ترانزیستور چیست -همه چیز درباره transistor

آنچه در این مطلب می خوانید شامل :

• مقدمه
• عمل کرد
• انواع
• تقسیم بندی ترانزیستور بر اساس پارامترهای آن
• تشخیص پایه های ترانزیستور با استفاده از مولتی متر
• نماد فنی ترانزیستور
• معادل دیودی ترانزیستور
• نام گذاری ولتاژ های ترانزیستور
• تامین ولتاژ ها و جریان های مورد نیاز ترانزیستور
• تأثیر درجه حرارت بر ترانزیستور
• مقادیر حد در ترانزیستورها
• نحوه سوختن ترانزیستورها
• دلایل سوختن ترانزیستورها

• عمل کرد

  ترانزیستور از دیدگاه مداری یک عنصر سه‌ پایه 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 ترانزیستور 

  دو دسته مهم از ترانزیستورها ترانزیستور دوقطبی پیوندی (BJT) (Bipolar Junction Transistors) و ترانزیستور اثر میدان (FET) (Field Effect Transistors) هستند.

   ترانزیستورهای اثر میدان نیز خود به دو دستهٔ ترانزیستور پیوند اثر میدانی  JFET و

   ماسفت ها = Metal Oxide SemiConductor Field Effect Transistor تقسیم می‌شوند.

• ترانزیستور دو قطبی - پیوند

  در ترانزیستور دو قطبی پیوندی با اعمال یک جریان به پایه بیس جریان عبوری از دوپایه کلکتور و امیتر کنترل می‌شود. ترانزیستورهای دو قطبی پیوندی در دو نوع 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. امروزه بجای استفاده از مقاومت و خازن و… در مدارات مجتمع تماماً از ترانزیستور استفاده می‌کنند.

  انواع ترانزیستور پیوندی : npn , pnp

  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 قطعهٔ pnp می‌توان به سادگی آنها را به ترانزیستور پرکاربردتر npn مربوط ساخت.

• ترانزیستور پیوند اثر میدانی JFET

  در ترانزیستورهای پیوند اثر میدانی (JFET) در اثر میدان، با اعمال یک ولتاژ به پایه گیت میزان جریان عبوری از دوپایه سورس و درین کنترل می‌شود. ترانزیستور اثر میدانی به دو نوع تقسیم می‌شود: نوع n یا N-Type و نوع p یا P-Type. از دیدگاهی دیگر این ترانزیستورها در دو نوع افزایشی و تخلیه‌ای ساخته می‌شوند. نواحی کار این ترانزیستورها شامل «فعال» و «اشباع» و «ترایود» است این ترانزیستورها تقریباً هیچ استفاده‌ای ندارند چون جریان دهی آنها محدود است و به سختی مجتمع می‌شوند.

  ترانزیستور اثر میدان پیوندی یا JFET = Junction Field Effect Transistor 

• انواع ترانزیستور های MOSFET

  ۱- ترانزیستور های MOSFET با کانال تهی شونده ( DMOSFET )
  ۲- ترانزیستور های MOSFET با کانال تشکیل شونده یا بهبود یافته (EMOSFET)

• ترانزیستور MOSFET با کانال تهی شونده

   1- ترانزیستور DMOSFET با کانال تهی شونده نوع N

  این نوع ترانزیستور از یک قطعه نیمه هادی پایه نوع P با ناخالصی کم تشکیل شده است. درون این قطعه، دو ناحیه نوع N با ناخالصی زیاد ایجاد می کنند. این نواحی را بوسیله یک کانال نوع N با ناخالصی کم به یک دیگر وصل می کنند. از طرفین کانال ، کنتاکت های درین – سورس خارج می شوند. گیت این ترانزیستور را یک صفحه فلزی تشکیل می دهد که توسط لایه نازکی از دی اکسید سیلیکون از کانال کاملا جدا شده است.

  2- ترانزیستور DMOSFET با کانال تهی شونده نوع P

  ساختمان DMOSFET با کانال P تهی شونده ، شبیه نوع کانال N است. مطابق شکل بلور پایه از کریستال نوع N و کانال از نوع P است.

• ترانزیستور MOSFET با کانال تشکیل شونده - EMOSFET

  در این نوع ترانزیستور بر خلاف ترانزیستور با کانال تهی شونده ، کانال را در هنگام ساخت ایجاد نمی کنند. لذا تا وقتی که گیت ترانزیستور بایاس نشود ، ترانزیستور خاموش می ماند. به علت مقاومت خیلی زیاد بلور پایه که درین سورس را از یکدیگر جدا می کند ، عملا با افزایش VDS جریان محسوسی از درین نمی گذرد.

  علامت اختصاری EMOSFET

  علامت اختصاری هر دو نوع MOSFET با کانال N و P تشکیل شئنده را در شکل زیر مشاهده می کنید. خطوط شکسته بین درین سورس بیانگر عدم وجود کانال اولیه است.

  

  تقسیم بندی ترانزیستور بر اساس پارامترهای آن

  اگر به اطلاعات نوشته شده در برگه اطلاعات ترانزیستور ها توجه شود ، مشاهده می گردد برخی مشخصات مانند ICmax ، VCEmax ، PCmax ، فرکانس حد و فرکانس قطع آن ها با هم متفاوت است. ترانزیستور ها براساس این پارامترها (مشخصه ها) و نوع کاربرد ، در دسته بندی های متعددی قرار می گیرند. مثلا ترانزیستور ها از نظر فرکانس به سه دسته فرکانس کم ( LF = Low Frequency ) ، فرکانس متوسط ( MF = Medium Frequency ) ، فرکانس زیاد (  HF = High Frequency) تقسیم بندی می شوند.این موضوع برای تقویت سیگنال از نظر ولتاژ ، جریان و توان نیز صدق می کند.

• ترانزیستور کاربرد عمومی و سیگنال کوچک

  این ترانزیستور ها برای تقویت سیگنال های با ولتاژ و جریان با دامنه کم به کار می روند و معمولا در تقویت کننده های قدرت پایین یا متوسط یا برای مدار های کلیدی به کار می روند. بدنه این ترانطیستور ها معمولا پلاستیکی یا فلزی است و حداکثر توان مجاز آن ها از ۰٫۵w تجاوز نمی کند. در شکل زیر چند نمونه از این ترانزیستور ها را مشاهده می کنید:

  

   

  ترانزیستورهای قدرت- Power Transistor

  این ترانزیستور ها قادر به تقویت سیگنال های با ولتاژ و جریان با دامنه زیاد هستند و معمولا در تقویت کننده های سیگنال بزرگ به کار می روند. حداکثر توان مجاز این ترانزیستور ها از ۰٫۵w تا چند ده وات است.

  بدنه این ترانزیستور ها که معمولا فلزی است ، به کلکتور اتصال دارد تا بتواند با محیط تبادل حرارت نماید. در توان های زیاد ، بدنه به گرماگیر ( هیت سینک ) اتصال داده می شود.

  

• ترانزیستور های فرکانس بالا High Frequency Transistor

  این ترانزیستور ها به تغییر ولتاژ و شدت جریان ورودی خود که فرکانس فوق العاده زیاد دارند ، به سرعت پاسخ می دهند. مقدار فرکانس قطع این ترانزیستور ها چندین مگاهرتز تا گیگاهرتز است.

   

  تشخیص پایه های ترانزیستور با استفاده از مولتی متر

  همونطور که در شکل زیر می بینید، ترانزیستورها یه مدل دیودی دارن که به کمک شون میشه پایه های ترانزیستور رو تشخیص داد.

  

  خب حالا اگه موتی متر رو در حالت تست دیود بزارید با دو بار تست کردن میتونید پایه ها رو تشخیص بدید.

  توجه ۱ : در حالت تست دیود با مولتی متر ولتاژ بین پایه BوE بیشتر از ولتاژ بین پایه های BوC هستش.برای اطلاعات بیشتر ، طریقه ی تست قطعات الکترونیکی را در سایت مطالعه کنید.

   

  معادل دیودی ترانزیستور

  هر ترانزیستور ، دارای سه پایه و دو پیوند است. هر پیوند را می توان به صورت یک دیود نشان داد. در نتیجه ، معادل دیودی یک ترانزیستور به صورت دو دیود  مطابق شکل زیر نشان داده می شود.

  

  نماد فنی ترانزیستور

  برای ساده تر نشان دادن ترانزیستور ها از علامت اختصاری استفاده میشود. نماد فنی ترانزیستور NPN و PNP را ملاحظه میکنید.

  

  جهت فلش در نماد فنی ترانزیستور ، نشان دهنده ی جهت دیود بیس – امیتر است.

   

  نام گذاری ولتاژ های ترانزیستور

  در این قسمت به نام گذاری ولتاژ قسمت های مختلف می پردازیم.

  ولتاژی که بین پایه های بیس و امیتر قرار میگیرد با VBE  ، ولتاژِ که در قسمت کلکتور- بیس قرار میگیرد با VCB  ، ولتاژی که بین  کلکتور – امیتر وصل می شود با VCE  ، ولتاژ منبع تغذیه ی کلکتور را با VCC و ولتاژی که انرژی بیس را تامین می کند با VBB نشان داده می شوند. شکل زیر ولتاژ قسمت های مختلف ترانزیستور را نشان می دهد . بین ولتاژ های ترانزیستور رابطه ی  VCE=VCB+VBE  برقرار است.

  

  تامین ولتاژ ها و جریان های مورد نیاز ترانزیستور

  مقدار ولتاژی که باید به قسمت های مختلف ترانزیستور یا مدارات ترانزیستوری اعمال شود یک اندازه نیست . مثلا ولتاژی که باید بین بیس و امیتر قرارا گیرد ، حدود ۰٫۶۵ ولت و مقدار ولتاژی که بین کلکتور و امیتر باید قرار بگیرد حدود نصف ولتاژ منبع تغذیه است و … بنابراین مشاهده می شود که در یک مدار ترانزیستوری ، به تعداد زیادی منبع تغذیه با ولتاژ های مختلف نیاز است . تامین این همه ولتاژ های مختلف از طریق منابع تغذیه متعدد امکان پذیر نیست برای تامین ولتاژ های مورد نیاز قسمت های مختلف یک تقویت کننده به کمک فقط یک منبع تغذیه ، باید از تقسیم کننده های مقاومتی اهمی استفاده کرد . برای این منطور مقاومت های را با قسمت های مختلف تقویت کننده سری      می کنند و با ایجاد افت ولتاژ کافی ، ولتاژ و جریان های DC مورد نیاز را به دست می آورند .

   

  تأثیر درجه حرارت بر ترانزیستور

   افزایش درجه حرارت بیشتر بر روی جریان معکوس پیوند بیس – کلکتور نسبت به جریان های دیگر اثر می گذارد. با توجه به اینکه پیوند بیس – کلکتور در بایاس مخالف قرار دارد جریان بسیار ضعیفی که عامل آن حامل های اقلیت هستند از کلکتور به طرف بیس جاری می شود و افزایش درجه حرارت باعث می شود که تعداد بیشتری از پیوندها شکسته شده و الکترون های بیشتری آزاد گردند و در نتیجه جریان معکوس پیوند بیس – کلکتور افزایش می یابد. این جریان را جریان قطع کلکتور نامیده و آن را با ICO یا ICBO نمایش می دهند.

   

  مقادیر حد در ترانزیستورها

  هر المان نیمه هادی ، از جمله ترانزیستور ، برای مقادیر الکتریکی مشخصی ساخته می شود. مثلاً هر ترانزیستوری را برای تحمل توان مشخصی می سازند.  اگر مقادیر الکتریکی اعمال شده به ترانزیستور بیشتر از آنچه کارخانه سازنده مشخص کرده است باشد ، ترانزیستور معیوب می شود. این مقادیر الکتریکی به مقادیر حد معروفند. کارخانجات سازنده ، حداکثر مقدار مجاز مقادیر الکتریکی را مشخص می کنند. مهمترین این مقادیر عبارتند از :

  ۱- حداکثر ولتاژ کلکتور – امیتر : این پارامتر ، حداکثر ولتاژ مجاز بین پایه های کلکتور و امیتر را مشخص می کند و آن را با VCEmax نمایش می دهند.  

  ۲- حداکثر جریان کلکتور : حداکثر جریانی است که ترانزیستور می تواند در دمای مشخص شده از طرف کارخانه سازنده ، تحمل کند و آن را با ICmax نمایش می دهند.

  ۳- حداکثر توان : حداکثر توانی است که می تواند در یک ترانزیستور به صورت حرارت تلف شود و آن را با Pmax نمایش می دهند.

  ۴-  حداکثر درجه حرارت محل پیوند : حداکثر درجه حرارتی است که در محل اتصال کلکتور – بیس ، ترانزیستور   می تواند تحمل کند و آن را با Tj نمایش می دهند.

   

  نحوه سوختن ترانزیستورها

  ترانزیستورها فارغ از نحوه اتصال و نحوه ورود شوک به مدار آن به دو صورت کلی می‌سوزند:

  الف) حالت سوختن اتصال کوتاه امیتر به کلکتور یا حالت Junction:

  در این حالت مسیر امیتر به کلکتور بصورت یکسره برقرار می‌گردد که این حالت ترانزیستور با قطع ورودی تریگر روی پایه base یا gain همچنان برقرار است. در واقع در این حالت مثل آن می‌ماند که سوئیچ بصورت یکسره و تا زمان وجود ولتاژ روی پایه امیتر همچنان برقرار باشد.

  ب) حالت سوختن قطع ارتباط مسیر امیتر به کلکتور یا حالت Cut off Circuite:

  حالت سوختن Cut off Circuite: در این حالت ارتباط امیتر به کلکتور بصورت دائمی قطع می‌گردد. یعنی حتی با تحریک base یا gain ترانزیستور، دیگر هیچ اثر خروجی ولتاژ روی پایه کلکتور ترانزیستور وجود ندارد. بطور کلی در این حالت، ارتباط پایه امیتر به کلکتور تحت هیچ شرایطی برقرار نمی‌گردد.

   

  دلایل سوختن ترانزیستورها

  سوختن ترانزیستور می‌تواند دلایل زیادی داشته باشد. از جمله این دلایل می‌توان به اعمال ولتاژ بالای خارج از محدوده ولتاژ ترانزیستور به آن اشاره کرد که این ولتاژ می‌تواند از طریق پایه Emitter به ترانزیستور منتقل شده و یا در مدارات مکانیکی اعمال بار سلفی سیم پیچ مصرف‌کننده و در زمان Peak Off آن به پایه کلکتور اشاره کرد که جلوگیری از هرکدام از آنها روشهای مربوط به خود را دارد.

  یکی دیگر از دلایل آن می‌تواند قراردادن مصرف‌کننده با جریان بیش از اندازه قدرت سوئیچ ترانزیستور باشد که منجر به گرم شدن، داغ شدن و نهایتاً سوختن ترانزیستور می‌گردد.

  همچنین قطعات نیمه هادی که در نقش سویچینگ هستند و اتصال کوتاه می‌شوند به دلیل وجود جریان‌های ضربه‌ها یا ولتاژ بالاست (بهترین وقتی رخ می‌دهد که ولتاژ ضربه‌ای، متغیر با زمان فرکانس بالا و … باشد)

  همچنین از دلایل سوختن قطعات نیمه هادی که در نقش سویچینگ هستند و اتصال باز می‌شوند به دلیل وجود جریان‌های dc ضربه‌ای می‌باشد.

•