جلسه سوم

ترانزیستور

ترانزیستور قطعه ای است که از مواد نیمه رسانایی مانند سیلیسیم و ژرمانیوم ساخته شده است. یک ترانزیستور در ساختار خود دارای پیوند های نوع N (دارای الکترون های زیاد یا Negative) و نوع P (بارهای مثبت یا حفره ها که کمبود الکترون دارند یا Positive) هستند.

ترانزیستور ها به دو دسته کلی تقسیم می شوند.

• ترانزیستور های نوع BJT (ترانزیستور های اتصال دو قطبی پیوندی) که با اعمال جریان به پایه Base تحریک می شود.
• ترانزیستور های نوع FET (ترانزیستور های اثر میدانی) که با اعمال ولتاژ به پایه Gate تحریک می شود.

در مدار های آنالوگ ترانزیستور ها در تقویت کننده ها (جریان الکتریکی، صدا، امواج رادیویی) استفاده می شد. در مدارهای دیجیتال ترانزیستور به عنوان یک سوئیچ الکترونیکی استفاده می شود اما ترانزیستور ها بیشتر به صورت مدارات مجتمع و IC ها استفاده می شود.

ترانزیستور یک عنصر سه پایه می باشد که با اعمال سیگنال به یکی از پایه های آن میزان جریان عبوری از دو پایه دیگر آن کنترل می شود. برای عملکرد صحیح ترانزیستور ها باید توسط المان های دیگر مانند مقاومت و خازن و … جریان ها و ولتاژ های لازم را برای آن فراهم کرد و یا اصطلاحا آن را بایاس کرد.

ترانزیستور های BJT

مخفف Bipolar Junction Transistor می باشد. ترانزیستور BJT از اتصال سه پایه بلور نیمه هادی ساخته شده است.

• لایه Base
• لایه امیتر یا Emitter
• لایه کلکتور یا Collector

نوع بلور Base با نوع بلور دو پایه دیگر متفاوت است. معمولا ناخالصی در لایه Emitter از دو لایه دیگر بیشتر است و عرض لایه Base کمتر از دو لایه دیگر و عرض لایه Collector از دو لایه دیگر بیشتر می باشد.

در ترانزیستور BJT الکترون ها از Emitter که ناخالصی بیشتری از Collector دارد گسیل داده می شوند. میزان ناخالصی ناحیه Base به مراتب کمتر از دو ناحیه دیگر است و این ناخالصی باعث کم شدن هدایت نیمه هادی و باعث زیاد شدن مقاومت این ناحیه می شود.

در ترانزیستور دو قطبی پیوندی با اعمال یک جریان به پایه بیس جریان عبوری از دو پایه کلکتور و امیتر کنترل می‌شود.

ترانزیستور BJT دارای 3 ناحیه کاری می باشد.

• ناحیه قطع

   

  • ناحیه ای است که ترانزیستور در آن ناحیه کاری انجام نمی دهد.
• ناحیه فعال (کاری یا خطی)
• اگر ولتاژ Base را افزایش دهیم ترانزیستور از ناحیه قطع خارج و وارد ناحیه فعال می شود. در حالت فعال ترانزیستور مانند یک عنصر خطی عمل می کند. با اعمال ولتاژ به Base می توانیم جریان بین Emitter و Collector را کنترل کنیم.
• اگر ولتاژ Base را بیشتر افزایش دهیم به ناحیه ای می رسیم که با افزایش جریان ورودی در Base دیگر شاهد افزایش جریان بین Emitter و Collector نخواهیم بود که به این حالت اشباع گفته می شود. دقت کنید اگر جریان ورودی به بیس همچنان بیشتر شود امکان دارد ترانزیستور بسوزد.
• ناحیه اشباع

نکته

• در مدارات آنالوگ ترانزیستور ها در حالت فعال کار می کنند که باعث می شود از ترانزیستور به عنوان تقویت کننده ولتاژ (جریان) و یا تنظیم کننده ولتاژ (جریان) استفاده شود.
• در مدارات دیجیتال ترانزیستور ها در ناحیه قطع و اشباع کار می کنند که می توان از این حالت ترانزیستور در پیاده سازی مدار منطقی، حافظه و سوئیچ کردن استفاده شود.

نکته

با توجه به حالت بایاس ترانزیستور ممکن است ترانزیستور در یکی از سه حالت قطع، فعال و اشباع کار کند.

نکته

قبل از اینکه به انواع ترانزیستور های BJT یعنی PNP و NPN بپردازیم لازم است در مورد پیوند PN کمی صحبت کنیم. می دانیم که یک پیوند PN اساس کار یک دیود است پس با تحلیل ساختار پیوندی PN در یک دیود می توانیم ترانزیستور های PNP و NPN و همچنین ترانزیستور های FET را تحلیل کنیم.

پیوند PN

پیوند PN بصورت ساده و مفید در یک دیود معمولی وجود دارد و اساس کار دیود بر پایه این پیوند است. به شکل زیر دقت کنید.

در یک دیود پیوند PN بصورت زیر است.

• آند دارای پیوند نوع P می باشد بنابراین دارای بارهای مثبت (حفره ها) بیشتری است.
• کاتد دارای پیوند نوع N می باشد بنابراین دارای بارهای منفی بیشتری است.

وضعیت پیوند PN در حالت عادی

به شکل زیر دقت کنید.

در این شکل پیوند های نوع N و P قبل از اتصال یا Junction نشان داده شده است.

• در پیوند نوع P در سمت چپ که با Hole یا حفره مشخص شده است بارهای مثبت بیشتری وجود دارد.
• در پیوند نوع N در سمت راست که با Electron مشخص شده است بارهای منفی بیشتری نسبت به حفره ها وجود دارد.

در مرحله بعد با اتصال پیوند نوع N و P به یکدیگر شاهد اتصال (Junction) بین پیوند های نوع N و P هستیم. در اثر اتصال بین دو پیوند تعدادی از الکترون های پیوند N وارد پیوند P می شوند و تعدادی از بارهای مثبت پیوند P وارد پیوند N می شوند.

مشاهده می شود که

• در پیوند P تعدادی الکترون وجود دارد و به اصطلاح با بار منفی شارژ شده است (Positively Charged)
• در پیوند N تعدادی بار مثبت وجود دارد و به اصطلاح با بار مثبت شارژ شده است (Negatively Charged)

با اتصال دو پیوند نوع N و P به یکدیگر فضایی در وسط ایجاد می شود که Depletion Region یا ناحیه ای که تخلیه الکتریکی شده است (با D نمایش داده شده است) نامیده می شود. در حقیقت چیزی شبیه به صفحات یک خازن داریم.

با وجود فضای Depletion در حالت عادی هیچ جریانی در دیود برقرار نمی شود مگر اینکه با اعمال ولتاژ پیوند های N و P شکسته شود و فضای Depletion آن قدر کوچک شود تا دیود جریان الکتریکی را از خود عبور بدهد.

نکته

برای مشاهده ویدیوی سناریوی PN Junction کلیک کنید.

در اینجا دو مورد را بررسی می کنیم.

• قرار دادن دیود در بایاس موافق (Forward Bias)
• قرار دادن دیود در بایاس معکوس یا بایاس مخالف (Reverse Bias)

وضعیت پیوند PN در حالت بایاس موافق

اگر پیوند نوع N و P را بایاس موافق کنیم در دیود جریانی از سمت آند به کاتد خواهیم داشت.

بایاس موافق یه این معنی است که آند (پیوند P) را به قطب مثبت مولد و کاتد (پیوند N) را به قطب منفی مولد وصل کنیم. در حقیقت به خاطر اینکه پیوند N دارای بار منفی است آن را به قطب منفی و پیوند P که دارای بار مثبت است را به قطب مثبت مولد وصل می کنیم که به این عمل بایاس موافق می گویند.

• قطب مثبت مولد، بار مثبت را به پیوند P پمپ می کند یا به بیان دیگر بار منفی از پیوند P به قطب مثبت مولد می رود. دقت کنید که این دو تعریف یکدیگر را نقض نمی کنند.
• قطب منفی مولد بار منفی را به پیوند N پمپ می کند با به بیان دیگر بار مثبت از پیوند N به قطب منفی مولد می رود. دقت کنید که این دو تعریف یکدیگر را نقض نمی کنند.

اگر ولتاژ مولد را از 0.1 ولت به 0.2 ولت برسانیم ناحیه Depletion کم عرض تر می شود.

اگر ولتاژ را به 0.5 ولت برسانیم ناحیه Depletion کم عرض تر می شود.

اگر ولتاژ دو سر دیود به 0.7 ولت برسد در نتیجه پیوند PN شکسته می شود و دیگر ناحیه Depletion وجود نخواهد داشت و جریان در دیود برقرار می شود.

نکته

دقت کنید که

• جهت حرکت الکترون ها در این سناریو از قطب منفی مولد به کاتد دیود (پیوند N) و سپس به آند دیود (پیوند P) و در آخر به قطب مثبت مولد می باشد.

• جهت جریان الکتریکی بصورت قراردادی جهت حرکت بار های مثبت به طرف منفی در نظر گرفته می شود یعنی بر خلاف جهت حرکت الکترون ها و بدین ترتیب در این سناریو پیوند PN شکسته می شود و جهت جریان از آند (پیوند P) به کاتد (پیوند N) برقرار می شود.

حال نگاهی دقیق تر به شکسته شدن پیوند PN و از بین رفتن ناحیه Depletion می اندازیم.

• طبق این سناریو اگر به پیوند P ولتاژ مثبت اعمال کنیم در نتیجه بارهای مثبت از مولد وارد پیوند P می شوند (یا بارهای منفی از پیوند P به قطب مثبت مولد می روند) در نتیجه بارهای مثبت پیوند P با بارهای منفی ناحیه Depletion یکدیگر را خنثی می کنند (یا بار های منفی ناحیه Depletion در جهت حرکت الکترون ها از پیوند P وارد قطب مثبت مولد می شوند) بدین ترتیب با کم شدن بارهای منفی ناحیه Depletion این ناحیه در سمت پیوند P کوچکتر می شود و با اعمال ولتاژ مثبت بیشتر، بیشتر کوچکتر می شود.
• طبق این سناریو اگر به پیوند N ولتاژ اعمال کنیم در نتیجه بارهای منفی از مولد وارد پیوند N می شوند (یا بارهای مثبت از پیوند N به قطب منفی مولد می روند) در نتیجه بارهای منفی پیوند N با بارهای مثبت ناحیه Depletion یکدیگر را خنثی می کنند (یا بار های مثبت ناحیه Depletion در جهت حرکت جریان از پیوند N وارد قطب منفی مولد می شوند) بدین ترتیب با کم شدن بارهای مثبت ناحیه Depletion این ناحیه در سمت پیوند N کوچکتر می شود و با اعمال ولتاژ بیشتر، بیشتر کوچکتر می شود.

اگر ولتاژ اعمال شده بین 0.6 تا 0.7 ولت اعمال شود ناحیه Depletion کاملا از بین می رود و جریان در دیود از آند به کاتد برقرار می شود حال آنکه جهت حرکت الکترون ها در دیود از کاتد به آند خواهد بود.

نمودار تغییرات ولتاژ و جریان در دیود با بایاس موافق بصورت زیر است.

وضعیت پیوند PN در حالت بایاس معکوس

اگر پیوند نوع N و P را بایاس مخالف کنیم در دیود جریانی از سمت آند به کاتد نخواهیم داشت.

بایاس مخالف به این معنی است که آند (پیوند P) را به قطب منفی مولد و کاتد (پیوند N) را به قطب مثبت مولد وصل کنیم. در حقیقت به خاطر اینکه پیوند N دارای بار منفی است آن را به قطب مثبت مولد و پیوند P که دارای بار مثبت است را به قطب منفی مولد وصل می کنیم که به این کار بایاس معکوس می گویند.

• قطب مثبت مولد، بار مثبت را به پیوند N پمپ می کند یا به بیان دیگر بار منفی از پیوند N به قطب مثبت مولد می رود. دقت کنید که این دو تعریف یکدیگر را نقض نمی کنند.
• قطب منفی مولد بار منفی را به پیوند P پمپ می کند با به بیان دیگر بار مثبت از پیوند P به قطب منفی مولد می رود. دقت کنید که این دو تعریف یکدیگر را نقض نمی کنند.

اگر ولتاژ مولد را از -5 ولت به -10 ولت برسانیم ناحیه Depletion عریض تر می شود.

اگر ولتاژ مولد را از -10 ولت به -30 ولت برسانیم ناحیه Depletion عریض تر می شود.

اگر ولتاژ دو سر دیود (بایاس معکوس) را مرتبا بیشتر کنیم در نتیجه دیود در آستاته سوختن قرار می گیرد. پدیده ای که در این حالت رخ می دهد را پدیده شکست و ولتاژی که باعث بوجود آمدن شکست دیود می شود را ولتاژ شکست معکوس دیود می نامند. در نتیجه تنها بارهای منفی را داریم و خبری از جریان بارهای مثبت نخواهد بود.

نکته

دقت کنید که

• جهت حرکت الکترون ها در این سناریو از قطب منفی مولد به آند دیود (پیوند P) و سپس به کاتد دیود (پیوند N) و در آخر به قطب مثبت مولد می باشد.

و جریانی در دیود وجود ندارد.

حال نگاهی دقیق تر به شکسته شدن پیوند PN و از بین رفتن ناحیه Depletion می اندازیم.

• طبق این سناریو اگر به پیوند P ولتاژ منفی اعمال کنیم در نتیجه بارهای منفی از قطب منفی مولد وارد پیوند P می شوند (یا بارهای مثبت از پیوند P به قطب منفی مولد می روند) در نتیجه بارهای منفی که به پیوند P اضافه شده اند بر تعداد بارهای منفی ناحیه Depletion می افزایند و بدین ترتیب با زیاد شدن بارهای منفی ناحیه Depletion این ناحیه در سمت پیوند P بزرگتر می شود و با اعمال ولتاژ منفی بیشتر، بیشتر بزرگتر می شود.
• طبق این سناریو اگر به پیوند N ولتاژ اعمال کنیم در نتیجه بارهای مثبت از مولد وارد پیوند N می شوند (یا بارهای منفی از پیوند N به قطب مثبت مولد می روند) در نتیجه بارهای مثبتی که به پیوند N اضافه شده اند بر تعداد بارهای مثبت ناحیه Depletion می افزایند و بدین ترتیب با زیاد شدن بارهای مثبت ناحیه Depletion این ناحیه در سمت پیوند N بزرگتر می شود و با اعمال ولتاژ بیشتر، بیشتر بزرگتر می شود.

اگر ولتاژ منفی اعمال شده بیشتر شود ناحیه Depletion عریض تر می شود و دیگر دیود توانایی عبور جریان (بارهای مثبت) را نخواهد داشت.

نمودار تغییرات ولتاژ و جریان در دیود با بایاس معکوس بصورت زیر است.

نکته

بنابر تحلیل های بالا

• در بایاس موافق دیود جریان (بارهای مثبت) از آند به کاتد برقرار است در حالی که حرکت الکترون ها از کاتد به آند می باشد.
• در بایاس معکوس دیود جریانی از آند برقرار نمی شود.

نکته

برای مشاهده ویدیوی سناریوی بایاس موافق و بایاس معکوس در PN Juncuion کلیک کنید.

انواع ترانزیستور های BJT

به دو نوع زیر تقسیم می شود.

• نوع PNP

   

  • شامل سه لایه نیمه هادی می باشد که دو لایه کناری از نوع P و لایه وسط از نوع N ساخته شده است. در این ترانزیستور جهت جاری شدن حفره ها با جهت جریان یکی است.
• نوع NPN
• شامل سه لایه نیمه هادی می باشد که دو لایه کناری از نوع N و لایه وسط از نوع P ساخته شده است.

ترانزیستور های BJT دارای دو پیوندگاه هستند. پیوندگاه بین امیتر و بیس و پیوندگاه بین کلکتور و بیس، به همین دلیل ترانزیستور ها شبیه دو دیود هستند. دیود سمت چپ را دیود بیس-امیتر (دیود بیس) و دیود سمت راست را دیود بیس-کلکتور (دیود کلکتور) می نامند.

روش کار ترانزیستور PNP

در ترانزیستور PNP با بایاس موافق پیوند PN در دیود امیتر و بایاس معکوس پیوند PN در دیود کلکتور باعث ایجاد جریانی از امیتر به کلکتور خواهیم بود و با کنترل ولتاژ بیس می توانیم مقدار جریان بین امیتر و کلکتور را کنترل کنیم.

به شکل زیر توجه کنید.

با بایاس موافق دیود امیتر و با اعمال ولتاژ مثبت به امیتر بارهای مثبت از قطب مثبت مولد وارد پیوند P (امیتر) می شوند (یا بارهای منفی از امیتر وارد قطب مثبت مولد می شوند)

سپس بارهای منفی از قطب منفی مولد وارد بیس می شوند و تعدادی از بارهای مثبت با ناخالصی بیس خنثی می شوند و مابقی بارهای مثبت به طرف دیود کلکتور کشیده می شوند.

با بایاس موافق پیوند PN می شکند و جریانی از بارهای مثبت از امیتر (پیوند P) به سمت بیس (پیوند N) حرکت می کنند و این در حالی است که حرکت الکترون ها از بیس به سمت امیتر می باشد. بارهای مثبت به سمت کلکتور حرکت می کنند.

در ادامه با بایاس معکوس دیود کلکتور، الکترون ها از قطب منفی مولد به کلکتور (پیوند P) ارسال می شوند و بارهای مثبت از بیس به درون کالکتور و به طرف قطب منفی مولد در حرکت هستند.

در ادامه جریانی در ترانزیستور برقرار می شود که جهت آن از Emitter به Collector خواهد بود و این در حالی است که جهت حرکت بارهای منفی (الکترونها) از کلکتور به امیتر می باشد.

نکته

در ترانزیستور های PNP ولتاژ بیس کمتر از ولتاژ امیتر می باشد (بایاس موافق) و با دادن ولتاژ کمتر به بیس نسبت به امیتر پیوند PN در دیود امیتر شکسته می شود و شاهد جریانی از امیتر به کلکتور خواهیم بود.

نکته

برای مشاهده ویدیوی سناریوی روش کار ترانزیستور PNP کلیک کنید.

روش کار ترانزیستور NPN

از آنجایی که مقدار آلایندگی Emitter از Collector و Base بیشتر است، لایه Emitter نقش گسیل الکترون را به درون Base بر عهده دارد. از آنجایی که Base دارای عرض کم و آلایندگی کمتری نسبت به Collector می باشد، الکترون های تزریق شده از Emitter را به Collector هدایت می کند. حال اگر دیود کلکتور را بصورت معکوس بایاس کنیم (قطب منفی مولد را به Collector وصل کنیم) دیود کلکتور به خاطر بایاس معکوس عریض تر می شود و الکترون ها از آن کشیده می شوند.

نکته

در ترانزیستور های NPN ولتاژ بیس بیشتر از ولتاژ امیتر می باشد (بایاس موافق) و با دادن ولتاژ بیشتر به بیس نسبت به امیتر پیوند PN در دیود امیتر شکسته می شود و شاهد جریانی از کلکتور به امیتر خواهیم بود.

به شکل زیر توجه کنید.

در اینجا دیود امیتر بایاس موافق شده است یعنی قطب مثبت مولد به بیس و قطب منفی مولد به امیتر وصل شده است. با این کار ولتاژ بیس بیشتر از امیتر می شود.

با بیشتر شدن ولتاژ بیس از امیتر، الکترون ها از امیتر وارد بیس می شوند و پیوند PN در دیود امیتر شکسته خواهد شد.

در این حالت با بیشتر کردن ولتاژ در دیود امیتر و بایاس معکوس در دیود کلکتور الکترون های گسیل شده از دیود امیتر در دیود کلکتور جذب می شوند و به طرف قطب مثبت مولد که به دیود کلکتور متصل است می روند. بدین ترتیب جریانی از بار های مثبت از سمت کلکتور به طرف امیتر برقرار می شود (بارهای منفی از دیود امیتر به کلکتور می روند)

نکته

برای مشاهده ویدیوی سناریوی روش کار ترانزیستور NPN کلیک کنید.

روش اتصال ترانزیستور ها

• اتصال بیس مشترک
• اتصال امیتر مشترک

   

  • بیشترین کاربرد را در مدار دارد و باعث ایجاد امپدانس (مقاومت) ورودی کم و امپدانس خروجی زیاد می شود. در نتیجه جریان خروجی کم و ولتاژ خروجی زیاد می شود.
• اتصال کلکتور مشترک
• دارای امپدانس ورودی زیاد و امپدانس خروجی کم می باشد و با این کار جریان خروجی زیادی گرفته می شود ولی ولتاژ خروجی کم می شود.

ترانزیستور های FET

مخفف Field Effect Transistor می باشد.

ترانزیستور های FET به دو نوع زیر تقسیم می شوند.

• JFET ها مخفف Junction-Gate Field Effect Transistor

   

  • در ترانزیستور های JFET با اعمال یک ولتاژ به پایه Gate میزان جریان عبوری از دو پایه Source و Drain کنترل می شود. ترانزیستور های اثر میدانی به دو نوع N و نوع P تقسیم می شوند. این ترانزیستور ها تقریبا هیچ استفاده ای ندارند چون جریان دهی آن ها محدود است و به سختی مجتمع و IC می شوند. نواحی کار ترانزیستور های JFET در سه حالت فعال و اشباع و ترایود می باشد. این ترانزیستور ها معمولاً بسیار حساس بوده و حتی با الکتریسیته ساکن بدن نیز تحریک می‌گردند. به همین دلیل نسبت به نویز بسیار حساس هستند.
• MOSFET ها مخفف Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor می باشد.
• در ترانزیستور های MOSFET پایه کنترلی (Gate) جریانی مصرف نمی کند و تنها با اعمال ولتاژ و ایجاد میدان درون نیمه رسانا جریان عبوری بین پایه های Drian و Source کنترل می شود. این ترانزیستور ها در ساخت مدارات مجتمع و IC ها کاربرد بسیار بالایی دارند.
• ترانزیستور های MOSFET به دو دسته PMOS و NMOS تقسیم می شوند. در آغاز ترانزیستور های PMOS کاربرد فراوانی داشتند ولی از آنجا که ساخت ترانزیستور های NMOS آسان تر است و مساحت کمتری هم اشغال می کنند از PMOS پیشی گرفت.
• یکی از اساسی‌ترین مزیت‌های ماسفت ها نویز کمتر آن‌ ها در مدار است.

انواع ترانزیستور های JFET

به دو دسته زیر تقسیم می شود.

• ترانزیستور های N Channel
• ترانزیستور های P Channel

ترانزیستور با پیوند نوع P در Gate و N Channel در اتصال Source و Drain

در این ترانزیستور در Gate پیوند نوع P داریم و در Source و Drain پیوند نوع N داریم. در این ترانزیستور برای داشتن جریان از Drain به Source لازم است Gate را بایاس معکوس کنیم یعنی به Gate ولتاژ منفی دهیم تا در پایه های Drian و Source جریانی از Drain به Source داشته باشیم.

نمودار ترانزیستور JFET نوع N Channel بصورت زیر می باشد.

به شکل زیر توجه کنید.

در اینجا ولتاژ Gate صفر می باشد ولی ولتاژ برابر 3 ولت به Drain اعمال شده است. بدین ترتیب الکترون ها از قطب منفی مولد خارج و از Source وارد Drain می شوند (جهت جریان بر خلاف جهت حرکت الکترون ها و از Drain به Source می باشد)

حال همانطور که ولتاژ بین Source و Drain برابر 3 ولت می باشد ولتاژ Gate را برابر -0.5 قرار می دهیم.

مشاهده می شود که ناحیه Depletion (سفید رنگ) عریض تر می شود. دلیل عریض شدن ناحیه Depletion به این دلیل است از آنجایی که Gate دارای پیوند نوع P است بنابراین دارای بارهای مثبت می باشد و در ناحیه Depletion دارای بار منفی می باشد که از منطقه N وارد آن شده است بنابراین هرچه قدر با بایاس معکوس به Gate بار منفی تزریق کنیم ناحیه Depletion عریض تر می شود.

در اینجا ولتاژ اعمال شده به Gate را بیشتر نمی کنیم (همان -0.3 ولت) و ولتاژ بین Source و Drain را بیشتر می کنیم و برابر 10 ولت قرار می دهیم.

مشاهده می شود که ناحیه سفید رنگ Depletion عریض تر شده است. عریض تر شدن ناحیه Depletion به این علت است که با اضافه تر شدن ولتاژ بین Source و Drain الکترون های بیشتری جذب ناحیه Depletion در کنار Gate می شوند و این ناحیه عریض تر می شود.

نکته

هر چقدر که ناحیه Depletion عریض تر شود باعث می گردد که کانال N Channel که الکترون ها از طریق آن از Source به Drain می روند کم عرض تر شود و جریان الکترون ها کند شوند. وقتی که الکترون ها به ناحیه ای که تنگ تر است می رسند انرژی جنبشی آن ها تبدیل به انرژی پتانسیل می شود و هنگامی که از منطقه تنگ عبور می کنند دارای انرژی بالاتری نسبت به قبل هستند یعنی دارای ولتاژ بالاتری می باشند.

همانطور که مشخص است جهت حرکت الکترون ها از Source به Drain می باشد یعنی جهت جریان الکتریکی (جهت حرکت بارهای مثبت) از Drain به Source می باشد.

نکته

برای مشاهده ویدیوی سناریوی روش کار ترانزیستور JFET نوع N Channel کلیک کنید و فایل فلش آن را از این لینکدریافت کنید.

ترانزیستور با پیوند نوع N در Gate و P Channel در اتصال Source و Drian

در این ترانزیستور در Gate پیوند نوع N داریم و در Source و Drain پیوند نوع P داریم. در این ترانزیستور برای داشتن جریان از Drain به Source لازم است Gate را بایاس معکوس کنیم یعنی به Gate ولتاژ مثبت دهیم تا در پایه های Drian و Source جریانی از Drain به Source داشته باشیم.

نمودار ترانزیستور JFET نوع P Channel بصورت زیر می باشد.

نکته

ترانزیستورهای JFET تقریباً هیچ استفاده‌ای ندارند چون جریان دهی آنها محدود است و به سختی مجتمع می‌شوند.

انواع ترانزیستور های MOSFET

به دو دسته زیر تقسیم می شود.

• ترانزیستور های NMOS
• ترانزیستور های PMOS

به شکل زیر توجه کنید.

• در ترانزیستور های NMOS پایه های Drain و Source دارای پیوند نوع N می باشند و یک کانال ارتباطی با پیوند P داریم. در تزانزیستور های NMOS پایه های Gate و Drain با ولتاژ مثبت بایاس موافق می شوند.

   

  • در ترانزیستور های NMOS جهت حرکت جریان الکتریکی از پایه Drain به Source می باشد.
  • در ترانزیستور های NMOS الکترون های آزاد از پایه Source به Drain حرکت می کنند و عامل ایجاد جریان الکترون های آزاد هستند نه بارهای مثبت (حفره ها)
• در ترانزیستور های PMOS پایه های Drain و Source دارای پیوند نوع P می باشند و یک کانال ارتباطی با پیوند N داریم. در تزانزیستور های PMOS پایه های Gate و Drain با ولتاژ منفی بایاس معکوس می شوند.

o در ترانزیستور های PMOS جهت حرکت بارهای مثبت (حفره ها) از پایه Source به Drain می باشد و عامل ایجاد جریان بارهای مثبت (حفره ها) هستند نه الکترون های آزاد

روش کار ترانزیستور های NMOS

به شکل زیر توجه کنید.

• رنگ سفید نشانگر بارهای مثبت (حفره ها)
• رنگ سیاه نشانگر بارهای منفی (الکترون های آزاد)

در ترانزیستور های NMOS با اعمال ولتاژ مثبت (بایاس موافق) به Gate در نتیجه بارهای مثبت وارد Gate می شوند و از آنجایی که بعد از Gate یک عایق وجود دارد در نتیجه جریانی از Gate خارج نمی شود و جریان Gate برابر صفر است. با ورود بارهای مثبت به Gate میدان الکتریکی مثبتی بوجود می آید که روی کانال با پیوند P اثر می گذارد. میدان الکتریکی Gate باعث می شود بارهای مثبت از کانال زیر Gate رانده شوند و جای آن ها بارهای منفی (الکترون های آزاد) قرار بگیرند. با قرار گرفتن الکترون ها در زیر Gate مسیری برای حرکت الکترون ها بین Source و Drain ایجاد می شود.

حال اگر به Drain ولتاژ مثبت بدهیم (بایاس موافق) در نتیجه Drain که دارای پیوند نوع N می باشد از الکترون های آن کم می شود چرا که با بارهای مثبت مولد خنثی می شوند در نتیجه تعداد بارهای منفی در Source از Drain بیشتر می شود و همین امر باعث حرکت بارهای منفی (الکترون ها) از Source به Drain می شود. البته میدان الکتریکی حاصل از بارهای مثبت در Gate نیز باعث جذب و حرکت الکترون های Source می شوند.

با حرکت الکترون ها از Source به Drain جهت جریان (بارهای مثبت) از Drain به Source خواهد بود و نمودار ترانزیستور NMOS بصورت زیر می شود.

روش کار ترانزیستور های PMOS

به شکل زیر توجه کنید.

• رنگ سفید نشانگر بارهای مثبت (حفره ها)
• رنگ سیاه نشانگر بارهای منفی (الکترون های آزاد)

در ترانزیستور های PMOS با اعمال ولتاژ منفی (بایاس معکوس یعنی اتصال قطب منفی مولد به Gate) در Gate در نتیجه بارهای منفی وارد Gate می شوند.

با ورود بارهای منفی به Gate میدان الکتریکی منفی بوجود می آید که روی پیوند N اثر می گذارد. میدان الکتریکی منفی Gate باعث می شود بارهای منفی از ناحیه زیر Gate رانده شوند و جای آن ها بارهای مثبت (حفره ها) قرار بگیرند. با قرار گرفتن بارهای مثبت در زیر Gate مسیری برای حرکت بارهای مثبت بین Source و Drain ایجاد می شود.

حال اگر به Drain ولتاژ منفی بدهیم (بایاس معکوس یعنی اتصال قطب منفی مولد به Drain) در نتیجه Drain که دارای پیوند نوع P می باشد از بارهای مثبت آن کم می شود چرا که بارهای مثبت آن با بارهای منفی مولد خنثی می شوند در نتیجه تعداد بارهای مثبت در Source از Drain بیشتر می شود (ولتاژ Source بیشتر از Drain می شود) و همین امر باعث حرکت بارهای مثبت (حفره ها) از Source به Drain می شود. البته میدان الکتریکی حاصل از بارهای منفی در Gate نیز باعث جذب و حرکت بارهای مثبت می شوند.

با حرکت بارهای مثبت ها از Source به Drain جهت جریان (بارهای مثبت) از Source به Drain خواهد بود و نمودار ترانزیستور PMOS بصورت زیر می شود.

نکته

از ترانزیستور های NMOS و PMOS به عنوان کلید در سوئیچینگ استفاده می شود بدین ترتیب که

• در ترانزیستور NMOS با اعمال ولتاژ مثبت زیاد به Gate پایه های Source و Drain به هم وصل می شوند و اگر ولتاژ مثبت Gate پایین باشد پایه های Source و Drain به هم وصل نمی شوند که این همان خاصیت کلید در مدار است.
• در ترانزیستور PMOS با اعمال ولتاژ منفی زیاد به Gate پایه های Source و Drain به هم وصل نمی شوند و اگر ولتاژ منفی Gate پایین باشد پایه های Source و Drain به هم وصل می شوند که این همان خاصیت کلید در مدار است.

دقت کنید که ترانزیستور های NMOS و PMOS برای کلید شدن و انجام سوئیچینگ در مدار بصورت برعکس عمل می کنند.

نکته

برای درک مفهوم ترانزیستور های MOSFET از نوع N و P ویدیوی آن را از این لینک دانلود کنید.

تست ترانزیستور های PNP و NPN با مولتی متر

در ابتدا برای یک تست اولیه از ترانزیستور تست بوق بگیرید.

تست بوق ترانزیستور

در ابتدا سلکتور مولتی متر را روی بازر قرار داده و تست بوق بگیرید بدین صورت است که پایه های ترانزیستور نباید نسبت به هم بوق بزنند. تست بوق در حالی انجام می شود که ترانزیستور BJT روی بورد مدار قرار دارد.

بعد از تست بوق کار های زیر را انجام دهید.

• ترانزیستور را از بورد مدار خارج کنید.
• سلکتور ترانزیستور را روی دیود قرار دهید.
• تشخیص پایه Base

   

  • پایه Base پایه ای است که نسبت به پایه های دیگر راه دهد. ممکن است یکی از دو حالت زیر اتفاق بفتد.

     

    • پراب قرمز را روی یکی از پایه ها قرار دهید سپس با پراب مشکی دو پایه دیگر را چک کنید. اگر برای پایه های دیگر عدد روی مولتی متر ظاهر شد پایه ای که پراب قرمز روی آن قرار دارد Base می باشد و از آنجایی که پراب قرمز روی Base افتاده است این ترانزیستور NPN یا ترانزیستور تیپ منفی می باشد.
    • پراب مشکی را روی یکی از پایه ها قرار دهید و سپس با پراب قرمز دو پایه دیگر را چک کنید. اگر برای پایه های دیگر عدد روی مولتی متر ظاهر شد پایه ای که پراب مشکی روی آن قرار دارد Base می باشد و از آنجایی که پراب مشکی روی Base افتاده است این ترانزیستور PNP یا ترانزیستور تیپ مثبت می باشد.
• تشخیص پایه های Collector و Emitter
• از بین دو پایه دیگر که راه می دهد عدد بزرگتر نشان دهنده پایه Emitter و عدد کوچکتر نشان دهنده پایه Collector می باشد.

برای مثال به شکل زیر توجه کنید.

قطعه را از بورد جدا کنید و سلکتور مولتی متر را روی دیود قرار دهید. پراب قرمز را روی پایه اول قرار دهید و پراب مشکی را روی پایه دوم قرار دهید.

به عدد روی مولتی متر نگاه کنید. مشاهده می شود مولتی متر راه می دهد و عدد نشان می دهد.

پراب قرمز را روی پایه اول قرار دهید و پراب مشکی را روی پایه سوم قرار دهید.

به عدد روی مولتی متر نگاه کنید. مشاهده می شود مولتی متر راه می دهد و عدد نشان می دهد.

پس نتیجه این می شود که پایه 1 پایه Base و پایه 2 پایه Collector و پایه 3 پایه Emitter می باشد. (عدد نشان داده شده در پایه Collector کمتر از پایه Emitter است) و از آنجایی که پراب قرمز روی پایه Base قرار گرفته است این ترانزیستور NPN و از تیپ منفی است.

در کل بصورت زیر عمل می شود.

• ترانزیستور NPN

مولتی متر	Emitter	Base	Collector
عدد	پراب مشکی	پراب قرمز
عدد		پراب قرمز	پراب مشکی

• ترانزیستور PNP

مولتی متر	Emitter	Base	Collector
عدد	پراب قرمز	پراب مشکی
عدد		پراب مشکی	پراب قرمز

تست ترانزیستور های FET نوع MOSFET

در ابتدا برای یک تست اولیه از ترانزیستور تست بوق بگیرید.

تست بوق ترانزیستور

سلکتور مولتی متر را روی بازر قرار داده و از ترانزیستور روی بورد مدار تست بوق بگیرید، دقت کنید که صدای بوق نباید شنیده شود و پایه ها نباید به هم راه بدهند.

بعد از تست بوق کار های زیر را انجام دهید.

• ترانزیستور را از بورد مدار خارج کنید.
• سلکتور ترانزیستور را روی دیود قرار دهید.

   

  • پراب مشکی را روی پایه Gate قرار دهید (پایه Gate در وسط قرار دارد) و پراب قرمز را به پایه Drain وصل کنید که در این حالت مولتی متر نباید راه بدهد و یابد عدد بینهایت نشان بدهد.
  • پراب مشکی را روی پایه Gate قرار دهید و پراب قرمز را به پایه Source وصل کنید که در این حالت مولتی متر عدد نشان می دهد.
  • پراب مشکی را روی پایه Gate قرار دهید و پراب قرمز را دوباره به پایه Drain وصل کنید که در این حالت مولتی متر باید بوق بزند.

اگر شرایط بالا برقرار بود ترانزیستور فت نوع N سالم است.

در کل بصورت زیر عمل می شود.

مولتی متر	Source	Gate	Drain
1 یا 0L		پراب مشکی	پراب قرمز
عدد	پراب قرمز	پراب مشکی
بوق		پراب مشکی	پراب قرمز

نکته

تست ماسفت با مولتی متر همیشه جواب نمی دهد چرا که در بعضی موارد مولتی متر نمی تواند ترانزیستور را روشن کند. برای مثال در تست فت IRF همیشه درستی نتایج در تست ملاک کار کردن فت در بورد نمی باشد.

منبع www.bia2store.com