واژه‌شناسی، تعریف، ساختار، عملکرد، انواع و کاربردهای ترانزیستور پیوند دو قطبی (BJT) – علیرضا محمودی فرد

طبق گزارش فرا اقتصاد بین الملل، یکی از قطعات مشهور مدارهای الکترونیکی، قطعه‌ای است تحت‌عنوان ترانزیستور BJT (یا تزانزیستور پیوند دو قطبی) که در مدارهای الکترونیکی که در واقع با برق DC کار می‌کنند، بسیار پرکاربرد است.

مقدمه

ترانزیستور پیوند دو قطبی، المانی مهم و پرکاربرد است که تاکنون در مدارهای زیادی از آن استفاده شده است. در این یادداشت مقصود پرداختن به واژه، تعریف، عملکرد، ساختار، انواع و کاربردهای این قطعه الکترونیکی است.

واژه‌شناسی

ترانزیستور پیوند دو قطبی (Bipolar Junction Transistor) که به‌اختصار آن را به‌صورت BJT عنوان می‌کنند، از انواع مهم ترانزیستورهاست که کاربردهای زیادی در مدارها داشته است. واژه Bipolar به‌معنی دوقطبی است؛ Junction معنی پیوند را داده و کلمه Transistor نیز که کلمه‌ای اختصاصی و ترکیبی است، معنای قطعه‌ی ترانزیستور که در حقیقت، سوئیچ الکترونیکی سریع یا انتقال‌دهنده مقاومت است، را می‌دهد.

تعریف BJT

ترانزیستور پیوند دو قطبی یا BJT یکی از قطعات پرکاربرد و اجزای اصلی در مدارهای الکترونیکی است که از سه ناحیه نیمه‌هادی تشکیل شده و دارای دو پیوند p-n می‌باشد. به‌طور کلی ترانزیستور، مهم‌ترین قطعه‌ی الکترونیکی، مهم‌ترین قطعه در تاریخ برق و متحول‌کننده‌ترین قطعه‌ای است که در تاریخ صنایع جهان، طراحی شده است؛ به‌طوری‌که برخی دوران تکنولوژی را به قبل و بعد از اختراع ترانزیستور تقسیم می‌کنند؛ زیرا با اختراع ترانزیستور بود که بردهای الکترنیکی، دستگاه‌های الکترونیکی همچون پی‌سی، موبایل، تبلت، لپ‌تاپ و … و قطعات الکترونیکی دیگر همچون ICها، چیپ‌های الکترونیکی، حافظه‌ها، پردازنده‌ها و … نیز ابداع شدند و امروزه کل صنایع دنیا وابسته به دستگاه‌های الکترونیکی علی‌الخصوص سیستم‌های کامپیوتری است.

انواع

BJTها به‌طور عمده در دو نوع NPN و PNP طراحی می‌شوند و می‌توانند به‌عنوان تقویت‌کننده یا سوئیچ سریع عمل کنند.

ساختار

ساختار BJT شامل سه لایه نیمه‌هادی است که به‌صورت زیر چیده شده‌اند:

NPN: شامل یک ناحیه n به‌عنوان امیتر، یک ناحیه p به‌عنوان بیس و یک ناحیه n به‌عنوان کلکتور.

PNP: شامل یک ناحیه p به‌عنوان امیتر، یک ناحیه n به‌عنوان بیس و یک ناحیه p به‌عنوان کلکتور.

عملکرد BJT

BJT سه حالت یا ناحیه عملکردی دارد:

حالت فعال (Active Region): در این حالت، امیتر به پایانه مثبت و بیس به پایانه منفی ولتاژ، اِعمال می‌شود. جریان جزئی (I_b) از بیس به کلکتور جاری می‌شود و باعث جریان عظیم‌تری (I_c) از امیتر به کلکتور می‌شود. در این حالت از BJT به‌عنوان تقویت‌کننده استفاده می‌شود. نسبت I_c به I_b را به‌عنوان بهره جریان با نماد β یا hFE می‌نامند.

حالت قطع (Cut-off Region): در این حالت، ولتاژ بیس کمتر از آستانه (حدود ۰.۷ ولت برای NPN) است و BJT به‌عنوان یک سوئیچ قطع عمل می‌کند؛ هیچ جریانی از کلکتور به امیتر نمی‌گذرد.

حالت اشباع (Saturation Region): در این حالت، ولتاژ بیس به حدی بالا است که BJT به‌شدت هدایت می‌کند. در این وضعیت، جریان از کلکتور به امیتر به حداکثر خود می‌رسد و BJT مانند یک سوئیچ تمام‌وقت عمل می‌کند.

مزایای BJT

بهره بالا: BJTها دارای بهره جریان بالایی هستند و می‌توانند جریان زیادی را کنترل کنند.

ویژگی تقویت‌کنندگی: با توجه به عملکرد خوب در حالت فعال، BJTها به‌عنوان تقویت‌کننده‌های خوب در مدارهای آنالوگ مورد استفاده قرار می‌گیرند.

پاسخ سریع: BJTها به‌خصوص در فرکانس‌های بالا، پاسخ سریع‌تری دارند و لذا در مدارهای رادیویی و مخابراتی کاربرد دارند.

معایب BJT

گرمای تولیدی: BJTها در مقایسه با FETها معمولاً گرم‌تر عمل می‌کنند و ممکن است نیاز به کنترل دما داشته باشند. گرمای ایجاد شده، می‌تواند به خود آن‌ها و سایر قطعات و بردها، آسیب بزند.

مقاومت ورودی پایین: BJTها دارای مقاومت ورودی پایین‌تری نسبت به FETها هستند و ممکن است بار روی مدارهای دیگر ایجاد کنند.

استحکام حرارتی ضعیف: BJTها در برابر تغییرات دما نسبت به FETها حساس‌تر هستند و ممکن است تحت تأثیر دما، عمل نکنند.

کاربردهای BJT

به‌طور کلی کاربردهای BJT شامل موارد زیر می‌شود:

تقویت‌کننده‌ها: BJTها به‌طور گسترده برای تقویت سیگنال‌ها در مدارهای آنالوگ و صوتی استفاده می‌شوند.

سوییچ‌ها: BJTها در مدارهای دیجیتال و رله‌ها به‌عنوان سوئیچ فعالیت می‌کند.

مدارهای نوسان‌ساز: BJTها در طراحی مدارهای نوسان‌ساز و اسیلاتورها به‌خوبی عمل می‌کنند.

مدارهای رادیویی: BJTها در تقویت‌کننده‌های RF و دیگر کاربردهای مخابراتی معمولاً استفاده می‌شوند.

جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

ترانزیستور پیوند دو قطبی به‌عنوان یکی از ابزارهای کلیدی در علم و صنعت الکترونیک شناخته می‌شود. با درک عمیق از ساختار، عملکرد و کاربردهای BJT، مهندسان و طراحان می‌توانند از این قطعه برای توسعه و بهینه‌سازی مدارهای مختلف بهره‌برداری کنند. پیشرفت‌های جدید در فناوری و طراحی BJTها همواره در حال تداوم است و به نوآوری‌های جدید در صنایع الکترونیکی کمک می‌کند. به‌طور کلی ترانزیستورها قطعاتی هستند که سرعت و میزان پیشرفت تکنولوژی دنیا را مشخص می‌کنند، هر قدر ترانزیستورها پیشرفته‌تر می‌شوند، تکنولوژی دنیا نیز پیشرفت کرده و فناوری‌ها و دستگاه‌های جدیدتر و با قابلیت‌های بیشتری ساخته می‌شوند.

با نگارش: علیرضا محمودی فرد – مدرس آزمایشگاه مدارهای الکترونیکی در دانشگاه و کارشناس تحقیق و توسعه شرکت فنی و مهندسی آریا اندیشه صنعت اکسین