ترانزستور ثنائي القطب

الترانزستور ثنائي القطب ( BJT ) هو نوع من الترانزستورات يستخدم كلاً من الإلكترونات والفجوات الإلكترونية كناقلات للشحنة . في المقابل، يستخدم الترانزستور أحادي القطب، مثل ترانزستور تأثير المجال (FET)، نوعًا واحدًا فقط من ناقلات الشحنة. يسمح الترانزستور ثنائي القطب بحقن تيار صغير عند أحد طرفيه للتحكم في تيار أكبر بكثير بين الطرفين المتبقيين، مما يجعل الجهاز قادرًا على التضخيم أو التبديل .

تستخدم الترانزستورات ثنائية القطبية (BJTs) وصلتين من نوع p-n بين نوعين من أشباه الموصلات ، النوع n والنوع p، وهما منطقتان في بلورة أحادية . يمكن تصنيع هذه الوصلات بعدة طرق، منها تغيير نسبة التشويب في مادة أشباه الموصلات أثناء نموها، أو بترسيب حبيبات معدنية لتكوين وصلات من السبائك، أو بطرق أخرى مثل نشر مواد التشويب من النوع n والنوع p داخل البلورة. وقد حلت الترانزستورات ثنائية القطبية، بفضل قدرتها الفائقة على التنبؤ وأدائها المتميز، محل الترانزستورات التقليدية ذات التلامس النقطي بسرعة . وتُعد الترانزستورات المنتشرة، إلى جانب مكونات أخرى، عناصر أساسية في الدوائر المتكاملة للوظائف التناظرية والرقمية. ويمكن تصنيع مئات الترانزستورات ثنائية القطبية في دائرة واحدة بتكلفة منخفضة للغاية.

كانت الدوائر المتكاملة ثنائية القطبية هي المكونات النشطة الرئيسية في جيل من الحواسيب المركزية والحواسيب الصغيرة ، لكن أنظمة الحاسوب تستخدم الآن دوائر متكاملة بتقنية أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة التكميلية ( CMOS ) التي تعتمد على ترانزستور تأثير المجال (FET). ولا تزال الترانزستورات ثنائية القطبية تُستخدم لتضخيم الإشارات، والتبديل، وفي الدوائر المتكاملة للإشارات المختلطة باستخدام تقنية BiCMOS . وتُستخدم أنواع متخصصة منها للمفاتيح ذات الجهد والتيار العاليين، أو لمضخمات الترددات الراديوية (RF).

تم اختراع الترانزستور ثنائي القطب ذي نقطة التلامس في ديسمبر 1947 ^{[ 1 ]} في مختبرات بيل للهواتف على يد جون باردين ووالتر براتين تحت إشراف ويليام شوكلي . أما نسخة الوصلة، المعروفة باسم ترانزستور الوصلة ثنائي القطب (BJT)، والتي اخترعها شوكلي عام 1948 ^{[ 2 ]،} فقد كانت الخيار الأمثل في تصميم الدوائر المنفصلة والمتكاملة لثلاثة عقود .

توجد الترانزستورات ثنائية القطبية (BJTs) بنوعين: PNP وNPN، وذلك بناءً على أنواع التطعيم في المناطق الطرفية الرئيسية الثلاث. يتكون ترانزستور NPN من وصلتين شبه موصلتين تشتركان في منطقة رقيقة مطعمة بنوع p، بينما يتكون ترانزستور PNP من وصلتين شبه موصلتين تشتركان في منطقة رقيقة مطعمة بنوع n. يشير النوع N إلى التطعيم بشوائب (مثل الفوسفور أو الزرنيخ ) التي توفر إلكترونات متحركة، بينما يشير النوع p إلى التطعيم بشوائب (مثل البورون ) التي توفر فجوات تستقبل الإلكترونات بسهولة.

ينتج تدفق الشحنة في الترانزستور ثنائي القطبية (BJT) عن انتشار حاملات الشحنة ( الإلكترونات والفجوات) عبر وصلة بين منطقتين مختلفتين في تركيز حاملات الشحنة. تُسمى مناطق الترانزستور ثنائي القطبية: الباعث ، والقاعدة ، والمجمع . ^{[ أ ]} يحتوي الترانزستور المنفصل على ثلاثة أطراف للتوصيل بهذه المناطق. عادةً ما تكون منطقة الباعث مُطعّمة بكثافة عالية مقارنةً بالطبقتين الأخريين، بينما يكون المجمع مُطعّمًا بكثافة أقل (عادةً أقل بعشر مرات ^{[ 21 ]} ) من القاعدة. بحسب التصميم، فإن معظم تيار مجمع الترانزستور ثنائي القطبية ناتج عن تدفق حاملات الشحنة المحقونة من الباعث المُطعّم بكثافة عالية إلى القاعدة، حيث تكون حاملات أقلية (إلكترونات في ترانزستورات NPN، وفجوات في ترانزستورات PNP) تنتشر باتجاه المجمع، ولذلك تُصنف الترانزستورات ثنائية القطبية كأجهزة حاملات أقلية .

في الوضع التشغيلي المعتاد، يكون وصلة القاعدة-الباعث منحازة انحيازًا أماميًا ، ما يعني أن الجانب المُطعّم بالنوع p من الوصلة يكون عند جهد موجب أعلى من الجانب المُطعّم بالنوع n، بينما تكون وصلة القاعدة-المجمع منحازة انحيازًا عكسيًا . عند تطبيق الانحياز الأمامي على وصلة القاعدة-الباعث، يختل التوازن بين حاملات الشحنة المتولدة حراريًا والمجال الكهربائي التنافري لمنطقة استنزاف الباعث . يسمح هذا لحاملات الشحنة المُثارة حراريًا (الإلكترونات في بلورات NPN، والفجوات في بلورات PNP) بالانتقال من الباعث إلى منطقة القاعدة. تُولّد هذه الحاملات تيار انتشار عبر القاعدة من منطقة التركيز العالي بالقرب من الباعث نحو منطقة التركيز المنخفض بالقرب من المجمع.

لتقليل نسبة حاملات الشحنة التي تتحد قبل الوصول إلى وصلة القاعدة-المجمع، يجب أن تكون منطقة قاعدة الترانزستور رقيقة بما يكفي لتتمكن حاملات الشحنة من الانتشار عبرها في وقت أقل بكثير من عمر حاملات الشحنة الأقلية في أشباه الموصلات. ويضمن وجود قاعدة مطعّمة بشكل خفيف انخفاض معدلات إعادة التركيب. وعلى وجه الخصوص، يجب أن يكون سمك القاعدة أقل بكثير من طول انتشار حاملات الشحنة. تكون وصلة القاعدة-المجمع منحازة عكسيًا، وبالتالي يكون حقن حاملات الشحنة من المجمع إلى القاعدة ضئيلاً، ولكن حاملات الشحنة التي تُحقن في القاعدة من الباعث، وتنتشر لتصل إلى منطقة استنزاف القاعدة-المجمع، تُجرف إلى المجمع بواسطة المجال الكهربائي في منطقة الاستنزاف. إن القاعدة المشتركة الرقيقة والتطعيم غير المتماثل بين الباعث والمجمع هما ما يميزان الترانزستور ثنائي القطب عن ثنائيين منفصلين موصولين على التوالي.

يتكون الترانزستور ثنائي القطبية (BJT) من ثلاث مناطق شبه موصلة ذات تطعيمات مختلفة: منطقة الباعث ، ومنطقة القاعدة ، ومنطقة المجمع . هذه المناطق هي، على التوالي، من النوع p ، والنوع n ، والنوع p في ترانزستور PNP، ومن النوع n ، والنوع p ، والنوع n في ترانزستور NPN. كل منطقة شبه موصلة متصلة بطرف، مُسمى بشكل مناسب: الباعث (E)، والقاعدة (B)، والمجمع (C).

تقع القاعدة فعليًا بين الباعث والمجمع ، وهي مصنوعة من مادة ذات مقاومة عالية ومطعمة بمستويات منخفضة. يحيط المجمع بمنطقة الباعث، مما يجعل من شبه المستحيل على الإلكترونات المحقونة في منطقة القاعدة أن تتسرب دون أن يتم تجميعها، وبالتالي تكون قيمة α الناتجة قريبة جدًا من الواحد، مما يُعطي الترانزستور قيمة β كبيرة. يُظهر المقطع العرضي لترانزستور ثنائي القطبية أن مساحة وصلة المجمع-القاعدة أكبر بكثير من مساحة وصلة الباعث-القاعدة.

يختلف الترانزستور ثنائي القطبية عن الترانزستورات الأخرى في كونه غير متناظر. وهذا يعني أن تبديل قطبي الجامع والباعث يُخرج الترانزستور من وضع التشغيل الأمامي النشط ويبدأ العمل في الوضع العكسي. ولأن البنية الداخلية للترانزستور مُحسَّنة عادةً للعمل في الوضع الأمامي، فإن تبديل قطبي الجامع والباعث يجعل قيمتي α و β في الوضع العكسي أصغر بكثير من قيمتيهما في الوضع الأمامي؛ وغالبًا ما تكون قيمة α في الوضع العكسي أقل من 0.5. ويعود عدم التناظر أساسًا إلى نسب التطعيم في الباعث والجامع. فالباعث مُطعَّم بكثافة عالية، بينما الجامع مُطعَّم بكثافة منخفضة، مما يسمح بتطبيق جهد انحياز عكسي كبير قبل انهيار وصلة الجامع-القاعدة. وتكون وصلة الجامع-القاعدة منحازة عكسيًا في التشغيل العادي. والسبب في تطعيم الباعث بكثافة عالية هو زيادة كفاءة حقن الباعث: أي نسبة حاملات الشحنة المحقونة من الباعث إلى تلك المحقونة من القاعدة. للحصول على كسب تيار عالٍ، يجب أن تأتي معظم حاملات الشحنة المحقونة في وصلة الباعث-القاعدة من الباعث.

يتم أحيانًا تصميم الترانزستورات ثنائية القطب "الجانبية" منخفضة الأداء المستخدمة في الدوائر المتكاملة ثنائية القطب و MOS بشكل متناظر، أي بدون فرق بين التشغيل الأمامي والخلفي.

تؤدي التغيرات الطفيفة في الجهد المطبق على طرفي القاعدة والباعث إلى تغير ملحوظ في التيار بين الباعث والمجمع . ويمكن استغلال هذه الظاهرة لتضخيم جهد أو تيار الدخل. يمكن اعتبار الترانزستورات ثنائية القطبية مصادر تيار يتم التحكم فيها بالجهد ، ولكن يُفضل وصفها بأنها مصادر تيار يتم التحكم فيها بالتيار، أو مضخمات تيار، نظرًا لانخفاض المعاوقة عند القاعدة.

كانت الترانزستورات الأولى تُصنع من الجرمانيوم، لكن معظم الترانزستورات ثنائية القطبية الحديثة تُصنع من السيليكون . كما تُصنع نسبة كبيرة منها الآن من زرنيخيد الغاليوم ، خاصةً للتطبيقات عالية السرعة جدًا (انظر الترانزستور ثنائي القطبية غير المتجانس، أدناه).

يُعد الترانزستور ثنائي القطب ذو الوصلة غير المتجانسة (HBT) نسخةً مطورةً من الترانزستور ثنائي القطب (BJT)، وهو قادر على معالجة إشارات ذات ترددات عالية جدًا تصل إلى عدة مئات من الجيغاهرتز . ويُستخدم بكثرة في الدوائر فائقة السرعة الحديثة، وخاصةً أنظمة الترددات الراديوية. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

يُعدّ كلٌّ من السيليكون-الجرمانيوم وألومنيوم-غاليوم أرسينيد من أكثر أنواع الترانزستورات ثنائية القطبية غير المتجانسة (HBTs) شيوعًا، مع إمكانية استخدام مجموعة واسعة من أشباه الموصلات في بنية HBT. وتُنمّى هياكل HBT عادةً بتقنيات الترسيب الطبقي مثل الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني (MOCVD) والترسيب الجزيئي الشعاعي (MBE) .

تحتوي الترانزستورات ثنائية القطب على أربع مناطق تشغيل متميزة، يتم تحديدها بواسطة انحيازات وصلة BJT: ^{[ 28 ] [ 29 ]}

نشط للأمام (أو ببساطة نشط )

يكون وصلة القاعدة-الباعث منحازة انحيازًا أماميًا، بينما تكون وصلة القاعدة-المجمع منحازة انحيازًا عكسيًا. تُصمَّم معظم الترانزستورات ثنائية القطبية لتحقيق أعلى كسب تيار للباعث المشترك، βF _، في وضع التشغيل الأمامي. في هذه الحالة، يكون تيار المجمع-الباعث متناسبًا تقريبًا مع تيار القاعدة، ولكنه أكبر منه بكثير عند تغيرات طفيفة في تيار القاعدة.

عكسي النشاط (أو معكوس النشاط أو معكوس )

بعكس ظروف الانحياز في منطقة التشغيل الأمامي، ينتقل الترانزستور ثنائي القطب إلى وضع التشغيل العكسي. في هذا الوضع، تتبادل منطقتا الباعث والمجمع الأدوار. ولأن معظم الترانزستورات ثنائية القطب مصممة لزيادة كسب التيار إلى أقصى حد في وضع التشغيل الأمامي، فإن معامل التضخيم βF _في وضع التشغيل العكسي يكون أصغر بعدة مرات (2-3 مرات للترانزستور الجرمانيوم العادي). نادرًا ما يُستخدم هذا الوضع، وعادةً ما يُؤخذ في الاعتبار فقط في حالات الأمان من الأعطال وبعض أنواع المنطق ثنائي القطب . قد يكون جهد انهيار الانحياز العكسي للقاعدة أقل بعشر مرات في هذه المنطقة.

التشبع

عندما يكون كلا الوصلتين منحازتين انحيازًا أماميًا، يكون الترانزستور ثنائي القطبية في وضع التشبع، مما يُسهّل توصيل تيار عالٍ من الباعث إلى المُجمِّع (أو في الاتجاه المعاكس في حالة الترانزستور ثنائي القطبية من نوع NPN، حيث تتدفق حاملات الشحنة السالبة من الباعث إلى المُجمِّع). يتوافق هذا الوضع مع حالة "تشغيل" منطقية، أو مفتاح مغلق.

قطع

في حالة القطع، تتواجد ظروف انحياز معاكسة لظروف التشبع (انحياز عكسي لكلا الوصلتين). يكون التيار ضئيلاً للغاية، وهو ما يتوافق مع حالة "إيقاف" منطقية، أو مفتاح مفتوح.

خصائص الإدخال

خصائص الإخراج

خصائص الإدخال والإخراج لمضخم ترانزستور السيليكون ذي القاعدة المشتركة.

على الرغم من أن هذه المناطق محددة بوضوح عند تطبيق جهد كبير بما فيه الكفاية، إلا أنها تتداخل إلى حد ما عند تطبيق جهد صغير (أقل من بضع مئات من الميليفولتات). على سبيل المثال، في التكوين النموذجي للباعث المؤرض لترانزستور ثنائي القطبية من نوع NPN المستخدم كمفتاح سحب لأسفل في الدوائر المنطقية الرقمية، لا تتضمن حالة "الإيقاف" وصلة منحازة عكسيًا أبدًا لأن جهد القاعدة لا ينخفض ​​أبدًا عن الصفر؛ ومع ذلك، فإن الانحياز الأمامي قريب بما يكفي من الصفر بحيث لا يمر تيار تقريبًا، لذا يمكن اعتبار هذه النهاية من منطقة التشغيل الأمامي منطقة قطع.

ترانزستورات الوضع النشط في الدوائر

يوضح الرسم التخطيطي تمثيلًا تخطيطيًا لترانزستور NPN موصول بمصدرَي جهد. (ينطبق الوصف نفسه على ترانزستور PNP مع عكس اتجاه تدفق التيار والجهد المطبق). يتسبب هذا الجهد المطبق في انحياز الوصلة p-n السفلية انحيازًا أماميًا، مما يسمح بتدفق الإلكترونات من الباعث إلى القاعدة. في الوضع النشط، يتسبب المجال الكهربائي الموجود بين القاعدة والمجمع (الناتج عن VCE ) في عبور غالبية هذه الإلكترونات الوصلة p-n العلوية إلى المجمع لتكوين تيار المجمع I_{_C} . أما الإلكترونات المتبقية فتتحد مع الفجوات، وهي حاملات الشحنة الرئيسية في القاعدة، مما يُشكل تيارًا عبر وصلة القاعدة لتكوين تيار القاعدة I_{_B} . كما هو موضح في الرسم التخطيطي، فإن تيار الباعث I _{_E} هو تيار الترانزستور الكلي، وهو مجموع تيارات الأطراف الأخرى (أي I_{_E} = I_{_B} + I_{_C} ).    

في الرسم التخطيطي، تشير الأسهم التي تمثل التيار إلى اتجاه التيار التقليدي  ، بينما يكون تدفق الإلكترونات في الاتجاه المعاكس للأسهم لأن الإلكترونات تحمل شحنة كهربائية سالبة . في الوضع النشط، تُسمى نسبة تيار المُجمِّع إلى تيار القاعدة بكسب التيار المستمر . عادةً ما يكون هذا الكسب 100 أو أكثر، ولكن تصميمات الدوائر المتينة لا تعتمد على القيمة الدقيقة (انظر على سبيل المثال مُضخِّم العمليات ). تُعرف قيمة هذا الكسب لإشارات التيار المستمر بـ${\displaystyle h_{\text{FE}}}$وتُعرف قيمة هذا الكسب للإشارات الصغيرة باسم${\displaystyle h_{\text{fe}}}$أي عندما يحدث تغيير طفيف في التيارات، ويمر وقت كافٍ حتى تصل الحالة الجديدة إلى حالة مستقرة${\displaystyle h_{\text{fe}}}$هي نسبة التغير في تيار المجمع إلى التغير في تيار القاعدة. الرمز${\displaystyle \beta }$يستخدم لكليهما${\displaystyle h_{\text{FE}}}$و${\displaystyle h_{\text{fe}}}$[ ^{22 ] : 62-66​}

يرتبط تيار الباعث بـ${\displaystyle V_{\text{BE}}}$بشكل أُسّي. عند درجة حرارة الغرفة ، يزداد في${\displaystyle V_{\text{BE}}}$يؤدي زيادة التيار بمقدار 60 مللي فولت تقريبًا  إلى زيادة تيار الباعث بمقدار 10 أضعاف. ولأن تيار القاعدة يتناسب تقريبًا مع تيارات المجمع والباعث، فإنها تتغير بنفس الطريقة.

يمكن اعتبار الترانزستور ثنائي القطبية (BJT) بمثابة ثنائيين (وصلات p-n) يشتركان في منطقة مشتركة تسمح بمرور حاملات الشحنة الأقلية. يعمل ترانزستور PNP ثنائي القطبية كثنائيين يشتركان في منطقة كاثود من النوع N، بينما يعمل ترانزستور NPN كثنائيين يشتركان في منطقة أنود من النوع P. توصيل ثنائيين بأسلاك لا يُنتج ترانزستورًا ثنائي القطبية، لأن حاملات الشحنة الأقلية لن تتمكن من الانتقال من وصلة p-n إلى الأخرى عبر السلك.

يعمل كلا نوعي الترانزستور ثنائي القطبية (BJT) عن طريق السماح لتيار صغير مُدخل إلى القاعدة بالتحكم في خرج مُضخّم من المُجمّع. والنتيجة هي أن الترانزستور ثنائي القطبية يُشكّل مفتاحًا جيدًا يتم التحكم فيه بواسطة مدخل القاعدة. كما يُعدّ مُضخّمًا جيدًا، حيث يُمكنه مُضاعفة إشارة دخل ضعيفة إلى حوالي 100 ضعف قوتها الأصلية. تُستخدم شبكات الترانزستورات ثنائية القطبية لصنع مُضخّمات قوية ذات تطبيقات مُتعددة.

في المناقشة أدناه، ينصب التركيز على الترانزستور ثنائي القطبية من نوع NPN. في ما يسمى بالوضع النشط، يكون جهد القاعدة-الباعث${\displaystyle V_{\text{BE}}}$والجهد بين الجامع والقاعدة${\displaystyle V_{\text{CB}}}$تكون هذه الشحنات موجبة، حيث تُؤدي إلى انحياز أمامي لوصلة الباعث-القاعدة وانحياز عكسي لوصلة المُجمِّع-القاعدة. في هذا الوضع، تُحقن الإلكترونات من منطقة الباعث من النوع n المنحازة أمامياً إلى القاعدة من النوع p، حيث تنتشر كحاملات شحنة ثانوية إلى المُجمِّع من النوع n المنحاز عكسياً، ثم تُجرفها المجال الكهربائي في وصلة المُجمِّع-القاعدة المنحازة عكسياً.

للاطلاع على مثال توضيحي للانحياز الأمامي والعكسي، انظر إلى ثنائيات أشباه الموصلات .

نماذج الإشارات الكبيرة

في عام 1954، قدم جويل جيمس إيبرز وجون إل مول نموذجهما الرياضي لتيارات الترانزستور: ^{[ 30 ]}

نموذج إيبرز-مول

يتم تمثيل تيارات الباعث والمجمع المستمر في الوضع النشط بشكل جيد من خلال تقريب نموذج إيبرز-مول:

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

ينتج التيار الداخلي الأساسي بشكل رئيسي عن 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

• ${\displaystyle V_{\text{T}}}$الجهد الحراري${\displaystyle kT/q}$(حوالي 26  ملي فولت عند 300  كلفن ≈ درجة حرارة الغرفة).
• ${\displaystyle I_{\text{E}}}$تيار الباعث
• ${\displaystyle I_{\text{C}}}$تيار المجمع
• ${\displaystyle \alpha _{\text{F}}}$هو كسب التيار الأمامي المشترك للدائرة القصيرة (0.98 إلى 0.998)
• ${\displaystyle I_{\text{ES}}}$يمثل تيار التشبع العكسي لثنائي القاعدة-الباعث (في حدود 10−15 ^إلى 10−12 ^أمبير )
• ${\displaystyle V_{\text{BE}}}$هو جهد القاعدة-الباعث
• ${\displaystyle D_{n}}$يمثل ثابت الانتشار للإلكترونات في القاعدة من النوع p
• W هو عرض القاعدة

ال${\displaystyle \alpha }$وإلى الأمام${\displaystyle \beta }$المعايير كما هو موضح سابقًا. عكس${\displaystyle \beta }$يتم تضمينها أحيانًا في النموذج.

تُعطى أدناه معادلات إيبرز - مول غير التقريبية المستخدمة لوصف التيارات الثلاثة في أي منطقة تشغيل. وتستند هذه المعادلات إلى نموذج النقل لترانزستور ثنائي القطب. ^{[ 32 ]}

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

أين

• ${\displaystyle i_{\text{C}}}$تيار المجمع
• ${\displaystyle i_{\text{B}}}$التيار الأساسي
• ${\displaystyle i_{\text{E}}}$تيار الباعث
• ${\displaystyle \beta _{\text{F}}}$يمثل كسب التيار الأمامي للباعث المشترك (من 20 إلى 500)
• ${\displaystyle \beta _{\text{R}}}$هو كسب التيار العكسي للباعث المشترك (من 0 إلى 20)
• ${\displaystyle I_{\text{S}}}$وهو تيار التشبع العكسي (في حدود 10−15 ^إلى 10−12 ^أمبير )
• ${\displaystyle V_{\text{T}}}$وهو الجهد الحراري (حوالي 26  ملي فولت عند 300 كلفن ≈ درجة حرارة الغرفة).
• ${\displaystyle V_{\text{BE}}}$هو جهد القاعدة-الباعث
• ${\displaystyle V_{\text{BC}}}$هو جهد القاعدة-المجمع

تعديل عرض القاعدة

عندما يكون جهد القاعدة-المجمع (${\displaystyle V_{\text{CB}}=V_{\text{CE}}-V_{\text{BE}}}$مع تغير الجهد، يتغير حجم منطقة استنزاف القاعدة-المجمع. فعلى سبيل المثال، تؤدي زيادة جهد القاعدة-المجمع إلى زيادة الانحياز العكسي عبر وصلة القاعدة-المجمع، مما يزيد من عرض منطقة استنزاف القاعدة-المجمع، ويقلل من عرض القاعدة. ويُطلق على هذا التغير في عرض القاعدة غالبًا اسم تأثير إيرلي نسبةً إلى مكتشفه جيمس إم. إيرلي .

يؤدي تضييق عرض القاعدة إلى نتيجتين:

• هناك فرصة أقل لإعادة التركيب داخل المنطقة الأساسية "الأصغر".
• يزداد تدرج الشحنة عبر القاعدة، وبالتالي يزداد تيار حاملات الشحنة الأقلية المحقونة عبر وصلة الباعث.

كلا العاملين يزيدان من تيار المجمع أو "تيار الخرج" للترانزستور استجابة لزيادة جهد المجمع-القاعدة.

اختراق

عندما يصل جهد القاعدة-المجمع إلى قيمة معينة (خاصة بالجهاز)، تلتقي حدود منطقة استنزاف القاعدة-المجمع بحدود منطقة استنزاف القاعدة-الباعث. في هذه الحالة، يفقد الترانزستور فعليًا قاعدته، وبالتالي يفقد الجهاز كل كسبه.

نموذج التحكم في الشحنة غوميل-بون

يُعد نموذج غوميل-بون ^{[ 33 ]} نموذجًا تفصيليًا للتحكم في الشحنة لديناميكيات الترانزستور ثنائي القطبية، وقد تم اعتماده وتطويره من قبل باحثين آخرين لشرح ديناميكيات الترانزستور بتفصيل أكبر من النماذج القائمة على الأطراف عادةً. ^{[ 34 ]} يتضمن هذا النموذج أيضًا اعتماد الترانزستور${\displaystyle \beta }$-القيم على مستويات التيار المستمر في الترانزستور، والتي يُفترض أنها مستقلة عن التيار في نموذج إيبرز-مول. ^{[ 35 ]}

نماذج الإشارات الصغيرة

نموذج باي الهجين

يُعدّ نموذج باي الهجين نموذجًا شائعًا للدوائر الكهربائية ، ويُستخدم لتحليل سلوك الإشارات الصغيرة والتيار المتردد في الترانزستورات ثنائية القطبية وترانزستورات تأثير المجال . ويُعرف أحيانًا بنموذج جياكوليتو نسبةً إلى إل جيه جياكوليتو الذي قدّمه عام 1969. يتميّز هذا النموذج بدقة عالية في دوائر الترددات المنخفضة، ويمكن تكييفه بسهولة مع دوائر الترددات العالية بإضافة سعات مناسبة بين الأقطاب الكهربائية وعناصر طفيلية أخرى.

نموذج المعاملات h

يُعدّ نموذج المعامل h ، المعروف أيضًا بالنموذج الهجين المكافئ، نموذجًا شائع الاستخدام لتحليل دوائر الترانزستور ثنائي القطبية (BJT). وهو يرتبط ارتباطًا وثيقًا بنموذج باي الهجين ونموذج المنفذين ذي المعامل y ، ولكنه يستخدم تيار الدخل وجهد الخرج كمتغيرات مستقلة، بدلًا من جهدي الدخل والخرج. تُناسب هذه الشبكة ثنائية المنافذ الترانزستورات ثنائية القطبية بشكل خاص، إذ تُسهّل تحليل سلوك الدائرة، ويمكن استخدامها لتطوير نماذج أكثر دقة. كما هو موضح، يُمثّل الرمز x في النموذج طرفًا مختلفًا من أطراف الترانزستور ثنائي القطبية، وذلك تبعًا للطوبولوجيا المستخدمة. في وضع الباعث المشترك، تأخذ الرموز المختلفة القيم المحددة التالية:

• المبنى رقم 1، القاعدة
• المحطة 2، المجمع
• الطرفية 3 (المشتركة)، باعث؛ مما يجعل x هو e
• التيار الأساسي ( i _b )
• _تيار المجمع ( ic ₎​
• V _in ، جهد القاعدة إلى الباعث ( V _BE )
• V _o ، جهد الجامع إلى الباعث ( V _CE )

ويتم إعطاء معاملات h كما يلي:

• h _ix = h _ie بالنسبة لتكوين الباعث المشترك، فإن مقاومة الإدخال للترانزستور (المقابلة لمقاومة القاعدة r _pi ).
• h _{_rx} = h _{_re} ، وهي علاقة نقل عكسية ، تمثل اعتماد منحنى I_{_B} – V _{_BE} للترانزستور (المدخل) على قيمة V_{_CE} (المخرج) . عادةً ما تكون هذه القيمة صغيرة جدًا، وغالبًا ما يتم إهمالها (بافتراض أنها تساوي صفرًا) عند التيار المستمر.
• h _fx = h _fe ، وهو كسب التيار الأمامي للترانزستور، ويُكتب أحيانًا h _21. هذه المعلمة، التي تُكتب بحروف صغيرة "fe" للدلالة على كسب الإشارة الصغيرة (AC)، أو بحروف كبيرة "FE" (يُشار إليها بـ h _FE ) للدلالة على كسب الإشارة الكبيرة أو كسب التيار المستمر ( β _DC أو غالبًا β فقط )، هي إحدى المعلمات الرئيسية في جداول البيانات، ويمكن تحديدها لتيار وجهد جامع نموذجيين أو رسمها كدالة لتيار الجامع. انظر أدناه.
• h _{_ox} = 1/ h_{_oe} ، وهي معاوقة خرج الترانزستور. عادةً ما يُمثل المعامل h _{_oe} مُعامل السماحية لخرج الترانزستور ثنائي القطب، ويجب عكسه لتحويله إلى معاوقة.

كما هو موضح، تحمل معاملات h رموزًا سفلية صغيرة، مما يدل على ظروف أو تحليلات التيار المتردد. أما في ظروف التيار المستمر، فتُحدد هذه المعاملات بأحرف كبيرة. في بنية الباعث المشترك، يُستخدم عادةً نموذج تقريبي لمعاملات h، مما يُبسط تحليل الدائرة. ولذلك، يتم إهمال _{المعاملين} hoe _و hre (أي يتم ضبطهما على اللانهاية والصفر على التوالي). يُناسب نموذج معاملات h الموضح تحليل الإشارات الصغيرة منخفضة التردد. أما في تحليلات الترددات العالية، فيجب إضافة السعات بين الأقطاب الكهربائية ، والتي تُعد مهمة عند الترددات العالية.

أصل كلمة h _FE

يشير الحرف h إلى كونه مُعاملًا من مُعاملات h، وهي مجموعة من المُعاملات التي سُميت نسبةً إلى أصلها في نموذج دائرة مكافئة هجينة ( انظر أعلاه). وكما هو الحال مع جميع مُعاملات h، فإن اختيار الأحرف الصغيرة أو الكبيرة للأحرف التي تلي الحرف "h" له دلالة؛ فالأحرف الصغيرة تدل على مُعاملات "الإشارة الصغيرة"، أي ميل العلاقة المُحددة؛ بينما تدل الأحرف الكبيرة على قيم "الإشارة الكبيرة" أو قيم التيار المُستمر ، أي نسبة الفولتية أو التيارات. في حالة مُعامل h _FE المُستخدم بكثرة :

• F مشتقة من F لتضخيم التيار الأمامي، وتسمى أيضًا كسب التيار.
• يشير الحرف E إلى الترانزستور الذي يعمل في تكوين باعث مشترك (CE).

يشير hFE (أو hFE) إلى تيار المُجمِّع (الكلي؛ تيار مستمر) مقسومًا على تيار القاعدة، وهو قيمة بلا أبعاد. وهو مُعامل يتغير نوعًا _ما بتغير تيار المُجمِّع، ولكنه غالبًا ما يُقارب كقيمة ثابتة؛ ويُحدد عادةً عند تيار وجهد نموذجيين للمُجمِّع، أو يُرسم بيانيًا كدالة لتيار المُجمِّع.

لو لم يتم استخدام الأحرف الكبيرة في الرمز السفلي، أي إذا تم كتابتها hfe _، فإن المعلمة تشير إلى كسب التيار للإشارة الصغيرة ( AC )، أي ميل الرسم البياني لتيار المجمع مقابل تيار القاعدة عند نقطة معينة، والذي غالبًا ما يكون قريبًا من قيمة hFE ما لم يكن تردد الاختبار عاليًا.

بحسب الاصطلاح، يُشار إلى اتجاه التيار في المخططات بالاتجاه الذي تتحرك فيه الشحنة الموجبة. يُسمى هذا ^{التيار بالتيار} الاصطلاحي . مع ذلك، في الواقع، يكون التيار في الموصلات المعدنية ناتجًا عن تدفق الإلكترونات. ولأن الإلكترونات تحمل شحنة ^سالبة ، فإنها تتحرك في الاتجاه المعاكس للتيار الاصطلاحي. من جهة أخرى، داخل الترانزستور ثنائي القطب، يمكن أن يتكون التيار من فجوات موجبة الشحنة وإلكترونات سالبة الشحنة. في هذه المقالة، تُعرض أسهم التيار في الاتجاه الاصطلاحي، لكن تسميات حركة الفجوات والإلكترونات تُظهر اتجاهها الفعلي داخل الترانزستور.

لا يزال الترانزستور ثنائي القطبية (BJT) جهازًا يتفوق في بعض التطبيقات، مثل تصميم الدوائر المنفصلة، ​​وذلك بسبب التشكيلة الواسعة جدًا من أنواع الترانزستور ثنائي القطبية المتاحة، وبسبب ناقلية التحويل العالية ومقاومة الإخراج مقارنة بترانزستورات MOSFET .

يُعد الترانزستور ثنائي القطبية (BJT) أيضًا الخيار الأمثل للدوائر التناظرية المتطلبة، وخاصة لتطبيقات الترددات العالية جدًا ، مثل دوائر الترددات الراديوية للأنظمة اللاسلكية.

• تحيز الترانزستور ثنائي القطب
• مؤامرة غوميل
• ترانزستور ثنائي القطب ذو بوابة معزولة
• ترانزستور متعدد الباعثات

• وسائط متعلقة بترانزستورات الوصلة ثنائية القطب على ويكيميديا ​​كومنز