خدمة الخط الساخن
كاتب عمود
كاتب عمود
كل شيء عن الترانزستورات ثنائية القطب (BJTs)
2024-03-21
2597
أصل الترانزستورات ثنائية القطب
في ترانزستورات الوصلات ثنائية القطب الحديثة، حل السيليكون محل الجرمانيوم كركيزة، وتم استبدال نقطة الاتصال بوصلتين متجاورتين متجاورتين. يمكن أن يأخذ الهيكل شكل pnp أو npn.
الترانزستور، وهو اختصار لعبارة "مقاوم النقل"، هو جهاز شبه موصل متعدد الوصلات. عادةً ما يتم دمج الترانزستورات مع مكونات الدائرة الأخرى لتحقيق الجهد أو التيار أو تضخيم طاقة الإشارة.
تعد الترانزستورات ثنائية القطب، والمعروفة أيضًا باسم ترانزستورات التوصيل ثنائية القطب (BJTs)، من بين أهم أجهزة أشباه الموصلات وتجد تطبيقات واسعة في الدوائر عالية السرعة، والدوائر التناظرية، وتضخيم الطاقة، والمزيد.
على سبيل المثال، يشبه شبه الموصل من النوع p قطعة مربعة من الطين مملوءة بالعديد من الثقوب (المعروفة باسم فتحات الإلكترون)، على غرار الجحور التي تظهر في الكركند. إن أشباه الموصلات من النوع n هي أيضًا قطعة مربعة من الطين، ولكنها مليئة بالعديد من الكركند (الإلكترونات الحرة). عندما نلصق قطعتي الطين معًا، سيزحف الكركند نحو الجحور.
وبما أن الجحور الموجودة في الصفوف الأمامية قد استنفدت بالفعل تقريبًا، تشير صناعة أشباه الموصلات إلى هذه المنطقة باسم منطقة النضوب.
إنه مثل الباب: من السهل على الشخص أن يدفع الباب ليفتحه في اتجاه واحد، ولكن من الصعب أن تحاول دفعه في الاتجاه المعاكس. بالطبع، يمكنك استخدام قوة كبيرة لدفع الباب بعنف حتى ينكسر، وهي عملية نشير إليها باسم انهيار الوصلة.
بالنظر إلى خصائص الجهد الحالي لوصلة PN، فإن المنحنى كما هو موضح في الرسم البياني أدناه.
عندما يتم تطبيق انحياز عكسي على تقاطع PN، فإن الأمر يشبه إعطاء تلسكوبات الكركند في الوحل. يمكن للكركند أن يرى أبعد ويزحف بحماس أكبر، مما يؤدي إلى قيام المزيد من الكركند بإيجاد الجحور. وبالتالي، تزداد الحركة الإجمالية للكركند، ويتسع عرض منطقة استنفاد أشباه الموصلات.
يوضح الرسم البياني أدناه وجهة نظر منظورية للترانزستور ثنائي القطب pnp. تتضمن عملية التصنيع استخدام شبه موصل من النوع p كركيزة، وذلك باستخدام مبدأ الانتشار الحراري لإنشاء منطقة من النوع n على الركيزة من النوع p. بعد ذلك، يتم تشكيل منطقة من النوع p+ عالية التركيز على هذه المنطقة من النوع n من خلال الانتشار الحراري. أخيرًا، يتم استخدام المعدن لتغطية مناطق p+ وn والمناطق الأساسية من النوع p لتشكيل اتصالات أومية.
تُسمى المنطقة المتوسطة الضيقة من النوع n، ذات تركيز شوائب معتدل، بالقاعدة (يُشار إليها بالرمز B)، ويجب أن يكون عرض منطقة القاعدة أصغر بكثير من طول انتشار حاملات الأقلية؛
المنطقة ذات أقل تركيز من النوع p تسمى المجمع (يشار إليها بالحرف C). بافتراض التوزيع الموحد للتركيزات داخل كل منطقة، يمكن تطبيق مفهوم الوصلة pn مباشرة على الوصلات داخل الترانزستور.
استبدال مناطق النوع p بمناطق النوع n ومنطقة النوع n بمنطقة النوع p في بنية ترانزستور ثنائي القطب pnp ينتج عنه بنية ترانزستور ثنائي القطب npn. لذلك، يتم أيضًا عكس اتجاه التيار وقطبية الجهد.
يوضح الشكل (أ) الترانزستور ثنائي القطب pnp المثالي في حالة توازن حراري، حيث تكون أطرافه الثلاثة متصلة ببعضها البعض أو جميعها متصلة بالأرض، مع مناطق مظللة تمثل مناطق النضوب في الوصلتين pn.
يوضح الشكل (ب) تركيزات الشوائب في المناطق الثلاثة المنشطات، حيث تحتوي منطقة الباعث على تركيز منشط أعلى بكثير من منطقة المجمع، ومنطقة القاعدة ذات تركيز أقل من الباعث ولكن أعلى من المجمع.
الرسم البياني (ج) يصور توزيع المجال الكهربائي في منطقة النضوب.
يعرض الرسم البياني (د) مخطط نطاق الطاقة للترانزستور، مما يوسع حالة التوازن الحراري للوصلات pn ويطبقها على الوصلتين المتجاورتين p+ - n والوصلة n - p.
يوضح الشكل (أ) الترانزستور المتصل كمكبر تكوين ذي قاعدة مشتركة، حيث يتم مشاركة القاعدة بين دوائر الإدخال والإخراج.
يوضح الشكلان (ب) و(ج) كثافة الشحنة وتوزيع المجال الكهربائي في ظل ظروف التحيز، مقارنة بحالة التوازن الحراري الموضحة في الرسم البياني السابق. يضيق عرض منطقة النضوب عند تقاطع قاعدة الباعث، بينما تتسع منطقة النضوب عند تقاطع قاعدة المجمع.
يعرض الشكل (د) مخطط نطاق الطاقة للترانزستور الذي يعمل في وضع التضخيم. إن تقاطع قاعدة الباعث متحيز للأمام، مما يتسبب في حقن الثقوب من منطقة الباعث p+ إلى منطقة القاعدة، وحقن الإلكترونات من منطقة القاعدة إلى منطقة الباعث.
من ناحية أخرى، فإن وصلة قاعدة المجمع تكون منحازة عكسيًا، مما يسمح بتدفق تيار التشبع العكسي. إذا كانت منطقة القاعدة ضيقة بدرجة كافية، فإن الثقوب المحقونة من منطقة الباعث في منطقة القاعدة يمكن أن تنتشر عبر منطقة القاعدة وتصل إلى حافة منطقة استنفاد قاعدة المجمع، وتتدفق في النهاية عبر منطقة المجمع تحت انحياز المجمع- تقاطع القاعدة.
تؤدي آلية النقل هذه إلى ظهور الأسماء "باعث" لحقن حاملات الشحنة و"المجمع" لتجميع الحاملات المحقونة من الوصلة المجاورة.
إذا لم تتحد معظم الثقوب المحقونة مع الإلكترونات في منطقة القاعدة ولكنها تصل إلى المجمع، فإن تيار المجمع الناتج عن الثقوب سوف يتطابق بشكل وثيق مع تيار ثقب الباعث.
من الواضح أن الثقوب المحقونة من تقاطع قاعدة الباعث المجاور يمكن أن تولد تيارًا كبيرًا في تقاطع قاعدة المجمع المنحاز عكسيًا، مما يؤدي إلى تأثير تضخيم الترانزستور، والذي يحدث فقط عندما تكون هاتان الوصلتان قريبتان بدرجة كافية من بعضهما البعض، ومن ثم يشار إليها باسم تقاطعات pn المتفاعلة.
على العكس من ذلك، إذا كانت هاتان الوصلتان pn متباعدتين جدًا، فإن جميع الفجوات الواردة ستتحد مع الإلكترونات في منطقة القاعدة ولن تصل إلى منطقة المجمع، مما يؤدي إلى انعدام تأثير تضخيم الترانزستور. في هذه الحالة، يعمل هيكل pnp ببساطة كثنائيين pn متصلين ظهرًا لظهر.
كسب التيار: يوضح الرسم البياني أدناه المكونات الحالية المختلفة في ترانزستور pnp المثالي الذي يعمل في وضع التضخيم. بافتراض عدم وجود تيار إعادة التركيب في منطقة النضوب، فإن الثقوب المحقونة من منطقة الباعث تشكل المكون الحالي السائد IEp.
هناك ثلاثة تيارات في القاعدة: IBB، IEn، وICn.
يمثل IBB تيار الإلكترونات التي توفرها القاعدة والتي تتحد مع الثقوب الحادثة (أي IBB = IEp - ICp)؛ يمثل IEn تيار الإلكترونات المحقونة من منطقة القاعدة إلى منطقة الباعث، وهو مكون تيار غير مرغوب فيه يمكن تقليله عن طريق المنشطات الثقيلة للباعث أو استخدام الوصلات غير المتجانسة؛ يمثل ICN تيار الإلكترون المتولد بالقرب من تقاطع المجمع بسبب التأثيرات الحرارية، المتدفق من منطقة المجمع إلى منطقة القاعدة.
أوضاع التشغيل: اعتمادًا على الفولتية المتحيزة عند تقاطع قاعدة الباعث وقاعدة المجمع، فإن الترانزستورات ثنائية القطب لها أربعة أوضاع تشغيل.
يوضح الرسم البياني أدناه أوضاع التشغيل الأربعة لترانزستور pnp وعلاقاتها مع VEB وVCB. يظهر أيضًا في الرسم البياني توزيع ناقلات الأقلية في كل وضع تشغيل.
على سبيل المثال، في وضع التضخيم، تكون وصلة قاعدة الباعث متحيزة للأمام، وتكون وصلة قاعدة المجمع متحيزة عكسيًا.
في وضع التشبع، تكون كلا الوصلتين للترانزستور متحيزتين للأمام، مما يؤدي إلى وجود حاملات أقلية في مناطق النضوب لكلا الوصلتين.
في وضع التشبع، يمكن أن يؤدي الجهد الصغير إلى تيار خرج كبير، مما يضع الترانزستور في حالة توصيل مشابهة لدائرة كهربائية قصيرة.
في وضع القطع، يكون كلا وصلتي الترانزستور متحيزين عكسيًا، مما يؤدي إلى شروط حدودية pn(0) = pn(W) = 0. يمكن رؤية الترانزستور في وضع القطع كمفتاح في وضع الفتح (أو إيقاف التشغيل) .
في الوضع المقلوب، يكون تقاطع قاعدة الباعث متحيزًا عكسيًا، ويكون تقاطع قاعدة المجمع متحيزًا للأمام. في هذا الوضع، يعمل قطب المجمع كباعث والعكس صحيح. ومع ذلك، فإن الكسب الحالي في الوضع المقلوب يكون عادة أصغر مما هو عليه في وضع التضخيم بسبب انخفاض تركيز المنشطات في منطقة المجمع مقارنة بالمنطقة الأساسية، مما يؤدي إلى انخفاض "كفاءة الانبعاثات".
عملية التبديل العابرة: في الدوائر الرقمية، تعمل الترانزستورات بشكل أساسي كمفاتيح. باستخدام تيار أساسي صغير، يمكن تغيير تيار المجمع بسرعة من وضع إيقاف التشغيل إلى وضع التشغيل (والعكس صحيح) في وقت قصير جدًا. في حالة إيقاف التشغيل، يوجد جهد عالي وتيار منخفض، بينما في حالة التشغيل، يوجد جهد منخفض وتيار مرتفع.
ترانزستورات ثنائية القطب غير المتجانسة (HBTs)
تشير الترانزستورات ثنائية القطب غير المتجانسة (HBTs) إلى الترانزستورات حيث يتم تصنيع أحد الوصلات أو كلا الوصلات من مواد أشباه موصلة مختلفة.
الميزة الرئيسية للترانزستورات ثنائية القطب هي كفاءتها العالية في الانبعاثات، ويتم استخدامها بشكل مشابه للترانزستورات ثنائية القطب. ومع ذلك، تتمتع HBTs بسرعة أعلى ويمكن أن تعمل بترددات أعلى. نظرًا لهذه الخصائص، تُستخدم HBTs على نطاق واسع في الإلكترونيات الضوئية والميكروويف والتطبيقات الرقمية. في تطبيقات الموجات الدقيقة، تُستخدم HBTs بشكل شائع لتصنيع مضخمات طاقة الموجات الميكروية والموجات المليمترية الصلبة والمذبذبات والخلاطات.
هيكل HBT الأساسي: تم تطوير معظم تقنيات HBT في نظام المواد AlxGa1-xAs/GaAs. يتكون هيكل npn HBT الأساسي من طبقة AlxGa1-xAs ذات فجوة نطاق واسعة في منطقة باعث من النوع n، وطبقة GaAs ذات فجوة نطاق أضيق في المنطقة الأساسية من النوع p، ومناطق المجمع والمجمع الفرعي من النوع n المصنوعة من مخدر خفيف ومخدر بشدة GaAs، على التوالي.
HBTs المتقدمة: في السنوات الأخيرة، تم بحث المواد من سلسلة InP (مثل InP/InGaAs أو AlInAs/InGaAs) بشكل منهجي، وتوفر الهياكل المتغايرة القائمة على InP العديد من المزايا. يُظهر هيكل InP/InGaAs إعادة تركيب سطحية منخفضة للغاية، وتكون حركة الإلكترون لـ InGaAs أعلى بكثير من حركة GaAs، مما يؤدي إلى أداء ممتاز عالي التردد.
يصور الرسم البياني أدناه المنحنى المميز لـ HBT النموذجي القائم على فوسفيد الإنديوم، مع تردد قطع يصل إلى 254 جيجا هرتز. بالإضافة إلى ذلك، يُظهر InP سرعة انجراف أعلى من GaAs في ظل المجالات الكهربائية القوية ولديه أيضًا جهد انهيار أعلى.
تساعد الكثافة المنخفضة لمصائد واجهة السيليكون على تقليل تيار إعادة التركيب السطحي، مما يضمن كسب تيار عالي حتى عند تيارات المجمع المنخفضة. بالإضافة إلى ذلك، يعد التوافق مع تقنية معالجة السيليكون القياسية ميزة أخرى جذابة للغاية.
يوضح الرسم البياني في (أ) بنية Si/SiGe HBT النموذجية، بينما (ب) يقارن تيار المجمع لـ Si/SiGe HBT مع ترانزستور ثنائي القطب متجانس السيليكون، مما يدل على أن Si/SiGe HBT يُظهر مكاسب تيار أعلى. بالمقارنة مع زرنيخيد الغاليوم وHBTs القائمة على فوسفيد الإنديوم، فإن Si/SiGe
يتميز HBT بتردد قطع أقل بسبب انخفاض حركة الناقل للسيليكون.
الخصائص الأساسية: يوضح الرسم البياني أدناه المقطع العرضي لجهاز الثايرستور، والذي يتكون من بنية pnpn رباعية الطبقات، تتكون من ثلاث وصلات pn متصلة على التوالي، وهي J1 وJ2 وJ3. تُسمى الطبقة p الخارجية المتصلة بقطب التلامس الأنود، بينما تُسمى الطبقة n على الجانب الآخر الكاثود. تُمثل هذه البنية، بدون أقطاب إضافية، جهازًا ثنائي الطرف، وتُعرف باسم ثنائي pnpn.
يوضح الشكل (ج) مخطط نطاق الطاقة لجهاز الثايرستور في حالة التوازن الحراري. تحتوي كل وصلة على طبقة استنفاد، ويتم تحديد الإمكانات المضمنة من خلال تركيز المنشطات.
إذا تم تطبيق نبض تيار البوابة بالقرب من بداية كل دورة، فسيتم نقل المزيد من الطاقة إلى الحمل. على العكس من ذلك، فإن تأخير نبض تيار البوابة سيؤدي إلى انخفاض كبير في الطاقة التي يتم توصيلها إلى الحمل أثناء توصيل جهاز الثايرستور في نهاية الدورة.
تم اختراع ترانزستور الوصل ثنائي القطب من قبل فريق بحث في مختبرات بيل في عام 1947. يتكون الترانزستور الأول من سلكين معدنيين بنقاط نهاية حادة تجعل نقطة الاتصال مع ركيزة الجرمانيوم. على الرغم من كونه بدائيًا وفقًا لمعايير اليوم، فقد أحدث هذا الترانزستور الأول تحولًا كبيرًا في صناعة الإلكترونيات بأكملها وطريقة حياة البشرية.
في ترانزستورات الوصلات ثنائية القطب الحديثة، حل السيليكون محل الجرمانيوم كركيزة، وتم استبدال نقطة الاتصال بوصلتين متجاورتين متجاورتين. يمكن أن يأخذ الهيكل شكل pnp أو npn.
الترانزستور، وهو اختصار لعبارة "مقاوم النقل"، هو جهاز شبه موصل متعدد الوصلات. عادةً ما يتم دمج الترانزستورات مع مكونات الدائرة الأخرى لتحقيق الجهد أو التيار أو تضخيم طاقة الإشارة.
تعد الترانزستورات ثنائية القطب، والمعروفة أيضًا باسم ترانزستورات التوصيل ثنائية القطب (BJTs)، من بين أهم أجهزة أشباه الموصلات وتجد تطبيقات واسعة في الدوائر عالية السرعة، والدوائر التناظرية، وتضخيم الطاقة، والمزيد.
ما هو تقاطع PN؟
وهو عبارة عن تقاطع يتكون من الاتصال بين أشباه الموصلات من النوع p وأشباه الموصلات من النوع n.
على سبيل المثال، يشبه شبه الموصل من النوع p قطعة مربعة من الطين مملوءة بالعديد من الثقوب (المعروفة باسم فتحات الإلكترون)، على غرار الجحور التي تظهر في الكركند. إن أشباه الموصلات من النوع n هي أيضًا قطعة مربعة من الطين، ولكنها مليئة بالعديد من الكركند (الإلكترونات الحرة). عندما نلصق قطعتي الطين معًا، سيزحف الكركند نحو الجحور.
الكركند الموجود في المقدمة هو أول من وجد الجحور في الصف الأمامي. بمجرد زحف الكركند الموجود في الصف الأمامي إلى الجحور، يتعين على الكركند الذي يقف خلفه أن يتسلق أبعد ويواجه صعوبة أكبر في العثور على الجحور.
وبما أن الجحور الموجودة في الصفوف الأمامية قد استنفدت بالفعل تقريبًا، تشير صناعة أشباه الموصلات إلى هذه المنطقة باسم منطقة النضوب.
يتمتع الوصل PN بخاصية تسمى التصحيح، والتي تسمح للتيار بالتدفق في اتجاه واحد فقط.
إنه مثل الباب: من السهل على الشخص أن يدفع الباب ليفتحه في اتجاه واحد، ولكن من الصعب أن تحاول دفعه في الاتجاه المعاكس. بالطبع، يمكنك استخدام قوة كبيرة لدفع الباب بعنف حتى ينكسر، وهي عملية نشير إليها باسم انهيار الوصلة.
بالنظر إلى خصائص الجهد الحالي لوصلة PN، فإن المنحنى كما هو موضح في الرسم البياني أدناه.
عندما يتم تطبيق انحياز أمامي على تقاطع PN، فإن الأمر يشبه وضع عصابات على أعين الكركند في الوحل. يصبح الكركند قصير النظر ولا يمكنه رؤية الجحور إلا في الصف الأمامي. ونتيجة لذلك، تنخفض الحركة الإجمالية للكركند، كما ينخفض أيضًا عدد الكركند الذي يزحف نحو الجحور، مما يقلل من عرض منطقة النضوب.
عندما يتم تطبيق انحياز عكسي على تقاطع PN، فإن الأمر يشبه إعطاء تلسكوبات الكركند في الوحل. يمكن للكركند أن يرى أبعد ويزحف بحماس أكبر، مما يؤدي إلى قيام المزيد من الكركند بإيجاد الجحور. وبالتالي، تزداد الحركة الإجمالية للكركند، ويتسع عرض منطقة استنفاد أشباه الموصلات.
في الشكل أدناه، (أ) يمثل العرض الطبيعي لمنطقة النضوب في تقاطع PN، (ب) يظهر العرض بعد تطبيق التحيز الأمامي، و (ج) يظهر العرض بعد تطبيق التحيز العكسي.
هيكل الترانزستور ثنائي القطب:
يوضح الرسم البياني أدناه وجهة نظر منظورية للترانزستور ثنائي القطب pnp. تتضمن عملية التصنيع استخدام شبه موصل من النوع p كركيزة، وذلك باستخدام مبدأ الانتشار الحراري لإنشاء منطقة من النوع n على الركيزة من النوع p. بعد ذلك، يتم تشكيل منطقة من النوع p+ عالية التركيز على هذه المنطقة من النوع n من خلال الانتشار الحراري. أخيرًا، يتم استخدام المعدن لتغطية مناطق p+ وn والمناطق الأساسية من النوع p لتشكيل اتصالات أومية.
يتكون الترانزستور ثنائي القطب pnp من ثلاث مناطق بتركيزات مختلفة للمنشطات، مما يشكل وصلتين pn. منطقة التركيز الأعلى p+ تسمى الباعث (يشار إليه بالرمز E)؛
تُسمى المنطقة المتوسطة الضيقة من النوع n، ذات تركيز شوائب معتدل، بالقاعدة (يُشار إليها بالرمز B)، ويجب أن يكون عرض منطقة القاعدة أصغر بكثير من طول انتشار حاملات الأقلية؛
المنطقة ذات أقل تركيز من النوع p تسمى المجمع (يشار إليها بالحرف C). بافتراض التوزيع الموحد للتركيزات داخل كل منطقة، يمكن تطبيق مفهوم الوصلة pn مباشرة على الوصلات داخل الترانزستور.
يوضح الرسم البياني أدناه رمز الدائرة للترانزستور ثنائي القطب pnp، مما يشير إلى مكونات التيار المختلفة وأقطاب الجهد. تمثل الأسهم والرموز "+" و"-" اتجاهات التيارات وأقطاب الفولتية في وضع العمل العام (أي وضع التضخيم، الوضع النشط) للترانزستور. في هذا الوضع، تكون الوصلة مع قاعدة الباعث متحيزة للأمام (VEB > 0)، بينما تكون الوصلة مع قاعدة المجمع متحيزة عكسيًا (VCB <0). وفق
قانون دائرة كيرشوف، بالنسبة لهذا الجهاز ثلاثي الأطراف، لا يوجد سوى تيارين مستقلين؛ إذا كان هناك تياران معروفان، فيمكن تحديد التيار الطرفي الثالث.
قانون دائرة كيرشوف، بالنسبة لهذا الجهاز ثلاثي الأطراف، لا يوجد سوى تيارين مستقلين؛ إذا كان هناك تياران معروفان، فيمكن تحديد التيار الطرفي الثالث.
إن البنية ورمز الدائرة للترانزستور ثنائي القطب npn مكملان لتلك الخاصة بالترانزستور ثنائي القطب pnp. يوضح الرسم البياني أدناه البنية المثالية ورمز الدائرة لترانزستور pnp.
استبدال مناطق النوع p بمناطق النوع n ومنطقة النوع n بمنطقة النوع p في بنية ترانزستور ثنائي القطب pnp ينتج عنه بنية ترانزستور ثنائي القطب npn. لذلك، يتم أيضًا عكس اتجاه التيار وقطبية الجهد.
لفهم الترانزستور pnp، يمكن للمرء وصف الترانزستور npn ببساطة عن طريق تبديل أنواع القطبية والمنشطات.
رابعًا: وضع تضخيم الترانزستور ثنائي القطب
يوضح الشكل (أ) الترانزستور ثنائي القطب pnp المثالي في حالة توازن حراري، حيث تكون أطرافه الثلاثة متصلة ببعضها البعض أو جميعها متصلة بالأرض، مع مناطق مظللة تمثل مناطق النضوب في الوصلتين pn.
يوضح الشكل (ب) تركيزات الشوائب في المناطق الثلاثة المنشطات، حيث تحتوي منطقة الباعث على تركيز منشط أعلى بكثير من منطقة المجمع، ومنطقة القاعدة ذات تركيز أقل من الباعث ولكن أعلى من المجمع.
الرسم البياني (ج) يصور توزيع المجال الكهربائي في منطقة النضوب.
يعرض الرسم البياني (د) مخطط نطاق الطاقة للترانزستور، مما يوسع حالة التوازن الحراري للوصلات pn ويطبقها على الوصلتين المتجاورتين p+ - n والوصلة n - p.
يتوافق الرسم البياني التالي مع الترانزستور الذي يعمل في وضع التضخيم كما هو موضح في الرسم التوضيحي السابق.
يوضح الشكل (أ) الترانزستور المتصل كمكبر تكوين ذي قاعدة مشتركة، حيث يتم مشاركة القاعدة بين دوائر الإدخال والإخراج.
يوضح الشكلان (ب) و(ج) كثافة الشحنة وتوزيع المجال الكهربائي في ظل ظروف التحيز، مقارنة بحالة التوازن الحراري الموضحة في الرسم البياني السابق. يضيق عرض منطقة النضوب عند تقاطع قاعدة الباعث، بينما تتسع منطقة النضوب عند تقاطع قاعدة المجمع.
يعرض الشكل (د) مخطط نطاق الطاقة للترانزستور الذي يعمل في وضع التضخيم. إن تقاطع قاعدة الباعث متحيز للأمام، مما يتسبب في حقن الثقوب من منطقة الباعث p+ إلى منطقة القاعدة، وحقن الإلكترونات من منطقة القاعدة إلى منطقة الباعث.
في الصمام الثنائي المثالي، لا يوجد تيار توليد وإعادة تركيب في منطقة الاستنفاد، وبالتالي فإن الفجوات المحقونة من منطقة الباعث إلى منطقة القاعدة والإلكترونات المحقونة من منطقة القاعدة إلى منطقة الباعث تشكل تيار الباعث.
من ناحية أخرى، فإن وصلة قاعدة المجمع تكون منحازة عكسيًا، مما يسمح بتدفق تيار التشبع العكسي. إذا كانت منطقة القاعدة ضيقة بدرجة كافية، فإن الثقوب المحقونة من منطقة الباعث في منطقة القاعدة يمكن أن تنتشر عبر منطقة القاعدة وتصل إلى حافة منطقة استنفاد قاعدة المجمع، وتتدفق في النهاية عبر منطقة المجمع تحت انحياز المجمع- تقاطع القاعدة.
تؤدي آلية النقل هذه إلى ظهور الأسماء "باعث" لحقن حاملات الشحنة و"المجمع" لتجميع الحاملات المحقونة من الوصلة المجاورة.
إذا لم تتحد معظم الثقوب المحقونة مع الإلكترونات في منطقة القاعدة ولكنها تصل إلى المجمع، فإن تيار المجمع الناتج عن الثقوب سوف يتطابق بشكل وثيق مع تيار ثقب الباعث.
من الواضح أن الثقوب المحقونة من تقاطع قاعدة الباعث المجاور يمكن أن تولد تيارًا كبيرًا في تقاطع قاعدة المجمع المنحاز عكسيًا، مما يؤدي إلى تأثير تضخيم الترانزستور، والذي يحدث فقط عندما تكون هاتان الوصلتان قريبتان بدرجة كافية من بعضهما البعض، ومن ثم يشار إليها باسم تقاطعات pn المتفاعلة.
على العكس من ذلك، إذا كانت هاتان الوصلتان pn متباعدتين جدًا، فإن جميع الفجوات الواردة ستتحد مع الإلكترونات في منطقة القاعدة ولن تصل إلى منطقة المجمع، مما يؤدي إلى انعدام تأثير تضخيم الترانزستور. في هذه الحالة، يعمل هيكل pnp ببساطة كثنائيين pn متصلين ظهرًا لظهر.
كسب التيار: يوضح الرسم البياني أدناه المكونات الحالية المختلفة في ترانزستور pnp المثالي الذي يعمل في وضع التضخيم. بافتراض عدم وجود تيار إعادة التركيب في منطقة النضوب، فإن الثقوب المحقونة من منطقة الباعث تشكل المكون الحالي السائد IEp.
ستصل معظم الثقوب الحادثة إلى قطب المجمع وتشكل ICp.
هناك ثلاثة تيارات في القاعدة: IBB، IEn، وICn.
يمثل IBB تيار الإلكترونات التي توفرها القاعدة والتي تتحد مع الثقوب الحادثة (أي IBB = IEp - ICp)؛ يمثل IEn تيار الإلكترونات المحقونة من منطقة القاعدة إلى منطقة الباعث، وهو مكون تيار غير مرغوب فيه يمكن تقليله عن طريق المنشطات الثقيلة للباعث أو استخدام الوصلات غير المتجانسة؛ يمثل ICN تيار الإلكترون المتولد بالقرب من تقاطع المجمع بسبب التأثيرات الحرارية، المتدفق من منطقة المجمع إلى منطقة القاعدة.
أوضاع التشغيل: اعتمادًا على الفولتية المتحيزة عند تقاطع قاعدة الباعث وقاعدة المجمع، فإن الترانزستورات ثنائية القطب لها أربعة أوضاع تشغيل.
يوضح الرسم البياني أدناه أوضاع التشغيل الأربعة لترانزستور pnp وعلاقاتها مع VEB وVCB. يظهر أيضًا في الرسم البياني توزيع ناقلات الأقلية في كل وضع تشغيل.
على سبيل المثال، في وضع التضخيم، تكون وصلة قاعدة الباعث متحيزة للأمام، وتكون وصلة قاعدة المجمع متحيزة عكسيًا.
في وضع التشبع، تكون كلا الوصلتين للترانزستور متحيزتين للأمام، مما يؤدي إلى وجود حاملات أقلية في مناطق النضوب لكلا الوصلتين.
في وضع التشبع، يمكن أن يؤدي الجهد الصغير إلى تيار خرج كبير، مما يضع الترانزستور في حالة توصيل مشابهة لدائرة كهربائية قصيرة.
في وضع القطع، يكون كلا وصلتي الترانزستور متحيزين عكسيًا، مما يؤدي إلى شروط حدودية pn(0) = pn(W) = 0. يمكن رؤية الترانزستور في وضع القطع كمفتاح في وضع الفتح (أو إيقاف التشغيل) .
في الوضع المقلوب، يكون تقاطع قاعدة الباعث متحيزًا عكسيًا، ويكون تقاطع قاعدة المجمع متحيزًا للأمام. في هذا الوضع، يعمل قطب المجمع كباعث والعكس صحيح. ومع ذلك، فإن الكسب الحالي في الوضع المقلوب يكون عادة أصغر مما هو عليه في وضع التضخيم بسبب انخفاض تركيز المنشطات في منطقة المجمع مقارنة بالمنطقة الأساسية، مما يؤدي إلى انخفاض "كفاءة الانبعاثات".
عملية التبديل العابرة: في الدوائر الرقمية، تعمل الترانزستورات بشكل أساسي كمفاتيح. باستخدام تيار أساسي صغير، يمكن تغيير تيار المجمع بسرعة من وضع إيقاف التشغيل إلى وضع التشغيل (والعكس صحيح) في وقت قصير جدًا. في حالة إيقاف التشغيل، يوجد جهد عالي وتيار منخفض، بينما في حالة التشغيل، يوجد جهد منخفض وتيار مرتفع.
ترانزستورات ثنائية القطب غير المتجانسة (HBTs)
تشير الترانزستورات ثنائية القطب غير المتجانسة (HBTs) إلى الترانزستورات حيث يتم تصنيع أحد الوصلات أو كلا الوصلات من مواد أشباه موصلة مختلفة.
الميزة الرئيسية للترانزستورات ثنائية القطب هي كفاءتها العالية في الانبعاثات، ويتم استخدامها بشكل مشابه للترانزستورات ثنائية القطب. ومع ذلك، تتمتع HBTs بسرعة أعلى ويمكن أن تعمل بترددات أعلى. نظرًا لهذه الخصائص، تُستخدم HBTs على نطاق واسع في الإلكترونيات الضوئية والميكروويف والتطبيقات الرقمية. في تطبيقات الموجات الدقيقة، تُستخدم HBTs بشكل شائع لتصنيع مضخمات طاقة الموجات الميكروية والموجات المليمترية الصلبة والمذبذبات والخلاطات.
هيكل HBT الأساسي: تم تطوير معظم تقنيات HBT في نظام المواد AlxGa1-xAs/GaAs. يتكون هيكل npn HBT الأساسي من طبقة AlxGa1-xAs ذات فجوة نطاق واسعة في منطقة باعث من النوع n، وطبقة GaAs ذات فجوة نطاق أضيق في المنطقة الأساسية من النوع p، ومناطق المجمع والمجمع الفرعي من النوع n المصنوعة من مخدر خفيف ومخدر بشدة GaAs، على التوالي.
لتكوين اتصال أومي، تتم إضافة طبقة زرنيخيد الغاليوم من النوع n المخدر بدرجة عالية بين وصلة الباعث وطبقة زرنيخيد الغاليوم الألومنيوم. نظرًا للاختلاف الكبير في عرض فجوة النطاق بين مناطق الباعث والقاعدة، يمكن زيادة كسب تيار الباعث المشترك بشكل ملحوظ. في المقابل، لا تحتوي الترانزستورات ثنائية القطب المتجانسة على مثل هذا الاختلاف في عرض فجوة النطاق، وبالتالي، يجب زيادة نسبة تركيز المنشطات بين مناطق الباعث والقاعدة بشكل كبير. هذا الاختلاف الأساسي يميز التجانس عن الترانزستورات ثنائية القطب غير المتجانسة.
HBTs المتقدمة: في السنوات الأخيرة، تم بحث المواد من سلسلة InP (مثل InP/InGaAs أو AlInAs/InGaAs) بشكل منهجي، وتوفر الهياكل المتغايرة القائمة على InP العديد من المزايا. يُظهر هيكل InP/InGaAs إعادة تركيب سطحية منخفضة للغاية، وتكون حركة الإلكترون لـ InGaAs أعلى بكثير من حركة GaAs، مما يؤدي إلى أداء ممتاز عالي التردد.
يصور الرسم البياني أدناه المنحنى المميز لـ HBT النموذجي القائم على فوسفيد الإنديوم، مع تردد قطع يصل إلى 254 جيجا هرتز. بالإضافة إلى ذلك، يُظهر InP سرعة انجراف أعلى من GaAs في ظل المجالات الكهربائية القوية ولديه أيضًا جهد انهيار أعلى.
نوع آخر من الوصلات غير المتجانسة هو نظام المواد Si/SiGe، الذي يوفر العديد من الميزات الجذابة لتطبيقات HBT. على غرار AlGaAs/GaAs HBT، يستفيد Si/SiGe HBT أيضًا من القدرة على التخدير بشكل كبير بسبب اختلاف عرض فجوة النطاق، مما يؤدي إلى أداء عالي السرعة.
تساعد الكثافة المنخفضة لمصائد واجهة السيليكون على تقليل تيار إعادة التركيب السطحي، مما يضمن كسب تيار عالي حتى عند تيارات المجمع المنخفضة. بالإضافة إلى ذلك، يعد التوافق مع تقنية معالجة السيليكون القياسية ميزة أخرى جذابة للغاية.
يوضح الرسم البياني في (أ) بنية Si/SiGe HBT النموذجية، بينما (ب) يقارن تيار المجمع لـ Si/SiGe HBT مع ترانزستور ثنائي القطب متجانس السيليكون، مما يدل على أن Si/SiGe HBT يُظهر مكاسب تيار أعلى. بالمقارنة مع زرنيخيد الغاليوم وHBTs القائمة على فوسفيد الإنديوم، فإن Si/SiGe
يتميز HBT بتردد قطع أقل بسبب انخفاض حركة الناقل للسيليكون.
القسم السادس: أجهزة الثايرستور وأجهزة الطاقة ذات الصلة
تعد أجهزة الثايرستور مكونات طاقة مهمة قادرة على التحكم في الجهد العالي والتيار العالي، مما يتيح للجهاز الانتقال من حالة مغلقة أو مسدودة إلى حالة مفتوحة أو موصلة، والعكس صحيح. يرتبط عملها ارتباطًا وثيقًا بالترانزستورات ثنائية القطب، التي تتضمن توصيل كل من الإلكترونات والثقوب.
ومع ذلك، فإن آلية التبديل الخاصة بها وهيكلها يختلفان عن الترانزستورات ثنائية القطب، مما يوفر نطاقًا واسعًا من قدرات التحكم في التيار والجهد. يمكن أن يتراوح التيار المقنن من بضعة مللي أمبير إلى أكثر من 5000 أمبير، مع جهد مقدر يتجاوز 10,000 فولت.
ومع ذلك، فإن آلية التبديل الخاصة بها وهيكلها يختلفان عن الترانزستورات ثنائية القطب، مما يوفر نطاقًا واسعًا من قدرات التحكم في التيار والجهد. يمكن أن يتراوح التيار المقنن من بضعة مللي أمبير إلى أكثر من 5000 أمبير، مع جهد مقدر يتجاوز 10,000 فولت.
الخصائص الأساسية: يوضح الرسم البياني أدناه المقطع العرضي لجهاز الثايرستور، والذي يتكون من بنية pnpn رباعية الطبقات، تتكون من ثلاث وصلات pn متصلة على التوالي، وهي J1 وJ2 وJ3. تُسمى الطبقة p الخارجية المتصلة بقطب التلامس الأنود، بينما تُسمى الطبقة n على الجانب الآخر الكاثود. تُمثل هذه البنية، بدون أقطاب إضافية، جهازًا ثنائي الطرف، وتُعرف باسم ثنائي pnpn.
إذا تم توصيل قطب كهربائي آخر، المعروف باسم البوابة، بالطبقة الداخلية p2، فإن الجهاز الناتج ذو الثلاثة أطراف يسمى مقوم يتم التحكم فيه بواسطة أشباه الموصلات (SCR) أو الثايرستور.
يُظهر الرسم البياني في (ب) ملف تعريف المنشطات النموذجي لجهاز الثايرستور. يبدأ الأمر برقاقة سيليكون عالية المقاومة من النوع n كمادة أولية (طبقة n)، تليها خطوة انتشار لتكوين الطبقتين p1 وp2 في نفس الوقت. وأخيرًا، يتم استخدام صناعة السبائك أو الانتشار لإنشاء طبقة n2 على جانب واحد من رقاقة السيليكون.
يوضح الشكل (ج) مخطط نطاق الطاقة لجهاز الثايرستور في حالة التوازن الحراري. تحتوي كل وصلة على طبقة استنفاد، ويتم تحديد الإمكانات المضمنة من خلال تركيز المنشطات.
يوضح الرسم البياني تطبيقًا بسيطًا لجهاز الثايرستور، والذي يمكنه ضبط الطاقة المنقولة من خط الطاقة إلى الحمل. يمكن أن يكون الحمل، RL، عبارة عن مصباح كهربائي أو سخان، على سبيل المثال. يتم التحكم في الطاقة التي يتم توصيلها إلى الحمل في كل دورة عن طريق نبض البوابة الحالي لجهاز الثايرستور.
إذا تم تطبيق نبض تيار البوابة بالقرب من بداية كل دورة، فسيتم نقل المزيد من الطاقة إلى الحمل. على العكس من ذلك، فإن تأخير نبض تيار البوابة سيؤدي إلى انخفاض كبير في الطاقة التي يتم توصيلها إلى الحمل أثناء توصيل جهاز الثايرستور في نهاية الدورة.
هذه هي كل المعلومات المتعلقة بالترانزستورات ثنائية القطب.
التوصيات ذات الصلة
粤公网安备44030002007346号