وان الکتریک

در قسمت قبل (قسمت اول) مقاله شاخت ترانزیستور‌ها در مورد داستان تولد ترانزیستور خواندیم و دریافتیم که ترانزیستور‌ها را می‌توان به شکل یک تقویت کننده و یا یک کلید دید. سپس دیدیم که می‌توانیم به دو شکل به ترانزیستور‌ها نگاه کنیم و بگوییم که ترانزیستور چیست و چگونه کار می‌کند. نگاه ساده به ترازیستور‌ها را در قسمت اول مقاله توضیح دادیم. حالا می‌خواهیم به شکلی دقیق تر به ترانزیستور‌ها بنگریم . در واقع می‌خواهیم به درون ترانزیستور‌ها برویم و به زبان ساده بفهمیم که درون این فطعات الکترونیکی کوچک که جهان را تغییر دادند چه می‌گذرد.

در این مقاله خواهید خواند که ترانزیستور‌ها چگونه ساخته می‌شوند ، پیوندگاه p-n چیست و ترانزیستور‌های پیوند دو قطبی چگونه کار می‌کنند.

ترانزیستور‌ها چگونه ساخته می‌شوند ؟

ماده اصلی سازنده ترانزیستور سیلیکون است . یک عنصر شیمیایی که بخش عمده ای از پوسته زمین و همچنین ماسه‌ها را تشکیل می‌دهد. سیلیکون یا سیلیس در حالت عادی جریان الکتریسیته را از خود عبور نمی‌دهد (مقاومت الکتریکی بالایی دارد). اما سیلیکون یک خاصیت جالب دارد. در واقع این عنصر از لحاظ الکتریکی در دسته نیمه‌هادی‌ها قرار می‌گیرد. به این معنا که نه کاملا رسانا است (مانند فلزات که جریان برق را به راحتی عبور می‌دهند) و نه کاملا نارسانا یا عایق الکتریکی است (مانند پلاستیک که جریان الکرتیکی را از خود عبور نمی‌دهد). وقتی سیلیکون را با نا خالصی آلوده کنیم (به این فرآیند دوپینگ یا تزریق می‌گویند) ، سیلیکون به شکل متفاوتی از حالت خالص رفتار خواهد کرد. مثلا وقتی سیلیکون را با عناصر شیمیایی مانند آرسنیک ، فسفر یا آنتیموان ترکیب می‌کنیم ، این ترکیب دارای الکترون‌هایی می‌شود که در اصطلاح به آن‌ها الکترون‌های آزاد می‌گویند. این اسم گذاری به این دلیل است که الکترون‌های آزاد می‌توانند آزادانه در میان اتم‌ها رفت و آمد کنند و باعث برقرار شدن جریان الکتریکی شوند. از آنجایی که الکترون‌ها دارای بار منفی هستند ، این ترکیب ناخالصی – سیلیکون را ترکیب نوع n (n-type) می‌نامند.

حالا اگر همین سیلیکون را با عناصری مانند برون ، گالیوم و آلومینیوم آلوده کنیم ، ماده به دست آمده طوری رفتار می‌کند که انگار کمبود الکترون در آن به وجود آمده است. برای همین الکترون‌های مواد اطراف آن دوست دارند که به سمت این ماده سرازیر شوند. این حالت شبیه آن است که بار الکتریکی مثبت داریم. برای همین به این ترکیب ناحالصی – سیلیکون ترکیب نوع p (p-type) می‌گویند.

 

در اینجا لازم است اشاره کنیم که نه ترکیب نوع n و نه ترکیب نوع p دارای بار الکتریکی نیستند و خنثی هستند !

این گونه به موضوع نگاه کنید. با ایجاد ترکیب نوع n ، گویی سیلیکون را مجبور کرده ایم که بیشتر شبیه فلزات رسانا رفتار کند و مانند آن‌ها دارای الکترون‌های آزاد باشد و وقتی سیلیکون را به نوع p تبدیل می‌کنیم باز هم رسانایی آن را بالا برده ایم ولی اینبار با استفاده از کمبود الکترون‌های آزاد در آن ، در این حالت انگار رسانایی را با اضافه کردن اتم‌های ناخالصی به سیلیس ایجاد کرده ایم.

حتما با خود فکر می‌کنید که ما نمی‌توانیم از هیچ بار الکتریکی بسازیم . برای این که بیشتر در مورد سیلیکون نوع p بدانید. ابتدا باید با نظریه نوارها در نیمه‌هادی‌ها ( Band theory of semiconductors) آشنا باشید که بسیار بالاتر از سطح این مقاله است .

تنها چیزی که لازم است به یاد داشته باشید این است که :

“الکترون اضافی” در واقع به معنای اضافه شدن الکترون‌هایی است که در موقع لازم می‌توانند آزادانه حرکت کنند و باعث ایجاد جریان الکتریکی شوند.

ساندویچ‌هایی از جنس سیلیکون !

حالا که فهمیدیم دو نوع از سیلیکون دارای ناخالصی وجود دارد،این دو نوع را به شکل دو لایه روی هم قرار می‌دهیم و یک ساندویچ از دو لایه سیلیکون نوع n و نوع p ایجاد می‌کنیم. این اولین چیزی است که برای ساخت بسیاری از قطعات نیمه‌هادی از جمله ساخت مدار‌های مجتمع (IC) لازم است.

فرض کنیم که یک تکه نیمه‌هادی نوع n و یک تکه نوع p را به هم چسبانده ایم و دو سر یک ولتاژ مشخص را به آن‌ها وصل کرده ایم. در این لحظه اتفاقات عجیب و جالبی در مرز تماس این دو نیمه‌هادی (مشهور به پیوندگاه p-n) شروع به رخ دادن خواهد کرد. وقتی منبع را روشن می‌کنیم ، الکترون‌ها از طرف n به طرف p سرازیر می‌شوند. چرا ؟ زیرا اکترون‌های آزاد در منطقه n دوست دارند که به جایی بروند که الکترون کم دارد (منطقه p) و همچنین برعکس منطقه p دوست دارد الکترون‌های اطرافش را جذب کند.

ساده ترین کاربرد پیوند نیمه‌هادی‌های نوع p و n ، دیود!

اما اگر جای دو سر ولتاژ را عوض کنیم چه می‌شود. یعنی از الکترون‌های منطقه کمبود الکترون (نوع p) بخواهیم به جایی برویم که الکترون زیاد است (نوع n) ! این اتفاق نخواهد افتاد. تبریک می‌گوییم شما یک دیود ساختید ! این روش ساخت یک دیود یک سو ساز ساده بود . دیود یکسوساز (Rectifier) یک قطعه الکترونیکی است که از یک جهت جریان الکتریکی را عبور می‌دهد و از جهت خلاف آن مانع از عبور جریان می‌شود.

برخی از دیود‌ها به شکلی هستند که با عبور جریان از آن‌ها شروع به درخشیدن می‌کنند. دیود نورانی یا LED که امروزه استفاده‌های بسیار زیادی در صنایع مختلف از مجله مخابرات نوری و روشنایی دارند هم نوعی دیود هستند.

انواع ترانزیستور‌ها :

امروزه ده‌ها نوع ترانزیستور مختلف اختراع شده اند و به کار گرفته می‌شوند. در واقع تکنولوژی BJT که در این مقاله با آن آشنا خواهید شد یکی از قدیمی‌ترین‌هاست. ترانزیستور‌ها به شکل کلی به دو خانواده بزرگ پیوند دو قطبی (Bipolar Junction Transistors) و اثر میدان (Field Effect Transistors) تقسیم می‌شوند.

ترانزیستور‌های پیوند دو قطبی ( BJT )

فرض کنید به جای دو لایه ، سه لایه نیمه‌هادی سیلیکون دارای ناخالصی را روی هم قرار دهیم و ساندیویچ سیلیکون بسازیم. ما می‌توانیم آن‌ها را به شکل p-n-p و n-p-n روی هم قرار دهیم (دو لایه نوع p و میانشان نوع n یا دو لایه نوع n و میان آن‌ها نوع p قرار دهیم). با ساختن این نوع ساندویچ سیلیکون ، حالا اگر به هر سه لایه را به شکلی که به آن بایاس گفته می‌شود به برق وصل کنیم ، یک قطعه داریم که هم می‌تواند جریان را توقیت کند و هم می‌تواند مثل یک سوییچ جلوی عبور جریان را بگیرد و یا جریان را عبور دهد. به عبارت دیگر یک ترانزیستور داریم !

بیایید ببینیم در حات n-p-n چه اتفاقی می‌افتد ؟

حالا که می‌دانیم در مورد چه چیزی صحبت می‌کنیم . بیایید به هر لایه یک نام جداگانه بدهیم تا کارمان راحت شود. دو لایه که از نوع نیمه‌هادی n هستند را به ترتیب کالکتور (collerctor) و امیتر (emitter) می‌نامیم . نیمه‌هادی نوع p را هم بیس (base) می‌نامیم. وقتی جریانی از ترانزیستور عبور نمی‌کند ، می‌دانیم که در بیس کمبود الکترون وجود دارد (چون نیمه‌هادی نوع p) است(در عکس با یک + کوچک نشان داده شده است). و از طرفی دو لایه دیگر الکترون اضافی دارند (که با علامت – کوچک نشان داده شده است).

حالا بیایید به یک شکل دیگر به موضوع بنگریم و بگوییم که در نیمه‌هادی‌های نوع n ، الکترون‌ها دارند سر ریز می‌شوند و در قسمت نوع p حفره‌هایی وجود دارد که باید در آن‌ها الکترون می‌بود. به صورت طبیعی ، حفره‌ها در قسمت بیس مانند یک مانع عمل می‌کنند و نمی‌گذارند جریان قابل توجهی الکترون‌ها از آن‌ها عبور کند (قسمت زیادی از الکترون‌ها در آن‌ها می‌مانند) . به این حالت ،حالت خاموش یا OFF می‌گویند.

ترانزیستور وقتی روشن (ON) می‌شود که الکترون‌ها و همچنین حفره‌ها ! در بین نیمه‌هادی‌های نوع n و p رد و بدل شوند!

کمی‌سخت شد ؟ فکر نمی‌کردید قرار باشد حفره‌ها هم حرکت کنند ؟ خوب به دنیای فیزیک الکترونیک خوش آمدید !

حالا بیایید ترانزیستورمان را به یک منبع تغذیه وصل کنیم یا به اصلاح فنی آن را بایاس (Bias) کنیم . اینگونه که یک ولتاژ کوچک مثبت را به بیس و یک ولتاژ مثبت بزرگ تر از آن را به کالکتور وصل کنیم. سر منفی را هم به امیتر وصل می‌کنیم .

الکترون‌ها از طرف امیتر پر الکترون به به سمت بیس کم الکترون کشیده می‌شوند و از بیس به سمت کالکتور وصل شده به سر مثبت قوی تر می‌روند. حالا ترانزیستور روشن شده است !

جریان کوچکی که ما به بیس دادیم ، باعث شد ترانزیستور روشن شود و یک جریان بزرگ از امیتر به بیس و سپس نهایتا به کالکتور جاری شود. یعنی با دادن یک جریان کوچک،یک جریان بزرگ ایجاد کردیم. اینجاست که معلوم می‌شود ترانزیستور چرا به شکل یک تقویت کننده یا آمپلی فایر (Amplifier) عمل می‌کند !

حالا اگر دوباره به رویداد‌های بالا نگاه کنیم ، می‌توانیم نتیجه بگیریم که ترانزیستور را می‌توان به شکل یک سوییچ هم دید. وقتی جریانی در بیس اعمال نکرده بودیم ، ترانزیستور اجازه نمی‌داد جریانی از امیتر به سمت کالتور جاری شود. حالا که جریانی کوچک به بیس وارد کردیم ، ناگهان ترانزیستور اجازه داد که جریان قابل توجهی از امیتر به سمت کالکتور جاری شود. پس ولتاژی که به بیس دادیم تا جریانی کوچک از آن بگذرانیم، مانند یک سوییچ ترانزیستور را خاموش و روشن می‌کند.

از لحاظ فنی، این ترانزیستور‌ها به دلیل دو بار حامل بار الکتریکی که در کارکرد آن‌ها دخیل هستند (الکترون‌ها و حفره‌ها) به ترانزیستور‌های دو قطبی (bipolar transistors) معروف هستند.

نگاهی از جهتی دیگر به ترانزیستور دو قطبی :

حالا که ترانزستور را بهتر شناختید ، بیایید برای درک بهتر آن ، به شکل دیگر به ترانزیستور نگاه کنیم . اگر بار دیگر به ساختار دیود و ترانزیستور نگاهی بیندازید . می‌بینید که ترانزیستور دو قطبی در واقع یک جفت دیود است که به شکل زیر به هم وصل شده اند.

بیس دارای نیمه‌هادی نوع p و امیتر دارای نیمه‌هادی نوع n است . پس می‌توانیم بگوییم که قسمت بیس-امیتر ترانزیستور یک دیود است که به شکل معمولی وصل شده است . الکترون‌ها به طرف نیمه‌هادی نوع n و حفره‌ها به سمت نیمه‌هادی نوع p هجوم می‌برند . (در عکس می‌توانید مشاهده کنید).

اما قسمت بیس-کالتور یک ترانزیستور ، در واقع یک دیود است که برعکس وصل شده است . ولتاژ مثبت وصل شده به کالکتور دوست دارد همه الکترون‌های کالکتور را کشیده و به مدار خارج ترانزیستور ببرد ولی برخی از الکترون‌های نزدیک به بیس تحت تاثیر کشش حفره‌های درون بیس آن جا می‌مانند و تکان نمی‌خورند !

در قسمت بعدی این مقاله دنباله دار در مورد خانواده دوم ترانزیستور‌ها یعنی FET‌ها صحبت خواهیم کرد .