تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

ما هو الترانزستور؟

الترانزستور عنصرٌ شبه موصل يَتحكَّم في الجهد، وتدفُّق التيار، والإشارات الإلكترونية، ويقومُ بتضخيمها، ويَعمل كمفتاحٍ لها. يتكوَّن الترانزستور من ثلاث طبقات أو أطراف هيَ: الباعث، والمجمع، والقاعدة، كلٌ منها يُمكن أن يَحمل تياراً كهربائياً. تُعتبرُ الترانزستورات أحد المُكونات الأساسية في مُعظم الدارات الإلكترونية التي نَستخدمها اليوم، كما يُعتبرُ من أفضل الاختراعات في تاريخ العلوم والهندسة. تُستخدم الترانزستورات ضمنَ رقائق ذواكر الحواسيب، والهواتف المحمولة، ومُحركات السيارات، وغيرها منَ الأجهزة الإلكترونية الحديثة.

تاريخ اختراع الترانزستور

تَمَّ اختراع وتَطوير الترانزستور لأوَّل مرَّة في عام 1948 في مختبرات بيل التابعة لشركة الهاتف والتلغراف الأمريكية، وذلكَ على يد ثلاثة مخترعين أمريكيين، هم دبليو شوكلي، وجي. باردين، ودبليو براتين، وحصلوا على جائزة نوبل نتيجةً لهذا الاختراع الذي كان بمثابة ثورةٍ علمية، وإعلانٍ لبزوغِ فجر العصر الإلكتروني، حيثُ شهدت السنوات اللاحقة لاختراع الترانزستور تطوراً سريعاً في الأجهزة الإلكترونية.

وسرعان ما حلّت الترانزستورات محل الأنابيب المُفرغة (الصمامات) كمنظّمٍ للإشارة الإلكترونية، ومعَ انخفاض حجم الترانزستورات، انخفضت تكاليفها، مما خلقَ المزيد منَ الفرص لاستخدامها في التطبيقات المُختلفة. وبحلول أواخر الخمسينيات منَ القرن الماضي، حلَّت الترانزستورات في العديد منَ التطبيقات نتيجةً لحجمها الصغير، وتوليدها المُنخفض للحرارة وموثوقيتها العالية، واستهلاكها المُنخفض للطاقة، وخلال ستينيات وسبعينيات القرن العشرين، تمَّ دمج الترانزستورات في الدوائر المُتكاملة، حيثُ تمَّ تشكيل العديد منَ المكونات، مثل: الثنائيات، والمقاومات، والمكثفات على شريحةٍ واحدةٍ منَ مادة شبه موصلة.

إنَّ دمج الترانزستورات معَ المقاومات وغيرها منَ الثنائيات والمكونات الإلكترونية الأخرى جعلَ الدوائر المُتكاملة أصغر حجماً، ويتعلَّق هذا التصغير للدوائر الإلكترونية بقانون مور، الذي ينصُّ على أنَّ عدد الترانزستورات في دارةٍ مُتكاملةٍ سوفَ يتضاعف كل عامين. ^{[1] [2]}

أشباه الموصلات

تُصنَّع الترانزستورات من مواد نصف ناقلة (شبه موصلة)، مثل: السيليكون، أو الجرمانيوم القادرة على السماح للتيار الكهربائي بالتدفُّق من خلالها بطريقةٍ يُمكن التحكُّم فيها. أشباه الموصلات، هيَ مواد مثل: السيليكون، أو الجرمانيوم التي تقعُ موصلتها الكهربائية في منتصف المسافة بينَ العوازل، مثل: الزجاج، والموصلات، مثل: الألومنيوم. يُمكن التحكُّم في الخصائص الموصلة لأشباه الموصلات عن طريق (تطعيمها) بشوائب مُختارة.

يتمُّ حقن (تطعيم) مواد الترانزستورات أو معُالجتها بالشوائب لإنشاء بنيةٍ تُسمّى ثنائي p-n، حيثُ يُشير الرمز (p) إلى الموجب و(n) يُشير إلى السالب، وتدلُّ هذهِ الرموز إلى نوع الذرات النشطة (الشوائب) التي تمّت إضافتها إلى مادة أشباه الموصلات. ^[3]

مكونات الترانزستور

كما ذكرنا سابقاً، يتكوَّن الترانزستور من ثلاث طبقات أو أطراف شبه موصلة تُساعد على الاتصال بأيَّة دارةٍ كهربائية خارجية، وتَحملُ جميع الطبقات تياراً كهربائياً، وهذهِ الطبقات هي: ^[4]

1- الباعث

وهوَ الطبقة العليا منَ الترانزستور الذي يَعمل كمصدرٍ للإلكترونات، ويتكوَّن من مادة موصلة، مثل: النحاس، أو الألومنيوم.

2- القاعدة

وهيَ الطبقة الوسطى منَ الترانزستور التي تَعملُ كنقطة تَحكُّم، حيثُ تقوم بتنظيم تدفُّق الإلكترونات منَ الباعث إلى المجمع.

3- المجمع

وهوَ الطبقة السفلية للترانزستور، والذي يعمل كمصرف، حيثُ يقوم بتجميع الإلكترونات المُرسلة منَ الباعث، ويكون المجمع أكبر منَ الباعث والقاعدة، ويُصنع من مواد أقل موصلية، مثل: السيليكون، أو الألومنيوم.

آلية عمل الترانزستورات

تؤثِّر الإشارة الكهربائية المُطبقة على القاعدة على قدرة المادة شبه الموصلة على توصيل التيار الكهربائي الذي يتدفّق بينَ الباعث والمجمع، ويعملُ مصدر الجهد مثل البطارية على تشغيل التيار، بينما يَخضع مُعدَّل تدفُّق التيار عبرَ الترانزستور في أيَّة لحظة إلى إشارة دخل عندَ البوابة، مثلما يُستخدم صمام الصنبور لتنظيم تدفُّق المياه عبرَ الخرطوم.

فعندما يتدفّق تيار صغير عبرَ القاعدة، فإنَّه يتحكم في تدفُّق تيارٍ أكبر بكثير بينَ الباعث والمجمع، ويرجعُ ذلكَ إلى حقيقة أنَّ وصلة الباعث والقاعدة مُنحازة للأمام، مما يَسمح للإلكترونات بالتدفّق منَ الباعث إلى القاعدة، وبما أنَّ نقطة تقاطع المجمع القاعدي مُتحيزة عكسياً، لذا تُمنع الإلكترونات منَ التدفُّق عبرَ القاعدة إلى المجمع. تسمحُ هذهِ العملية للقاعدة بالتحكم في تدفُّق التيار بينَ الباعث والمجمع، وبحسب طريقة بناء الترنزيستور يمكنُ تصنيعهُ على نوعين هما: ^[5]

1- بناء الترانزستور PNP

في هذا النوع من الترانزستورات من النوع N، يتمُّ وضع الترانزستور بينَ طبقتين من أشباه الموصلات منَ النوع P، كما هوَ موضَّح في الرسم البياني. في الترانزستورات منَ نوع PNP، يحدثُ التوصيل من خلال ثقوب تَحمل شحنةً موجبة، بمعنى آخر يُمكن توصيلها في غياب الإلكترونات.

2- بناء الترانزستور NPN

في هذا النوع منَ الترانزستورات، يتمُّ وضع الترانزستور من النوع P بينَ طبقتين من أشباه الموصلات منَ النوع N، كما هوَ موضَّح في الرسم البياني. في الترانزستورات منَ نوع NPN، يحدثُ التوصيل من خلال الإلكترونات وليسَ عن طريق الثقوب. إنَّ الإلكترونات ذات الشحنة السالبة تمرُّ منَ الباعث إلى القاعدة، ويتمُّ جمعها بواسطة المجمع، كما أنَّ القاعدة تتحكَّم في عدد الإلكترونات أيضاً.  

يتمُّ دمج الترانزستورات لتكوين بواباتٍ منطقية، والتي تقوم بمُقارنة إشارات الإدخال المُتعددة لتوفير مخرجات مُختلفة، ويمكنُ لأجهزة الكمبيوتر ذات البوابات المنطقية اتخاذ قراراتٍ بسيطةٍ باستخدام الجبر البوليني، وهذهِ التقنيات هيَ أساس الكمبيوترات الحديثة.

أنواع الترانزستورات

هناكَ أنواعٍ مُختلفةٌ للترانزستورات وفقاً لتصنيعها والغرض منها، وأكثرها شيوعاً هوَ ترانزستور التأثير الحقلي لأشباه الموصلات وأكسيد المعدن (MOSFET)، والذي يُستخدم على نطاقٍ واسعٍ في الأجهزة الإلكترونية، مثل: أجهزة الكمبيوتر، والهواتف الذكية، وأجهزة التلفزيون، حيثُ يُستخدم كبوابةٍ مَعزولةٍ للتحكم في تدفُّق الإلكترونات. ومن الأنواع الأخرى المُهمة للترانزستورات نذكر ما يلي: ^{[6] [7]}

– ترانزستور تأثير مجال الوصلات (JFET): يتحكَّم في التيار من خلال المجال الكهربائي المُطبَّق عبرَ مادة شبه موصلة.

– الترانزستور ثنائي القطب ذو البوابة المَعزولة (IGBT): يجمع بينَ ميزات كل من الترانزستور MOSFET وترانزستور الوصلة ثنائي القطب (BJT)، الذي يُستخدم في التطبيقات عالية الطاقة.

– ترانزستور الأغشية الرقيقة (TFT): يُستخدم في شاشات العرض المُسطّحة وأجهزة الاستشعار.

– ترانزستور التنقل الإلكتروني العالي (HEMT): يتمُّ استخدامهُ للتشغيل عالي السرعة وأداء مُنخفض الضوضاء.

– ترانزستور التأثير الميداني المقلوب (ITFET): يَستخدم القاعدة على شكل حرف T مقلوبة، وذلك لتحسين الأداء.

– ترانزستور تأثير المَجال الثنائي الفوقي السريع (FREDFET): يتمُّ استخدامه لتطبيقات التبديل عالية السرعة معَ وقت استردادٍ عكسي مُنخفض.

– ترانزستور شوتكي: يَستخدم حاجز شوتكي عندَ تقاطع المجمع مع القاعدة، وذلكَ لتحسين سرعة التبديل.

– ترانزستور تأثير المجال النفقي (TFET): يُستخدم في التشغيل مُنخفض الطاقة.

– ترانزستور تأثير المجال العضوي (OFET): يُستخدم للإلكترونيات وشاشات العرض المَرنة.

– ترانزستور الانتشار: يَستخدم وصلات أشباه الموصلات المُنتشرة للتضخيم.

تطبيقات الترانزستور

كانت التطبيقات التجارية الأولى للترانزستورات مُخصصةً لأجهزة السمع وأجهزة الراديو الجيبية خلال الخمسينيات منَ القرن الماضي، وذلكَ نظراً لصغر حجمها واستهلاكها المُنخفض للطاقة، حيثُ كانت الترانزستورات بدائل مَرغوبة للأنابيب المُفرغة (المَعروفة باسم الصمامات)، والتي كانت تُستخدم بعدَ ذلك لتضخيم الإشارات الكهربائية الضعيفة، وإنتاج أصواتٍ مَسموعة. وسنذكر هنا أهمّ التطبيقات الهامة للترانزستورات: ^[2]

1- التبديل

يُمكن للترانزستورات أن تَعمل مثل المفاتيح الإلكترونية، وذلكَ من خلال تطبيق جهدٍ صغير، إذ يُمكن التحكُّم في تدفُّق تيارٍ كبيرٍ أو إيقافه، وتُعتبر هذهِ الميزة ضرورية للدوائر الرقمية وأساس أجهزة الكمبيوتر الحديثة والعديد من الأجهزة الأخرى، حيثُ تبلغ سرعة التبديل المُحتملة لهذهِ الترانزستورات الآن مئات الجيجا هيرتز، أو أكثر من 100 مليار دورة تَشغيل وإيقاف في الثانية.

2- التضخيم

يُمكن للترانزستورات التقاط إشارة كهربائية ضعيفة، وجعلها أقوى بكثير، ويُعدُّ هذا أمراً ضرورياً للتطبيقات، مثل: أدوات السمع، ومُكبرات الصوت للآلات الموسيقية، وتكنولوجيا الراديو.

3- الدوائر المُتكاملة

يتمُّ تصغير الترانزستورات ودمجها بأعدادٍ كبيرة في شرائح السيليكون الصغيرة لإنشاء دوائر متكاملة مُعقدة، وتمثل هذهِ الدوائر المُتكاملة قلب الإلكترونيات الحديثة، وهيَ موجودة في كل شيء بدءاً من الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر، وحتى السيارات والأجهزة الطبية.

4- الذواكر

تُستخدم الترانزستورات في أجهزة الذواكر المُختلفة، مثل: ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، وذاكرة الفلاش، والتي تُمكِّن الأجهزة الإلكترونية من تخزين البيانات واسترجاعها.

5- البوابات المنطقية

يُمكن دمج الترانزستورات لتكوين بواباتٍ منطقية، وهيَ اللبنات الأساسية للدوائر الرقمية، وتقومُ البوابات المنطقية بتنفيذ العمليات الأساسية، مثل: AND، وOR، وNOT، مما يَسمح بإجراء عملياتٍ حسابيةٍ مُعقدةٍ داخل الأجهزة الإلكترونية.

6- الهواتف المَحمولة

في الهواتف المَحمولة، تَعمل الترانزستورات على تضخيم الإشارات، والتحكُّم في مصدر الطاقة للمكونات المُختلفة.

7- السيارات

تستخدم السيارات والشاحنات الحديثة الترانزستورات للتحكُّّم في المحركات، ومحولات الطاقة للمحركات الكهربائية، ونوافذ الطاقة والأنظمة الإلكترونية الأخرى، ففي السيارات الكهربائية، تتحكَّم الترانزستورات في تدفُّق الكهرباء في أنظمة الطاقة الإلكترونية، مما يَسمح بتحويل وتوزيع الطاقة بكفاءة.

8- الفضاء والتكنولوجيا العسكرية

إنَّ حجم الترانزستورات الصغير، واستهلاكها المُنخفض للطاقة، وخصائصها عالية الأداء يَجعلها مثاليةً للاستخدام في الأقمار الصناعية، والصواريخ، والأنظمة الإلكترونية الأخرى المُستخدمة للدفاع والاستكشاف.

9- الروبوتات

الترانزستورات قادرة على مُعالجة مُدخلاتٍ مُتعددةٍ في وقتٍ واحد، مما يَسمح لها بالتفوّق في المهام المُتعلِّقة بالذاكرة، لذا تقوم بدعم الأنظمة الروبوتية المُتقدِّمة.

10- الرعاية الصحية

تُستخدم الترانزستورات في الأجهزة الصحية، كتشغيل مراقبة البيانات الصحية في الوقت الفعلي.

11- الطاقة

تلعبُ الترانزستورات دوراً رئيسياً في أجهزة التحكُّم بالشحن الشمسي، والتي تنظم التيار الكهربائي بينَ مكونات نظام الألواح الشمسية. 

12- التصنيع

في المصانع، يُمكن للترانزستورات أن تَعمل كمفاتيح لتشغيل الآلات في الأوقات المناسبة، يمكنها أيضاً تنظيم أنظمة الإضاءة (LED)، مما يُساهم في السلامة في مكان العمل ضمن منشآت التصنيع.

بعض عيوب الترانزستورات

سنذكرُ بعض عيوب الترانزستورات، والتي يحاول العلماء التغلُّب عليها، وهي: ^[8]

1- عندما يكون تَردُّد التبديل مُرتفعاً، يكون فقدان الطاقة كبيراً في الترانزستور، لذا تتولَّد كمية كبيرة منَ الحرارة تؤدي لتسخينٍ كبير للترانزستور، وبالتالي حدوث عطبٍ للدارة الإلكترونية.

2- تُعتبر الترانزستورات حساسةً للإشعاعات، وخصوصاً للأشعة الكونية.

3- منَ الصعب تحديد نوع العطب، وإصلاح الترانزستورات المُتضرّرة بسبب صغر حجمها.

4- تنتجُ الترانزستورات طاقةً قليلةً، وهي غير كافيةٍ للإشارات والأجهزة الإلكترونية.

مُستقبل الترانزستورات

تُشير الابتكارات الحديثة في الترانزستورات أنَّ الحجم الأصغر والكفاءة المُتزايدة هما الطريق إلى مُستقبل تطوير داراتٍ إلكترونيةٍ أصغر وأكثر كفاءة، وتكون هذهِ الترانزستورات على مستوى النانو، حيثُ تكون أكثر إحكاماً وأسرع منَ التصميمات الحالية، لذا تقومُ شركات، مثل: IBM بالبحث، واختبار ابتكاراتٍ جديدةٍ لوضع صفائح النانو في هذهِ الترانزستورات المستقبلية.

غالباً ما يتمُّ الحديث عن الحوسبة الكمومية، وكيفَ ستؤدي أجهزة الكمبيوتر الكمومية مهام معالجةٍ معُينةٍ بشكلٍ أسرع منَ أجهزة الكمبيوتر التقليدية التي تَعتمدُ على الترانزستورات، ولكن منَ المرجّح أن تظل التكنولوجيا القائمة على الترانزستور مهمة، ويمكنُ للشركات التي تصنع أجهزة الكمبيوتر الكمومية تطبيقها على مهام مُعالجة أكثر تعقيداً، مثل: تحليل مجموعات البيانات الضخمة التي تتطلب حوسبة مُعقدة للغاية بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر التقليدية. ^[9]