پاورپوینت ساختار ترانزیستورهای دو قطبی یا پیوندی BJT

این پاورپوینت به بررسی ساختار ترانزیستورهای دوقطبی یا پیوندی (BJT) می پردازد. این ترانزیستورها از سه لایه نیمه هادی تشکیل شده اند و در تقویت سیگنال ها و سوئیچینگ ها نقش کلیدی دارند. تفاوت های ترانزیستورهای NPN و PNP، همچنین نحوه عملکرد و تحلیل جریان های مختلف در آنها نیز تشریح شده است.

ساختار ترانزیستورهای دوقطبی یا پیوندی (BJT)

ترانزیستورهای دوقطبی یا پیوندی (BJT) از مهم ترین اجزای الکترونیک مدرن هستند که در تقویت سیگنال ها و سوئیچینگ ها نقش اساسی دارند. این ترانزیستورها از سه لایه نیمه هادی با نام های امیتر (Emitter)، بیس (Base) و کلکتور (Collector) ساخته می شوند. به طور کلی، ترانزیستورهای BJT به دو نوع اصلی تقسیم می شوند: NPN و PNP. این دو نوع ترانزیستور از نظر ساختار و نحوه عملکرد تفاوت دارند، اما اساس عملکرد آنها بر پایه استفاده از جریان های الکترونی و حفره ای استوار است.

در ترانزیستورهای NPN، لایه نازک بیس که بین امیتر و کلکتور قرار دارد، از نوع نیمه هادی P بوده و دو لایه دیگر یعنی امیتر و کلکتور از نوع نیمه هادی N هستند. در ترانزیستورهای PNP، ساختار به گونه ای است که امیتر و کلکتور از نوع نیمه هادی P و بیس از نوع نیمه هادی N است. نحوه عملکرد هر کدام از این ترانزیستورها به نوع جریان هایی که در آنها جریان دارند، بستگی دارد. در BJT، جریان های اصلی شامل جریان الکترونی و جریان حفره ای می باشد که باعث تقویت سیگنال ها و یا سوئیچینگ بین وضعیت های مختلف می شود.

نحوه عملکرد ترانزیستورهای BJT

عملکرد ترانزیستور BJT در سه ناحیه اصلی بررسی می شود: ناحیه فعال، ناحیه اشباع و ناحیه قطع. در ناحیه فعال، ترانزیستور به عنوان یک تقویت کننده عمل می کند. برای اینکه ترانزیستور در این ناحیه فعالیت کند، باید دیود بین بیس و امیتر به صورت مستقیم و دیود بین بیس و کلکتور به صورت معکوس بایاس شود. در این شرایط، جریان وارد شده از امیتر به بیس، باعث تزریق حامل های اقلیت به درون بیس می شود که این امر موجب تقویت سیگنال ورودی می گردد.

در ناحیه اشباع، ترانزیستور به عنوان سوئیچ عمل کرده و جریان های ورودی و خروجی تقریبا برابر با هم هستند. در این حالت، هر دو دیود به صورت مستقیم بایاس می شوند. نهایتاً، در ناحیه قطع، ترانزیستور هیچ گونه جریانی از خود عبور نمی دهد، زیرا هر دو دیود به صورت معکوس بایاس می شوند.

تجزیه و تحلیل جریان ها در ترانزیستورهای BJT

در ترانزیستورهای BJT، جریان های مختلفی به طور هم زمان در ترانزیستور جریان می یابند. مهم ترین جریان ها شامل جریان امیتر (IE)، جریان بیس (IB) و جریان کلکتور (IC) هستند. جریان کلکتور تقریباً برابر با جریان امیتر است که از طریق ضریب بهره ترانزیستور (β) تعیین می شود. در عین حال، جریان بیس که از طریق نسبت β با جریان کلکتور ارتباط دارد، معمولاً بسیار کمتر از جریان کلکتور است. همچنین، در ترانزیستورهای BJT، جریان های حامل های اقلیت نیز نقش مهمی دارند، به خصوص در نواحی غیر فعال.

در تحلیل ترانزیستور، از روابط مختلفی برای محاسبه جریان ها استفاده می شود. برای مثال، رابطه اصلی بین جریان های کلکتور و امیتر به صورت زیر است:
IC=αIE+ICOIC = alpha IE + ICOIC=αIE+ICO که در این رابطه، αalphaα ضریب گذردهی ترانزیستور است و ICOICOICO جریان اشباع است. این رابطه برای محاسبه جریان خروجی در ترانزیستورها به کار می رود. همچنین، رابطه دیگری که به طور معمول در تحلیل ترانزیستورهای BJT استفاده می شود، رابطه جریان بیس و جریان کلکتور است که به صورت زیر نوشته می شود: IC=βIBIC = beta IBIC=βIB این رابطه نشان دهنده ارتباط مستقیم بین جریان بیس و جریان کلکتور است.

نواحی کار ترانزیستور

ترانزیستورهای BJT در چهار ناحیه اصلی کار می کنند: ناحیه فعال، ناحیه اشباع، ناحیه قطع و ناحیه معکوس. ناحیه فعال برای تقویت سیگنال ها مناسب است، جایی که جریان از امیتر به بیس وارد می شود و جریان کلکتور تحت تأثیر قرار می گیرد. در این ناحیه، ترانزیستور به عنوان تقویت کننده عمل می کند. ناحیه اشباع زمانی رخ می دهد که دیودهای بین بیس و امیتر و بین بیس و کلکتور به طور مستقیم بایاس شوند. در این وضعیت، ترانزیستور به عنوان سوئیچ عمل می کند و جریان از طریق آن عبور می کند. ناحیه قطع زمانی رخ می دهد که دیودهای ترانزیستور به صورت معکوس بایاس شوند و ترانزیستور هیچ گونه جریانی را از خود عبور نمی دهد.

نهایتاً، ناحیه معکوس زمانی اتفاق می افتد که ولتاژهای ورودی به گونه ای تنظیم شوند که دیودهای ترانزیستور در حالت معکوس قرار بگیرند، به طوری که جریان های اصلی دیگر قادر به عبور از ترانزیستور نباشند. این ناحیه معمولاً برای عملکرد ترانزیستور غیرمفید است، اما در برخی از کاربردهای خاص می تواند مورد استفاده قرار گیرد.

بایاس ترانزیستورهای BJT

بایاس ترانزیستور به عنوان روشی برای تعیین وضعیت کاری ترانزیستور در نواحی مختلف است. در ترانزیستورهای BJT، سه نوع بایاس اصلی وجود دارد: بایاس مستقیم، بایاس معکوس و بایاس خطی. بایاس مستقیم زمانی است که ولتاژهای بیس-امیتر و بیس-کلکتور به گونه ای تنظیم شوند که دیود بیس-امیتر روشن و دیود بیس-کلکتور خاموش باشد. این وضعیت برای ترانزیستور در ناحیه فعال مناسب است.

در بایاس معکوس، ولتاژهای ورودی به گونه ای تنظیم می شوند که دیودها به صورت معکوس بایاس شوند، که معمولاً در نواحی اشباع یا قطع رخ می دهد. بایاس خطی زمانی است که ترانزیستور در ناحیه فعال قرار دارد و می تواند به عنوان یک تقویت کننده عمل کند. در این شرایط، جریان ورودی به طور خطی با جریان خروجی مرتبط است.