ترانزیستور بهمنی کیست؟ توضیح بده.
ترانزیستور بهمنی یک ترانزیستورپیوندی دوقطبی است که برای کار در ناحیه مشخصه‌های جریان کلکتور برحسب ولتاژ کلکتور-به-امیتر آن فراتر از ولتاژ شکست کلکتور-به-امیتر طراحی شده است که "ناحیه شکست بهمنی" نامیده می‌شود. این ناحیه با شکست بهمنی که پدیده‌ای مشابه تخلیه گازهای تاونزند است و مقاومت تفاضلی منفی مشخص می‌شود. کار در ناحیه شکست بهمنی، کار در حالت‌بهمنی نامیده می‌شود: به ترانزیستورهای بهمنی این توانایی را می‌دهد که جریان‌های بسیار بالا را با زمان‌های اُفت و خیز کمتر از نانوثانیه (زمان گذار) سوئیچ کنند. ترانزیستورهایی که به‌طور خاص برای این منظور طراحی نشده‌اند، می‌توانند ویژگی‌های بهمنی ثابتی داشته باشند. برای مثال ۸۲ درصد از نمونه‌های سوئیچ پرسرعت ۱۵ ولتی 2N2369 که در یک دوره ۱۲ ساله ساخته شده‌اند، قادر به تولید پالس‌های شکست بهمنی با زمان خیز ۳۵۰ پیکوثانیه یا کمتر، با استفاده از منبع تغذیه ۹۰ ولتی بودند همان‌طور که جیم ویلیامز می‌نویسد.تاریخچه.اولین مقاله‌ای که با ترانزیستورهای بهمنی سروکار داشت بود. این مقاله نحوه استفاده از ترانزیستورهای پیوندآلیاژی را در ناحیه شکست بهمنی به منظور غلبه بر محدودیت‌های سرعت و ولتاژ شکست که بر اولین مدل‌های این نوع ترانزیستور در هنگام استفاده در مدارهای دیجیتال رایانه پیشین تأثیر گذاشته است، توضیح می‌دهد؛ بنابراین اولین کاربرد ترانزیستورهای بهمنی در مدارهای کلیدزنی و مولتی‌ویبراتورها بود. معرفی ترانزیستور بهمنی همچنین به عنوان کاربرد فرمول تجربی میلر برای ضریب برافزایی بهمنی formula_1، عمل کرد. اولین بار در مقاله معرفی شد. نیاز به درک بهتر رفتار ترانزیستور در ناحیه شکست بهمنی، نه تنها برای استفاده در حالت بهمنی، منجر به تحقیقات گسترده‌ای در مورد یونش ضربه‌ای در نیم‌رساناها شد (نگاه کنید به ).از ابتدای دهه ۱۹۶۰ تا نیمه اول دهه ۱۹۷۰، چندین مدار بهمنی ترانزیستوری پیشنهاد شد. نوع ترانزیستور پیوندی دوقطبی که برای استفاده در ناحیه شکست بهمنی مناسب است مورد مطالعه قرار گرفت. یک مرجع کامل، که شامل کمک‌های دانشمندان کشورهای اتحاد جماهیر شوروی سابق و کمکان نیز می‌شود، کتاب است.اولین کاربرد ترانزیستور بهمنی به عنوان یک تقویت‌کننده خطی، به نام تریود زمان گذر کنترل‌شده بهمنی، (CATT) در شرح داده شد. افزاره مشابهی به نام آی‌"اِم‌پیستور" کم و بیش در همان دوره در مقاله توصیف شد. کاربردهای خطی این دسته از افزاره‌ها بعداً شروع شد زیرا برخی از الزامات برای برآورده کردن وجود دارد، همان‌طور که در زیر توضیح داده شده است. استفاده از ترانزیستورهای بهمنی در این کاربردها جریان‌اصلی نیست زیرا افزاره‌ها برای اینکه به درستی کار کنند نیاز به ولتاژ کلکتور به امیتر بالا دارند.امروزه، هنوز تحقیقات فعالی بر روی افزاره‌های بهمنی (ترانزیستور یا موارد دیگر) ساخته شده از نیم‌رساناهای مرکب وجود دارد که قادر به تغییر جریان‌های چند ده آمپری حتی سریع‌تر از ترانزیستورهای بهمنی «سنتی» هستند.نظریه پایه‌ای.ویژگی‌های ناحیه ایستای بهمنی.در این بخش، formula_2 مشخصه ایستای یک ترانزیستور بهمنی محاسبه می‌شود. برای سادگی، فقط یک افزاره NPN در نظر گرفته می‌شود: با این حال، نتایج یکسان برای افزاره‌های PNP معتبر هستند و فقط علائم را به ولتاژ و جریان تغییر می‌دهند. این تحلیل دقیقاً از ویلیام دی. روهر در پیروی می‌کند. از آنجایی که ضرب شکست بهمنی فقط در دوسَر پیوند کلکتور-بیس وجود دارد، نخستین گام محاسبه برای تعیین جریان کلکتور به‌صورت مجموع جریان‌های مولفه‌های مختلف کلکتور است، زیرا فقط آن شارهای بار تحت این پدیده قرار دارند. قانون جریان کریشهف اعمال شده بر روی یک ترانزیستور پیوندی دوقطبی حاکی از رابطه زیر است که همیشه توسط جریان کلکتور formula_3 برآورده می‌شود.در حالی که برای افزاره مشابهی که در ناحیه فعال کار می‌کند، نظریه پایه‌ای ترانزیستور رابطه زیر را نشان می‌دهدکه‌اینجاهم‌ارزسازی دو فرمول برای formula_3 نتیجه زیر را می‌دهدو از آنجایی که formula_12 بهره جریان بیس مشترک ترانزیستور است، پسهنگامی که اثرات بهمنی در یک کلکتور ترانزیستوری در نظر گرفته می‌شود، جریان کلکتور formula_3 داده می‌شود توسطکه‌در اینجا formula_1 ضریب برافزایی بهمنی میلر است. این مهم‌ترین پارامتر در کارکرد حالت بهمنی است: بیان آن به شرح زیر استکه در اینجااستفاده مجدد از قانون جریان کریشف برای ترانزیستور پیوندی دوقطبی و عبارت داده شده برای formula_1 ، عبارت به دست آمده برای formula_3 به‌صورت زیر استو به یاد آوردن آن که formula_24 و formula_25 که در اینجا formula_26 ولتاژ بیس-امیتر استاز آنجایی که formula_28 : این بیان خانواده پارامتری مشخصه‌های formula_2 کلکتور با پارامتر formula_6 است. توجه داشته باشید که formula_3 بدون محدودیت افزایش می‌یابد اگرکه در اینجا formula_33 ولتاژ شکست کلکتور-امیتر است. همچنین امکان بیان formula_34 به عنوان تابعی از formula_3 وجود دارد و یک فرمول تحلیلی برای مقاومت دیفرانسیلی کلکتور-امیتر با مشتق‌گیری مستقیم بدست آورید: با این حال، جزئیات در اینجا آورده نشده است.مدل پویای دیفرانسیلی.حالت پویای دیفرانسیل شرح داده شده در اینجا، که مدل سیگنال کوچک نیز نامیده می‌شود، تنها مدل سیگنال کوچک ذاتی ترانزیستور بهمنی است. عناصر سرگردان به دلیل بسته‌بندی که ترانزیستور را در بر می‌گیرد، عمداً نادیده گرفته می‌شوند، زیرا تحلیل آنها هیچ چیز مفیدی از نقطه نظر اصول کار ترانزیستور بهمنی اضافه نمی‌کند. با این حال، هنگام تحقق یک مدار الکترونیکی، آن پارامترها اهمیت زیادی دارند. به ویژه، اندوکتانس‌های سرگردان به صورت سری با پایه‌های کلکتور و امیتر باید به حداقل برسد تا عملکرد سرعت بالای مدارهای ترانزیستور بهمنی حفظ شود. همچنین، این مدار معادل هنگام توصیف رفتار ترانزیستور بهمنی در نزدیکی زمان روشن شدن آن، جایی که جریان‌ها و ولتاژهای کلکتور هنوز نزدیک مقادیر ساکن هستند، مفید است: در مدار واقعی، امکان محاسبه ثابت‌های زمانی و بنابراین زمان‌های خیز و اُفت و شکل‌موج formula_34 را فراهم می‌کند. با این حال، از آنجایی که مدارهای سوئیچینگ ترانزیستور بهمنی ذاتاً مدارهای سیگنال بزرگی هستند، تنها راه برای پیش‌بینی رفتار واقعی آنها با دقت معقول، انجام شبیه‌سازی‌های عددی است. مجدداً، تحلیل به‌دقت از ویلیام دی. روهر در پیروی می‌کند.یک ترانزیستور بهمنی که توسط یک شبکه بایاس معمول کار می‌کند در تصویر مجاور نشان داده شده است: می‌تواند صفر یا مقدار مثبت باشد، در حالی که می‌تواند اتصال کوتاه شود. در هر مدار ترانزیستور بهمنی، سیگنال خروجی از کلکتور یا امیتر گرفته می‌شود: بنابراین مدل دیفرانسیلی سیگنال کوچک ترانزیستور بهمنی که در ناحیه بهمنی کار می‌کند همیشه از پایه‌های خروجی کلکتور-امیتر دیده می‌شود و از یک موازی تشکیل شده است. مدار همان‌طور که در تصویر مجاور نشان داده شده است، که فقط شامل اجزای بایاس است. بزرگی و علامت هر دوی این پارامترها توسط جریان بیس کنترل می‌شود: از آنجایی که هر دو پیوند بیس-کلکتور و بیس-امیتر در حالت سکون بایاس معکوس دارند، مدار معادل ورودی بیس صرفاً یک مولد جریان است که توسط خازن‌های پیوند بیس-امیتر و بیس-کلکتور شنت می‌شود و بنابراین در موارد زیر تحلیل نمی‌شود. ثابت زمانی ذاتی مدار سیگنال کوچک معادل اولیه دارای مقدار زیر استکه در اینجااین دو پارامتر هر دو منفی هستند. این بدان معنی است که اگر بار کلکتور از یک منبع جریان ایده‌آل باشد، مدار ناپایدار است. این توجیه نظری رفتار مولتی‌ویبراتوری آستابل مدار در زمانی است که ولتاژ formula_47 بیش از یک سطح بحرانی افزایش می‌یابد.حالت دوم شکست بهمنی.وقتی جریان کلکتور از حد دیتاشیت formula_48 بالاتر می‌رود یک سازوکار شکست جدید مهم می‌شود: شکست دوم. این پدیده به دلیل گرم شدن بیش از حد برخی از نقاط (نقاط داغ) در ناحیه بیس-امیتر ترانزیستور پیوندی دوقطبی ایجاد می‌شود که باعث افزایش نمایی جریان از طریق این نقاط می‌شود: این افزایش نمایی جریان به نوبه خود باعث افزایش فراگرمایش بیشتر می‌شود و یک سازوکار بازخورد حرارتی مثبت ایجاد می‌کند. در حین تحلیل‌کردن مشخصه ایستای formula_2، وجود این پدیده به صورت یک افت ولتاژ شدید کلکتور و افزایش تقریباً عمودی جریان کلکتور دیده می‌شود. در حال حاضر، تولید ترانزیستور بدون نقاط داغ و در نتیجه بدون شکست ثانویه امکان‌پذیر نیست، زیرا وجود آنها مربوط به فناوری پالایش سیلیکون است. در طول این فرایند، مقادیر بسیار کوچک اما محدودی از فلزات در بخش‌های موضعی ویفر باقی می‌مانند: این ذرات فلزات به مراکز عمیق بازترکیبی تبدیل شدند، یعنی مراکزی که جریان به طریق ممتاز وجود دارد. در حالی که این پدیده برای ترانزیستورهای پیوندی دوقطبی که به روش معمول کار می‌کنند مخرب است، می‌توان از آن برای افزایش بیشتر محدودیت‌های جریان و ولتاژ افزاره‌ای که در حالت بهمنی کار می‌کند با محدود کردن مدت زمان آن استفاده کرد: همچنین سرعت سوئیچینگ افزاره تأثیر منفی نمی‌گذارد. شرح واضحی از مدارهای ترانزیستور بهمنی که در رژیم شکست دوم کار می‌کنند همراه با چند مثال را می‌توان در مقاله یافت.شبیه‌سازی عددی.مدارهای ترانزیستوری بهمنی ذاتاً مدارهای سیگنال بزرگ هستند، بنابراین مدل‌های سیگنال کوچک، زمانی که برای چنین مدارهایی اعمال می‌شوند، فقط می‌توانند یک توصیف کیفی ارائه دهند. برای به دست آوردن اطلاعات دقیق تر در مورد رفتار ولتاژها و جریان‌های وابسته به زمان در چنین مدارهایی لازم است از تحلیل عددی استفاده شود. رویکرد «کلاسیک»، که در مقاله که بر کتاب تکیه دارد، به تفصیل شرح داده شده است، شامل در نظر گرفتن مدارها به عنوان یک سامانه معادلات دیفرانسیل معمولی غیرخطی و حل آن با یک روش عددی است که با استفاده از یک نرم‌افزار شبیه‌سازی ساده به‌دست می‌آید و نتایج عددی به‌طور منصفانه به دست می‌آید. با این حال، این روش‌ها بر استفاده از مدل‌های ترانزیستور تحلیلی متکی هستند که به بهترین وجه برای تحلیل ناحیه شکست مناسب هستند: این مدل‌ها لزوماً برای توصیف افزاره‌ای که در همه ناحیه‌های ممکن کار می‌کند مناسب نیستند. یک رویکرد نوین‌تر، استفاده از شبیه‌ساز مدار آنالوگ رایج اسپایس همراه با یک مدل ترانزیستوری پیشرفته است که از شبیه‌سازی شکست بهمنی پشتیبانی می‌کند، که مدل پایه ترانزیستور اسپایس چنین نمی‌کند. نمونه‌هایی از این مدل‌ها در مقاله و در مقاله توضیح داده شده‌اند: مدل دوم توصیفی از مدل مِکسترم است که در حال حاضر توسط برخی از صنایع نیم‌رسانا برای توصیف ترانزیستورهای پیوندی دوقطبی استفاده می‌شود.یک روش گرافیکی.یک روش گرافیکی برای مطالعه رفتار یک ترانزیستور بهمنی در منابع و پیشنهاد شد: این روش ابتدا به منظور ترسیم رفتار ایستا (استاتیکی) افزاره استخراج شد و سپس برای حل مسائل مربوط به رفتار پویا (دینامیکی) نیز به کار رفت. این روش روح روش‌های گرافیکی مورد استفاده برای طراحی مدارهای لامپی و ترانزیستور را مستقیماً از نمودارهای مشخصه‌های داده‌شده در برگه‌داده‌های توسط تولیدکنندگان نشان می‌دهد.کاربردها.ترانزیستورهای بهمنی عمدتاً به عنوان ژنراتورهای پالس سریع استفاده می‌شوند که دارای زمان خیز و اُفت کمتر از یک نانوثانیه و ولتاژ و جریان خروجی بالا هستند. آنها گاهی به عنوان تقویت‌کننده در محدوده فرکانس ریزموج استفاده می‌شوند، حتی اگر این استفاده جریان‌اصلی نباشد: هنگامی که برای این منظور استفاده می‌شود، آنها «تریودهای کنترل شده زمان گذر بهمنی» (CATTs) نامیده می‌شوند.مدارهای سوئیچینگ حالت بهمنی.سوئیچینگ حالت بهمنی متکی به برافزایی بهمنی جریان است که از طریق پیوند کلکتور-بیس در نتیجه یونش ضربه‌ای اتم‌ها در شبکه بلوری نیم‌رسانا می‌گذرد. شکست بهمنی در نیم‌رساناها به دو دلیل اساسی در مدارهای راه‌گزین کاربرد پیدا کرده استدو مدار در نظر گرفته شده در این بخش ساده‌ترین نمونه مدارهای ترانزیستور بهمنی برای اهداف سوئیچینگ هستند: هر دو مثالی که به تفصیل شرح داده شده، مولتی ویبراتورهای منوآستابل هستند. چندین مدار پیچیده‌تر در نوشته‌های علمی وجود دارد، به عنوان مثال در کتاب‌های و .بیشتر مدارهایی که از ترانزیستور بهمنی استفاده می‌کنند توسط دو نوع ورودی مختلف فعال می‌شوند:ترانزیستور بهمنی نیز می‌تواند با کاهش ولتاژ امیتر فعال شود formula_50 ، اما این پیکربندی به ندرت در پژوهش‌های علمی و مدارهای عملی دیده می‌شود. در مرجع ، پاراگراف ۳٫۲٫۴ «مدارهای تریگر» یکی از این پیکربندی‌ها شرح داده شده است، که در آن ترانزیستور بهمنی خودش به عنوان بخشی از مدار تریگر یک پالس‌ساز پیچیده استفاده می‌شود، در حالی که در مرجع یک متمایزکننده سطح متعادل که در آن یک ترانزیستور پیوندی دوقطبی متداول به یک ترانزیستور بهمنی تزویج‌شده است به‌طور خلاصه توضیح داده شده است.دو پالس‌ساز بهمنی که در زیر توضیح داده شده است، هر دو بیس تریگرشده و دارای دو خروجی هستند. از آنجایی که افزاره مورد استفاده یک ترانزیستور NPN است، formula_51 در حالی که خروجی مثبت است formula_52 یک خروجی منفی است: استفاده از ترانزیستور PNP قطبیت خروجی‌ها را معکوس می‌کند. شرح نسخه‌های ساده شده آنها، که در آن مقاومت formula_53 یا formula_54 برای داشتن یک خروجی روی صفر اهم (بدیهی است که نه هر دو) تنظیم شده است، می‌توان آن را در مرجع یافت. مقاومت formula_55 خازن formula_56 را شارژ می‌کند یا خط انتقال formula_57 (یعنی اجزای ذخیره انرژی) پس از جابجاسازی . آن معمولاً مقاومت بالایی برای محدود کردن جریان کلکتور ساکن دارد، بنابراین فرایند بازشارژسازی کُند است. گاهی این مقاومت با یک مدار الکترونیکی جایگزین می‌شود که قادر است قطعات ذخیره‌ساز انرژی را سریعتر شارژ کند.در طراحی‌های عملی، یک امپدانس قابل‌تنظیم مانند یک شبکه دو پایانه‌ای زوبل (یا به سادگی یک خازن تریمر) از کلکتور ترانزیستور بهمنی به زمین قرار می‌گیرد که به پالس‌ساز خط انتقال توانایی کاهش حلقه‌زنی و سایر رفتارهای نامطلوب در ولتاژهای خروجی را می‌دهد.می‌توان آن مدارها را با حذف مدارهای ورودی تریگر آنها به مولتی‌ویبراتورهای آستابل تبدیل کردیک مثال کامل از روش اول در مرجع توضیح داده شده است. همچنین می‌توان مولتی ویبراتورهای بی‌استابل حالت بهمنی را ساخت، اما استفاده از آنها به اندازه سایر انواع مولتی ویبراتور توصیف‌شده رایج نیست، یک دلیل مهم این است که آنها به دو ترانزیستور بهمنی نیاز دارند که یکی به‌طور مداوم در رژیم شکست بهمنی کار می‌کند و این می‌تواند از نظر اتلاف نیرو و عمر کارکرد افزاره مشکلات جدی ایجاد کند.درعمل، به راحتی قابل تحقق و ارزان، تولید پالس‌های سریع برای بررسی زمان خیز تجهیزات است.تریود زمان‌گذر بهمنی کنترل‌شده (CATT).تقویت حالت بهمنی بر برافزایی بهمنی به عنوان سوئیچینگ حالت بهمنی متکی است. اما برای این حالت کار لازم است که ضریب برفزایی بهمنی میلر formula_1 برای نوسانات بزرگ ولتاژ خروجی تقریباً ثابت نگه داشته شود: اگر این شرط برآورده نشود، اعوجاج دامنه قابل‌توجهی در سیگنال خروجی ایجاد می‌شود. در نتیجه،این دو الزام بیانگر این است که افزاره‌ای که برای تقویت استفاده می‌شود به ساختار فیزیکی متفاوت از ترانزیستورهای معمولی بهمنی نیاز دارد. ترایود زمان‌گذر بهمنی کنترل‌شده (CATT) که برای تقویت امواج ریزموج طراحی شده است، دارای یک ناحیه کاملاً کم آلاییده بین بیس و ناحیه کلکتور است که به افزاره ولتاژ شکست کلکتور-امیتر formula_33 می‌دهد که در مقایسه با ترانزیستورهای دوقطبی با همان هندسه نسبتاً بالا است. سازوکار تقویت جریان مشابه ترانزیستور بهمنی است، یعنی تولید حامل توسط یونش ضربه‌ای، اما اثر زمان‌گذر نیز مانند دیودهای ایمپت و تراپت وجود دارد، که در آن یک ناحیه با میدان بالا در امتداد پیوند بهمنی‌ساز، دقیقاً در امتداد ناحیه ذاتی حرکت می‌کند. ساختار افزاره و انتخاب نقطه بایاس دلالت بر آن داردنظریه این نوع ترانزیستور بهمنی به‌طور کامل در مقاله توضیح داده شده است که همچنین نشان می‌دهد که این ساختار افزاره نیم‌رسانا برای تقویت توان ریزموج مناسب است. این می‌تواند چندین وات توان فرکانس رادیویی را در فرکانس چند گیگاهرتز ارائه دهد و همچنین دارای یک پایانهٔ کنترل، بیس است. با این حال، به‌طور گسترده مورد استفاده قرار نمی‌گیرد زیرا برای عملکرد صحیح به ولتاژهای بیش از ۲۰۰ ولت نیاز دارد، در حالی که آرسنید گالیوم یا سایر فِت‌های نیم‌رساناهای مرکب عملکرد مشابهی را ارائه می‌دهند در حالی که کار با آن آسان‌تر است. ساختار افزاره مشابهی که کم و بیش در همان دوره در مقاله پیشنهاد شد، امپیستور بود که یک ترانزیستور با پیوند کلکتور-بیس ایمپت بود.