[عادل الثبيتي]

الترانزستور نبيطة دقيقة تتحكم في سريان التيار الكهربائي في أجهزة الراديو والتلفاز والحواسيب وكل المعدات الإلكترونية الأخرى تقريبًا. وتتفاوت الترانزستورات في العرض بين جزء من ألف من المليمتر وبضعة سنتيمرات.

حلت الترانزستورات تمامًا محل مكونات إلكترونية تسمى الصمامات المفرغة، في الخمسينيات والستينيات من القرن العشرين، لأنها تتفوق عليها بعدة امتيازات. فالترانزستورات، على سبيل المثال، أصغر حجمًا وأخف وزنًا، وأقل تكلفة من حيث الإنتاج، وأرخص في التشغيل وأكثر اعتمادية مقارنة بالصمامات المفرغة.



الترانزستورات المتفردة وهي تشغل حيزًا صغيرًا. في هذه الصورة للوحة دائرة حاسوب، يشير القلم إلى الترانزستور .

والترانزستورات هي المكونات الأساسية للرقائق الحاسوبية، وهي نبائط تستخدم في تنفيذ البرامج الحاسوبية وتخزين البرامج والبيانات الأخرى. وتحمل بعض الرقائق التي لاتزيد أحجامها عن حجم ظفر الأصبع 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 النظم الصوتية البالغة الدقة، وباعثات موجات الإذاعة الخاصة، ومحركات الأجهزة الصغيرة، بالقدرة؛ وإطفاء الأنوار وإشعالها؛ والتحكم في انسياب الطاقة عبر خطوط القدرة الكهربائية.


ماذا تفعل الترانزستورات
للترانزستورات وظيفتان أساسيتان:
1- فتح وغلق التيار الكهربائي،
2- تضخيم (تقوية) التيار الكهربائي. وتتحكم فولتية ضعيفة تسمى إشارة الدخل في أداء كلتا الوظيفتين.

تؤدي الترانزستورات عمليات فتح وغلق سريعة في الحواسيب، لمعالجة الشحنات الكهربائية التي تمثل المعلومات في شكل الرقمين 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 والتلفاز، بسبب قدرتها على تضخيم الإشارات. فموجات البث التي تنتقل عبر الهواء تولد تيارات ضعيفة في هوائي الراديو أو التلفاز. وتضخم ترانزستورات الدوائر الإلكترونية هذه الإشارات، بينما تستخدم مكونات أخرى - بما في ذلك الترانزستورات الإضافية- التيارات القوية الناتجة لإنتاج الأصوات والصور.


مواد الترانزستور
تعمل الترانزستورات عن طريق التحكم في التيار الكهربائي عبر وصلتي س م. وهذه الوصلات نقاط في بلورة شبه الموصل، يلتقي عندها نوعان من المواد، وتكون المناطق حول جانبي كل وصلة محورة بطرق مختلفة. وشبه الموصل مادة توصل (تحمل) التيار الكهربائي بدرجة أفضل من العوازل، مثل الخشب والزجاج، ولكن ليس بمستوى الموصلات، مثل الفضة والنحاس. والسليكون هو أكثر أشباه الموصلات استخدامًا في الترانزستورات.

ولابد من تطبيق حد أدنى من الفولتية على شبه الموصل قبل سريان أي تيار كهربائي، بينما تكفي أي فولتية -مهما كانت صغيرة - لتسبيب سريان التيار الكهربائي. أما في العوازل فإن الفولتية المطلوبة لبدء سريان تيار تكون من القوة بحيث تؤدي إلى تحطم المادة قبل بدء سريان التيار.

والتيار الكهربائى 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 الإلكترونات منتظمة في مدارات.
ولذرة السليكون عادة أربعة إلكترونات في المدار الخارجي، ولكن في بلورة السليكون النقية يكون عدد الإلكترونات الحرة وعدد الفجوات قليلاً جدًا. 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 نفس الوقت 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 السليكون، تستبدل ذرات فوسفور محتوية على خمسة إلكترونات في مداراتها الخارجية، بعدد قليل من ذرات السليكون. 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 السليكون، تستبدل ذرات بورون محتوية على ثلاثة إلكترونات في مداراتها الخارجية، بعدد قليل من ذرات السليكون، وبالتالي فإن بلورة النوع م تصبح محتوية على فجوات إضافية.

كيف تعمل الترانزستورات
هناك نوعان رئيسيان من الترانزستورات
1- الترانزستورات الثنائية القطب
2- ترانزستورات التأثير المجالي ذات الأكاسيد الفلزية وأشباه الموصلات (ترانزستورات التمذافام).
والترانزستورات الثنائية القطب أسرع من ترانزستورات التمذافام، ولكنها تمتص الطاقة عند فتحها وغلقها. ومعظم الترانزستورات المتفردة ترانزستورات ثنائية القطب. أما ترانزستورات التمذافام فصغيرة مقارنة بالترانزستورات الثنائية القطب، ويستهلك فتحها وغلقها طاقة أقل. ومعظم رقائق الحواسيب الشخصية تقريبًا تستخدم ترانزستورات التمذافام.

الترانزستورات الثنائية القطب
يحتوي النوع البسيط من الترانزستورات الثنائية القطب على منطقة رقيقة من نوع من مادة شبه موصلة، محشوة بين منطقتين سميكتين 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 النوعين تسمى إحدى المنطقتين الخارجيتين الباعث والمنطقة الأخرى المجمع، بينما تسمى المنطقة الوسطى القاعدة.

ويتصل بكل منطقة طرف كهربائي يتكون من إحدى نهايتي 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.

تطبيــــــــــــق الفولتيــــــــــــــــة
قبل تشغيل الترانزستور لابد من تطبيق فولتية معينة على أطرافه الكهربائية. ولتشغيل الترانزستور س م س بطريقة عادية تطبق فولتية عالية نسبيًا على المجمع، بينما يستقبل الباعث فولتية قدرها صفر. وإذا كانت فولتية القاعدة صفرًا أيضًا فإن الترانزستور يكون مغلقًا، ويؤدي تطبيق فولتية موجبة صغيرة على القاعدة إلى فتح الترانزستور.

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.

حركة الشحنة في المجمع والقاعدة
نظرًا لأن طرف المجمع أكثر إيجابية من طرق القاعدة فإن الفولتية المطبقة على المجمع تجذب الإلكترونات الحرة في المجمع نحو طرف المجمع. ولأن القاعدة ذات فولتية أقل مقارنة بالمجمع فإن فجوات القاعدة تنجذب نحو طرف القاعدة. وهكذا تنعدم الإلكترونات الحرة والفجوات في وصلة القاعدة - المجمع، مما يؤدي إلى عدم سريان التيار الكهربائي.

وبالإضافة إلى ذلك، يؤدي انسياب الفجوات في اتجاه طرف القاعدة، إلى أن تخلف هذه الفجوات وراءها مجالاً كهربائيًا سالبًا قويًا على الجانب القاعدي من وصلة القاعدة - المجمع. والمجال الكهربائي هو المنطقة التي تؤثر فيها القوة الكهربائية على جسم مشحون.

حركة الشحنات في الباعث
عندما تكون القاعدة أكثر إيجابية مقارنة بالباعث تنجذب الإلكترونات الحرة في الباعث نحو وصلة القاعدة - الباعث، ثم إلى داخل القاعدة، ولكن في الترانزستورات التي تكون فيها فولتية الباعث صفرًا لايحدث سريان ملحوظ للإلكترونات عبر الوصلة، إلا في حالة تطبيق فولتية لاتقل عن 0,4 فولت.

الترانزستور الثنائي القطب مفتاحًا
عندما تكون فولتية القاعدة منخفضة جدًا -أي بين صفر و 0,3 فولت في الترانزستورات السليكونية العادية- لايسري أي تيار يذكر من الباعث أو القاعدة إلى المجمع، وذلك لأن فولتية القاعدية ليست من الكفاية بحيث تؤدي إلى انجذاب الإلكترونات من الباعث، عبر وصلة الباعث- 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 جدًا فإن الإلكترون الذي يصل إلى القاعدة يكون قريبًا جدًا من وصلة القاعدة - المجمع. وبازدياد تركيز الإلكترونات في القاعدة يزاحم بعض الإلكترونات غيرها في عبور القاعدة، ويخترق عدد كبير من الإلكترونات الطريق عبر المجال الكهربائي السالب عند وصلة القاعدة- المجمع، بالرغم من أن هذا المجال يقاوم سريان الإلكترونات. وهكذا تندفع هذه الإلكترونات عبر وصلة القاعدة - المجمع.

وبمجرد وصول الإلكترونات إلى منطقة المجمع المجاورة لوصلة المجمع القاعدة، تمر بسهولة إلى طرف المجمع تاركة الترانزستور. وهكذا تسري الإلكترونات داخل الترانزستور ابتداء من طرف الباعث وعبر منطقة القاعدة، وتترك الترانزستور عبر طرف المجمع. ويحدث أقصى سريان للإلكترونات عند بلوغ فولتية القاعدة حوالي 0,7 فولت.

الترانزستور الثنائي القطب مضخمًا
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 يقل التيار الذي يسري من الباعث إلى المجمع مع نقصان قوة الإشارة.

ويتناسب ازدياد وانخفاض التيار الضعيف الذي يسري إلى القاعدة، أيضًا، مع تغيرات قوة الإشارة، ولذا فإن التيار الذي يسري من الباعث إلى المجمع نسخة مطابقة لهذا التيار باستثناء القوة. وهكذا يضخم الترانزستور التيار الضعيف بإنتاج تيار أقوى بكثير، ومطابق لهذا التيار الضعيف.

ويعمل الترانزستور م س م بنفس مبادئ الترانزستور س م س، ولكن فولتيات الترانزستور م س م معاكسة لفولتيات الترانزستور س م س.



ترانزستور س م س ثنائي القطب. يوصل تيارًا كهربائيًا عاليًا في شكل سريان إلكترونات من منطقة الباعث إلى منطقة المجمع في سليكون محوَّر. يسري تيار صغير إلى طرف قاعدة رقيقة جدًا. ويستقبل الباعث عادة فولتية قدرها صفر، بينما يستقبل المجمع فولتية موجبة عالية، والقاعدة فولتية موجبة منخفضة. وتسري الإلكترونات، التي تحمل شحنات سالبة إلى داخل القاعدة الموجبة، وهناك تزاحم بعض الإلكترونات غيرها، مرورًا بمجال كهربائي مناسب ومنها إلى المجمع.

ترانزستورات التأثير المجالي ذات الأكاسيد الفلزية وأشباه الموصلات
أكثر ترانزستورات التأثير المجالي شيوعًا هي ترانزستورات التمذافام المستخدمة في الرقائق الحاسوبية. ويعمل ترانزستور التأثير المجالي بتكوين مجال كهربائي يجذب الإلكترونات إلى منطقة البوابة، أو يبعد الإلكترونات عن المنطقة. ويسري التيار عندما ينجذب عدد مناسب من الإلكترونات إلى منطقة البوابة.

ولترانزستورات التمذافام ثلاث طبقات من شبه الموصل: المصدر ومنطقة البوابة والمفرغ. ويصنع المصدر والمفرغ من نفس نوع شبه الموصل: 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 سليكون، نوع م، بينما يصنع المصدر والمفرغ من سليكون، نوع س. وتشكل منطقة البوابة جزءًا من المادة الأساسية في الرقائق، ويكون المصدر والمفرغ مغروسين في هذه المادة، وبينهما منطقة البوابة. ويسمى الجزء من مادة الرقيقة الذي يقع تحت منطقة البوابة الأساس. ويوصل الطرفان الكهربائيان إلى كل من المصدر والمفرغ. وتوجد فوق منطقة البوابة طبقة من ثاني أكسيد السليكون، 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 سريان التيار الكهربائي على ما إذا كانت البوابة ذات فولتية موجبة أو سالبة.

ففي 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 سريان التيار من المصدر إلى المفرغ، وبالتالي انغلاق ترانزستور التمذافام.

وفي حالة استقبال البوابة لفولتية موجبة تنجذب الإلكترونات الحرة إلى منطقة البوابة. 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.



ترانزستور تأثير مجالي ذو أكسيد فلزي وشبه موصل (س م س). يوصل التيار الكهربائي في شكل سريان إلكترونات بين منطقتين سليكونيتين محورتين: المصدر والمفرغ. يستقبل المصدر فولتية أكثر إيجابية من فولتية المفرغ. ولكن لكي يسري التيار يجب أن يستقبل طرف آخر يسمى البوابة أيضًا فولتية موجبة. وتجذب هذه الفولتية إلكترونات من الأساس وعبر منطقة تسمى منطقة البوابة مكونة بذلك قناة غنية بالإلكترونات لمرور التيار.