نحوه ساخت و کارکرد ترانزیستور

ترانزیستور از چه چیزی ساخته شده است؟
ترانزیستورها از نیمه هادی های ساخته شده اند و براساس ویژگی های آن ها کار می کنند. نیمه هادی ماده ای است که هادی خالص (مانند سیم مسی) نیست، از طرفی عایق (مانند هوا) هم نیست.

رسانایی (اجازه به برقراری جریان الکترون) یک نیمه هادی به متغیرهایی مانند دما یا وجود الکترون های کمتر و بیشتر بستگی دارد.

در اینجا کمی عمیق تر وارد ساختار ترانزیستور می شویم. البته نگران نباشید، نمی خواهیم خیلی عمیق به فیزیک آن بپردازیم.

ترانزیستورها به نوعی توسعه ای از یکی دیگر از قطعات نیمه هادی، به نام دیود هستند. به نوعی ترانزیستورها چیزی جز دو دیود نیستند که کاتدها (یا آندهای) آن ها به هم پیوند خورده است. شکل زیر این موضوع را به خوبی نشان می دهد.

اتصال دیود بیس به امیتر در اینجا مهم است و باید با جهت پیکان روی نماد ترانزیستور مطابقت داشته باشد. جهت پیکان جهت جریان گذرنده از ترانزیستور را نشان می دهد.

نمایش دیودی ترانزیستور نقطه خوبی برای آشنایی با آن است، اما خیلی دقیق نیست. درک خود از عملکرد ترانزیستور را بر اساس این مدل دیودی قرار ندهید (و اصلاً سعی نکنید که آن را روی برد بورد پیاده سازی کنید، زیرا کار نمی کند).

موارد زیادی در سطح فیزیک کوانتوم وجود دارد که کنش متقابل بین سه ترمینال را کنترل می کنند.

در واقع، این مدل زمانی مفید خواهد بود که تست ترانزیستور لازم باشد. با استفاده از گزینه تست دیود (یا مقاومت) روی یک مولتی متر، می توانید ترمینال های BE و BC را تست و وجود دیودها را بررسی کنید.

ترانزیستورها با قرار گرفتن سه لایه مختلف از مواد نیمه هادی در کنار هم ساخته می شوند. بعضی از این لایه ها الکترون های اضافی به آن ها افزوده شده اند (فرایندی به نام دوپینگ یا ناخالص سازی یا آلاییدن)، و بعضی دیگر الکترون هایشان حذف شده اند.

در واقع، این مواد با حفره ها (عدم وجود الکترون ها) آلاییده شده اند. به یک ماده نیمه هادی با الکترون اضافی نیمه هادی نوع n و به ماده ای که الکترون از آن خارج شده نیمه هادی نوع p گفته می شود.

n حرف ابتدای واژه negative به معنی منفی است و به این دلیل استفاده می شود که بار الکترون منفی است. دلیل استفاده از p نیز مثبت یا positive بودن بار به دلیل وجود حفره است.

ترانزیستورها با قرار گرفتن ماده نیمه هادی n در دو طرف نیمه هادی p یا برعکس ساخته می شوند. شکل زیر ساختار ساده یک ترانزیستور NPN را نشان می دهد.

ترانزیستور چگونه کار می کند؟
الکترون ها به شرط آنکه اندکی نیرو (ولتاژ) برای حرکت داشته باشند، به راحتی می توانند از ناحیه n به ناحیه p منتقل شوند.

اما برقراری جریان از ناحیه p به ناحیه n واقعاً سخت است (به ولتاژ زیادی نیاز دارد). نکته خاص در مورد ترانزیستور که مدل دو دیودی ما را ناتوان می کند، این واقعیت است که در صورت بایاس مستقیم پیوند بیس-امیتر، الکترون ها می توانند به راحتی از بیس نوع p به کلکتور نوع n منتقل شوند.

بایاس مستقیم بیس-امیتر یعنی اینکه ولتاژ بیس نسبت به ولتاژ امیتر بزرگ تر است.

ترانزیستور NPN برای گذر الکترون از امیتر به کلکتور طراحی شده است (بنابراین جهت قراردادی جریان از کلکتور به امیتر است).

امیتر الکترون هایی را به بیس می فرستد (emit می کند). بیس تعداد الکترون های گسیل شده را کنترل می کند. اکثر الکترون های گسیل شده توسط کلکتور جمع یا collect می شوند و سپس در مدار گردش می کنند.

ترانزیستور PNP به روشی مشابه، اما برعکس کار می کند. در این ترانزیستور، باز هم بیس جریان را کنترل می کند، اما این جریان در جهت مخالف، یعنی از امیتر به کلکتور، برقرار است.

این بار، امیتر به جای الکترون ها، حفره ها را گسیل می دهد که توسط کلکتور جمع می شوند.

ترانزیستور به نوعی مانند یک شیر الکترون است. بیس مانند سرِ شیر است که می توانید آن را تنظیم کنید تا الکترون ها بیشتر یا کمتر از امیتر به کلکتور منتقل شوند. این تشبیه را در ادامه بیشتر بررسی می کنیم.