ترانزیستور PNP چیست؟ ساختار، عملکرد و کاربردها

ترانزیستور PNP

ترانزیستور PNP – ساختار ترانزیستور BJT، عملکرد و کاربردها به عنوان سوئیچ و تقویت‌کننده

ترانزیستورها از لامپ‌های خلاء کوچک‌تر‌هستند و توسط J. Barden و آزمایشگاه W.H. Brattain of Bell در ایالات متحده ابداع‌شده‌است. وقتی یک عنصر ناخالصی سوم به دیود اضافه‌می‌شود، بطوریکه دو جانکشن (اتصال) PN ساخته‌شود، قطعه‌ی حاصل ترانزیستور نامیده‌می‌شود.

فهرست محتوا

• ترانزیستور PNP چیست؟
• ساختار ترانزیستور PNP
• بایاس و کارکرد ترانزیستور PNP
• ترانزیستور PNP به عنوان سوئیچ
• حالت‌های عملیاتی ترانزیستورها و منحنی‌ها
• کاربردها

ویدئو آموزش ترانسفورماتور

ترانزیستور PNP چیست؟

ساختار ترانزیستور 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.

امیتر ترانزیستور PNP دارای ناخالصیِ بسیار زیاد و بیس آن نیز ناخالصی کمی‌دارد، و کلکتور آن نیز ناخالصی متوسطی‌دارد. وقتی لایه‌های ترانزیستور را بر اساس مساحتی که در قطعه اشغال‌می‌کنند متمایز‌می‌کنیم، بیس آن بسیار باریک، کلکتور آن بزرگ‌است زیرا گرما را پخش‌می‌کند، و امیتر نیز دارای ضخامت متوسط‌است.

ترانزیستور دارای دو جانکشن PN است‌که یکی از آن‌ها بایاس مستقیم و دیگری نیز بایاس‌معکوس‌می‌شود. مسیر حامل‌ها در بایاس مستقیم مقاومت کمی‌داشته و در بایاس معکوس دارای مقاومت‌بالاست. یک سیگنال ضعیف به عنوان ورودی به مدار مقاومت کم تغذیه‌می‌شود و خروجی آن از مدار خروجی بالا دریافت‌می‌شود.

بنابراین، ترانزیستور سیگنالی را از مدار مقاومت کم به مدار مقاومت بالامنتقل‌می‌کند. این قطعه مقاومت رااز یک مدار به مدار دیگرمنتقل‌می‌کند، بنابراین به آن ترانزیستور گفته‌می‌شود. ترانزیستور از دو کلمه تشکیل‌شده‌است، ترانسفر (انتقال) و رزیستور (مقاومت). اکثر کریر یا حامل ها [1]در این نوع ترانزیستورها حفره و اقلیت آن الکترون‌هستند.

ساختمان ترانزیستور PNP

ترازیستور دارای سه نیمه‌هادی‌ناخالص‌است. در یک سمت دارای امیتر و در سمت دیگر دارای کلکتور است. بخش وسط بیس نامیده می‌شود.در زیر تک تک این بخش‌ها توصیف‌شده‌اند.

امیتر[2]

کارکرد امیتر عرضه‌ی کاریرهای بار‌است. برای عرضه‌ی کاریر(حامل) با تعداد بالا، امیتر همیشه در مقایسه با بیس بایاس مستقیم‌است.

بیس

بخش وسط ترانزیستور، که دو جانکشن (پیوند) PN بین امیتر و کلکتور تشکیل‌می‌دهد، بیس نامیده‌می‌شود. جانکشن بیس-امیتر بایاس مستقیم‌است که برای مدار امیتر مقاومت کم ارائه‌می‌کند. جانکشن بیس کلکتور بایاس معکوس‌می‌شود و مقاومت بالایی در مدار کلکتور ارائه‌می‌دهد.

کلکتور

در سمت دیگر امیتر کلکتور قراردارد که بارها را جمع‌آوری‌می‌کند. کلکتور همیشه بایاس معکوس‌است.

چون ترانزیستور دارای دو جانکشن PN‌است، مانند دو دیود عمل‌می‌کند. جانکشن بین امیتر و بیس را می‌توان دیود امیتر بیس یا دیود امیتر نامید. همچنین، جانکشن بین کلکتور و بیس را می‌توان دیود کلکتور-بیس یا دیود کلکتور نامید.

باتوجه به پیکربندی‌های جانکشن PN بالا، می‌توانیم نتیجه بگیریم که دیود امیتر همیشه بایاس مستقیم و دیود کلکتور همیشه بایاس معکوس‌است. ترانزیستور PNP قطعه‌ی کنترل شده توسط جریان‌است. پیکربندی ترانزیستور PNP در ادامه نشان داده‌شده‌است.

دیاگرام بالا دیاگرام شماتیک ترانزیستور PNP را نشان‌می‌دهد، البته ضخامت هر لایه دارای مقیاس درستی‌نیست. بازنمود نمادین ترانزیستور PNP مشابه ترانزیستور NPN است، به جز اینکه اکنون جهت فلش از سمت امیتر به بیس‌است، اما در ترانزیستور NPN این فلش از بیس به سمت امیتراست.

همچنین

ولتاژ دو سر بیس و امیتر بر اساس بایاس جانکشن‌است. این باعث‌می‌شود بیس منفی و امیتر نیز مثبت‌باشد. بیس همیشه نسبت به امیتر دارای بایاس منفی‌است. چون ولتاژ کلکتور همیشه کمتر از ولتاژ بیس بوده و ولتاژ بیس کمتر از ولتاژ امیتر است، معمولاً در یک ترانزیستور PNP، ولتاژ امیتر همیشه مثبت‌تر از دو ترمینال دیگر‌است.

دو ترانزیستور PNP و NPN رامی‌توان در اکثر مدارهای الکترونیکی به جای هم به کاربرد، البته باید قطب‌های ولتاژ و جهت عبور جریان را در نظرگرفت. با توجه به اینکه دو نوع ترانزیستور وجوددارد، شناسایی ترانزیستور مناسب برای مصارف مختلف می‌تواند دشوار‌باشد. برای شناسایی درست قطعه، باید درک درستی از قطعه داشته‌باشیم. همانطور که قبلاً نیز در مورد آن بحث‌شد، ترانزیستور PNP قطعه‌ای‌است که از دو دیود پشت سر هم تشکیل‌شده‌است.

مااز دانش خود در مورد دیودها استفاده‌کرده و نوع ترانزیستوری که با آن کارمی‌کنیم را شناسایی‌می‌کنیم. درکنار هدایت تک جهته‌ی دیودها، همچنین می‌توانیم ازمقاومت‌های متفاوتی که ترانزیستور در ترمینال‌های مختلف ارائه‌می‌کند را برای پیشبینی نوع قطعه استفاده‌کنیم. برای شناسایی قطعه، توجه به نکات بعدی توصیه‌می‌شود.

امیتر-بیس: یک دیود بین ترمینال‌های امیتر-بیس وجود‌دارد، پس این دو ترمینال به عنوان یک دیود عادی عمل کرده و تنها در یک جهت هدایت‌می‌کند.

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 هدایت‌می‌کند.

ترمینال‌های امیتر-کلکتور: ترمینال‌های امیتر-کلکتور به صورت داخلی با هم ارتباط ندارند، و در هر دو جهت هدایت‌نمی‌کنند.

جدول‌زیر مقادیر مقاومت ترمینال را برای ترانزیستورهای PNP نشان‌می‌دهد.

در ادامه

می‌توانیم بگوییم که ترانزیستور PNP دارای وضعیت NO (نرمال باز[3]) است. برای اینکه ترانزیستور شروع به هدایت‌کند، باید یک جریان کوچک در خروجی و یک ولتاژ نسبتاً منفی در ترمینال بیس (نسبت به امیتر) اعمال‌کنیم.

به صورت خلاصه، ترانزیستور نوع PNP وقتی هدایت‌می‌کند که ولتاژ در امیتر بسیار بیشتر از ولتاژ کلکتور باشد. در حالت PN، جریان عبوری از امیتر-کلکتور بسیار بیشتر از وضعیت OFF است.

شکل زیر ترانزیستور BC547 NPN و BC557 PNP را نشان‌می‌دهد.

بایاس و کارکرد ترانزیستور PNP

دهر ادام

همانطور که در بالا نیز به آن اشاره‌شد، ترانزیستور PNP در وضعیت نرمال باز‌است. روشن کردن ترانزیستور PNP نیازمند این‌است که ولتاژ در ترمینال بیس کمتر از ترمینال امیترباشد.

به هنگام روشن شدن، جریانی که توسط کاریرهای اکثریت ایجاد‌می‌شود، که در اینجا حفره‌است، ازبخش بیس-امیتر ترانزیستور شروع به جریان‌می‌کند. سپس این جریان به بیس و در نهایت به کلکتور جاری‌می‌شود.

مدار ترانزیستورPNP

با توجه به جهت عبور جریان در ترانزیستور، ترمینال‌های ترانزیستور PNP رامی‌توان به پورت‌های ورودی و خروجی تقسیم‌کرد.

ترمینال ورودی بیست و ترمینال خروجی نیز امیتر و کلکتور است.

بیس بخشی از ترانزیستور PNP است که جریان‌های کوچک را کنترل‌می‌کند، و این جریان‌های کوچک مقادیر جریان زیاد در امیتر و کلکتور ترانزیستور را کنترل‌می‌کند. منبع ولتاژ به ترمینال امیتر متصل‌شده و بار نیز به ترمینال کلکتور متصل‌می‌شود.

یکی از اصلی‌ترین مصارف ترانزیستور PNP در نوعی تقویت کننده به نام تقویت‌کننده‌های کلاس B‌است. این ترانزیستور در کنار ترانزیستور نوع NPN استفاده‌شده و یک مدار ترانزیستور مکمل یا «جفت تطبیق‌یافته» تشکیل‌می‌دهد. اتصال ترانزیستور مکمل در واقع یک جفت ترانزیستور NPN و PNP‌است که دارای مشخصه‌های بسیار مشابهی نسبت به هم‌است.

یک نمونه از اتصال ترانزیستور مکمل رامی‌توان با استفاده از دو ترانزیستور ساخت، TIP3055 (ترانزیستور NPN) و TIP2955 (ترانزیستور PNP). این ترانزیستورهاسازگاری بسیار زیادی با هم‌دارند، زیراهر دوی آن‌ها دارای بهره‌ی جریان DC مطابق با10 درصد همدیگر‌بوده و جریان کلکتور آن نزدیک 15A‌است، که می‌تواند به صورت ایده‌آل برای کاربرد کنترل موتور به کاررود. جدول زیر نقاط اندازه‌گیری و نتیجه‌ی ترانزیستور BC 557 PNP به هنگام اندازه‌گیری مقادیر ترانزیستور PNP از طریق DMM را نشان‌می‌دهد.

BC 557 PNP

معادله‌ی ترانزیستور زیر رامی‌توان برای محاسبه‌ی جریان‌های بیس، امیتر و کلکتور PNP به کاربرد.

• I_C= I_E – I_B
• IB = IE – IC
• IE = IB + IC

عبارت کلی برای رابطه‌ی بین آلفا، بتا و گاما (α β γ) ترانزیستور در ادامه‌آمده‌است:

• α = β / ( β + 1 )
• β = α / (1-α)
• γ = β +1

توجه: قبلاً در ترانزیستور PNP در مورد α β γ، بهره جریان، بهره ولتاژ، بهره توان و غیره در ترانزیستور PNP بحث کرده و برای ترانزیستورهای NPN و PNP یکسان‌است.

ترانزیستورPNP به عنوان سوئیچ

در حالت کلی، قطعات نیمه‌هادی در حوزه‌ی الکترونیک کاربردهای زیادی به خود دیده‌است.

این دستگاه‌ها را می‌توان برای تقویت‌کنندگی، عملیات منطقی، سوئیچ و غیره به کار برد.

ترانزیستور PNP را می‌توان به عنوان سوئیچ استفاده کرده و یکی از مصارف اصلی آن همین‌است.

وقتی ترانزیستور PNP  به عنوان دستگاه سوئیچ استفاده می‌شود، ترانزیستور دو قطبی نامیده می‌شود.

نام دو قطبی نشانگر این است که هر دو نوع کاریر بار در عملیات ترانزیستور جانکشن دو قطبی به کار می‌رود.کارکرد مدار سوئیچ ترانزیستور مانند مدار سوئیچ NPN است، به جز اینکه جریان از بییس جاری می‌شود.

مدار ترانزیستور PNP، بیس همیشه نسبت به امیتر بایاس منفی شده و این نوع سوئیچ برای پیکربندیِ زمین منفی استفاده می‌شود.

در مدار سوئیچ ترانزیستور PNP، بار به ترمینال کلکتور وصل می‌شود، زیرا ترانزیستور خروجی را مانند بار سوئیچ می‌کند.  این نوع پیکربندی، جریان منبع از طریق ترانزیستور به بار جاری شده و در نهایت به زمین وارد می‌شود. این مدار سوئیچ، امیتر به منبع ولتاژ ثابت وصل می‌شود، کلکتور به بار (LED) متصل شده، و سپس به زمین وصل می‌شود؛ و ورودی نیز همانند PNP کار می‌کند؛ یعنی ترمینال بیس.

به صورت خلاصه:

• 1- اگر ولتاژ بیس منفی باشد (زمین یا پایین) = ترانزیستور ON می‌شود، مانند سوئیچ بسته.
• 2- اگر ولتاژ بیس مثبت (بالا) باشد = ترانزیستور OFF می‌شود، مانند سوئیچ باز

ترانزیستور PNP به عنوان سوئیچ

حالت‌های عملیاتی ترانزیستورها و منحنی‌ها

بر اساس بایاس دیودهای داخلی ترانزیستور، حالت‌های عملیاتی به هنگام مصرف به صورت سوئیچ به چهار حالت تقسیم می‌شود. این حالت‌های عملیاتی عبارتند از منطقه‌های برش، فعال، اشباع و شکست.

حالت فعال (اکتیو)

وقتی در حالت عملیاتی قرار داریم، ترانزیستور اغلب به عنوان تقویت‌کننده جریان کار می‌کند. این دو دیود در ترانزیستور بایاس معکوس هستند، که یعنی یکی از آن‌ها بایاس مستقیم و دیگری بایاس معکوس است. در این حالت، جریان از امیتر به کلکتور جاری می‌شود.

در این حالت عملیاتی

هر دو دیود در ترانزیستور بایاس معکوس می‌شود. در این حالت، جریانی در هیچ جهتی جاری نمی‌شود؛ بنابراین، گفته می‌شود ترانزیستور در حالت OFF باشد.

حالت اشباع

در این حالت عملیاتی، هر دو دیود در ترانزیستورها بایاس مستقیم می‌شوند. در این حالت، جریان بدون محدودیت از کلکتور به امیتر جاری می‌شود. این وقتی رخ می‌دهد که ولتاژ دو سر بیس-امیتر بالا باشد. این حالت عملیاتی وضعیت ON نامیده می‌شود.

حالت شکست

وقتی مقدار ولتاژ کلکتور فراتر از حدود افزایش پیدا می‌کند، دیود کلکتور رامی‌کشند و جریان کلکتور به صورت ناگهانی تا سطوح خطرناک افزایش پیدا می‌کند. به همین دلیل، ترانزیستور نباید در منطقه‌ی شکست کار کند. برای مثال، در ترانزیستور 2N3904، اگر مقدار ولتاژ کلکتور بیش از 40V شود، منطقه شکست بلافاصله شروع می‌کند که باعث می‌شود مدار ترانزیستور آسیب‌ببیند.

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

کاربرد

• بیشتر به عنوان سوئیچ استفاده‌می‌شوند
• در مدارات تقویت‌کننده استفاده‌می‌شوند.
• در مدارات جفت دارلینگتون (پیکربندی چند ترانزیستوری) استفاده‌می‌شوند.
• اخیراً در حوزه‌ی رباتیک نیز به کار می‌روند.
• ترانزیستورهای PNP برای کنترل عبور جریان در موتورهای الکتریکی استفاده‌می‌شوند.
• ترانزیستورهای PNP برای تولید توان همزمان و پیوسته در مدارهای جفت تطبیق‌داده‌شده استفاده‌می‌شوند.

[1] carriers

[2] Emitter

[3] Normally Open: در حالت عادی باز‌است

مقالات مرتبط :

تریستور- یکسوساز کنترل شده سیلیکونی – کاربردهای تریستور

تریستور- یکسوساز کنترل شده سیلیکونی – کاربردهای تریستور

مقاله زبان اصلی:

What is PNP Transistor? Construction, Working & Applications