امروزه ترانزیستورها به مهمترین اجزای الکترونیک مدرن تبدیل شده‌اند و تصور جهان بدون ترانزیستور تقریبا غیر ممکن است. ساختار کلی آنها شباهت بسیاری به دیود دارد. از ترانزیستورها در ناحیه فعالشان به عنوان تقویت‌کننده و تثبیت‌کننده ولتاژ (رگولاتور) و … استفاده می‌شود. در حالت قطع و اشباع نیز به عنوان سوئیچ و در ساخت مدارات الکتریکی و گیت‌های منطقی کاربرد دارند. در این مقاله از فنولوژی می‌خواهیم شما را با ترانزیستور و انواع آن آشنا کنیم.
ترانزیستور چیست؟
ترانزیستور یک قطعه نیمه‌هادی است که از آن، برای تقویت سیگنال‌های ورودی استفاده می‌کنند. به صورت کلی، ترانزیستورها از قطعات جامدی ساخته شدند که شامل سه ترمینال هستند. این ترمینال‌ها، «امیتر | Emitter» و «کلکتور| Collector» و «بیس | Base» هستند که به دیگر اجزای مدار الکتریکی متصل می‌شوند. ترانزیستور یک عنصر اکتیو است. در برخی از ترانزیستورها، پایه چهارمی نیز وجود دارد به نام «بستر | substrate» که در ادامه به آن خواهیم پرداخت.
دسته‌بندی انواع مختلف ترانزیستور
انواع ترانزیستورها
ترانزیستورها از نیمه‌هادی‌ها تشکیل شده‌اند و غالب این نیمه‌هادی‌ها، سیلیکون (Si)، ژرمانیوم (Ge) و گالیوم-آرسنید (GaAs) هستند. اساسا، ترانزیستورها بر اساس ساختارشان طبقه‌بندی می‌شوند و هرکدام، ویژگی‌ها، معایب و مزایای خاص خود را دارند. برخی برای عمل سوئیچینگ و برخی هم برای تقویت سیگنال استفاده می‌شوند. ترانزیستورها به دو دسته BJT و FET تقسیم می‌شوند که در ادامه به بررسی هرکدام خواهیم‌پرداخت.
ترانزیستور دوقطبی پیوندی | Bipolar Junction Transistor
این ترانزیستورها با نام Junction Transistors نیز شناخته می‌شوند و به اختصار به آنها، BJT نیز گفته می‌شود. این ترانزیستورها دارای سه ترمینال «امیتر | Emitter»، «کلکتور| Collector» و «بیس | Base» هستند که اتصال بین آنها می‌تواند از نوع N یا P باشد. به همین دلیل ترانزیستورهای BJT، به دو دسته‌ی NPN و PNP تقسیم می‌شوند که در ادامه به بررسی آنها خواهیم پرداخت.
نماد ترانزیستور BJT. شکل a: ترانزیستور اتصال npn، شکل b: ترانزیستور اتصال pnp
بین پایه‌های امیتر و بیس، و کلکتور و بیس، دیود قرار دارد و اگر پیوند PN بیس-امیتر در بایاس مستقیم قرار بگیرد (برای ترانزیستورهای سیلیکونی، یعنی ولتاژی در حدود ۰.۶ ولت به آن اعمال کنیم) در آن‌صورت می‌توان از پایه‌های امیتر و کلکتور، جریان نسبتا زیادی کشید.
عملکرد ترانزیستور BJT اینگونه است که اگر جریان کمی از پایه «بیس | Base» عبور کند، جریان زیادی از سمت «امیتر | Emitter» به «کلکتور | Collector» انتشار می‌یابد. به همین علت ترانزیستورهای پیوندی دارای ۳ ناحیه عملیاتی هستند:
- «ناحیه قطع | Cut-off Region»: در اینجا ولتاژ اعمالی به پیوند PN بین BE ($V_{BE}$) از ۰.۶ (برای ترانزیستور سیلیکونی) کم‌تر است و اصطلاحا ترانزیستور خاموش است.
- «ناحیه فعال | Active Region»: در این ناحیه، ترانزیستور در بایاس مستقیم است و ولتاژ بین CE ($V_{CE}$) نیز از ۰.۳ ولت بیش‌تر است و اصطلاحا روشن است. ترانزیستور در این ناحیه، تقویت‌کننده است.
- «ناحیه اشباع | Saturation Region»: در این ناحیه نیز ترانزیسور روشن است اما ولتاژ بین CE ($V_{CE}$) بسیار کم است؛ به این صورت که می‌توان اتصال بین امیتر-کلکتور را، اتصال کوتاه در نظر گرفت و در این ناحیه ترانزیستور به عنوان یک سوئیچ عمل می‌کند. البته سوئیچی که اتصال آن برقرار است؛ یعنی سوئیچ بسته است.
همان طور که گفتیم، ساختار ترانزیستور را می‌توان مشابه اتصال دو دیود به یکدیگر نیز تصور کرد. به همین‌خاطر روابط زیر برای ترانزیستورها صادق است. این روابط مربوط به ناحیه فعال هستند و $\beta$ ضریب تقویت ترانزیستور می‌باشد.
$I_{E} = I_{C} + I_{B}$
$I_{c} = I_{s} e^{\frac{V_{BE}}{nV_{T}}}$
$I_{C} =\beta I_{B}$
ترانزیستور BJT اتصال NPN
این ترانزیستور از دسته ترانزیستورهای BJT است که از دو نیمه‌هادی نوع N تشکیل شده و بین آنها لایه نازکی از نیمه‌هادی نوع P است که آنها را از هم جدا می‌کند. در این ساختار اکثریت حامل‌های بار، الکترون‌ها هستند و جریان از پایه‌های بیس و کلکتور به سمت امیتر انتشار می‌یابد. ساختار آن، مشابه این است که دو دیود از آند به یکدیگر متصل شوند.
شماتیک ترانزیستور BJT – NPN
شکل مداری ترانزیستور BJT – NPN
ترانزیستور BJT اتصال PNP
این ترانزیستور از دسته ترانزیستورهای BJT است که از دو نیمه‌هادی نوع P تشکیل شده و بین آنها لایه نازکی از نیمه‌هادی نوع N است که آنها را از هم جدا می‌کند. در این ساختار اکثریت حامل‌های بار، حفره هستند و جریان از پایه امیتر به پایه‌های بیس و کلکتور انتشار می‌یابد. ساختار آن، مشابه این است که دو دیود از کاتد به یکدیگر متصل شوند.
شماتیک ترانزیستور BJT – PNP
شکل مداری ترانزیستور BJT – PNP
مدل آبی ترانزیستور BJT – همانطور که مشاهده می‌شود، با عبور مقدار کمی آب از بیس، امکان عبور مقدار بیش‌تری از کانال اصلی (اتصال کلکتور به امیتر)، فراهم می‌شود.
شماتیک ساختار دیودی ترانزیستورهای دوقطبی پیوندی
ترانزیستور اثر میدانی | Field Effect Transistor
این ترانزیستورها با نام «FET» نیز شناخته می‌شوند و سه ترمینال در ساختار خود دارند. این ترمینال‌ها، «گیت | Gate» و «تخلیه | Drain» و «منبع | Source» نام دارند. ترانزیستورهای اثر میدانی، خود به دو دسته‌ی «ترانزیستورهای پیوند اثر میدانی | Junction-Field Effect Transistor» و «ماسفت | MOSFET» تقسیم می‌شوند که در ادامه به توضیح هرکدام خواهیم پرداخت. برای اتصال ترانزیستورهای اثر میدانی در مدارات الکتریکی، پایه چهارمی نیز در نظر گرفته می‌شود که «بستر | Substrate» نام دارد.
ترانزیستورهای اثر میدانی، توانایی کنترل شکل و اندازه‌ی کانال ایجاد شده توسط ولتاژ اعمالی بین دو ترمینال تخلیه و منبع را دارند. این ترانزیستورها بر خلاف ترانزیستورهای BJT، تک کاناله هستند و تنها یک کانال برای ناحیه عملیاتی خود دارند. به همین جهت ترانزیستورهای FET، ضریب تقویت جریان بزرگ‌تری نسبت به ترانزیستورهای BJT دارند. در ترانزیستورهای FET، پارامتری وجود دارد به نام «ولتاژ آستانه | Threshold voltage» که ولتاژ اعمالی بین پایه‌های گیت و منبع ترانزیستور است.
- «ناحیه قطع | Cut-off Region»: در این ناحیه، ولتاژ بین گیت و منبع ($V_{GS}$) از ولتاژ آستانه ($V_{th}$) کم‌تر است و ترانزیستور خاموش است.
- «ناحیه فعال | Active/Saturation Region»: در این ناحیه، $V_{GS}$ از $V_{th}$ بزرگ‌تر است و رابطه‌ی $V_{DS} > V_{GS} – V{th}$ برقرار است و اصطلاحا ترانزیستور روشن است.
- «ناحیه سه‌پایه | Triode Region»: در این ناحیه نیز ترانزیستور روشن است و همچنان $V_{GS} > V_{th}$ اما $V_{DS} < V_{GS} – V{th}$ است.
ترانزیستور پیوند اثر میدانی | Junction-Field Effect Transistor
این ترانزیستورها اختصارا با نام «JFET» شناخته می‌شوند و اولین و ساده ترین نوع ترانزیستور FET هستند که به عنوان سوئیچ، تقویت‌کننده و مقامت از آنها استفاده می‌شود. این ترانزستورها با ولتاژ کنترل می‌شوند و به جریان بایاس نیز احتیاجی ندارند. ولتاژ اعمال شده بین گیت و منبع، جریان الکتریکی بین تخلیه و منبع را کنترل می‌کند. ترانزیستورهای JFET به دو دسته P-channel و N-channel تقسیم می‌شوند.
تزانزیستور JFET از نوع N-Channel
در نوع N، عامل ایجاد جریان، الکترون‌ها هستند. هنگامی که ولتاژ بین گیت و منبع اعمال شود، یک کانال بین منبع و تخلیه برای ایجاد جریان تشکیل می‌شود. این کانال، N-channel نامیده می‌شود. امروزه از ترانزیستور نوع N، بیش‌تر استفاده می‌شود.
شماتیک ترانزیستور JFET – N-channel
نمودار جریان – ولتاژ JFET – N- channel
تزانزیستور JFET از نوع P-Channel
در این از ترانزیستورهای JFET، عامل ایجاد جریان الکتریکی، حفره‌ها هستند. کانال بین منبع و تخلیه، P-channel نام دارد.
شماتیک ترانزیستور JFET – P-channel
نمای کلی از ترانزیستورهای JFET
ترانزیستور ماسفت | MOSFET
ترانزیستور Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor که به اختصار MOSFET خوانده می‌شود، مزایای بسیار زیادی نسبت به BJT و JFET دارد. ماسفت دارای چهار ترمینال «گیت | Gate» و «تخلیه | Drain» و «منبع | Source» و پایه چهارم آن «بستر | Substrate» است که به آن «بدنه | Body» نیز گفته می‌شود. جریان گیت این ترانزیستور صفر است و دارای امپدانس ورودی بالا و امپدانش خروجی پایین می‌باشد. به همین علت در مدارهای کم قدرت و در ساخت و طراحی تراشه‌ها کار برد دارد.
ماسفت هم همانند JFET، دارای دو نوع P-channel و N-channel است که در ادامه به آنها خواهیم پرداخت.
ناجیه‌های عملیاتی ترانزیستور ماسفت و رابطه جریان آن به شکل زیر تعریف می‌شوند:
- «ناحیه قطع | Cut-off Region»: در این ناحیه، ولتاژ بین گیت و منبع ($V_{GS}$) از ولتاژ آستانه ($V_{th}$) کم‌تر است و جریان ترانزیستور، $I_{D}$ برابر با صفر می‌شود. در نتیجه ترانزیستور خاموش است.
- «ناحیه فعال | Active/Saturation Region»: در این ناحیه، $V_{GS}$ از $V_{th}$ بزرگ‌تر است و رابطه $V_{DS} > V_{GS} – V{th}$ برقرار است و اصطلاحا ترانزیستور روشن است. در این صورت برای محاسبه $I_{D}$ داریم:
$I_{D} = \frac{{k}’}{2} \frac{W}{L} \times (V_{GS}-V{th})^2$
- «ناحیه سه‌پایه | Triode Region»: در این ناحیه نیز ترانزیستور روشن است و همچنان $V_{GS} > V_{th}$ اما $V_{DS} < V_{GS} – V{th}$ است و رابطه محاسبه جریان به شکل زیر است:
$I_{D} = \frac{{k}’}{2} \frac{W}{L} \times (2(V_{GS}-V{th})\times V_{DS} – V_{DS}^{2})$
در روابط بالا، ${k}’$ و $L$ و $W$ پارامترهای کانال ترانزیستور هستند و «ولتاژ آستانه | Threshold voltage» ولتاژ اعمالی بین پایه‌های گیت و منبع ترانزیستور است.
ترانزیستور MOSFET از نوع N-Channel
این ترانزیستور به دلیل داشتن کانال N بین منبع و تخلیه، N-channel MOSFET نامیده می‌شود. در این مدل، علت ایجاد جریان در ترانزیستور، الکترون‌ها هستند و به دلیل تحرک بیش‌تری که الکترون‌ها نسبت به حفره‌ها دارند، این مدل ماسفت، نسبت به مدل P-channel آن، بیش‌تر مورد استقبال قرار می‌گیرد. جریان در این ترانزیستور توسط ولتاژ گیت کنترل می‌شود.
ترانزیستور MOSFET از نوع P-Channel
این ترانزیستور به دلیل داشتن کانال P بین منبع و تخلیه، P-channel MOSFET نامیده می شود. در این مدل، علت ایجاد جریان در ترانزیستور، حفره‌ها هستند. جریان در این ترانزیستور توسط ولتاژ گیت کنترل می‌شود.
شماتیک ترانزیستور MOSFET
نمودار جریان – ولتاژ MOSFET
