ทรานซิสเตอร์ สารกึ่งตัวนำเปลี่ยนโลกดิจิตอล

หลายคน คงคุ้นชื่อกับ คำว่า ทรานซิสเตอร์ (Transistor) ได้จาก ประมาณหนังมนต์รักลูกทุ่ง ทรานซิสเตอร์นั้นถูกค้นพบ   1824 (พ.ศ.2357) ราวๆสมัยอยุธยา เมื่อนักเคมีชาวสวีเดน นายโจนส์ เบอร์เซเลียส (Jons Berzelius ค.ศ. 1779-1848) ค้นพบ ซิลิคอน (silicon) และในปี 1886 รัชกาลที่ 4 กษัตริย์ไทย  นักเคมีชาวเยอรมัน คลีเมนส์ อเล็กซานเดอร์ (Clemens Alexander ค.ศ.1838-1904) ค้นพบ สารเจอร์มาเนี่ยม (Germanium) ธาตุหรือสารทั้งสองชนิดนี้เป็นที่รู้จักดีในนาม สารกึ่งตัวนำ (semiconductors) เนื่องจากมีคุณสมบัติเหนี่ยวนำไฟฟ้าระหว่างวัตถุที่เป็นฉนวน ซึ่งต้านทานไฟฟ้าไม่ให้ไหลผ่านสื่อนำไฟฟ้าอย่างโลหะ โดนทรานซิสเตอร์จะทำงานได้ก็ต่อเมื่อมีแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง เพียงพอ ที่จะผ่าน สารกึ่งตัวนำดังกล่าวได้  ทำไมผู้เขียนกล่าวเช่นนั้น เพราะเดิมทีการพัฒนาเครื่องจักรทุกชนิดจะต้องใช้ กลไกระบบเครื่องกลมาช่วย
 vacummหลอดสุญญากาศ ในสมัยนั้น200000

หลอดสุญญากาศ ในสมัยนั้น ซึ่งถูกนำมาแทนเป็นส่วนหนึ่งของวงจร เพื่อการประมวลผล

 

transistor

ทรานซิสเตอร์ ตัวแรกของโลก

 

ซึ่งมีขนาดที่ใหญ่มาก และต้องใช้ทรัพยากรอย่างมาก เพื่อที่จะใช้งาน เช่นเดิมที คอมพิวเตอร์ (เครื่องเจาะบัตร) ต้องใช้ห้อง มากกว่า 2 ห้อง ในการตั้ง 1 เครื่อง และ ใช้ทรัพยากร เช่น คนและ ไฟฟ้าจำนวนมหาศาลในการขับเคลื่อนเครื่องกลดังกล่าว ให้ทำงาน ได้ จะเห็นได้ว่าก่อนที่จะมี ทรานซิสเตอร์ ได้มีการใช้ เครื่องกล และยุคที่ 2 ของคอมพิวเตอร์ คือการใช้ หลอดสุญญากาศ อาจจะต้องใช้หลอดสุญญากาศ หลายสิบตัว แทนทรานซิสเตอร์ 1 ตัว และ กำลังไฟฟ้า แทบทั้งเมืองในสมัยนั้น และการบำรุงรักษาที่ยาก ทำให้เกิด Bug เพราะมีลักษณะคล้ายหลอดไฟโป๊ะ และล่อแมลงเป็นอย่างดี โดยทรานซิสเตอร์ชนิดสองรอยต่อเรียกด้ายตัวย่อว่า BJT (BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR) ทรานซิสเตอร์ (BJT) ถูกนำไปใช้งานอย่างแพร่หลาย เช่น วงจรขยายในเครื่องรับวิทยุและเครี่องรับโทรทัศน์หรือนำไปใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ทำหน้าที่เป็นสวิทซ์ (Switching) เช่น เปิด-ปิด รีเลย์ (Relay) เพื่อควบคุมอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่น ๆ เป็นต้นประเภทของสารกึ่งตัวนำ มีอยู่ของประเภท คือเจอมันเนี่ยม และซิลิคอน แต่ในทางปฏิบัติแล้ว อุปกรณ์จะถูกทำมาจากซิลิคอนเป็นหลักเพราะมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ดี โดยเจอร์มันเนี่ยม มีค่าค่อนไปทางตัวนำไฟฟ้า มากกว่า ซิลิกอนจะไม่เหมาะกับการมาทำสารกึ่งตัวนำโครงสร้างของทรานซิสเตอร์ประกอบด้วย สารกึ่งตัวนำ 2 ชนิด ประกบกัน 3 ชั้นวางสลับกันระหว่าง สาร P (P-type) และ สาร N (N-type) จากนั้นต่อขาออกมาใช้งานลักษณะการซ้อนกันนี้ ถูกนำมาแบ่งเป็นชนิดของทรานซิสเตอร์- ทรานซิสเตอร์ชนิด NPN โครงสร้างของมันก็คือ สาร P ประกอบด้วยสาร N ทั้งสองข้าง ดังรูปที่1(ก) จากนั้นต่อขาจากสารกึ่งตัวนำทั้งสามชั้นออกใช้งาน ขาที่ต่อจากชั้นสารที่อยู่ตรงกลางเรียกว่า ขาเบส (B,Base) ส่วนขาริมทั้งสอง คือขาคอลเล็กเตอร์ (C,Collector) และขาอีมิตเตอร์ (E,Emitter)- ทรานซิสเตอร์ชนิด PNP โครงสร้างประกอบด้วย สาร N ประกบด้วยสาร P ขาที่ต่อออกจากชั้นสารที่อยู่ตรงกลางเรียกว่า ขาเบส (B) สองขาที่เหลือคือ ขาคอลเล็กเตอร์ (C) และขาอีมิตเตอร์ (E) ดังรูปที่ 1 ข

2

รูปที่ 2 อธิบายทิศทางการไหลของกระแสในทรานซิสเตอร์ทั้งสองชนิด

ประเทศญี่ปุ่นผู้ผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์รายใหญ่ของโลก ใช้รหัสบอกชนิดของทรานซิสเตอร์ โดยดูจากเบอร์ทรานซิสเตอร์จาก ตัวอักษรที่ตามหลัง 2S… เช่น 2SC1815 เป็นทรานซิสเตอร์ชนิด NPN ใช้ในย่านความถี่สูง นอกจากอักษร C แล้วยังมีอักษรตัวอื่น อีกด้วยดังนี้

A : PNP ใช้ในย่านความถี่สูง

B : PNP ใช้ในย่านความถี่ต่ำ

C : NPN ใช้ในย่านความถี่สูง

D : NPN ใช้ในย่านความถี่ต่ำ

ถ้าเป็นทรานซิสเตอร์ของผู้ผลิตในอเมริกา เบอร์ของทรานซิสเตอร์จะขึ้นต้นด้วย 2N และตามด้วยหมายเลข (หมายเลข 2 ที่นำหน้าเบอร์ หมายถึง 2 รอยต่อ)

ทรานซิสเตอร์ถูกนำไปใช้ในวงจรต่างๆ อย่างมากมาย ด้วยหลักการให้กระแสที่ขา B เป็นตัวควบคุมกระแสที่ไหลผ่านทางขา C และ E ที่เห็นและคุ้นเคยกันมากที่สุดอย่างหนึ่งคือ วงจรขยายเสียง ขยายกำลัง และส่วนใหญ่โครงงานในวารสารอิเล็กทรอนิกส์สมัครเล่น ก็ใช้ทรานซิสเตอร์ เพราะฉะนั้นควรจะทำความเข้าใจเรื่องราวเกี่ยวกับตัวมันให้ดี

ในบางวงจรอาจเห็นว่าทรานซิสเตอร์ ถูกเปรียบเทียบกับสวิตช์หรืออาจจะเป็นตัวขยาย เป็นเพราะเราสามารถจัดไบแอส * ให้มันทำงานเหมือนกับเลือกว่าให้มันเป็นสวิตช์หรือตัวขยายก็ได้

* การไบแอส : การทำให้สิ่งประดิษฐ์อิเล็กทรอนิกส์อยู่ในสภาพที่พร้อมจะทำงานได้ พูดง่ายๆ ก็คือ การป้อนแรงดันให้กับขาต่างๆ ของอุปกรณ์จนมีช่วงทำงานที่เหมาะสม เช่น วงจรนี้ เอามาขยายกำลังเพื่อเป็น วงจรขยายเสียง ขยายกำลังไฟฟ้า วงจรป้องกันสัญญาณการบกวน รวมถึงคอมพิวเตอร์ยุคที่ 3 บริษัท IBM ก็นำทรานซิสเตอร์มาประดิษฐ์เป็นไมโครโปรเซสเซอร์ ในยุคนั้นแทนหลอดสุญญากาศ

รูปลักษณ์

รูปร่างหน้าตาของทรานซิสเตอร์แสดงดังรูปที่ 3 พวกทรานซิสเตอร์กำลังหรือ ทรานซิสเตอร์ที่ทนกำลังได้สูงๆ (สังเกตได้จากตัวถัง ที่เป็นโลหะ) พวกนี้จะต้องมีการระบายความร้อนที่ดี เพราะพวกทรานซิสเตอร์ เป็นอุปกรณ์ที่ไวต่ออุณหภูมิที่ตัวมันสูงเกินที่กำหนด ทรานซิสเตอร์ประเภทนี้จึงจำเป็นจะต้องติดแผ่นระบายความร้อน (heat sink) เสมอ เมื่อใช้งานและในคอมพิวเตอร์ก็เช่นเดียวกัน

ผลของการคิดค้น การนำสารซิลิคอน มาประดิษบ์เป็น ทรานซิสเตอร์ทำให้อุปกรณ์เล็กลง อย่างมากไม่ว่าจะเป็นคอมพิวเตอร์ หลายๆ ห้อง ลดเหลืออยู่ในมือในปัจจุัน และความเร็วมหาศาลเมื่อ เทียบกับอดีต

   คอมพิวเตอร์ ที่ถูกประดิษฐ์จาก ทรานซิสเตอร์ คอมพิวเตอร์อินิแอก ( ENIAC ย่อมาจาก Electronic Numerical Integrator and Computer ) ซึ่งถูกพัฒนาขึ้นมาอย่างลับ ๆ ในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 โดยหน่วยงานวิจัยทางทหารของกองทัพบกสหรัฐอเมริกา มหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนียและวิทยาลัยวิศวกรรมไฟฟ้ามัวร์ โดยมี John Mauchly และ J. Presper Eckert เป็นผู้เริ่มต้นการออกแบบและพัฒนามีชื่อเรียกโครงการว่า “Project PX”einac

nattanon

ณัฐนนท์ ลำสมุทร

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *