ترانزیستور زمانی که ساخت شده دگرگونی زيادي در الکترونیک ايجاد کرد به طوري که حجم و وزن مدارات اللکترونیکي به طور چشم گیری کاهش یافت.

ترانزیستور چیست؟ ترانزیستور در سال 1947 در آزمایشگاه های بل هنگام تحقیق برای تقویت کننده های بهتر و یافتن جایگزینی بهتر برای رله های مکانیکی اختراع شد.لوله های خلاء، صوت و موسیقی را در نیمه اول قرن بیستم تقویت کرده بودنداما توان زیادی مصرف می کردند و سریعا می سوختند . شبکه های تلفن نیز به صد ها هزار رله مکانیکی برای اتصال مدارات به همدیگر نیاز داشتند تا شبکه بتواند سر پا بایستد و چون این رله های مکانیکی بودند لازم بود برای عملکرد مطلوب همیشه تمیز باشند . در نتیجه نگه داری و سرویس آنها مشکل و پر هزینه بود. با ظهور ترانزیستور قیمت ها نسبت به زمان استفاده از لامپ خلاء شکسته شد و بهبودی زیادی در کیفیت شبکه های تلفن حاصل گردید (واردات قطعات الکترونیک)

ترانزیستور

معمولاً آن را به عنوان یکی از قطعات الکترونیک می‌‌شناسند. ترانزیستور یکی از ادوات حالت جامد است که از مواد نیمه رسانایی مانند سیلیسیم (سیلیکان) ساخته می‌شود. ترانزیستور از 3 پایه تشکیل شده بیس ، امیتر ، کلکتور نام گذاری می شود

کاربرد

ترانزیستور هم در مدارات الکترونیک آنالوگ و هم در مدارات الکترونیک دیجیتال کاربردهای بسیار وسیعی دارد. در آنالوگ می‌توان از آن به عنوان تقویت کننده یا تنظیم کننده ولتاژ (رگولاتور) و ... استفاده کرد. کاربرد ترانزیستور در الکترونیک دیجیتال شامل مواردی مانند پیاده سازی مدار منطقی، حافظه، سوئیچ کردن و ... می‌شود.به جرات می توان گفت که ترانزیستور قلب تپنده الکترونیک است.

انواع

دو دسته مهم از ترانزیستورها BJT (ترانزیستور دوقطبی پیوندی) (Bypolar Junction Transistors) و FET (ترانزیستور اثر میدان) (Field Effect Transistors) هستند. ترانزیستورهای اثزمیدان یا FET‌ها نیز خود به دو دسته ی ترانزیستور اثر میدان پیوندی(JFET) و MOSFET‌ها (Metal Oxide SemiConductor Field Effect Transistor) تقسیم می‌شوند.

ترانزیستور چگونه کار می کند؟

ترانزیستور کاربرد های زیادی دارد اما دو کاربرد پایه ای آن به عنوان سوئیچ و استفاده در مدولاسیون است که کاربرد دومی بیشتر به عنوان تقوت کننده مورد نظر است.

این دو کاربرد ترانزیستور را می توان اینگونه توضیح داد :

سوئیچ همان کلید است مثل کلید چراغ خواب اتاقتان . دارای دو حالت روشن و خاموش است با قرار دادن کلید در حالت روشن چراغ اتاقتان روشن می شود و با قراردادن کلید در حالت خاموش چراغ خاموش می شود . بله به همین سادگی ! کاربرد ترانزیستور هم به عنوان سوئیچ به همن صورت است.

اما کاربرد تقویت کنندگی آن را می توان بدین صورت توضیح داد :
چراغ خواب نور کمی دارد اما اگر بتوان این نور را چنان زیاد کرد که تمام اتاق را روشن کند آنوقت عمل تقویت کنندگی صورت گرفته است.

فرق بین سوئیچینگ به وسیله ترانزیستور و به وسیله کلید برق! سرعت بسیار زیاد ترانزیستور است که می توان گاهی آن را در مقایسه با کلید آنی در نظر گرفت(صد ها هزار برابر و شاید میلیونها بار سریعتر).و اینکه ترانزیستور را می توان به دیگر منابع الکترونیکی متصل کرد مثلا به میکروفن به منبع سیگنال و حتی به یک ترانزیستور دیگر ....

ترانزیستور از عناصری به نام نیمه هادی مانند سیلیکون و ژرمانیوم ساخته می شود نیمه هادی ها جریان الکتریسیته را نسبتا خوب( – اما نه به اندازه ای خوب که رسانا خوانده شوند مانند مس و آلومنیوم و تقریبا بد اما نه به اندازه ای که عایق نامگذاری شوند مانند شیشه) هدایت می کنند به همین دلیل به آنها نیمه هادی می گویند.

عمل جادویی که ترانزیستور می تواند انجام دهد اینست که می تواند مقدار هادی بودن خود را تغییر دهد . هنگامی که لازم است یک هادی باشد می تواند هدایت خوبی دشته باشد و هنگامی که لازم است تا به عنوان عایق عمل کند جریان بسیار کمی را از خود عبور می دهد که می توان آن را ناچیز شمرد.

نیمه هادی ها در مقابل الکتریسیته عملکرد جالبی دارند یک قطعه از یک عنصر نیمه هادی را بین دو قطع از یک عنصر نیمه هادی دیگر قرار دهید.جریان کم قطعه وسطی قادر است که جریان دو قطعه ی دیگر را کنترل کند. جریان کمی که از قطعه ی وسطی می گذرد برای مثال می تواند یک موج رادیوئی یا جریان خروجی از یک ترانزیستور دیگر باشد .

حتی اگر جریان ورودی بسیار ضعیف هم باشد( مثلا یک سیگنال رادیوئی که مسافت زیادی را طی کرده و از رمق افتاده است!) ترانزیستور می تواند جریان قوی مدار دیگری را که به آن وصل است کنترل کند. به زبان ساده ترانزیستور رفتار جریان خروجی از روی رفتار جریان ورودی تقلید می کند.نتیجه می تواند یک سیگنال تقوت شده و پرتوان رادیوئی باشد.

اعمال ولتاژ با پلاریته موافق باعث عبور جریان از یک پیوند PN می شود و چنانچه پلاریته ولتاژتغییر کند
جریانی از مدار عبور نخواهد کرد.

اگر ساده بخواهیم به موضوع نگاه کنیم عملکرد یک ترانزیستور را می توان تقویت جریان دانست. مدار منطقی کوچکی را در نظر بگیرید که تحت شرایط خاص در خروجی خود جریان بسیار کمی را ایجاد می کند. شما بوسیله یک ترانزیستور می توانید این جریان را تقویت کنید و سپس از این جریان قوی برای قطع و وصل کردن یک رله برقی استفاده کنید.

موارد بسیاری هم وجود دارد که شما از یک ترانزیستور برای تقویت ولتاژ استفاده می کنید. بدیهی است که این خصیصه مستقیما" از خصیصه تقویت جریان این وسیله به ارث می رسد کافی است که جریان وردی و خروجی تقویت شده را روی یک مقاومت بیندازیم تا ولتاژ کم ورودی به ولتاژ تقویت شده خروجی تبدیل شود.

جریان ورودی ای که که یک ترانزیستور می تواند آنرا تقویت کند باید حداقل داشته باشد. چنانچه این جریان کمتر از حداقل نامبرده باشد ترانزیستور در خروجی خود هیچ جریانی را نشان نمی دهد. اما به محض آنکه شما جریان ورودی یک ترانزیستور را به بیش از حداقل مذکور ببرید در خروجی جریان تقویت شده خواهید دید. از این خاصیت ترانزیستور معمولا" برای ساخت سوییچ های الکترونیکی استفاده می شود.

از لحاظ ساختاری می توان یک ترانزیستور را با دو دیود مدل کرد.

همانطور که در مطلب قبل (اولین ترانزیستورها) اشاره کردیم ترانزيستورهای اولیه از دو پیوند نیمه هادی تشکیل شده اند و بر حسب آنکه چگونه این پیوند ها به یکدیگر متصل شده باشند می توان آنها را به دو نوع اصلی PNP یا NPN تقسیم کرد. برای درک نحوه عملکرد یک ترانزیستور ابتدا باید بدانیم که یک پیوند (Junction) نیمه هادی چگونه کار می کند.

در شکل اول شما یک پیوند نیمه هادی از نوع PN را مشاهده می کنید. که از اتصال دادن دو قطعه نیمه هادی P و N به یکدیگر درست شده است. نیمه هادی های نوع N دارای الکترونهای آزاد و نیمه هادی نوع P دارای تعداد زیادی حفره (Hole) آزاد می باشند. بطور ساده می توان منظور از حفره آزاد را فضایی دانست که در آن کمبود الکترون وجود دارد.

اگر به این تکه نیمه هادی از خارج ولتاژی بصورت آنچه در شکل نمایش داده می شود اعمال کنیم در مدار جریانی برقرار می شود و چنانچه جهت ولتاژ اعمال شده را تغییر دهیم جریانی از مدار عبور نخواهد کرد (چرا؟).

این پیوند نیمه هادی عملکرد ساده یک دیود را مدل می کند. همانطور که می دانید یکی از کاربردهای دیود یکسوسازی جریان های متناوب می باشد. از آنجایی که در محل اتصال نیمه هادی نوع N به P معمولآ یک خازن تشکیل می شود پاسخ فرکانسی یک پیوند PN کاملآ به کیفیت ساخت و اندازه خازن پیوند بستگی دارد.

به همین دلیل اولین دیودهای ساخته شده توانایی کار در فرکانسهای رادیویی - مثلآ برای آشکار سازی - را نداشتند. معمولآ برای کاهش این خازن ناخاسته، سطح پیوند را کاهش داده و آنرا به حد یک نقطه می رسانند.

محصولات الکترونیک؛ هر روز کوچک‌تر از دیروز
پژوهشگران ابعاد ترانزیستور و حافظه فلش را تا هزار برابر کاهش داده‌اند. آیا عمر قانون مور به پایان رسیده است؟

دانشمندان موفق به ابداع ترانزیستورها و حافظه‌های فلشی بسیار کوچک‌تر از نمونه‌های کنونی شده‌اند. هر یک از این دستاوردها می‌تواند به تحولی در ابعاد پردازشگر‌ها و حافظه‌های فلش منجر شود.

بیش از 40 سال است که با آهنگ قابل توجهی بر قدرت پردازشگرهای رایانه‌ای افزوده و در عین حال از ابعاد آنها کاسته می‌شود. خیلی سخت می‌توان نقطه پایانی برای این روند قائل شد، چه آن‌که مهندسان هر از چندگاهی نقطه‌ای را برای بهبود این وسایل الکترونیکی تعیین می‌کنند و هر روز خود را به آن نقاط نزدیک‌تر می‌کنند. با این حال مدتی است که این روند توسعه دچار رخوت شده است.

در هفته اخیر، شکل‌های جدید و پیشرفته‌تری از ترانزیستورها و حافظه‌ها رونمایی شد که کارشناسان انتظار دارند توسعه و بهبود این محصولات را از کندی و رکود موجود رها کند.

گروهی از محققان آمریکایی توانسته‌اند ترانزیستورهایی را در ابعاد 1000 برابر کوچک‌تر از نمونه‌های امروزی بسازند؛ و گروهی دیگر موفق شده‌اند نمونه‌ای از حافظه‌ فلش را که قادر به ذخیره تمام کتاب‌های کتابخانه کنگره آمریکا در تنها 10 سانتیمتر است، معرفی کرده‌اند.

سال‌ها پیش، یکی از مدیران اینتل به‌نام مور پیش‌بینی کرده بود که هر هجده ماه یک‌بار، ابعاد ریزتراشه‌ها به نصف، کاهش و سرعت پردازش آنها دو برابر می‌شود. این پیش‌بینی که به قانون مور معروف شده است، سال‌ها است به هدف اصلی تولیدکنندگان سخت‌افزارهای الکترونیکی تبدیل شده و آنها درتلاشند محصولات جدید خود را بر اساس زمان‌بندی قانون مور به بازار عرضه کنند. اما از قرار معلوم، این بار پیشرفت دانشمندان حد قانون مور را هم شکسته است.

اثر دومینو
توماس راسل از دانشگاه ماساچوست و تیم بین‌المللی او، این نظریه را برای اولین بار مطرح کردند که حافظه فلش می‌تواند از آهن‌رباهایی در مقیاس نانو ساخته شود. این گروه به روشی دست یافته‌اند که حافظه را وادار می‌کند با استفاده از اثر آبشاری که مشابه دومینو عمل می‌کند، خودش را بسازد.

آنها دریافته‌اند که می‌توان با کاهش استحکام یک صفحه مشخص در قرص سیلیکون یا یاقوت کبود، بلور بسیار منظمی را به طور دقیق و حساب‌شده‌ای ناپایدار کرد. برای ناپایدار شدن و بازچینش اتم‌ها، بلور تا حدود 1400 درجه سانتی‌گراد حرارت دریافت می‌کند و فرورفتگی‌هایی در امتداد قرص به صورت دندان اره‌ای پدید می‌آید.

این الگو سپس در پلیمرهای شفرد به‌کار برده می‌شود و به طور مرتب در مقیاس نانو تکرار می‌شود تا پوششی برای پدید آوردن آرایه‌ای از آهن‌رباهای نیکلی بسازد. هر یک از این آهن‌رباها می‌توانند یک بیت دیجیتال، یعنی صفر یا یک را در جهت مغناطیسی شمالی-جنوبی ذخیره کنند.

داده‌های متراکم
راسل ادعا می‌کند که یک آرایه می‌تواند با استفاده از آهن‌رباهای 3 نانومتری، 10 ترابیت حدود 270 دی.وی.دی استاندارد را در هر اینچ مربع ذخیره کند. این درحالی است که او اکنون روی آهن‌رباهای ایده‌آلی کار می‌کند که به اندازه‌ای کافی برای ذخیره 100 ترابیت در اینچ مربع، کوچک هستند.

به گفته او، صنایع اکنون روی نیم ترابیت در اینچ مربع کار می‌کنند و درتلاشند که این ظرفیت را طی چند سال آینده به 10 ترابیت برسانند. سباستین لوکومندس ‌که در دانشگاه بوردز فرانسه روی نانوفناوری‌های خود-سازنده تحقیق می‌کند، می‌گوید: «این کار به عقیده من، امکان پدید آمدن جهشی بزرگ را در وسایل ذخیره‌سازی پرظرفیت نشان می‌دهد.»

ترانزیستورهای کوچک
علاوه بر این، در هفته اخیر از پیشرفتی رونمایی شد که می‌تواند ترانزیستورهای به‌کار رفته در پردازشگرهای کامپیوتری را 1000 بار کوچک‌تر کند.

کوچک‌ترین اجزا‌ در ترانزیستورهای سیلیکونی فعلی 45 نانومتر طول دارند؛ ولی آن‌چه جرمی لوی و همکارانش در دانشگاه پیتسبورگ ساخته‌اند، دارای اجزایی با ابعاد تنها 2 نانومتر است. این بدان معنی است که تعداد بسیار بیشتری از ترانزیستورها را می‌توان در همان ابعاد ترانزیستورهای فعلی جای داد.

این گروه با توجه به مطالعاتشان ترجیح داده‌اند تا به جای ساختن ترانزیستورها از سیلیکون، از دو شکل متفاوت کانی شناخته‌شده پیروفسکیت استفاده کنند. وقتی دو بلور جداکننده با ضخامت مناسب در کنار یکدیگر نگه داشته شوند، محل برخورد آنها قادر به انتقال جریان الکتریکی است؛ ولی اگر یکی از قطعات بیش از اندازه نازک باشد، جریان عبور نمی‌کند.

تیم لوی با کار روی قرص‌هایی که ضخامت کافی را برای انتقال جریان نداشتند، دریافتند که می‌توان با بهره‌گیری از سوزن‌های میکروسکوپی، مسیری برای عبور جریان ایجاد کنند. یک ولتاژ مثبت از سوزن سبب بازچینی اتم‌های بلور می‌شود و به این ترتیب، خطوطی 2 نانومتری پدید آید که مانند سیم‌های الکتریکی رسانا است.

نوشتن و پاک کردن
با به‌کارگیری این فناوری می‌توان به ترانزیستورهایی دست یافت که حدودا 1000 برابر کوچک‌تر از آنهایی است که از سیلیکون ساخته شده‌اند. سیم‌ها در این روش می‌توانند به راحتی تا 100 بار حذف شوند و مجددا ساخته شوند.

به گفته لوی، وجود امکان پاک کردن اجزای یک طراحی و دوباره نویسی آنها، امکانات غیرمرسوم دیگری را هم ارائه می‌کند. به عنوان نمونه می‌توان از این پدیده برای ساخت سخت‌افزارهایی استفاده کرد که در حین مدیریت داده‌ها، الگوی سیم‌های خود را تغییر می‌دهند.

او ادعا می‌کند که این دستاورد می‌تواند با تجمیع حافظه و منطق، تمایز میان سخت‌افزار و نرم‌افزار را کم‌رنگ یا حتی محو کند.

جین مارک تریسکون در دانشگاه ژنو نشان داده است که علاوه بر این کاربرد، بلور‌های پروفسکیست می‌توانند مانند ابررساناها نیز رفتار کنند. او می‌گوید: «دستاوردهای لوی و همکارانش در صورتی که با یافته‌های ما ترکیب شود، می‌تواند به ساخت مدارهای الکترونیکی کوچکی منتج شود که قابلیت‌های جالب بسیاری را به ما خواهد داد. »