آشنایی با ترانزیستورها

اندازه‌ی ترانزیستور بخش مهمی از مجموعه‌ی بهبودهای اعمال شده در زمینه‌ی فناوری کامپیوتر را شامل می‌شود. می‌توان چنین گفت که هر چقدر ترانزیستورهای به کار رفته‌ کوچک‌تر باشند، به همان اندازه نیز میزان دسترسی در یک تراشه بیشتر شده و در نتیجه سرعت و بازده پردازنده‌ها نیز می‌تواند بالاتر رود. شاید با دانستن این نکات، بهتر بتوانیم تشخیص دهیم که چرا دستاوردهای جدید یک تیم پژوهشی در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی بسیار مهم هستند. آنها موفق شده‌اند تا ترانزیستوری کاربردی را با طول گیت ترانزیستوری ۱ نانومتر بسازند. آزمایشگاه سازنده‌ی این ترانزیستور جدید اعلام کرده است که ساخته‌ی اخیر آنها در واقع کوچک‌ترین ترانزیستور در حال کاری به شمار می‌رود که تا به امروز ساخته شده است.

ساخت ترانزیستوری با طول یک نانومتر

برای سال‌ها، صنعت کامپیوتر بر پایه‌ی قانون مور اداره شده است. بر پایه‌ی این قانون، تعداد ترانزیستورهای نیمه‌هادی در یک مدار در هر دو سال، دو برابر می شود. فناوری نسل کنونی از فناوری مقیاس ۱۴ نانومتری، با نیمه‌هادی‌های ۱۰ نانومتری استفاده می‌کند. پیش‌بینی می‌شود که این سری از محصولات در سال ۲۰۱۷ یا ۲۰۱۸ و روی تولیدات جدیدی همچون Cannonlake کمپانی اینتل روانه‌ی بازار شود. جهت کسب اطلاعات بیشتر در زمینه آموزش الکترونیک لازم است اطلاعاتی درباره ترانزیستورها داشته باشیم.

آینده ی ترانزیستور ها

اما واقعیت این است که اگر نگاهی به آینده‌ی تزانزیستورها داشته باشیم، به نظر می‌رسد که قانون مور رفته رفته وارد مرحله‌ای می‌شود که شاید دیگر مانند گذشته نتواند به طور مطلق و ثابت برقرار باشد. منظورمان در اینجا در رابطه‌ با قوانین فیزیک است. بیایید اندکی دقیق‌تر شویم. ابتدا به یاد داشته باشیم که ایجاد گره‌های ۷ نانومتری از نظر فنی با استفاده از سیلیکون‌ ممکن شده‌اند. پس از چنین دستاوردی ما احتمالا در رابطه با قانون مور و محدودیت‌های لحاظ شده در آن به مشکل بر خواهیم خورد. مشکل از جایی شاید شروع شود که ترانزیستورهای سیلیکونی کوچک‌تر از ۷ نانومتر نیز با انجام موفقیت‌آمیز تونل‌زنی الکترونی در دنیای کوانتوم، اکنون کاملا در شرف ورود به دنیای فناوری هستند.

بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که به جای ماندن بر روی یک قانون منطقی منطبق بر گیت‌ها، الکترون‌ها می‌توانند به طور پیوسته از یک گیت به گیت بعدی برسند. به عبارتی چنین برداشت می‌شود که اعمال یا در نظر گرفتن یک حالت پایان برای ترانزیستورها در عمل غیر ممکن است.

 نکته‌ی قابل توجه خبر اخیر شاید در این باشد که شرکت هایی مانند اینتل در حال حاضر به طور رسمی اعلام کرده‌اند که در حال انجام آزمایش‌ها و بررسی‌هایی روی مواد گوناگون به منظور ساخت ترانزیستورهای ۷ نانو متری و کوچک‌تر از آن هستند. اکنون پژوهشگران آزمایشگاه برکلی با استفاده از نانولوله‌های کربنی و دی‌سولفید مولیبدن (MoS2) موفق به ایجاد یک ترانزیستور زیر ۷ نانومتر شده‌اند. در این ترانزیستورها، MoS2 در نقش نیمه‌رسانا و نانولوله‌های توخالی کربن نیز به عنوان گیت‌هایی برای کنترل جریان الکترون‌ها عمل می‌کنند.

 البته باید اشاره کنیم که این تحقیق هنوز در مراحل بسیار اولیه قرار دارد. در مقیاس ۱۴ نانومتر، یک بخش منفرد می‌تواند دارای بیش از یک میلیارد ترانزیستور باشد و از سویی تیم آزمایشگاه برکلی باید راه قابل اطمینانی را برای تولید انبوه ترانزیستورهای ۱ نانومتری خود توسعه دهند؛ حتی باید تراشه‌هایی نیر برای استفاده از آنها توسعه داده شود. اما در هر صورت، طرح اخیر در جایگاه یک طرح مفهومی نیر دارای اهمیت زیادی است و دستاورهای آن هم بسیار مهم هستند. ماده‌های جدیدی که استفاده شده‌اند، حتی می‌توانند باعث تولید سایزهای کوچک‌تری از ترانزیستورها نیز شوند و به افزایش توان و بازده در کامپیوترهای آینده منتهی شوند.

سيم پيچ ها داراي ابعاد و اشكال مختلفي هستند ولي مي توان آنها را به دو دسته كلي تقسيم كرد:

الف- سيم پيچ بدون هسته (با هسته هوا)
ب- سيم پيچ با هسته فلزي يا فريت.
در سيم پيچ بدون هسته سيم را روي لوله هاي عايق مانند مقوا يا پلاستيك مي پيچند. اين لوله ها كه قرقره نام دارند فقط براي حفظ و نگهداري سيم پيچ مورد استفاده قرار مي گيرند. سلف هاي با خود القايي زياد اگر بدون هسته ساخته شوند ابعاد آنها بزرگ مي شود.
بنابراين بهتر است آن ها را با هسته فلزي بسازند. در اين مورد هسته مناسب بخصوص در الكترونيك فريت ها هستند. پيچيدن سيم روي هسته معمولا به صورت يك لايه و دو لايه انجام مي گيرد.

شناخت و آموزش انواع ترانزیستور:

ترانزیستور هم در مدارات الکترونیک آنالوگ و هم در مدارات الکترونیک دیجیتال کاربردهای بسیار وسیعی دارد. در آنالوگ می‌توان از آن به عنوان تقویت کننده یا تنظیم کننده ولتاژ (رگولاتور) استفاده کرد. کاربرد ترانزیستور در الکترونیک دیجیتال شامل مواردی مانند پیاده سازی مدار منطقی، حافظه، سوئیچ کردن میباشد.

عملکرد ترانزیستور و تعریف ترانزیستور در الکترونیک:

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، جریان‌ها و ولتاژهای لازم را برای آن فراهم کرد و یا اصطلاحاً آن را بایاس کرد.

انواع ترانزیستور در الکترونیک:

دو دسته مهم از ترانزیستورها BJT (ترانزیستور دوقطبی پیوندی) (Bypolar Junction Transistors) و FET (ترانزیستور اثر میدان) (Field Effect Transistors) هستند. ترانزیستورهای اثر میدان یا FET ها نیز خود به دو دسته ی ترانزیستور اثر میدان پیوندی (JFET) و MOSFETها (Metal Oxide SemiConductor Field Effect Transistor) تقسیم می‌شوند.

ترانزیستور دوقطبی پیوندی

در ترانزیستور دو قطبی پیوندی با اعمال یک جریان به پایه بیس جریان عبوری از دو پایه کلکتور و امیتر کنترل می‌شود. ترانزیستورهای دوقطبی پیوندی در دونوع 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.

ترانزیستور اثر میدان پیوندی(JFET)

در ترانزیستورهای JFET) Junction Field Effect Transistors) در اثر میدان، با اعمال یک ولتاژ به پایه گیت میزان جریان عبوری از دو پایه سورس و درین کنترل می‌شود. ترانزیستور اثر میدانی بر دو قسم است: 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 ترانزستورها شامل "فعال" و "اشباع" و "ترایود" است این ترانزیستورها تقریباً هیچ استفاده‌ای ندارند چون جریان دهی آنها محدود است و به سختی مجتمع می‌شوند.

انواع ترانزیستور پیوندی و تعریف آن

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 قطعه ی pnp می‌توان 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 صرفاً دیود امیتر و دیود سمت راست را دیود کلکتور _ بیس یا دیود کلکتور می‌نامیم. 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 می‌گردد.
امیتر که به شدت 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 می‌دهد. میزان آلایش کلکتور کمتر از میزان آلایش شدید امیتر و بیشتر از آلایش ضعیف بیس است و کلکتور الکترونها را از بیس جمع‌ آوری می‌کند.

بازسازی اولین ترانزیستور جهان

طرز کار ترانزیستور پیوندی طرز کار ترانزیستور را با استفاده از نوع npn مورد بررسی قرار می‌دهیم. طرز کار pnp هم دقیقا مشابه npn خواهد بود، به شرط اینکه الکترونها و حفره‌ها با یکدیگر عوض شوند. در نوع npn به علت تغذیه مستقیم دیود امیتر ناحیه تهی کم عرض می‌شود، در نتیجه حاملهای اکثریت یعنی الکترونها از ماده n به ماده p هجوم می‌آورند. حال اگر دیود بیس _ کلکتور را به حالت معکوس تغذیه نمائیم، دیود کلکتور به علت بایاس معکوس عریض‌تر می‌شود.
الکترونهای جاری شده به ناحیه p در دو جهت جاری می‌شوند، بخشی از آنها از پیوندگاه کلکتور عبور کرده، به ناحیه کلکتور می‌رسند و تعدادی از آنها با حفره‌های بیس باز ترکیب شده و به عنوان الکترونهای ظرفیت به سوی پایه خارجی بیس روانه می‌شوند، این مولفه بسیار کوچک است.

روش و کاربرد اتصال ترازیستورها

اتصال بیس مشترک در این اتصال پایه بیس بین هر دو بخش ورودی و خروجی مدار مشترک است. جهت های انتخابی برای جریان شاخه‌ها جهت قرار دادی جریان در همان جهت حفره‌ها می‌شود.
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 می‌باشد.
اتصال کلکتور مشترک اتصال کلکتور مشترک برای تطبیق امپدانس در مدار بکار می‌رود، 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 می‌شود.

آموزش عملکرد ترانزیستور اثر میدان MOS

این ترانزیستورها نیز مانند Jfet ها عمل می‌کنند با این تفاوت که جریان ورودی گیت آنها صفر است. همچنین رابطه جریان با ولتاژ نیز متفاوت است. این ترانزیستورها دارای دو نوع PMOS و NMOS هستند که فناوری استفاده از دو نوع آن در یک مدار تکنولوژی CMOS نام دارد. این ترانزیستورها امروزه بسیار کاربرد دارند زیرا براحتی مجتمع می‌شوند و فضای کمتری اشغال می‌کنند. همچنین مصرف توان بسیار ناچیزی دارند.
به تکنولوژی‌هایی که از دو نوع ترانزیستورهای دوقطبی و Mosfet در آن واحد استفاده می‌کنند Bicmos می‌گویند. البته نقطه کار این ترانزیستورها نسبت به دما حساس است و تغییر می‌کند.

آموزش ساختار و طرز کار ترانزیستور اثر میدانی | فت

ترانزیستور اثر میدانی (فت): FET همانگونه که از نام این المان مشخص است، پایه کنترلی آن جریانی مصرف نمی کند و تنها با اعامل ولتاژ و ایجاد میدان درون نیمه هادی، جریان عبوری از FET کنترل می شود. به همین دلیل ورودی این مدار هیچ گونه اثر بارگذاری بر روی طبقات تقویت قبلی نمی گذارد و امپدانس بسیار بالایی دارد.
فت دارای سه پایه با نهامهای درِین D - سورس S و گیت G است که پایه گیت، جریان عبوری از درین به سورس را کنترل می نماید. فت ها دارای دو نوع N کانال و P کانال هستند. در فت نوع N کانال زمانی که گیت نسبت به سورس مثبت باشد جریان از درین به سورس عبور می کند. FET ها معمولاً بسیار حساس بوده و حتی با الکتریسیته ساکن بدن نیز تحریک می گردند. به همین دلیل نسبت به نویز بسیار حساس هستند.
نوع دیگر ترانزیستورهای اثر میدانی MOSFET ها هستند (ترانزیستور اثر میدانی اکسید فلزی نیمه هادی | Metal-Oxide Semiconductor Field Efect Transistor) یکی از اساسی ترین مزیت های ماسفت ها نویز کمتر آنها در مدار است.
فت ها در ساخت فرستنده باند اف ام رادیو نیز کاربرد فراوانی دارند. برای تست کردن فت کانال N با مالتی متر، نخست پایه گیت را پیدا می کنیم. یعنی پایه ای که نسبت به دو پایه دیگر در یک جهت مقداری رسانایی دارد و در جهت دیگر مقاومت آن بی نهایت است. معمولاً مقاومت بین پایه درین و گیت از مقاومت پایه درین و سورس بیشتر است که از این طریق می توان پایه درین را از سورس تشخیص داد.