ทรานซิเตอร์

ทรานซิสเตอร์
ภายในบทความนี้ประกอบไปด้วย | รู้จักกับทรานซิสเตอร์ | โครงสร้าง | การใช้งาน | คุณสมบัติต่างๆรู้จักกับทรานซิสเตอร์
ทรานซิสเตอร์ (Transistor) เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์(อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ) ชนิดหนึ่งซึ่งมีความสำคัญมากในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ทรานซิสเตอร์แบ่งได้ 2 ประเภทคือ ไบโพล่าทรานซิสเตอร์ (ทรานซิสเตอร์ที่เราพูดถึงอยู่) และ ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า คือพวก FET MOSFET เป็นต้น แต่เมื่อเราพูดถึงทรานซิสเตอร์ เราจะมักหมายถึง ไบโพล่าทรานซิสเตอร์นั้นเอง
รูปร่างของทรานซิสเตอร์มีหลายรูปแบบ เรามักจะเรียกว่าตัวถัง ซึ่งแต่ละแบบก็มีชื่อเรียกต่างกันออกไป(จะเขียนบทความเกี่ยวกับตัวถังอุปกรณ์ในหัวข้อต่อไป) และถ้าทรานซิสเตอร์มีขนาดใหญ่ แสดงว่าทรานซิสเตอร์นั้นสามารถนำกระแส หรือมีกำลังมากนั้นเอง
โครงสร้างภายในของทรานซิสเตอร์นั้นจะประกอบด้วยสารกึ่งตัวนำ P และ N มาต่อกัน 3 ตัว และมีรอยต่อ 2 รอยต่อมีขา 3 ขา ยื้นมาจากสารกึ่งตัวนำนั้นๆ โดยเราจะเรียนชนิดทรานซิสเตอร์ตามโครงสร้างนั้นๆ พื้นฐานในการทำงานของทรานซิสเตอรคือ ทรานซิสเตอร์จะทำงานได้ ต่อเมื่อมีกระแสไหลเข้ามาที่ขา B เท่านั้นหากไม่มีกระแสไหลเข้ามาทรานซิสเตอร์จะไม่ทำงาน



โครงสร้างของทรานซิสเตอร์
โดยทั่วไปแล้วทรานซิสเตอร์จะมีโครงสร้าง 2 แบบ คือ แบบ NPN และ PNP การที่เรียกชื่อแบบนี้เพราะโครงสร้างภายในของทรานซิสเตอร์ถูกผลิต ขึ้นแบบนี้ ดังนั้นในการเลือกใช้งานทรานซิสเตอร์ต้องเลือกใช้งานให้ถูกต้องด้วยขาของทรานซิสเตอร์มี 3 ขา และมีชื่อเรียกคือ ขาเบส(B) ขาคอนเลเตอร์ (C) และ ขาอีมิเตอร์ (E) ในการตรวจสอบตำแหน่ง ขาและดูว่าเป็นทรานซิสเตอร์แบบใดจะกล่าวถึงในหัวข้อต่อไปครับ


โครงสร้างแบบ NPN สังเกตว่าสัญลักษณ์ทรานซิสเตอร์หัวลูกศรจะพุ่งออก

โครงสร้างแบบ PNP สังเกตว่าสัญลักษณ์ทรานซิสเตอร์หัวลูกศรจะพุ่งเข้า
ประเภทของทรานซิสเตอร์

ทรานซิสเตอร์แบบรอยต่อคู่ (Bipolar junction transistor)
ทรานซิสเตอร์แบบรอยต่อคู่ (BJT) เป็นทรานซิสเตอร์ชนิดหนึ่ง มันเป็นอุปกรณ์สามขั้วต่อถูกสร้างขึ้นโดยวัสดุสารกึ่งตัวนำที่มีการเจือสารและอาจจะมีการใช้ในการขยายสัญญาณหรืออุปกรณ์สวิทชิ่ง ทรานซิสเตอร์แบบรอยต่อคู่ถูกตั้งขึ้นมาตามชื่อของมันเนื่องจากช่องการนำสัญญาณหลักมีการใช้ทั้งอิเล็กตรอนและโฮลเพื่อนำกระแสไฟฟ้าหลัก โดยแบ่งออกได้อีก2ชนิดคือ ชนิดเอนพีเอน(NPN) และชนิดพีเอนพี(PNP) ตามลักษณะของการประกบสารกึ่งตัวนำ
ทรานซิสเตอร์แบบสนามไฟฟ้า (Field-effect transistor)
ทรานซิสเตอร์แบบสนามไฟฟ้า(FET) มีขาต่อสามขา คือ ขา เดรน(drain) เกท(gate) ซอร์ส(source) หลักการทำงานแตกต่างจากทรานซิสเตอร์แบบหัวต่อไบโพลาร์(BJT) นั่นคืออาศัยสนามไฟฟ้าในการสร้างช่องนำกระแส(channel) เพื่อให้เกิดการนำกระแสของตัวทรานซิสเตอร์ ในแง่ของการนำกระแส ทรานซิสเตอร์แบบสนามไฟฟ้าและแบบหัวต่อไบโพลาร์มีลักษณะของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านอุปกรณ์ที่แตกต่างกัน นั่นคือกระแสในทรานซิสเตอร์แบบหัวต่อไบโพลาร์จะเป็นกระแสที่เกิดจากพาหะส่วนน้อย(minor carrier) แต่กระแสในทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าจะเกิดจากพาหะส่วนมาก(major carrier)
ทรานซิสเตอร์แบบสนามไฟฟ้าฟ้าแบ่งเป็น 3 ประเภทหลักๆ คือ
- JFET
- MESFET
- MOSFET ซึ่งแบ่งเป็นสองแบบคือ แบบ depletion และ enhancement
ทรานซิสเตอร์แบบสนามไฟฟ้าประเภทที่นิยมใช้กันมากที่สุดในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ คือ MOSFET




การใช้งานทรานซิสเตอร์


ทรานซิสเตอร์นั้นมักจะนำมาใช้งานเกี่ยวข้องกับวงจรที่มีความแตกต่างกันออกไปคือ
1. การใช้งานทำหน้าที่ในการขยายสัญญาณ สัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก สามารถขยายให้ใหญ่ขึ้นได้โดยใช้ทรานซิสเตอร์ทำหน้าที่ ขยายสัญญาณให้ใหญ่ขึ้น เช่น เครื่องขยายเสียง เครื่องส่งวิทยุ เป็นต้น
2. การใช้งานเป็นสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ เราใช้ทรานซิสเตอร์ทำงานแทนสวิตช์ได้ เพราะทรานซิสเตอร์จะถูกควบคุมด้วยกระแส ไฟฟ้าจำนวนน้อยมาก และการใช้งานแทนสวิตช์นี้จะไม่ทำให้เกิดเสียงดังเวลา เปิด/ปิด

โฟโต้ทรานซิสเตอร์ (Photo Transistor)
โฟโต้ทรานซิสเตอร์ (Photo Transistor) จะประกอบด้วยโฟโต้ไดโอดซึ่งจะต่ออยู่ระหว่างขาเบสกับคอลเลคเตอร์ ของทรานซิสเตอร์ ดังรูป 2 กระแสที่เกิดขึ้นจากาการเปลี่ยนแปลงของแสงจะถูกขยายด้วยทรานซิสเตอร์ (Transistor) ในการใช้งานโฟโต้ทรานซิสเตอร์ รอยต่อระหว่างเบส-อิมิตเตอร์ (Base-Emitter) จะต่อไบอัสกลับ (Reverse Bias) ที่รอยต่อนี้เองเป็นส่วนที่ทำให้เกิดการแปลงค่ากระแสที่ขึ้นอยู่กับความเข้มแสง







รูปที่ 2 แสดงสัญลักษณ์ โครงสร้าง และวงจรสมมูล ของโฟโต้ทรานซิสเตอร์





เมื่อไบอัสกลับ (Reverse Bias) ที่รอยต่อระหว่างเบสกับคอลเลคเตอร์ (Base-Collecter) และมีแสงตกกระทบที่บริเวณรอยต่อ กระแสอันเนื่องจากแสง (IP) จะถูกขยายด้วยอัตราขยายของทรานซิสเตอร์เป็นกระแสอิมิตเตอร์ (IE) และถ้าไบอัสตรงที่ขาเบสด้วยกระแสเบส (IB) จากภายนอกก็จะถูกขยายรวมกับกระแสเนื่องจากแสง (IP) ด้วย

ถ้าให้ IP = กระแสที่เกิดขึ้นเนื่องจากแสง
IB = กระแสเบสที่มาจากภายนอก
IE = กระแสอิมิตเตอร์
hfe = อัตราขยายของทรานซิสเตอร์

จากสมการของทรานซิสเตอร์คือ

IC = hfeIB

และ
IE = IC + ( IB IP )

จะได้
IE = IC + ( IB IP ) hfe + I

จะเห็นได้ว่ากระแส IE เปลี่ยนแปลงตามกระแส IP ด้วยอัตราขยายถึง hfe+1 เท่าซึ่งถ้า IP มีค่าเปลี่ยนแปลงจาก 1-10ตA และทำให้ hfe มีค่าประมาณ 100 จะได้ค่า IE เปลี่ยนแปลงจาก 100ตA ถึง 1mA
อัตราขยายกระแสยิ่งสูงจะทำให้ผลตอบสนองต่อแสงจะไวขึ้น ค่า hfe สูงๆ จะต้องทำให้รอยต่อระหว่างเบสกับคอลเล็กเตอร์มีพื้นที่มาก แต่ก็ทำให้กระแสรั่วไหลสูงขึ้นด้วย เพราะรอยต่อจะถูกไบอัสกลับ (Revese Bias)