ترانزیستور دو قطبی

به دلیل این که ترانزیستور دو قطبی به پر استفاده ترین قطعه در میان نیمه هادی های گسسته تبدیل شد ، کلمه ی « ترانزیستور » معمولا به تنهایی برای اشاره به ترانزیستور دو قطبی به کار می رود ؛ اما ترانزیستور دوقطبی » شکل صحیح استفاده ی آن است . این نوع ترانزیستور همچنین با نام « ترانزیستور پیوندی دوقطبی » یا BJT نیز خوانده می شود .

کاربرد

یک ترانزیستور دوقطبی ، باعث قطع و وصل شدن جریان یا باعث تقویت نوسانات جریان می شود . برای حالت تقویت کنندگی ، این ترانزیستور جایگزین محفظه های خلأ که برای تقویت سیگنال های صوتی و بسیاری کاربرد های دیگر استفاده می شد ، گردید . برای حالت قطع و وصل کنندگی نیز ، این ترانزیستور به عنوان رله عمل می کند که حتی در حالت « قطع » نیز جریان ترانزیستور صفر نشده و مقدار کمی جریان نشتی از ترانزیستور عبور می کند .

در صورت استفاده از ترانزیستور دوقطبی به شکل مجزا در یک مدار ، آن را یک قطعه ی گسسته می نامند . زمانی که یک مدار شامل تعداد زیادی ترازیستور باشد ، آن را مدار مجتمع می نامند . اگر چه مدار زوج دارینگتون دارای دو ترانزیستور است ، به دلیل نوع قرار گرفتن در مدار و عمل کردی مشابه یک ترانزیستور مجزا ، در اینجا به عنوان یک قطعه ی گسسته در نظر گرفته می شود . 

عملکرد

اگر چه ترانزیستور های اولیه از ژرمانیوم ساخته می شدند ، امروزه سیلیکون بیشترین استفاده را در ساخت آن ها دارد . سیلیکون خالص در دمای اتاق مانند عایق رفتار می کند ؛ اما با اضافه شدن مقادير دقیقی از ناخالصی می توان مقادير الكترون های آزاد آن را افزایش داد .

در نتیجه نیمه هادی نوع N حاصل خواهد شد که می توان الکترون های درون آن را با اعمال ولتاژ خارجی بایاس کردن به حرکت وا داشت . بایاس مستقیم به معنای اعمال ولتاژ مثبت و بایاس معکوس به معنای معکوس کردن ولتاژ مثبت است . همچنین ، نیمه هادی نوع P نیز با اضافه کردن انواع دیگری از ناخالصی به نیمه هادی خالص که باعث کاهش تعداد الکترون ها و افزایش حفره ها می شود ، به وجود می آیند .

یک ترانزیستور NPN دوقطبی از یک لایه ی ضخیم از نیمه هادی نوع P احاطه شده با دو لایه ی نازک تر از نوع N ساخته می شود . این سه لایه با نام های کلکتور ، بیس و امیتر شناخته می شوند . با اعمال یک ولتاژ منفی بایاس معکوس به امیتر ، نیروی ذاتی الکترون ها آن ها را به سوی گیت هدایت می کند . با اعمال ولتاژ مثبت به بیس یک BJT بایاس مستقیم الکترون ها به خارج شدن از بیس تمایل دارند .

به دلیل نازک بودن لایه ی بیس ، الکترون ها به کلکتور نزدیک می شوند . با افزایش ولتاژ بیس ، انرژی اضافی باعث پرش الكترون ها به درون کلکتور شده و از آنجا نیز به سمت قطب مثبت منبع جریان جذب می شوند که این عمل نیز باعث کاهش هرچه بیشتر تعداد الكترون ها می شود .

در نتیجه ، الکترون ها از طریق امیتر وارد یک ترانزیستور NPN می شوند ، در حالی که کلکتور این الكترون ها را از طریق پایه ی بیس جمع آوری کرده و به بیرون انتقال می دهد . در اینجا یاد آوری این نکته ضروری است که از آنجا که الکترون ها حامل بار منفی هستند ، جریان الکترونی از قطب منفی به قطب مثبت اتفاق می افتد و اینکه مفهوم این نوع جریان هنوز کاربرد دارد تنها به دلایل تاریخی است . با این حال جهت پیکان نشان داده شده در نمای شماتیکی BJT به جریان الکتریکی مثبت به منفی اشاره دارد .

یک ترانزیستور PNP دوقطبی از یک لایه ی ضخیم از نیمه هادی نوع N احاطه شده با دو لایه ی نازک تر از نوع P ساخته می شود . در این ترانزیستور ، ، بیس نسبت به امیتر در ولتاژ منفی قرار دارد و عمل کردی عکس آنچه که در مورد نوع NPN بیان شد دارد . جمله های « امیتر » و « کلکتور » نیز در این نوع به جای حرکت الکترون ها ، به حرکت الکترون – حفره ها اشاره دارند.

همچنین ولتاژ کلکتور نسبت به پیس در موقعیت منفی قرار دارد و جریان مثبت به منفی از امیتر به په کلکتور حرکت می کند . پیکان نشان داده شده در نمای شماتیکی ترانزیستور PNP نیز هنوز به انتشار جریان مثبت اشاره دارد .

نماد های ترانزیستور های NPN و PNP در شکل زیر نشان داده شده اند . رایج ترین شکل ترانزیستور NPN در سمت چپ بالای تصویر با حروف C برای کلکتور ، B برای بیس و E برای امیتر نشان داده شده است . در بعضی شکل ها ، دایرهی داخل نماد حذف شده است ( شکل سمت راست بالا ) . نماد ترانزیستور PNP نیز در مرکز تصویر نشان داده شده است . به دلیل پایین تر بودن ولتاژ کلکتور نسبت به امیتر و این که زمین قطب منفی همیشه در قسمت پایین نماد قرار می گیرد ، شکل قرار گرفته در مرکز تصویر رایج ترین زاویه ی قرار گیری نماد این ترانزیستور است .

در قسمت پایین تصویر ، جهت پیکان در نماد ترانزیستور PNP برای ثابت ماندن موقعیت امیتر و کلکتور همانند نماد ترانزیستور NPN در بالای تصویر معکوس شده است . برای ساده تر کردن فهم ترانزیستور و کم کردن اتصالات در نمای آن ، جهت گیری های دیگری از نماد های این ترانزیستورها نیز یافت می شود . بسته به اینکه جهت پیکان در نماد رو به بیرون یا درون باشد ، ترانزیستور به ترتیب از نوع NPN یا PNP خواهد بود ؛ این جهت گیری همچنین نشان دهنده ی انتشار جریان از قطب مثبت به قطب منفی می باشد .

نماد های ترانزیستور های NPN (بالا) و PNP (مرکز و پایین)

ترانزیستورهای NPN بسیار پر استفاده تر از نوع PNP هستند . در ابتدا ، ساخت ترانزیستور نوع PNP دشوار تر و پر هزینه تر بود و طراحی مدار بیشتر با نوع NPN انجام می گرفت . علاوه بر این ، به دلیل تحرک پذیری بالاتر الکترون ها نسبت به الكترون حفره ها در ترانزیستورهای نوع NPN در این نوع ترانزیستور عمل سوییچینگ سریع تر اتفاق می افتد .

جهت های انتشار جریان برای ترانزیستورهای NPN و PNP در شکل زیر نشان داده شده است . در قسمت بالا سمت چپ تصویر ، با نگه داشتن ولتاژ بیس ترانزیستور NPN در مقداری نزدیک به یا برابر با امیتر که در این مورد در قطب منفی ولتاژ قرار داده شده است ، جریانی از کلکتور به سمت امیتر جاری نمی شود . در قسمت پایین سمت چپ شکل نیز علامت مثبت به این معنی است که در یک ترانزیستور سیلیکونی ولتاژ بیس نسبت به امیتر حداقل به مقدار ۰/۶ ولت بیشتر ( مثبت تر ) است .

این ولتاژ مثبت باعث فعال کردن الکترون ها به حرکت از امیتر به سمت کلکتور طبق جهت نشان داه شده ؛ جهت نشان داده شده با رنگ قرمز نیز نشان دهندهی مفهوم مرسوم جریان است که از قطب مثبت ولتاژ به قطب منفی انتشار می یابد . فلش های کوچک تر نشان دهندهی مقادیر کوچک تری از جریان است . نقش مقاومت اضافه شده به مدار نیز حفاظت از مدار در مقابل بیش جریان است و می توان این مقاومت را به عنوان بار در این مدار در نظر گرفت .

در قسمت بالا سمت راست شکل . با نگه داشتن ولتاژ بیس ترانزیستور PNP در مقداری نزدیک به یا برابر با امیتر که در این مورد در قطب مثبت ولتاژ قرار داده شده است ، جریانی از امیتر به سمت نسبت به امیتر حداقل به مقدار کلکتور به استثناء جریان نشتی جاری نمی شود . در قسمت پایین سمت چپ شکل نیز علامت منفی به این معنی است که در یک ترانزیستور سیلیکونی ولتاژ بیس ۰۸۶ ولت کمتر ( منفی تر ) است .

این ولتاژ مثبت باعث فعال کردن الکترون ها طبق جهت های نشان داده شده حرکت کنند . باید توجه داشت که در ترانزیستور NPN جهت جریان به سمت درون بيس است ؛ در صورتی که در ترانزیستور PNP ، برای ایجاد رسانش ، جریان به سمت بیرون بيس انتشار می یابد . در هر دو شکل ، مقاومتی که برای حفاظت اضافه شده بود ، برای سادگی حذف شده اند .

بیس در ترانزیستور NPN تا زمانی که ولتاژ مثبت کلکتور بیشتر از ولتاژ مثبت اعمال شده به بیس و ولتاژ بیس به مقدار حداقل ۱۶ ولت بیشتر از ولتاژ اعمال شده به امیتر باشد ، جریان بیس تقویت خواهد شد . تا زمانی که ترانزیستور به این شکل بایاس شده باشد و مقادیر جریان در محدوده ی تعیین شده توسط سازنده قرار داشته باشد ، نوسانات کوچک در جریان اعمال شده به بیس ، به نوسانات بزرگ در جریان بین کلکتور و امیتر خواهد انجامید . به همین دلیل است که به ترانزیستور ، تقویت کننده جریان می گویند .

انتشار جریان در ترانزیستور های نوع NPN و PNP

از مدار مقسم ( تقسیم کننده ولتاژ برای کنترل ولتاژ بیس و نگه داشتن آن در مقداری کمتر از التاژ کلکتور و بیشتر از ولتاژ امیتر در یک ترانزیستور NPN استفاده می شود . شکل زیر را نگاه کنید

مقاومت های R1 و R2  تشکیل یک مدار مقسم ولتاژ برای بایاس کردن بیس ترانزیستور NPN استفاده می شوند

منبع: