التــــرانزســـــتور .. Transistor
بسم الله الرحمن الرحيم
أحدثت آلية في حجم حبة البازلاء, ثورة في عالم اللإكترونيات – هذه
الآلة هي الترانزستور Transistor .ولقد اخترعة أولاً في أمريكا
عام 1947 باردين Bardeen وبرانتين Brattain وفي أثناء الخمسينات
, أخذ استعمالة يتزايد ,حتى اصبح الآن في مثل شيوع الصمام
الإلكتروني Electronic Valve .والترانزستور مزايا عديدة على الصمام
: فهو أصغر منه بكثير , ويحتاج من القدرة الكهربائية أقل القليل ,
ويولد حرارة أقل بكثير, وهو ليس هشاً قابلاً للكسر – بيد أنه يؤدي
معظم المهام التي كانت تؤديها الصمامات سابقاً . وهو يستعمل في
أجهزة الراديو , والحاسبات الإلكترونية, ومركبات الفضاء, وفي
الصناعة, والبحوث العلمية
* أشباه الموصلات ..
يكمن السر وراء الترانزستور , في مجموعة من الجوامد Solids تسمى
" أشباه الموصلات " Semiconductors. فبعض جوامد معينة , وخاصة
الفلزات ( المعادن ), تسمح للكهرباء بالمرور خلالها بسهوله تامة , ويقال أنها
موصلات كهربائية Electrical Conductors جيدة, بما لها من
مقاومة Resistance منخفضة جداً, وبعض الجوامد الأخرى –
العوازل Insulators – موصلات رديئة جداً ، لأن لها مقاومة عالية ،
ولكن فيما بين هذين النقيضين , توجد جوامد لها مقاومة معتدلة, وتوصيل
معتدل , هي أشباه المواصلات , وأكثرها شيوعاً بلورات الجرمانيوم
Germanium , والسليكون وتتكون جميع الجوامد من ذرات
قوية الترابط في نمط هندسي ( جيومترى) متقن , وتتكون الذرة ذاتها من نواة
مركزية , لها شحنة كهربائية موجبة, تحيط بها سحابة من الإلكترونات ,
لكل منها شحنة سالبة . والشحنتان الموجبة والسالبة متوازنتان , مما يجعل
الذرة الكامنة متعادلة كهربائيا . والإلكترونات القصوى , أو إلكترونات
التكافؤ هي التي تجعل جميع الذرات مترابطة معاً : فهي تعمل بمثابة " غراء "
ذري ( الإلكترونات الداخلية لا تعاون في هذا الترابط ).وبالرغم من أن إلكترونات
التكافؤ ترتبط عادة بالذرة ,إلا أنها في بعض الأحيان ( عند تسخينها , مثلاً )
تكتسب قدراً إضافياً من الطاقة ( على هيئة حركة ) , فتهرب من الذرة لتتحول بحرية
في أنحاء البلورة. ومن السهل في الفلزات أن تتحرر إلكترونات التكافؤ ولكن ذلك
صعب في العوازل.ومرة أخرى نجد أن أشباه الموصلات تقع بين النقيضين :
فعند درجة حرارة الغرفة يوجد في شبة الموصل عدد كاف من الإلكترونات الحرة بما
يسمح لتيار كهربائي صغير بالمرور .
الجرمانيوم Germanium
* أشباه الموصلات من الطراز( P) والطراز( N)
يمكن زيادة عدد الإلكترونات الحرة في بلورة ما بإضافة ذرات شائبة
Impurity Atoms إليها ويمثل الشكل 1 طبقة ثنائية الأبعاد لذرات في بلورة
من الجرمانيوم التي (تظهر فقط ألكترونات التكافؤ الأربعة ) . ويتكون الترابط بين
كل ذرتين من إلكترونين واحد في كل ذرة. لنفرض أن بعض ذرات شائبة من
الأنتيمون ولكل منها خمسة إلكترونات تكافؤ قد أدخلت في البلورة الشكل
2 : من الواضح أن إلكترونا واحداً من كل ذرة أنتيمون سيترك بلا شريك.
وهذه الإلكترونات غير المتشاركة أسهل انفصالاً عن ذراتها من الإلكترونات التي
تكون الترابطات وما أن تصبح تلك الإلكترونات حرة حتى يمكنها أن تعاون في
توصيل الكهرباءخلال البلورة وإذا أضيفت ذرات شائبة لها ثلاثة إلكترونات تكافؤ
فقط (مثل ذرات الإنديوم Indium ) ينشأ موقف أكثر تعقيداً . فالترابط الواحد يفقد
إلكتروناً واحداً محدثاً " ثقباً " في بنية البلورة . وهذا الثقب يختفي إذا " قفز"إلكترون
آخر من ترابط آخر ليملأه ولكن هذا الإلكترون " القافز " يخلف وراءه بالطبع ثقباً آخر .
وبهذه الكيفية" يرتحل " ثقب من طرف صف من الذرات إلى الطرف الآخر. ومن
الأسهل أن نفكر- ولو أن ذلك يبدو غريباً - في الثقوب على أنها جسيمات – تشبه الإلكترونات
ولكن لها شحنة موجبة – تتحرك حول البلورة كما تتحرك الإلكترونات تماما .والذرات
الشائبة التي لها ثلاثة إلكترونات تكافؤ تسمى " القابلات Acceptors "لأنها تتقبل
إلكترونات من أجزاء أخرى من البلورة( وبذلك تصبح أيونات سالبة الشحنة ) .
وهي تحول البلورة إلى شبه موصل من P ( P-type ) , ويرمز لهذا الطراز
بالحرف P لأنه الحرف الأول من العبارة الإنجليزية Positively Charged Holes
( ثقوب موجبة الشحنة ) . والذرات الشائبة خماسية التكافؤ تسمى " المعطيات
"Donors , حيث أنها تعطى إلكترونات إضافية إلى البلورة ( وتصبح أيونات موجبة الشحنة )
وهي تحول البلورة إلى شبه موصل من الطراز N, وبه إلكترونات زائدة
موجبة الشحنة Negatively Charged والثقوب والإلكترونات الزائدة لا تستقر قط ,
بل تتحرك باستمرار أو تنتشر في أنحاء البلورة .
ذرات الإنديوم Indium
*الاتصال من الطرز PN
عند توصيل البلورة جرمانيوم من الطراز N مع أخري من الطرز P ،
ينتج شيء بالغ الأهمية. وبما أن كلا من الإلكترونات والثقوب تنتشر حول
البلورة المتصلة ، فمن المتوقع أن تسرى معا جميع الثقوب في منطقتها P،
والإلكترونات الزائدة في منطقتها N، وتأتلف ، وبذلك يلغي بعضها بعضا.
غير أن هذا لا يحدث. ففي البداية تأتلفت فعلا قلة من الإلكترونات
الزائدة والثقوب، بحيث يملأ كل إلكترون منها ثقبا.ولكن تنشأ نتيجة لذلك ،
قوة تمنع أي ائتلاف تال – حاجز الاتصال – عند الاتصال PN ، أي في
المنطقة التي تتصل عندها البلورة. ويحدث ذلك لأن بعض الأيونات
" القابلة" في المنطقة P ، وبعض الأيونات " المعطية" في المنطقة N ،
تكون قد ارتحلت دون أن تصبح ثقوبها وإلكتروناتها سالبة الشحنة وموجبة
الشحنة(على التوالي).وأي ثقوب (موجبة الشحنة ) أخري تحاول الانتشار
في داخل المنطقة N, تطردها الشحنة الموجبة للأيونات المعطية هناك،
والعكسية بالعكس.ولا يمكن لأي تيار أن يسرى عبر الاتصال PN ، وبذالك
تنتج منطقة افتقار Depletion Region خلو من الثقوب والإلكترونات الإضافية
ولما كانت لهذه المنطقة شحنة موجبة على أحد جانبيها ، وشحنة سالبة على الجانب
الآخر، فأنة ينشأ عبرها جهد كهربائي (فولطية) لا يتجاوز عادة بضعة
أجزاء من عشرة من ويتوقف عرض منطقة الافتقار على كثافة الثقوب والإلكترونات
الزائدة في البلورة.
* انحياز الاتصال PN
اذا وصلت بطارية مع بلورة الجرمانيوم فأن الثقوب الإلكترونات
الزائدة ، تنجذب بعيدا عن الأتصال PN ويزداد أتساع منطقة
الافتقار. ويكون الاتصال مقاومة عالية جدا ، ويقال انه " منحاز عكسيا"
Reverse Biased . وإذا عكسنا الآن الطرفين الموجب والسالب للبطارية
الخارجية، فإن الثقوب تنطرد من الأطراف الموجبة، والإلكترونات الزائدة
من الأطراف السالبة، ويرتد كل من الثقوب والإلكترونات تجاه، الاتصال
، مكتسبة طاقة في أثناء أرتدادها، ويمكن لبعض منها الآن ،أن يتغلغل
في منطقة الافتقار (التي تزداد ضيقا مرة أخرى) ،ويأتلف بعضها مع بعض .
ولكن يجب الاحتفاظ بتركيز الثقوب والإلكترونات الزائدة. وبقدر حدوث
ائتلاف لكل ثقب والإلكترون، يدخل إلكترون من الطرف السالب للبطارية ،
إلي الجرمانيوم طراز N ، ويرتد تجاه الاتصال مؤتلفا في النهاية مع ثقب
آخر. وفي الوقت نفسه، يكسر إلكترون- من ترابط الزوج الإلكتروني
في منطقة الطرازp للبلورة- ترابط، مخلفا وراءه ثقبا،ويدخل طرف
البطارية الموجب . ويوجد الآن تيار كهربائي متواصل في الدائرة الخارجية .
ويوصل التيار في الجرمانيوم طراز P بوساطة الثقوب في حين يوصل التيار
في الطراز N بوساطة الإلكترونات الزائدة . ويكون الاتصال PN الآن
" منحازاً إلى الأمام " Forward Biased" وله مقاومة منخفضة .
ويكون له عمل صمام ثنائي Diode Valve أي أنه لا يسمح بسريان التيار
*صنع الترانـزستورات
لا تصنع الترانزستورات عملياً بمجرد وضع ثلاثة ألواح من الجرمانيوم أو
السيليكون معاً بالترتيب الصحيح . ولصنع ترانزستون PNP ذي اتصال
سبيكي ، توضع إحدى قطعتين صغيرتين من الإنديوم على كل من جانبي
رقيقة من الجرمانيوم طراز N , وتسخن التجميعة بأكملها حتى درجة 500
مئوية تقريباً فينصهر الإنديوم مذيباً بعض الجرمانيوم . ومع تخفيض
درجة الحرارة تتبلور أجزاء الجرمانيوم المحتوية على الإنديوم كشائبة
من الطراز P – وتكون بلورة متواصلة مع رقيقة الجرمانيوم طراز N-
التي يوجد على كل من جانبيها الآن اتصال PN . وتكون الرقيقة بمثابة
الأساس وقطعتا الإنديوم بمثابة الباعث والمجمع.
ولكــــــــــــــــن كيف يعمل الترانزستور ...؟؟؟
كيفية عمل الترانزيستور
أولا : توصل القاعدة والباعث بجهد ثابت توصيلا أماميا ( جهد الانحياز
الأمامي ) وبالتالي يكون حاجز الجهد بين المنطقتين صغيرا جدا وعلى ذلك
تكون مقاومة وصلة الباعث - القاعدة صغيرة
ثانيا : يوصل المجمع والقاعدة بجهد ثابت توصيلا خلفيا ( جهد الانحياز العكسي ) وبالتالي تكون مقاومة وصلة المجمع - القاعدة عالية
نلاحظ أن القاعدة تكون موجبة بالنسبة للباعث ويكون المجمع موجبا بالنسبة للقاعدة
ثالثا : بما أن القاعدة تحتوي على عدد قليل من الشوائب اذا عدد الفجوات
بها يكون منخفضا وبالتالي يكون عدد الالكترونات التي يملأ هذه الفجوات
منخفضا
رابعا : تمر معظم الالكترونات من الباعث الى المجمع عبر القاعدة ولا يمر في القاعدة الا عدد قليل من الالكترونات
خامسا : بتطبيق قانون كيرشوف على الترانزيستور يكون
شدة تيار الباعث = شدة تيار المجمع + شدة تيار القاعدة
و هذه بعض الصور لنوعي الترانزستور ...
لقد تم الحصول على الترانزيستور عام (1948 –1949) نتيجة للدراسات التي قام
بها العالمان باردين وبراتين وذلك في مخابر ( تلفون بل ) الأميركية
لاستخدامه بدلاً من الصمامات الإلكترونية التي كانت شائعة في تلك الأيام.
وتتألف كلمة الترانزيستور من كلمتين transfer وتعني تحويل( أو نقل) وكلمة
resistor وتعني مقاومة وذلك بعد حذف الأحرف الأخيرة fer من الكلمة الأولى
والأحرف الأولى res من الكلمة الثانية.
وإننا لنشك فيما إذا كان من الممكن أن تصل صناعة أجهزة الجسم الصلب إلى ما
وصلت إليه اليوم لو لم يكن الترانزيستور(الذي يعد امتداد للثنائي) هو
الباعث على البحث والتطوير الذي أصاب المواد نصف الناقلة وعمليات صنع
الأجهزة حيث يشغل الترانزيستور المقام الأول في الإلكترونيات المعاصرة
ويرجع ذلك بشك كبير إلى كونه جهاز تضخيم ممتاز صغير الحجم يمكن أن يعوّل
عليه بالإضافة إلى القدرة الصغيرة التي يتطلبها.
والترانزيستور كجهاز تضخيم يحول الإشارة الضعيفة التابعة للزمن إلى إشارة
قوية. وهناك وظائف مهمة أخرى يستطيع الترانزيستور أن يقوم بها في الدارات
الإلكترونية لكن مقدرته على التضخيم تعد الوظيفة الرئيسية بالنسبة
لاستخداماته الأخرى.
يمكن أن نميز صنفين من الترانزيستورات :
1- ترانزيستور ثنائي القطبية bipolar.
2- ترانزيستور وحيد القطبية unipolar .
حيث اعتمد في هذا التصنيف على آلية مرور التيار ففي الترانزيستور ثنائي
القطبية يعتمد مرور التيار على نوعي حاملات الشحنة (إلكترونات وثقوب) أما
الترانزيستور وحيد القطبية فإن مرور التيار يعتمد على نوع واحد من حاملات
الشحنة (إلكترونات أو ثقوب).
وبكلام آخر فإن النوع الأول (ثنائي القطبية) يعمل بفعل حاملات الشحنة من
النوعين الأكثرية والأقلية معاً أما النوع الثاني فإنه يعمل بفعل حاملات
الشحنة الأكثرية فقط.
يمكن أن تصنف الترانزيستورات أيضاً من حيث آلية العمل فالصنف الأول (والذي
يوافق الترانزيستورات ثنائية القطبية) تسمى بالترانزيستورات الوصلية حيث
يتم التحكم في التيارات الداخلية بواسطة متصلين ثنائيين pn أما النوع
الآخر فتسمى بالترانزستورات الحقلية حيث يستند في أساس عمله على أثر الحقل.
للترانزيستورات بشكل عام ثلاث أطراف تأخذ الأسماء التالية:
- من أجل الترانزيستورات ثنائية القطبية:
1- الباعث (emitter)
2- القاعدة (base)
3- المُجمّع (collector)
2- من أجل الترانزيستورات أحادية القطبية:
1- المنبع (source)
2- المصرف (drain)
3- البوابة (gate)
على الرغم من المردود الكبير للترانزيستور وماله من محاسن وميزات إيجابية
(مقارنة مع الصمامات) إلا أن هناك سلبية أساسية وهي كونه حساس جداً
لارتفاع درجة الحرارة ذلك أن مكوناته قابلة للعطب في حال ارتفاع درجة
الحرارة إلى حدود معينة فعلى سبيل المثال درجة الحرارة الأعظمية المسموح
بها لترانزيستور جرمانيوم تقع بين (60-100) درجة مئوية ولترانزيستور
سليكون بين(125-200) مئوية .وهذا أحد أسباب تفضيل استخدام السيليكون في
تصنيع الترانزيستور.
وللتغلب على هذا العائق تم إضافة المبردات للترانزيستور (وهي عبارة عن قطع
معدنية ذات مواصفات معينة توصل مع الجسم الخارجي للترانزيستور) تعمل هذه
المبردات على امتصاص الحرارة الزائدة الناتجة عن عمل الترانزيستور والتي
يمكن أن تخرب البنية الداخلية (أنصاف النواقل) للترانزيستور.
: : أنـــــــــواع الترانزستــــــــور : :
هناك نوعيم من الترانزستور يختلف كل واحد في تركيبه وهما كالتالي:
1- الترانزستور ال PNP :
يحتوى الترانزستور ال PNP على ثلاثة بللورات اثنتان موجبتان P وبينهما واحدة سالبة N ليتكون بذلك الترانزستور ال PNP .
شكل الترانزستور ال PNP
2- الترانزستور ال NPN :
يحتوى الترانزستور ال NPN على ثلاثة بللورات اثنتان سالبتان N وبينهما واحدة موجبة P ليتكون بذلك الترانزستور ال NPN .
شكل الترانزستور ال NPN
, : , تركيــــــب الترنزستــــــور , : ,
يحتوى الترانزستور على وصلتين وبذلك يمكن اعتباره كثنائيين موصليين ظهرا لظهر او وجها لوجه وذلك كما في الشكل
شكل التعبير عن الترانزستور باستخدام الثنائيات
PNP NPN
يحتوى كل ترانزستور على ثلاث أطراف وهي كما يلي :
1- المشع Emitter : وهوالجزء المختص بامداد حاملات الشحنة ( الفجوات في
حالة الترانزستور PNP والالكترونات في الترانزستور NPN ويوصل المشع أماميا
(forward) بالنسة للقاعدة وبذلك فهو يعطي كمية كبيرة من حاملات الشحنة عند
توصيلة .
2- المجمع Collector : ويختص هذا الجزء من الترانزستور بتجميع حاملات الشحنة القادمة من المشع ، ويوصل عكسيا (reverse) مع القاعدة .
3- القاعدة Base : وهي عبارة عن الجزء الأوسط بين المشع والمجمع ويوصل أماميا (forward) مع المشع ، وعكسيا (reverse) مع المجمع .
رمـــوز الترانزستــــور :
هناك رمزين للترنزستور والسهم يدل على نوعه كما بالشكل:
يدل السهم على نوع الترنزستور فالسهم الخارج يدل على ترانزستور NPN والداخل يدل على ترانزستور PNP
PNP NPN
, * , أشكـــال الترنزستــــور , * ,
ترانزستور عادي ترانزستور معدني
خصائص الترانزستور :
يوصل الترانزستور تيارا في الاتجاه الأمامي ولا يوصل تيارا في الاتجاه العكسي ومنطقة التوصيل تنقسم الى ثلاث مناطق :
المنطقة الأولى: وهى منطقة القطع التي لا يمر فيها تيار في مجمع Base الترانزستور .
المنطقة الثانية: وهى منطقة التكبير أو المنطقة الفعالة أو منطقة التشغيل الخطية للترانزستور .
المنطقة الثالثة: وهى منطقة التشبع التى يمر فيها أكبر تيار في مجمع Base الترانزستور
في المنطقة الأولى والثالثة يعمل الترانزستور كمفتاح ، وفي المنطقة الثانية يعمل الترانزستور كمكبر .
بسم الله الرحمن الرحيم
أحدثت آلية في حجم حبة البازلاء, ثورة في عالم اللإكترونيات – هذه
الآلة هي الترانزستور Transistor .ولقد اخترعة أولاً في أمريكا
عام 1947 باردين Bardeen وبرانتين Brattain وفي أثناء الخمسينات
, أخذ استعمالة يتزايد ,حتى اصبح الآن في مثل شيوع الصمام
الإلكتروني Electronic Valve .والترانزستور مزايا عديدة على الصمام
: فهو أصغر منه بكثير , ويحتاج من القدرة الكهربائية أقل القليل ,
ويولد حرارة أقل بكثير, وهو ليس هشاً قابلاً للكسر – بيد أنه يؤدي
معظم المهام التي كانت تؤديها الصمامات سابقاً . وهو يستعمل في
أجهزة الراديو , والحاسبات الإلكترونية, ومركبات الفضاء, وفي
الصناعة, والبحوث العلمية
* أشباه الموصلات ..
يكمن السر وراء الترانزستور , في مجموعة من الجوامد Solids تسمى
" أشباه الموصلات " Semiconductors. فبعض جوامد معينة , وخاصة
الفلزات ( المعادن ), تسمح للكهرباء بالمرور خلالها بسهوله تامة , ويقال أنها
موصلات كهربائية Electrical Conductors جيدة, بما لها من
مقاومة Resistance منخفضة جداً, وبعض الجوامد الأخرى –
العوازل Insulators – موصلات رديئة جداً ، لأن لها مقاومة عالية ،
ولكن فيما بين هذين النقيضين , توجد جوامد لها مقاومة معتدلة, وتوصيل
معتدل , هي أشباه المواصلات , وأكثرها شيوعاً بلورات الجرمانيوم
Germanium , والسليكون وتتكون جميع الجوامد من ذرات
قوية الترابط في نمط هندسي ( جيومترى) متقن , وتتكون الذرة ذاتها من نواة
مركزية , لها شحنة كهربائية موجبة, تحيط بها سحابة من الإلكترونات ,
لكل منها شحنة سالبة . والشحنتان الموجبة والسالبة متوازنتان , مما يجعل
الذرة الكامنة متعادلة كهربائيا . والإلكترونات القصوى , أو إلكترونات
التكافؤ هي التي تجعل جميع الذرات مترابطة معاً : فهي تعمل بمثابة " غراء "
ذري ( الإلكترونات الداخلية لا تعاون في هذا الترابط ).وبالرغم من أن إلكترونات
التكافؤ ترتبط عادة بالذرة ,إلا أنها في بعض الأحيان ( عند تسخينها , مثلاً )
تكتسب قدراً إضافياً من الطاقة ( على هيئة حركة ) , فتهرب من الذرة لتتحول بحرية
في أنحاء البلورة. ومن السهل في الفلزات أن تتحرر إلكترونات التكافؤ ولكن ذلك
صعب في العوازل.ومرة أخرى نجد أن أشباه الموصلات تقع بين النقيضين :
فعند درجة حرارة الغرفة يوجد في شبة الموصل عدد كاف من الإلكترونات الحرة بما
يسمح لتيار كهربائي صغير بالمرور .
الجرمانيوم Germanium
* أشباه الموصلات من الطراز( P) والطراز( N)
يمكن زيادة عدد الإلكترونات الحرة في بلورة ما بإضافة ذرات شائبة
Impurity Atoms إليها ويمثل الشكل 1 طبقة ثنائية الأبعاد لذرات في بلورة
من الجرمانيوم التي (تظهر فقط ألكترونات التكافؤ الأربعة ) . ويتكون الترابط بين
كل ذرتين من إلكترونين واحد في كل ذرة. لنفرض أن بعض ذرات شائبة من
الأنتيمون ولكل منها خمسة إلكترونات تكافؤ قد أدخلت في البلورة الشكل
2 : من الواضح أن إلكترونا واحداً من كل ذرة أنتيمون سيترك بلا شريك.
وهذه الإلكترونات غير المتشاركة أسهل انفصالاً عن ذراتها من الإلكترونات التي
تكون الترابطات وما أن تصبح تلك الإلكترونات حرة حتى يمكنها أن تعاون في
توصيل الكهرباءخلال البلورة وإذا أضيفت ذرات شائبة لها ثلاثة إلكترونات تكافؤ
فقط (مثل ذرات الإنديوم Indium ) ينشأ موقف أكثر تعقيداً . فالترابط الواحد يفقد
إلكتروناً واحداً محدثاً " ثقباً " في بنية البلورة . وهذا الثقب يختفي إذا " قفز"إلكترون
آخر من ترابط آخر ليملأه ولكن هذا الإلكترون " القافز " يخلف وراءه بالطبع ثقباً آخر .
وبهذه الكيفية" يرتحل " ثقب من طرف صف من الذرات إلى الطرف الآخر. ومن
الأسهل أن نفكر- ولو أن ذلك يبدو غريباً - في الثقوب على أنها جسيمات – تشبه الإلكترونات
ولكن لها شحنة موجبة – تتحرك حول البلورة كما تتحرك الإلكترونات تماما .والذرات
الشائبة التي لها ثلاثة إلكترونات تكافؤ تسمى " القابلات Acceptors "لأنها تتقبل
إلكترونات من أجزاء أخرى من البلورة( وبذلك تصبح أيونات سالبة الشحنة ) .
وهي تحول البلورة إلى شبه موصل من P ( P-type ) , ويرمز لهذا الطراز
بالحرف P لأنه الحرف الأول من العبارة الإنجليزية Positively Charged Holes
( ثقوب موجبة الشحنة ) . والذرات الشائبة خماسية التكافؤ تسمى " المعطيات
"Donors , حيث أنها تعطى إلكترونات إضافية إلى البلورة ( وتصبح أيونات موجبة الشحنة )
وهي تحول البلورة إلى شبه موصل من الطراز N, وبه إلكترونات زائدة
موجبة الشحنة Negatively Charged والثقوب والإلكترونات الزائدة لا تستقر قط ,
بل تتحرك باستمرار أو تنتشر في أنحاء البلورة .
ذرات الإنديوم Indium
*الاتصال من الطرز PN
عند توصيل البلورة جرمانيوم من الطراز N مع أخري من الطرز P ،
ينتج شيء بالغ الأهمية. وبما أن كلا من الإلكترونات والثقوب تنتشر حول
البلورة المتصلة ، فمن المتوقع أن تسرى معا جميع الثقوب في منطقتها P،
والإلكترونات الزائدة في منطقتها N، وتأتلف ، وبذلك يلغي بعضها بعضا.
غير أن هذا لا يحدث. ففي البداية تأتلفت فعلا قلة من الإلكترونات
الزائدة والثقوب، بحيث يملأ كل إلكترون منها ثقبا.ولكن تنشأ نتيجة لذلك ،
قوة تمنع أي ائتلاف تال – حاجز الاتصال – عند الاتصال PN ، أي في
المنطقة التي تتصل عندها البلورة. ويحدث ذلك لأن بعض الأيونات
" القابلة" في المنطقة P ، وبعض الأيونات " المعطية" في المنطقة N ،
تكون قد ارتحلت دون أن تصبح ثقوبها وإلكتروناتها سالبة الشحنة وموجبة
الشحنة(على التوالي).وأي ثقوب (موجبة الشحنة ) أخري تحاول الانتشار
في داخل المنطقة N, تطردها الشحنة الموجبة للأيونات المعطية هناك،
والعكسية بالعكس.ولا يمكن لأي تيار أن يسرى عبر الاتصال PN ، وبذالك
تنتج منطقة افتقار Depletion Region خلو من الثقوب والإلكترونات الإضافية
ولما كانت لهذه المنطقة شحنة موجبة على أحد جانبيها ، وشحنة سالبة على الجانب
الآخر، فأنة ينشأ عبرها جهد كهربائي (فولطية) لا يتجاوز عادة بضعة
أجزاء من عشرة من ويتوقف عرض منطقة الافتقار على كثافة الثقوب والإلكترونات
الزائدة في البلورة.
* انحياز الاتصال PN
اذا وصلت بطارية مع بلورة الجرمانيوم فأن الثقوب الإلكترونات
الزائدة ، تنجذب بعيدا عن الأتصال PN ويزداد أتساع منطقة
الافتقار. ويكون الاتصال مقاومة عالية جدا ، ويقال انه " منحاز عكسيا"
Reverse Biased . وإذا عكسنا الآن الطرفين الموجب والسالب للبطارية
الخارجية، فإن الثقوب تنطرد من الأطراف الموجبة، والإلكترونات الزائدة
من الأطراف السالبة، ويرتد كل من الثقوب والإلكترونات تجاه، الاتصال
، مكتسبة طاقة في أثناء أرتدادها، ويمكن لبعض منها الآن ،أن يتغلغل
في منطقة الافتقار (التي تزداد ضيقا مرة أخرى) ،ويأتلف بعضها مع بعض .
ولكن يجب الاحتفاظ بتركيز الثقوب والإلكترونات الزائدة. وبقدر حدوث
ائتلاف لكل ثقب والإلكترون، يدخل إلكترون من الطرف السالب للبطارية ،
إلي الجرمانيوم طراز N ، ويرتد تجاه الاتصال مؤتلفا في النهاية مع ثقب
آخر. وفي الوقت نفسه، يكسر إلكترون- من ترابط الزوج الإلكتروني
في منطقة الطرازp للبلورة- ترابط، مخلفا وراءه ثقبا،ويدخل طرف
البطارية الموجب . ويوجد الآن تيار كهربائي متواصل في الدائرة الخارجية .
ويوصل التيار في الجرمانيوم طراز P بوساطة الثقوب في حين يوصل التيار
في الطراز N بوساطة الإلكترونات الزائدة . ويكون الاتصال PN الآن
" منحازاً إلى الأمام " Forward Biased" وله مقاومة منخفضة .
ويكون له عمل صمام ثنائي Diode Valve أي أنه لا يسمح بسريان التيار
*صنع الترانـزستورات
لا تصنع الترانزستورات عملياً بمجرد وضع ثلاثة ألواح من الجرمانيوم أو
السيليكون معاً بالترتيب الصحيح . ولصنع ترانزستون PNP ذي اتصال
سبيكي ، توضع إحدى قطعتين صغيرتين من الإنديوم على كل من جانبي
رقيقة من الجرمانيوم طراز N , وتسخن التجميعة بأكملها حتى درجة 500
مئوية تقريباً فينصهر الإنديوم مذيباً بعض الجرمانيوم . ومع تخفيض
درجة الحرارة تتبلور أجزاء الجرمانيوم المحتوية على الإنديوم كشائبة
من الطراز P – وتكون بلورة متواصلة مع رقيقة الجرمانيوم طراز N-
التي يوجد على كل من جانبيها الآن اتصال PN . وتكون الرقيقة بمثابة
الأساس وقطعتا الإنديوم بمثابة الباعث والمجمع.
ولكــــــــــــــــن كيف يعمل الترانزستور ...؟؟؟
كيفية عمل الترانزيستور
أولا : توصل القاعدة والباعث بجهد ثابت توصيلا أماميا ( جهد الانحياز
الأمامي ) وبالتالي يكون حاجز الجهد بين المنطقتين صغيرا جدا وعلى ذلك
تكون مقاومة وصلة الباعث - القاعدة صغيرة
ثانيا : يوصل المجمع والقاعدة بجهد ثابت توصيلا خلفيا ( جهد الانحياز العكسي ) وبالتالي تكون مقاومة وصلة المجمع - القاعدة عالية
نلاحظ أن القاعدة تكون موجبة بالنسبة للباعث ويكون المجمع موجبا بالنسبة للقاعدة
ثالثا : بما أن القاعدة تحتوي على عدد قليل من الشوائب اذا عدد الفجوات
بها يكون منخفضا وبالتالي يكون عدد الالكترونات التي يملأ هذه الفجوات
منخفضا
رابعا : تمر معظم الالكترونات من الباعث الى المجمع عبر القاعدة ولا يمر في القاعدة الا عدد قليل من الالكترونات
خامسا : بتطبيق قانون كيرشوف على الترانزيستور يكون
شدة تيار الباعث = شدة تيار المجمع + شدة تيار القاعدة
و هذه بعض الصور لنوعي الترانزستور ...
لقد تم الحصول على الترانزيستور عام (1948 –1949) نتيجة للدراسات التي قام
بها العالمان باردين وبراتين وذلك في مخابر ( تلفون بل ) الأميركية
لاستخدامه بدلاً من الصمامات الإلكترونية التي كانت شائعة في تلك الأيام.
وتتألف كلمة الترانزيستور من كلمتين transfer وتعني تحويل( أو نقل) وكلمة
resistor وتعني مقاومة وذلك بعد حذف الأحرف الأخيرة fer من الكلمة الأولى
والأحرف الأولى res من الكلمة الثانية.
وإننا لنشك فيما إذا كان من الممكن أن تصل صناعة أجهزة الجسم الصلب إلى ما
وصلت إليه اليوم لو لم يكن الترانزيستور(الذي يعد امتداد للثنائي) هو
الباعث على البحث والتطوير الذي أصاب المواد نصف الناقلة وعمليات صنع
الأجهزة حيث يشغل الترانزيستور المقام الأول في الإلكترونيات المعاصرة
ويرجع ذلك بشك كبير إلى كونه جهاز تضخيم ممتاز صغير الحجم يمكن أن يعوّل
عليه بالإضافة إلى القدرة الصغيرة التي يتطلبها.
والترانزيستور كجهاز تضخيم يحول الإشارة الضعيفة التابعة للزمن إلى إشارة
قوية. وهناك وظائف مهمة أخرى يستطيع الترانزيستور أن يقوم بها في الدارات
الإلكترونية لكن مقدرته على التضخيم تعد الوظيفة الرئيسية بالنسبة
لاستخداماته الأخرى.
يمكن أن نميز صنفين من الترانزيستورات :
1- ترانزيستور ثنائي القطبية bipolar.
2- ترانزيستور وحيد القطبية unipolar .
حيث اعتمد في هذا التصنيف على آلية مرور التيار ففي الترانزيستور ثنائي
القطبية يعتمد مرور التيار على نوعي حاملات الشحنة (إلكترونات وثقوب) أما
الترانزيستور وحيد القطبية فإن مرور التيار يعتمد على نوع واحد من حاملات
الشحنة (إلكترونات أو ثقوب).
وبكلام آخر فإن النوع الأول (ثنائي القطبية) يعمل بفعل حاملات الشحنة من
النوعين الأكثرية والأقلية معاً أما النوع الثاني فإنه يعمل بفعل حاملات
الشحنة الأكثرية فقط.
يمكن أن تصنف الترانزيستورات أيضاً من حيث آلية العمل فالصنف الأول (والذي
يوافق الترانزيستورات ثنائية القطبية) تسمى بالترانزيستورات الوصلية حيث
يتم التحكم في التيارات الداخلية بواسطة متصلين ثنائيين pn أما النوع
الآخر فتسمى بالترانزستورات الحقلية حيث يستند في أساس عمله على أثر الحقل.
للترانزيستورات بشكل عام ثلاث أطراف تأخذ الأسماء التالية:
- من أجل الترانزيستورات ثنائية القطبية:
1- الباعث (emitter)
2- القاعدة (base)
3- المُجمّع (collector)
2- من أجل الترانزيستورات أحادية القطبية:
1- المنبع (source)
2- المصرف (drain)
3- البوابة (gate)
على الرغم من المردود الكبير للترانزيستور وماله من محاسن وميزات إيجابية
(مقارنة مع الصمامات) إلا أن هناك سلبية أساسية وهي كونه حساس جداً
لارتفاع درجة الحرارة ذلك أن مكوناته قابلة للعطب في حال ارتفاع درجة
الحرارة إلى حدود معينة فعلى سبيل المثال درجة الحرارة الأعظمية المسموح
بها لترانزيستور جرمانيوم تقع بين (60-100) درجة مئوية ولترانزيستور
سليكون بين(125-200) مئوية .وهذا أحد أسباب تفضيل استخدام السيليكون في
تصنيع الترانزيستور.
وللتغلب على هذا العائق تم إضافة المبردات للترانزيستور (وهي عبارة عن قطع
معدنية ذات مواصفات معينة توصل مع الجسم الخارجي للترانزيستور) تعمل هذه
المبردات على امتصاص الحرارة الزائدة الناتجة عن عمل الترانزيستور والتي
يمكن أن تخرب البنية الداخلية (أنصاف النواقل) للترانزيستور.
: : أنـــــــــواع الترانزستــــــــور : :
هناك نوعيم من الترانزستور يختلف كل واحد في تركيبه وهما كالتالي:
1- الترانزستور ال PNP :
يحتوى الترانزستور ال PNP على ثلاثة بللورات اثنتان موجبتان P وبينهما واحدة سالبة N ليتكون بذلك الترانزستور ال PNP .
شكل الترانزستور ال PNP
2- الترانزستور ال NPN :
يحتوى الترانزستور ال NPN على ثلاثة بللورات اثنتان سالبتان N وبينهما واحدة موجبة P ليتكون بذلك الترانزستور ال NPN .
شكل الترانزستور ال NPN
, : , تركيــــــب الترنزستــــــور , : ,
يحتوى الترانزستور على وصلتين وبذلك يمكن اعتباره كثنائيين موصليين ظهرا لظهر او وجها لوجه وذلك كما في الشكل
شكل التعبير عن الترانزستور باستخدام الثنائيات
PNP NPN
يحتوى كل ترانزستور على ثلاث أطراف وهي كما يلي :
1- المشع Emitter : وهوالجزء المختص بامداد حاملات الشحنة ( الفجوات في
حالة الترانزستور PNP والالكترونات في الترانزستور NPN ويوصل المشع أماميا
(forward) بالنسة للقاعدة وبذلك فهو يعطي كمية كبيرة من حاملات الشحنة عند
توصيلة .
2- المجمع Collector : ويختص هذا الجزء من الترانزستور بتجميع حاملات الشحنة القادمة من المشع ، ويوصل عكسيا (reverse) مع القاعدة .
3- القاعدة Base : وهي عبارة عن الجزء الأوسط بين المشع والمجمع ويوصل أماميا (forward) مع المشع ، وعكسيا (reverse) مع المجمع .
رمـــوز الترانزستــــور :
هناك رمزين للترنزستور والسهم يدل على نوعه كما بالشكل:
يدل السهم على نوع الترنزستور فالسهم الخارج يدل على ترانزستور NPN والداخل يدل على ترانزستور PNP
PNP NPN
, * , أشكـــال الترنزستــــور , * ,
ترانزستور عادي ترانزستور معدني
خصائص الترانزستور :
يوصل الترانزستور تيارا في الاتجاه الأمامي ولا يوصل تيارا في الاتجاه العكسي ومنطقة التوصيل تنقسم الى ثلاث مناطق :
المنطقة الأولى: وهى منطقة القطع التي لا يمر فيها تيار في مجمع Base الترانزستور .
المنطقة الثانية: وهى منطقة التكبير أو المنطقة الفعالة أو منطقة التشغيل الخطية للترانزستور .
المنطقة الثالثة: وهى منطقة التشبع التى يمر فيها أكبر تيار في مجمع Base الترانزستور
في المنطقة الأولى والثالثة يعمل الترانزستور كمفتاح ، وفي المنطقة الثانية يعمل الترانزستور كمكبر .
