1 الترانزستور

المقحل أو الترانزستور (بالإنكليزية: Transistor) (اختصاراً لكلمتي Transfer Resistor أي مُقاوِمُ النَقْل) وهي نبيطة تعتبر أحد أهم مكونات الأدوات الإلكترونية الحديثة مثل الحاسوب، اخترعه العلماء الأمريكيون (والتر براتن) و(جون باردين) و(وليام شوكلي), هو بلورة من مادة شبه موصل مطعمة كالجرمانيوم أو السيليكون تحتوي على بللورة رقيقة جدابحيث تكون المنطقة الوسطى منها شبه موصل موجب أو سالب وتسمى القاعدة بينما المنطقتان الخارجيتان من النوعية المخالفة وله قدرة كبيرة على تكبير الإشارات الإلكترونية

أهمية الترانزستور
في الواقع ان الترانزستور هو أهم المكونات الإلكترونية الحديثة ويعتبر من اعظم الاختراعات في القرن العشرين ويستمد اهميته في حياة المجتمع من القدرة الفائقة على إنتاجه باستخدام عمليات تلقائية إليه "عمليات تصنيع اشباه الموصلات"مما يجعل انتاجه قليل التكلفة.
و على الرغم من أن العديد من الشركات تنتج سنويا ما يزيد عن البليون من الترانزستورات المنفصلة إلا أن الغالبية العظمى من الترانزستورات التي تنتج تكون في الدوائر المتكاملة "Integrated circuit" والتي تختصر إلى "IC" وتحتوى هذه الدوائر المتكاملة على العديد من الترانزستورات والوصلات الثنائية والمقاومات والمكثفات والمكونات الإلكترونية الأخرى والتي تمثل دائرة إلكترونية كاملة تقوم بعمل وظيفة معينة وهناك أيضا "البوابات المنطقية" (Logic gates) والتي تتكون من عدد من الترانزستورات والتي قد تصل إلى العشرين لعمل بوابة منطقية واحدة وفي المعالجات الدقيقة "Microprocessors" المتقدمة وصل عدد الترانزستورات إلى 3 بلايين في شريحة واحدة في عام 2011 حيث كان قد وصل إلى 60 مليون في الشريحة في عام 2002 ومن أهم مميزات الترانزستور التكلفة الضئيلة المرونة في الاستخدام والثبات مما جعله واسع الاستخدام والانتشار وقد دخلت الترانزستورات في دوائر التحكم الاميكانيكية وحلت محل الأدوات الميكانيكية التي كانت تستخدم في ذلك ويمكن أيضا استخدام متحكم دقيق "Micro controller" في كتابة برنامج صغير لأداء وظيفة التحكم المطلوبة والماكفئة للمهمة التي يقوم بها التصميم الميكانيكى..

استخدامه
كان استخدام الترانزستور ثنائى القطب(Bipolar Junction Transistor) وإلى تختصر إلى (BJT) هو الأكثر شيوعا في الستينيات والسبعينيات من القرن الماضى ولكن مع ظهور الترانزستور ثنائى المجال(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) تقلص دور ثنائى القطب إلى الدوائر التناظرية مثل المكبرات البسيطة لكبر منطقة عمله الخطية " Linear Mode Operation" وسهولة تصنيعه وهناك العديد من الخصائص للترانزستور ثنائى المجال مثل استخدامه في الدوائر ذات القدرة المنخفضة باستخدام تقنية ال " C MOS " والتي تعنى استخدام المعدن والاكسيد وشبه الموصل المتكامل والتي تجعل مشاركة الدوائر الرقمية سهلة وهناك العديد من ترانزستورات تأثير المجال الحديثة وإلى تجمع بين الاستخدام في دوائر القدرات العالية والدوائر التناظرية المؤقتة " Clocked Analog circuit " مثل معادلات الجهود والمكبرات وناقلات القدرة والمحركات...


يستمد الترانزستور اهميته وضروريته في الحياة من قدرته على معالجة الإشارات الصغيرة والتي توضع على اثنين من اطرافه وتنتج إشارات كبيرة على طرفين آخرين وتسمى هذه الخاصية بنسبة التكبير (Gain) ويمكن التحكم في الترانزستور بما يجعل الدخل متناسبا مع الخروج بنسبة معينة وفي هذا الحالة يستخدم الترانزستور كمكبرو يمكن أيضا استخدام الترانزستور كمفتاح لفتح وغلق التيار والذي يمكن التحكم فيه عن طريق بقية عناصر الدائرة..
استخدام الترانزستور كمكبر
صمم الترانزستور ذو الباعث المتصل بالأرض لكى يستجيب إلى الإشارات الصغيرة في القاعدة ويقوم بتكبير هذه الإشارات على المخرج عند المجمع، وهناك العديد من تكوينات الدوائر التي تقوم بالتكبير بمميزات مختلفة سواء للتيار أو الجهد أو الاثنين معا.
ففى بعض الهواتف المحمولة والتلفاز هناك العديد من المنتجات التي يدخل فيها الترانزستور كمكبر مثل مكبرات الصوت أو النقل الرديواى أو معالجة الإشارات وكانت أول دائرة ترانزستور ذات قدرات ضعيفه تصل إلى بعض الأجزاء من العشرة من الوات وتم تكبيرها ومع التقدم ازدادت نسبة التكبير ونقائه تدريجيا عندما وجدت ترانزستورات احسن وتم تقويم احداثيات الترانزستور ووصلت القدرات الآن إلى بضع المئات من الوات وبتكلفة قليلة.
الترانزستور كمفتاح
الترانزستور هو أكثر المفاتيح الإلكترونية على حد سواء في الدوائر ذات القدرة المنخفضة مثل البوابات المنطقية أو ذات القدرة العالية مثل مفاتيح مزودات الطاقة ومن امثلة المفاتيح الخفيفة دوائر الباعث المتصل بالأرض ففى الشكل المقابل عندما يزداد جهد القاعدة يزداد التيار في المجمع وعلى الحمل (المقاومة) زيادة اسية وبالتالى يقل الجهد في المجمع بسبب المقاومة وتكون المعادلة الحاكمة هي

V(Rc)=Ice*Rc

V(Rc)+V(ce)=Vcc
هو فرق الجهد على المقاومة VRc: حيث
التيار المار في المجمع:Ice
الجهد بين المجمع والباعث:Vce
فلو أمكن خفض VCE للصفر (عملية الغلق التام) ولهذا فان (Ic) لن يزيد عن (Vcc/Rc) ،و مع زيادة الجهد
على القاعدة والتيار فيها فان الترانزستور في هذه الحالة يكون في حالة تشبع ،و من ثم يمكن اختيار الجهد الداخل على القاعدة لجعل المخرج مساويا تماما للصفر أو مساويا لقيمة Vcc (جهد المصدر) ويستخدم الترانزستور كمفتاح في الدوائر الرقمية حيث توجد القيم فقط فتح وغلق ولا تواجد للقيم بينهما مقارنة بين الصمامات والترانزستورات
قبل وجود الترانزستور كانت الصمامات (Valves) أو انابيب التفريغ (Vacuum Tubes) هو المكون الوحيد في المعدات الإلكترونية ولكن بحلول الترانزستور أصبح هو أكثر استخداما لما له العديد من المزايا...
1:- صغر الحجم والوزن والذي يؤدى إلى تطوير الدوائر الإلكترونية في أن تكون صغيرة جدا
2:- عمليات التصنيع الالية والتي تقلل التكلفة لكل وحدة مفردة
3:- الجهود الصغيرة التي يستطيع العمل عليها مما جعله صالح لتطبيقات الدوائر ذات البطاريات الصغيرة
4:- لا تحتاج إلى دورة احماء لمسخنات الكاثود بعد تطبيق القدرة
5:- الاستهلاك الضئيل للطاقة والكفأة العالية في استخدام الطاقة

6:- الاعتمادية العالية والتحمل الفيزيائى

7:- طول العمر الافتراضى حيث يعمل بعضها إلى ما يصل إلى خمسين عاما

8:- وجود النبائط المكملة وسهولة بناء الدوائر المتكاملة المتماثلة وهو ألامر المستحيل في حالة الصمامات

9:- عدم الحساسية للصدمات الميكانيكية والاهتزاز مما سهل حل هذه المشكلة مثلا في حالة الميكروفونات

قيود الاستخدام :-

لا تعمل جهود اشباه الموصلات عند جهود أعلي من 1000 فولت (على الرغم من أن هناك بعض النبائط تعمل عند 3000 فولت) وعلى نقيض ذلك فهناك بعض الصمامات التي تتحمل جهودا تصل إلى مئات الآلاف من الفولتات

    عدم قدرته على العمل في حالة القدرات العالية والترددات العالية مثل تلك التي تستخدم في التنبؤ التلفزيونى الهوائى حيث كانت الصمامات أفضل أداءا من الترانزستورات نتيجة قابلية الحركة العالية للالكترونات في انابيب التفريغ عنها في الترانزستور واشباه الموصلات اضعف تحملا بكثير من الصمامات عند تعرضها للنبضات الناتجة من الانفجار النووى


للترانزيستور ثنائي القطب وصلتا م س وثلاثة أطراف. ويربط طرفان من هذه الأطراف، في العادة، الباعث والمجمِّع إلى دائرة خارجية، بينما يصل الطرف الثالث القاعدة بدائرة داخلية. لكن رفع الجهد المطبقة على القاعدة قليلا يؤدي إلى دخول عدد كبير من الإلكترونات إلى القاعدة عبر الوصلة المنحازة أماميا، ويتفاوت هذا العدد حسب قوة الجهد. ولأن منطقة القاعدة رقيقة جدا، يستطيع مصدر الفولتية في الدائرة الخرجية جذب الإلكترونات عبر الوصلة المنحازة عكسيا. ونتيجة لذلك يسري تيار قوي عبر الترانزيستور وعبر الدائرة الخارجية. وبهذه الطريقة يمكن التحكم في سريان تيار قوي عبر الدائرة الخارجية، بتزويد القاعدة بإشارة صغيرة.
أنواع الترانزستور
ان نوعى الترانزستور يختلفان عن بعضهما اختلافا طفيفا في كيفية وضعها في دائرة معينة فكل منها له ثلاثة اطراف تسمى في حالة ثنائى القطب القاعدة "Base " والباعث "Emitter " والمجمع "Collector " وبمرور تيار متغير في القاعدة سيظهر تأثره مجمعا في المجمع والباعث، وفي حالة ترانزستور تأثير المجال تسمى البوابة "Gate "، المنبع "Source "، المصب "Drain " ويتحكم الجهد على البوابة في فرق الجهد بين المنبع والمصب..

يمكن تقسيم الترانزستورات إلى عدة فئات حسب التقسيم

1:- طبقا لشبه الموصل

جرمانيومى- سليكونى – جاليومى – زرنخيى – كربيدى سليكونى

2:- طبقا للبناء

BJT ثنائى القطب، MOSFETتأثير المجال، IGBT الترانزستور ذو البوابة المعزولة

3:- طبقا للقطبية

NPN الترانزستور من النوع السالب ويعنى منطقة من النوع السالب يليها منطقة من النوع الموجب يليها منطقة من النوع السالب

PNP الترانزستور من النوع الموجب ويعنى منطقة من النوع الموجبة يليها منطقة من النوع السالب يليها منطقة من النوع الموجب

4:- طبقا لقدرة التشغيل

صغير – متوسط – كبير

5:- طبقا لأقصى تردد تشغيل

موجات راديوية أو موجات الميكرومترية ويعطى أقصى تردد وفعال بجهد الثقل ويرمز له بالرمز FT والذي ينتج نسبة تكبير مساوية للوحدة

6:- طبقا للتطبيق المسخدم فيه

مفتاح – متعدد الأغراض – صوتى عالي الجهد – زوجى متماثل – عالي نسبة التكبير

7:- طبقا للتغليف الفيزيائى

ذو الثقب المعدنى - ذو الثقب البلاستيكى – المحمل سطحيا – سلسلة شبكة الكور – مغير القدرة

8:- طبقا لمعامل التكبير (hfe)

لذلك فان ترانزسور معين يمكن أن يوصف بهذا الوصف (سليكونى – ثنائى القطب من النوع السالب – مغير للطاقة عالي التردد – مفتاح).