دانلود مقاله ترانزیستور

بخشی از مقاله

ترانزیستور در سال 1947 در آزمایشگاه های بل هنگام تحقیق برای تقویت کننده های بهتر و یافتن جایگزینی بهتر برای رله های مکانیکی اختراع شد.لوله های خلاء، صوت و موسیقی را در نیمه اول قرن بیستم تقویت کرده بودنداما توان زیادی مصرف می کردند و سریعا می سوختند

ترانزیستور چیست؟
ترانزیستور در سال 1947 در آزمایشگاه های بل هنگام تحقیق برای تقویت کننده های بهتر و یافتن جایگزینی بهتر برای رله های مکانیکی اختراع شد.لوله های خلاء، صوت و موسیقی را در نیمه اول قرن بیستم تقویت کرده بودنداما توان زیادی مصرف می کردند و سریعا می سوختند . شبکه های تلفن نیز به صد ها هزار رله مکانیکی برای اتصال مدارات به همدیگر نیاز داشتند تا شبکه بتواند سر پا بایستد و چون این رله های مکانیکی بودند لازم بود برای عملکرد مطلوب همیشه تمیز باشند .در نتیجه نگه داری و سرویس آنها مشکل و پر هزینه بود.
با ظهور ترانزیستور قیمت ها نسبت به زمان استفاده از لامپ خلاء شکسته شد و بهبودی زیادی در کیفیت شبکه های تلفن حاصل گردید.

ترانزیستور چگونه کار می کند؟
ترانزیستور کاربرد های زیادی دارد اما دو کاربرد پایه ای آن به عنوان سوئیچ و استفاده در مدولاسیون است که کاربرد دومی بیشتر به عنوان تقوت کننده مورد نظر است.
این دو کاربرد ترانزیستور را می توان اینگونه توضیح داد :
سوئیچ همان کلید است مثل کلید چراغ خواب اتاقتان .دارای دو حالت روشن و خاموش است با قرار دادن کلید در حالت روشن چراغ اتاقتان روشن می شود و با قراردادن کلید در حالت خاموش چراغ خاموش می شود . بله به همین سادگی ! کاربرد ترانزیستور هم به عنوان سوئیچ به همن صورتاست.

اما کاربرد تقویت کنندگی آن را می توان بدین صورت توضیح داد :
چراغ خواب نور کمی دارد اما اگر بتوان این نور را چنان زیاد کرد که تمام اتاق را روشن کند آنوقت عمل تقویت کنندگی صورت گرفته است.
فرق بین سوئیچینگ به وسیله ترانزیستور و به وسیله کلید برق! سرعت بسیار زیاد ترانزیستور است که می توان گاهی آن را در مقایسه با کلید آنی در نظر گرفت(صد ها هزار برابر و شاید میلیونها بار سریعتر).و اینکه ترانزیستور را می توان به دیگر منابع الکترونیکی متصل کرد مثلا به میکروفن به منبع سیگنال و حتی به یک ترانزیستور دیگر ....

ترانزیستور از عناصری به نام نیمه هادی مانند سیلیکون و ژرمانیوم ساخته می شود نیمه هادی ها جریان الکتریسیته را نسبتا خوب( – اما نه به اندازه ای خوب که رسانا خوانده شوند مانند مس و آلومنیوم و تقریبا بد اما نه به اندازه ای که عایق نامگذاری شوند مانند شیشه) هدایت می کنند به همین دلیل به آنها نیمه هادی می گویند.
عمل جادویی که ترانزیستور می تواند انجام دهد اینست که می تواند مقدار هادی بودن خود را تغییر دهد . هنگامی که لازم است یک هادی باشد می تواند هدایت خوبی دشته باشد و هنگامی که لازم است تا به عنوان عایق عمل کند جریان بسیار کمی را از خود عبور می دهد که می توان آن را ناچیز شمرد.

نیمه هادی ها در مقابل الکتریسیته عملکرد جالبی دارند یک قطعه از یک عنصر نیمه هادی را بین دو قطع از یک عنصر نیمه هادی دیگر قرار دهید.جریان کم قطعه وسطی قادر است که جریان دو قطعه ی دیگر را کنترل کند. جریان کمی که از قطعه ی وسطی می گذرد برای مثال می تواند یک موج رادیوئی یا جریان خروجی از یک ترانزیستور دیگر باشد .حتی اگر جریان ورودی بسیار ضعیف هم باشد( مثلا یک سیگنال رادیوئی که مسافت زیادی را طی کرده و از رمق افتاده است!) ترانزیستور می تواند جریان قوی مدار دیگری را که به آن وصل است کنترل کند. به زبان ساده ترانزیستور رفتار جریان خروجی از روی رفتار جریان ورودی تقلید می کند.نتیجه می تواند یک سیگنال تقوت شده و پرتوان رادیوئی باشد.
ترانزیستور چه کاری انجام می دهد؟

در میکرو چیپ های امروزی ، که حاوی میلیونها ترانزیستور هستند که در الگو یا طرح مخصوصی چیده شده اند خروجی تقویت شده ی یک ترانزیستور به ورودی ترانزیستور دیگر داده می شود تاآن هم عمل تقویت کنندگی را بر روی ورودی انجام دهد و به همین ترتیب ادامه می یابد که نتیجه یک خروجی تقویت شده و پر توان می باشد . چنین میکروچیپی می تواند سیگنالی بسیار ضعیفی را از آنتن بگیرد و یک صوت قوی و چهار کاناله را تحویل دهد. با ساختن چیپ ها در طراحی های مختلف می توان تایمر هایی برای ساعت یا سنسور هایی برای نشان دادن درجه حرارت و یا کنترل کننده چرخ های ماشین تا قفل نشوند (سیستمABS) ساخت.می توان ترانزیستور ها را در آرایشی دیگر در داخل چیپ قرار داد(طراحی متفاوت) و پروسسور های منطقی و محاسباتی را ساخت که باعث می شوند تا ماشین حسابها محاسبه و کامپیوتر ها پردازش کنندو یا شبکه هایی را برای انتقال مکالمات تلفنی ساخت و یا سیستمهایی را ساخت که بتوانند صدا و تصویر را انتقال دهند.

می توان ترانزیستور ها را در بسته هایی چید که به آنها گیت های منطقی می گویند و می توانند دو عدد 1و 1 را باهم جمع کنند و یا می توان آنها را در آرایشی خاص قرار داد تا کارهای بسیار بزرگی را با استفاده از سرعت سوئیچینگ – 100 میلیون بار بر ثانیه و بیشتر - خود انجام دهند .
البته کار به همین جا ختم نمی شود مداراتی که در چندین سال گذشته برای انجام عملی خاص به وسیله ترانزیستور ها بر روی بورد ها بسته می شود امروزه به مدد طراحی کامپیوتری و تکنیک مدارات مجتمع بر روی یک آی سی هزاران ترانزیستور و سیم کشی های مربوطه و تمام قطعات الکترونیکی لازم قرار داده می شود . شاید بتوان گفت که حجم مدارات هزاران بار کاهش یافته است.

بر همین مقیاس امروزه می توان گفت که ترانزیستور مجانی است ( 1 دلار تقسیم بر یک میلیون ترانزیستور ) و ترانزیستور های داخل مدارات مجتمع واقعا قابل اطمینان هستند.
چیزی که باعث می شود که ترانزیستور ها روز به روز پیشرفت می کنند و بهتر و ارزان تر می شونداین است که به مدد تحقیقات نیمه هادی ها روز به روز بهتر و کاربردی تر می شوند . و این چیزی است که آزمایشگاههای بل برای آن تحقق می کند . دانشمندان این مرکز تحقیقاتی امروزه می دانند که چگونه نیمه هادی هار ا اتم به اتم به صورت مجازی ، از منابع سرشاری که مادر بی دریغ طبیعت در دسترس ما قرار داده است ، به وسیله تکنیک های لایه بندی بسازند.این چیزی است که می توان آن را جادو نامید.
بنابراین، ترانزیستور چیست؟

وسیله ی الکترونیکی شگفت انگیزی است که مجازا دیده نمی شود اما زندگی ما را کاملا و برای همیشه تغییر داده است.
تعریف ترانزیستور
علم الکترونیک با اختراع ترانزیستور وارد فاز جدیدی از تحقیق و اختراع شد .هر روز اخباری را مبنی بر اختراعات جدید در زمینه الکترونیک می شنویم که مطمئنا در کالبد شکافی این اختراعات به نقش پر اهمیت ترانزیستور پی خواهیم برد .

ترانزیستور یک قطعه سه پایه است که ساختار فیزیکی آن بر اساس عملکرد نیمه هادی ها می باشد.ترانزیستور را از دو نوع نیمه هادی با نام سلسیوم و ژرمانیوم می سازند.عموما در یک تقسیم بندی ترانزیستور ها را به دو دسته ترانزیستور های BJT و FET تقسیم می کنند . ترانزیستور های BJT با نام ترانزیستور های پیوند دو قطبی و ترانزیستور های FET با نام ترانزیستور های اثر میدان شناخته شده¬اند.FETها دارای سرعت سوئیچینگ کمتر از BJT هستند .معمولا ترانزیستور را با دو دیود مدل سازی می کنند از این مدل برای تشخیص سالم بودن ترانزیستور استفاده می کنند.عملکرد ترانزیستور هابه عنوان یک طبقه در مدار بستگی به نظر طراح دارد اما در صورتی که ترانزیستور را یک جعبه سیاه در نظر بگیریم که دارای دو ورودی و دو خروجی است با توجه به اینکه ترانزیستور دارای سه پایه است باید یکی از پایه ها را به عنوان پایه مشترک بین ورودی و خروجی در نظر بگیریم. این پایه مشترک اساس آرایش های مختلف ترانزیستور است .یکی از پایه های ترانزیستور با نام Base و پایه دیگر با نام امیتر (تزریق کننده) و پایه آخر با نام کالکتور (جمع کننده ) شناخته شده است . بسته به اینکه کدامیک از پایه های مذکور به عنوان پایه مشترک در نظر گرفته شود آرایش های بیس مشترکCommon Base – کالکتور مشترکCommon Collector- امیتر مشترک Common Emitter – ممکن خواهد بود.

هر کدام از این آرایش ها دارای یک خصوصیت خواهند بود که متفاوت با دیگر آرایش ها است مثلا امیتر مشترک دارای بهره توان بسیار زیاد است و یا بهره ولتاژ بیس مشترک زیاد است و...
ترانزیستور در هر مداری می تواند متفاوت از قبل ظاهر شود- منبع ولتاژ یا منبع جریان و یا تقویت کننده ولتاژ و ....- این تفاوت را المانهای همراه ترانزیستور که اکثرا مقاومت و خازن(دیود و...) هستند تعیین می کنند نحوه قرار گیری این المانها به همراه ترانزیستور و منبع تغذیه را بایاس ترانزیستور گویند.در مدار های بایاس برای ترانزیستور یک ولتاژ مثبت به همراه زمین یا یک ولتاژ مثبت به همراه ولتاژ منفی را برای ترانزیستور بسته به کاربرد در نظر می گیرند .عملکرد ترانزیستور ها(BJT) در سه ناحیه تعریف می شود . 1-ناحیه قطع 2- ناحیه فعال 3- ناحیه اشباع

این سه ناحیه بر اساس بایاس پایه های ترانزیستور و ولتاژ آن ها تعریف می شود .
ترانزیستور در مدارات عمدتا به صورت زیر ظاهر می شود :
1- به عنوان کلید به منظور قطع و وصل قسمتی از مدار

از ترانزیستور در ناحیه قطع و اشباع به عنوان کلید دیجیتال و سوئیچ استفاده می کنند .ولتاژ VCE در حالت اشباع کمتر از 0.2 است . در حالت اشباع توان تلف شده ترانزیستور بسیار کم است زیرا توان تلف شده ترانزیستور از حاصلضرب ولتاژ VCE و IC بدست می آید که هردو مقدار کوچکی هستند.
2- به عنوان تقویت کننده ولتاژ
3- به عنوان تقویت کننده جریان
4- به عنوان منبع جریان ثابت
5- به عنوان منبع ولتاژ ثابت
در 4 مورد بعدی بالا از ترانزیستور در ناحیه فعال که همان ناحیه خطی عملکرد ترانزیستور است استفاده می شود .

آرایش های مداری مشهور :
1- امیتر فالوور (Emitter follower) :

شکل موج خروجی دنبال کننده شکل موج ورودی است (وجه تسمیه) مقاومت کوچک موجود در بیس به منظور جلوگیری از نوسانات ناخواسته قرار گرفته است
1- زوج دارلینگتون
هر ترانزیستور دارای یک خصوصیت با نام بتا β است که بهره جریان ترانزیستور است در زوج دارلینگتون بتای زوج ترانزیستور از ضرب 2β1*β حاصل می شود که مقداری نزدیک به چند هزار خواهد شد .البته در این آرایش ترانزیستور خروجی باید تحمل این جریان کالکتور را داشته باشد که مسئله مهمی در طراحی است.

1- منبع جریان ثابت
در این آرایش ولتاژ هر کدام از دیود ها 0.7 است و در نتیجه ولتاژ بیس ترانزیستور 1.4 خواهد شد ولتاژ VBE (ولتاژ بیس – امیتر) هم در حدود 0.7 است پس جریان عبوری از امیتر مقدار 0.7/RE خواهد بود با انتخاب مناسب RE می توان مقدار جریان را به دلخواه انتخاب کرد .

4 – منبع ولتاژ ثابت
در این مدار ولتاژ خروجی توسط دیود زنر تامین می شود .ولتاژ خروجی تقریبا 0.7 کمتر از ولتاژ شکست زنر است .

ترانزیستور دوقطبی پیوندی
ترانزیستور یک قطعه ‌الکترونیکی فعال است که از ترکیب سه قطعه n و p بدست می‌آید و دارای سه پایه به نامهای بیس ، امیتر و کلکتور می‌باشد. این قطعه الکترونیکی می‌تواند با کنترل جریان ، مدار را تقویت کند و همچنین برای سوئیچ کردن مدار الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ترانزیستور یک قطعه ‌الکترونیکی فعال بوده و از ترکیب سه قطعه n و p بدست می‌آید که ‌از ترزیق حاملین بار اقلیت در یک پیوند با گرایش مستقیم استفاده می‌کند و دارای سه پایه به نامهای بیس (B) ، امیتر (E) و کلکتور (C) می‌باشد و چون در این قطعه ‌اثر الکترونها و حفره‌ها هر دو مهم است، به آن یک ترانزیستور دوقطبی گفته می‌شود.
عصر نوین الکترونیک نیمه رساناها با اختراع ترانزیستور دوقطبی در 1948 توسط باردین ، براتاین و شاکلی در آزمایشگاههای تلفن بل آغاز شد. این قطعه به همراه همتای اثر میدانی خود تاثیر شگفتی روی تقریبا تمام حوزه‌های زندگی نوین گذاشته ‌است.
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 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 صرفا 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 شدیدا 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.
الکترونهای جاری شده به ناحیه p در دو جهت جاری می‌شوند، بخشی از آنها از پیوندگاه کلکتور عبور کرده ، به ناحیه کلکتور می‌رسند و تعدادی از آنها با حفره‌های بیس بازترکیب شده و به عنوان الکترونهای ظرفیت به سوی پایه خارجی بیس روانه می‌شوند، این مولفه بسیار کوچک است.

نحوه ‌اتصال ترازیستورها
اتصال بیس مشترک
در این اتصال پایه بیس بین هر دو بخش ورودی و خروجی مدار مشترک است. جهتهای انتخابی برای جریان شاخه‌ها جهت قراردادی جریان در همان جهت حفره‌ها می‌شود.
اتصال امیتر مشترک
مدار امیتر مشترک بیشتر از سایر روشها در مدارهای الکترونیکی کاربرد دارد و مداری است که در آن امیتر بین بیس و کلکتور مشترک است. این مدار دارای امپدانس ورودی کم بوده، ولی امپدانس خروجی مدار بالا می‌باشد.

اتصال کلکتور مشترک
اتصال کلکتور مشترک برای تطبیق امپدانس در مدار بکار می‌رود، زیرا برعکس حالت قبلی دارای امپدانس ورودی زیاد و امپدانس خروجی پائین است. اتصال کلکتور مشترک غالبا به همراه مقاومتی بین امیتر و زمین به نام مقاومت بار بسته می‌شود.
کاربرد ترانزیستور
ترانزیستورها می‌توانند با کنترل جریان مدار را تقویت کنند و این مورد بطور گسترده‌ای در مدارهای ترانزیستوری بکار می‌رود. همچنین عمل مهم دیگر ترانزیستورها در مدارهای الکترونیکی قابلیت کنترل حالت خاموش و روشن قطعه ‌است. این نوع سوئیچ کردن بویژه در مدارات دیجیتالی ‌مفید است.

نقطه کارترانزیستور
حالتی که ترانزیستور ، علائم الکتریکی را تقویت نمی‌کند و ولتاژها و جریانهای پایانه‌های ترانزیستور ثابت است، حالت کار عادی ترانزیستور می‌باشد. در این حالت ، در منحنی‌های مشخصه ترانزیستور ، نقطه‌ای که طول آن ولتاژ کلکتور و عرض آن جریان کلکتور باشد، نقطه کار ترانزیستور خواهد بود.

تحلیل یا طراحی یک تقویت کننده ترانزیستوری مستلزم داشتن اطلاعاتی درباره پاسخ ac و dc ترانزیستور است. اغلب فرض می‌شود که ترانزیستور سطح ac ورودی را بدون دریافت انرژی خارجی افزایش می‌دهد. در عمل افزایش توان ac خروجی نتیجه تغییر شکل انرژی دریافت شده ‌از منابع ولتاژ dc است. از این رو تحلیل یا طراحی هر تقویت کننده ‌الکترونیک شامل دو قسمت ac و dc است.

نقطه کار یا نقطه سکون
در تقویت کننده‌های ترانزیستوری جریان و ولتاژ dc تعیین کننده نقطه کار ترانزیستور و نیز تعیین کننده ناحیه تقویت کنندگی سیگنال ورودی می‌باشد. از آنجا که نقطه کار یک نقطه ثابت بر مشخصه‌هاست، این نقطه همچنین نقطه سکون یا به‌ اختصار Q نامیده می‌شود.

ناحیه کار ترانزیستورها
• ناحیه خطی و فعال : در این ناحیه بیس _ امیتر (دیود امیتر) بطور مستقیم و بیس _ کلکتور (دیود کلکتور) بطور معکوس تغذیه می‌شود.
• ناحیه قطع : در این ناحیه بیس _ امیتر (دیود امیتر) بطور معکوس تغذیه می‌شود، یعنی جریان بیس برابر صفر است. جریان خروجی کلکتور بسیار ناچیز است و برابر جریان معکوس اشباع می‌باشد.

• ناحیه‌ اشباع : در این ناحیه هر دو دیود بیس – امیتر (دیود امیتر) و دیود کلکتور بصورت مستقیم تغذیه می‌شوند. در این حالت است که جریان خروجی کلکتور به ماکزیمم مقدار خود می‌رسد و ولتاژ کلکتور _ امیتر از ولتاژ کلکتور _ امیتر اشباع کمتر است.
• ناحیه غیرمجاز : در این ناحیه ماکزیمم مقادیر بوسیله یک خط افقی برابر حداکثر جریان کلکتور و با یک خط عمودی برای حداکثر ولتاژ کلکتور _ امیتر تعیین می‌شود. کار در این ناحیه باعث اتلاف بیشتر و کوتاه شدن عمر قطعه یا باعث خرابی آن می‌شود. لذا از انتخاب نقطه کار در این ناحیه بایستی اجتناب کرد.

طراحی مدارهای سوئیچینگ و تغذیه
در طراحی مدارهای سوئیچینگ ترانزیستوری از ناحیه ‌اشباع و قطع منحنی مشخصه بهره می‌جویند تا از حالت قطع به حالت اشباع سوئیچ نماید. ناحیه تقویت کنندگی یک سیگنال ورودی ناحیه خطی و ناحیه فعال انتخاب می‌شود که منحنی‌ها به صورت خطی باشد و مدار تغذیه باید طوری طراحی گردد که قطعه در یکی از این نقاط در ناحیه فعال قرار گیرد، اما مناسب‌ترین نقطه ، نقطه کار ترانزیستور می‌باشد، زیرا به خاطر بهره خطی بالاترین امکان نوسان برای جریان الکتریکی و ولتاژ در این نقطه وجود دارد.

چگونگی عملکرد ترانزیستور

اعمال ولتاژ با پلاریته موافق باعث عبور جریان از یک
پیوند PN می شود و چنانچه پلاریته ولتاژتغییر کند
جریانی از مدار عبور نخواهد کرد.
اگر ساده بخواهیم به موضوع نگاه کنیم عملکرد یک ترانزیستور را می توان تقویت جریان دانست. مدار منطقی کوچکی را در نظر بگیرید که تحت شرایط خاص در خروجی خود جریان بسیار کمی را ایجاد می کند. شما بوسیله یک ترانزیستور می توانید این جریان را تقویت کنید و سپس از این جریان قوی برای قطع و وصل کردن یک رله برقی استفاده کنید.
موارد بسیاری هم وجود دارد که شما از یک ترانزیستور برای تقویت ولتاژ استفاده می کنید. بدیهی است که این خصیصه مستقیما" از خصیصه تقویت جریان این وسیله به ارث می رسد کافی است که جریان وردی و خروجی تقویت شده را روی یک مقاومت بیندازیم تا ولتاژ کم ورودی به ولتاژ تقویت شده خروجی تبدیل شود.