יסודות הטרנזיסטורים: NPN ו- PNP בשימוש ב- 2N3904, 2N3906, 2N2222 ו- 2N2907

באופן מפתיע, הטרנזיסטור הפועל הראשון הוכרז לפני 70 שנה, בדצמבר 23, 1947!¹ הטרנזיסטור הוא כנראה אחד הרכיבים המהפכניים ביותר שהומצאו אי פעם. הוא הוביל את הדרך ליצירת מעגלים משולבים, מיקרו-מעבדים וזיכרון מחשב.

במאמר זה נדון בתחומים הבאים:

(לחצו על הקישור כדי לדלג לכל קטע שמתאים לצרכים שלכם)

• מהו טרנזיסטור?
• איך עובד הטרנזיסטור?
• בחירת הטרנזיסטור עבור היישום שלכם
• דוגמאות של מעגל טרנזיסטור
• ההיסטוריה מאחורי המצאת הטרנזיסטור
• קישורי הייחוס עבור המשך הלימוד

מהו טרנזיסטור?

הטרנזיסטור, הידוע גם כ- BJT (טרנזיסטור צומת ביפולרי), הוא התקן מוליכים-למחצה נדחף-זרם שבאמצעותו ניתן לבקר את זרימת הזרם החשמלי בו כמות קטנה של זרם בבסיס (Base) מבקר זרם גדול יותר בין הקולקטור (Collector‏) לאמיטר (Emmiter‏). הם יכולים לשמש להגברת אות חלש, כמתנד או כמתג.

הם עשויים בדרך כלל מגביש סיליקון כאשר שכבות מוליכים-למחצה מסוג N ו- P‏ משולבות יחד כמו סנדוויץ'. ראו איור 1 להלן.

איור 1: איור 1a‏ מציג חתך-רוחב ב- 2N3904 TO-92 החושף את מוליכי E - אמיטר, B - בסיס ו- C - קולקטור המחוברים לסיליקון. איור 1b‏ נלקח ממגזין הרדיו-אלקטרוניקה ^2‏ במאי 1958 המציג את פרוסות השכבות מסוג N ו- P‏ (שנקראו חומר גרמניום באותה תקופה).

הטרנזיסטורים סגורים הרמטית בתוך מארז פלסטיק או תיבת מתכת עם שלושה מוליכים (איור 2).

איור 2‏: השוואת גדלים ומגוון סוגי המארזים הנפוצים.

איך עובד הטרנזיסטור?

לדוגמה, נציג כיצד עובד טרנזיסטור NPN. דרך פשוטה לראות את תפקידו כמתג היא לחשוב על מים שזורמים דרך צינור המבוקר על ידי שסתום. לחץ המים מייצג 'מתח' והמים הזורמים דרך הצינור מייצגים 'זרם' (איור 3). הצינורות הגדולים מייצגים את צומת הקולקטור/אמיטר עם שסתום בין-לבין, המתבטא באיור כאובלי אפור, כמו כנף נעה, המופעל על ידי זרם מצינור קטן המייצג את הבסיס. השסתום מונע מלחץ המים לזרום מהקולקטור לאמיטר. כאשר המים זורמים דרך הצינור הקטן יותר (הבסיס), הם פותחים את השסתום בין צומת הקולקטור/אמיטר, ומאפשרים למים לזרום אל האמיטר, ואז לקרקע (הקרקע מייצגת את ההחזרה של כל המים או המתח/זרם).

איור 3‏: ייצוג גרפי זה מתאר כיצד פועל הטרנזיסטור. כאשר המים זורמים דרך הצינור הקטן יותר (הבסיס), הם פותחים את השסתום בין צומת הקולקטור/אמיטר, ומאפשרים למים לזרום דרך האמיטר לקרקע.

בחירת הטרנזיסטור עבור היישום שלכם

אם אתם פשוט רוצים להפעיל מעגל או עומס, יש דברים מסוימים שאתם צריכים להביא בחשבון. החליטו אם ברצונכם להפעיל את מתג הטרנזיסטור שלכם בזרם חיובי או שלילי (כלומר, סוג NPN‏ או PNP‏, בהתאמה). טרנזיסטור מסוג NPN‏ נדחף (או מופעל) על ידי זרם חיובי עם ממתח בסיס כדי לבקר את זרימת הזרם מהקולקטור לאמיטר. טרנזיסטור מסוג PNP‏ נדחף על ידי זרם שלילי עם ממתח בסיס כדי לבקר את הזרימה מהאמיטר לקולקטור. (שימו לב שהקוטביות עבור PNP היא הפוכה מ- NPN.) ראה איור 4 להלן לפרטים נוספים.

איור 4‏: הסמלים הסכמטיים עבור כל סוג טרנזיסטור.

לאחר קביעת הממתח, המשתנה הבא הנדרש הוא גודל המתח והזרם שהעומס דורש כדי לפעול. אלה יהיו המתח המינימלי ודירוג הזרם של הטרנזיסטור. בטבלאות 1 ו- 2 להלן מוצגים טרנזיסטורים נפוצים והמפרט העיקרי, כולל גבולות המתח והזרם שלהם.

טרנזיסטורים, NPN ו- PNP, עם מוליכים ובהרכבה משטחית

טבלה 1. טרנזיסטורים נפוצים NPN ו- PNP עם מוליכים ובהרכבה משטחית.

טרנזיסטורים, NPN ו- PNP, מארזי תיבת מתכת

טבלה 2. טרנזיסטורים נפוצים NPN ו- PNP במארזי תיבת מתכת.

דוגמאות של מעגל טרנזיסטור

איור 5 להלן מציג דוגמה למעגל המפעיל את צומת קולקטור-אמיטר על ידי הפעלת הבסיס, או יישום ממתח לטרנזיסטור להפעלתו, על ידי הבאת 5 וולט לבסיס באמצעות מתג מחליק. בדוגמה זו נורית LED היא העומס. עבור הפעלת הממתח על הבסיס יש להשתמש כראוי בנגדים למניעת משיכת זרם-יתר. השתמשתי בחלקים עם מוליכים בלוח אב-טיפוס כדי לבדוק את המעגל לדוגמה שלי. מרבית המהנדסים ישתמשו ברכיבי הרכבה משטחית (גודל קטן בהרבה ממארז TO-92) בכל הנוגע לשימוש בטרנזיסטורים בתכן מוצר חדש שיוצא לשוק. הנה הקישור המציג את גודלי המארז השונים עבור טרנזיסטורים 3904‏.

מכיוון שה- 2N3904‏ הוא טרנזיסטור NPN, הבסיס זקוק לממתח חיובי (רמות מתח והתנגדות מתאימות) כדי להפעיל את צומת קולקטור-אמיטר עבור זרימת זרם תקינה. השימוש בנגד עומס (R1) חשוב גם כן כדי שלא יהיה יותר מדי זרם הנדחף דרך נורית ה- LED והטרנזיסטור. לפרטים נוספים על טרנזיסטור זה, ראו ב- גיליון הנתונים של 2N3904‏.

איור 5: דוגמת מעגל 2N3904 להדלקת נורית עם מתג מחליק EG1218‏ המציג את הפינים C‏ (קולקטור), E‏ (אמיטר) ו- B‏ (בסיס) (התמונה צוירה ב- Scheme-it‏).

איור 6 מציג דוגמה למעגל מנורת לילה באמצעות טרנזיסטור PNP. כדי לראות את פרטי מעגל זה, היכנסו לאתר wiki הנדסה של DigiKey וחפשו את PNP Night Light.

איור 6‏: מעגל מנורת לילה 2N3906‏ לדוגמה עבור הדלקת נורית LED‏ עם תא-פוטואלקטריPDV-P5003‏ (התמונה צוירה ב- Scheme-it‏).

היסטוריה קצרה של המצאת הטרנזיסטור

איך הכל התחיל? חור הארנב הזה הולך עמוק מאוד; עם זאת, אתחיל עם המצאת הטלפון. רבים יתווכחו מי באמת המציא את האב-טיפוס החשמלי הראשון שעבד; עם זאת, הפטנט הראשון הושג על ידי אלכסנדר גרהאם בל ב- ⁷ במרץ 1876‏^3‏, ואשר בהמשך הקים את חברת American Telephone and Telegraph‏ (המוכרת כ- AT&T). סביב שנת 1894 פג תוקפו של הפטנט של בל ¹. למרות ש- AT&T שלטה בשוק הטלפונים עד תחילת המאה העשרים, חברות אחרות הוקמו ולקחו מ- AT&T לקוחות. בשל כך, החברה הרגישה צורך להמשיך ולשלוט ולהרחיב את השוק שלה. בשנת 1909, נשיא AT&T תיאודור וייל ¹ רצה להעביר שיחות טלפון מהחוף המזרחי לחוף המערבי של ארה"ב (מניו יורק לקליפורניה). אך כדי לעשות זאת הם נזקקו למגברים או משחזרים (Repeaters) טובים כדי להגביר את האותות שעברו מרחקים ארוכים. קודם לכן, בשנת 1906, לי דה פורסט לקח רעיון של ג'ון א. פלמינג (שלקח עבודה מתומאס אדיסון, ויצר התקן שפופרת ואקום שנקרא "שסתום תנודות" המשמש לגילוי גלי רדיו), שינה אותו ויצר את הטריודה - שפופרת ואקום עם שלושה הדקים שיכלה לשמש כמגבר, אם כי עם יעילות נמוכה. בשנת 1912 פורסט הוזמן על ידי הרולד ארנולד מחברת Western Electric‏ (יצרנית של AT&T‏) כדי להציג את המצאתו. למרות שהטריודה של פורסט עבדה במתחים נמוכים, ארנולד היה צריך שהיא תעבוד במתחים גבוהים יותר כדי לייצר משחזרים (Repeaters‏) יעילים עבור העברת קול למרחקים ארוכים. ארנולד האמין שהוא יכול ליצור טריודה טובה יותר ולכן שכר מדענים כדי להבין כיצד עובד ההתקן וכיצד הוא עשוי לשפר אותו. באוקטובר 1913 הוא הצליח. זמן קצר לאחר מכן הותקנו קווי טלפון בכל מקום. ההשקעות שביצעה AT&T בהעסקת מדענים בכירים לאורך השנים גרמו להם להבין שמחקרים עמוקים יעניקו להם יתרון תחרותי על פני המתחרים ולכן הם הקימו את "Bell Telephone Laboratories‏", מעבדות בל, בשנת 1925.

היה צורך באלפים רבים של שפופרות ואקום וממסרים עבור פעולה תקינה של קווי הטלפון. עם זאת, שפופרות הוואקום צרכו הרבה הספק, הן היו גדולות ונשרפו לעתים קרובות. ההבנות שהושגו מהפיתוחים הטכנולוגיים בזמן מלחמת העולם השנייה של מיישרי גביש שאפשרו את הראדאר הביאו את מרווין קלי, מנהל המחקר של בל, להברקה שמוליכים-למחצה (התקני מצב-מוצק) עשויים להיות התשובה ליצירת התקן שיכול להחליף את שפופרות הוואקום היקרות והלא-אמינות. קלי בחר את אחד הפיזיקאים המבריקים שלהם, ויליאם שוקלי, כדי להסביר את חזונו לשפר את הרכיבים המשמשים להעברת קול על גבי חוטים. קלי הביע את תחושותיו כי ישמח כאשר שפופרות ואקום צמאות-להספק וממסרים מכניים רועשים יוחלפו יום אחד על ידי התקני אלקטרוניקה של מצב-מוצק. הרעיון אכן הדליק את שוקלי שהפך אותו למטרה העיקרית שלו. קלי מינה את שוקלי לאחראי למציאת הדרך לגרום לזה לקרות.

שוקלי היה תיאורטיקן מבריק אך לא היה כל כך טוב בבניית רעיונותיו. שוקלי עשה כמה ניסיונות להוכיח רעיון שהיה לו לגבי אפקט השדה של העברת אלקטרונים לחיבור שני צדדים של מוליכים-למחצה על ידי שפעול לוחית מעל המוליכים-למחצה.. הוא לא הצליח. בתסכולו הוא פנה לשני פיזיקאים אחרים במעבדות בל, ג'ון בארדין (מבריק בתורת האלקטרונים במוליכים-למחצה), ו- וואלטר בראטיין (מצטיין באב-טיפוס ושימוש בציוד מעבדה). הם הפכו לחלק מהצוות שלו. שוקלי אפשר לצוות הכפול לעבוד לבדם. במהלך השנים נעשו ניסיונות רבים להשיג את אפקט השדה אך זה אף פעם לא הצליח. הם עברו על החישובים שלהם ובתיאוריה זה היה צריך לעבוד. מתוך חשיבה מחוץ-לקופסה, בארדין ובראטיין ערכו ניסיונות עם פרוסות דקות של סיליקון וגרמניום במטרה לגרום לאפקט השדה לעבוד. בסתיו 1947 היה סימן להתקדמות מכיוון שבראטיין התקשה עם עיבוי מים ששקעו על פני השטח של המוליך-למחצה. במקום לייבש אותו הוא הניח טיפת מים על גבי הסיליקון, הפעיל את הלוח שמעליו והבחין באפקט הגברה. טיפת המים עזרה להתגבר על מחסום פני השטח שסייע ביצירת זרימת האלקטרונים, אך הזרימה הייתה איטית ולא הצליחה להגביר את אותות הקול בצורה נקייה הנחוצה כדי להעביר את הקול בהצלחה.

בדצמבר 1947 (המסומן כ"חודש הנס") הם חשבו לבטל את מרווח אפקט השדה, להסיר את המים וליצור מגע זהב שייגע במוליך-למחצה. הם עברו לגרמניום, שאיתו היה קל יותר לעבוד באותה תקופה, ובודדו אותו באמצעות פילם תחמוצת דק שנוצר באופן טבעי על גרמניום. נעשו ניסיונות רבים אך ללא הצלחה. ואז באמצע דצמבר, ככל הנראה במקרה, וואלטר בראטיין שטף החוצה את ציפוי התחמוצת שלא בכוונה, וגרם למגע זהב ישירות על הגרמניום! בינגו!!! הוא גילה הגברה טובה והטרנזיסטור היה פונקציונלי. במקום שהאלקטרונים יימשכו אל פני השטח של המוליך-למחצה, לפי התיאוריה של רעיון אפקט השדה של שוקלי, בראטיין/בארדין גילו שעל ידי יצירת מגע עם המוליך-למחצה באמצעות מגע זהב, הם הזריקו חורים לתוך המוליך-למחצה, המאפשר לחשמל לזרום. בסביבות אמצע דצמבר 1947, ללא ידיעתו של שוקלי, הם החלו ליצור אב-טיפוס פועל. בראטיין הרכיב מכשיר בצורת משולש פלסטיק עם רדיד זהב לאורך הקצוות המשופעים ויצר חריץ דק כתער בנקודת המשולש. זה היה אב-טיפוס גס ביותר. הם השתמשו במהדק נייר שאותו כופפו כעין קפיץ כדי ללחוץ על המשולש לתוך מוליך-למחצה של גרמניום דק, על גבי לוחית נחושת דקה, שבה היו שני מוליכים - אחד בכל קצה של המשולש. לוחית הנחושת מתחת לפרוסת הגרמניום שימשה כמוליך השלישי, אם תרצו (איור 7). בסופו של דבר קראו לו טרנזיסטור מגע נקודתי.

בראטיין ובארדין התקשרו לשוקלי כדי להודיע לו על החדשות הטובות. לפי מה שחקרתי, לשוקלי היו רגשות מעורבים, שמחה שזה היה פונקציונלי אבל אכזבה מכך שהוא לא יצר אותו ישירות. ההדגמה בפני הבוסים של שוקלי הגיעה שבוע לאחר שגילו אותה, ב- 23 בדצמבר 1947 (ההכרזה הפומבית הייתה ב- 30 ביוני 1948). מאוחר יותר צולמה תמונה לטובת ההיסטוריה (איור 8). שוקלי ידע שהטרנזיסטור מגע נקודתי השביר לא יהיה קל לייצור והוא התאמץ מאד בניסיון לשפר אותו (בעצמו). שוקלי עבד בקדחתנות כדי לנסות לפתור את הבעיה בדרכו שלו ... ותיעד את מחשבותיו לנסות להפוך אותו ליותר משולב על ידי יצירת שכבות של חומרי מוליכים-למחצה ביחד. נערך מחקר מעמיק יותר להשלמת התיאוריה עבור הגשת הפטנט על טרנזיסטור הצומת (הוגש ב- 25 ביוני 1948). טרנזיסטור צומת n-p-n פונקציונלי הודגם ב- 20 באפריל 1950 (התאפשר הודות לעבודתם של גורדון טיל ומורגן ספארקס). הפרטים סביב כל זה הולכים עמוק הרבה יותר ממה שאתם יכולים לדמיין ^4‏.

פרס נובל עבור המצאת אפקט הטרנזיסטור הוענק לוויליאם שוקלי, ג'ון בארדין ו-וולטר בראטיין ב- 10 בדצמבר 1956.

איור 7‏: הטרנזיסטור מגע נקודתי (שימוש חוזר באישור Nokia Corporation)

איור 8‏: ג'ון בארדין, משמאל, וויליאם שוקלי, באמצע, ו- וואלטר בראטיין, מימין. (שימוש חוזר באישור Nokia Corporation)

מקורות

1. Riordan, Michael and Lillian Hoddeson. .1997 .Crystal Fire: The Invention of the Transistor and the Birth of the Information Age .New York, NY: W.W. Norton & Company, Inc
2. .Ryder, R.M. 1958 .“Ten years of Transistors”, Radio-Electronics Magazine, May, page 35
3. .Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company .1991 .“ALEXANDER GRAHAM BELL” .Retrieved Dec. 19, 2017
4. .Riordan, Michael, Lillian Hoddeson, and Conyers Herring .1999 .“The Invention of the Transistor”, Modern Physics, Vol 71, No. 2: Centenary

מידע נוסף ניתן למצוא בכתובת: /http://www.pbs.org/transistor