اگر ساده بخواهيم به موضوع نگاه کنيم عملکرد يک ترانزيستور را مي توان تقويت جريان دانست. مدار منطقي کوچکي را در نظر بگيريد که تحت شرايط خاص در خروجي خود جريان بسيار کمي را ايجاد مي کند. شما بوسيله يک ترانزيستور مي توانيد اين جريان را تقويت کنيد و سپس از اين جريان قوي براي قطع و وصل کردن يک رله برقي استفاده کنيد.
موارد بسياري هم وجود دارد که شما از يک ترانزيستور براي تقويت ولتاژ استفاده مي کنيد. بديهي است که اين خصيصه مستقيما" از خصيصه تقويت جريان اين وسيله به ارث مي رسد کافي است که جريان وردي و خروجي تقويت شده را روي يک مقاومت بيندازيم تا ولتاژ کم ورودي به ولتاژ تقويت شده خروجي تبديل شود.
جريان ورودي اي که که يک ترانزيستور مي تواند آنرا تقويت کند بايد حداقل داشته باشد. چنانچه اين جريان کمتر از حداقل نامبرده باشد ترانزيستور در خروجي خود هيچ جرياني را نشان نمي دهد. اما به محض آنکه شما جريان ورودي يک ترانزيستور را به بيش از حداقل مذکور ببريد در خروجي جريان تقويت شده خواهيد ديد. از اين خاصيت ترانزيستور معمولا" براي ساخت سوييچ هاي الکترونيکي استفاده مي شود.
همانطور که مي دانيد ترانزستورهاي اوليه از دو پيوند نيمه هادي تشکيل شده بودند و بر حسب آنکه چگونه اين پيوند ها به يکديگر متصل شده باشند مي توان آنها را به دو نوع اصلي PNP يا NPN تقسيم کرد. براي درک نحوه عملکرد يک ترانزيستور ابتدا بايد بدانيم که يک پيوند (Junction) نيمه هادي چگونه کار مي کند.

اعمال ولتاژ با پلاريته موافق باعث عبور جريان از يک پيوند PN مي شود

و چنانچه پلاريته ولتاژتغيير کند جرياني از مدار عبور نخواهد کرد.

در شکل اول شما يک پيوند نيمه هادي از نوع PN را مشاهده مي کنيد. که از اتصال دادن دو قطعه نيمه هادي P و N به يکديگر درست شده است. نيمه هادي هاي نوع N داراي الکترونهاي آزاد و نيمه هادي نوع P داراي تعداد زيادي حفره (Hole) آزاد مي باشند. بطور ساده مي توان منظور از حفره آزاد را فضايي دانست که در آن کمبود الکترون وجود دارد.

از لحاظ ساختاري مي توان يک ترانزيستور را با دو ديود مدل کرد

اگر به اين تکه نيمه هادي از خارج ولتاژي بصورت آنچه در شکل نمايش داده مي شود اعمال کنيم در مدار جرياني برقرار مي شود و چنانچه جهت ولتاژ اعمال شده را تغيير دهيم جرياني از مدار عبور نخواهد کرد (چرا؟).
اين پيوند نيمه هادي عملکرد ساده يک ديود را مدل مي کند. همانطور که مي دانيد يکي از کاربردهاي ديود يکسوسازي جريان هاي متناوب مي باشد. از آنجايي که در محل اتصال نيمه هادي نوع N به P معمولآ يک خازن تشکيل مي شود پاسخ فرکانسي يک پيوند PN کاملآ به کيفيت ساخت و اندازه خازن پيوند بستگي دارد. به همين دليل اولين ديودهاي ساخته شده توانايي کار در فرکانسهاي راديويي - مثلآ براي آشکار سازي - را نداشتند.
معمولآ براي کاهش اين خازن ناخاسته، سطح پيوند را کاهش داده و آنرا به حد يک نقطه مي رسانند.

براي درک دقيق نحوه کارکرد يک ترانزيستور بايد با نحوه کار ديود آشنا شويم، بايد اشاره کنيم که قصد نداريم تا به تفضيل وارد بحث فيزيک الکترونيک شويم و فقط سعي خواهيم کرد با بيان نتايج حاصل از اين شاخه علمي ابتدا عملکرد ديود و سپس ترانزيستور را بررسي کنيم.
همانطور که مي دانيد ديود ها جريان الکتريکي را در يک جهت از خود عبور مي دهند و در جهت ديگر در مقابل عبور جريان از خود مقاومت بالايي نشان مي دهند. اين خاصيت آنها باعث شده بود تا در سالهاي اوليه ساخت اين وسيله الکترونيکي، به آن دريچه يا Valve هم اطلاق شود.
از لحاظ الکتريکي يک ديود هنگامي عبور جريان را از خود ممکن مي سازد که شما با برقرار کردن ولتاژ در جهت درست (+ به آند و - به کاتد) آنرا آماده کار کنيد. مقدار ولتاژي که باعث ميشود تا ديود شروع به هدايت جريان الکتريکي نمايد ولتاژ آستانه يا (forward voltage drop) ناميده مي شود که چيزي حدود 0.6 تا 0.7 ولت مي باشد. به شکل اول توجه کنيد که چگونه براي ولتاژهاي مثبت - منظور جهت درست مي باشد - تا قبل از 0.7 ولت ديود از خود مقاومت نشان مي دهد و سپس به يکباره مقاومت خود را از دست مي دهد و جريان را از خود عبور مي دهد.

منحني رفتار يک ديود در هنگام اعمال ولتاژ مثبت

اما هنگامي که شما ولتاژ معکوس به ديود متصل مي کنيد (+ به کاتد و - به آند) جرياني از ديود عبور نمي کند، مگر جريان بسيار کمي که به جريان نشتي يا Leakage معرف است که در حدود چند µA يا حتي کمتر مي باشد. اين مقدار جريان معمولآ در اغلب مدار هاي الکترونيکي قابل صرفنظر کردن بوده و تاثير در رفتار ساير المانهاي مدار نميگذارد. اما نکته مهم آنکه تمام ديود ها يک آستانه براي حداکثر ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژمعکوس بيش از آن شود ديويد مي سوزد و جريان را در جهت معکوس هم عبور مي دهد. به اين ولتاژ آستانه شکست يا Breakdown گفته مي شود.
در دسته بندي اصلي، ديودها را به سه قسمت اصلي تقسيم مي کنند، ديودهاي سيگنال (Signal) که براي آشکار سازي در راديو بکار مي روند و جرياني در حد ميلي آمپر از خود عبور مي دهند، ديودهاي يکسوکننده (Rectifiers) که براي يکسوسازي جريانهاي متناوب بکاربرده مي شوند و توانايي عبور جريانهاي زياد را دارند و بالآخره ديود هاي زنر (Zener) که براي تثبيت ولتاژ از آنها استفاده مي شود.

نماد فني و دو نمونه از انواع ديويد

در ادامه بحث نحوه کارکرد يک ترانزيستور لازم است قدري راجع به انواع ديود که در مطلب قبل به آنها اشاره کرديم داشته باشيم.

◄  ديودهاي سيگنال:
اين نوع از انواع ديودها براي پردازش سيگنالهاي ضعيف - معمولا" راديويي - و کم جريان تا حداکثر حدود 100mA کاربرد دارند. معروفترين و پر استفاده ترين آنها که ممکن است با آن آشنا باشيد ديود 1N4148 است که از سيليکون ساخته شده است و ولتاژ شکست مستقيم آن 0.7 ولت است.
اما برخي از ديود هاي سيگنال از ژرمانيم هم ساخته مي شوند، مانند OA90 که ولتاژ شکست مستقيم پايينتري دارد، حدود 0.2 ولت. به همين دليل از اين نوع ديود بيشتر براي آشکار سازي امواج مدوله شده راديويي استفاده مي شود.
بصورت يک قانون کلي هنگامي که ولتاژ شکست مستقيم ديويد خيلي مهم نباشد، از ديودهاي سيليکون استفاده مي شود. دليل آن مقاومت بهتر آنها در مقابل حرارت محيط يا حرارت هنگام لحيم کاري و نيز مقاومت الکتريکي کمتر در ولتاژ مستقيم است. همچنين ديود هاي سيليکوني سيگنال معمولا" در ولتاژ معکوس جريان نشتي بسيار کمتري نسبت به نوع ژرمانيم دارند.

استفاده از ديود سيگنار در مدار رله براي جلوگيري از
ايجاد ولتاژ هاي ناخواسته زياد

از کاربرد ديگري که براي ديودهاي سيگنال وجود دارد مي توان به استفاده از آنها براي حفاظت مدار هنگامي که رله در يک مدار الکترونيکي قرار دارد نام برد. هنگامي که رله خاموش مي شود تغيير جريان در سيم پيچ آن ميتواند در دوسر آن ولتاژ بسيار زيادي القا کند که قرار دادن يک ديود در جهت مناسب ميتواند اين ولتاژ را خنثي کند. به شکل اول توجه کنيد.

◄  ديودهاي زنر:
همانطور که قبلا" اشاره کرديم از اين ديودها براي تثبيت ولتاژ استفاده مي شود. اين نوع از ديود ها براي شکسته شدن با اطمينان در ولتاژ معکوس ساخته شده اند، بنابراين بدون ترس مي توان آنها را در جهت معکوس باياس کرد و از آنها براي تثبيت ولتاژ استفاده نمود. به هنگام استفاده از آنها معمولا" از يک مقاومت براي محدود کردن جريان بطور سري نيز استفاده مي شود. به شکل نگاه کنيد به اين طريق شما يک ولتاژ رفرنس دقيق بدست آورده ايد.
ديودهاي زنر معمولا" با حروفي که در آنها Z وجود دارد نامگذاري مي شوند مانند BZX يا BZY و... و ولتاژ شکست آنها نيز معمولا" روي ديود نوشته مي شود، مانند 4V7 که به معني 4.7 ولت است. همچنين توان تحمل اين ديود ها نيز معمولا" مشخص است و شما هنگام خريد بايد آنرا به فروشنده بگوييد، در بازار نوع 400mW و 1.3W آن بسيار رايج است

استفاده از ديود زنر براي تهيه ولتاژ ثابت

ديود هاي يکسوساز عموما" در مدارهاي جريان متناوب بکار برده مي شوند تا با کمک آنها بتوان جريان متناوب (AC) را به مستقيم (DC) تبديل کرد. اين عمليات يکسوسازي يا Rectification ناميده مي شود.
از مشهورترين اين ديودها مي توان به انواع ديودهاي 1N400x و يا 1N540x اشاره کرد که داراي ولتاژ کاري بين 50 تا بيش از 1000 ولت هستند و مي توانند جريان هاي بالا را يکسو کنند. اين ولتاژ، ولتاژي است که ديود مي تواند بدون شکسته شدن - سوختن - در جهت معکوس آنرا تحمل کند.
ديودهاي يکسوساز معمولآ از سيليکون ساخته مي شوند و ولتاژ باياس مستقيم آنها حدود 0.7 ولت مي باشد.

◄  يکسو سازي جريان متناوب با يک ديود:
شما مي توانيد با قرار دادن فقط يک ديود در مسير جريان متناوب مانع از گذر سيکل منفي جريان در جهت مورد نظر در مدار باشيد به شکل اول دقت کنيد که چگونه قرار دادن يک ديود در جهت موافق، فقط به نيم سيکل هاي مثبت اجاز خروج به سمت بار را مي دهد. به اين روش يکسوسازي نيم موج يا Half Wave گفته مي شود.
بديهي است براي بالابردن کيفيت موج خروجي و نزديک کردن آن به يک ولتاژ مستقيم بايد در خروجي از خازن هايي با ظرفيت بالا استفاده کرد. اين خازن در نيم سيکل مثبت شارژ مي شود و در نيم سيکل منفي در غياب منبع تغذيه، وظيفه تغذيه بار را بعهده خواهد داشت.

يکسو ساز نيم موج با استفاده از يک ديود

◄  پل ديود يا Bridge Rectifiers :
اما براي آنکه بتوانيم از نيمه منفي موج ورودي که در نيمي از سيکل جريان امکان عبور به خروجي را ندارد، استفاده کنيم بايد از مداري بعتوان پل ديود استفاده کنيم. پل ديود همانطور که از شکل دوم مشخص است متشکل از چهار ديود به يکديگر متصل مي باشد. جريان متناوب به قسمتي که دو جفت آند و کاتد به يکديگر متصل هستند وصل مي شود و خروجي از يک جف آند و يک جفت کاتد به يکديگر متصل شده گرفته مي شود.
روش کار به اينصورت است که در سيکل مثبت مدار ديودهاي 1 و 2 عمل کرده و خروجي را تامين ميکنند و در سيکل منفي مدار ديودهاي 3 و 4 عمل مي کند و باز خروجي را در همان وضعيت تامين مي کند.

يکسو ساز تمام موج با استفاده از پل ديود

در اين قسمت راجع به گونه هاي ساده اولين ترانزيستورها که از سه لايه نيمه هادي تشکيل شده اند صحبت خواهيم کرد.
بصورت استاندارد دو نوع ترانزيستور بصورت PNP و NPN داريم. انتخاب نامه آنها به نحوه کنار هم قرار گرفتن لايه هاي نيمه هادي و پلاريته آنها بستگي دارد. هر چند در اوايل ساخت اين وسيله الکترونيکي و جايگزيني آن با لامپهاي خلاء، ترانزستورها اغلب از جنس ژرمانيم و بصورت PNP ساخته مي شدند اما محدوديت هاي ساخت و فن آوري از يکطرف و تفاوت بهره دريافتي از طرف ديگر، سازندگان را مجبور کرد که بعدها بيشتر از نيمه هاديي از جنس سيليکون و با پلاريته NPN براي ساخت ترانزيستور استفاده کنند. تفاوت خاصي در عملکرد اين دو نمونه وجود ندارد و اين بدان معني نيست که ترانزيستور ژرمانيم با پلاريته NPN يا سيليکون با پلاريته PNP وجود ندارد.

نماد و شماتيک پيوندها در ترانزيستورها

براي هريک از لايه هاي نيمه هادي که در يک ترانزيستور وجود دارد يک پايه در نظر گرفته شده است که ارتباط مدار بيروني را به نيمه هادي ها ميسر مي سازد. اين پايه ها به نامهاي Base (پايه) ، Collector (جمع کننده) و Emitter (منتشر کننده) مشخص مي شوند. اگر به ساختار لايه اي يک ترانزيستور دقت کنيم بنظر تفاوت خاصي ميان Collector و Emitter ديده نمي شود اما واقعيت اينگونه نيست. چرا که ضخامت و بزرگي لايه Collector به مراتب از Emitter بزرگتر است و اين عملا" باعث مي شود که اين دو لايه با وجود تشابه پلاريته اي که دارند با يکديگر تفاوت داشته باشند. با وجود اين معمولا" در شکل ها براي سهولت اين دو لايه را بصورت يکسان در نظر ميگيردند.

نماي واقعي تري از پيوندها در يک ترانزيستور که تفاوت
کلکتور و اميتر را بوضوح نشان مي دهد.

بدون آنکه در اين مطلب قصد بررسي دقيق نحوه کار يک ترانزيستور را داشته باشيم، قصد داريم ساده ترين مداري که مي توان با يک ترانزيستور تهيه کرد را به شما معرفي کرده و کاربرد آنرا براي شما شرح دهيم. به شکل زير نگاه کنيد.
 

مدار ساده براي آشنايي با طرز کار يک ترانزيستور

بطور جداگانه بين E و C و همچنين بين E و B منابع تغذيه اي قرار داده ايم. مقاومت ها يي که در مسير هريک از اين منابع ولتاژ قرار داديم صرفا" براي محدود کردن جريان بوده و نه چيز ديگر. چرا که در صورت نبود آنها، پيوندها بر اثر کشيده شدن جريان زياد خواهند سوخت.
طرز کار ترانزيستور به اينصورت است، چنانچه پيوند BE را بصورت مستقيم باياس (Bias به معني اعمال ولتاژ و تحريک است) کنيم بطوري که اين پيوند PN روشن شود (براي اينکار کافي است که به اين پيوند حدود 0.6 تا 0.7 ولت با توجه به نوع ترانزيستور ولتاژ اعمال شود)، در آنصورت از مدار بسته شده ميان E و C مي توان جريان بسيار بالايي کشيد. اگر به شکل دوم دقت کنيد بوضوح خواهيد فهميد که اين عمل چگونه امکان پذير است. در حالت عادي ميان E و C هيچ مدار بازي وجود ندارد اما به محض آنکه شما پيوند BE را با پلاريته موافق باياس کنيد، با توجه به آنچه قبلا" راجع به يک پيوند PN توضيح داديم، اين پيوند تقريبا" بصورت اتصال کوتاه عمل مي کند و شما عملا" خواهيد توانست از پايه هاي E و C جريان قابل ملاحظه اي بکشيد. (در واقع در اينحالت مي توان فرض کرد که در شکل دوم عملا" لايه PN مربوط به BE از بين مي رود و بين EC يک اتصال کوتاه رخ مي دهد.)
بنابراين مشاهده مي کنيد که با برقراري يک جريان کوچک Ib شما مي توانيد يک جريان بزرگ Ic را داشته باشيد. اين مدار اساس سوئيچ هاي الکترونيک در مدارهاي الکترونيکي است. بعنوان مثال شما مي توانيد در مدار کلکتور يک رله قرار دهيد که با جريان مثلا" چند آمپري کار مي کند و در عوض با اعمال يک جريان بسيار ضعيف در حد ميلي آمپر - حتي کمتر - در مدار بيس که ممکن است از طريق يک مدار ديجيتال تهيه شود، به رله فرمان روشن يا خاموش شدن بدهيد.