إذا نظرنا إلى نظائرها الميكانيكية، فإن تشغيل الترانزستورات يشبه مبدأ تشغيل نظام التوجيه الهيدروليكي في السيارة. لكن التشابه لا يكون صالحًا إلا للوهلة الأولى، نظرًا لأن الترانزستورات لا تحتوي على صمامات. في هذه المقالة سننظر بشكل منفصل في تشغيل الترانزستور ثنائي القطب.

جهاز الترانزستور ثنائي القطب

أساس جهاز الترانزستور ثنائي القطب هو مادة شبه موصلة. صُنعت بلورات أشباه الموصلات الأولى للترانزستورات من الجرمانيوم؛ أما اليوم فيُستخدم السيليكون وزرنيخيد الغاليوم في أغلب الأحيان. أولاً، يتم إنتاج مادة شبه موصلة نقية ذات شبكة بلورية مرتبة جيدًا. ثم يتم إعطاء البلورة الشكل المطلوب ويتم إدخال شوائب خاصة في تركيبتها (المادة مخدرة)، مما يمنحها خصائص معينة للتوصيل الكهربائي. إذا كانت الموصلية ناتجة عن حركة الإلكترونات الزائدة، يتم تعريفها على أنها مانحة من النوع n (إلكترونية). إذا كانت موصلية شبه الموصل ناتجة عن الاستبدال المتسلسل للمواضع الشاغرة، ما يسمى بالثقوب، بواسطة الإلكترونات، فإن هذه الموصلية تسمى المستقبل (الثقب) ويتم تعيينها بموصلية من النوع p.

الصورة 1.

تتكون بلورة الترانزستور من ثلاثة أجزاء (طبقات) مع التناوب المتسلسل لنوع الموصلية (n-p-n أو p-n-p). تشكل التحولات من طبقة إلى أخرى حواجز محتملة. يسمى الانتقال من القاعدة إلى الباعث باعث(EP)، إلى المجمع – جامع(ك.ب). في الشكل 1، يظهر هيكل الترانزستور على أنه متماثل ومثالي. من الناحية العملية، أثناء الإنتاج، تكون أبعاد المناطق غير متماثلة إلى حد كبير، تقريبًا كما هو موضح في الشكل 2. مساحة تقاطع المجمع أكبر بكثير من تقاطع الباعث. الطبقة الأساسية رقيقة جدًا، في حدود عدة ميكرونات.

الشكل 2.

مبدأ تشغيل الترانزستور ثنائي القطب

أي وصلة p-n للترانزستور تعمل بالمثل. وعندما يُطبق فرق جهد على قطبيه، فإنه "ينزاح". إذا كان فرق الجهد المطبق موجبًا مشروطًا، وفتحت الوصلة pn، يقال أن الوصلة منحازة للأمام. عند تطبيق فرق جهد سلبي مشروط، يحدث انحياز عكسي للوصلة، حيث يتم قفلها. من سمات تشغيل الترانزستور أنه مع انحياز إيجابي لانتقال واحد على الأقل، تكون المنطقة العامة، التي تسمى القاعدة، مشبعة بالإلكترونات أو الشواغر الإلكترونية (اعتمادًا على نوع موصلية المادة الأساسية)، مما يسبب انخفاض كبير في الحاجز المحتمل للانتقال الثاني، ونتيجة لذلك، الموصلية في ظل التحيز العكسي.

أوضاع التشغيل

يمكن تقسيم جميع دوائر توصيل الترانزستور إلى نوعين: طبيعيو معكوس.

الشكل 3.

دائرة تبديل الترانزستور العاديةيتضمن تغيير التوصيل الكهربائي لوصلة المجمع عن طريق التحكم في انحياز تقاطع الباعث.

مخطط عكسي، على عكس الوضع الطبيعي، يسمح لك بالتحكم في موصلية تقاطع الباعث عن طريق التحكم في انحياز تقاطع المجمع. الدائرة العكسية هي نظير متماثل للدائرة العادية، ولكن بسبب عدم التماثل الهيكلي للترانزستور ثنائي القطب، فهي غير فعالة للاستخدام، ولديها قيود أكثر صرامة على الحد الأقصى للمعلمات المسموح بها ولا يتم استخدامها عمليا.

مع أي دائرة تبديل، يمكن للترانزستور أن يعمل في ثلاثة أوضاع: وضع القطع, الوضع النشطو وضع التشبع.

لوصف العمل، يعتبر اتجاه التيار الكهربائي في هذه المقالة تقليديًا هو اتجاه الإلكترونات، أي. من القطب السالب لمصدر الطاقة إلى القطب الموجب. دعونا نستخدم الرسم البياني في الشكل 4 لهذا الغرض.

الشكل 4.

وضع القطع

بالنسبة للوصلة pn، يوجد حد أدنى لجهد التحيز الأمامي الذي تكون عنده الإلكترونات قادرة على التغلب على الحاجز المحتمل لهذا الوصلة. وهذا يعني أنه عند جهد انحياز أمامي يصل إلى قيمة العتبة هذه، لا يمكن أن يتدفق أي تيار عبر الوصلة. بالنسبة لترانزستورات السيليكون، تبلغ قيمة هذه العتبة حوالي 0.6 فولت. وبالتالي، مع دائرة التبديل العادية، عندما لا يتجاوز الانحياز الأمامي لوصلة الباعث 0.6 فولت (لترانزستورات السيليكون)، لا يتدفق أي تيار عبر القاعدة، يكون غير مشبعة بالإلكترونات، ونتيجة لذلك لا يوجد انبعاث للإلكترونات الأساسية إلى منطقة المجمع، أي. لا يوجد تيار جامع (صفر).

وبالتالي، فإن الشروط الضرورية لوضع القطع هي الهويات:

يو بي<0,6 В

أنا ب = 0

الوضع النشط

في الوضع النشط، ينحرف تقاطع الباعث في الاتجاه الأمامي حتى لحظة إلغاء القفل (يبدأ التيار بالتدفق) بجهد أكبر من 0.6 فولت (لترانزستورات السيليكون)، وتقاطع المجمع في الاتجاه العكسي. إذا كانت القاعدة ذات موصلية من النوع p، فسيتم نقل (حقن) الإلكترونات من الباعث إلى القاعدة، والتي يتم توزيعها على الفور في طبقة رقيقة من القاعدة وتصل جميعها تقريبًا إلى حدود المجمع. يؤدي تشبع القاعدة بالإلكترونات إلى انخفاض كبير في حجم وصلة المجمع، والتي من خلالها يتم دفع الإلكترونات، تحت تأثير الجهد السلبي من الباعث والقاعدة، إلى منطقة المجمع، وتتدفق عبر محطة المجمع، وبالتالي مما تسبب في تيار المجمع. الطبقة الرقيقة جدًا من القاعدة تحد من مرور تيارها الأقصى عبر مقطع عرضي صغير جدًا في اتجاه مخرج القاعدة. لكن هذا السمك الصغير للقاعدة يسبب تشبعها السريع بالإلكترونات. تعتبر منطقة الوصلة مهمة، مما يخلق الظروف الملائمة لتدفق تيار كبير من مجمع الباعث، أكبر بعشرات ومئات المرات من التيار الأساسي. وبالتالي، من خلال تمرير تيارات ضئيلة عبر القاعدة، يمكننا تهيئة الظروف لمرور تيارات أكبر بكثير عبر المجمع. كلما زاد تيار القاعدة، زاد تشبعه، وزاد تيار المجمع. يتيح لك هذا الوضع التحكم بسلاسة (تنظيم) في موصلية تقاطع المجمع عن طريق تغيير (تنظيم) التيار الأساسي بالمقابل. يتم استخدام خاصية الوضع النشط للترانزستور في دوائر مكبر الصوت المختلفة.

في الوضع النشط، تيار الباعث للترانزستور هو مجموع تيار القاعدة وتيار المجمع:

أنا ه = أنا ك + أنا ب

يمكن التعبير عن تيار المجمع على النحو التالي:

أنا ك = α أي

حيث α هو معامل نقل تيار الباعث

ومن المعادلات المذكورة أعلاه يمكننا الحصول على ما يلي:

حيث β هو عامل التضخيم الحالي الأساسي.

وضع التشبع

يحدد الحد الأقصى لزيادة التيار الأساسي حتى اللحظة التي يظل فيها تيار المجمع دون تغيير نقطة التشبع الأقصى للقاعدة بالإلكترونات. لن تؤدي الزيادة الإضافية في التيار الأساسي إلى تغيير درجة تشبعه، ولن تؤثر على تيار المجمع بأي شكل من الأشكال، بل يمكن أن تؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المادة في منطقة التلامس الأساسية وفشل الترانزستور. يمكن أن تشير البيانات المرجعية للترانزستورات إلى قيم تيار التشبع والحد الأقصى المسموح به لتيار القاعدة، أو جهد تشبع قاعدة الباعث والحد الأقصى المسموح به لجهد قاعدة الباعث. تحدد هذه الحدود وضع تشبع الترانزستور في ظل ظروف التشغيل العادية.

يكون وضع القطع ووضع التشبع فعالين عندما تعمل الترانزستورات كمفاتيح إلكترونية لتبديل دوائر الإشارة والطاقة.

الفرق في مبدأ تشغيل الترانزستورات ذات الهياكل المختلفة

تم النظر في حالة تشغيل الترانزستور n-p-n أعلاه. تعمل ترانزستورات هياكل pnp بشكل مشابه، ولكن هناك اختلافات أساسية يجب أن تعرفها. تتمتع مادة أشباه الموصلات ذات الموصلية المستقبلة من النوع p بإنتاجية إلكترون منخفضة نسبيًا، لأنها تعتمد على مبدأ انتقال الإلكترون من موقع شاغر (ثقب) إلى آخر. عندما يتم استبدال جميع الشواغر بالإلكترونات، فإن حركتها تكون ممكنة فقط عندما تظهر الشواغر في اتجاه الحركة. مع وجود مساحة كبيرة من هذه المواد، سيكون لها مقاومة كهربائية كبيرة، مما يؤدي إلى مشاكل أكبر عند استخدامها باعتبارها المجمع والباعث الأكثر ضخامة للترانزستورات ثنائية القطب p-n-p مقارنةً باستخدامها في طبقة أساسية رقيقة جدًا من ترانزستورات n-p-n. تتمتع المواد شبه الموصلة ذات الموصلية المانحة من النوع n بالخصائص الكهربائية للمعادن الموصلة، مما يجعلها أكثر فائدة للاستخدام كباعث ومجمع، كما هو الحال في الترانزستورات n-p-n.

هذه السمة المميزة لمختلف هياكل الترانزستور ثنائي القطب تؤدي إلى صعوبات كبيرة في إنتاج أزواج من المكونات ذات هياكل مختلفة وخصائص كهربائية مماثلة لبعضها البعض. إذا انتبهت إلى البيانات المرجعية الخاصة بخصائص أزواج الترانزستورات، ستلاحظ أنه عندما يتم تحقيق نفس الخصائص لترانزستورين من نوعين مختلفين، على سبيل المثال KT315A وKT361A، على الرغم من قوة المجمع المتماثلة (150 ميجاوات) وما يقرب من نفس كسب التيار (20-90) ، لديهم أقصى تيارات مجمعة مسموح بها ، وفولتية قاعدة الباعث ، وما إلى ذلك.

ملاحظة. تم تفسير هذا الوصف لمبدأ تشغيل الترانزستور من وجهة نظر النظرية الروسية، وبالتالي لا يوجد وصف لعمل المجالات الكهربائية على الشحنات الإيجابية والسلبية الوهمية. تجعل الفيزياء الروسية من الممكن استخدام نماذج ميكانيكية أبسط ومفهومة وأقرب إلى الواقع من التجريدات في شكل مجالات كهربائية ومغناطيسية، وشحنات موجبة وكهربائية، والتي تخدعنا بها المدرسة التقليدية غدرًا. لهذا السبب، لا أوصي باستخدام النظرية المذكورة دون التحليل والفهم الأولي عند التحضير للاختبارات والدورات الدراسية وأنواع العمل الأخرى؛ قد لا يقبل معلموك ببساطة المعارضة، حتى لو كانت تنافسية ومتسقة تمامًا من وجهة نظر مشتركة العقل والمنطق. بالإضافة إلى ذلك، من جهتي، هذه هي المحاولة الأولى لوصف عمل جهاز أشباه الموصلات من موقع الفيزياء الروسية، ويمكن تحسينه واستكماله في المستقبل.

ما هو الترانزستور ثنائي القطب - جهاز أشباه الموصلات الأولي، الذي تتضمن وظيفته تغيير أو تضخيم إشارة الخرج من الجزيئات المشحونة.

هذا هو أحد أنواع الترانزستورات، ويتكون من 3 طبقات، والتي توفر 2 تقاطعات "شحن" أو "ثقب" (ثنائية - تقاطعتين). وبناء على ذلك، يمكن تمثيل هذا الجهاز كعنصرين من الصمام الثنائي متصلين مقابل بعضهما البعض.

في اللغة الشائعة، حل الترانزستور ثنائي القطب محل الترانزستورات الأنبوبية المتقادمة أخلاقيًا وجسديًا، والتي كانت تستخدم لفترة طويلة جدًا في تصميمات أجهزة التلفزيون في القرن الماضي.

الشكل 1 - الترانزستور ثنائي القطب

كما يتبين من الصورة 1، فإن الأجهزة من هذا النوع لها 3 مخارج، ولكن من حيث التصميم، يختلف المظهر عن بعضها البعض. لكن في مخططات الدوائر الكهربائية فهي نفسها في جميع الحالات.

اعتمادًا على الموصلية، يتم تقسيم الأجهزة ثنائية القطب إلى أجهزة P → N → P و N → P → N، والتي تختلف فيما إذا كانت تنقل الجزيئات المشحونة - الإلكترونات أو من خلال "الثقوب".

الشكل 2 - نوع الأجهزة ثنائية القطب

جهاز الترانزستور ثنائي القطب

وفقا للدوائر القياسية، فإن الحرف "B" يسمى "Base" - الطبقة الداخلية للجهاز، وأساسه، مما يؤدي إلى تحويل أو تغيير الإشارة الحالية. يوضح السهم الموجود في الدائرة حركة الشحنات الحالية في "E".

"E" - "الباعث" - المكون الرئيسي الداخلي للترانزستور، المصمم لنقل الجزيئات الأولية المشحونة إلى "B".

"K" - "المجمع" هو المكون الثاني لجهاز الترانزستور، الذي يجمع نفس الشحنات التي تمر عبر "B".

الطبقة "الأساسية" رقيقة جدًا من الناحية الهيكلية بسبب إعادة تركيب الجزيئات المشحونة التي تمر عبر الطبقة الأساسية مع الجزيئات المكونة لهذه الطبقة. في الوقت نفسه، تم تصميم طبقة "المجمع" على نطاق واسع قدر الإمكان لجمع الرسوم عالية الجودة.

مبدأ تشغيل الترانزستور ثنائي القطب

سنصف مبدأ التشغيل للترانزستور ثنائي القطب للدمى باستخدام عينة من جهاز الترانزستور P → N → P في الشكل 3. مبدأ التشغيل للترانزستور ثنائي القطب من النوع N → P → N يشبه الانتقال في الاتجاه الأمامي، فقط في هذه الحالة تنتقل الشحنات - الجزيئات الكهربائية من "K" إلى "E". لتحقيق هذا الشرط، تحتاج فقط إلى تغيير قطبية الجهد المتصل.

الشكل 3 - مبدأ تشغيل الترانزستور P → N → P

وفي حالة عدم وجود اضطرابات خارجية، سيوجد فرق شحنة داخل القطبين بين طبقاته. سيتم تركيب جسور حاجزة واحدة على الواجهات، حيث أن نسبة "الثقوب" في المجمع تتوافق في هذا الوقت مع عددها في الباعث.

من أجل التشغيل الدقيق للترانزستور ثنائي القطب، يجب أن يتم إزاحة الوصلة في طبقة المجمع في الاتجاه المعاكس، بينما في نفس الوقت، في الباعث، يجب أن يكون اتجاه الوصلة مستقيماً. في هذه الحالة، سيكون وضع التشغيل نشطًا.

لتحقيق الشروط المذكورة أعلاه، من الضروري استخدام مصدرين، أحدهما بعلامة إيجابية متصل بنهاية الباعث، والآخر "ناقص" متصل بالطبقة الأساسية. نقوم بتوصيل مصدر الجهد الثاني بالترتيب التالي: "زائد" إلى نهاية القاعدة، "ناقص" إلى نهاية المجمع. دعونا نوضح العلاقة في الشكل 4.

الشكل 4 - رسم تخطيطي لتوصيل الترانزستور

تحت تأثير الجهد الكهربائي Ue, UK، تمر الثقوب عبر الحواجز الموجودة في الباعث رقم 1-5 وفي الطبقة الأساسية للجسيمات المشحونة كهربائيًا رقم 7,8. في هذه الحالة، سيعتمد حجم التيار في الباعث على عدد انتقالات الثقب، حيث يوجد عدد أكبر منها.

يتم جمع الثقوب التي مرت إلى الطبقة الأساسية عند انتقال الحاجز. وبالتالي، فإن كمية هائلة من الثقوب سوف تتراكم عند الحدود مع طبقة الباعث، بينما عند الحدود مع "K" يكون تركيزها أقل بكثير. وفي هذا الصدد، سيبدأ انتشار الثقوب إلى "K"، وبالقرب من الحدود، ستتسارع من الحقل "B" وتنتقل إلى "K".

عند التحرك عبر الطبقة الوسطى من القاعدة، تتحد الثقوب مرة أخرى، ويحل الإلكترون المشحون 6 محل الثقب 5. وستحدث هذه الحركة مع زيادة الشحنة الموجبة مع تحرك الثقوب وفقًا لذلك، فإن حركة الشحنات في الاتجاه المعاكس ستحدث يولّد تيارًا بقوة معينة، وتبقى القاعدة محايدة كهربائيًا.

سيكون عدد الثقوب التي دخلت المجمع أقل من العدد الذي خرج من الباعث. وهذا يعني أن التيار الكهربائي "K" سيختلف عن قيمة التيار "E".

يعد الانتقال العكسي للثقوب من المجمع أمرًا غير مرغوب فيه ويقلل من كفاءة الترانزستور، لأن الانتقال لا يتم عن طريق حاملات الطاقة الرئيسية، ولكن عن طريق ناقلات الطاقة المساعدة، ويعتمد هذا الانتقال بشكل بحت على درجة الحرارة. ويسمى هذا التيار بالتيار الحراري. يتم الحكم على جودة الترانزستور ثنائي القطب من خلال قيمة التيار الحراري.

في الشكل 5 نصور بشكل تخطيطي اتجاه حركة الجسيمات المشحونة - تيارات الترانزستور.

الشكل 5 - اتجاه التيارات في الترانزستور ثنائي القطب

بناءً على ما سبق، هناك استنتاج يقترح نفسه: أي تغيير في التيار في بنية طبقات قاعدة الباعث يكون مصحوبًا بتغير في حجم تيار المجمع، وأصغر تغيير في تيار "القاعدة" سيؤدي إلى تصحيح كبير لتيار جامع الإخراج.

وضع التشغيل للأجهزة ثنائية القطب

اعتمادًا على الجهد عند أطراف الترانزستور، هناك 4 أوضاع لتشغيله:

• لا تحدث تحولات القطع - الثقب - القطب ؛
• الوضع النشط - الوارد في الوصف؛
• التشبع - التيار الأساسي مرتفع جدًا وسيكون لتيار المجمع قيمة قصوى وهو مستقل تمامًا عن التيار الأساسي، وبالتالي لن يكون هناك تضخيم للإشارة؛
• الانقلاب - استخدام جهاز ذو أدوار عكسية للباعث والمجمع.

مزايا وعيوب الترانزستورات ثنائية القطب

تشمل مزايا الترانزستورات ثنائية القطب بالمقارنة مع نظائرها ما يلي:

لقد تعلمنا كيفية عمل الترانزستور واستعرضنا تقنيات التصنيع بشكل عام. الجرمانيومو السيليكونالترانزستورات واكتشفت كيف تم وضع علامة.

اليوم سنجري عدة تجارب ونتأكد من أن الترانزستور ثنائي القطب يتكون بالفعل اثنين من الثنائيات، متصلة ظهرًا لظهر، وأن الترانزستور مضخم إشارة.

سنحتاج إلى ترانزستور جرمانيوم p-n-p منخفض الطاقة من سلسلة MP39 - MP42، ومصباح متوهج مُقدر بجهد 2.5 فولت ومصدر طاقة من 4 إلى 5 فولت. بشكل عام، بالنسبة لهواة الراديو المبتدئين، أوصي بتجميع جهاز صغير قابل للتعديل يمكنك من خلاله تشغيل تصميماتك.

1. يتكون الترانزستور من ثنائيين.

للتحقق من ذلك، دعونا نجمع دائرة صغيرة: قاعدة الترانزستور VT1قم بتوصيله بمصدر الطاقة السالب ومحطة التجميع بأحد أطراف المصباح المتوهج إل. الآن إذا تم توصيل الطرف الثاني من المصباح بالموجب لمصدر الطاقة، فسوف يضيء المصباح.

جاء المصباح الكهربائي لأننا تقدمنا ​​بطلب مباشر- الجهد الكهربي الذي يفتح تقاطع المجمع ويتدفق من خلاله التيار المباشرجامع إيك. حجم هذا التيار يعتمد على المقاومة خيوطمصابيح و المقاومة الداخليةمزود الطاقة.

لننظر الآن إلى نفس الدائرة، لكننا سنصور الترانزستور على أنه لوحة شبه موصلة.

حاملات الشحن الرئيسية في القاعدة الإلكترونات، التغلب على تقاطع p-n، أدخل منطقة الحفرة جامعوتصبح غير ذات صلة. بعد أن أصبحت إلكترونات أقلية، يتم امتصاص الإلكترونات الأساسية بواسطة حاملات الأغلبية في منطقة الثقب بالمجمع الثقوب. وبنفس الطريقة، تصبح الثقوب من منطقة المجمع، التي تدخل المنطقة الإلكترونية للقاعدة، أقلية ويتم امتصاصها بواسطة حاملات الشحنة الرئيسية في القاعدة الإلكترونات.

سيتم توصيل جهة الاتصال الأساسية بالقطب السالب لمصدر الطاقة يمثلكمية غير محدودة تقريبا الإلكترونات، تجديد النقص في الإلكترونات من منطقة القاعدة. ويكون جهة اتصال المجمع المتصلة بالقطب الموجب لمصدر الطاقة من خلال فتيل المصباح قادرة على ذلك يقبلنفس العدد من الإلكترونات، والذي سيتم من خلاله استعادة تركيز الثقوب في المنطقة قواعد.

وبالتالي فإن موصلية الوصلة p-n ستصبح كبيرة وستكون مقاومة التيار صغيرة، مما يعني أن تيار المجمع سوف يتدفق عبر تقاطع المجمع إيك. و ماذا أكثرسيكون هناك هذا التيار، ثم أكثر إشراقاسوف يضيء المصباح.

سوف يضيء المصباح الكهربائي أيضًا إذا كان متصلاً بدائرة توصيل الباعث. يوضح الشكل أدناه هذا الإصدار من الدائرة بالضبط.

الآن دعونا نغير دائرة الترانزستور وقاعدته قليلاً VT1الاتصال ب زائدمزود الطاقة. في هذه الحالة، لن يضيء المصباح، لأننا قمنا بتضمين تقاطع p-n للترانزستور في يعكساتجاه. هذا يعني أن مقاومة الوصلة pn أصبحت عظيمولا يتدفق من خلاله سوى كمية صغيرة جدًا تيار عكسيجامع إكبوغير قادر على تسخين خيوط المصباح إل. وفي معظم الحالات، لا يتجاوز هذا التيار بضعة ميكروأمبيرات.

وللتحقق من ذلك أخيرًا، دعونا نفكر مرة أخرى في دائرة تحتوي على ترانزستور تم تصويرها على أنها لوحة شبه موصلة.

الإلكترونات الموجودة في المنطقة قواعد، سوف ينتقل إلى زائدمصدر الطاقة، والابتعاد عن تقاطع P-N. الثقوب الموجودة في المنطقة جامع، سوف يبتعد أيضًا عن تقاطع p-n، متجهًا نحو سلبيقطب مصدر الطاقة. ونتيجة لذلك، يبدو أن حدود المناطق سوف تتوسعمما يؤدي إلى تكوين منطقة خالية من الثقوب والإلكترونات مما يوفر مقاومة كبيرة للتيار.

ولكن، نظرًا لوجود القاعدة والمجمع في كل منطقة غير الأساسيةناقلات الشحن، ثم صغيرة تبادلستظل الإلكترونات والثقوب تحدث بين المناطق. ولذلك، فإن تيارًا أقل عدة مرات من التيار المباشر سوف يتدفق عبر تقاطع المجمع، وهذا التيار لن يكون كافيًا لإشعال فتيل المصباح.

2. تشغيل الترانزستور في وضع التبديل.

لنقم بتجربة أخرى توضح أحد أوضاع تشغيل الترانزستور.
بين المجمع وباعث الترانزستور سنقوم بتوصيل مصدر الطاقة ونفس المصباح المتوهج المتصل على التوالي. نقوم بتوصيل مصدر الطاقة الزائد بالباعث والناقص من خلال خيوط المصباح بالمجمع. المصباح لا يضيء. لماذا؟

كل شيء بسيط للغاية: إذا قمت بتطبيق جهد إمداد بين الباعث والمجمع، فمع أي قطبية، سيكون أحد التحولات في الاتجاه الأمامي، والآخر في الاتجاه المعاكس وسيتداخل مع تدفق التيار . ليس من الصعب معرفة ذلك إذا نظرت إلى الشكل التالي.

يوضح الشكل أن تقاطع باعث القاعدة متضمن في مباشرالاتجاه وهو في حالة مفتوحة ومستعد لقبول عدد غير محدود من الإلكترونات. على العكس من ذلك، يتم تضمين تقاطع المجمع الأساسي يعكسالاتجاه ويمنع مرور الإلكترونات إلى القاعدة.

ويترتب على ذلك أن حاملات الشحنة الرئيسية موجودة في منطقة الباعث الثقوب، صدها مصدر الطاقة الزائد، واندفع إلى منطقة القاعدة وهناك يتم امتصاصها بشكل متبادل (إعادة توحيدها) مع حاملات الشحن الرئيسية في القاعدة الإلكترونات. في لحظة التشبع، عندما لا تبقى ناقلات شحن مجانية على كلا الجانبين، ستتوقف حركتها، مما يعني توقف التيار عن التدفق. لماذا؟ لأنه من جانب الجامع لن يكون هناك تعبئة رصيدالإلكترونات.

اتضح أن حاملات الشحنة الرئيسية موجودة في المجمع الثقوبتنجذب إلى القطب السالب لمصدر الطاقة، ويتم امتصاص بعضها بشكل متبادل الإلكترونات، قادمة من الجانب السالب لمصدر الطاقة. وفي لحظة التشبع، حيث لا يبقى من الجانبين حرحاملات الشحنة، والثقوب، بسبب هيمنتها في منطقة المجمع، ستمنع مرور المزيد من الإلكترونات إلى القاعدة.

وبالتالي، بين المجمع والقاعدة، يتم تشكيل منطقة مستنفدة من الثقوب والإلكترونات، والتي ستوفر مقاومة كبيرة للتيار.

بالطبع، بفضل المجال المغناطيسي والتأثيرات الحرارية، سيستمر تيار صغير في التدفق، لكن قوة هذا التيار صغيرة جدًا لدرجة أنها غير قادرة على تسخين فتيل المصباح.

الآن دعونا نضيف إلى الرسم التخطيطي سلك العبوروسنقوم بتوصيل القاعدة بالباعث بها. لن يضيء المصباح الكهربائي المتصل بدائرة تجميع الترانزستور مرة أخرى. لماذا؟

لأنه عندما يتم قصر دائرة القاعدة والباعث باستخدام وصلة عبور، تصبح وصلة المجمع مجرد صمام ثنائي يتم توصيله المقابلالجهد االكهربى. الترانزستور في حالة إيقاف التشغيل ولا يتدفق من خلاله سوى تيار مجمع عكسي طفيف إكبو.

الآن دعونا نغير الدائرة أكثر قليلاً ونضيف مقاومًا روبيةالمقاومة 200 - 300 أوم، ومصدر جهد آخر غيغابايتعلى شكل بطارية AA.
قم بتوصيل السالب للبطارية من خلال المقاوم روبيةمع قاعدة الترانزستور، بالإضافة إلى البطاريات مع باعث. جاء المصباح.

أضاء المصباح لأننا قمنا بتوصيل بطارية بين القاعدة والباعث، وبالتالي قمنا بوضعها على وصلة الباعث مباشرفتح الجهد. تم فتح تقاطع الباعث ومرت من خلاله مستقيمالحالي الذي افتتحتقاطع جامع الترانزستور. فتح الترانزستور وعلى طول الدائرة باعث قاعدة جامعتدفق تيار المجمع إيك، أكبر بعدة مرات من تيار الدائرة قاعدة باعث. وبفضل هذا التيار أضاء المصباح الكهربائي.

إذا قمنا بتغيير قطبية البطارية وقمنا بتطبيق علامة زائد على القاعدة، فسيتم إغلاق تقاطع الباعث، ومعه سيتم إغلاق تقاطع المجمع. سوف يتدفق تيار المجمع العكسي عبر الترانزستور إكبووسوف ينطفئ الضوء.

المقاوم روبيةيحد من التيار في الدائرة الأساسية. إذا لم يكن التيار محدودًا وتم تطبيق كل 1.5 فولت على القاعدة، فسوف يتدفق الكثير من التيار عبر وصلة الباعث، مما قد يؤدي إلى الانهيار الحراريالانتقال وسوف تفشل الترانزستور. كقاعدة عامة، ل الجرمانيومالترانزستورات، فتح الجهد ليس أكثر من 0,2 فولت، و ل السيليكونلا أكثر 0,7 فولت.

ومرة أخرى سوف نقوم بتحليل نفس الدائرة، ولكننا سوف نتخيل الترانزستور على شكل لوحة شبه موصلة.

عندما يتم تطبيق جهد فتح على قاعدة الترانزستور، فإنه ينفتح باعثتبدأ عملية الانتقال والثقوب الحرة من الباعث في الامتصاص المتبادل مع الإلكترونات قواعد، مما يخلق تيارًا أساسيًا صغيرًا للأمام إب.

ولكن ليس كل الثقوب التي يتم إدخالها من الباعث إلى القاعدة تتحد مع إلكتروناتها. عادة، يتم إنشاء منطقة القاعدة رفيع، وفي صناعة الترانزستورات ذات البنية p-n-p، يتم تركيز الثقوب فيها باعثو جامعجعلها أكبر بعدة مرات من تركيز الإلكترون فيها قاعدة البياناتوبالتالي فإن جزءًا صغيرًا فقط من الثقوب تمتصه الإلكترونات الأساسية.

يمر الجزء الأكبر من فتحات الباعث عبر القاعدة ويقع تحت تأثير جهد سلبي أعلى يعمل في المجمع، ويتحرك مع فتحات المجمع إلى جهة الاتصال السلبية، حيث يتم امتصاصه بشكل متبادل بواسطة الإلكترونات المدخلة بواسطة القطب السالب لمصدر الطاقة ج.ب..

ونتيجة لذلك، فإن مقاومة دائرة المجمع باعث قاعدة جامعيتناقص ويتدفق فيه تيار المجمع المباشر إيكعدة مرات التيار الأساسي إبالسلاسل قاعدة باعث.

كيف أكثر أكثريتم إدخال الثقوب من الباعث إلى القاعدة، وبالتالي أكثر بكثيرالتيار في دائرة المجمع. وعلى العكس من ذلك أقلفتح الجهد في القاعدة، لذلك أقلالتيار في دائرة المجمع.

إذا تم تضمين ملليمتر في وقت تشغيل الترانزستور في دوائر القاعدة والمجمع، فعند إغلاق الترانزستور لن يكون هناك أي تيارات في هذه الدوائر.

عندما يكون الترانزستور مفتوحا، التيار الأساسي إبسيكون 2-3 مللي أمبير، وتيار المجمع إيكسيكون حوالي 60 - 80 مللي أمبير. كل هذا يشير إلى أن الترانزستور يمكن أن يكون مكبر للصوت الحالي.

في هذه التجارب، كان الترانزستور في إحدى حالتين: مفتوح أو مغلق. تحول الترانزستور من حالة إلى أخرى تحت تأثير جهد الفتح عند القاعدة يو بي. يسمى وضع الترانزستور هذا وضع التبديلأو مفتاح. يتم استخدام طريقة تشغيل الترانزستور هذه في الأجهزة وأجهزة التشغيل الآلي.

لننتهي هنا، وفي الجزء التالي سنقوم بتحليل عمل الترانزستور باستخدام مثال مضخم صوت بسيط تم تجميعه على ترانزستور واحد.
حظ سعيد!

الأدب:

1. بوريسوف ف.جي - هواة الراديو الشباب. 1985
2. إي. جبل الجليد - الترانزستور؟.. الأمر بسيط جدًا! 1964

في وقت ما، حلت الترانزستورات محل الأنابيب المفرغة. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن أبعادها أصغر وموثوقية عالية وتكاليف إنتاج أقل. الآن، الترانزستورات ثنائية القطبهي العناصر الأساسية في جميع دوائر التضخيم.

وهو عنصر شبه موصل له بنية ثلاثية الطبقات، والتي تشكل تقاطعين بفتحتين إلكترونيتين. ولذلك، يمكن تمثيل الترانزستور كثنائيين متتاليين. اعتمادًا على ما ستكون عليه ناقلات الشحن الرئيسية، فإنها تتميز ص-ن-صو ن-ن-نالترانزستورات.

قاعدة- طبقة شبه موصلة، وهي أساس تصميم الترانزستور.

باعثتسمى طبقة أشباه الموصلات وظيفتها حقن ناقلات الشحنة في الطبقة الأساسية.

جامعتسمى طبقة أشباه الموصلات، وتتمثل وظيفتها في تجميع ناقلات الشحنة التي تمر عبر الطبقة الأساسية.

عادة، يحتوي الباعث على عدد أكبر بكثير من الشحنات الرئيسية من القاعدة. هذا هو الشرط الرئيسي لتشغيل الترانزستور، لأنه في هذه الحالة، عندما يكون تقاطع الباعث متحيزًا للأمام، سيتم تحديد التيار بواسطة الناقلات الرئيسية للباعث. سيكون الباعث قادرًا على أداء وظيفته الرئيسية - حقن الناقلات في الطبقة الأساسية. يحاولون عادةً جعل التيار العكسي للباعث صغيرًا قدر الإمكان. يتم تحقيق زيادة في حاملات أغلبية الباعث باستخدام تركيز عالي من المنشطات.

اجعل القاعدة رقيقة قدر الإمكان. ويرجع ذلك إلى عمر التهم. يجب أن تعبر حاملات الشحنة القاعدة وتتحد بأقل قدر ممكن مع حاملات القاعدة الرئيسية من أجل الوصول إلى المجمع.

لكي يتمكن المجمع من جمع الوسائط التي تمر عبر القاعدة بشكل كامل، يحاولون جعلها أوسع.

مبدأ تشغيل الترانزستور

دعونا نلقي نظرة على مثال الترانزستور p-n-p.

في غياب الفولتية الخارجية، يتم إنشاء فرق الجهد بين الطبقات. يتم تثبيت الحواجز المحتملة عند المعابر. علاوة على ذلك، إذا كان عدد الثقوب في الباعث والمجمع هو نفسه، فإن الحواجز المحتملة ستكون بنفس العرض.

لكي يعمل الترانزستور بشكل صحيح، يجب أن تكون وصلة الباعث منحازة للأمام، ويجب أن تكون وصلة المجمع منحازة عكسيًا.. سيتوافق هذا مع الوضع النشط لتشغيل الترانزستور. ولإجراء مثل هذا الارتباط، هناك حاجة إلى مصدرين. يتم توصيل منبع الجهد Ue بالقطب الموجب للباعث، والقطب السالب بالقاعدة. يتم توصيل مصدر الجهد Uk بالقطب السالب بالمجمع والقطب الموجب بالقاعدة. علاوة على ذلك، إي< Uк.

تحت تأثير الجهد Ue، يكون تقاطع الباعث متحيزًا في الاتجاه الأمامي. وكما هو معروف، عندما يكون انتقال ثقب الإلكترون منحازا للأمام، فإن المجال الخارجي يتجه عكس مجال الانتقال وبالتالي يقلله. تبدأ ناقلات الأغلبية بالمرور خلال الفترة الانتقالية؛ يوجد في الباعث 1-5 ثقوب، وفي القاعدة 7-8 إلكترونات. وبما أن عدد الثقوب الموجودة في الباعث أكبر من عدد الإلكترونات الموجودة في القاعدة، فإن تيار الباعث يرجع إليها بشكل أساسي.

تيار الباعث هو مجموع مكون الثقب لتيار الباعث والمكون الإلكتروني للقاعدة.

نظرًا لأن مكون الثقب فقط هو المفيد، فقد حاولوا جعل المكون الإلكتروني صغيرًا قدر الإمكان. السمة النوعية لتقاطع الباعث هي نسبة الحقن.

يحاولون تقريب معامل الحقن إلى 1.

تتراكم الثقوب 1-5 التي مرت داخل القاعدة عند حدود تقاطع الباعث. وبالتالي، يتم إنشاء تركيز عالٍ من الثقوب بالقرب من الباعث وتركيز منخفض بالقرب من تقاطع المجمع، ونتيجة لذلك تبدأ حركة انتشار الثقوب من الباعث إلى تقاطع المجمع. لكن بالقرب من الوصلة المجمعة يبقى تركيز الثقب صفراً، لأنه بمجرد وصول الثقوب إلى الوصلة يتم تسريعها بواسطة مجالها الداخلي ويتم استخراجها (سحبها) إلى المجمع. يتم صد الإلكترونات بواسطة هذا المجال.

أثناء عبور الثقوب للطبقة الأساسية، فإنها تتحد مرة أخرى مع الإلكترونات الموجودة هناك، على سبيل المثال، مثل الثقب 5 والإلكترون 6. وبما أن الثقوب تأتي باستمرار، فإنها تخلق شحنة موجبة زائدة، لذلك يجب أن تدخل الإلكترونات أيضًا، والتي يتم سحبها من خلال محطة القاعدة وتشكيل قاعدة Ibr الحالية. هذا شرط مهم لتشغيل الترانزستور - يجب أن يكون تركيز الثقوب في القاعدة مساوياً تقريباً لتركيز الإلكترونات.بعبارة أخرى يجب ضمان الحياد الكهربائي للقاعدة.

يكون عدد الثقوب التي تصل إلى المجمع أقل من عدد الثقوب الخارجة من الباعث بمقدار الثقوب المعاد تجميعها في القاعدة. إنه، ويختلف تيار المجمع عن تيار الباعث بمقدار تيار القاعدة.

من هنا يظهر معامل النقلشركات النقل، والتي يحاولون أيضًا تقريبها من 1.

يتكون تيار المجمع للترانزستور من مكون الثقب Icr وتيار المجمع العكسي.

ينشأ تيار المجمع العكسي نتيجة للانحياز العكسي لوصلة المجمع، لذلك فهو يتكون من حاملات أقلية للثقب 9 والإلكترون 10. وعلى وجه التحديد لأن التيار العكسي يتكون من حاملات الأقلية، فإنه يعتمد فقط على عملية التوليد الحراري، أي على درجة الحرارة. ولذلك يطلق عليه في كثير من الأحيان التيار الحراري.

تعتمد جودة الترانزستور على حجم التيار الحراري؛ فكلما كان أصغر، كان الترانزستور أفضل.

يتم توصيل تيار المجمع بالباعث معامل النقل الحالي.

يمكن تمثيل التيارات في الترانزستور على النحو التالي

ذات مرة كان يسمى جهاز استقبال الراديو الترانزستور، ولكن في مقالتنا لن نتحدث عن جهاز استقبال الراديو. إذن ما هو الترانزستور وكيف يعمل؟

هناك فئة من المواد تسمى أشباه الموصلات لخصائصها. السمة المميزة لها هي الموصلية - يمكن أن تكون موصلة للتيار الكهربائي وعوازل كهربائية، أي. عوازل ولا توصل التيار الكهربائي .

هذه هي المادة المستخدمة في صنع الترانزستور، والذي يستخدم على نطاق واسع في الصناعة ويعمل كأساس لجميع الأجهزة الإلكترونية الحديثة تقريبًا.

ودون التطرق إلى تكنولوجيا التصنيع وأنواع الترانزستورات وتطبيقاتها، نلاحظ ببساطة أن هناك ترانزستورات بأنواعها المختلفة، على سبيل المثال ترانزستور npn. وقد حصلت على هذا الاسم بسبب المادة المستخدمة ونوع الموصلية. ما قيل يكفي الآن ولن نخوض في تكنولوجيا التصنيع وتنوع الترانزستورات الآن.

كيف يعمل الترانزستور؟ إنه مصمم للتحكم في التيار الكهربائي، ويتم تصنيعه هيكليًا في علبة معدنية أو بلاستيكية وله ثلاثة أطراف، تسمى الباعث، والقاعدة، والمجمع. ويشير اسم الأطراف بالفعل إلى الغرض منها: فالباعث يبعث الإلكترونات، والقاعدة تتحكم فيها، والمجمع يجمعها. كل هذه العمليات تحدث داخل الترانزستور.

لفهم كيفية عمل الترانزستور، فكر في مثال أبسط بكثير - صنبور الماء.

كما أن لديها ثلاثة منافذ - أحدهما يتدفق منه الماء إلى الصنبور، والآخر حيث يتدفق من الصنبور، والثالث عبارة عن صمام يتحكم في تشغيل الصنبور. عندما يكون الصمام مفتوحًا، يتدفق الماء بحرية عبر الصنبور؛ وعندما يكون الصمام مغلقًا، لا يتدفق الماء. هذا تقليد لأحد الخيارات لكيفية عمل الترانزستور. يسمى وضع التشغيل هذا بالوضع الرئيسي - الترانزستور مفتوح - يتسرب أو مغلق، ولا يتدفق التيار. لفتح الترانزستور، يتم تطبيق الجهد على القاعدة، إذا كان هناك جهد، فإن الترانزستور مفتوح، وإذا لم يكن كذلك، فهو مغلق. كل شيء يحدث كما لو كان مفتوحًا - يتدفق الماء والصمام مغلق - لا يوجد ماء.

تمت مناقشة تشغيل الترانزستور أعلاه عند استخدامه كمفتاح: إما مغلقًا أو مفتوحًا. ومع ذلك، هناك طرق أخرى للتشغيل. دعونا ننظر إلى صنبور الماء مرة أخرى كمثال. إذا فتحنا الصمام قليلاً، فسوف يتدفق الماء من الصنبور باستمرار، وسيتم تحديد ضغط الماء حسب المسافة التي نفتحها الصنبور.

الترانزستور لديه نفس وضع التشغيل تقريبًا. يتم تطبيق الجهد على قاعدته، فإنه ينفتح، ويتدفق التيار من خلاله. من خلال تغيير الجهد عند القاعدة، يمكنك تنظيم كمية التيار الذي يمر عبر الترانزستور. تشبيه كامل لموضع الصمام الموجود على الصنبور: أكثر انفتاحًا - المزيد من تدفقات المياه (أي التيار للترانزستور) ؛ أقل انفتاحًا - تدفقات مياه أقل (التيار للترانزستور). يُطلق على وضع تشغيل الترانزستور هذا اسم التضخيم ، عندما يكون من الممكن ، باستخدام جهد صغير مطبق على القاعدة ، التحكم في تيار كبير تمت إزالته من المجمع.

في الختام، تجدر الإشارة إلى أن الترانزستورات يمكن أن تكون من أنواع مختلفة، كل شيء يتحدد حسب المواد المستخدمة في التصنيع. يمكن أن تختلف في القوة ويمكنها التحكم في تدفقات كبيرة من التيار الكهربائي وتمريرها. يمكن أن تكون الترانزستورات ذات تصميمات مختلفة. هناك أوضاع تشغيل أخرى للترانزستورات تختلف عن تلك التي تمت مناقشتها. لكن الفكرة الأساسية لكيفية عمل الترانزستور مذكورة أعلاه.

كل ما هو مذكور تقريبي، لكنه يسمح لك بفهم عمل الترانزستور. في الواقع، تشغيل الترانزستور أكثر تعقيدًا بكثير. هناك معلمات خاصة يمكنك من خلالها حساب وتعيين وضع التشغيل المطلوب باستخدام الصيغ، ولكن هذا موضوع مختلف تمامًا للمحادثة ولمقالة أخرى.