الترانزيستور - Transistor

ما هو الترانزيستور؟

الترانزستور: هو جهاز من أشباه الموصلات يستخدم لتضخيم الإشارات الكهربائية والتحكم فيها وتوليدها. الترانزستورات هي المكونات النّشطة للدوائر المتكاملة (integrated circuits) أو الرقائق الدقيقة (microchips) التي تحتوي غالباً على بلايين من هذه الأجهزة الصغيرة المحفورة على أسطحها اللامعة، أصبحت الترانزستورات جزءاً لا يتجزأ من كل شيء إلكتروني تقريباً وهي الخلايا العصبية لعصر المعلومات.

يوجد عادةً ثلاثة أسلاك توصيل كهربائية في الترانزستور، تسمى الباعث (emitter) والمجمع (collector) والقاعدة (the base) أو في تطبيقات تحويل التيار الكهربائي الحديثة تسمى المصدر (the source) والصرف (the drain) والبوابة (the gate)، تؤثر الإشارة الكهربائية المطبقة على القاعدة أو البوابة على قدرة مادة أشباه الموصلات في توصيل التيار الكهربائي الذي يتدفق بين الباعث أو المصدر والمجمع أو الصرف في معظم التطبيقات، مصدر الجهد مثل البطارية هو الذي يقود التيار الكهربائي، في حين أنّ معدل تدفق التيار عبر الترانزستور في أي لحظة تحكمه إشارة دخل عند البوابة مثلما يتم إستخدام صمام الصنبور لتنظيم تدفق المياه عبر خرطوم المياه.

أجزاء الترانزيستور – Transistor Basics:

الترانزستور هو جهاز ثلاثي الأطراف كما ذكرنا سابقاً، يتكون من ما يلي:

• القاعدة (Base): وهي المسؤولة عن تفعيل الترانزستور.
  
• المجمع (Collector): هذا هو الجزء الموجب.
  
• الباعث (Emitter): هذا هو الجزء السالب.
  

الفكرة الأساسية وراء الترانزستور هي أنّه يتيح لك التحكم في تدفق التيار عبر قناة واحدة عن طريق تغيير شدة تيار لقيمة أصغر بكثير ليتدفق عبر القناة الثانية.

أنواع الترانزيستورات:

يوجد نوعان من الترانزستورات، هما الترانزستورات ثنائية القطب ((bipolar junction (BJT)، والترانزستورات التي تتأثر بالمجال الكهربائي ((field-effect (FET). يتدفق تيار صغير بين القاعدة والباعث، يمكن أن تتحكم القاعدة في تدفق تيار كهربائي أكبر بين المجمع والباعث، بالنسبة للترانزستور الذي يتأثر بالمجال فإنه يحتوي أيضًا على الأجزاء الثلاثة وهي البوابة والمصدر والصرف، ويمكن للجهد الكهربائي عند البوابة التحكم في التيار بين المصدر والصرف. تأتي الترانزستورات بأحجام وأشكال مختلفة، هناك شيء واحد مشترك بين كل هذه الترانزستورات وهو أن لكل منها ثلاثة أطراف.

الترانزيستور ثنائي القطب – Bipolar Junction Transistor:

يحتوي ترانزستور ثنائي القطب (BJT) على ثلاث أطراف متصلة بثلاث مناطق أشباه موصلات، يأتي بنوعين: (P-N-P) و (N-P-N). ترانزستور (P-N-P) يتكون من طبقة من أشباه الموصلات (N – doped) بين طبقتين من مادة (P – doped)، يتم تضخيم تيار القاعدة الذي يدخل المجمع عند خرجه، يكون ترانزستور (P-N-P) قيد التشغيل عندما يتم سحب قاعدته إلى مستوى منخفض بالنسبة إلى الباعث. ترمز أسهم ترانزستور (P-N-P) إلى إتجاه التدفق الحالي عندما يكون الجهاز في وضع إعادة التوجيه النّشط.

يتكون الترانزستور (N-P-N) من طبقة من أشباه الموصلات (P – doped) بين طبقتين من مادة (N – doped)، من خلال تضخيم التيار الكهربائي نحصل على تيار المجمع والباعث العالي. عندما يكون ترانزستور (N-P-N) قيد التشغيل عندها يتم جعل القاعدة منخفضة بالنسبة إلى الباعث. عندما يكون الترانزستور في حالة التشغيل، يكون تدفق التيار الكهربائي بين المجمع وباعث الترانزستور. بناءً على ناقلات الأقلية في المنطقة من النوع (P – type) تنتقل الإلكترونات من الباعث إلى المجمع. يسمح بتيار كهربائي أكبر وأسرع، لهذا السبب فإنّ معظم الترانزستورات ثنائية القطب المستخدمة اليوم هي من النوع (N-P-N).

الترنزيستور المتأثر بالمجال الكهربائي – Field Effect Transistor FET:

الترانزستور المتأثر بالمجال الكهربائي هو ترانزستور أحادي القطب، يتم استخدام (N – channel FET) أو (P-channel FET) للتوصيل، الأطراف الثلاثة لـ FET هي المصدر والبوابة والصرف، بالنسبة إلى (FET) ذي القناة (n-type) يتم تصنيع الجهاز من مادة خاصة بالنوع (n-type) بين المصدر والصرف، تعمل هذه المادة كمقاومة. يتحكم هذا الترانزستور في الناقلات الموجبة والسالبة المتعلقة بالإلكترونات، تتشكل قناة (FET) بتحريك حاملات الشحنة الموجبة والسالبة. وهذه قناة (FET) تكون مصنوعة من السيليكون. هناك العديد من أنواع (FET) و(MOSFET) و(JFET)، من تطبيقات (FET) أنه يستخدم كمضخم ضوضاء منخفض (low noise amplifier) وكمضخم (buffer amplifier) ومفتاح تناظري (analog switch).

تحيز الترانزيستور ثنائي القطب – Bipolar Junction Transistor Biasing:

تعتبر الترانزستورات من أهم الأجهزة النشطة في أشباه الموصلات الضرورية لجميع الدوائر تقريباً، يتم إستخدامها كمفاتيح إلكترونية ومضخمات وما إلى ذلك في الدوائر. قد تكون الترانزستورات NPN ،PNP ،FET ،JFE، والتي لها وظائف مختلفة في الدوائر الإلكترونية. من أجل العمل السليم للدائرة من الضروري تحيز الترانزستور باستخدام شبكات المقاومة. نقطة التشغيل هي النقطة الموجودة على خصائص الخرج التي تُظهر جهد المجمع – الباعث وتيار المجمع ليس له إشارة دخل (input signal). تُعرف نقطة التشغيل أيضًا باسم نقطة الإنحياز أو Q-Point (نقطة الهدوء – Quiescent point).

يشير التحيز إلى توفير مقاومات أو مكثفات أو جهد من مصدر كهربائي، لتوفير خصائص تشغيل مناسبة للترانزستورات يتم استخدام إنحياز التيار المستمر (DC biasing) للحصول على تيار للمجمع عند جهد مجمع معيّن، يتم التعبير عن قيمة هذا الجهد والتيار من حيث (Q-Point). في مضخم الترانزستور يكون (IC max) هو الحد الأقصى للتيار الذي يمكن أن يتدفق عبر الترانزستور و(VCE max) هو الحد الأقصى للجهد المطبق عبر الجهاز. لتشغيل الترانزستور كمضخم يجب توصيل مقاومة (RC) بالمجمع. يضبط الانحياز جهد التشغيل والتيار المستمر على المستوى الصحيح بحيث يمكن تضخيم إشارة دخل التيار المتردد (AC) بشكل صحيح بواسطة الترانزستور.

نقطة الإنحياز الصحيحة – Q-Point:

تقع نقطة الإنحياز الصحيحة (Q-Point) في مكان ما بين حالة التشغيل الكامل أو حالة الإيقاف التام للترانزستور، هذه النقطة المركزية هي (Q-Point) وإذا كان الترانزستور متحيزاً بشكل صحيح، فستكون نقطة (Q) هي نقطة التشغيل المركزية للترانزستور. يساعد هذا التيار الخارج من الترانزيستور على الزيادة والنقصان مع تأرجح إشارة الإدخال خلال الدورة الكاملة.

لضبط نقطة (Q) الصحيحة للترانزستور، يتم إستخدام مقاومة المجمع لضبط تيار المجمع على قيمة ثابتة ومستقرة دون أي إشارة في قاعدته. يتم تعيين نقطة التشغيل المستمرة للتيار المستمر من خلال قيمة جهد (supply voltage) وقيمة مقاومة التحيز للقاعدة، تُستخدم مقاومات التحيز الخاصة بالقاعدة (Base) في جميع تكوينات الترانزستور الثلاثة مثل القاعدة المشتركة (common base)، والمجمع المشترك (common collector)، وتكوينات الباعث (Common emitter).

طرق التحيز – Modes of biasing:

تحيز التيار الكهربائي – Current biasing:

يتم إستخدام مقاومتين (RC) و(RB) لضبط التحيز في القاعدة، تحدد هذه المقاومات منطقة التشغيل الأوليّة للترانزستور مع إنحياز تيار ثابت. يتحيز الترانزستور للأمام بجهد انحياز إيجابي للقاعدة من خلال (RB). يبلغ إنخفاض جهد الباعث القاعدة 0.7 فولت (base-emitter voltage drop is 0.7 volts). لذلك فإنّ التيار عبر (RB) هو ما يأتي:

I_B = (V_cc – V_BE) / I_B

تحيز التغذية الراجعة – Feedback biasing:

المقصود بها إنحياز الترانزستور عن طريق استخدام مقاومة التغذية الراجعة، يتم الحصول على تحيز القاعدة من جهد المجمع. تضمن التغذية الراجعة للمجمع أن يكون الترانزستور متحيزًا دائمًا في المنطقة النّشطة، عندما يزداد تيار المجمع، ينخفض الجهد عند المجمع. هذا يقلل من قوة الدفع عند القاعدة والذي بدوره يقلل من تيار المجمع. يعد تحيز التغذية الراجعة هذا مثالياً لتصميم مضخم الترانزستور.

تحيز ردود الفعل المزدوجة – Double Feedback Biasing:

يتحقق هذا التحيز باستخدام مقاومات ردود الفعل المزدوجة، باستخدام إثنين من المقاومات (RB1) و(RB2) يزيد الإستقرار فيما يتعلق بالتغيرات في بيتا (Beta) عن طريق زيادة التدفق للتيار الكهربائي من خلال مقاومات التحيز للقاعدة. في هذا التكوين يكون التيار الكهربائي في (RB1) يساوي 10٪ من تيار المجمع.

تحيز تقسيم الجهد الكهربائي – Voltage Dividing Biasing:

تحيز تقسيم الجهد يتم فيه توصيل مقاومتين (RB1) و(RB2) بقاعدة الترانزستور التي تشكل شبكة مقسم الجهد، يحصل الترانزستور على تحيزات من خلال إنخفاض الجهد عبر (RB2). يستخدم هذا النوع من التحيز على نطاق واسع في دوائر مكبر الصوت.

تحيز القاعدة المزدوجة – Double Base Biasing:

يُحدث في هذا التحيز ردود فعل مزدوجة من أجل الإستقرار. يستخدم كلاً من قاعدة الباعث والمجمع لتحسين الثبات عن طريق التحكم في تيار المجمع، يجب تحديد قيم المقاومة لضبط إنخفاض الجهد عبر مقاومة الباعث بنسبة 10٪ من جهد الإمداد والتيار عبر(RB1 ،10٪) من تيار المجمع.

ما هي فوائد الترانزيستور؟

• عدم إستقرار ميكانيكي أقل.
  
• تكلفة أقل وحجم أصغر، خاصةً في دوائر الإشارة الصغيرة (small-signal circuits).
  
• جهد تشغيل منخفض لمزيد من الأمان، تكاليف أقل وتخليص جمركي نادر.
  
• عمره الإفتراضي طويل.
  
• لا يوجد استهلاك للطاقة بواسطة سخّان الكاثود.
  
• التحول السريع في التيار الكهربائي.
  
• يمكن أن تدعم تصميم دوائر التناظر التكميلية، وهو شيء غير ممكن مع الأنابيب المفرغة.