فيديو الدرس: الترانزستور الفيزياء

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف يمكن استخدام الترانزستور مفتاحًا في الدوائر الكهربية.

١٨:٥٧

‏نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، موضوعنا هو الترانزستور. يعد الترانزستور أحد مكونات العديد من الدوائر الإلكترونية الحديثة. ويشمل ذلك المعالجات الدقيقة التي نجدها في أجهزة الكمبيوتر. توجد أنواع عديدة ومختلفة من الترانزستور، لكننا سنركز في هذا الدرس على نوعين ونرى كيفية عملهما.

كلا نوعي الترانزستور اللذين سنتحدث عنهما ينتميان لترانزستور الوصلة الثنائية الأقطاب. لفهم هذا المصطلح على نحو أفضل، دعونا نبدأ بالتفكير في كلمة «وصلة». من خلال معرفتنا بالدايودات الكهربية، يمكننا تذكر أن الوصلة تتكون عندما نأخذ مادة شبه موصلة من نوع ما، وليكن النوع ‪𝑝‬‏، ونوصلها بمادة شبه موصلة من النوع المقابل، أي النوع ‪𝑛‬‏. ويمكن أن يتكون الدايود بوضع ‪𝑝‬‏ أولًا ثم ‪𝑛‬‏ ثانيًا، أو يمكننا تبديلهما ليصبح ‪𝑛‬‏ أولًا ثم ‪𝑝‬‏ ثانيًا. في كلتا الحالتين، عند هذين السطحين الفاصلين اللذين يتلاقى عندهما نوعا المادة شبه الموصلة المختلفان، تتكون وصلة. وفي هذين النوعين من الدايودات، ‪𝑝-𝑛‬‏ و‪𝑛-𝑝‬‏، يمكننا أن نلاحظ أنهما مختلفان فقط من حيث القطبية.

إذا وصلنا الدايود ‪𝑝-𝑛‬‏ بدائرة كهربية مع توصيل مصدر الجهد بهذه الطريقة، نعلم أنه عندما يتجه الطرف الموجب للمصدر إلى اليسار، فإنه يرسل غالبًا تيارًا في اتجاه عقارب الساعة عبر الدائرة. وباستخدام هذا الترتيب لتوصيل الدايود، أي شبه موصل من النوع ‪𝑝‬‏ يتبعه شبه موصل من النوع ‪𝑛‬‏، يمكن أن تمر شحنة عبر الوصلة الموجودة بينهما. ونتيجة لذلك، يمكن أن يمر تيار في جميع أجزاء الدائرة. وهكذا، فيما يخص قطبية الدايود، يمكننا القول إنه ذو توصيل أمامي. فهو مرتب بحيث تمر الشحنة بسلاسة عبره.

لنتناول الآن توصيل الدائرة بالدايود ‪𝑛-𝑝‬‏ بدلًا من ذلك. وهذا مماثل لتوصيل الدائرة بالدايود ‪𝑝-𝑛‬‏، لكن مع التبديل. بعبارة أخرى، قطبية الدايود معكوسة. وهذا يعني أنه عندما تبدأ شحنة فعلية موجبة في المرور في اتجاه عقارب الساعة خلال الدائرة، فإنها لن تتمكن في هذه الحالة من المرور خلال الوصلة من النوع ‪𝑛‬‏ إلى النوع ‪𝑝‬‏. ومن ثم، يمنع الدايود مرور الشحنة. وهذا يعني عدم إمكانية وجود تيار في أي مكان بالدائرة. وعندما يوصل الدايود بهذه الطريقة نسبة إلى مصدر الجهد الكهربي، نقول إنه ذو توصيل عكسي.

لقد أوضحنا كل ذلك لأنه عندما نتحدث عن الترانزستور، يمكننا أن ننظر إليه باعتباره دايودين موصلين معًا. لنفترض، على سبيل المثال، أننا وصلنا الدايود ‪𝑛-𝑝‬‏ بطرف الدايود ‪𝑝-𝑛‬‏. سنحصل في هذه الحالة على هذه المجموعة من أشباه الموصلات، النوع ‪𝑛‬‏ ثم ‪𝑝‬‏ ثم ‪𝑛‬‏. عندما نفعل ذلك، نحصل على ترانزستور وصلة ثنائية الأقطاب. وتحديدًا، يسمى ذلك ترانزستور ‪𝑁𝑃𝑁‬‏. يمكننا إلى حد ما اعتبار هذا الترانزستور دايودين موصلين معًا. وسنتحدث بعد قليل عن الحالة التي لا ينطبق عليها ذلك، لكن في أغلب الأحوال يساعدنا التفكير في الترانزستور بهذه الطريقة على فهم طريقة عمله.

لمعرفة ذلك، دعونا نلق نظرة على كيفية عمل هذا الترانزستور عندما نوصله بدائرة. بعد توصيل البطارية بهذه الطريقة، نتوقع أن يكون الاتجاه الاصطلاحي للتيار في اتجاه عقارب الساعة. لكننا نلاحظ أنه عندما يقابل هذا التيار الترانزستور، فإنه يواجه ما يسمى بالدايود ذي التوصيل العكسي. وهذا يعني أن الشحنة لا يمكن أن تعبر الوصلة الموجودة بين هذين النوعين ‪𝑛‬‏ و‪𝑝‬‏. وبما أن الشحنة لا تمر عبر هذا الترانزستور، فلن يمر تيار في أي مكان بالدائرة. وبذلك، لا يعمل الترانزستور حاليًا كما ينبغي. كل ما يفعله هو منع مرور الشحنة.

لكن بشكل عام، يمكن استخدام ترانزستور واحد ليكون مفتاحًا في دائرة أو لتضخيم التيار. ولكي يحدث ذلك، علينا تعديل الدائرة بعض الشيء. سنضيف فرعًا في الدائرة هنا. وإلى جانب ذلك، سنضيف مصدرًا ثانيًا للجهد. سيرسل هذا المصدر تيارًا اصطلاحيًا إلى جزء الترانزستور المكون من النوع ‪𝑝‬‏. وتذكر أننا إذا اعتبرنا أن هذا التيار يتحرك في هذا الاتجاه عبر الوصلة، فيمكننا القول بأن هذا الدايود الذي نتعامل بالفعل معه ذو توصيل أمامي. ولهذا، يمكن أن تمر الشحنة عبر هذا الجزء من الترانزستور. وبالتبعية، يمكن أن يمر تيار في هذا الجزء المحدد من الدائرة.

ومع مرور كل هذه الشحنة في هذا المسار الأصغر، إذا وضعنا في الاعتبار التيار المتولد بواسطة ما أسميناه مصدر الجهد الأساسي، فمع مرور الشحنة بالفعل في هذا الاتجاه عبر جزء من الترانزستور، يصبح التيار الآتي من مصدر الجهد الأساسي قادرًا بالفعل على عبور هذه الوصلة الموجودة هنا، رغم عجزه عن ذلك في المعتاد. ذكرنا سابقًا أنه يمكننا اعتبار الترانزستور دايودين موصلين معًا، لكن هذا ينطبق إلى حد معين فقط. هذا هو الحد. وذلك لأننا إذا اعتبرنا أن أشباه الموصلات ‪𝑛‬‏ و‪𝑝‬‏ يمثلان دايودًا، فلن يكون مرور الشحنة عبر هذه الوصلة ممكنًا.

لكن بما أننا نتعامل مع ترانزستور، ولدينا بالفعل شحنة تمر عبر هذا الجزء من الترانزستور الموصل توصيلًا أماميًا، فإن الشحنة في هذه الحالة يمكنها بالفعل أن تعبر هذا الحاجز الموجود بين النوع ‪𝑛‬‏ والنوع ‪𝑝‬‏. وعندما تصل الشحنة الكهربية إلى هذا الحد، لا يوجد ما يمنعها من الاستمرار في الحركة بسلاسة عبر الترانزستور. ومن ثم، يمكن للشحنة أن تمر بسلاسة حول هذا المسار الخارجي الأكبر في الدائرة.

في دائرة ترانزستور مثالية، يكون هذا التيار، الذي يجعل الترانزستور في وضع التشغيل، ضئيلًا جدًا في شدته مقارنة بالتيار الآتي من المصدر الأساسي. وعندما يؤدي هذا التيار الصغير إلى تشغيل الترانزستور، يمكننا أن نلاحظ أننا نضخم التيار المار عبر الترانزستور، ونسمح كذلك بمرور تيار في هذا الجزء من الدائرة.

والآن بعد أن بدأ تشغيل دائرة الترانزستور، لاحظ وجود ثلاثة أسلاك موصلة بالأجزاء المختلفة من الترانزستور. كل سلك من هذه الأسلاك أو نقاط التوصيل لها اسم معين. بالإشارة إلى أن الاتجاه الاصطلاحي للتيار في اتجاه عقارب الساعة عبر الدائرة، يسمى هذا السلك الكهربي بالمجمع. وهذه هي الطريقة التي يجمع بها الترانزستور الشحنة. بالترافق مع ذلك، لدينا في الطرف الآخر من الترانزستور ما يسمى بالباعث. وهذا هو الموضع الذي يخرج منه التيار الاصطلاحي أو الشحنة. ثم يوجد سلك التوصيل الأخير هذا، الذي يوصل بمنتصف الترانزستور ويسمى بالقاعدة. والقاعدة هي المكون الذي نزوده بالمقدار الأصغر من التيار من خلال مصدر الجهد، والذي ينتقل بعد ذلك خلال الباعث ثم يسمح بمرور الشحنة الكلية من المجمع إلى الباعث.

عندما نرى ترانزستورًا مثل هذا مرسومًا رسمًا توضيحيًا، يشار أحيانًا إلى المجمع والقاعدة والباعث بأحرف مفردة. ولاحظ أنه يمكننا تطبيق هذه الأسماء أيضًا على مناطق الترانزستور المختلفة. وهذا من شأنه أن يساعدنا في تذكر ما يمثله كل حرف ولماذا اختيرت هذه الأسماء.

حتى الآن، ما زلنا نتعامل مع نوع واحد من ترانزستور الوصلة الثنائية الأقطاب، وهو النوع ‪𝑁𝑃𝑁‬‏. أما الترانزستور الثاني الذي سندرسه، والذي يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالترانزستور السابق، فهو الترانزستور ‪𝑃𝑁𝑃‬‏. وكما نتوقع، يتكون هذا النوع من الترانزستور من شبه موصل من النوع ‪𝑝‬‏ ثم ‪𝑛‬‏ ثم ‪𝑝‬‏ موصلة معًا. إذا وصلنا هذا النوع من الترانزستور بدائرة، ومرة أخرى، إذا اعتبرنا نقطة التوصيل هذه هي المجمع، وهذه النقطة الموجودة هنا هي الباعث، وهذه النقطة هي القاعدة، ووصلنا مرة أخرى مصدر جهد أساسيًا ومصدر جهد ثانويًا، فعلينا عكس قطبية هذين المصدرين لكي تعمل دائرة الترانزستور هذه بشكل صحيح.

بالتوصيل بهذه الطريقة، إذا نظرنا فقط إلى تأثير مصدر الجهد الأساسي، فسنعرف أن التوصيل بهذه الطريقة سيؤدي إلى مرور تيار عكس اتجاه عقارب الساعة. وعند وصول الشحنة إلى الترانزستور، فإنها ستتمكن من المرور عبر هذه الوصلة الموجودة هنا من ‪𝑝‬‏ إلى ‪𝑛‬‏. ولكن عندما تصل الشحنة إلى هذه الوصلة ذات التوصيل العكسي بين النوعين ‪𝑛‬‏ و‪𝑝‬‏، ستمنع الشحنة من المرور. وهكذا لن تمر أي شحنة عبر الترانزستور، وبالتالي لن يمر أي تيار في الدائرة.

كما رأينا من قبل، لدينا مصدر الجهد الثانوي الذي يرسل تيارًا عكس اتجاه عقارب الساعة من خلال هذا المسار الأصغر. ويمكن للشحنة أن تمر بالفعل عبر هذا الجزء من الترانزستور ذي التوصيل الأمامي من ‪𝑝‬‏ إلى ‪𝑛‬‏. عندما يحدث ذلك، مثلما حدث من قبل، فإنه يتيح مرور هذا التيار عبر المسار الخارجي الأكبر من خلال السماح للشحنة الموجودة في هذا التيار بالمرور عبر هذه الوصلة الموجودة هنا، وتستمر في الاتجاه إلى مجمع الترانزستور. وهكذا عن طريق تشغيل الترانزستور، إن جاز لنا القول، عبر إنشاء تيار خلال المسار الأصغر، نسمح للشحنة بأن تمر عبر الترانزستور، وبالتالي عبر الدائرة الأكبر.

هذه هي الأفكار الأساسية وراء طريقة عمل نوعي ترانزستور الوصلة الثنائية الأقطاب ‪𝑃𝑁𝑃‬‏ و‪𝑁𝑃𝑁‬‏. على الرغم من وجود أوجه تشابه بين هذين النوعين، ينبغي ملاحظة أن اتجاه التيار عبرهما مختلف. في الترانزستور ‪𝑁𝑃𝑁‬‏، يمر التيار الاصطلاحي إلى القاعدة ثم يخرج من الباعث، وهو ما يتيح دخول ما يمكن أن نسميه بتيار الدائرة الرئيسي إلى المجمع وخروجه من الباعث. أما في الترانزستور ‪𝑃𝑁𝑃‬‏، فنجد أن كل شيء معكوس. يدخل التيار الاصطلاحي القادم من فرع قاعدة الدائرة إلى الترانزستور من خلال جزء الباعث. وهذا يسمح لتيار الدائرة الرئيسي، الذي يمكننا أن نسميه بتيار المسار الخارجي الأكبر، بالانتقال من الباعث إلى المجمع عبر الترانزستور.

إذن بناء على نوع الترانزستور الذي نتحدث عنه، سواء كان ‪𝑁𝑃𝑁‬‏ أو ‪𝑃𝑁𝑃‬‏، يتغير اتجاه التيار الاصطلاحي عبر الترانزستور. بعد معرفة كل ذلك، فلنتدرب على هذه الأفكار من خلال مثال تدريبي.

وصل ترانزستور من النوع ‪𝑃𝑁𝑃‬‏ بمصدر تيار مستمر، كما هو موضح في الشكل. وكانت المنطقتان ‪𝑝‬‏ متطابقتين. أي من مناطق الترانزستور تمثل منطقة المجمع؟ وأي من مناطق الترانزستور تمثل منطقة الباعث؟

بالنظر إلى الشكل، نرى أن الترانزستور ‪𝑃𝑁𝑃‬‏ موصل بدائرة كهربية. تصف كل منطقة من المناطق الثلاث لهذا الترانزستور، التي تسمى ‪𝑃‬‏ واحد، و‪𝑁‬‏، و‪𝑃‬‏ اثنين، نوعًا محددًا من المادة شبه الموصلة، إما النوع ‪𝑝‬‏ وإما النوع ‪𝑛‬‏. وعلمنا من المعطيات أن منطقتي ‪𝑝‬‏ في هذا الترانزستور، وهما ‪𝑝‬‏ واحد و‪𝑝‬‏ اثنان، متطابقتان. وبالنظر إلى كيفية توصيل هذا الترانزستور في هذه الدائرة الكهربية، نريد أولًا الإجابة عن سؤال: أي المناطق الثلاث في الترانزستور يمثل منطقة المجمع؟

يشير مصطلح «المجمع» إلى نقطة توصيل في الترانزستور. ونلاحظ من الشكل وجود ثلاث نقاط، هذه النقطة الموجودة هنا، وهذه النقطة، وتلك. لمساعدتنا في معرفة أي من نقاط التوصيل هذه موصلة بمنطقة المجمع، يمكننا تذكر أنه بوجه عام الترانزستور من نوع ‪𝑃𝑁𝑃‬‏ به منطقة مجمع، ومنطقة قاعدة، ومنطقة باعث. ولاحظ أن كلًا من المجمع والباعث يقابلان منطقتي شبه موصل من النوع ‪𝑝‬‏.

إذن بالنظر إلى الترانزستور ‪𝑃𝑁𝑃‬‏ في هذا الشكل، نعلم أن الإجابة عن السؤال الأول المتعلق بالمنطقة التي تمثل منطقة المجمع، ستكون إما ‪𝑃‬‏ واحد وإما ‪𝑃‬‏ اثنين. وهذا يعني أن أحد طرفي هذا الترانزستور هو المجمع والآخر هو الباعث. لكن أيهما المجمع وأيهما الباعث؟ هل ‪𝑃‬‏ واحد هو المجمع و‪𝑃‬‏ اثنان هو الباعث؟ أو العكس؟

للإجابة عن هذا السؤال، علينا أن ننظر إلى الطريقة التي يمر بها التيار الاصطلاحي عبر الترانزستور. بسبب قطبية مصدر الجهد، نعرف أن التيار الاصطلاحي سيمر عكس اتجاه عقارب الساعة خلال هذه الدائرة. ولاحظ أننا نفترض أنه تم تشغيل الترانزستور بحيث يمكن للتيار أن يمر بالفعل خلال هذا المسار. والآن بعد أن عرفنا هذا، يمكننا القول إن السؤال الحقيقي الذي يطرحه هذا الجزء الأول من السؤال عن الترانزستور ‪𝑃𝑁𝑃‬‏ هو: هل يدخل التيار الاصطلاحي للترانزستور من خلال المجمع أو الباعث؟

بناء على اسمي هاتين المنطقتين، قد نتوقع أن يدخل التيار الاصطلاحي عبر المجمع ويخرج من الباعث. لكن، كما تبين، ينطبق ذلك على ترانزستور من النوع ‪𝑁𝑃𝑁‬‏ فقط. لكننا لدينا هنا ما يمكن أن نسميه بالنوع المقابل، وهو ‪𝑃𝑁𝑃‬‏. هذه الحقيقة تعني أن اتجاه التيار الاصطلاحي عبر الترانزستور من اليمين إلى اليسار، كما رسمناه، أي من الباعث إلى المجمع. إذن المنطقة الثانية من النوع ‪𝑝‬‏ هي التي يصل إليها التيار، وهي المجمع في ترانزستور من النوع ‪𝑃𝑁𝑃‬‏. وعندما ننظر إلى الطريقة التي ستمر بها الشحنة عبر هذا الترانزستور في الشكل الذي أمامنا، نلاحظ أن المنطقة الثانية هي ‪𝑃‬‏ اثنان. وبما أن هذه هي المنطقة الأخيرة من الترانزستور التي تمر عبرها الشحنة أثناء تحركها في هذه الدائرة، نعرف أنها منطقة المجمع في الترانزستور.

الآن وبعد أن توصلنا إلى ذلك، أصبح إيجاد الإجابة عن الجزء الثاني من السؤال أسهل. هنا نريد أن نحدد أي منطقة في الترانزستور تمثل منطقة الباعث. رأينا أنه في الترانزستور من النوع ‪𝑃𝑁𝑃‬‏ تتحرك الشحنة من الباعث إلى المجمع. ومن ثم، في هذا الشكل، تكون المنطقة الأولى من الترانزستور التي يلاقيها التيار الاصطلاحي هي منطقة الباعث. وهي ‪𝑃‬‏ واحد. وهذه هي الإجابة عن سؤال «أي من مناطق الترانزستور تمثل منطقة الباعث؟»

والآن لنلخص ما تعلمناه عن الترانزستور. في هذا الدرس، عرفنا أن الترانزستور هو مكون كهربي مصنوع من مواد شبه موصلة من النوع ‪𝑛‬‏ والنوع ‪𝑝‬‏ موصلة معًا. يوجد نوعان شائعان من الترانزستور يطلق على كليهما ترانزستور الوصلة الثنائية الأقطاب، وهما ‪𝑁𝑃𝑁‬‏ و‪𝑃𝑁𝑃‬‏. عند توصيل ترانزستور من نوع ‪𝑁𝑃𝑁‬‏ في دائرة، تمر الشحنة أولًا عبر الوصلة ‪𝑝-𝑛‬‏ ذات التوصيل الأمامي في الترانزستور. هذا يعني أن الشحنة تمر إلى ما يسمى بمنطقة قاعدة الترانزستور وتخرج من منطقة الباعث. وهذا يسمح بمرور الشحنة في مسار الدائرة الأكبر إلى منطقة المجمع في الترانزستور ثم تخرج من الباعث.

أما عند توصيل ترانزستور من نوع ‪𝑃𝑁𝑃‬‏ في دائرة، تعكس جميع اتجاهات التيار هذه. أولًا، تمر الشحنة عبر الوصلة ‪𝑝-𝑛‬‏ ذات التوصيل الأمامي عكس اتجاه عقارب الساعة. ثم يتيح ذلك للشحنة أن تمر بهذه الطريقة من الباعث إلى المجمع عبر الترانزستور كله. وهكذا ينتقل التيار الكلي في الترانزستور من النوع ‪𝑁𝑃𝑁‬‏ من المجمع إلى الباعث، بينما في الترانزستور من النوع ‪𝑃𝑁𝑃‬‏ ينتقل التيار من الباعث إلى المجمع. هذا ملخص الترانزستور.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.