Transistör Nedir? Ne İşe Yarar?

Bir önceki Elektronik Nedir yazımızda aktif ve pasif devre elemanlarının bazılarından bahsederken, aktif devre elemanlarına örnek olarak transistörü göstermiştik.

Yazıda Neler Var?

Transistör Nedir?

Transistörün Tarihçesi(*)

Yarı-İletken Maddeler

Transistör Nasıl Çalışır?

Transistör Çeşitleri ve Yapıları

NPN ve PNP Transistörlerin Farkı:

MOSFET Nedir? MOS Transistörler

Transistörlerin Kullanım Alanları

Transistör ile Yük Anahtarlama:

H-Köprüsü Devresi:

Transistörler ile Lojik Kapısı Devreleri:

NOT Kapısı (Inverter – Tersleyici):

AND (VE) Kapısı:

OR (VEYA) Kapısı:

Transistör ile Amfi Devresi

Transistör Nedir?

Elektronik Nedir yazımızdan da hatırlayacağımız üzere, transistör küçük elektrik sinyalleri yükseltmek veya anahtarlamak amacıyla kullanabileceğimiz bir yarı-iletken devre elemanıdır. 3 veya daha fazla bacağı bulunan transistörün bacaklarından birisine uygulanan elektrik sinyali ile diğer bacakları arasındaki elektrik akımını kontrol edebiliriz.

Transistörün elektrik akımını kontrol etmesini, tıpkı suyu kontrol eden bir vana gibi düşünebiliriz.

Transistörün Tarihçesi(*)

Termiyonik triyot (diğer ismiyle lamba ya da vakum tüpü), 1907 yılında icat edildi ve bu sayede radyo ve telefon gibi icatların oluşmasında önemli rol oynadı. Fakat lambalar oldukça fazla elektrik tüketmekteydi, fazla ısınıyorlardı ve kolayca bozulabiliyorlardı.

Transistör ile ilgili ilk patent Kanada’da 22 Ekim 1925 tarihinde Avusturya-Macaristanlı bir fizikçi olan Julius Edgar Lilienfeld tarafından sunulmuştur. Lilienfeld bu patenti, vakum tüpleri yerine kullanılabilecek olan ilk alan etkili transistör (FET) için almak istemiştir. Fakat herhangi bir araştırma makalesi sunulmadığı ve ortada çalışan bir örnek veya prototip bulunmadığı için endüstri tarafından çalışmaları reddedilmiştir. 1934 yılında ise Alman mucit Oskar Heil, Avrupa’da benzer bir transistör için patent talebinde bulundu.

17 Kasım – 23 Aralık 1947 tarihleri arasında John Bardeen ve Walter Brattain ABD New Jersey’de yer alan AT&T şirketine ait Bell Laboratuarlarında çeşitli deneylerde bulundular. Bu deneylerinden birisinde germanyum kristali üzerinde bulunan iki altın kontak noktasına uygulanan sinyalin çıkışının, girişinden daha yüksek olduğunu gözlemlediler.*

Çalışan ilk transistör prototipi.

Transistör ismi ise John R. Pierce tarafından geçişli direnç anlamında düşünebileceğimiz “transresiztans” ifadesinin kısaltması olarak sunulmuştur.

Tüketiciye sunulan ilk transistörlü radyo olan Regency TR-1, Texas Instruments ve Industrial Development Engineering Associates, I.D.E.A. isimli şirket tarafından üretilmiş ve 1954 yılında piyasaya sunulmuştur.

İlk transistörlü radyo, Regency TR-1 (kaynak: https://www.flickr.com/photos/transistor_radios/2139498540).

Yarı-İletken Maddeler

Bakır ve demir gibi maddelerin iletken, plastik ve seramik gibi maddelerin yalıtkan olduklarını biliyoruz. Yarı-iletken maddeler ise, normalde yalıtkan olmalarına karşın elektrik gerilimi gibi dış etkilere maruz kaldıklarında iletken olarak davranırlar.

Elektronikte genellikle silisyum, germanyum, galyum arsenit gibi yarı-iletken maddeler kullanılır. Bu maddeler doğadaki saf halleri yerine doping ismi verilen bir işlemden geçirilerek p-tipi ve n-tipi olmak üzere iki farklı çeşide dönüştürülerek devre elemanlarının yapılarını oluşturur. P-tipi maddeler, pozitif yüklere sahip “delik”ler, maddede yer alan negatif yüklerden daha fazla sayıdadır. N-tipi yarı-iletkenlerde ise negatif yüklere sahip elektronlar, pozitif yük taşıyıcılardan daha fazla sayıdadır. Bu yük taşıyıcıları, madde üzerinden geçen elektrik akımının hareketini sağlarlar.

Transistör Nasıl Çalışır?

En basit yarı-iletken devre elemanı olan ve akımın yalnızca tek bir yönde akmasını sağlayan devre elemanı olan diyota bakalım:

Diyot, P ve N tipi yarı-iletkenlerin birleşimiyle oluşur.

Bir diyot, iki farklı şekilde kutuplanabilir. Yukarıdaki görselde de gördüğümüz şekilde diyotun anot ucuna pozitif, katot ucuna da negatif bir gerilim uygulanması durumuna ileri kutuplama ismi verilir. İleri kutuplanmış bir diyotun anot ucundan katot ucuna akım geçişi olur.  Gerilimlerin yerleri tam tersine çevrildiğinde ise diyot ters kutuplama durumundadır. Bu durumda diyot üzerinden akım geçmez. Konumuzun transistör olduğunu unutmadım, biraz sabır 🙂

Şimdi ise iki adet diyotu anot uçlarından birleştirdiğimizi düşünelim. Bu durumda aşağıdakine benzer bir yapı elde etmiş oluruz:

3 adet yarı iletkenden oluşan bir yapı elde ettik.

Bu yapının iki ucuna gerilim uyguladığımızı düşünelim. Güç kaynağımızı nasıl bağlarsak bağlayalım, p-n çiftlerinden bir tane mutlaka ters kutuplu olacaktır. Şimdi ise ikinci bir güç kaynağını aşağıdaki şekilde bağladığımızı hayal edelim:

Ortadaki ve alttaki p-n çiftine dikkat!

Dikkat ettiyseniz orta ve altta yer alan p-n çifti bize ileri kutuplanmış bir diyotu anımsatıyor. Alttaki p-n çiftinin oluşturduğu elektron hareketi, üstteki p-n çiftinin de elektronlarını harekete geçirecek ve şuna benzer bir akış gerçekleşecektir:

Transistörün akımları bu şekildedir. Videonun tamamı: https://www.youtube.com/watch?v=7ukDKVHnac4

Animasyonda en sol da görünen n kısmından, 2 numaralı güç kaynağı sayesinde p kısmına doğru hareket eden elektronlar, p kısmındaki elektronların da diğer n kısmına doğru hareket etmesini sağlayacak, dolayısıyla 1 numaralı güç kaynağının akım kazancı sağlamasına sebep olacaktır.

Bu şekildeki yarı-iletken maddelerden oluşturulan yapıya bipolar junction transistor (çift birleşim yüzeyli transistör) ya da kısaca BJT denir.

Transistör Çeşitleri ve Yapıları

Hobi elektroniğinde en çok karşılaşacağımız transistör tipleri bipolar junction transistor (BJT) ve metal-oxide semiconductor field efect transistor (MOSFET) dür. Yukarıda transistörün çalışma prensibini anlatırken kullandığımız örnekteki transistör, NPN tipinde bir BJT’dir.

BJT’lerin collector, emitter ve base olmak üzere 3 adet bacağı bulunmaktadır:

NPN tipinde bir transistörün bacakları.

MOSFET’lerde ise gate, drain ve source olmak üzere 3 adet bacak bulunur:

N-tipi bir MOSFET’in bacakları.

Bipolar transistörler, yapılarındaki yarı-iletken dizilimine göre NPN ve PNP olmak üzere iki çeşittedir.

NPN ve PNP Transistörlerin Farkı:

Temelde aynı işi yapsalar da, NPN ve PNP transistörlerin devreye bağlanış şekilleri ve kutuplanmaları için gerekli gerilimler terstir.

NPN transistörler, açık konuma getirilmeleri için pozitif baz akımına ihtiyaç duyarlar ve devrede yük ile negatif gerilim (GND) arasına bağlanırlar:

NPN tipi bir transistörün devreye bağlantısı.

PNP tip transistörler ise iletime geçmek için negatif baz akımına ihtiyaç duyar ve yükün pozitif tarafına bağlanarak kullanılır:

NPN tipi bir transistörün devreye bağlantısı.

MOSFET Nedir? MOS Transistörler

Şimdiye kadar transistörlerden bahsederken hep BJT tipindeki örnekler üzerinden gittik. Fakat elektronik devrelerde sıkça kullanılan bir diğer transistör çeşidi ise metal-oxide semiconductor field effect transistor (metal oksit yarı-iletkenli alan etki transistörü) kelimelerinin baş harflerinden oluşan MOSFET‘tir.

BJT’ler gibi MOSFET’ler de anahtarlama ve güçlendirme (amplifikasyon) görevinde kullanılabilirler. Transistörlerin çalışma prensibi kısmından da hatırlayacağımız üzere BJT’nin emitter, collector ve base olmak üzere 3 adet bacağı bulunmaktaydı. Bu bacaklar, MOSFET’te ise gate, drain ve source isimlerini alırlar.

Solda NPN tipinde bir BJT, sağda ise N-tipi bir MOSFET’in bacak isimleri verilmiştir.

MOSFET’lerde kontrol sinyali gate isimli bacaktan uygulanır ve BJT’lerin aksine bu bacaktan akım geçişi olmaz. Bu bacağa yalnızca transistörün datasheet’inde belirtilen değerde bir gerilim uygulamak transistörü çalıştıracaktır.

Kısaca bahsetmek gerekirse;

• BJT‘nin çalışması için base bacağına akım
• MOSFET‘in çalışması için gate bacağına gerilim

uygulamak gereklidir.

MOSFET’ler, tıpkı BJT’lerde olduğu gibi kutuplarına göre N-tipi ve P-tipi olmak üzere farklı çeşitlerde karşımıza çıkarlar.

NMOS ve PMOS transistörlerin devre sembolleri.

MOSFET’ler, BJT’ler gibi base akımına ihtiyaç duymadan çalıştıkları için daha az ısınırlar. Bu sebeple dijital elektronik devrelerin çoğunda MOSFET tipi transistörler tercih edilir. Bu avantajlarına rağmen MOSFET’ler genellikle BJT’lerin sağlayabildiği ölçüde akım kazancı sağlayamamaktadırlar.

Transistörlerin Kullanım Alanları

Transistörler günümüz elektroniğinin temelini oluştururlar. Elektronik devrelerde anahtarlama ve kuvvetlendirme işlemlerinde kullanılırlar. Birkaç örnek devre vermek istersek

• Transistör ile Yük Anahtarlama:

Transistörleri sayesinde Arduino gibi mikrokontrolcülerimiz aracılığıyla LED şeritler, motorlar gibi yüksek güç tüketecek yükleri anahtarlamamız mümkündür:

Transistör ile LED anahtarlama devresi.

Devrede 0-5V ile gösterilen bağlantıya PWM sinyali uygulayarak anahtarlamayı yüksek hızda yapabilir, dolayısıyla bağlı olan LED’in parlaklığını veya bağladığımız motorun hızını kontrol edebiliriz.

Transistör ile DC motor sürme devresi.

Motora paralel olarak bağlı olan diyotun ne için olduğunu merak ediyorsanız İndüktör Nedir isimli yazımızı okuyabilirsiniz 🙂

Motorun yalnızca hızı değil, yönünü de kontrol etmek istersek H-köprüsü adı verilen bir devre kurmamız gereklidir.

• H-Köprüsü Devresi:

H-Köprüsü devresi 4 adet transistörden oluşmaktadır.

• Transistörler ile Lojik Kapısı Devreleri:

Dijital elektroniğin en temel yapı taşı olan lojik kapılarını transistörler ile oluşturmamız mümkündür. Genellikle günümüzde bu tip lojik devreler için MOS transistörler kullanılmaktadır.

• NOT Kapısı (Inverter – Tersleyici):

NOT kapısı (invertör).

• AND (VE) Kapısı:

AND kapısı devresi.

• OR (VEYA) Kapısı:

OR kapısı devresi.

• Transistör ile Amfi Devresi

Transistörlerin küçük sinyalleri yükseltmede kullanılabildiklerinden bahsetmiştik. Burada ise küçük bir AC sinyalin (örn. mikrofondan çıkışı) kuvvetlendirilerek bir hoparlörü çalıştırabilmesi için gerekli amfi devresine bir örnek şema vereceğiz:

Bu devrenin ismi ortak emitörlü yükselticidir.

AC sinyalin girişinde bulunan kapasitör, transistörün bazına DC sinyalin gitmesini engellerken, hoparlörden hemen önce transistörün kolektör ucuna bağlı olan çıkıştaki kapasitör de, devredeki yükümüz yani hoparlörümüze DC sinyalin iletimini engellemek amacıyla bulunmaktadır.

Dikkatli gözler buradaki devrenin lojik invertör ile büyük benzerlik gösterdiğini fark edecektir. Bu amfi devresinin bir özelliği de, uygulanan sinyalin fazını tersine çevirmesidir. Bu durumun önüne çok katmanlı amfi devreleri kurularak ve bu sayede sinyal iki kere çevirilerek geçilebilir.