
_START_ARTICLE_
دارة إلكترونية
_START_SECTION_
الترانزيستورات transistors
_START_PARAGRAPH_
هناك نوعان رئيسان منه هما: الترانزيستور ثنائي القطبية ذو الوصلة bipolar junction transistor (BJT)، والتــرانزيستور ذو التأثير الحقلي field effect transistor (FET)._NEWLINE_تصنف مجالات عمل هذه الترانزيستورات وفق أنماط ثلاثة:_NEWLINE_1- مضخم amplifier._NEWLINE_2- قاطع إلكتروني electronic switch._NEWLINE_3- مقاومة محكومة controlled resistance._NEWLINE_وفيما يأتي شرح موجز لنشوء هذه الأنماط وتركيبها ومجال عملها في الأنظمة الإلكترونية._NEWLINE_أ ـ الترانزيستور ثنائي القطبية ذو الوصلة BJT: تم اكتشاف النموذج البدائي لهذا الترانزيستور في الخمسينيات، إلا أن التطوير النهائي والمعروف في الوقت الحاضر تحقق في عام 1956 على أيدي الباحثين بأردن Barden وبراتن Brattain وشوكلي Shockley الذين حازوا جائزة نوبل في الفيزياء نتيجة لابتكارهم وتطويرهم لهذه الوسيلة الإلكترونية._NEWLINE_يتشكل الترانزيستور BJT من بلورة من السيليكون silicon (أو الجرمانيوم). تستخدم طريقة تقنية في شروط حرارية مناسبة لوضع طبقة من السيليكون نوع n بين طبقتين من السيليكون نوع p، ليحصل بذلك على ترانزيستور من النوع pnp، أو وضع طبقة من النوع p بين طبقتين من النوع n، فنحصل على ترانزيستور نوع npn._NEWLINE_يبين الشكل 4-أ البنية الأساسية لأحد أنواع الترانزيستورات ذات البنية المتكاملة، بينما يبين الشكلان 4 - ب، جـ شكلًا مبسطاً لكلا النوعين npn,pnp. ويظهر في الشكلين 5 - أ، ب الرمزان الكهربائيان لهذين النوعين من الترانزيستورات._NEWLINE_تدعى أطراف الترانزيستور الثلاثة: الباعث emitter، والقاعدة base، والمجمّع collector. يستخدم في الرمز الكهربائي للترانزيستور سهم على طرف الباعث يدل على اتجاه مرور التيار المستمر. ويكون اتجاه السهم إلى داخل الترانزيستور في النوع pnp، وخارجاً منه في النوع npn. وتكون كثافة حوامل الشحنات في منطقة الباعث مرتفعة، بينما تكون سماكة منطقة القاعدة رقيقة، ويكون سطح منطقة المجمع عريضاً ليكون استقباله للشحنات المنطلقة من منطقة الباعث أكثر فاعلية._NEWLINE_لكي يعمل الترانزيستور BJT عمل مضخم يجب تطبيق جهد انحياز أمامي مستمر على وصلة الباعث - القاعدة، وانحياز عكسي على وصلة المجمع - القاعدة، عند ذاك تسبب التغيرات البسيطة في تيار القاعدة (دخل الترانزيستور) مرور تيار أعلى في مجمع الترانزيستور (دارة الخرج). وينشأ كبر التيار في الخرج نتيجة التفاوت الكبير في تركيز الشحنات الأساسية في طبقتي الباعث والقاعدة. وعلى هذا الأساس يحصل تكبير التيار في هذا النوع من الترانزيستورات وبالتالي تكبير الجهد وتكبير الاستطاعة._NEWLINE_ولكي يعمل الترانزيستور قاطعاً إلكترونياً (في الدارات الرقمية والتمثيلية) تكون وصلة المجمع - القاعدة بحالة انحياز عكسي، وتترك القاعدة حرة ليطبق عليها واحد من مستويي جهد V، أي انحياز عكسي لوصلة الباعث - القاعدة، ويكون عندها الترانزيستور بحالة قطع cut-off، أو تطبيق جهد قاعدة أمامي عالٍ high level كاف لنقل الترانزيستور إلى حالة الإشباع saturation أي حالة الوصل on state._NEWLINE_ولكي يعمل الترانزيستور عمل مقاومة محكومة، يمرر تيار قاعدة معين ضمن المنطقة الفعالة لخواص الترانزيستور للحصول على تيار مجمّع معين، أي مقاومة معينة بين طرفي المجمع والباعث. إن استخدام الترانزيستور في هذا النمط الثالث من العمل قليل نسبياً، ويفضل عليه الترانزيستور ذو التأثير الحقلي._NEWLINE_ب - الترانزيستور ذو التأثير الحقلي FET: قام عدد من الباحثين قبل اكتشاف هذا الترانزيستور، بدراسة التأثير الحقلي، بمعنى تغير ناقلية جسم صلب نتيجة تطبيق حقل كهربائي عبره._NEWLINE_في الواقع كان يجري العمل على ابتكار هذا الترانزيستور في الوقت نفسه الذي تم فيه تطوير الترانزيستور BJT تقريباً. كان النموذج الأول لهذا الترانزيستور هو الترانزيستور ذو التأثير الحقلي ذو الوصلة JFET والذي تم اقتراحه من قبل الباحث شوكلي Shockly عام 1951. تم بعد ذلك تطوير نوع آخر من هذه الترانزيستورات أكثر استقراراً وأفضل في تطبيقات الدارات الرقمية، وهو الترانزيستور MOSFET الذي أعلن عنه في بداية عام 1960 في مختبرات Bell من قبل الباحثين كانغ Kahng وعطا الله Atalla. تم بعد ذلك تطوير هذه الترانزيستورات وتحسين خواصها حتى وصلت إلى ما هي عليه في الوقت الحاضر._NEWLINE_يختلف الترانزيستور FET عن الترانزيستور BJT في بعض الخصائص المهمة الآتية:_NEWLINE_ـ يعتمد الترانزيستور FET على تدفق حوامل شحنات ذات قطبية واحدة (موجبة أو سالبة) لذلك يدعى بالوسيلة أحادية القطبية unipolar device، بينما يعد الترانزيستور BJT وسيلة ثنائية القطبية bipolar device لأنه يعتمد على تدفق حوامل شحنات موجبة وسالبة معاً._NEWLINE_ـ يشغل الترانزيستور FET فراغاً أقل داخل الدارة المتكاملة IC. وبالتالي فإن كثافة التعبئة packaging density له عالية جداً، وهو ما يجعله مفضلاً في صناعة ما يسمى الدارات الإلكترونية الصغرية microelectronic._NEWLINE_ـ يعد عمل هذا الترانزيستور كمقاومة محكومة بالجهد VCR ميزة كبيرة، الأمر الذي يجعل نظام الدارة المتكاملة الرقمي مشتملاً على وسائل MOS من دون أي عناصر أخرى كالمقاومات مثلاً._NEWLINE_ـ يمكن لهذا الترانزيستور أن يعمل كقاطع ثنائي الجانب متناظر، وهي ميزة غير موجودة في الترانزيستور ثنائي القطبية._NEWLINE_ـ مقاومة دخله عالية جداً مما يجعله قادراً على تخزين شحنات (معلومات) لفترة طويلة نسبياً إضافة إلى أن مكثفة دخله صغيرة. أي إن الثابت الزمني لدارة دخله عالية._NEWLINE_ـ تعد هذه الوسيلة ذات ضجيج أقل من الـ BJT._NEWLINE_ـ لا يسبب أي انزياح في الجهد offset عند عدم مرور تيار فيه مما يجعله وسيلة جيدة في تطبيقات تقطيع الإشارة chopping._NEWLINE_للترانزيستور FET سيئة رئيسة هي صغر جداء الكسب بعرض المجال مقارنة مع الـBJT مما يقلل من أهميته في تكبير الإشارات ذات التردد العالي._NEWLINE_يتشكل الترانزيستور JEFT من قضيب من السيليكون نوع n (النوع ذي القنال n)، يسمى أحد طرفيه المنبع S والثاني المصرف D تتشكل على جانبي القضيب السيليكوني منطقتان من النوع p موصولتان معاً بطرف واحد يدعى البوابة G. يمكن تشكيل ترانزيستور ذي قنال p بعكس أنواع المواد السابقة n,p بأسلوب مماثل._NEWLINE_تطبق على كلا النوعين وحدة تغذية مستمرة بين المصرف والمنبع فيمر تيار وحيد الحوامل ضمن ما يسمى بالقنال (المحصورة بين طرفي البوابة). ويطبق انحياز عكسي على البوابة. عند تطبيق إشارة على دخل الترانزيستور ( البوابة) يتشكل حقل كهربائي يؤثر في عرض القنال زيادة أو نقصاناً ليسمح بمرور تيار أعلى أو أقل، ويُحصل بالتالي على إشارة مكبرة في الخرج. إن تأثير الحقل الكهربائي على مرور التيار في القنال هو السبب في تسمية هذه الوسيلة بالترانزيستور ذي التأثير الحقلي._NEWLINE_من جهة أخرى، يتشكل الترانزيستور MOSFET الرئيسي (نوع enhancement إغناء) أساساً من السيليكون نوع p (NMOSFET). يتم إدخال منطقتين في طرفيه من النوع n تشكلان المصرف والمنبع. يوضع فوق هاتين الطبقتين مادة شديدة العازلية من ثاني أكسيد السيليكون (SiO2) يعلوها طبقة معدنية تشكل البوابة. إن الفرق الرئيسي لهذا النوع عن الترانزيستور JFET هو أن مقاومة دخل الأول أعلى بكثير._NEWLINE_إن معظم تطبيقات الترانزيستورات JFET تكون في نمط التكبير ونمط المقاومة المحكومة بالجهد، بينما تكون معظم تطبيقات الترانزيستورات MOSFET في نمط القطع switching وهي تشكل معظم أنواع الدارات المتكاملة الرقمية الموجودة في السوق التجارية.