ทรานซิสเตอร

1

 

ทรานซิสเตอร์

 

ทรานซิสเตอร์เป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่สามารถทำหน้าที่ ขยายสัญญาณไฟฟ้า เปิด/ปิดสัญญาณไฟฟ้า คงค่าแรงดันไฟฟ้า หรือกล้ำสัญญาณไฟฟ้า (modulate) เป็นต้น การทำงานของทราสซิสเตอร์เปรียบได้กับวาลว์ที่ถูกควบคุมด้วยสัญญาณไฟฟ้าขาเข้า เพื่อปรับขนาดกระแสไฟฟ้าขาออกที่มาจากแหล่งจ่ายแรงดัน

 

ทรานซิสเตอร์แบ่งได้เป็นสองประเภทคือ ทรานซิสเตอร์แบบรอยต่อคู่ (Bipolar Junction Transistor, BJTs) และทรานซิสเตอร์แบบสนามไฟฟ้า (Field Effect Transistors,FETs) ทรานซิสเตอร์จะมีขาเชื่อมต่อสามจุด อธิบายโดยย่อคือเมื่อมีการปรับเพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่ขาหนึ่งจะส่งผลให้ความนำไฟฟ้าระหว่างขาที่เหลือสูงขึ้นอันทำให้สามารถควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้าได้ อย่างไรก็ตามหลักทางฟิสิกส์ในการทำงานของทรานซิสเตอร์ทั้งสองแบบ(ชนิดรอยต่อคู่และชนิดสนามไฟฟ้า)มีความแตกต่างกันอยู่มาก ในวงจรอนาลอกนั้นทรานซิสเตอร์จะถูกใช้ขยายสัญญาณต่างๆ เช่น สัญญาณเสียง สัญญาณความถี่วิทยุ หรือควบคุมระดับแรงดัน รวมทั้งเป็นแหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบสวิชชิ่งในเครื่องคอมพิวเตอร์ด้วย ทราสซิสเตอร์ก็ยังถูกใช้ในวงจรดิจิทัล เพียงแต่ใช้งานในลักษณะการเปิด/ปิดเท่านั้น วงจรดิจิทัลเหล่านั้นได้แก่ วงจรตรรกะ (Logic gate), หน่วยความจำแบบสุ่ม (Random Access Memory, RAM) และไมโครโพรเซสเซอร์ เป็นต้น

 

ประวัติ

ในปี ค.ศ. 1928 สิทธิบัตรใบแรกของหลักการทำงานของทรานซิสเตอร์ได้ถูกจดทะเบียนโดย Julius Edgar Lilienfeld ในประเทศเยอรมนี ต่อมาในปี ค.ศ. 1934 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ Dr. Oskar Heil ได้ขึ้นทะเบียนหลักการทำงานของทรานซิสเตอร์แบบสนามไฟฟ้า และในปี 1947 นักวิจัยชื่อ John Bardeen, Walter Brattain และ William Shockley ก็ประสบความสำเร็จในการสร้างทรานซิสเตอร์ที่เบลแล็บ พร้อมทั้งส่งเข้าสู่สายการผลิตที่ เวสเทอร์นอิเล็กทรอนิกส์ ออลเลนทาวน์ รัฐเพนซิลวาเนีย เพียงสองทศวรรษต่อจากนั้น ทรานซิสเตอร์ก็ได้เข้าไปทดแทนเทคโนโลยีหลอดสูญญากาศในเครื่องใช้อิเล็กทรอนิกส์แทบทุกชนิดและก่อให้เกิดอุปกรณ์ชนิดใหม่ๆ มากมายเช่น วงจรรวม และ เครื่องคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล เป็นต้น

คำว่าทรานซิสเตอร์เกิดจากการรวมคำว่า transconductance หรือ transfer และคำว่า resistor เพราะตัวอุปกรณ์นั้นทำงานคล้ายวาริสเตอร์ (Varistor) คือสามารถเปลี่ยนค่าความต้านทานได้ ดังนั้นการตั้งชื่อจึงสามารถบรรยายการทำงานในเบื้องต้นได้

ในเดือนสิงหาคม ค.ศ. 1948 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ Herbert F. Matare และ Heinrich Walker ซึ่งทำงานกับบริษัทลูกของ Westinghouse Corporation ในเมืองปารีส ฝรั่งเศส ได้จดสิทธิบัตรตัวขยายสัญญาณแบบโซลิดสเตทในชื่อว่า ทรานซิสตรอน เพราะว่าทางเบลแล็บไม่ได้เปิดเผยการค้นพบจนปี ค.ศ. 1948 ทรานซิสตรอนจึงถือเป็นการพัฒนาที่เกิดขึ้นโดยไม่เกี่ยวข้องกับทรานซิสเตอร์ในขณะนั้น การค้นพบทรานซิสตรอนของ Matare เกิดจากการสังเกตการเปลี่ยนความนำไฟฟ้าในเจอมันเนียมไดโอดจากอุปกรณ์เรดาร์ในสงครามโลกครั้งที่สอง ทรานซิสตรอนนี้ถูกนำมาขายและใช้งานในบริษัทโทรศัพท์และทางทหารของประเทศฝรั่งเศส และในปี ค.ศ. 1953 เครื่องรับวิทยุต้นแบบที่ทำงานจากทรานซิสตรอน 4 ตัวถูกนำมาแสดงในงาน Dusseldorf Radio Fair.

 

ความสำคัญ

ทรานซิสเตอร์ถือว่าเป็นหนึ่งในการประดิษฐ์ที่สำคัญในประวัติศาสตร์ยุคใหม่ เฉกเช่น การพิมพ์ รถยนต์ และโทรศัพท์ ทรานซิสเตอร์ถือว่าเป็นอุปกรณ์แบบแอ็คทีฟหลักในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ ความสำคัญของทรานซิสเตอร์ในทุกวันนี้เกิดจากการที่มันสามารถถูกผลิตขึ้นด้วยกระบวนการอัตโนมัติในจำนวนมากๆ (fabrication) ในราคาต่อชิ้นที่ต่ำ

 

แม้ว่าทรานซิสเตอร์แบบตัวเดียว (Discrete Transtor)หลายล้านตัวยังถูกใช้อยู่แต่ทรานซิสเตอร์ส่วนใหญ่ในปัจจุบันถูกสร้างขึ้นบนไมโครชิป (Micro chip) หรือเรียกว่าวงจรรวม พร้อมกับไดโอด ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุเพื่อประกอบกันเป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์ วงจรอนาลอก ดิจิทัล หรือวงจรสัญญาณผสม (Mixed Signal) ถูกสร้างขึ้นบนชิปตัวเดียวกัน ต้นทุนการออกแบบและพัฒนาวงจรรวมที่ซับซ้อนนั้นสูงมากแต่เนื่องจากการผลิตที่ละมากๆ ในระดับล้านตัวทำให้ราคาต่อหน่วยของวงจรรวมนั้นต่ำ วงจรตรรกะ (Logic Gate) ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ประมาณ 20 ตัว ในขณะที่หน่วยประมวลผล(Microprocessor) ล่าสุดของปี ค.ศ. 2005 ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ราว 289 ล้านตัว

 

เนื่องด้วยราคาที่ถูก ความยืดหยุ่นในและความเชื่อถือได้ในการทำงาน ทรานซิสเตอร์จึงเปรียบเหมือนอุปกรณ์ครอบจักรวาลในงานที่ไม่ใช่งานกล เช่น คอมพิวเตอร์แบบดิจิทัล เป็นต้น วงจรที่ทำงานด้วยทรานซิสเตอร์ยังได้เข้ามาทดแทนอุปกรณ์เชิงกล-ไฟฟ้า

(Electromechanical) สำหรับงานควบคุมเครื่องมือเครื่องใช้ และเครื่องจักรต่างๆ เพราะมันมีราคาถูกกว่าและการใช้วงจรรวมสำเร็จรูปร่วมกับการเขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์นั้นมีประสิทธิภาพในใช้งานเป็นระบบควบคุมดีกว่าการใช้อุปกรณ์เชิงกล

 

เนื่องด้วยราคาที่ถูกของทรานซิสเตอร์และการใช้งานคอมพิวเตอร์แบบดิจิทัลที่เกิดขึ้นต่อมาก่อให้เกิดแนวโน้มการสร้างข้อมูลในเชิงเลข (Digitize information) ด้วยเครื่องคอมพิวเตอร์ที่มากด้วยความสามารถในการค้นหา จัดเรียงและประมวลผลข้อมูลเชิงเลข และทำให้มีความพยายามมากมายเพื่อผลักดันให้เกิดการสร้างข้อมูลแบบดิจิทัล สื่อหลายๆ ประเภทในปัจจุบันถูกส่งผ่านรูปแบบของดิจิทัลโดยนำมาแปลงและนำเสนอในรูปแบบอนาลอกด้วยเครื่องคอมพิวเตอร์ การปฏิวัติทางดิจิทัลเช่นนี้ส่งผลกระทบสื่อเช่น โทรทัศน์ วิทยุ และหนังสือพิมพ์

 

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

 

วัสดุสารกึ่งตัวนำที่ใช้กับทรานซิสเตอร์

•              ออกไซด์ของซิลิกอน

•              ออกไซด์ของเจอเมเนียม

บรรจุภัณฑ์ของทรานซิสเตอร์

มีหลากหลายประเภท ตั้งแต่ตัวถังแบบพลาสติก โลหะ ลักษณะอาจเป็นตัวถังกลม แบน หรือแบบจานบิน

การใช้งานทรานซิสเตอร์

การใช้งานเป็นสวิตช์แบบอิเล็กทรอนิกส์

แบบ NPN จะต่อโหลดเข้าขา C ของทรานซิสเตอร์และต่อไฟลบเข้าขา E จากนั้นให้ทำการไบอัสกระแสเข้าขา B ซึ่งกระแสจะไหลจากขา C ไปยังขา B มากหรือน้อยขึ้นอยุ่กับการไบอัสกระแสที่ขา B ส่วนแบบ PNP จะต่อเข้าในลักษณะคล้ายกันเพียงแต่จะต่อสลับกันระหว่างขา B และ C

 

 

ตัวต้านทาน(Resistor )

เป็นอุปกรณ์ที่สามารถจำกัดจำนวนกระแสไฟฟ้า ภายในตัวต้านทานจะประกอบด้วยผงคาร์บอนผสมกับตัวยึดเหนี่ยวคล้ายกาว ชนิดของตัวต้านทานได้แก่ คาร์บอน, ฟิล์มคาร์บอน, ขดลวด เป็นต้น สัญลักษณ์ของตัวต้านทาน 

ค่าของตัวต้านทาน

ตัวต้านทานมีค่าที่เรียกว่าความต้านทาน(resistance)มีหน่วยเป็นโอห์ม(Ohm:W)แต่

หน่วยโอห์มนี้เล็กมาก โดยหน่วยของความต้านทานที่นิยมใช้คือกิโลโอห์ม(Kilo ohm:KW)และ เมกกะ(Mega ohm:MW)ซึ่งจะถูกพิมพ์ไว้บนตัวต้านทานแทนด้วย รหัสสี

รหัสสี	สี	แถบ 1 หลักสิบ	แถบ 2 หลักหน่วย	แถบ 3 ตัวคูณ	แถบ 4 ค่าคลาดเคลื่อน
ดำ(black)		0	0	1	ทอง(gold) = -5%หรือ +5%
น้ำตาล(brown)		1	1	10	เงิน(silver) = -10%หรือ +10%
แดง(red)		2	2	100	ไม่มีสี(none) = -20%หรือ +20%
ส้ม(orange)		3	3	1,000(1K)
เหลือง(yellow)		4	4	10,000(10K)
เขียว(green)		5	5	100,000(100K)
น้ำเงิน(blue)		6	6	1,000,000(1M)
ม่วง(violet)		7	7	10,000,000(10M)
เทา(gray)		8	8	100,000,000(100M)
ขาว(white)		9	9	ไม่มี

 

ทรานซิสเตอร์(Transister)

เป็นอุปกรณ์ที่ทำจากสารกึ่งตัวนำ 3 ชั้น อาจจะเป็นแบบ NPN หรือ PNP ก็ได้ มีสามขา เรียกว่า Base, Emitter, Collector
ลักษณะโครงสร้าง สัญลักษณ์ของ transister
หลักการทำงาน คือ กระแสไฟฟ้าเพียงเล็กน้อย ที่ไหลผ่านขา Base ไปยังขา Emitter สามารถควบคุมกระแสปริมาณมากที่ไหลผ่านขา Emitter ไปยังขา Collector ได้ สามารถทำหน้าที่เป็นทั้งอุปกรณ์ขยายสัญญาณและสวิทซ์ควบคุมสัญญาณได้ Base-Emitter Junction จะไม่นำกระแสไฟฟ้า จนกว่า Forward Bias มีค่าสูงเกินกว่า 0.6 Volt มีการไปใช้ในวงจรสวิทช์ควบคุม, วงจรขยายสัญญาณ (amplifier) เป็นต้น

ชนิดของทรานซิสเตอร์ และการใช้งาน ทรานซิสเตอร์มี 2 ตระกูลคือ Bipolar และ แบบสนามไฟฟ้า(FET) Bipolar transister แบ่งเป็นหลายชนิดได้แก่

• ชนิดสัญญาณต่ำและสวิทช์(Small signal and Switching) ใช้ขยายสัญญาณที่มีระดับต่ำ เช่นเครื่องขยายที่มีวัตต์น้อย และใช้ควบคุมการเปิดปิดของวงจร
• ชนิดกำลัง(Power Transister) ใช้ในเครื่องขยายกำลังสูง และอุปกรณ์แหล่งจ่ายกำลัง มีลักษณะสำคัญ คือ ตัวถังจะมีขนาดใหญ่ และมีพื้นผิวโลหะเปิดที่เชื่อมต่อกับแผ่นระบายความร้อน
• ชนิดความถี่สูง(High-frequency) ใช้ในเครื่องรับวิทยุ โทรทัศน์ และอุปกรณ์ที่เกี่ยวกับความถี่ไมโครเวฟ มีลักษณะสำคัญ คือ ตัวถังจะมีขนาดเล็ก และส่วนที่เป็นเบสจะบางมาก