ترانزیستور bjt چیست؟ آشنایی با ترانزیستور دوقطبی

شاید شما حین مونتاژ pcb قطعات 3 پایه قابلمه ای شکل یا مشکی رنگ دیده باشید و برایتان این سوال به وجود آمده باشد که این قطعه چیست؟  سرنوشت الکترونیک با قطعه ای به نام ترانزیستور گره خورده است. مهمترین قطعه در الکترونیک که اختراع آن از نظر اهمیت در زندگی بشری با اختراعاتی چون ماشین چاپ و خودرو رقابت می کند، ترانزیستور می باشد. یکی از ترانزیستورها، bjt است که مخفف عبارت Bipolar Junction Transistor است. اگرچه امروزه استفاده از آن محدود شده، اما همچنان طراحان از آن استفاده می کنند.

ترانزیستور bjt چیست؟

ترانزیستور bjt یکی از قطعات نیمه هادی الکترونیکی است که در گذشته از آن به جای لامپ های خلا استفاده می شده است. bjt نوعی المان کنترل شونده است که عملکرد آن توسط جریان در پایه بیس مشخص می شود. این ترانزیستور سه پایه به نام های امیتر، بیس و کلکتور دارد.

تاریخچه ترانزیستور bjt

ترانزیستور bjt در سال 1947 در آزمایشگاه بل توسط ویلیام شاکلی، جان باردین و والتر هاوسر براتین ساخته شد. این عنصر که حدود 20 سال بعد از ترانزیستور ماسفت ساخته شد، در ابتدا بسیار گسترش یافت. با پیشرفت تکنولوژی و ساخت مدارات مجتمع بر مبنای ماسفت، رفته رفته استفاده از bjt ها محدود شد. اما همچنان در بعضی کاربردها از جمله تقویت کننده ها و مدارات سوییچینگ، ترانزیستور bjt عنصری بسیار محبوب نزد طراحان الکترونیک به شمار می رود.

ساختمان ترانزیستور bjt

ترانزیستور bjt از اتصال 3 بلور نیمه هادی تشکیل می شود. نام این 3 بلور بیس (base)، کلکتور (collector) و امیتر (emitter) می باشد. جنس بیس با جنس کلکتور و امیتر متفاوت است. در ترانزیستور های npn جنس بیس از نوع p و کلکتور و امیتر از نوع n می باشد. در حالیکه در ترانزیستور های pnp جنس بیس از نوع n و جنس کلکتور و امیتر از نوع p می باشد. معمولا در ساخت ترانزیستور bjt عرض ناحیه ی بیس کمتر، عرض ناحیه ی کلکتور بیشتر از لایه های دیگر و همچنین دوپینگ (تزریق) ناحیه امیتر بیشتر از بقیه  لایه ها است. در شکل های زیر ساختمان 2 نوع ترانزیستور pnp و npn مشاهده می شود.

انواع ترانزیستور bjt

ترانزیستور bjt را می توان از از نظر ساختمان و کاربرد به 2 دیدگاه دسته بندی کرد.

انواع ترانزیستور bjt از نظر ساختمان

از نظر ساختمان، ترانزیستور bjt به دو نوع npn و pnp تقسیم می شود. جدول زیر، جنس 3 پایه ی bjt را در هر مدل نشان می دهد.

نوع	NPN	PNP
بیس	P	N
امیتر	N	P
کلکتور	N	P

 

انواع ترانزیستور bjt از نظر کاربرد

از نظر کاربردی ترانزیستور bjt بر حسب توان مصرفی و فرکانس کار انواع مختلفی دارد. هر چقدر فرکانس کاری ترانزیستور بیشتر باشد، برای کاربرد های سوییچینگ و تقویت کننده هایی که پهنای باند زیادی دارند، مناسب تر است. در مقابل ترانزیستور هایی که توان مصرفی آن ها بالا است، یعنی جریان قابل تحمل آن بیشتر است، مناسب کاربرد های الکترونیک قدرت (Power electronic) می باشند. ترانزیستور های توان معمولا دارای بهره جریان (β) کم می باشند. به طور کلی می توان گفت هر چقدر پهنای باند، فرکانس کاری و توان مصرفی ترانزیستور بالاتر باشد، قیمت آن گران تر است.

نماد ترانزیستور bjt

نماد فنی ترانزیستور های bjt را در شکل زیر مشاهده می کنیم.  البته در بسیاری از مدار ها، دایره در نماد رسم نمی شود.

منحنی مشخصه و نواحی کاری ترانزیستور bjt

نمودار جریان بیس (I_B) بر حسب ولتاژ بیس امیتر (V_BE) به صورت زیر است.

این نمودار کاملا مشابه نمودار جریان و ولتاژ دیود می باشد. تابع جریان بیس بر حسب ولتاژ بیس امیتر، تابعی نمایی است. در ناحیه ی فعال، جریان کلکتور (I_C) ضریبی از جریان بیس می باشد. این ضریب که با حرف یونانی β نشان داده می شود، به ساختمان ترانزیستور بستگی دارد و مقدار دقیقی ندارد. در دیتاشیت هر مدل ترانزیستور bjt محدوده ای برای β مشخص می شود. یعنی دو ترانزیستور که از یک مدل ساخته می شوند، ممکن است دارای β مختلف باشند.

در ناحیه ی فعال رابطه ی جریان بیس و کلکتور به فرم I_C = βI_B می باشد.

نمودار جریان کلکتور (I_C) بر حسب ولتاژ کلکتور امیتر (V_CE) به صورت زیر است.

بر اساس اینکه نقطه کار ترانزیستور یعنی V_BE و I_B چقدر باشد، منحنی های مختلفی برای جریان کلکتور بر حسب ولتاژ کلکتور امیتر بوجود می آید. هر قدر جریان I_B بیشتر باشد، یعنی نقطه کار بزرگتری انتخاب گردد، نمودار I_C-V_CE بالاتر می رود. از روی نمودار I_C-V_CE نواحی کاری ترانزیستور نام گذاری می گردد.

ناحیه قطع:

در این ناحیه ترانزیستور خاموش و جریان بیس و کلکتور آن صفر می باشد.

 

ناحیه اشباع

در این ناحیه جریان ترانزیستور تابعی خطی از ولتاژ کلکتور امیتر می باشد. در مدارات کلید زنی (سوییچینگ – switching) ترانزیستور بین دو ناحیه قطع و اشباع تغییر وضعیت می دهد.

ناحیه فعال

در این ناحیه جریان ترانزیستور ثابت می باشد. در تقویت کننده ها (امپلیفایر ها – amplifiers) از ترانزیستور در این ناحیه استفاده می شود.

تست سلامت ترانزیستور bjt

برای تست سلامت یک ترانزیستور bjt، تنها به یک مولتی متر نیاز داریم. برای افزایش سرعت تست، می توانیم ابتدا با استفاده از دیتاشیت ترانزیستور، اسم و ترتیب پایه ها را روی یک کاغذ بنویسیم. مولتی متر را در حالت تست دیودی قرار داده و طبق مراحل زیر، ترانزیستور bjt را تست می کنیم.

مراحل تست ترانزیستور npn

1. پراب مثبت (قرمز) را به کلکتور و پراب منفی (مشکی) را به امیتر وصل می کنیم. در این حالت مولتی متر باید 1 یا OL نشان دهد.(به معنای اتصال باز)
2. پراب مثبت را به امیتر و پراب منفی را به کلکتور وصل می کنیم. در این حالت مولتی متر باید 1 یا OL نشان دهد.
3. پراب مثبت را به کلکتور و پراب منفی را به بیس وصل می کنیم. مولتی متر باید عددی بین 600 و 700 نشان دهد.
4. پراب مثبت را به بیس و پراب منفی را به کلکتور وصل می کنیم. در این حالت مولتی متر باید 1 یا OL نشان دهد.
5. پراب مثبت را به بیس و پراب منفی را به امیتر وصل می کنیم. در این حالت مولتی متر باید 1 یا OL نشان دهد.
6. پراب مثبت را به امیتر و پراب منفی را به بیس وصل می کنیم. مولتی متر باید عددی بین 600 و 700 نشان دهد.

مراحل تست ترانزیستور pnp

1. پراب مثبت را به کلکتور و پراب منفی را به امیتر وصل می کنیم. در این حالت مولتی متر باید 1 یا OL نشان دهد.
2. پراب مثبت را به امیتر و پراب منفی را به کلکتور وصل می کنیم. در این حالت مولتی متر باید 1 یا OL نشان دهد.
3. پراب منفی را به کلکتور و پراب مثبت را به بیس وصل می کنیم. مولتی متر باید عددی بین 600 و 700 نشان دهد.
4. پراب منفی را به بیس و پراب مثبت را به کلکتور وصل می کنیم. در این حالت مولتی متر باید 1 یا OL نشان دهد.
5. پراب منفی را به بیس و پراب مثبت را به امیتر وصل می کنیم. در این حالت مولتی متر باید 1 یا OL نشان دهد.
6. پراب منفی را به امیتر و پراب مثبت را به بیس وصل می کنیم. مولتی متر باید عددی بین 600 و 700 نشان دهد.

جمع بندی

مهمترین قطعه در الکترونیک که اختراع آن از نظر اهمیت در زندگی بشری با اختراعاتی چون ماشین چاپ و خودرو رقابت می کند ترانزیستور است. ترانزیستورها انواع مختلفی دارند. یکی از معروف ترین آن ها bjt است. ترانزیستور bjt از اتصال 3 بلور نیمه هادی تشکیل شده و دارای کاربردهای مختلفی است که برخی از آن ها شامل تقویت کننده ها و مدارات سوییچینگ است. از نظر ساختمان، ترانزیستور bjt به دو نوع npn و pnp تقسیم می شود.