ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จังก์ชันคืออะไร?

ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จังก์ชัน (BJT) เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์สามขั้วที่สามารถใช้ในการขยายหรือสลับสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ ประกอบด้วยบริเวณของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่เจือสารสามบริเวณเรียงกันเพื่อสร้างทรานซิสเตอร์สองประเภท คือ NPN และ PNP โดยขึ้นอยู่กับการจัดเรียงการเจือสาร

แตกต่างจากไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งประกอบขึ้นจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์สองชิ้น (ทั้ง P และ N) เพื่อสร้างรอยต่อ pn อย่างง่ายทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ใช้ชั้นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เพิ่มอีกชั้นหนึ่งเพื่อสร้างอุปกรณ์ที่มีคุณสมบัติและลักษณะเฉพาะของตัวขยายสัญญาณ

ถ้าเราต่อ ไดโอดสัญญาณสองตัวเข้าด้วยกันแบบกลับด้าน จะได้จุดเชื่อมต่อ pn สองจุดที่ต่อกันแบบอนุกรม โดยจะมีขั้วบวก (P) หรือขั้วลบ (N) ร่วมกัน

การรวมไดโอดทั้งสองเข้าด้วยกันจะสร้างอุปกรณ์สามชั้น สองจุดเชื่อมต่อ และสามขั้ว ซึ่งเป็นพื้นฐานของทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์หรือ BJT นั่นเอง

บริเวณการทำงานของทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จังก์ชัน

ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จังก์ชัน (BJT) เป็นอุปกรณ์โซลิดสเตตสามขั้วที่สร้างขึ้นโดยการหลอมรวมวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่แตกต่างกัน ทำให้สามารถทำหน้าที่เป็นฉนวน (ปิดสนิท) หรือตัวนำ (เปิดสนิท) หรืออยู่ระหว่างนั้นได้โดยการใช้แรงดันควบคุมสัญญาณขนาดเล็ก

ความสามารถของทรานซิสเตอร์ในการเปลี่ยนสถานะระหว่างสถานะต่างๆ เหล่านี้ ทำให้มันมีฟังก์ชันพื้นฐานสองอย่างคือ “การสวิตช์” (อิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัล) หรือ “การขยายสัญญาณ” (อิเล็กทรอนิกส์อนาล็อก) นอกจากนี้ ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ยังสามารถทำงานได้ในสามช่วงความถี่ที่แตกต่างกัน:

• ช่วงการทำงาน – ทรานซิสเตอร์ทำงานเป็นตัวขยายสัญญาณ โดยมีกระแสคอลเลคเตอร์ Ic เท่ากับ: β*Ib
• สภาวะอิ่มตัว – ทรานซิสเตอร์อยู่ในสถานะ “เปิดเต็มที่” ทำงานเหมือนสวิตช์ โดยกระแสคอลเลคเตอร์ Ic เท่ากับ: I(สภาวะอิ่มตัว)
• สถานะตัดการทำงาน – ทรานซิสเตอร์อยู่ในสถานะ “ปิดสนิท” ทำงานเหมือนสวิตช์ โดยกระแสคอลเลคเตอร์ Ic เท่ากับ 0

คำว่าTransistorมาจากการรวมกันของสองคำ คือTransfer และ Varistor ซึ่งใช้เพื่ออธิบายวิธีการทำงานของอุปกรณ์เหล่านี้ในยุคแรกเริ่มของการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์มีสองประเภทพื้นฐาน คือPNP (Positive-Negative-Positive) และNPN (Negative-Positive-Negative) สัญลักษณ์เหล่านี้อธิบายถึงการจัดเรียงทางกายภาพของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ชนิด P และชนิด N ที่ใช้ในการผลิตทรานซิสเตอร์เหล่านี้

โครงสร้างพื้นฐาน ของทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ประกอบด้วยจุดเชื่อมต่อ pn สองจุดที่สร้างขั้วเชื่อมต่อสามขั้ว โดยแต่ละขั้วจะมีชื่อเรียกเพื่อแยกแยะออกจากอีกสองขั้ว ขั้วทั้งสามนี้เรียกว่า ขั้วอีมิเตอร์ (E), ขั้วเบส (B) และขั้วคอลเลคเตอร์ (C) ตามลำดับ

ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์เป็นอุปกรณ์ควบคุมกระแสไฟฟ้าที่ควบคุมปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวมันจากขั้วอีมิเตอร์ไปยังขั้วคอลเลคเตอร์ตามสัดส่วนของแรงดันไบแอสที่จ่ายให้กับขั้วเบส จึงทำหน้าที่เหมือนสวิตช์ที่ควบคุมด้วยกระแสไฟฟ้า เนื่องจากกระแสไฟฟ้าปริมาณน้อยที่ไหลเข้าสู่ขั้วเบสจะควบคุมกระแสไฟฟ้าปริมาณมากที่ไหลเข้าสู่ขั้วคอลเลคเตอร์ ซึ่งเป็นพื้นฐานของการทำงานของทรานซิสเตอร์

หลักการทำงานของทรานซิสเตอร์ทั้งสองประเภท คือทรานซิสเตอร์ PNPและทรานซิสเตอร์ NPNนั้นเหมือนกันทุกประการ ความแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือการไบแอสและขั้วแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟที่ใช้กับทรานซิสเตอร์แต่ละประเภท

โครงสร้างทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์

โครงสร้างและสัญลักษณ์วงจรของทรานซิสเตอร์ PNP และทรานซิสเตอร์ NPN แสดงไว้ด้านบน โดยลูกศรในสัญลักษณ์วงจรจะแสดงทิศทางการไหลของ "กระแสไฟฟ้าตามปกติ" ระหว่างขั้วฐานและขั้วอีมิเตอร์เสมอ

สำหรับทรานซิสเตอร์ทั้งสองประเภท ทิศทางของลูกศรจะชี้จากบริเวณขั้วบวก (P-type) ไปยังบริเวณขั้วลบ (N-type) เสมอ ซึ่งเหมือนกับสัญลักษณ์ไดโอดมาตรฐานทุกประการ

การกำหนดค่าทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์

เนื่องจากทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์เป็นอุปกรณ์ที่มีสามขั้ว จึงมีวิธีการเชื่อมต่อในวงจรไฟฟ้าได้สามวิธี โดยขั้วหนึ่งจะเป็นขั้วร่วมสำหรับทั้งสัญญาณอินพุตและเอาต์พุต การเชื่อมต่อแต่ละวิธีจะตอบสนองต่อสัญญาณอินพุตในวงจรแตกต่างกัน เนื่องจากคุณลักษณะทางสถิตของทรานซิสเตอร์จะแตกต่างกันไปตามการจัดเรียงวงจรแต่ละแบบ

• การกำหนดค่าฐานทั่วไป – มีอัตราขยายแรงดัน แต่ไม่มีอัตราขยายกระแส
• วงจรขยายสัญญาณแบบ Common Emitter – มีทั้งอัตราขยายกระแสและอัตราขยายแรงดัน
• วงจรแบบคอมมอนคอลเลคเตอร์ – มีอัตราขยายกระแส แต่ไม่มีอัตราขยายแรงดัน

การกำหนดค่าทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์แบบฐานร่วม (CB)

ตามชื่อที่บ่งบอก ในการต่อแบบCommon Baseหรือ “grounded base configuration” ขั้ว BASE ของทรานซิสเตอร์จะเป็นขั้วร่วมสำหรับทั้งสัญญาณอินพุตและสัญญาณเอาต์พุต สัญญาณอินพุตจะถูกป้อนระหว่างขั้ว BASE และขั้ว EMitter ของทรานซิสเตอร์

สัญญาณเอาต์พุตที่ได้จะมาจากระหว่างขั้วฐานและขั้วตัวเก็บประจุ ดังแสดงในภาพ ขั้วฐานสามารถต่อลงกราวด์หรือต่อกับจุดแรงดันอ้างอิงคงที่ก็ได้

กระแสไฟฟ้าขาเข้าที่ไหลเข้าสู่ตัวส่งสัญญาณมีขนาดค่อนข้างใหญ่ เนื่องจากเป็นผลรวมของกระแสไฟฟ้าที่ฐานและกระแสไฟฟ้าที่ตัวเก็บประจุ ดังนั้น กระแสไฟฟ้าขาออกที่ตัวเก็บประจุจึงน้อยกว่ากระแสไฟฟ้าขาเข้าที่ตัวส่งสัญญาณ ส่งผลให้อัตราขยายกระแสสำหรับวงจรประเภทนี้มีค่าเท่ากับ "1" (หนึ่ง) หรือน้อยกว่า กล่าวอีกนัยหนึ่ง วงจรฐานร่วมจะ "ลดทอน" สัญญาณขาเข้า

วงจรทรานซิสเตอร์ฐานร่วม

วงจรขยายสัญญาณแบบ Common Base Amplifierชนิดนี้เป็นวงจรขยายแรงดันแบบไม่กลับเฟส กล่าวคือ แรงดันสัญญาณ Vin และ Vout มีเฟสตรงกัน

การจัดเรียงทรานซิสเตอร์แบบนี้ไม่ค่อยพบเห็นบ่อยนัก เนื่องจากมีคุณสมบัติการขยายแรงดันสูงผิดปกติ คุณลักษณะด้านอินพุตคล้ายกับไดโอดที่ได้รับไบแอสตรง ในขณะที่คุณลักษณะด้านเอาต์พุตคล้ายกับโฟโตไดโอดที่ได้รับแสง

นอกจากนี้ การจัดเรียงทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ประเภทนี้ยังมีอัตราส่วนความต้านทานเอาต์พุตต่อความต้านทานอินพุตสูง หรือที่สำคัญกว่านั้นคือ อัตราส่วนความต้านทาน "โหลด" (RL) ต่อความต้านทาน "อินพุต" (Rin) ทำให้มีค่า "อัตราขยายความต้านทาน" สูง

ดังนั้น อัตราขยายแรงดัน (Av) สำหรับวงจรฐานร่วม จึงกำหนดได้ดังนี้:

อัตราขยายแรงดันฐานร่วม

โดยที่: Ic/Ie คืออัตราขยายกระแส, อัลฟา (α) และ RL/Rin คืออัตราขยายความต้านทาน

วงจรฐานร่วมโดยทั่วไปจะใช้เฉพาะในวงจรขยายสัญญาณแบบขั้นตอนเดียว เช่น พรีแอมป์ไมโครโฟน หรือแอมป์ความถี่วิทยุ (Rƒ) เนื่องจากมีคุณสมบัติการตอบสนองความถี่สูงที่ดีมาก

ทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์แบบต่อร่วม (Common Emitter: CE)

ใน วงจรแบบ Common Emitterหรือแบบต่อลงดิน (grounded emitter) สัญญาณอินพุตจะถูกส่งผ่านระหว่างฐานและตัวส่งสัญญาณ ในขณะที่สัญญาณเอาต์พุตจะถูกส่งผ่านระหว่างตัวเก็บประจุและตัวส่งสัญญาณ ดังแสดงในภาพ

การจัดเรียงวงจรแบบนี้เป็นวงจรที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุดสำหรับแอมพลิฟายเออร์ที่ใช้ทรานซิสเตอร์ และเป็นวิธีการเชื่อมต่อทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ "ปกติ"

วงจรขยายสัญญาณแบบ Common Emitter Amplifierให้กำลังและกระแสขยายสูงสุดในบรรดาวงจรขยายสัญญาณแบบไบโพลาร์ทรานซิสเตอร์ทั้งสามแบบ เนื่องจากอิมพีแดนซ์อินพุตต่ำ เพราะต่อกับ PN-junction ที่ได้รับไบแอสตรง ในขณะที่อิมพีแดนซ์เอาต์พุตสูง เพราะต่อกับ PN-junction ที่ได้รับไบแอสกลับ

วงจรขยายสัญญาณแบบ Common Emitter

ในการกำหนดค่าแบบนี้ กระแสที่ไหลออกจากทรานซิสเตอร์จะต้องเท่ากับกระแสที่ไหลเข้าสู่ทรานซิสเตอร์ เนื่องจากกระแสที่ขาอีมิเตอร์กำหนดโดยสูตร: Ie = Ic + Ib

เนื่องจากความต้านทานโหลด (R _L ) ต่ออนุกรมกับตัวเก็บประจุ อัตราขยายกระแสของทรานซิสเตอร์แบบตัวปล่อยร่วมจึงค่อนข้างสูง เพราะเป็นอัตราส่วนของ Ic/Ib อัตราขยายกระแส (Ai) ของทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จังก์ชันจะใช้สัญลักษณ์กรีกว่า เบต้า (β)

กระแสอีมิเตอร์ในวงจรแบบคอมมอนอีมิเตอร์ถูกกำหนดโดยสูตร Ie = Ic + Ib อัตราส่วนของ Ic/Ie เรียกว่า อัลฟา (Alpha) และใช้สัญลักษณ์กรีกว่า α โปรดทราบว่า ค่าของอัลฟาจะน้อยกว่าหนึ่งเสมอ

เนื่องจากความสัมพันธ์ทางไฟฟ้าของกระแสทั้งสามนี้ คือ Ib, Ic และ Ie ถูกกำหนดโดยโครงสร้างทางกายภาพของทรานซิสเตอร์เอง ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยใดๆ ในกระแสเบส (Ib) จะส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่ใหญ่กว่ามากในกระแสคอลเลคเตอร์ (Ic) กล่าวคือ การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในกระแสที่ไหลเข้าสู่เบสจะควบคุมกระแสในวงจรตัวส่งและคอลเลคเตอร์

โดยทั่วไป ค่าเบต้าจะมีค่าอยู่ระหว่าง 20 ถึง 200 สำหรับทรานซิสเตอร์ทั่วไปส่วนใหญ่ ดังนั้น หากทรานซิสเตอร์มีค่าเบต้าเท่ากับ 100 นั่นหมายความว่า สำหรับทุกๆ หนึ่งไมโครแอมแปร์ (μA) ที่ไหลเข้าสู่ขั้วเบส จะมีกระแสไฟฟ้า 100 ไมโครแอมแปร์ไหลผ่านระหว่างขั้วคอลเลคเตอร์และขั้วอีมิเตอร์

โดยการรวมนิพจน์สำหรับทั้งอัลฟา (α) และเบตา (β) ความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ระหว่างพารามิเตอร์เหล่านี้และอัตราขยายกระแสของทรานซิสเตอร์สามารถกำหนดได้ดังนี้:

ความสัมพันธ์ระหว่างค่าอัลฟาและค่าเบตา

โดยที่ “Ic” คือกระแสไฟฟ้าที่ไหลเข้าสู่ขั้วคอลเลคเตอร์ “Ib” คือกระแสไฟฟ้าที่ไหลเข้าสู่ขั้วเบส และ “Ie” ซึ่งเป็นผลรวมของ Ib + Ic คือกระแสไฟฟ้าที่ไหลออกจากขั้วอีมิเตอร์

กล่าวโดยสรุป การต่อทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ชนิดนี้มีอิมพีแดนซ์อินพุต กระแส และกำลังขยายมากกว่าการต่อแบบฐานร่วม แต่มีอัตราขยายแรงดันต่ำกว่ามาก การต่อแบบตัวส่งสัญญาณร่วมเป็นวงจรขยายแบบกลับเฟส ซึ่งหมายความว่าสัญญาณเอาต์พุตที่ได้จะมีเฟสต่างจากสัญญาณแรงดันอินพุต 180 ^องศา

ทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์แบบวงจรคอมมอนคอลเลคเตอร์ (CC)

ใน วงจรแบบ Common Collectorหรือ Grounded Collector นั้น ขั้ว Collector จะเชื่อมต่อกับกราวด์ผ่านแหล่งจ่ายไฟ ดังนั้นขั้ว Collector จึงเป็นขั้วร่วมของทั้งอินพุตและเอาต์พุต

สัญญาณอินพุตเชื่อมต่อโดยตรงกับขั้วฐาน ในขณะที่สัญญาณเอาต์พุตรับมาจากตัวต้านทานโหลดที่ตัวส่งสัญญาณ ดังแสดงในภาพ วงจรประเภทนี้เรียกอีกอย่างว่าวงจรVoltage FollowerหรือEmitter Follower

วงจรแบบ Common Collector หรือ Emitter Follower มีประโยชน์อย่างมากสำหรับการใช้งานในการจับคู่ความต้านทาน เนื่องจากมีความต้านทานอินพุตสูงมาก อยู่ในระดับหลายแสนโอห์ม ในขณะที่มีความต้านทานเอาต์พุตค่อนข้างต่ำ

วงจรทรานซิสเตอร์แบบคอลเลคเตอร์ร่วม

วงจรแบบ Common Emitter มีอัตราขยายกระแสโดยประมาณเท่ากับค่า β ของทรานซิสเตอร์เอง อย่างไรก็ตาม ในวงจรแบบ Common Collector ความต้านทานโหลดจะต่ออนุกรมกับขั้ว Emitter ดังนั้นกระแสของความต้านทานโหลดจึงเท่ากับกระแสของขั้ว Emitter

เนื่องจากกระแสที่ขาอีมิเตอร์เป็นผลรวมของกระแสที่ขาคอลเลคเตอร์และขาเบส ดังนั้นความต้านทานโหลดในวงจรทรานซิสเตอร์แบบนี้จึงมีทั้งกระแสคอลเลคเตอร์และกระแสอินพุตที่ขาเบสไหลผ่านด้วย ดังนั้นอัตราขยายกระแสของ วงจร ขยายสัญญาณแบบคอมมอนคอลเลคเตอร์จึงกำหนดได้ดังนี้:

อัตราขยายกระแสของตัวเก็บประจุร่วม

วงจรทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ชนิดนี้เป็นวงจรไม่กลับเฟส กล่าวคือ แรงดันสัญญาณ Vin และ Vout มีเฟสตรงกันวงจรแบบคอมมอนคอลเลคเตอร์มีอัตราขยายแรงดันประมาณ “1” (อัตราขยายหนึ่งหน่วย) ดังนั้นจึงถือได้ว่าเป็นบัฟเฟอร์แรงดัน เนื่องจากอัตราขยายแรงดันเป็นหนึ่ง

ความต้านทานโหลดของทรานซิสเตอร์แบบคอมมอนคอลเลคเตอร์จะรับทั้งกระแสเบสและกระแสคอลเลคเตอร์ ทำให้ได้อัตราขยายกระแสสูง (เช่นเดียวกับแบบคอมมอนอีมิเตอร์) ดังนั้นจึงให้การขยายกระแสที่ดีโดยมีอัตราขยายแรงดันน้อยมาก

หลังจากได้พิจารณาโครงสร้างทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ทั้งสามประเภทแล้ว เราสามารถสรุปความสัมพันธ์ต่างๆ ระหว่างกระแสไฟฟ้ากระแสตรงที่ไหลผ่านแต่ละขาของทรานซิสเตอร์แต่ละตัวและอัตราขยายกระแสไฟฟ้ากระแสตรงที่ระบุไว้ข้างต้นในตารางต่อไปนี้ได้

ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสและอัตราขยายของทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์

โปรดทราบว่าถึงแม้เราจะพิจารณา การต่อวงจร ด้วยทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ NPNในที่นี้ แต่ทรานซิสเตอร์แบบ PNP ก็สามารถใช้งานได้อย่างถูกต้องในทุกการต่อวงจร เนื่องจากการคำนวณจะเหมือนกันทั้งหมด โดยเฉพาะในส่วนของการไม่กลับเฟสของสัญญาณที่ขยายแล้ว ความแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือขั้วของแรงดันและทิศทางของกระแส

สรุปบทเรียนเกี่ยวกับทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์

สรุปได้ว่า พฤติกรรมของทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ในวงจรแต่ละแบบข้างต้นนั้นแตกต่างกันมาก ทำให้ได้ลักษณะเฉพาะของวงจรที่แตกต่างกันในแง่ของอิมพีแดนซ์อินพุต อิมพีแดนซ์เอาต์พุต และอัตราขยาย อัตราขยายของทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์อาจเป็นอัตราขยายแรงดัน อัตราขยายกระแส หรืออัตราขยายกำลัง ซึ่งสรุปไว้ในตารางด้านล่าง

การกำหนดค่าทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์

โดยมีลักษณะทั่วไปของวงจรทรานซิสเตอร์แบบต่างๆ ดังแสดงในตารางต่อไปนี้:

ในบทเรียนถัดไปเกี่ยวกับทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จังก์ชันเราจะมาดูทรานซิสเตอร์ NPN ในรายละเอียดเพิ่มเติมเมื่อนำไปใช้ในวงจรขยายสัญญาณแบบอีมิเตอร์ร่วม เนื่องจากเป็นวงจรที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดเพราะมีความยืดหยุ่นและให้กำลังขยายสูง

นอกจากนี้ เราจะพล็อตเส้นโค้งลักษณะเอาต์พุตที่มักเกี่ยวข้องกับวงจรขยายสัญญาณ โดยแสดงเป็นฟังก์ชันของกระแสคอลเลคเตอร์ต่อกระแสเบส