TRANSİSTÖR NEDİR?

TRANSİSTÖR NEDİR?

Transistör yan yana birleştirilmiş iki PN diyodundan oluşan, girişine uygulanan sinyali yükselterek akım ve gerilim kazancı sağlayan, gerektiğinde anahtarlama elemanı olarak kullanılan yarı iletken bir devre elemanıdır. Transistör kelimesi transfer ve rezistans kelimelerinin birleşiminden doğmuştur. Uygulamada 100000 'e yakın çeşidi bulunan ve her geçen gün yeni özelliklerde üretilen transistörler temel olarak bipolar ve unipolar olmak üzere iki gruba ayrılır. Bipolar transistörler NPN ve PNP olmak üzere iki tiptir. Üç kutuplu devre elemanları olan transistörlerin kutupları; Emiter (E), Beyz (B) ve Kollektör (C) olarak adlandırılır. Emiter (yayıcı); akım taşıyıcıların harekete başladığı bölge, Beyz (taban); transistörün çalışmasını etkileyen bölge ve Kollektör (toplayıcı); akım taşıyıcıların toplandığı bölgedir.

Transistörlerin Tarihçesi

Elektronikle ilgili sistemlerin gelişmesini ve bugün sahip olduğumuz teknolojilere ulaşmamızı sağlayan transistörün icadı 1947 yılında Bell araştırma laboratuvarlarında, William Shockley başkanlığında John Bardeen ve Walter Brattain'den oluşan ekip tarafından gerçekleştirilmiştir. Transistörlerin icadından önceki süreçte 1906 yılında ilk kez elektron lambaları Londra Üniversitesi 'nde kullanıma sokulmuştur. Bu lambaların çabuk kırılabilmesi, pahalıya mal olmaları, devrelerde fazla yer kaplamaları, ısınıp çalışmaya başlamaları için belli bir zaman geçmesinin gerekmesi ve fazla elektrik tüketmesi gibi dezavantajları bilim adamlarını bu lambaların yerine geçebilecek elemanlar aramaya itmiştir. Bu sebeplerle 1925 'te Lilien Field ve 1938 'te de Hilsch ve Pohl lambalarda olduğu gibi katılarda da elektrostatik alan etkisi ile elektron akışını sağlamak amacıyla birtakım araştırmalar yapmışsa da bu denemeler başarısızlıkla sonuçlanmıştır. 1931 ile 1940 yılları arasında B.Kayaaltı, L. Brillouin, A. H. Wilson, J. C. Slater, F. Seitz ve W. Schottky gibi bilim adamları katı madde elektroniği ile ilgili teorik çalışmalara devam etmişlerdir. 1939 yılında William Shockley, Walter Brattain ve New Jersey ‘deki Bell Laboratuvarlarındaki araştırmacılar yarı iletken bir yükseltici yapmak için çalışmalar yapmış fakat başarısızlıkla sonuçlanan denemeleri 2. Dünya Savaşı ‘nın da araya girmesi sonucu kesintiye uğramıştır. 1947 yılında ise Walter Brattain bu kez John Bardeen ile sürdürdüğü çalışmalarında nokta kontaklı olan ilk germanyum transistörü icat etmiştir. 1947 Noel'inden iki gün önce, bu transistör bir radyo devresinde denendi. Bu deneme sonunda Walter Brattain, defterine şu satırları yazdı : "Bu devre gerçekten işe yarıyor. Çünkü ses düzeyinde hissedilir bir yükselme sağlandı." Transistör, tıpkı lamba gibi, ses sinyalini güçlendiriyordu, üstelik boyut olarak çok daha küçüktü ve enerji ihtiyacı da daha azdı. Nokta kontaklı transistörün seri üretimi zordu ve bu transistör çok güvenilir değildi. Bu nedenle William Shockley kendi istediği gibi bir transistörü üretmek için çalışmalarına devam etti ve jonksiyon tipindeki transistörü geliştirdi. Bu transistör hem seri üretime daha uygundu hem de daha iyi çalışıyordu. Brattain ve Bardeen nokta kontaklı transistör için 17 Haziran 1948 'de, William Shockley de jonksiyon tipindeki transistör için 26 Haziran 1948 ‘de patent başvurularını yapmıştır. Bu ekip yarı iletkenler üzerine yaptıkları çalışmalar ve transistörün icadı ile 1956 yılında Nobel Fizik Ödülü ‘nü almaya hak kazanmışlardır. Shockley ve ekibi sürdürdükleri çalışmalarla büyük gelişmeler sağladılar ve 1952 yılında transistör orjinal boyutlarının onda birine indirilip çok daha güçlendi. 1957'de yılda 30 milyon transistör üretilebilecek aşamaya gelindi. Zamanla bilim adamları, germanyuma göre çok daha büyük sıcaklıklara dayanabilen silisyum tabakalar kullanmaya başladılar. Akımı saniyenin 100 milyonda biri kadar kısa bir zamanda iletebilen transistörler imal edildi. Transistörün icadı elektronik bilimi için bir dönüm noktası olmuş ve günümüz teknolojisine ulaşılması için imkan sağlamıştır.

Transistörlerin Yapısı ve Çalışması

Transistörler NPN veya PNP biçiminde yerleştirilmiş üç yarı iletken maddenin bileşiminden oluşmaktadır. Beyz kutbu tetiklendiği zaman kollektör ve emiter arasında direnç değeri azalır ve akım geçirir hale gelir. Kollektör ve emiter arasından geçen akımın miktarı beyz kutbuna uygulanan akımın miktarına bağlıdır. NPN Tipi Transistörler: NPN tipi transistörlerin yapısı iki N tipi yarı iletken madde arasına ince bir katman halinde yerleştirilmiş P tipi yarı iletken beyz maddesinden oluşmaktadır. İki N tipi madde arasındaki beyz tabakası elektron geçişini kontrol etme görevi yapmaktadır. Transistörler geçen akımı denetleyerek küçük akımları büyütebilir ya da küçük bir akım ile büyük bir alıcının çalışmasını sağlayabilir. NPN tipi transistörlerde yandaki resimde görüldüğü gibi VBB kaynağının artı ucu beyz kutbunu pozitif yüklerken Vcc kaynağının eksi ucu ise emiter kutbundaki elektronları yukarı iter. Sıkışan elektronlar beyz tarafından çekilir. Yani, emiterin iletim bandındaki elektronlar E-B gerilim setini aşarak beyz bölgesine girerler, ancak beyz bölgesi dar olduğundan emiter bölgesinden gelen elektronların yaklaşık %2 si beyz bölgesi tarafından çekilirken kalan %98 i kollektöre geçer. Vcc kaynağının artı ucu elektronları kollektör bölgesine doğru çeker ve böylece elektron akışı sürekli hale gelir ve VBB kaynağının verdiği beyz akımı sürdükçe emiterden kollektöre elektron akışı devam eder.NPN tipi transistörlerde elektronlar yukarı, oyuklar ise aşağı doğru gider ve bu nedenle beyze uygulanan artı sinyal kollektörden emitere doğru akım geçirir denir. Emiter akımı beyz ve kollektör akımlarının toplamına eşittir. PNP Tipi Transistörler: PNP tipi transistörlerin yapısı da NPN tipi transistörler gibidir. Tek fark bu kez P tipi iki yarı iletken madde arasına ince bir tabaka halinde N tipi yarı iletken maddenin yerleştirilmiş olmasıdır. PNP tipi transistörlerde VBB kaynağının eksi ucu beyz kutbunu negatif yüklerken Vcc kaynağının artı ucu da emiter bölgesindeki artı yüklü oyukları yukarı iter. Bu şekilde sıkışan artı yükler beyz tarafından çekilip buradan kollektör bölgesine geçerler. Vcc kaynağının eksi ucu kollektör bölgesindeki oyukları kendine çektiğinden dolayı oyuk hareketi süreklilik kazanır. VBB akımı sürdükçe emiterden kollektöre doğru bu hareket sürer.PNP tipi transistörlerde elektronlar aşağı, oyuklar ise yukarı doğru gider ve bu nedenle beyze uygulanan eksi sinyal emiterden kollektöre doğru akım geçirir denir. Transistörlerde Polarma Elektronik devrelerde transistörler doğru polarmalandığı zaman iletime geçip, ters polarmalandığı zaman ise kesime giderler. Transistörlerin beyz ucuna akım uygulanmadığında kollektör ve emiter arasında akım geçişi olmaz yani transistör kesimde (cut off) kalır. Doğru Polarma NPN tipi transistörlerin doğru polarmalanması için beyz şaseye göre artı uygulandığında iletimin olabilmesi için kollektöre artı, emitere ise eksi uygulanır. PNP tipi transistörlerde ise beyz ucuna eksi uygulanınca emiterden kollektöre akım geçişi olur ve bu sırada emitere artı, kollektöre ise eksi verilir. Ters Polarma Transistörlerin B-E bileşimi ters polarmalanırsa, beyz ile emiter bölgesi arasındaki geçiş eklemi genişler ve gerilim seti büyür. Sonuç olarak da akım geçişi olmaz. Aynı şekilde B-C bileşimi de doğru polarmalanırsa transistör çalışmaz.Transistörlerin aktif yükseltme elemanı olarak kullanılabilmeleri için B-E bileşimi doğru, B-C bileşimi ise ters polarmalanmalıdır. Transistörlerin Sağlamlık Kontrolü Ohmmetre Kullanma Transistörlerin sağlamlığını ohmmetre ile kontrol edebilmek için; NPN ve PNP tipi transistörleri birbirine seri ve ters bağlanmış iki diyota benzeterek, transistörün üç bacağı arasında iki yönlü olmak üzere 6 ölçüm yapabiliriz. Ölçümler aşağıdaki tabloda yer aldığı gibi sonuçlar vermelidir. Emiter - Kollektör 50 K - 200 K 50 K - 200 K Beyz - Kollektör 300 R - 3000 R 50 K - 200 K Beyz - Emiter 300 R - 3000 R 50 K - 200 K Polarma Gerilimine Bakma Beyz – kollektör ve beyz – emiter arasındaki gerilimler bir yönde 450-650 mV olarak okunur, diğer yönde ise hiçbir değer okunmazsa transistör sağlam demektir. Ayrıca gerilimlere bakarak transistörlerin bacaklarını belirlemek de mümkündür. Beyz ve emiter arasındaki gerilim beyz ve kollektör arasındaki gerilimden biraz daha büyüktür. AVOmetre transistörlerin NPN mi PNP mi olduğunu belirlemek için de kullanılır. Bunun için AVOmetre komutatörü ohm kademesine alınarak artı prob beyz ucuna, eksi prob ise kollektör veya emiter ucuna değdirilir. Büyük direnç okunursa (50 K – 200 K arası) transistör PNP, eğer küçük direnç okunursa (300 R ile 3000 R arası) transistör NPN tipinde demektir. Transistörlerin Emiter – Kollektör – Beyz Uçlarının Bulunması Metal gövdeli olan transistörlerde kollektör ucu gövdeye bağlıdır. Bu nedenle ölçü aletinin bir ucu gövdeye, diğer ucu ise sırayla diğer uçlara değdirildiğinde sıfır ohmu gösteren uç kollektördür. Kollektör ucu saptandıktan sonra 3 uç arasında iki yönlü ölçümler yapılır. Bu ölçümler sırasında çok yüksek direnç gösteren (50 K – 200 K) iki uçtan biri belirlenmiş olan kollektör diğeri ise emiterdir. Kalan uç ise beyz bacağıdır. Transistörlerin bacaklarını belirlemek için en sağlıklı ve pratik yöntem ise transistör kataloglarını kullanmaktır. Metal gövdeli bazı transistörlerde emitrer ucu, gövde üzerinde tırnak olan yere yakın olan bacaktır.Emiterin karşısındaki bacak kollektör, ortadaki ise beyz bacağıdır. Benzer bir gövde işareti de eski transitörlerin gövdesinde bulunan küçük kırmızı bir benektir. Bu beneğin bulunduğu uç kollektör bacağıdır. Kollektörün karşısında emiter, ortada ise beyz bacağı bulunur. Transistör bacakları ölçme komutatöründe diyot sembolü olan AVOmetreler ile de saptanabilir. Bu işlem için problar ile beyz – emiter ve beyz – kollektör arası gerilim ölçümleri yapılır. Beyz ve emiter arasındaki gerilim, beyz ve kollektör arasındaki gerilimden biraz daha büyük çıkacağı için emiter ve kollektör uçları belirlenebilir. Transistörlerin Soğutulması Transistörler devrelerde kullanılırken az ya da çok ısınırlar ve bu ısınma gerek devrenin düzgün çalışması gerekse transistörün düzgün çalışması için engellenmelidir. Transistör kataloglarında transistörler için verilen değerler oda sıcaklığında geçerlidir. Transistörler aşırı ısındığında transistörde akımlar yükselir ve standart çalışma değerleri değişir. Bu durumu engellemek için transistörlere uygun boyut ve biçimde alüminyum alaşımdan yapılmış ısı emici (heat sink) özellikli plakalar monte edilir. Metal gövdeli transistörlerde gövde aynı zamanda kollektör ucu olduğu için metal soğutucu monte edilirken,kollektör ucuyla metal soğutucu arasını elektriksel olarak yalıtmak için araya ısıyı ileten ancak elektriği iletmeyen izolatör konulur. Ayrıca transistörün ısısının soğutucuya aktarılmasını kolaylaştırmak için iki yüzey arasına termal iletken macun sürülür. Bir devre şemasında transistör sembolü etrafında kesik çizgili bir çember varsa, bu transistör için bir soğutucu kullanımı gerektiği anlamına gelir. Transistörlerin Lehimlenmesi Transistörlerin ısınması elemana zarar verebileceği için lehimleme işleminin çabuk yapılması ve iyi kalite bir lehim ile temiz uçlu havya kullanılması gerekir. Lehim kötü yapılırsa soğuk lehim denen durum meydana gelir ve bu nedenle daha sonra devrede temassızlık oluşur. Transistörlerin Çeşitli Standartlara Göre Kodlanması Transistörler çeşitli gövde biçimlerinde ve teknik özelliklerde üretilirler. Gövde üzerinde üretici firma kodu, teknik özellikleri belirten kodlar ve transistörün bacakları ile ilgili bilgiler bulunur. Transistörlerin gövdesi üzerindeki bu kodlamalarda çeşitli standartlar kullanılır. Avrupa (Pro Electron) Standardı Bu tip kodlamada birinci harf transistörün yapımında hangi yarı iletken maddenin kullanıldığını belirtir. A : Germanyum B : Silisyum (Silikon) C : Galyum arsenik D : İndiyum antimuan R : Polikristal yarı iletken İkinci harf  transistörün cinsini ve kullanıldığı yeri belirtir. A : Ses frekans ön yükselteç devrelerinde kullanılır. C : AF (alçak frekans, ses frekans) düşük güçlü çıkış devrelerinde kullanılır. D : Ses frekans (AF) güç transistörü F : Yüksek frekanslı güçsüz transistör L : Yüksek frekans güç transistörü P : Işığa duyarlı devre elemanı (fototransistör vb.) S : Küçük güçlü anahtarlama (switching) transistörü G : Güçlü anahtarlama transistörü Z : Yüksek güçlü anahtarlama transistörü Kodlamalarda üçüncü harf olarak kullanılan X, Y, Z harfleri transistörlerin endüstriyel amaçlı, profesyonel ve kaliteli olduğunu gösterir. Rakamlar ise diğer üretim bilgilerini verir. ABD (EIA, Amerikan) Standardı Kodlamaları 2N ile başlayan transistörler Amerikan standardındadır. Diğer ABD kodları ZN, CK dir. ABD standardına göre 1 diyot, 2 transistör, 3 FET ve 4 optokuplör anlamına gelir. ABD standartlarına göre 2 den sonra gelen N harfi transistörün yapımında silisyum kullanıldığını belirtir. N den sonra gelen sayılar ise firma tarafından verilmiş imalat seri numaralarıdır. Japon Standardı Kodlamanın 2S ile başladığı Japon standardında 0 fotodiyot, 1 diyot, 2 transistör - tristör anlamına gelir. S harfi de transistörün yapımında silisyum kullanıldığını belirtir. 2S ten sonra gelen harflerin anlamı ise şöyledir. A : PNP yüksek frekans transistörü F : Tristör B : PNP alçak frekans transistörü J : P kanallı JFET C : NPN yüksek frekans transistörü K : N kanallı JFET D : NPN alçak frekans transistörü M : Triyak Fototransistör Dört bölge karakteristiklerinde, doğru akımda ve yüksüz olarak çalıştırılan transistörün giriş ve çıkış akımları ile gerilimleri arasındaki bağıntılara ait karakteristik eğrileri gözlemlenir. Dört bölge karakteristik eğrilerinden yararlanılarak giriş direnci, çıkış direnci, akım kazancı, ve giriş-çıkış gerilim (zıt reaksiyon) bağıntısı bulunabilir. Bu değerler transistörün yapısıyla ilgili karakteristik değerlerdir. Dört bölge karakteristiğinin, transistör çıkışında yük direnci yokken çıkarılmasından dolayı bunlara kısa devre karakteristikleri de denir. Resimde görülmekte olan dört bölge karakteristik eğrisinin bölgelerinden; 1. bölge VCE çıkış gerilimindeki değişime göre, IC çıkış akımındaki değişimi gösterir ve Rc= VCE / Ic bağıntısı ile çıkış direncini belirler. 2. bölge karakteristik eğrisi IB giriş akımındaki değişime göre, Ic çıkış akımındaki değişimi gösterir ve ß=Ic / IB bağıntısı ile akım kazancını belirler. 3. bölge karakteristik eğrisi VBE giriş gerilimindeki değişime göre, IB giriş akımındaki değişimi gösterir ve Rg=VBE/ IB bağıntısı ile Giriş direncini belirler. Son olarak 4. bölge karakteristik eğrisi VBE - VCE bağıntısı VBE giriş gerilimindeki değişime göre, VCE çıkış gerilimindeki değişim miktarını gösterir. Bu değişim, gerilim transfer oranı olarak tanımlanır. Aslında bu iki gerilimin biri biri üzerinde önemli bir etkisi bulunmamaktadır. Bu bilgiler daha çok teorik çalışmalar için gereklidir. Transistörlerin üç önemli çalışma noktası; kesim noktası, doyum noktası ve aktif çalışma noktasıdır. Kesim (cut off) noktasında, transistörün beyz bacağında tetikleme yoktur ve kollektör ile emiter arasından akım geçmemektedir. Yani transistör yalıtkan durumdadır. Doyum (saturasyon, saturation) noktasında transistörün beyz bacağına uygulanan akım maksimum düzeydedir. Kollektör ile emiter arası iletkendir ve transistör taşıyabileceği en yüksek akımı iletmektedir. Aktif çalışma noktasında ise transistör sürekli kesim noktası ile doyum noktası arasında değişkenlik gösterecek biçimde çalışır. Transistörün Çalışmasını Etkileyen Unsurlar Limit Değerlerinin Üzerine Çıkma (Aşırı Yükleme) Her bir transistörün kataloglarda belirtilen bir akım, gerilim ve frekans limiti vardır. Bu limit değerleri transistörlerin dayanabileceği maksimum değerlerdir ve bu değerlerin üzerine çıkıldığında transistör dengesiz çalışmaya başlar, hatta bozulabilir. Her transistör farklı bir frekans aralığında çalışır. Transistörler çalıştıkları frekans aralığına göre alçak frekanslı, yüksek frekanslı ve çok yüksek frekanslı transistörler (mikro dalga transistörleri) olarak sınıflandırırlırlar. Frekans yükseldikçe transistörün güç kazancı düşer. Bunun yanı sıra frekans yükseldikçe transistörün elektrotları arası kaçak kapasite de artar. Kaçak kapasite etkisini azaltmak için transistörün üretimi sırasında beyz yüzeyi mümkün olduğunca ince yapılarak beyz direnci arttırılır ve beyz – kollektör – emiter uçlarının duruş şekli değiştirilir. Buna ek olarak yüksek frekanslı transistörlere dördüncü bir bacak eklenir ve bu bacak montaj sırasında devrenin şasesine bağlanır. Sıcaklık Transistörler de diğer yarı iletken devre elemanları gibi sıcaklıktan olumsuz yönde etkilenir. Bunun sebebi sıcaklık arttığında transistörü oluşturan yarı iletkenlerde kovalent bağların bir kısmının bozulması sonucunda serbest hale geçen elektron sayısı artar ve çıkıştan alınan değerlerin değişmesine neden olur. Diğer yandan sıcaklığın artması kollektör sızıntı akımını da yükseltir. Manyetik Alan Başta hassas transistörler ve entegreler olmak üzere elektronik devre elemanları dış manyetik alandan olumsuz etkilenir ve aşırı manyetik alanda yanlış çalışmaya başlarlar. Transistörleri Ters Polarma Transistörün ayaklarına uygulanan gerilimlerin ters yönde olması ve uygulanan gerilimin transistörün dayanabileceği maksimum gerilimin üstünde olması transistörün bozulmasına sebep olabilir.