الترانزستور هو مكون إلكتروني يستخدم في معظم الدوائر الإلكترونية (الدوائر المنطقية ، ومضخم الصوت ، ومثبت الجهد ، وتعديل الإشارة ، وما إلى ذلك) في كل من الجهد المنخفض والعالي. الترانزستور هو جهاز أشباه الموصلات به ثلاثة أقطاب كهربائية نشطة ، مما يجعل من الممكن التحكم في تيار أو جهد على قطب الخرج (جامع الترانزستور ثنائي القطب والتصريف على ترانزستور تأثير المجال) بفضل إدخال قطب كهربائي (القاعدة على ترانزستور ثنائي القطب وبوابة ترانزستور تأثير المجال). الدائرة متصلة بأطراف “المجمع” و “الباعث” ، يكون الترانزستور عازلًا بدون جهد على طرف القاعدة ، وموصل بجهد كهربائي على طرف القاعدة. بمعنى آخر ، إنه مفتاح يتم التحكم فيه إلكترونيًا ، بدون جزء ميكانيكي. إنه مكون أساسي للأجهزة الإلكترونية والدوائر المنطقية.
نسخة طبق الأصل من أول ترانزستور. بعد العمل على أشباه الموصلات ، تم اختراع الترانزستور في 23 ديسمبر 1947 من قبل الأمريكيين جون باردين وويليام شوكلي ووالتر براتين ، باحثين في مختبرات بيلنوت 1. حصل هؤلاء الباحثون على جائزة نوبل في الفيزياء لهذا الاختراع عام 19564. قام الفيزيائيان الألمانيان هربرت ماتاري وهاينريش ويلكر ، بشكل مستقل ومستقل ، بتطوير “الترانزستور الفرنسي” في يونيو 1948 أثناء عملهما في Compagnie des Freins et Signaux في باريس 5.
جدول المحتويات
المختبر الأمريكي
قاموا بتقديم طلب براءة اختراعهم الأول لترانزستور في 13 أغسطس 1948. أظهرت الدراسات التي أجراها المفوضون أنهم لم يعتمدوا على إعلان الترانزستور من المختبر الأمريكي ولكن لديهم الفكرة .. في نفس الوقت 5. في 18 مايو 1949 ، تم تقديم هذا الاختراع الأوروبي للجمهور بواسطة الصحافة تحت اسم “ترانزيسترون” 6. الهدف إذن هو غزو السوق العالمية أولاً. في ذلك الوقت ، أعطت الصحافة الفنية ميزة الترانزستور الذي يعتبر أكثر مقاومة وأكثر استقرارًا. ومع ذلك ، فإن الحكومة الفرنسية التي تركز على التكنولوجيا النووية ، يتم تهميش الترانزستور ويفقد ميزته على الترانزستور 5.
إقرأ أيضا:مرض الصرعفي عام 1952 ، أنشأ هربرت ماتاري شركة Intermetall التي كانت أول شركة تنتج الترانزستورات والتي وصلت إلى ذروتها بعد عام مع تقديم أول راديو ترانزستور قبل عام من شركة Texas Instrument. في عام 1954 ، طورت شركة Texas Instrument نموذجها الأولي لراديو الترانزستور الذي تم تصنيعه من قبل شركة IDEA (Industrial Development Engineering Associates) 7. قبل ذلك ، كان هربرت ماتاري قد اقترب بالفعل من تأثير الترانزستور أثناء عمله للجيش الألماني خلال الحرب العالمية الثانية بهدف تحسين الرادارات. إن إلحاح الحرب منعه من التعمق أكثر في الموضوع ، ووصف الظاهرة بـ “التدخل”.
عندما استعادت روسيا السيطرة على القرية التي كان يعمل فيها في بولندا ، اضطر هربرت ماتاري إلى حرق كل هذه الأوراق النقدية خوفًا من وقوعها في أيدي العدو. يعتبر الترانزستور تقدمًا كبيرًا على أنبوب الإلكترون: أصغر بكثير وأخف وزنًا وأكثر قوة ، ويعمل بجهد كهربائي منخفض ، مما يتيح طاقة البطارية ، ويعمل على الفور تقريبًا عند تشغيله ، على عكس أنابيب الإلكترون التي تتطلب حوالي عشر ثوانٍ من التسخين ، ولدت بشكل كبير الاستهلاك ويتطلب مصدر جهد عالي (عدة مئات من الفولتات).
العلماء والصناعيين
بمجرد اكتشاف الترانزستور ، لم يكن الافتتاح للجمهور فوريًا. كان أول تطبيق للترانزستور في الراديو عام 19548 ، أي بعد 7 سنوات من اكتشاف الترانزستور. ولكن منذ ذلك الحين ، ازداد تأثيره على المجتمع بشكل كبير ، خاصة بين العلماء والصناعيين. في الواقع ، منذ منتصف الخمسينيات من القرن الماضي ، بدأنا في استخدام الترانزستور في أجهزة الكمبيوتر ، مما جعلها موثوقة جدًا وصغيرة نسبيًا لتسويقها. منذ عام 1957 قامت شركة IBM ببناء جميع أجهزة الكمبيوتر الجديدة باستخدام الترانزستورات بدلاً من الأنابيب المفرغة بعد اختراع الدائرة المتكاملة في عام 1958 ، التي جمعت في حجم صغير عدة ترانزستورات ومكونات ، في عام 1969 تم اختراع المعالج الدقيق ، مما سمح لآلاف الترانزستورات بالعمل بانسجام على دعامة ، وهو ما يعد ثورة للحوسبة الحديثة 9.
إقرأ أيضا:حدود العلاج الجينييتضمن Intel 4004 ، الذي تم إصداره في مارس 1971 بتكليف من Busicom ، 2250 ترانزستورًا وينفذ 60.000 عملية في الثانية. في الوقت الحاضر ، يوجد الترانزستور في كل مكان في معظم أجهزة حياتنا اليومية. زاد عدد الترانزستورات في المعالج الدقيق بشكل كبير مع انخفاض حجمه ، وفقًا لقانون مور ، على سبيل المثال 18 مليار ترانزستور لـ 398 مم 210 في عام 2018. وقد ساهم في تطوير مجموعة متنوعة من المجالات. إنه موجود في كل شيء يحتوي حتى على كمية صغيرة من الإلكترونيات ، من ماكينات صنع القهوة لدينا إلى سياراتنا إلى إشارات المرور. بمجرد وجود خيار أكثر تعقيدًا من الخيار المفتوح / المغلق في جهاز إلكتروني ، يبدأ تشغيل الترانزستور. تصنيف الترانزستور ثنائي القطب المقال الرئيسي:
الترانزستور ثنائي القطب. الترانزستور ثنائي القطب هو جهاز إلكتروني يعتمد على أشباه الموصلات التي يعتمد مبدأ تشغيلها على تقاطعين PN ، أحدهما في الاتجاه المباشر والآخر في الاتجاه المعاكس. حقل التأثير المقال الرئيسي: ترانزستور تأثير المجال. على عكس الترانزستور ثنائي القطب ، تعمل البوابة “بتأثير المجال” (ومن هنا اسمها) وليس بمرور تيار كهربائي. من بين ترانزستورات التأثير الميداني (أو FET ، من أجل تأثير المجال) ، يمكن تمييز العائلات التالية:
الترانزستور:الموصلات
المعادن / أكسيد / أشباه الموصلات ؛ ترانزستورات JFET: تستخدم خصائص تقاطعات PN. ترانزستور أحادي المقال الرئيسي: ترانزستور أحادي. لم يعد يتم استخدام ما يسمى بالترانزستور أحادي الوصلة ، ولكن تم استخدامه لإنشاء مذبذبات الاسترخاء. التكنولوجيا الهجينة المقال الرئيسي: بوابة معزولة الترانزستور ثنائي القطب. IGBT هو هجين ثنائي القطب و MOSFET ، يستخدم بشكل أساسي في إلكترونيات الطاقة. التطبيقات يتيح النوعان الرئيسيان من الترانزستورات إمكانية تلبية احتياجات الإلكترونيات التناظرية والرقمية بالإضافة إلى إلكترونيات الطاقة والجهد العالي. تستخدم التكنولوجيا ثنائية القطب في الغالب في الإلكترونيات التناظرية وإلكترونيات الطاقة. تُستخدم تقنيات FET و CMOS بشكل أساسي في الإلكترونيات الرقمية (أداء العمليات المنطقية).
إقرأ أيضا:قانون عالمي عاميمكن استخدامها لصنع كتل تناظرية في الدوائر الرقمية (منظم الجهد على سبيل المثال). كما تُستخدم أيضًا في صنع أدوات التحكم في الطاقة (المحركات) وللإلكترونيات ذات الجهد العالي (السيارات). تشبه خصائصها خصائص أنابيب الإلكترون. إنها توفر خطيًا أفضل في مكبرات الصوت Hi-Fi ، وبالتالي تشويه أقل. يتم استخدام مزيج من التقنيتين في IGBTs. دستور الركائز المستخدمة هي الجرمانيوم (سلسلة AC ، عفا عليها الزمن الآن) ، السيليكون ، زرنيخيد الغاليوم ، جرمانيوم السيليكون ومؤخرًا كربيد السيليكون ، نيتريد الغاليوم ، أنتيمونيد الإنديوم. في 10 مايو 1954 ، أصدرت شركة Texas Instruments أول ترانزستور من السيليكون 7.
الترانزستور:السيليكون
بالنسبة للغالبية العظمى من التطبيقات ، يتم استخدام السيليكون ، بينما يتم استخدام المواد الأكثر غرابة مثل زرنيخيد الغاليوم ونتريد الغاليوم لصنع ترانزستورات الميكروويف والميكروويف. يتكون الترانزستور ثنائي القطب من جزأين متطابقين من أشباه الموصلات (P أو N) مفصولة برقاقة رقيقة من أشباه الموصلات المخدرة عكسيًا ؛ وبالتالي هناك نوعان: N-P-N و P-N-P. يتكون ترانزستور التأثير الميداني تقليديًا من شريط من أشباه الموصلات N (أو P) مخدر ، محاطًا في منتصفه بحلقة عكسية P (أو N) أشباه الموصلات المخدرة. نتحدث عن قناة N أو P FET اعتمادًا على المنشطات من الشريط. يتكون ترانزستور MOS من شريط من أشباه الموصلات P أو N حيث يتم نمو طبقة رقيقة عازلة (مثل ثاني أكسيد السيليكون) فوق المحور ، يعلوها قطب كهربائي معدني. في كلا النوعين من الترانزستورات ثنائية القطب ، يُطلق على القطب الذي يمر عبره التيار بالكامل الباعث.
التيار في الباعث يساوي مجموع تيارات المجمع والقاعدة. يحدد السهم جهاز الإرسال ويتبع اتجاه التيار ؛ يشير إلى الخارج في حالة NPN ، إلى الداخل في حالة PNP. القطب المتصل بمنتصف الشريط المركزي هو القاعدة والقطب الثالث هو المجمع. في حالة تأثير المجال ، يختفي السهم ، لأن الجهاز متماثل (الصرف والمصدر قابلان للتبادل). عادة ما يتم استبدال الخطوط المائلة بخطوط مستقيمة. بالنسبة لترانزستور MOS ، تنفصل البوابة عن الأقطاب الكهربائية الأخرى ، للإشارة إلى العزل بسبب وجود الأكسيد. في الواقع ، هناك اتصال رابع لترانزستورات التأثير الميداني ، الركيزة (تسمى أحيانًا السائبة) ، والتي ترتبط عادةً بالمصدر (هذا هو الاتصال بين S والخطين الرأسيين في الرسم التخطيطي). تطور استخدمت الترانزستورات الأولى الجرمانيوم كأشباه موصلات.
ترانزستورات زرنيخيد الغاليوم
تم استبدال هذه المادة ، التي تم استخدامها مرة أخرى في تطبيقات معينة ، بسرعة بالسيليكون الذي كان أكثر مقاومة وأكثر مرونة في الاستخدام وأقل حساسية لدرجة الحرارة. هناك أيضًا ترانزستورات زرنيخيد الغاليوم المستخدمة بشكل خاص في مجال الميكروويف. تستخدم ترانزستورات التأثير الميداني بشكل أساسي في تضخيم الكسب الكبير من السعة المنخفضة وإشارات الجهد المنخفض للغاية. هم حساسون جدا لتفريغ الكهرباء الساكنة. أعطت التطورات التكنولوجية ترانزستورات أو مفاتيح MOS للطاقة ، وهي تستخدم بشكل متزايد في جميع تطبيقات تبديل الجهد المنخفض (الفئة D) عالية الطاقة ، نظرًا لعدم وجود مقاومة تصريف تقريبًا. على عكس الترانزستورات ، فهي لا تسخن وبالتالي لا تحتاج إلى التبريد (مشعات).
يمكن أن يحل الجرافين ، وهو مادة جديدة واعدة جدًا وفعالة ، محل السيليكون في الجيل التالي من الترانزستورات. مبدأ التشغيل محلل الترانزستور. يعمل الترانزستورات ثنائية القطب و MOS بطرق مختلفة جدًا: الترانزستور ثنائي القطب مضخم التيار ، يتم حقن تيار في مساحة القاعدة / الباعث لإنشاء تيار مضروب في كسب بين الباعث والمجمع. ترانزستورات NPN ثنائية القطب (سالبة-موجبة-سالبة) والتي تسمح للتيار بالتدفق من القاعدة (+) إلى الباعث (-) ، أسرع وتحمل جهدًا أفضل من قاعدة PNP (-) باعث الترانزستورات (+) ، ولكن يمكن يتم إنتاجها بخصائص إضافية من قبل الشركات المصنعة للتطبيقات التي تتطلب ذلك. ترانزستور تأثير المجال جهاز التحكم الخاص به هو البوابة.
الترانزستور:تيار البوابة
هذا يحتاج فقط إلى جهد (أو جهد) بين البوابة والمصدر للتحكم في التيار بين المصدر والصرف. تيار البوابة هو صفر (أو لا يكاد يذكر) في الوضع الثابت ، لأن البوابة تتصرف تجاه دائرة التحكم مثل مكثف منخفض السعة. هناك عدة أنواع من ترانزستورات التأثير الميداني: ترانزستورات الاستنفاد والتخصيب (الأكثر عددًا) وترانزستورات الوصلات (JFET). في كل عائلة ، من الممكن استخدام قناة من النوع N أو النوع P ، مما يجعل المجموع ستة أنواع مختلفة. – بالنسبة للترانزستورات المستنفدة وكذلك JFETs ، تكون قناة مصدر التصريف موصلة إذا كانت احتمالية البوابة صفرًا. لمنعها ، يجب أن تكون هذه الإمكانية سالبة (للقنوات N) أو موجبة (للقنوات P). – على العكس من ذلك ، يتم حظر ترانزستورات التخصيب عندما لا يكون للبوابة أي احتمال.
إذا قمنا بتحيز بوابة N بجهد موجب أو P بجهد سالب ، فإن مساحة المصدر – التصريف تصبح موصلة. يتميز كل من هذه الترانزستورات بجهد عتبة ، يتوافق مع جهد البوابة الذي يجعل الانتقال بين السلوك المحظور وسلوكه الموصل. على عكس الترانزستورات ثنائية القطب ، التي يعتمد جهدها المبدئي فقط على أشباه الموصلات المستخدمة (السيليكون أو الجرمانيوم أو As-Ga) ، فإن جهد عتبة الترانزستورات ذات التأثير الميداني يعتمد بشكل وثيق على التكنولوجيا
ويمكن أن يتغير بشكل كبير حتى مع مرور الوقت. ضمن نفس الدفعة. إن ترانستور تأثير المجال لاستنفاد القناة N هو أشباه الموصلات التي تشبه خصائصها إلى حد كبير الأنابيب المفرغة القديمة (الصمامات الثلاثية). عند القوة المتساوية ، تكون N الترانزستورات أصغر من P. في الهندسة المتساوية ، تكون N الترانزستورات أيضًا أسرع من P. في الواقع ، فإن غالبية الموجات الحاملة في قناة N هي الإلكترونات ، التي تتحرك بشكل أفضل من الثقوب ، السائدة في قناة P. وبالتالي ، تكون القناة N أكبر من قناة P من نفس العملة المعدنية