أحدث اختراعها ثورة كبيرة في صناعة الحاسب إذ أدت إلى تقليل حجمه بدرجة كبيرة جدا وزيادة سرعته مقارنة بالجيل الأول من الذي كان يستخدم الصمامات أو الأنابيب المفرغة كعناصر للبناء و المكثفات و المقاومات. حيث وصل وزن الجيل الأول من الحاسبات إلى ما يزيد عن 30 طنا في حين أن الجيل الثاني منه والذي استخدام الترانزستور فيه كعناصر بناء وصل حجمه إلى أقل من نصف كمبيوتر الجيل الأول بالإضافة إلى انخفاض درجة الحرارة الصادرة عنه مقارنة بنظيره من الجيل الأول.

يوجد نوعان رئيسيان من الترانزستورات:

  • ترانزستور ثنائي القطبية (Bipolar junction transistor): وهي تستخدم كلا من الإلكترونات والفجوات الإلكترونية كحاملات للتيار.

  • ترانزستور تأثير المجال (Field effect transistor): وهي تستخدم إما الإلكترونات أو الفجوات الإلكترونية كحاملات للتيار.

وسوف نقتصر بالشرح والتوضيح على الترانزستورات ثنائية القطبية.

الترانزستور ثنائي القطبية

Bipolar junction transistor

التركيب

Construction

يتكون من بلورة مفردة من الجرمانيوم أو السليكون بحيث تحتوي على ثلاث مناطق منطقة رقيقة من مادة نوع (P) بين منطقتين من مادة نوع (N) وبالتالي تسمى (NPN) أو منطقة رقيقة من مادة من نوع (N) بين منطقتين من مادة نوع (P) وتسمى (PNP) تضاف أطراف التثبيت والتوصيل. تسمى إحدى النهايات (المشع /Emitter ) والأخرى (المجمع / Collector) أما الجزء الأوسط فيسمى (القاعدة /Base ) ويسمى هذا الترانزستور بالترانزستور ثنائي القطبية (Bipolar junction transistor)

  • منطقة القاعدة (Base) : هي المنطقة المتوسطة من البلورة وتشغل أصغر حجم منها ، كمية الشوائب فيها ضئيلة جداً وسمكها صغير جداً ويرمز لها بالرمز (B)

  • منطقة الباعث (Emitter) ويرمز لها بالرمز (E)

  • منطقة المجمع (Collector) ويرمز لها بالرمز (C)

منطقة الباعث ومنطقة المجمع هما المنطقتان الخارجيتان المحيطتان بالقاعدة ويتم تغليف هذه المناطق الثلاثة بغلاف معدني يخرج منه ثلاثة أطراف معدنية يتصل كل طرف بإحدى المناطق.

تزان مناطق الترانزستور: ما أن يتم تصنيع الترانزستور حتى تتزن المناطق الثلاثة المكونة له حيث يعلو جهد المنطقة السالبة لانتقال عدد من الإلكترونات منها إلى المنطقة الموجبة والتي يهبط جهدها نتيجة انتقال الإلكترونيات إليها.

الترانزستور   NPN

Transistor  NPN

التشغيل

لتشغيل الترانزستور يجب تسليط جهد انحياز أمامي (Forward bias) على وصلة ( المشع - القاعدة ) وجهد انحياز خلفي (Reverse bias) على وصلة (المجمع - القاعدة) أي يغذي (المشع/Emitter) بجهد مماثل لنوع بلورته ويغذي (المجمع/Collector) بجهد مخالف لنوع بلورته،  ويتم ذلك بأن يتم توصيل مصدر جهد مستمر ( بطارية ) بين المجمع والمشع نرمز له بالرمز (Vcc) ومصدر آخر للجهد أي بطارية ثانية نرمز لها بالرمز (VBB) توصل بين القاعدة والمشع. وعادة ما يكون جهد بطارية القاعدة (VBB) أقل من جهد بطارية المجمع (Vcc)

مما سبق يتضح أن ( المشع مشترك في كلا الدائرتين لذا نستخدم (Vcc) للتعبير عن قيمة الجهد عبر دائرة ( المجمع ) ، (VBB) للرمز لقيمة الجهد عبر دائرة القاعدة.

عند توصيل الفتاح (S) فإن تياراً يمر في الدائرة وذلك لأن الوصلة ( المشع _ القاعدة ) ذات انحياز أمامي وبالتالي فهي تُعطي حاملات التيار إلى القاعدة وبالتالي تقل المنطقة العازلة فإذا كانت هذه المنطقة رقيقة جداً فإن منطقة العزل تتلاشى تماماً وبذلك يمر تيار كبير من المجمع إلى المشع ماراً من خلال القاعدة وذلك كما يلي:

  • نتيجة الانحياز العكسي، تنجذب إلكترونيات المجمع (شحنات أغلبية) نحو موجب البطارية (Vcc) كما تنجذب فجوات القاعدة (شحنات أغلبية) نحو سالب البطارية (Vcc)  فلا يمر تيار من البطارية (Vcc) لعدم اختراق شحنات الأغلبية وصلة المجمع القاعدة.

  • تتنافر فجوات المجمع (شحنات أقلية) مع موجب البطارية (Vcc) وتنجذب نحو سالبها مخترقة الوصلة المشتركة ، كما تتنافر إلكترونات القاعدة (شحنات أقلية) مع سالب البطارية (Vcc) وتنجذب نحو موجبها مُخترقة الوصلة المشتركة وحيث أن عدد شحنات الأقلية الموجودة في كل من المجمع والقاعدة ضئيل لذا فإن التيار العكسي المار في هذه الحالة تيار صغير لهذا يُعتبر كتيار تسريب.

  • نتيجة للانحياز الأمامي تندفع إلكترونيات المشع (شحنات أغلبية) نحو القاعدة مخترقة الوصلة المشتركة وحيث أن عدد إلكترونات المشع بالمنطقة يفوق بمراحل عدد الفجوات المتوافرة في القاعدة لذا يندمج (5%) من إلكترونات المشع المنطلقة مع فجوات القاعدة وتُنشئ تياراً للقاعدة.

  • بينما تنتشر الأغلبية (95%) من إلكترونات المشع المنطلقة في القاعدة لتنجذب نحو المجمع تحت تأثير إيجابية الجهد المسلط عليه ومن ثم تُنشئ تيار المجمع. ولهذا يكون تيار المجمع أكبر من تيار القاعدة.

  • العلاقة الرياضية التي تربط هذين التيارين وتيار المشع هي:

IE=IC + IB

حيث:

IE  تيار المشع    ،     IC  تيار المجمع   ،   IB  تيار القاعدة

الدائرة المكافئة للترانزستور NPN

الشكل يوضح الدائرة المكافئة المستخدمة في رسوم الدوائر الإلكترونية للترانزستور (NPN)

ففي حالة أن تكون القاعدة من نوع (P) والمشع من نوع (N) كما هو في الترانزستور (NPN) فإن التيار الناتج من الانحياز الأمامي يمر في وصلة ( القاعدة ـ المشع ) داخلاً إلى القاعدة نوع (P) خارجاً من المشع نوع (N) لذلك فإن السهم يوضح أن التيار يمر خارجاً من المشع للترانزستور (NPN). بمعنى أخر إذا كانت رأس السهم تشير بعيداً عن القاعدة فإن المشع يجب أن يكون من نوع (N).

 

الترانزستور   PNP

Transistor  PNP

التشغيل

الشكل يوضح كيفية توصيل مصادر التيار الكهربائي " البطارية " بأطراف الترانزستور ويتضح أن الجهد المسلط على وصلة (المشع - القاعدة) جهد انحياز أمامي  حيث يتصل المشع بقطب البطارية (VBB) المماثل لنوع بلورته.

وأن الجهد المسلط على وصلة ( المجمع – القاعدة ) جهد انحياز عكسي حيث يتصل المجمع بقطب البطارية (Vcc) المخالف لنوع بلورته. وعلى ذلك فعند توصيل الترانزستور بالمصادر الكهربائية يتم ما يلي:

  • نتيجة الانحياز العكسي (Reverse bias) تتنافر فجوات المجمع (شحنات أغلبية) نحو موجب البطارية (Vcc) وتحرك أماكنها نحو سالبها، كما تنجذب إلكترونات القاعدة ( شحنات أغلبية ) نحو موجب البطارية (Vcc) فلا يمر تيار من البطارية (Vcc) لعدم اختراق شحنات الأغلبية وصلة المجمع القاعدة.

  • تتنافر إلكترونات المجمع ( شحنات أقلية ) مع سالب البطارية (Vcc) وتنجذب نحو طرفها الموجب مخترقة وصلة (المجمع – القاعدة) كما تتنافر فجوات القاعدة (شحنات أقلية) مع موجب البطارية (Vcc) وتنجذب نحو سالبها مُخترقة الوصلة المشتركة ( المجمع - القاعدة ) وحيث أن عدد شحنات الأقلية الموجودة في كل من المجمع والقاعدة ضئيل لذا فإن التيار العكسي المار في هذه الحالة تيار صغير جداً لذلك يُعتبر كتيار تسريب.

  • نتيجة للانحياز الأمامي (Forward bias)  تتنافر فجوات المشع (شحنات أغلبية) مع موجب البطارية (VBB) لتحرك أماكنها نحو القاعدة مخترقة الوصلة المشتركة وحيث أن عدد هذه الفجوات يفوق عدد الإلكترونات المتوافرة في القاعدة – لذا تندمج إلكترونات القاعدة مع أقلية من الفجوات وتُنشئ تياراً للقاعدة.

  • تتجمع أغلبية الفجوات المحركة أماكنها من المشع في القاعدة وتنتشر فيها ثم تنجذب نحو المجمع تحت تأثير سالبية الجهد المسلط عليه وتنشئ تيار المجمع. ولذلك يكون تيار المجمع أكبر من تيار القاعدة.

  • العلاقة الرياضية التي تربط هذين التيارين وتيار المشع هي:

IE= IB + IC

حيث:

IE  تيار المشع    ،     IC  تيار المجمع   ،   IB  تيار القاعدة

الدائرة المكافئة للترانزستور PNP

الشكل يوضح الدائرة المكافئة المستخدمة في رسوم الدوائر الإلكترونية للترانزستور (PNP)

يجب ملاحظة أنه عند استخدام ترانزستور من نوع (PNP) فإن مصدر الجهد (البطارية) يجب عكس أقطابها للحصول على انحياز أمامي للمشع وانحياز عكسي للمجمع وكذلك أن يشير رأس السهم داخل إلى القاعدة أي أن المشع من نوع (P)

 

أوجه الاختلاف بين الترانزستور  NPN والترانزستور  PNP

بالنسبة للوظائف فإن ترانزستورات (PNP) ، (NPN) تعمل تماماً نفس العمل وهما متشابهان ومصنوعان بنفس الطريقة أما أوجه الاختلاف فهي :

  • مادة النوع (P) تستعمل كقاعدة في  الترانزستور (NPN) بينما مادة النوع ( N ) كقاعدة في الترانزستور (PNP) كما أن مادة النوع ( N ) تُستعمل لمناطق المجمع والباعث للترانزستور (NPN) ومادة النوع (P) تستعمل لمناطق المجمع والباعث للترانزستور (PNP) ولكن الأهم هو أن النوعين يعملان بطريقة متعاكسة فإن الترانزستور (NPN) عندما يتم سحب الإلكترونات من القاعدة (P) تستطيع الإلكترونات الانسياب من الباعث إلى المجمع ومنه إلى دائرة العمل. وبالمقابل في النوع (PNP) إذا وضعنا الإلكترونيات في القاعدة (N) فإن الإلكترونيات تنساب من المجمع إلى الباعث ومنه إلى الدائرة.

  • بالنظر إلى رمز (NPN) فإننا نجد أنه محكوم بتيار صغير تم ضخه إلى القاعدة والنتيجة انسياب تيار كبير من المجمع (Collector) إلى الباعث (Emitter) وسوف نلاحظ أن رأس السهم هو المميز لهذا الرمز وهو يوضح اتجاه كل من تيار التحكم وتيار العمل ومنه يتضح أن التيار الكهربائي يجب أن يمر إلى القاعدة وإلى المجمع ولكنه يخرج من الباعث.

الترانزستور الضوئي

Light Activated Transistor

تتعرض منطقة القاعدة للترانزستور الضوئي ثنائي القطب للإضاءة الساقطة فتُحرر هذه الطاقة الضوئية حاملات التيار في منطقة القاعدة فيزداد تيار القاعدة نتيجة لهذا التأثير ويزداد تيار مجمع الترانزستور ( Ic ) بازدياد شدة الإضاءة وتبلغ حساسية الترانزستور الضوئي المستخدم للأغراض العامة حوالي ( 500 mA ) كما يمكن استخدام التوصيل بمنطقة القاعدة لأغراض الانحياز.

سابقاً كانت تستخدم بطاريتان إحداهما لإعطاء الانحياز اللازم لدائرة دخل الترانزستور والأخرى لإعطاء الانحياز اللازم لدائرة الخروج ولكن الآن تستخدم بطارية واحدة مع مجزئ جهد (R1, R2 لإعطاء الانحياز اللازم للترانزستور كما هو موضح بالشكل المقاومة (RL) هي مقاومة حمل المجمع أما المقاومة (RE) فهي مقاومة المشع المكثفان (C1, C2) لمنع مرور التيار المستمر (dc) كما يوضح الشكل بيان لمواضع قياس الجهد لعناصر الدائرة. مما سبق يمكن اختصار الدائرة كما هو موضح.

 

المصدر: كتاب نظم الإشعال الإلكتروني _ م. علي علوان