تعرف على ما هو الترانزستور ومبدأ عمله وأجزاءه | دليل شامل 

لا يخفى مصطلح الترانزستور عن أي طالب كهرباء أو الكترون، فبكل تأكيد سمعت به خلال دراستك في كلية الهندسة أو الثانوية المهنية. نستعرض أدناه مفهوم مصطلح الترانزستور وبنيته ومكوناته ومبدأ عمله وأبرز أنواعه.

ما هو الترانزستور؟

الترانزستور هو عبارة عن شبه موصل يوصل ويقطع الكهرباء، تقع في مكان ما بين موصل حقيقي كالنحاس وعازل كالبلاستيك الملتف حول الأسلاك. معظم الترانزستورات مصنوعة من السيليكون (Si)، لكن يمكن تصنيعها من مواد أخرى بما يتضمن الجرمانيوم وزرنيخيد الغاليوم (GaAs).

صحيح أن السيليكون عنصر كيميائي غير موصلًا للكهرباء، لكن يعالج باستخدام المنشطات فتدخل الشوائب في أشباه الموصلات لتعديل الخصائص الكهربائية والضوئية والهيكلية مما يجعله يكتسب إلكترونات حرة تحمل تيارًا كهربائيًا. يصنف السيليكون بأنه شبه موصل نوع n عندما تتدفق الإلكترونات منه أو شبه موصل نوع p عندما تتدفق الإلكترونات إليه. 

بنية الترانزستور

يحتوي هيكل الترانزستور المكون من ثلاث طبقات على إحدى الشكلين:

طبقة أشباه الموصلات نوع n بين طبقتين نوع p في تكوين إيجابي-سلبي-إيجابي (PNP).

أو طبقة نوع p بين طبقتين نوع n في تكوين سلبي إيجابي سلبي (NPN).

في كلا الحالتين تعمل طبقة أشباه الموصلات الداخلية كقطب تحكم، وينتج عن تغيير بسيط في التيار أو الجهد فيها تغيرًا كبيرًا وسريعًا في التيار الذي يمر عبر المكون كله، مما يسمح بعمل الترانزستور.

تعرف على أنواع مولدات الكهرباء ومبدأ عملها

مبدأ عمل الترانزستور

الترانزستور هو شبه موصل صغير يتحكم في تدفق التيار أو الجهد كما يستخدم في تضخيم وتوليد الإشارات الكهربائية ويعمل كمفتاح / بوابة لها. يتكون الترانزستورات من ثلاث طبقات، من مادة شبه موصلة، كل منها يمكن أن تحمل تيارًا.

فعند العمل كمضخم يحول تيار الدخل الصغير إلى تيار خرج أكبر. أما عندما يعمل كمفتاح فقد يكون في إحدى الحالتين: تشغيل أو إيقاف للتحكم في تدفق الإشارات الإلكترونية عبر دائرة كهربائية أو جهاز إلكتروني.

يعمل الترانزستور كمفتاح أو بوابة للإشارات الإلكترونية عندما تُفتح وتُغلق البوابة الإلكترونية عدة مرات في الثانية. بالتالي يضمن تشغيل الدائرة إذا كان التيار يتدفق وإيقاف تشغيله في حال العكس. 

استخدامات الترانزستور

يحتوي الترانزستور على عنصر دارة واحد فقط، إذ تُستخدم لإنشاء مفاتيح إلكترونية بسيطة. لذا تعتبر عناصر أساسية في الدارات المتكاملة (ICs) إذ تتكون من عدد كبير من الترانزستورات المرتبطة مع الدوائر في شريحة سيليكون واحدة.

تُستخدم الترانزستورات بأعداد كبيرة لإنشاء معالجات دقيقة إذ تمج ملايين الترانزستورات في دارة متكاملة واحدة. كما تستطيع تشغيل شرائح ذاكرة الكمبيوتر وأجهزة تخزين الذاكرة لمشغلات MP3 والهواتف الذكية والكاميرات والألعاب الإلكترونية.

فضلاً عن استخدامه في التطبيقات ذات التردد المنخفض والطاقة العالية كما في محولات إمداد الطاقة التي تحول التيار المتردد إلى تيار مباشر. كما تُستخدَم في التطبيقات عالية التردد كما في دوائر المذبذب التي تستخدم لتوليد إشارات الراديو.

تُستخدم في دارات التبديل المعقدة التي تشمل كل أنظمة الاتصالات الحديثة، إذ توفر الدوائر سرعات تحويل عالية جدًا، كمئات الجيجاهيرتز أو أكثر من 100 مليار دورة تشغيل وإيقاف في الثانية.

كما يمكن دمج الترانزستورات لتكوين بوابة منطقية، إذ تقارن عدة تيارات دخل لتوفير مخرجات مختلفة. إذ تستطيع أجهزة الكمبيوتر ذات البوابات المنطقية اتخاذ قرارات بسيطة باستخدام الجبر البوليني، التي تعتبر أساس الحوسبة وبرامج الكمبيوتر الحديثة.

كما تلعب الترانزستورات دورًا هامًا في تضخيم الإشارات الإلكترونية. ففي تطبيقات الراديو كأجهزة استقبال FM تكون الإشارة الكهربائية المستقبلة ضعيفة بسبب الاضطرابات، لذا يلزم التضخيم لتوفير خرج مسموع، إذ توفر الترانزستورات ذلك التضخيم عبر زيادة قوة الإشارة.

أجزاء الترانزستور

يشبه الترانزستور مجموعة من الثنائيات مع الكاثودات أو الأنودات المرتبطة مع بعضها إذ يحتوي ثلاث أطراف تحمل التيار الكهربائي تساعد على الاتصال بالدوائر الخارجية:

الباعث: أو كما يُعرَف باسم الطرف السالب للترانزستور، يطلق عليه. اسم الباعث لأنه يصدر الإلكترونات.

القاعدة: وهي الجزء التي تفعل الترانزستور عند تطبيق إشارة عليها.

المجمع، وهو الطرف الإيجابي للترانزستور.

تركيبة NPN 

يوضع السيليكون من النوع p وهي القاعدة بين لوحين من السيليكون من النوع n وهما الباعث والمجمع.

يكون الباعث E بحجم متوسط تتجلى وظيفته الأساسية في توفير عدة ناقلات الأغلبية لدعم تدفق الكهرباء.

في حين تشكل القاعدة B الطرف المركزي بين الباعث والمجمع، فهي رقيقة وظيفتها تمرير الناقلات من الباعث إلى المجمع.

أما المجمع  C فيكون أكبر من القاعدة والباعث، يجمع الناقلات المرسلة من قبل الباعث عبر القاعدة.

أما في تركيبة PNP، تكون نفس العملية لكن قاعدة النوع n تقع بين الباعث والمجمع من النوع p، مما يؤثر على اتجاه السهم على الباعث.

بالتالي يدل السهم إلى نوع التركيبة دائرة NPN، أو دائرة PNP.

تعرف على حزام المعصم المضاد للكهرباء الساكنة

أنواع الترانزستورات

تنقسم الترانزستورات بشكل أساسي إلى نوعين رئيسيين:

ترانزستور ثنائي القطب (BJT)

يعد BJT أحد أكثر أنواع الترانزستورات شيوعًا، قد يكون بتركيبة NPN أو PNP. بالتالي يتكون من ثلاث أطراف: الباعث، والقاعدة، والمجمع. يمكنه تضخيم الإشارة الكهربائية أو تشغيل التيار أو إيقافه.

إذ يوجد نوعان من الشحنات الكهربائية الإلكترونات والثقوب يشارك كلاهما في خلق تدفق التيار. في وضع التشغيل العادي، يكون تقاطع الباعث الأساسي في BJT متحيزًا للأمام مع مقاومة باعث صغيرة جدًا، لكن الوصلة المجمعة الأساسية تكون متحيزة عكسيًا بمقاومة كبيرة.

في BJT من نوع PNP، يحدث التوصيل من خلال الثقوب أو غياب الإلكترونات، إذ يكون تيار المجمع أقل بقليل من تيار الباعث. فالتغييرات في الباعث تؤثر على المجمع، إذ تتحكم القاعدة في التدفق الحالي من الباعث إلى المجمع، فيصدر الباعث ثقوبًا، تُجمَع بواسطة المجمع.

في BJT من نوع NPN، تمر الإلكترونات من الباعث إلى القاعدة ويتم جمعها بواسطة المجمع. عندما يحدث هذا، يتدفق التيار الاصطلاحي من المجمع إلى الباعث. تتحكم القاعدة في عدد الإلكترونات المنبعثة من الباعث.

ترانزستور التأثير المجال (FET)

يتكون ترانزستور التأثير المجال (FET) من ثلاث أطراف: المصدر، والصرف، والبوابة. تُرتّب طبقات السيليكون من النوع n والنوع p بشكل مختلف عن BJT، كما أنها مغلفة بطبقات من المعدن والأكسيد لإنشاء ترانزستور تأثير المجال لأشباه الموصلات من أكسيد المعدن (MOSFET).

يشير تأثير المجال إلى التأثير الذي يسمح بتدفق التيار ليشغّل الترانزستور. لا يمكن للإلكترونات أن تتدفق من المصدر من النوع n إلى المصرف لأن البوابة من النوع p بينهما تحتوي على ثقوب. لكن ربط جهد موجب بالبوابة يخلق مجالا كهربائيا يسمح لإلكترونات بالتدفق من المصدر إلى المصرف، بالتالي يخلق تأثير المجال، ليسهل تدفق التيار في FET.

تُستخدم ترانزستورات FETs في مكبرات الصوت منخفضة الضوضاء ومكبرات الصوت العازلة والمفاتيح التناظرية. كما يُستخدم ترانزستور تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية (MESFET) بشكل شائع في التطبيقات عالية التردد كدوائر الموجات الدقيقة.

أنواع أخرى للترانزستور

تشمل أنواع الترانزستورات الأخرى ما يلي:

ترانزستور تأثير مجال الوصلة (JFET): البحث شبه موصل ثلاثي الأطراف أساسي في أدوات التحكم ذات المستوى الدقيق التي تعمل بالجهد في الإلكترونيات التناظرية.

• الترانزستور ذو الأغشية الرقيقة (TFT): نوع من FET يستخدم في شاشات الكريستال السائل (LCD).
• ترانزستور شوتكي: يجمع بين الترانزستور وصمام ثنائي شوتكي المعروف بالتبديل السريع ليحافظ على الترانزستور من التشبع عبر تحويل المدخلات الحالية المفرطة.
• ترانزستور الانتشار: وهو نوع من BJT يتكون من انتشار المنشطات على الركيزة.

ميزات وعيوب الترانزستور

• صغيرة الحجم وقليلة التكلفة كما أنها طويلة العمر.
• حساسية ميكانيكية أصغر.
• جهد تشغيل منخفض، لا يوجد استهلاك للطاقة.
• سهولة التبديل.
• قد تتلف الترانزستورات بسهولة عند حدوث أحداث كهربائية وحرارية كالتفريغ الكهربائي.
• تتأثر الترانزستورات بالأشعة الكونية والإشعاع.

باختصار، الترانزستور هو شبه موصل له عدة أنواع وتركيبات يستخدم لمختلف الأغراض أبرزها مفتاح إلكتروني أو مضخم.

يُسعدنا دعوتكم للإنضمام لنا على وسائل التواصل الإجتماعي التالية، من هنا :-

من هنا صفحة   الفيسبوك 

من هنا صفحة  الإنستقرام  

ومن هنا   قناة التليجرام