ترانزیستور BJT یا پیوندی دو قطبی — به زبان ساده (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)

در آموزش مربوط به دیودها دیدیم که دیودهای ساده از دو ماده نیمه‌رسانا تشکیل می‌شوند و یک پیوند PN را می‌سازند. همچنین با ویژگی‌ها و مشخصه‌های این دیودها آشنا شدیم. حال اگر دو دیود سیگنال مجزا را به صورت پشت به پشت (Back-to-back) به یکدیگر وصل کنیم، دو پیوند PN سری خواهیم داشت که ترمینال P یا N آن‌ها با هم مشترک است. ادغام این دو دیود با یکدیگر منجر به تولید یک قطعه سه‌سر، دو پیوندی و سه‌لایه خواهد شد که اساس یک ترانزیستور BJT یا پیوندی دوقطبی (Bipolar Junction Transistor) یا به اختصار BJT را تشکیل می‌دهد.

ترانزیستورها قطعات فعال سه‌سری هستند که از مواد نیمه‌هادی مختلف ساخته می‌شوند و می‌توانند در کاربردهای ولتاژ سیگنال کوچک به عنوان یک عایق یا یک رسانا عمل کنند. توانایی ترانزیستور در تغییر بین این دو حالت سبب می‌شود این قطعه دو عملکرد اساسی داشته باشد: سوئیچینگ در الکترونیک دیجیتال یا تقویت‌کنندگی در الکترونیک آنالوگ. ترانزیستور دو قطبی سه ناحیه کاری دارد:

• ناحیه فعال (Active Region): در این ناحیه ترانزیستور مانند یک تقویت‌کننده با رابطه $$I_c = \beta \times I_b$$ کار می‌کند.
• اشباع (Saturation): در این حالت ترانزیستور کاملاً روشن (Fully-ON) است و مانند یک سوئیچ با رابطه $$I _ c = I _ \text{Saturation}$$ کار می‌کند.
• قطع (Cut-off): در این وضعیت ترانزیستور کاملاً خاموش (Fully-OFF) است و مانند یک سوئیچ با رابطه $$I _ c = 0$$ کار می‌کند.

فیلم آموزش الکترونیک 1 – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

واژه انگلیسی Transistor ترکیبی از عبارت Transfer Varistor به معنای وریستور انتقالی است. وَریستورها که به عنوان مقاومت‌های وابسته به ولتاژ (Voltage Dependent Resistors) از آنها یاد می‌شود، قطعاتی الکتریکی هستند که وظیفه اصلی‌شان حفاظت از مدارهای الکترونیکی و سیستم‌های قدرت با جذب انرژی اضافه و تنظیم مقادیر ناخواسته ولتاژهای زودگذر (ناپایدار) است. عبارت Transfer Varistor به مد عملکردی این قطعات در زمان‌های ابتدایی ساخت آن‌ها اشاره دارد.

ترانزیستورها در دو نوع اصلی NPN و PNP موجود هستند که، به ترتیب، آرایش فیزیکی نوع N و نوع P مواد نیمه‌رسانای آن‌ها را مشخص می‌کند. 

ساختار پایه ترانزیستور دوقطبی از دو پیوند PN تشکیل شده که سه ترمینال هادی را می‌سازد. هر یک از این ترمینال‌ها برای تفکیک شدن از دو ترمینال دیگر با نام‌های امیتر (Emitter) با نماد E، بیس (Base) با نماد B و کلکتور (Collector) با نماد C نامگذاری می‌شوند. 

ترانزیستورهای دوقطبی قطعات تنظیم‌کننده جریان هستند که مقدار جریان گذرنده از امیتر به کلکتور آن‌ها با اندازه ولتاژ بایاس اعمالی به پایه بیس متناسب است و به همین دلیل، مانند یک سوئیچ کنترل‌شده جریان کار می‌کنند. جریان ترمینال بیس جریان‌های بزرگتر کلکتور را کنترل می‌کند و این اساس کار ترانزیستور است.

اصول عملکرد دو ترانزیستور PNP و NPN دقیقاً مشابه یکدیگر است. تنها تفاوت این دو نوع ترانزیستور در پلاریته منبع تغذیه بایاس آن‌ها است که مخالف یکدیگر است.

شکل زیر ساختار ترانزیستور دو قطبی و نمادهای مداری آن‌ها را نشان می‌دهد.

در شکل بالا، جهت قراردادی جریان بین ترمینال بیس و ترمینال امیتر نیز نشان داده شده است. مشابه نماد دیودها، جهت پیکان‌ها همیشه از ناحیه مثبت نوع P به ناحیه منفی نوع N است. از آنجا که ترانزیستورها بخش مهمی از الکترونیک مقدماتی را تشکیل می‌دهند، آشنایی و درک عمیق آن‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. بنابراین، با مراجعه به مجموعه آموزش الکترونیک درس، تمرین، حل مثال و تست فرادرس نه‌تنها می‌توانید پایه خود را در الکترونیک قوی کنید، بلکه با حل مثال‌های مختلف، هیچ نگرانی در مورد دروس پیشرفته‌تر نخواهید داشت.

پیکربندی‌های ترانزیستور BJT

از آن‌جایی که ترانزیستور دوقطبی یک قطعه سه‌سر است، سه راه ممکن برای اتصال آن به یک مدار الکتریکی وجود دارد. هر روش اتصال، منجر به پاسخی متفاوت با سیگنال ورودی در مدار خواهد شد، زیرا مشخصه‌های استاتیکی ترانزیستور برای هر آرایش مدار تغییر می‌کند. این پیکربندی‌های رایج به صورت زیر هستند:

• بیس مشترک (Common Base): بهره ولتاژ دارد و بهره جریان ندارد.
• امیتر مشترک (Common Emitter): بهره جریان و بهره ولتاژ دارد.
• کلکتور مشترک (Common Collector): بهره جریان دارد و بهره ولتاژ ندارد.

فیلم آموزش فیزیک الکترونیک – بخش یکم در فرادرس

کلیک کنید

پیکربندی بیس مشترک (CB)

همان‌گونه که از نام پیکربندی بیس مشترک یا بیس زمین شده پیداست، اتصال بیس بین سیگنال ورودی و سیگنال خروجی مشترک است. سیگنال ورودی به دو ترمینال بیس و امیتر اعمال می‌شود؛ در حالی که سیگنال خروجی از ترمینال‌های کلکتور و بیس گرفته می‌شود. در این پیکربندی، ترمینال بیس زمین می‌شود یا می‌توان آن را به یک نقطه ولتاژ مرجع ثابت وصل کرد.

جریان ورودی گذرنده از امیتر برابر با مجموع جریان‌های کلکتور و بیس است و به هین دلیل، جریان کلکتور کوچکتر از امیتر ورودی خواهد بود. در نتیجه، بهره جریان در این پیکربندی یک ($$1$$) یا کمتر از آن است. به عبارت دیگر، پیکربندی بیس مشترک تضعیف‌کننده (Attenuates) سیگنال ورودی است.

این پیکربندی یک مدار تقویت‌کننده ولتاژ غیروارون‌گر است که در آن، ولتاژ ورودی $$V _ {in}$$ همفاز با ولتاژ خروجی $$V _ {out}$$ است. این آرایش ترانزیستور به دلیل مشخصه بهره جریان بالای غیرمعمولی که دارد، رایج نیست. مشخصه ورودی این پیکربندی یک دیود بایاس مستقیم است، در حالی که مشخصه خروجی آ‌ن یک فتودیود روشن را نشان می‌دهد.

همچنین در پیکربندی بیس مشترک، نسبت مقاومت ورودی به خروجی مقدار بالایی است. نسبت مقاومت بار ($$R _L$$) به مقاومت ورودی ($$R _ {in}$$) مقدار بهره مقاومت را به دست می‌دهد. در نتیجه، بهره ولتاژ $$A _ v$$ پیکربندی بیس مشترک برابر است با:

$$\large A _ v = \frac { V _ { ou t } } { V _ { i n } } = \frac { I _ C \times R _ L } { I _ E \times R _ {IN } }$$

که در آن $$I_c/I_e$$ بهره جریان $$\alpha$$ و $$R _ L / R _ { in }$$ بهره مقاومت است.

عموماً مدار بیس مشترک به دلیل پاسخ فرکانسی بالای مناسبی که دارد، فقط در مدارهای تقویت‌کننده تک‌مرحله‌ای مانند پیش‌تقویت‌کننده میکروفون یا تقویت‌کننده‌های فرکانس رادیویی (RF) مورد استفاده قرار می‌گیرد.

پیکربندی امیتر مشترک (CE)

در پیکربندی امیتر مشترک یا امیتر زمین‌ شده، سیگنال ورودی به دو سر بیس و امیتر اعمال شده و خروجی از دو سر کلکتور و امیتر گرفته می‌شود. از این پیکربندی معمولاً در تقویت‌کننده‌های مبتنی بر ترانزیستور استفاده می‌شود. این پیکربندی روش نرمال و عادی اتصال ترانزیستور دوقطبی است.

پیکربندی تقویت‌کننده امیتر مشترک بیشترین بهره جریان و توان را در بین همه پیکربندی‌های ترانزیستور دوقطبی دارد. دلیل اصلی این ویژگی آن است که امپدانس ورودی در این پیکربندی کوچک است، زیرا به صورت یک پیوند PN بایاس مستقیم متصل شده است، در حالی که امپدانس خروجی این پیکربندی بزرگ بوده و از یک پیوند PN بایاس معکوس تشکیل شده است.

در پیکربندی امیتر مشترک، جریان خارج شونده از ترانزیستور باید با جریان وارد شونده به آن برابر باشد. بنابراین، جریان امیتر برابر است با $$I _ e = I _ c + I _ b$$.

از آن‌جایی که مقاومت بار $$R_L$$ به صورت سری با کلکتور قرار داده می‌شود، بهره جریان پیکربندی ترانزیستور امیتر مشترک برابر با $$I_c/I_b$$ بوده و اندازه آن بزرگ است. بهره جریان ترانزیستور با حرف یونانی بتا ($$\beta$$) نشان داده می‌شود.

جریان امیتر در یک پیکربندی امیتر مشترک برابر با $$I _ e = I _ c + I _ b$$ است و نسبت $$I _ c / I _ e$$ با حرف یونانی آلفا ($$\alpha$$) نشان داده می‌شود. مقدار $$\alpha$$ همیشه کوچکتر از یک است.

از آن‌جایی که رابطه الکتریکی سه جریان $$I _ b$$، $$I_c$$ و $$I _ e$$ را ساختار فیزیکی ترانزیستور تعیین می‌کند، هر تغییر کوچک در جریان بیس ($$I _ b$$) موجب تغییرات بزرگتر در جریان کلکتور ($$I _ c$$) خواهد شد.

در نتیجه، تغییرات کوچک در جریان بیس جریان امیتر-کلکتور مدار را کنترل خواهد کرد. مقدار $$\beta$$ معمولاً بین $$20$$ و $$200$$ است. بنابراین، اگر مقدار بتای یک ترانزیستور $$100$$ باشد، با عبور یک الکترون از بیس، $$100$$ الکترون از امیتر-کلکتور عبور می‌کند.

با ترکیب تعاریف $$\alpha$$ و $$\beta$$ رابطه ریاضی بین این پارامترها و در نتیجه بهره جریان ترانزیستور را می‌توان به صورت زیر نوشت:

$$\large \alpha = \frac { I _ C } { I _ E }, \;\;\;\;\; \beta = \frac { I _ C} { I _ B }$$

 $$\large I _ C = \alpha I _ E = \beta I _ B$$

$$\large \alpha = \frac { \beta } { \beta + 1 }, \; \; \; \; \; \beta = \frac { \alpha } { 1 - \alpha }$$

$$\large I _ E = I _C + I _ B$$

که در آن، $$I _ C$$ جریان کلکتور، $$I _ B$$ جریان بیس و $$I _ E$$ جریان امیتر است.

امپدانس ورودی این پیکربندی و بهره جریان و ولتاژ آن بزرگتر از پیکربندی بیس مشترک است، اما بهره ولتاژ‌ آن بسیار کوچکتر است. پیکربندی امیتر مشترک یک مدار تقویت‌کننده وارون‌گر است. این بدین معناست که سیگنال خروجی به اندازه $$180^ \circ$$ نسبت به سیگنال ولتاژ‌ ورودی اختلاف فاز دارد.

پیکربندی کلکتور مشترک (CC)

در پیکربندی کلکتور مشترک یا کلکتورِ زمین شده، کلکتور به منبع تغذیه وصل می‌شود. سیگنال ورودی مستقیماً به بیس متصل می‌گردد، در حالی که خروجی از بار امیتر گرفته می‌شود. این ترکیب‌بندی معمولاً به نام یک ولتاژ فالوور (Voltage Follower) یا امیتر فالوور (Emitter Follower) شناخته می‌شود.

پیکربندی کلکتور مشترک یا امیتر فالوور، به دلیل امپدانس ورودی بسیار بالا در محدوده چندصد یا چندهزار اهم و داشتن امپدانس خروجی نسبتاً کوچک، در کاربردهای تطبیق امپدانس به کار می‌رود.

ترکیب امیتر مشترک بهره جریانی تقریباً برابر با مقدار $$\beta$$ خود ترانزیستور دارد. در پیکربندی کلکتور مشترک، مقاومت بار با امیتر سری است و به همین دلیل جریان آن برابر با جریان امیتر است.

از آن‌جایی که جریان امیتر ترکیبی از جریان کلکتور و جریان بیس است، مقاومت بار در این پیکربندی هر دو جریان کلکتور و جریان بیس را خواهد داشت. در نتیجه، بهره جریان مدار برابر است با:

$$\large I _ E = I _ C + I _ B$$

$$\large A _ i = \frac { I _ E } { I _ B } = \frac { I _ C + I _ B } { I _ B }$$

$$A _ i = \frac { I _ C } { I + B }  + 1$$

$$A _ i = \beta + 1$$

این پیکربندی ترانزیستور دوقطبی یک مدار غیروارون‌گر است که در آن، سیگنال ولتاژ ورودی و خروجی $$V _ {in}$$ و $$V _ {out}$$ همفاز هستند. بهره ولتاژ همیشه کوچکتر از یک ($$1$$) است. مقاومت بار ترانزیستور کلکتور مشترک هر دو جریان بیس و کلکتور را دریافت کرده و یک بهره جریان بزرگ (مانند پیکربندی امیتر مشترک دارد؛ بنابراین، تقویت‌کنندگی جریان مناسبی با بهره ولتاژ بسیار اندکی خواهد داشت.

می‌توانیم روابط مختلف بین جریان‌های DC مجزای گذرنده از هر ساق ترانزیستورها و بهره‌های جریان DC را در جدول زیر خلاصه کنیم.

جمع‌بندی

همان‌طور که دیدیم، رفتار ترانزیستور دوقطبی در هر یک از مدارهای بالا بسیار متفاوت است و مشخصه‌های مداری مختلفی را نتیجه خواهد داد. شکل زیر خلاصه‌ای از پیکربندی‌های مختلف را نشان می‌دهد.

خلاصه مشخصات پیکربندی‌های مختلف نیز در جدول زیر خلاصه شده است:

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• ماسفت (MOSFET) — به زبان ساده
• بایاس ترانزیستور (Transistor Biasing) — از صفر تا صد
• ترانزیستور JFET یا پیوندی اثر میدان — به زبان ساده

^^