ترانزستور

الترانزستور أو المقحل (بالإنجليزية: Transistor)‏ (اختصاراً لكلمتي Transfer Resistor أي مُقاوِمُ النَقْل) وهي نبيطة تعتبر أحد أهم مكونات الأدوات الإلكترونية الحديثة مثل الحاسوب، اخترعه العلماء الأمريكيون (والتر براتين) و (جون باردين) و (وليام شوكلي)، هو بلورة من مادة شبه موصل مصنوعة من الجرمانيوم أو السيليكون تحتوي على بلورة رقيقة جدًا بحيث تكون المنطقة الوسطى منها شبه موصل موجب أو سالب وتسمى القاعدة بينهما المنطقتان الخارجيتان من النوعية المخالفة وله قدرة كبيرة على تكبير الإشارات الإلكترونية.

أشكال مختلفة للمقاحل

مقحل مبكر

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 رفع 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

المقالة الرئيسية: تاريخ الترانزستور

تم صنع نسخة طبق الأصل لأول ترانزستور يعمل.

سجل الفيزيائي جوليوس إدغار ليلينفيلد 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 الألماني اوسكر هيل بتسجيل براءة اختراع لمقحل مشابه للمقحل السابق..

في عام 1942م قام «هبرت مارتين» (Herbert marten) بعمل بتجربة باستخدام ما يسمى «الديو دايو» (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 أنه عند توصيل مصدر كهربي على بلورة من الجرمانيوم أن الطاقة الناتجة أكبر من طاقة المصدر الكهربي الداخلة وقد قام «وليام شوكلى» بمعرفة السبب في ذلك وعلى مدار شهور قليلة عملوا على التوسع الكبير لعلوم أشباه الموصلات وقد جاء اسم الترانزستور من الكلمة 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 هو أهم 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 أن العديد من الشركات تنتج سنويا ما يزيد عن المليار من المقاحل المنفصلة؛ إلا أن الغالبية العظمى من المقاحل التي تنتج تكون في الدوائر المتكاملة "Integrated circuit"، والتي تختصر إلى "IC"، وتحتوي هذه الدوائر المتكاملة على العديد 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 المتقدمة وصل عدد المقاحل إلى 3 مليارات في شريحة واحدة في عام 2011، حيث كان قد وصل إلى 60 مليون في الشريحة في عام 2002، ومن أهم مميزات المقحل التكلفة الضئيلة والمرونة 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 في كتابة برنامج صغير لأداء وظيفة التحكم المطلوبة والمكافأة للمهمة التي يقوم بها التصميم الميكانيكي.

استخدامه

كان استخدام الترانزستور ثنائي القطب (Bipolar Junction Transistor) والتي تختصر إلى (BJT) هو الأكثر شيوعا في الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي، ولكن مع ظهور الترانزستور ثنائي المجال (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) تقلص دور ثنائي القطب إلى الدوائر التناظرية مثل المكبرات البسيطة، لكبر منطقة عمله الخطية " Linear Mode Operation" وسهولة تصنيعه، وهناك العديد من الخصائص للترانزستور ثنائي المجال، مثل استخدامه في الدوائر ذات القدرة المنخفضة باستخدام تقنية السيموس، والتي تعنى استخدام المعدن والأكسيد وشبه الموصل المتكامل، والتي تجعل مشاركة الدوائر الرقمية سهلة، وهناك العديد من ترانزستورات تأثير المجال الحديثة والتي 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 أطرافه، وتنتج إشارات كبيرة على طرفين آخرين، وتسمى هذه الخاصية بنسبة التكبير (Gain)، ويمكن التحكم في المقحل بما يجعل الدخول متناسبا مع الخروج بنسبة معينة، وفي هذه 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 ذو الباعث المتصل بالأرض لكي يستجيب إلى الإشارات الصغيرة الداخلة إلى القاعدة، ويقوم بتكبير هذه الإشارات على المخرج عند المجمع، وهناك العديد من التكوينات لدوائر تقوم بالتكبير، لها مميزات مختلفة، سواء للتيار أو للجهد أو الاثنين معا بحسب المطلوب.

ففي بعض الهواتف المحمولة والتلفاز هناك العديد من المنتجات التي يدخل فيها المقحل كمكبر، مثل مكبرات الصوت أو النقل الراديوي أو معالجة الإشارات، وكانت أول دائرة مقحل ذات قدرات ضعيفة 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 هو أكثر المفاتيح الإلكترونية على حد سواء في الدوائر ذات القدرة المنخفضة مثل البوابات المنطقية أو ذات القدرة العالية مثل مفاتيح مزودات الطاقة، ومن أمثلة المفاتيح الخفيفة دوائر الباعث المتصل بالأرض، ففي الشكل المقابل 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

هو فرق الجهد على المقاومة VRc: حيث

التيار المار في المجمع:Ice

الجهد بين المجمع والباعث:Vce

فلو أمكن خفض Vce للصفر (عملية التشبع التام) ولهذا فان (Ic) لن يزيد عن (Vcc/Rc)، وكلما زاد التيار قبل وجود المقحل كانت الصمامات (Valves) أو انابيب التفريغ (Vacuum Tubes) هو المكون الوحيد في المعدات الإلكترونية ولكن بحلول المقحل أصبح هو الأكثر استخداما لما له العديد من المزايا...

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

1:- صغر الحجم والوزن والذي يؤدى إلى تطوير الدوائر الإلكترونية لتكون 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 تحتاج إلى دورة إحماء لمسخنات الكاثود بعد تطبيق القدرة

5:- الاستهلاك الضئيل للطاقة والكفاءة 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 وهو الأمر المستحيل 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 أن 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 – زرنيخي – كربيدي سليكوني

2- طبقا للبناء:

BJT ثنائي القطب، MOSFET تأثير المجال، IGBT المقحل ذو البوابة 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 الموجب يليها منطقة من النوع السالب يليها منطقة من النوع الموجب.

4- طبقا لقدرة التشغيل:

صغير – متوسط – كبير.

5- طبقا لأقصى تردد تشغيل:

موجات راديوية أو موجات ميكرومترية 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:

ذو الثقب المعدني - ذو الثقب البلاستيكي – المحمل سطحيا – سلسلة شبكة الكور – مغير القدرة.

8- طبقا لمعامل التكبير (hfe):

لذلك فإن مقحل معين يمكن أن 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 واستخدام المقاحل في معظم التطبيقات الآتي:

• لا يوجد استهلاك للطاقة الكهربائية لتسخين الكاثود.
• حجم الترانزستور الصغير ووزنه الخفيف يتيح ابتكار وتصنيع دوائر كهربائية بحجم صغير.
• يعمل الترانزستور بجهد أقل كثيرا من الجهد اللازم لتشغيل الصمام (جهد الأنود للصمام الثلاثي نحو 200 فولت، في حين جهد المصب للترانزستور 12 - 30 فولت)
• لا يحتاج الترانزستور لتسخين ابتدائي.
• يُصدر طاقة حرارية مشتتة أقل وكفاءته أعلى.
• استمرارية في العمل وقدرة على تحمل الصدمات.
• عمر أطول، بعض الأجهزة الإلكترونية لا زالت تعمل منذ نحو 50 عاما.
• 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).

انظر أيضًا

• وصلة بي إن
• جهد انحياز
• سي سي دي
• عازل كهربائي هاي كي
• صمام تضخيم ضوئي
• غرفة نظيفة
• صمام عزم مغزلي
• مضخم (إلكترونيات)
• ارتداد أرضي