تاريخ الترانزيستور
Transistor's History



قصة اختراع الترانزستور :


قبل وجود الترانزستور كانت هناك صمامات الراديو , التي اخترعها السير فلمنغ الذي ساعد ماركوني في تجاربه المبكرة.
وقد انتج صمامه الأول في العام 1904 , عندما اكتشف انه إذا كان بحوزته أنبوب مفرغ بقطبين أحدهما ساخن والآخر بارد فانه بالإمكان الكشف عن موجات لاسلكية. وفي العام 1906 في فيينا أضاف روبرت فون ليبن المنكب على مسألة الإشارات الهاتفية, قطبا ثالثا ووجد أن ذلك سيجعل من الإشارات الضعيفة أقوى وأعلى بكثير.


وقد قدر للأمريكي لي دو فورست تحسين ذلك.
ومن ناحية أخرى, فان الترانزستور يعمل كل ما تعمله صمامات الراديو, لكنه أكثر موثوقية وامتن واصغر ولا يحتاج إلا لجزء مما تتطلبه الصمامات من كهرباء . وقد أظهرت أولى الترانزستورات للمرة الأولى من قبل ويليام شوكلي, وجون باردين وولتر براتين في مختبرات شركة بل تلفون في الولايات المتحدة الأمريكية في العام 1948 .


اكتشف هؤلاء المخترعين أن مواد مثل السليكون والجرمانيوم لا توصل الكهرباء ولا تعمل كمقاومات لها.
وبالحقيقة, أنها (نصف نواقل) . فالسيلكون هو عنصر شائع الوجود في العالم , حيث يوجد في مواد مثل الرمل والصوان والكوارتز.
وقد اكتشف شوكلي انه بإضافة مقادير ضئيلة من مادة أخرى إلى السليكون يستطيع أن يظهر الكيفية التي يرد بها السليكون على مرور الكهرباء عبره.

وقد قاد هذا الاكتشاف إلى تطور كل الدارات الكهربائية الدقيقة الحديثة.



الترانزيستور Transistor

ما هو الترانزيستور

الترانزستور (Transistor) هو قطعة ذات ثلاث أرجل تخفي كل رجل منها نوع مختلف من مادة شبه موصلة وإن تشابه إثنان منها ولكنهما مختلفان



الترانزيستور نوعان هما PNP و NPN


الترانزيستور له ثلاثة اطراف هي القاعدة B والمجمع C والباعث E.

الثلاث مواد مصنعة على النحو التالي في ترانزيستور الـ (BJT NPN) :

1- القاعدة (base): وهي عبارة عن مادة الكربون مختلطة بمادة البورون، حيث أن الكربون يحوي أربع إلكترونات في مدار التكافؤ بينما يحوري البورون ثلاث، مما يجعل ارتباطهما الجزيئي غير محكم بحيث أن النقص بإلكترون واحد في ذرة البورون يسمح بوجود فجوة منتظرة إلكترون ليستقر ذلك الارتباط ويرمز لهذا النوع من أشباه الموصلات ب (P)، وهذا ممايجعل هذه المادة موصلة رديئة للكهرباء حيث أن موصليتها تساوي 1 مقارنة بالنحاس الذي هو 10^12.
وهذه القاعدة تحتل الجزء الأكبر من الترانزيستور، حيث أن حجمها يوازي ضعف كلا الطرفين الآخرين بحيث أنهما عائمين فيها ويفصل بين سطح كل منهما مسافة بالميكرون.

2- الجامع او المجمع ( Collector ): وهو عبارة عن مادة الكربون أيضاً مع مادة الزرنيخ التي تحمل خمس الكترونات في مجال التكافؤ
مما يجعل تركيبها الجزيئي ذو الكترون زائد عن وضع الأستقرار ولا يعني هذا كونه سالب فهو متعادل لأن المادة لم تفقد شيئاً من إلكتروناتها أو تكتسب ويرمز لهذا النوع ب (N).

3- المشع او الباعث ( Emitter ): ويملك نفس التركيب من حيث وجود نفس العناصر ولكن هنا يختلف في زيادة كثافة الزرنيخ بشكل كبير وسيتبين سبب ذلك مؤخراً.

ما هو عمل الترانزيستور؟
هو عبارة عن مولد تيار متحكم به بواسطة جهد (Voltage Controlled Current Source).
نعني بذلك أنه عبارة عن جهاز يولد تيار في جزء من دائرة شدته على حسب جهد في جزء آخر من الدائرة،
السؤال كيف يقوم بذلك؟؟؟




الجواب أنه عند توصيل المشع والمجمع في دائرة بينما توصل القاعدة في فرق جهد في دائرة أخرى نجد أن الجهد الذي يعطى للقاعدة يتحكم بالتيار المار خلال المشع والمجمع في الدائرة الثانية بشرط توصيل المشع والمجمع بالنسبة لهذا النوع من الترانزيستور يكون بحيث أن الجهد عند المجمع أعلى من الجهد عند القاعدة و كلاهما أعلى من الجهد تبع المشع وهذا ما يسمونه ب (Active Mode) وإلا فلن يعمل الترانزيستور هذه الوظيفة وسيقوم بما يسمى بوظيفة ( Switching ) وهي التي تستخدم في الدوائر الرقمية.
على كل حال عند توصيل الترانزيستور بالطريقة تلك يصبح ما بين القاعدة والمشع عبارة عن ديود عادي في الوضع الأمامي وما بين القاعدة و المجمع دايود عادي في الوضع العكسي ولكن عند توصيل الدائرة تقوم القاعدة بسحب الإلكترونات من المشع لأنها أعلى جهداً فلما تدخل إلى القاعدة يقوم المجمع باعتباره الأعلى جهداً بسحب معظم الإلكترونات إليه وما يخرج من طرف القاعدة إلا تيار بسيط جداً من الإلكترونات
وعند تغيير جهد القاعدة تتغير سرعة القاعدة في سحب الإلكترونات إليها فيتغير بذلك التيار المار بين المشع والمجمع.

تيارات الترانزيستور Transistor currents:
التياران الأكثر أهمية في الترانزيستور هما تيار القاعدة IB وتيار المجمع IC ، التيار الاول هو التيار الحاكم، حيث يتحكم في التيار الثاني. بمعنى انه كلما ازداد تيار القاعدة ازداد تيار المجمع الى نقطة معينة تسمى حالة التشبع التي لا يزداد بعدها تيار المجمع بزيادة تيار القاعدة.
الشكل التالي يعرض مساري هذين التيارين.




تيار القاعدة الحاكم عادةً يكون صغيرا جدا مقارنة بتيار المجمع، وهذا التيار الصغير يتحكم بتيار المجمع الكبير.
انظر الى الشكل اعلاه مرة اخرى، عند غلق المفتاح سيمر تيار صغير من البطارية قاعدة الترانزيستور، هذا التيار يكفي لاضاءة الليد LED B اضاءة خافتة dim. يقوم الترانزيستور عندئذٍ بتكبير هذا التيار التيار الصغير ليسمح لتيار اكبر بكثير بالمرور من المجمع الى المشع (الباعث) (طبعاً هو يمر من البطارية الى المقاومة 470 اوم الى المجمع الى الباعث الى سالب البطارية). هذا التيار الكبير القيمة يجعل الـ LED C يضيء اضاءة قوية.
عند فتح المفتاح، لا يمر تيار القاعدة فيصبح الترانزيستور منطفي OFF فلا يمر تيار المجمع ايضاً وعليه لا يضيء أي LED.






انواع الترانزيستور
Transistors Type






أنواع الترانزيستور:
1- الترانزيستور ثنائي قطب نقطة الالتقاء (Bipolar Junction Transistor or BJT)
ويقصد بذلك وجود نقطة الالتقاء بين كل نوع وهي كما قلنا بالميكرون وعلى جنبيها قطب (N) وقطب (P).
و هو نوعين (NPN) و (PNP) ويختلفان في الأداء وطريقة التوصيل حيث أن الأول هو الأفضل و أخر ما اكتشف من ال (BJT) بعد اكتشاف نظرية ال (Convection current).

2- الترانزيستور بـ تأثير المجال الكهربائي ( Field effect transistor or FET )
وهو أنواع لا تحصى ومنه تصنع كل الدوائرة الرقمية من أمثلته (Enhancement NPN MOS FET) و (Junction PNP FET).
3- ترانزيستور MOSFET

4- ترانزيستور دارلينقتون

5- موسفت ثنائي البوابة dual gate MOSFET

6- ترانزيستور احادي الوصلة Uniconnection transistor UJT

7- ترانزيستور الضوئي Photo Transistor - Phototransistor
يتشابه عمله مع عمل الثنائى الضوئى Photo Diode .. والضوء هنا بمثابة حقن اشارة لقاعدة الترانزيستور مما يسمح بتشغيلة

8- ترانزيستور IGBT





استخدام الترانزيستور كمفتاح كهربي
Using a transistor as a switch

هناك ثلاث مناطق عمل للراتزيستور هي منطقة القطع Cut OFF وفيها يكون الترانزيستور متوقفاً تماماً عن العمل وتيار المجمع = صفر

ومنطقة التشغيل active region وفيها يعمل الترانزيستور كمكبر حيث يكون تيار المجمع هو صورة مكبرة لتيار القاعدة

ومنطقة التشبع Saturation وفيها يكون الترانزيستور عاملاً بكامل قدرته أي Fully ON ويكون تيار المجمع اكبر ما يمكن وهنا لا يكون (أي تيار المجمع) معتمداً على تيار القاعدة.



استخدام الترانزيستور كمفتاح كهربائي :
عندما يستخدم الترانزيستور كـ مفتاح كهربي فانه يعمل إما في منطقة القطع أو في منطقة التشبع، أي باختصار يكون إما شغال أو مطفي مثل المفتاح. عندما يكون الترانزيستور شغال (منطقة التشبع) يكون الجهد VCE تقريبا صفر وهنا نقول أن الترانزيستور متشبع أي لا يمكنه تمرير المزيد من تيار المجمع. الجهاز الذي نتحكم في تشغيله عن طريق هذا الترانزيستور يسمى الحمل (LOAD)



الملاحظة الهامة جدا هنا هي أن القدرة التي على الترانزيستور أن يبددها تكون صغيرة جدا
أتعرف لماذا؟ لان الجهد VCE يكون صغير جدا (تقريبا صفر) وكما نعلم أن القدرة التي يبددها الترانزيستور = تيار المجمع IC × الجهد VCE .

انتبه: عندما يكون أي ترانزيستور في حالة تشبع فان الجهد VCE يكون تقريبا صفر، ويكون تيار المجمع اكبر ما يمكن.

مثال توضيحي:
أنت تستخدم الترانزيستور 2N3904، في الداتاشيت الخاصة بهذا الترانزيستور وجدنا أن Po = 625 mW أي أن القدرة التي يستطيع هذا الترانزيستور تبديدها (على شكل حرارة) تساوي 625 ميللي وات. الآن إذا افترضنا أن الجهد VCE = 0.4 V عند التشبع، فان هذا الترانزيستور يستطيع تمرير تيار مجمع = 1,5 أمبير تقريباً (ناتج قسمة القدرة على الجهد VCE مع مراعاة الوحدات). لكن السؤال الآن: هل يستطيع هذا الترانزيستور تمرير هذا القدر من التيار علماً بأن الداتا شيت الخاصة به تقول أن أعلى Ic يستطيع هذا الترانزيستور تحمله هو 200 ميللي أمبير؟ الإجابة قطعاً لا. لو تم تمرير تيار 1,5 أمبير في هذا الترانزيستور سيتفحم.