ملحق

الترانزستور

نبيطة دقيقة، تتحكم في سريان التيار الكهربائي، في أجهزة الراديو والتليفزيون والحواسيب، وكل المعدات الإلكترونية الأخرى تقريباً. وتتفاوت الترانزستورات، في العرض، بين جزء من ألف من المليمتر وبضعة سنتيمترات.

حلت الترانزستورات تماماً محل مكونات إلكترونية، تسمى الصمامات المفرغة، في الخمسينيات والستينيات من القرن العشرين، لأنها تفوقها بعدة امتيازات. فالترانزسستورات، على سبيل المثال، أصغر حجماً، وأخف وزناً، وإنتاجها أقل نفقة، وأرخص في التشغيل، وأكثر اعتمادية، مقارنة بالصمامات المفرغة.

والترانزستورات هي المكونات الأساسية للرقائق الحاسوبية، وهي نبائط، تستخدم في تنفيذ البرامج الحاسوبية وتخزين البرامج والبيانات الأخرى. وتحمل بعض الرقائق، التي لا تزيد أحجامها على حجم ظفر الإصبع، ملايين الترانزستورات.

تسمى الترانزستورات المنفردة، الكبيرة، الترانزستورات المتفردة. وبسبب أحجامها الكبيرة، تستطيع هذه الوحدات معالجة أضعاف ما تستطيع معالجته ترانزستورات الرقائق. وتشمل استخدامات الترانزستورات المتفردة، تزويد مجاهير النُظم الصوتية البالغة الدقة، وباعثات موجات الإذاعة الخاصة، ومحركات الأجهزة الصغيرة، بالقدرة؛ وإطفاء الأنوار وإشعالها؛ والتحكم في انسياب الطاقة عبر خطوط القدرة الكهربائية.

1. ماذا تفعل الترانزستورات؟

للترانزستورات وظيفتان أساسيتان: فتح التيار الكهربائي وغلقه؛ وتضخيم (تقوية) التيار الكهربائي. وتتحكم فولتية ضعيفة، تسمى إشارة الدخل، في أداء كلتا الوظيفتَين.

تؤدي الترانزستورات عمليات فتح وغلق سريعة، في الحواسيب، لمعالجة الشحنات الكهربائية، التي تمثل المعلومات، في شكل الرقمَين صفر وواحد، في نظام الترقيم الثنائي. فبينما تحرك الترانزستورات الشحنات الكهربائية، شحنة بعد شحنة، تنفذ الدوائر الإلكترونية الحسابات، وتحل مسائل المنطق، وتكون الكلمات والصور على المرقاب، وتؤدي كل العمليات الأخرى المرتبطة بالحواسيب.

والترانزستورات من أهم مكونات أجهزة الراديو والتليفزيون، بسبب قدرتها على تضخيم الإشارات؛ فموجات البث، التي تنتقل عبر الهواء، تولد تيارات ضعيفة في هوائيَّي الراديو والتليفزيون. وتضخم ترانزستورات الدوائر الإلكترونية هذه الإشارات، بينما تستخدم مكونات أخرى، بما في ذلك الترانزستورات الإضافية، التيارات القوية الناتجة، لإنتاج الأصوات والصور.

2. مواد الترانزستور

تعمل الترانزستورات من طريق التحكم في التيار الكهربائي، عبر وصلتَي س م؛ وهما نقاط في بلورة شبه الموصل، يلتقي عندهما نوعان من المواد، وتكون المناطق، حول جانبَي كلٍّ منهما، محورة بطرق مختلفة. وشبه الموصل مادة توصل (تحمل) التيار الكهربائي، بدرجة أفضل من العوازل، مثل الخشب والزجاج؛ ولكن ليس بمستوى الموصلات، مثل الفضة والنحاس؛ والسيليكون هو أكثر أشباه الموصلات استخداماً في الترانزستورات.

ولا بدّ من تطبيق حدٍّ أدنى من الفولتية على شبه الموصل، قبْل سريان أي تيار كهربائي، بينما تكفي أي فولتية، مهما كانت صغيرة، لتسبيب التيار الكهربائي. أما في العوازل، فإن قوة الفولتية المطلوبة لبدء سريان تيار، تحطم المادة، قبْل بدء سريانه.

والتيار الكهربائي، هو سريان الشحنات الكهربائية. وفي أشباه الموصلات، يسري التيار الكهربائي في شكل إلكترونات حرة، أو فجوات؛ والإلكترون الحر إلكترون غير مرتبط بإحكام بالذرة؛ أما الفجوة، فهي منطقة فارغة، موجبة الشحنة، بالقرب من الذرة، يشغلها، عادة، إلكترون.

وفي الذرة، يدور إلكترون واحد سالب الشحنة، أو أكثر، حول نواة موجبة الشحنة؛ وتكون الإلكترونيات منتظمة في مدارات.

ولذرة السيليكون، عادة، أربعة إلكترونات في المدار الخارجي؛ ولكن، في بلورة السيليكون النقية، يكون عدد الإلكترونات الحرة، وعدد الفجوات، قليلاً جداً. ويعود ذلك إلى حقيقة أن نسبة قليلة من الإلكترونات، تمتص طاقة حرارية، تكفيها لترك المجال، والتحول إلى إلكترونات حرة، تاركة فجوات وراءها. وتشغل الإلكترونات الفجوات، بسرعة، ولكن في الوقت نفسه، تترك إلكترونات أخرى مداراتها.

ويغير تحوير بلورة شبه الموصل (أي إحلال ذرات مادة أخرى، محل بعض ذرات شبه الموصل)، قدرة البلورة على توصيل التيار الكهربائي. وفي بلورة النوع السالب (نوع س) من السيليكون، تستبدل ذرات فوسفور، محتوية على خمسة إلكترونات في مداراتها الخارجية، بعدد قليل من ذرات السيليكون؛ وتشتمل ذرة الفوسفور على إلكترون واحد، غير مرتبط بإحكام بنواة الذرة؛ ولذا، فإن البلورة تصبح محتوية على إلكترونات حرة إضافية. وفي بلورة النوع الموجب (نوع م) من السيليكون، تستبدل ذرات بورون، محتوية على ثلاثة إلكترونات في مداراتها الخارجية، بعدد قليل من ذرات السيليكون؛ ومن ثَم، فإن بلورة النوع م، تصبح محتوية على فجوات إضافية.

3. كيف تعمل الترانزستورات؟

هناك نوعان رئيسيان من ترانزستورات:

·   الترانزستورات الثنائية القطب

·   ترانزستورات التأثير المجالي، ذات الأكاسيد الفلزية، وأشباه الموصلات (ترانزستورات التمذافام).

والترانزستورات ثنائية القطب، أسرع من ترانزستورات التمذافام؛ ولكنها تمتص الطاقة، عند فتحها وغلقها. ومعظم الترانزستورات المتفردة، ترانزستورات ثنائية القطب. أما الترانزستورات التمذافام، فصغيرة، مقارنة بها، ويستهلك فتحها وغلقها طاقة أقلّ. ومعظم رقائق الحواسيب الشخصية، تقريباً، تستخدم ترانزستورات التمذافام.

أ. الترانزستورات ثنائية القطب

يحتوي النوع البسيط من الترانزستورات ثنائية القطب، على منطقة رقيقة، من نوع مادة شبه موصلة، محشوة بين منطقتَين سميكتَين، من النوع المقابل. فإذا كانت المنطقة الوسطى من النوع م، مثلاً، تكون المنطقتان الخارجيتان من النوع س، ويسمى هذا التصميم باختصار س م س، بينما يسمى التصميم المقابل م س م؛ وفيه تكون المنطقة الوسطى من النوع س، والمنطقتان الخارجيتان من النوع م. وفي كلا النوعَين، تسمى إحدى المنطقتَين الخارجيتَين الباعث، والمنطقة الأخرى المجمع، بينما تسمى المنطقة الوسطى القاعدة. ويتصل بكل منطقة طرف كهربائي، يتكون من إحدى نهايتَي سلك رقيق، في الترانزستورات المتفردة؛ ومن طبقة فلزية، في ترانزستورات الرقائق. وتطبق إشارة الدخل عند طرف القاعدة. ويسري التيار، الذي يغلق ويقفل، من الباعث إلى المجمع.

(1) تطبيق الفولتية

قبْل تشغيل الترانزستور، لا بدّ من تطبيق فولتية معينة على أطرافه الكهربائية. ولتشغيل الترانزستور س م س، بطريقة عادية، تطبق فولتية عالية نسبياً على المجمع؛ بينما يستقبل الباعث فولتية، قدرها صفر. وإذا كانت فولتية القاعدة صفراً، كذلك، فإن الترانزستور يكون مغلقاً؛ ويؤدي تطبيق فولتية موجبة صغيرة على القاعدة، إلى فتحه.

وعند تطبيق الفولتيات، تتحرك إلكترونات حرة، وفجوات كثيرة، إلى أماكن أخرى في الترانزستور. وتحدث هذه التحركات، لأن الفولتيات الموجبة، تجذب الإلكترونات؛ بينما تجذب الفولتيات السالبة الفجوات.

(2) حركة الشحنة في المجمع والقاعدة

نظراً إلى أن طرف المجمع أكثر إيجابية من طرف القاعدة، فإن الفولتية المطبقة على المجمع، تجذب الإلكترونات الحرة في المجمع نحو طرفه. ولأن القاعدة ذات فولتية أقلّ، مقارنة بالمجمع، فإن فجوات القاعدة، تنجذب نحو طرفها. وهكذا، تضمحل الإلكترونات الحرة والفجوات في وصلة القاعدة ـ المجمع، مما يؤدي إلى عدم سريان التيار الكهربائي.

وإضافة إلى ذلك، يؤدي انسياب الفجوات في اتجاه طرف القاعدة، إلى أن تخلف وراءها مجالاً كهربائياً سالباً قوياً، على الجانب القاعدي من وصلة القاعدة ـ المجمع؛ والمجال الكهربائي، هو المنطقة التي تؤثر فيها القوة الكهربائية في جسم مشحون.

(3) حركة الشحنات في الباعث

عندما تكون القادة أكثر إيجابية، مقارنة بالباعث، تنجذب الإلكترونات الحرة فيه نحو وصلة القاعدة ـ الباعث، ثم إلى داخلها. ولكن الترانزستورات، التي تكون فيها فولتيـة الباعـث صفـراً، لا يحدث سريان ملحوظ للإلكترونات عبر الوصلة، إلا في حالة تطبيق فولتية، لا تقلّ عن 0.4 فولت.

(4) الترانزستور ثنائي القطب، مفتاحاً

عندما تكون فولتية القاعدة منخفضة جداً (أي بين صفر و0.3 فولت، في الترانزستورات السلكونية العادية)، لا يسري أي تيار يذكر، من الباعث أو القاعدة إلى المجمع؛ وذلك لأن فولتية القاعدية، ليست كافية لجعل الإلكترونات تنجذب من الباعث، عبر وصلته (القاعدة)، مما يؤدي، بدوره، إلى غلق الترانزستور.

ويسبب رفع فولتية القاعدة إلى 0.6 فولت، سريان عدد كبير من الإلكترونات، من الباعث إلى القاعدة. ولأن القاعدة رقيقة جداً، فإن الإلكترون، الذي يصل إليها، يكون قريباً جداً من وصلة القاعدة ـ المجمع. وبازدياد تركيز الإلكترونات في القاعدة، فإنها تتزاحم في عبورها، ويخترق عدد كبير منها الطريق عبر المجال الكهربائي السالب، عند وصلة القاعدة ـ المجمع، على الرغم من أن هذا المجال يقاوم سريانها. وهكذا تندفع هذه الإلكترونات عبر وصلة القاعدة ـ المجمع.

وبمجرد وصول الإلكترونات إلى منطقة لمجمع، مجاورة لوصلة المجمع القاعدة، تمر بسهولة إلى طرف المجمع، تاركة الترانزستور. وهكذا تسري الإلكترونات داخله، ابتداءً من طرف الباعث، وعبر منطقة القاعدة، وتتركه عبر طرف المجمع. ويحدث أقصى سريان للإلكترونات، عند وصول فولتية القاعدة إلى نحو 0.7 فولت.

(5) الترانزستور ثنائي القطب، مضخماً

يبقى الترانزستور، الذي يؤدي وظيفة المضخم، في حالة توصيل؛ ولكن قوة الإشارة تتفاوت. ويؤدي رفع قوة الإشارة إلى سريان الإلكترونات الحرة، الموجودة في الباعث، إلى القاعدة بسرعة أعلى؛ مما يؤدي، بدوره، إلى وصول عدد أكبر من الإلكترونات إلى المجمع. وهكذا يزداد سريان التيار من الباعث إلى المجمع، مع ازدياد قوة الإشارة.

ويقلل خفض قوة الإشارة سرعة الإلكترونات؛ ولذا، يقلّ التيار، الذي يسري من الباعث إلى المجمع، مع نقصان قوة الإشارة.

ويتناسب ازدياد التيار الضعيف، الذي يسري إلى القاعدة، كذلك، مع تغيرات قوة الإشارة؛ ولذا، فإن التيار، الذي يسري من الباعث إلى المجمع، هو نسخة مطابقة لهذا التيار، باستثناء القوة. وهكذا، يضخم الترانزستور التيار لضعيف، بإنتاج تيار أقوى كثيراً، ومطابق له.

ويعمل الترانزستور م س م، بمبادئ الترانزستور س م س نفسها؛ ولكن فولتيات الأول معاكسة لفولتيات الثاني.

ب. ترانزستورات التأثير المجالي، ذات الأكاسيد الفلزية، وأشباه الموصلات (ترانزستورات التمذافام)

أكثر ترانزستورات التأثير المجالي شيوعاً، هي ترانزستورات التمذافام، المستخدمة في الرقائق الحاسوبية. ويعمل ترانزستور التأثير المجالي، بتكوين مجال كهربائي، يجذب الإلكترونات إلى منطقة البوابة، أو يبعد الإلكترونات عنها. ويسري التيار، عندما ينجذب إليها عدد مناسب من الإلكترونات.

ولترانزستورات التمذافام ثلاث طبقات من شبه الموصل: المصدر ومنطقة البوابة والمفرغ. ويصنع المصدر والمفرغ من نوع شبه الموصل نفسه: إما نوع س أو نوع م؛ بينما تصنع منطقة البوابة، والتي تقع بين المصدر والمفرغ، من النوع المقابل.

وفي أحد أنواع ترانزستورات التمذافام، تصنع منطقة البوابة من سيليكون، نوع م؛ بينما يصنع المصدر والمفرغ من سيليكون، نوع س. وتشكل منطقة البوابة جزءاً من المادة الأساسية في الرقائق، ويكون المصدر والمفرغ مغروسَين في هذه المادة، وبينهما منطقة البوابة. ويسمى الجزء من مادة الرقيقة، الذي يقع تحت منطقة البوابة، الأساس. ويوصل الطرفان الكهربائيان إلى كلٍّ من المصدر والمفرغ. وتوجد فوق منطقة البوابة طبقة من ثاني أكسيد السيليكون، وهو مادة عازلة. وفوق هذه المادة يوجد طرف ثالث، وهو طبقة فلزية، تسمى البوابة.

وتطبق، عادة، إشارة فولتية صغيرة على البوابة. ويسري التيار، الذي يغلق ويفتح، من المصدر إلى المفرغ.

وفي التشغيل العادي، يكون المفرغ أكثر إيجابية من المصدر، مما يؤدي إلى سريان التيار من المصدر إلى المفرغ. ويعتمد سريانه على ما إذا كانت البوابة ذات فولتية موجبة أو سالبة.

في حالة تطبيق فولتية سالبة على البوابة، تتنافر الإلكترونات الحرة في منطقة البوابة، متجهة إلى الأساس؛ ولهذا، فإن هذه الإلكترونات، لن تكون متاحة، لتسري في شكل تيار، مما يؤدي إلى توقف سريانه من المصدر إلى المفرغ؛ ومن ثَم، انغلاق ترانزستور التمذافام.

وفي حالة استقبال البوابة لفولتية موجبة، تنجذب الإلكترونات الحرة إليها؛ ويؤدي هذا إلى تكوُّن شريط متصل، من مادة ذات إلكترونات حرة، في طبقة أكسيد الفلز، بين المصدر والمفرغ. ويسري التيار، في حالة تطبيق فولتية عالية كافية؛ وبذلك، ينفتح ترانزستور التمذافام.