشریح عملکرد ترانزیستور این است که جهت جاری شدن حفره‌ها با جهت جریان یکی است.

npn

شامل سه لایه نیم‌ هادی که دو لایه کناری از نوع n و لایه میانی از نوع p است. پس از درک ایده‌های اساسی برای قطعه ی pnp می‌توان به سادگی آنها را به ترانزیستور پرکاربردتر npn مربوط ساخت.

ساختمان ترانزیستور پیوندی ترانزیستور دارای دو پیوندگاه است. یکی بین امیتر و بیس و دیگری بین بیس و کلکتور. به همین دلیل ترانزیستور شبیه دو دیود است. دیود سمت چپ را دیود بیس _ امیتر یا صرفاً دیود امیتر و دیود سمت راست را دیود کلکتور _ بیس یا دیود کلکتور می‌نامیم. میزان ناخالصی ناحیه وسط به مراتب کمتر از دو ناحیه جانبی است. این کاهش ناخالصی باعث کم شدن هدایت و بالعکس باعث زیاد شدن مقاومت این ناحیه می‌گردد.

امیتر که به شدت آلائیده شده، نقش گسیل و یا تزریق الکترون به درون بیس را به عهده دارد. بیس بسیار نازک ساخته شده و آلایش آن ضعیف است و لذا بیشتر الکترونهای تزریق شده از امیتر را به کلکتور عبور می‌دهد. میزان آلایش کلکتور کمتر از میزان آلایش شدید امیتر و بیشتر از آلایش ضعیف بیس است و کلکتور الکترونها را از بیس جمع‌آوری می‌کند.

طرز کار ترانزیستور پیوندی طرز کار ترانزیستور را با استفاده از نوع npn مورد بررسی قرار می‌دهیم. طرز کار pnp هم دقیقا مشابه npn خواهد بود، به شرط اینکه الکترونها و حفره‌ها با یکدیگر عوض شوند. در نوع npn به علت تغذیه مستقیم دیود امیتر ناحیه تهی کم عرض می‌شود، در نتیجه حاملهای اکثریت یعنی الکترونها از ماده n به ماده p هجوم می‌آورند. حال اگر دیود بیس _ کلکتور را به حالت معکوس تغذیه نمائیم، دیود کلکتور به علت بایاس معکوس عریض‌تر می‌شود.