ترانزیستور



موضوع تحقیق:

ترانزیستور

فهرست مطالب

تاریخچه ترانزیستور
تعریف ترانزیستور
ترانزیستوردوقطبی پیوندی
نقطه کارترانزیستور
چگونگی عملکرد ترانزیستور
منابع

تاریخچه ترانزیستور
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 شدهاند.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 می آید و دارای سه پایه به نامهای بیس ، امیتر و کلکتور می باشد. این قطعه الکترونیکی می تواند با کنترل جریان ، مدار را تقویت کند و همچنین برای سوئیچ کردن مدار الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرد.

ترانزیستور یک قطعه الکترونیکی فعال بوده و از ترکیب سه قطعه n و p بدست می آید که از ترزیق حاملین بار اقلیت در یک پیوند با گرایش مستقیم استفاده می کند و دارای سه پایه به نامهای بیس (B) ، امیتر (E) و کلکتور (C) می باشد و چون در این قطعه اثر الکترونها و حفره ها هر دو مهم است، به آن یک ترانزیستور دوقطبی گفته می شود.
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 حوزه های 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 حفره ها 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 ایده های اساسی برای قطعه pnp می توان 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 می نامیم. 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 می گردد.
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 می دهد. میزان آلایش کلکتور کمتر از میزان آلایش شدید امیتر و بیشتر از آلایش ضعیف بیس است و کلکتور الکترونها را از بیس جمع آوری می کند.
طرز کار ترانزیستور پیوندی
طرز کار ترانزیستور را با استفاده از نوع npn مورد بررسی قرار می دهیم. طرز کار pnp هم دقیقا مشابه npn خواهد بود، به شرط اینکه الکترونها و حفره ها با یکدیگر عوض شوند. در نوع npn به علت تغذیه مستقیم دیود امیتر ناحیه تهی کم عرض می شود، در نتیجه حاملهای اکثریت یعنی الکترونها از ماده n به ماده p هجوم می آورند. حال اگر دیود بیس _ کلکتور را به حالت معکوس تغذیه نمائیم، دیود کلکتور به علت بایاس معکوس عریض تر می شود.
الکترونهای جاری شده به ناحیه p در دو جهت جاری می شوند، بخشی از آنها از پیوندگاه کلکتور عبور کرده ، به ناحیه کلکتور می رسند و تعدادی از آنها با حفره های بیس بازترکیب شده و به عنوان الکترونهای ظرفیت به سوی پایه خارجی بیس روانه می شوند، 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 شاخه ها جهت قراردادی جریان در همان جهت حفره ها می شود.
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 می باشد.
اتصال کلکتور مشترک
اتصال کلکتور مشترک برای تطبیق امپدانس در مدار بکار می رود، 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 می شود.
کاربرد ترانزیستور
ترانزیستورها می توانند با کنترل جریان مدار را تقویت کنند و این مورد بطور گسترده ای در مدارهای ترانزیستوری بکار می رود. 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 نمی کند و ولتاژها و جریانهای پایانه های ترانزیستور ثابت است، حالت کار عادی ترانزیستور می باشد. در این حالت ، در منحنی های مشخصه ترانزیستور ، نقطه ای 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 می شود که ترانزیستور سطح ac ورودی را بدون دریافت انرژی خارجی افزایش می دهد. 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 کننده های ترانزیستوری جریان و ولتاژ dc تعیین کننده نقطه کار ترانزیستور و نیز تعیین کننده ناحیه تقویت کنندگی سیگنال ورودی می باشد. از آنجا که نقطه کار یک نقطه ثابت بر مشخصه هاست، این نقطه همچنین نقطه سکون یا به اختصار Q نامیده می شود.
ناحیه کار ترانزیستورها
* ناحیه خطی و فعال : در این ناحیه بیس _ امیتر (دیود امیتر) بطور مستقیم و بیس _ کلکتور (دیود کلکتور) بطور معکوس تغذیه می شود.
* ناحیه قطع : در این ناحیه بیس _ امیتر (دیود امیتر) بطور معکوس تغذیه می شود، یعنی جریان بیس برابر صفر است. جریان خروجی کلکتور بسیار ناچیز است و برابر جریان معکوس اشباع می باشد.
* ناحیه اشباع : در این ناحیه هر دو دیود بیس – امیتر (دیود امیتر) و دیود کلکتور بصورت مستقیم تغذیه می شوند. در این حالت است که جریان خروجی کلکتور به ماکزیمم مقدار خود می رسد 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 می شود. کار در این ناحیه باعث اتلاف بیشتر و کوتاه شدن عمر قطعه یا باعث خرابی آن می شود. 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 می جویند تا از حالت قطع به حالت اشباع سوئیچ نماید. ناحیه تقویت کنندگی یک سیگنال ورودی ناحیه خطی و ناحیه فعال انتخاب می شود که منحنی ها به صورت خطی باشد و مدار تغذیه باید طوری طراحی گردد که قطعه در یکی از این نقاط در ناحیه فعال قرار گیرد، اما مناسب ترین نقطه ، نقطه کار ترانزیستور می باشد، 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.
جریان ورودی ای که که یک ترانزیستور می تواند آنرا تقویت کند باید حداقل داشته باشد. چنانچه این جریان کمتر از حداقل نامبرده باشد ترانزیستور در خروجی خود هیچ جریانی را نشان نمی دهد. اما به محض آنکه شما جریان ورودی یک ترانزیستور را به بیش از حداقل مذکور ببرید در خروجی جریان تقویت شده خواهید دید. از این خاصیت ترانزیستور معمولا" برای ساخت سوییچ های الکترونیکی استفاده می شود.

از لحاظ ساختاری می توان یک ترانزیستور را با دو دیود مدل کرد.
همانطور که در مطلب قبل (اولین ترانزیستورها) اشاره کردیم ترانزستورهای اولیه از دو پیوند نیمه هادی تشکیل شده اند و بر حسب آنکه چگونه این پیوند ها به یکدیگر متصل شده باشند می توان آنها را به دو نوع اصلی PNP یا NPN تقسیم کرد. برای درک نحوه عملکرد یک ترانزیستور ابتدا باید بدانیم که یک پیوند (Junction) نیمه هادی چگونه کار می کند.
در شکل اول شما یک پیوند نیمه هادی از نوع PN را مشاهده می کنید. که از اتصال دادن دو قطعه نیمه هادی P و N به یکدیگر درست شده است. نیمه هادی های نوع N دارای الکترونهای آزاد و نیمه هادی نوع P دارای تعداد زیادی حفره (Hole) آزاد می باشند. بطور ساده می توان منظور از حفره آزاد را فضایی دانست که در آن کمبود الکترون وجود دارد.
اگر به این تکه نیمه هادی از خارج ولتاژی بصورت آنچه در شکل نمایش داده می شود اعمال کنیم در مدار جریانی برقرار می شود و چنانچه جهت ولتاژ اعمال شده را تغییر دهیم جریانی از مدار عبور نخواهد کرد (چرا؟).

این پیوند نیمه هادی عملکرد ساده یک دیود را مدل می کند. همانطور که می دانید یکی از کاربردهای دیود یکسوسازی جریان های متناوب می باشد. از آنجایی که در محل اتصال نیمه هادی نوع N به P معمولآ یک خازن تشکیل می شود پاسخ فرکانسی یک پیوند PN کاملآ به کیفیت ساخت و اندازه خازن پیوند بستگی دارد. به همین دلیل اولین دیودهای ساخته شده توانایی کار در فرکانسهای رادیویی – مثلآ برای آشکار سازی – را نداشتند.
معمولآ برای کاهش این خازن ناخاسته، سطح پیوند را کاهش داده و آنرا به حد یک نقطه می رسانند.

منحنی رفتار یک دیود در هنگام اعمال ولتاژ مثبت
در مطلب قبل (ترانزیستور چگونه کار می کند – ۱) کلیاتی راجع به ترانزیستور بیان کردیم همچنین گفتیم که اگر به یک پیوند PN ولتاژ با پلاریته موافق متصل کنیم جریان از این پیوند عبور کرده و اگر ولتاژ را معکوس کنیم در مقابل عبور جریان از خود مقاومت نشان می دهد. برای درک دقیق نحوه کارکرد یک ترانزیستور باید با نحوه کار دیود آشنا شویم، باید اشاره کنیم که قصد نداریم تا به تفضیل وارد بحث فیزیک الکترونیک شویم و فقط سعی خواهیم کرد با بیان نتایج حاصل از این شاخه علمی ابتدا عملکرد دیود و سپس ترانزیستور را بررسی کنیم.
همانطور که می دانید دیود ها جریان الکتریکی را در یک جهت از خود عبور می دهند و در جهت دیگر در مقابل عبور جریان از خود مقاومت بالایی نشان می دهند. این خاصیت آنها باعث شده بود تا در سالهای اولیه ساخت این وسیله الکترونیکی، به آن دریچه یا Valve هم اطلاق شود.
از لحاظ الکتریکی یک دیود هنگامی عبور جریان را از خود ممکن می سازد که شما با برقرار کردن ولتاژ در جهت درست (+ به آند و – به کاتد) آنرا آماده کار کنید. مقدار ولتاژی که باعث میشود تا دیود شروع به هدایت جریان الکتریکی نماید ولتاژ آستانه یا (forward voltage drop) نامیده می شود که چیزی حدود 0.6 تا 0.7 ولت می باشد. به شکل اول توجه کنید که چگونه برای ولتاژهای مثبت – منظور جهت درست می باشد – تا قبل از 0.7 ولت دیود از خود مقاومت نشان می دهد و سپس به یکباره مقاومت خود را از دست می دهد و جریان را از خود عبور می دهد.

نماد فنی و دو نمونه از انواع دیوید
اما هنگامی که شما ولتاژ معکوس به دیود متصل می کنید (+ به کاتد و – به آند) جریانی از دیود عبور نمی کند، مگر جریان بسیار کمی که به جریان نشتی یا Leakage معرف است که در حدود چند µA یا حتی کمتر می باشد. این مقدار جریان معمولآ در اغلب مدار های الکترونیکی قابل صرفنظر کردن بوده و تاثیر در رفتار سایر المانهای مدار نمیگذارد. اما نکته مهم آنکه تمام دیود ها یک آستانه برای حداکثر ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژمعکوس بیش از آن شود دیوید می سوزد و جریان را در جهت معکوس هم عبور می دهد. به این ولتاژ آستانه شکست یا Breakdown گفته می شود.
در دسته بندی اصلی، دیودها را به سه قسمت اصلی تقسیم می کنند، دیودهای سیگنال (Signal) که برای آشکار سازی در رادیو بکار می روند و جریانی در حد میلی آمپر از خود عبور می دهند، دیودهای یکسوکننده (Rectifiers) که برای یکسوسازی جریانهای متناوب بکاربرده می شوند و توانایی عبور جریانهای زیاد را دارند و بالآخره دیود های زنر (Zener) که برای تثبیت ولتاژ از آنها استفاده می شود.

استفاده از دیود سیگنار در مدار رله برای جلوگیری از
ایجاد ولتاژ های ناخواسته زیاد
در ادامه بحث نحوه کارکرد یک ترانزیستور لازم است قدری راجع به انواع دیود که در مطلب قبل به آنها اشاره کردیم داشته باشیم.
دیودهای سیگنال
این نوع از انواع دیودها برای پردازش سیگنالهای ضعیف – معمولا" رادیویی – و کم جریان تا حداکثر حدود 100mA کاربرد دارند. معروفترین و پر استفاده ترین آنها که ممکن است با آن آشنا باشید دیود 1N4148 است که از سیلیکون ساخته شده است و ولتاژ شکست مستقیم آن 0.7 ولت است.
اما برخی از دیود های سیگنال از ژرمانیم هم ساخته می شوند، مانند OA90 که ولتاژ شکست مستقیم پایینتری دارد، حدود 0.2 ولت. به همین دلیل از این نوع دیود بیشتر برای آشکار سازی امواج مدوله شده رادیویی استفاده می شود.
بصورت یک قانون کلی هنگامی که ولتاژ شکست مستقیم دیوید خیلی مهم نباشد، از دیودهای سیلیکون استفاده می شود. دلیل آن مقاومت بهتر آنها در مقابل حرارت محیط یا حرارت هنگام لحیم کاری و نیز مقاومت الکتریکی کمتر در ولتاژ مستقیم است. همچنین دیود های سیلیکونی سیگنال معمولا" در ولتاژ معکوس جریان نشتی بسیار کمتری نسبت به نوع ژرمانیم دارند.

از کاربرد دیگری که برای دیودهای سیگنال وجود دارد می توان به استفاده از آنها برای حفاظت مدار هنگامی که رله در یک مدار الکترونیکی قرار دارد نام برد. هنگامی که رله خاموش می شود تغییر جریان در سیم پیچ آن میتواند در دوسر آن ولتاژ بسیار زیادی القا کند که قرار دادن یک دیود در جهت مناسب میتواند این ولتاژ را خنثی کند. به شکل اول توجه کنید.

استفاده از دیود زنر برای تهیه ولتاژ ثابت
دیودهای زنر
همانطور که قبلا" اشاره کردیم از این دیودها برای تثبیت ولتاژ استفاده می شود. این نوع از دیود ها برای شکسته شدن با اطمینان در ولتاژ معکوس ساخته شده اند، بنابراین بدون ترس می توان آنها را در جهت معکوس بایاس کرد و از آنها برای تثبیت ولتاژ استفاده نمود. به هنگام استفاده از آنها معمولا" از یک مقاومت برای محدود کردن جریان بطور سری نیز استفاده می شود. به شکل نگاه کنید به این طریق شما یک ولتاژ رفرنس دقیق بدست آورده اید.
دیودهای زنر معمولا" با حروفی که در آنها Z وجود دارد نامگذاری می شوند مانند BZX یا BZY و … و ولتاژ شکست آنها نیز معمولا" روی دیود نوشته می شود، مانند 4V7 که به معنی 4.7 ولت است. همچنین توان تحمل این دیود ها نیز معمولا" مشخص است و شما هنگام خرید باید آنرا به فروشنده بگویید، در بازار نوع 400mW و 1.3W آن بسیار رایج است.

یکسو ساز نیم موج با استفاده از یک دیود.
در مطلب قبل راجع به دیودهای زنر و سیگنال صحبت کردیم و ضمن آوردن مثال، توضیح دادیم که این دیودها چگونه کار میکنند. حال در ادامه این مجموعه مطالب ابتدا به تشریح مختصر دیود های یکسو کننده میپردازیم.
دیود های یکسوساز عموما" در مدارهای جریان متناوب بکار برده می شوند تا با کمک آنها بتوان جریان متناوب (AC) را به مستقیم (DC) تبدیل کرد. این عملیات یکسوسازی یا Rectification نامیده می شود.
از مشهورترین این دیودها می توان به انواع دیودهای 1N400x و یا 1N540x اشاره کرد که دارای ولتاژ کاری بین 50 تا بیش از 1000 ولت هستند و می توانند جریان های بالا را یکسو کنند. این ولتاژ، ولتاژی است که دیود می تواند بدون شکسته شدن – سوختن – در جهت معکوس آنرا تحمل کند.
دیودهای یکسوساز معمولآ از سیلیکون ساخته می شوند و ولتاژ بایاس مستقیم آنها حدود 0.7 ولت می باشد.
یکسو سازی جریان متناوب با یک دیود
شما می توانید با قرار دادن فقط یک دیود در مسیر جریان متناوب مانع از گذر سیکل منفی جریان در جهت مورد نظر در مدار باشید به شکل اول دقت کنید که چگونه قرار دادن یک دیود در جهت موافق، فقط به نیم سیکل های مثبت اجاز خروج به سمت بار را می دهد. به این روش یکسوسازی نیم موج یا Half Wave گفته می شود.
بدیهی است برای بالابردن کیفیت موج خروجی و نزدیک کردن آن به یک ولتاژ مستقیم باید در خروجی از خازن هایی با ظرفیت بالا استفاده کرد. این خازن در نیم سیکل مثبت شارژ می شود و در نیم سیکل منفی در غیاب منبع تغذیه، وظیفه تغذیه بار را بعهده خواهد داشت.

یکسو ساز تمام موج با استفاده از پل دیود.
پل دیود یا Bridge Rectifiers
اما برای آنکه بتوانیم از نیمه منفی موج ورودی که در نیمی از سیکل جریان امکان عبور به خروجی را ندارد، استفاده کنیم باید از مداری بعتوان پل دیود استفاده کنیم. پل دیود همانطور که از شکل دوم مشخص است متشکل از چهار دیود به یکدیگر متصل می باشد. جریان متناوب به قسمتی که دو جفت آند و کاتد به یکدیگر متصل هستند وصل می شود و خروجی از یک جف آند و یک جفت کاتد به یکدیگر متصل شده گرفته می شود.
روش کار به اینصورت است که در سیکل مثبت مدار دیودهای 1 و 2 عمل کرده و خروجی را تامین میکنند و در سیکل منفی مدار دیودهای 3 و 4 عمل می کند و باز خروجی را در همان وضعیت تامین می کند.

نماد و شماتیک پیوندها در ترانزیستورها
در مطالب قبل بطور خلاصه راجع به دیودها و ترانزیستورها و پیوندهای PN صحبت کرده مثالهایی از کاربرد اصلی انواع دیود ارائه کردیم. در این قسمت راجع به گونه های ساده اولین ترانزیستورها که از سه لایه نیمه هادی تشکیل شده اند صحبت خواهیم کرد.
بصورت استاندارد دو نوع ترانزیستور بصورت PNP و NPN داریم. انتخاب نامه آنها به نحوه کنار هم قرار گرفتن لایه های نیمه هادی و پلاریته آنها بستگی دارد. هر چند در اوایل ساخت این وسیله الکترونیکی و جایگزینی آن با لامپهای خلاء، ترانزستورها اغلب از جنس ژرمانیم و بصورت PNP ساخته می شدند اما محدودیت های ساخت و فن آوری از یکطرف و تفاوت بهره دریافتی از طرف دیگر، سازندگان را مجبور کرد که بعدها بیشتر از نیمه هادیی از جنس سیلیکون و با پلاریته NPN برای ساخت ترانزیستور استفاده کنند. تفاوت خاصی در عملکرد این دو نمونه وجود ندارد و این بدان معنی نیست که ترانزیستور ژرمانیم با پلاریته NPN یا سیلیکون با پلاریته PNP وجود ندارد.

نمای واقعی تری از پیوندها در یک ترانزیستور که تفاوت
کلکتور و امیتر را بوضوح نشان می دهد.
برای هریک از لایه های نیمه هادی که در یک ترانزیستور وجود دارد یک پایه در نظر گرفته شده است که ارتباط مدار بیرونی را به نیمه هادی ها میسر می سازد. این پایه ها به نامهای Base (پایه) ، Collector (جمع کننده) و Emitter (منتشر کننده) مشخص می شوند. اگر به ساختار لایه ای یک ترانزیستور دقت کنیم بنظر تفاوت خاصی میان Collector و Emitter دیده نمی شود اما واقعیت اینگونه نیست. چرا که ضخامت و بزرگی لایه Collector به مراتب از Emitter بزرگتر است و این عملا" باعث می شود که این دو لایه با وجود تشابه پلاریته ای که دارند با یکدیگر تفاوت داشته باشند. با وجود این معمولا" در شکل ها برای سهولت این دو لایه را بصورت یکسان در نظر میگیردند.
بدون آنکه در این مطلب قصد بررسی دقیق نحوه کار یک ترانزیستور را داشته باشیم، قصد داریم ساده ترین مداری که می توان با یک ترانزیستور تهیه کرد را به شما معرفی کرده و کاربرد آنرا برای شما شرح دهیم. به شکل زیر نگاه کنید.

مدار ساده برای آشنایی با طرز کار یک ترانزیستور
بطور جداگانه بین E و C و همچنین بین E و B منابع تغذیه ای قرار داده ایم. مقاومت ها یی که در مسیر هریک از این منابع ولتاژ قرار دادیم صرفا" برای محدود کردن جریان بوده و نه چیز دیگر. چرا که در صورت نبود آنها، پیوندها بر اثر کشیده شدن جریان زیاد خواهند سوخت.
طرز کار ترانزیستور به اینصورت است، چنانچه پیوند BE را بصورت مستقیم بایاس (Bias به معنی اعمال ولتاژ و تحریک است) کنیم بطوری که این پیوند PN روشن شود (برای اینکار کافی است که به این پیوند حدود 0.6 تا 0.7 ولت با توجه به نوع ترانزیستور ولتاژ اعمال شود)، در آنصورت از مدار بسته شده میان E و C می توان جریان بسیار بالایی کشید. اگر به شکل دوم دقت کنید بوضوح خواهید فهمید که این عمل چگونه امکان پذیر است. در حالت عادی میان E و C هیچ مدار بازی وجود ندارد اما به محض آنکه شما پیوند BE را با پلاریته موافق بایاس کنید، با توجه به آنچه قبلا" راجع به یک پیوند PN توضیح دادیم، این پیوند تقریبا" بصورت اتصال کوتاه عمل می کند و شما عملا" خواهید توانست از پایه های E و C جریان قابل ملاحظه ای بکشید. (در واقع در اینحالت می توان فرض کرد که در شکل دوم عملا" لایه PN مربوط به BE از بین می رود و بین EC یک اتصال کوتاه رخ می دهد.)
بنابراین مشاهده می کنید که با برقراری یک جریان کوچک Ib شما می توانید یک جریان بزرگ Ic را داشته باشید. این مدار اساس سوئیچ های الکترونیک در مدارهای الکترونیکی است. بعنوان مثال شما می توانید در مدار کلکتور یک رله قرار دهید که با جریان مثلا" چند آمپری کار می کند و در عوض با اعمال یک جریان بسیار ضعیف در حد میلی آمپر – حتی کمتر – در مدار بیس که ممکن است از طریق یک مدار دیجیتال تهیه شود، به رله فرمان روشن یا خاموش شدن بدهید.

منابع:

http://www.senmerv.com/

http://www.eeuok.com/

http://daneshnameh.roshd.ir/

http://fa.wikipedia.org/

28