آشنایی با ترانزیستور ها و انواع آنها

ترانزیستور چیست؟

ترانزیستور ها از عناصر نیم هادی سیلیسیم یا ژرمانیوم تشکیل می شوند. منظور از نیم هادی یعنی در برخی شرایط رسانای جریان برق هستند و در برخی شرایط به صورت نارسانا عمل می کنند. در واقع ترانزیستور یک قطعه‌ سه پایه‌ نیمه‌ هادی است که می‌تواند ولتاژ یا جریان را تحت کنترل گرفته و تنظیم کند.به عبارتی ترانزیستور در مقابل سیگنال‌ها مانند یک سوییچ یا دروازه عمل می‌کند.

انواع ترانزیستورها

ترانزیستورهاانواع مختلفی دارندکه هرکدام کاربردهای متفاوتی دارند.مهمترین دسته‌بندی آن‌ها را درنمودار زیر می‌بینید.

ترانزیستور BJT:

 BJT  مخففBipolar Junction Transistor است.

ترانزیستورهای دو قطبی، از دو نیمه هادی نوع n و نوع p بین دو اتصال استفاده می کنند. وظیفه اصلی این ترانزیستورها تقویت جریان می باشد و به عنوان تقویت کننده یا سوئیچ استفاده می شوند تا در تجهیزات باشند.این ترانزیستورها از هر دو حامل بار، با نام الکترون و حفره استفاده می کند. ترانزیستورهای BJT در دو نوع عمده NPN و PNP وجود دارند. حال در نوع NPN ، اکثر حامل های جریان الکترون هستند. اما درترانزیستورهایPNP، بیشتر حامل های جریان حفره ها می باشند.

ساختار پایه ترانزیستور دوقطبی از دو پیوند PN تشکیل شده که سه ترمینال هادی را می‌سازد. هر یک از این ترمینال‌ها برای تفکیک شدن از دو ترمینال دیگر با نام‌های امیتر(Emitter) با نماد E، بیس(Base)با نماد B و کلکتور(Collector) با نماد C نامگذاری می‌شوند.

ترانزیستورهای دوقطبی قطعات تنظیم‌کننده جریان هستند که مقدار جریان گذرنده از امیتر به کلکتور آن‌ها با اندازه ولتاژ بایاس اعمالی به پایه بیس متناسب است و به همین دلیل، مانند یک سوئیچ کنترل‌شده جریان کار می‌کنند. جریان ترمینال بیس جریان‌های بزرگتر کلکتور را کنترل می‌کند و این اساس کار ترانزیستور است.

اصول عملکرد دو ترانزیستور PNP و NPN دقیقاً مشابه یکدیگر است. تنها تفاوت این دو نوع ترانزیستور در پلاریته منبع تغذیه بایاس آن‌ها است که مخالف یکدیگر است.

شکل زیر ساختار ترانزیستور دو قطبی و نمادهای مداری آن‌ها را نشان می‌دهد.

کاربرد ترانزیستور BJT:

ترانزیستور پیوند دو قطبی دو کاربرد مهم دارد:

• سوییچینگ
• تقویت کننده

سوئیچینگ در الکترونیک دیجیتال و تقویت‌کنندگی در الکترونیک آنالوگ کاربرد دارند.

ترانزیستورهایاثرمیدانیFET:

ترانزیستور اثر میدان(Field Effect Transistor)یا FET، از یک ولتاژ برای اعمال به ترمینال ورودی که گیت (Gate) نامیده می‌شود، استفاده می‌کند و جریان گذرنده از آن متناسب با این ولتاژ‌ است. از آن‌جایی که عملکرد FET مبتنی بر یک میدان الکتریکی حاصل از ولتاژ گیت ورودی است (نام اثر میدان به همین دلیل است)،‌ سبب می‌شود ترانزیستور اثر میدان، یک قطعه مبتنی بر ولتاژ باشد.

ترانزیستور اثر میدان، یک قطعه نیمه‌هادی تک‌قطبی است که مشخصات آن بسیار شبیه به ترانزیستور دوقطبی مشابه است. برخی از ویژگی‌های این قطعه، بازدهی بالا، عملکرد لحظه‌ای، مقاوم و ارزان بودن است که می‌توان آن را در اغلب مدارهای الکترونیکی با ترانزیستورهای پیوندی دوقطبی (BJT) معادل جایگزین کرد.

ترانزیستور اثر میدان، سه پایه یا ترمینال اصلی دارد که پیوند PN در مسیر اصلی هدایت جریان بین ترمینال‌های درین (Drain) و سورس (Source) وجود ندارد. این دو پایه، نقشی متناظر با پایه‌های کلکتور و امیتر در ترانزیستور دوقطبی دارند. مسیر جریان بین این دو ترمینال، کانال (Channel) نامیده می‌شود و از ماده نیمه‌رسانای نوع P یا نوع N ساخته می‌شود.

کنترل جریان گذرنده از این کانال با تغییر ولتاژ‌ اعمالی بر گیت (Gate) امکان‌پذیر است. همان‌طور که از نام ترانزیستورهای دوقطبی پیداست، قطعاتی دوقطبی هستند، زیرا با هر جریان دو نوع حامل‌های بار حفره و الکترون کار می‌کنند. در مقابل، ترانزیستور اثر میدان،‌ یک قطعه تک‌قطبی است که فقط به حرکت الکترون‌ها کانال N یا حفره‌ها کانال P بستگی دارد.

دو نوع اصلی ترانزیستور اثر میدان وجود دارد: ترانزیستور اثر میدان پیوندی (Junction Field Effect Transistor) یا JFET و ترانزیستور اثر میدان با گیت ایزوله‌ شده (Insulated-gate Field Effect Transistor) یا IGFET که معمولاً با نام ترانزیستور اثر میدان نیمه‌هادی اکسید فلز (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) یا MOSFET نامیده می‌شود.

ترانزیستور JFET:

که یک ترانزیستور پیوندی دوقطبی، در مسیر هدایت جریان بین ترمینال‌های امیتر و کلکتور از دو پیوند PN تشکیل می‌شود. اما ترانزیستور اثر میدان (JUGFET یا JFET) پیوند PN ندارد، ولی به جای آن، یک بخش نازک از ماده نیمه‌رسانای با مقاومت بالا دارد که یک کانال نوع N یا نوع P سیلیکون را در هر انتها تشکیل می‌دهد که به ترتیب، درین و سورس نام دارند.

دو پیکربندی اصلی برای ترانزیستور اثرمیدان وجود دارد: JFET کانالN  و  JFET کانال P.

ترانزیستورMOSFET:

متداول‌ترین   FETبا گیت ایزوله ‌شده که در کاربردهای مختلفی به کار می‌رود، ترانزیستور اثر میدانی نیمه ‌رسانای اکسید فلز یا ماسفت (MOSFET) است. IGFETیاMOSFET یک ترانزیستور اثر میدان کنترل‌ شده با ولتاژ است که با JFET تفاوت دارد و این تفاوت، یک الکترود گیت «اکسیدفلز» است که از نظر الکتریکی نسبت به نیمه ‌هادی اصلی کانال N یا کانال P با یک لایه بسیار نازک از ماده عایق ‌کننده  (معمولاً اکسید سیلیکون) جدا شده است.

این الکترود گیت فلز ایزوله ‌شده بسیار نازک را می‌توان به عنوان یک صفحه خازن در نظر گرفت. ایزولاسیون گیت کنترل سبب می‌شود مقاومت ورودی ماسفت بسیار بزرگ و درمحدوده مگا اهم باشد.

ازآن‌جایی که ترمینال گیت از نظر الکتریکی از کانال اصلی گذر جریان بین درین و سورس جدا است، مانند   JFET هیچ جریانی از گیت عبور نمی‌کند و ماسفت نیز مانند یک مقاومت کنترل ‌شده با ولتاژ عمل می‌کند که در آن، جریان گذرنده ازکانال اصلی، متناسب با ولتاژ ورودی است. همچنین، مشابه JFET، ماسفت‌ها نیز مقاومت ورودی بسیار بزرگی دارند و می‌توانند به سادگی مقادیر زیادی از بار استاتیکی را جمع کنند. بنابراین، اگر ماسفت به دقت محافظت نشود یا به درستی مورد استفاده قرار نگیرد، آسیب خواهد دید.

ماسفت‌ها قطعاتی با سه ترمینال ِگیت (Gate)،درین (Drain) وسورس (Source) هستند.

کاربرد ترانزیستورهای ماسفت هم بیشتر در مدارات برق قدرت ، پاورهای سوئیچینگ و مدارت تقویتی مانندآمپلی فایرها می باشد.

ترانزیستور اثر میدانی با گیت ایزوله شده نیمه رسانای اکسید فلز در واقع یک ترانزیستور اثرمیدانی کنترل شده با ولتاژ است که همین حالت قابلیت های زیادی را برای طراحی مدارت مختلف در اختیار ما قرار میدهد.به عنوان مثال گیت ترانزیستور از نظر الکتریکی از گذرگاه بین درین و سورس جدا است و به همین دلیل جریانی از گیت ترانزیستور عبور نمی کند،در این حالت ترانزیستور مانند یک مقاومت حساس به ولتاژ عمل میکند ، یعنی میزان جریان عبور داده شده از آن متناسب با ولتاژ ورودی می باشد.

راه‌اندازی ماسفت های قدرت به نظر راحت می رسد. این ترانزیستورها دارای یک پایه گیت هستند که با اعمال ولتاژ می توان ترانزیستور را خاموش و یا روشن کرد. به علت مقاومت داخلی بالای آن تقریبا نیاز به جریان اضافی نیز ندارند. این ترانزیستور ها بیشتر در مدارات سوئیچینگ استفاده می شوند که یا کامل خاموش یا روشن هستند بنابراین توان تلف شده آنها تقریبا صفر است. ولی هنگام روشن و یا خاموش شدن آنها اگر ولتاژ گیت کافی نباشد و یا با شیب آنها را روشن کنیم باعث داغ شدن ترانزیستور خواهیم شد .این ترانزیستور ها معمولا دارای ظرفیت خازنی در گیت خود هستند که مانع سریع روشن و یا خاموش شدن ترانزیستور خواهد شد، در واقع در لحظه اول گیت به صورت اتصال کوتاه عمل کرده و جریان زیادی را مصرف خواهد کرد و به سرعت به حالت روشن و یا خاموش تغییر حالت نخواهد داد، بنابراین با توجه به مقاومت ظاهری نسبتا زیاد این ترانزیستور ها نیاز به تقویت کننده جریان برای گیت آنها خواهیم داشت که می توانید از آی سیICL7667 استفاده کنید

این قطعات در انواع ماسفت کانال P یا PMOS و ماسفت کانال N یا NMOS و به دو فرم اساسی زیر در دسترس هستند:

نوع کاهشی یا تخلیه‌ای (Depletion-mode MOSFET):

برای خاموش (OFF) کردن ترانزیستور، باید ولتاژ گیت – سورس را به آن اعمال کرد . ماسفت مد کاهشی، معادل با یک سوئیچ یا کلید «درحالتعادیبسته» (Normally Closed) است.

نوعافزایشی (Enhancement-mode MOSFET):

در این نوع، برای روشن (ON) کردن ترانزیستور، باید ولتاژ گیت – سورس را به آن اعمال کرد. ماسفت مد افزایشی، معادل با یک سوئیچ یا کلید «در حالت عادی باز» (Normally Open) است.

نمادها و ساختارهای پایه هر دو پیکربندی ماسفت‌ها در شکل زیر نشان داده شده است.

ترانزیستورIGBT:

«ترانزیستور دو قطبی با گِیت عایق شده» (Insulated Gate Bipolar Transistor) یا به اختصار IGBT ، قطعه‌ای نیمه‌رسانا است که عملکردی بین ترانزیستور پیوندی دو قطبی (BJT) و ترانزیستور اثر میدان (MOSFET) دارد.

ترانزیستور IGBT بهترین بخش‌های دو ترانزیستور متداول BJT و MOSFET را در ساختار خود دارد. در واقع، امپدانس ورودی بزرگ و سرعت سوئیچینگ بالای MOSFET و ولتاژ اشباع پایین BJT با هم ترکیب شده است و نوع دیگری ترانزیستور به نام IGBT ساخته شده که قابلیت عملکرد در مقادیر بالای جریان کلکتور-امیتر را با ولتاژ گیت تقریباً صفر دارد

آی جی بی تی، همان‌گونه که از نامش پیداست، مجهز به فناوری گیت ایزوله شده MOSFET و نیز مشخصه یک ترانزیستور دو قطبی متداول است. نتیجه چنین ترکیبی، سوئیچینگ خروجی و مشخصه هدایتیک ترانزیستور دو قطبی را دارد، اما مانند یک ماسفت، ولتاژ آن کنترل شده است.

IGBTها به طور گسترده در کاربردهای الکترونیک قدرت مانند اینورترها، مبدل‌ها و منابع تغذیه که به قطعات سوئیچینگ حالت جامد نیاز داشته و ماسفت‌ها و BJTها در آن‌جا کارایی لازم را ندارند، مورد استفاده قرار می‌گیرند. ترانزیستورهای دو قطبی ولتاژ بالا و جریان بالا در دسترس هستند، اما سرعت سوئیچینگ آن‌ها پایین است. از سوی دیگر، اگرچه سرعت سوئیچینگ ماسفت‌های قدرت بیشتر است، اما قطعات ولتاژ بالا و جریان بالای آن گران هستند. شکل زیر،یکIGBT را نشان می‌دهد.

ترانزیستور دو قطبی با گِیت عایق شده، بهره توان بالاتری نسبت به ترانزیستور دو قطبی استاندارد دارد. همچنین قابلیت عملکرد در ولتاژ بالاتر و تلفات ورودی پایین‌تر را دارا است. از دیدگاه عملکردی،IGBTیکFET است که با ترانزیستور دو قطبی ترکیب شده و پیکربندی دارلینگتون را تشکیل داده است. شکل زیر این موضوع را نشان می‌دهد.

همان‌طور که در شکل بالا مشخص است، IGBTیک قطعه سه پایهیا سه سر و با هدایت انتقالی است که از ترکیبیک ماسفت کانال N با گیت ایزوله شده در ورودی و  یک ترانزیستور دو قطبیPNP در خروجی ساخته می‌شود که مدار دارلینگتون را تشکیل داده‌اند.

نابراین، پایه‌هایIGBT، کلکتور (Collector)، امیتر (Emitter) و گیت (Gate) نام دارند. دو تا از این پایه‌ها (C و E) متناظر با مسیر هدایت هستند که جریان از آن‌ها می‌گذرد. پایه سوم (G)‌ نیز قطعه را کنترل می‌کند.

میزان تقویت‌ کنندگیIGBT، برابر با نسبت سیگنال خروجی به سیگنال ورودی آن است. براییکBJT عادی، مقدار بهره تقریباً برابر با نسبت جریان خروجی به جریان ورودی است که بتانامیده می‌شود.

در یک ماسفت، جریان ورودی به دلیل ایزوله بودن گیت از جریان کانال اصلی، صفر است. بنابراین، بهره FET برابر با نسبت تغییر جریان خروجی به تغییر ولتاژ ورودی است که منجر می‌شود این نیمه‌هادی،یک قطعه هدایت انتقالی باشد که در مورد IGBT نیز چنین است. در نتیجهIGBTرا می‌توانیم به عنوان یکBJT قدرت در نظر بگیریم که جریان بیس آن با یک ماسفت تغذیه می‌شود.

ترانزیستورIGBT را می‌توان مانند BJTیاMOSFET در مدارهای تقویت کننده سیگنال کوچک به کار برد. اما از آن‌جایی که IGBT تلفات هدایت کم BJT را با سرعت بالای سوئیچینگ ماسفت قدرت ارائه می‌کند،یک سوئیچ حالت جامد بهینه است که برای استفاده در کاربردهای الکترونیک قدرت ایده‌آل است.

همچنینIGBT مقاومت حالت هدایت پایین‌تری نسبت به ماسفت معادلش دارد. این بدین معنی است که مقدار توان اتلافیدر خروجی دو قطبی براییک جریان سوئیچینگ مشخص کمتر است. عملکرد مسدودسازی مستقیم ترانزیستورIGBT مشابه یک ماسفت قدرت است.

قتی از IGBT به عنوان سوئیچ کنترل شده استاتیکی استفاده می‌کنیم، این قطعه مقادیر ولتاژ و جریان مشابهی با ترانزیستور دو قطبی دارد. البته وجود گیت ایزوله‌ شده در IGBT، فرمان آن را نسبت به BJT ساده‌تر می‌کند و توان کمتری نیاز دارد.

یکIGBT را می‌توان به سادگی و با فعال یا غیرفعال کردن پایه گیت،ONیاOFF کرد. مشابه اکثر ماسفت‌ها و BJTها، با اعمال یک سیگنال ولتاژ ورودی مثبت به دو سر گیت و امیتر،IGBT روشن می‌شود؛ در حالی که با صفر یا کمی منفی شدن سیگنال گیت،IGBT به حالت خاموش می‌رود. یکی دیگر از مزایایIGBT این است که مقاومت کانال پایین‌تری در حالت هدایت نسبت به ماسفت استاندارد دارد.

از آن‌جایی که IGBTیک قطعه کنترل شده با ولتاژ است، فقط به مقدار کمی ولتاژ گیت برای ماندن در حالت هدایت نیاز داد؛ برخلاف BJT که به تغذیه مداوم جریان بیس برای ماندن در حالت اشباع نیازمند است.

همچنین،IGBT برخلاف ماسفت دو جهته، یک قطعه یک‌ جهته است (یعنی جریان را فقط در جهت مستقیم از کلکتور به امیتر عبور می‌دهد). ماسفت‌ها قابلیت عبور جریان کنترل شده در جهت مستقیم و جریان کنترل نشده را در جهت معکوس دارند.

اصول عملکرد مدارهای راه‌انداز گیت در IGBTها بسیار شبیه به ماسفت‌های قدرت کانال N است. تنها تفاوت اساسی این است که هنگام گذر جریان از IGBT در حالت ON، مقاومت کانال هدایت اصلی بسیار کمتر از ماسفت است.

مزایای اصلی استفاده از IGBTها نسبت به سایر ترانزیستورها، قابلیت کار در ولتاژ بالا، مقاومت حالت هدایت پایین، سادگی راه‌اندازی، سرعت سوئیچینگ نسبتاً بالا و راه‌انداز گیت صفر است که آن‌ها را گزینه مناسبی برای کاربردهای ولتاژ بالا مانند مدولسیون پهنای پالس (PWM)، کنترل سرعت متغیر، منابع تغذیه سوئیچینگیا اینورترهایDC-AC خورشیدی و کاربردهای مبدل فرکانس در محدوده چند هزار کیلو هرتز قرار داده است.