الترانزستور : ثنائى القطبية Bipolar NPN, PNP و تأثير المجال JFET و الموسفيت MOSFET

[F.Abdelaziz]

الترانزستور : ثنائى القطبية Bipolar NPN, PNP و تأثير المجال JFET و الموسفيت MOSFET

أساسيات الترانزستور الثنائى القطبية Bipolar Transistor Basics


مقدمة:
يتكون الدايود البسيط من قطعتين من المواد شبه الموصلة كلاهما إما من السليكون أو من الجرمانيوم لتشكيل وصلة PN بسيطة . إذا تم ربط دايودين معا بطريقة معكوسة back-to-back فإننا نحصل على وصلتين PN متصلين معا على التوالى وتتشارك فى طرف (قطعة) مشتركة إما P أو N . إندماج (إنصهار) هذين الدايودين ينتج جهاز مكون من ثلاثة طبقات , بوصلتين , وبثلاثة أطراف وهو ما يشكل أساس الترانزستور ثنائى القطبية Bipolar Junction Transistor أو إختصارا BJT .
الترانزستورات هى أجهزة فعالة active devices ذات ثلاثة أطراف مصنوعة من مواد شبه موصلة مختلفة والتى يمكن أن تكون بمثابة عازل insulator أو موصل conductor عن طري تطبيق جهد إشارة صغير . قدرة الترانزستور على التغيير بين هاتين الحالتين تمكنه من القيام بوظيفتين أساسيتن : "وظيفة التحول أو العمل كمفتاح" "switching" ( فى الإلكترونيات الرقمية digital electronics) أو "وظيفة التكبير""amplification" (فى الإلكترونيات التناظرية analogue electronics) . من ثم فإن الترانزستور ثنائى القطبية BJT له القدرة على العمل ضمن ثلاث مناطق مختلفة :
1- المنطقة الفعالة (النشطة) Active Region .
فيها يعمل الترانزستور كمكبر amplifier ويكون Ic = .Ib .
2- منطقة التشبع Saturation .
فيها يكون الترانزستور فى حالة توصيل كامل "fully-ON" ويعمل كمفتاح switch ويكون Ic = I(saturation) .
3- منطقة القطع (الفصل) Cut-off .
فيها يكون الترانزستور فى حالة فصل كامل"fully-OFF" كمفتاح ويكون Ic = 0 .

الترانزستور ثنائى القطبية النموذجى Typical Bipolar Transistor :
هناك نوعان أساسيان من البناء للترانزستور ثنائى القطبية هما PNP و NPN والتى تصف أساس الترتيب الفيزيائى لمواد أشباه الموصلات من النوع P-type والنوع N-typeوالتى تصنع منها .
يتكون التركيب الأساسىللترانزستور ثنائى القطبية من وصلتين PN لتنتج ثلاثة أطراف توصيل ويعطى كل طرف اسم للتعرف عليه .تسمى هذه الأطراف بالمشع Emitter ( E ), , والقاعدة Base ( B ) ، والمجمع Collector ( C ) .
الترانزستورات ثنائية القطبية هى أجهزة " تنظيم للتيار" current regulating والتى تتحكم فى كمية التيار المار من خلالها بما يتناسب مع قيمة جهد الانحياز biasing voltage المطيق على طرف القاعدة والذى يعمل كمفتاح "تحكم فى التيار" . مبدأ عمل الترانزستور نوع PNP هو نفسه تماما مبدأ عمل الترانزستور NPN والفرق الوحيد هو " الانحياز" biasing و وقطبية polarity مصدر القدرة لكل نوع .

بناء الترانزستور ثنائى القطبية Bipolar Transistor Construction

[شمس العراق]

ربنا يرزقك كمان وكمان ماشاء الله لاقوة الا بالله

[F.Abdelaziz]

المشاركة الأصلية كتبت بواسطة شمس العراق

ربنا يرزقك كمان وكمان ماشاء الله لاقوة الا بالله

أخى الكريم
شكرا جزيلا لك

بارك الله فيك

مع تمنياتى بدوام التوفيق

[F.Abdelaziz]

بناء الترانزستور ثنائى القطبية Bipolar Transistor Construction

الأشكال التالية تبين بناء ورموز الدائرة الكهربية لكل من ترانزستور ثنائى القطبية PNP و NPN . السهم برمز الدائرة دائما يبين اتجاه " مرور التيار التقليدى" بين طرف القاعدة وطرف المشع (الباعث) . اتجاه السهم دائما يتجه من منطقة النوع الموجب P إلى منطقة النوع السالب N لكلا من نوعى الترانزستور تماما كما فى رمز الدايود القياسى .

تكوينات (أشكال) الترانزستور ثنائى القطبيةBipolar Transistor Configurations

[F.Abdelaziz]

تكوينات (أشكال) الترانزستور ثنائى القطبية Bipolar Transistor Configurations

نظرا لأن الترانزستور ثنائى القطبية هو جهاز له ثلاثة أطراف فهناك ثلاثة طرق أساسية لتوصيله ضمن الدوائر الإلكترونية مع وجود أحد الأطراف كطرف مشترك لكل من المدخل والمخرج . لكل طريقة من طرق التوصيل استجابة مختلفة لإشارة دخلها فى نطاق الدائرة حيث أن الخصائص الاستاتيكية للترانزستور تختلف باختلاف ترتيب كل دائرة .
1- دائرة القاعدة المشتركة Common Base Configuration .
لها "كسب أو فى الجهد" Voltage Gain وليس لها كسب فى التيار .
2- دائرة المشع (الباعث) المشترك Common Emitter Configuration .
لها كسب فى كل من الجهد والتيار .
3- دائرة المجمع المشترك Common Collector Configuration .
لها كسب فى التيار Current Gain وليس لها كسب فى الجهد .

دائرة القاعدة المشتركة The Common Base (CB) Configuration

كما هو واضح من المسمى , فى دائرة القاعدة المشتركة أو الأرضية يتم توصيل القاعدة BASE بحيث تكون طرف مشترك لكل من أشارة الدخل و أشارة الخرج , مع تطبيق إشارة الدخل بين طرفى القاعدة والمشع ويتم أخد إشارة الخرج المناظرة من بين طرفى القاعدة والمجمع كما هو موضح بالشكل مع توصيل طرف القاعدة بالأرضى أو إلى نقطة جهد مرجعىreference voltage ثابت . تيار الدخل المار خلال المشع كبير لأنه مجموع كل من تيار القاعدة وتيار المجمع , نتيجة لذلك يكون تيار المجمع أقل من تيار الدخل للمشع ومن ثم يكون "كسب التيار" لهذه الدائرة يساوى الواحد (الوحدة) أو أقل , وبعبارة أخرى فإن عذا النوع "يضعف أو يوهن" "attenuates" إشارة الدخل .

هذا النوع من دوائر المكبرات يكون "دائرة مكبر جهد غير عاكس "non-inverting voltage amplifier , أى أن جهدى إشارة الدخل Vin وإشارة الخرج Vout تكونان فى نفس الوجهin-phase .
هذا النوع غير شائع نتيجة لخصائص الارتفاع الغير عادى فى الكسب . خصائص الخرج تمثل دايود ذات انحياز أمامى بينما خصائص الدخل تمثل دايود ضوئى . أيضا هذا النوع له نسبة مرتفعة لمقاومة الخرج بالنسبة لمقاومة الدخل أو بعبارة أكثر أهمية النسبة بين "مقاومة الحملload" resistance " (RL) إلى "مقاومة الدخل"input" resistance (Rin) " تعطى قيمة "كسب المقاومة"Resistance Gain"" .نتيجة لذلك فإن كسب الجهد (Av) لذه الدائرة يعطى بالعلاقة :

حيث :
Ic/Ie هو كسب التيار current gain - alpha ()
و RL/Rin هو كسب المقاومة .
عامة تستخدم هذه الدائرة فقط فى دوائر المكبر ذات المرحلة الواحدة single stage amplifier مثل المكبر الابتدائى للميكروفون microphone pre-amplifier أو مكبرات التردد العالى radio frequency (Rf) amplifiers لأن لها استجابة response جيدة جدا للترددات المرتفعة .

دائرة المشع المشترك The Common Emitter (CE) Configuration

[F.Abdelaziz]

دائرة المشع المشترك The Common Emitter (CE) Configuration

فى دائرة المشع (الباعث) المشترك يتم تطبيق إشارة الدخل بين القاعدة والمشع بينما يتم أخذ الخرج من بين المجمع والمشع . هذا النوع من الدوائر هو الأكثر استخداما فى المكبرات التى تبنى على أساس الترانزستورات وهى تمثل الطريقة العادية لتوصيل الترانزستور ثنائى القطبية .تنتج دائرة مكبر المشع المشترك أعلى كسب فى التيار وفى القدرة من كافة الدوائر الأخرى . والسبب الأساسى فى ذلك هو أن "معاوقة الدخل تكون منخفضة" لتوصيل إنحياز أمامى للوصلة PN . بينما تكون "معاوقة الخرج مرتفعة" لتوصيل إنحياز عكسى للوصلة PN

فى هذه الدائرة " التيار الخارج من الترانزستور يجب أن يساوى التيارات الداخلة للترانزستور" أى Ie = Ic + Ib . أيضا , ونظرا لأن مقاومة الحمل (RL) متصلة على التوالى مع المجمع , يكون"كسب التيار" لهذه الدائرة "كبير جدا" لأنه النسبة Ic/Ib ويرمز له بالحرف اليونانى "بيتا" Beta, () .
حيث أن تيار المشع لهذه الدائرة يعرف بالعلاقة Ie = Ic + Ib فإن النسبة Ic/Ie تسمى "ألفا"Alpha ويرمز لها بالحرف اليونانى .
ملحوظة : قيمة دائما تكون أقل من الوحدة .
ونظرا لأن العلاقة الكهربائية بين التيارات الثلاثة Ib, Ic , Ie تتحدد بالتركيب الفيزيائى للترانزستور نفسه , فإن أى تغيير صغير فى تيار القاعدة (Ib) , سوف يؤدى إلى تغيير كبير فى تيار المجمع (Ic) . نتيجة لذلك , فإن "تغيرات صغيرة فى التيار المار بالقاعدة" سوف تتحكم فى تيار دائرة "المجمع – المشع" .
عادة تكون قيمة بيتا Beta بين 20 و 200 لمعظم ترانزستورات الاستخدام العام .
بالجمع بين صيغة كل من ألفا و بيتا نحصل على العلاقة الرياضية بين هذين البارامترين ومن ثم كسب التيار للترانزستور كما يلى :

حيث :
"Ic" : هو التيار الداخل إلى طرف المجمع .
"Ib" : هو التيار الداخل إلى طرف القاعدة .
"Ie" : هو التيار الخارج من طرف المشع .
يمكن تلخيص دائرة المشع المشترك فى : أن لها معاوقة دخل كبيرة , وأن كسب التيار وكسب القدرة أكبر من من دائرة القاعدة المشتركة , ولكن كسب الجهد لها أقل بكثير . دائرة المشع المشترك هى دائرة مكبر عاكس أى أن إشارة الخرج تكون مزاحة فى الطور بمقدار 180 درجة 180o out-of-phase عن إشارة جهد الدخل.

دائرة المجمع المشترك The Common Collector (CC) Configuration

[F.Abdelaziz]

دائرة المجمع المشترك The Common Collector (CC) Configuration

فى هذه الدائرة يكون المجمع مشترك أو متصل بالأرضى من خلال مصدر القدرة . يتم توصيل إشارة الدخل مباشرة إلى القاعدة بينما يتم أخذ الخرج من حمل المشع كما هو موضح بالشكل التالى . هذا النوع من الدوائر شائع الاستخدام باسم "دائرة تابع الجهد"Voltage Follower أو "دائرة تابع المشع"Emitter Follower . دائرة تابع المشع مفيدة جدا فى تطبيقات عمل موائمة للمعاوقة impedance matching بسبب أن لها "معاوقة الدخل المرتفعة جدا" , فى مدى مئات الآلاف من الأوم , بينما لها "معاوقة خرج منخفضة نسبيا" .

دائرة المشع المشترك لها كسب تيار تقريا يساوى قيمة بيتا للترانزستور نفسه . فى دائرة المجمع المشترك تكون مقاومة الحمل على التوالى مع المشع ومن ثم يكون تيار الحمل يساوى تيار المشع . ونظرا لأن تيار المشع هو تجميع لتيار المجمع و تيار القاعدة ويعطى كسب التيار لهذه الدائرة بالعلاقة :

هذه الدائرة غير عاكسة أى أن جهود إشارة الدخل Vin والخرج Vout تكون فى نفس الوجه in-phase . هذه الدائرة لها "كسب جهد" دائما أقل من الوحدة . مقاومة الحمل تستقبل كل من تيار القاعدة وتيار المجمع لتعطى كسب تيار كبير (كما فى دائرة المشع المشترك) ومن ثم فهى توفر تكبير جيد للتيار مع كسب جهد ضعيف.

تلخيص للترانزستور ثنائى القطبية Bipolar Transistor Summary

يمكن تلخيص سلوك الترانزستور ثنائى القطبية فى كل من الدوائر السابقة : يختلف السلوك والخصائص من حيث معاوقة الدخل , ومعاوقة الخرج والكسب سواء فى الجهد أو فى التيار أو فى القدرة , ويمكن تلخيص ذلك فيما يلى :
خصائص الترانزستور ثنائى القطبية Bipolar Transistor Characteristics

الخصائص الاستاتيكية للترانزستور ثنائى القطبية يمكن تقسميها إلى المجموعات الرئيسية التالية :

الجدول التالى يبين خصائص الدوائر المختلفة :

القادم :
نتناول بالتفصيل استخدام الترانزستور NPN كمكبر بدائرة المشع المشترك لأنه الأكثر استخداما بسبب مرونته والكسب المرتفع . سوف نتعرف على منحنيات خصائص الخرج المرتبطة بدوائر المكبر كدالة (علاقة) بين تيار المجمع وتيار القاعدة .

الترانزستور The NPN Transistor

[F.Abdelaziz]

الترانزستور " سالب-موجب-سالب" The NPN Transistor

الشكل العلوى يوضح بناء وجهود أطراف الترانزستور NPN . الجهد بين القاعدة والمشع ( VBE ) يكون الموجب عند القاعدة والسالب عند المشع لأن الترانزستور نوع NPN , جهد القاعدة يكون دائما موجب بالنسبة لجهد المشع . أيضا يكون مصدر جهد المجمع موجب بالنسبة لجهد المشع ( VCE ) . لكى يتم توصيل الترانزستور NPN يجب أن يكون المجمع دائما أكبر إيجابية بالنسبة لكل من القاعدة والمشع .

توصيل الترانزستور NPN

يتم توصيل مصادر الجهد كما هو موضح بالشكل العلوى . يتم توصيل المجمع بمصدر الجهد VCC من خلال مقاومة الحمل RL , والتى تعمل أيضا فى تحديد أقصى تيار يمر خلال الترانزستور. يتم توصيل جهد مصدر القاعدة VB إلى مقاومة القاعدة RB , والتى أيضا تسنخدم لتحديد أقصى تيار للقاعدة .
نحن نعرف أن الترانزستور جهاز يعمل بالتيار ويمر تيار كبير ( Ic ) خلال الجهاز بين أطراف المجمع والمشع عندما يكون الترانزستور موصل بالكامل . مع ذلك يحدث هذا فقط عندما يمر تيار انحياز صغير ( Ib ) خلال طرف القاعدة فى نفس الوقت ومن ثم يسمح للقاعدة بالعمل كمصدر تحكم بتيار الدخل .
تيار الترانزستور من النوع NPN هو النسبة بين هذين التيارين ( Ic/Ib ) , يسمى "كسب التيار للتيار المستمر" للجهاز DC Current Gain ويرمز له بالرمز hfe أو حاليا بالحرف "بيتا" Beta, ( ) . قيمة يمكن أن تكون كبيرة حتى 200 للترانزستورات القياسية , وهذه النسبة المرتفعة بين Ic و Ib هى التى تجعل من الترانزستور NPN جهاز تكبير مفيد عندما يستخدم فى منطقته الفعالة حيث يمثل Ibالدخل ويمثل Ic الخرج . لاحظ أن بيتا ليس لها وحدات لأنها نسبة .
أيضا , كسب التيار للترانزستور من طرف المجمع إلى طرف المشع Ic/Ie يسمى "ألفا" Alpha, ( ) وهو دالة للترانزستور نفسه ( إنتشار الإلكترونات عبر الوصلة) . وحيث أن تيار المشع Ie هو نتيجة تيار القاعدة مضافا إليه تيار المجمع الكبير فإن قيمة ألفا تكون قريبة جدا من الوحدة , حوالى 0.950 to 0.999لترانزستور اللإشارة ذات القدرة المنخفضة .
العلاقة بين ألفا و بيتا للترانزستور and Relationship in a NPN Transistor

بتجميع البارامتران و يمكننا الحصول على صيغ تعطى العلاقة بين التيارات المختلفة التى تمر خلال الترانزستور .

قيم تتراوح بين 20 لترانزستورات القدرة ذات التيار المرتفع و 1000 لترانزستورات القدرة المنخفضة والتى تعمل فى الترددات المرتفعة . يمكن الحصول على القيمة الفعلية لبيتا من الداتا شيت الخاصة بالترانزستور المستخدم .
من معادلة بيتا يمكن استنتاج أنه عندما يكون تيار القاعدة بصفر ( Ib = 0 ) سوف يكون تيار المجمع الناتج بصفر أيضا ( x 0 ) . أيضا عندما يكون تيار القاعدة مرتفع فإن تيار المجمع المناظر سوف يكون أيضا مرتفع أى أن تيار القاعدة يتحكم فى تيار المجمع . أحد أهم خصائص الترانزستور ثنائى القطبية هو أنه بتيار قاعدة صغير يمكن التحكم بتيار أكبر بالمجمع . المثال التالى يوضح ذلك .
مثال 1 :
ترانزستور NPN له كسب تيار للتيار المستمر (Beta) بالقيمة 200 . إحسب تيار القاعدة المطلوب لتوصيل تيار 4mA لحمل أومى resistive load .
الحل :

شىء آخر يجب أن تتذكره حول الترانزستور NPN . جهد المجمع ( Vc ) يجب أن يكو أكبر من وموجب بالنسبة لجهد المشع ( Ve ) للسماح بمرور التيار خلال الترانزستور بين وصلات المجمع – المشع .
أيضا يوجد هبوط فى الجهد بين أطراف القاعدة والمشع حوالى 0.7v ( تناظر هبوط جهد لدايود واحد ) لأجهزة السليكون لأن خصائص الدخل للترانزستور NPN تمثل دايود ذات انحياز أمامى . نتيجة لذلك يجب أن يكون جهد القاعدة ( Vb ) للترانزستور NPN أكبر من القيمة 0.7V وإلا فإن الترانزستور لن يتم توصيله بتيار القاعدة الذى يعطى بالعلاقة :

حيث :
Ib : هو تيار القاعدة .
Vb : جهد انحياز القاعدة المستمر DC .
Vbe : هبوط الجهد بين بين القاعدة والمشع (0.7v) .
Rb : مقاومة دخل القاعدة .
زيادة Ib يؤدى إلى زيادة Vb ببطىء حتى 0.7V لكن Ic يزداد أسيا .
مثال 2 :
ترانزستور NPN له جهد انحيار قاعدة مستمر Vb بالقيمة 10V ومقاومة دخل القاعدة Rb بالقيمة 100Kω . ما هى قيمة تيار القاعدة الداخل إلى الترانزستور .
الحل :

دائرة المشع المشترك The Common Emitter Configuration.