معرفی انواع ترانزیستور ها و کاربردشان

این آموزش راهنمای کاملی در مورد ترانزیستورها و انواع آن ارائه می دهد که به مبتدیان کمک می کند تا به راحتی مفهوم این قطعه را درک کنند. در صورتی که زمان خواندن مقاله را ندارید، می توانید ویدیو زیر را ببینید:

ترانزیستور یکی از اجزای مهم در وسایل الکترونیکی ست که روی برد الکترونیکی جای می گیرد. کارآموزانی که در دوره های آموزش تعمیرات برد و آموزش طراحی برد  شرکت می کنند، نه تنها با این قطعه بلکه با سایر اجزای مهم برد الکترونیکی آشنا می شوند. برای دریافت جزئیات در مورد برگزاری دوره با شماره 02166577378 تماس بگیرید.

از دیرباز، لوله های خلاء با ترانزیستورها جایگزین شده اند، زیرا ترانزیستورها مزایای بیشتری نسبت به لوله های خلاء دارند. ترانزیستورها ابعاد کوچکی دارند و برای کار به انرژی کمی نیاز دارند و همچنین اتلاف توان کمی دارند. ترانزیستور یکی از اجزای فعال مهم است (وسیله ای که می تواند سیگنال خروجی قدرت بالاتری نسبت به سیگنال ورودی تولید کند).

علاوه بر این، ترانزیستور یک جزء ضروری تقریباً در هر مدار الکترونیکی است مانند: تقویت کننده ها، سوئیچینگ ها، نوسانگرها، تنظیم کننده های ولتاژ، منابع تغذیه و مهمتر از همه، آی سی های منطق دیجیتال. از زمان اختراع اولین ترانزیستور تا به امروز، ترانزیستورها بسته به ساختار یا عملکردشان به انواع مختلفی طبقه بندی می شوند.

ترانزیستور چیست؟

ترانزیستور یک وسیله نیمه هادی سه ترمینال است که سیگنال های الکترونیکی مانند سیگنال های رادیویی و تلویزیونی را تقویت می کند. قبل از اینکه ترانزیستورها به وجود بیایند، از لوله های خلاء برای تقویت سیگنال های الکترونیکی استفاده می شد. اما امروزه لوله های خلاء به دلیل مزایای مختلف ترانزیستورها، با ترانزیستور جایگزین شده اند. همانگونه که گفته شد، ترانزیستور یک دستگاه سه ترمینال است. این سه ترمینال به شرح زیر هستند:

• بیس: وظیفه فعال کردن ترانزیستور را بر عهده دارد.
• کلکتور: پایه مثبت است.
• امیتر: پایه منفی است.

ایده اصلی پشت ترانزیستور این است که به شما امکان می دهد جریان جریان را از طریق یک کانال با تغییر شدت جریان بسیار کوچکتری که از کانال دوم می گذرد کنترل کنید.

کاربردهای ترانزیستور

ترانزیستور یک وسیله نیمه هادی است و از آن برای تنظیم جریان یا ولتاژ تغذیه استفاده می شود. می توان از آن به عنوان سوئیچ در مدارهای الکتریکی و همچنین به عنوان تقویت کننده استفاده کرد. بنابراین در اینجا ما کاربردهای اصلی ترانزیستور را برای شما بیان می کنیم.

1. ترانزیستورها در مدارهای دیجیتال و آنالوگ به عنوان سوئیچ استفاده می شوند.
2. استفاده در دستگاه های تقویت کننده سیگنال
3. تلفن های همراه یکی از پرکاربردترین کاربردهای ترانزیستورها خواهد بود. هر تلفن همراه از یک تقویت کننده ترانزیستوری استفاده می کند.
4. استفاده در رگولاتور و کنترل کننده قدرت
5. در الکترونیک مدرن IC تقریباً در هر برنامه الکترونیکی استفاده می شود. از ترانزیستورها در ساخت برخی از مدارهای مجتمع (IC) استفاده می شود.
6. ریزپردازنده شامل بیش از میلیارد ترانزیستور در هر تراشه است.
7. ترانزیستورها تقریباً در هر وسیله الکترونیکی از اجاق گاز گرفته تا کامپیوتر و نوسان ساز تا هواپیما استفاده می شوند.
8. در ماشین حساب ها، کامپیوترها، رادیوها و همچنین شنود تلفن ها، هر وسیله ای که نیاز به کیفیت صدای خوب دارد (چون ترانزیستور اغلب در مدارهای تقویت کننده استفاده می شود)
9. ارتش از توانایی های فرکانس رادیویی پرقدرت ترانزیستور RF در رادار و رادیوهای دو طرفه دستی استفاده کرد.
10. جفت ترانزیستور دارلینگتون اغلب در دستگاه های حسگر لمسی و نور استفاده می شود.
11. تشعشع – ترانزیستور سخت شده اغلب در ماهواره و دیگر برنامه های هوافضا استفاده می شود.

مزایای ترانزیستور

قبلاً از لوله های خلاء برای همان کاربردها استفاده می شد، اما پس از اختراع ترانزیستور، ترانزیستور تقریباً در تمام کاربردهای الکترونیک قدرت کوچک جای می گرفت. به دلیل حضور ترانزیستور، اندازه آی سی ها کاهش یافت. ترانزیستور دارای مزایای مختصر زیر برای استفاده در برخی کاربردهای عملی است:

• اندازه کوچکتر، بنابراین فضای کمتری در دستگاه مورد نیاز است
• بهره ولتاژ بالا
• برای کار کردن به ولتاژ تغذیه پایین نیاز دارید
• بدون مشکل گرمایش در حین کار
• دستگاه حالت جامد، بنابراین آنها از نظر مکانیکی بسیار قوی هستند.
• با استفاده از ترانزیستور در آی سی، اندازه آی سی تولید شده به قدری کوچک است که به راحتی قابل حمل است.
• مصرف برق کم
• کم هزینه
• راندمان بالاتر
• ترانزیستورها سبک تر از لوله های خلاء هستند

معایب ترانزیستورها

• نسبت به لوله های خلاء تحمل کمتری در برابر اضافه بار و افزایش ولتاژ دارد.
• تعمیر و نگهداری بسیار دشوار است.
• تعویض ترانزیستور مشکل است.

انواع ترانزیستور

• ترانزیستورهای پیوندی یا اتصالی (BJT)
• ترانزیستور NPN
• ترانزیستور PNP
• ترانزیستور اثر میدانی (FET)
• ترانزیستور اثر میدان پیوندی JFET
• Channel N-JFET
• P-JFET Channel
• ماسفت (MOSFET)
• ماسفت N-Channel
• ماسفت P-Channel

طبقه بندی ترانزیستورها را می توان به راحتی با مشاهده نمودار درختی زیر فهمید. ترانزیستورها اساساً به دو نوع طبقه بندی می شوند. آن ها عبارتند از: ترانزیستورهای پیوند دوقطبی (BJT) و ترانزیستورهای اثر میدانی (FET). BJT ها دوباره به ترانزیستورهای NPN و PNP طبقه بندی می شوند. ترانزیستورهای FET نیز به JFET و MOSFET طبقه بندی می شوند.

ترانزیستورهای Junction FET بسته به ساختارشان به دو دسته N-Channel JFET و P-Channel JFET طبقه بندی می شوند. ماسفت ها به دو دسته Depletion Mode و Enhancement Mode طبقه بندی می شوند. باز هم، ترانزیستورهای حالت تخلیه (Depletion) و بهبود (Enhancement) بیشتر به کانال N و P مربوطه طبقه بندی می شوند.

همانطور که قبلا ذکر شد، در مقیاس وسیع تر، خانواده اصلی ترانزیستورها BJT و FET هستند. صرف نظر از خانواده ای که به آن تعلق دارند، همه ترانزیستورها دارای آرایش مناسب و خاصی از مواد نیمه هادی مختلف هستند. مواد نیمه هادی که معمولاً برای ساخت ترانزیستور استفاده می شود عبارتند از سیلیکون، ژرمانیوم و گالیم-آرسنید.

اساساً ترانزیستورها بسته به ساختارشان طبقه بندی می شوند. هر نوع ترانزیستور دارای ویژگی ها، مزایا و معایب خاص خود است. از نظر فیزیکی و ساختاری، تفاوت بین BJT و FET در این است که در BJT هر دو حامل شارژ اکثریت و اقلیت نیاز به کار دارند، در حالی که در مورد FET ها فقط حامل های شارژ اکثریت مورد نیاز است.

برخی از ترانزیستورها بر اساس خصوصیات خود عمدتاً برای هدف سوئیچینگ (MOSFET) و از طرف دیگر برخی ترانزیستورها برای اهداف تقویتی (BJT) استفاده می شوند. برخی از ترانزیستورها نیز هم برای تقویت و هم برای اهداف سوئیچینگ طراحی شده اند.

ترانزیستورهای پیوندی یا اتصالی (BJT)

ترانزیستورهای پیوندی به طور کلی ترانزیستور پیوند دوقطبی (BJT) نامیده می شوند. اصطلاح Bipolar به معنای هر دو الکترون و حفره برای هدایت جریان است و اصطلاح Junction به معنی پیوند PN (در واقع دو پیوند) است.

BJT ها دارای سه ترمینال به نام های امیتر (E)، بیس (B) و کلکتور (C) هستند. ترانزیستورهای BJT بسته به ساختار به ترانزیستورهای NPN و PNP طبقه بندی می شوند.

BJT ها اساساً دستگاه های کنترل شده با جریان هستند. اگر جریان کمی از پایه یک ترانزیستور BJT عبور کند، جریان زیادی از امیتر به کلکتور ایجاد می کند. ترانزیستورهای اتصال دوقطبی امپدانس ورودی پایینی دارند و باعث می شود جریان زیادی از ترانزیستور عبور کند. ترانزیستورهای اتصال دوقطبی فقط با جریان ورودی که به ترمینال بیس داده می شود روشن می شوند. BJT ها می توانند در سه منطقه فعالیت کنند. این نواحی عبارتند از:

• ناحیه قطع: در اینجا ترانزیستور در حالت خاموش است، یعنی جریان عبوری از ترانزیستور صفر است. در اصل یک سوئیچ باز است.
• ناحیه فعال: در اینجا ترانزیستور به عنوان یک تقویت کننده عمل می کند.
• ناحیه اشباع: در اینجا ترانزیستور در حالت کاملا روشن است و همچنین به عنوان یک سوئیچ بسته عمل می کند.

ترانزیستور NPN

NPN یکی از دو نوع ترانزیستور اتصال دو قطبی (BJT) است. ترانزیستور NPN از دو ماده نیمه هادی نوع n تشکیل شده است و آنها توسط یک لایه نازک از نیمه هادی نوع p از هم جدا می شوند. در اینجا، اکثر حامل های بار الکترون ها هستند در حالی که حفره ها حامل های بار اقلیت هستند. جریان الکترون ها از امیتر به کلکتور توسط جریان جاری شده در ترمینال پایه کنترل می شود.

مقدار کمی جریان در ترمینال بیس باعث می شود مقدار زیادی جریان از امیتر به کلکتور جریان یابد. امروزه ترانزیستور دو قطبی پرکاربردترین ترانزیستور NPN است، زیرا تحرک الکترون ها بیشتر از تحرک حفره ها است. معادله استاندارد برای جریان های جاری در ترانزیستور به صورت زیر است:

I _E = I _B + I _C

نمادها و ساختار ترانزیستورهای NPN در زیر آورده شده است.

ترانزیستور PNP

PNP نوع دیگری از ترانزیستورهای اتصال دوقطبی(BJT) است. ترانزیستورهای PNP حاوی دو ماده نیمه هادی نوع p هستند و توسط یک لایه نازک از نیمه هادی نوع n از هم جدا می شوند. اکثر حامل های بار در ترانزیستورهای PNP حفره ها هستند در حالی که الکترون ها حامل های بار اقلیت هستند.

فلش در ترمینال امیتر ترانزیستور جریان جریان معمولی را نشان می دهد. در ترانزیستور PNP، جریان از امیتر به کلکتور جریان دارد. ترانزیستور PNP زمانی روشن است که ترمینال بیس نسبت به امیتر پایین کشیده شود. نماد و ساختار ترانزیستور PNP در زیر نشان داده شده است.

ترانزیستور اثر میدانی (FET)

ترانزیستور اثر میدانی (FET) یکی دیگر از انواع اصلی ترانزیستور است. اساسا FET همچنین دارای سه ترمینال مانند (BJT) است. این سه ترمینال عبارتند از: گیت (G)، درین (D) و سورس (S). ترانزیستورهای اثر میدانی به ترانزیستورهای اثر میدان اتصالی (JFET) و ترانزیستورهای اثر میدانی گیت عایق (IG-FET) یا ترانزیستورهای اثر میدانی نیمه هادی اکسید فلزی (MOSFET) طبقه بندی می شوند.

برای اتصالات در مدار یک ترمینال چهارم به نام بیس یا زیر لایه را نیز در نظر می گیریم. FET ها روی اندازه و شکل یک کانال بین سورس و درین کنترل دارند که توسط ولتاژ اعمال شده در گیت ایجاد می شود. لازم به ذکر است که، ترانزیستورهای اثر میدانی دستگاه های تک قطبی هستند، زیرا برای کار کردن فقط به حامل های شارژ اکثریت نیاز دارند (برخلاف BJT که ترانزیستورهای دوقطبی هستند).

ترانزیستور اثر میدان پیوندی JFET

ترانزیستور اثر میدان پیوندی (JFET) اولین و ساده ترین نوع ترانزیستور اثر میدانی است. JFET ها به عنوان کلید، تقویت کننده و مقاومت استفاده می شوند. این ترانزیستور یک دستگاه کنترل ولتاژ است. همچنین نیازی به جریان بایاس ندارد. ولتاژ اعمال شده بین گیت و سورس، جریان الکتریکی بین سورس و درین ترانزیستور را کنترل می کند. ترانزیستورهای JFET در دو نوع N-Channel و P-Channel موجود هستند.

Channel N-JFET

در N-JFET Channel، جریان جاری شده به دلیل الکترون ها است. هنگامی که ولتاژ بین گیت و سورس اعمال می شود، یک کانال بین سورس و درین برای جاری شدن جریان تشکیل می شود. این کانال، N–Channel نام دارد. امروزه JFET های N-Channel نسبت به JFET کانال P یا به عبارت دیگر P-Channel ترجیح داده می شوند. نمادهای ترانزیستور JFET کانال N در زیر آورده شده است.

P-JFET Channel

در این نوع JFET، جاری شدن جریان به دلیل حفره است. کانال بین سورس و درین، کانال P نامیده می شود. نمادهای JFET های کانال P در زیر آورده شده است. در اینجا، علامت های فلش جهت جریان جریان را نشان می دهد.

ماسفت (MOSFET)

ترانزیستور اثر میدان نیمه هادی اکسید فلز (MOSFET) متداول ترین و محبوب ترین نوع در بین تمام ترانزیستورها است. نام «اکسید فلز» نشان می دهد که ناحیه گیت و کانال توسط یک لایه نازک از اکسید فلز که معمولاً (SiO2) است از هم جدا شده اند. از این رو، ماسفت به عنوان FET گیت عایق نیز شناخته می شود زیرا ناحیه گیت کاملاً از منطقه سورس – درین عایق شده است. یک ترمینال اضافی به نام زیر لایه یا بدنه وجود دارد که نیمه هادی اصلی (سیلیکون) است که FET در آن ساخته می شود. بنابراین، ماسفت دارای چهار پایانه درین، سورس، گیت و بدنه یا بستر (زیر لایه) است.

ماسفت مزایای زیادی نسبت به BJT و JFET دارد، عمدتا امپدانس ورودی بالا و امپدانس خروجی کم را ارائه می دهد. در مدارهای سوئیچینگ و قدرت استفاده می شود و جزء اصلی در فناوری های طراحی مدار مجتمع است.

ماسفت N-Channel

ماسفت که دارای ناحیه N کانال بین سورس و درین است، ماسفت کانال N نامیده می شود. در اینجا، ترمینال های سورس و گیت به شدت با مواد نوع n که در یک ماده نیمه هادی نوع p بسیار اضافی (زیر لایه) قرار دارند، اضافه شده اند. جاری شدن جریان بین سورس و درین به دلیل الکترون است. ولتاژ گیت، جاری شدن جریان در مدار را کنترل می کند. ماسفت N-Channel بیشتر از ماسفت کانال P استفاده می شود زیرا تحرک الکترون ها بیشتر از تحرک حفره ها است.

نمادها و ساختارهای ترانزیستورهای ماسفت N-Channel در زیر آورده شده است (هر دو حالت افزایش و کاهش). ترانزیستورهای ماسفت در انواع کاهشی و افزایشی موجود هستند. علاوه بر این، انواع کاهشی و افزایشی به انواع N-Channel و P-Channel طبقه بندی می شوند.

ماسفت P-Channel

ماسفتی که دارای ناحیه P-Channel بین سورس و درین است، ماسفت P-Channel نامیده می شود. در اینجا، ترمینال های سورس و درین به شدت با مواد نوع P و بستر با مواد نوع N دوپ شده است. جاری شدن جریان بین سورس و درین به دلیل غلظت حفره ها است. در واقع ولتاژ اعمال شده در گیت، جاری شدن جریان را در ناحیه کانال کنترل می کند.

نمادها و ساختارهای ترانزیستورهای MOSFET کانال P در زیر آورده شده است (هر دو حالت افزایشی و کاهشی).

انواع ترانزیستورها بر اساس کاربرد

ترانزیستورها نیز بسته به کاربردی که دارند، طبقه بندی می شوند. انواع مختلف ترانزیستورها بر اساس عملکرد آنها در زیر توضیح داده شده است.

ترانزیستورهای سیگنال کوچک

عملکرد اصلی ترانزیستورهای سیگنال کوچک تقویت سیگنال های کوچک است اما گاهی اوقات از این ترانزیستورها برای سوئیچینگ نیز استفاده می شود. ترانزیستورهای سیگنال کوچک به شکل ترانزیستورهای NPN و PNP در بازار موجود هستند. معمولاً مقداری روی بدنه ترانزیستور سیگنال کوچک چاپ می شود که نشان دهنده hFE ترانزیستور است.

بسته به این مقدار hFE، می توانیم ظرفیت ترانزیستور برای تقویت سیگنال را درک کنیم. مقادیر رایج hFE در محدوده 10 تا 500 است. مقدار جریان کلکتور این ترانزیستورها 80 تا 600 میلی آمپر است. این نوع ترانزیستورها با محدوده فرکانسی 1 تا 300 مگاهرتز کار می کنند. نام ترانزیستور، خود نشان می دهد که این ترانزیستورها سیگنال های کوچکی را تقویت می کنند که از ولتاژها و جریان های کوچک مانند چند میلی ولت و میلی آمپر جریان استفاده می کنند.

ترانزیستورهای سیگنال کوچک تقریباً در همه انواع تجهیزات الکترونیکی استفاده می شوند و همچنین از این ترانزیستورها در چندین کاربرد مختلف استفاده می شود، برخی از آن ها کلیدهای روشن یا خاموش برای استفاده عمومی، درایور دیود LED، درایور رله، عملکرد قطع صدا، مدارهای تایمر، دیود مادون قرمز، تقویت کننده، مدارهای تغذیه بایاس و غیره هستند.

ترانزیستورهای سوئیچینگ کوچک

ترانزیستورهای سوئیچینگ کوچک ترانزیستورهایی هستند که عمدتاً برای سوئیچینگ و گاهی اوقات برای تقویت استفاده می شوند. مانند ترانزیستورهای سیگنال کوچک، ترانزیستورهای سوئیچینگ کوچک نیز به شکل NPN و PNP موجود هستند و این نوع ترانزیستورها دارای مقادیر hFE نیز هستند.

محدوده مقدار hFE برای این ترانزیستورها از 10 تا 200 است. در مقدار 200 hFE ، ترانزیستورها تقویت کننده های خوبی نیستند اما به عنوان سوئیچ، بهتر عمل می کنند. مقادیر جریان کلکتور از 10 تا 1000 میلی آمپر متغیر است. این ترانزیستورها بیشتر در کاربردهای سوئیچینگ استفاده می شوند.

ترانزیستورهای قدرت

ترانزیستورهایی که در تقویت کننده ها و منابع تغذیه پرقدرت استفاده می شوند ترانزیستورهای قدرت نامیده می شوند. ترمینال کلکتور این ترانزیستور به پایه یک دستگاه فلزی متصل است و این ساختار به عنوان هیت سینک عمل می کند که نیروی اضافی را برای کاربردها تلف می کند.

این نوع ترانزیستورها در قالب ترانزیستورهای NPN، PNP و دارلینگتون موجود می باشند. در اینجا، مقادیر جریان کلکتور از 1 تا 100 آمپر متغیر است. محدوده فرکانس کاری از 1 تا 100 مگاهرتز است. مقادیر توان این ترانزیستورها بین 10 تا 300 وات است. نام ترانزیستور خود نشان می دهد که ترانزیستورهای قدرت در کاربردهایی استفاده می شوند که به توان بالا، ولتاژ بالا و جریان بالا نیاز است.

ترانزیستورهای فرکانس بالا

ترانزیستورهای فرکانس بالا برای سیگنال های کوچکی که در فرکانس های بالا کار می کنند استفاده می شوند و در برنامه های سوئیچینگ با سرعت بالا استفاده می شوند. ترانزیستورهای فرکانس بالا را ترانزیستور RF نیز می نامند.

حداکثر فرکانس این ترانزیستورها حدود 2000 مگاهرتز است. مقدار جریان کلکتور (IC) بین 10 تا 600 میلی آمپر است. این نوع ترانزیستورها به صورت NPN و PNP نیز موجود هستند. این ترانزیستورها عمدتاً در کاربردهای سیگنال های فرکانس بالا استفاده می شوند و همچنین باید فقط در سرعت های بالا روشن یا خاموش باشند. این ترانزیستورها در مدارهای نوسان ساز و تقویت کننده HF، VHF، UHF، CATV و MATV استفاده می شوند.

فوتو ترانزیستور

فوتو ترانزیستورها، ترانزیستورهایی هستند که بسته به نور کار می کنند، یعنی این ترانزیستورها به نور حساس هستند. یک فوتو ترانزیستور ساده چیزی نیست جز یک ترانزیستور دوقطبی که به جای ترمینال بیس، دارای ناحیه حساس به نور است.

فوتو ترانزیستورها به جای 3 ترمینال( در BJT) فقط 2 ترمینال دارند. هنگامی که ناحیه حساس به نور تاریک است، در ترانزیستور جریانی جریان ندارد، یعنی ترانزیستور در حالت خاموش است.

هنگامی که ناحیه حساس به نور در معرض نور قرار می گیرد، مقدار کمی جریان در ترمینال بیس ایجاد می شود و باعث می شود جریان زیادی از کلکتور به امیتر جریان یابد. فوتو ترانزیستورها در هر دو نوع ترانزیستور BJT و FET موجود هستند. این ها به عنوان photo-BJT و photo-FET نامیده می شوند.

برخلاف photo-BJT ها، photo-FET ها با استفاده از نور، ولتاژ گیت تولید می کنند که جریان بین پایانه های درین و سورس را کنترل می کند. Photo-FET ها نسبت به photo-BJT ها به نور حساس تر هستند. نمادهای photo-BJT و photo-FET در بالا نشان داده شده است.

ترانزیستورهای پیوندی (UJT)

ترانزیستورهای پیوندی (UJT) فقط به عنوان کلیدهای کنترل شده الکتریکی استفاده می شوند. این ترانزیستورها به دلیل طراحیشان هیچ ویژگی تقویتی ندارند. این ها عموماً سه ترانزیستور سربی هستند که در آنها دو ترمینال بیس و سومی امیتر نامیده می شوند.

حالا بیایید عملکرد ترانزیستور تک پیوندی را ببینیم. اگر تفاوت پتانسیل بین امیتر و هر یک از پایانه های سورس (B1) یا (B2) وجود نداشته باشد، مقدار کمی جریان بین B1 و B2 جریان می یابد.

اگر مقدار کافی ولتاژ به ترمینال امیتر اعمال شود، جریان بالایی در ترمینال امیتر ایجاد می شود و جریان کمی بین B1 و B2 اضافه می شود که سپس باعث ایجاد جریان بزرگی در ترانزیستور می شود. در اینجا جریان امیتر، جریان اولیه سورس برای کنترل جریان کل در ترانزیستور است. جریان بین پایانه های B1 و B2 بسیار کم است و به همین دلیل این ترانزیستورها برای تقویت مناسب نیستند.

پایتخت فناوری مجتمع فنی حرفه ای

پایتخت فناوری یک آموزشگاه فنی حرفه ای است که دوره های آموزشی از جمله آموزش کابینت سازی، آموزش تعمیرات لوازم خانگی، آموزش تعمیرات ایسیو و… را با 30 درصد تخفیف ثبت نام می کند.