ترانزیستور دو قطبی یا ترانزیستور پیوندی دوقطبی (Bipolar Junction Transistor) که به اختصار به آن BJT می‌گویند، یکی از المان‌های نیمه‌هادی می‌باشد که از آن می‌توان به عنوان سوییچ یا تقویت‌کننده استفاده نمود .
در بخش دیودها گفته شد که دیودهای معمولی از دو بخش نیمه‌رسانا ساخته شده‌اند که یک پیوند PN را تشکیل می‌دهند و همچنین به مشخصات و ویژگی‌های هر کدام از دیودها به صورت جداگانه پرداخته شد. .
اگر دو دیود به صورت سری به یکدیگر متصل شوند به طوری که ترمینال مثبت P مشترک و ترمینال منفی N مشترک داشته باشند، المانی به وجود می‌آید که دارای ۳ لایه ، دو پیوند و ۳ ترمینال یا پایه است که این المان ترانزیستور پیوندی دو قطبی یا به اختصار BJT نام دارد .
ترانزیستور ها در زمره المان‌های اکتیو قرار می‌گیرند که از نیمه‌رساناهای متفاوتی ساخته شده‌اند که می‌توانند با اعمال ولتاژ یا به صورت عایق و یا به صورت رسانا عمل کنند. قابلیت ترانزیستور برای رفتن به هر یک از این دو حالت آن را قادر میکند که ۲ عملکرد پایه داشته باشد :
۱) به عنوان کلید ( در شاخه دیجیتال الکترونیک )
۲) به عنوان تقویت‌کننده ( در شاخه آنالوگ )
ترانزیستورهای دو قطبی قابلیت فعالیت در ۳ ناحیه را دارا می‌باشند :
ناحیه فعال (Active Region) :
ترانزیستور به عنوان تقویت کننده عمل می کند و :
ناحیه اشباع (Saturation Region) :
ترانزیستور روشن است و به صورت کلید عمل میکند و :
ناحیه قطع (Cut-off Region) :
ترانزیستور خاموش است و به صورت کلید عمل میکند .
کلمه ترانزیستور ترکیبی از دو لغت Transfer به معنای انتقال و Varistor به معنای مقاومت وابسته به ولتاژ است که کاملاً نشان می‌دهند اولین کاربرد ترانزیستور به چه صورت است. ترانزیستورهای دو قطبی به دو دسته NPN و PNP تقسیم می‌شوند که در اصل نحوه چیدمان نیمه رساناهای نوع P و نوع N را در کنار یکدیگر نشان می‌دهد .
ساختار پایه ترانزیستورهای دو قطبی به صورت دو پیوند PN می‌باشد که ۳ ترمینال به وجود می‌آورد که هر ترمینال نام مختص به خودش را داراست تا از دیگر ترمینال ها متمایز شود نام این ترمینال یا پایه‌ها به شرح زیر می‌باشد :
امیتر (Emitter) (E)
بیس (Base) (B)
کلکتور (Collector) (C)
ترانزیستورهای دو قطبی از دسته المان های تنظیم‌کننده جریان محسوب می‌شوند که می‌توانند جریانی که از امیتر به کلکتور می‌رود را نسبت به ولتاژ بایاس که به ترمینال بیس شان اعمال می‌شود کنترل کنند هنگامی که یک جریان ضعیف وارد بیس می‌شود در کلکتور جریان فوق‌العاده زیادتری نسبت به ورودی ساخته می‌شود که عملکرد پایه ترازیستور به عنوان تقویت کننده را نشان می‌دهد .
اصول عملکرد ترانزیستور PNP و NPN دقیقاً شبیه به یکدیگر است و تنها تفاوت در پلاریته ولتاژ بایاس می‌باشد .
ساختار ترانزیستور دو قطبی
ساختار و شکل شماتیک هر دو ترانزیستور PNP و NPN در تصویر بالا نشان داده شده است. فلشی که در شکل شماتیک وجود دارد همیشه جهت جریان قراردادی بین ترمینال بیس و امیتر را نشان می‌دهد. به عبارتی دیگر جهت فلش همواره از ناحیه مثبت یا P به سمت ناحیه منفی یا N می‌باشد ( در هر دو ترانزیستور جریان همواره از نیمه رسانای نوع P به سمت نیمه رسانای نوع N حرکت میکند ).
نحوه قرارگیری ترانزیستور در مدار
ترانزیستور دو قطبی دارای ۳ پایه است و ۳ راه برای اتصال آن به یک مدار وجود دارد که همیشه یک ترمینال بین سیگنال ورودی و خروجی مشترک می‌باشد هر کدام از متدهای اتصال به صورتی کاملاً متفاوت به سیگنال ورودی پاسخ می‌دهد چرا که مشخصات ترانزیستور وابسته به متد اتصال تغییر میکند :
ــ اتصال بیس مشترک (Common Base Configuration): ولتاژ تقویت خواهد شد اما تقویت جریان رخ نخواهد داد.
ــ اتصال امیتر مشترک (Common Emitter Configuration) : تقویت ولتاژ و جریان به صورت همزمان رخ می‌دهد.
ــ اتصال کلکتور مشترک (Common Collector Configuration) : تقویت جریان موجود خواهد بود اما ولتاژ تقویت نمی‌شود.
حالت بیس مشترک (CB)
همان‌طور که از نام آن پیداست، بیس بین سیگنال ورودی و خروجی مشترک است یا به عبارتی دیگر بیس ترانزیستور به عنوان زمین مدار انتخاب شده سیگنال ورودی بین ترمینال امیتر و بیس اعمال می‌شود و سیگنال خروجی از ترمینال بیس و کلکتور گرفته می‌شود البته بیس می‌تواند یا زمین شود و یا به یک ولتاژ مرجع ثابت متصل شود .
جریان ورودی که وارد امیتر می‌شود جریان نسبتاً زیادی است که مجموع جریان بیس و کلکتور می‌باشد. بنابراین جریان خروجی کلکتور کمتر از جریان ورودی امیتر می‌باشد. در نتیجه جریان خروجی مدار نسبت به جریان ورودی آن کاهش می‌یابد و بهره جریان وجود ندارد.
مدار ترانزیستور بیس مشترک
در این مدار ولتاژ بدون معکوس شدن پلاریته تقویت خواهد شد، به عبارتی دیگر ولتاژ ورودی و خروجی هم فاز می‌باشند. این شیوه مداربندی چندان مرسوم نیست چرا که ولتاژ به طرز فوق‌العاده زیادی که معمولاً مطلوب نیست تقویت می‌شود. مشخصات ورودی همانند مشخصات یک دیود بایاس مستقیم است و مشخصات خروجی ، مشخصات یک فتودیود در حالت روشن را شبیه‌سازی میکند .
همچنین این مدار بندی نرخ مقاومت خروجی به ورودی بالایی دارد یا به عبارتی دیگر نسبت مقاومت بار RL به مقاومت ورودی Rin به حدی است که بهره مقاومت به وجود می‌آید. بنابراین بهره ولتاژ AV برای یک مدار بیس مشترک به صورت زیر است :
بهره یا گین (Gain) مدار بیس مشترک
IC/IE میزان بهره جریان را نشان می‌دهد و α یا RL/Rin بهره مقاومت است.
به طور کلی مدار بیس مشترک تنها در تقویت‌کننده‌های تک مرحله‌ای مانند میکروفون یا تقویت‌کننده‌های فرکانس رادیویی (RF) کاربرد دارد چرا که در فرکانس های بالا خیلی خوب جواب می‌دهد.
حالت امیتر مشترک (CE)
در حالت امیتر مشترک، امیتر به عنوان زمین مدار انتخاب می‌شود. سیگنال ورودی بین بیس و امیتر اعمال می‌شود درحالیکه سیگنال خروجی از کلکتور و امیتر گرفته می‌شود. این روش مداربندی، یکی از مرسوم ترین روش‌های مداربندی تقویت‌کننده‌های ترانزیستوری است و معمولاً از این روش استفاده می‌شود .
مداربندی به شیوه امیتر مشترک بالاترین بهره جریان و توان را در بین ۳ نوع مداربندی ترانزیستورهای دو قطبی دارد چرا که در این حالت امپدانس ورودی (Input Impedance) به دلیل اتصال به یک پیوند بایاس مستقیم PN پایین است، درحالیکه امپدانس خروجی بالاست چرا که یک پیوند PN بایاس معکوس در مسیر وجود دارد .
مدار تقویت کننده امیتر مشترک
در این مدار جریان خروجی ترانزیستور با جریان ورودی برابر است چرا که معادله زیر صادق می‌باشد :
مقاومت بار RL به صورت سری به کلکتور متصل می‌شود بهره جریان مدار امیتر مشترک تقریباً بالاست و از تقسیم IC بر Ib به دست می‌آید که به آن نماد β اختصاص داده شده :
همان‌طور که پیش از این گفته شد جریان امیتر در مدار امیتر مشترک به صورت Ie=IC+Ib محاسبه می‌شود و از آن جایی که IC/IE ، آلفا (α) نامیده شده مقدار α همیشه از β کمتر خواهد بود .
از آن جایی که رابطه ی الکتریکی بین ۳ جریان بیس ، امیتر و کلکتور همیشه توسط ساختار فیزیکی ترانزیستور تعریف می‌شود کوچک‌ترین تغییری در جریان بیس Ib باعث ایجاد تغییرات فوق‌العاده زیادی در جریان کلکتور IC خواهد شد .
بنابراین تغییر ناچیز در جریانی که از بیس عبور میکند باعث تغییرات جریان در مدار امیتر ــ کلکتور خواهد شد برای ترانزیستورهای معمولی ضریب β بین ۲۰ تا ۲۰۰ تغییر میکند بنابراین اگر ضریب β یک ترانزیستور ۱۰۰ باشد ، به ازای هر یک الکترونی که از ترمینال بیس عبور میکند ۱۰۰ الکترون بین ترمینال امیتر و کلکتور جابه جا خواهد شد .
با در نظر گرفتن ضریب β و α معادلات ریاضی حاکم بر آن‌ها به صورت زیر خواهد بود و متعاقباً بهره جریان یک ترانزیستور می‌تواند به صورت زیر نیز محاسبه گردد :
معادلات ریاضی حاکم بر ترانزیستور با در نظر گرفتن اینکه IC جریانی است که از کلکتور می‌گذرد و Ib و Ie نیز جریان هایی هستند که به ترتیب از ترمینال بیس و امیتر عبور خواهند کرد .
اگر بخواهیم مطالبی که در بالا مطرح شد را خلاصه کنیم مداربندی مدار امیتر مشترک ، امپدانس ورودی بیشتری نسبت به مدار بیس مشترک دارد همچنین بهره جریان و توان نسبت به مدار بیس مشترک بیشتر است اما بهره ولتاژ فوق‌العاده پایین‌تری دارد گفتنی است مدار امیتر مشترک یک تقویت کننده معکوس می‌باشد به این معنا که سیگنال خروجی با سیگنال ورودی ۱۸۰ درجه اختلاف فاز دارد .
حالت کلکتور مشترک (cc)
در مدار کلکتور مشترک، کلکتور به زمین اتصال می‌یابد و بین سیگنال ورودی و خروجی ترمینال مشترک است. سیگنال ورودی به پایه‌های بیس و کلکتور اعمال می‌شود و سیگنال خروجی از کلکتور و مقاومت باری که به پایه امیتر متصل شده گرفته خواهد شد. نام دیگر این مداربندی، دنبال کننده ولتاژ ( Voltage follower) یا مدار دنبال کننده امیتر (Emitter follower) می‌باشد.
مدار کلکتور مشترک برای کاربردهای تطبیق امپدانس فوق‌العاده مناسب است چرا که امپدانس ورودی بالایی بین چند صد تا هزاران اهم دارد اما امپدانس خروجی تقریباً پایین است.
مدار کلکتور مشترک
در مدار امیتر مشترک بهره جریان برابر با ضریب β ترانزیستور بود. اما در مدار کلکتور مشترک مقاومت بار به صورت سری به ترمینال امیتر متصل می‌شود، بنابراین جریان عبوری از مقاومت بار برابر با جریان امیتر خواهد بود.
از آن جایی که جریان امیتر مجموع جریان کلکتور و بیس است، این جریان به مقاومتی که به صورت سری به امیتر بسته شده نیز اعمال خواهد شد. بنابراین بهره جریان این مداربندی به صورت زیر محاسبه می‌شود :
بهره جریان کلکتور مشترک
در این نوع مداربندی ولتاژ خروجی و ورودی با یکدیگر هم فاز می‌باشند و بهره ولتاژ تقریبا برابر با عدد یک است. به عبارتی دیگر در این مدار تقویت یا تضعیف ولتاژ رخ نخواهد داد و ولتاژ خروجی با ولتاژ ورودی برابر و هم فاز می‌باشد و به همین دلیل است که به آن مدار دنبال کننده ولتاژ گفته می‌شود .
حال که مداربندی های مختلف ترانزیستورهای دو قطبی را از نظر گذراندیم می‌توان روابط حاکم بر آن‌ها را در حالیکه جریان DC مجزایی از هر کدام از ترمینال ها عبور میکند به صورت زیر خلاصه سازی کرد همچنین بهره جریان DC در جدول نشان داده شده است .
روابط بین جریان های DC و بهره
فراموش نکنید روابطی که بر ترانزیستور دو قطبی NPN صادق است در مورد ترانزیستور PNP نیز صدق میکند. تنها تفاوت : پلاریته ولتاژ‌ها و جهت جریان‌ها می‌باشد .
خلاصه مطالب ترانزیستورهای دو قطبی
همان‌طور که دیدید رفتار ترانزیستور دو قطبی در مداربندی‌های مختلف تفاوت دارد و مشخصات متفاوتی را نیز در مدار به وجود می‌آورد ( امپدانس ورودی، خروجی و بهره جریان، ولتاژ و توان در هر مداربندی تغییر میکند ) که در جدول زیر خلاصه سازی شده است :
مداربندی های مختلف ترانزیستورهای دو قطبی
کلکتور مشترک | امیتر مشترک | بیس مشترک | مشخصات |
بالا | متوسط | پایین | امپدانس ورودی |
پایین | بالا | خیلی بالا | امپدانس خروجی |
0 | 180 | 0 | تغییر فاز |
پایین | متوسط | بالا | بهره ولتاژ |
بالا | متوسط | پایین | بهره جریان |
متوسط | خیلی بالا | پایین | بهره توان |
در مقاله بعدی با جزئیات بیشتر به بررسی ترانزیستور NPN خواهیم پرداخت و مداربندی امیتر مشترک که در‌آن ترانزیستور به عنوان یک تقویت کننده ولتاژ و جریان به کار می‌رود را به طور کامل توضیح خواهیم داد. علاوه بر این منحنی مشخصه خروجی مدارات تقویت کننده را به تصویر خواهیم کشید این نوع منحنی مشخصه تابعی از جریان کلکتور به جریان بیس خواهد بود .
