چگونه یک ترانزیستور کار می‌کند

ترانزیستور چگونه کار می‌کند؟

تعریف ترانزیستور

ترانزیستور به عنوان دستگاه نیمه‌رسانا تعریف می‌شود که برای تقویت یا تغییر سیگنال‌های الکترونیکی استفاده می‌شود.

انواع مختلفی از ترانزیستورها وجود دارد، اما ما روی ترانزیستور NPN در حالت انتشار مشترک تمرکز خواهیم کرد. این نوع دارای منطقه انتشار پهن و با تراکم بالا است که شامل الکترون‌های آزاد زیاد (حمل‌کنندگان اصلی) است.

منطقه جمع‌آوری پهن و با تراکم متوسط است، بنابراین تعداد الکترون‌های آزاد آن کمتر از منطقه انتشار است. منطقه پایه بسیار لاغر و با تراکم کم است و تعداد کمی حفره (حمل‌کنندگان اصلی) دارد. حالا یک باتری را بین انتشار و جمع‌آوری متصل می‌کنیم. انتهای انتشار ترانزیستور به قطب منفی باتری متصل می‌شود. بنابراین اتصال انتشار-پایه جریان‌دار می‌شود و اتصال پایه-جمع‌آوری جریان‌ناپذیر می‌شود. در این شرایط، هیچ جریانی از دستگاه عبور نخواهد کرد. قبل از رفتن به عملکرد واقعی دستگاه، بیایید به جزئیات ساختاری و تراکمی یک ترانزیستور NPN فکر کنیم. در اینجا منطقه انتشار پهن‌تر و با تراکم بسیار بالا است. بنابراین غلظت حمل‌کنندگان اصلی (الکترون‌های آزاد) در این منطقه ترانزیستور بسیار بالاست.

از طرف دیگر، منطقه پایه بسیار لاغر است و در محدوده چند میکرومتر است، در حالی که مناطق انتشار و جمع‌آوری در محدوده میلی‌متر هستند. تراکم لایه میانی نوع p بسیار کم است و در نتیجه تعداد بسیار کمی حفره در این منطقه وجود دارد. منطقه جمع‌آوری پهن‌تر است، همان‌طور که قبلاً گفتیم، و تراکمش متوسط است و بنابراین تعداد متوسطی الکترون آزاد در این منطقه وجود دارد.

ولتاژ اعمال شده بین انتشار و جمع‌آوری در دو مکان افت می‌کند. ابتدا، اتصال انتشار-پایه دارای ولتاژ مانع جریان‌دار حدود 0.7 ولت در ترانزیستورهای سیلیکونی است. بقیه ولتاژ در اتصال پایه-جمع‌آوری به عنوان مانع جریان‌ناپذیر افت می‌کند.

هر چه ولتاژ بین دستگاه باشد، ولتاژ مانع جریان‌دار بین انتشار-پایه همیشه 0.7 ولت باقی می‌ماند و بقیه ولتاژ منبع در اتصال پایه-جمع‌آوری به عنوان مانع جریان‌ناپذیر افت می‌کند.

این بدان معناست که ولتاژ جمع‌آوری نمی‌تواند ولتاژ مانع جریان‌دار را پشت سر بگذارد. بنابراین الکترون‌های آزاد در انتشار نمی‌توانند به پایه بروند. در نتیجه، ترانزیستور مانند یک کلید بسته عمل می‌کند.

توجه: - در این شرایط، ترانزیستور به طور ایده‌آل هیچ جریانی را منتقل نمی‌کند، بنابراین هیچ افت ولتاژی در مقاومت خارجی وجود نخواهد داشت و تمام ولتاژ منبع (V) در اتصالات به صورت نشان داده شده در شکل بالا افت می‌کند.

حال بیایید ببینیم اگر ولتاژ مثبتی را به انتهای پایه دستگاه اعمال کنیم چه اتفاقی می‌افتد. در این وضعیت، اتصال انتشار-پایه به طور جداگانه ولتاژ مثبت می‌بیند و قطعاً می‌تواند ولتاژ مانع جریان‌دار را پشت سر بگذارد و بنابراین حمل‌کنندگان اصلی، یعنی الکترون‌های آزاد در منطقه انتشار از اتصال عبور می‌کنند و به منطقه پایه می‌آیند که در آنجا تعداد بسیار کمی حفره برای ترکیب دوباره وجود دارد.

اما به دلیل میدان الکتریکی در اتصال، الکترون‌های آزاد مهاجر از منطقه انتشار انرژی جنبشی می‌گیرند. منطقه پایه به قدری لاغر است که الکترون‌های آزاد از انتشار زمان کافی برای ترکیب دوباره ندارند و بنابراین از منطقه مانع جریان‌ناپذیر عبور می‌کنند و در نهایت به منطقه جمع‌آوری می‌آیند. از آنجا که مانع جریان‌ناپذیری در اتصال پایه-جمع‌آوری وجود دارد، جریان الکترون‌های آزاد از پایه به جمع‌آوری را مسدود نمی‌کند چون الکترون‌های آزاد در منطقه پایه حمل‌کنندگان کمیتی هستند.

به این ترتیب، الکترون‌ها از انتشار به جمع‌آوری حرکت می‌کنند و بنابراین جریان از جمع‌آوری به انتشار شروع می‌شود. از آنجا که تعداد کمی حفره در منطقه پایه وجود دارد، برخی از الکترون‌های آمده از منطقه انتشار با این حفره‌ها ترکیب می‌شوند و به جریان پایه می‌افزایند. این جریان پایه بسیار کوچک‌تر از جریان از جمع‌آوری به انتشار است.

برخی از الکترون‌های از انتشار به جریان پایه می‌افزایند، در حالی که بیشتر آن‌ها از طریق جمع‌آوری عبور می‌کنند. جریان انتشار مجموع جریان‌های پایه و جمع‌آوری است. بنابراین، جریان انتشار مجموع جریان‌های پایه و جمع‌آوری است.

حال بیایید ولتاژ پایه اعمال شده را افزایش دهیم. در این وضعیت، به دلیل افزایش ولتاژ مثبت در اتصال انتشار-پایه، تعداد بیشتری الکترون آزاد با انرژی جنبشی بیشتر از منطقه انتشار به منطقه پایه می‌آیند. این باعث افزایش متناسب جریان جمع‌آوری می‌شود. به این ترتیب، با کنترل یک سیگنال کوچک پایه، می‌توانیم یک سیگنال بزرگ جمع‌آوری را کنترل کنیم. این اصول کاری اساسی یک ترانزیستور است.