انواع ترانزیستور و کاربردهای آن

مقدمه

ترانزیستور یکی از مهم‌ترین اختراعات قرن بیستم به شمار می‌رود و سنگ بنای الکترونیک مدرن است. این قطعه‌ی نیمه‌رسانا که در سال 1947 در آزمایشگاه‌های بل اختراع شد، توانست جایگزین لامپ‌های خلاء حجیم و پرمصرف شود و انقلابی در طراحی و ساخت مدارهای الکترونیکی ایجاد کند. ترانزیستورها در طیف وسیعی از دستگاه‌ها و سیستم‌ها، از رایانه‌های قدرتمند و تلفن‌های هوشمند گرفته تا لوازم خانگی و سیستم‌های کنترل صنعتی، نقش حیاتی ایفا می‌کنند. عملکرد اصلی ترانزیستور، کنترل جریان الکتریکی بین دو پایانه با استفاده از جریان یا ولتاژ اعمال شده به پایانه سوم است. این ویژگی، ترانزیستورها را قادر می‌سازد تا به عنوان تقویت‌کننده سیگنال، کلید الکترونیکی و بسیاری کاربردهای دیگر عمل کنند.

ترانزیستورها بر اساس ساختار فیزیکی و نحوه عملکردشان به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند که هر کدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند. در این مقاله به بررسی مفصل انواع اصلی ترانزیستورها و کاربردهای گسترده آن‌ها خواهیم پرداخت.

انواع اصلی ترانزیستور

به طور کلی، ترانزیستورها به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

1. ترانزیستورهای دوقطبی پیوندی (Bipolar Junction Transistors – BJTs)
2. ترانزیستورهای اثر میدانی (Field–Effect Transistors – FETs)

1. ترانزیستورهای دوقطبی پیوندی (BJTs):

ترانزیستورهای دوقطبی پیوندی از سه لایه نیمه‌رسانای نوع P و N تشکیل شده‌اند که به صورت متوالی قرار گرفته‌اند. این ساختار دو پیوند PN ایجاد می‌کند. BJTs دارای سه پایانه به نام‌های کلکتور (Collector)، بیس (Base) و امیتر (Emitter) هستند. جریان در این نوع ترانزیستور توسط هر دو نوع حامل بار، یعنی الکترون‌ها و حفره‌ها، هدایت می‌شود.

BJTs به دو نوع اصلی تقسیم می‌شوند:

• ترانزیستورهای NPN: در این نوع ترانزیستور، یک لایه نیمه‌رسانای نوع P بین دو لایه نیمه‌رسانای نوع N قرار می‌گیرد. جریان اصلی بین کلکتور (N) و امیتر (N) برقرار می‌شود و جریان کوچکی که به بیس (P) اعمال می‌شود، این جریان اصلی را کنترل می‌کند.
• ترانزیستورهای PNP: در این نوع ترانزیستور، یک لایه نیمه‌رسانای نوع N بین دو لایه نیمه‌رسانای نوع P قرار می‌گیرد. جریان اصلی بین کلکتور (P) و امیتر (P) برقرار می‌شود و جریان کوچکی که از بیس (N) خارج می‌شود، این جریان اصلی را کنترل می‌کند.

کاربردهای ترانزیستورهای دوقطبی پیوندی (BJTs):

BJTs به دلیل توانایی تقویت جریان و ولتاژ، در کاربردهای متنوعی مورد استفاده قرار می‌گیرند، از جمله:

• تقویت‌کننده‌ها: BJTs به طور گسترده در مدارهای تقویت‌کننده صدا، سیگنال‌های رادیویی و سایر سیگنال‌های الکترونیکی استفاده می‌شوند. آن‌ها می‌توانند سیگنال‌های ضعیف را تقویت کرده و آن‌ها را برای استفاده در مراحل بعدی مدار آماده کنند.
• کلیدهای الکترونیکی: BJTs می‌توانند به عنوان کلیدهای بسیار سریع برای قطع و وصل جریان الکتریکی عمل کنند. این ویژگی آن‌ها را برای استفاده در مدارهای منطقی دیجیتال، کنترل موتورها و سایر کاربردهای سوئیچینگ مناسب می‌سازد.
• نوسان‌سازها: BJTs در طراحی مدارهای نوسان‌ساز برای تولید سیگنال‌های دوره‌ای با فرکانس‌های مختلف کاربرد دارند. این مدارها در تولید امواج رادیویی، سیگنال‌های ساعت در مدارهای دیجیتال و غیره استفاده می‌شوند.
• تنظیم‌کننده‌های ولتاژ: BJTs در مدارهای تنظیم‌کننده ولتاژ برای حفظ ولتاژ خروجی در یک سطح ثابت، صرف نظر از تغییرات ولتاژ ورودی یا بار، استفاده می‌شوند.

2. ترانزیستورهای اثر میدانی (FETs):

ترانزیستورهای اثر میدانی از یک کانال نیمه‌رسانا تشکیل شده‌اند که جریان از آن عبور می‌کند. جریان در این کانال توسط یک میدان الکتریکی که از طریق پایانه سوم به نام گیت (Gate) اعمال می‌شود، کنترل می‌شود. در FETs، جریان عمدتاً توسط یک نوع حامل بار (الکترون‌ها یا حفره‌ها) هدایت می‌شود، به همین دلیل به آن‌ها ترانزیستورهای تک‌قطبی نیز گفته می‌شود.

FETs به دو نوع اصلی تقسیم می‌شوند:

• ترانزیستورهای اثر میدانی پیوندی (Junction Field–Effect Transistors – JFETs)
• ترانزیستورهای اثر میدانی با گیت عایق‌شده (Insulated–Gate Field–Effect Transistors – IGFETs) یا MOSFETs (Metal–Oxide–Semiconductor Field-¨C49C ¨C50C)

الف) ترانزیستورهای اثر میدانی پیوندی (JFETs):

JFETs از یک کانال نیمه‌رسانای نوع N یا P تشکیل شده‌اند که توسط یک ناحیه با قطبیت مخالف احاطه شده است. پیوند PN بین گیت و کانال، ناحیه تخلیه ایجاد می‌کند. با تغییر ولتاژ اعمال شده به گیت، عرض ناحیه تخلیه تغییر می‌کند و در نتیجه، مقاومت کانال و جریان عبوری از آن کنترل می‌شود.

JFETs نیز به دو نوع تقسیم می‌شوند:

• JFETهای کانال N: در این نوع JFET، کانال از نیمه‌رسانای نوع N تشکیل شده و گیت از نیمه‌رسانای نوع P ساخته می‌شود.
• JFETهای کانال P: در این نوع JFET، کانال از نیمه‌رسانای نوع P تشکیل شده و گیت از نیمه‌رسانای نوع N ساخته می‌شود.

کاربردهای ترانزیستورهای اثر میدانی پیوندی (JFETs):

JFETs به دلیل امپدانس ورودی بالا و نویز کم، در کاربردهای خاصی مورد استفاده قرار می‌گیرند، از جمله:

• تقویت‌کننده‌های ورودی با امپدانس بالا: JFETs به دلیل امپدانس ورودی بسیار بالا، برای تقویت سیگنال‌های ضعیف از منابع با امپدانس بالا مناسب هستند.
• کلیدهای آنالوگ: JFETs می‌توانند به عنوان کلیدهای آنالوگ با مقاومت روشن پایین و مقاومت خاموش بالا عمل کنند.
• میکسرهای فرکانسی: JFETs در مدارهای میکسر برای ترکیب سیگنال‌های با فرکانس‌های مختلف استفاده می‌شوند.

ب) ترانزیستورهای اثر میدانی با گیت عایق‌شده (IGFETs) یا MOSFETs:

MOSFETs پرکاربردترین نوع ترانزیستورهای اثر میدانی هستند. در این نوع ترانزیستور، یک لایه نازک از اکسید فلزی (معمولاً اکسید سیلیسیم) بین گیت فلزی و کانال نیمه‌رسانا قرار دارد. این لایه اکسید به عنوان یک عایق عمل می‌کند و امپدانس ورودی بسیار بالایی را فراهم می‌کند.

MOSFETs به دو نوع اصلی تقسیم می‌شوند:

• MOSFETهای نوع افزایشی (Enhancement–mode MOSFETs): در این نوع MOSFET، در حالت ولتاژ گیت صفر، کانالی برای عبور جریان وجود ندارد. با اعمال ولتاژ مناسب به گیت، یک کانال در نیمه‌رسانا ایجاد شده و جریان شروع به عبور می‌کند.
  • NMOS (N–channel MOSFET): کانال از الکترون‌ها تشکیل می‌شود و ولتاژ مثبت به گیت اعمال می‌شود تا کانال ایجاد شود.
  • PMOS (P–channel MOSFET): کانال از حفره‌ها تشکیل می‌شود و ولتاژ منفی به گیت اعمال می‌شود تا کانال ایجاد شود.
• MOSFETهای نوع کاهشی (Depletion–mode MOSFETs): در این نوع MOSFET، حتی در حالت ولتاژ گیت صفر نیز یک کانال برای عبور جریان وجود دارد. با اعمال ولتاژ مناسب با قطبیت مخالف به گیت، عرض کانال کاهش یافته و جریان عبوری کم می‌شود.
  • N–channel Depletion MOSFET: دارای کانال N در حالت عادی است و با اعمال ولتاژ منفی به گیت، جریان کاهش می‌یابد.
  • P–channel Depletion MOSFET: دارای کانال P در حالت عادی است و با اعمال ولتاژ مثبت به گیت، جریان کاهش می‌یابد.

کاربردهای ترانزیستورهای اثر میدانی با گیت عایق‌شده (MOSFETs):

MOSFETs به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود، از جمله امپدانس ورودی بسیار بالا، سرعت سوئیچینگ بالا و مصرف توان کم، در طیف وسیعی از کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرند، از جمله:

• مدارهای منطقی دیجیتال: MOSFETs بلوک‌های سازنده اصلی مدارهای منطقی دیجیتال مانند گیت‌های منطقی (AND، OR، NOT و غیره) و حافظه‌ها (RAM، ROM و غیره) در ریزپردازنده‌ها، میکروکنترلرها و سایر مدارهای مجتمع هستند.
• کلیدهای قدرت: MOSFETs به دلیل توانایی تحمل جریان و ولتاژ بالا و سرعت سوئیچینگ سریع، به طور گسترده در مدارهای منبع تغذیه سوئیچینگ، درایورهای موتور و سایر کاربردهای کنترل قدرت استفاده می‌شوند.
• تقویت‌کننده‌های سیگنال: MOSFETs می‌توانند در مدارهای تقویت‌کننده صدا و سیگنال با کیفیت بالا به کار روند.
• حافظه‌های کامپیوتر: سلول‌های حافظه در حافظه‌های DRAM و Flash بر اساس ساختار MOSFET طراحی شده‌اند.
• نمایشگرهای LCD و LED: MOSFETs در مدارهای کنترل پیکسل‌ها در نمایشگرهای LCD و LED استفاده می‌شوند.

مقایسه BJTs و FETs:

در جدول زیر به برخی از تفاوت‌های کلیدی بین ترانزیستورهای دوقطبی پیوندی (BJTs) و ترانزیستورهای اثر میدانی (FETs) اشاره شده است:

ویژگی	ترانزیستور دوقطبی پیوندی (BJT)	ترانزیستور اثر میدانی (FET)
نوع حامل بار	الکترون‌ها و حفره‌ها	الکترون‌ها یا حفره‌ها
کنترل جریان	جریان ورودی به بیس	ولتاژ ورودی به گیت
امپدانس ورودی	نسبتاً پایین	بسیار بالا
بهره جریان	بالا	نسبتاً پایین
سرعت سوئیچینگ	متوسط	بالا (به خصوص MOSFETs)
حساسیت به دما	بیشتر	کمتر
کاربردها	تقویت‌کننده‌ها، کلیدها، نوسان‌سازها	کلیدها، تقویت‌کننده‌ها، مدارهای دیجیتال

سایر انواع ترانزیستور

علاوه بر انواع اصلی ذکر شده، ترانزیستورهای تخصصی دیگری نیز وجود دارند که برای کاربردهای خاص طراحی شده‌اند، از جمله:

• ترانزیستورهای تک‌پیوندی (Unijunction Transistors – UJTs): UJTs دارای سه پایانه هستند و بیشتر به عنوان عناصر سوئیچینگ و تولید پالس استفاده می‌شوند.
• ترانزیستورهای دوپایه‌ای (Diode Transistors): این نوع ترانزیستورها در واقع دیودهای خاصی هستند که می‌توانند به عنوان ترانزیستور در مدارهای خاص عمل کنند.
• ترانزیستورهای اثر میدانی با گیت فلزی-نیمه‌رسانا (Metal–Semiconductor Field–Effect Transistors – MESFETs): MESFETs در فرکانس‌های بالا کاربرد دارند و در مدارهای مایکروویو و ارتباطات بی‌سیم استفاده می‌شوند.
• ترانزیستورهای دوقطبی با گیت عایق‌شده (Insulated–Gate Bipolar Transistors – IGBTs): IGBTs ترکیبی از ویژگی‌های BJTs و MOSFETs را ارائه می‌دهند و در کاربردهای قدرت بالا مانند کنترل موتورها و اینورترها استفاده می‌شوند.
• ترانزیستورهای لایه نازک (Thin–Film Transistors – TFTs): TFTs در ساخت نمایشگرهای LCD و OLED و همچنین در کاربردهای الکترونیک انعطاف‌پذیر استفاده می‌شوند.

کاربردهای عمومی ترانزیستورها

همانطور که در بخش‌های قبلی اشاره شد، ترانزیستورها در طیف بسیار گسترده‌ای از کاربردها در مدارهای الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. برخی از کاربردهای عمومی آن‌ها عبارتند از:

• تقویت سیگنال: ترانزیستورها می‌توانند سیگنال‌های الکتریکی ضعیف را تقویت کرده و آن‌ها را برای استفاده در مراحل بعدی مدار آماده کنند. این کاربرد در تقویت‌کننده‌های صوتی، تصویری و رادیویی بسیار رایج است.
• سوئیچینگ: ترانزیستورها می‌توانند به عنوان کلیدهای الکترونیکی بسیار سریع برای قطع و وصل جریان الکتریکی عمل کنند. این ویژگی در مدارهای منطقی دیجیتال، کنترل موتورها و سیستم‌های قدرت کاربرد دارد.
• نوسان‌سازی: ترانزیستورها در مدارهای نوسان‌ساز برای تولید سیگنال‌های دوره‌ای با فرکانس‌های مختلف استفاده می‌شوند. این مدارها در تولید امواج رادیویی، سیگنال‌های ساعت در مدارهای دیجیتال و غیره کاربرد دارند.
• تنظیم ولتاژ: ترانزیستورها در مدارهای تنظیم‌کننده ولتاژ برای حفظ ولتاژ خروجی در یک سطح ثابت استفاده می‌شوند.
• مدولاسیون و دمدولاسیون: ترانزیستورها در مدارهای مدولاسیون برای ترکیب سیگنال اطلاعات با یک سیگنال حامل و در مدارهای دمدولاسیون برای جداسازی سیگنال اطلاعات از سیگنال حامل استفاده می‌شوند. این کاربرد در سیستم‌های ارتباطی بسیار مهم است.
• حسگرها و منابع جریان ثابت: ترانزیستورها می‌توانند در طراحی حسگرهای مختلف و همچنین منابع جریان ثابت با دقت بالا مورد استفاده قرار گیرند.

نتیجه‌گیری

ترانزیستورها به عنوان اجزای اساسی در الکترونیک مدرن، نقش بی‌بدیلی در توسعه فناوری ایفا کرده‌اند. تنوع انواع ترانزیستورها و کاربردهای گسترده آن‌ها، امکان طراحی و ساخت مدارهای الکترونیکی پیچیده و کارآمد را فراهم کرده است. از تقویت سیگنال‌های ضعیف گرفته تا کنترل توان در سیستم‌های بزرگ، ترانزیستورها در قلب بسیاری از دستگاه‌ها و سیستم‌هایی که روزانه از آن‌ها استفاده می‌کنیم، قرار دارند. با پیشرفت‌های مداوم در فناوری نیمه‌رسانا، انتظار می‌رود که ترانزیستورها همچنان نقش کلیدی خود را در آینده الکترونیک حفظ کرده و امکانات جدیدی را در اختیار مهندسان و طراحان قرار دهند.