ترانزيستور چيست؟

 ترانزيستور چيست؟ ترانزیستور یکی از مهم‌ترین اختراعات در تاریخ علم و فناوری است که از اوایل دهه ۱۹۵۰ میلادی وارد عصر جدیدی از الکترونیک و میکروالکترونیک شده است. این دستگاه به عنوان انتقال‌دهندهٔ سیگنال‌های الکتریکی با توانایی تقویت، تحت عنوان ترانزیستور (Transistor) شناخته می‌شود. در این مقاله به تشریح اصول کاری ترانزیستور، کاربردها و اهمیت آن در تحول فناوری الکترونیکی می‌پردازیم.

تاریخچه و سیر تحول ترانزیستور

• قبل از ترانزیستور: قبل از اختراع ترانزیستور، لامپ‌های فرازنا (Vacuum Tubes) به عنوان تقویت‌کنندهٔ سیگنال‌های الکتریکی و استفاده در مدارهای الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گرفتند. این لامپ‌ها از تغییرات جریان الکترونی در یک فضای خلاء استفاده می‌کردند ولی داشتن مشکلاتی همچون مصرف بالا، حرارت تولیدی و اندازه بزرگ بودن داشتند.

• اختراع ترانزیستور: در سال ۱۹۴۷، سه محقق به نام‌های ویلیام شاکلی، جان باردین و ویلیام براتین در شرکت بل لیبوراتوری‌ز به اختراع ترانزیستور رسیدند. آنها توانستند با ترکیب و ارتقاء تکنیک‌های قبلی، یک دستگاه کوچک و عملکرد بهتر را به دست آورند. ترانزیستور به دلیل ابعاد کوچک‌تر، مصرف کمتر، دیگر نیاز به خلاء و سرعت بالا به محض ظهور، به عنوان یک جایگزین مناسب برای لامپ‌های فرازنا شناخته شد.

• ترانزیستورهای اولیه: نوع اولیهٔ ترانزیستورها به نام ترانزیستور پلکسیگر (Point-Contact Transistor) بودند. این ترانزیستورها به دستهٔ نوع PNP و NPN تقسیم می‌شدند و بر اساس نیمه‌هادی‌های سیلیکون و گرمانیوم ساخته می‌شدند. این ترانزیستورها با اعمال فشار مکانیکی به یک نوک فلزی بر روی یک نیمه‌هادی، تغییرات جریان الکترونی را ایجاد کردند.

• ترانزیستورهای اصولی: در سال ۱۹۵۲، ترانزیستورهای اصولی به نام ترانزیستور‌های متأثر از میدان (Field-Effect Transistors یا FET) اختراع شدند. این ترانزیستورها از میدان‌های الکتریکی یا مغناطیسی به عنوان کنترل کنندهٔ جریان استفاده می‌کنند و تغییرات میدان‌ها تأثیر بر جریان الکترونی در نیمه‌هادی دارند. این نوع ترانزیستورها عملکرد بهتری داشتند و به طور گسترده‌تری در دستگاه‌ها و مدارهای الکترونیکی مورد استفاده قرار گرفتند.

• ترانزیستورهای به‌سوی مینیاتوریزاسیون: تا دهه ۱۹۶۰، ترانزیستورها بهبود یافته و به اندازهٔ کوچکتر و قدرتمندتر شدند. در این دوره، تکنولوژی تولید ترانزیستورها به سوی مینیاتوریزاسیون و افزایش تعداد ترانزیستورها در هر تراشه پیش رفت و این منجر به افزایش سرعت و کاهش اندازهٔ دستگاه‌ها شد.

• ترانزیستورهای اینتگرالی (Integrated Circuits – ICs): در دهه ۱۹۶۰، با توسعهٔ فناوری ترانزیستورها به تراشه‌های اینتگرالی (ICs) پرداخته شد. تراشه‌های اینتگرالی، تعداد زیادی ترانزیستور و مؤلفه‌های الکترونیکی را در یک تراشهٔ کوچک گنجانده و تولید مدارهای پیچیده‌تر را ممکن ساخت. این اختراع تحول بزرگی در زمینهٔ تولید مدارهای الکترونیکی و کامپیوترها به وجود آورد.

• ترانزیستورهای فیلد‌افکت (FET): در دهه ۱۹۷۰، ترانزیستورهای فیلد‌افکت (FET) توسط جمعی از محققان توسعه داده شدند. این ترانزیستورها با اعمال ولتاژ بر روی دروازهٔ نیمه‌هادی، جریان الکترونی را کنترل می‌کنند و به عنوان ترانزیستورهای مصرف کمتر با کارایی بالا به شناخته‌شدند.

• ترانزیستورهای بسیاریاستابل (Bipolar Transistors): ترانزیستورهای بسیاریاستابل (Bipolar Transistors) نسل جدیدی از ترانزیستورهای یکپارچه به شمار می‌آیند که از اوایل دهه ۱۹۸۰ به پیشرفت و گسترش فناوری الکترونیکی کمک کردند.
• ترانزیستورهای نیمهٔ رهایی (FinFET): در دهه ۲۰۱۰، ترانزیستورهای نیمهٔ رهایی (FinFET) با توانایی‌های بهبودی در مصرف انرژی و کاهش نشتی توسعه داده شدند. این ترانزیستورها به عنوان نمایندگانی از پیشرفت‌های جدید در زمینهٔ فناوری ترانزیستورها به شمار می‌روند.

در کل، تاریخچه ترانزیستور از اختراع اولیه تا تحولات پی در پی، مهم‌ترین نقطهٔ عطف در تکنولوژی الکترونیک و کامپیوترها را نشان می‌دهد که به تغییرات عظیم در دنیای تکنولوژی و ارتباطات منجر شده است.

اصول کاری

ترانزیستور از دو نوع مهم به نام‌های NPN و PNP تشکیل شده است. در این دستگاه‌ها، سه لایهٔ نیمهٔ هادی به نام‌های کلاههٔ پایه (Base)، مختصاتهٔ مبدا (Emitter) و مختصاتهٔ مقصد (Collector) قرار دارند. ترانزیستور با تغییر جریان الکترونی در لایهٔ پایه، جریان بزرگتری از لایهٔ مختصاتهٔ مقصد به لایهٔ مختصاتهٔ مبدا را ایجاد می‌کند که به عبارت دیگر، تغییر کوچک جریان کنترلی (Base) منجر به تغییر بزرگتر جریان اصلی (Collector) می‌شود. این ویژگی ترانزیستور به عنوان تقویت‌کنندهٔ الکتریکی شناخته می‌شود.

کاربردها

ترانزیستورها در انواع مختلف و به اشکال مختلفی در دستگاه‌ها و تجهیزات الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. از کاربردهای مهم ترانزیستورها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• تقویت کننده‌های صوتی: ترانزیستورها در انواع تقویت کننده‌های صوتی و ویدئویی استفاده می‌شوند که جریان ضعیف ورودی را به جریان خروجی بزرگتر تقویت می‌کنند.

• مدارهای منطقی: ترانزیستورها در مدارهای منطقی مورد استفاده قرار می‌گیرند که توانایی ایجاد سیگنال‌های منطقی صفر و یک را دارند.

• تراشه‌های میکروپروسسور: ترانزیستورهای میلیون‌ها تراشه‌های میکروپروسسور امکان اجرای عملیات‌های پیچیده و با سرعت بالا را فراهم می‌آورند.

• مدارهای تنظیم ولتاژ: ترانزیستورها در مدارهای تنظیم ولتاژ و جریان استفاده می‌شوند که به عنوان منابع تغذیه پایدار برای تجهیزات مختلف عمل می‌کنند.

• مدارهای قدرت: در تولید برق از نیروگاه‌ها، ترانزیستورها به عنوان کلیدهای قدرت به کار می‌روند تا جریان‌های بزرگ برق را کنترل کنند.

انواع ترانزیستور

ترانزیستورها به دو نوع اصلی تقسیم می‌شوند: ترانزیستور‌های یکپارچه (BJT) و ترانزیستور‌های میدانی (FET). هر یک از این دو دسته نیز شامل انواع مختلفی هستند. در زیر به برخی از انواع ترانزیستورها اشاره می‌کنیم:

1. ترانزیستور‌های یکپارچه (BJT)

• ترانزیستور NPN: در این نوع ترانزیستور، لایهٔ پایه مثبت نسبت به لایهٔ مختصاتهٔ مبدا و لایهٔ مختصاتهٔ مقصد منفی است. جریان از پایه به مختصاتهٔ مقصد جریان می‌کند و تقویت می‌شود.

• ترانزیستور PNP: در این نوع ترانزیستور، لایهٔ پایه منفی نسبت به لایهٔ مختصاتهٔ مبدا و لایهٔ مختصاتهٔ مقصد مثبت است. جریان از مختصاتهٔ مقصد به پایه جریان می‌کند و تقویت می‌شود.

• ترانزیستور دوقطبی (Darlington): در این نوع ترانزیستور، دو ترانزیستور NPN یا PNP به طور متوالی متصل شده‌اند که تقویت جریان را افزایش می‌دهند.

• ترانزیستور زنجیره‌ای (Cascade): در این نوع، دو یا چندین ترانزیستور به طور متوالی به هم متصل می‌شوند تا تقویت جریان بیشتری به دست آید.

2. ترانزیستور‌های میدانی (FET)

• ترانزیستور میدانی‌مؤثر (MOSFET): این نوع ترانزیستور با استفاده از زمینهٔ الکتریکی کنترل می‌شود. دارای زیرنوع‌های مختلفی از جمله MOSFET همایل (enhancement-mode) و MOSFET خودهمایل (depletion-mode) است.

• ترانزیستور جریان‌سطحی (JFET): این نوع ترانزیستور با استفاده از تغییر میدان الکتریکی از داخل هادی کنترل می‌شود و به دو زیرنوع N-کانال و P-کانال تقسیم می‌شود.

• ترانزیستور عایق-نیمه‌هادی (IGBT): این نوع ترانزیستور ترکیبی از ویژگی‌های ترانزیستورهای BJT و MOSFET است و در برنامه‌هایی که نیاز به تقویت قدرت و کنترل ولتاژ بالا دارند، استفاده می‌شود.

3. ترانزیستورهای دیگر

• ترانزیستور ثنائی (Bipolar Transistor): این نوع ترانزیستور دارای دو لایهٔ نیمهٔ هادی N و P است که جریان در آن به وسیلهٔ الکترون‌ها و حفره‌ها انجام می‌شود.

• ترانزیستور اثر میدان یونیپلر (Unipolar Field Effect Transistor): به عنوان مثال ترانزیستور MOSFET، که با تغییر میدان الکتریکی بر روی دروازهٔ ایزولهٔ اکسید میانی کنترل می‌شود.

همچنین، ترانزیستورها در انواع مختلف دیگری با ویژگی‌های خاص و به منظور کاربردهای خاص نیز وجود دارند.

تحول فناوری الکترونیکی

ترانزیستورها با ایجاد امکان تقویت و کنترل سیگنال‌های الکتریکی، اساس انقلاب دیجیتال و رشد فناوری اطلاعات را فراهم کردند. توسعهٔ ترانزیستورها به تولید مدارهای متراکم با توانایی انجام محاسبات پیچیده و سرعت بالا انجامیده و به پیدایش دنیای دیجیتال کمک کرده است.

ترانزیستور به عنوان دستاورد بزرگی در علم و فناوری الکترونیک مطرح است که انقلابی در تحول فناوری و کاربردهای انسان‌ها ایجاد کرده است. از کامپیوترهای شخصی تا تجهیزات پزشکی پیشرفته، ترانزیستورها از نیروی پویا پشت این دستاوردها هستند. ادامهٔ تحقیقات در حوزهٔ ترانزیستورها و دستاوردهای متعددی که از آن انتظار می‌رود، به دنیایی پر از امکانات نوآورانه در زمینهٔ فناوری اطلاعات منجر خواهد شد.