ترانزستور مفرق ثنائي القطب (BJT) - تفاصيل البناء والتشغيل

ترانزستور مفرق ثنائي القطب (BJT) - تفاصيل البناء والتشغيل

الترانزستور ثنائي القطب أو BJT عبارة عن جهاز أشباه الموصلات ذو 3 أطراف يمكنه تضخيم أو تبديل الفولتية التيارات والمدخلات الصغيرة للإشارة إلى جهد وتيارات إشارة خرج أكبر بكثير.



كيف تطورت BJTs الترانزستور تقاطع القطبين

خلال الأعوام 1904-1947 ، كان الأنبوب المفرغ بلا شك الجهاز الإلكتروني ذا الفضول الكبير والنمو. في عام 1904 ، أطلق J.A Fleming الصمام الثنائي الأنبوبي المفرغ. بعد ذلك بفترة وجيزة ، في عام 1906 ، قام Lee De Forest بتحسين الجهاز بميزة ثالثة ، تُعرف باسم شبكة التحكم ، حيث أنتج أول مكبر للصوت ، وأطلق عليه اسم الصمام الثلاثي.

في العقود اللاحقة ، أحدثت الإذاعة والتلفزيون إلهامًا كبيرًا لأعمال الأنبوب. ارتفع التصنيع من حوالي مليون أنبوب في عام 1922 إلى حوالي 100 مليون في عام 1937. في بداية الثلاثينيات من القرن الماضي ، اكتسب رباعي العناصر المكونة من 4 عناصر وخمسة عناصر خماسية شعبية في مجال أنابيب الإلكترون.





في السنوات التي تلت ذلك ، تطور قطاع التصنيع إلى أحد القطاعات الأكثر أهمية ، وتم إجراء تحسينات سريعة لهذه النماذج ، في طرق الإنتاج ، في التطبيقات عالية الطاقة وعالية التردد ، وفي اتجاه التصغير.

المخترعون المشاركون لأول ترانزستور في مختبرات بيل: الدكتور ويليام شوكلي (جالسًا) الدكتور جون باردين (إلى اليسار) د. والتر إتش براتين. (بإذن من أرشيفات AT&T.)

ومع ذلك ، في 23 ديسمبر 1947 ، كانت صناعة الإلكترونيات تشهد وصول 'اتجاه جديد تمامًا للاهتمام' والتحسين. اتضح في منتصف النهار أن والتر هـ. براتين وجون باردين عرضوا وأثبتوا وظيفة التضخيم لأول ترانزستور في مختبرات هاتف بيل.



يظهر أول ترانزستور (كان على شكل ترانزستور نقطة تلامس) في الشكل 3.1.

أول صورة ترانزستور

الصورة مجاملة: https://commons.wikimedia.org/wiki/ الملف :Replica-of-first-transistor.jpg

كانت الجوانب الإيجابية لوحدة الحالة الصلبة ذات 3 أسنان على النقيض من الأنبوب ملحوظة على الفور: اتضح أنها أصغر بكثير ، ويمكن أن تعمل بدون `` سخان '' أو خسائر في التدفئة ، وكانت غير قابلة للكسر وقوية ، وكانت أكثر كفاءة من حيث استخدام الطاقة ، يمكن تخزينه والوصول إليه بسهولة ، ولا يتطلب أي بدء تسخين أولي ، وكان يعمل بجهد تشغيل أقل بكثير.

Vcc و Vee في BJT pnp و npn

بناء الترانزستور

الترانزستور هو في الأساس جهاز مبني من 3 طبقات من مادة أشباه الموصلات حيث يتم استخدام إما نوع 2 n وطبقة واحدة من النوع p أو 2 p- type وطبقة واحدة n- type من المواد. النوع الأول يسمى الترانزستور NPN ، بينما النوع الثاني يسمى نوع الترانزستور PNP.

يمكن تصور كلا النوعين في الشكل 3.2 مع انحياز DC المناسب.

لقد تعلمنا بالفعل كيف في BJTs DC التحيز تصبح ضرورية لإنشاء المنطقة التشغيلية المطلوبة ولتضخيم التيار المتردد. لهذا فإن الطبقة الجانبية للباعث تكون مخدرة بشكل أكبر مقارنة بالجانب الأساسي الذي يكون مخدرًا بدرجة أقل.

يتم إنشاء الطبقات الخارجية بطبقات بسماكة أكبر بكثير مقارنةً بالمواد المحصورة من النوع p أو n. في الشكل 3.2 أعلاه ، يمكننا أن نجد أن نسبة العرض الكلي مقارنة بالطبقة المركزية في هذا النوع تبلغ حوالي 0.150 / 0.001: 150: 1. إن المنشطات المنفذة فوق الطبقة المحصورة هي أيضًا أقل نسبيًا من الطبقات الخارجية التي تتراوح عادةً عبر 10: 1 أو حتى أقل.

هذا النوع من انخفاض مستوى المنشطات يقلل من قدرة التوصيل للمادة ويزيد من طبيعة المقاومة من خلال تقييد كمية الإلكترونات الحرة المتحركة أو الحاملات 'الحرة'.

في الرسم البياني للانحياز ، يمكننا أيضًا أن نرى أن أطراف الجهاز تظهر باستخدام الأحرف الكبيرة E للباعث ، و C للمجمع و B للقاعدة ، في مناقشتنا المستقبلية سأشرح سبب تقديم هذه الأهمية لهذه المحطات.

أيضًا ، يستخدم المصطلح BJT لاختصار الترانزستور ثنائي القطب والمخصص لهذه الأجهزة الطرفية الثلاثة. تشير عبارة 'ثنائي القطب' إلى أهمية الثقوب والإلكترونات المشاركة أثناء عملية المنشطات فيما يتعلق بمادة مستقطبة بشكل معاكس.

تشغيل الترانزستور

دعنا الآن نفهم العمل الأساسي لـ BJT بمساعدة إصدار PNP من الشكل 3.2. سيكون مبدأ التشغيل لنظير NPN مشابهًا تمامًا إذا تم ببساطة تبادل مشاركة الإلكترونات والثقوب.

كما يتضح من الشكل 3.3 ، تم إعادة رسم ترانزستور PNP ، مما أدى إلى القضاء على تحيز القاعدة للمجمع. يمكننا تصور كيف تبدو منطقة النضوب ضيقة في العرض بسبب التحيز المستحث ، والذي يتسبب في تدفق هائل من ناقلات الأغلبية عبر p- إلى المواد من النوع n.

العمل الأساسي لـ BJT وناقلات غالبية التدفق ومنطقة النضوب

في حالة إزالة الانحياز من القاعدة إلى الباعث لترانزستور pnp كما هو موضح في الشكل 3.4 ، يصبح تدفق ناقلات الأغلبية صفراً ، مما يسمح بتدفق ناقلات الأقلية فقط.

باختصار يمكننا أن نفهم ذلك ، في موقف متحيز يصبح تقاطع واحد pn من BJT متحيزًا عكسيًا بينما يكون التقاطع الآخر متحيزًا للأمام.

في الشكل 3.5 ، يمكننا أن نرى كلاً من الفولتية المنحازة يتم تطبيقها على ترانزستور pnp ، مما يتسبب في تدفق ناقل الأغلبية والأقلية المشار إليه. هنا ، من عرض مناطق النضوب ، يمكننا أن نتخيل بوضوح أي تقاطع يعمل مع حالة منحازة للأمام وأيها منحازًا عكسيًا.

كما هو مبين في الشكل ، ينتهي المطاف بكمية كبيرة من ناقلات الأغلبية إلى الانتشار عبر تقاطع p-n المنحاز للأمام في مادة من النوع n. يثير هذا سؤالًا في أذهاننا ، هل يمكن أن تلعب هذه الشركات الناقلة أي دور مهم لتعزيز الوسيط المعرّف الأساسي الحالي أو تمكينه من التدفق مباشرة إلى المادة من النوع p؟

بالنظر إلى أن المحتوى المحصور من النوع n رقيق بشكل لا يصدق ويمتلك الحد الأدنى من الموصلية ، فإن عددًا قليلاً بشكل استثنائي من هذه الناقلات سيأخذ هذا المسار المحدد للمقاومة العالية عبر المحطة الأساسية.

عادة ما يكون مستوى التيار الأساسي حول الميكرامبيرات بدلاً من الملليمترات للباعث وتيارات المجمع.

سينتشر النطاق الأكبر من ناقلات الأغلبية هذه على طول الوصلة المنحازة العكسية في المادة من النوع p المرفقة بطرف المجمع كما هو موضح في الشكل 3.5.

يتم إدراك السبب الفعلي وراء هذه السهولة النسبية التي يُسمح بها لشركات الأغلبية بالمرور عبر التقاطع المنحاز العكسي بسرعة من خلال مثال الصمام الثنائي المنحاز العكسي حيث تظهر ناقلات الأغلبية المستحثة كناقلات أقلية في المادة من النوع n.

لوضعها بشكل مختلف ، نجد مقدمة لحاملات الأقليات في مادة المنطقة الأساسية من النوع n. مع هذه المعرفة جنبًا إلى جنب مع حقيقة أنه بالنسبة للثنائيات ، فإن جميع ناقلات الأقلية في منطقة النضوب تمر عبر مفترق منحاز عكسيًا ، مما يؤدي إلى تدفق الإلكترونات ، كما هو موضح في الشكل 3.5.

الأغلبية والأقلية تدفق الناقل في الترانزستور pnp

بافتراض أن الترانزستور في الشكل 3.5 عقدة واحدة ، يمكننا تطبيق قانون كيرشوف الحالي للحصول على المعادلة التالية:

مما يدل على أن تيار الباعث يساوي مجموع تيار القاعدة والمجمع.

ومع ذلك ، فإن تيار المجمع يتكون من عنصرين ، وهما ناقلات الأغلبية والأقلية كما ثبت في الشكل 3.5.

يشكل عنصر ناقل تيار الأقلية هنا تيار التسرب ، ويرمز له بـ ICO (IC الحالي له طرف باعث مفتوح).

وبالتالي ، يتم إنشاء تيار المجمع الصافي كما هو موضح في المعادلة التالية 3.2:

يتم قياس ICO الحالي بالمللي أمبير لجميع الترانزستورات ذات الأغراض العامة ، بينما يتم حساب ICO بوحدة uA أو nA.

سوف يتصرف ICO تمامًا مثل الصمام الثنائي المنحاز العكسي ، وبالتالي قد يكون عرضة للتغيرات في درجات الحرارة ، وبالتالي يجب توخي الحذر بشكل مناسب أثناء الاختبار ، خاصة في الدوائر المصممة للعمل في سيناريوهات نطاق درجات الحرارة المتفاوتة على نطاق واسع ، وإلا يمكن أن تكون النتيجة هائلة تتأثر بسبب عامل درجة الحرارة.

ومع ذلك ، نظرًا للعديد من التحسينات المتقدمة في تخطيط بناء الترانزستورات الحديثة ، تم تقليل ICO بشكل كبير ويمكن تجاهله تمامًا لجميع BJTs اليوم.

في الفصل التالي سوف نتعلم كيفية تكوين BJTs في الوضع الأساسي المشترك.

مراجع: https://en.wikipedia.org/wiki/John_Bardeen




السابق: انحياز مقسم الجهد في دوائر BJT - مزيد من الاستقرار بدون عامل بيتا التالي: فهم تكوين القاعدة المشتركة في BJTs