ترانزیستور

وقتی یک عنصر ناخالصی سوم به دیود اضافه‌می‌شود، بطوریکه دو جانکشن PN تشکیل‌شود، قطعه‌ی حاصل ترانزیستورنامیده‌می‌شود.

ترانزیستورها از لامپ‌های خلاء کوچک‌ترهستند و توسط J. Barden و آزمایشگاه W.H. Brattain of Bell در ایالات متحده ابداع‌شده‌است.

فهرست محتوا

• ترانزیستور‌NPN چیست؟
• بایاس و کارکرد ترانزیستور‌NPN
• جریان‌ترانزیستور
• بهره های‌ترانزیستور، جریان،ولتاژ و توان (α, β γ)
• منحنی مشخصه، و منابع عملیاتی ترانزیستور NPN
• پیکربندی امیتر مشترک ترانزیستور NPN
• ترانزیستور‌NPN در مدارات تقویت‌کننده
• ترانزیستور NPNبه عنوان سوئیچ و اینورتر
• کاربردهای‌ترانزیستور NPN

ویدئو آموزشی‌ترانزیستور

ترانزیستورNPN

ساخت‌ترانزیستور PNP با ساندویچ کردن مواد نیمه هادی نوع N بین دو ماده نیمه‌هادی نوع P ساخته‌می‌شود.

در واقعیت، مواد نوع P پهنای بسیار باریک‌تری در مقایسه با مواد نوع N دارد.

در واقعیت، ترانزیستوردارای سه جانکشن با نام‌های امیتر، بیس و کلکتوراست.

ترانزیستور BJT (ترانزیستورجانکشن دو قطبی) دستگاهی با دو دیود جانکشن PN پشت سرهم‌است که سه ترمینال با نام‌های امیتر، کلکتور و بیس‌دارد.

نام‌ترانزیستور از «انتقال مقاومت (ترانسفرِ رزیستانس) برگرفته‌شده‌است،

یعنی مقاومت داخلی را از امیتر کم مقاومت-بیس به مقاومت بالای کلکتور-بیس تبدیل‌می‌کند.

ترانزیستور‌NPN – ساختار و کارکرد

دیاگرام شماتیک‌ترانزیستور NPN در شکل بالا نشان‌داده‌شده‌است.

ولتاژ بین ترمینال‌های بیس و امیتر V_BE نامیده شده و مثبت‌تر از امیتر‌است، زیرا، برای‌ترانزیستور NPN،ترمینال‌های بیس باید پتانسیل بیشتر نسبت به امیتر داشته‌باشد.

همچنین، بین کلکتور و امیتر بازنمودی برای ولتاژ وجود دارد و با V_CE نشان داده‌می‌شود،و این ولتاژ نسبت به امیتر مثبت‌است.

به صورت خلاصه، ترانزیستورNPN وقتی هدایت‌می‌کند. که ترمینال کلکتور دارای پتانسیل بالایی نسبت به بیس و امیتر باشد.

مانند ترانزیستور PNP،این ترانزیستور NPN همچنین به عنوان یک دستگاه کنترل‌شده توسط جریان کارمی‌باشد.

ترانزیستوردارای سه بخش برای نیمه‌هادی ناخالص‌است.

در اینجا یک طرف امیتر و طرف دیگر نیز کلکتور‌است.

و بیس نیز در وسط قرار گرفته‌است.

قسمت وسط نیز بیس نامیده‌می‌شود.

این حالت دو جانکشن PN بین امیتر و کلکتور ایجاد‌می‌شکند.

امیتر:

بخشی که کاریر را عرضه‌می‌کند امیتر نامیده‌می‌شود.

برای عرضه‌ی کاریرهای بار بالا، امیتر همیشه در مقایسه بابیس بایاس مستقیم‌است.

بیس:

بخش میانی ترانزیستور، که دو جانکشن PN بین امیتر و کلکتور ایجاد می‌کندT

بیس نامیده می‌شود.

جانکشن بیس-امیتر بایاس مستقیم می‌شود،

که اجازه می‌دهد مدار امیتر مقاومت کمی داشته باشد.

جانکشن بیس-کلکتور بایاس معکوس می‌شودT

که مقاومت بالایی در مدار کلکتور ارائه می‌کند.

کلکتور:

بخشی که در مخالف مقابل امیتر قرار گرفته‌است

و بارها را جمع‌آوری می‌کند کلکتور نامیده می‌شود.

کلکتور همیشه بایاس معکوس‌است.

شناسایی ترانزیستور را می‌توان با استفاده از دیودهای موجود در ترانزیستور NPN انجام داد.

همچنین می‌توانیم از دانشی که در مورد دیودها داریمT

برای تحلیل دیودهای داخلی ترانزیستور استفاده کنیم.

ترمینال امیتر-بیس: یک دیود بین ترمینال‌های امیتر-بیس وجود دارد،

پس این دو ترمینال به عنوان یک دیود عادی عمل کرده و تنها در یک جهت هدایت‌می‌کند.

ترمینال کلکتور-بیس: یک دیود مشابه بین ترمینال‌های کلکتور-بیس وجود‌دارد.

این ترمینال‌ها نیز در این ترمینال‌ها مانند یک دیود عادی عمل‌می‌کند،

و تنها در یک جهت هدایت می‌کند.

ترمینال‌های امیتر-کلکتور: ترمینال‌های امیتر-کلکتور به صورت داخلی با هم ارتباط‌ندارند، و در هر دو جهت هدایت‌می‌کنند.

مشابه ترانزیستور PNP، ترانزیستور NPN دارای سه حالت عملیاتی دارد، که عبارتند از مناطق برش، فعال و اشباع.

شکل زیر نماد و پین‌های BC547 NPN را نشان‌می‌دهد.

ساختار و پین‌های ترانزیستور BC547

جدول زیر نقاط اندازه‌گیری و نتیجه‌ی ترانزیستور BC 457 NPN را برای اندازه‌گیری از طریق DMM نشان‌می‌دهد.

BC 547 NPN

بایاس و کارکرد ترانزیستور NPN

کارکرد ترانزیستور NPN نسبت به ترانزیستور PNP پیچیده‌تراست.

ترانزیستور در صورتی در حالت OFF (خاموش) قرار دارد که ولتاژ بیس و امیتر برابر‌باشد.

وقتی این ولتاژ بیس بیشتر از ولتاژ امیتر باشد، دستگاه به حالت ON شیفت‌می‌کند.

در وضعیت ON، اختلاف ولتاژ در ترمینال بیس به اندازه کافی بالاخواهدبود،

و الکترون‌های تولید‌شده از کلکتور به امیتر جاری شده و باعث‌می‌شود جریان از امیتر به کلکتور جاری‌شود.

در این ترانزیستور، بر اساس کارکردی که وجوددارد، می‌توانیم سه ترمینال را به پورت‌های ورودی و خروجی تقسیم‌کنیم.

ترمینال ورودی ترمینال بیس و ترمینال خروجی نیز منطقه‌ی کلکتور-امیتر‌است.

مدار ترانزیستور NPN

ترانزیستور NPN

ولتاژ درترمینال کلکتور باید بیشتر از امیتر بوده و به نسبت ولتاژ امیتر مثبت‌ترباشد،

این اطمینان حاصل‌می‌کند که جریان بین امیتر و کلکتور جاری‌شود.

همچنین در دو سر جانکشن بیس امیتر اختلاف پتانسیل مثبت وجوددارد،

که افت ولتاژ دو سر سیلیکون دیود یعنی 0.7 در اینجا بدون تعجب‌نیست.

این افت ولتاژ باید مورد توجه‌باشد،

بنابراین اختلاف ولتاژ بین منطقه‌ی امیتر-کلکتور و بیس باید بیشتر از 0.7 ولت باشد. با بی توجهی به این قضیه، ترانزیستور کار نخواهد‌کرد.

برای اینکه ترانزیستور به عنوان تقویت کننده‌عمل‌کند، باید در منطقه فعال قراربگیرد.

در پیکربندی که در آن امیتر دارای اتصال مشترک‌است، کل جریان ترانزیستور به صورت نسبت جریان کلکتور به جریان بیس تعریف می‌شود،

و به این نسبت بهره‌ی جریان DC گفته‌می‌شود.

این نسبت هیچ واحدی ندارد، زیرا نسبتی برای دو مقدار جریان‌است.

این نسبت به صورت نمادین ارائه شده و با β (بتا) نشان‌داده‌می‌شود.

حداکثر مقدار بهره‌ی جریان DC در حالت کلی نزدیک 200‌است.

یک کمیت دیگر وجود دارد که به وسیله نسبت جریان کلکتور به جریان امیتر تعریف‌می‌شود.

این نسبت به صورت نمادین ارائه شده و با α نشان داده‌می‌شود.

این مقدار برابر با واحد است، زیرا جریان کلکتور تقریباً برابر‌است با جریان امیتر.

جریان ترانزیستور

معادله‌ی زیر رابطه‌ی بین جریان امیتر، جریان بیس و جریان کلکتور را در ترانزیستور بایاس‌شده نشان‌می‌دهد:

I_E = I_B + I_C

که در آن:

•   I_E: جریان امیتر
•   I_B: جریان بیس
• و I_C جریان کلکتور

این معادله نشان می‌دهد که جریان امیتر برابر‌است با مجموع جریان‌های بیس و کلکتور.

مقدار جریان بیس به امیتر برابراست با 2-5%، و جریان کلکتور نیز حدود 95-98%‌است.

برای همین است که جریان کلکتور و بیس هر برابر برابراست با جریان امیتر.

معادله بهره ترانزیستور رامی‌توان با استفاده از کریشوهف به این صورت‌نوشت:

• I_E+ (- I_B) + (-I_C) = 0
• I_E– I_B – I_C = 0
• I_B= I_E – I_C
• I_C= I_E – I_B
• I_E= I_B + I

بهره های ترانزیستور،جریان،  ولتاژ و  توان (α, β γ)

بهره ترانزیستور

به نسبت بین خروجی و ورودی مدار، بهره ترانزیستور گفته می شود=خروجی/ورودی

بهره جریان

نسبت بین جریان کلکتور و جریان امیتر به عنوان بهره‌ی جریان‌نامیده‌می‌شود

که با نماد یونانی آلفا α یا h_FE نشان‌داده‌می‌شود

α_DC = A_i = -I_C / I_E = I_OUT / I_IN

یا

α_DC = I_C / I_E

جریان کلکتور/جریان امیتر

مقادیر DC با آلفا نوشته‌می‌شود. هرچقدر مقدار α بالا باشد، ترانزیستور بهتر عمل‌می‌کند

که این کیفیت ترانزیستور را نشان می‌دهد.

α_DC را می‌توان با نماد α نشان داد، و نسبت انتقال جریان مستقیم و یا فاکتور تقویت را نشان‌می‌دهد

که همچنین با h_FB نیز نشان داده‌می‌شود.

در h_FB، F نشانگر فوروارد و B نیز نشانگر بیس مشترک‌است که در آن آلفا معمولاً از مدار بیس مشترک به‌دست‌می‌آید.

آلفای AC (α_AC) ترانزیستور

α_AC = ΔI_C / ΔI_E  = تغییر در جریان کلکتور/تغییر جریان امیتر

α_AC همچنین بهره‌ی اتصال کوتاه‌نیز نامیده می‌شود و با h_fb نشان‌داده‌می‌شود.

نکته:

h_fb = آلفای DC یا α_DC

h_fb = آلفای AC یا α_AC

همچنین، نسبت بین جریان کلکتور DC و جریان بیس DC به عنوان بهره‌ی جریان‌شناخته‌می‌شود

که با نماد یونانی بتا β نشان‌داده‌می‌شود.

β_DC = -I_C / -I_B = I_C / I_B 

یا

I_C = βI_B

همچنین با نام نرخ انتقال فوروارد DC امیتر مشترک‌شناخته‌می‌شود و با H_FE نشان‌داده‌می‌شود.

به‌هنگام تحلیل ترانزیستور برای کاربردهای AC از بتای AC با نام β_AC استفاده‌می‌کنیم.

β_AC = ΔI_C / ΔI_B

β_AC را همچنین با h_fe نشان‌می‌دهیم.

در پایان، نسبت بین جریان امیتر و جریان بیس در حالت کلکتور مشترک نیز همچنین با نام بهره‌ی جریان شناخته‌شده

و با نماد یونانی گاما γ نشان‌داده‌می‌شود.

γ = I_E / I_B

یا

وقتی مقدار I_E در معادله بالا را از I_E = I_C + I_B قرار‌می‌دهیم‌داریم:

γ = β +1

بهره ولتاژ

نسبت بین ولتاژ خروجی و ورودی به عنوان بهره‌ی ولتاژ ترانزیستور شناخته‌می‌شود.

Voltage Gain = A_V = α I_E R_CB / I_E R_EB

بهره ولتاژ: A_v = ولتاژ دو سر R_CB / ولتاژ دو سر R_EB

یا

A_V = α x (R_CB / R_EB)

یا

A_V = V_OUT / V_IN

بهره توان

بهره توان ترانزیسور را می‌توان بر اساس معادله زیر محاسبه کرد:

Power Gain = A_P = P_OUT / P/_IN

A_P = α² x A_R

که در آن:

• A_p = بهره توان
• α = بهره جریان
• A_R = بهره مقاومت

عبارت‌های کلی برای رابطه‌ی بین آلفا، بتا و گاما (α β = γ) در ادامه آمده‌است:

α = β / ( β + 1 )

β = α / (1-α)

γ = β +1

منحنی مشخصه و مناطق عملیاتی ترانزیستور NPN

در حالت کلی ترانزیستور BJT دارای چهار منطقه (ناحیه) عملیاتی‌است.

• منطقه فعال
• برش
• اشباع
• شکست

ناحیه فعال:

به این منطقه عملیات عادی ترانزیستور گفته‌می‌شود.

یا منطقه‌ی بین منطقه‌ی اشباع و شکست، منطقه فعال نامیده‌می‌شود.

ناحیه برش:

منطقه‌ای که در آن مقدار جریان بیس I_B صفر شده و باعث‌می‌شود

که منحنی اول (یا پایینی) منطقه‌ی برش ترانزیستور نامیده‌شود.

در این منطقه، هم دیود امیتر-بیس و هم دیود کلکتور-بیس در بایاس مستقیم عمل‌می‌کنند.

این شیب اولیه است (که تقریباً قاعم است)، و نزدیک مبدأ (منحنی‌ها) قرارگرفته‌است،

و ولتاژ اولیه از صفر به یک افزایش پیدا کرده و روشن‌می‌شود.

ناحیه شکست:

وقتی ولتاژ کلکتور آنقدر زیاد شده و از مقدار مجاز نیز عبور‌می‌کند،

منجر به شکست دیود کلکتور می‌شود.

به همین دلیل، ترانزیستور نباید در منطقه شکست کار کند، زیرا باعث‌می‌شود

مدار ترانزیستور آسیب دیده و از بین‌برود.

گراف بین جریان کلکتور و ولتاژ کلکتور-امیتر، با جریان بیس متغیر،

منحنی مشخصه خروجی ترانزیستور دو قطبی نامیده‌می‌شود.

شکل زیر منحنی مشخصه‌های ترانزیستور NPN را نشان‌می‌دهد.

ترانزیستور وقتی در حالت ON قرارگرفته‌است

که جریان عبوری از ترمینال بیس و ولتاژ مثبت کوچک آن با ترمینال امیتر رابطه‌داشته‌باشد.

در غیر این صورت ترانزیستور خاموش است. این حالت نیز در گراف نشان‌داده‌شده‌است.

جریان کلکتور تنها تا زمانی به ولتاژ کلکتور بستگی دارد که به سطح 1V برسد.

همچنین یک خط مستقیم برای اتصال نقاط A و B وجود‌دارد.

این خط مستقیم «خط بار پویا» نامیده‌می‌شود.

این خط نقاط بین V_CE=0 و I_c=0 را به هم متصل‌می‌کند.

به این خط مستقیم و منطقه اطراف آن منطقه‌ی فعال ترانزیستور گفته‌می‌شود.

منحنی مشخصه کلکتور و مناطق عملیاتی ترانزیستور – امیتر مشترک (CE) – ترانزیستور NPN

بر اساس جریان بیس و ولتاژ کلکتور، مشخصه‌ی پیکربندی امیتر مشترک برای محاسبه‌ی جریان کلکتور استفاده‌می‌شود.

پیکربندی امیتر مشترک برای ترانزیستور NPN

سه پیکربندی محتمل برای ترانزیستور وجود دارد، و آنی که در اینجا مورد بحث قرار دارد پیکربندی امیتر مشترک‌است.

مداراتی که از پیکربندی امیتر مشترک استفاده‌می‌کنند معمولاً در تقویت‌کننده‌های ولتاژ استفاده‌می‌شوند.

این ترمینال مشترک به عنوان ورودی و خروجی ترانزیستور عمل‌می‌کند.

تقویت ولتاژ، که معمولاً با استفاده از پیکربندیِ امیتر مشترک به دست‌می‌آید را تنها می‌توان در یک گام انجام‌داد.

پس این مدارات، مدار تقویت کننده‌ی امیتر مشترک تک مرحله‌ای نامیده‌می‌شود.

ترمینال‌های‌ورودی که قبلاً در مورد آن بحث کردیم ترمینال‌های بیس، کلکتور و امیتر هستند.

در اینجا امیتر ترمینال مشترک است. فرآیند تقویت کنندگی با بایاس مستقیم بیس-امیتر شروع‌می‌شود.

این یعنی پتانسیل مثبت بیشتری در ترمینال بیس نسبت به ترمینال امیتر وجوددارد.

این فرآیند به ما اجازه می‌دهد جریان در ترانزیستور را کنترل‌کنیم.

چون خروجی مورد نیاز باید تقویت کنندگی داشته‌باشد،

از تقویت کننده‌ی امیتر مشترک استفاده می‌کنیم که بهره‌ی بسیار بالایی دارد،

حتی با اینکه خروجی معکوس‌شده‌است.

به دلیل وابستگیِ مشخصه‌های دیود به شرایط محیطی، بهره تحت تأثیر دمای اطراف و جریان بایاس قرار‌می‌گیرد.

این رایج‌ترین پیکربندیِ مورد استفاده برای ترانزیستور NPN است،

زیرا دارای امپدانس بسیار پایینی بوده و امپدانس ورودی بالایی ارائه‌می‌کند.

این پیکربندی دارای بهره ولتاژ و توان بسیار بالا‌است.

مدارات فرکانس رادیویی نیز از این پیکربندی استفاده‌می‌کنند.

پیکربندی تقویت کننده‌ی امیتر مشترک در ادامه نشان‌داده‌شده‌است.

تقویت‌کننده امیتر مشترک (CE) توسط ترانزیستور NPN

ترانزیستورهای NPN در مدارات تقویت‌کننده

بر خلاف تقویت کننده کلاس A،تقویت کننده کلاس B دارای دو ترانزیستور برای کنش الکتریکی push pull‌است که یکی از آن‌ها NPN و دیگری PNP است.

هر ترانزیستور تنها برای یک نیم موج عمل ورودی عمل کرده و خروجی لازم را تولید‌می‌کند.

این بهره‌ی تقویت کننده کلاس B را بسیار بیشتر از تقویت کننده‌ی کلاس A می‌کند.

زاویه‌ی هدایت برای این تقویت کننده 180 درجه‌است،زیراهر ترانزیستور تنها برای یک نیم موج عمل‌می‌کند.

ترانزیستور NPN به عنوان سوئیچ و اینورتر

در مدار منطقی دیجیتال، ترانزیستور BJT در مناطق اشباع و برش کار‌می‌کند،

چون در مدارات منطقی ولتاژ بایاسی به بیس ترانزیستور اعمال نمی‌شود.

به این صورت، ولتاژ خروجی بالا یا پایین برای اهداف سوئیچینگ در این مدارات منطقی استفاده می‌شوند.

مدار زیر یک مدار NPN اینورتر برای اهداف سوئیچ استفاده می‌شود.

ترانزیستور NPN به عنوان سوئیچ و اینورتر

این کاملاً نشان می‌دهد که هیچ ولتاژ بایاسی در بیس وجود ندارد،

بلکه یک شکل موج مربعی از طریق یک مقاومت سری متصل به بیس ترانزیستور NPN ارائه می‌شود،

که در این حالت به عنوان اینورتر عمل می‌کند.

این مدار نشان می‌دهد که هم V_CC و هم ولتاژ بالای ورودی +5V‌است،

که در آن ولتاژ بین کلکتور و امیتر V_CE ولتاژ خروجی‌است.

وقتی ولتاژ ورودی بالا‌است، یعنی +5V:

• جانکشن بیس-امیتر بایاس مستقیم‌است.
• جریان از طریق مقاومت R_B به بیس جاری می‌شود.
• مقدار R_B و R_C جریان I_B را فراهم می‌کند که مدار یعنی ترانزیستور را در حالت اشباع قرار می‌دهد.

ترانزیستور NPN

به عبارت دیگر، وقتی ورودی اینترور +5V بالا باشد،

ترانزیستور اشباع شده و خروجیِ آن پایین است ~0V.

وقتی ورودی اینورتر پایین باشد، ترانزیستور در حالت برش بوده و خروجی بالا است. به صورت خلاصه:

• در وضعیت اشباع روشن‌است.
• در وضعیت برش، خاموش‌است.

همانطور که در ورودی و خروجی مدار نیز نشان داده شده‌است،وقتی ورودی پایین است، خروجی بالا می‌شود،و برای همین است. که BJT همچنین به عنوان مدار اینورتر نیز شناخته می‌شود.

توصیف فوق برای عملیات روشن و خاموش مدار اینورتر ترانزیستور مشابه سوئیچ باز و بسته برای اتصال بین کلکتور و امیتر‌است.

برای همین است که ترانزیستور در حالت اشباع قرار دارد، ولتاژ کلکتور و امیتر صفر می‌شود،مانند ولتاژ دو سر سوئیچ بسته یا ON، و مقدار جریان نیز در آن حداکثر‌است.

همچنین، در منطقه برش (وقتی ترانزیستور باز یا OFF‌است)،مقدار جریان عبوری از کلکتور به امیتر صفر می‌شود،مانند یک سوئیچ باز یا OFF که در این صورت ولتاژ دو سر سوئیچ حداکثر‌است.

عملیات روشن-خاموش مدار به مقادیر ولتاژ‌های ورودی بستگی دارد، یعنی وقتی:

• ولتاژ ورودی بالا باشد = +5V = سوئیچ روشن‌است.
• ولتاژ ورودی پایین باشد =0V = سوئیچ خاموش‌است.

شکل زیر عملیات سوئیچ در مناطق برش و اشباع ترانزیستورBJT (NPN) را نشان‌می‌دهد.

BJT به عنوان سوئیچ

کاربردهای ترانزیستورNPN

• اکثراً برای اهداف سوئیچ به کار می‌رود.
• در آرایش جفت دارلینگتون استفاده شده‌است.
• در مدراتی که نیازمند سینک جریان هستیم.
• می‌توانند در کاربردهای بسیار فرکانس بالا عملکرد خوبی داشته‌باشند.
• در مبدل‌های لگاریتمی استفاده می‌شوند.
• در مدارات سنسور دما

مقالات مرتبط :

ترانزیستور PNP چیست؟ ساختار، عملکرد و کاربردها

 کاربردهای تریستور

مقاله زبان اصلی:

What is NPN Transistor? Construction, Working & Applications