أنواع الترانزستورات

الترانزستور هو جهاز شبه موصل يستخدم بشكل واسع في معظم الأجهزة التي نستخدمها في حياتنا اليومية، وهناك العديد من أنواع الترانزستورات المتعددة يختلف كلٍ منها في خصائصها ولكلٍ منها مزاياها وعيوبها وفي هذا المقال نناقش أهم أنواع الترانزستورات.

أنواع الترانزستورات

بحسب التركيب تنقسم أنواع الترانزستور إلى:

• ترانزستور ثنائي القطبية BJT.
  • ترانزستورات npn.
  • ترانزستورات pnp.
• ترانزستور تأثير المجال FET.
  • ترانزستور تأثير المجال التقاطع JFET.
  • ترانزستور تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية MOSFET:
    • ترانزستور النوع الاستنزافي (depletion type).
    • ترانزستور النوع التعزيزي (enhancement type).
• الترانزستور ثنائي القطبية ذو البوابة المعزولة IGBT.

ترانزستور ثنائي القطبية BJT

يتكون الترانزستور ثنائي القطبية (Bipolar Junction Transistors, BJT) من ثلاث طبقات (layers) من السليكون شبه الموصل، طبقتين من النوع الموجب P وواحدة من النوع السالب N، أو العكس طبقتين من النوع السالب وواحدة من النوع الموجب.

وللترانزستور ثلاثة أطراف هي: الباعث (Emitter) ويرمز له اختصارًا بالحرف E، المجمع أو الباعث (Collector) ويرمز له اختصارًا بالحرف C، القاعدة (Base) ويرمز لها اختصاراً بالحرف B.

وحسب ترتيب الطبقات الثلاث للترانزستور يمكن تقسيم هذه الترانزستورات الى نوعين هما:

ترانزستورات npn: يتركب الترانزستور npn من طبقتين من مادة سالبة (n-type material) بينهما طبقة رقيقة من مادة موجبة (p-type material).

ترانزستورات pnp: يتركب الترنزستور pnp من طبقتين من مادة موجبة (p-type material) بينهما طبقة رقيقة من مادة سالبة (n-type material)، وكما هو بالشكل في الأعلى.

ومن الجدير بالذكر أن تسمية هذا الترانزستور ثنائي القطبية (Bipolar) جاءت من حقيقة أن التيار في هذا الترانزستور مكون من حاملات التيار بالقطبيتين السالبة (الإلكترونات) والموجية (الفجوات) أما كلمة (junction) والتي تعني وصلة فجاءت من حقيقة أن مدخل هذا الترانزستور القاعدة موصول مباشرة مع باقي جسم الترانزستور على عكس بعض أنواع الترانزستورات الأخرى التي يكون فيها مدخل الترانزستور معزولًا عن باقي جسم الترانزستور.

ترانزستورات ثنائي القطبية يتم التحكم فيها من خلال التيار الداخل إلى القاعدة، يؤدي مرور تيار صغير في القاعدة إلى تدفق تيار كبير من الباعث إلى المجمع.

يعتبر ترانزستور BJT الأقل كلفة من بين أنواع الترانزستورات الأخرى ويتميز بتمرير تيارات ذات كثافة عالية تفوق كثافة التيارات التي تمررها MOSFET إلا أنها أقل من كثافة التيارات التي يمررها IGBT.

ونظرًا لاحتياج الترانزستور إلى تيار قاعدة مستمر على مدى فترة التوصيل فإن القدرة المفقودة به كبيرة، هذا بالإضافة إلى مفقودات الفصل والتوصيل والتي قد تؤدي إلى احتراق الترانزستور إذا لم يتم بسرعة عالية.

ويعيب هذا النوع أن سرعة التبديل (الإنتقال من التوصيل إلى الفصل) بطيئة نسبيًا، لذلك لا يُستعمل بشكل واسع كعنصر تبديل، وخصوصًا عند الترددات التي تتجاوز 10 كيلوهرتز. ويتوافر هذا النوع من الترانزستور بمقننات تصل إلى مئات الأمبير وتصل إلى ألف فولت، ويمكنه التعامل مع قدرات تقدر بعشرات الكيلو وات.

ترانزستور تأثير المجال FET

ترانزستور تأثير المجال (Field Effect Transistors, FET) يتكون من ثلاث طبقات من النوع الموجب والسالب وله ثلاثة أطراف، منبع أو مصدر (source) ويرمز له بالحرف (S) ومُصرف (drain) ويرمز له بالحرف (D) وبوابة (gate) ويرمز له بالحرف (G)،

يتميز ترانزستور تأثير المجال أنه يمكن التحكم بقيمة التيار الكهربائي المار خلاله عن طريق المجال الكهربائي الناشئ من فرق الجهد بين البوابة والمصدر ويكون التيار الداخل لهذه الترانزستورات يساوي صفرًا. ونظرًا لأنه يعمل بتأثير المجال الكهربائي فإن القدرة المفقودة في دائرة البوابة ضئيلة جدًا.

ومما يجب ذكره أن مرور التيار في هذا النوع من الترانزستورات سببه حركة نوع واحد من حاملات التيار (current carriers) وهي إما الإلكترونات أو الفجوات، لذا فإن هذه الترانزستورات هي عناصر أحادية القطبية (unipolar devices)، على عكس الترانزستورات ثنائية القطبية (bipolar devices) والتي تشترك فيها الإلكترونات والفجوات لتشكيل التيار المار فيها.

ترانزستورات تأثير المجال تمتاز بثبات خصائصها عند تغير درجة حرارتها وكذلك صغر حجمها، مما جعلها أكثر ملائمة من الترانزستورات ثنائية القطبية لبناء الدارات المتكاملة (integrated circuits).

وتقسم ترانزستورات تأثير المجال الى نوعين أساسين هما:

• ترانزستور تأثير المجال الوصلية (junction field effect transistors)، أو إختصارًا (JFET).
• ترانزستور تأثير المجال ذو البوابة المعزولة (MOSFET). وهذه بدوره ينقسم إلى نوعين هما:
  • النوع الاستنزافي (depletion type).
  • النوع التعزيزي (enhancement type).

ومن الجدير بالذكر أن كل من هذه الترانزستورات تأتي على نوعين بقناة موجبة (P-channel) أو بقناة سالبة (N-channel).

ترانزستور تأثير المجال التقاطع (JFET).

ترانزستور تأثير المجال التقاطع (junction field effect transistors)، أو اختصارًا (JFET). هذا النوع من الترانزستورات يتكون من بلورة من مادة سالبة وبلورة من مادة موجبة وينقسم إلى نوعين نوع القناة السالبة، والقناة الموجبة.

ترانزستور (JFET) نوع القناة السالبة يتكون من بلورة مادة سالبة (n-type material) تشكل القناة (channel)، ويوجد بين طرفي هذه القناة بلورتي مادة موجبة (P-type material) موصولتين مع بعضهما. يتم توصيل الجزء العلوي من القناة السالبة بطرف موصل يسمى المصرف (D)، بينما يتم توصيل الطرف السفلي من نفس المادة مع طرف موصل يسمى بالمصدر (S). أما بلورتي المادة الموجب يتم ربطها مع الطرف الثالث للترانزستور والذي يسمى بالبوابة (Gate)، وتتكون وصلة PN بين كل طرفين.

ترانزستور (JFET) نوع القناة الموجبة يتكون من بلورة مادة موجبة (P-type material) تشكل القناة (channel)، ويوجد بين طرفي هذه القناة بلورتي مادة سالبة (n-type material) موصولتين مع بعضهما. ويتم توصيل أطرافه بنفس طريقة النوع السالب.

ترانزستور (JFET) يعد أبسط شكل من أشكال ترانزستورات تأثير المجال FET، وتستخدم كمفاتيح يتم التحكم فيها إلكترونيًا، وكمكبرات صوت.

ترانزستور تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية (MOSFET)

ترانزستور تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية (metal oxide semiconductor field-effect transistor) MOSFET هو أحد أنواع ترانزستور تأثير المجال FET، يتكون من ثلاث طبقات من النوع الموجب والسالب يتم تركيبها بشكل خاص وله أيضا ثلاثة أطراف، منبع أو مصدر (source)، ومصرف (drain)، وبوابة (gate).

يختلف الموسفت MOSFET عن ترانزستور JFET ، بعدم وجود وصلة pn، حيث يتم عزل بوابة MOSFET عن القناة بواسطة طبقة ثاني أكسيد السيليكون (SiO2). وينقسم ترانزستور الموسفت إلى نوعين هي النوع التعزيزي (enhancement) والنوع الاستنزافي (depletion)، يتم استخدام النوع التعزيزي على نطاق واسع.

نظرًا لاستخدام السيليكون متعدد الكريستالات حاليًا في مادة البوابة بدلاً من المعدن، فإن هذه الأجهزة تسمى أحيانًا ترانزستورات تأثير المجال ذات البوابة المعزولة (insulated-gate FETs).

ويعمل الموسفت بتأثير المجال الكهربائي بتسليط جهد ملائم بين البوابة والمصدر من يتحكم بالتيار المار بين المصرف والمصدر، وتكون القدرة المفقودة في دائرة البوابة ضئيلة جدًا. ويتميز ترانزستور MOSFET بأنه عنصر ذو ناقلية تحويلية (Transconductance) وذو حوامل أكثرية (majority carrier) وهذا ما يجعله يتميز بميزتين هامتين،

إحداهما أنه يحتاج لتيار تشغيل منخفض، والأخرى سرعة التبديل (التغيير من حالة التوصيل إلى حالة الفصل أو العكس) العالية. ولذلك فهو يستخدم في الدوائر التي تحتاج إلى سرعات عالية للتوصيل والفصل والتي تصل إلى 100 كيلوهرتز، وهو مرتفع الثمن ويتوافر ضمن مجال واسع من الجهود (20 حتى 200 فولت) والتيارات (2 حتى 100 أمبير).

الترانزستور ثنائي القطبية ذو البوابة المعزولة IGBT

الترانزستور ثنائي القطبية ذو البوابة المعزولة (insulated-gate bipolar transistor) IGBT يجمع بين ميزات من كل من MOSFET و BJT مما جعله مفيدًا في تطبيقات التبديل (switching) عالية الجهد والتيار العالي. لقد حلت ترانزستورات IGBT إلى حد كبير محل MOSFET و BJT في العديد من هذه التطبيقات.

يمتلك ترانزستور IGBT خصائص توصيل الخرج لـ BJT ولكن يتم التحكم فيه باستخدام الفولتية مثل MOSFET، وله ثلاثة أطراف، مجمع (collector) وباعث (emitter) وبوابة (gate). .

رمز ترانزستور IGBT مشابه لرمز BJT باستثناء وجود شريط إضافي يمثل هيكل بوابة MOSFET بدلاً من القاعدة.

يمتاز ترانزستور IGBT بأنه يتم الحصول على زيادة في كثافة التيار والتي تفوق كثافة التيار في ترانزستور BJT. ويمتاز أيضا بأن سرعة تبديله (الفصل والتوصيل) أسرع من BJT ولكن مازالت أقل من MOSFET حيث تصل إلى 40 كيلوهرتز. ويتوافر هذا النوع بمقننات تصل إلى 1600 فولت للجهد و1000 أمبير للتيار. ويستخدم هذا النوع بكثرة في دوائر التحكم في المحركات الكهربائية.