ترانزیستور چیست؟

ترانزیستور مهم‌ترین قطعۀ مداری در الکترونیک است و برای تقویت یا قطع و وصل سیگنال‌ها به کار می‌رود. ترانزیستور یکی از ادوات حالت جامد است که از مواد نیمه‌رسانایی مانند سیلیسیم و ژرمانیم ساخته می‌شود. یک ترانزیستور در ساختار خود دارای پیوندهای نوع N و نوع P است.

( ترانزیستور چیست؟ )

ترانزیستورها به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند: ترانزیستورهای اتصال دوقطبی (BJT) و ترانزیستورهای اثر میدانی (FET).

اِعمال جریان در BJTها، و ولتاژ در FETها بین ورودی و ترمینال مشترک، رسانایی بین خروجی و ترمینال مشترک را افزایش می‌دهد، از این‌رو سبب کنترل شدت جریان بین آن‌ها می‌شود.

مشخصات ترانزیستورها به نوع آن‌ها بستگی دارد. شکل ظاهری ترانزیستورها با توجه به توان و فرکانس کاری‌شان متفاوت است.

در مدارهای آنالوگ، ترانزیستورها در تقویت‌کننده‌ها استفاده می‌شوند (تقویت سیگنال‌هایی مانند صوت، امواج رادیویی، …) و نیز منابع تغذیه تثبیت‌شده خطی و غیرخطی (منبع تغذیه سوییچینگ). در مدارهای دیجیتال از ترانزیستورها به عنوان سوییچ (کلید) الکترونیکی استفاده می‌شود، اگر چه به ندرت به صورت یک قطعۀ جداگانه، بلکه به صورت به‌هم‌پیوسته در مدارهای مجتمع یک‌پارچه به کار می‌روند. مدارهای دیجیتال شامل گیت‌های منطقی (logic gates)، حافظه با دسترسی تصادفی (RAM)، ریزپردازنده‌ها و پردازنده‌های سیگنال دیجیتال (DSP) هستند.

ترانزیستور BJT، سه‌پایه دارد: بِیس (پایه Base)، کُلِکتور یا کالِکتِر (جمع‌کننده Collector) و اِمیتر (منتشرکننده Emitter).

اولین حق ثبت اختراع ترانزیستور اثر میدان در سال ۱۹۲۸ در آلمان توسط فیزیک‌دانی به نام یولیوس ادگار لیلینفلد ثبت شد، اما او هیچ مقاله‌ای دربارهٔ قطعه‌اش چاپ نکرد و این ثبت اختراع از طرف صنعت نادیده گرفته شد. در سال ۱۹۳۴ فیزیکدان آلمانی دکتر اسکار هایل ترانزیستور اثر میدان دیگری را به ثبت رساند. هیچ مدرک مستقیمی وجود ندارد که این قطعه ساخته شده باشد، اما بعداً کارهایی در دهه ۱۹۹۰ نشان داد که یکی از طرح‌های لیلینفلد کار کرده و بهره تقویت کنندگی قابل توجهی داشته‌است. اوراق قانونی آزمایشگاه‌های ثبت اختراع بل نشان می‌دهد که ویلیام شاکلی و جرالد پیرسن یک نسخه قابل استفاده از اختراع لیلینفلد ساخته‌اند، در حالی که آن‌ها هیچگاه این را در تحقیقات و مقالات خود ذکر نکردند.

در ۲۳ دسامبر ۱۹۴۷، ویلیام شاکلی، جان باردین و والتر براتین موفق به ساخت اولین ترانزیستور اتصال نقطه‌ای در آزمایشگاه‌های بل شدند. این کار با تلاش‌های زمان جنگ برای تولید دیودهای میکسر کریستال ژرمانیم خالص ادامه یافت، این دیودها در واحدهای رادار به عنوان میکسر فرکانس در گیرنده‌های میکروموج استفاده می‌شد.

یک پروژه دیودهای ژرمانیم در دانشگاه پردو موفق شد کریستال‌های نیمه‌هادی ژرمانیم را با کیفیت خوب که در آزمایشگاه‌های بل استفاده می‌شد تولید کند. سرعت سوئیچ تکنولوژی لامپی اولیه برای این کار کافی نبود، همین تیم بل را سوق داد تا از دیودهای حالت جامد به جای آن استفاده کنند. آن‌ها با دانشی که در دست داشتند شروع به طراحی سه قطبی نیمه‌هادی کردند، اما دریافتند که کار ساده‌ای نیست. جان باردین سرانجام یک شاخه جدید فیزیک سطحی را برای محاسبه رفتار عجیبی که دیده بودند ایجاد کرد و سرانجام براتین و باردین موفق به ساخت یک قطعه کاری شدند.

آزمایشگاه‌های بل به یک اسم برای اختراع جدید نیاز داشتند: «سه قطبی نیمه‌هادی»، «سه قطبی جامد»، «سه قطبی اجزاء سطحی»، «سه قطبی کریستال» و «لاتاتورن» که همه مطرح شده بودند، اما «ترانزیستور» که توسط جان رابینسون پیرس پیشنهاد شده بود، برنده یک قرعه کشی داخلی شد. اساس این اسم در یاداشت فنی بعدی شرکت رای‌گیری شد:

“ترانزیستور، یک ترکیب اختصاری از کلمات «ترانسفر» (انتقال) و «رزیستور» (مقاومت) است. این قطعه منطقاً متعلق به خانواده مقاومت متغیر است که “امپدانس انتقالی” و نیز “بهره” دارد؛ بنابراین این اسم یک ترکیب توصیفی است. -آزمایشگاه‌های تلفن بل- یاداشت فنی (۲۸ می۱۹۴۸)”

در آن زمان تصور می‌شد که این قطعه مثل دو لامپ خلاء است. لامپ‌های خلاء هدایت انتقالی دارند بنابراین ترانزیستور هدایت انتقالی دارد؛ و این اسم می‌بایست متناسب با نام دیگر قطعات مثل وریستور، ترمیستور باشد؛ و نام ترانزیستور پیشنهاد شد.

آزمایشگاه‌های بل فوراً ترانزیستور تک اتصالی را جزء تولیدات انحصاری شرکت وسترن الکتریک، شهر آلنتون در ایالت پنسیلوانیا قرار داد. نخستین ترانزیستورها برای گیرنده‌های رادیو AM ساخته و به نمایش گذاشته شدند اگر چه در واقع فقط در سطح آزمایشگاهی بودند. به هر حال در سال ۱۹۵۰ شاکلی یک نوع کاملاً متفاوت ترانزیستور را ارائه داد که به ترانزیستور اتصال دوقطبی معروف شد. اگرچه اصول کار آن با ترانزیستور تک اتصالی کاملاً فرق می‌کند، این قطعه‌ای است که امروزه به عنوان ترانزیستور شناخته می‌شود. پروانه تولید آن نیز به تعدادی از شرکت‌های الکترونیک شامل تگزاس اینسترومنتس که تعداد محدودی رادیو ترانزیستوری تولید می‌کرد داده شد. ترانزیستورهای اولیه از نظر شیمیایی ناپایدار بودند و فقط برای کاربردهای فرکانس و توان پایین مناسب بودند، اما همینکه طراحی ترانزیستور توسعه یافت این مشکلات نیز کم‌کم رفع شدند.

هنگامی که ماسارو ایبوکا، مؤسس شرکت ژاپنی سونی از آمریکا دیدن می‌کرد آزمایشگاه‌های بل مجوز ساخت و نیز دستورالعمل‌های ساخت ترانزیستور را منتشر کرده بود. ایبوکا پروانه تولید را از وزارت دارایی ژاپن گرفت و در سال ۱۹۵۵ رادیوی جیبی خود را با مارک سونی معرفی کرد. بعد از دو دهه ترانزیستورها به تدریج جای لامپ‌های خلاء را در بسیاری از کاربردها گرفتند و بعدها امکان تولید مدارات مجتمع و دستگاه‌های جدیدی مانند رایانه‌های شخصی را فراهم آوردند.

از ویلیام شاکلی، جان باردین و والتر براتِین بخاطر تحقیقاتشان در مورد نیمه‌هادی‌ها و کشف اثر ترانزیستور با جایزه نوبل فیزیک قدردانی شد.