آشنایی با ترانزیستور

با نام و یاد خداوند مهربان. در این جلسه می خواهیم با قطعه پرکاربردی به نام ترانزیستور آشنا شویم.

در ابتدا باید بدانیم که ترانزیستور چیست؟

ترانزیستور یک قطعه در الکترونیک است که برای قطع یا وصل یا تقویت سیگنال ها به کار می رود. در مدارهای دیجیتال برای سوئیچینگ( – قطع و وصل) ولتاژ یا جریان به کار می رود بدون اینکه هیچ قطعه متحرکی داخل ترانزیستور باشد  و در مدارهای آنالوگ برای تقویت کردن سیگنال ها استفاده می شود. 

شکل زیر دسته بندی کلی ترانزیستورها را نشان می دهد:

به طور کلی ترانزیستورها به دو دسته ترانزیستورهای اتصال دو قطبی (BJT) و ترانزیستور اثر میدانی(FET) تقسیم می شوند که تمرکز ما در این جلسه روی ترانزیستورهای اثر میدانی می باشد.تقسیم بندی زیر را در نظر داشته باشید تا در ادامه تمام قسمت های مربوط به ترانزیستورهای اثر میدانی را با هم بررسی کنیم.

ساختار ترانزیستورهای اثر میدان

ترانزیستورهای اثر میدان عنصری سه پایه هستند شامل GATE، Drain، Source که به صورت قطعه جداگانه موجود می باشند و مهمترین استفاده از آن ها در ساخت مدارهای مجتمع IC ها می باشد.

پایه Gate پایه تحریک ترانزیستور است و با اعمال ولتاژ به این پایه ، ترانزیستور کنترل می شود یعنی تصمیم می گیرد ترانزیستور قطع باشد یا وصل.

ترانزیستورهای اثر میدان (فت ها) طبق شکل بالا به دو دسته تقسیم می شوند:

• JFET
• MOSFET

— JFET

JFET ساده ترین نوع ترانزیستور اثر میدان هست. که شامل دو نوع P  کانال (JFET P-Channel) و N کانال (JFET N-Channel)  می باشد. ساختار P کانال (JFET P-Channel) و N کانال (JFET N-Channel) مشابه هم هستند که در ابتدا ساختار P کانال را بررسی می کنیم.

JFET نوع P یک استوانه نیمه هادی از نوع P می باشد. که دو طرف استوانه هم مطابق شکل پایه های drain و source  می باشد. وسط استوانه را کمربندی از نوع مخالف یعنی N گرفته است این قسمت پایه Gate می باشد. این کمربند (یا همان پایه Gate) جریان عبوری از drain و source را کنترل می کند چیزی شبیه جریان آب در شلنگ که می توانیم با فشار دست جریان را کنترل کنیم.

برای JFET نوع N کانال ، ساختار مشابه شکلی است که برای p کانال توصیف کردیم.در تصویر بالا می توانیم سمبل مداری JFET ها را مشاهده کنیم.

روند کار ترانزیستورJFET

با اعمال ولتاژ به دو سر Drain و Source یک JFET، بار الکتریکی از طریق یک کانال نیمه هادی (نوع N یا P) بین دو ترمینال های drain و source جریان دارد . با اعمال یک ولتاژ به ترمینال Gate و Source جریان عبوری از این کانال کنترل می شود.

یک JFET نوع N کانال را در نظر می گیریم. به drain و source ولتاژ اعمال می کنیم به طوری که Drain نسبت به Source مثبت باشد. با اعمال ولتاژ به drain و source ،جریان از source به drain برقرار می شود .(که جریان عبوری را با Id نشان دادیم )  چون بین drain و source یک نیمه هادی می باشد مثل یک مقاومت عمل می کند. این مقاومت بسته به جریان عبوری از کانال ، مقدارش تغییر می کند . مقدار جریان هم به مقدار ولتاژ اعمالی به drain و source بستگی دارد،هر چه ولتاژ بیشتر جریان عبوری بیشتر است.

با توجه به اینکه گفتیم در مدل N کانال، اکثریت حاملین بار در جریان عبوری از کانال، الکترون ها هستند ، براثر حرکت الکترون ها، در ناحیه P منطقه تخلیه ایجاد می شود (مطابق شکل قسمت زرد رنگ) که هر چه جریان عبوری بیشتر باشد این ناحیه تخلیه بزرگتر می شود . به طوری که به ازای ولتاژی خاصی، به حدی این ناحیه بزرگ می شود و منطقه عبوری الکترون ها باریک می شود که از آن ولتاژ به بعد جریان Id افزایش پیدا نمی کند (که به آن جریان اشباع drain – source گفته می شود ) و به همین شکل باقی می ماند :

در این حالت وقتی به Gate و source ولتاژی بایاس معکوس اعمال کنیم. وضعیت تغییر می کند. اگر ولتاژ اعمالی به Gate و source معکوس باشد یعنی Gate نسبت به S منفی باشد، در این حالت ناحیه تخلیه باز هم بزرگتر می شود و به ازای ولتاژ گرایش معکوس بیشتر (Vgs) به حدی بزرگ می شود که ارتباط بین drain و source کاملا قطع می شود و مقاومت drain و source بی نهایت می شود و ترانزیستور به ناحیه قطع می رود.

بالعکس اگر ولتاژ اعمالی به Gate و source مستقیم باشد یعنی Gate نسبت به S مثبت باشد در این حالت ناحیه تخلیه کوچکتر می شود ، مقاومت بین آن ها رو به صفر کاهش پیدا می کند و جریان drain – source بیشتر می شود و هدایت JFET ما بیشتر می شود.

نکته: چون JFET ها از یک ولتاژ برای اعمال به ترمینال (Gate)  استفاده می‌کنند و جریان گذرنده از کانال متناسب با این ولتاژ‌ ، کم و زیاد می شود و همچنین عملکرد FET مبتنی بر یک میدان الکتریکی حاصل از ولتاژ Gate  است به آن ترانزیستور اثر میدان گفته می شود و ترانزیستورهای اثر میدان، یک قطعه مبتنی بر ولتاژ می باشند.

شناسایی پایه ها

برای شناسایی پایه ها از مالتی متر دیجیتالی استفاده می کنیم . همانطور که در تصویرهای قبلی ساختار JFET را به تصویر کشیدیم، بین D و S مقاومت وجود دارد و پایه Gate با یک دیود به دو پایه دیگر وصل شده است. با توجه به این ساختار نحوه تست JFET را بررسی می کنیم.

• مالتی متر را روی تست دیود قرار می دهیم : بین G و D یک دیود و مقاومت وجود دارد و بالعکس بین G و S هم یک مقاومت و دیود وجود دارد(طبق تصاویر قبلی). بنابراین هر پایه ای که با دو پایه دیگر حالت دیودی داشته باشد یعنی از یک جهت راه بدهد و از جهت دیگر راه ندهد ، پایه G می باشد.
• تا اینجا پایه G را پیدا کردیم حالا مالتی متر را روی اهم قرار می دهیم : پراپ ها را به پایه G و یکی دیگر از پایه ها (D یا S) وصل می کنیم. در حالتی که اهم متر راه می دهد (یعنی عدد می اندازد چون گفتیم حالت دیودی دارد و فقط از یک طرف راه می دهد) و اهم کمی نشان می دهد ، اگر پراپ قرمز به G وصل باشد ماسفت N کانال است و اگر پراپ مشکی به G وصل باشد ماسفت P کانال است .
• مالتی متر را روی اهم قرار می دهیم: و پراپ را به پایه ها وصل می کنیم، بین D و S در هر دو نوع JFET ( N یا P) حالت مقاومت دارد یعنی اهم متر ، بین این دو پایه مقاومت نشان می دهد.
• برای شناسایی پایه D و S باید به اهم G-S و G-D توجه کنیم. در حالتی که اهم متر راه می دهد (چون گفتیم Gate نسبت به دو پایه دیگر حالت دیودی دارد)، معمولا اهم بین G-D بزرگتر از اهم بین G-S می باشد و به این صورت می توانیم پایه D و S را تشخیص دهیم.

برای JFET نوع P هم به همین شکل می باشد.

نکته: به دلیل اینکه JFET ها دقیقا متقارن ساخته می شود یعنی اگر آن را نصف کنیم قسمت بالایی و پایینی ساختمان داخلی یکسان است بنابراین اگر D و S جابه جا شود مشکلی پیش نمیاد. با این اوصاف JFET تنها ترانزیستوری است که می توانیم آن را برعکس در مدار جاگذاری کنیم.

— MOSFET

در ادامه می خواهیم در مورد ماسفت ها که نوع دیگری از ترانزیستورهای اثر میدان هستند، صحبت کنیم .

عمده تفاوت ماسفت ها با JFETها این است که پایه Gate با لایه ای از اکسید سیلیسیوم از کانال مجزا شده است به این دلیل به ماسفت ها ، فت با گیت مجزا یا گیت ایزوله‌ شده گفته می شود(Insulated Gate Field Effect Transistor).

از بزرگترین مزایای ماسفت ها، نویز کم آن ها در مدار می باشد در حالی که JFET ها بسیار حساس هستند و حتی با الکتریسته ساکن بدن هم ترکیب می شوند . مزیت دیگر ماسفت ها این است که لایه اکسید بین GATE و کانال مانع از شارژ  جریان DC از طریق ترمینال GATE می شود در نتیجه اتلاف توان کم شده و امپدانس ورودی خیلی بالا می رود.

در ساخت اکثر مدارهای مجتمع (IC) از ماسفت استفاده می شود چرا؟

• دلیل اول: برخلاف ترانزیستورهای دو قطبی ، در مدارهای مجتمع ای که ماسفت ها به کار می رود، نیازی به قطعه اضافه مثل دیود، مقاومت و …نیست
• دلیل دوم: کم حجم بودن ماسفت هاست.

ساختار ماسفت

در اصل ماسفت عنصری 4 پایه است : GATE ، DRAIN، SOURCE ، زیر لایه یا بدنه

ولی زیر لایه را از داخل به پایه S وصل می کنند و ماسفت را به عنوان عنصر سه پایه عرضه می کنند.

اصولا ماسفت ها دو نوع اند :

• کاهشی یا تخلیه ای یا کانال تهی شونده معروف به D-mosfet
• افزایشی یا کانال تشکیل شونده معروف به E-mosfet

سمبل های مداری D-mosfet و ساختمان داخلی آن را در تصویر زیر می بینیم:

رفتار ماسفت کاهشی  یا تخلیه ای یا کانال تهی شونده معروف به D-mosfet

در ادامه می خواهیم D-mosfet نوع N کانال را بررسی کنیم:

توجه داشته  باشید که نیمه هادی از نوع P زیر لایه است و کانال اصلی قسمت سبز رنگ است که از نوع N است و ماسفت N کانال است.

نکته: در JFET ها نوع استوانه اصلی ، مشخص کننده نوع ماسفت بود (N کانال یا P کانال) ولی در ماسفت ها کانال مشخص کننده نوع آن است (N کانال یا P کانال).

این ماسفت های نوع N از یک قطعه نیمه هادی نوع P با ناخالصی کم ساخته می شود، درون این نیمه هادی دونوع ناحیه N با ناخالصی زیاد وجود دارد(سبز پر رنگ) که با کانال باریکی با ناخالصی کمتر (سبز کم رنگ) بهم وصل شده اند و پایه D و S از طریق این کانال به هم وصل می شوند.

پایه GATE با صفحه نازکی از جنس اکسید سیلسیوم از کانال عایق شده است. این عایق باعث می شود که جریان در پایه Gate خیلی پایین بیاید و ترانزیستور در حالتی که فعالیتی ندارد(بی باری)، جریان خیلی اندکی بکشد.

با وصل منبع تغذیه به پایه D و S به صورتی که D نسبت به S مثبت باشد (Vds) ، در این حالت جریانی در کانال N ایجاد می شود که در اثر این جریانی که از D به S کشیده می شود ناحیه تهی از بار الکتریکی زیر لایه اکسید ایجاد می شود(قسمت آبی رنگ) به همین دلیل به آن ماسفت کانال تهی شونده گویند.

هر چه مقدار ولتاژ بین D و S بیشتر شود(Vds)، این ناحیه (آبی رنگ )بزرگتر می شود و گرفتگی کانال بیشتر می شود و یک ولتاژ آستانه ای وجود دارد که وقتی به آن مقدار می رسد کانال کامل گرفته می شود و دیگر افزایش ولتاژ اثری ندارد و جریان عبوری هم بیشتر نمیشود و جریان اشباع ترانزیستور در این حالت می باشد.

شکل اول :حالا اگر در این حالت بین G و S بایاس معکوس قرار بدهیم به این شکل که G ولتاژ منفی و S ولتاژ مثبت باشد . ناحیه تهی ایجاد شده بزرگتر می شود و الکترون ها از کانال رانده می شوند و به جای آنها یون مثبت باقی می ماند و در مقابل در ناحیه Gate بار منفی تجمع پیدا می کند به این ترتیب جریان D پایین می آید به حدی که به صفر می رسد و ماسفت قطع می شود.

شکل دوم: با اتصال مثبت به Gate و منفی به S  قضیه برعکس می شود جریان افزایش پیدا می کند و اهم بین D و S رو به صفر می رود و تقویت در مدار انجام می شود.

عملکرد D-mosfet – نوع P کانال شبیه N کانال می باشد با این تفاوت که ولتاژ ها برعکس می باشد یعنی هر جا مثبت اعمال کردیم  باید منفی اعمال کنیم.

رفتار افزایشی یا کانال تشکیل شونده معروف به E-mosfet

مهمترین ترانزیستور اثر میدان ماسفت های افزایش هستند .این ماسفت برخلاف ماسفت کاهشی( (D-mosfet ، کانال به هنگام ساختن قطعه ایجاد نمی شود ( کانالی که اتصال بین دو پایه S و D را برقرار می کرد طبق تصویر ، در ساختار مدل Emosfet حذف شده است لذا با اعمال ولتاژ بین دو پایه D و S ، هیچ جریانی بین  D و S برقرار نمی شود.

بین Drain و زیر لایه کانال P یک دیود ، بین Source و زیر لایه هم یک دیود (طبق تصویر) وجود دارد  که این دو دیود به عکس-پشت به پشت هم وصل شده اند . بنابراین هر ولتاژی به دو سر D و S اعمال کنیم به هیچ وجه این دو دیود جریان را عبور نمی دهند (اگر مثبت به D و منفی به S متصل شود دیود اول باز دومی بسته عمل می کند و بالعکس دیود اولی بسته و دومی باز عمل می کند). این خصوصیت یکی از مزیت های ماسفت افزایشی E-mosfet به حساب می آید که در حالت بی باری جریانی بین D وS برقرار نمی شود و اتلاف توان نداریم.

اگر ولتاژی به یک ترانزیستور N-channel افزایش (E-mosfet) اعمال کنیم به طوریکه D نسبت به S مثبت باشد جریانی برقرار نمی شود به دلیل وجود دو دیودی که گفتیم تا مادامی که ولتاژی به Gate اعمال شود.

اگر ولتاژی به G و S اعمال کنیم به طوری که G نسبت به S مثبت باشد این ولتاژ موجب می شود که میدانی در پایه Gate ایجاد شود که منجر به جذب تعدادی الکترون های آزاد از نواحی N ها و P به سمت ترمینال Gate می شود و نزدیکی ناحیه G بار منفی ایجاد می شود ( و بالطبع در ترمینال Gate بار مثبت خواهیم داشت)  و از تجمع این الکترون ها دو ناحیه N  به هم وصل می شوند و کانال باریکی بین D و S ایجاد می شود و به همین دلیل به این ماسفت ، ماسفت تشکیل شونده نیز گویند.

وقتی در ناحیه کانال به اندازه کافی الکترون ها جمع شدند جریان بین D و S برقرار می شود و ترانزیستور به ناحیه فعالیت می رسد.

اگر ولتاژ بین G و S را ( در گرایش مستقیم یعنی G مثبت و S منفی) افزایش دهیم مقدار جریان بین D و S افزایش می یابد و مقاومت بین D و S رو به کاهش می رود و حداقل ولتاژی که لازم است بین G و S اعمال شود تا جریان Drain برقرار شود ، ولتاژ آستانه روشن شدن ترانزیستور می گویند و آن را VGS(th) نمایش می دهند. مقدار این ولتاژ با توجه به نوع ساخت ترانزیستور فرق می کند و از 1 ولت تا 3 ولت در ترانزیستورهای مختلف متفاوت است معمولا به صورت نرمال 2 ولت است.

هر چه این ولتاژ بیشتر شود عرض کانال تشکیل شونده بین D و S بیشتر می شود و بالطبع جریان ترانزیستور بیشتر و مقاومت بین D و S کمتر خواهد شد.

در حالت بالعکس یعنی ولتاژ مثبت به S و منفی به G بدهیم (بایاس معکوس) ترانزیستور رو به قطع می رود و مقاومتش بی نهایت می شود .

در نوع P کانال عملکرد دقیقا به همین شکل است منتها ولتاژ ها بالعکس می باشد.

نکته: در ماسفت های معمولی E-mosfet ، به علت نازک بودن لایه تشکیل شده بین D و S ، در جریان های بالا ، مقاومت نسبتا بالایی بین این دو پایه ایجاد می شود بنابراین از این نوع ماسفت ها ، در قدرت های پایین استفاده می شود. برای حل این معضل ساختار ماسفت های معمولی را تغییر دادند و کانال ها را کوتاه تر کردند. در نتیجه مقاومت کمتری بین D و S ایجاد می شود تحمل ترانزیستور در جریان و ولتاژ های بالا  ، بیشتر می شود به این مدل ماسفت ها ، ماسفت قدرت می گویند. ماسفت های قدرت به LD Mosfet یا power mosfet هم معروف هستند و به لحاظ شکل ظاهری کانال در ساختار داخلی، با نام های مختلفی در بازار ارائه می شوند مثلا: ماسفت های با نفوذ دوگانه معروف به Dmosfet ، ماسفت های عمودی =Vmosfet، ماسفت T= T-mosfet ، ماسفت U = U-mosfet و ماسفت لانه زنبوی .

نکته: اکثرا از ماسفت های افزایشی به عنوان ماسفت قدرت استفاده می شود.

در تصویر شماتیک یک ترانزیستور قدرت را می بینیم:

پایه وسط که به بدنه فلزی وصل است D است و پایه سمت راستی D ، پایه S می باشد و پایه سمت چپی G است.

سمبل این ماسفت را در تصویر  می بینیم . در تمامی ماسفت های قدرت دیود یا دیود زنر بین D و S وجود دارد این برای این است که ترانزیستور را در گرایش های معکوس آنی محافظت کند.( یعنی چی؟ فرض کنید اگر به این ماسفت ولتاژ 100 ولت اعمال شده باشد و جریان بین D و S برقرار باشد ، اگر در آن واحد این ولتاژ قطع شود یعنی 0 ولت شود، در S این ولتاژ در آن واحد صفر نمی شود و ولتاژی با مقدار مثبت در S ایجاد می شود و دیود مانع از ولتاژ معکوس بین D و S می شود و ماسفت صدمه نمی بیند)

نکته: توجه داشته باشید اگر خطوط زیر پایه G بریده ، بریده باشد ماسفت افزایشی و اگر ممتد باشد ماسفت کاهشی خواهد بود.

ماسفت هایی که جدیدا در مادربردها استفاده می شود 8 پایه می باشد .ماسفتی که در تصویر زیر می بینیم N-channal افزایشی می باشد.

نحوه تشخیص پایه ها

 سمتی که فرورفتگی دارد اولین پایه ،پایه 1 می باشد . پایه چهارم  G می باشد و 4 تا پایه روبه رویی D می باشد یا با کمک اهمتر و تست بوق، چهارتا پایه ای که به هم راه می دهند D می باشند، 3 پایه ای که  به هم راه می دهند S و نهایتا تک پایه G می باشد.

مدل دیگر ماسفت 8 پایه به شکل زیر می باشد:

برخی ماسفت ها ظاهرا شبیه ماسفت بالایی هستند ولی ساختار داخلی کاملا متفاومت است.تصویر زیر ماسفت دو گیت را نمایش می دهد . در این مدل ، دوماسفت در یک قالب هستند که طریق تست شون هم متفاوت است بنابراین قبل از هر تعمیراتی ، حتما شماتیک ها را بررسی می کنیم.

نکته: ماسفت های  پشت پلاستیک نیازی به پد عایق ندارند ولی نوع فلزی چون ولتاژ بالایی روی D می باشد حتما باید عایق شوند.

طریقه تست ماسفت ها

• اگر ماسفت رو به شکلی قرار بدهیم که مشخصات روی آن را ببینیم : پایه وسط D ، پایه سمت راستی S و پایه سمت چپی G می باشد.(در شماتیک هم مشخص است)
• طبق شماتیک بین D و S دیود یا دیود زنر وجود دارد. اهمتر را روی تست اهم قرا می دهیم . یکی از پراپ ها را به D و دیگری را به S وصل می کنیم . اگر اهمتر ، اهمی نشان داد و پراپ قرمز به S وصل بود ماسفت N-channel است و اگر پراپ مشکی به S وصل باشد ماسفت P-channel است.در صورتی که جای پراپ ها را عوض کنیم نباید اهم متر عددی بیاندازد. (طبق شماتیک Dو S از یه طرف راه می دهند و از یه طرف راه نمی دهند)
• حالا پراپ مشکی را روی G قرار می دهیم و پراپ قرمز را یک بار به S و یک بار D می زنیم در هر دو حالت نباید عدد بیندازد.مجدد پراپ را عوض میکنیم و قرمز را به G وصل می کنیم و مشکی را به دو پایه دیگر میزنیم باز هم نباید اهمتر ،اهمی نشان دهد.( نکته: پایه G به پایه D و S راه نمی دهد و این بخاطر همون لایه دی اکسیدسیلسیوم هست که بین پایه G و کانال ایزوله شده و عایق است.)

نکته: ممکن است الکتریسته ساکن بدن روی ماسفت ها تاثیر بگذارد و اهم های مشکوکی نشان دهد . برای اینکه از تست مون مطمئن شویم هر سه تا پایه را همزمان به یک فلز می زنیم بدون اینکه به دستمان برخورد کند.