آموزش ترانزیستور پیوندی دو قطبی (BJ) با مهندس زوارقی؛ جلسه 1

سلام و عرض ادب خدمت دوستان عزیزم. چه خبر؟ امیدوارم تعطیلات عید بهتون خوش گذشته باشه و حالا پر قدرت آماده شروع آموزش های جدید باشید.

رسیدیم به یک فصل جدید از مباحث الکترونیک؛ ترانزیستورهای پیوندی دو قطبی. پس با ما همراه باشید تا این فصل رو هم مثل بقیه مطالب پر قدرت پیش ببریم.

ترانزیستور پیوندی دو قطبی (BJ):                                  BJT:Bipolar Junction Transistor 

به طورکلی ترانزیستورها دسته ی بسیار وسیع و مهم دیگری از قطعات الکترونیکی هستند که با توجه به ساختمان و عملکرد فیزیکی آنها به انواع مختلفی تقسیم می شوند. در این فصل به بررسی ترانزیستور BJT می پردازیم.

به صورت یک منبع جریان کنترل شده با جریان عمل می کند. در ضمن در BJT هم حامل های اقلیت و هم حامل های اکثریت در تشکیل جریان دخیل هستند.

مطابق شکل زیر BJT از اتصال سه بلور نیمه های تشکیل می شود که لایه ی وسطی بیس (B) و دو لایه ی کناری امیتر(E) و کلکتور (C) می باشند. نوع بلور بیس با دو بلور کناری متفاوت است. شکل مداری این ترانزیستور نیز در کنار شکل فیزیکی آنها رسم شده است.

شکل فیزیکی

شکل مداری 

اجازه بدید چند تا نکته ریز را بهتون یادآوری کنم:

معمولا میزان ناخالصی در لایه ی امیتر بیشتر از دو لایه ی دیگر است. عرض لایه ی بیس کمتر از دو لایه دیگر و عرض لایه ی کلکتور بیشتر از دو لایه ی دیگر است. (شکل رو به رو ساختمان واقعی ترانزیستور را نشان می دهد.) 

نکته: در شکل های مداری به علامت فلش جهت جریان در پیوند بیس – امیتر را نشان می دهد. 

از آنجاییکه در ترانزیستور BJT عملا دو پیوند PN وجود دارد و هر پیوند PN دو نوع بایاس دارد (بایاس مستقیم و بایاس معکوس) می توان گفت که ترانزیستور 4 نوع بایاس یا 4 ناحیه ی کاری دارد. 

کاربرد این ناحیه کاری چی هست؟

در تقویت کننده ها و کاربردهای خطی، از ترانزیستور در ناحیه ی فعال استفاده می شود. در کاربردهای دیجیتال مانند میکرو پروسسورها و ICهای دیجیتال از ترانزیستور در ناحیه ی قطع و اشباع استفاده می شود. ناحیه ی فعال معکوس در عمل کاربرد چندانی ندارد.

اساس کار ترانزیستور در ناحیه ی فعال:

یک ترانزیستور NPN را در نظر بگیرید که مطابق شکل زیر در ناحیه ی فعال بایاس شده است.

مشاهده می کنید که پیوند B_C بایاس معکوس و پیوند B_E بایاس مستقیم بوده و در نتیجه ترانزیستور در ناحیه ی فعال است.

برای تحلیل چگونگی کار ترانزیستور در ناحیه ی فعال ، ابتدا فرض کنید که پیوند B_E  قطع است و مدار به صورت رو به رو است. در حقیقت جریانی بین E و B برقرار نمی شود. در این حالت چون پیوند B_C بایاس معکوس است یک جریان بسیار کوچک که برابر جریان اشباع معکوس پیوند PN است از کلکتور به بیس برقرار می شود.

همانطور که قبلا در بحث دیود مطرح شد، این جریان تقریبا مستقل از ولتاژ اعمالی به پیوند است. در صورتیکه بخواهیم جریان معکوس پیوند را افزایش دهیم باید میزان حامل های اقلیت را افزایش دهیم. حامل های اقلیت در بلور نوع  P، الکترون های آزاد هستند. بنابراین برای افزایش جریان باید تعداد الکترون های آزاد بلور نوع P مربوط به بیس را افزایش دهیم. بنابراین برای افزایش جریان، مطابق شکل زیر باید یک مولد الکترون در کنار بیس قرار دهیم.

این مولد الکترون به بلور P الکترون تزریق می کند و باعث افزایش جریان می شود. هر چه تعداد الکترون ها ی تزریق شده به بلور P بیس بیشتر باشد، جریان I_C نیز بیشتر خواهد بود و این جریان I_C تقریبا مستقل از  V_cc بوده و کاملا به الکترون های تزریق شده وابسته است. یک مدار مناسب برای تولید الکترون و تزریق آن به بیس، یک پیوند PN در بایاس مستقیم است.

در این پیوند اگر چگالی ناخالصی ها در سمت N خیلی بیشتر از چگالی ناخالصیها در سمت P باشد ( N_{D >>} N_A).

آنگاه جریان اغلب ناشی از تزریق الکترونها از طرف N به P است. این پیوند PN مناسب همان پیوند PN مربوط به B_E است. داشتن ناخالصی بالاتر امیتر به همین خاطر است.
از آنجاییکه در ترانزیستور BJT، لایه ی امیتر از میزان ناخالصی بالاتری نسبت به بیس برخوردار است و از طرفی پیوند B_E به صورت مستقیم بایاس می شود، می توان گفت که امیتر عامل تزریق کننده ی حامل های اقلیت اضافی به بیس است.

چرا الکترون های تزریق شده به بیس با حفره های این لایه ترکیب نمی شوند.

دلیل این امر این است که عرض لایه ی بیس بسیار کوچک بوده و از طرفی ناخالصی آن کمتر از امیتر است. به همین خاطر الکترون های تزریق شده به بیس تحت تاثیر ولتاژ مثبت کلکتور بسرعت از بیس عبور کرده و به کلکتور می رسند و فقط درصد کمی از الکترونهای تزریق شده در بیس با حفره های موجود در بیس ترکیب می شوند. 

رسیدیم به پایان جلسه ی اول از فصل پنجم. حتما برای دیدن این آموزش هم از منابعی که در ادامه براتون مرفی می کنم استفاده کنید تا نتیجه مورد نظرتان را بگیرید. چون به جرات می توانم بگم مطالبی که براتون تدوین کردیم، در نوع خودش بی نظیر هست که براحتی می توانید با یک سرچ ساده در گوگل این مورد را تایید کنید.

حتما سعی کنید از جزوه این فصل که در این آدرس قرار دادیم، استفاده کنید. فراموش نکنید در کنار جزوه از توضیحات کامل و جزئی که داخل ویدئوی آموزش براتون قرار دادیم هم بهره ببرید. برای دیدن این آموزش می توانید هم به کانال یوتویب ما در این آدرس مراجعه کنید، و هم به فروشگاه وبسایت مون توی این لینک، جهت تهیه این محتوا مراجعه کنید.

اگر این مطلب براتون مفید بود، لطف با نوشتن نظر در زیر همین پست، ما را مطلع کنید.

تا آموزش بعدی

موفق باشید