ترانزیستور چیست- بخش دوم – بررسی ساختار و نحوه کار ترانزیستور

مقدمه

با سلام خدمت همه دوستان. در این جلسه ابتدا ساختار ترانزیستورهای npn و pnp رو با همدیگه بررسی میکنیم. سپس برای بررسی نحوه کار ترانزیستور از مثال شیرفلکه آب استفاده میکنیم تا این مفاهیم بهتر جا بیفتن. خوب مثل همیشه مستقیم میریم سر اصل مطلب.

ساختار ترانزیستور

ترانزیستور با استفاده از سه لایه  مواد نیمه هادی که روی هم قرار گرفته شده اند ساخته میشه. بعضی از این لایه ها الکترون اضافه بهشون تزریق شده ( به این فرایند  میگن دوپینگ ) و بقیه اون ها هم الکترون هاشون ازشون گرفته شده ( در واقع دوپینگ حفره انجام داده اند. ) . بذارید حالا دو تا تعریف خیلی مهم هم این جا انجام بدیم:

به یه ماده نیمه هادی با الکترون های اضافی میگن  نیمه هادی نوع n یا n-type  ( حرف n اول کلمه negative به معنی منفی هستند چون الکترون ها بار منفی دارند.) 

  به یه ماده نیمه هادی که الکترون های اون خارج شده اند میگن نیمه هادی نوع p یا p-type    ( حرف p هم مخفف عبارت positive به معنای مثبت هست).

ترانزیستورهای BJT به وسیله قرارگیری سه لایه نیمه هادی نوع n و نوع p تشکیل میشه. این سه لایه اگه ترتیب قرار گیریشون ابتدا n سپس p و دوباره n باشه ترانزیستور نوع npn و اگه ترتیب قرار گیریشون ابتدا p سپس n و دوباره p باشه ترانزیستور نوع pnp تشکیل میشه. به همین سادگی.

ساختار ترانزیستور- نحوه کار ترانزیستور

 

چیزی که خیلی واضحه اینه که رفتن الکترون ها از ناحیه N به ناحیه p زیاد سخت نیست و با اعمال یه ولتاژ کم (تا الکترون ها رو فشار بده) این کار امکان پذیر هست در حالی که انتقال الکترون از ناحیه p به ناحیه N بسیار سخت هست و نیازمند ولتاژ بسیار زیادی هست. نکته به خصوصی که در مورد ترانزیستورها وجود داره اینه که چنانچه پیوند بیس امیتر ترانزیستور به صورت Forward bias باشه ( یعنی ولتاژ بیس بالاتر از ولتاژ امیتر باشه) الکترون ها خیلی راحت از p میتونن برن به N .

جریان در ترانزیستور- نحوه کار ترانزیستور

طراحی ترانزیستورهای NPN جوری هست که الکترون ها رو از امیتر میره به کلکتور ( اگر چه جریان قرار دادی از کلکتور به امیتر هست). امیتر الکترون ها رو به سمت کلکتور و بیس ساطع میکنه و بیس مقدار این الکترون ها رو کنترل میکنه ( در واقع مقداری از این الکترون ها به بیس میرسن) و تعداد زیادی شون هم به کلکتور میرسن و کلکتور هم این الکترون ها رو به قسمت بعدی مدار انتقال میده.

ترانزیستورهای PNP هم همینجوری کار میکنن با یه خورده تفاوت فقط. یعنی در واقع بعضی چیزهاش بر عکسه. در PNP همچنان بیس الکترون ها رو کنترل میکنه اما این بار امیتر به جای الکترون ها ، حفره ها رو به سمت بیس و کلکتور ساطع میکنه ( در واقع حرکت میده) و بیس هم این حفره ها رو کنترل میکنه و مقدار زیادی از این حفره ها گیر کلکتور میاد

تذکر: حفره یه مفهومی هست از نبود الکترون.

ترانزیستور در واقعیه نوع دریچه الکترون هست که در اون با استفاده از پایه بیس شما مقدار الکترون ها و یا حفره هایی رو که از امیتر به سمت کلکتور میره رو کنترل میکنید.

بذارید برای فهم بیشتر از مفهوم شیر آب برای توضیح نحوه عملکرد ترانزیستور استفاده کنیم.

نحوه عملکرد ترانزیستور با استفاده از مفهوم شیرفلکه

 

قبلا در جلسه مربوط به الکتریسته ما در مورد ولتاژ و جریان و شبیه سازی اون به شیر آب صحبت کرده بودیم. در اونجا گفتیم که جریان الکتریکی شبیه به جریان آب هست، ولتاژ شبیه فشاری هست که آب به لوله وارد میکنه و مقاومت هم میزان پهنای لوله آب هست. ( لینک جلسه مربوط به قانون اهم)

شبیه سازی نحوه کار ترانزیستور با مفهوم جریان آب

حالا ما میخوایم ترانزیستور رو به یه شیر آب تشبیه کنیم و این تشبیه هم تشبیه بدی نیست چون شیر آب جریان آب رو کنترل میکنه و ترانزیستور هم جریان الکتریکی رو. پس میتونیم از این تشبیه استفاده کنیم.

سه حالت برای شبیه سازی شیرفلکه و ترانزیستور وجود داره که هر سه این حالت رو در زیر بررسی کردیم:

1- ترانزیستور روشن است  ( شیرفلکه کامل باز است) – حالت اتصال کوتاه:

در این حالت شیرفلکه کامل باز هست و آب به صورت کامل و آزادانه میتونه حرکت کنه. انگار که اصلا شیرفلکه ای وجود نداره.

حالت 1- روشن بودن ترانزیستور- نحوه کار ترانزیستور

در ترانزیستور هم میتونه این اتفاق در شرایط مناسب بیفته. یعنی ترانزیستور اتصال کوتاه باشه. در واقع جریان از کلکتور وارد بشه و از امیتر هم خارج بشه و هیچی هم مانع اون نشه.

2- شیرفلکه کامل بسته ( ترانزیستور خاموش است)- حالت مدار باز

در این حالت شیرفلکه کامل بسته شده و هیچ آبی جریان پیدا نمیکنه. در واقع جریان آب متوقف شده.

حالت دوم- حالت خاموش ترانزیستور- نحوه کار ترانزیستور

این حالت هم  مشابه خاموش بودن ترانزیستور هست و در واقع بین پایه های امیتر و کلکتور انگار هیچ اتصالی برقرار نیست. در واقع مدارباز هستند.

3- کنترل خطی جریان:

در این حالت شیرفلکه نیمه باز هست و در این حالت میتونیم جریان آب رو کنترل کنیم. این حالت بین حالت های تمام بسته و تمام باز شیرفلکه هست.

کنترل جریان خطی در ترانزیستور- نحوه کار ترانزیستور

در ترانزیستور هم همین حالت وجود داره. یعنی میشه جریان رو به صورت خطی کنترل کرد. این حالت بین حالت های روشن و خاموش بودن ترانزیستور هست.

در شبیه سازی ترانزیستور با شیرفلکه آب، قطر لوله مشابه یه مقاومت در مدار هست. همونطور که شیرفلکه برای کنترل جریان  پهنای لوله رو کنترل میکنه، ترانزیستور هم برای کنترل جریان مقاومت بین امیتر و کلکتور رو کم و زیاد میکنه. در واقع در اینجا ترانزیستور مثل یک مقاومت متغیر هست.

خوب دوستان برای این جلسه هم کافی هست. مثل همیشه میتونید ما رو در تلگرام و یا اینستاگرام دنبال کنید:

 

شاید دوست داشته باشید مطالب زیر را نیز بخوانید:

6 نظر

  • hosain

    سلام. ببخشید زیاد سوال دارم. میخاستم ببینم معنی این عبارت اتصال کوتاه که در قسمت شبیه سازی ترانزیستور با جریان آب انجام دادید دقیقا چیه؟ آیا فقط معنی وصل شدن مدار رو داره یا ارتباطی با اون اتصال کوتاه معروف در مدارها داره؟

    یه سوال دیگه هم داشتم این بود که در متن اشاره شده که در ترانزیستور نوع PNP حفره ها از سمت امیتر به کلکتور حرکت می کنند. میخاستم بدونم آیا منظور از حفره ها همون بارهای مثبته؟ اگه منظور بارهای مثبته پس بار مثبت که حرکتی نداره! بنابراین در حقیقت منظورتون اینه که جریان الکترون از سمت کلکتور به سمت امیتر میاد؟

    بازم ممنون از پاسخگویی

     

    • حامد قاسمی

      سلامی دوباره.
      منظور از اتصال کوتاه اینه که پایه کلکتور و امیتر به هم وصل شدند. به همین سادگی. در مدارهای الکتریکی هم چون VCC و GND به هم دیگه وصل میشن میگن اتصال کوتاه. ولی در اینجا تنها منظور ما این است که کلکتور و امیتر به یکدیگر وصل شده اند.
      در مورد سوال دوم شما ، منظور از حفره ، نبود الکترون هست و نه بارهای مثبت. درک این مفهوم شاید خیلی راحت نباشه. در واقع منظور ما این هست که نبود الکترون از یک جایی به جای دیگه ای میره.
      در صورتی که نیاز به توضیحات بیشتری دارید ، همینجا اعلام بفرمایید تا به صورت دقیقتر در این مورد بحث کنیم.
      موفق باشید.

      • hosain

        سلام

        چیزی که در ذهن بنده است بارهای مثبت و منفی بوده و تا حالا ندیده بودم حفره حرکت کنه. اگر ممکن است بفرمایید حفره دقیقا چیه؟ چون تو ذهن من فقط چهار ذره بنیادی الکترون، پروتون، نوترون و نیوترون وجود دارد. چیزی که در ذهن من است اینگونه است نمیدانم صحیح است یا نه؟ الکترون ها حرکت می کنند و جای خالیشان یک حفره باقی می ماند و تا زمانی که الکترون بعدی درون این حفره جا نگیرد این حفره خالی می ماند. با حرکت الکترون ها این حفره ها نیز تعدادشان زیاد می شود و به قولی حرکت حفره نام دارد.

        ممنون

        • حامد قاسمی

          حفره شاید بیشتر یک مفهوم انتزاعی هست. درک این مفهوم هم شاید به راحتی نباشه. چون منظور از حفره نبود الکترون هست و این نبود الکترون ها رو مثل یک الکترون در نظر میگیریم که قابلیت حرکت داره.

  • hosain

    سلام

    به نظرم جمله زیر در متن نیاز به اصلاح دارد:

    ترانزیستور در واقعیه نوع دریچه الکترون هست که در اون با استفاده از پایه بیس شما مقدار الکترون ها و یا حفره هایی رو که از امیتر به سمت بیس میره رو کنترل میکنید.

    تصحیح شده:

    ترانزیستور در واقعیت نوع دریچه الکترون است که در آن با استفاده از پایه بیس شما مقدار الکترون ها و یا حفره هایی رو که از امیتر به سمت کلکتور میره رو کنترل میکنید.

    • حامد قاسمی

      با سلام مجدد. درود دوباره بر شما
      بله همونطور که میدونیم الکترون ها از امیتر به سمت کلکتور حرکت میکنن و با استفاده از بیس ما میتونیم این جریان حرکتی رو کنترل کنیم.
      جمله مربوطه تصحیح گردید.
      موفق باشید.

  • نوشتن نظر

    نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

    اضافه کردن تصویر ( فقط فرمت jpg)