pnp

خصائص وتطبيقات الترانزستور PNP

ستُساعدك هذه المقالة على فَهمِ ترانزستورات PNP ، وكيفيّة استخدامها، ولماذا تُعتبَر أقلَّ شيوعاً من ترانزستورات NPN .

الترانزستور ثنائيّ القطبيّة

تُعتبَر التّرانزستورات جزءاً لا يتجزَّأ من عالم الإلكترونيّات، فهي جزء ضروريّ جدّاً للتّحكُّم في مُعظم الدّارات الإلكترونيّة، وبذلك نُدرك أنَّ الهندسة الكهربائيّة الحديثة ترتبط ارتباطاً وثيقاً بالترانزستورات التي تعمل كمفاتيح إلكترونيّة Switch (إيقاف/تشغيل) أو كمُضخّمات.

يسيطر حاليّا في عالم الإلكترونيات ما يُعرَف بترانزستور الأثر الحقليّ(field effect) ، في حين كان الترانزستور الأصليّ هو ثنائيّ القطب ثمَّ لحقه بعدها بوقت قريب بترانزستور BJT.

يتفرَّع من ترانزستوراتBJT نوعان أساسيّان هما:NPN و PNP، حيثُ تشير الحروف(P,N) إلى ترتيب طبقات أنصاف النّواقل الموجبة والسّالبة كما هو موضّح في الشّكل أدناه.

ترتيب طبقات أنصاف النواقل الموجبة والسالبة
ترتيب طبقات أنصاف النواقل الموجبة والسالبة

ملاحظة:

ألوان طبقات الترانزستور لا تعكس التكوين الفعليّ للترانزستور

NPN و PNP: لماذا تعدّ ترانزستورات نوع PNP مهمّة؟

كانت الترانزستورات NPN محطّ اهتمام أكثرَ من  ترانزستورات  PNP وذلك لأسباب عدّة منها:

  • سلوك ترانزستور NPN أكثر استجابة للتّيّار والجهد.
  • عندما يتطلب التطبيق دارة قيادة أو مفتاحاً إلكترونياً، فيعتبر ربط ترانزستور NPN أكثر وضوحاً لإشارات الخَرْج الرّقميّة (كإشارة التحكّم التي يُولّدها المتحكّم الصغريّ)
  • تُعتبر ترانزستورات الNPN أفضلَ من النوع PNP من نواحي مهمّة، وهذا ما سبّب هيمنتها ؛ لأنّ ترانزستورات الBJT غالباً ما تتنافس مع ترانزستورات MOSFET، وتُفضّل ترانزستوراتBJT من نوع NPN، فمؤلّف وثيقة بحثيّة في عام 2009من جامعة كاليفورنيا في مدينة بيركيلي، شينمينغ هو (Chenming Hu)، وصل إلى حد أن يقول فيها : إنّ الترانزستورات ثنائيّة القطبيّة تكاد تكون محصورة بنوع NPN، السبب في ذلك أنّ الأداء أفضل لنوع NPN، ووتُفضّل على ترانزستورات الMOSFET.

لذلك لايمكن إنكار كون ترانزستورات PNP أقلّ شيوعاً وبشكل عام مرغوبة بنسبة أقلّ، ولكن ذلك لايعني تجاهلها فسنناقش في هذا المقال مميّزاتها وتطبيقاتها.

حاملات الشّحن: الإلكترونات و الثّقوب

يتشكّل الباعث والمُجمّع في ترانزستورPNP عبر إشابة الطبقة P-type، هذا يعني أنّ معظم حوامل الشحنة في PNP هي ثقوب، ويبدو أنّ هذا الأمر غير مُهمّ في الهندسة العمليّة لأنّنا لا نهتمّ بنوع حاملات الشّحن المُستخدَمة طالما أنّ الدارة تعمل، لكن قد تبيَّن لاحقا أنَّه لا يمكننا تجاهل قضيّة الإلكترون والثقب، وذلك كون الثّقوب أبطأ حركةً من الإلكترونات وأقلّ قدرة على الانتقال. يُظهر الشكل أدناه أنَّ قدرة الإلكترون على الانتقال دائماً أعلى من قدرة الثّقب رغم أنّ تركيز أنصاف النّواقل يُؤثّر على الفرق بين كليهما.

يظهر الفرق بين قدرة الإلكترون والثقب على الانتقال (هذا الرسم البيانيّ مخصّص للترانزستورات المصنوعة من السيليكون)
يظهر الفرق بين قدرة الإلكترون والثقب على الانتقال (هذا الرسم البيانيّ مخصّص للترانزستورات المصنوعة من السيليكون)

وبذلك نرى أنّ قدرة الإلكترون العالية على الانتقال ميَّزت ترانزستورات NPN على PNP بالسّرعة الأكبر، وتُشير وثيقة جامعةUC  بيركيلي إلى أنّ ارتفاع الحركة يؤدّي أيضاً الى زيادة النّاقليّة ، وبالتّالي ربح أعلى في الإشارة الصّغيرة.

تصنيع الدّارات المتكاملة لترانزستورات NPN وPNP

يوجد سبب آخر للاستخدام القليل لترانزستوراتPNP  والذي لا يهمّ الكثير من المهندسين الكهربائيين، وهو عمليّة تصنيع الدّارات المتكاملة، وهناك مؤشرات مختلفة تدلّ أنّ تصنيع NPN أسهل وأرخص من PNP،ويصعب الحصول على معلومات مفصّلة وموثوقة حول هذا الموضوع، ورغم ذلك فقد وُجدت إحدى التّفسيرات القويّة المرتبطة بتقنيّةBICMOS ، حيث ذُكِر  ذلك في كتاب (الدارات الإلكترونية الدّقيقة) لمؤلفيَه مهندسَي الكهرباء سدرا Sedra  وسميثSmith :”إنّ معظم عمليات BICMOS” لم تكن قادرة على إنتاج ترانزستورات مثاليّة. واستقرّ مصمّمو الدارات المتكاملة الذين كانوا يعملون بتكنولوجيا BICMOS على أجهزة غير مثاليّة التصنيع، ويشير هذا الكتاب إلى أنّ قيمة β تبلغ حوالي 10، وكان أداء التردّد العالي أقلَّ من المُتوقَّع، بالمقابل كانت أجهزةBICMOS NPN بربح β يتراوح بين50  و 100 ، ويمكن استخدامها مع تردّدات تصل الى مجال التردّد ب GHz.

تنفيذ الترانزستورات PNP

تتشارك الترانزستورات PNPوNPN بالعملية الأساسيّة ذاتها، لكن قد تُعكَس الأقطاب وهذا يؤدي أحياناً إلى تكوينات غير ملائمة للدّارة.

  • يتدفّق التّيّار من الباعث إلى القاعدة، ويجب أن يكون جهد الباعث أعلى ب (~6V) من الجهد المطبّق على القاعدة من أجل تحييز الوصلة أماميّاً باعث-قاعدة.
  • يتدفّق التيّار من المجمّع، ويكون جهد المجمع أقل من جهد الباعث.
  • شكل وصلة الباعث المشترك واضحة في ترانزستورات NPN ، ولكنّها غير مألوفة في ترانزستورات PNP، لكن الباعث “المشترك” غير متّصل مع الأرضيّ وإنّما بالتغذية الموجبة.
وصلة الباعث المشترك
وصلة الباعث المشترك

تطبيقات دارات الترانزستورPNP

سنقوم بالتركيز على دارات معيّنة أو تطبيقات يُشاع استخدام ترانزستورات نوع PNP فيها:

  • مرآة تيّار high-side current mirror (التي تُستعمل عادة لتنظيم التيّار)أو حمل فعّال (Active Load) (عبارة عن دارة بممانعة إشارة صغيرة عالية ،ولا تتطلب هبوطات جهود مستمرّة ضخمة) الشكل أدناه.
مرآة تيار عالية
مرآة تيار عالية
  • يدخل في تكوين أشكال المضخّم أو المشغّل المتكاملة (مثل مراحل خرج نوعَي المضخّم A و AB).
الترانزستور في دارات التشغيل والمضخّمات
الترانزستور في دارات التشغيل والمضخّمات
  • تتيح منظّمات الجهد المنخفضة التسرُّب (Low-dropout regulators)، باستخدامPNP بدلاً من NPN  انخفاضاً كبيراً في جهد التسرُّب، لكنّه يزيد أيضاً من التيّار الساكن.
  • تطبيقات القيادة، حيث يُؤرّض جانب واحد من الحمل، ويُوصَّل باعث ال PNP إلى جهد التغذية، والجانب الآخر من الحمل يوصل إلى المُجمّع، وينتج عن هذا التّوصيل ما يُسمّى بالمفتاح عالي الجانب(high-side switch)

خاتمة

وهكذا نكون قد اكتشفنا الخصائص المميّزة لترانزستورات PNP، وعلمنا سبب تفضيل النوع NPN على PNPفي كثير من الأحيان.


المصدر:هنا
ترجمة: اسراء اسماعيل, مراجعة: مي همدر, تدقيق لغوي: رنيم العلي, تصميم: علي العلي, تحرير:قحطان غانم

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *