Transistör | Tanımı, Türleri, Sembolleri ve Tarihçesi

Modern elektroniklerin neredeyse tamamı, transistör adı verilen temel bir bileşene dayanmaktadır. Modern gömülü sistemlerin yapı taşı da, veri işlemeyi kontrol eden temel bir bileşen görevi gören bir transistördür. Transistör, entegre devrelerde (IC'ler), mikroişlemcilerde, mikrodenetleyicilerde ve hemen hemen her elektronik cihazda bulunan temel bir bileşendir.  

Transistör, akım akışını kontrol etmek için kullanılan üç uçlu bir yarı iletken cihazdır. Bir transistörün giriş terminallerine voltaj veya akım uygulandığında, giriş sinyalini kontrol ederek veya yükselterek bir çıkış sinyali üretir. Germanyum veya silikon gibi yarı iletken malzemelerden yapılır. Transistörleri, türlerini, transistör sembollerini ve çalışma prensiplerini anlamak, elektrik mühendislerinin modern elektronik sistemler tasarlayabilmeleri için olmazsa olmazdır.

Transistör nedir?

Transistör, akım akışını kontrol eden elektronik bir cihazdır. Bir transistörün, baz, verici ve kollektör olarak bilinen üç terminali vardır. Tipik bir transistörün iki çalışma modu vardır; anahtar veya yükseltme cihazı olarak işlev görebilir. Anahtar modunda, transistör akım akışına izin verir veya izin verir. Yükseltme modunda ise transistör, küçük giriş sinyalini yükselterek daha büyük bir çıkış sinyali üretir.

Bir transistör, silikon ve germanyum gibi üç yarı iletken malzeme katmanından oluşur. Bu katmanlar PNP veya NPN'dir. Malzeme katmanlarının yığını, transistörün türünü (PNP transistör veya NPN transistör) belirler. Tipik bir transistörün Baz, Emitör ve Kollektör olarak bilinen üç terminali vardır. Bu tür transistörlere Bipolar Kavşak Transistörü (BJT) transistör denir. Tipik bir BJT transistör sembolü ve şekli aşağıda gösterilmiştir.

Transistör katmanları	Transistör Sembolü	Transistör paketi

Şekil-1: Transistör Şekli ve sembolü

Transistör Çeşitleri ve Transistör Sembolleri

Transistörler, Bipolar Kavşak Transistörleri (BJT), Alan Etkili Transistörler (FET) ve Yalıtımlı Kapı Bipolar Transistörleri (IGBT) olmak üzere üç türe ayrılır. Bu transistörler daha sonra alt türlere ayrılır. Her transistör türünün ayrıntıları makalenin ilerleyen kısımlarında ele alınacaktır.

Bipolar Kavşak Transistörü (BJT)

BJT transistörünün baz, emitör ve kollektör olmak üzere üç terminali vardır. BJT transistöründeki akım akışı, serbest elektronlar veya boşluklar sayesinde gerçekleşir. BJT transistörün baz ve emitör terminalleri arasındaki küçük akım miktarı, emitör ve kollektör terminalleri arasındaki büyük akım akışını kontrol edebilir. BJT transistör, NPN ve PNP transistörler olarak sınıflandırılır.

Şekil 2: BJT Transistör Sembolleri

PNP transistörde, N tipi yarı iletken malzeme iki P tipi yarı iletken malzeme arasına sıkıştırılmıştır. Bu düzenleme, Baz-Emitör Bağlantısı (Je) ve Baz-Kollektör Bağlantısı (Jc) olarak bilinen iki transistör bağlantısıyla sonuçlanır. Tipik bir transistör uygulamasında, baz-emitör bağlantısı ileri, baz-kollektör bağlantısı ise ters yönde polarize edilir. PNP tipi transistörde ise akım, çoğunluk yük taşıyıcısı olarak deliklerden kaynaklanır.

NPN transistörde ise, P tipi yarı iletken malzeme iki N tipi yarı iletken malzeme arasına sıkıştırılmıştır. NPN tipi transistörde ise akım, çoğunluk yük taşıyıcısı olarak elektronlardan kaynaklanır.  

Transistörün iki terminali arasına bir giriş uygulandığında, çıkış terminallerindeki giriş yükseltilir. Transistörün bir terminali giriş, diğeri çıkış görevi görür. Transistörün diğer terminali ise toprak görevi görür. TBu nedenle üç transistör konfigürasyonu tasarlanmıştır.

1. Ortak Emitör yapılandırması: Ortak yayıcı konfigürasyonunda a transistör, girişe uygulanır the  Transistörün baz terminalinden çıkış kollektörden alınır, emiter terminali ise toprağa bağlanır.

2. Ortak Temel Yapılandırma:  Transistörün ortak baz konfigürasyonunda giriş transistörün emitör terminaline uygulanır, çıkış kollektör terminalinden alınır ve baz toprağa bağlanır.

3. Ortak Toplayıcı Yapılandırması: Transistörün ortak kollektörlü konfigürasyonunda giriş transistörün baz terminaline uygulanır, çıkış emitörden alınır ve kollektör toprağa bağlanır.

Alan Etkili Transistörler (FET'ler)

FET transistör, akım akışını kontrol etmek için elektrik alanı kullanır. Bu tip transistörün üç terminali vardır: kapı, drenaj ve kaynak. FET transistörler, bipolar transistörler olan BJT transistörlerin aksine tek kutupludur. FET transistörler, yüksek empedans (Mega Ohm'a kadar), düşük güç tüketimi, düşük ısı dağılımı ve Mega Hertz'e kadar yüksek anahtarlama frekans aralığı nedeniyle birçok uygulamada yaygın olarak kullanılmaktadır. FET transistörler iki türe ayrılır: MOSFET ve JFET transistörler.

MOSFET

MOSFET, Metal Oksit Yarı İletken Alan Etkili Transistör anlamına gelir. Bu transistörler güç elektroniği uygulamalarında yaygın olarak kullanılır. Bu transistörler voltaj kontrollü cihazlardır. MOSFET transistörü üç katmandan oluşur: metal, oksit ve yarı iletken. Transistördeki oksit (SiO₂) katmanı, metal ve yarı iletken katmanlar arasında ince bir yalıtımlı katman olduğunu gösterir. Bu nedenle MOSFET, metal ve yarı iletken katmanlar arasındaki akım akışını kontrol etmek için bir elektrik alanı kullanır. BJT'nin aksine, MOSFET transistörleri çalışmalarında yük taşıyıcı olarak yalnızca elektronik (N Tipi) veya delikler (P Tipi) kullanabilir.

Şekil 3: N-Kanal ve P-Kanal MOSFET Sembolleri

Bu transistörler, akım elektrik alanıyla kontrol edildiğinden çok yüksek giriş empedansı ve düşük çıkış empedansı sunar. Bu transistörlerin yüksek giriş empedansı, onları güç elektroniği devreleri, Entegre Devreler (IC'ler), İşlemsel Yükselteçler (Op-Amp'ler), Osilatörler, filtreler ve yüksek anahtarlama frekanslı cihazlar için uygun hale getirir.

Şekil 4: Tipik MOSFET Delikli Paket

BJT'lerde olduğu gibi MOSFET Transistörlerin de üç farklı çalışma konfigürasyonu vardır.

1.     Ortak Kapı Yapılandırması (Kapı Toprak, Giriş Kaynak, Çıkış Drenaj'dır)

2.     Ortak Drenaj Yapılandırması (Drenaj Toprak, Giriş Kapıda, Çıkış Kaynakta)

3.     Ortak Kaynak Yapılandırması (Kaynak Toprak, Giriş Kapıda, Çıkış Drenajda)

MOSFET transistörler ayrıca Geliştirme Tipi MOSFET, Tükenme Tipi MOSFET, PMOS ve NMOS Transistörler olarak sınıflandırılır.

·       Tükenme Tipi MOSFET: Tükenme MOSFET transistörü aynı zamanda D-MOSFET transistörü olarak da bilinir. Akım, transistörün kaynak ve drenaj terminalleri arasında aktığında kanal olarak adlandırılır. D-MOSFET'te kanal, üretim sürecinde zaten inşa edilmektedir. D-MOS transistör normalde herhangi bir kapı gerilimi uygulamadan AÇIK olarak çalışır. Bu nedenle, bu durumdaki transistöre AÇIK cihaz denir. Ancak, transistörün girişine kapı gerilimi uygulandığında, kanalı dirençli hale gelir. Gerilim artırıldığında, kanal akımı, drenajdan kaynağa giden transistör akımı durana kadar azalmaya devam eder.

·       Geliştirme Tipi MOSFET: Geliştirme MOSFET'i, E-MOS transistörü olarak da bilinir. D-MOS transistörün aksine kanal önceden oluşturulmamıştır. Normal koşullarda, transistörün drenaj ve kaynak terminalleri arasında akım akmaz. Ancak, transistöre kapı gerilimi uygulandığında akım artmaya devam eder ve transistör kanalını daha az dirençli hale getirir.

·  

        PMOS ve NMOS Transistörler: Tıpkı MOSFET gibi PMOS ve NMOS transistörlerin de gate, drain ve source olmak üzere üç terminali vardır. PMOS ve NMOS transistörler arasındaki temel fark, NMOS transistörlerde kaynak ve drenaj katmanlarının N tipi malzeme ile katkılanmış olmasıdır. PMOS transistörlerde ise kaynak ve drenaj katmanları P tipi malzeme ile katkılanmıştır.

MOS Tipi	sembol
NMOS
PMOS

JFET

JFET, voltaj kontrollü bir cihazdır ve Kavşak Alan Etkili Transistör anlamına gelir. JFET, FET'lerdeki ilk transistörlerden biri ve en basit olanıdır. Bipolar kavşak transistörlerinin aksine, JFET transistöründeki akım akışı yalnızca çoğunluk yük taşıyıcılarından kaynaklanırken, akım akışı hem çoğunluk hem de azınlık yük taşıyıcılarından kaynaklanır. JFET transistörleri, N-JFET ve P-JFET olarak sınıflandırılır. Kapı, kaynak ve drenaj olmak üzere üç terminali vardır.

Transistörün normal çalışmasında, kapı voltajı sıfır olduğunda, elektronlar transistörün kaynaktan drenajına kolayca geçer. Ancak, kapı voltajı transistörün kaynak ve kapı terminallerine uygulandığında, PN bağlantısı ters polarize olur ve tükenme katmanının genişliği artar. Bu durum, JFET'in sıkışma bölgesine (tamamen kapalı) geçmesine yol açar.

Transistör ne işe yarar?

Transistör, akım akışını kontrol eden elektronik bir cihazdır. Transistörün iki temel işlevi vardır: anahtar veya yükselteç olarak kullanılır. Transistörün kesme, doyma ve aktif bölge olmak üzere üç çalışma modu vardır. Bölgenin çalışmasına bağlı olarak anahtar veya yükselteç olarak çalışır. Bir transistör kesme ve doyma bölgesinde çalıştırıldığında anahtar görevi görür. Ancak aktif bölgede çalıştırıldığında yükselteç görevi görür.

·       Transistör anahtar olarak: Doygunluk ve kesme bölgesinin birleşimiyle, bir transistör anahtarlama elemanı olarak çalıştırılır. Kesme bölgesindeyken hiç akım akmaz ve transistör ters polarizasyondadır. Bu nedenle KAPALI durumda kalır. Doygunluk bölgesindeyken ise akım akar ve transistör ileri polarizasyondadır. Bu nedenle AÇIK duruma geçer. Transistör, LED'lerin yanıp sönmesi, DC motorlar, mantık kapıları, yüksek frekanslı sürücüler, hassas güç regülasyonu ve röleler gibi anahtarlama elemanı olarak çalıştırıldığı geniş uygulama alanlarına sahiptir.

·       Transistörün Amplifikatör Olarak Kullanımı: Bir transistör aktif bir bölgede hassas bir şekilde kullanıldığında, bir amplifikatör olarak çalışır. Amplifikasyona katkıda bulunan önemli faktör, transistörün kazancıdır (beta). Bu kazanç genellikle bir transistörün veri sayfasında belirtilir. Kazanç ne kadar yüksekse, transistörün amplifikasyonu da o kadar yüksek olur. Amplifikatörün performansına katkıda bulunan bir diğer faktör de giriş, çıkış voltajı, giriş ve çıkış direnci, akım kazancı ve güç kazancı oranıdır. Transistör, amplifikatör olarak radyo sinyallerinde, kablosuz iletişimde, işlemsel amplifikatörlerde, ses cihazlarında, enstrümantal amplifikatörlerde, tıbbi cihazlarda ve fiber optik iletişimde yaygın olarak kullanılır.

Transistörler Nasıl Çalışır?

Transistörler modern dünyada devrim yarattı. Günümüzde akıllı telefonlardan roket motorlarına, modern işlemcilerden bellek aygıtlarına ve internet sunucularına kadar her yerde transistörler kullanılıyor.

Tipik bir transistör, anahtar veya amplifikatör görevi görür. N-Tipi ve P-Tipi olmak üzere üç katman yarı iletken malzemeden yapılır. Peki, bir transistör nasıl çalışır?

Tipik bir transistörün üç terminali vardır: baz, emitör ve kollektör. Transistörün amacı akım akışını kontrol etmektir. Akım akışını, yük taşıyıcıları prensibini kullanarak kontrol eder. Yük taşıyıcılarının çoğu elektron veya boşluktur. Üç katman, aralarında iki N tipi ve bir P tipi olacak şekilde bir araya yerleştirilmiştir. Bu, bir NPN transistörü oluşturur ve bir PNP transistör için de bunun tersi geçerlidir.

Transistörlerin temel çalışma prensibi, baz-emitör bağlantısı ve baz-kollektör bağlantısına dayanır. Bu bağlantılar, bir transistörün baz-emitör terminaline bir baz sinyali uygulandığında oluşur. Transistörün girişine az miktarda akım uygulandığında, baz-kollektör bağlantısından büyük bir akım akar. Bu, transistör yükseltmesi olarak bilinir. Yükseltme modundaki bir transistör, baz-emitör bağlantısının ileri, baz-kollektör bağlantısının ise ters yönde polarlanmasıyla elde edilir.

Transistörün girişine (baz-emitör terminalleri) baz sinyali uygulanmadığında, hem baz-emitör hem de baz-kollektör bağlantısı ters polarize olur. Bu nedenle, emitörden kollektöre akım akmaz ve transistör KAPALI durumda olur. Bu çalışma bölgesindeki bir transistöre kesme bölgesi denir.

Transistörün girişine bir baz sinyali uygulandığında, akımın emitörden kollektöre akmasına izin verir. Bu işlemde hem baz-emitör hem de baz-kollektör bağlantısı ileri yönde polarize edilir ve kollektör AÇIK durumda olur. Bu çalışma bölgesindeki bir transistöre doygunluk bölgesi denir.

Transistör Tarihi

Transistörlerin kökeni termiyonik vakum tüplerine dayanır. Termiyonik vakum tüpleri 1907 yılında icat edilmiş ve çoğunlukla radyo teknolojisi ve radar sistemlerinde kullanılmıştır. Bunlar ilk transistör türleridir, ancak aşırı enerji tüketirler ve hacimlidirler. Bu vakum tüpleri, elektrotlar aracılığıyla çıkıştaki akım akışını kontrol etmek için bir giriş sinyali kullanır. 

Transistörü Ne Zaman ve Kim İcat Etti?

Ekim 1925'te, Kanada'da Avusturyalı bir bilim insanı, alan etkili transistör üzerine ilk patentini yayınladı. Ancak, o dönemde yayınlanmış araştırma makalelerinin azlığı nedeniyle çalışmaları göz ardı edildi. Ancak, Dünya Savaşı sırasında Bell Laboratuvarları, radar ve frekans karıştırıcı sinyallerinde kullanılmak üzere saf bir germanyum kristali üretmeye çalışıyor.

1947'de, New Jersey, ABD'deki Bell Laboratuvarları'nda John Bardeen ve William Shockley, çalışan ilk transistörü icat etti. Daha sonra, 1958'de Bell Laboratuvarları, MOSFET transistörünü tanıttı. MOSFET'in icadı, hem drenaj hem de kaynak noktalarının aynı yüzeyde olduğu ilk düzlemsel transistör olması nedeniyle modern elektronikte devrim yarattı. MOSFET'in keşfi, işlemciler, bellek aygıtları ve mikrodenetleyiciler de dahil olmak üzere neredeyse tüm elektronik cihazlarda geleneksel transistörlerin yerini yaygın olarak aldı.

Sonuç

Sonuç olarak transistör 20. yüzyılın en büyük icatlarından biridir.^th Modern elektroniği değiştiren yüzyıl. İşlemciler, mikrodenetleyiciler ve dijital cihazlar gibi modern gömülü elektronik cihazlar transistörlerden oluşur. Transistörler, radarlar, fiber optik iletişim, tıbbi cihazlar ve enstrümantal amplifikatörler gibi modern elektronikte hayati bileşenlerdir. Bu nedenle, transistörlerin işleyişini, çalışma prensiplerini ve türlerini anlamak, mühendislerin en son teknoloji uygulamaları tasarlamaları için çok önemlidir.