الترانزستور

بحث متقدم

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

الترانزستور

ترانزستور

Transistor -

الترانزستور

الترانزستور

الأنواع الرئيسة للترانزستورات

الترانزستورات ثنائية القطبية ذات الوصلة

الترانزستورات ذات الأثر الحقلي والوصلة

الترانزستورات MOSFET

أنواع أخرى

حل الترانزستور transistor محل الصمامات المفرغة كعناصر إلكترونية تمثيلية ورقمية. وأصبحت صناعة الدارات الإلكترونية الحديثة تعتمد كليّاً على الترانزستورات خاصة في تقانة (تكنولوجيا) الدارات المتكاملة التمثيلية والرقمية digital and analog integrated circuits.

تُصنع الترانزستورات على نحو أساسي من أنصاف نواقل نقية كالسليكون والجرمانيوم يضاف إليها شوائب impurities معيّنة؛ لينتج ما يسمى بالسليكون المشوب والجرمانيوم المشوب والتي تقع في ناقليتها بين العوازل والنواقل، ويمكن التحكم بناقليتها على نحو كبير ومحكم، بيد أن صناعة الدارات المتكاملة تعتمد على نحو كامل على عناصر الترانزستورات السليكونية بسبب تسريبها الضعيف والذي يُعدّ مسألة مهمّة جدّاً في هذه الصناعة.

الأنواع الرئيسة للترانزستورات

1- الترانزستورات ثنائية القطبية ذات الوصلة Bipolar Junction Transistors (BJTs) :

هي ترانزستورات محكومة بالتيار، ويعتمد التيار المار فيها على حركة الثقوب holes وحركة الإلكترونات معاً، لذلك تدعى ثنائية القطبية أو ثنائية الحوامل، وتعتمد في تركيبها على وصلتي ديود مختلفي الأشابة متعاكستين في القطبية، لذلك تدعى بذات الوصلة.

هناك نوعان من هذه الترانزستورات:

ترانزستورات NPN: وهي أكثر جودة من ناحية الخصائص الكهربائية، وتتألف من ثلاث طبقات من أنصاف النواقل المشوبة المختلفة في بنيتها من حيث نوع الإشابة doping وعمقها، تدعى من حيث نوعية تسلسل طبقاتها (N, P, N).

ترانزستورات PNP: وهي أقل جودة، وتدعى (P,N,P)؛ لكنها ضرورية في بعض التطبيقات خاصة في صناعة الدارات المتكاملة.

ويتألف كلا النوعين من هذه الترانزستورات من وصلتين: وصلة قاعدة-باعث Base-Emitter (BE) junction، ووصلة مجمع-قاعدة Collector-Base (CB) junction.

تستخدم هذه العناصر بأحد تطبيقين رئيسيين:

أ- دارات تمثيلية analog circuits:

في هذا النوع من التطبيقات تكون وصلة القاعدة -باعث (BE) منحازة أماميّاً forward bias؛ ووصلة المجمع-قاعدة (CB) منحازة عكسياً reverse bias، والتيار المار خلال الترانزستور مؤلف من الثقوب والإلكترونات، وذلك كما في الشكلين (1 و2).

الشكل (1) ترانزستور NPN حيث وصلة القاعدة-باعث (BE- junction) منحازة أمامياً ووصلة المجمع قاعدة (CB-junction) منحازة عكسياً.

الشكل (2) ترانزستور PNP حيث وصلة القاعدة - باعث (BE- junction) منحازة أماميا أيضاً ووصلة المجمع قاعدة (CB-junction) منحازة عكسياً.

ويبين الشكل (3) الشكل الرمزي (الكهربائي) لكلا نوعي الترانزستور، حيث الشكل (أ) للترانزستور NPN والشكل (ب) للترانزستور PNP.

الشكل (3) الشكل العملي (الكهربائي) للترانزستورين NPN، PNP.

عمل هذه الترانزستورات الرئيسي هو تكبير الإشارة المتناوبة المطبقة على مدخل المكبر. هناك ثلاثة تشكيلات لهذه الدارات، لكلّ مزاياها، وتدعى: دارة الباعث المشترك Common Emitter (CE) ودارة المجمع المشترك Common Collector (CC)ودارة القاعدة المشتركة Common Base (CB). يمكن أن يكون التطبيق الرئيسي الثاني لهذه الدارات العمل كمرشحات filters للإشارة المتناوبة، إضافة إلى تطبيقات أخرى مثل: محددات المستوى level limiters، ومزيحات الإشارة signal shifters، وديودات ذات خصائص ممتازة، ومنظمات جهد وتيار regulators، ومنابع وعواكس للتيار، ودارات مختلطة (تمثيلية، رقمية) A to D and D to A. وجميع هذه التطبيقات هي تطبيقات خطية linear، أي هنالك على نحو عام استمرارية زمنية في تغير الإشارة.

لا يختلف تحليل دارات هذه الترانزستورات وتصميمها من ناحية الدراسة المتناوبة باستخدام الدارة المكافئة. تختلف الدراسة فقط من الناحية المستمرة، حيث تطبق بالنسبة إلى العناصرNPN وحدات تغذية موجبة على المجمع بالنسبة إلى طرف الباعث. أمّا بالنسبة إلى العناصرPNP فتطبق وحدات تغذية سالبة. يبين الشكل (4) مثالاً لدارة مكبر بتشكيلة باعث مشترك يستخدم ترانزستوراً من نوع NPN. حيث يقوم بتضخيم الإشارة المتناوبة المطبقة على دخله.

الشكل (4) مكبر BJT بتشكيلة باعث مشترك.

ب- دارات رقمية digital circuits:

تكون الترانزستورات -في هذا النوع من التطبيقات وصلة المجمع-قاعدة منحازة عكسياً؛ ووصلة القاعدة-باعث مفتوحة، ويطبق عليها إشارة الدخل الرقمية ذات مستويين فقط.

هذان المستويان هما: مستوى عالٍ يؤدي بالترانزستور إلى حالة الإشباع saturation (مرور تيار عالٍ) أو مستوى منخفض low - level or 0 Logic الذي يؤدي بالترانزستور إلى حالة القطع cut - off (مرور تيار صفري). وهكذا يعمل الترانزستور كقاطع إلكتروني؛ أي إنه يعمل كدارة رقمية أو كدارة غير خطية لوجود عدم استمرارية بين حالتي الإشباع والقطع. يبين الشكل (5) -على سبيل المثال- دارة ترانزستور NPN بتشكيلة باعث مشترك يعمل كقاطع إلكتروني (دارة رقمية) فيما لو طبق على دخله (قاعدته) مستوى منخفض أوعالٍ بين منطقة القطع أو الإشباع، في حين يمكن أن يعمل كدارة مكبر (دارة خطية) فيما لو طبق عليه إشارة دائمة متناوبة في المنطقة الفعالة active region أو ما يسمى بالنمط الفعال active mode.

الشكل (5)

أ- دارة القاطع، ب - خواص التحويل والمنطقة الخطية وغير الخطية.

عموماً حتى يعمل الترانزستور في المنطقة الفعالة يجب أن تتحقق المتراجحة (1) بالنسبة إلى النوع N مثلاً:

ولكي يعمل في مجال الإشباع (الحالة الرقمية) يجب أن تتحقق المتراجحة (2):

علماً أن تيار المجمع للترانزستور يعطي بالعلاقة (3):

أهم تطبيقات هذه الترانزستورات التي تعمل كقواطع إلكترونية هي:

- استخدامها حاكمات relays إلكترونية في أنظمة إلكترونية مثل: منظومات الإنذار، ومنظومات فتح الأبواب وإغلاقها أوتوماتيكياً، وأنظمة نقل الإشارات ضوئياً.

- استخدامها في بنية الدارات المتكاملة الرقمية المتنوعة مثل: البوابات المنطقية، والمعالجات الصغريةmicroprocessors ، والمتحكمات الصغرية.

إن ميزة هذه الترانزستورات هي ناقليتها التحويلية الكبيرة نسبيّاً التي تفيد في عمليات التضخيم، وسيئتها هي الصغر النسبي لمقاومة دخلها ووجود الجهد الضائع على طرفيها والمسمى بجهد الانزياح offset voltage.

2- الترانزستورات ذات الأثر الحقلي والوصلة Junction Field Effect Transistors (JFETs)

هي ترانزستورات محكومة بجهد الدخل حيث يعتمد التيار المار فيها على حركة الثقوب أو حركة الإلكترونات، لذلك تدعى بأحادية القطبية أو أحادية الحوامل. وهناك نوعان من هذه الترانزستورات: الترانزستور JFET -ويدعى أحياناً pn JFET- وهو الأقدم والأكثر شيوعاً في الدارات التمثيلية. وترانزستور الأثر الحقلي نصف الناقل ذو طبقة الأكسيد المعدنية Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET)؛ وهو المستخدم على نحو أساسي في الدارات الرقمية، ويبنى على تقانة شوتكي Schottky.

يمكن إدراج الصنف الأول للترانزستور الحقلي ضمن نوعين:

أ- الترانزستورات (N-JFET): وهي أكثر جودة أيضاً من ناحية الخصائص الكهربائية، وتعتمد في تركيبها على قناة نصف ناقلة من نوع N مطعّم على جانبيها طبقة نصف ناقلة من نوع P تشكل وصلة منحازة عكسياً ودخلاً للترانزستور؛ ليصير مؤلفاً من ثلاث نهايات: نهايتي القناة باسم المنبع source والمصرف drain، والنهاية الثالثة هي نهاية الطبقة الجانبية التي تدعى بالبوابة gate. في هذه الحالة يدعى هذا الترانزستور بالترانزستور ذي الأثر الحقلي والوصلة ذات القناة N يبين الشكل (6- أ) بنية الترانزستور، والشكل (6- ب) رمزه.

الشكل (6): أ- مقطع عرضاني بسيط لترانزستورN-JFET.

ب- رمز الترانزستور.

ب- ترانزستورات P-JFET: وهي أقل جودة، وتتشكل من قناة P وطبقة جانبية من نوع N، ويدعى هذا الترانزستور بالترانزستور ذي الأثر الحقلي والوصلة ذات القناة P، وتكون بنيته الداخلية معاكسة لبنية الترانزستور N-JFET.

يستخدم هذا الصنف من الترانزستورات كمكبر ومرشح filter على نحو مماثل للترانزستورات ثنائية القطبية ذات الوصلة (رقمياً وتمثيلياً)؛ إضافة إلى عملها كمقاومة محكومة بالجهد voltage controlled resistor حيث تستخدم على نحو أساسي في أنظمة التحكم الآلي بالربح Automatic Generation Control (AGC).

3- الترانزستورات MOSFET

وهي الآن أكثر الترانزستورات استخداماً وشيوعاً في صناعة الدارات المتكاملة خاصة الرقمية منها بسبب مزاياها الكبيرة، وذلك بعدما تطورت تقانة الدارات المتكاملة. وتعتمد -مثل الترانزستورات JFET من حيث حركة تيارها الذي يتشكل من نوع واحد من الحوامل- إما الثقوب وإمّا الإلكترونات، كما أن هذه العناصر تكون محكومة بالجهد، وتدعى بالعناصر أحادية الحوامل.

يوجد نوعان رئيسان من هذه الترانزستورات: نوع إغناء (EMOS) Enhancement type ونوع إفقار (DMOS) Depletion type؛ ويدعى هذا أحياناً المسبّقة الصنع prefabricated channel (MOS).

ويشكل كلّ منهما نوعين من الترانزستورات: الأول ذو قناة N، والآخر ذو قناة P.

أ- الترانزستور نوع إغناء EMOS:

هناك نوعان من هذه العناصر: NEMOS وهو الأكثر شيوعاً بسبب جودته التقنية وخواصه الجيدة،
وPEMOS وهو الأقل استخداماً في التقانة بسبب ضعف جودته النسبي، ماعدا استخدامه كترانزستور متمم complementary في ما يسمى بتكنولوجيا CMOS.

يبين الشكل (7) مقطعاً عرضانياً لترانزستور NEMOS حيث يتكون من قضيب من السليكون من نوع N يشكل طرفاه نهايتي المنبع S والمصرف D، موضوع على قاعدة B substrate من السليكون من نوع P، مبنيّ عليه طبقة رقيقة من العازل مصنوع من ثنائي أكسيد السليكون . تغطي هذه الطبقة منطقة القناة الموجودة بين المنبع والمصرف التي سوف تمرر التيار عند تحريض الشحنات فيها، وذلك عندما يطبق جهد ذو قيمة كافية على طرف البوابة G الذي يحرض القناة الناقلة. هذه البوابة مصنوعة من طبقة ألمنيوم ناقلة متوضعة على طبقة العازل التي تغطي منطقة القناة.

الشكل (7) مقطع عرضاني لترانزستور NEMOS مع الانحياز المناسب

يبين الشكل (8-أ) دارة ترانزستورNEMOS مع جهود انحياز مناسبة، والشكل (8- ب) منحني الخواص الذي يبين مناطق العمل لهذه الترانزستورات، حيث يعمل هذا العنصر بين منطقة القطع cut-off (تيار صفري) ومنطقة التريود triode عندما يراد له أن يعمل كقاطع رقمي؛ فإن شرط العمل في هذه المنطقة في هذه الحالة معطى بالعلاقة (4):

الشكل (8)

أ- دارة ترانزستورNEMOS مع انحياز مناسب.

ب - منحنيي الخواص العام لهذا الترانزستور.

حيث هو جهد العتبة للترانزستور.

ويعمل هذا العنصر في ما يسمى بمنطقة الإشباع saturation (والتي تقارن مع المنطقة الفعالة في الترانزستورات BJT) عندما يراد له أن يعمل كمكبر أو كعنصر تمثيلي، في هذه الحالة فإن شرط العمل في هذه المنطقة معطى بالعلاقة (5):

مع العلم أن معادلة التيار للترانزستور(تيار المصرف) معطاة بالعلاقة (6):

ب- الترانزستور نوع إفقار DMOS:

هناك نوعان من هذه الترانزستورات أيضاً نوع قناة N ونوع قناة P. إن استخدام هذا النوع من الترانزستورات في التطبيقات العملية قليل نسبياً خاصة في التطبيقات الرقمية، لذلك يكفي القول: إن بنيته الداخلية تشبه الترانزستورات EMOS باستثناء وجود قناة مصنَّعة دائمة بين المنبع والمصرف تؤدي إلى مرور تيار لا بأس به (أي يكون الترانزستور موصلاً) حتى ولو لم يطبَّق جهد على دخله (بوابته) وهذه سيئة في الدارات الرقمية. يزداد في هذا النوع توصيل الترانزستور أو ينقص بحسب الجهد المطبق على دخله؛ ومن ثمّ فإن هذا أكثر فائدة في دارات التضخيم.

الميزة الأساسية لهذين النوعين من الترانزستورات MOS هي مقاومة دخلها العالية جداً (عدة آلاف من الميغا أوم) والتي تفيد على نحو كبير في تطبيقات تتعدد فيها مراحل الدارات cascaded stages، وتفيد أيضاً كعنصر تخزين (ذاكرة) بسبب ثابت زمنهاtime constant الكبير نسبياً عند الدخل، كما تستخدم على نحو واسع كأحمال فعالة active load وعواكس تيارcurrent mirrors في بنية الدارات المتكاملة. بيد أن ضعفها الأساسي هو صغر ناقليتها التحويلية gm، ولو أن هناك الآن طرقاً حديثة في تصميم الدارات المتكاملة لتعويض هذا الضعف؛ لتصير هذه الترانزستورات أكثر استخداماً في التقانات الحديثة، وخاصة في صناعة ما يسمى تقانة CMOS المشهورة بانخفاض استهلاكها للطاقة خاصة في الترددات المنخفضة؛ وسرعتها الكبيرة نسبيّاً في نقل المعلومات.

4- أنواع أخرى

هنالك أنواع أخرى من الترانزستورات أقل استخداماً خاصة ما يستخدم في صناعة الدارات المتكاملة. ويجري الآن تطوير الترانزستورات من حيث تصغير العنصر في الدارة المتكاملة وإنقاص السعات الداخلية internal capacitances إلى حد كبير لتحسين عمل الترانزستورات في الترددات العالية جدّاً، وقد تمت محاولات تقنية عديدة لإنقاص جهد العتبة للترانزستور MOS على نحو كبير وتسمى ترانزستورات VMOS.

يمكن ذكر بعض الترانزستورات ذات الاستخدامات الخاصة نسبياً، والأكثر شهرة منها، هي: الترانزستور ثنائي القطبية ذو البوابة المعزولة Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)، وVMOS، والترانزستور الضوئي phototransistor، وحالياً تتم محاولات بحثية جادة لتطوير الترانزستورات الحيوية biological transistors التي تعتمد في بنيتها على مادة الكربون بدلاً من السليكون واستخدامها، والترانزستورات البصرية opto transistors والتي تعتمد في نقلها للمعلومات على دفقات ضوئية بدلاً من النقل الكهربائي.

عبد الرزاق بدوية

مراجع للاستزادة:

- عبد الرزاق البدوية، أسس الهندسة الإلكترونية، جامعة دمشق، 2004.

- عبد الرزاق البدوية، دارات إلكترونية (1)، جامعة دمشق، 2004.

-S.W. Amos, Principles of Transistor Circuits: Introduction to the Design of amplifiers, receivers and Digital Circuits, CBS publishers and distributors PVT LTD 2018.