شارح الدرس: الترانزستور | نجوى شارح الدرس: الترانزستور | نجوى

شارح الدرس: الترانزستور الفيزياء • الصف الثالث الثانوي

انضم إلى نجوى كلاسيز

شارك في حصص الفيزياء المباشرة على نجوى كلاسيز وتعلم المزيد حول هذا الدرس من أحد مدرسينا الخبراء!

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف يمكن استخدام الترانزستور مفتاحًا في الدوائر الكهربية.

أهم خواص الترانزستور أنه يعمل عمل المفتاح. بتعبير أدق، يمكن أن يحوِّل الترانزستور تغيُّرًا طفيفًا في التيار إلى تغيُّرٍ أكبر في التيار.

يتكوَّن الترانزستور من ثلاث مناطق مصنوعة من أشباه موصِّلات مُطعَّمة.

يتكوَّن أي شبه موصِّل مطعَّم من النوع n من شبكة ذرية عدد الإلكترونات الحرة بها أكبر من عدد الذرات التي لها فجوات في غلافها الخارجي.

ويتكوَّن أي شبه موصِّل مطعَّم من النوع p من شبكة ذرية عدد ذراتها التي لها فجوات في غلافها الخارجي أكبر من عدد الإلكترونات الحرة بها.

يمكن تكوين ترانزستور بوضع شبه موصِّل من النوع p بين اثنين من أشباه الموصِّلات من النوع n. ويمكن أيضًا تكوين ترانزستور بوضع شبه موصِّل من النوع n بين اثنين من أشباه الموصِّلات من النوع p.

هذان النوعان من الترانزستورات موضَّحان في الشكل الآتي.

يتكوَّن كلا الترانزستورين NPN وPNP من ثلاث مناطق.

عند توصيل الترانزستور بدائرة كهربية، تُوصَّل الدائرة بكل منطقة من تلك المناطق الثلاث.

تُسمَّى مناطق الترانستور الثلاث:

  • الباعث
  • المُجمِّع
  • القاعدة

القاعدة أقل تطعيمًا بالشوائب من الباعث بدرجة كبيرة.

الدائرة التي تصل تلك المناطق الثلاث بهذه الطريقة تُسمَّى دائرة ترتيب الباعث المشترك. وهذا موضَّح في الشكل الآتي.

نلاحظ أن الترانزستور في هذه الدائرة هو ترانزستور من النوع NPN.

لكي يمر تيار في هذه الدائرة الكهربية يجب أن يكون هناك فرق جهد عبر جزءٍ ما من الدائرة. وفي دائرة الترانزستور، يوجد مصدر لفرق الجهد في كل مسار من الدائرة. كما توجد أيضًا مقاومة في كل مسار من الدائرة.

يوضِّح الشكل الآتي الدائرة الكهربية بجميع مكوِّناتها.

يمكن أيضًا تمثيل دائرة الترانزستور باستخدام رمز دائرة الترانزستور. وهذا موضَّح في الشكل الآتي.

في الترانزستور من النوع PNP، يختلف الرمز اختلافًا طفيفًا كما يوضِّحه الشكل الآتي.

نتذكَّر أن تطبيق فرق جهد عبر الحد الفاصل بين مادتين شبه موصِّلتين إحداهما من النوع p والأخرى من النوع n؛ ينتج عنه إما توصيل أمامي وإما توصيل عكسي عبر ذلك الحد.

هيا نُلقِ نظرة على مثال يتضمَّن دائرة ترانزستور.

مثال ١: تحديد مناطق الترانزستور

وُصِّل ترانزستور NPN بمصدرَي تيار مستمر، كما هو موضَّح بالشكل. المنطقتان n متطابقتان.

  1. أيٌّ من مناطق الترانزستور منطقة المُجمِّع؟
  2. أيٌّ من مناطق الترانزستور منطقة الباعث؟

الحل

الجزء الأول

الطرف الموجب لمصدر التيار الموصَّل بكلٍّ من N وN متصل بـ N.

بالنسبة إلى ترانزستور الباعث المشترك من النوع NPN، يكون الطرف الموجب للمصدر الموصَّل بكلٍّ من N وN متصلًا بالمُجمِّع.

ومن ثمَّ، N هو المُجمِّع.

الجزء الثاني

الطرف السالب لمصدر التيار الموصَّل بكلٍّ من N وN متصل بـ N.

بالنسبة إلى ترانزستور الباعث المشترك من النوع NPN، يكون الطرف السالب للمصدر الموصَّل بكلٍّ من N وN متصلًا بالباعث.

ومن ثمَّ، N هو الباعث.

يتأثَّر التيار في دائرة الترانزستور بالانحيازات عند حدود القاعدة والمنطقتين المجاورتين لها.

يوضِّح الشكل الآتي كيف تستجيب المواد من النوع p والنوع n في ترانزستور NPN لمصدرَي فرق الجهد في الدائرة. الإلكترونات الحرة موضَّحة بدوائر لونها أزرق. والفجوات موضَّحة بحلقات لونها أحمر.

يوضِّح الشكل أربعة أمور مهمة:

  • منطقة القاعدة أقل سمكًا من منطقتَي المُجمِّع والباعث. تكون منطقة القاعدة في ترانزستور حقيقي رقيقة للغاية مقارنةً بالمنطقتين الأخريين. الفرق في السُّمك أكبر بكثير من الفرق الموضَّح في الشكل.
  • تركيز الفجوات في منطقة القاعدة أقل بكثير من تركيز الإلكترونات الحرة في منطقتَي الباعث والمُجمِّع.
  • الباعث موصَّل أماميًّا، والمُجمِّع موصَّل عكسيًّا.
  • يتساوى الجهد عند الطرفين السالبين لمصدرَي فرق الجهد.

تعتمد التيارات المارة في الأجزاء المختلفة من دائرة كهذه على أبعاد مناطق الباعث والقاعدة والمُجمِّع، وعلى خواص المواد شبه الموصِّلة التي صُنعَت منها تلك المناطق الثلاث.

في الدائرة، تكون اتجاهات التيارات في كل وصلة في الترانزستور كالآتي:

  • يوجد تيار خارج من وصلة منطقة الباعث. ويمكن الإشارة إليه بالرمز 𝐼E.
  • يوجد تيار داخل إلى وصلة منطقة المُجمِّع. ويمكن الإشارة إليه بالرمز 𝐼C.
  • يوجد تيار داخل إلى وصلة منطقة القاعدة. ويمكن الإشارة إليه بالرمز 𝐼B.

هذه التيارات موضَّحة في الشكل الآتي. وموضَّح أيضًا تدفُّق الإلكترونات الحرة.

نلاحظ أن 𝐼E ناتج عن الإلكترونات الحرة التي تتحرَّك من الباعث إلى منطقة القاعدة.

تتسارع الإلكترونات الحرة، التي تنتقل من الباعث إلى القاعدة، من خلال التوصيل الأمامي في الباعث باتجاه المُجمِّع. معظم هذه الإلكترونات لديها طاقة كافية للتغلُّب على تأثير التوصيل العكسي عبر المُجمِّع؛ ومن ثَمَّ تمر إلى منطقة المُجمِّع.

تلتئم الفجوات في القاعدة مع جزء صغير من الإلكترونات في منطقة الباعث. ويتكوَّن تيار القاعدة من هذه الإلكترونات.

تعتمد شدة التيار 𝐼B مقارنةً بشدة التيار 𝐼C على سُمك منطقة القاعدة، وعلى الفرق في تركيز التطعيم بمنطقتَي الباعث والقاعدة.

توجد صيغة تعبِّر عن العلاقة بين التيارات في دائرة الترانزستور.

صيغة: العلاقة بين تيارات الباعث والقاعدة والمُجمِّع

ترتبط قيم تيار المُجمِّع، 𝐼C، وتيار الباعث، 𝐼E، وتيار القاعدة، 𝐼B، على النحو الآتي: 𝐼=𝐼+𝐼.ECB

نسبة 𝐼C إلى 𝐼B تمثِّل قيمة مهمة في دائرة الترانزستور. وفي دائرة ترانزستور الباعث المشترك، تكون قيمة 𝐼B عادةً أقل بكثير من قيمة 𝐼C. وهذا لأن السُّمك وتركيز التطعيم في منطقة القاعدة قليلان مقارنةً بمنطقة المُجمِّع.

يمكن تحديد نسبة 𝐼C إلى 𝐼B بالتعبير عن 𝐼C على صورة كسر من 𝐼E. ويُسمَّى ثابت التناسب بين 𝐼C و𝐼E بـ 𝛼. وهذا يعني أن: 𝐼=𝐼𝛼.CE

ومن ثَمَّ، لا بد أن: 𝐼=𝐼(1𝛼).BE

وبذلك، تُعطى نسبة 𝐼C إلى 𝐼B بالصيغة: 𝐼𝐼=𝐼𝛼𝐼(1𝛼)𝐼𝐼=𝛼1𝛼=𝛽,CBEECB حيث يُسمَّى 𝛽 نسبة تكبير التيار في الدائرة.

صيغة: نسبة تكبير التيار في توصيل الباعث المشترك

نسبة تكبير التيار في دائرة الترانزستور 𝛽 تُعطى بالصيغة: 𝛽=𝐼𝐼,CB حيث 𝐼C تيار المُجمِّع، و𝐼B تيار القاعدة.

تعتمد شدة التيار 𝐼B مقارنةً بشدة التيار 𝐼C على سُمك منطقة القاعدة، وعلى الفرق في تركيز التطعيم بمنطقتَي الباعث والقاعدة.

في أي دائرة حيث: 𝐼𝐼,BC يجب أن يكون: 𝛼1 ومن ثَمَّ، تكون قيمة 𝛽 كبيرة جدًّا.

يوضِّح الشكل الآتي دائرة ترانزستور الباعث المشترك، والقيم المختلفة للتيارات المارة فيها.

التيارات 𝐼C و𝐼E و𝐼B موضَّحة على النحو الآتي:

  • 𝑉CC، فرق الجهد المزوَّد عبر المُجمِّع والباعث
  • 𝑉CE، فرق الجهد عبر المُجمِّع والباعث
  • 𝑉BE، فرق الجهد المزوَّد عبر القاعدة والباعث
  • 𝑅C، مقاومة تيار المُجمِّع
  • 𝑅B، مقاومة تيار القاعدة

الجهد عند موضع تلامُس منطقة الباعث في الترانزستور يساوي صفرًا مقارنةً بكلٍّ من 𝑉CC و𝑉BE.

يُطلَق على 𝑉BE جهد الدخل، ويُطلَق على 𝑉CE جهد الخرج.

هيا نُلقِ نظرةً على مثال يتضمَّن التيارات في دائرة ترانزستور.

مثال ٢: إيجاد قيمة التيارات في دائرة ترانزستور

وُصِّل ترانزستور NPN بمصدر طاقة جهده 𝑉CC. وُصِّل مصدر طاقة جهده 𝑉EB بطرفَي الباعث والقاعدة في الترانزستور، كما هو موضَّح بالشكل. يمرُّ التيار 𝐼=99.5CmA بين 𝑉CC وطرف المُجمِّع، والتيار 𝐼E بين 𝑉EB وطرف الباعث، والتيار 𝐼=0.5BmA بين 𝑉EB وطرف القاعدة.

  1. احسب 𝐼E.
  2. أوجد المعدل الذي تلتئم به الفجوات بواسطة الإلكترونات الحرة المنتشرة عبر القاعدة. استخدم 1.6×10 C لقيمة شحنة الإلكترون. اكتب الإجابة بالصيغة العلمية لأقرب منزلة عشرية.

الحل

الجزء الأول

المعادلة التي تربط التيارات في الدائرة الكهربية هي: 𝐼=𝐼+𝐼.ECB بالتعويض بالقيم المذكورة في السؤال، نجد أن: 𝐼=99.5+0.5=100.EmAmAmA

الجزء الثاني

يُفترَض هنا أن تيار القاعدة يتكوَّن بالكامل من إلكترونات حرة تلتئم مع الفجوات الموجودة في القاعدة. والتيار في منطقة القاعدة يساوي 0.5 mA، وهو ما يساوي 5×10 A. ونحن نعلم أن أمبير واحدًا يساوي كولوم لكل ثانية.

يمكننا إذن حساب عدد الإلكترونات، 𝑛، التي تلتئم مع الفجوات كل ثانية لإنتاج هذا التيار من خلال الصيغة: 𝑛=5×10/1.6×10.CsC

ومن ثَمَّ، فإن 𝑛 يساوي 3.1×10 s−1 بالصيغة العلمية لأقرب منزلة عشرية.

هيا نُلقِ نظرة على مثال يتضمَّن نسبة تكبير التيار في دائرة ترانزستور.

مثال ٣: إيجاد نسبة تكبير التيار في دائرة ترانزستور

وُصِّل ترانزستور من النوع NPN بمصدر طاقة جهده 𝑉CC. وُصِّل مصدر طاقة جهده 𝑉EB بطرفَي الباعث والقاعدة للترانزستور، كما هو موضَّح بالشكل. يمرُّ التيار 𝐼=99.5CmA بين 𝑉CC وطرف المُجمِّع، والتيار 𝐼=100.0EmA بين 𝑉EB وطرف الباعث، والتيار 𝐼B بين 𝑉EB وطرف القاعدة.

  1. احسب 𝐼B.
  2. نسبة تكبير التيار المستمر في الترانزستور تساوي نسبة 𝐼C إلى 𝐼B. احسب نسبة تكبير التيار المستمر في الترانزستور.

الحل

الجزء الأول

المعادلة التي تربط التيارات في الدائرة الكهربية هي: 𝐼=𝐼+𝐼.ECB

يمكننا جعل 𝐼B في طرف بمفرده في هذه المعادلة، وهو ما يُعطينا: 𝐼𝐼=𝐼.ECB

بالتعويض بالقيم المذكورة في السؤال، نجد أن: 𝐼=10099.5=0.5.BmAmAmA

الجزء الثاني

نسبة تكبير تيار القاعدة 𝛽 تُعطى بالصيغة الآتية: 𝛽=𝐼𝐼.CB

بالتعويض بالقيم المذكورة في السؤال، نجد أن: 99.50.5=199.mAmA

نستنتج من قانون كيرتشوف الثاني أنه في دائرة الترانزستور: 𝑉=𝑉𝐼𝑅.CECCCC

نحن نعلم أنه في مثل هذه الدائرة الكهربية يرتبط تيار المُجمِّع وتيار القاعدة بنسبة تكبير التيار وفقًا للصيغة: 𝐼=𝛽𝐼.CB

وهذا يعني أنه يمكن تغيير 𝐼C بزيادة جهد الدخل؛ لأنه بزيادة 𝑉BE يزداد 𝐼B.

يمكننا أن نسمِّي 𝐼B تيار الدخل، وأن نسمِّي 𝐼C تيار الخرج.

بالنظر إلى أن 𝛽 ثابت، تكون نسبة 𝐼B إلى 𝐼C ثابتة في الترانزستور. ونلاحظ بعد ذلك أنه بزيادة تيار الدخل يزداد تيار الخرج.

هيا نُلقِ نظرةً على مثال يتضمَّن التغيُّرات في التيار الكهربي في دائرة ترانزستور.

مثال ٤: العلاقة بين تغيُّرات التيار الكهربي في دائرة ترانزستور

وُصِّل ترانزستور NPN بمصدر طاقة جهده 𝑉CC. وُصِّل مصدر طاقة جهده 𝑉EB بطرفَي الباعث والقاعدة للترانزستور، كما هو موضَّح في الشكل. يمرُّ التيار 𝐼C بين 𝑉CC وطرف المُجمِّع، والتيار 𝐼E بين 𝑉EB وطرف الباعث، والتيار 𝐼B بين 𝑉EB وطرف القاعدة. وُضِعت المقاومة الخارجية 𝑅C بين 𝑉CC وطرف المُجمِّع، والمقاومة الخارجية 𝑅B بين 𝑉EB وطرف القاعدة. فرق الجهد بين طرفَي المُجمِّع والباعث يساوي 𝑉CE.

  1. إذا قلَّت قيمة 𝑅B، فأيٌّ من الآتي يَصِف تأثير ذلك على قيمة 𝐼C بشكلٍ صحيح؟
    1. يزداد 𝐼C.
    2. يقل 𝐼C.
    3. يظل 𝐼C ثابتًا.
  2. إذا زادت قيمة 𝑅B فأيٌّ من الآتي يَصِف تأثير ذلك على قيمة 𝐼C بشكلٍ صحيح؟
    1. يظل 𝐼C ثابتًا.
    2. يزداد 𝐼C.
    3. يقل 𝐼C.

الحل

الجزء الأول

بتقليل 𝑅B يزداد 𝐼B.

نلاحظ من المعادلة: 𝐼=𝛽𝐼,CBأنه إذا كانت قيمة 𝛽 ثابتة، فإنه بزيادة 𝐼B يزداد 𝐼C.

الجزء الثاني

بزيادة 𝑅B يقل 𝐼B.

نلاحظ من المعادلة: 𝐼=𝛽𝐼,CBأنه إذا كانت قيمة 𝛽 ثابتة، فإنه بتقليل 𝐼B يقل 𝐼C.

قيمتا الدخل والخرج للتيار لا تتناسبان طرديًّا.

وهذا يعني أن قيمة نسبة تكبير التيار ليست ثابتة، لكنها ثابتة تقريبًا لبعض قيم 𝐼B و𝐼C.

لتوضيح كيف يناظر التغيُّر في قيمة 𝐼B تغيُّرًا كبيرًا في 𝐼C، هيا نوضِّح تأثير تغيُّر طفيف في عدد صغير يُستخدم لقسمة عدد أكبر بكثير.

على سبيل المثال، انظر المعادلة الآتية: 𝑛=𝑎𝑏.

افترض أن 𝑎=1، وأن 𝑏=0.002.

إذن نحصل على: 𝑛=10.002=500.

والآن، افترض أن لدينا قيمة: Δ𝑚=Δ𝑎=Δ𝑏.

وافترض أن Δ𝑚 يساوي 0.001.

هذا يعني أن 𝑎 يزداد بمقدار 0.001، وأن 𝑏 يقل بمقدار 0.001.

إذن يصبح لدينا: 𝑛=1.0010.001=1001.

نلاحظ أن تغيير 𝑚 بمقدار 0.001 يؤدِّي إلى زيادة 𝑛 بمقدار 500.

والآن، افترض أن Δ𝑚 يساوي 0.0015.

إذن يصبح لدينا: 𝑛=1.00150.0005=2003.

نلاحظ أن تغيير 𝑚 بمقدار 0.0015 قد زاد 𝑛 بمقدار 1‎ ‎503.

يوضِّح التمثيل البياني لـ 𝑛 مقابل 𝑚 كيف يمكن أن يكون المقدار الذي يزيد به التغيُّر في 𝑛 أكبر بكثير من التغيُّر في 𝑚.

نلاحظ أن هذا التمثيل البياني يتكوَّن من منطقتين. في إحدى المنطقتين تكون قيمة 𝑛 ثابتة تقريبًا؛ لأن قيمة 𝑚 تتغيَّر، أما في المنطقة الأخرى فإن قيمة 𝑚 ثابتة تقريبًا؛ لأن قيمة 𝑛 تتغيَّر. هاتان المنطقتان تناظران قيمتين ثابتتين تقريبًا لنسبة تكبير التيار في الترانزستور عندما يُستخدَم مفتاحًا مغلقًا ومفتاحًا مفتوحًا.

يمكننا أيضًا النظر إلى جهدَي الدخل والخرج بدلًا من تيارَي الدخل والخرج.

من المعادلة: 𝑉=𝑉𝐼𝑅,CECCCC نلاحظ أنه عند أقصى قيمة للتيار 𝐼C، نحصل على أقل قيمة لجهد الخرج.

فإذا قل جهد الدخل، يقل كلٌّ من تيارَي الدخل والخرج. تيار الخرج يساوي صفرًا عندما يساوي تيار الدخل صفرًا.

وعندما يساوي تيار الخرج صفرًا، نحصل على القيمة العظمى لجهد الخرج.

يوضِّح الشكل الآتي التمثيل البياني لتغيُّر جهد الخرج في الترانزستور مُقابل جهد الدخل.

هيا نلخِّص الآن ما تعلَّمناه في هذا الشارح.

النقاط الرئيسية

  • يتكوَّن الترانزستور إما من اثنين من أشباه الموصِّلات من النوع n وبينهما شبه موصِّل من النوع p، ويُسمَّى ذلك ترانزستور NPN، أو من اثنين من أشباه الموصلات من النوع p وبينهما شبه موصِّل من النوع n، ويُسمَّى ذلك ترانزستور PNP.
  • يتضمَّن الترانزستور ثلاثة أطراف تصله بالدائرة الكهربية: المُجمِّع والباعث والقاعدة. ويتصل كل طرف من الثلاثة بمنطقة واحدة من المناطق شبه الموصِّلة الثلاث.
  • يُستخدم الترانزستور في دائرة تحتوي على مصدرين لفرق الجهد. ويكون مصدرا فرق الجهد موصَّلين توصيلًا أماميًّا بالباعث، وتوصيلًا عكسيًّا بالمُجمِّع.
  • تعتمد التيارات في الأجزاء المختلفة من دائرة الترانزستور على أبعاد مناطق الباعث والقاعدة والمُجمِّع، وخواص المادة شبه الموصِّلة التي صُنعَت منها تلك المناطق الثلاث.
  • المعادلة التي تربط التيارات في أطراف الباعث، 𝐼E، والمُجمِّع، 𝐼C، والقاعدة، 𝐼B، هي: 𝐼=𝐼+𝐼.ECB
  • الصيغة التي تربط التيارين في طرفَي الباعث، 𝐼E، والمُجمِّع، 𝐼C، هي: 𝐼=𝐼𝛼,CE حيث 𝛼 ثابت.
  • الصيغة التي تربط التيارين في طرفَي المُجمِّع، 𝐼C، والقاعدة، 𝐼B، هي: 𝐼𝐼=𝛼1𝛼=𝛽,CB حيث 𝛽 نسبة تكبير التيار في الدائرة.
  • أي تغيُّر طفيف في 𝐼B يمكن أن يؤدِّي إلى تغيُّر أكبر في 𝐼C، ما يتيح للدائرة التي تتضمَّن الترانزستور أن تعمل فعليًّا مفتاحًا لفتح التيار 𝐼C أو غلقه.

انضم إلى نجوى كلاسيز

شارك في الحصص المباشرة على نجوى كلاسيز وحقق التميز الدراسي بإرشاد وتوجيه من مدرس خبير!

  • حصص تفاعلية
  • دردشة ورسائل
  • أسئلة امتحانات واقعية

تستخدم «نجوى» ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. اعرف المزيد عن سياسة الخصوصية