تبیان، دستیار زندگی

سلام

به دلیل اینکه ترانزستور مهم ترین وپرکاربرد ترین قطعه است وبه قلب الکترونیک معروف است

یه تاپیک جدا ایجاد کردم تا مفصلا در مورد آن مطالب قرار بگیرن و در مورد ان کاملا توضیح داده شود

اولین ترانزیستورها
در اولیــن ماههــای سـال 1948 نخسـتین نمـونـه از یـک ترانزیـسـتـور (Transistor) که بدنه فلزی داشت در مجموعه آزمایشگاه های Bell ساخته شد. این ترانزیستور که قرار بود جایگزین لامپهای خلاء - الکترونیک - شود Type A نام گرفت. این ترانزیستور که کاربرد عمومی داشت و بسیار خوب کار می کرد یکسال بعد به تعداد 3700 عدد تولید انبوه شد تا در اختیار دانشگاه ها، مراکز نظامی، آزمایشگاه ها و شرکت ها برای آزمایش قرار گیرد. 

جالب آنکه این اختراع در زمان خود آنقدر مهم بود که هر عدد از این ترانزیستورها در بسته بندی جداگانه با شماره سریال و مشخصات کامل نگهداری می شد. همانطور که در شکل مشاهده می شود این ترانزیستور تنها دارای دو پایه بود. Collector و Emitter و پایه Base به بدنه فلزی آن متصل بود.

اولین نمونه ترانزیستور بدنه فلزی

اولین نمونه ترانزیستور بدنه پلاستیکی

نمونه اصلاح شده بدنه پلاستیکی تولید ترانزیستورهای بدنه فلزی تا سال 1950 ادامه داشت تا اینکه در این سال در آزمایشگاه های Bell اولین ترانزیستور با بدنه پلاستیکی ساخته شد. طبیعی بود که در اینحالت ترانزیستور می بایست سه پایه داشته باشد. اما به دلیل مشکلاتی که در ساخت این ترانزیستور وجود داشت تولید آن به حالت انبوه نرسید و در همان سال ترانزیستور های جدید دیگری با پوشش پلاستیکی جایگزین همیشگی آن شدند. 

ترانزیستورهای نسل جدید

این ترانزیستورهای جدید بجای بهره‌گیری از سیلیکون، با ایندیوم فسفاید (indium phosphide) و ایندیوم گالیوم آرسناید ( indium gallium arsenide) ساخته می‌شوند. این مواد با هم ترکیب می‌شوند تا یک ماده سه لایه ایجاد شود که پایه ترانزیستورهای دوقطبی (bipolar) را تشکیل می‌دهد. هر ترانزیستور از سه قسمت ساخته می‌شود که عبارتند از امیتر، بیس و کلکتور. تیم طراح می‌گوید که ساختار کلکتور را با افزودن ایندیوم، کریستاله می‌کنند تا هتروجانکشن سودومورفیک (pseudomorphic heterojunction) درست شود. این پیوند اجازه می‌دهد تا الکترونها آزادانه تر بین دو لایه حرکت کنند که در نتیجه این عمل، سرعت بالا حاصل می‌شود. میلتون فینچ پروفسور مهندسی برق و کامپیوتر هولونیاک در ایلینویز که این مطالب را عنوان نمود اضافه کرد که هنوز چند سالی با ارائه نمونه عملی این ترانزیستورها به بازار فاصله داریم زیرا قیمتی که برای این نمونه تنظیم شده است 100 برابر ترانزیستور ساخته شده از سیلیکون است هرچند که انتظار می‌رود با تولید انبوه، این هزینه تا 90 درصد کاهش یابد. یکی از نقاط ضعف این مواد جدید آنستکه بشدت نیرو مصرف می‌کنند که باعث می‌شود تا نتوان آنها را در میکروپروسسورها کنار هم قرار داد.

در سال 1971 میلادی اولین پردازنده شرکت اینتل به نام 4004 تعداد 2300 ترانزیستور داشت و30 سال بعد از آن پردازنده پنتیوم 4 تعداد 42 میلیون ترانزیستور داشت در طی این مدت استراتژی اصلی سازندگان تراشه ها برای ساختن پردازنده های سریعتر کوچکتر کردن ترانزیستورها بوده برای فعال کردن آنها در انجام اعمال تکراری و همچنین فعال کردن مدارهای بسیار پیچیده که درون یک طاس از جنس سیلیکون جاگذاری شده اند به هر حال نظر به اینکه نیم رساناها حتی بیشتر از پیچیده بودن مرحله ی مهمی را در اندازه و حجم و کارایی ترانزیستورها می گذارنند مانند مصرف برق و گرما که دارد پدیدار می شود که به چند عامل محدود می شوند که به سرعت در طراحی و ساخت تراشه ها بستگی دارد.کاربرد طرحهای موجود برای پردازنده های آینده به خاطر تراوش کنونی در ساختمان ترانزیستور غیر قابل انجام است که نتایجی را از قبیل مصرف زیاد برق و تولید زیاد گرما در برداشته است.
در اواخر سال 2002 شرکت اینتل از نوآوری و پیشرفتهای محققانش در زمینه ساختمان ترانزیستورها و نمایاندن مواد جدید که به عنوان یک گام مهم در تلاش برای حفظ موازین قانون میکروچیپ و بهبود بخشیدن سرعت و راندومان قدرت و کاهش گرمای تولید شده در پردازنده خبرداد.این ساختمان جدید که به عنوان یک به روز رسانی در پردازنده ها اضافه می شود به نام اینتل تراهرتز ترانزیستور می باشد و این به خاطر توانایی در خاموش و روشن کردن ترانزیستورها در مدت زمانی به اندازه یک ترلیونم از ثانیه است شرکت اینتل امیدوار است که سرانجام تراشه های جدیدی بسازد که تعداد ترانزیستور های آن بیشتر از یک بیلیون است باسرعتی ده برابر بیشتر و با تراکم ترانزیستوری،بیست و پنج برابر تمام تراشه های پیشرفته موجود در سال 2000.انجام چنین کاری این معنی را به عناصر تراشه می بخشد که آنها قادر به اندازه گیری مقادیری بسیار کوچکتر از تار موی انسان به اندازه 20 نانو متر هستند.

ترانزیستور اختراع ساده ای است که در یک ناحیه ی سیلیکونی ساخته شده است که آن فقط میتواند به صورت الکترونیکی یک تبدیل بین خاموش و روشن انجام دهد.مطابق آیین و برنامه ترانزیستورها آنها سه پایانه با اسامی Gate و Source و Drain دارند.Source و Drain نوع دیگری از سیلیکون اساسی و Gate ماده به نام پلیسیلیکون است.پایین Gate لایه ی نازکی به نام ماده عایق برق که از دی اکسید سیلیکون ساخته شده وجود دارد وقتی که ولتاژی به ترانزیستور داده می شود Gate باز یا روشن می شود و جریان برق از Source به Drain جاری می شود وقتی که Gate بسته یا خاموش است هیچ جریان برقی وجود ندارد.تکنولوژی اینتل تراهرتز در ترانزیستورها دو تغییر عمده را شامل می شود اولی این است که فاصله ی بین Source و Drain زیاد تر می شود و زیربنای این ترانزیستور ها به گونه ای است که فقط یک جریان الکتریسیته می تواند از آن عبور کند.دومی این است که لایه ی عایق سیلیکون که اندازه ی آن بسیار نازک است زیر Source و Drain جاسازی می شود. این روش با روش موسوم برای ایزوله کردن سیلیکون در بقیه ی اختراعات متفاوت است.وقتی ترانزیستور روشن است ماکسیسم رانشی است که می تواند داشته باشد که این در سرعت تبدیل حالت خاموش و روشن کردن ترانزیستور بسیار مفید است.وقتی که Gate خاموش است لایه ی اکسید راه جریانهای ناخواسته ای که در گردش می افتد را مسدود می کند.سومی این است که قطعه شیمیایی لایه ی اکسیدی Gate ی ترانزیستور را با Source و Drain مرتبط می سازد که باعث می شود یک ماده عایق جدید ایجاد شود که این روش توسط تکنولوژی به نام لایه ی اتمی رشد یافته است که این لایه هایی هستند که با کلفتی یک مولکول رشد یافته اند.قطعه شیمییایی خیلی دقیق لایه ی اکسیدی Gate تابه حال توانسته از جنس آلومینیوم و تیتانیوم از بین بقیه قطعات باشد.
این سه روش بهبود سازی مستقل از هم هستند اما کار آنها در آینده یک هدف را دنبال خواهد کرد که استفاده ی موثرتری از جریان برق توسط ترانزیستورهاست:

1- ضخیمتر کردن منطقه ی مورد استفاده برای Source و Drain و تغییر قطعه ی شیمییایی Gate اکسیدی که همه ی اینها به تراوش بدنه ی اصلی Gate کمک می کند زیرا جریان میتواند به خارج از Gate تراوش کند.ترانزیستور های کوچکتر راه فرار بیشتری می گیرند به خاطر همین طراحان مجبورند جریان الکتریسیته ی بیشتری برای پمپ کردن در نظر بگیرند که باعث تولید گرمای بیشتری می شود. شرکت اینتل ادعا می کند تراوش Gate در ماده جدید نسبت به دی اکسید سیلیکون 10000 برابرکاهش می یابد.
2- افزایش لایه ی عایق کننده سیلیکون ((SOI باعث کاهش مقاومت در برابر جریان گردشی بین Source و Drain می شود.درنهایت این کاهش مقاومت به طراحان این اجازه را خواهد داد که مصرف برق را کاهش دهند یا بازده و کارایی را نسبت به انرژی داده شده بهبود بخشند.
3- مزیتهای دیگری هم وجود دارد که آنها را نشان می دهیم.برای مثال: گردش آزادانه ذرات آلفا که از تماس با یک ترانزیستور در تراشه ها می تواند به طور ناگهانی باعث تغییر حالت آن یا بروز خطا شود که در آینده این ذرات بوسیله ی لایه ی عایق کننده (SOI) جذب می شوند.
پردازنده های کنونی پنتیوم4 با توان 45 وات نار می کنند.خوب است بدانیم که ترانزیستورهای تراهرتز درپردازنده های آینده قادر هستند مراحل اتلاف توان را حفظ کنند و قدرت را در فاصله ی 100 وات نگهدارند.
شرکت اینتل پیشنهاد کرده که می تواند با بکارگرفتن قسمتهایی از تکنولوژی تراهرتز در تولیدات آتی خود مثلا تراشه های 0.09 میکرونی در سال 2003 یا زودتر استفاده کند.در نهایت تغییرات شیمییایی و معماری مجزا در تکنولوژی جدید می تواند در نیمه دوم قرن جاری به اوج خود برسد.شرکت اینتل در سال 2007 تراشه هایی خواهد ساخت که با یک بیلیون ترانزیستور کار می کند اما با میزان مصرف برق پردازنده های پنتیوم 4 که در قرن حاضر مصرف می شوند.با چنین سرعت پیشرفت،از ترانزیستورهای جدید انتظار می رود پردازنده هایی با سرعت 10 گیگا هرتز در سال 2005 و تراشه هایی با 20 گیگاهرتز سرعت در پایان دهه تولید شود

سریع‌ترین ترانزیستور جهان توسط دكتر " فرشید رییسی " عضو هیات علمی دانشكده مهندسی برق دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی طراحی و ساخته شد.در طراحی این ترانزیستور به جای الكترون از سالیتان (بسته‌های امواج الكترو مغناطیسی ) كه با سرعت نور حركت می‌كند،استفاده شده است.رییسی درباره مزیت این طرح گفت:ترانزیستور سالیتانی می‌تواند صدها برابر سریع تر از ترانزیستورهای معمولی كه از جنس نیمه هادی هستند، عمل كند.وی افزود:این ترانزیستور در ابعاد ‪ ۸دهم میلیمتر ساخته شده است و سرعتی حدود ‪ ۸گیگاهرتز دارد كه در مقایسه با ترانزیستورهای معمولی (حدود ‪ ۲/۵گیگا هرتز) سه برابر بیشتر است و هر چه ابعاد آن كوچكتر باشد،سرعت ترانزیستور افزایش می‌یابد.وی با اشاره به اینكه قطعات مورد نیاز این ترانزیستور از خارج كشور تهیه می‌شود،گفت:تولید این ترانزیستور به آزمایشگاه‌های ساخت قطعات نیمه هادی نیازمند است كه متاسفانه در كشور وجود ندارد.وی افزود:در حالی كه هزینه تهیه یك آزمایشگاه ساخت ترانزیستور سالیتانی نسبت به هزینه آزمایشگاه‌های ساخت ترانزیستورهای كنونی بسیار كمتراست.دكتر رییسی خاطر نشان كرد:در صورت تجهیز آزمایشگاه قطعات نیمه هادی در كشور ،با تهیه ترانزیستورهای سالیتانی در ابعاد صد نانومتر ،می توان سرعت فركانسی آن را به حدود ‪ ۲۰۰تا‪ ۳۰۰گیگاهرتز رساند تا در مواردی نظیر ابررایانه‌ها وفعالیت‌های دفاعی كه سرعت ترانزیستور اهمیت دارد به كار رود.وی افزود:ترانزیستور سالیتانی علاوه بر سرعت سه برابر بیشتر نمونه اولیه آن نسبت به سریع‌ترین ترانزیستورهای موجود در بازار،از لحاظ هزینه تولید از ترانزیستورهای نیمه هادی با كاربردی در ‪ CPUهابسیار ارزانتر است.مقاله مربوط به طرح ابتكاری دكتر "فرشید رییسی" كه در مجله معتبر بین‌المللی ‪ Applied Physics Lettersآمریكا ارایه شده،بازتاب وسیعی در نشریات و رسانه‌های علمی فیزیك جهان داشته است.

ترانزیستور چگونه کار می کند
اعمال ولتاژ با پلاریته موافق باعث عبور جریان از یک پیوند PN می شود و چنانچه پلاریته ولتاژتغییر کند جریانی از مدار عبور نخواهد کرد. اگر ساده بخواهیم به موضوع نگاه کنیم عملکرد یک ترانزیستور را می توان تقویت جریان دانست. مدار منطقی کوچکی را در نظر بگیرید که تحت شرایط خاص در خروجی خود جریان بسیار کمی را ایجاد می کند. شما بوسیله یک ترانزیستور می توانید این جریان را تقویت کنید و سپس از این جریان قوی برای قطع و وصل کردن یک رله برقی استفاده کنید. موارد بسیاری هم وجود دارد که شما از یک ترانزیستور برای تقویت ولتاژ استفاده می کنید. بدیهی است که این خصیصه مستقیما" از خصیصه تقویت جریان این وسیله به ارث می رسد کافی است که جریان وردی و خروجی تقویت شده را روی یک مقاومت بیندازیم تا ولتاژ کم ورودی به ولتاژ تقویت شده خروجی تبدیل شود.

جریان ورودی ای که که یک ترانزیستور می تواند آنرا تقویت کند باید حداقل داشته باشد. چنانچه این جریان کمتر از حداقل نامبرده باشد ترانزیستور در خروجی خود هیچ جریانی را نشان نمی دهد. اما به محض آنکه شما جریان ورودی یک ترانزیستور را به بیش از حداقل مذکور ببرید در خروجی جریان تقویت شده خواهید دید. از این خاصیت ترانزیستور معمولا" برای ساخت سوییچ های الکترونیکی استفاده می شود.

از لحاظ ساختاری می توان یک ترانزیستور را با دو دیود مدل کرد.
ترانزستورهای اولیه از دو پیوند نیمه هادی تشکیل شده اند و بر حسب آنکه چگونه این پیوند ها به یکدیگر متصل شده باشند می توان آنها را به دو نوع اصلی PNP یا NPN تقسیم کرد. برای درک نحوه عملکرد یک ترانزیستور ابتدا باید بدانیم که یک پیوند (Junction) نیمه هادی چگونه کار می کند.
در شکل اول شما یک پیوند نیمه هادی از نوع PN را مشاهده می کنید. که از اتصال دادن دو قطعه نیمه هادی P و N به یکدیگر درست شده است. نیمه هادی های نوع N دارای الکترونهای آزاد و نیمه هادی نوع P دارای تعداد زیادی حفره (Hole) آزاد می باشند. بطور ساده می توان منظور از حفره آزاد را فضایی دانست که در آن کمبود الکترون وجود دارد.
اگر به این تکه نیمه هادی از خارج ولتاژی بصورت آنچه در شکل نمایش داده می شود اعمال کنیم در مدار جریانی برقرار می شود و چنانچه جهت ولتاژ اعمال شده را تغییر دهیم جریانی از مدار عبور نخواهد کرد (چرا؟).
این پیوند نیمه هادی عملکرد ساده یک دیود را مدل می کند. همانطور که می دانید یکی از کاربردهای دیود یکسوسازی جریان های متناوب می باشد. از آنجایی که در محل اتصال نیمه هادی نوع N به P معمولآ یک خازن تشکیل می شود پاسخ فرکانسی یک پیوند PN کاملآ به کیفیت ساخت و اندازه خازن پیوند بستگی دارد. به همین دلیل اولین دیودهای ساخته شده توانایی کار در فرکانسهای رادیویی - مثلآ برای آشکار سازی - را نداشتند.
معمولآ برای کاهش این خازن ناخاسته، سطح پیوند را کاهش داده و آنرا به حد یک نقطه می رسانند

طرز کار ترانزیستور اثر میدانی ( FET )

همانگونه که از نام این المان مشخص است، پایه کنترلی آن جریانی مصرف نمی کند و تنها با اعامل ولتاژ و ایجاد میدان درون نیمه هادی ، جریان عبوری از  FET  کنترل می شود. به همین دلیل ورودی این مدار هیچ کونه اثر بارگذاری بر روی طبقات تقویت قبلی نمی گذارد و امپدانس بسیار بالایی دارد.

نام گذاری (کد گذاری) ترانزیستورها

در این مقاله 3 روش استاندارد وعمده کد گذاری ترانزیستورها شرح داده می شود البته این روش ها برای کد گذاری قطعات نیمه هادی دیگر مانند دیود ها ، تریاک ها و... نیز به کار می روند.

1.(Joint Electron Device Engineering Council (JEDEC

2.نام گذاری ژاپنی (Japanese Industrial Standard (JIS

قسمت عدد: در این قسمت همیشه عددی که یکی کمتر از تعداد پایه های ترانزیستور است قرار می گیرد. یعنی برای ترانزیستورهای 3 پایه عدد 2 و اگر ترانزیستور 4 پایه ای وجود داشته باشد عدد 3. توجه داشته باشید که اعداد 4 و 5 به اپتوکوپلرها مربوط می شوند نه به ترانزیستورها. بنابراین شاید بتوان گفت که برای ترانزیستورها همیشه در این قسمت عدد 2 قرار می گیرد.

قسمت حرف: در این قسمت همیشه حرف  "N" قرار می گیرد.

قسمت شماره سریال: در این قسمت اعدادی از 100 تا 9999 قرار میگیرد و هیچ اطلاعاتی بجز زمان تقریبی ابداع و معرفی ترانزیستور را به ما نمی دهد. مثلا ترانزیستوری که سریال نامبرش 904 باشد زودتر از ترانزیستوری که سریال نامبرش 2221 است ، ساخته شده است.

قسمت پسوند: این قسمت اختیاری است و محدوده بهره ( بتا hfe ) ی ترانزیستور را مشخص می سازد. به این صورت که حرف A برای ترانزیستورهای با بهره کم ، حرف B برای ترانزیستورهای با بهره متوسط ، حرف C برای ترانزیستورهای با بهره بالا و اگر دراین قسمت هیچ حرفی نباشد ترانزیستور می تواند هر یک از بهره های فوق را داشته یاشد.

مثال: 2N3819, 2N2221A, 2N904

2 - نام گذاری ژاپنی (Japanese Industrial Standard (JIS :

      فرم یا مد اصلی کد گذاری در این روش به صورت زیر است ( از چپ به راست بخوانید):

( پسوند) ، شماره سریال ، دو حرف ، عدد
digit, two letters, serial number, [suffix]

قسمت عدد: در اینجا نیز عددی که یکی کمتر از تعداد پایه ها است قرار می گیرد. که عموما عدد 2 است.

قسمت دوحرفی: این دو حرف محدوده کاربرد و نوع قطعه را به صورت کدهای زیر مشخص می سازند:

SA: PNP HF transistor
SB: PNP AF transistor
SC: NPN HF transistor
SD: NPN AF transistor
SE: Diodes
SF: Thyristors
SG: Gunn devices
SH: UJT
SJ: P-channel FET/MOSFET
SK: N-channel FET/MOSFET
SM: Triac
SQ: LED
SR: Rectifier
SS: Signal diodes
ST: Avalanche diodes
SV: Varicaps
SZ: Zener diodes

قسمت شماره سریال: این قسمت نیز همانند روش قبل می باشد و از عدد 10 شروع می شود تا 9999 .

قسمت پسوند: این قسمت اختیاری است و هیچ گونه اطلاعاتی از قطعه به ما نمی دهد.

در این روش به این دلیل که کد ترانزیستورها با 2S شروع می شود در بعضی موارد ممکن است که این دو حذف شوند مثلا به جای اینکه روی ترانزیستور نوشته شده باشد 2SC733 ، بطور خلاصه نوشته می شود C 733. 

مثال: 2SA1187, 2SB646, 2SC733