ترانزیستور چیست؟ بررسی نحوه عملکرد، انواع و کاربرد

ترانزیستور یکی از مهم‌ترین اختراعات در الکترونیک و مدارهای مجتمع است که نقش بسزایی در پیشرفت صنعت در قرن ۲۰ و ۲۱ داشته است. اختراع ترانزیستور در سال ۱۹۴۷ توسط جان باردین، والتر برتت و ویلیام شاکلی، محققان آزمایشگاه‌های بل، آغازگر عصر جدیدی در الکترونیک بود.

ترانزیستورها جایگزینی برای لامپ خلأ و ترانزیستورهای حجیم لامپی بودند و باعث کوچک‌تر، ارزان‌تر و کارآمدتر شدن دستگاه‌های الکترونیکی گشتند. امروزه ترانزیستورها در همه جا از کامپیوترها و تلفن‌های همراه گرفته تا وسایل نقلیه، کاربرد دارند و جزء جدایی‌ناپذیر زندگی مدرن محسوب می‌شوند. در این مقاله قصد داریم ضمن بررسی تاریخچه، انواع و کاربردهای ترانزیستور، به شرح اجمالی عملکرد این مدار بپردازیم.

داستان اختراع ترانزیستور چیست؟

داستان اختراع ترانزیستور به اواسط قرن بیستم برمی‌گردد. در سال 1947، سه محقق آزمایشگاه بل با نام‌های جان باردین، والتر برتت و ویلیام شاکلی مشغول بررسی امکان اختراع نسل جدیدی از تقویت‌کننده‌های الکترونیکی بودند. آن‌ها با الهام از اختراع قبلی خود یعنی ترانزیستور نقطه‌ای، توانستند اولین ترانزیستور اثر میدانی را اختراع کنند. این ترانزیستور جدید در مقایسه با ترانزیستور نقطه‌ای کوچک‌تر، ارزان‌تر و قابل اطمینان‌تر بود. در سال 1948 شرکت بل اختراع ترانزیستور را به ثبت رساند.

ترانزیستور یکی از مهم‌ترین اختراعات در تاریخ رایانه‌های شخصی در نظر گرفته می‌شود و اختراع آن روند کوچک‌سازی در الکترونیک را تسریع کرد. ازآنجاکه این دستگاه‌های حالت جامد نسبت به لامپ‌های خلأ به میزان قابل‌توجهی کوچک‌تر، سبک‌تر و مصرف انرژی کمتری داشتند، سیستم‌های الکترونیکی ساخته‌شده با ترانزیستور نیز به مراتب کوچک‌تر، سبک‌تر، سریع‌تر و کارآمدتر بودند. ترانزیستورها همچنین نیرومندتر بودند، نیاز به توان کمتری داشتند و برخلاف لامپ‌های خلأ، نیازی به گرم‌کن‌های خارجی نداشتند.

با کاهش نمایی اندازه ترانزیستورها، هزینه آن‌ها نیز کاهش یافته است و این امر فرصت‌های بیشتری را برای استفاده از آن‌ها ایجاد کرده است. ادغام ترانزیستورها با مقاومت‌ها و دیودها یا دیگر اجزای الکترونیکی باعث شده است تا مدارهای مجتمع کوچک‌تر شوند. این پدیده مربوط به کوچک‌سازی، مرتبط با قانون مور است که بیان می‌کند تعداد ترانزیستورها در یک مدار مجتمع کوچک، هر دو سال دو برابر می‌شود.

قانون مور برای اولین بار در مقاله‌ای با عنوان «فشردن اجزای بیشتر روی مدارهای مجتمع (Cramming More Components onto Integrated Circuits)» در سال ۱۹۶۵ ارائه شد. در این مقاله، مور مشاهده کرد که تعداد ترانزیستورهای روی مدارهای مجتمع از زمان اختراع مدار مجتمع در سال ۱۹۵۸ با نرخ ۱۲ درصد در سال افزایش یافته است. او این روند را برون‌یابی کرد تا پیش‌بینی کند که تعداد ترانزیستورها هر دو سال دو برابر می‌شود.

این پیش‌بینی به طرز شگفت‌انگیزی دقیق بود و این روند برای چندین دهه ادامه داشت. افزایش سریع تراکم ترانزیستور منجر به افزایش متناظر در قدرت محاسباتی شد و توسعه رایانه‌های کوچکتر، سریعتر و قدرتمندتر را امکان‌پذیر کرد. این رشد قدرت محاسباتی تأثیر عمیقی بر جامعه داشت و صنایعی مانند ارتباطات، سرگرمی و تولید را متحول کرد.

ترانزیستور چطور کار می‌کند؟

ترانزیستور از سه لایه نیمه‌رسانا تشکیل شده است. این سه لایه عبارت‌اند از:

1. امیتر (Emitter)
2. بیس (Base)
3. کلکتور (Collector)

لایه امیتر که نیمه‌رسانای نوع N است، الکترون‌ها را تولید می‌کند. لایه بیس که نیمه‌رسانای نوع P است، بین امیتر و کلکتور قرار گرفته و ضخامت بسیار کمی دارد. لایه کلکتور که نیمه‌رسانای نوع N است، الکترون‌های تولید شده توسط امیتر را جمع‌آوری می‌کند.

وقتی ولتاژ مثبت به بیس و ولتاژ منفی به امیتر اعمال می‌شود، اختلاف پتانسیل باعث جریان یافتن الکترون‌ها از امیتر به سمت بیس می‌شود. این الکترون‌ها از لایه نازک بیس عبور کرده و وارد کلکتور می‌شوند.

با تغییر ولتاژ یا جریان کوچکی که به بیس اعمال می‌شود، می‌توان تعداد زیادی الکترون را که از کلکتور عبور می‌کنند کنترل کرد. به این ترتیب جریان کمی که به بیس اعمال می‌شود، می‌تواند جریان زیادی را در مدار کلکتور کنترل کند. این ویژگی باعث می‌شود ترانزیستور بتواند به عنوان یک تقویت‌کننده عمل کند. با اتصال بیس به امیتر، ترانزیستور می‌تواند مانند یک سوئیچ الکترونیکی عمل کند و جریان بین کلکتور و امیتر را قطع و وصل نماید.

انواع ترانزیستور و کاربردها

ترانزیستور یک دستگاه الکترونیکی است که می‌تواند به عنوان یک تقویت‌کننده، یک سوئیچ یا یک اسیلاتور عمل کند. ترانزیستورها از مواد نیمه‌رسانا مانند سیلیکون ساخته می‌شوند. ترانزیستورها سه ترمینال اصلی دارند: امیتر، بیس و کلکتور. تغییرات کوچک جریان یا ولتاژ در بیس می‌تواند جریان عبوری از کلکتور را کنترل کند.

انواع اصلی ترانزیستور عبارتند از: ترانزیستور دو قطبی BJT، ترانزیستور اثر میدانی FET، ترانزیستور پیوندی دو قطبی BJT و ترانزیستور الکترون آزاد FET.

هرکدام از این انواع ترانزیستور ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند که در ادامه به تفصیل بررسی خواهند شد.

1- ترانزیستور دو قطبی (Bipolar Transistor)

ترانزیستور دو قطبی (Bipolar Transistor) نوعی ترانزیستور است که از دو نوع نیمه‌رسانای P و N تشکیل شده است. این ترانزیستور سه ترمینال دارد:

• امیتر (Emitter): نیمه‌رسانای نوع N که الکترون تولید می‌کند.
• بیس (Base): نیمه‌رسانای نوع P که لایه نازکی بین امیتر و کلکتور است.
• کلکتور (Collector): نیمه‌رسانای نوع N که الکترون‌ها را جمع‌آوری می‌کند.

کاربردهای ترانزیستور دو قطبی شامل موارد زیر است:

• تقویت‌کننده سیگنال‌های الکتریکی
• استفاده به عنوان سوئیچ الکترونیکی در مدارهای منطقی
• ایجاد نوسان‌ساز (اسیلاتور) در مدارها
• تقویت‌کننده در مدارهای رادیویی

همچنین مزایای ترانزیستور دو قطبی شامل:

• سرعت بالا در سوئیچینگ
• هزینه پایین نسبت به ترانزیستور اثر میدانی
• توان خروجی بالا
• کنترل جریان خروجی با تغییرات کوچک ورودی
• طراحی و ساخت ساده‌تر نسبت به ترانزیستور اثر میدانی

2- ترانزیستور اثر میدانی (FET)

ترانزیستور اثر میدانی (Field Effect Transistor) نوعی ترانزیستور است که در آن جریان بین دو ترمینال (Source و Drain) توسط یک میدان الکتریکی که از طریق ترمینال سوم (Gate) اعمال می‌شود، کنترل می‌شود. انواع ترانزیستور اثر میدانی FET عبارتند از:

•  JFET (Junction FET): در آن از اتصال PN استفاده می‌شود.
•  MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET): در آن از یک اکسید فلزی به عنوان عایق بین گیت و کانال استفاده می‌شود.

از کاربردهای ترانزیستور اثر میدان می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• تقویت‌کننده الکتریکی در مدارها
• سوئیچ در مدارهای منطقی دیجیتال
• استفاده در مدارهای الکترونیک قدرت

همچنین مزایای ترانزیستور اثر میدان شامل:

• مصرف توان پایین
• تولید نویز کمتر نسبت به ترانزیستور دو قطبی
• ولتاژ آستانه پایین‌تر
• خروجی مدار باز نزدیک به صفر
• قابلیت کار در دما و فشار بالا

3- ترانزیستور پیوندی دوقطبی (Bipolar Junction Transistor – BJT)

ترانزیستور پیوندی دوقطبی، نوعی ترانزیستور دو قطبی است که از ترکیب دو ترانزیستور دوقطبی به صورت موازی تشکیل شده است. این ترانزیستور شامل چهار لایه نیمه رسانا است: دو امیتر، یک بیس مشترک و دو کلکتور. از کاربردهای ترانزیستور پیوندی دوقطبی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• مدارات الکترونیک قدرت با فرکانس بسیار بالا
• کاربرد در مخابرات رادیویی
• تقویت کننده در فرکانس‌های بالا مثل فرکانس باند X

همچنین ترانزیستور پیوندی دوقطبی دارای مزایای زیر است:

• سرعت بسیار بالاتر از ترانزیستور دو قطبی معمولی
• فرکانس قطع بسیار بالاتر
• توان خروجی بالاتر
• گین و کسب سیگنال بهتر در فرکانس‌های بالا
• ثبات و قابلیت اطمینان بیشتر

4- ترانزیستور الکترون آزاد (HEMT)

HEMT نوعی ترانزیستور اثر میدانی (FET) است که بر پایه نیمه‌رساناهای ترکیبی III-V مانند گالیم آرسنید یا فسفید ایندیم کار می‌کند. ویژگی‌ها و مزایای ترانزیستور الکترون آزاد (HEMT) عبارتند از:

• سرعت بسیار بالاتر از MOSFET و سایر انواع FET
• کاربردی در فرکانس‌های تراهرتز
• نویز بسیار پایین‌تر نسبت به MOSFET
• توان مصرفی کمتر نسبت به MOSFET
• اندازه کوچک‌تر نسبت به MOSFET

از کاربردهای این ترانزیستور می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

• تقویت‌کننده در مدارات فرکانس بالا مانند سیستم‌های ماهواره‌ای و رادار
• استفاده در مخابرات بی‌سیم نسل 5G و 6G
• کاربرد در مدارات منطقی و حافظه‌های رایانه‌ای پرسرعت
• کاربرد در سیستم‌های نظامی و رادارهای پیشرفته

5- ترانزیستور اثر میدان شناور (MESFET)

MESFET مخفف Metal Semiconductor Field Effect Transistor است که نوعی ترانزیستور اثر میدانی است که بر پایه نیمه‌رساناهای ترکیبی III-V مثل آرسنید گالیم کار می‌کند. ویژگی‌ها و مزایای این نوع ترانزیستور شامل موارد زیر است:

• سرعت بسیار بالاتر از MOSFET معمولی
• فرکانس کاری بالا تا چندین گیگاهرتز
• نویز پایین‌تر نسبت به ترانزیستورهای سیلیکونی
• توان مصرفی کمتر نسبت به MOSFET
• ثبات دمایی بهتر نسبت به ترانزیستورهای سیلیکونی

ترانزیستور اثر میدان شناور (MESFET) در موارد زیر کاربرد دارد:

• تقویت‌کننده در مدارات فرکانس رادیویی و مایکروویو
• استفاده در مخابرات ماهواره‌ای و رادارها
• کاربرد در مدارات الکترونیک قدرت پرفرکانس
• استفاده به عنوان مدار منطقی و سوئیچ در فرکانس بالا

به طور کلی، MESFET کاربردهای مشابهی با HEMT دارد اما HEMT سرعت و کارایی بهتری نسبت به MESFET دارد.

چرا ترانزیستور مهم است؟

ترانزیستور به دلایل زیر یکی از مهم‌ترین و کاربردی‌ترین اختراعات درزمینهٔ الکترونیک و مدارهای مجتمع است:

• کوچک بودن اندازه و وزن: ترانزیستورهای فعلی نسبت به لامپ‌های خلأ و ترانزیستورهای اولیه، بسیار کوچک‌تر و سبک‌تر هستند. این ویژگی باعث کوچک شدن ابعاد دستگاه‌های الکترونیکی شد.
• مصرف انرژی کم: ترانزیستورها نیاز به توان بسیار کمتری نسبت به ترانزیستورها و لامپ‌های قدیمی دارند.
• قیمت پایین: تولید انبوه ترانزیستورها باعث کاهش قیمت آن‌ها شده است.
• سرعت و قدرت بالا: ترانزیستورها سریع‌تر از لامپ‌های خلأ عمل می‌کنند و توان خروجی بالاتری دارند.
• قابل اطمینان: ترانزیستورها قابلیت اطمینان بیشتری نسبت به لامپ خلأ دارند و عمر مفید بالاتری دارند.
• کاربردهای گسترده: ترانزیستورها کاربردهای زیادی در الکترونیک، مدارهای مجتمع، رایانه، مخابرات و… دارند.
• پایه اصلی مدارهای مجتمع: ترانزیستورها اجزای اصلی تشکیل‌دهنده IC ها و چیپ‌های الکترونیکی هستند.

بنابراین ترانزیستور با ایجاد انقلابی در الکترونیک، پیشرفت فناوری‌های مدرن امروزی را ممکن ساخته است.

اجزای ترانزیستور

یک ترانزیستور شبیه به مجموعه‌ای از دو دیود است که کاتد یا آند آن‌ها به هم متصل شده‌اند. ترانزیستور دارای سه ترمینال است که جریان الکتریکی را حمل می‌کنند و به اتصال به مدارات خارجی کمک می‌کنند:

• امیتر: که به عنوان ترمینال منفی ترانزیستور شناخته می‌شود، با حرف E نشان داده می‌شود، اندازه‌ای متوسط دارد و کارکرد اصلی آن تأمین تعداد زیادی حامل برای پشتیبانی از جریان برق است. به آن امیتر گفته می‌شود زیرا الکترون تولید می‌کند.
• بیس: ترمینالی است که ترانزیستور را فعال می‌کند و با حرف B نشان داده می‌شود. ساختار آن نازک و بین امیتر و کلکتور است. هدف اصلی آن عبور دادن حامل‌ها از امیتر به کلکتور است.
• کلکتور: ترمینال مثبت ترانزیستور است و با حرف C نشان داده می‌شود. این بخش حامل‌های فرستاده شده توسط امیتر از طریق بیس را جمع‌آوری می‌کند. آن دوپ شدگی متوسطی دارد و از دو قسمت دیگر بزرگتر است.

امیتر، بیس و کلکتور در یک مدار PNP همان عملکردها را دارند. تنها تفاوت در این نوع ترانزیستور این است که بیس نوع N بین امیتر و کلکتور نوع P قرار گرفته است که بر جهت پیکان روی امیتر تأثیر می‌گذارد. این پیکان همیشه بخشی از اتصال امیتر-بیس است. پیکان در یک مدار NPN به بیرون اشاره می‌کند و در یک مدار PNP به داخل اشاره می‌کند.

متداول‌ترین نوع ترانزیستور در جهان کدام است؟

متداول‌ترین و پرکاربردترین نوع ترانزیستور در سطح جهان، ترانزیستور اثر میدانی MOSFET است. دلایل رایج بودن MOSFET به شرح زیر است:

• نسبت به سایر انواع ترانزیستور ازجمله BJT، JFET و…، کوچک‌تر، سبک‌تر و ارزان‌تر است.
• دارای مصرف توان پایین، تلفات حرارتی کم و دمای کاری بالاتری نسبت به BJT است.
• در مقایسه با BJT، قابلیت اطمینان و عمر بیشتری دارد.
• به سادگی در مدارهای مجتمع نصب می‌شود.
• در مقایسه با BJT، نویز الکتریکی کمتری تولید می‌کند.
• به سادگی قابل مانوفکچر در مقیاس بزرگ با فناوری CMOS است.
• دارای امپدانس ورودی بالاتری نسبت به BJT است.

بنابراین به دلیل مزایای فراوان MOSFET، این نوع ترانزیستور بیش از سایر انواع مورد استفاده قرار می‌گیرد.