ترانزستور ثنائي القطب

الترانزستور ثنائي القطب أو ترانزستور الوصلة ثنائية الأقطاب هو عنصر إلكتروني فعّال شبه موصل ثلاثيّ الطبقات، يتكوّن من طبقتين من نفس النوع تفصل بينهما طبقة ثالثةٌ مُغايرة. تكون مادة الطبقات أشباه موصلات إما من النوع N أو من النوع P، إذا كانت الطبقتان من مادة شبه موصل مشوب من النوع N والطبقة المُغايرة من شبه موصلٍ مشوب من النوع P فإنّ الترانزستور يكونُ من النوع NPN. أمّا إذا كانت الطبقتان من شبه مُوصلٍ مشُوبٍ من النوع P، وكانت الطبقةُ المُغايرة من شبه مُوصلٍ مشُوب من النوع N، فإن الترانزستور يكون من النوع PNP.

صُنع الترانزستور للمرة الأولى عام 1947م في مختبرات بل، بإشراف كلٍّ من والتر براتين وجون باردين وويليام شوكلي. لاحقاً، حصلَ الثلاثةُ على جائزة نوبل في الفيزياء في العام 1956م تقديراً لعملهم. مُنذ منتصف الخمسينيّات من القرن العشرين، أصبح الترانزستور ثنائي القطب مُتوافراً للاستخدام التّجاري، وكان حجر أساس في ثورة تقنيّة وإلكترونيّة، ولا يكاد يخلو جهاز إلكتروني حديث من هذا العنصر.

هناكَ ثلاثُ نهاياتٍ طرفيّة للترانزستور ثنائي القطب، هُنّ القاعدة والباعث والمُجمّع، وتتصل كل نهاية مِنها مع إحدى طبقات الترانزستور. يُمكن تمثيل الترانزستور حسب بنيته على شكل ثُنائيين يُسميان وصلتا القاعدة والباعث والقاعدة والمجمع ويشتركان بالمصعد أو بالمهبط، حسب نوع الترانزستور. ولهذا فإنّ الترانزستور يخضع لنفس قواعد التحييز الخاصّة بالثنائي. عمليّاً، هناك أربعُ حالات لتحييز وصلتي الترانزستور هُنّ: التحييز الأمامي لوصلة القاعدة والباعث مع التحييز العكسيّ لوصلة القاعدة والمجمع أو بالعكس، أو تحييز كلتا الوصلتين أماميّاً أو كلتاهما عكسيّاً، وينتج عن كل عملية تحييز خواص مختلفة يمكن الاستفادة منها لتوظيف الترانزستور.

يُوجد العديد من الدارات التي تحقق حالات الانحياز المُختلفة للترانزستور، ويجري تصنيفها حسب النهاية المُشتركة بين دارتي الدخل والخرج في الدارة المُعتبرة، وينتج عن ذلك ثلاثةُ تصانيفَ مختلفةٍ لإعداد الوصلة هي: والباعث المشترك و ولكل وصلة خواص مختلفة عن الأخرى، لكن أكثرها استعمالاً هي الباعث المشترك. هناك عدّة نماذج تُستعمل لتمثيل عمل الترانزستور، أهمّها نموذجا آر إي و، وفيهما يجري تعويض الترانزستور بعناصر كهربائيّة خطيّة غير فعّالة، ثُمّ حساب المُحددات الأساسيّة الضابطة لعمله، مثلُ ربحيّ الجهد والتيار. وتهدف عملية النمذجة إلى إيجاد تمثيلٍ رياضيّ قادرٍ على محاكاة عمل الترانزستور.

تتُحدد آليّة عمل الترانزستور حسب موقع نقطة العمل، وهي نقطة تقع على مُحددات الخرج الخاصّة بالترانزستور وتربط بين جهد الخرج وتياره، ويمكن تحديد موقعها بدقّة من خلال اختيار عناصر دارة التّحييز. على أي حال، يُمكن أن يعمل الترانزستور كمضخم للإشارات الكهربائية الصغيرة أو كمضخم للاستطاعة، وفي كلتا الحالتين يقوم الترانزستور بتضخيم إشارة كهربائيّة تُوصل إلى دارة دخله، ثُمّ نقلِها إلى دارة خرجه. كما يُمكن أن يعمل كمفتاح إلكتروني، وفي هذه الحالة يجري التحكم بتدفق التيار في دارة خرج الترانزستور من خلال الجهد المُطبق دارة الدخل.

يُبدي الترانزستور ذات شكل هضبيّ بالنسبة لترددات إشارة الدخل، فمع زيادة التردد، يرتفع ربح الترانزستور ليصل إلى أعلى قيمة مُمكنة، ثُمّ يظلّ ثابتاً على طيف واسع قبل أن يعود وينخفض من جديد مع زيادة التردد فوق عتبة مُحددة. عمليّاً، يكون ربح الترانزستور أعلى ما يُمكن إذا كان ترددُ الإشارة يقعُ بين ترددين محددين يُسميان ترددا القطع الأدنى والأعلى، وتتبع قيمة هذه الترددات لعدد من عناصر الدارة أهمها مكثفاتُ العزل والتمرير والسِّعاتُ الطفيليّة بالإضافة للمقاومات المُستعملة في الدارة.

منذ مُنتصف الخمسينيّات من القرن العشرين، يتوافر الترانزستور في الأسواق كمنتج تجاري يُمكن شراؤه واستعماله في تصميم الدارات الإلكترونية المختلفة، ويتطلب ذلك مهارات خاصة في قراءة الخاصة به والتي ترفقُها الشركة المُصنّعة مع العنصر الإلكتروني، وهي تحتوي على مواصفاته وخواصه. بالإضافة لذلك، يتطلب استعمال الترانزستور امتلاك مهارات خاصة بتحديد نوعه ودبابيس الطرفيات؛ إمّا عن طريق اللجوء إلى ورقة البيانات الخاصّة به، أو عن طريق القياس باستعمال مقياس المقاومة.