ترانزستور ثنائي القطبية

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
اذهب إلى التنقل اذهب إلى البحث
Question book-new.svg
هذه المقالة تعتمد اعتماداً كاملاً أو شبه كامل على مصدر وحيد، رجاء ساعد في تحسين هذه المقالة بإضافة مصادر مناسبة. (ديسمبر 2018)
نوع PNP
نوع NPN

مقحل ثنائي القطب أو ترانزستور ثنائي القطبية (بالإنجليزية: BJT Bipolar Junction Transistor) هو النوع الأول من المقاحل ويوجد نوع آخر من المقاحل تسمى المقحل الحقلي ، وكلاهما من أشباه الموصلات مشوّبة (سيليكون نقي مطعّم بذرات عنصر آخر). والمقحل زوجي الأقطاب هو نبيطة إلكترونية تتكون من ثلاثة طبقات فوق بعضها ، وبحسب انواع الثلاثة طبقات فمنها نوعين :PNP و NPN . للثلاثة أجزاء وظائف معينة في دائرة كهربائية وتسمى :

  1. الباعث emitter
  2. القاعدة base (في المنتصف بينهما)
  3. الجامع collector.

كل طبقة من تلك الطبقات الثلاثة مطعمة تطعيما خاصا (تشويب): إما مشوبة N أو أو مشوبة P ، وبناء على ذلك فيتكون منها النوعين NPN , PNP.

مقطع في مقحل ثنائي الأقطاب NPN

في عملية التشويب، يتم تطعيم الباعث والمجمع بنفس النوع من الشحنات فإما مادة تعطي إلكترونات لكليهما ورمزها العام N (من كلمة negative)، و إما فجوات إلكترونية موجبة من مادة ناقصة إلكترونات ، لهذا فهي موجبة الشحنة ، ويرمز لها بالرمز p من كلمة positive) .أي أن النوع "إن" تكون فيه أغلبية عاطية للإلكرونات ، وأما النوع "بي" ففيه أغلبية ناقصة إلكترونات ، فهي موجبة الشحنة ، وتسمى فجوة إلكترونية. انتقال الكهرباء فيها يتم بحركة الإلكترونات وحركة الفجوات (شحنات موجبة) . يكون تشويب الباعث بتركيز أكبر لأنه يقوم بعملية بعث و إصدار شحنات بعدد مناسب لكي يعمل المقحل بطريقة عملية.

كذلك تتطلب مجهودا أكبر من مجرد التجميع وكلا الإثنين ذا تركيز أكبر بكثير من تركيز القاعدة، أما تشويب القاعدة فيكون بنوع مخالف لهما لذلك يوجد نوعان من المقاحل ثنائية الأقطاب وهما :

  • مقحل: سالب موجب سالب (npn) ، وهو الأكثر انتشارا وأعلى كفاءة وجودة لأن الإلكترونات أسرع من الفجوات في الحركة،
  • مقحل : موجب سالب موجب (pnp)
وضع السهم دائما بين الباعث والقاعدة

فكرة النبيطة[عدل]

انسياب التيار من الطرف إلى طرف ويبدو جليا تيار الإتحاد recombination

النبيطة عند زرعها في دائرة تكون مسار لتمرير التيار، والميزة أنه سيكون بالمقدرة التحكم في كمية مرور التيار في هذا الفرع من الدائرة عن طريق جهدية القاعدة (فولطية القاعدة بالنسبة لفولطية الجامع)، فيمكن زيادة شدة التيار أو تقليله أو حتى منعه وذلك عن طريق تغيير جهد القاعدة تماما مثل نقطة تفتيش مرورية، لذلك يستعمل في الداوئر كمفتاح فتح وغلق بالإضافة إلى استعماله كمضخم.

فعند تطبيق جهد كهربائي معين على القاعدة تبدأ حاملات الشحنات الأكثرية (الإلكترونات فرضا) الانتقال من الباعث إلى الجامع وأثناء مرورها في القاعدة تأخذ القاعدة جزءا من الإلكترونات المارة وذلك عن طريق اتحاد فجوات القاعدة مع الإلكترونات، ويمر الباقي إلى الجامع.

فالقاعدة تحدد كمية التيار المار بطريقتين :

  • جهديتها التي تحدد أساسا شدة التيار المار.
  • تعمل على تعادل بعض شحنات التيار المار مع ما فيها من فجوات فتخفض شدة التيار.

يمكن التحكم في جهدية القاعدة بيسر بينما تعادل الشحنات الحاصلة تكون خارج السيطرة، لذلك وبغية تقليل الإتحادات تصنع القاعدة كطبقة رقيقة لكي يتجاوزها الإلكترون بسرعة (وصلت هذه المسافة حاليا إلى أقل من 0.5 % من طول النبيطة وأصبح تيار الاتحاد لا يجاوز 2% من المنبعث). وكذلك تقليل تركيز تشويب القاعدة حتى لا تجذب إلا القليل من التيار المنبعث.

تركيبه[عدل]

مقحل ثنائي أقطاب مرتبط بسلكين .

يتكون المقحل ثنائي الأقطاب من ثلاثة طبقات من نوع npn أو pnp . والثلاثة طبقات هي الجامع (C) و القاعدة (B) و الباعث (E) . وهي تقوم مقام صمام ثلاثي في طريقة عملها .

القاعدة تكون رقيقة وتقع بين الباعث والجامع . يختلف تركيز التشويب في الباعث والجامع بحسب وظيفة كل منهما .

ثم أدخلت تعديلات على مقحل ثنائي الأقطاب بحيث أصبح مبنيا من أكثر من ثلاثة طبقات . ولكن الطبقات الإضافية لا تحتوي على توصيلات p-n وإنما تنغمس فيها الثلاثة طبقات ذات تركيزات تشويب مختلفة .

أشكال عــديدة:

التحليل[عدل]

التيار الكلي الساري في المقحل هو عبارة عن تركيبة مكونة من أربع تيارات هم (انظر الشكل):

  1. تيار رئيسي، جزء التيار الرئيسي السالب بين الباعث والجامع
  2. تيار ثانوي، الجزء الموجب من القاعدة إلى الباعث
  3. تيار اتحاد recombination، الجزء السالب المنفصل عن
  4. تيار اتحاد، الجزء الموجب القادم من القاعدة

تكون تيارت تعادل الشحنات recombination ضئيلة القيمة ويمكن تجاهلها ويؤخذ بالحسبان تيار الجامع .

مناطق التشغيل[عدل]

مناطق التشغيل ثلاثة تتغير بحسب تغير جهد الجامع-الباعث في حال ثبات جهد القاعدة-الباعث  : مع العلم أن ( من يبدأ تشغيل المقحل و هو الذي يحدد منطقة التشغيل) انظر الشكل.

  • النشاط

يكون نشطا في حال كان الديود بين الباعث والقاعدة شغال (انزياح أمامي) والذي بين الجامع والقاعدة مطفأ (انزياح عكسي)، وهذا ساري على كلا النوعين (لاحظ الصورة أعلاه) وفي منطقة التشغيل هذه يستعمل كمضخم للتضخيم.

  • التشبع

يكون في وضع التشبع في حال كان كلا الديودين منزاحا للأمام ويستعمل في منطقة التشغيل هذه للعمل كبوابة منطقية وكذلك كمفتاح كهربي.

  • التوقف

تكون الوصلة متعطلة في حال كان كلا الديودين متوقفين ويستعمل كمفتاح كهربائي للفتح والقفل وكل التيارات في هذه المنطقة = صفر.

و هناك منطقة رابعة ذات أهمية هي منطقة التداعي أو الأنهيار وتحطم العازل، ينساب فيها تيار عرمرم في مقابل تغير طفيف في جهدية القاعدة-الباعث.


المنطقة النشطة[عدل]

المقحل لا يعمل كمضخم إلا في منطقة النشاط وهي منطقة أيمّا زاد فيها جهد الجامع-الباعث (جهد الجامع بالنسبة للباعث) فإن التيار لا يعاني تغيرا معتبرا بمعنى أنه يمكن استعماله كمصدر تيار معتمد على قيمة التيار المار في القاعدة فيسمى لأجل ذلك ب مصدر تيار محكوم بالتيار، لتحقيق شروط هذه المنطقة يجب :

وللحصول على أفضل نقطة تشغيل يجب أن يكون الجهد المسلط على القاعدة-الباعث= نصف الجهد المسلط على المجمع-القاعدة.

القوانين الحاكمة[عدل]

القانون الأساسي في المقاحل أن :

=+

تيار الباعث = تيار القاعدة + تيار الجامع

و هناك علاقة بين تيار القاعدة وتيار الجامع وهي :

=B*

حيث B هي كسب القاعدة الجامع وهو عدد ثابت يقارب المائة عادة، بتطبيق هذا القانون نجد أن :

=(1+B)*

و يمكن إيجاد تيار الجامع في منطقة النشاط على النحو التالي.

و بما أن لا تؤثر كثيرا في منطقة النشاط فإن يجوز تجاهلها

دائرة ترانزستور إن بي إن[عدل]

دائرة NPN transistor.

تعمل دائرة الترانزستور إن بي إن بمصدرين كهربائيية ، الأكبر منهما هو المتصل بالمجمع (موجبا ، نحو 12 فولط) . لكي يسير تيار ملحوظ في الترانزستور (1 مللي أمبير مثلا) من C إلى E , فلا بد وأن تكون أعلى من مقدار نحو 650 مللي فولط يسمى "فولطية القطع " cut-in voltage . وهذا يعتمد على درجة الحرارة ونوع الترانزستور وكذلك على جهد انحياز القاعدة ( ).

الجهد يجعل الوصلة السفلى P-N موصلة للتيار ، ويمر تيار إلكترونات من الباعث إلى القاعدة . سيمح المجال الكهربي الموجود بين القاعدة والمجمع (الناشيء من ، سيسمح لمعظم الإلكترونات العبور إلى الوصلة P-N العليا إلى المجمع مشكلا تيار المجمع .

والجزء الباقي من الإكترونات يتحد مع فجوات الموجودة في القاعدة ، متسببا في مرور تيار في القاعدة يسمى "تيار القاعدة" . وكما نرى في الشكل فإن تيار الباعث , هو التيار الكامل للترانزستور حيث أنه مجموع التيارين السابقين , (أي =+).

تمثل الأسهم في الشكل اتجاه التيار المصطلح عليه (من الموجب إلى السالب ، فيكون مسار الإلكترونات يكون معاكسا لمسار التيار) . وتسمى النسبة بين تيار المجمع إلى تيار القاعدة " كسب التيار" DC current gain. هذا الكسب قد يبلغ 100 أو أكثر .

فإذا دخلت إشارة في القاعدة من الخارج يكون لها تأثير كبير على تيار المجمع . ويرمز للكسب عادة بالرمز .[1]

ويتغير تيار الباعث تغيرا آسيا بتغير جهد القاعدة (وهذا الجهد يسمى جهد انحياز bias voltage).

عند درجة حرارة الغرفة يتسبب تغير في مقداره 60 مللي فولط في تغير في تيار الباعث يعادل 10 أضعاف. ونظرا لكون تيار القاعدة يكون متناسبا مع تيار المجمع وتيار الباعث تقريبا فإنهما يتغيران بالمثل .

قوانين منطقة التشبع[عدل]

العمل كمضخم[عدل]

لتضخيم إشارة ما باستخدام المقحل ثنائي القطب هناك ثلاثة سبل

بين الموسفت والبي جي تي[عدل]

و هذه النبيطة ثنائية القطب ومعنى ثنائية القطب أي أن الباعث لا يقوم بوظيفة الجامع والعكس صحيح، فلا يقبل التبديل بينهما وإذا حصل فسيعمل الجهاز لكن بشكل غير فعال ومعامل تضخيم ضعيف جدا، فقبل تركيب النبيطة في الدائرة الكهربية يجب التعرف على أجزائها على عكس الموسفت أحادي القطب (المقحل المعدني أحادي القطب) الذي يمكن زرعه في الدائرة على أي وجه كان فالمصب فيه يقوم بعمل المورد والعكس صحيح والسبب عائد لإن يطعمان أثناء عملية التشويب بنفس النوع والتركيز مما يعني أن تشويب الموسفت في المعمل أسهل وبالتالي أرخص، لذا فإن هذه نقطة قوة كبرى تلعب لصالح الموسفت وسبب إضافي لتفوقه على ثنائي القطب في أكثر التطبيقات.

أما زوجي الأقطاب فإنه يفوق الموسفت في خاصية يتيمة وهي الموصلية، فموصليته أكبر من موصلية الموسفت.

التشغيل من خلال القاعدة[عدل]

الشكل (1)

يحتوي الترانزستور على ثلاثة أقطاب؛ اثنين منها تصنع من نفس المادة أما الثالثة فتكون مختلفة والتي عادة ما تكون موجودة في المنتصف وكما هو مبين في الشكل (1). وحيث أن القطع الإلكترونية في العادة تصنع من مادتين متجاورتين مختلفتين وتسميان المادة ذات التركيز الإلكتروني العالي ويرمز لها بـ(n) والمادة ذات التركيز الإلكتروني القليل ويرمز لها بـ(p). فكل قطب من هذه الأقطاب له تسمية مستوحاة من طبيعة عمله، فالقاعدة (Base) عادة ما تكون في المنتصف وهي مصنوعة من المادة المختلفة أما القطبان اللذان على الأطراف المصنوعان من نفس المادة يسميان عادة بالباعِثْ (Emitter) والمُجَمِّعْ (Collector)؛ وذلك بسبب طبيعة حركة الإكترونات فيهما بسبب المحفز الخارجي وعادة ما يكون مصدر جهد ثابت التردد (DC voltage source). فهنا نحن بحاجة إلى مصدرين خارجيين من أجل التحفيز؛ مصدر الجهد المخصص لتحفيز الباعِثْ والقاعدة وعادة تسمى هذه المصادر بأخذ أول حرف من القطب ذي الجهد العالي وأول حرف من القطب ذي الجهد القليل فسيرمز له بـ (VBE) وكذلك مصدر الجهد المحفز ما بين المُجَمِّعْ والقاعدة والذي يرمز له بـ (VCB). 

أما الرمز الإلكتروني للترانزستور فهو موضح كما في الشكل 2 . ومن هنا ولإمكانية ربط هذه القطعة الإلكترونية إلى كل من الدارات الإلكترونية أو حتى الدارات الكهربائية، فلا بد من جعل أحد هذه الأقطاب مشتركاً ما بين المدخل والمخرج لاستكمال الدارة، فإذا جعل الباعِثْ مشتركاً كانت طريقة التشغيل تعتمد على الباعِثْ ويتم ربط مدخل الدارة على القاعدة وربط المخرج على المُجَمِّعْ. ولكلِّ طريقةِ تشغيلٍ خصائصُها الإلكترونية، ففي حالتنا (التشغيل من خلال القاعدة) فإن من أهم مميزات هذه الطريقة هي الحصول على تضخيم الجهد الكهربائي المتردد الداخل من الباعِثْ والخارج المُجَمِّعْ  فقط، حيث أن طريقة التشغيل هذه لا تؤثر على التيار الكهربائي الداخل، وعليه فسيخرج من المُجَمِّعْ  تقريباً كما هو.  أما بالنسبة لعلاقة نوع الترانزستور باتجاه تيار الباعِثْ فسيكون اتجاه تيار الباعث في الترانزستور من نوع npn  للأسفل، في حين أن الترانزستور من نوع pnp يكون اتجاه تيار الباعث فيه للأعلى ، كما هو موضح في الشكل 3 .

أما لفظ القاعدة المشتركة فإنه مشتق من حقيقة أن القاعدة مشتركة بين دارة الإدخال ودارة الإخراج ، حيث يكون طرف القاعدة موصولا بالأرضي (  ground) كما هو موضح بالشكل 4. 

أما دراسة سلوك الترانزستور، فهي تعتمد على طبيعة عمل المواد الإلكترونية المصنوع منها، فالترانزستور يحتوي على ثلاثة أقطاب مصنوعة من مادتين مختلفتين المادة (n) والمادة (p)، وهاتان المادتان عند وضع أحدهما بالقرب من الأخرى، فإن الأيونات الموجبة والأيونات السالبة تنتقل من مادة إلى أخرى لتكون مادة متعادلة في المنتصف ما بينهما. ففي حالتنا هذه فإنه سيتكون لدينا منطقتان متعادلتان واحدة ما بين المُجَمِّعْ والقاعدة، والأخرى ما بين الباعِثْ والقاعدة. ومن هنا يأتي دور مصادر الجهد الخارجية المحفزة وذلك لضمان مرور التيارات الإلكترونية من خلال هذه المناطق المتعادلة. فبما أن القاعدة هي القطب المشترك ما بين دارة الإدخال (دارة الباعِثْ) ودارة الإخراج (دارة المُجَمِّعْ) فإن أية دارة إلكترونية تحتاج إلى وصفين بيانيين يبينان علاقة مصدر الجهد المحفز لمرور تيار القاعدة في دارة الباعِثْ وعلاقة هذا التيار مع تيار المُجَمِّعْ.  

الشكل 5 يمثل الوصف البياني لدراسة سلوك دارة الإدخال في الترانزستور الموصول بطريقة القاعدة المشتركة، والمدخلات هنا هي تيار الباعِثْ (IE)حيث أنه هو التيار الذي تتغير قيمة تيار المُجَمِّعْ (IC) وفقاً له، بعبارة أخرى تيار الباعِثْ هنا هو الذي يقود تيار المُجَمِّعْ ويتحكم به. وهذا الحال ينطبق على الترانزستور الموصول بطريقة القاعدة المشتركة فقط، حيث أنه في التوصيلات الأخرى للترانزستور مثل توصيل الترانزستور بطريقة الباعِثْ المشترك أو غيرها تختلف تسمية التيار الذي يقود التيار الآخر. فلضمان مرور تيار الباعِثْ يجب أن تكون قيمة مصدر الجهد الخارجي المحفز ما بين الباعِثْ والقاعدة أعلى من الجهد الداخلي للمنطقة المتعادلة والمتكونة طبيعياً بسبب حركة الأيونات. ومن هنا نستطيع أن نجزم أن مقدار الجهد الداخلي للمنطقة المتعادلة تقريبا 0.6 فولت حيث إننا نرى بأن التيار الكهربائي للباعِثْ بدأ بالمرور بعد هذه القيمة. ومن هذا التيار نستطيع معرفة قيمة التيار المُجَمِّعْ الناتج والمولد لمصدر الجهد الخارجي ما بين المُجَمِّعْ والقاعدة.  

و يمثل الشكل  6 الوصف البياني  لدراسة سلوك دارة الإخراج في الترانزستور الموصول بطريقة القاعدة المشتركة، وعلاقة قيمة تيار الباعِثْ (IE) بقيمة تيار المُجَمِّعْ (IC) وفقاً له، فلكل قيمة من تيار الباعِثْ يتكون رسم بياني مختلف لعلاقته بتيار المُجَمِّعْ وبمصدر الجهد المحفز الخارجي ما بين المُجَمِّعْ والقاعدة. ويمكن تقسيم هذه الدارة إلى ثلاثة أقسام؛ المنطقة النشطة (Active )، المنطقة المشبعة (Saturation) ومنطقة القطع (Cut off).

ففي المنطقة النشطة (Active region) يجب أن يكون فرق الجهد بين القاعدة والباعث ( Vbe ) في حالة أكبر من قيمة جهد المنطقة المتعادلة ما بين الباعِثْ والقاعدة وتسمى بـ (Forward bias)، أما فرق الجهد بين القاعدة و المُجَمِّعْ ( Vbc ) فستكون قيمته إما أقل من قيمة جهد المنطقة المتعادلة أو أنها ذات جهد سالب وتسمى بـ ( Reverse – bias). وتستخدم هذه المنطقة لتشغيل الترانزستور في حالة التضخيم (Amplifier) (سواء لتضخيم الجهد أو لتضخيم التيار). أما منطقة القطع (Cutoff region) فستكون قيمة كِلا المصدرين الخارجيين أقل من قيمة جهد المنطقتين المتعادلتين أو أنهما ذواتي قيمة سالبة فستكون كلا المنطقتين في حالة (Reverse – bias). وأخيراً منطقة الإشباع فستكون قيمة كِلا المصدرين الخارجيين أعلى من قيمة جهد المنطقتين المتعادلتين فستكون كلا المنطقتين في حالة (Forward – bias)؛ ويتم تشغيل الترانزستور في منطقة الإشباع ومنطقة القطع للحصول على تشغيله في حالة المفتاح الإلكتروني (Switch). 

انظر أيضا[عدل]

مراجع[عدل]

  1. ^  باول هوروفيتس  [لغات أخرى] and Winfield Hill (1989). The Art of Electronics (الطبعة 2nd). Cambridge University Press. صفحات 62–66. ISBN 978-0-521-37095-0.