ทรานซิสเตอร์

ข้อมูลจาก : http://www.chontech.ac.th/~electric/e-learn/unit12/unit12.htm

ทรานซิสเตอร์สร้างมาจากวัสดุประเภทสารกึ่งตัวนำชนิด P และชนิด N มารวมกันโดยทำให้เกิดรอยต่อระหว่างเนื้อสารนี่สองรอยต่อ โดยสามารถจัดทรานซิสเตอร์ได้ 2 ชนิด คือ

1. ทรานซิสเตอร์ชนิด NPN
2. ทรานซิสเตอร์ชนิด PNP

รอยต่อจากเนื้อสารทั้ง 3 นี้ มีจุดต่อเป็นขาทรานซิสเตอร์ เพื่อใช้เชื่อมโยงหรือบัดกรีกับอุปกรณ์อื่นดังนั้นทรานซิสเตอร์จึงมี 3 ขา มีชื่อเรียกว่า คอลเลคเตอร์ (สัญลักษณ์ C ) อิมิตเตอร์ (สัญลักษณ์ E ) และ เบส (สัญลักษณ์ B ) รูปร่างโครงสร้างและสัญลักษณ์ของทรานซิสเตอร์

โครงสร้างทรานซิสเตอร์ PNP โครงสร้างทรานซิสเตอร์ NPN

ทรานซิสเตอร์ PNP ทรานซิสเตอร์ NPN

การสร้างทรานซิสเตอร์

     การสร้างทรานซิสเตอร์ทั้งชนิด NPN และ PNP จะทำการเชื่อมส่วนที่ได้รับการโตปที่แตกต่างกันทั้ง 3 ส่วน ด้วยกระบวนการที่เรียกว่า การแพร่กระจาย ตัวอย่าง เช่น การสร้างทรานซิสเตอร์ประเภท NPN การบวนการสร้างจะเริ่มจากการแพร่กระจายส่วนที่เป็น p-type ของเบสเข้ากับส่วนที่เป็น n-type ของคอลเลคเตอร์ หลังจากส่วนของเบสที่เป็น p-type เริ่มเข้ารูปก็จะทำการแพร่กระจายส่วนที่เป็น n-type ของอิมิตเตอร์ให้เข้ากับส่วนที่เป็น p-type ของเบส ก็จะได้ทรานซิสเตอร์ NPN ที่เสร็จสมบูรณ์

รูปลักษณะของทรานซิสเตอร์

ทรานซิสเตอร์แบบ Low Power จะบรรจุอยู่ในตัวถังที่เป็นโลหะพลาสติกหรืออีป๊อกซี รูปลักษณะของทรานซิสเตอร์ประเภท Low Power ทั้ง 4 ชนิด แสดง

   โดยจะมีลวดตัวนำยื่นออกมาจากส่วนล่างของตัวถัง เหตุผลที่ถูกออกแบบในลักษณะนี้เนื่องจาก เมื่อใช้ทรานซิสเตอร์ประเภทนี้ในวงจรจะต้องเสียบขาทรานซิสเตอร์ในช่องเสียบบนแผ่นวงจรก่อนที่จะทำการบัดกรี
    ทรานซิสเตอร์แบบ High Power ดังแสดงในรูป ทรานซิสเตอร์ประเภทนี้ถูกออกแบบเพื่อให้สามารถติดตั้งโครงสร้างที่เป็นโลหะ ทั้งนี้เพื่อให้โลหะที่ทรานซิสเตอร์ติดตั้งอยู่ทำหน้าที่ระบายความร้อนให้กับทรานซิสเตอร์ประเภทนี้ สำหรับลวดตัวนำที่ต่อยื่นออกมาจะเป็นขาต่าง ๆ ของทรานซิสเตอร์ ถ้าในกรณีที่มี 2 ขา โดยขาที่ยื่นออกมาจะหมายถึง ขาเบส และขาอิมิตเตอร์ ส่วนตัวถังจะทำหน้าที่เป็นขาคอลเลคเตอร์

การทำงานของทรานซิสเตอร์

     รูปแสดงทรานซิสเตอร์ชนิด NPN และชนิด PNP จากภาพขยายจะเห็นว่าทรานซิสเตอร์นั้นจะประกอบด้วยไดโอดจำนวน 2 ตัว ได้แก่ เบส - คอลเลคเตอร์ไดโอด และเบส-อิมิตเตอร์ไดโอด โดยเมื่อเป็นทรานซิสเตอร์ชนิด NPN ไดโอดทั้งสองจะต่อกันแบบหลังชนหลัง แต่ถ้าเป็นทรานซิสเตอร์ชนิด PNP ไดโอดทั้งสองจะชี้เข้าไปยังขาเบส

ทรานซิสเตอร์ที่ทำงานเป็นสวิตซ์

     การนำทรานซิสเตอร์ไปใช้งานเป็นสวิตซ์การปิดเปิดวงจรของทรานซิสเตอร์จะถูกควบคุมโดยเบส-อิมิตเตอร์ไดโอด (B-E) นั่นคือ เมื่อ เบส-อิมิตเตอร์ไดโอด ได้รับไบอัสตรงทรานซิสเตอร์จะอยู่สภาวะ ON แต่ถ้าเบส-อิมิตเตอร์ไดโอดได้รับไบอัสกลับทรานซิสเตอร์ก็จะอยู่ในสภาวะ OFF

โดยการป้อนกระแสเบส ( IB ) ให้กับเบสของทรานซิสเตอร์ เพื่อให้รอยต่อระหว่างคอลเลคเตอร์กับ อิมิตเตอร์นำกระแสได้ และต้องจ่ายกระแสเบสให้ทรานซิสเตอร์นำกระแสจนอิ่มตัวจะเกิดกระแสไหลผ่านรอยต่อคอลเลคเตอร์กับอิมิตเตอร์ เปรียบได้ว่าสวิตซ์ระหว่างจุด C และ E ทำงานได้

ดังรูปเมื่อหยุดปล่อยกระแสเบสให้กับเบสของทรานซิสเตอร์จะไม่สามารถทำงานเป็นสวิตซ์ได้ กระแสคอลเลคเตอร์จะไม่ไหลผ่านรอยต่อไปสู่อิมิตเตอร์ ( IC = 0 ) ขณะนี้ทรานซิสเตอร์จะอยู่ในสภาวะคัตออฟ เปรียบได้ว่าสวิตซ์ระหว่างจุด C และ E เปิดสวิตซ์ระหว่างจุด C และ E เปิดสวิตซ์ทำงานไม่ได้

ทรานซิสเตอร์ที่ทำงานเป็นตัวต้านทานชนิดปรับค่าได้

      การใช้งานทรานซิสเตอร์นอกจากจะใช้เป็นสวิตซ์เปิดปิดวงจรแล้วความสามารถด้านอื่นของทรานซิสเตอร์ คือ ใช้เป็นตัวต้านทานชนิดปรับค่าได้

ที่ผ่านมาจะเห็นได้ว่าแรงดันไฟฟ้า +5 V ที่เบสอินพุตทำให้เกิดค่าความต้านทานต่ำระหว่างอิมิตเตอร์และคอลเลคเตอร์ (ปิดสวิตซ์) และเมื่อให้แรงดันไฟฟ้า O V จ่ายเข้าที่เบสอินพุต กลับทำให้เกิดค่าความต้านทานสูงระหว่างอิมิตเตอร์และคอลเลคเตอร์ (เปิดสวิตซ์)

การจัดไบอัสให้กับทรานซิสเตอร์

     จากที่ทราบแล้วว่าไดโอดชนิดรอยต่อ P-N เมื่อได้รับไบอัสตรงจะยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้แต่ถ้าได้รับการไบอัสกลับไดโอดจะแสดงคุณสมบัติต้านการไหลของกระแสไฟฟ้า สำหรับทรานซิสเตอร์ก็เช่นเดียวกัน จะต้องได้รับการไบอัสที่เหมาะสมจึงจะทำให้ทรานซิสเตอร์ทำงานได้ถูกต้อง

รูปการไบอัสทรานซิสเตอร์ NPN และ PNP

จะเห็นว่าขาเบสและอิมิตเตอร์ได้รับการไบอัสตรง ขณะที่ขาเบสและคอลเลคเตอร์ได้รับการไบอัสกลับ เพราะว่าขาเบสกับขาอิมิตเตอร์เป็นวงจรอินพุต และขาเบสกับคอลเลคเตอร์เป็นวงจรเอาท์พุต

การจัดไบอัสให้แก่ทรานซิสเตอร์ชนิด NPN 

พิจารณาการทำงานของทรานซิสเตอร์กชนิด NPN

เมื่อให้ไบอัสตรงกับรอยต่อ BE จะทำให้บริเวณปปลอดพาหะที่รอยต่อ BE แคบลงและที่รอยต่อระหว่าง BC ได้ไบอัสกลับจะทำให้บริเวณปลอดพาหะที่รอยต่อ BC มีความกว้างมากขึ้น

จึงเกิดกระแสจำนวนเล็กน้อยไหลข้ามรอยต่อ BE จึงเรียกกระแสนี้ว่า กระแสเบส ( IB ) เป็นผลให้มีอิเล็กตรอนจำนวนหนึ่งเคลื่อนที่ในรอยต่อ BE

      ในขณะเดียวกันที่คอลเลคเตอร์บริเวณรอยต่อ BC จะมีประจุพาหะบวกอยู่จำนวนมากจะพยายามดึงอิเล็กตรอนที่เบสข้ามรอยต่อ BC ทำให้เกิดกระแสคอลเลคเตอร์ ( IC ) ไหลเป็นจำนวนมาก และไหลออกจากคอลเลคเตอร์มารวมกับกระแสเบส ( IB ) กระแสทั้งสองจำนวนนี้จะไหลไปสู่ขาอิมิตเตอร์เป็นกระแสอิมิตเตอร์ ( IE ) เป็นไปตามสมการ

รูปแบบการต่อใช้งานของทรานซิสเตอร์

        ถึงแม้ว่าทรานซิสเตอร์จะถูกนำไปใช้งานในวงจรต่าง ๆ มากมาย แต่วงจรเหล่านั้นก็ยังสามารถที่จะจัดแยกออกเป็นกลุ่มได้ 3 รูปแบบ ดังนี้
1. วงจรอิมิตเตอร์ร่วม C- E (Common - Emitter)

สัญญาณอินพุตจะถูกป้อนเข้ามาระหว่างขาเบส และขาอิมิตเตอร์ ในขณะที่สัญญาณเอาต์พุตจะปรากฏระหว่างขาคอลเลคเตอร์และขาอิมิตเตอร์ จากการจัดรูปแบบของวงจรในลักษณะนี้ จะเห็นว่าสัญญาณอินพุตจะเป็นตัวควบคุมกระแสเบสของทรานซิสเตอร์ซึ่งก็จะเป็นการควบคุมกระแสคอลเลคเตอร์ซึ่อเป็นเอาต์พุตของวงจรด้วย ส่วนขาอิมิตเตอร์จะขาร่วม ( Common)

2. วงจรเบสร่วม C-E ( Common - Bars )

สัญญาณอินพุตจะถูกป้อนเข้าระหว่างขาอิมิตเตอร์และขาเบส โดยสัญญาณเอาต์พุตจะไปปรากฏคร่อมอยู่ระหว่างขาคอลเลคเตอร์และขาเบส ส่วนขาเบสของวงจรรูปแบบนี้จะใช้เป็นขาร่วม (Common ) ให้กับทั้งอินพุตและเอาต์พุต

3. วงจรคอลเลคเตอร์ร่วม C-C ( Common - Collector

โดยสัญญาณอินพุตจะถูกป้อนเข้ามาระหว่างขาเบส และขาคอลเลคเตอร์ส่วนสัญญาณเอาต์พุตที่ได้จะไปปรากฏคร่อมขาอิมิตเตอร์ และขาคอลเลคเตอร์โดยจะใช้ขาคอลเลคเตอร์เป็นขาร่วม (Common ) ของทั้งอินพุตและเอาต์พุต

การทดสอบทรานซิสเตอร์

การทดสอบทรานซิสเตอร์ด้วยโอห์มมิเตอร์
ความผิดพลาดที่เกิดจากทรานซิสเตอร์ที่พบเสมอคือ การจัดวงจร และการเปิดวงจรระหว่างรอยต่อของสารกึ่งตัวนำของทรานซิสเตอร์

      จากรูปจะเห็นว่า ถ้าให้ไบอัสกลับแก่อิมิตเตอร์ไดโอดและคอลเลคเตอร์ไดโอดของทรานซิสเตอร์ ความต้านทานจะมีค่าสูง แต่ถ้าความต้านทานมีค่าต่ำให้สันนิษฐานว่ารอยต่อระหว่างขาของทรานซิสเตอร์เกิดลัดวงจร ในทำนองเดียวกันถ้าไบอัสตรงแล้ววัดค่าความต้านทานได้สูงก็ให้สันนิษฐานว่ารอยต่อระหว่างขาเกิดลัดวงจร

การทดสอบเพื่อหาตำแหน่งขาทรานซิสเตอร์
     ในการพิสูจน์หาตำแหน่งของทรานซิสเตอร์ โดยการสังเกตดูว่า ขาใดอยู่ใกล้กับขอบเดือยเป็นขา E ขาที่อยู่ตรงข้ามเป็นขา C ส่วนตำแหน่งกลางคือขา B

การทดสอบหาชนิดของทรานซิสเตอร์ NPN และ PNP

1. เลือกขาตำแหน่งกลาง แล้วสมมุติให้เป็นขาเบส จากนั้นนำสายวัด(--) ของโอห์มมิเตอร์มาแตะที่ขาเบส ส่วนสายวัด ( + ) ให้นำมาแตะกับสองขาที่เหลือ
2. ถ้าความต้านทานที่อ่านได้จากการแตะขาทั้งสองมีค่าต่ำ สรุปได้ทันทีว่า ขาที่ตำแหน่งกลางเป็นขาเบส และทรานซิสเตอร์ที่ทำการวัดนี้เป็นชนิด PNP
3. สำหรับขาอิมิตเตอร์ คือ ขาที่อยู่ใกล้ตำแหน่งเดือย และขาที่เหลือคือขาคอลเลคเตอร์นั่นเอง
4. ถ้าความต้านทานที่อ่านได้มีค่าสูงให้สลับสายวัด
5. ถ้าความต้านทานที่อ่านได้จากการแตะขาทั้งสองมีค่าต่ำ สรุปได้ทันที ขาตำแหน่งกลางคือขาเบส และเป็นทรานซิสเตอร์ชนิด NPN
6. ถ้าหากว่าความต้านทานต่ำไม่ปรากฏในทั้งสองกรณี ให้เปลี่ยนเลือกขาอื่นเป็นขาเบส แล้วทำตามขั้นตอนเดิม