ناقل ثنائي القطب

الترانزستور ثنائي القطب (BJT)

حزم BJT الفردية النموذجية. من أعلى إلى أسفل: TO-3 ، TO-126 ، TO-92 ، SOT-23
مبدأ العمل	أشباه الموصلات
اخترع	ديسمبر 1947
تكوين دبوس	جامع ، قاعدة ، باعث
رمز الكتروني
الرموز التخطيطية BJTs PNP و NPN

الترانزستور ثنائي القطب ( BJT ) هو نوع من الترانزستور يستخدم كلاً من الإلكترونات وثقوب الإلكترون كحاملات شحنة . في المقابل ، يستخدم الترانزستور أحادي القطب ، مثل ترانزستور التأثير الميداني ، نوعًا واحدًا فقط من حامل الشحنة. يسمح الترانزستور ثنائي القطب بحقن تيار صغير في أحد أطرافه للتحكم في تيار أكبر بكثير يتدفق بين المحطات ، مما يجعل الجهاز قادرًا على التضخيم أو التبديل .

تستخدم BJTs اثنين من تقاطعات p-n بين نوعين من أشباه الموصلات ، النوع n والنوع p ، وهما مناطق في بلورة واحدة من المادة. يمكن عمل الوصلات بعدة طرق مختلفة ، مثل تغيير منشطات مادة أشباه الموصلات أثناء نموها ، عن طريق ترسيب الكريات المعدنية لتشكيل تقاطعات سبيكة ، أو عن طريق طرق مثل نشر مواد المنشطات من النوع n والنوع p إلى البلورة. أدت القدرة على التنبؤ الفائقة وأداء ترانزستورات الوصلات إلى إزاحة ترانزستور نقطة التلامس الأصلي بسرعة . الترانزستورات المنتشرة ، إلى جانب المكونات الأخرى ، هي عناصر الدوائر المتكاملةللوظائف التناظرية والرقمية. يمكن صنع مئات من ترانزستورات الوصلات ثنائية القطب في دائرة واحدة بتكلفة منخفضة جدًا.

كانت الدوائر المتكاملة للترانزستور ثنائي القطب هي الأجهزة النشطة الرئيسية لجيل من الحواسيب المركزية والحواسيب الصغيرة ، لكن معظم أنظمة الكمبيوتر تستخدم الآن دوائر CMOS المتكاملة التي تعتمد على الترانزستورات ذات التأثير الميداني . لا يزال يتم استخدام الترانزستورات ثنائية القطب لتضخيم الإشارات والتبديل وفي الدوائر المتكاملة للإشارة المختلطة باستخدام BiCMOS . تستخدم الأنواع المتخصصة لمفاتيح الجهد العالي ، أو لمضخمات التردد الراديوي ، أو لتبديل التيارات العالية.

اصطلاحات الاتجاه الحالي

حسب الاصطلاح ، يظهر اتجاه التيار على المخططات على أنه الاتجاه الذي ستتحرك فيه الشحنة الموجبة. هذا يسمى التيار التقليدي . ومع ذلك ، فإن التيار في الموصلات المعدنية يكون بشكل عام ^[أ] بسبب تدفق الإلكترونات. نظرًا لأن الإلكترونات تحمل شحنة سالبة ، فإنها تتحرك في الاتجاه المعاكس للتيار التقليدي. من ناحية أخرى ، داخل الترانزستور ثنائي القطب ، يمكن أن تتكون التيارات من ثقوب موجبة الشحنة وإلكترونات سالبة الشحنة. في هذه المقالة ، تظهر الأسهم الحالية في الاتجاه التقليدي ، لكن تسميات حركة الثقوب والإلكترونات تظهر اتجاهها الفعلي داخل الترانزستور.

اتجاه السهم

يشير السهم الموجود على رمز الترانزستورات ثنائية القطب إلى تقاطع p-n بين القاعدة والباعث ويشير إلى الاتجاه الذي ينتقل فيه التيار التقليدي .

الوظيفة

توجد BJTs كأنواع PNP و NPN ، بناءً على أنواع المنشطات للمناطق الطرفية الرئيسية الثلاثة. يتكون ترانزستور NPN من اثنين من تقاطعات أشباه الموصلات التي تشترك في منطقة p-doped رفيعة ، ويشتمل ترانزستور PNP على اثنين من تقاطعات أشباه الموصلات التي تشترك في منطقة n-doped رفيعة. النوع N يعني مخدر بالشوائب (مثل الفوسفور أو الزرنيخ ) التي توفر إلكترونات متحركة ، بينما النوع p يعني مخدر بالشوائب (مثل البورون ) التي توفر ثقوبًا تقبل الإلكترونات بسهولة .

يرجع تدفق الشحنات في BJT إلى انتشار حاملات الشحنة (الإلكترونات والثقوب) عبر تقاطع بين منطقتين مختلفتين بتركيز حامل الشحنة. تسمى مناطق BJT الباعث والقاعدة والمجمع . ^[ب] يحتوي الترانزستور المنفصل على ثلاثة خيوط للاتصال بهذه المناطق. عادةً ما تكون منطقة الباعث مخدرة بشدة مقارنة بالطبقتين الأخريين ، ويتم تخدير المجمع بشكل أخف (عادةً أخف بعشر مرات ^[2] ) من القاعدة. حسب التصميم ، يرجع معظم تيار المجمع BJT إلى تدفق ناقلات الشحنة المحقونة من باعث مخدر بشدة إلى القاعدة حيث تكونناقلات الأقلية (الإلكترونات في NPNs ، الثقوب في PNPs) التي تنتشر نحو المجمع ، لذلك يتم تصنيف BJTs كأجهزة حاملة للأقلية .

في العملية النموذجية ، يكون مفترق القاعدة-الباعث متحيزًا للأمام ، مما يعني أن الجانب المشوب من التقاطع يكون أكثر إيجابية من الجانب n-doped ، وأن تقاطع القاعدة-المجمع منحازًا عكسيًا . عند تطبيق التحيز الأمامي على تقاطع القاعدة والباعث ، فإن التوازن بين الموجات الحاملة المتولدة حراريًا والمجال الكهربائي الطارد لمنطقة استنفاد الباعث يكون مضطربًا. هذا يسمح للحاملات المثارة حرارياً (الإلكترونات في NPNs ، الثقوب في PNPs) بالحقن من الباعث إلى منطقة القاعدة. هذه الناقلات تخلق تيار انتشارمن خلال القاعدة من منطقة التركيز العالي بالقرب من الباعث باتجاه منطقة التركيز المنخفض بالقرب من المجمع.

لتقليل جزء الحاملات التي تتحد قبل الوصول إلى تقاطع القاعدة والمجمع ، يجب أن تكون منطقة قاعدة الترانزستور رقيقة بما يكفي بحيث يمكن للحوامل أن تنتشر عبرها في وقت أقل بكثير من عمر حامل الأقلية لأشباه الموصلات. يضمن وجود قاعدة مخدرة قليلاً أن تكون معدلات إعادة التركيب منخفضة. على وجه الخصوص ، يجب أن يكون سمك القاعدة أقل بكثير من طول انتشار المواد الحاملة. يكون تقاطع المجمع - القاعدة متحيزًا عكسيًا ، وبالتالي يحدث حقن ناقل مهمل من المجمع إلى القاعدة ، ولكن الحاملات التي يتم حقنها في القاعدة من الباعث ، وتنتشر للوصول إلى منطقة استنفاد قاعدة التجميع ، يتم اجتياحها في جامع بواسطة المجال الكهربائي في منطقة النضوب. النحافة المشتركةإن المنشطات القاعدية وغير المتماثلة - الباعث هي ما يميز الترانزستور ثنائي القطب عن اثنين من الثنائيات المنفصلة المتصلة في سلسلة.

التحكم في الجهد والتيار والشحن

يمكن النظر إلى تيار المجمع - الباعث على أنه يتم التحكم فيه بواسطة تيار القاعدة - الباعث (التحكم الحالي) ، أو جهد القاعدة - الباعث (التحكم في الجهد). ترتبط هذه الآراء بالعلاقة بين التيار والجهد لتقاطع القاعدة والباعث ، وهو المنحنى الأسي المعتاد للتيار والجهد لتقاطع p-n (الصمام الثنائي). ^[3]

تفسير تيار المجمع هو تدرج تركيز ناقلات الأقلية في منطقة القاعدة. ^{[3] [4] [5]} بسبب الحقن منخفض المستوى (حيث يوجد عدد أقل بكثير من الناقلات الزائدة عن ناقلات الأغلبية العادية) تكون معدلات النقل ثنائي القطب (حيث تتدفق ناقلات الأغلبية والأقلية الزائدة بنفس المعدل) في التأثير الذي تحدده ناقلات الأقلية الزائدة.

نماذج الترانزستور التفصيلية لعمل الترانزستور ، مثل نموذج Gummel – Poon ، تفسر توزيع هذه الشحنة بشكل صريح لشرح سلوك الترانزستور بشكل أكثر دقة. ^[6] يتعامل عرض التحكم في الشحنة بسهولة مع الترانزستورات الضوئية ، حيث يتم إنشاء ناقلات الأقلية في منطقة القاعدة عن طريق امتصاص الفوتونات ، ويتعامل مع ديناميكيات إيقاف التشغيل ، أو وقت الاسترداد ، والذي يعتمد على الشحن في منطقة القاعدة التي يتم إعادة توحيدها. ومع ذلك ، نظرًا لأن الشحنة الأساسية ليست إشارة مرئية عند المحطات ، فإن عروض التحكم في التيار والجهد تستخدم بشكل عام في تصميم وتحليل الدائرة.

في تصميم الدوائر التناظرية ، يتم استخدام عرض التحكم الحالي أحيانًا لأنه خطي تقريبًا. أي أن تيار المجمع تقريبًا${\displaystyle \beta _{\text{F}}}$مرات القاعدة الحالية. يمكن تصميم بعض الدوائر الأساسية بافتراض أن جهد القاعدة - الباعث ثابت تقريبًا وأن تيار المجمع يساوي β أضعاف تيار القاعدة. ومع ذلك ، لتصميم دوائر إنتاج BJT بدقة وموثوقية ، فإن نموذج التحكم في الجهد (على سبيل المثال ، Ebers-Moll ) مطلوب. ^[3] يتطلب نموذج التحكم في الجهد وظيفة أسية يجب أن تؤخذ في الاعتبار ، ولكن عندما تكون خطية بحيث يمكن نمذجة الترانزستور على أنه ناقل موصل ، كما هو الحال في نموذج Ebers- Moll ، فإن تصميم الدوائر مثل مكبرات الصوت التفاضلية مرة أخرى تصبح مشكلة خطية في الغالب ، لذلك غالبًا ما يفضل عرض التحكم في الجهد. للدوائر الخطية، حيث يكون المنحنى الأسي I-V مفتاحًا للعملية ، عادةً ما يتم تصميم الترانزستورات كمصادر تيار يتم التحكم فيها بالجهد والتي يتناسب ناقلها الترانزستوري مع تيار المجمع الخاص بها . بشكل عام ، يتم إجراء تحليل الدائرة على مستوى الترانزستور باستخدام سبايس أو محاكي دارة تناظرية مماثل ، لذلك لا يمثل تعقيد النموذج الرياضي عادةً مصدر قلق كبير للمصمم ، ولكن النظرة المبسطة للخصائص تسمح بإنشاء التصميمات باتباع عملية منطقية .

تشغيل وإيقاف وتأخير التخزين

تتمتع الترانزستورات ثنائية القطب ، وخاصة ترانزستورات الطاقة ، بأوقات تخزين قاعدية طويلة عندما يتم دفعها إلى التشبع ؛ يحد التخزين الأساسي من وقت إيقاف التشغيل في تبديل التطبيقات. يمكن أن يمنع مشبك بيكر الترانزستور من التشبع الشديد ، مما يقلل من كمية الشحن المخزنة في القاعدة وبالتالي يحسن وقت التبديل.

خصائص الترانزستور: ألفا ( α وبيتا ( ) عدل

تعد نسبة الناقلات القادرة على عبور القاعدة والوصول إلى المجمع مقياسًا لكفاءة BJT. يؤدي التنشيط الثقيل لمنطقة الباعث والتشويب الخفيف للمنطقة الأساسية إلى حقن عدد أكبر من الإلكترونات من الباعث في القاعدة مقارنة بالثقوب التي يتم حقنها من القاعدة إلى الباعث. تعني منطقة القاعدة الرفيعة والمخدرة بخفة أن معظم ناقلات الأقلية التي يتم حقنها في القاعدة ستنتشر في المجمع ولن يتم إعادة تجميعها.

يتم تمثيل الكسب الحالي للباعث المشترك بواسطة β _F أو المعلمة h h _FE ؛ إنها تقريبًا نسبة تيار مجمع التيار المستمر إلى تيار قاعدة التيار المستمر في المنطقة النشطة إلى الأمام. (يتم استخدام الرمز F للإشارة إلى وضع التشغيل النشط إلى الأمام.) وعادة ما يكون أكبر من 50 بالنسبة للترانزستورات ذات الإشارات الصغيرة ، ولكن يمكن أن يكون أصغر في الترانزستورات المصممة للتطبيقات عالية الطاقة. تعمل كل من كفاءة الحقن وإعادة التركيب في القاعدة على تقليل كسب BJT.

خاصية أخرى مفيدة هي الكسب الحالي للقاعدة المشتركة ، α _F. الكسب الحالي للقاعدة المشتركة هو تقريبًا مكسب التيار من الباعث إلى المجمع في المنطقة النشطة للأمام. هذه النسبة عادة ما تكون لها قيمة قريبة من الوحدة ؛ بين 0.980 و 0.998. إنه أقل من الوحدة بسبب إعادة تركيب ناقلات الشحنة أثناء عبورها منطقة القاعدة.

ترتبط ألفا وبيتا بالهويات التالية:

${\displaystyle {\begin{aligned}\alpha _{\text{F}}&={\frac {I_{\text{C}}}{I_{\text{E}}}},&\beta _{\text{F}}&={\frac {I_{\text{C}}}{I_{\text{B}}}},\\\alpha _{\text{F}}&={\frac {\beta _{\text{F}}}{1+\beta _{\text{F}}}}&\iff \beta _{\text{F}}&={\frac {\alpha _{\text{F}}}{1-\alpha _{\text{F}}}}.\end{aligned}}}$

بيتا هي شخصية مناسبة من الجدارة لوصف أداء الترانزستور ثنائي القطب ، ولكنها ليست خاصية فيزيائية أساسية للجهاز. يمكن اعتبار الترانزستورات ثنائية القطب أجهزة يتم التحكم فيها بالجهد (بشكل أساسي يتم التحكم في تيار المجمع بواسطة جهد القاعدة - الباعث ؛ يمكن اعتبار التيار الأساسي عيبًا ويتم التحكم فيه من خلال خصائص تقاطع القاعدة والباعث وإعادة التركيب في القاعدة). في العديد من التصميمات ، يُفترض أن بيتا مرتفع بدرجة كافية بحيث يكون للتيار الأساسي تأثير ضئيل على الدائرة. في بعض الدوائر (دوائر التبديل بشكل عام) ، يتم توفير تيار أساسي كافٍ حتى أن أدنى قيمة بيتا قد يكون لدى جهاز معين لا تزال تسمح بتدفق تيار المجمع المطلوب.

هيكل

تتكون BJTs من ثلاث مناطق أشباه موصلات مخدرة بشكل مختلف: منطقة الباعث ومنطقة القاعدة ومنطقة المجمع . هذه المناطق هي ، على التوالي ، من النوع p ، والنوع n ، والنوع p في ترانزستور PNP ، والنوع n ، والنوع p ، والنوع n في ترانزستور NPN. ترتبط كل منطقة من أشباه الموصلات بمحطة ، تحمل علامة مناسبة: الباعث (E) والقاعدة (B) والمجمع (C).

تقع القاعدة فعليًا بين الباعث والمجمع وهي مصنوعة من مادة مخدرة خفيفة وعالية المقاومة. يحيط المجمع بمنطقة الباعث ، مما يجعل من المستحيل تقريبًا على الإلكترونات المحقونة في منطقة القاعدة الهروب دون تجميعها ، مما يجعل القيمة الناتجة لـ α قريبة جدًا من الوحدة ، وبالتالي ، يمنح الترانزستور قيمة β كبيرة. يشير عرض المقطع العرضي لـ BJT إلى أن تقاطع المجمع مع القاعدة له مساحة أكبر بكثير من تقاطع القاعدة الباعث.

الترانزستور ثنائي القطب ، على عكس الترانزستورات الأخرى ، ليس عادة جهازًا متماثلًا. هذا يعني أن تبديل المجمع والباعث يجعل الترانزستور يترك الوضع النشط الأمامي ويبدأ في العمل في الوضع العكسي. نظرًا لأن الهيكل الداخلي للترانزستور يتم تحسينه عادةً للتشغيل في الوضع الأمامي ، فإن تبديل المجمع والباعث يجعل قيم α و في العملية العكسية أصغر بكثير من تلك الموجودة في التشغيل الأمامي ؛ غالبًا ما تكون α للوضع العكسي أقل من 0.5. يرجع عدم التناسق في المقام الأول إلى نسب المنشطات للباعث والمجمع. يكون الباعث مخدرًا بشدة ، في حين أن المجمع مخدر قليلاً ، مما يسمح بتطبيق جهد كبير للانحياز العكسي قبل أن ينهار تقاطع المجمع مع القاعدة. يكون تقاطع المجمع مع القاعدة متحيزًا عكسيًا في التشغيل العادي. السبب في تعاطي المنشط بكثرة هو زيادة كفاءة حقن الباعث: نسبة المواد الحاملة التي يحقنها الباعث إلى تلك التي تحقن بالقاعدة. بالنسبة للكسب الحالي المرتفع ، يجب أن تأتي معظم المواد الحاملة المحقونة في تقاطع الباعث مع القاعدة من الباعث.

يتم أحيانًا تصميم الترانزستورات ثنائية القطب "الجانبية" منخفضة الأداء المستخدمة أحيانًا في عمليات CMOS بشكل متماثل ، أي بدون فرق بين العملية الأمامية والخلفية.

تؤدي التغييرات الصغيرة في الجهد المطبق عبر أطراف الباعث الأساسي إلى تغيير التيار بين المرسل والمجمع بشكل كبير. يمكن استخدام هذا التأثير لتضخيم جهد الدخل أو التيار. يمكن اعتبار BJTs على أنها مصادر تيار يتم التحكم فيها بالجهد ، ولكن يتم تصنيفها ببساطة على أنها مصادر تيار يتم التحكم فيها حاليًا ، أو مكبرات صوت حالية ، نظرًا لانخفاض مقاومة القاعدة.

كانت الترانزستورات المبكرة مصنوعة من الجرمانيوم ولكن معظم BJTs الحديثة مصنوعة من السيليكون . يتم تصنيع أقلية كبيرة الآن أيضًا من زرنيخيد الغاليوم ، خاصةً للتطبيقات عالية السرعة (انظر HBT ، أدناه).

يعد الترانزستور ثنائي القطب غير المتجانس (HBT) تحسينًا لـ BJT الذي يمكنه التعامل مع إشارات ترددات عالية جدًا تصل إلى عدة مئات من GHz . إنه شائع في الدوائر الحديثة فائقة السرعة ، ومعظمها من أنظمة التردد اللاسلكي . ^{[7] [8]}

اثنين من HBTs شائعة الاستخدام هما السيليكون والجرمانيوم وزرنيخيد الغاليوم الألومنيوم ، على الرغم من أنه يمكن استخدام مجموعة متنوعة من أشباه الموصلات لهيكل HBT. عادة ما تزرع هياكل HBT بواسطة تقنيات epitaxy مثل MOCVD و MBE .

مناطق العمل

نوع التقاطع	الفولتية التطبيقية	تحيز مفرق		وضع
		يكون	قبل الميلاد
NPN	ه <ب <ج	إلى الأمام	يعكس	نشط إلى الأمام
	ه <ب> ج	إلى الأمام	إلى الأمام	التشبع
	ه> ب <ج	يعكس	يعكس	قطع
	ه> ب> ج	يعكس	إلى الأمام	عكس النشاط
PNP	ه <ب <ج	يعكس	إلى الأمام	عكس النشاط
	ه <ب> ج	يعكس	يعكس	قطع
	ه> ب <ج	إلى الأمام	إلى الأمام	التشبع
	ه> ب> ج	إلى الأمام	يعكس	نشط إلى الأمام

تحتوي الترانزستورات ثنائية القطب على أربع مناطق تشغيل متميزة ، محددة بواسطة تحيزات تقاطع BJT.

نشط للأمام (أو نشط ببساطة )

يكون تقاطع القاعدة-الباعث متحيزًا للأمام ووصلة القاعدة-المجمع متحيزة عكسيًا. تم تصميم معظم الترانزستورات ثنائية القطب لتوفر أكبر مكسب للتيار المشترك ، β _F ، في الوضع النشط إلى الأمام. إذا كانت هذه هي الحالة ، فإن تيار المجمع - الباعث يتناسب تقريبًا مع تيار القاعدة ، ولكنه أكبر بعدة مرات ، بالنسبة لتغيرات تيار القاعدة الصغيرة.

عكس النشاط (أو معكوس النشط أو معكوس )

من خلال عكس ظروف التحيز للمنطقة النشطة للأمام ، ينتقل الترانزستور ثنائي القطب إلى الوضع النشط العكسي. في هذا الوضع ، تقوم منطقتي الباعث والمجمع بتبديل الأدوار. نظرًا لأن معظم BJTs مصممة لتعظيم الكسب الحالي في الوضع النشط للأمام ، فإن β _F في الوضع المقلوب يكون أصغر عدة مرات (2-3 مرات لترانزستور الجرمانيوم العادي). نادرًا ما يتم استخدام وضع الترانزستور هذا ، وعادة ما يتم اعتباره فقط للظروف الآمنة وبعض أنواع المنطق ثنائي القطب . قد يكون جهد انهيار التحيز العكسي للقاعدة ترتيبًا من حيث الحجم أقل في هذه المنطقة.

التشبع

مع كل من الوصلات المنحازة للأمام ، يكون BJT في وضع التشبع ويسهل توصيل التيار العالي من الباعث إلى المجمع (أو الاتجاه الآخر في حالة NPN ، مع تدفق ناقلات سالبة الشحنة من الباعث إلى المجمع). يتوافق هذا الوضع مع مفتاح "تشغيل" منطقي أو مفتاح مغلق.

قطع

في حالة الانقطاع ، توجد ظروف انحياز معاكسة للتشبع (كلا الوصلات منحازة عكسيًا). يوجد تيار ضئيل للغاية ، والذي يتوافق مع "إيقاف" منطقي ، أو مفتاح مفتوح.

منطقة انهيار الانهيار الجليدي

يمكن وصف أوضاع التشغيل من حيث الفولتية المطبقة (ينطبق هذا الوصف على ترانزستورات NPN ؛ يتم عكس القطبية بالنسبة للترانزستورات PNP):

نشط إلى الأمام

قاعدة أعلى من الباعث ، المجمع أعلى من القاعدة (في هذا الوضع ، يتناسب تيار المجمع مع تيار القاعدة${\displaystyle \beta _{\text{F}}}$).

التشبع

القاعدة أعلى من الباعث ، لكن المجمع ليس أعلى من القاعدة.

قطع

القاعدة أقل من الباعث ، لكن المجمع أعلى من القاعدة. هذا يعني أن الترانزستور لا يسمح للتيار التقليدي بالمرور من المجمع إلى الباعث.

عكس النشاط

قاعدة أقل من الباعث ، والمجمع أقل من القاعدة: يمر التيار التقليدي العكسي عبر الترانزستور.

من حيث انحياز الوصلة: ( القاعدة المنحازة العكسية - تقاطع المجمع تعني V _bc <0 لـ NPN ، مقابل PNP)

على الرغم من أن هذه المناطق محددة جيدًا للجهد المطبق الكبير بدرجة كافية ، إلا أنها تتداخل إلى حد ما مع التحيزات الصغيرة (أقل من بضع مئات من الميليفولت). على سبيل المثال ، في التكوين النموذجي للباعث الأرضي لـ NPN BJT المستخدم كمفتاح منسدل في المنطق الرقمي ، لا تتضمن حالة "إيقاف التشغيل" مطلقًا تقاطعًا منحازًا عكسيًا لأن الجهد الأساسي لا يذهب أبدًا تحت الأرض ؛ ومع ذلك ، فإن التحيز الأمامي قريب بدرجة كافية من الصفر بحيث لا يوجد تدفقات حالية بشكل أساسي ، لذلك يمكن اعتبار هذه النهاية من المنطقة النشطة الأمامية منطقة القطع.

ترانزستورات الوضع النشط في الدوائر

يوضح الرسم البياني تمثيلًا تخطيطيًا لترانزستور NPN متصل بمصدرين للجهد. (ينطبق نفس الوصف على ترانزستور PNP مع اتجاهات معكوسة لتدفق التيار والجهد المطبق.) يتسبب هذا الجهد المطبق في أن يصبح الوصل السفلي P-N متحيزًا للأمام ، مما يسمح بتدفق الإلكترونات من الباعث إلى القاعدة. في الوضع النشط ، فإن المجال الكهربائي الموجود بين القاعدة والمجمع (الناتج عن V _CE ) سوف يتسبب في أن تعبر غالبية هذه الإلكترونات تقاطع P-N العلوي إلى المجمع لتشكيل تيار المجمع I _C. تتحد بقية الإلكترونات مع الثقوب ، وحاملات الغالبية في القاعدة ، مما يجعل تيارًا من خلال اتصال القاعدة لتكوين تيار القاعدة ، I _B. كما هو موضح في الرسم البياني ، فإن تيار المرسل ، I _E ، هو إجمالي تيار الترانزستور ، وهو مجموع التيارات الطرفية الأخرى ، (على سبيل المثال ، I _E  =  I _B  +  I _C ).

في الرسم التخطيطي ، تمثل الأسهم النقطة الحالية في اتجاه التيار التقليدي  - تدفق الإلكترونات في الاتجاه المعاكس للسهم لأن الإلكترونات تحمل شحنة كهربائية سالبة . في الوضع النشط ، تسمى نسبة تيار المجمع إلى تيار القاعدة كسب تيار التيار المستمر . عادةً ما يكون هذا الكسب 100 أو أكثر ، لكن تصميمات الدوائر القوية لا تعتمد على القيمة الدقيقة (على سبيل المثال ، انظر op-amp ). يشار إلى قيمة هذا الكسب لإشارات DC على أنها${\displaystyle h_{\text{FE}}}$، ويشار إلى قيمة هذا الكسب للإشارات الصغيرة باسم${\displaystyle h_{\text{fe}}}$. أي عندما يحدث تغيير طفيف في التيارات ، ومر وقت كافٍ حتى تصل الحالة الجديدة إلى حالة مستقرة${\displaystyle h_{\text{fe}}}$هي نسبة التغيير في تيار المجمع إلى التغيير في تيار القاعدة. الرمز${\displaystyle \beta }$يستخدم لكليهما${\displaystyle h_{\text{FE}}}$و${\displaystyle h_{\text{fe}}}$. ^[9]

تيار المرسل مرتبط بـ${\displaystyle V_{\text{BE}}}$أضعافا مضاعفة. في درجة حرارة الغرفة ، زيادة في${\displaystyle V_{\text{BE}}}$بمقدار 60 مللي فولت تقريبًا يزيد تيار المرسل بعامل 10. نظرًا لأن تيار القاعدة يتناسب تقريبًا مع تيارات المجمع والباعث ، فإنهما يختلفان بنفس الطريقة.

التاريخ

تم اختراع ترانزستور نقطة التلامس ثنائي القطب في ديسمبر 1947 ^[10] في مختبرات هاتف بيل بواسطة جون باردين ووالتر براتين تحت إشراف ويليام شوكلي . نسخة الوصلة المعروفة باسم ترانزستور الوصل ثنائي القطب (BJT) ، التي اخترعها شوكلي في عام 1948 ، ^[11] كانت لمدة ثلاثة عقود الجهاز المفضل في تصميم الدوائر المنفصلة والمتكاملة . في الوقت الحاضر ، انخفض استخدام BJT لصالح تقنية CMOS في تصميم الدوائر الرقمية المتكاملة. ومع ذلك ، غالبًا ما يتم استخدام BJTs العرضية منخفضة الأداء المتأصلة في CMOS ICsمرجع الجهد ذو فجوة الحزمة ، مستشعر درجة حرارة فجوة النطاق من السيليكون وللتعامل مع التفريغ الكهروستاتيكي .

الترانزستورات الجرمانيوم

كان ترانزستور الجرمانيوم أكثر شيوعًا في الخمسينيات والستينيات من القرن الماضي ، ولكنه كان يميل بشكل أكبر إلى إظهار هروب حراري . نظرًا لأن تقاطعات الجرمانيوم pn لها انحياز أمامي أقل من السيليكون ، فإن ترانزستورات الجرمانيوم تعمل بجهد أقل.

تقنيات التصنيع المبكرة

تم تطوير طرق مختلفة لتصنيع الترانزستورات ثنائية القطب. ^[12]

• ترانزستور نقطة التلامس  - أول ترانزستور تم إنشاؤه على الإطلاق (ديسمبر 1947) ، وهو ترانزستور ثنائي القطب ، واستخدام تجاري محدود بسبب التكلفة العالية والضوضاء.
  • ترانزستور تلامس نقطة تيترود - ترانزستور نقطة تلامس له بواعثان. أصبح عفا عليه الزمن في منتصف الخمسينيات.
• تقاطع الترانزستورات
  • ترانزستور الوصلة المتنامية  - صنع أول ترانزستور تقاطع ثنائي القطب. ^[13] اخترعها ويليام شوكلي في مختبرات بيل في 23 يونيو 1948. ^[14] براءة الاختراع مسجلة في 26 يونيو 1948.
  • الترانزستور ذو الوصلات السبائكية  - حبات سبيكة الباعث والمجمع مدمجة في القاعدة. تم تطويره في جنرال إلكتريك و RCA ^[15] في عام 1951.
    • الترانزستور ذو السبائك الدقيقة (MAT) - نوع عالي السرعة من ترانزستور وصلة السبائك. تم تطويره في Philco . ^[16]
    • الترانزستور المنتشر ذو السبائك الدقيقة (MADT) - نوع عالي السرعة من ترانزستور الوصلات السبائكي ، أسرع من MAT ، ترانزستور ذو قاعدة منتشرة . تم تطويره في Philco .
    • ترانزستور منتشر بعد السبائك (PADT) - نوع عالي السرعة من ترانزستور الوصلات السبائكي ، أسرع من MAT ، ترانزستور ذو قاعدة منتشرة . تم تطويره في Philips .
  • ترانزستور رباعي الاتجاه  - متغير عالي السرعة من ترانزستور الوصلة النامية ^[17] أو ترانزستور وصلة سبيكة ^[18] مع وصلتين بالقاعدة.
  • ترانزستور الحاجز السطحي  - ترانزستور تقاطع حاجز معدني عالي السرعة. تم تطويره في Philco ^[19] عام 1953. ^[20]
  • ترانزستور مجال الانجراف  - ترانزستور تقاطع ثنائي القطب عالي السرعة. اخترعها هربرت كرومر ^{[21] [22]} في المكتب المركزي لتكنولوجيا الاتصالات بالخدمة البريدية الألمانية ، في عام 1953.
  • فضاء  - حوالي عام 1957.
  • ترانزستور الانتشار  - ترانزستور ذو تقاطع ثنائي القطب من النوع الحديث. تم تطوير النماذج الأولية ^[23] في Bell Labs في عام 1954.
    • ترانزستور ذو قاعدة منتشرة  - أول تطبيق لترانزستور الانتشار.
    • ترانزستور ميسا  - تم تطويره في شركة Texas Instruments في عام 1957.
    • الترانزستور المستوي  - الترانزستور ثنائي القطب الذي يجعل الدوائر المتكاملة المتجانسة ذات الإنتاج الضخم ممكنة. طوره جان هورني ^[24] في فيرتشايلد عام 1959.
  • ترانزستور فوق المحور ^[25]  - ترانزستور تقاطع ثنائي القطب مصنوع باستخدام ترسيب طور البخار. انظر epitaxy . يسمح بالتحكم الدقيق للغاية في مستويات المنشطات والتدرجات.

النظرية والنمذجة

يمكن اعتبار BJTs على أنها ثنائيتان ( تقاطعات P-N ) تشتركان في منطقة مشتركة يمكن أن يتحرك فيها حاملو الأقلية. سيعمل PNP BJT مثل اثنين من الثنائيات التي تشترك في منطقة كاثود من النوع N ، و NPN مثل اثنين من الثنائيات التي تشترك في منطقة الأنود من النوع P. لن يؤدي توصيل صمامين ثنائيين بالأسلاك إلى إنشاء BJT ، نظرًا لأن ناقلات الأقلية لن تتمكن من الانتقال من تقاطع P-N إلى الآخر عبر السلك.

كلا النوعين من وظائف BJT عن طريق السماح لمدخل تيار صغير إلى القاعدة بالتحكم في إخراج مضخم من المجمع. والنتيجة هي أن BJT يقوم بمفتاح جيد يتم التحكم فيه من خلال مدخلاته الأساسية. يصنع BJT أيضًا مضخمًا جيدًا ، حيث يمكنه مضاعفة إشارة الإدخال الضعيفة إلى حوالي 100 ضعف قوتها الأصلية. تُستخدم شبكات BJTs لصنع مكبرات صوت قوية مع العديد من التطبيقات المختلفة.

في المناقشة أدناه ، يتم التركيز على NPN BJT. في ما يسمى الوضع النشط ، جهد القاعدة - الباعث${\displaystyle V_{\text{BE}}}$والجهد الأساسي للمجمع${\displaystyle V_{\text{CB}}}$موجبة ، منحازة للأمام تقاطع قاعدة الباعث وتحيز عكسيًا لتقاطع المجمع مع القاعدة. في هذا الوضع ، تُحقن الإلكترونات من منطقة باعث من النوع n المنحاز للأمام في القاعدة من النوع p حيث تنتشر كحاملات أقلية إلى المجمع العكسي من النوع n ويتم جرفها بعيدًا بواسطة المجال الكهربائي في المنحاز العكسي جامع - تقاطع قاعدة.

للحصول على توضيح للانحياز الأمامي والعكسي ، انظر الثنائيات شبه الموصلة .

نماذج الإشارة الكبيرة

في عام 1954 ، قدم جيويل جيمس إيبرس وجون إل مول نموذجهم الرياضي لتيارات الترانزستور: ^[26]

نموذج Ebers – Moll

تم تصميم تيارات المجمع والباعث في الوضع النشط بشكل جيد عن طريق تقريب لنموذج Ebers-Moll:

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{\text{E}}&=I_{\text{ES}}\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)\\I_{\text{C}}&=\alpha _{\text{F}}I_{\text{E}}\\I_{\text{B}}&=\left(1-\alpha _{\text{F}}\right)I_{\text{E}}\end{aligned}}}$

التيار الداخلي الأساسي هو بشكل أساسي عن طريق الانتشار (انظر قانون فيك ) و

${\displaystyle J_{n\,({\text{base}})}={\frac {1}{W}}qD_{n}n_{bo}e^{\frac {V_{\text{EB}}}{V_{\text{T}}}}}$

أين

• ${\displaystyle V_{\text{T}}}$هو الجهد الحراري ${\displaystyle kT/q}$(حوالي 26 مللي فولت عند درجة حرارة الغرفة 300 كلفن).
• ${\displaystyle I_{\text{E}}}$هو باعث التيار
• ${\displaystyle I_{\text{C}}}$هو تيار المجمع
• ${\displaystyle \alpha _{\text{F}}}$هو كسب تيار ماس كهربائى للقاعدة المشتركة للأمام (0.98 إلى 0.998)
• ${\displaystyle I_{\text{ES}}}$هو تيار التشبع العكسي للصمام الثنائي الباعث للقاعدة (بترتيب من 10 ¹⁵ إلى 10 ¹² أمبير)
• ${\displaystyle V_{\text{BE}}}$هو جهد باعث القاعدة
• ${\displaystyle D_{n}}$هو ثابت الانتشار للإلكترونات في القاعدة من النوع p
• W هو عرض القاعدة

ال${\displaystyle \alpha }$وإلى الأمام${\displaystyle \beta }$المعلمات كما هو موضح سابقا. العكس${\displaystyle \beta }$يتم تضمينه في بعض الأحيان في النموذج.

فيما يلي معادلات Ebers-Moll غير التقريبية المستخدمة لوصف التيارات الثلاثة في أي منطقة تشغيل. تعتمد هذه المعادلات على نموذج النقل لترانزستور الوصل ثنائي القطب. ^[28]

${\displaystyle {\begin{aligned}i_{\text{C}}&=I_{\text{S}}\left[\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}\right)-{\frac {1}{\beta _{\text{R}}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)\right]\\i_{\text{B}}&=I_{\text{S}}\left[{\frac {1}{\beta _{\text{F}}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)+{\frac {1}{\beta _{\text{R}}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)\right]\\i_{\text{E}}&=I_{\text{S}}\left[\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}\right)+{\frac {1}{\beta _{\text{F}}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)\right]\end{aligned}}}$

أين

• ${\displaystyle i_{\text{C}}}$هو تيار المجمع
• ${\displaystyle i_{\text{B}}}$هو تيار القاعدة
• ${\displaystyle i_{\text{E}}}$هو باعث التيار
• ${\displaystyle \beta _{\text{F}}}$هو الكسب الحالي للباعث المشترك الأمامي (من 20 إلى 500)
• ${\displaystyle \beta _{\text{R}}}$هو كسب التيار المشترك العكسي (0 إلى 20)
• ${\displaystyle I_{\text{S}}}$هو تيار التشبع العكسي (بترتيب من 10 ¹⁵ إلى 10 ¹² أمبير)
• ${\displaystyle V_{\text{T}}}$هو الجهد الحراري (حوالي 26 مللي فولت عند درجة حرارة الغرفة 300 كلفن).
• ${\displaystyle V_{\text{BE}}}$هو جهد باعث القاعدة
• ${\displaystyle V_{\text{BC}}}$هو جهد جامع القاعدة

تعديل عرض القاعدة

كمجمع الجهد الأساسي (${\displaystyle V_{\text{CB}}=V_{\text{CE}}-V_{\text{BE}}}$) ، تختلف منطقة استنفاد المجمع - القاعدة في الحجم. تؤدي الزيادة في جهد المجمع- القاعدة ، على سبيل المثال ، إلى انحياز عكسي أكبر عبر تقاطع المجمع مع القاعدة ، مما يزيد من عرض منطقة استنفاد المجمع والقاعدة ، ويقلل من عرض القاعدة. غالبًا ما يُطلق على هذا التباين في عرض القاعدة اسم " التأثير المبكر" نسبة إلى مكتشفها جيمس إم مبكرًا .

تضييق عرض القاعدة له نتيجتان:

• هناك فرصة أقل لإعادة التركيب داخل منطقة القاعدة "الأصغر".
• يزداد تدرج الشحنة عبر القاعدة ، وبالتالي ، يزداد تيار ناقلات الأقلية المحقونة عبر تقاطع الباعث.

يعمل كلا العاملين على زيادة المجمع أو تيار "الخرج" للترانزستور استجابةً للزيادة في جهد القاعدة والمجمع.

في المنطقة النشطة للأمام ، يعدل التأثير المبكر تيار المجمع (${\displaystyle i_{\text{C}}}$) والمكاسب الحالية للباعث المشترك الأمامي (${\displaystyle \beta _{\text{F}}}$) على النحو الذي قدمه: ^{[ بحاجة لمصدر ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}i_{\text{C}}&=I_{\text{S}}\,e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}\left(1+{\frac {V_{\text{CE}}}{V_{\text{A}}}}\right)\\\beta _{\text{F}}&=\beta _{{\text{F}}0}\left(1+{\frac {V_{\text{CB}}}{V_{\text{A}}}}\right)\\r_{\text{o}}&={\frac {V_{\text{A}}}{I_{\text{C}}}}\end{aligned}}}$

أين:

• ${\displaystyle V_{\text{CE}}}$هو الجهد المجمع - الباعث
• ${\displaystyle V_{\text{A}}}$هو الجهد المبكر (15 فولت إلى 150 فولت)
• ${\displaystyle \beta _{{\text{F}}0}}$هو الكسب الحالي للباعث المشترك للأمام عندما${\displaystyle V_{\text{CB}}}$= 0 فولت
• ${\displaystyle r_{\text{o}}}$هي مقاومة الإخراج
• ${\displaystyle I_{\text{C}}}$هو تيار المجمع

اللكمة

عندما يصل جهد المجمع الأساسي إلى قيمة معينة (خاصة بالجهاز) ، فإن حدود منطقة استنفاد القاعدة والمجمع تلتقي بحد منطقة استنفاد القاعدة والباعث. عندما يكون الترانزستور في هذه الحالة بلا أساس فعليًا. وبالتالي فإن الجهاز يفقد كل مكاسب عندما يكون في هذه الحالة.

نموذج Gummel – Poon للتحكم في الشحن

نموذج Gummel-Poon ^[29] هو نموذج مفصل يتم التحكم فيه عن طريق الشحن لديناميكيات BJT ، والذي تم تبنيه وتطويره من قبل الآخرين لشرح ديناميكيات الترانزستور بتفاصيل أكبر مما تفعله النماذج القائمة على المحطات عادةً. ^[30] يتضمن هذا النموذج أيضًا اعتماد الترانزستور${\displaystyle \beta }$- القيم على مستويات التيار المباشر في الترانزستور ، والتي يُفترض أنها مستقلة عن التيار في نموذج Ebers-Moll. ^[31]

نماذج الإشارة الصغيرة

نموذج هجين بي

نموذج pi الهجين هو نموذج دائرة شائع يستخدم لتحليل الإشارة الصغيرة وسلوك التيار المتردد للوصل ثنائي القطب وترانزستورات التأثير الميداني . يطلق عليه أحيانًا نموذج Giacoletto لأنه تم تقديمه بواسطة LJ Giacoletto في عام 1969. يمكن أن يكون النموذج دقيقًا تمامًا للدوائر منخفضة التردد ويمكن تكييفه بسهولة مع الدوائر ذات التردد العالي مع إضافة السعات المناسبة بين الأقطاب الكهربائية وغيرها من الطفيليات. عناصر.

نموذج المعلمة h

نموذج آخر شائع الاستخدام لتحليل دوائر BJT هو نموذج المعلمة h ، والمعروف أيضًا باسم النموذج المكافئ الهجين ، والذي يرتبط ارتباطًا وثيقًا بنموذج pi المختلط ومنفذان y-parameter ، ولكن باستخدام تيار الإدخال والجهد الناتج كمتغيرات مستقلة ، بدلا من الفولتية المدخلات والمخرجات. هذه الشبكة ذات المنفذين مناسبة بشكل خاص لـ BJTs لأنها تفسح المجال بسهولة لتحليل سلوك الدائرة ، ويمكن استخدامها لتطوير المزيد من النماذج الدقيقة. كما هو موضح ، يمثل المصطلح x في النموذج مقدمًا مختلفًا لـ BJT اعتمادًا على الهيكل المستخدم. بالنسبة لوضع الباعث المشترك ، تأخذ الرموز المختلفة القيم المحددة على النحو التالي:

• المبنى 1 ، القاعدة
• المبنى 2 ، المجمع
• مبنى الركاب 3 (مشترك) ، باعث ؛ إعطاء x ليكون e
• أنا _، تيار القاعدة ( أنا _ب )
• i _o ، تيار المجمع ( i _c )
• فولت _في ، الجهد من القاعدة إلى الباعث ( V _BE )
• V _o ، جهد المجمع إلى الباعث ( V _CE )

ويتم إعطاء معلمات h من خلال:

• h _ix = h _أي لتكوين الباعث المشترك ، i nput ممانعة الترانزستور (المقابلة لمقاومة القاعدة r _pi ).
• h _rx = h _re ، علاقة نقل عكسي r ، تمثل اعتماد منحنى الترانزستور (المدخلات) I _B - V _BE على قيمة (المخرجات) V _CE . عادة ما تكون صغيرة جدًا وغالبًا ما يتم إهمالها (من المفترض أن تكون صفرًا) في العاصمة.
• h _fx = h _fe ، الكسب الحالي "الأمامي" للترانزستور ، يُكتب أحيانًا h ₂₁ . هذه المعلمة ، مع الحرف الصغير "fe" للإشارة إلى كسب إشارة صغيرة (AC) ، أو في كثير من الأحيان بالأحرف الكبيرة لـ "FE" (المحددة كـ h _FE ) لتعني "الإشارة الكبيرة" أو الكسب الحالي للتيار المستمر ( β _DC أو غالبًا ما تكون ببساطة β ) ، أحد المعلمات الرئيسية في أوراق البيانات ، ويمكن إعطاؤها لتيار جامع نموذجي والجهد أو رسمها كدالة لتيار المجمع. انظر أدناه.
• h _ox = 1 / h _oe ، مقاومة خرج الترانزستور. عادةً ما تتوافق المعلمة h _oe مع دخول خرج الترانزستور ثنائي القطب ويجب قلبها لتحويلها إلى مقاومة.

كما هو موضح ، تحتوي معلمات h على أحرف صغيرة منخفضة وبالتالي تشير إلى ظروف AC أو تحليلات. لظروف DC يتم تحديدها بأحرف كبيرة. بالنسبة لطوبولوجيا CE ، يتم استخدام نموذج تقريبي لمعلمة h بشكل شائع مما يبسط تحليل الدائرة. لهذا تم إهمال المعلمات h _oe و h _re (أي أنهما يتم ضبطهما على ما لا نهاية والصفر ، على التوالي). نموذج المعلمة h كما هو موضح مناسب لتحليل الإشارات الصغيرة ذات التردد المنخفض. بالنسبة لتحليلات التردد العالي ، يجب إضافة السعات بين الأقطاب الكهربائية المهمة عند الترددات العالية.

علم أصل الكلمة من h _FE

تشير h إلى كونها معلمة h ، وهي مجموعة من المعلمات المسماة لأصلها في نموذج دائرة مكافئة h ybrid (انظر أعلاه). كما هو الحال مع جميع معلمات h ، يعد اختيار الأحرف الصغيرة أو الأحرف الكبيرة للأحرف التي تلي الحرف "h" أمرًا مهمًا ؛ تشير الأحرف الصغيرة إلى معلمات "إشارة صغيرة" ، أي ميل العلاقة المعينة ؛ تشير الأحرف الكبيرة إلى "إشارة كبيرة" أو قيم DC ، أي نسبة الفولتية أو التيارات. في حالة استخدام h _FE كثيرًا :

• F من F تضخيم التيار الأمامي يسمى أيضًا الكسب الحالي.
• يشير E إلى الترانزستور الذي يعمل في تكوين E mitter (CE).

لذلك يشير h _FE (أو hFE) إلى تيار المجمع (الإجمالي ؛ DC) مقسومًا على تيار القاعدة ، وهو بلا أبعاد. إنها معلمة تختلف إلى حد ما مع تيار المجمع ، ولكن غالبًا ما يتم تقريبها على أنها ثابتة ؛ عادة ما يتم تحديده بتيار جامع نموذجي والجهد ، أو يتم رسمه كدالة لتيار المجمع.

في حالة عدم استخدام الأحرف الكبيرة للاستخدام في الرمز المنخفض ، أي إذا كانت مكتوبة h _fe ، فإن المعلمة تشير إلى كسب تيار إشارة صغير ( AC ) ، أي ميل تيار المجمع مقابل الرسم البياني الحالي الأساسي عند نقطة معينة ، والتي غالبًا ما تكون قريبة إلى قيمة hFE ما لم يكن تردد الاختبار مرتفعًا.

نماذج الصناعة

غالبًا ما يتم استخدام نموذج Gummel – Poon SPICE ، لكنه يعاني من العديد من القيود. على سبيل المثال ، لا يلتقط نموذج SGP (SPICE Gummel-Poon) الانهيار العكسي للديود الأساسي - الباعث ، ولا التأثيرات الحرارية (التسخين الذاتي) أو شبه التشبع. ^[32] وقد تم تناول هذه في العديد من النماذج الأكثر تقدمًا والتي تركز إما على حالات محددة للتطبيق (Mextram ، HICUM ، Modella) أو مصممة للاستخدام العام (VBIC). ^{[33] [34] [35] [36]}

التطبيقات

يظل BJT جهازًا يتفوق في بعض التطبيقات ، مثل تصميم الدوائر المنفصلة ، نظرًا للاختيار الواسع جدًا لأنواع BJT المتاحة ، وبسبب الموصلية العالية ومقاومة الخرج مقارنةً بدوائر MOSFET .

يعتبر BJT أيضًا خيارًا للمطالبة بالدوائر التناظرية ، خاصةً للتطبيقات عالية التردد جدًا ، مثل دوائر التردد اللاسلكي للأنظمة اللاسلكية.

المنطق الرقمي عالي السرعة

يستخدم المنطق المقترن بالباعث (ECL) BJTs.

يمكن دمج الترانزستورات ثنائية القطب مع MOSFETs في دائرة متكاملة باستخدام عملية BiCMOS لتصنيع الرقاقة لإنشاء دوائر تستفيد من قوة التطبيق لكلا النوعين من الترانزستور.

مكبرات الصوت

تميز معلمات الترانزستور α و الكسب الحالي لـ BJT. هذا الكسب هو الذي يسمح باستخدام BJTs كوحدات بناء لمكبرات الصوت الإلكترونية. طبولوجيا مكبرات الصوت BJT الرئيسية الثلاثة هي:

• باعث مشترك
• قاعدة مشتركة
• جامع مشترك

مجسات درجة الحرارة

بسبب درجة الحرارة المعروفة والاعتماد الحالي لجهد وصلة القاعدة والباعث المنحاز للأمام ، يمكن استخدام BJT لقياس درجة الحرارة عن طريق طرح جهدين عند تيارات تحيز مختلفة بنسب معروفة. ^[37]

المحولات اللوغاريتمية

نظرًا لأن جهد القاعدة - الباعث يختلف حسب لوغاريتم تيارات القاعدة - الباعث والمجمع - الباعث ، يمكن أيضًا استخدام BJT لحساب اللوغاريتمات واللوغاريتمات المضادة. يمكن أن يؤدي الصمام الثنائي أيضًا هذه الوظائف غير الخطية ، لكن الترانزستور يوفر مرونة أكبر في الدائرة.

مولدات نبض الانهيار الجليدي

يمكن تصنيع الترانزستورات عن عمد باستخدام مجمع أقل لجهد انهيار الباعث من المجمع إلى جهد الانهيار الأساسي. إذا كان تقاطع الباعث مع القاعدة متحيزًا عكسيًا ، فيمكن الحفاظ على جهد باعث المجمع عند جهد أقل بقليل من الانهيار. بمجرد أن يُسمح للجهد الأساسي بالارتفاع ، ويحدث الانهيار الجليدي للتدفقات الحالية ويؤدي التأين المؤثر في منطقة استنفاد قاعدة المجمع إلى إغراق القاعدة بالناقلات وتشغيل الترانزستور بالكامل. طالما أن النبضات قصيرة بما يكفي ونادرة بما يكفي لعدم تلف الجهاز ، يمكن استخدام هذا التأثير لإنشاء حواف متساقطة حادة للغاية.

يتم تصنيع أجهزة ترانزستور الانهيار الجليدي الخاصة لهذا التطبيق.

نقاط الضعف

يؤدي تعرض الترانزستور للإشعاع المؤين إلى تلف الإشعاع . يتسبب الإشعاع في تراكم "العيوب" في منطقة القاعدة التي تعمل كمراكز إعادة التركيب . يؤدي الانخفاض الناتج في عمر الناقل الأقلية إلى فقدان تدريجي لكسب الترانزستور.

تتمتع الترانزستورات "بتقديرات قصوى" ، بما في ذلك تصنيفات القدرة (محدودة أساسًا بالتسخين الذاتي) ، وتيارات التجميع والقاعدة القصوى (تصنيفات مستمرة / تيار مستمر وذروة) ، ومعدلات جهد الانهيار ، والتي قد يفشل الجهاز بعدها أو على الأقل يؤدي أداءً سيئًا .

بالإضافة إلى تصنيفات الانهيار العادية للجهاز ، تخضع BJTs للطاقة لوضع فشل يسمى الانهيار الثانوي ، حيث يتسبب التيار الزائد والعيوب العادية في قالب السيليكون في جعل أجزاء من السيليكون داخل الجهاز أكثر سخونة بشكل غير متناسب من الأجزاء الأخرى. المقاومة الكهربائية للسيليكون المخدر ، مثل أشباه الموصلات الأخرى ، لها معامل درجة حرارة سالب ، مما يعني أنها تجري تيارًا أكثر في درجات حرارة أعلى. وبالتالي ، فإن الجزء الأكثر سخونة من القالب هو الذي يقوم بأحدث تيار ، مما يؤدي إلى زيادة الموصلية ، مما يؤدي بعد ذلك إلى زيادة سخونته بشكل تدريجي مرة أخرى ، حتى يفشل الجهاز داخليًا. الهروب الحراريتحدث العملية المرتبطة بالانهيار الثانوي ، بمجرد تشغيلها ، على الفور تقريبًا وقد تؤدي إلى إتلاف حزمة الترانزستور بشكل كارثي.

إذا كان تقاطع الباعث والقاعدة منحازًا عكسيًا إلى الانهيار الجليدي أو وضع Zener وتدفق الشحنات لفترة قصيرة من الوقت ، فقد يتدهور الكسب الحالي لـ BJT بشكل دائم ، حيث يكون الباعث أصغر من المجمع ولا يمكنه تبديد طاقة كبيرة. هذه آلية فشل ESD شائعة في الأجهزة ذات الجهد المنخفض.

انظر أيضا

• الترانزستور ثنائي القطب
• مؤامرة جوميل
• الترانزستور ثنائي القطب غير المتجانسة
• ترانزستور ثنائي القطب معزول البوابة
• موسفيت
• ترانزستور متعدد الباعث

ملاحظات

المراجع

روابط خارجية