ترانزیستور
ترانزیستور یک وسیله نیمه هادی است که برای تقویت یا سوئیچ کردن سیگنال های الکتریکی و قدرت استفاده می شود. ترانزیستور یکی از بلوک های اساسی ساختمان الکترونیک مدرن است. این ماده از مواد نیمه هادی تشکیل شده است که معمولاً دارای حداقل سه پایانه برای اتصال به یک مدار الکترونیکی است. یک ولتاژ یا جریان اعمال شده به یک جفت ترمینال ترانزیستور، جریان را از طریق یک جفت ترمینال دیگر کنترل می کند. از آنجایی که توان کنترل شده (خروجی) می تواند بیشتر از توان کنترلی (ورودی) باشد، ترانزیستور می تواند سیگنال را تقویت کند. برخی از ترانزیستورها به صورت جداگانه بسته بندی می شوند، اما بسیاری دیگر به شکل مینیاتوری در مدارهای مجتمع تعبیه شده اند.
تاریخچه
فیزیکدان اتریش-مجارستانی جولیوس ادگار لیلینفلد مفهوم ترانزیستور اثر میدانی را در سال 1926 پیشنهاد کرد، اما در آن زمان امکان ساخت یک دستگاه کارآمد وجود نداشت. اولین وسیله کاری که ساخته شد یک ترانزیستور تماس نقطه ای بود که در سال 1947 توسط فیزیکدانان آمریکایی جان باردین و والتر براتین در حالی که زیر نظر ویلیام شاکلی در آزمایشگاه بل کار می کردند اختراع شد. این سه نفر جایزه نوبل فیزیک سال 1956 را به خاطر دستاوردهایشان به اشتراک گذاشتند. پرکاربردترین نوع ترانزیستور، ترانزیستور اثر میدانی فلز-اکسید-نیمه هادی (MOSFET) است که توسط محمد آتالا و داون کاهنگ در آزمایشگاه بل در سال 1959 اختراع شد.ترانزیستورها عرصه الکترونیک را متحول کردند و راه را برای رادیوها، ماشین حساب ها و کامپیوترهای کوچکتر و ارزانتر و موارد دیگر هموار کردند.
اکثر ترانزیستورها از سیلیکون بسیار خالص و برخی از ژرمانیوم ساخته می شوند، اما برخی از مواد نیمه هادی دیگر نیز گاهی استفاده می شوند. یک ترانزیستور ممکن است فقط یک نوع حامل شارژ داشته باشد، در یک ترانزیستور اثر میدان، یا ممکن است دو نوع حامل بار در دستگاه های ترانزیستور اتصال دوقطبی داشته باشد. در مقایسه با لوله خلاء، ترانزیستورها به طور کلی کوچکتر هستند و برای کار به توان کمتری نیاز دارند. برخی از لوله‌های خلاء نسبت به ترانزیستورها در فرکانس‌های کاری بسیار بالا یا ولتاژهای کاری بالا مزایایی دارند. بسیاری از انواع ترانزیستورها با مشخصات استاندارد شده توسط چندین سازنده ساخته می شوند.
عملیات ساده شده
یک ترانزیستور می تواند از یک سیگنال کوچک اعمال شده بین یک جفت ترمینال خود برای کنترل سیگنال بسیار بزرگتر در یک جفت ترمینال دیگر استفاده کند. به این خاصیت سود می گویند. می تواند سیگنال خروجی قوی تری تولید کند، ولتاژ یا جریان، که متناسب با سیگنال ورودی ضعیف تر است و بنابراین، می تواند به عنوان تقویت کننده عمل کند. از طرف دیگر، ترانزیستور می تواند برای روشن یا خاموش کردن جریان در مدار به عنوان یک کلید کنترل شده الکتریکی استفاده شود، جایی که مقدار جریان توسط سایر عناصر مدار تعیین می شود.
دو نوع ترانزیستور وجود دارد که تفاوت های جزئی در نحوه استفاده از آنها در مدار دارند. یک ترانزیستور دوقطبی دارای پایانه هایی با برچسب پایه، کلکتور و امیتر است. یک جریان کوچک در ترمینال پایه (یعنی بین پایه و امیتر جریان می یابد) می تواند جریان بسیار بزرگتری را بین پایانه های کلکتور و امیتر کنترل یا تغییر دهد. برای یک ترانزیستور اثر میدانی، پایانه ها دارای برچسب گیت، منبع و تخلیه هستند و ولتاژی در گیت می تواند جریان بین منبع و تخلیه را کنترل کند.
تصویر نشان دهنده یک ترانزیستور دوقطبی معمولی در یک مدار است. بسته به جریان در پایه، شارژ بین پایانه های امیتر و کلکتور جریان می یابد. از آنجایی که در داخل، اتصالات پایه و امیتر مانند یک دیود نیمه هادی عمل می کنند، در حالی که جریان پایه وجود دارد، افت ولتاژ بین پایه و امیتر ایجاد می شود. مقدار این ولتاژ بستگی به ماده ای دارد که ترانزیستور از آن ساخته شده است و به آن VBE می گویند.
ترانزیستور به عنوان سوئیچ
ترانزیستورها معمولاً در مدارهای دیجیتال به عنوان سوئیچ های الکترونیکی استفاده می شوند که می توانند در حالت “روشن” یا “خاموش” باشند، هم برای کاربردهای پرقدرت مانند منابع تغذیه حالت سوئیچ و هم برای برنامه های کم مصرف مانند گیت های منطقی. پارامترهای مهم برای این کاربرد عبارتند از: جریان سوئیچ، ولتاژ کنترل شده، و سرعت سوئیچینگ، که با زمان افزایش و سقوط مشخص می شود.
در مدار سوئیچینگ، هدف شبیه‌سازی تا حد امکان، کلید ایده‌آل است که دارای ویژگی‌های مدار باز در حالت خاموش، اتصال کوتاه در حالت روشن، و انتقال آنی بین دو حالت باشد. پارامترها به گونه‌ای انتخاب می‌شوند که خروجی «خاموش» محدود به جریان‌های نشتی باشد که نمی‌تواند بر مدار متصل تأثیر بگذارد، مقاومت ترانزیستور در حالت «روشن» برای تأثیرگذاری بر مدار بسیار کوچک است، و انتقال بین دو حالت به اندازه کافی سریع است. اثر سوء نداشته باشد.
در مدار ترانزیستور امیتر زمینی، مانند مدار سوئیچ نور نشان داده شده، با افزایش ولتاژ پایه، جریان امیتر و کلکتور به صورت تصاعدی افزایش می یابد. ولتاژ کلکتور به دلیل کاهش مقاومت کلکتور به امیتر کاهش می یابد. اگر اختلاف ولتاژ بین کلکتور و امیتر صفر (یا نزدیک به صفر) بود، جریان کلکتور فقط توسط مقاومت بار (لامپ) و ولتاژ تغذیه محدود می شود. این حالت اشباع نامیده می شود زیرا جریان آزادانه از کلکتور به امیتر می رود. هنگامی که اشباع شود، گفته می شود که سوئیچ روشن است.
استفاده از ترانزیستورهای دوقطبی برای کاربردهای سوئیچینگ مستلزم بایاس کردن ترانزیستور است تا بین ناحیه قطع آن در حالت خاموش و ناحیه اشباع (روشن) عمل کند. این نیاز به جریان درایو پایه کافی دارد. از آنجایی که ترانزیستور افزایش جریان را فراهم می کند، سوئیچینگ یک جریان نسبتاً بزرگ در کلکتور را با جریان بسیار کمتری به ترمینال پایه تسهیل می کند. نسبت این جریان ها بسته به نوع ترانزیستور متفاوت است و حتی برای یک نوع خاص بسته به جریان کلکتور متفاوت است. در مثال یک مدار سوئیچ نور، همانطور که نشان داده شده است، مقاومت به گونه ای انتخاب می شود که جریان پایه کافی برای اطمینان از اشباع ترانزیستور فراهم کند.مقدار مقاومت پایه از ولتاژ تغذیه، افت ولتاژ پیوند C-E ترانزیستور، جریان کلکتور و ضریب تقویت بتا محاسبه می شود.
ترانزیستور به عنوان تقویت کننده
تقویت کننده امیتر مشترک به گونه ای طراحی شده است که یک تغییر کوچک در ولتاژ (Vin) جریان کوچکی را که از پایه ترانزیستور می گذرد تغییر می دهد که تقویت جریان همراه با خواص مدار به این معنی است که نوسانات کوچک در Vin باعث ایجاد تغییرات بزرگ در Vout می شود.
پیکربندی‌های مختلفی از تقویت‌کننده‌های تک ترانزیستوری امکان‌پذیر است که برخی از آنها افزایش جریان، برخی افزایش ولتاژ و برخی هر دو را ارائه می‌کنند.
از تلفن های همراه گرفته تا تلویزیون، تعداد زیادی از محصولات شامل تقویت کننده هایی برای بازتولید صدا، انتقال رادیویی و پردازش سیگنال هستند. اولین تقویت‌کننده‌های صوتی گسسته ترانزیستوری به سختی چند صد میلی‌وات را تامین می‌کردند، اما با در دسترس قرار گرفتن ترانزیستورهای بهتر و تکامل معماری تقویت‌کننده، قدرت و صوت به تدریج افزایش یافت.
تقویت کننده های صوتی ترانزیستوری مدرن تا چند صد وات رایج و نسبتا ارزان هستند.