ทรานซิสเตอร์( Transistor )

ทรานซิสเตอร์ ( Transistor )

ความเป็นมา

• เมื่อปี ค.ศ. 1945นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามค้นคว้าหาสิ่งประดิษฐ์ประเภทสารกึ่งตัวนำใหม่ๆขึ้นมา เพื่อให้ขยายสัญญาณ แทนหลอดสูญญากาศ ขึ้นมาได้และถือเป็นต้นแบบของคุณสมบัติและโครงสร้างของทรานซิสเตอร์ในยุคปัจจุบัน

ต่อมามีวิศวกร 3 คน

• จากบริษัท เบลล์เทเลโฟน จำกัด ( Bell Telephone co.ltd ) คือ จอห์น บาร์ดีน ( John Bardeen ) << คลิกดูประวัติ
• วิลเลี่ยม แบรดฟอร์ด ชอร์คเลย์ ( William Bradford Shockley ) << คลิกดูประวัติ
• วอลเตอร์ ฮอร์ส แบรทเทน ( Walter Horse Brattain ) << คลิกดูประวัติ

ทั้งสามได้ค้นพบทรานซิสเตอร์ ที่ทำหน้าที่แทนหลอดสูญญากาศได้ดีกว่า เมื่อปี ค.ศ.1948

ทรานซิสเตอร์แบบใหม่นี้ มีขนาดเล็กทำให้ประหยัดเนื้อที่ ส่งผลให้ เครื่องใช้อิเลคทรอนิคส์ต่างๆมีขนาดเล็กลงตามไปด้วย มีราคาถูกประหยัดพลังงาน มีความร้อนต่ำ ทนทาน และมีความปลอดภัยสูง

ที่สำคัญมีความไวในการทำงาน มากกว่าหลอดสูญญากาศหลายเท่าตัว

วิศวกรทั้ง 3 คนคือบาร์ดีน ,ช็อคเลย์ และ แบรทเทน

ชนิดของทรานซิสเตอร์

• การแบ่งชนิดของทรานซิสเตอร์ สามารถแบ่งออกได้หลายวิธี ขึ้นอยู่กับผู้ผลิต ว่าแบ่งตามคุณลักษณะแบบไหน เช่น ทำหน้าที่สวิทชิ่ง ขยายกำลัง ทรานซิสเตอร์ความถี่สูง เป็นต้น

• แต่ที่เป็นที่นิยมในยุคต้นคือ แบ่งตาม โครงสร้างทางเคมี หรือสารที่นำมาสร้างเป็นทรานซิสเตอร์ 
• ซึ่งการแบ่งแยกวิธีนี้สามารถแบ่งทรานซิสเตอร์ออกได้เป็น 2 ประเภท ดังนี้

1. แบบเยอรมันเนียมทรานซิสเตอร์ ( Germanium Transistor ) เป็นทรานซิสเตอร์ในยุคแรก มีลักษณะเป็นโลหะกลม และมีข้อเสียคือ มีกระแสรั่วไหลมาก จึงไม่เป้นที่นิยม
2. แบบซิลิคอนทรานซิสเตอร์ ( Cilicon Transistor) เป็นทรานซิสเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูง มีกระแสรั่วไหลน้อย จึงเป็นที่นิยมใช้กันมาจนถึงยุคปัจจุบัน

ลักษณะทรานซิสเตอร์แบบเยอรมันเนียม

โครงสร้างภายในแบบเยอรมันเนียม

ทรานซิสเตอร์แบบใช้สาร ซิลิกอน (จะมีลักษณะเป็นสีดำ )

•  เนื่องจากทรานซิสเตอร์ถูกสร้างขึ้นมาจากสารกึ่งตัวนำ Semi -Conductor แบบ P-Typ และ N -Typ

ในโครงสร้างจึงทำให้เกิด จังชั่น ( Junction) หรือรอยต่อ ระหว่าง สาร 2ชนิดนี้ขึ้น โดยที่สารที่อยู่ตรงกลางจะเป็นคนละชนิดกับสารที่อยู่ ส่วนหัว-ท้าย และทำให้ทรานซิสเตอร์มีขาต่ออกมาใช้งาน 3 ขา และแบ่งชนิดตามโครงสร้างของสาร เป็นแบบ  N- Typ และ P - Typ

• ชนิด N -Typ จะมีโครงสร้าง เป็น N -P-N  ( N ป้อน ไฟลบ ส่วน P ป้อนไฟบวก Nไฟลบ )
• ชนิด P -Typ  จะมีโครงสร้าง เป็น  P-N-P  (  บวก-ลบ-บวก ) ตามรูปด้านล่าง

โครงสร้างของทรานซิสเตอร์

ทรานซิสเตอร์เรามักเรียกย่อๆว่า TR หรือ Q ซึ่งศัพท์พวกนี้เป็นศัพท์เทคนิคที่เราต้องเรียนรู้เพราะใช้กันเป็นสากลในวิชาอิเลคทรอนิคส์ เราไม่ได้บัญญัติขึ้นมาเอง แต่เป็นศัพท์บัญญัติอย่างเป็นทางการและเราก็จะพบอักษรย่อเหล่านี้ในแผ่นหรือแผงวงจร

•  โดยทั่วไปทรานซิสเตอร์ จะมีขา อยู่ 3 ขา และมีชื่อเรียกไม่เหมือนกันตามแต่ละขาดังนี้

1. ขาคอลเลคเตอร์ ( Collector ) เรียกย่อๆว่า ขา C ( ขาซี ) เป็นขาที่มีโครงสร้างการโด๊ปสารใหญ่ที่สุด (ดูรูปบนประกอบ )
2. ขาอีมิตเตอร์ ( Emitter ) เรียกย่อว่า ขา E เป็นขาที่มีโครงสร้างการโด๊ปสารรองลงมาจากขา Cและ ขาอีนี้จะอยู่คนละด้านกับ ขา ซี
3. ขาเบส ( Base ) เป็นขาที่กั้นตรงกลางระหว่าขา C กับ Eมีพื้นที่แคบที่สุดเมื่อเที่ยบกับขา C,E และขาเบสจะมีศักย์ทางไฟฟ้า เป็นกลาง เมื่อเทียบกับอีก 2 ขา

• หมายเหตุ ทรานซิสเตอร์บางบริษัทจะมี 4 ขา ตามรูปด้านล่าง ซึ่งขาที่ 4 นี้ เราเรียกว่าขาชีลด์ หรือ ขากราวน์
• แม้ในทางทฤษฎี จะระบุว่า ขา C และ E จะอยู่คนละฝั่ง และมีขา B กั้นกลางก็ตาม แต่ในความเป็นจริง ทรานซิสเตอร์หลายรุ่น หลายเบอร์ นิยมวาง ขาเป็น B,C,E ตามลำดับ โดยเราจะรู้ได้ชัดเจนต้องใช้ มัลติมิเตอร์วัดหาขาอีกที

• การโด๊ปสาร หรือเรียกเป็นทางการว่า การออกซิเดชั่น ( Oxidation ) คือการนำสารเคมีมาผ่านกระบวนการ
• และสารกึ่งตัวนำชนิด พี และชนิด เอ็น นี้ เป็นสารที่ไม่บริสุทธิ์ เพราะมีการรวมเข้ากับสารเคมีตัวอื่นๆอีกหลายตัวจึงได้ สาร พี และ สาร เอ็น
• โดยการโด๊ป จะให้สารเคมีกับขา C เป็นฐานของสาร ทั้งหมด แล้วจึงกัดเพื่อโด๊ปสารเป็นขา เบส และ อีมิตเตอร์ ต่อไป

การที่จะดูว่าทรานซิสเตอร์ตัวใดเป็นสารชนิด พีเอ็นพี P-N-P หรือ NPN  ในเบื้องต้น เราจะดูจากเบอร์ของทรานซิสเตอร์ เช่น

• ถ้าเบอร์ทรานซิสเตอร์ มีตัว A เช่น 2SA..... แสดงว่าทรานซิสเตอร์ตัวนั้นจะเป็น PNP ใช้กับย่านความถี่สูง
• ถ้าเบอร์มีตัว B เช่น 2SB แสดงว่าเป็นทรานซิสเตอร์ชนิด NPN ใช้กับย่านความถี่ต่ำ
• ถ้าขึ้นต้นด้วย 2SC หรือC มักจะเป็น ชนิด NPN ใช้กับย่านความถี่สูง
• ถ้าขึ้นต้นด้วย 2SD  หรือ D เป็นชนิด NPN ใช้กับย่านความถี่ต่ำ เป็นต้น

แต่การจะรู้ละเอียดและถูกต้องเราต้องดูคู่มือของทรานซิสเตอร์ประกอบคือ หนังสือ ECG หาซื้อได้ตามย่านบ้านหม้อหรือร้านค้าหนังสืออิเลคทรอนิคส์ทั่วไป และทรานซิสเตอร์แบบเยอรมันเนียมจะมีตัวถังเป็นโลหะ

หนังสือ อีซีจี จะบอกข้อมูลของสารกึ่งตัวนำการเทียบเบอร์ทั้งหมดของสารกึ่งตัวนำ เช่น ทรานซิสเตอร์ ไอซี ไดโอด ไตรแอค

TRแบบจานบินที่เป็นโลหะ TRชนิดนี้จะทำหน้าที่ในภาคขยายกำลังหรือเพาเวอร์แอมป์ จะมีเพียง 2 ขาเท่านั้น ส่วนขา ที่ 3 ก็คือตัวมันเองที่ขันน๊อตยึดเข้ากับวงจร

การทำงานของทรานซิสเตอร์

การไหลของกระแสในวงจรสารกึ่งตัวนำจะมีลักษณะเดียวกันหรือคล้ายกัน ถ้าเราได้เรียนรู้เรื่องไดโอดมาแล้ว และมีพื้นฐานก็ป้อนไบแอส ก็จะเข้าใจได้ไม่ยาก
ในกรณีของทรานซิสเตอร์จะมีอยู่ด้วยกัน 3 ขาดังนั้นเมื่อเราพิจารณาถึงโครงสร้างของวงจรหลักจะเห็นว่ามีทั้งส่วนของ อินพุท Input  และ เอ้าท์พุท Output เมื่อเราป้อนขาหนึ่งให้เป็น อินพุท อีกขาหนึ่งก็จะเป็น เอาท์พุท ขาที่เหลือจึงกลายเป็นขาร่วมหรือจุดร่วม ระหว่างอินพุทกับเอาท์พุท หรือคอมมอน ( Common )

• หลักการดังกล่าวจึงกำหนดให้ระหว่าง B,E เป็นอินพุท และ B,C เป็นเอาท์พุท
• เพราะหลักการที่สร้างทรานซิสเตอร์ก็เพื่อต้องการให้ กระแส อินพุท ไปควบคุม กระแสเอาท์พุท
• ดังนั้นการให้ไบแอสทางด้านเอาท์พุทจึงต้องให้แบบ รีเวิร์ส เพราะถ้าเราให้ไบแอสแบบฟอร์เวิร์ด จะทำให้กระแส เอาท์พุทเป็นอิสระทันที และเราไม่สามารถควบคุมการไหลของกระแสได้
• ส่วนทางด้านอินพุทให้ไบแอสแบบฟอร์เวิร์ด ด้วยแรงไฟต่ำๆ เพราะถ้าให้ไบแอสสูงไป ก็จะทำให้กระแสเอาท์พุทเกิดการอิ่มตัวเสียก่อน

แสดงการไหลของกระแสในวงจรทรานซิสเตอร์ที่จะเริ่มจากขา เบสก่อน

• IE คือกระแสอีมิตเตอร์ มีค่าเท่ากับ 100%
• IC คือ กระแสคอลเลคเตอร์ มีค่าเท่ากับ 95-98 %
• IB  คือกระแส เบส มีค่าเท่ากับ 2-5 %
• VBE   คือแรงไฟไบแอส หรือศักย์ตกคร่อมระหว่างเบสกับอีมิตเตอร์ ในขณะที่ทรานซิสเตอร์ทำงานปกติ
• Bias  ของทรานซิสเตอร์ชนิดเยอรมันเนียม มีค่า .15-.2 โวลท์   ( เมื่อวัดแรงไฟระหว่าง BE จะได้ประมาณ 0.2 โวลท์ในสภาพทำงานปกติ )
• Bias   ของซิลิกอนทรานซิสเตอร์มีค่าประมาณ .5-.7โวลท์ (เมื่อวัดแรงไฟระหว่าง BE จะได้ประมาณ 0.5 โวลท์ในสภาพทำงานปกติ )

การจัดวงจรทรานซิสเตอร์

วงจรไฟฟ้าทุกชนิดเราจะเห็นว่ามีสายที่ทางเข้า 2 สายเป็นอย่างน้อยและทางออกก็ต้องมี 2 สายเป้นอย่างน้อยเช่นกัน ทั้งนี้เพราะความต่างศักย์กันทางไฟฟ้า จะมีการเทียบศักย์ทางไฟฟ้ากันอยู่เสมอ

มีสูงต่ำๆๆสลับกันไป ดังนั้นจุดต่อใช้งานในวงจรไฟฟ้าจึงต้องมีจุดต่อใช้งานอย่างน้อย 4 จุด คือ เข้า 2 ออก 2 

แต่ทรานซิสเตอร์ จะมีขาเพียง 3 ขาเท่านั้น ถ้านำไปใช้งานทางไฟฟ้าแล้วเราจำเป็นต้องให้ ขาใดขาหนึ่งเป็นจุดร่วม หรือ คอมมอน เสียก่อน เมื่อเป็นดังนี้ เราจึง จัดวงจรของทรานซิสเตอร์ได้ 3 แบบ คือ

1.  คอมมอนอีมิตเตอร์ ( Common Emitter ) : CE
2. คอมมอนเบส            ( Common Base ) :CB
3. คอมมอนคอลเลคเตอร์ (  Common Collector ) : CC

• รายละเอียดให้ศึกษาเพิ่มเติมในการจัดคอมมอน

การวัดหาขาของทรานซิสเตอร์

• ตามที่ได้อธิบายมาแล้วว่า ทรานซิสเตอร์มีอยู่ 3 ขา ตามโครงสร้างการโด๊ปสาร แต่ในตัวทรานซิสเตอร์ของจริงทางผู้ผลิตเขาไม่ได้ระบุไว้เลยว่า ขา BCE อยู่ตำแหน่งไหนของทรานซิสเตอร์ เรื่องนี้ไม่ใช่ปัญหาแต่อย่างใดสำหรับนักเรียนนักศึกษาอิเลคทรอนิคส์ เพราะเครื่องมือสารพัดประโยชน์เรา คือ มัลติมิเตอร์สามารถวัดหาขาของอุปกรณ์อิเลคทรอนิคส์อย่างอื่นได้ รวมถึง ทรานซิสเตอร์นี้ด้วย

วิธีวัด

1. ตั้งสเกลมิเตอร์ให้เป็น R x 10 หรือ  R x 100 ( ย่าน R ) ขั้นตอนแรก เราจะทำการวัดหาขาเบสก่อนโดยที่เราไม่รู้ว่าขาเบสคือขาไหน  แต่ ให้เราใช้ปลายสายมิเตอร์จับที่ขาใดขาหนึ่งเป็นหลักก่อน ( สุ่มเลือกมา 1 ขา )แล้วใช้สายมิเตอร์อีกสายวัด 2 ขาที่เหลือ ในระหว่างวัดนี้ให้เราสังเกตว่าเข็มมิเตอร์ของเราจะมีจังหวะที่วัดทั้ง 2 ขาแล้วเข็มมิเตอร์ชี้ที่ค่าความต้านทานเท่ากันทั้งสองขา สรุปได้เลยว่า ขาที่เราสุ่มไว้เป็นหลัก 1 ขานั้นคือ ขาเบส ถ้าจังหวะที่วัดทั้ง 2 ขาเข็มมิเตอร์ไม่เท่ากัน ก็แสดงว่าขาหลักที่เราสุ่มนั้นไม่ใช่ ขาเบส ก็ให้สุ่มเลือกขาใหม่มาเป็นหลัก เราก็จะเห็นขาเบสที่ถูกต้อง  ในจังหวะที่เราวัดหาขาเบสนี้ เรายังสามารถรู้ได้ด้วยว่า ทรานซิสเตอร์ตัวนั้นเป็น ชนิด PNP  หรือ NPN โดยการสังเกตที่ขาเบสว่าได้รับแรงไฟจากสายมิเตอร์สายไหน ( ปกติ เมื่อเราตั้งมิเตอร์ย่าน R เราจะใช้ไฟจากแบตที่อยู่ในมิเตอร์ที่มี 12 โวลท์ การตั้งสเกลย่านนี้ สายดำจะเป็นบวก คือต่ออยู่กับขั้วบวกของแบตในมิเตอร์จะปล่อยไฟบวกออกมา ส่วนสายแดงจะต่ออยูขั้วลบของแบต และปล่อยไฟลบออกมา ) สมมุติถ้าขาที่เราสุ่มเป็นหลักใช้สายแดงแช่ไว้ แล้วนำสายดำวัด 2 ขาที่เหลือ แล้วมีค่าความต้านทานเท่ากันทั้งสองขา แสดงว่า สายแดงที่เราจับขาหลักนั้นเป็นขาเบส และเป็นทรานซิสเตอร์แบ เอ็นพีเอ็น ต้องค่อยๆทำความเข้าใจตรงนี้ให้ดี เมื่อเราคล่องแล้วก็จะเข้าใจง่าย
2. วัดหาขาคอลเลคเตอร์หรือขา C  เมื่อเราวัดหาขาเบสได้แล้ว ให้เราทำการสลับสายมิเตอร์ใหม่ เช่น เดิมเราใช้สายดำวางแช่ที่ขาหลักก็ให้เปลี่ยนเป็นสายแดงมาไว้ที่ขาเบสแทน จังหวะนี้เราเรียกว่าให้รีเวิร์สกับขาเบส เช่น เบส เป็น บวก คือแบบ PNP ก็ให้สลับสายป้อนลบให้เบสแทนเพื่อหาขาซี และให้ตั้ง สเกลมิเตอร์ใหม่เป็น R x 10 Kแล้วทำการวัด 2 ขาที่เหลือเราก็จะได้ ขา C ขาที่เหลือก็คือ ขา E  โดยการหาขา ซีนี้เมื่อเราสลับสายเป็นรีเวิร์สแล้ว ให้ทำการวัด 2ขาที่เรายังไม่รู้ ว่าซีหรือ อี ในจังหวะที่เราวัด ให้สังเกตที่เข็มมิเตอร์ ถ้าวัดเทียบกับเบสแล้วมีค่าความต้านทานสูง ( ความต้านทานสูง หมายถึงเข็มมิเตอร์ขึ้นน้อย ) เมื่อเทียบกับอีกขา ซึ่งขึ้นเยอะกว่า แสดงว่าความต้านทานต่ำ แสดงว่า ขาที่ความต้านทานสูงหรือที่เข็มขึ้นน้อยคือ ขา C ขาที่เหลือคือ ขา E 

• ต้องทำความเข้าใจนะครับและใช้มิเตอร์วัดหาตามขั้นตอนนี้ไปด้วยแล้วจะเข้าใจง่ายขึ้น และหาขาทรานซิสเตอร์ได้อย่างถูกต้อง

มัลติมิเตอร์

• จำไว้ว่าเมื่อเราตั้งสเกลมิเตอร์ย่าน R ในรูปคือซีกขวาเราจะเห็น X10K,X1K ,X100, X10 ย่านี้ครับเรียกว่าย่าน R ซึ่งเราใช้วัดหาขา ทรานซิสเตอร์ ไดโอด หรือวัดค่ารีซิสเตอร์ หรือ อาร์ หรือวัดค่า ซี หรอคาปาซิเตอร์
• การตั้งสเกลย่านนี้ไฟจากแบตที่อยู่ใน มิเตอร์ 12 โวลท์ จะไหลออกมา โดยสายแดงจะเป็นขั้วลบ และสายดำจะเป็นขั้วบวก อย่าสับสนนะครับ

• ส่วนในย่านอื่นเราจะไม่ได้ใช้ไฟจากแบตมิเตอร์เลย ไฟจะไหลจากวงจรภายนอกที่เราวัดเข้ามายังเร้งจ์ของมิเตอร์เพื่อให้เข็มกระดิด แล้วสายแดงจะเป็น บวก สายดำจะเป็นลบ เพราะไฟไหลจากข้างนอกเข้ามามิเตอร์ เช่นเราวัดไฟฟ้าที่บ้านโดยเสียบเข้าปลั๊กไฟที่บ้าน หรือวัดไฟจากแบต เป็นต้น

• ดั้งนั้นการตั้งสเกลมิเตอร์ต้องตั้งเพื่อด้วยเช่น วัดไฟบ้าน เราก็ต้องปรับไปที่ย่าน AC และไฟฟ้าบ้านจะอยู่ที่ 220โวลท์ เราจึงควรตั้งสเกลมิเตอร์ไว้ที่ 250โวลท์ เพื่อป้องกันมิเตอร์เราไหม้เสียหายหรือฟิวส์อาจขาดก่อน

กังวาล ทองเนตร รัฐศาสตร์ภาควิชาการปกครองมหาวิทยาลัยรามคำแหง

โทการสื่อสารมวลชน คอมพิวเตอร์กราฟฟิคดีไซน์มหาวิทยาลัยรามคำแหง

ช่างอิเลคทรอนิคส์ จากแสงทองอิเลคทรอนิคส์ แผนกช่างวิทยุ โทรทัศน์ขาวดำ

ช่างอิเลคทรอนิคส์ แผนกโทรทัศน์สี วีดีโอ เลเซอร์ดิสก์ จากเทคนิคไทยญี่ปุ่น ( เทคนิคเทพนิมิตร )

บาร์ดีน

สัญลักษณ์ของทรานซิสเตอร์ ฝั่งซ้ายแบบ N-Typ สังเกตที่ขา E จะมีลูกศรออก ส่วนด้านขวาเป็นแบบ P -Typ ลูกศรจะเข้าที่ขา E