ترانزیستور تقاطع دوقطبی

تعریف BJT

ترانزیستور بی‌پولار جنکشن (که به آن BJT یا ترانزیستور BJT نیز می‌گویند) دستگاه نیم‌رسانا با سه پایه است که از دو جنکشن p-n تشکیل شده و قادر به تقویت یا بزرگنمایی سیگنال است. این دستگاه تحت کنترل جریان است. سه پایه BJT شامل پایه، کلکتور و امیتر هستند. BJT نوعی ترانزیستور است که از الکترون‌ها و حفره‌ها به عنوان حامل‌های بار استفاده می‌کند.

سیگنال با دامنه کوچکی که به پایه اعمال می‌شود در کلکتور ترانزیستور در فرم تقویت شده در دسترس است. این تقویت توسط BJT ارائه می‌شود. لازم به ذکر است که برای انجام فرآیند تقویت به منبع خارجی DC نیاز است.

دو نوع ترانزیستور بی‌پولار جنکشن وجود دارد – ترانزیستورهای NPN و PNP. نمودار این دو نوع ترانزیستور بی‌پولار جنکشن در زیر ارائه شده است.

از شکل بالا می‌توانیم ببینیم که هر BJT سه بخش به نام‌های امیتر، پایه و کلکتور دارد. JE و JC به ترتیب نمایانگر جنکشن امیتر و جنکشن کلکتور هستند. حالا در ابتدا کافی است بدانیم که جنکشن امیتر-پایه به طرف جلو سوئیچ شده و جنکشن کلکتور-پایه به طرف عقب سوئیچ شده است. موضوع بعدی دو نوع این ترانزیستورها را توصیف خواهد کرد.

ترانزیستور بی‌پولار جنکشن NPN

در یک ترانزیستور بی‌پولار n-p-n (یا ترانزیستور npn) یک نیم‌رسانا از نوع p بین دو نیم‌رسانا از نوع n قرار دارد. در شکل زیر یک ترانزیستور n-p-n نمایش داده شده است. حالا IE و IC به ترتیب جریان امیتر و جریان کلکتور هستند و VEB و VCB به ترتیب ولتاژ امیتر-پایه و ولتاژ کلکتور-پایه هستند. بر اساس قرارداد اگر جریان‌های امیتر، پایه و کلکتور IE، IB و IC به داخل ترانزیستور بروند علامت جریان مثبت در نظر گرفته می‌شود و اگر جریان از ترانزیستور بیرون برود علامت منفی در نظر گرفته می‌شود. می‌توانیم جریان‌ها و ولتاژ‌های مختلف داخل ترانزیستور n-p-n را در جدولی مرتب کنیم.

ترانزیستور بی‌پولار جنکشن PNP

به طور مشابه برای ترانزیستور بی‌پولار جنکشن p-n-p (یا ترانزیستور pnp)، یک نیم‌رسانا از نوع n بین دو نیم‌رسانا از نوع p قرار دارد. نمودار یک ترانزیستور p-n-p در زیر نمایش داده شده است.

برای ترانزیستورهای p-n-p، جریان از طریق پایه امیتر وارد ترانزیستور می‌شود. مانند هر ترانزیستور بی‌پولار جنکشن، جنکشن امیتر-پایه به طرف جلو سوئیچ شده و جنکشن کلکتور-پایه به طرف عقب سوئیچ شده است. می‌توانیم جریان‌های امیتر، پایه و کلکتور، همچنین ولتاژ‌های امیتر-پایه، کلکتور-پایه و کلکتور-امیتر برای ترانزیستورهای p-n-p را نیز در جدولی مرتب کنیم.

اصول عملکرد BJT

شکل یک ترانزیستور n-p-n را در منطقه فعال (به تغییرات ترانزیستور مراجعه کنید) نشان می‌دهد، جنکشن BE به طرف جلو سوئیچ شده در حالی که جنکشن CB به طرف عقب سوئیچ شده است. عرض منطقه نابسامانی جنکشن BE نسبت به جنکشن CB کوچک‌تر است.

سوئیچ به طرف جلو در جنکشن BE پتانسیل مانع را کاهش می‌دهد و اجازه می‌دهد الکترون‌ها از امیتر به پایه جریان یابند. چون پایه ضخامت کمی دارد و به صورت نسبتاً کم دوپ شده، تعداد کمی حفره دارد. حدود ۲٪ الکترون‌های امیتر با حفره‌های پایه ترکیب می‌شوند و از طریق پایه خارج می‌شوند.

این جریان پایه را تشکیل می‌دهد که به دلیل ترکیب الکترون‌ها و حفره‌ها جریان می‌یابد (توجه داشته باشید که جهت جریان متعارفی برعکس جهت جریان الکترون‌ها است). تعداد بزرگ الکترون‌های باقی‌مانده از جنکشن کلکتور به طرف عقب عبور می‌کنند تا جریان کلکتور را تشکیل دهند. بنابراین طبق KCL،

جریان پایه نسبت به جریان امیتر و کلکتور بسیار کم است.

در اینجا، بیشتر حامل‌های بار الکترون‌ها هستند. عملکرد یک ترانزیستور p-n-p مانند n-p-n است، تنها تفاوت این است که بیشتر حامل‌های بار حفره‌ها هستند و نه الکترون‌ها. فقط بخش کوچکی از جریان به دلیل حامل‌های بار غالب جریان می‌یابد و بیشتر جریان به دلیل حامل‌های بار غیر غالب در یک BJT جریان می‌یابد. بنابراین آنها به عنوان دستگاه‌های حامل‌های بار غیر غالب شناخته می‌شوند.

مدار معادل BJT

یک جنکشن p-n توسط یک دیود نمایش داده می‌شود. چون یک ترانزیستور دو جنکشن p-n دارد، معادل دو دیود متصل به هم است. این را انالوگ دو دیود BJT می‌نامند.

ویژگی‌های ترانزیستور بی‌پولار جنکشن

سه بخش یک BJT شامل کلکتور، امیتر و پایه است. قبل از آشنایی با ویژگی‌های ترانزیستور بی‌پولار جنکشن، باید درباره‌ی حالت‌های عملکرد این نوع ترانزیستور‌ها بدانیم. حالت‌ها عبارتند از

• حالت پایه مشترک (CB)

• حالت امیتر مشترک (CE)

• حالت کلکتور مشترک (CC)

همه سه نوع حالت در زیر نمایش داده شده‌اند.

حالا به ویژگی‌های BJT می‌پردازیم که ویژگی‌های مختلفی برای حالت‌های عملکرد مختلف وجود دارد. ویژگی‌ها هیچ چیزی جز فرم‌های گرافیکی روابط بین متغیرهای جریان و ولتاژ مختلف ترانزیستور نیستند. ویژگی‌های ترانزیستورهای p-n-p برای حالت‌ها و پارامترهای مختلف ارائه شده‌اند.

ویژگی‌های پایه مشترک

ویژگی‌های ورودی

برای ترانزیستور p-n-p، جریان ورودی جریان امیتر (IE) و ولتاژ ورودی ولتاژ کلکتور-پایه (VCB) است.

چون جنکشن امیتر-پایه به طرف جلو سوئیچ شده، بنابراین نمودار IE در مقابل VEB مشابه با ویژگی‌های جلویی یک دیود p-n است. IE با VEB ثابت وقتی VCB افزایش می‌یابد افزایش می‌یابد.

ویژگی‌های خروجی

ویژگی‌های خروجی رابطه بین ولتاژ و جریان خروجی IC را نشان می‌دهد که جریان خروجی است و ولتاژ کلکتور-پایه و جریان امیتر IE جریان ورودی است و به عنوان پارامتر عمل می‌کند. شکل زیر ویژگی‌های خروجی برای یک ترانزیستور p-n-p در حالت CB را نشان می‌دهد.

همانطور که می‌دانیم برای ترانزیستورهای p-n-p IE و VEB مثبت و IC، IB، VCB منفی هستند. سه منطقه در منحنی وجود دارد: منطقه فعال، منطقه اشباع و منطقه قطع. منطقه فعال منطقه‌ای است که ترانزیستور به طور معمول عمل می‌کند.

در اینجا جنکشن امیتر به طرف عقب سوئیچ شده است. حالا منطقه اشباع منطقه‌ای است که هر دو جنکشن امیتر-کلکتور به طرف جلو سوئیچ شده‌اند. و در نهایت منطقه قطع منطقه‌ای است که هر دو جنکشن امیتر و کلکتور به طرف عقب سوئیچ شده‌اند.

ویژگی‌های امیتر مشترک

ویژگی‌های ورودی

IB (جریان پایه) جریان ورودی، VBE (ولتاژ پایه-امیتر) ولتاژ ورودی برای حالت CE (امیتر مشترک) است. بنابراین، ویژگی‌های ورودی برای حالت CE رابطه بین IB و VBE با VCE به عنوان پارامتر است. ویژگی‌ها در زیر نمایش داده شده‌اند.

ویژگی‌های ورودی معمول CE مشابه با ویژگی‌های جلویی یک دیود p-n است. اما با افزایش VCB عرض پایه کاهش می‌یابد.

ویژگی‌های خروجی

ویژگی‌های خروجی برای حالت CE منحنی یا نمودار بین جریان کلکتور (IC) و ولتاژ کلکتور-امیتر (VCE) است که جریان پایه IB به عنوان پارامتر است. ویژگی‌ها در شکل زیر نمایش داده شده‌اند.

مانند ویژگی‌های خروجی ترانزیستور پایه مشترک، حالت CE نیز سه منطقه به نام (i) منطقه فعال، (ii) منطقه قطع، (iii) منطقه اشباع دارد. منطقه فعال دارای جنکشن کلکتور به طرف عقب سوئیچ شده و جنکشن امیتر به طرف جلو سوئیچ شده است.

برای منطقه قطع، جنکشن امیتر کمی به طرف عقب سوئیچ شده و جریان کلکتور کاملاً قطع نشده است. و در نهایت برای منطقه اشباع هر دو جنکشن کلکتور و امیتر به طرف جلو سوئیچ شده‌اند.