ترانزیستور BJT چیست و چگونه کار می کند؟

ترانزیستور BJT چیست و چگونه کار می کند؟

ترانزیستور چیست ؟

تا الان اسم ترانزیستور خیلی شنیدید ولی میدانید ترانزیستور چی هست و چه کاربردی دارد؟ این قطعه چی هست که میگن ساختش انقلابی تو صنعت بوده و اگر ساخته نمیشد هیچ کدام از وسائل که ما الان ازش استفاده میکردیم مثل گوشی ، یخچال های هوشمند ، لباسشویی ، خانه های هوشمند، لب تاپ ، کامپیوتر و.. ساخته نمی شد.

تو این متن در مورد ساختار ترانزیستور هم صحبت میکینم و اینکه ترانزیستور چگونه کار میکند.

ما دو نوع ترازیستور داریم که با توجه به نوع تحریک پایه آن متفاوت است و به دسته کلی BJT , FET تقسیم بندی می شود.

ترانزیستور FET انواع مختلفی دارد که نوع ماسفت آن بسیار کاربردی است و در متن ترانزیستور ماسفت در مورد این ترانزیستور توضیح دادیم حتما بخوانید.

تو این متن میخواهیم در مورد ترانزیستور BJT توضیح بدهیم.

پایه های ترانزیستور BJT

ترانزیستور BJT داری سه پایه بیس (BASE) ، امیتور (EMITTER) و کلکتور(COLLECTOR ) تشکلیل شده است.

ترانزیستور BJT بیشتر برای تقویت و سوئیچینگ مورد استفاده قرار میگیرید ولی برای سوئیچینگ سرعت بالا یا جریان بالا معمولا از ترازیستور FET استفاده می شود.

همانطور که میبینید دو نوع ترانزیستور BJT  داریم (ترانزیستور NPN , PNP ) که از دو دیود تشکیل شده است ولی ساختار دوپینگ آنها با دیود معمولی متفاوت است.

ابتدا ترانزیستور NPN را بررسی میکینم سپس از روی ترانزیستور NPN ترانزیستور PNP را بررسی میکینم.

البته ترانزیستور BJT های دیگه ای هم داریم که در مقاله های بعدی در مورد آنها صحبت خواهیم کرد.

ترانزیستور BJT برای تقویت و سئویچینگ مورد استفاده قرار میگیرد که در مقاله کاربرد ترانزیستور BJT در سوئچینگ در مورد آن به صورت کامل توضیح دادیم حتما به اون متن مراجعه کنید.

تو این مقاله به بررسی مدار داخلی ترانزیستور و نحوه کارکرد ترانزیستور BJT را توضیح میدهیم.

همانطور که در تصویر میبیند در ترانزیستور نوع NPN میزان دوپینگ امیتر خیلی بیشتر است به همین دلیل با n++ نشان داده شده است و حجم ناحیه کلکتور از سایر ناحیه ها بیشتر است که در ادامه دلیل و کاربرد این موضوع را بررسی میکینم.

اگر نمیدانید دوپینگ چیست حتما متن دیود چیست انواع دیود را مطالعه کنید.

همچنین در متن بالا در مورد عبارت بایاس مستقیم و معکوس هم حتما مطالعه کنید تا در ادامه دچار مشکل نشوید.

اما میزان این دوپینگ چه قدر است نیاز به انجام محاسبات پیچیده ریاضی دارد که در آینده نزدیک در کانال یوتیوب فیدار تیم به صورت ویدئو قرار خواهیم داد ولی حتما نیاز به دانش اولیه فیزیک الکترونیک دارید.

برای اینکه بتوانیم عملکرد ترانزیستور BJT را بهتر توضیح دهیم باید نواحی کار ترانزیستور توضیح دهیم.

برای توضیح ناحیه های کاری ترانزیستور  بهتر است ارتباط ترانزیستور به صورت یک دیود مانند شکل زیر در نظر بگیرید(اگر دقت کنید با ساختار ترانزیستور یکی است )

همانطور که میبیند با توجه به شکل ساختار ترانزیستور ترانزیستور شبیه به دو دیود همانند شکل بالا است.

حالا با توجه به مدار معادل ترانزیستور که شبیه به دو دیود در نظر گرفتیم بریم نواحی کاری ترانزیستور را بررسی کنیم.

ناحیه اشباع :

در این حالت ترانزیستور همانند یک کلید بسته (وصل) بین امیتر و کلکتور عمل می کند و جریان از کلکتور به امیتر وصل است.

برای اینکه این مورد اتفاق بیافتد به نظر شما ولتاژ چه گونه باید تقسیم شود؟

بله ولتاژ بیس باید از ولتاژ امیتر و کلکتور بیشتر باشد(هر دو دیود در بایاس مستقم قرار بیگرد) تا کلکتور و امیتر مثل یک سیم بهم وصل شود و ترانزیستور در حالت اشباع قرار گیرید یا به عبارت دیگر رابطه زیر برای ولتاژ پایه های ترانزیستور باشد:

B>E

B>C

ناحیه قطع :

در ناحیه قطع جریان کلکتور و بیس قطع است و ترانزیستور مثل یک کلید باز عمل میکند.

در این ناحیه ولتاژ بیس از ولتاژ کلکتور و بیس کمتر است تا هر دو دیود در حالت بایاس معکوس قرار گیرد.

ناحیه قطع و اشباع برای قطع و وصل و سوئیچ زنی بسیار کاربرد دارد و اگر دانشجوی و محصل رشته الکترونیک هستید از ترانزیستور و این دو ناحیه قطع و اشباع به منظور سئویچ کردن بسیار استفاده خواهید کرد.

مثلا  وقتی مدار روشن و خاموش شدن لامپ با نور را می سازید خروجی سنسور خود را به میکروکنترلر میدهد و میکروکنترلر فرمان روشن شدن led را به ترانزیستور میدهد، تا ترانزیستور LED را روشن کند.

مدار سوئیچینگ ترانزیستور را در این لینک کامل توضیح دادیم حتما بخوانید. 

ناحیه فعال :

این ناحیه یکی از نواحی مهم کاری ترانزیستور است که تقویت ترانزیستور در این ناحیه انجام میشود.

در این ناحیه ولتاژ بیس باید از امیتر بیشتر باشد و ولتاژ کالکتور باید از بیس و امیتر بیشتر باشد.یا بهتر بگیم ولتاژ VBEباید مثبت باشد و ولتاژ VBC باید منفی باشد. در این حالت بیس امیتر در بایاس مستقیم است و بیس کلکتور در بایاس معکوس قرار دارد.

VC>VB>VE

همین باعث میشود که جریان رودی به بیس با ضریب تقویت ترانزیستور ضرب شود و در کلکتور ظاهر شود یا به عبارت بهتر رابطه زیر برقرار  می شود

و جریان امیتر هم برابر رابطه زیر میشود.

IE=IC+IB

ضریب تقویت ترانزیستور به میزان دوپینگ یا ناخالصی ناحیه امیتر ، بیس و کلکتور بستگی دارد که در یک ویدئو در کانال یوتیوب فیدارتیم حتما در این مورد توضیح خواهیم داد.ولی معمولا ضریب تقویت ترانزیستور عددی در حدود 50 ، 100 ، 150 ، 300 و 350 است.

حالا چه اتفاقی در حالت فعال می افتد.

قبل از هر چیز جریان واقعی با جریان قراردادی حرکت الکترون ها عکس هم هستند

در ناحیه فعال بیس کلکتور در حالت بایاس مستقیم قرار دارد.

وقتی به بیس تغییر ولتاژ اعمال می شود و به دلیل وچود اختلاف الکترون زیاد در امیتر نسبت به کلکتور با ورود کمترین ولتاژ به بیس و افزایش حفره بیس ، ناحیه امیتر برای ایجاد تعادل میزان زیادی الکترون را به سمت کلکتور هدایت می کند.

همین باعث میشود با کوچکترین تغییرات ولتاژ (میدان الکتریکی) در بیس، جریانی به اندازه ضریب تقویت ترانزیستور به سمت کلکتور وارد شود و باعث ایجاد جریان در کلکتور متناسب با تغییرات بیس و ضریب تقویت ترانزیستور شود.

حالا فرض کنید یک سیگنال را میخواهیم تقویت کنیم چه کاری باید انجام دهیم ؟

بله کافی است سیگنال را به بیس ترانزیستوری که در ناحیه فعال قرار دارد وارد کنیم و سیگنال تقویت شده را در خروجی مشاهده خواهیم کرد مثل مدار شکل زیر

برای توضیح بیشتر به عکس زیر دقت کنید.

همانطور که تو عکس بالا میبیند ولتاژ مثبت به بیس ترانزیستور باعث حرکت حفره از بیس به امیتر میشود و این حفره ها برای تعادل منجر به ایجاد جریان از امیتر به کلکتور منجر میشوند و به دلیل اختلاف دوپینگ بین امیتر و کلکتور باعث ایجاد جریان متناسب با ضریب تقویت ترانزیستور بین بین امیتر و کلکتور می شوند.

حالا چند سوال پیش میاد

• اینکه جریان تقویت شده ترانزیستور از امیتر به سمت کلکتور است پس چرا در محاسبات مثلا در حالت امیتر مشترک جریان به سمت امیتر تخلیه میشود؟

جواب سوال خیلی ساده است چون در برق و الکترونیک جهت واقعی جریان طبق قرارداد برعکس جهت جریانی است که ما در محاسبات در نظر میگیریم.

• حفره چگونه از بیس به امیتر وارد میشود در حالی که در بایاس معکوس است ؟

جواب این سوال این است که تغییرات کوچک ولتاژ در بیس باعث ورود حفره به بیس می شود (ایجاد میدان باعث تولید حفره میشود) و برای تعادل حفره به امیتر وارد میشود و همین مقدار کم حرفه به دلیل دوپینگ زیاد ناحیه امیتر باعث تخلیه جزیان در کلکتور خواهد شد.

• پس میشه گفت میزان ضریب بهره به عرض کم ناحیه  بیس و میزان اختلاف دوپینگ امیتر و کلکتور ربط دارد؟

هم بله هم خیر ضریب بهره تقویت به موارد دیگری هم بستگی دارد که حتما در موردش توضیح خواهیم داد پس ما را حتما دنبال کنید.

چگونه ترانزیستور را به صورت پایدار در حالت فعال نگه داریم ؟

اگر بخواهیم ترازیستور را به عنوان تقویت کنند مورد استفاده قرار دهیم باید کاری کنیم که ترانزیستور در این ناحیه بدون هیچ مشکلی به کار خود ادامه دهید.

به همین دلیل مدارهای مختلف برای بایاس ترانزیستور طراحی شده است که در مقاله دیگری در این مورد مفصل توضیح خواهیم داد ولی مدار زیر یکی از معروف ترین مدارهای حالت فعال ترانزیستور است پس حتما ما را دنبال کنید تا این آموزش ها را از دست ندهید.

این مدار یکی از معروف ترین روش های بایاس ترانزیستور در ناحیه فعال است که خیلی کاربردی است و میشه گفت اکثر آی سی های تقویت کنند از این روش بایاس استفاده کردند.

روش بایاس ترانزیستور روش های متفاوتی است که در ادامه در این مورد حتما توضیح خواهیم داد.

و در ادامه توضیح خواهیم داد که چه چیز باعث می شود که تقویت ترانزیستور و توان ترانزیستور را محدود میکند پس حتما ما را دنبال کنید و پست های بعدی را از دست ندهید.

ناحیه فعال معکوس:

همان‌طور که ناحیه اشباع در برابر ناحیه قطع قرار می‌گیرد، حالت فعال معکوس برعکس حالت فعال است. در ناحیه فعال معکوس ولتاژها به صورت زیر است:

$$V_C<V_B<V_E$$

حالت فعال معکوس حالت کاربردی برای ترانزیستور نیست چون در این حالت ضریب تقویت ترانزیستور به شدت پایین است(اساتید دانشگاه برای محاسبات پیچیده تو این حالت زیاد سوال میدهند)، اما دانستن آن لازم است.

ترانزیستور PNP هم مشابه همین موارد است که با این تفاوت که ولتاژها جدول بالا جای مثبت منی را عوض کنید مثلا در حالت قطع اگر ولتاژی به بیس ندهیم ترانزیستور در ناحیه وصل قرار میگیرد برعکس NPN که برای وصل شدن ناحیه امیتر به کلکتور باید ولتاژ به بیس وارد کنیم تا ترانزیستور به حالت وصل برود.

مثلا اگر می خواهید بادادن فرمان یک موتور روشن شود میتوانید از NPN استفاده کنید و اگر میخواهید موتور خاموش شود از PNP استفاده می کنید.(البته به طراحی شما هم بستگی دارد و میتوانید همین مدارهایی که مثال زدم را به صورت برعکس هم بسازید)

همچینن در ناحیه فعال و نحوه تقویت توسط این ترانزیستور هم حرکت مثل قبل است با این تفاوت که جای حفره و الکترون تغییر میکند مثل شکل زیر

معمولا ضریب تقویت ترانزیستور pnp کمتر از npn است که در مطالب بعدی این دلایل را توضیح خواهیم داد.

جمع بندی

در دوره های آموزش تعمیرات موبایل که در آموزشگاه فیدار برگذار میگردد تمام نکته ها و تکنیک های تعمیرات موبایل به صورت کامل و تخصصی به ما آموزش داده میشود.برای شرکت در دوره ها به لینک آموزشگاه تعمیرات موبایل شیراز فیدار مراجعه کنید و برای مشاهده  آموزش ها و تکنیک رایگان تعمیرات موبایل به کانال یوتیوب fidarteam ، آپارات fidarteam و اینستگرام ما به آدرس fidarteam مراجعه کنید