ساختار ترانزیستوری چند گیت مهم - نانوالکترونیک5

ترانزیستور کاربردهای بسیار زیاد و متنوعی در الکترونیک دارد، که شرح آن موضوع رشته‌ی مهندسی الکترونیک است. در این مقاله می‌خواهیم از یک بُعدِ خاص، به اهمیتِ نقش و کاربرد ترانزیستور در الکترونیک بپردازیم. ما در این نوشتار، ترانزیستور را به عنوان یک کلید نگاه می‌کنیم و از این دریچه، اهمیت آن را توضيح می‌دهيم. یادتان باشد در مقاله‌ی "آشنایی با ساختار و عملکرد ترانزیستور" توضیح دادیم که چرا ترانزیستور را می‌توانیم بصورت یک کلید در نطر بگيريم و اکنون ادامه‌ی ماجرا ...

رایانه‌های دیجیتال و نقش ترانزیستور
هیچ کس نمی‌تواند مُنکر نقش ابداع رایانه در پیشرفت و توسعه‌ی دانش و فناوری جدید شود. همان طور که می‌دانیم رایانه یک سیستم دیجیتال است. یعنی اطلاعات را به صورت رقمی دریافت می‌کند، تجزیه و تحلیل می‌کند و نگهداری می‌کند. ما در زندگی روزمره با اعداد در مبنای 10 بیشتر سر و کار داریم، اما همانطور که احتمالاً می‌دانید در سیستم رایانه، همه‌ی اعداد در مبنای 2 هستند. فکر می‌کنید چرا در رایانه مبنای 2 را انتخاب کرده‌ایم؟ چون واحدهای گوناگونِ حافظه و پردازش رایانه از ترانزیستور تشکیل شده‌اند و ترانزیستور هم مانند یک کلید دو حالت دارد؛ قطع یا وصل؛ یعنی یا جریان عبور می‌کند یا جریان عبور نمی‌کند، به بیان دیگر یا ولتاژ خروجی ترانزیستور بالا است یا پایین است. می‌بینید، فقط دو حالت. پس مبنا در رایانه‌ها، مبنای دو است.

در واقع رایانه، اطلاعاتی را که از راه های گوناگون نظیر صفحه کلید، ماوس، اسکنر و ... دریافت می‌کند، به صورت اعدادی در مبنای 2 ذخیره می‌کند. سپس عملیات پردازش مورد نظر را بر روی این اطلاعات انجام می‌دهد. در آخر نیز اين اطلاعات پردازش شده را یا در محل مناسبی از حافظه‌ی خود ذخیره می‌کند و یا از طریق صفحه نمایش، چاپگر، بلندگو و ... به کاربر تحویل می‌دهد.

همان طور که گفتیم واحدهای گوناگونِ پردازش و حافظه‌ی رایانه از ترانزیستور تشکیل شده است. ما در این مقاله و مقالات بعدی قصد داریم با ساختار و عملکرد این واحدها بیشتر آشنا شویم. اما قبل از آن، لازم است با چند مثال ساده‌تر شروع کنیم.

ساختار ترانزیستوری چند گیت مهم
از اتصال چند ترانزیستور به یکدیگر، قطعه ای حاصل می‌شود که آن را گیت (Gate) می‌نامیم. ساده‌ترین گیت در الکترونیک، گیت معکوس‌کننده یا NOT است که ساختار آن را در تصویر1 مشاهده می‌کنیم.

تصویر1- ساختار ترانزیستوری گیت NOT

همان طور که می‌بينيد، گیتِ NOT از دو ترانزیستور تشکیل شده است. ترانزیستور بالایی PMOS و ترانزیستور پایینی NMOS است. اگر ورودی، ولتاژ بالایی داشته باشد، ترانزیستور M1 قطع و ترانزیستور M2 وصل می‌شود (زيرا گفتيم که در ولتاژهای بالا تراتزيستورهای NMOS روشن هستند). در اين حالت بخش پائینی مدار بسته است و در نتيحه ولتاژ صفر ولت به خروجی منتقل می‌شود. اگر ورودی، ولتاژ پایینی داشته باشد، ترانزیستور M1 وصل و ترانزیستور M2 قطع می‌شود (زيرا گفتيم که در ولتاژهای پایین تراتزيستورهای PMOS روشن هستند). در اين حالت بخش بالایی مدار بسته است و در نتيحه ولتاژ پنج ولت به خروجی منتقل می‌شود. می‌بینیم که اگر ولتاژ ورودی بالا باشد، ولتاژ خروجی پایین است و اگر ولتاژ ورودی پایین باشد، ولتاژ خروجی بالا است. بنابراین این گیت را معکوس کننده یا NOT می‌نامیم. فقط برای یادآوری می‌گوییم که ولتاژ بالا در مدارهای الکترونیکی از یک نسل به نسل دیگر تغییر می‌کند. ما در این‌جا ولتاژ بالا را پنج ولت در نظر می‌گیریم. همچنین ولتاژ پایین را صفر ولت فرض می‌کنیم.

در تصویر2، گیت دیگری را مشاهده می‌کنیم که از 6 ترانزیستور (3 ترانزیستور PMOS و 3 ترانزیستور NMOS) تشکیل شده است. در مقاله‌ی قبل با نمادهای مداری ترانزیستور PMOS و NMOS آشنا شدیم و همان‌طور که از روی تصویر مشخص است، 3 ترانزیستور بالایی از نوع PMOS و 3 ترانزیستور پایینی از نوع NMOS هستند.

تصویر2- ساختار ترانزیستوری گیت OR

در نگاه اول ظاهر اين گيت کمی پيچيده به نظر می‌رسد. اما اگر دقيق‌تر نگاه کنيم در بخشی از اين گيت، يک گيت NOT می‌بينيم. اين گيت توسط ترانزیستورهای M5 و M6 تشکیل شده است و نقش آن‌ها معکوس کردن خروجی است. با وجود اين گيت، خروجی نهایی معکوس خروجی 1 است.

اگر ورودی1 ولتاژ بالا و ورودی2 ولتاژ پایین داشته باشد، ترانزیستورهای M1 و M4 قطع می شوند و چون از طریق ترانزیستور M3 یک مسیر بین ولتاژ صفر و خروجی 1 ایجاد شده اشت، در خروجی1ولتاژ صفر شده و خروجی نهایی پنج ولت می‌شود.

اگر ورودی1 ولتاژ پایین و ورودی2 ولتاژ بالا داشته باشد. با استدلالی مشابه آنچه بیان شد، خروجی نهایی باز هم ولتاژ پنج ولت خواهد داشت. همچنین اگر هر دو ورودی 1 و 2 ولتاژ بالا داشته باشند، خروجی نهایی ولتاژ پنج ولت خواهد داشت. فقط درصورتی خروجی نهایی ولتاژ صفر دارد که هر دو ورودی 1 و2 ولتاژ پایین داشته باشند (جدول 1). دقت کنیم که در الکترونیک ولتاژ بالا را ولتاژ1 و ولتاژ پایین را صفر در نظر می‌گیریم. البته همان‌طور که قبلا هم بیان شد، به این معنی نیست که ولتاژ بالا یک ولت است. چون ولتاژ بالا در نسل‌های گوناگون مدارهای الکترونیکی مقدار متفاوتی است. این گیت را، گیتِ OR می‌نامیم (می‌دانیم که در زبان انگلیسی واژه‌ی OR یعنی "یا"). زیرا خروجیِ نهایی در صورتی 1 است که یا ورودی اول 1 باشد یا ورودی دوم 1 باشد یا هر دو ورودی 1 باشد.

در تصویر 3، گیت دیگری را با 6 ترانزیستور مشاهده می‌کنیم. در این گیت نیز دو ترانزیستور M5 و M6 نقش معکوس‌کننده دارند. توضیح چگونگی عملکرد این گیت بر عهدۀ خودتان! پس از اینکه پاسخ را یافتید، جدول 2 را ببینید و درستی پاسخ‌تان را کنترل کنید.

تصویر3- ساختار ترانزیستوری گیت AND

این گیت را، گیتِ AND می نامیم (می‌دانیم که در زبان انگلیسی واژه‌ی AND یعنی "وَ"). زیرا خروجی نهایی درصورتی 1 است که هم ورودی اول و هم ورودی دوم، 1 باشند.

نمادهای مداری
در مدارهای بزرگتر به منظور پرهیز از پیچیدگی، برای هرکدام از گیت‌های مذکور نمادهای استانداردی را در نظر می‌گیریم.

ما در این مقاله مختصری از نقش ترانزیستور در الکترونیک بیان کردیم. اکنون که با گیت‌های ابتدایی آشنایی مختصری پیدا کردیم، می‌توانیم درباره‌ی ساختارهای پیچیده‌تر و کاربردی‌تر نیز صحبت کنیم. در مقاله‌ی بعد درباره‌ی یکی از واحدهای پردازشگر رایانه که بسیار پر کاربرد است، صحبت می‌کنیم.

این مقاله را در سایت باشگاه نانو هم می توانید مطالعه کنید