Eğitim

Transistör Nedir?Transistörler Nasıl Çalışır?

transistor-1Yirminci yüzyılın en önemli buluşlarından biri olarak kabul edilen ve elektronik devrelerin can damarı olan transistörler, 1947 yılında icat edildi. Dünyanın en büyük telefon şirketi olan Bell kuruluşlarının araştırma laboratuvarlarında, Willian Shockley başkanlığında John Bardeen ve Walter Brattain’den oluşan ekip, teknolojide yepyeni bir çığır açan bu buluşlarından dolayı, 1956 yılında Nobel Ödülü’nü paylaştı.

Bardeen ve Brattain, radyo ve telefon sinyallerinin alınmasında, güçlendirilmesinde ve yansıtılmasında kullanılan termiyonik kapaklara karşı bir seçenek bulmak için uğraşıyorlardı. Çabuk kırılabilen ve pahalıya mal olan bu lambaların ısınması için belirli bir sürenin geçmesi gerekiyordu. Ayrıca bir hayli de elektrik tüketiyordu.

transistor1Ekip ilk transistörü, ince bir germanyum tabakasından yaptı. 1947 Noel’inden iki gün önce bu transistör bir radyo devresine takıldı ve Brattain, defterine şu satırları yazdı : “Bu devre gerçekten işe yarıyor. Çünkü ses düzeyinde hissedilir bir yükselme sağlandı.” Transistör, tıpkı lamba gibi, ses sinyalini güçlendiriyordu. Ama hem boyut olarak çok daha küçüktü hem de daha az enerjiye ihtiyaç duyuyordu.

Önceleri küçücük bir aygıtın o koca lambaların yerini alabileceğine pek az kimse inandı. Ama Shockley ve ekibi, dört yıl içinde büyük gelişmeler sağladı. 1952 yılında transistör orijinal boyutunun onda birine indirildi ve çok daha güçlendi. 1957’de yılda 30 milyon transistör üretilebilecek aşamaya gelindi. Bu alanda gelişmeler yine de sürdürüldü. Bilim adamları, germanyum tabakası yerine, çok daha büyük sıcaklıklara dayanabilen silisyum kullanmaya başladılar. Akımı saniyenin 100 milyonda biri kadar kısa bir zamanda iletebilen transistörler imal edildi. Bunların sayesinde cep tipi hesap makineleri, dijital saatler yapıldı. Radyo ve TV alıcılarındaki lambaların yerini de transistörler aldı. Eğer bu küçük harika aygıtlar olmasaydı, uydu haberleşmeleri, uzay araçları ve ayın insan tarafından fethi de mümkün olmayacaktı.

BJT Transistörler

Transistör imalatında kullanılan yarı iletkenler, birbirlerine yüzey birleşimli olarak üretilmektedir. Bu nedenle “bipolar jonksiyon transistör” olarak adlandırılır. Bipolar transistörler de PNP ve NPN olarak iki tiptir. PNP tipinde base negatif emiter ve kolektör pozitif kristal yapısındadır. NPN tipinde ise base pozitif, emiter ve kollektör negatif kristal yapısındadır. İletimde olması için base, emittere göre daha pozitif olmalıdır. Buradaki gerilim farkı 0.7 (silisyum) – 0.3 (germanyum) volt veya daha fazla olmalıdır.

PNP ve NPN Tipi Transistörlerin Yapısı
basic-bjt

PNP ve NPN Transistör Sembolü

BJT transistörler katkılandırılmış P ve N tipi malzeme kullanılarak üretilir. Transistörler NPN ve PNP olmak üzere iki temel yapıda üretilir. NPN transistörde 2 adet N tipi yarı iletken madde arasına 1 adet P tipi yarı iletken madde konur. PNP tipi transistor de ise 2 adet P tipi yarı iletken madde arasına 1 adet N tipi yarı iletken madde konur. Dolayısıyla transistör 3 adet katmana veya terminale sahiptir. Transistörün her bir terminaline işlevlerinden ötürü; emiter (emitter), beyz (base) ve kolektör (collector) adları verilir. Bu terminaller; genelde E, B ve C harfleri ile sembolize edilir.

  • Emiter bölgesi (Yayıcı): Akım taşıyıcıların harekete başladığı bölge
  • Beyz bölgesi (Taban): Transistörün çalışmasını etkileyen bölge
  • Kollektör bölgesi (Toplayıcı): Akım taşıyıcıların toplandığı bölge Bu bölgelere irtibatlandırılan bağlantı iletkenleri de elektrot, ayak veya bağlantı ucu olarak tanımlanır.
npn ve pnp

Fiziksel Yapı

iç yapısı

iç yapısı

PNP ve NPN Tipi Transistörlerin Doğru ve Ters Yönde Polarmalandırması

Transistörün çalışmasını sağlayacak şekilde, emiter, beyz ve kollektörünün belirli değerdeki ve işaretteki (±), DC gerilim ile beslenmesine transistörün kutuplanması (kutuplandırılması) denir.

N Tipi transistörün polarmalandırılması: NPN transistör iki diyodun yan yana gelmesi şeklinde düşünülür:

  • “NP” Emiter – Beyz diyodu
  • “PN” Beyz – Kollektör diyodu

NPN veya PNP transistörü çalıştırabilmek için aşağıdaki resimde görüldüğü gibi polarmalandırmalıdır.

NPN PNP Polarma

  • Emiter – Beyz diyodu, doğru polarmalandırılır.
  • Beyz – Kollektör diyodu ise ters polarmalandırılır.

Transistörlerin Çalışma Kararlılığını Etkileyen Faktörler

Bir transistöre kararlı bir çalışma yaptırabilmek için öncelikle karakteristik değerlerine uygun bir devre düzeni kurmak gerekir. Bunu için de daha önceden belirtilmiş olduğu gibi, katalog değerlerine ve karakteristik eğrilerinde verilen bilgilere uyulmalıdır.

Sıcaklık

Aşırı ısınan transistörün çalışma dengesi bozulur, gücü düşer. Daha da çok ısınırsa yanar. Isınan transistörlerde elektron sayısı anormal artacaktır. Bu artış nedeniylede belirli giriş değerleri için alınması gereken çıkış değerleri değişir. Bu da kararlı çalışmayı önler. Daha çok ısınma hâlinde ise kristal yapı bozulur. Bu durumda transistörün yanmasına neden olur. Isınma transistörün kendi çalışmasından kaynaklandığı gibi sıcak bir ortamda bulunmasından dolayı da olabilir.

Frekans

Her transistör, her frekansta çalışmaz. Bu konuda yine katalog bilgilere bakmak gerekir. Örneğin: NPN transistörler, PNP transistörlere göre yüksek frekanslarda çalışmaya daha uygundur. Nedeni de NPN transistörlerde elektrik yükü taşıyıcıları elektronlardır. PNP transistörlerde ise taşıyıcılar pozitif elektrik yükleridir. Elektronlar, pozitif elektrik yüklerine göre çok daha hızlı ve serbest hareket edebildiklerinden yüksek frekanslar için NPN transistörler daha uygundur.

Limitsel Karakteristik Değerleri

Her transistörün ayrı çalışma değerleri vardır. Bu çalışma değerlerinden bazılarının kesinlikle aşılmaması gerekir. Bunlara, “limitsel karakteristik” denir. Limitsel karakteristik değerleri şöyle sıralanır:

  • Maksimum kollektör gerilimi
  • Maksimum kollektör akımı
  • Maksimum dayanma gücü
  • Maksimum kolektör
  • Beyz jonksiyon sıcaklığı
  • Maksimum çalışma (kesim) frekansı

Limitsel değerler gerek birbirlerine, gerekse de giriş değerlerine bağlıdır. Yukarıda sıralanan maksimum değerlerin ne olmasının gerektiği transistör kataloglarından ve karakteristik eğrilerinden saptanır.

Polarma Yönü

Polarma gerilimini uygularken ters polarma bağlantısı yapmamaya özellikle dikkat edilmelidir. Böyle bir durumda, transistör çalışmayacağı gibi normalden fazla uygulanacak olan ters polarma gerilimleri jonksiyon diyotlarının delinmesine yani kristal yapının bozulmasına neden olacaktır.

Aşırı Toz ve Kirlenme

Transistörlerin toza karşı ve özelliklede metalik işlemlerin yapıldığı ortamlarda çok iyi korunması gerekir. Aşırı toz ve kirlenme elektrotlar arası yalıtkanlığı zayıflatacağından kaçak akımların artmasına neden olacaktır. Bu da transistörün kararlı çalışmasını engelleyecektir. Eğer metal ve karbon (kömür) tozlarıyla karışık bir tozlanma varsa transistör elektrotlarının kısa devre olma ihtimalide mevcuttur. Tozlu ortamda çalıştırılması zorunlu olan transistörlerin ve bütün elektronik devrelerin toza karşı iyi korunmaları gerekir. Zaman zaman devrenin enerjisi kesilerek yumuşak bir fırça ile aspiratör tozları temizlenmelidir. Tozlardan arındırma işlemi, elektrik süpürgesiyle kesinlikle yapılmamalıdır. Zira yapışkan tozlar daha da çok yapışarak kirliliği artırır, buradan kalkan tozlar diğer cihaz ve devrelere konarak başka devrelerin de tozlanmasına neden olur.

Nem

Transistörler ve bütün elektronik devreler, neme karşı çok iyi korunmalıdır. Gerek su buharı, gerekse de bazı yağ ve boya buharları, elektrotlar arasında kısa devre yapabileceği gibi tozların da yapışıp yoğunlaşmasına neden olur, cihazların kararlı çalışmasını engeller.

Sarsıntı

Sarsıntılı ortamda kullanılan cihazlarda, daima bağlantıların kopması ihtimali vardır. Aşırı sarsıntı, iç gerilmeleri artıracağından kristal yapının bozulması da mümkündür. Sarsıntılı ortamlarda çalıştırılacak cihazlara üreticiler tarafından özel sarsıntı testi uygulanır. Bu gibi çalıştırmalarda, üreticisinden sarsıntı testleri hakkında bilgi almak gerekir.

Elektriksel ve Magnetik Alan Etkisi

Gerek elektriksel alan gerekse de magnetik alan serbest elektronların artmasına ve onların yönlerinin sapmasına neden olur. Bu da kararlı çalışmayı önler. Bu gibi ortamlarda kullanılacak cihazlar faraday kafesiyle ve anti magnetik koruyucularla korunmalıdır.

Işın Etkisi

Röntgen ışınları, lazer ve benzeri çok yüksek frekanslı ışınlar kararlı çalışmayı etkiler. Bu gibi yerlerde kullanılacak cihazlar özel koruma altına alınmalıdır.

Kötü Lehim (soğuk lehim)

Transistörün ve bütün elektronik devre elemanlarının çok ustaca lehimlenmesi gerekir. Soğuk lehim, dışarıdan bakıldığında cihazı lehimliymiş gibi gösterir. Soğuk lehim, elektriksel iletimin iyi olmamasına neden olacağından bütün bir sistemin kararlı çalışmasını engelleyecektir. Bu tür arızaların bulunması da çok zordur. Ayrıca aşırı ısıtılarak lehim yapılması da devre elemanlarını bozar. Belirli bir lehim pratiği olmayanların transistör ve benzeri elektronik devre elemanlarının lehimini yapmaması gerekir.

Katalog Kullanarak Transistörlerin Bilgilerinin ve Karşılıklarının Bulunması

Bir transistör hakkında bilgi edinmek gerektiğinde üzerindeki ve katalogdaki bilgilerden yararlanılır. Daha geniş bilgi içinde, üretici firmadan yayınlanan tanıtım kitabına bakılması gerekir. Aşağıdaki resimde  BC 237 transistörünün katolog bilgileri (DataSheet) verilmiştir. Bu transistörün yerine başka bir transistör kullanılması için yerine kullanılacak transistör bilgilerinin bu katolog bilgileri ile aynı olması gerekir. Değerlerin küçük olması problem oluşturacağı gibi büyük olması da problem oluşturabilir. Transistör hangi amaçla kullanılıyor ise özellikle o parametreler dikkate alımalıdır.

bc 237 katalog

bc 237 katalog

Transistörlerin Üzerindeki Harflerin ve Rakamların Okunması

Transistörlerin kodlanmasında birtakım harf ve rakamlar kullanılmaktadır. AC187, BF245, 2N3055, 2SC2345, MPSA13 vb. gibi birçok transistör sayabiliriz. Kodlamada kullanılan bu harf ve rakamlar rastgele değil, uluslararası standartlara göredir ve anlamlıdır. Günümüzde kabul edilen ve kullanılan başlıca 4 tip standart kodlama vardır. Birçok üretici firma bu kodlamalara uyarak transistör üretimi yapar ve tüketime sunar. Yaygın olarak kullanılan standart kodlamalar aşağıda verilmiştir:

  • Avrupa Pro-electron Standardı (Pro-electron)
  • Amerikan Jedec Standardı (EIA-jedec)
  • Japon (JIS)
  • Firma Standartları
Avrupa Standardı (Pro-Electron Standardı)

Avrupa ülkelerinde bulunan transistör üreticilerinin genellikle kullandıkları bir kodlama türüdür. Bu kodlama türünde üreticiler transistörleri; AC187, AD147, BC237, BU240, BDX245 ve benzeri şekilde kodlar. Kodlamada genel kural, önce iki veya üç harf sonra rakamlar gelir. Kullanılan her bir harf anlamlıdır ve anlamları aşağıda ayrıntılı olarak açıklanmıştır.

İlk Harf

Avrupa (Pro Electron) standardına göre kodlamada kullanılan ilk harf, transistörün yapım malzemesini belirtmektedir. Germanyumdan yapılan transistörlerde kodlama A harfi ile başlar. Örneğin AC121, AD161, AF254 vb. kodlanan transistörler germanyumdan yapılmıştır. Silisyumdan yapılan transistörlerde ise kodlama B harfi ile başlar. BC121, BD161, BF254 vb. kodlanan transistörler silisyumdan yapılmıştır.

İkinci Harf

Transistörlerin kodlanmasında kullanılan ikinci harf Avrupa Standardına göre, transistörün kullanım alanlarını belirtir. Örnek kodlamalar aşağıda verilmiştir.

AC

Avrupa (Pro Electron) Standardına göre, düşük güçlü alçak frekans transistörüdür. Germanyumdan yapılmıştır. AC121, AC187, AC188, AC547 gibi.

BC

Avrupa (Pro Electron) Standardına göre, düşük güçlü alçak frekans transistörüdür ve silisyumdan yapılmıştır. BC107, BC547 gibi.

Üçüncü Harf

Avrupa (Pro Electron) standardında bazı transistörlerin kodlanmasında üçüncü bir harf kullanılır. Üçüncü harf, ilk iki harfte belirtilen özellikler aynı kalmak koşuluyla o transistörün endüstriyel amaçla özel yapıldığını belirtir. BCW245, BCX56, BFX47, BFR43, BDY108, BCZ109, BUT11A, BUZ22 gibi.

Amerikan (Jedec) Standardı

Amerikan yapımı transistörler 2N ifadesi ile başlayan kodlar ile isimlendirilmişlerdir. Bu kodlarda;

  • Birinci rakam : Elemanın cinsini gösterir.
  • Birinci harf : Transistörün yapım malzemesini belirtir.
  • Son rakamlar : Tipini ve kullanma yerini gösterir.

Örneğin 2N3055’teki 2 rakamı transistör olduğunu, N harfi transistörün silisyumdan yapıldığını ve 3055 imalat seri numaralarını belirtir.

Japon Standardı

Japon yapımı transistörler 2S ifadesi ile başlayan kodlar ile isimlendirilmişlerdir. Bu kodlarda;

  • Birinci rakam : Elemanın cinsini gösterir.
  • Birinci harf : Transistörün yapım malzemesini belirtir.
  • İkinci harf : Tipini ve kullanma yerini gösterir.

Örneğin 2SC1384’de 2 rakamı elamanın transistör olduğunu, S harfi transistorün silisyumdan yapıldığını, C harfi NPN tipi yüksek frekans transistörü olduğunu ve 1384 imalat seri numaralarını belirtir.