وان الکتریک

وان الکتریک

شرکت پیشگامان علم الکترونیک مجری و طراح سیستم های حفاظتی و نظارتی و برق ساختمانی

محل لوگو

آمار بازدید

  • بازدید امروز : 173
  • بازدید دیروز : 576
  • بازدید کل : 653678

ترانزیستور چیست و چگونه کار می کند ؟ (قسمت سوم)


ترانزیستور چیست و چگونه کار می کند ؟ (قسمت سوم)

با ساختنی همراه هستید با قسمت سوم مقاله ترانزیستور‌ها چگونه کار می‌کنند. در قسمت اول مقاله ترانزیستور‌ها سعی کردیم به شکلی ساده ترانزیستور را به شما توضیح دهیم و برای شما داستانی کوتاه از تولد ترانزیستور تعریف کردیم. در قسمت دوم مقاله ترانزیستور‌ها شما را انواع نیمه‌هادی‌ها و پیوند گاه‌های p-n ،دیود‌ها ، انواع ترانزیستور‌ها و همچنین روش کار ترانزیستور‌های دو قطبی (BJT) آشنا نمودیم .

در قسمت سوم و آخر مقاله ترانزیستور‌ها چگونه کار می‌کنند ، شما را با آخرین دسته بزرگ از ترانزیستور‌ها یعنی FET‌ها آشنا خواهیم کرد و سپس با زبان ساده به شما توضیح خواهیم داد که اساس کار همه کامپیوتر‌های جهان چیست و نقش ترانزیستور‌ها در این میان چیست؟

ترانزیستور‌های اثر میدان (FET) چگونه کار می‌کنند ؟

باید یادآوری کنیم که از لحاظ نظری ، همه ترانزیستور‌ها در واقع با کنترل حرکت الکترون‌ها کار می‌کنند. ولی روش‌های کنترل کردن الکترون‌ها متفاوت است . مانند ترانزیستورهای دوقطبی پیوندی،ترانزیستور‌های اثر میدان (Field Effect Transistor) سه پایه جداگانه دارند. اما نام گذاری آن‌ها با ترانزیستور‌های دوقطبی متفاوت است ، سورس (Source) که نظیر پایه امیتر (Emitter) در ترانزیستور‌های دوقطبی است . درین (Drain) که نظیر کالکتور (Collector) و گیت (Gate) که نظیر پایه بیس است. در یک ترانزیستور FET ، لایه‌های نیمه‌هادی نوع n و نوع p به شکلی اندکی متفاوت با ترانزیستور‌های دو قطبی چیده می‌شوند و لایه ای از فلز و اکسید فلز روی آن‌ها را پوشانده است. و این چینش باعث تولید قطعه ای به نام ترانزیستور MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) شده است .

ساختار یک ترانزیستور اثر میدان FET
ساختار یک ترانزیستور اثر میدان FET

با این که در پایه درین و سورس ترانزیستور‌های FET نیمه‌هادی نوع n قرار دارد که دارای “الکترون اضافی” هستند (در قسمت دوم مقاله آشنایی با طرز کار ترانزیستور اشاره کردیم که الکترون اضافی به چه معناست) ، اما این الکترون‌ها نمی‌توانند آزادانه میان این دو قسمت حرکت کنند. زیرا حفره‌های موجود در نیمه‌هادی نوع p میان آن‌ها ، از این کار جلوگیری می‌کند. جالب است بدانید امروزه نیمه‌هادی‌ها از جنس پلیمر تولید شده اند که خواصی بهتر از سیلیکون دارند !

 
در ترانزستور‌های اثر میدان اکترون‌ها به وسیله میدان اکتریکی از سورس به درین کشیده می‌شوند.
در ترانزیستور‌های اثر میدان اکترون‌ها به وسیله میدان اکتریکی از سورس به درین کشیده می‌شوند.

با این حال ، اگر یک ولتاژ مثبت کافی به پایه گیت یک ترانزیستور FET متصل شود . یک میدان الکتریکی ایجاد خواهد شد که باعث خواهد شد الکترون‌ها از سورس به سمت درین کشیده شوند. این جریان که به وسیله “اثر میدان الکتریکی” ایجاد می‌شود ، ترانزیستور را روشن می‌کند.فلسفه نام گذاری این نوع ترانزیستور‌ها هم همین اثر میدان الکتریکی است.

از لحاظ قطب ، ما می‌توانیم ترانزیستور‌های MOSFET را بر خلاف ترانزیستور‌های دو قطبی ، ترانزیستور تک قطبی بنامیم ، زیرا تنها یک نوع قطبش یا پلاریته (Polarity) بار الکتریکی در روشن شدنش دخیل است .

ترانزیستور‌ها چگونه در محاسبات و رایانه‌های امروزی به ما کمک می‌کنند ؟

در عمل ، شما هیچ نیازی به داشتن اطلاعات در مورد الکترون‌ها و حفره‌ها و تئوری‌های مختلف فیزیک الکترونیک ندارید تا بتوانید با رایانه کار کنید . مگر این که شغلتان طراحی و ساخت IC یا همان مدار مجتمع باشد ! تنها چیزی که لازم است بدانید نکته ای است که در ابتداری قسمت اول مقاله چگونگی کار ترانزیستور‌ها به آن اشاره شد :

ما می‌توانیم ترانزیستور‌ها را به دو شکل ببینیم . یا به شکل تقویت کننده و یا به شکل یک کلید

دادن یک جریان کوچک و گرفتن یک جریان بزرگ (تقویت) ، یا دادن یک جریان کوچک به عنوان دستور و باز شدن راه برای عبور یک جریان بزرگ (کلید یا سوییچ) . اما پاسخ یک سوال هست که دانستنش برای ما مفید است :

کامپیوتر‌ها چگونه این همه داده را ذخیره می‌کنند و این همه محاسبه را انجام می‌دهند ؟

قطعه ای از یک چیپ زیر میکروسکوپ الکترونیکی
مدار یک چیپ زیر میکروسکوپ الکترونیکی ، این قطعات کوچک میکرونی در واقع ترانزیستورFET هستند!

ما می‌توانیم تعدادی ترانزیستور را که هر کدام می‌توانند خاموش و روشن شوند را در کنار هم چیده و یک دروازه یا گیت منطقی (Logic Gate) بسازیم . این گیت‌ها چند مقدار جریان ورودی را می‌گیرند و یک خروجی به ما نشان می‌دهند. همین گیت‌های منتطفی هستند که با کامپیوتر‌ها این امکان را می‌دهند که از این تکنیک ریاضیاتی به نام جبر بولی (Boolean Algebra) استفاده کنند. جالب است بدانید مغز شما هم از همین تکنیک استفاده می‌کند.مغز شما ورودی‌هایی (چیزهایی که می‌دانید) در مورد وضعیت هوا یا چه چیزی در کمد راهروی خودتان دارید را گرفته تصمیم می‌گیرد که :

اگر باران می‌آید “و” من چتر دارم،پس مشکلی نیست که بیرون بروم .

جمله بالا مثالی از عملگر “و” (AND) در جبر بولی بود . شما با استفاده از گیت‌های منطقی دیگر می‌توانید تصمیمات مختلفی بگیرید . برای مثال :

اگر باد می‌وزد “یا” برف می‌آید ، من کاپشن خواهم پوشید.

این هم یک مثال از عملگر “یا” (OR) بود.

 

حالا بیاید این دو را با هم ترکیب کنیم :

اگر باران می‌آید “و” من چتر “یا” کاپشن داشته باشم ، می‌توانم به بیرون از خانه بروم .

عملگر‌های دیگری مانند NOR ، NOT ، NAND و … هم وجود دارند که به آن‌ها اشاره نمی‌کنیم تا موضوع برایتان پیچیده نشود.

کامپیوتر‌ها می‌توانند صفر و یک‌ها یا همان ترانزیستور‌های خاموش و روشن را با هم دیگر مقایسه کنند و با استفاده از این گیت‌های منطقی این صفر و یک‌ها (دو دویی‌ها یا باینری‌ها) را با هم ترکیب کنند.

بله ، ترانزیستور‌ها و خاموش و روشن شدن آن‌ها سنگ بنای رایانه‌ها و برنامه‌های رایانه ای است !

یک برنامه کامپیوتری یک رشته از دستورات منطقی است که پردازنده مرکزی کامپیوتر (CPU) بر اساس آن‌ها کارهای مختلفی انجام می‌دهد.

واقعا عجیب است وقتی فکر می‌کنید ساختنی که هم اکنون در حال دیدنش هستید. یا بازی‌های رایانه ای ، یا برنامه‌های پخش صوت و تصویر ، همه و همه، همین رشته دستوراتی هستند که پردازنده رایانه بی وقفه در حال انجام دادنشان است !

حافظه کامپیوتر‌ها چگونه کار می‌کند ؟

همان طور که گفتیم ، در حالت عادی ، وقتی یک ترانزیستور دوقطبی خاموش است که جریانی در پایه بیس جریان نداشته باشد و وقتی روشن است که این جریان برقرار شود. حالا به این فکر کنید که خروجی یک ترانزیستور را به ورودی است وصل کنیم ! یعنی پایه امیتر یا کالکتور را به بیس متصل کنیم . با این کار بارخورد یا فیدبک (Feedback) می‌گویند .

حالا وقتی ترانزیستور را روشن کنید ، قسمتی از جریان بزرگ از طریق اتصال شما به بیس می‌رود و جریان آن را تامین می‌کند و ترانزیستور را روشن نگه می‌دارد. حتی اگر شما جریان اولیه بیس را قطع کنید. ترانزیستور روشن باقی خواهد ماند.

 

حالا اگر جریانی در جهت مخالف به بیس ترانزیستوری که با استفاده از فیدبک روشن مانده است وارد کنید. ترانزیستور دوباره خاموش می‌شود و خاموش می‌ماند.

با این شرایط شما توانسته اید کلیدی بسازید که آن را یک بار روشن کنید و نیازی نباشد که تا ابد آن را به شکل دستی روشن نگه دارید . به این قطعه که شما ساختید فلیپ فلاپ (Flip Flop) می‌گویند. یک لحظه صبر کنید !!

اگر دقت کنید می‌بینید فلیپ فلاپ در واقع یک حافظه است که می‌تواند صفر و یک را در خود ذخیره کند ! صفر وقتی در حالت خاموش است و یک وقتی در حالت روشن مانده است .

در واقع فلیپ فلاپ‌ها آجر‌های کوچک تکنولوژی ذخیره سازی اطلاعات در رایانه‌ها هستند !

  انتشار : ۲۷ خرداد ۱۳۹۶               تعداد بازدید : 1691

برچسب های مهم

دیدگاه های کاربران (0)

قم , خیابان انقلاب , کوچه 41 پلاک 15

اطلاعات و دانش رمز پیروزیست

فید خبر خوان    نقشه سایت    تماس با ما