دانلود تحقیق بهترین ترانزیستور

معرفی ترانزیستور
ترانزیستور را معمولا به عنوان یکی از قطعات الکترونیک می‌‌شناسند.

ترانزیستور یکی از ادوات حالت جامد است که از مواد نیمه رسانایی مانند سیلیسیم (سیلیکان) ساخته می‌شود.
کاربردترانزیستور
ترانزیستور هم در مدارات الکترونیک آنالوگ و هم در مدارات الکترونیک دیجیتال کاربردهای بسیار وسیعی دارد.

در آنالوگ می‌توان از آن به عنوان تقویت کننده یا تنظیم کننده ولتاژ (رگولاتور) و ...

استفاده کرد.

کاربرد ترانزیستور در الکترونیک دیجیتال شامل مواردی مانند پیاده سازی مدار منطقی، حافظه، سوئیچ کردن و ...

می‌شود.
تاریخچه ترانزیستور
در اواسط قرن نوزدهم با فراگیر شدن رادیو و تلویزیون ضرورت بهبود بخشیدن به کیفیت لامپهای دیودی وتریودی احساس گردید .

تا اینکه در ۲۳ دسامبر ۱۹۴۷ ترانزیستور توسط سه فیزیکدان به نامهای شاکلی؛باردین وبرتین به صنعت الکترونیک معرفی گردید اولین ترانزیستور دنیا از یک نارسانای مثلثی تشکیل شده که توسط دوسوزن طلا به نیمه رسانای ژرمانیم متصل میشود .این ترانزیستور برعکس لامپهای دیودی برای به گرما احتیاج نداشت وسریعا به کار می افتاد و همچنین بسیار سبکتر ارزانترازگذشته بود.

بدین ترتیب شاکلی و همکاران وی به کمک فیزیک نیمه رسانا انقلابی را در عرصه الکترونیک پدید اوردند وبه پاس این اختراع مهم این محققان مفتخر به دریافت جایزه نوبل گردیدند ترانزیستور به سرعت روند تکاملی خود را طی مینمودبه طوریکه در سال ۱۹۴۸ترانزیستور صفحه ای ساخته شد.امروزه ترانزیستورها عموما pnp,npnهستند که بعنوان کلید قطع و وصل جریان ویا بعنوان تقویت کننده در مدارات الکترونیکی استفاده می شوند.

در سالهای ۱۹۵۰و ۱۹۷۰ به دلیل استفاده از ترانزیستور حجم وسایل ا لکترونیکی بسار کوچک شد به همین دلیل به واژه میکروالکترونیک متدول گردید.
میکروالکترونیک نیز بسرعت رشد می کرد .بطوریکه امروزه با استفاده از فن ساختمان اکسید فلز می توان تعداد زیادی از ترانز یستورها را بر روی یک نیمه رسانا جا داد.

امروزه از اکسیدهای نیمه رسانا مانند اکسید روی در ترانزیستورهای با سرعت انتقال بالا استفاده می گرد ( ترانزیستورهای فایل افکت -FET)جدیدا محققان ژاپنی هیدو هوسونو و کولت کاگوش از یک صفحه نیمه رسانایکریستال مجرد درترانزستورهای فایل افکت استفاده کردند که سرعت انتقال ان ۸۰ سانتیمتر مربع ولت بر ثانیه است که دها بار سریعتر از ترانزیستورهای قبلی می باشد(ساختمان مولکولی ان در شکل زیر دیده می شود) اگرچه این ترانزیستور فعلا بسیار گران است ولی این تحقیقات نشان داد که امکان رسیدن به سرعتهای بالا وجود دارد .

طرز کار ترانزیستورواطلاعاتی برای آن
اطلاعات مفید درباره ترانزیستور
اولین ترانزیستورها

اولین نمونه ترانزیستور بدنه فلزی
در اولین ماههای سال 1948 نخستین نمونه از یک ترانزیستور (Transistor) که بدنه فلزی داشت در مجموعه آزمایشگاه های Bell ساخته شد.

این ترانزیستور که قرار بود جایگزین لامپهای خلاء - الکترونیک - شود Type A نام گرفت.

این ترانزیستور که کاربرد عمومی داشت و بسیار خوب کار می کرد یکسال بعد به تعداد 3700 عدد تولید انبوه شد تا در اختیار دانشگاه ها، مراکز نظامی، آزمایشگاه ها و شرکت ها برای آزمایش قرار گیرد.

.

جالب آنکه این اختراع در زمان خود آنقدر مهم بود که هر عدد از این ترانزیستورها در بسته بندی جداگانه با شماره سریال و مشخصات کامل نگهداری می شد.

همانطور که در شکل مشاهده می شود این ترانزیستور تنها دارای دو پایه بود.

Collector و Emitter و پایه Base به بدنه فلزی آن متصل بود.

اولین نمونه ترانزیستور بدنه پلاستیکی .

جج
نمونه اصلاح شده بدنه پلاستیکی
تولید ترانزیستورهای بدنه فلزی تا سال 1950 ادامه داشت تا اینکه در این سال در آزمایشگاه های Bell اولین ترانزیستور با بدنه پلاستیکی ساخته شد.

طبیعی بود که در اینحالت ترانزیستور می بایست سه پایه داشته باشد.

اما به دلیل مشکلاتی که در ساخت این ترانزیستور وجود داشت تولید آن به حالت انبوه نرسید و در همان سال ترانزیستور های جدید دیگری با پوشش پلاستیکی جایگزین همیشگی آن شدند.

لازم به ذکر است که به عقیده بسیاری از دانشمندان، ترانزیستور بزرگترین اختراع بشر در قرن نوزدهم بوده که بدون آن هیچ یک از پیشرفت های امروزی در علوم مختلف امکان پذیر نبوده است.

تمامی پیشرفت های بشر که در مخابرات، صنعت حمل و نقل هوایی، اینترنت، تجهیزات کامپیوتری، مهندسی پزشکی و ...

روی داده است همگی مرهون این اختراع میباشد.

ترانزیستور وسیله ای است که جایگزین لامپهای خلاء - الکترونیک - شد و توانست همان خاصیت لامپها را با ولتاژهای کاری پایین تر داشته باشد.

ترانزیستورها عموما" برای تقویت جریان الکتریکی و یا برای عمل کردن در حالت سوییچ بکار برده می شوند.

ساختمان داخلی آنها از پیوندهایی از عناصر نیمه هادی مانند سیلیکون و ژرمانیوم تشکیل شده است.

لازم به ذکر است که به عقیده بسیاری از دانشمندان، ترانزیستور بزرگترین اختراع بشر در قرن نوزدهم بوده که بدون آن هیچ یک از پیشرفت های امروزی در علوم مختلف امکان پذیر نبوده است.

ترانزیستور وسیله ای است که جایگزین لامپهای خلاء - الکترونیک - شد و توانست همان خاصیت لامپها را با ولتاژهای کاری پایین تر داشته باشد.

ترانزیستورها عموما" برای تقویت جریان الکتریکی و یا برای عمل کردن در حالت سوییچ بکار برده می شوند.

ترانزیستور چگونه کار می کند - ۱ اگر ساده بخواهیم به موضوع نگاه کنیم عملکرد یک ترانزیستور را می توان تقویت جریان دانست.

مدار منطقی کوچکی را در نظر بگیرید که تحت شرایط خاص در خروجی خود جریان بسیار کمی را ایجاد می کند.

شما بوسیله یک ترانزیستور می توانید این جریان را تقویت کنید و سپس از این جریان قوی برای قطع و وصل کردن یک رله برقی استفاده کنید.

موارد بسیاری هم وجود دارد که شما از یک ترانزیستور برای تقویت ولتاژ استفاده می کنید.

بدیهی است که این خصیصه مستقیما" از خصیصه تقویت جریان این وسیله به ارث می رسد کافی است که جریان وردی و خروجی تقویت شده را روی یک مقاومت بیندازیم تا ولتاژ کم ورودی به ولتاژ تقویت شده خروجی تبدیل شود.

جریان ورودی ای که که یک ترانزیستور می تواند آنرا تقویت کند باید حداقل داشته باشد.

چنانچه این جریان کمتر از حداقل نامبرده باشد ترانزیستور در خروجی خود هیچ جریانی را نشان نمی دهد.

اما به محض آنکه شما جریان ورودی یک ترانزیستور را به بیش از حداقل مذکور ببرید در خروجی جریان تقویت شده خواهید دید.

از این خاصیت ترانزیستور معمولا" برای ساخت سوییچ های الکترونیکی استفاده می شود.

اعمال ولتاژ با پلاریته موافق باعث عبور جریان از یک پیوند PN می شود و چنانچه پلاریته ولتاژتغییر کند جریانی از مدار عبور نخواهد کرد .

همانطور که در مطلب قبل اشاره کردیم ترانزستورهای اولیه از دو پیوند نیمه هادی تشکیل شده اند و بر حسب آنکه چگونه این پیوند ها به یکدیگر متصل شده باشند می توان آنها را به دو نوع اصلی یا NPN تقسیم کرد.

برای درک نحوه عملکرد یک ترانزیستور ابتدا باید بدانیم که یک پیوند (Junction) نیمه هادی چگونه کار می کند.

در شکل اول شما یک پیوند نیمه هادی از نوع PN را مشاهده می کنید.

که از اتصال دادن دو قطعه نیمه هادی P و N به یکدیگر درست شده است.

نیمه هادی های نوع N دارای الکترونهای آزاد و نیمه هادی نوع P دارای تعداد زیادی حفره (Hole) آزاد می باشند.

بطور ساده می توان منظور از حفره آزاد را فضایی دانست که در آن کمبود الکترون وجود دارد .

اگر به این تکه نیمه هادی از خارج ولتاژی بصورت آنچه در شکل نمایش داده می شود اعمال کنیم در مدار جریانی برقرار می شود و چنانچه جهت ولتاژ اعمال شده را تغییر دهیم جریانی از مدار عبور نخواهد کرد (چرا؟).

این پیوند نیمه هادی عملکرد ساده یک دیود را مدل می کند.

همانطور که می دانید یکی از کاربردهای دیود یکسوسازی جریان های متناوب می باشد.

از آنجایی که در محل اتصال نیمه هادی نوع N به P معمولآ یک خازن تشکیل می شود پاسخ فرکانسی یک پیوند PN کاملآ به کیفیت ساخت و اندازه خازن پیوند بستگی دارد.

به همین دلیل اولین دیودهای ساخته شده توانایی کار در فرکانسهای رادیویی - مثلآ برای آشکار سازی - را نداشتند.

معمولآ برای کاهش این خازن ناخاسته، سطح پیوند را کاهش داده و آنرا به حد یک نقطه می رسانند.

ترانزیستور چگونه کار می کند - ۲ منحنی رفتار یک دیود در هنگام اعمال ولتاژ مثبت تا اینجا کلیاتی راجع به ترانزیستور بیان کردیم همچنین گفتیم که اگر به یک پیوند PN ولتاژ با پلاریته موافق متصل کنیم جریان از این پیوند عبور کرده و اگر ولتاژ را معکوس کنیم در مقابل عبور جریان از خود مقاومت نشان می دهد.

برای درک دقیق نحوه کارکرد یک ترانزیستور باید با نحوه کار دیود آشنا شویم، باید اشاره کنیم که قصد نداریم تا به تفضیل وارد بحث فیزیک الکترونیک شویم و فقط سعی خواهیم کرد با بیان نتایج حاصل از این شاخه علمی ابتدا عملکرد دیود و سپس ترانزیستور را بررسی کنیم.

همانطور که می دانید دیود ها جریان الکتریکی را در یک جهت از خود عبور می دهند و در جهت دیگر در مقابل عبور جریان از خود مقاومت بالایی نشان می دهند.

این خاصیت آنها باعث شده بود تا در سالهای اولیه ساخت این وسیله الکترونیکی، به آن دریچه یا Valve هم اطلاق شود.

از لحاظ الکتریکی یک دیود هنگامی عبور جریان را از خود ممکن می سازد که شما با برقرار کردن ولتاژ در جهت درست (+ به آند و - به کاتد) آنرا آماده کار کنید.

مقدار ولتاژی که باعث میشود تا دیود شروع به هدایت جریان الکتریکی نماید ولتاژ آستانه یا (forward voltage drop) نامیده می شود که چیزی حدود 0.6 تا 0.7 ولت می باشد.

به شکل اول توجه کنید که چگونه برای ولتاژهای مثبت - منظور جهت درست می باشد - تا قبل از 0.7 ولت دیود از خود مقاومت نشان می دهد و سپس به یکباره مقاومت خود را از دست می دهد و جریان را از خود عبور می دهد.

نماد فنی و دو نمونه از انواع دیوید اما هنگامی که شما ولتاژ معکوس به دیود متصل می کنید (+ به کاتد و - به آند) جریانی از دیود عبور نمی کند، مگر جریان بسیار کمی که به جریان نشتی یا Leakage معرف است که در حدود چند µA یا حتی کمتر می باشد.

این مقدار جریان معمولآ در اغلب مدار های الکترونیکی قابل صرفنظر کردن بوده و تاثیر در رفتار سایر المانهای مدار نمیگذارد.

اما نکته مهم آنکه تمام دیود ها یک آستانه برای حداکثر ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژمعکوس بیش از آن شود دیوید می سوزد و جریان را در جهت معکوس هم عبور می دهد.

به این ولتاژ آستانه شکست یا Breakdown گفته می شود.

در دسته بندی اصلی، دیودها را به سه قسمت اصلی تقسیم می کنند، دیودهای سیگنال (Signal) که برای آشکار سازی در رادیو بکار می روند و جریانی در حد میلی آمپر از خود عبور می دهند، دیودهای یکسوکننده (Rectifiers) که برای یکسوسازی جریانهای متناوب بکاربرده می شوند و توانایی عبور جریانهای زیاد را دارند و بالآخره دیود های زنر (Zener) که برای تثبیت ولتاژ از آنها استفاده می شود.

ترانزیستور چگونه کار میکند - ۳ استفاده از دیود سیگنار در مدار رله برای جلوگیری از ایجاد ولتاژ های ناخواسته زیاد در ادامه بحث نحوه کارکرد یک ترانزیستور لازم است قدری راجع به انواع دیود که در مطلب قبل به آنها اشاره کردیم داشته باشیم.

دیودهای سیگنال .

این نوع از انواع دیودها برای پردازش سیگنالهای ضعیف - معمولا" رادیویی - و کم جریان تا حداکثر حدود 100mA کاربرد دارند.

معروفترین و پر استفاده ترین آنها که ممکن است با آن آشنا باشید دیود 1N4148 است که از سیلیکون ساخته شده است و ولتاژ شکست مستقیم آن 0.7 ولت است .

اما برخی از دیود های سیگنال از ژرمانیم هم ساخته می شوند، مانند OA90 که ولتاژ شکست مستقیم پایینتری دارد، حدود 0.2 ولت.

به همین دلیل از این نوع دیود بیشتر برای آشکار سازی امواج مدوله شده رادیویی استفاده می شود.

بصورت یک قانون کلی هنگامی که ولتاژ شکست مستقیم دیوید خیلی مهم نباشد، از دیودهای سیلیکون استفاده می شود.

دلیل آن مقاومت بهتر آنها در مقابل حرارت محیط یا حرارت هنگام لحیم کاری و نیز مقاومت الکتریکی کمتر در ولتاژ مستقیم است.

همچنین دیود های سیلیکونی سیگنال معمولا" در ولتاژ معکوس جریان نشتی بسیار کمتری نسبت به نوع ژرمانیم دارند.

از کاربرد دیگری که برای دیودهای سیگنال وجود دارد می توان به استفاده از آنها برای حفاظت مدار هنگامی که رله در یک مدار الکترونیکی قرار دارد نام برد.

هنگامی که رله خاموش می شود تغییر جریان در سیم پیچ آن میتواند در دوسر آن ولتاژ بسیار زیادی القا کند که قرار دادن یک دیود در جهت مناسب میتواند این ولتاژ را خنثی کند.

به شکل اول توجه کنید.

دیودهای زنر .

همانطور که قبلا" اشاره کردیم از این دیودها برای تثبیت ولتاژ استفاده می شود.

این نوع از دیود ها برای شکسته شدن با اطمینان در ولتاژ معکوس ساخته شده اند، بنابراین بدون ترس می توان آنها را در جهت معکوس بایاس کرد و از آنها برای تثبیت ولتاژ