سلام دوستان! امیدوارم حال شما خوب باشه. در این آموزش، قصد داریم در خصوص رفتار ترانزیستور NPN صحبت کنیم. در این مقاله، معرفی ترانزیستور NPN، نحوه عملکرد آن، نمودار مداری، منحنی مشخصات خروجی و کاربردهای آن را بررسی خواهیم کرد. این یک ترانزیستور پیوند دوقطبی (BJT) است که عمدتاً برای تقویت جریان و اهداف سوئیچینگ استفاده می شود. ترانزیستورهای پیوند دوقطبی (BJT) به دو نوع ترانزیستور NPN و ترانزیستور PNP تقسیم می شوند. هر دو ترانزیستور از نظر ترکیب الکتریکی و ساختار متفاوت هستند، با این حال، هر دو برای اهداف تقویت و سوئیچینگ به یک روش یا روش دیگر استفاده می شوند.

ترانزیستور NPN چیست؟

ترانزیستور NPN یک ترانزیستور پیوند دوقطبی (BJT) است که از 3 لایه نیمه هادی تشکیل شده است به گونه ای که بیس به عنوان یک لایه P-doped بین دو لایه N-doped به عنوان امیتر و کلکتور قرار می گیرد و عمدتاً برای تقویت جریان و سوییچینگ  استفاده می شود. 

در ترانزیستورهای NPN، اکثر حامل های بار الکترون ها هستند و بنابراین هدایت توسط جریان الکترون ها از امیتر به کلکتور انجام می شود.

ترانزیستور NPN دارای سه پایه به نام های زیر است:

امیتر.

بیس.

کلکتور.

جریان کمی در پایه بیس برای کنترل جریان زیاد در سمت کلکتور و امیتر استفاده می شود. (در بخش کارکرد به طور مفصل به آن خواهیم پرداخت)

نماد ترانزیستور NPN

شکل زیر نماد ترانزیستور NPN را نشان می دهد:

ساختار ترانزیستور NPN

ترانزیستور NPN از 3 ناحیه تشکیل شده است که دو ناحیه از آن ها با استفاده از مواد نیمه هادی نوع N ساخته شده اند و ناحیه سوم از نیمه هادی نوع P است.

ناحیه نوع P بین این دو ناحیه از نوع N قرار گرفته است.

بنابراین به طور پیش فرض، ترانزیستور NPN با اتصال دو دیود در دو جهت مخالف ساخته می شود.

مدار معادل ترانزیستور NPN در شکل زیر نشان داده شده است:

یک ترانزیستور NPN دارای دو پیوند P-N پشت به پشت است که به صورت زیر نام گذاری می شوند:

پیوند امیتر-بیس.

پیوند بیس کلکتور.

غلظت دوپینگ در ترانزیستور NPN

ناخالصی هایی به نیمه هادی های ذاتی (خالص) اضافه می شود که هدایت آنها را افزایش می دهد و به آنها نیمه هادی های غیرذاتی (دوپ شده) می گویند.

در ترانزیستورهای NPN، ناحیه بیس به شدت دوپ شده است، امیتر کمی دوپ شده است در حالی که دوپینگ کلکتور بین بیس و امیتر قرار دارد.

بنابراین، از نظر غلظت دوپینگ از زیاد به کم، ترتیب زیر را داریم:

Base > Collector > Emitter

علاوه بر این، ناحیه بیس با استفاده از نیمه هادی های نوع P ساخته شده است، در حالی که امیتر و کلکتور با استفاده از نیمه هادی های نوع N طراحی شده اند.

ترانزیستور NPN چگونه کار می کند؟

ترانزیستور NPN دارای دو پیوند است:

پیوند امیتر-بیس.

پیوند کلکتور-بیس.

ترانزیستور NPN زمانی در شرایط کار قرار می گیرد که پیوند امیتر-بیس بایاس مستقیم باشد و پیوند بیس کلکتور بایاس معکوس باشد و جریان کافی در ترمینال بیس وجود داشته باشد. برای اینکه پیوند امیتر-بیس به طور مستقیم بایاس شود، یک ولتاژ مثبت در سمت بیس و یک ولتاژ منفی در سمت امیتر اعمال می شود.

به طور مشابه، برای ایجاد بایاس معکوس اتصال کلکتور-بیس، ولتاژ کلکتور باید مثبت تر از بیس و کلکتور نگه داشته شود.

شکل زیر نمودار مداری ترانزیستور NPN را نشان می دهد.

از نمودار بالا در می یابیم که ولتاژ و بارهای مقاومتی در پایانه های ترانزیستور اعمال می شود.

یک ولتاژ منفی به امیتر و یک ولتاژ مثبت به پایه بیس متصل می شود.

پایه بیس نسبت به امیتر مثبت تر است.

یک مقاومت در ترمینال بیس اعمال می شود که جریان تولید شده در این ترمینال را محدود می کند.

ولتاژ مثبت در ترمینال کلکتور اعمال می شود و یک مقاومت در این ترمینال اعمال می شود که ورود الکترون ها به این ترمینال را محدود می کند.

نحوه کارکرد

بیس مسئول آغاز کارکرد ترانزیستور است. هنگامی که یک ولتاژ در بیس اعمال می شود، بایاس می شود و جریان کمی را می کشد که برای کنترل یک جریان بزرگ در سمت کلکتور و امیتر استفاده می شود.

عمل بیس به عنوان یک شیر ON-OFF در نظر گرفته می شود که با اعمال ولتاژ بایاس مناسب در این ترمینال، جریان تولید می کند.

تغییر کوچک در ولتاژ اعمال شده در ترمینال بیس تاثیر زیادی بر ترمینال های خروجی نشان می دهد. در واقع، بیس به عنوان ورودی و کلکتور به عنوان یک خروجی در ترانزیستور NPN عمل می کند.

برای عملکرد ترانزیستور سیلیکونی، ولتاژ بیس باید بیش از 0.7 ولتاژ امیتر باشد در حالیکه در ترانزیستور ژرمانیومی این ولتاژ حدود 0.3 است.

در سمت N ترانزیستور که نشان دهنده امیتر است، الکترون ها به عنوان حامل های اکثریت بار عمل می کنند که پس از اعمال ولتاژ مناسب در ترمینال بیس، به داخل بیس پخش می شوند. این الکترون ها وقتی وارد ترمینال بیس می شوند، به عنوان حامل های بار اقلیت عمل می کنند، جایی که با حفره های موجود در بیس به هم می پیوندند. همه الکترون ها به حفره های موجود در پایانه بیس نمی پیوندند. برخی از آنها با حفره ها به هم می پیوندند و جفت الکترون-حفره حاصل ناپدید می شود. بیشتر الکترون ها ترمینال بیس را ترک می کنند و سپس وارد ناحیه کلکتور می شوند، جایی که دوباره به عنوان حامل اکثریت بار عمل می کنند.

هنگامی که یک ولتاژ در ترمینال بیس اعمال می شود، جریان پایه توسط فرمول زیر داده می شود:

جریان کلکتور مستقیماً با یک فاکتور ثابت با جریان بیس مرتبط است.

به منظور افزایش کارایی ترانزیستور NPN، بیس بسیار نازک و کلکتور به دو دلیل ضخیم ساخته می شود، یعنی کلکتور می تواند گرمای بیشتری را تحمل کند و الکترون های بیشتری را که از طریق ترمینال بیس پخش می شود، بپذیرد.

بهره جریان و رابطه بین آنها

بهره جریان نقش مهمی در فرآیند تقویت دارند. بهره جریان امیتر نسبتی بین جریان کلکتور و جریان بیس است که بتا نامیده می شود و با ß نشان داده می شود. همچنین به عنوان یک ضریب تقویت شناخته می شود که میزان جریان تقویت شده را تعیین می کند.

بتا نسبت بین دو جریان است، بنابراین هیچ واحدی ندارد. مقدار بتا همیشه بیشتر از واحد است و بین 20 تا 1000 است.  20 برای ترانزیستورهای توان بالا و 1000 برای ترانزیستورهای کم توان متغیر است، اما در بیشتر مواقع مقدار آن 50 در نظر گرفته می شود.

به طور مشابه، افزایش جریان بیس مشترک عامل مهم دیگری است که نسبت بین جریان کلکتور و جریان امیتر را نشان می دهد. این نسبت آلفا نامیده می شود و با α نشان داده می شود. مقدار آلفا بین 0.95 تا 0.99 است، با این حال، بیشتر اوقات مقدار آن به عنوان واحد در نظر گرفته می شود.

شکل زیر رابطه بین دو بهره جریان را نشان می دهد.

اگر α= 0.99 آنگاه β = 0.99/0.01 = 99

مقدار آلفا نمی تواند از یک فراتر رود، زیرا نسبتی است بین جریان کلکتور و جریان امیتر، یعنی جریان امیتر همیشه بزرگتر از جریان کلکتور باقی می ماند زیرا 100٪ جریان ترانزیستور را نشان می دهد و برابر است با مجموع جریان کلکتور و جریان بیس.

تنظیمات ترانزیستور NPN

ترانزیستور NPN را می توان در سه پیکربندی به نام های پیکربندی امیتر مشترک، پیکربندی کلکتور مشترک و پیکربندی بیس مشترک پیکربندی کرد.

پیکربندی امیتر مشترک بیشتر برای اهداف تقویتی استفاده می شود که در آن بیس به عنوان ورودی سیگنال کوچک عمل می کند، کلکتور به عنوان خروجی عمل می کند در حالی که امیتر به عنوان یک پایانه مشترک بین ورودی و خروجی عمل می کند.

پیکربندی امیترمشترک همیشه در یک منطقه خطی عمل می کند که در آن جریان کوچک در سمت بیس برای کنترل جریان زیاد در سمت کلکتور استفاده می شود.

پیکربندی امیتر مشترک مورد استفاده در مدارهای الکترونیکی همیشه خروجی با فاز 180 درجه تولید می کند که به شدت تحت تأثیر ولتاژ و دمای بایاس است. این پیکربندی یک انتخاب ایده آل برای مدارهای تقویت است زیرا دارای امپدانس ورودی بالا و امپدانس خروجی کم است و ولتاژ و افزایش توان دقیق مورد نیاز برای هدف تقویت را تولید می کند.

در طول پیکربندی امیتر مشترک، ترانزیستور همیشه بین اشباع و ناحیه قطع کار می کند که به تقویت سیکل های منفی و مثبت سیگنال های ورودی کمک می کند. اگر ترمینال بیس با ولتاژ مناسب بایاس نشود، تنها نیمی از سیگنال تقویت می شود.

منحنی مشخصه های خروجی ترانزیستور NPN

شکل زیر منحنی مشخصه خروجی ترانزیستور دوقطبی NPN را نشان می دهد که بین جریان کلکتور خروجی و ولتاژ کلکتور-امیتر با جریان بیس متغیر رسم شده است.

همانطور که قبلا توضیح داده شد، اگر ولتاژ اعمال شده در ترمینال بیس صفر باشد، جریان کلکتور خروجی وجود نخواهد داشت. هنگامی که ولتاژ بایاس مناسب بالای 0.7 ولت در ترمینال بیس اعمال می شود، بایاس می شود و جریانی را می کشد که جریان کلکتور خروجی را کنترل و تحت تأثیر قرار می دهد.

می بینیم که Vce مستقیماً بر مقدار جریان کلکتور خروجی تأثیر می گذارد تا زمانی که ولتاژ اعمال شده 1 ولت باشد. جریان کلکتور بالاتر از آن مقدار دیگر تحت تأثیر مقدار Vce باقی نمی ماند. در این حالت، جریان کلکتور به طور گسترده ای به جریان بیس وابسته و کنترل می شود. یک تغییر کوچک در جریان بیس و ولتاژ بایاس، تغییر زیادی در جریان کلکتور ایجاد می کند.

مقاومت بار اعمال شده در ترمینال کلکتور میزان جریان ورودی به پایانه های کلکتور را کنترل می کند. با در نظر گرفتن مقاومت بار و ولتاژ اعمال شده در پایانه های کلکتور-امیتر، جریان کلکتور توسط رابطه  زیر به دست می آید:

خط بار مستقیم بین نقطه A و B زمانی که یک اتصال امیتر-بیس بایاس مستقیم است و ترانزیستور در جایی که الکترون ها به عنوان حامل بار اکثریت هستند هدایت می کند، در ناحیه فعال قرار می گیرد.

نقطه Q در نمودار را می توان با خط بار تعریف کرد که در واقع به عنوان نقطه عملیاتی ترانزیستور نامیده می شود.

منحنی ویژگی های خروجی این ترانزیستور NPN برای توصیف جریان کلکتور زمانی که جریان بیس و ولتاژ کلکتور داده می شود استفاده می شود.

برای هدایت، ولتاژ کلکتور باید مثبت تر از بیس و امیتر باشد.

توجه به این نکته مهم است که وقتی پیوند امیتر-بیس بایاس مستقیم نباشد، IC صفر خواهد بود، صرف نظر از اینکه چقدر ولتاژ در پایانه های بیس اعمال می شود. هنگامی که اتصال امیتر-بیس بایاس مستقیم است و ولتاژ در ترمینال بیس اعمال می شود، جریان کمی می کشد که برای کنترل جریان بزرگ در پایانه های دیگر استفاده می شود.

تفاوت بین ترانزیستورهای NPN و PNP

هر دو ترانزیستور NPN و PNP از نظر ساختار الکتریکی و دوپینگ لایه ها متفاوت هستند. NPN مخفف منفی-مثبت-منفی است و به عنوان دستگاه جریان ده (source) نیز شناخته می شود. در حالی که PNP مخفف مثبت-منفی-مثبت است و به عنوان دستگاه جریان کش (sink) نیز شناخته می شود.

در NPN بیس ترانزیستور در مقایسه با امیتر مثبت است و ولتاژ کلکتور در مقایسه با امیتر و بیس مثبت تر است. به طور مشابه، بیس ترانزیستور PNP در مقایسه با امیتر منفی است و ولتاژ امیتر بسیار بزرگتر از ولتاژ کلکتور است.

قطبیت ولتاژ و جهت جریان در هر دو ترانزیستور معکوس است.

ترانزیستور NPN زمانی که یک ولتاژ مثبت در ترمینال بیس اعمال می شود، عمل ترانزیستور را هدایت و آغاز می کند. ترانزیستور PNP زمانی هدایت می شود که ولتاژ منفی 0.7 ولت (برای سیلیکون) کمتر از ولتاژ امیتر در ترمینال بیس اعمال شود.

ترانزیستور NPN از الکترون ها به عنوان حامل های بار اکثریت برای هدایت استفاده می کند در حالی که ترانزیستور PNP از حفره ها به عنوان حامل های اکثریت بار برای فرآیند هدایت استفاده می کند.

در ترانزیستور NPN جریان از کلکتور به امیتر جریان می یابد در حالی که در مورد PNP جریان ترانزیستور از امیتر به ترمینال کلکتور جریان می یابد.

هر دو ترانزیستور از نظر نحوه روشن شدن با هم متفاوت هستند. ترانزیستور NPN زمانی روشن می شود که جریان کافی در ترمینال بیس وجود داشته باشد در حالی که ترانزیستور PNP زمانی روشن می شود که جریانی در ترمینال بیس وجود نداشته باشد.

حالا بیایید نگاهی به کاربردهای ترانزیستور NPN بیندازیم:

کاربردهای ترانزیستور NPN

ترانزیستور NPN متداول ترین نوع ترانزیستور است که به دلیل طیف وسیعی از کاربردها استفاده می شود. تعدادی از کاربردهای ترانزیستور NPN به شرح زیر است:

از آنجایی که ترانزیستورهای NPN قطعات سوئیچینگ سریع هستند، بنابراین برای اهداف سوئیچینگ یعنی مدولاسیون عرض پالس استفاده می شوند.

ترانزیستورهای NPN به عنوان کلیدهای اتوماتیک در محصولات الکترونیکی نیز استفاده می شوند.

به دلیل افزایش جریان، ترانزیستورهای NPN برای تقویت جریان استفاده می شوند، یعنی جریان کم در ورودی اجازه می دهد تا جریان زیاد در خروجی (Ic) عبور کند.

در رایانه‌های یکپارچه (یعنی میکروکنترلرها، ریزپردازنده‌ها و غیره)، هزاران ترانزیستور به یکدیگر متصل شده‌اند (به شکل SMD) که عملکردهای مختلفی مانند سوئیچ کردن پین‌ها را انجام می‌دهند.

کاربردهای واقعی ترانزیستور NPN

در مبدل های لگاریتمی و کاربردهای فرکانس بالا استفاده می شود.

پردازش سیگنال و کاربردهای انتقال رادیویی شامل ترانزیستورهای NPN است.

مدارهای دارلینگتون از ترانزیستور NPN برای تقویت سیگنال ها استفاده می کنند.

مورد استفاده در سنسور دما

مدارهای تقویت کننده Push-Pull که در دسته مدارهای تقویت کننده کلاسیک قرار می گیرند، از این ترانزیستور NPN استفاده می کنند.

به تدریج از این ترانزیستورها برای ساخت مدارهای منطقی و در مدارهایی که نیاز به تقویت است استفاده می شود.