ترانزستور

أشكال مختلفة للمقاحل

مقحل مبكر

المقحل أوالترانزستور (بالإنجليزية: Transistor)‏ (اختصاراً لحدثتي Transfer Resistor أي مُقاوِمُ النَقْل) وهي نبيطة تعتبر أحد أبرز مكونات الأدوات الإلكترونية الحديثة مثل الحاسوب، اخترعه الفهماء الأمريكيون (والتر براتن) و(جون باردين) و(وليام شوكلي)، هوبلورة من مادة شبه موصل مطعمة بالجرمانيوم أوالسيليكون تحتوي على بلورة رقيقة جدًا بحيث تكون المنطقة الوسطى منها شبه موصل موجب أوسالب وتسمى القاعدة بينهما المنطقتان الخارجيتان من النوعية المخالفة وله قدرة كبيرة على تكبير الإشارات الإلكترونية.

للمقحل ثنائي القطب وصلتين من نوع "م س" وثلاثة أطراف. حيث يربط طرفان من الوصلتين "م س"، في العادة يربط الباعث والمجمِّع إلى دائرة خارجية، بينما يصل الطرف الثالث القاعدة بدائرة داخلية. لكن حمل الجهد المطبقة على القاعدة قليلا يؤدي إلى دخول عدد كبير من الإلكترونات إلى القاعدة عبر الوصلة المنحازة أماميا، ويتفاوت هذا العدد حسب قوة الجهد. ولأن منطقة القاعدة رقيقة جدا، يستطيع مصدر الفولتية في الدائرة الخارجية جذب الإلكترونات عبر الوصلة المنحازة عكسيا. ونتيجة لذلك يسري تيار قوي عبر الترانزستور وعبر الدائرة الخارجية. وبهذه الطريقة يمكن التحكم في سريان تيار قوي عبر الدائرة الخارجية، بتزويد القاعدة بإشارة صغيرة.

تاريخ الترانزستور

تم خلق نسخة طبق الأصل لأول ترانزستور يعمل.

سجل الفيزيائي جوليس ادجر لينيفلد أول براءة اختراع للمقحل في كندا عام 1925م وكان هذا الاختراع مشابه للترانزستور الحقلي ولكنه مع ذلك لم ينشر أبحاث عن هذا الترانزستور ولم يحقق عمليا باستخدام نبائط واقعية وفي عام 1934م قام الألمانى اوسكر هيل بتسجيل براءة اختراع لمقحل مشابه للمقحل السابق..

في عام 1942م قام "هبرت مارتين" (Herbert marten) بعمل بتجربة باستخدام ما يسمى "الديودايو" (الوصلة الثنائية المزدوجة)أثناء العمل على لاقط بنظام رادار دوبلر وهذه الوصلة الثنائية المزدوجة مكونة من اثنين من الوصلات الثنائية ووصلات معدنية على قاعدة من شبه الموصل ولكنه اكتشف عدد من الظواهر التي لم يتمكن من تفسيرها عن طريق الوصلتين المنفصلتين واستتبع هذا ظهور الفكرة الأساسية لمقحل التوصيل.

في عام 1947م قام "جون باردين" و"والتر براتين" في معامل "AT & T bell "في الولايات المتحدة الأمريكية بملاحظة انه عند توصيل مصدر كهربي على بلورة من الجرمانيوم ان الطاقة الناتجة أكبر من طاقة المصدر الكهربي الداخلة وقد قام "وليام شوكلى" بفهم السبب في ذلك وعلى مدار شهور قليلة عملوا على التوسع الكبير لعلوم أشباه الموصلات وقد اتى اسم الترانزستور من الحدثة الإنجليزية "Transfer resistor" التي تعني ناقل المقاومة.

أهمية الترانزستور

مثال npn-Transistor, يعمل كمضخم إلكتروني. ينتقل فيه التيار عن طريق الفجوات والإلكترونات

رمز الترانزستور في الدوائر الإلكترونية.

في الواقع ان الترانزستور هوأبرز المكونات الإلكترونية الحديثة ويعتبر من أعظم الاختراعات في القرن العشرين ويستمد أهميته في حياة المجتمع من القدرة الفائقة على إنتاجه باستخدام عمليات تلقائية إليه "عمليات تصنيع أشباه الموصلات"مما يجعل إنتاجه قليل التكلفة.

وعلى الرغم من حتى الكثير من الشركات تنتج سنويا ما يزيد عن المليار من المقاحل المنفصلة إلا حتى الغالبية العظمى من المقاحل التي تنتج تكون في الدوائر المتكاملة "Integrated circuit" والتي تختصر إلى "IC" وتحتوى هذه الدوائر المتكاملة على الكثير من المقاحل والوصلات الثنائية والمقاومات والمكثفات والمكونات الإلكترونية الأخرى والتي تمثل دائرة إلكترونية كاملة تقوم بعمل وظيفة معينة وهناك أيضا "البوابات المنطقية" (Logic gates) والتي تتكون من عدد من المقاحل والتي قد تصل إلى العشرين لعمل بوابة منطقية واحدة وفي المعالجات الدقيقة "معالج دقيق" المتقدمة وصل عدد المقاحل إلى ثلاثة مليار في شريحة واحدة في عام 2011 حيث كان قد وصل إلى 60 مليون في الشريحة في عام 2002 ومن أبرز مميزات المقحل التكلفة الضئيلة المرونة في الاستخدام والثبات مما جعله واسع الاستخدام والانتشار وقد دخلت المقاحل في دوائر التحكم الميكانيكية وحلت محل الأدوات الميكانيكية التي كانت تستخدم في ذلك ويمكن أيضا استخدام متحكم دقيق "متحكم دقيق" في كتابة برنامج صغير لأداء وظيفة التحكم المطلوبة والمكافئة للمهمة التي يقوم بها التصميم الميكانيكي.

استخدامه

كان استخدام الترانزستور ثنائي القطب (Bipolar Junction Transistor) وإلى تختصر إلى (BJT) هوالأكثر شيوعا في الستينيات والسبعينيات من القرن الماضى ولكن مع ظهور الترانزستور ثنائى المجال (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) تقلص دور ثنائى القطب إلى الدوائر التناظرية مثل المكبرات البسيطة لكبر منطقة عمله الخطية " Linear Mode Operation" وسهولة تصنيعه وهناك الكثير من الخصائص للترانزستور ثنائى المجال مثل استخدامه في الدوائر ذات القدرة المنخفضة باستخدام تقنية ال " C MOS " والتي تعنى استخدام المعدن والأكسيد وشبه الموصل المتكامل والتي تجعل مشاركة الدوائر الرقمية سهلة وهناك الكثير من ترانزستورات تأثير المجال الحديثة وإلى تجمع بين الاستخدام في دوائر القدرات العالية والدوائر التناظرية المؤقتة " Clocked Analog circuit " مثل معادلات الجهود والمكبرات وناقلات القدرة والمحركات...

العمليات المبسطة

دائرة مبسطة للترانزستور ثنائي القطب

الترانزستور كمكبر

يستمد المقحل أهميته وضروريته في الحياة من قدرته على معالجة الإشارات الصغيرة والتي توضع على اثنين من أطرافة وتنتج إشارات كبيرة على طرفين آخرين وتسمى هذه الخاصية بنسبة التكبير (Gain) ويمكن التحكم في المقحل بما يجعل الدخل متناسبا مع الخروج بنسبة معينة وفي هذا الحالة يستخدم المقحل كمكبر ويمكن أيضا استخدام المقحل كمفتاح لفتح وغلق التيار والذي يمكن التحكم فيه عن طريق بقية عناصر الدائرة..

استخدام الترانزستور كمكبر

صُمم المقحل ذوالباعث المتصل بالأرض لكى يستجيب إلى الإشارات الصغيرة الداخلة إلى القاعدة، ويقوم بتكبير هذه الإشارات على المخرج عند المجمع، وهناك الكثير من تكوينات لدوائر تقوم بالتكبير لها مميزات مختلفة سواء للتيار أوالجهد أوالاثنين معا بحسب المطلوب.

ففي بعض الهواتف المحمولة والتلفاز هناك الكثير من المنتجات التي يدخل فيها المقحل كمكبر مثل مكبرات الصوت أوالنقل الراديوي أومعالجة الإشارات وكانت أول دائرة مقحل ذات قدرات ضعيفه تصل إلى بعض الأجزاء من العشرة من الواط وتم تكبيرها. ومع التقدم ازدادت نسبة التكبير ونقائه تدريجيا عندما وجدت مقاحل أحسن وتم تقويم مواصفات المقحل ووصلت القدرات الآن إلى بضع المئات من الواط وبتكلفة قليلة.

الترانزستور كمفتاح

المقحل هوأكثر المفاتيح الإلكترونية على حد سواء في الدوائر ذات القدرة المنخفضة مثل البوابات المنطقية أوذات القدرة العالية مثل مفاتيح مزودات الطاقة ومن أمثلة المفاتيح الخفيفة دوائر الباعث المتصل بالأرض ففي الشكل اللقاء عندما يزداد جهد القاعدة يزداد التيار في المجمع وعلى الحمل (المقاومة) زيادة أسّية وبالتالي يقل الجهد في المجمع بسبب المقاومة وتكون المعادلة الحاكمة هي

V(Rc)=Ice*Rc

V(Rc)+V(ce)=Vcc

هوفرق الجهد على المقاومة VRc: حيث

التيار المار في المجمع:Ice

الجهد بين المجمع والباعث:Vce

فلوأمكن خفض Vce للصفر (عملية التشبع التام) ولهذا فان (Ic) لن يزيد عن (Vcc/Rc) ،وحدثازاد التيار

الداخل إلى القاعدة فان المقحل يتجه للتشبع، ومن ثم يمكن اختيار التيار الداخل على القاعدة لجعل VCE مساويا تقريبا للصفر أومساويا لقيمة Vcc (جهد المصدر - حالة البتر ) ويستخدم المقحل كمفتاح في الدوائر الرقمية حيث توجد القيم فقط فتح وغلق ولا تستخدم القيم بينهما. مقارنة بين الصمامات والمقاحل

قبل وجود المقحل كانت الصمامات (Valves) أوانابيب التفريغ (Vacuum Tubes) هوالمكون الوحيد في المعدات الإلكترونية ولكن بحلول المقحل أصبح هوالأكثر استخداما لما له الكثير من المزايا...

1:- صغر الحجم والوزن والذي يؤدى إلى تطوير الدوائر الإلكترونية في حتى تكون صغيرة جدا

2:- عمليات التصنيع الالية والتي تقلل التكلفة لكل وحدة مفردة

3:- الجهود الصغيرة التي يستطيع العمل عليها مما جعله صالح لتطبيقات الدوائر ذات البطاريات الصغيرة

4:- لا بحاجة إلى دورة إحماء لمسخنات الكاثود بعد تطبيق القدرة

5:- الاستهلاك الضئيل للطاقة والكفأة العالية في استخدام الطاقة

6:- الاعتمادية العالية والتحمل الفيزيائي

7:- طول العمر الافتراضي حيث يعمل بعضها إلى ما يصل إلى أكثر من خمسين عاما

8:- وجود النبائط المكملة وسهولة بناء الدوائر المتكاملة المتماثلة وهوالأمر المحال في حالة الصمامات

9:- عدم الحساسية للصدمات الميكانيكية والاهتزاز مما سهل حل هذه المشكلة مثلا في حالة الميكروفونات

قيود الاستخدام :-

لا تعمل جهود اشباه الموصلات عند جهود أعلى من 1000 فولت (على الرغم من حتى هناك بعض النبائط تعمل عند 3000 فولت) وعلى نقيض ذلك فهناك بعض الصمامات التي تتحمل جهودا تصل إلى مئات الآلاف من الفولتات

عدم قدرة النماذج الأولية المصنعة منه على العمل مع حالة القدرات العالية والترددات العالية مثل تلك التي تستخدم في البث التلفزيوني الهوائي حيث كانت الصمامات أفضل أداء من المقاحل نتيجة قابلية الحركة العالية للإلكترونات في أنابيب التفريغ عنها في المقحل . وأشباه الموصلات اضعف تحملا بكثير من الصمامات عند تعرضها للنبضات الناتجة من الانفجار النووي.

أنواع الترانزستورات

إن نوعي الترانزستور يختلفان عن بعضهما اختلافا طفيفا في كيفية وضعهما في دائرة معينة فكل منها له ثلاثة اطراف تسمى في حالة المقحل ثنائى القطب بـ : القاعدة "Base " والباعث "Emitter " والمجمع "Collector " وبمرور تيار متغير في القاعدة سيظهر تأثره مجمعا في المجمع والباعث، وفي حالة مقحل تأثير المجال تسمى البوابة "Gate "، المنبع "Source "، المصب "Drain " ويتحكم الجهد على البوابة في فرق الجهد بين المنبع والمصب..

يمكن تقسيم المقاحل إلى عدة فئات حسب التقسيم::

1:- طبقا لشبه الموصل:

جرمانيومي- سليكوني – جاليومي – زرنخيى – كربيدي سليكوني

2:- طبقا للبناء:

BJT ثنائي القطب، MOSFET تأثير المجال، IGBT المقحل ذوالبوابة المعزولة

3:- طبقا للقطبية:

NPN (س م س) المقحل من النوع السالب ويعنى منطقة من النوع السالب يليها منطقة من النوع الموجب يليها منطقة من النوع السالب

PNP (م س م) المقحل من النوع الموجب ويعنى منطقة من النوع الموجبة يليها منطقة من النوع السالب يليها منطقة من النوع الموجب

4:- طبقا لقدرة التشغيل:

صغير – متوسط – كبير

5:- طبقا لأقصى تردد تشغيل:

موجات راديوية أوموجات الميكرومترية ويعطى أقصى تردد وفعال بجهد الثقل ويرمز له بالرمز FT والذي ينتج نسبة تكبير مساوية للوحدة .

6:- طبقا للتطبيق المستخدم فيه:

مفتاح – متعدد الأغراض – صوتي عالي الجهد – زوجي متماثل – عالي نسبة التكبير

7:- طبقا للتغليف الفيزيائي:

ذوالثقب المعدني - ذوالثقب البلاستيكي – المحمل سطحيا – سلسلة شبكة الكور – مغير القدرة

8:- طبقا لمعامل التكبير (hfe):

لذلك فان مقحل معين يمكن حتى يوصف بهذا الوصف (سليكوني – ثنائي القطب من النوع السالب – مغير للطاقة عالي التردد – مفتاح).

تفوق الترانزستور على الصمامات الإلكترونية

من الأسباب التي دعت للاستغناء عن الصمامات الإلكترونية واسخدام المقاحل في معظم التطبيقات الآتي:

لا يوجد استهلاك للطاقة الكهربائية لتسخين الكاثود،
حجم الترانزستور صغير وقليل الوزن، يتيح ابتكار وتصنيع دوائر كهربائية بحجم صغير.
يعمل الترانزستور بجهد أقل كثيرا من الجهد اللازم لتشغيل الصمام (جهد الأنود للصمام الثلاثي نحو200 فولت، في حين جهد المصب للترانزستور 12 - 30 فولت)
لا يحتاج الترانزستور لتسخين ابتدائي .
تخرج منه طاقة حرارية مشتتة أقل وكفاءته أعلى .
استمرارية في العمل وقدرة على تحمل الصدمات.
عمر أطول، بعض الأجهزة الإلكترونية لا زالت تعمل منذ نحو50 عام.
يتيح الترانزستور عمل اللوائح المضغوطة المعقدة، هذا الشيء لم يكن موجودا مع الصمامات الإلكترونية.
حساسية بعض الترانزستورات للضوء جعلتها تستخدم في التصوير (أنظر سي سي دي).