ترانزیستور BJT

BJTترانزیستور

شیری سعید دکتر

: از پنجم فصل کتابMICROELECTRONIC CIRCUITS 5/e

Sedra/Smith

Amirkabir University of TechnologyComputer Engineering & Information Technology Department

مقدمه

نام با دیگری ترمینالی سه المان فصل دراینقطبی دو پیوند Bipolar Junction)ترانزیستور

Transistor) یا .BJTو میکنیم بررسی راBJT سال دستگاه 1948در معرفی با و شده اختراع

انقالبی میکردند کار هادی نیمه ترانزیستور با که هائی . ترانزیستور آورد پدید دنیا سالهای BJTدر برای

و دیجیتال دستگاههای انواع برای اول انتخاب متمادیبا بسرعت اخیر دهه در اما بود MOSFETآنالوگ

. است گشته جایگزینBJT فرکانس بخصوص و آنالوگ مدارات در امروزه

. دارد زیادی کاربرد باال

ترانزیستور BJTساختار

ترانزیستور نوع BJTیک نیمه npnاز قطعه سه از: میشود تشکیل هم به متصل هادی

هادی نیمه امیتر nیک نام با هادی نیمه بیس pیک نام با هادی نیمه کلکتور nیک نام با

Figure 5.1 A simplified structure of the npn transistor. پیوند یک ها هادی نیمه اتصال ناحیه .pnدر میشود تشکیل

ترانزیستور BJTساختار

ترانزیستور نوع BJTیک نیمه pnpاز قطعه سه از: میشود تشکیل هم به متصل هادی

هادی نیمه امیتر pیک نام با هادی نیمه بیس nیک نام با هادی نیمه کلکتور pیک نام با

Figure 5.2 A simplified structure of the pnp transistor.

ترانزیستور کار npnطرزفعال درناحیه

- ولتاژ اعمال با امیتر بیس پیوند فعال ناحیه درپیوند و بایاسشده درگرایشمستقیم خارجی. میشود- بایاس معکوس گرایش در کلکتور بیس

Figure 5.3 Current flow in an npn transistor biased to operate in the active mode. (Reverse current components due to drift of thermally generated minority carriers are not shown.)

جریان عبور - الکترونها نفوذی جریان یک تا میشود باعث امیتر بیس پیوند گرایشمستقیم

جذب امیتر به بیس از را ها حفره متقابال و بیسکشانده به امیتر ناحیه از رانماید.

تا میشود گرفته نظر در بیس از بیشتر بسیار امیتر ناخالصی نسبت معموال. باشد بیشتر حفره به الکترون جریان نسبت

ناقل بعنوان بیس در میشوند بیس وارد و کرده عبور پیوند از که الکترونهائیکلکتور مرز در و بیشتر امیتر مرز در آنها غلظت که میشوند محسوب اقلیت

: . با بود خواهد برابر غلظت این امیتر مرز در بود خواهد کمتر

آمدن بوجود باعث بیس در الکترونها تجمع. میشود کلکتور سمت به نفوذی جریان یک

میشود باعث که میشوند ترکیب ها حفره با بیس در الکترونها از تعدادی البته. آید می امیتر از که باشد جریانی از کمتر میرسد کلکتور به که جریانی تا

کلکتور جریان

که الکترونهائی است مثبت کلکتور ولتاژ اینکه بعلتجذب ولتاژ این توسط میرسند کلکتور و بیس مرز به

- به و کرده عبور بیس کلکتور تخلیه ناحیه از و شده. میرسند کلکتور ناحیه

ناحیه در آمده بوجود جریان با برابر تقریبا جریان این: بود خواهد بیس

جریان مقدار که شود ولتاژ icدقت از مستقل . باشد- مثبت کلکتور ولتاژ باید فقط است بیس کلکتور

. - گیرد قرار معکوس گرایش در بیس کلکتور پیوند تا

بیس جریان

: است مولفه دو دارای بیس جریان: میشوند امیتر وارد بیس از که هائی حفره یکی حفره جبران تا شود تامین بیرون از باید که جریانی دیگری و

را میشوند ترکیب دربیس شده جمع الکترونهای با که هائیبنماید.

در مهم رابطه یک به کلکتور جریان با بیس جریان مقایسه از: میرسیم ترانزیستور

ضریب در مقدار و بوده ثابت بخصوص ترانزیستور یک برای. 200تا 50حد جریان بهره را ضریب این مشترک میباشد امیتر

مینامند.

امیتر جریان

با میشود ترانزیستور وارد که جریانی آنجائیکه از: داریم است برابر میشود خارج آن از که جریانی

: لذا و: تغییراتی با و

فعال ناحیه در ترانزیستور مدل - قرار گرایشمستقیم در امیتر بیس پیوند که وقتی یعنی فعال ناحیه در که دیدیم

ولتاژ با VBEدارد نمائی بطور آن مقدار میشودکه کلکتور از جریانی عبور باعث . دارد بستگی ولتاژ

ازولتاژ جریان . VCBاین بصورت میتوان را ترانزیستور کلکتور لذا است مستقل. گرفت نظر در جریان منبع یک

. است کلکتور جریان از بیسضریبی جریان حالت این در . این گرفت نظر در زیر بصورت ناحیه دراین را ترانزیستور مدل میتوان اینرو از

. است ولتاژ با شونده کنترل خطی غیر جریان منبع یک واقع در مدل

Figure 5.5 Large-signal equivalent-circuit models of the npn BJT operating in the forward active mode.

ترانزیستور ساختار

امیتر ناحیه زیر شکل مطابق کلکتور ناحیه عمل درتمامی بتواند تا برمیگیرد در کامل بطور را

. کند جمع را بیس به نفوذی الکترونهای با نمیتوان کلکتور و امیتر بودن نامتقارن بعلت

. رسید مشابهی عملکرد به آنها کردن عوض

Figure 5.6 Cross-section of an npn BJT.

مداری عالئم

داده نشان زیر مداری عالمت با ترانزیستورجهت. نمودن مشخص بر عالوه پیکان جهت میشود

مشخص نیز را جریان جهت امیتر در جریانمینماید.

Figure 5.13 Circuit symbols for BJTs.

کردن بایاس برای الزم ولتاژترانزیستور

ترمینالهای به ولتاژ اعمال نحوه زیر شکلرا فعال ناحیه در آن دادن قرار جهت ترانزیستور

. میدهد نشان

Figure 5.14 Voltage polarities and current flow in transistors biased in the active mode.

برخالف که شود توجهMOSFET گیت جریان که

در بود صفر جریان BJTآناینرو از نیست بیسصفر

مثال

زیر شکل ترانزیستور برایمقدار و جریان VBE=0.7بوده در

ic=1mA . بنحوی را مدار استکلکتور ولتاژ وقتی که کنید 5طراحی

آن جریان است . 2mAولت شود

Figure 5.15 Circuit for Example 5.1.

پاسخ ولتاژ در VC=+5Vبرای بیس کلکتور پیوند

ترانزیستور لذا و داشته قرار معکوس گرایش. گرفت خواهد قرار فعال ناحیه در

مقاومت :RCمقدار با بود خواهد برابر

ولتاژ جریان VBEمقدار رابطه ic=2mAبرای از: آید می بدست زیر

مشخصه گرافیکی نمایشترانزیستور

شده داده نشان زیر درشکل مشخصهاست.

برایVBE <0.5V . است ناچیز بسیار جریان کاربردها اغلب حد VBEدر گرفته 0.7Vدر نظر در

میشود. اندکی تغییر حرارت درجه تغییر با جریان مقدار

میکند.

Figure 5.16 The iC –vBE characteristic for an npn transistor.

Figure 5.17 Effect of temperature on the iC–vBE characteristic. At a constant emitter current (broken line), vBE changes by –2 mV/C.

کلکتور ولتاژ و جریان رابطه

Figure 5.18 The iC–vCB characteristics of an npn transistor.

افزایش .VCBبا میشود شکست دچار ترانزیستور حدی از

دارد اندکی شیب جریانبرای

مقادیر VCB=-0.4 نیزپیوند

وارد هنوزناحیه

هدایت . است نشده

ولتاژ و جریان VCEرابطه ولتاژ افزایش VCEبا

تغییر Icجریان اندکی هممنحنی. این شیب میکند

یک بصورت میتوان را. داد نشان مقاومت

ولتاژ که صورتی درVCE حدود کمتر 0.4از

وارد ترانزیستور شود. میشود اشباع ناحیه

Figure 5.19 (a) Conceptual circuit for measuring the iC –vCE characteristics of the BJT. (b) The iC –vCE characteristics of a practical BJT.

در ترانزیستور معادل مدارمشترک امیتر آرایش

Figure 5.20 Large-signal equivalent-circuit models of an npn BJT operating in the active mode in the common-emitter configuration.

ترانزیستور کاری نواحی : است مختلف کاری ناحیه سه دارای پیوند هر که دیدیم قبل فصلهای در

آن از و نبوده مطلوب چندان شکست ناحیه . ناحیه دو گرفتن نظر در با پس میشود اجتناب

میتوان ترانزیستور های پیوند از یک هر برایآن . 4برای نبودن مطلوب به توجه با گرفت نظر در مختلف کاری ناحیه

. کرد خواهد کار ناحیه سه در فقط ترانزیستور معکوس فعال ناحیه

1. forward biased

2 .reverse biased

3 .breakdown

قطع ناحیه در ترانزیستور

گرایش حالت در پیوند دو هر قطع ناحیه در: داریم و دارند قرار معکوس

عبور ترانزیستور از جریانی هیچ ناحیه این در. کرد نخواهد

VE-VB=VBE <.5v , VC-VB =VCB > 0

اشباع ناحیه در ترانزیستور

بصورت ترانزیستور پیوند دو هر ناحیه این در : میگیرند قرار گرایشمستقیم

- جریان بر عالوه بیس کلکتور پیوند در اینرو ازبوجود نیز نفوذی جریان از بزرگی مولفه دریفت

. میکند مقابله دریفت جریان با که آید می

جریان تا میشود باعث امر آن icاین مقدار از کمتر: . داریم ناحیه این در یعنی گردد فعال ناحیه در

یا

ترانزیستور اشباع

هدایت حالت در ترانزیستور پیوند دو هر که وقتی . میگردد خود اشباع ناحیه وارد ترانزیستور باشند،

رابطه اینحالت درولتاژ و باشد نمی حدود VCEبرقرار در

0.2v. ماند خواهد میتوان باقی را زیر معادل مدار: برد بکار ناحیه این برای

تقویت BJTترانزیستور بعنوانکننده

پایه این بر کننده تقویت بعنوان ترانزیستور از استفاده اصلی ایدهولتاژ تغییرات فعال درناحیه که مقدار VBEاست در تغییر باعث

کلکتور .Icجریان میشود کننده تقویت یک بعنوان آن از میتوان براین transconductanceبنا

مقاومت دادن قرار با نمودکه کلکتور RCاستفاده جریان درمسیر. یافت دست نیز ولتاژ کننده تقویت یک به میتوان

جریان خطی غیر رابطه ابتدا VBEبا Icبعلت باید در VBEناگزیر رامقدار مقدار DCیک یک تا نمود . Icبرای DCبایاس آید بدست

کوچک سیگنال میتوان جریان vbeسپس تا نمود اعمال بیس به رامنحنی ار کوچکی ناحیه در خطی ic-vbeترانزیستور تقریبا بصورت

. نماید تغییر

امیتر DCبایاس کننده تقویتمشترک

ورودی ولتاژ مشترک امیتر کننده تقویت یک دربین خروجی و شده اعمال وامیتر بیس بین

. میشود گرفته امیتر و کلکتور مقاومتRC : کار نقطه تامین دارد کاربرد دو

DC ولتاژ به جریان تبدیل و: آید می بدست زیر رابطه از خروجی ولتاژ

از کمتر ورودی ترانزیستور vi=0.5برای ولتو بوده با ic=0قطع برابر خروجی لذا میشود

Vcc. شد خواهدFigure 5.26 (a) Basic common-emitter amplifier circuit.

کننده تقویت مشخصه منحنیمشترک امیتر

و کرده هدایت ترانزیستور ورودی افزایش با . این در میکند کار به شروع فعال ناحیه در

می بدست زیر رابطه از کلکتور جریان حالتآید.

: داریم خروجی برای و مقدار بر ورودی افزایش و icبا افزوده

یا و خروجی ولتاژ . VCمقدار یابد می کاهشولتاژ که صورتی شود 0.4از VCEدر کمتر

- ترانزیستور و شده روشن کلکتور بیس پیوند . خروجی اینحالت در میشود اشباع ناحیه وارد

حد .VCEsatدر میماند باقی باقی ثابت تقریبا نیز کلکتور جریان مقدار

میماند.

Figure 5.26 Transfer characteristic of the circuit in (a). The amplifier is biased at a point Q, and a small voltage signal vi is superimposed on the dc bias voltage VBE. The resulting output signal vo appears superimposed on the dc collector voltage VCE. The amplitude of vo is larger than that of vi by the voltage gain Av.

کننده تقویت گین

سیگنال ورودی بین خطی رابطه یک داشتن برایدر کننده تقویت ابتدا کننده تقویت خروجی و کوچک

مثل ای سپسسیگنال Qنقطه و میشود بایاس . میگردد اضافه ورودی به کوچک

منحنی شیب با است برابر کننده تقویت گین مقدار: کار نقطه در کننده تقویت مشخصه

بصورت کننده تقویت این که شود .invertingتوجه میکند عملروی ولتاژ افت باید بهره افزایش . RCبرای میشود باعث اینکار داد افزایش را

حذف VCEتا باعث اینکار که شود نزدیک اشباع ناحیه به و یافته کاهش . باید کار نقطه لذا نیست مطلوب که شود خروجی منفی نوسان از قسمتهائی

به کافی نوسان اجازه بهره داشتن نگه باال ضمن که شود انتخاب طوری. شود داده هم خروجی

مثال: داریم مشترک امیتر کننده تقویت یک برای )چقدر باشد اینکه برای بایاس ولتاژ مقدار الف

جریان. مقدار .ICاست بود خواهد چقدر اینحالت در . یک( اگر چقدراست نقطه این در ولتاژ بهره مقدار ب

دامنه با کوچک سینوسی اضافه 5mvسیگنال ورودی به. بود خواهد چقدر خروجی نوسان شود

)به شدن اضافه با که مثبتی حداکثرمقدار باعث VBEج. کنید پیدا را میشود اشباع ناحیه به ترانزیستور رسیدن

به شدن اضافه با که منفی مقدار باعث VBEحداکثر . آورید بدست را میشود قطع ناحیه به ترانزیستور رسیدن

پاسخ

)الف

)ب

)ج

)د

گرافیکی تحلیل

جریان راست vceو icرابطه خط یک بصورت میتوان رانوشت:

می بدست مشخصه با خط این تالقی از کار نقطهآید.

Figure 5.27 Circuit whose operation is to be analyzed graphically.Figure 5.29 Graphical construction for determining the dc collector current IC and the collector-to-emitter voltage VCE in the circuit of Fig. 5.27.

Figure 5.28 Graphical construction for the determination of the dc base current in the circuit of Fig. 5.27.

سیگنال اعمال گرافیکی نمایشکوچک

Figure 5.30 Graphical determination of the signal components vbe, ib, ic, and vce when a signal component vi is superimposed on the dc voltage VBB (see Fig. 5.27).

سوئیچ BJTترانزیستور بعنوان ناحیه در آنرا سوئیچ بعنوان ترانزیستور از استفاده برای

. میگیرند بکار اشباع و قطع کمتراز ورودی :0.5Vاگر داریم باشد

اگرVBE>0.7v و شده فعال ناحیه وارد ترانزیستور باشد: با میشود برابر بیس جریان

ولتاژ مقدار بیس جریان افزایش تا VCبا یابد می کاهشاشباع مرز به برسد:(Edge Of Saturation) ترانزیستور

در بیشتر ترانزیستور مقدار این از ورودی افزایش با. رفت فروخواهد اشباع ناحیه

Figure 5.32 A simple circuit used to illustrate the different modes of operation of the BJT.

1مثال

مقدار زیر مدار ترانزیستور RBاست، 150تا 50بین βبرای. بگیرد قرار اشباع ناحیه در ترانزیستور که کنید پیدا بنحوی را

: داریم است اشباع در ترانزیستور وقتی: حالت این در مقدار کمترین با اینکه ترانزیستور βبرای

برود : اشباع به

ضریب گرفتن نظر در : 10با داریم

مقاومت مقدار اینصورت برابر RBدر: با است

Figure 5.33 Circuit for Example 5.3.

آنالیز ترانزیستورDCمراحل

ناحیه مسئله معلوم بسیار مقادیر به توجه با ابتدا. بزنید حدس را ترانزیستور کاری

آنالیز را مدار و کرده استفاده ناحیه این روابط ازکنید.

و ها نامعادله اولیه فرض صحت آزمودن برای. کنید بررسی را ناحیه آن به مربوط شرایط

بود برقرار فرضشده ناحیه به مربوط روابط اگر . فرض باید اینصورت غیر در یابد می خاتمه آنالیز

. کنید حل نو از را مسئله و داده تغییر را اولیه

2مثال

. کنید مشخص را زیر مدار مختلف های جریان مقادیر ناحیه در ترانزیستور که میکنیم فرض

. نوشتن با باشد :KVLفعال داریم بیس برای5.7 – 10 iB –0.7 – 2 )99+1( iB=0

Therefore iB = 23.8 μA

: داشت خواهیم جریانها سایر برای لذاiC = 99 iB = 2.356 mA and

iE =100 iB = 2.380 mA

مثال 2ادامه

بودن فعال ناحیه در فرض صحت از اینکه برایامتحان را فرض این باید شویم مطمئن ترانزیستور

کنیم:10.7 – 10 iC – VCE – 2 iE =0

Therefore,

VCE = 10.7 – 10)2.36( – 2)2.38( = -17.66 V < 0.2 V

. را فرض لذا است نبوده صحیح ما فرض که بینیم میدر ترانزیستور که پنداریم می چنین و کرده عوض

باشد اشباع ناحیه

مثال 2ادامه

اشباع در ترانزیستور اینکه برایتحمیل مدار به زیر شرایط باشد

میگردند:

آنالیز معادله مدار DCبرای به نیاز: داریم مختلفی های

مثال 2ادامه

: داریم فوق معادالت ترکیب با

: داشت خواهیم فوق مقدار جایگزینی با: جریان مقادیر و بعالوه و بوده مثبت جریان مقادیر همه که بینیم می

بودن اشباع در فرض لذا است برقرار زیر شرط. است بوده صحیح ترانزیستور

3مثال

را زیر مقادیر زیر مشترک امیتر کننده تقویت برای: آورید بدست

:پاسخ. باشد فعال ناحیه در ترانزیستور میکنیم فرض

: ناحیه این برای

معادله یک نوشتن ناحیه KVLبا برای: - داریم امیتر بیس

لذا:

مثال 3ادامه

: داریم جریانها سایر برای

: داریم ولتاژها برای

: میکنیم بررسی را اولیه فرض صحت نهایت دراست بوده صحیح بودن فعال ناحیه در فرض

4مثال

بدست را کلکتور ولتاژ و جریان زیر شکل مدار برایآورید.

:پاسخ. باشد فعال ناحیه در ترانزیستور میکنیم فرض

: ناحیه این برایمعادله بتوانیم اینکه -KVLبرای امیتر بیس در را

می بدست را ولتاژ مقسم تونن معادل بنویسیم،آوریم.

مثال تونن : 4ادامه معادل

مثال 4ادامه

معادالت میتوان تونن مدار جایگزینی با بنابراین: نوشت زیر رابصورت

: شود بررسی اولیه فرض صحت باید

5مثال

بدست را ها ترانزیستور کلکتور ولتاژ زیر شکل درآورید.

:پاسخ ناحیه در ترانزیستور دو هر میکنیم فرض

: باشند فعال: داریم جریان برای را زیر رابطه

: مسئله معلومات طرفی از: داشت خواهیم آن از استفاده با که

مثال 5ادامه

: داریم آمده بدست روابط از استفاده با

جریانهای از یکی دانستن میتوان BJTبا نیز را بقیه: آورد بدست

: ولتاژها برای ترتیب همین به

مثال 5ادامه

بودن فعال یعنی اولیه فرض صحت نهایت در: میکنیم چک را ها ترانزیستور

CMOSو BJTشباهتهای . جدول هستند شبیه هم به مختلفی جهات از ترانزیستور دو این

تر ساده فهم به تا آورده بعمل آنها بین مفهومی مقایسه یک زیر. کند کمک مربوطه مسائل

CMOSو BJTشباهتهای

CMOSو BJTشباهتهای