ترانزیستور

تاریخچه ترانزیستور

⁠تا قبل از 1947 در طراحی و اجرای مدارات الکترونیک از لامپ‌های خلاء برای قطع و وصل جریان استفاده می‌شد. در واقع لامپ‌های خلا با داشتن ویژگی یک‌طرفه کردن مسیر جریان عملکردی مشابه دیودهای امروزی داشته‌اند و باعث بوجود آمدن و گسترش وسایلی مانند رادیو، تلویزیون و کامپیوتر شدند. این لامپ‌ها حجم زیادی را اشغال می‌کردند و همچنین اتلاف گرمای بسیاری داشتند به‌ طوری که در کامپیوترها با قرار گرفتن هزاران عدد لامپ خلاء در کنار هم دمای جهنم شبیه‌سازی می‌شد. در 23 دسامبر 1947 در آزمایشگاه‌های بل، ویلیام شاکلی، جان باردین و والتر براتین موفق به ساخت اولین نمونه ترانزیستورهای امروزی شدند.
با جایگزینی ترانزیستورها تحول و انقلابی بزرگ در طراحی مدارهای آنالوگ و دیجیتال پدید آمد و می‌توان گفت ترانزیستورها المان اصلی در در تمامی مدارها و دستگاه‌ها و تجهیزات الکترونیکی در تمامی حوزه‌ها و بدین ترتیب مهم‌ترین اختراع قرن بیستم هستند. ‍‍ ترانزیستور قطعه الکترونیکی ساخته شده از نیم‌رساناهایی مانند سیلسیوم و ژرمانیوم است و پایه و اساس تمام فناوری‌های مدرن است. ساختار ترانزیستور دارای 3 پایه است که بسته به نوع ترانزیستور Base, Collector, Emitter یا Gate, Drain, Source نامیده می‌شوند و در انواع و کاربردهای مختلفی ساخته می‌شود. . از ترانزیستورها می‌توان برای تولید وطراحی منطق 0 و 1 دیجیتال استفاده کرد، همچنین تقویت سیگنال‌ها، حذف نویز، سوییچ زنی و کنترل دقیق جریان برق از کاربردهای موثر ترانزیستورهاست.

سیر تحول ترانزیستور

دهه 1950 میلادی 
گسترش و تولید ترانزیستور دوقطبی موسوم به BJT 

دهه 1960 میلادی
ترانزیستورهای  FET(FIELD EFFECT TRANSISTOR) یا ترانزیستورهای اثر میدان و MOSFETها ساخته شدند.

دهه 1970 میلادی
ساخت آی‌سی ها که به تولید ریزپزدازنده یا میکروپروسسور انجامید و در نهایت باعث توسع کامپیوترهای خانگی و شخصی شد.

دهه 1980 تا 2000 میلادی
ساخت میکروپروسسورهایی با میلیون‌ها ترانزیستور

سال 2010 تاکنون
عرصه ظهور نانوترانزیستورها و ترانزیستورهای سه بعدی FINFET و پیشرفت روند توسعه ترانزیستورهای گرافنی و نانولوله کربنی

معرفی انواع ترانزیستورهای رایج و موجود در بازار

• ترانزیستور دوقطبی BJT
• ترانزیستورهای اثر میدان یا FET ها
• ترانزیستورهای قدرت IGBT
• ترانزیستورهای نوری PHOTO/OPTO TRANSISTOR
• ترانزیستورهای پیوندی UJT
• ترانزیستورهای GAN و HEMT
• ترانزیستور شاتکی SCHOTTKY TRANSISTOR
• DIFFIUSION TRANSISTOR

در ادامه به معرفی و بررسی اصلی‌ترین انواع ترانزیستور خواهیم پرداخت

ترانزیستورهای اتصال دوقطبی (BJT)

ترانزیستور دوقطبی از ابتدایی‌ترین و قدیمی‌ترین ترانزیستور است. تزانزیستور دوقطبی با نماد BJT(Bipolar Junction Transistor) پرکاربردترین ترانزیستور در طراحی مدارهای الکترونیک است و بیشتر برای طراحی مدارات آنالوگ مورد استفاده قرار می‌گیرد. ترانزیستور BJT دارای 3 پایه بیسBASE، امیتر EMITTER و کلکتور COLLECTOR است. پایه بیس جریان را کنترل میکند، امیتر انتشار دهنده و کلکتور جمع‌کننده حمل کننده های بار است. حامل های بار الکتریکی در ترانزیستور یا الکترونها هستند یا حفره ها. ترانزیستور دوقطبی در دو نوع NPN  یا PNP تولید می‌شود. در ترانزیستورهای NPN جهت حرکت جریان از کلکتور به امیتر و در نوع PNP از امیتر به کلکتور است. جریان پایینی به بیس وارد میشود و در مسیر امیتر-کلکتور بسیار تقویت میشود و این ویژگی باعث میشود تا از BJTها در آمپلی فایرها و تقویت کننده‌ها استفاده شود.

ترانزیستورهای اثر میدان  FET (Field Effect Transistor)

ترانزیستورهای اثر میدان یا FET انواع مختلفی دارند از جمله JFET و MOSFET که پرکاربردترین نمونه‌های این دسته بندی هستند و از انواع دیگر ترانزیستورهای میدان میتوان از ITFET، TFET، OFET، FREDFET هم نام برد. ترانزیستورهای میدان برخلاف ترانزیستورهای دوقطبی با ولتاژ کنترل میشوند. ترانزیستورهای FET دارای 3 پایه درین، سورس و گیت هستند. گیت در فت ها مانند بیس در ترانزیستور دو قطبی عمل میکند ولی بجای دریافت جریان، ولتاژ دریافت میکند و جریان در مسیر درین-سورس جاری می‌شود.

JFET(JUNCTION FET) :

در این نوع ترانزیستور اثرمیدان با اعمال ولتاژ به گیت جریان از درین به سورس اعمال میشود. JFET ها برای طراحی مدارهای حساس و کم نویز مناسب هستند.

MOSFET (Metal–Oxide–Semiconductor FET):

معروفترین و کاربردی‌ترین نوع FET ماسفت ها هستند که در دو نوع “Enhancement” و “Depletion” ارائه میشوند. MOSFETها ترانزیستورهایی بسیار مناسب و استاندارد برای صنعت طراحی دیجیتال، قدرت و پاور و سیگنال سریع هستند.

ITFET (Inverted-T Field-Effect Transistor):

در این نوع از ترانزیستور اثر میدان ساختار گیت  Tشکل وارونه است و موجب عملکرد بهبودیافته می‌شود.

FREDFET (Fast-Reverse Epitaxial Diode Field-Effect Transistor):

 ترانزیستور میدان FREDFET سرعت سوئیچینگ بالایی دارد و بخصوص که زمان بازیابی معکوس آن کم است.

TFET (Tunnel Field-Effect Transistor):

تی‌فت یا ترانزیستور اثر میدان تونلی در مدارهای توان پایین مورد استفاده قرار می‌گیرد.

OFET (Organic Field-Effect Transistor):

ترانزیستور اثر میدان آلی یا ارگانیک برای ساخت مانیتورها و لوازم الکترونیکی منعطف گزینه مناسبی است.

کاربردهای صنعتی و عمومی ترانزیستورهای اثر میدان

• طراحی درایورهای موتور
• رگولاتورهای ولتاژ
• تقویت‌کننده‌های رادیویی RF و فرکانس بالا
• سوئیچینگ در منابع تغذیه سوییچینگ (SMPS)
• مدارات دیجیتال در ICها و میکروکنترلرها

تفاوت‌های ترانزیستورهای اثر میدان FET با ترانزیستور BJT

• BJT وابسته به راه‌اندازی از طریق جریان در بیس است ولی FET وابسته به ولتاژ گیت.
• BJT ها سرعت سوئیچینگ پایین‌تری نسبت به FET  دارند.
• طراحی مدار با FET ساده‌ترولی در عین حال گران‌تر است.
   

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

یا ترانزیستور دوقطبی با گیت ایزوله شده ترکیبی از ساختار ترانزیستور پیوندی BJT و کنترل ولتاژی ترانزیستورهای اثر میدان FET استو ترانزیستور دوگانه برای قدرت های بالا نامیده می‌شود. آی جی بی تی ها در مدارها و تجهیزات قدرت و جریان بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند علاوه براینکه سوئیچینگ بسیار سریعی دارند به همین علت در اینورترها، درایور موتورهای صنعتی و منابع تغذیه پرقدرت مورد استفاده قرار می‌گیرد. 

(UJT (Uni-Junction Transistor :

 این نوع ترانزیستور ساختار ساده‌ای دارد و برای ایجاد پالس و یا ولتاژ تحریک مدارها مورد استفاده قرار می‌گیرد و در مدارهای تایمر و شمارنده، مولد پالس و اسیلاتورها و نوسان‌سازها کاربرد و استفاده دارد. ساختار یو جی تی از یک بیس و دو امیترتشکیل شده است و عملکرد آن بر اساس ایجاد پالس‌های کنترلی است. UJTها بر خلاف ترانزیستورهای BJT و FET به طور خاص و ویژه برای سوئیچینگ استفاده می‌شوند و قابلیت تقویت جریان و ولتاژ ندارند.

Opto-Transistor یا ترانزیستور نوری:

ترانزیستور نوری در ساختار خود از دیود نوری تشکیل شده است و با برخورد نور به قسمت حساس به نور شروع به واکنش و تحریک شدن میکند و به این دلیل در ساختار سنسورها، گیرنده‌های نوری و مدارهای ایزوله کننده سیگنال، ریموت کنترل‌ها و دوربین‌های دیجیتال پرکاربرد است. ترانزیستور نوری به علت اینکه برای عملکرد نیاز به تحریک الکتریکی و جریان ندارد از نظر ایزولاسیون رتبه خیلی خوبی به دست می‌آورد. ترانزیستورهای نوری میتوانند سیگنال‌های نوری را تقویت کنند و به جریان الکتریکی تبدیل کنند.

ترانزیستور GaN و HEMT :

 ترانزیستورهایی با استفاده از مواد پیشرفته مثل گالیم نیترید GaN و HEMT در فرکانس های بسیار بالا، رادارها و تجهیزات فضایی و مخابراتی 5G استفاده می‌شوند. این تزانزیستورهای پیشرفته نسبت به انواع سیلیکونی سرعت بالاتری دارد و در عین حال بعلت مقاومت پایین‌تر عملکرد و کارایی بالاتری دارند و به همین علت گرانتر هستند. 

TFT (Thin-Film Transistor) ترانزیستور فیلم نازک :

مورد استفاده در سنسورها و نمایشگرهای مسطح

HEMT (High Electron Mobility Transistor):

ترانزیستور تحرک الکترونی بالا برای عملکرد با سرعت بالا و نویز کم استفاده می‌شود.

Schottky Transistor:

ترانزیستور شاتکی در محل پیوند بیس-کلکتور از سد شاتکی برای بهبود سرعت سوئیچینگ استفاده می‌کند.

Diffusion Transistor:

از پیوند نفوذی نیمه‌هادی جهت تقویت استفاده می‌کند.