ما هو الترانزستور وكيف يعمل وما تركيبه

لقد أحدث اكتشاف الترانزستور في العام 1948 ثورة صناعية هائلة في العالم وما يزال في تطور إلى الآن، يُستخدم الترانزستور في كل الأجهزة التي نستخدمها كل يوم، بدءًا من الهاتف الذي تتصفح فيه هذا المقال، إلى أجهزة الكمبيوتر والألعاب، والأقمار الصناعية والمركبات الفضائية. ولا يكاد يخلو جهاز من الترانزستورات، ولا يمكن تصور عالم متقدم كما هو عليه الآن بدون هذه القطعة الصغيرة التي تسمى ترانزستور.

تعريف الترانزستور

الترانزستور (بالإنجليزية: Transistor) هو عنصر إلكتروني مصنوع من مواد شبه موصلة مثل السيلكون أو الجرمانيوم وله ثلاثة أطراف ويصنع إما بشكل منفرد أو يمكن أن يكون ضمن ملايين الترانزستورات في المعالجات الدقيقة والدوائر المتكاملة. وكلمة Transistor مشتقة من الكلمتين Transfer Resistor بمعنى تحويل المقاومة.

وتستخدم الترانزستورات كمكبرات للتيار والجهد والقدرة وكذلك تستخدم في الدوائر الإلكترونية كمفاتيح عالية السرعة، ويوجد نوعين رئيسيان من الترانزستورات وهما الترانزستور ثنائي القطبية وترانزستور تأثير المجال. في هذا المقال سيتم شرح الترانزستور على أبسط أنواعه وهو ترانزستور ثنائي القطبية، وبعدها يمكنك فهم بقية الأنواع بسهولة.

تركيب الترانزستور

يتكون الترانزستور من ثلاث طبقات من أشباه الموصلات مثل السيلكون أو الجرمانيوم المطعمة، وهي الباعث، والمجمع، والقاعدة.

التطعيم (doping) في الإلكترونيات يعني إضافة شوائب من مادة معينة إلى مادة أخرى من أشباه الموصلات بحيث تعمل على تغيير خصائصها.

حيث أن ذرة كُلًا من السيلكون أو الجرمانيوم رباعية التكافؤ أي يوجد أربعة إلكترونات في مدارها الخارجي، لذلك يضاف للسيلكون أو للجرمانيوم مادة ثلاثية التكافؤ مثل البورون فأننا نحصل على مادة بها كمية من الفجوات الموجبة وتسمى المادة في هذه الحالة (P-Type)، أما إذا أضيفت مادة خماسية التكافؤ مثل الفسفور إلى مادة السيلكون أو الجرمانيوم فنحصل على مادة بها كمية كبيرة من الإلكترونات السالبة وتسمى المادة في هذه الحالة (N-Type) وعلى هذا الأساس يوجد نوعين من الترانزستورات هما: NPN و PNP.

إذًا؛ يتكون الترانزستور من ثلاث طبقات هي: الباعث، والمجمع، والقاعدة، ويحتوي على وصلتين موجب – سالب pn. الوصلة pn التي تربط منطقة القاعدة ومنطقة الباعث تسمى وصلة القاعدة-الباعث ( Base-Emitter Junction) والوصلة التي تربط منطقة القاعدة ومنطقة المجمع  تسمى وصلة القاعدة-المجمع (Base-Collector Junction). كما هو مبين في الشكل التالي:

الباعث (Emitter (E: هو المصدر الذي ينبعث منه تيار الإلكترونات سالبة الشحنة، إذا كان من النوع (N) أو تيار الفجوات موجبة الشحنة أذا كان من النوع (p)، وهو أكبر من القاعدة وأصغر من المجمع، ولكنه يتميز بأنه الأكثر تركيزاً لحاملات الشحنة،

القاعدة Base (B): هي الجزء الذي بواسطته يمكن أن نتحكم في تيار الباعث، وتُصنع القاعدة من مادة مخالفة لنوع مادة الباعث والمجمع، فمثلًا إذا كانت القاعدة من النوع P، يكون المجمع والباعث من النوع N، والعكس صحيح، وتقع القاعدة بين طبقتي المجمع والباعث، وهي أصغر الطبقات حجماً وأقلها تركيزاً لحاملات الشحنة.

المجمع (Collector (c: هو مصدر تجميع تيار الإلكترونات التي تأتى معظمها من الباعث، إذا كان من النوع (N) أو الفجوات أذا كان من النوع (P)، وهو الطبقة الأكبر حجمًا لأن عليه ان يبدد الحرارة أكثر مما يبدده الباعث او القاعدة، وتركيز حاملات الشحنة فيه متوسط.

رمز الترانزستور

يُرمز للترانزستور بثلاثة أطراف يحيط بها دائرة، ويوجد سهم يحدد نوع الترانزستور فإذا كان متجه إلى الخارج فهذا يعني أن الترانزستور من نوع NPN، وفي حالة كان السهم متجه للداخل فهذا يعني أنه ترانزستور PNP.

ويكون السهم موضوعًا على طرف الباعث ولاتجاه السهم هذا أهمية خاصة، حيث أنه يشير الى اتجاه تيار الباعث، وبالتالي فإن الفرق بين الرمزين هو في اتجاه السهم، أو بعبارة أخرى أن تيار الباعث في النوع NPN يخرج من الباعث بينما يتدفق تيار القاعدة وتيار المجمع الى داخل الترانزستور، أما في حالة الترانزستور من نوع PNP فإن تيار الباعث يتدفق إلى داخل الترانزستور في حين يخرج من الترانزستور  كلً من تياري القاعدة والمجمع، كما هو موضح في الصورة السابقة.

كيف يعمل الترانزستور؟

يعمل الترانزستور ثنائي القطبية بصفة أساسية كمكبر، ولجعله يعمل بشكل مناسب

لكي يعمل الترانزستور لابد من عمل الانحياز المناسب لكل من وصلتيه بجهد مستمر خارجي، ويجب أن تكون القاعدة مع الباعث في حالة انحياز أمامي (Bias Forward)، وأن تكون القاعدة مع المجمع ( Base Junction Emitter) في حالة انحياز عكسي (Bias Reverse) لوصلة القاعدة – المجمع ( Base. من الجدير بالذكر أن حالة الانحياز الأمامي والعكسي للوصلتين مشابه لعمل الدايود،

الإنحياز الامامي: يعني توصيل طرف المصدر الموجب مع الطبقة الموجبة P للترانزستور، والقطب السالب مع الطبقة السالبة N.

الإنحياز العكسي يعني توصيل الطرف الموجب للمصدر مع الطبقة السالبة N للترانزستور، وتوصيل الطرف السالب للمصدر مع الطبقة الموجبة P.

تحتوي منطقة الباعث ذات نسبة التطعيم العالية عددًا كبيرًا من الإلكترونات وفي حالة تطبيق فرق جهد عليها يعمل هذا على دفع عددًا من الالكترونات الحرة للتحرك نحو القاعدة ولكن كما سبق القول فإن سمك القاعدة صغير للغاية ونسبة التطعيم أيضًا صغيرة، لذا فإن نسبة صغيرة (حوالي 2%) منها تندمج مع الفجوات في القاعدة و تكون تيار القاعدة. أما معظم الالكترونات فتفضل أن تنجذب نحو منطقة المجمع بتأثير المجال الكهربائي المتكون من قوة التجاذب بين الأيونات السالبة والموجبة، نتيجة الانحياز العكسي لوصلة القاعدة والمجمع، وتتحرك الإلكترونات خلال منطقة المجمع خارجة خلال المجمع إلى الطرف الموجب لمصدر الجهد للمجمع مشكلة لتيار المجمع.

منحى خصائص الخرج للترانزستور

يبين منحنى خصائص الخرج للترانزستور ( Output characteristic curve) العلاقة بين تيار الخرج وجهد الدخل عند قيم محددة لتيار الدخل.

يمكن تقسيم منحنى خواص الخرج إلى ثلاث مناطق عمل كما هو موضح في الشكل التالي:

المنطقة الفعالة (Active Region): في هذه المنطقة تكون وصلة القاعدة والباعث منحازة انحيازًا أماميًا ووصلة المجمع والقاعدة منحازة انحيازًا عكسيًا. وأي تغير بسيط في تيار القاعدة يؤدي إلى تغيير كبير في تياري الباعث والمجمع وهذا يسمح باستخدام الترانزستور كمكبر للإشارات الكهربائية.

منطقة القطع (Cut-Off Region): في هذه المنطقة تكون وصلتا القاعدة والباعث والمجمع والقاعدة منحازتين انحيازًا عكسيًا. عند نقصان تيار القاعدة بشكل كبير جدًا وقد يصل إلى الصفر فإن المقاومة بين المجمع والباعث تصبح عالية جدًا (تقريبا إلى مالا نهاية) وتيار المجمع يساوي صفرًا تقريبًا، وفي هذه المنطقة يمكن تمثيل الترانزستور على انه مفتاح مفتوح، بحيث يكون في حالة قطع (off).

منطقة التشبع (Saturation Region): وفي هذه المنطقة تكون وصلتا القاعدة- الباعث والمجمع-القاعدة منحازتين انحيازًا أماميًا، عند الإستمرار في زيادة تيار القاعدة فإن ذلك يؤدي إلى نقصان قيمة المقاومة بين المجمع والباعث وتصبح صغيرة جدًا (تقريبًا صفرًا) وتيار المجمع أكبر ما يكون ويسمى تيار التشبع، وفي هذه المنطقة يمكن تمثيل الترانزستور على أنه مفتاح مغلق، بحيث يكون في حالة توصيل (on).

معاملات الترانزستور

معامل كسب التيار بيتا (β): ويمثل حاصل قسمة تيار المجمع على تيار القاعدة، وتتراوح قيمته بين 20 إلى 200 (حسب نوع الترانزستور).
معامل كسب التيار ألفا (α): ويمثل حاصل قسمة تيار المجمع على تيار الباعث وتتراوح قيمته بين 0.9 إلى 0.95 (حسب نوع الترانزستور).

طرق توصيل الترانزستور

كما تعلم وكما ذكرتُ سابقًا أن للترانزستور ثلاثة أطراف هي القاعدة ( Base ) والباعث و المجمع. ويمكن تقسيم دائرة الترانزستور إلى جزئيين هما دائرة الدخل وهو الجزء الذي يتم فيه التحكم بالتيار المار في الوصلة بين الباعث والقاعدة، ودائرة الخرج وهو الجزء الذي يمر فيه تيار الحمل، وهذا التيار عادة هو التيار الذي يمر في الوصلة بين المجمع والقاعدة.

ولأن أي طرف من أطراف الترانزستور الثلاثة يمكن أن يكون مشتركًا بين دائرتي الدخل والخرج، لذا يمكن ربط الترانزستور بواحدة من الدوائر الثلاث التالية: القاعدة المشتركة، والباعث المشترك، والمجمع المشترك.

دائرة القاعدة المشتركة (Common-baseconfiguration ): في هذه الدائرة تكون القاعدة هي الطرف المشترك بين المدخل (input) والمخرج (output) وذلك كما هو مبين في الشكل التالي.

لاحظ أن التيار الداخل هو تيار الباعث وفولتية الدخل هي الفولتية بين القاعدة والباعث، وتيار الخرج هو تيار المجمع. وفولتية الخرج هي الفولتية بين المجمع (C)والقاعدة.

دائرة الباعث المشترك (Common-Emitter configuration): في هذه الدائرة يكون الباعث هو الطرف المشترك بين المدخل والمخرج، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي:

لاحظ أن التيار الداخل هو تيار القاعدة وفولتية الدخل هي الفولتية بين القاعدة والباعث، وتيار الخرج هو تيار المجمع، وفولتية الخرج هي الفولتية بين المجمع والباعث..

دائرة المجمع المشترك (Common-collector configuration): في هذه الدائرة يكون المجمع (C) هو الطرف المشترك بين المدخل والمخرج، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي:

لاحظ أن التيار الداخل هو تيار القاعدة وفولتية الدخل هي الفولتية بين القاعدة والمجمع، وتيار الخرج هو تيار الباعث: وفولتية الخرج هي الفولتية بين الباعث والمجمع.

أنواع الترانزستور

الترانزستورات ثنائية القطبية

وهي أبسط أنواع الترانزستور ويتركب الترانزستور ثنائي القطبية من ثلاث مناطق من شبه الموصل المطعمة تسمى بالباعث والقاعدة والمجمع، ويوجد نوعان من الترانزستور ثنائي القطبية هما npn و pnp.

اقرأ أيضًا: الفرق بين ترانزستور NPN و ترانزستور PNP

ترانزستور تأثير المجال

تتكون ترانزستورات تأثير المجال من ثلاث طبقات هي البوابة والمصدر والمصرف أو المصب، وتنقسم إلى نوعين هما الموسفت وترانزستور IGBT. وتعمل ترانزستورات ثنائية القطبية على حاملات الشحنة الفجوات والإلكترونات، بينما تعمل ترانزستورات تأثير المجال على نوع واحد فقط من حاملات الشحنة إما الفجوات أو الإلكترونات. ولهذا تسمى بترانزستورات أحادية القطبية.

للمزيد من التفاصيل عن أنواع الترانزستورات اطلع على مقال أنواع الترانزستور.

استخدامات الترانزستورات

للترانزستور العديد من الاستخدامات وأهمها استخدامه لتكبير الموجات، وكمفتاح في الدوائر الإلكترونية.

استخدام الترانزستور كمكبر

يتم أضافة الاشارة المراد تكبيرها على الدخل ويتم توصيل عدة مقاومات ومكثفات كما في الصورة.

الجهد المتردد للدخل ينتج عنه تيار القاعدة المتردد ونتيجة لذلك نحصل على تيار المجمع المتردد عالي القيمة ويتكون جهد متردد في دائرة الخرج حيث يكون مكبرًا ومعكوس عن الدخل بزاوية طور مقدارها 180 درجة.

استخدام الترانزستور كمفتاح

يقع الترانزستور ضمن مجموعة القطع الإلكترونية التي يمكن استخدامها كبديل عن المفاتيح الميكانيكية، حيث إن المسار بين المجمع والباعث في الترانزستور يحل محل المفتاح، بينما يمثل تيار القاعدة إشارة التحكم في وضع التلامسات. وحتى يعمل الترانزستور كمفتاح يجب أن يعمل في منطقتي القطع والتشبع.

يتميز الترانزستور عن المفتاح الميكانيكي بسرعة الفتح والإغلاق، ولا يحدث شرارة كهربائية خلال الفتح والإغلاق واستهلاكه للطاقة الكهربائية أقل.