آشنایی با ترانزیستورها + ساختار آنها

ترانزیستور را در بسیاری از قطعات الکترونیکی می بینیم که دارای کاربردهای مختلف هستند. در این مقاله قصد داریم یکی از مهمترین آنها یعنی ترانزیستورهای BJT یا bi-polar junction transistor را مورد بررسی قرار دهیم و با نحوه کارکرد آنها آشنا شویم.

ترانزیستورهای BJT به دو دسته کلی زیر تقسیم بندی می‎شوند.

1. ترانزیستورهای NPN
2. ترانزیستورهای PNP

این قطعات دارای سه پایه هستند که با نام های امیتر (E) ، کلکتور (C) و بیس (B) شناخته می شوند و در نقشه های الکترونیکی دو مدل مختلف NPN و PNP آن به صورت زیر نمایش داده می شوند.

تنها تفاوت بین این دو نوع ترانزیستور در جهت فلشی است که در تصاویر بالا مشخص شده است. در مدل های NPN این فلش در جهت بیرون است و در مدل های PNP این جهت به داخل می باشد.

ساختار ترانزیستورها

اساس کار ترانزیستورها بر نیمه هادی ها می باشد. نیمه هادی قطعه ای است که نه مانند سیم مسی رسانا و نه مانند هوا غیر رسانا می باشد. رسانا بودن این قطعات وابسته به پارامترهایی مانند دما و حضور یا عدم حضور الکترون ها می باشد. به طور کلی می‎توان گفت ترانزیستورها حاصل ترکیب یک قطعه الکترونیکی دیگر به نام دیود است که می تواند با اتصال دو آند (یا کاتد) دیودها به یکدیگر ایجاد گردد. در شکل زیر می توان نمودی بصری از این نکته را دید.

دیودی که بیس را به امیتر متصل می کند نشان دهنده جهتی است که در شکل قبل مشاهده کردیم. این جهت نشان دهنده این است که در ترانزیستور جریان از کدام جهت عبور می کند. این مدل نمایشی برای شروع مناسب است اما نمی توان اساس کار ترانزیستور را به صورت فوق مطرح کرد و ساختار در عمل متفاوت خواهد بود.

ترانزیستورها با اتصال سه نیمه هادی به یکدیگر ساخته شده اند. به برخی نیمه هادی ها الکترون اضافه شده است و از برخی الکترون گرفته شده است. نیمه هادی های با الکترون اضافه نوع N و نیمه هادی هایی که از آن ها الکترون گرفته ایم نوع P هستند.

جابجایی الکترون ها از نیمه های های نوع N به سمت P به راحتی با اعمال ولتاژی اندک قابل انجام است اما برعکس آن و انتقال الکترون از نوع P به توع N نیازمند ولتاژی به مراتب بالاتر است. اما نکته جالب در ترانزیستورها این است که الکترون ها به راحتی می توانند از بیس نوع P به کلکتور نوع N منتقل شوند اگر ولتاژ امیتر از ولتاژ بیس بیشتر باشد (به این امر بایاس مستقیم بیس امیتر گویند).

برای درک بهتر این مباحث می‎توان از مدل زیر کمک گرفت. همانطور که می‎بینید در این مدل شبیه سازی، ولتاژ میزان فشار آب برای انتقال آن است. جریان میزان عبور آب از لوله را نشان می‎دهد. هر چه لوله بزرگتر باشد میزان آب بیشتری از آن عبور می‎کند در نتیجه جریان آب بیشتر خواهد بود. در نهایت مقاومت نیز باریک شدن لوله در برخی نقاط است. هر چه لوله باریکتر شود مقاومت افزیش پیدا می‎کند.

سه حالت کاری ترانزیستور ها را می‎توان با این مدل به خوبی نشان داد.

1- حالت اول : اتصال کوتاه

در این حالت آب به صورت آزادانه می‎تواند در لوله جریان پیدا کند.

2- حالت دوم : مدار باز

در این حالت جریان آب به طور کامل قطع شده است.

3- حالت سوم : کنترل جریان

در این حالت می‎توان جریان آب عبوری از لوله را بین حالت های کاملا آزاد تا کاملا بسته کنترل نمود.

مدهای کاری در ترانزیستورها

برخلاف مقاومت که در مقابل ولتاژ و جریان رفتاری خطی دارد ترانزیستور ها قطعاتی غیر خطی هستند. این قطعات دارای چهار مد کاری هستند که نحوه عبور جریان از آن‎ها را نشان می‎دهد. از این جا به بعد ما در مورد ترانزیستور های NPN صحبت خواهیم کرد و در نهایت تفاوت را در ترانزیستور های PNP را خواهیم گفت.

1. اشباع (Saturation) : در این مد کاری ترانزیستور به صورت اتصال کوتاه است و جریان از کلکتور به امیتر به طور آزاد جریان پیدا می‎کند.
2. قطع (Cut-off) : در این مد کاری ترانزیستور به صورت مدار باز عمل می‎کند و هیچ جریانی از کلکتور به سمت امیتر نمی‎رود
3. فعال (Active) : در این حالت جریان عبوری از کلکتور به امیتر وابسته به جریان عبوری از بیس است.
4. فعال برعکس (Reverse-Active) : این مد کاری مانند حالت فعال است با این تفاوت که جریان از امیتر به کلکتور منتقل می‎شود.

برای آن که ببینیم ترانزیستور در کدام مد کاری کار خواهد کرد باید به بررسی ولتاژ روی هر کدام از سه پایه آن بپردازیم. تصویر زیر نشان دهنده این امر است.

حال به بررسی بیشتر هر کدام از مدهای کاری ترانزیستور ها می‎پردازیم.

• حالت اشباع (Saturation)

در این حالت ترانزیستور مانند اتصال کوتاه عمل می‎کند و جریان آزادانه از کلکتور به امیتر منتقل می‎شود.

در این مد دیودهای موجود در ترانزیستور هر دو به صورت مستقیم بایاس شده اند در نتیجه ولتاز بیس امیتر و بیس کلکتور باید بزرگتر از صفر باشد. به عبارت دیگر ولتاژ بیس باید بزرگتر از امیتر و کلکتور باشد.

به علت آن که اتصال بین بیس و امیتر مانند یک دیود است در حقیقت ولتاژ بین بیس و امیتر باید از یک سطح آستانه ای بیشتر باشد. در بیشتر ترانزیستور ها و در دمای اتاق این ولتاژ حدود 0.6 ولت می‎باشد.

در عمل ولتاژ کلکتور و امیتر هم با هم برابر نیستند و در دیتاشیت ترانزیستورها عددی به نام  داریم که عددی بین 0.05 و 0.2 ولت است. این عدد به این معنی است که برای آن که ترانزیستور به این مد کاری برود باید ولتاژ کلکتور نیز به این اندازه از امیتر بیشتر باشد.

• حالت Cut-Off

این مد برخلاف مد قبل بوده و ترانزیستور در حال قطع می‎باشد و به صورت مدار باز عمل می‎کند.

در این حالت ولتاژ بیس امیتر و بیس ککلکتور هر دو باید منفی باشد. یعنی ولتاز بیس باید از ولتاز کلکتور و امیتر کمتر باشد.

بر اساس گفته های قبل ولتاژ بیس امیتر باید عددی بین 0 تا 0.6 ولت باشد.

• حالت Active

در این حالت ولتاژ بیس امیتر باید بزرگتر از صفر و ولتاژ بیس کلکتور باید منفی باشد. پس ولتاژ ها باید به صورت زیر باشد.

در حقیقت اختلاف ولتاژی بالاتر از 0.6 ولت بین بیس و امیتر لازم است.

• تقویت کنندگی در حالت اکتیو

این مد کاری یکی از مهمترین و بهترین حالت ها در ترانزیستور ها است زیرا توانایی تقویت کنندگی را دارا است. در این حالت جریان کلکتور به اندازه β برابر بیس است.

مقدار β برای ترانزیستورهای مختلف عددی متفاوت است. این مقدار اصولا حدود 100 بوده و می‎تواند رنجی بین 50 تا حدود 2000 هم داشته باشد. به عنوان مثال اگر ترانزیستوری دارای β با مقدار 100 باشد و جریان بیس ما 1 میلی آمپر باشد مقدار جریان کلکتور برابر 100 میلی آمپر خواهد بود. این قابلیت در راه اندازی قطعات با جریان بالا بسیار کاربردی می‎باشد.

حال که جریان کلکتور مشخص شد نوبت به جریان امیتر می‎رسد. جریان کلکتور α برابر جریان امیتر می‎باشد که α عددی بسیار نزدیک به یک است به صورتی که به طور تقریبی می‎توان این دو جریان را یکسان در نظر گرفت.

رابطه بین α و β به صورت زیر است.

اگر β را 100 در نظر بگیریم مقدار α حدود 0.99 خواهد شد در نتیجه اگر جریان کلکتور 100 میلی آمچر باشد جریان امیتر 101 میلی آمپر خواهد بود.

• حالت Reverse Active

این حالت مانند حالت قبل بوده و حالت های تقویت کننگی را نیز دارا می‎باشد و فقط جهت جریان متفاوت خواهد بود. وظعیت ولتاژ ها در این حالت به صورت زیر می‎باشد.

مدهای کاری در ترانزیستورهای PNP

این مدل ترانزیستورها نیز دارای 4 مد کاری هستند اما جهت ولتاژ ها متفاوت خواهد بود. به طور خلاصه در جدول زیر مقادیر ولتاژ برای هر مد کاری قرار گرفته است.

این بود خلاصه ای از نحوه کار ترانزیستور ها که ما در دوره رقص نور موزیکال با آردوینو از ترانزیستور ها و مد کاری تقویت کنندگی آن‎ها جریان استفاده کرده ایم و LED های با توان بالا را به کمک آن‎ها راه اندازی کرده ایم. هر گونه ابهام و سوالی بود می‎توانید در قسمت نظرات مطرح کنید تا پاسخگو شما دوستان باشیم.

توجه :

در صورتی که قصد یادگیری عملی کار با ترانزیستورها را دارید

می توانید دوره آموزش ساخت رقص نور هماهنگ با موسیقی با آردوینو را مشاهده فرمایید.