טרנזיסטור ביפולרי

טרנזיסטור ביפולרי, טרנזיסטור דו־קוטבי או טרנזיסטור דו־נושאי (באנגלית: Bipolar junction transistor, בראשי תיבות: BJT) הוא טרנזיסטור העושה שימוש הן בזרם של אלקטרונים והן בזרם של חורים. הטרנזיסטור הביפולרי הוא רכיב אלקטרוני בעל שלושה הדקים העשוי מוליך למחצה מאולח ויכול לשמש כמגבר או כמתג. הטרנזיסטור הביפולרי מורכב משני צומתי PN: בטרנזיסטור NPN, מוליך למחצה מסוג n בא במגע עם מוליך למחצה מסוג p, שבא במגע עם מוליך למחצה נוסף מסוג n. בטרנזיסטור PNP סוגי האילוח הפוכים. ניתן להתייחס למבנה זה כשתי דיודות המחוברות גב אל גב כך שיש להן אנודה משותפת. ריכוז האילוח באחד מאזורי ה-n גדול ביחס לאחר. הצד המאולח יותר נקרא הפולט (emitter, מסומן E), והצד המאולח פחות נקרא הקולט (collector, מסומן C). אזור ה-p ביניהם נקרא הבסיס (base, מסומן B). כאשר המתח החשמלי בין הבסיס לפולט חיובי (כלומר הפוטנציאל החשמלי בבסיס גדול מזה שבפולט) והמתח בין הקולט לבסיס חיובי גם הוא, אלקטרונים מהפולט מפעפעים דרך אזור הדלדול לעבר הבסיס ומשם נסחפים דרך אזור הדלדול הנוסף לקולט כתוצאה מכוח חשמלי. אם המתח בין הקולט לבסיס גדול מספיק, זרם האלקטרונים מהפולט לקולט נקבע רק על ידי המתח בין הבסיס לפולט, שקובע את גרדיאנט ריכוזם בבסיס, בהתאם לחוק הדיפוזיה של פיק. במצב כזה ניתן לראות בזרם הנכנס לבסיס זרם בקרה, הקובע את גודל הזרם הזורם מהקולט לפולט ללא תלות במתח ביניהם. היחס בין זרם הפולט לזרם הבסיס בקירוב קבוע והוא מסומן β F {\displaystyle \beta _{F}} . בטרנזיסטור PNP, כיוון הזרם הוא מהפולט לקולט. לפי חוק הזרמים של קירכהוף: I E = I B + I C {\displaystyle I_{E}=I_{B}+I_{C}} הגברי הזרם מקיימים את היחסים הבאים: α T = I C I E {\displaystyle \alpha _{T}={\frac {I_{\text{C}}}{I_{\text{E}}}}} β F = I C I B {\displaystyle \beta _{F}={\frac {I_{\text{C}}}{I_{\text{B}}}}} β F = α T 1 − α T ⟺ α T = β F β F + 1 {\displaystyle \beta _{F}={\frac {\alpha _{T}}{1-\alpha _{T}}}\iff \alpha _{T}={\frac {\beta _{F}}{\beta _{F}+1}}} לטרנזיסטור ביפולרי ארבעה מצבי פעולה: פעיל קדמי: במצב זה הפוטנציאל בקולט גדול מזה של הבסיס, והפוטנציאל בבסיס גדול מזה של הפולט. במצב זה הזרם בין הקולט לפולט עומד ביחס ישר לזרם הבסיס, כאשר קבוע הפרופורציה β F {\displaystyle \beta _{F}} אופייני הוא מסדר גודל של 100. רוויה: במצב זה הפוטנציאל בבסיס גדול מזה שבפולט, אך המתח בין הקולט לבסיס אינו גדול מספיק על מנת לאפשר לכל האלקטרונים להיסחף מהבסיס לקולט. במצב כזה הזרם תלוי במתח בין הקולט לבסיס באופן ליניארי בקירוב. קטעון: אם הפוטנציאל בבסיס נמוך מזה שבפולט, לא יוכל לזרום זרם מהקולט לפולט על אף שהפוטנציאל בקולט גדול מזה שבבסיס ומזה שבפולט. מצב זה מדמה נתק במעגל. פעיל אחורי: מאחר שההבדל היחיד בין הקולט לפולט הוא ריכוז האילוח שלהם, במקרה שפוטנציאל הבסיס קטן מזה של הפולט ופוטנציאל הקולט קטן מזה של הבסיס, הטרנזיסטור פועל באופן דומה למצב פעיל קדמי אולם תפקידי הקולט והפולט מתהפכים. כתוצאה מכך שריכוזי האילוח הפוכים, הגבר הזרם β F {\displaystyle \beta _{F}} במצב פעולה זה קטן מזה של המצב הפעיל קדמי, והשימוש בו במעגלים חשמליים אינו נפוץ. עם זאת, בדרגת הכניסה של מעגלים ספרתיים מסוג TTL משתמשים בטרנזיסטורים באזור פעיל אחורי. מודל אברס-מול (Ebers–Moll) נותן משוואות המקשרות בין המתחים והזרמים השונים בטרנזיסטור ביפולרי: I C = I S ( e V BE V T − e V BC V T ) − I S β R ( e V BC V T − 1 ) {\displaystyle I_{\text{C}}=I_{\text{S}}\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}\right)-{\frac {I_{\text{S}}}{\beta _{R}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)} I B = I S β F ( e V BE V T − 1 ) + I S β R ( e V BC V T − 1 ) {\displaystyle I_{\text{B}}={\frac {I_{\text{S}}}{\beta _{F}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)+{\frac {I_{\text{S}}}{\beta _{R}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)} I E = I S ( e V BE V T − e V BC V T ) + I S β F ( e V BE V T − 1 ) {\displaystyle I_{\text{E}}=I_{\text{S}}\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}\right)+{\frac {I_{\text{S}}}{\beta _{F}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)} כאשר: I C {\displaystyle I_{\text{C}}} זרם הקולט, I B {\displaystyle I_{\text{B}}} זרם הבסיס, I E {\displaystyle I_{\text{E}}} זרם הפולט, β F {\displaystyle \beta _{F}} הגבר הזרם הקדמי (20 עד 500), β R {\displaystyle \beta _{R}} הגבר הזרם האחורי (0 עד 20), I S {\displaystyle I_{\text{S}}} זרם הרוויה האחורי (בסדר גודל של 10−15 עד 10−12 אמפר), V BE {\displaystyle V_{\text{BE}}} המתח בין הבסיס לפולט, V BC {\displaystyle V_{\text{BC}}} המתח בין הבסיס לקולט, ו- V T {\displaystyle V_{\text{T}}} המתח התרמי (בקירוב mV‏26 בטמפרטורה של 300 קלווין, טמפרטורת החדר), המוגדר:   V T = k B T q {\displaystyle \ V_{T}={k_{B}T \over q}} כאשר k B {\displaystyle k_{B}} הוא קבוע בולצמן, T {\displaystyle T} הוא הטמפרטורה בקלווין ו־ q {\displaystyle q} הוא מטען האלקטרון. A.S. Sedra, K.C. Smith, Microelectronic Circuits, New York: Oxford, 2004 מדיה וקבצים בנושא טרנזיסטור ביפולרי בוויקישיתוף