فيزاء الالكترونيات 11

مقدمة عامة: GERENAL INTRODUCTION
احدث الترانزستور ثورة هائلة في عالم الالكترونيات إذ كان من المستحيل بدونها إنتاج حاسبات الجيب أو الحواسيب العملاقة ذات السرعات العالية كما من المستحيل صناعة أجهزة المذياع والتلفاز المتنقلة التي تعمل ببطارية بهذه الأحجام الصغيرة والتكلفة المتدنية إضافة إلى إن التطور في صناعة الترانزستورات إلى تطور أقمار الاتصالات الفضائية التي تربط بين القارات تم اختراع الترانزستور بواسطة مجموعة من العلماء في مختبرات بل في عام 1947 وهم جون باردن وولتربراتن او وليم شوكلي وتعود البدايات الحقيقية لاختراعه الى عام 1923بواسطة العالم الفيزيائي الدكتور جون ادجر ليلينفيلد ، قادت البحوث على خصائص اشباه الموصلات الى تطوير الترانزستور وخلال العام 2001 وخطت الابحاث المتعلقة بالترانزستور خطوات واسعة في مجال تطوير الالكترونات لانتاج الحاسبات المستقبلية وقد اختيرت الدوائر المتناهية الصغر التي لا تزيد حجمها عن حجم الجزيء المنفرد لتكون اهم انجاز علمي شهده عام 2001م .





قصة اختراع الترانزستور : HISTORY OF TRANSISTOR
قبل وجود الترانزستور كانت هناك صمامات الراديو التي اخترعها السير امبوروز فلمنخ الذي ساعد ماركوني في تجاربه المبكرة وقد أنتج صمامه الأول في عام 1904م عندما اكتشف انه اذا كان بحوزته انبوب مفرغ بقطبين احدهما ساخن والاخر بارد فانه بالامكان الكشف عن الموجات ألاسلكية وفي عام 1906م في فيينا أضاف روبرت فون ليبن المنكب على مسألة الإشارات الهاتفية قطبا ثالثا ووجد ان ذلك سيجعل من الاشارات الضعيفة اقوى واعلى بكثير ، وقد قدر الامريكي لي دو فورست تحسين ذلك ومن ناحية اخرى فان الترانزستور يعمل كل ما تعمله صمامات الراديو ، لكنه اكثر موثوقية واتقن واصغر ولا يحتاج الا لجزء مما تتطلبه الصمامات من كهرباء وقد أظهرت أولى الترانزستورات من قبل ويليام شوكلي وجون باردن وولتر براتن في مختبرات شركة( بل تلفون) في الولايات المتحدة الأمريكية في عام1948م، وقد اكتشف هؤلاء الباحثون ان مواد مثل السيلكون والجرمانيوم لا توصل الكهرباء ولا تعمل كمقاومات لها وبالحقيقة انها شبه موصلات ، فالسيلكون هو عنصر شائع الوجود في العالم حيث يوجد في مواد مثل الرمل والصوان والكوارتز ، وقد اكتشف شوكلي ان باضافة مقادير ضئيلة من مادة اخرى الى السليكون يستطيع ان يظهر الكيفية التي يرد بها السيلكون على مرور الكهرباء عبره .
ومنذ ذلك الحين اجريت محاولات عديدة وبذلت جهود مكثفة لاستخدام وتطوير العديد من الاجهزة شبه الموصلة حتى تم تصنيع اول ترانزستور وصله Transistor Junction في عام 1951م على اثر وضع شوتكي Chottky وفي عام 1949م لنظرية عمل هذا الترانزستور لقد ادت اكتشافات الترانزستور الى جميع انواع الاختراعات ذات الصلة المباشرة مثل الدوائر المتكاملة والمكونات الالكترونية الضوئية والمعالجات الدقيقة (Microprocessor) ان هذا التطور السريع في علم الالكترونيات لم يكن ليحدث لو لا اكتشاف الترانزستور من يشير الى ان تفوق هذا الثلاثي الجديد ذي الحالة الصلبة على الصمامات المفرغة في جملة امور منها:
-1يعمل انيا ولا يحتاج الى وقت للتسخين مما يشير الى قلة استهلاكية للقدرة التي ينتج عنها العمل بكفائة عالية .
-2سهولة تصنيعه وصغر حجمه ورخص ثمنه .
-3يمتلك عمرا طويلا مقارنتا بالصمامات المفرغة ويقاوم التلف عند التعرض للصدمات و الاهتزازات .
4- يمكن تشغيله بجهود و اطئة.


مبدأ العمل والتركيب :
يمكن فهم مبدا عمل الترانزستور اكثر بدراسة احدى الطرق المبكرة في صناعة الترانزستورات تصنع البلورة بشكل شطيرة (sandwich) بحيث ان مقطعا رقيقا من مادة شبه موصل موجب نوع – P يكون بين شريحتين سميكتين من مادة شبه موصل سالب نوع -N وتدعى NPN او مقطعا من ماده نوع- N يكون بين شريحتين سميكتين من مادة نوع –p – وتدعى PNP تقطع الشطيرة المستحصلة الى قطع صغيرة ذات ابعاد (0.1 X0.01 X 0.01) لتشكيل الترانزستور تضاف اطراف التثبيت واسلاك التوصيل تدعى النهايات "الباعث" بينما تسمى الاخرى الجامع كما يسمى الوسط او الجزء الوسطي بالقاعدة في ترانزستور نوع NPNالباعث و الجامع من نوع – P- والقاعدة من نوع N ، يجب التاكد على ان تركيب ترانزستور PNP او NPN مصنع من بلورة نقية مفردة بصورة مشابهة لثنائي PN يدعى الترانزستور غالبا بالترانزستور الاتصالي ثنائي القطبية



ترانزسستور PNP من نوع


ترانزسستور من نوع NPN
الترانزستور عبارة عن مفتاح كهربائي متناهي الدقة يشبه مفتاح الضوء التقليدي الذي يحتوي على وضعين (تشغيل و توقيف) ولهذا فإنه يعمل على التحكم في سريان الإلكترونات في البلورات الصلبة وقد كانت الصمامات المفرغة تستخدم لهذه المهمة مما أدى إلى استبدالها في معظم الأجهزة الإلكترونية بالترانزستورات وهذا بدوره أدى إلى تصغير تلك الأجهزة وتقليل تكاليفها إلى مستوى قياسي يتكون الترانزستور من ثلاث طبقات بدلا من طبقتين بالنسبة للصمام الثنائي , يشبه الترانزستور صمامين ثنائيين موضوعين بجانب بعضهما البعض ظهر لظهر.
كيف يعمل الترانزيستور
تعمل القاعدة في الترانزستور كمفتاح لتشغيل أو إطفاء الترانزستور فعندما يسري التيار إلى القاعدة سيكون هناك طريق لسريان التيار من المجمع إلى الباعث (فيكون المفتاح بوضع التشغيل). ولكن إذا لم يسري تيار إلى القاعدة فإن التيار لن يمكنه السريان من القاعدة إلى الباعث فيكون المفتاح بوضع الإطفاء.

بعض أنواع الترانزستور
استخدامات الترانزيستور :
تضخيم الجهد أو التيار أو القدرة وذلك حسب توصيلة في الدوائر كالتالي :
1- دائرة القاعدة المشتركة تستخدم لتضخيم فرق الجهد .
2- دائرة المجمع المشترك تستخدم لتضخيم شدة التيار .
3- دائرة الباعث المشترك تستخدم لتضخيم القدرة الكهربائية .



يمكن حساب قيمة التيار المار في الباعث حسب المعادلة :

معامل التحويل ( alpha transport factor )هو النسبة بين تيار الجامع وتيار الباعث :


معامل ربح التيار( beta - current gain ) هو النسبة بين تيار الجامع وتيار القاعدة :



يوصل أحد أطراف الترانزستور باشارة الدخل والطرف الثاني يوصل باشارة الخرج ويشترك الطرف الثالث بين الدخل والخرج ، ولهذا يوصل الترانزستور في الدوائر الالكترونية بثلاث طرق مختلفة .



القاعدة المشتركة Common Base:
توصيل اشارة الدخل بين المشع والقاعدة Emitter and Base ، وتوصل اشارة الخرج بين المجمع والقاعدة Collector and Base ويلاحظ أن طرف القاعدة Base مشتركا بين الدخل والخرج ، ولهذا سميت طريقة التوصيل هذه بالقاعدة المشتركة Common Base .


المشع المشترك Common Emitter:
توصل اشارة الدخل بين القاعدة والمشع Emitter and Base ، وتوصل اشارة الخرج بين المجمع والمشع Base and Emitter ويلاحظ أن طرف المشع Emitter مشتركا بين الدخل والخرج ، ولهذا سميت طريقة التوصيل هذه بالمشع المشترك Common Emitter.

المجمع المشترك Common Collector:
توصل اشارة الدخل بين القاعدة والمجمع Collector and Base، وتوصل إشارة الخرج بين المشع والمجمع Base and Emitter ويلاحظ أن طرف المجمع Collector مشتركا بين الدخل والخرج ، ولهذا سميت طريقة التوصيل هذه بالمجمع المشترك Common Collector.


معامل التضخيم : هو نسبة الجهد الناتج إلى الجهد الداخل .
استخدامات الترانزستور
1- دائرة القاعدة المشتركة اتضخيم فرق الجهد .
2- دائرة المجمه المشترك لتضخيم شدة الاشارة.
3- دائرة الباعث لتضخيم القدرة الكهربائية.