الترانزستور ثنائي القطب أوترانزستور الوصلة ثنائية الأقطاب (بالإنجليزية: Bipolar Junction Transistor اختصاراً BJT)‏ هوعنصر إلكتروني فعّال شبه موصل ثلاثيّ الطبقات، يتكوّن من طبقتين من نفس النوع تفصل بينهما طبقة ثالثةٌ مُغايرة. تكون مادة الطبقات أشباه موصلات إما من النوع N أومن النوع P، إذا كانت الطبقتان من مادة شبه موصل مشوب من النوع N والطبقة المُغايرة من شبه موصلٍ مشوب من النوع P فإنّ الترانزستورقد يكونُ من النوع NPN. أمّا إذا كانت الطبقتان من شبه مُوصلٍ مشُوبٍ من النوع P، وكانت الطبقةُ المُغايرة من شبه مُوصلٍ مشُوب من النوع N، فإن الترانزستورقد يكون من النوع PNP.

صُنع الترانزستور للمرة الأولى عام 1947م في مختبرات بل، بإشراف كلٍّ من والتر براتين وجون باردين وويليام شوكلي. لاحقاً، حصلَ الثلاثةُ على جائزة نوبل في الفيزياء في العام 1956م تقديراً لعملهم. مُنذ منتصف الخمسينيّات من القرن العشرين، أصبح الترانزستور ثنائي القطب مُتوافراً للاستخدام التّجاري، وكان حجر أساس في ثورة تقنيّة وإلكترونيّة، ولا يكاد يخلوجهاز إلكتروني حديث من هذا العنصر.

هناكَ ثلاثُ نهاياتٍ طرفيّة للترانزستور ثنائي القطب، هُنّ القاعدة والباعث والمُجمّع، وتتصل جميع نهاية مِنها مع إحدى طبقات الترانزستور. يُمكن تمثيل الترانزستور بحسب بنيته على شكل ثُنائيين يُسميان وصلتا القاعدة والباعث والقاعدة والمجمع ويشهجران بالمصعد أوبالمهبط، بحسب نوع الترانزستور. ولهذا فإنّ الترانزستور يخضع لنفس قواعد التحييز الخاصّة بالثنائي. عمليّاً، هناك أربعُ حالات لتحييز وصلتي الترانزستور هُنّ: التحييز الأمامي لوصلة القاعدة والباعث مع التحييز العكسيّ لوصلة القاعدة والمجمع أوبالعكس، أوتحييز كلتا الوصلتين أماميّاً أوكلتاهما عكسيّاً، وينتج عن جميع عملية تحييز خواص مختلفة يمكن الاستفادة منها لتوظيف الترانزستور.

يُوجد الكثير من الدارات التي تحقق حالات الانحياز المُختلفة للترانزستور، ويجري تصنيفها بحسب النهاية المُشهجرة بين دارتي الدخل والخرج في الدارة المُعتبرة، وينتج عن ذلك ثلاثةُ تصانيفَ مختلفةٍ لإعداد الوصلة هي: القاعدة المُشهجرة والباعث المشهجر والمُجمّع المُشهجر ولكل وصلة خواص مختلفة عن الأخرى، لكن أكثرها استعمالاً هي الباعث المشهجر. هناك عدّة نماذج تُستعمل لتمثيل عمل الترانزستور، أهمّها نموذجا آر إيوباي الهجين ، وفيهما يجري تعويض الترانزستور بعناصر كهربائيّة خطيّة غير فعّالة، ثُمّ حساب المُحددات الأساسيّة الضابطة لعمله، مثلُ ربحيّ الجهد والتيار. وتهدف عملية النمذجة إلى إيجاد تمثيلٍ رياضيّ قادرٍ على محاكاة عمل الترانزستور.

تتُحدد آليّة عمل الترانزستور بحسب مسقط نقطة العمل، وهي نقطة تقع على مُحددات الخرج الخاصّة بالترانزستور وتربط بين جهد الخرج وتياره، ويمكن تحديد مسقطها بدقّة من خلال اختيار عناصر دارة التّحييز. على أي حال، يُمكن حتى يعمل الترانزستور كمضخم للإشارات الكهربائية الصغيرة أوكمضخم للاستطاعة، وفي كلتا الحالتين يقوم الترانزستور بتضخيم إشارة كهربائيّة تُوصل إلى دارة دخله، ثُمّ نقلِها إلى دارة خرجه. كما يُمكن حتى يعمل كمفتاح إلكتروني، وفي هذه الحالة يجري التحكم بتدفق التيار في دارة خرج الترانزستور من خلال الجهد المُطبق دارة الدخل.

يُبدي الترانزستور استجابة تردديّة ذات شكل هضبيّ بالنسبة لترددات إشارة الدخل، فمع زيادة التردد، يرتفع كسب الترانزستور ليصل إلى أعلى قيمة مُمكنة، ثُمّ يظلّ ثابتاً على طيف واسع قبل حتى يعود وينخفض من حديث مع زيادة التردد فوق عتبة مُحددة. عمليّاً،قد يكون كسب الترانزستور أعلى ما يُمكن إذا كان ترددُ الإشارة يقعُ بين ترددين محددين يُسميان ترددا البتر الأدنى والأعلى، وتتبع قيمة هذه الترددات لعدد من عناصر الدارة أهمها مكثفاتُ العزل والتمرير والسِّعاتُ الطفيليّة بالإضافة للمقاومات المُستعملة في الدارة.

منذ مُنتصف الخمسينيّات من القرن العشرين، يتوافر الترانزستور في الأسواق كمنتج تجاري يُمكن شراؤه واستعماله في تصميم الدارات الإلكترونية المتنوعة، ويتطلب ذلك مهارات خاصة في قراءة ورقة البيانات الخاصة به والتي ترفقُها الشركة المُصنّعة مع العنصر الإلكتروني، وهي تحتوي على مواصفاته وخواصه. بالإضافة لذلك، يحتاج استعمال الترانزستور امتلاك مهارات خاصة بتحديد نوعه ودبابيس الطرفيات؛ إمّا عن طريق اللجوء إلى ورقة البيانات الخاصّة به، أوعن طريق القياس باستعمال مقياس المقاومة.

الاسم والرمز

سُميّ الترانزستور باسم ترانزستور الوصلة ثنائية الأقطاب لأنه يعتمد في مبدأ عمله على وصلة فيزيائيّة مُكوّنة من نوعين من حوامل الشحنات الكهربائية وهي الثغرات الإلكترونية والإلكترونات الحرة. ويُسمّى باللغة العربية ترانزستور ثنائي القطب، وأيضاً المِقْحَل زوجي الأقطاب، من أقْحَلَ يُقْحِلُ إقْحَالاً فهومُقْحِل، والقحل هوالافتقار والقحط، وتشير هذه الحدثة إلى منطقة الافتقار أوالعبور في الوصلة الثنائيّة.

يُرمز للترانزستور ثنائي القطب بالشكل الآتي: خط مُستقيم يُمثّل مادة شبه المُوصِل، يتصل هذ الخط مع ثلاثة تفرعات، تكون أحدها مُتعامدة معه، ويعني التعامد وجود وصلة ذات مقاومة أوميّة، ويُسمّى هذا القطب بقاعدة الترانزستور (بالإنجليزية: Base)‏. أمّا القطبان الآخران، يسميّان الباعث (بالإنجليزية: Emitter)‏ والمُجمّع (بالإنجليزية: Collector)‏، ويكونان مائلين بزاوية قيمتها 60 درجة عن الخط المستقيم، وهناك رأس سهم في مُنتصف التفريعة التي تصل بين القاعدة والباعث، حيث يحدد رأس السهم نوع الترانزستور، فهويشير دائماً إلى شبه الموصل المشوب من النوع N؛ فإذا كانت القاعدة من النوع N أشار إليها، وكان الترانزستور من النوع PNP، بينما إذا كانت من النوع P، أشار للاتجاه المعاكس، وكان الترانزستور من النوع NPN. توجد الهجريبة السابقة ضمن إطار تغليف دائريّ.

سُميت القاعدة بهذا الاسم لأنّها كانت الأساس الذي ارتكزت عليه تام البُنية في الترانزستورات الأولى، أمّا الباعث فأطلق عليه هذا الاسم لأنّه المصدر، أوالباعث الأساسيّ، لحوامل الشحنات، فيما سُمّيَ المُجمّع بذلك لأنّه يقوم بالتقاط أوتجميع حملة الشحنات المُنطلقة من الباعث والقاعدة.

نبذة تاريخية

خلال النصف الأول من القرن العشرين، كان الصمام المُفرّغ هوالعنصر الإلكتروني الذي تدور حوله الأبحاث. في العام 1904م، نجح جون فلمنج في تطوير ديود الصمام المُفرّغ (بالإنجليزية: Vacuum-tube Diode)‏، ثُمّ أضاف لي دي فورست عام 1906 شبكة تحكم للصمام المُفرّغ لينتج بذلك أول مضخم، وهوالصمام الثلاثي، والذي استخدم بشكل مكثف في تطبيقات الراديووالهاتف، وخضع في السّنوات اللاحقة لتعديلات كبيرة ليتكمن من تحمل استطاعة أعلى ويعمل على ترددات أكبر مع محاولة تصغير حجمه.

في العام 1930م؛ حصل الفيزيائي يوليوس ليلينفيلد على أول براءة اختراع خاصة بمبدأ عمل ترانزستور الأثر الحقلي، ولكنّه لم ينشر أي أبحاث لاحقة حول ذلك، وتمّ تجاهل عمله بشكل تام على المستوى الصّناعي، بينما لاحقاً حصل الفيزيائي أوسكار هيل على براءة اختراع أخرى لترانزستور الأثر الحقلي وذلك عام 1934م.

استخدم الصمام الإلكتروني في عملية تضخيم الإشارة في شبكات الهاتف، ولكنّه كان غير موثوقٍ، بالإضافة لاستهلاكه العالي للطاقة وإشعاعه الحراري، وفي الثلاثينيّات من القرن العشرين، بدا واضحاً بالنسبة للمسؤول عن مختبرات بل، مارفين كيلي ، بأنّ هناك حاجة ماسة لجهاز حديث يواكب تطلعات شركات الهاتف الراغبة في مزيدٍ من التوسع، وبدأ العمل على صنف غريب من العناصر سُمّي أشباه الموصلات. خلال الحرب العالمية الثانية، عملت مختبرات بل بشكل حثيث لتطوير بلورة نقية من عنصر شبه موصل هوالجرمانيوم، وذلك لاستخدامها في مازج الترددات المُستعمل في وحدات الاستقبال في الرادارات، في نفس الوقت، نجح مشروع آخر في نفس المختبرات في إنتاج بلورات أشباه موصلات من الجرمانيوم ذات جودة جيدة.

في 23 ديسمبر 1947م، نجح والتر براتين وجون باردين ووليام شوكلي في مختبرات بل في صناعة أول ترانزستور باستعمال الجرمانيوم، وكان ترانزستور نقطة الاتصال ، كان الترانزتسور الأول مُكوّناً من قطبين معدنيين مُتقاربين مُثبّتين برقّة على سطح شريحة من الجرمانيوم، سُميت النقطتان بالباعث والمُجمّع على التوالي، أمّا السطح السفلي لشريحة الجرمانيوم فقد سمي بالقاعدة. كان مبدأ عمل الترانزستور يعتمد على تحييز الباعث إيجابياً، من أجل تضخيم التيار القادم من القاعدة.وبعدستة أشهر، تحديداً في 30 يونيو1948م، أعربت مختبرات بل عن الاختراع رسمياً في موتمر صحفي. لقد كانت إيجابيات الترانزستور مقارنة مع الصمام الثلاثي واضحة من البداية، فهوأصغر حجماً وأقل وزناً وليس بحاجة لفترة تسخين أوإحماء، ما يجعله متاحاً للاستخدام الفوري، بالإضافة لكونه أقل استهلاكاً للطاقة.

في الفترة التالية؛ تواصل عمل الفريق لتحسين الترانزستور من خلال إزالة نقاط الاتصال والاستعاضة عنها بوصلة PN (P-N)، ونجح الفريق في صناعة ترانزستور يعمل بهذا المبدأ، لكنه عجز عن تقديم استجابة ترددية بجودة تلك التي يقدمها ترانزستور نقطة الاتصال، نتيجة لذلك، تأخّر الإعلان عن نجاح تطبيق وصلة PN حتى العام 1951م، لمعالجة معضلة الاستجابة الترددية. بعد ذلك بأربعة أعوام، وتحديداً في العام 1956م، حصل المُخترعون الثلاثة على جائزة نوبل في الفيزياء بسبب "أبحاثهم على أشباه الموصلات ولاكتشاف تأثير الترانزستور".⁽¹⁾

كان عنصر الجرمانيوم غير مستقر كيميائيّاً بشكل كافيّ بالإضافة لدرجة انصهار منخفضة، لذلك، تحوّل التنافس نحوتطوير ترانزستور وصلة ثنائية القطب باستعمال شبه مُوصِل آخر هوالسيليكون، الذي يقع مباشرة فوق الجرمانيوم في الجدول الدوري، ويبدي خواصاً أكثر ملاءَمة للتطبيقات الصناعيّة. تسارع السباق في منتصف العام 1954م، ففي 25 أبريل، أعربت مُختبرات بل عن نجاحها في إنتاج وصلة PN باستعمال السيليكون عن طريق إشابة رقاقة من السيليكون من النوع N باستعمال طبقة رقيقة من ذرات البورون، لكن شركة تكساس إنسترومنتس فاجأت الجميع فيعشرة مايوبإعلانها في مؤتمر صحفي عن إنتاج أول ترانزستور وصلة ثنائية القطبية باستعمال السيليكون.

بعد ذلك، فتح تطوير الترانزستور السيليكوني الباب لظهور المذياع، والذي يُسمى أيضاً راديوترانزستور (بالإنجليزية: Transistor radio)‏ في إشارة إلى اعتماده على الترانزستور بشكل أساسي في بنيته الداخليّة. ظهر المذياع أولاً في اليابان في عام 1954م، حيث نجحت شركة هندسة الاتصالات البعاديّة في طوكيو⁽²⁾، والمعروفة اليوم باسم سوني، في إنتاج أول راديوترانزستور، لكن تأخر الإنتاج الاستهلاكي حتى العام التالي، حيث عُرض تحت اسم سوني تي آر 55 (بالإنجليزية: Sony TR-55)‏. أمّا تكساس إنسترومنتز فأعربت في 18 أوكتوبر 1954م عن الإصدار التجاري لراديوالترانزستور الخاص بها تحت الاسم التجاري ريجينسي تي آر 1 .

خلفية عامة

أشباه الموصلات

تُعرّف أشباه الموصلات بأنّها مواد فيزيائيّة تتغير قيمة مقاومتها الكهربائية تبعاً لشروط مُحددة، فإن توافرت هذه الشروط، سلكت هذه المادة سلوك الموصل الكهربائي، وإذا لم تتوافر سلكت المادة سلوكاً يشبه سلوك العازل. تسمح هذه الخاصية باستعمال المواد شبه المُوصِلة لأغراض التحكم بالتيار الكهربائي. على سبيل المثال، في درجة حرارة الغرفة، تبلغ المقاومة الكهربائية لعازل مثل الميكا ${\displaystyle {10}^{13}}$${\displaystyle 1.72x{10}^{-<!--\; -\; -->8}}$${\displaystyle {0.6$ أوم•متر.

تُشكّل ذرات أشباه الموصلات بُنيّة ذريّة ذات نمط دوري مٌحدد تُسمّى البلّورة، إذا تكررت نفسُ البنية ضمن مادة شبه المُوصِل، فتُسمّى حينئذ بالبنية بلورة أحاديّة البلورة ويمكن تفسير خواص أشباه الموصلات اعتماداً على بنيتها البلورية. بُنية بلورتي الجرمانيوم والسيليكون، وهما شبه موصِلين، هي بنيّة وحيدة البلورة.

تتألف جميع ذرة من ذرات البلورة من نواة يدور حولها عدد من الإلكترونات، تتوزع الإلكترونات في مدارات مختلفة بحسب سويّة الطاقة، وحدثا كان مدار الإلكترون أبعد عن النواة كانت الطاقة اللازمة لانتزاعه من ذرته أقل. يُسمّى أبعد مدار عن النواة بمدار التكافؤ، في الجرمانيوم والسيليكون، يحتوي مدار التكافؤ على أربع إلكترونات. في بلورة السيليكون النقية أوفي بلورة الجرمانيوم النقية تكون جميع ذرة مشهجرة مع أربع ذرات مجاورة لها في رابطة تساهمية، وتسهم جميع ذرة بأحد إلكترونات التكافؤ من مدارها الخارجي لإنشاء هذه الرابطة.

بالرغم من وجود الرابطة التساهمية، فإن بإمكان إلكترون التكافؤ إذا امتص طاقة كافية من مصادر خارجية حتى يقفز خارج ذرته ويصبح إلكتروناً حراً، تضم المصادر الخارجية الطاقة الضوئية مُمثلة بالفوتونات أوالطاقة الحراريّة. تُسمّى الإلكترونات الحرة التي تقفز خارج ذرتها بحوامل الشحنة الذاتيّة (بالإنجليزية: intrinsic carriers)‏. يُخلّف جميع إلكترون حر وراءه ثغرة إلكترونية موجبة الشحنة، وهي مفهوم نظري يُعبّر عن غياب الإلكترون. تحتوي أشباه الموصلات في درجة حرارة الغرفة مليارات الإلكترونات الحرة، مثلاً يحتوي 1 سم³ من الجرمانيوم على ${\displaystyle 2.5x{10}^{13}}$${\displaystyle {8.5x10^{22$ إلكترون، وبناء على ذلك فإن الجرمانيوم يسلك سلوك شبه موصل في درجة حرارة الغرفة.

مستويات الطاقة

في بنيةٍ ذريّة معزولة، هناك مستويات طاقيّة مُتمايزة لكل إلكترون يدور حول النواة. إنّ لكل عنصر مستوياته الطاقية المميزة ضمن البنية الذريّة الخاصّة به، وتفصل بين هذه المستويات فجوات طاقية تسمى جميع منها فجوة نطاق، ولا يُمكن للإلكترون حتى ينتقل من مستوى ذوطاقة دُنيا إلى مستوى ذوطاقة عُليا بدون حتى يكتسب طاقةً أكبر من قيمة الفجوة بين المستويين. أمّا في البنية البلوريّة، فإنّ الذرات تقترب من بعضها البعض وتتداخل مدارتها. نتيجةً لذلك، فإنّ بعض الإلكترونات في مدارات مُحددة قد تكتسب طاقة إضافية، لتصبح طاقتها الإجماليّة أكبر من تلك التي تقع في نفس المدارات في ذرات مجاورة. بشكلٍ عام، حدثا كان الإلكترون بعيداً عن النواة، حدثا كانت طاقته أكبر، بالإضافة لذلك، فإن أي ألكترون غادر ذرته يملك طاقة أكبر من أي ألكترون آخر مازال ضمن المدارات الإلكترونية للذرة الأم نفسها.

يُسمى مستوى الطاقة الأخير في الذرة بنطاق التكافؤ، وتحدد الإلكترونات التي تقع في هذه النطاق تكافؤ العنصر الكيمائي. لكي يصبح الإلكترون حُراً ويخرج من مستواه الطاقيّ، نحومستوى الطاقة التالي الذي يُسمّى نطاق التوصيل، يجب حتى يكتسب طاقة أكبر أوتساوي الفجوة الطاقيّة التي تفصل بين النطاقين. لا يوجد قيمة محددة بدقة لطاقة الإلكترون ليصبح نطاق التكافؤ، ولكن هناك حدّ أعلى لا يمكن حتى يمتلك أي إلكترون في نطاق التكافؤ طاقةً أعلى منه، ويسمى هذا المستوى الطاقي بمستوى فيرمي، يتبع مستوى فيرمي بشكل مباشر لدرجة الحرارة، كما يتأثر أيضاً في حالة الإشابة.

في المُوصِلات يتداخل نطاق التوصيل مع نطاق التكافؤ، وتكون إلكترونات التكافؤ حرّة في الانتنطق ضمن البنية الشبكية للذرات أوالجزئيات التي تكوّن المادة المُوصِلة. أمّا في أشباه المُوصِلات، فتفصل فجوة طاقيّة قيمتها أقل منخمسة إلكترون.فولط بين النطاقين، وتزيد قيمة هذه الفجوة عن القيمة السابقة في العوازل. يجب الانتباه إلى حتى قيمة الفجوة الطاقية تتبع لدرجة الحرارة، ففي درجة حرارة الصفر المطلق، تكون قيمة الفجوة في مادة مثل السيليكون مساوية للصفر، ويسلك العنصر سلوك مُوصِل مثالي. أمّا في درجة حرارة الغرفة، فإن قيمة الفجوة تبلغ 0.67 و1.1 إلكترون.فولط للجرمانيوم والسيليكون على الترتيب، ويسلك العنصران عندها سلوك أشباه الموصلات.

الإشابة

تُصنّف أشباه الموصلات بحسب تجانس تكوينها إلى أشباه موصلات ذاتية وأشباه موصلات مشوبة. أمّا أشباه الموصلات الذاتيّة فهي أشباه الموصلات التي تتكون مادتها من نوع واحد من الذرات، وأمّا أشباه الموصلات المشُوبة فهي أشباه موصلات ذاتية تمّ إضافة ذارت أخرى من مادة أخرى إليها، بعملية تُسمّى الإشابة. تكون تراكيز ذرات المادة الشائبة بين ${\displaystyle 10^{15$ و${\displaystyle 10^{18$ ذرة/سم³، أمّا هجريز ذرات مادة شبه الموصل الأصليّة فيكون حوالي ${\displaystyle 10^{22$ ذرة/سم³، أي أكثر بعشرة آلاف ضعف على الأقل.

تدخل المادة الشائبة ضمن هجريب البنية البلورية لنصف الناقل الذاتي فتحوّله إلى نصف ناقل مشوب. إذا كان عدد إلكترونات التكافؤ في المادة الشائبة أكبر من عدد إلكترونات التكافؤ في نصف الناقل الذاتي، فيكون هناك فائض من الإلكترونات في البنية البلورية الجديدة، ويوصف شبه الموصل بأنه ينتمي إلى النوع N، وهي مأخوذة من الحرف الأول لحدثة سالب (بالإنجليزية: Negative)‏. أما إذا كان عدد إلكترونات التكافؤ في المادة الشائبة أقل من عدد إلكترونات التكافؤ في شبه الموصل الذاتي، فيكون هناك فائض في الثغرات الإلكترونية. ويُوصف شبه الموصل الناتج بأنه من النوع P، والاسم مأخوذ من الحرف الأول لحدثة موجب (بالإنجليزية: Positive)‏.

تُشكّل أشباه الموصولات من النوعين N وP حجر الأساس الذي يُستخدم في بناء العناصر الإلكترونية، وتقوم عليها تام صناعة الإلكترونيات.

النوع N

يجري تصنيع شبه موصل مشوب من النوع N بإضافة شوائب من عنصر خماسي التكافؤ، مثل الإثمد، إلى مادة شبه الموصل الأصليّة. نتيجة لذلك، تُشكّل الذرة الشائبة أربع روابط تساهمية مع ذرات المادة الأصلية، ويبقى الإلكترون الخامس حرّاً ضمن شبه الموصل المشوب. تسمى الذرات الشوائب بالذرات المانحة، لأنّها تمنح إلكترونها الخامس الفائض لذرات أخرى بحاجة لإلكترون من أجل تشكيل رابط تساهمية.

يُسبب تشويب المادة بذرات مانحة امتلاك الإلكترونات الفائضة لمستوى طاقي أعلى من مستوى فيرمي، ولكنّه يظل غير كافيّاً لبلوغ حزمة التوصيل. نتيجة لذلك بحاجة هذه الإلكترونات لطاقة أقل لبلوغ نطاق التوصيل، أي تُقلل عملية التشويب السابقة من قيمة الفجوة الطاقية التي يجب على الإلكترونات الحرة التغلب عليها.

على الرغم من وجود عدد كبير من الإلكترونات الحرّة في مادة شبه المُوصِل المشوب من النوع N، فإنّه يظلّ مُتعادلاً كهربائيّاً، على اعتبار حتى عدد البروتونات الإجماليّ يساوي عدد الإلكترونات الحرة.

النوع P

يجري تصنيع شبه موصل مشوب من النوع P بإضافة شوائب من عنصر ثلاثي التكافؤ، مثل البورون أوالإنديوم أوالغاليوم، إلى مادة شبه الموصل الأصليّة. نتيجة لذلك، تشكل الذرة الشائبة ثلاث روابط تساهمية مع ذرات المادة الأصلية، وتحتاج لإلكترون رابع لتشكيل الرابع الرابعة، ويُعبّر عن غياب الإلكترون بثغرة إلكترونية. تسمى الذرات الشوائب بالذرات المُتقبّلة أوالآخذة، لأنها مستعدة لتستقبل إلكترون حر متى ما سنحت لها الفرصة من أجل إكمال الرابطة التساهمية الأخيرة.

إذا اكتسب أحد إلكترونات ذرات المادة الأساسية طاقة حركية كافية فإنه سيخرج من نطاق التكافؤ الخاص بذرته، ويسبب ذلك ظهور ثغرة إلكترونية في المسقط الذي هجره الإلكترون. بعد ذلك، يقوم الإلكترون بملء الفراغ أوالثغرة الإلكترونية في إحدى الذرات الشائبة الأخرى. وتسبب هذه الحركة انتنطقاً للشحنة الكهربائية ويولد ذلك تياراً كهربائياً معاكساً في الاتجاه لجهة حركة الإلكترون. ويُمكن النظر إلى ذلك بطريقة أخرى، حيث تسبب حركة الإلكترونات من ذرة إلى أخرى ضمن البنية البلورية المشوبة، حركةً للثغرات بالاتجاه المعاكس.⁽³⁾

على الرغم من وجود عدد كبير من الثغرات الإلكترونية في مادة شبه الموصل المشوب من النوع P، فإنّه يظل متعادلاً كهربائياً، على اعتبار حتى عدد البروتونات الإجمالي يساوي عدد الإلكترونات، وتكون الشحنة الكلية مُتعادلة.

حوامل الشحنة الأقلية والأكثرية

في شبه الموصل الذاتي، قد تكتسب بعض إلكترونات التكافؤ طاقة حركيّة إضافيّة كافيّة لتُغادر نطاق التكافؤ، ويكون مصدر هذه الطاقة ضوئيٌّ أوحراريٌّ. نتيجةً لذلك، تغادر هذه الإلكترونات ذرّاتها وتصبح إلكتروناتٍ حُرّة ضمن البنية البلوريّة وتُخلّف وراءَها ثغراتٍ إلكترونيّة مُوجبة.

في شبه موصولٍ مشوبٍ من النوع N، تحصل الزيادة في عدد الإلكترونات المُرشّحة لتصبح إلكترونات حُرّة، ويكون عدد هذه الإلكترونات أكبر بكثير من عدد الثغرات الموجودة في هذا النوع من أشباه الموصلات المشوبة. أمّا في شبه الموصل من النوع P، فإنّ الإشابة تُسبب زيادةً في عدد الثغرات الإلكترونيّة في لقاء بقاء عدد الإلكترونات المرشحة لتكون حرة على ما عليه. لذلك، في شبه الموصل من النوع N، توصف الإلكترونات بأنّها حاملات الشحنة الأكثرية وتُوصف الثغرات بأنهنّ حملات الشحنة الأقليّة. أمّا في شبه الموصل المشوب من النوع P، فإنّ حاملات الشحنة الأكثرّية هُنّ الثغرات الإلكترونيّة وحاملات الشحنة الأقليّة هُنّ الإلكترونات.

تتحرك حاملات الشحنة بإحدى طريقتين، هما الانجراف (بالإنجليزية: Drift)‏ والانتشار (بالإنجليزية: Diffusion)‏. أمّا الانجراف فهوحركة حاملات الشحنة بتأثير الحقل الكهربائي، وأما الانتشار فهوحركة حاملات الشحنة بين منطقتين،قد يكون هجريز الحاملات مرتفعاً في المنطقة الأولى ومُنخفضاً في الثانية، ويكون الانتنطق من المنطقة ذات الهجريز المرتفع إلى المنطقة ذات الهجريز المنخفض. على أي حال، وفي كلا النوعين، N وP، تحمل حاملات الشحنة الأكثريّة الجزء الأكبر من الشحنة الكهربائيّة وتُسبب حركتها مرور تيارٍ رئيسيّ في الوصلة، أمّا حركة حاملات الشحنة الأقليّة، فتسبب مرور تيّارٍ ثانويّ صغير القيمة مُقارنةً مع التيّار الرئيسيّ.

بنية الترانزستور

الوصلة ثنائية الطبقات

بنية الوصلة

يتم تصنيع وصلة PN من خلال جمع مادتي شبه موصل واحد من نوعين مختلفين، هما النوع P والنوع N. يمكن حتى تجري عملية الجمع باستخدام تقنيات مُختلفة مثل غرس الأيونات أوعن طريق الانتشار. تُقسّم وصلة PN إلى ثلاث مناطق هي: المنطقة P والمنطقة N وبينهما منطقة الوصلة التي تسمى أيضاً منطقة العبور أومنطقة افتقار، والسبب في التسمية الأولى هوكونها المنطقة التي تعبرها حوامل الشحنات أثتاء حركتها، وفي التسمية الثانية هوافتقارها لحوامل الشحنات التي يفترض أن تنتقل من جانبي الوصلة بعد عملية الجمع بحيث تنجذب الإلكترونات الحرة السالبة إلى الثغرات الإلكترونية الموجبة.

في الحالة العامة، وبعد إنشاء وصلة PN، تنتقل الإلكترونات الحرة، والتي تشكل حوامل الشحنة الأكثرية في شبه الموصل من النوع N، باتجاه الثغرات الإلكترونية في شبه الموصل من النوع P، وتسمى هذه العملية بانتشار الإلكترونات، وحدثا كان مسقط الإلكترون الحر أقرب إلى الوصلة، كان انجذابه نحوالثغرة الإلكترونية أكبر. نتيجة لذلك تتجمع الشحنة السالبة على طرف الوصلة في شبه الموصل من النوع P، والشحنة الموجبة على طرف الوصلة في شبه الموصل من النوع N.

مع استمرار انجراف حاملات الشحنة الأكثريّة، تبدأ الشحنات بالتراكم على طرفي الوصلة، ونتيجة لذلك، يحصل فرق جهد كهربائي بين الطرفين، يُسمّى جهد العبور (بالإنجليزية: Built-in voltage)‏. ينتج عن هذا الفرق حقل كهربائي ${\displaystyle \mathrm{ϵ<!--\; ϵ\; -->}}$

في نفس الوقت، ومع توسّع منطقة العبور، وتجمّع الشحنات على طرفيها، فإنّ حاملات الشحنة الأقليّة اللواتي أصبحن في منطقة العبور في كلا الطرفين، تتأثّر بالحقل الكهربائي فيها، وتتسرب نحوالطرف الآخر، لذلك، يمر تيار كهربائي صغير ناجم عن تسرب حوامل الشحنة الأقلية باتجاه معاكس للتيار الرئيسي في الوصلة، ويكون ذوقطبية متوافقة مع قطبية الحقل الكهربائي الناتج عن تجمّع الشحنات.

تحييز الوصلة

تحييز (بالإنجليزية: Biasing)‏ أي جهاز إلكتروني هوتطبيق جهد خارجي مستمر على نهاياته، وتحييز الوصلة الثنائيّة هوتطبيق جهد مُستمر على طرفيها. هناك نوعين لتحييز الوصلة الثنائية:

1. التحييز الأمامي (بالإنجليزية: Forward bias)‏.
2. التحييز العكسي (بالإنجليزية: Reverse bias)‏.

التحييز الأمامي

لتحييز الوصلة أمامياً، يتم توصيل شبه الموصل من النوع N إلى القطب السالب من مولد خارجي جهده ${\displaystyle V_{ext$، وشبه الموصل من النوع P إلى القطب الموجب لنفس المولد. يسبب هذا التوصيل تطبيق جهد كهربائي ${\displaystyle V_{ext$ مُعاكس بالقطبية لجهد العبور ${\displaystyle V_{0$ الموجود سلفاً نتيجة لإنشاء الوصلة، وتكون المُحصلة الناتجة هي فرق الجهدين. إذا كانت قيمة ${\displaystyle V_{ext$ أكبر من قيمة ${\displaystyle V_{0$، فإنّ الجهد الخارجي يتغلب على جهد العبور، وتكون المحصلة الجبرية للحقلين أكبر من الصفر، أي ${\displaystyle \epsilon _{ext -\epsilon _{0 >0$، ويُسبب ذلك حركة حاملات الشحنة الأكثريّة بشكل متواصل عبر الوصلة.

فيما يخص حركة حاملات الشحنة، تنتشر الثغرات الإلكترونية من شبه الموصل المشوب النوع P باتجاه القطب الموجب للمولد، وتنتشر الإلكترونات الحرّة من شبه الموصل المشوب من النوع N باتجاه القطب السالب للمولد، وينتج عن هاتين الحركتين تيارٌ يعبر الوصلة من شبه الموصل من النوع P باتجاه شبه الموصل من النوع N، وبشكلٍ متوافق مع قطبية التغذية الخارجية.⁽⁴⁾ يزداد التيار المار في الوصلة مع فرق الجهد المطبق، وحدثا كان الجهد المطبق أكبر في القيمة كان التيار المار في الوصلة أكبر.

التحييز العكسي

لتحييز الوصلة عكسياً، يتم توصيل شبه الموصل من النوع N إلى القطب الموجب لمُولّد خارجيّ جهده ${\displaystyle V_{ext$، وشبه الموصل من النوع N إلى القطب السالب لنفس المولد. يسبب هذا التوصيل تطبيق حقل متوافق بالقطبية ${\displaystyle \epsilon _{ext$ مع الحقل الناتج عن جهد العبور والموجود سلفاً نتيجة لإنشاء الوصلة ${\displaystyle \epsilon _{0$، وتكون المُحصلة الجبريّة للحقلين مساوية لمجموعهما أي ${\displaystyle \epsilon _{ext +\epsilon _{0$. نتيجة لذلك، يزداد عرض منطقة العبور على جانبي الوصلة، ويعيق ذلك حركة حاملات الشحنة الأكثريّة.

فيما يخص حركة حاملات الشحنة، فإن انتشار حوامل الشحنات الأكثريةقد يكون ضعيفاً بسبب حاجز الجهد المضاعف، وينتج عن هذا الانتشار تيار صغير جداً يمكن إهماله، أما تيار الإشباع العكسي، والذي ينتج عن انجراف حاملات الشحنة المتولدة في منطقة العبور، فيكون ثابت القيمة، ولا يتعلق بقيمة الجهد الخارجي المطبق، ومعاكس في جهته مع قطبية المولّد. يُسمّى هذا التيار بتيار التسريب (بالإنجليزية: Leakage current)‏ أوبتيار الإشباع العكسي (بالإنجليزية: Reverse saturation current)‏.

الوصلة ثلاثية الطبقات

بنية الوصلة

الترانزستور هوعنصرٌ إلكترونيّ شبه موصل ثلاثيّ الطبقات، يتكون إمّا من طبقتين من شبه الموصل النوع N وطبقة من النوع P، أومن طبقتين من شبه الموصل من النوع P وطبقة من اشبه الموصل من النوع N، يُسمّى الأول ترانزستور NPN والثاني ترانزستور PNP. تفصل الطبقة المغايرة بين الطبقتين المتماثلتين، وتُسمّى القاعدة، أمّا الطبقتين المتشابهتين فتسميان الباعث والمُجمّع.قد يكون المجمّع هوأكبر الطبقات حجماً، وتكون القاعدة أصغرها، أمّا الباعث فيكون ذات مقاسات تقع بين الاثنين.قد يكون هجريز الإشابة مرتفعاً في الباعث والمجمع وأكثر بعشرين ضعفاً على الأقل من القاعدة، ولكن هذا الرقم قد يبلغ المئات، مثلاً قد يحدث هجريز الإشابة في مادة شبه المُوصِل، مُقدرّاً بواحدة شائبة في سم³، كما يلي: في الباعث ${\displaystyle 10^{19$ وفي المجمع ${\displaystyle 10^{17$ وفي القاعدة ${\displaystyle 10^{15$.

سواءَ كان الترانزستور من النوع PNP أوكان NPN فإنّه يتكوّن من وصلتي PN تشهجران إمّا بشبه موصل من النوع N أوبشبه موصل من النوع P. لذلك، يُمكن تمثيل الوصلة الثلاثيّة على أنها تُشكّل ثنائيين يشهجران في أحد أقطابهما، فإذا كانت الوصلة هي NPN فهما يشهجران في المِصعد، وإن كانت الوصلة هي PNP فهما يشهجران في المِهبط. لتفعيل الترانزستور يجري تحييز الوصلتين، وتخضعان عندها للقواعد الخاصة بانتنطق حاملات الشحنات الأكثرية والأقلية.

تحييز الوصلة

تحييز الترانزستور هوتطبيق قيم للجهد الكهربائي المُستمر على دبابيسه بهدف ضبط كيفيّة عمله. يتكون الترانزستور ثنائي القطب من وصلتي PN، وتعني عملية التحييز تحديد قيمة الجهد المستمر الواجب تطبيقه على الباعث والقاعدة والمجمع من أجل تحييز هاتين الوصلتين. هناك حالات مختلفة لتحييز الوصلتين، فقد يتم تحييز وصلة الباعث والقاعدة أمامياً ووصلة القاعدة والمجمع عكسيّاً، وقد يتمّ العكس، فتحييز الوصلة الأولى عكسيّاً والثانية أماميّاً، وقد تحيز كلتا الوصلتان عكسيّاً معاً أوكلتاهما أماميّاً معاً، ويتحدد نمط عمل الترانزستور بحسب ذلك وهناك أربعة أنماط متاحة:⁽⁵⁾

1. وصلة القاعدة والباعث مُحيّزةٌ أَماميّاً والقاعدة والمُجمّع مُحيّزةٌ عكسيّاً،قد يكون الترانزستور في نمط العمل الأماميّ، ويمكن حتى يعمل عندها كمضخم للتيار أوالجهد، بحسب طريقة إعداد الوصلة. في هذا النمط، يقوم الباعث بحقن حوامل الشحنة الأكثريّة إلى المُجمّع عبر القاعدة، وتتحدد نوعيّة حوامل الشحنة بنوعية الترانزستور، فهي الإلكترونات الحرّة من أجل NPN، والثغرات الإلكترونيّة من أجل PNP.
2. وصلة الباعث والقاعدة مُحيّزة عكسيّاً والقاعدة والمجمع محيزة أماميّاً،قد يكون الترانزستور في نمط العمل العكسي، ويمكن حتى يعمل الترانزستور عندها كمضخم للتيار أوالجهد بحسب طريقة إعداد الوصلة. في هذه الحالة يقوم المُجمّع بحقن حوامل الشحنة الأكثريّة إلى الباعث عبر القاعدة.
3. وصلتا الباعث والقاعدة مُحيّزتان أماميّاً، ويكون الترانزستور عندها في نمط الإشباع. في هذه الحالة يقوم الباعث بحقن حوامل الشحنة الأكثرية إلى المجمع عبر القاعدة، ويقوم المجمع بحق حوامل الشحنة الأكثريّة إلى الباعث عبر القاعدة، وتكون الوصلة الثلاثيّة مغمورة بحوامل الشحنات الأكثريّة.
4. وصلتا الباعث والقاعدة محيزتان عكسيّاً، ويكون الترانزستور عندها في نمط البتر. يمكن حتى يعمل الترانزستور كمفتاح إلكترونيّ عندما يتم نقل نمط عمله بين البتر والإشباع. في هذه الحالة تستقبل القاعدة حوامل الشحنات الأقلية فقط من الباعث والمجمع معاً، ويمر تيار تسريب صغير جداً في القاعدة، من مرتبة ${\displaystyle 10^{-15$ أمبير.

يجب الانتباه إلى حتى عملية تحييز الترانزستور PNP معاكسة بقطبية الجهود المستعملة لعملية تحييز الترانزستور NPN.

• حركة حوامل الشحنات في وصلة NPN، في نمط العمل الفعّال الأمامي حيث وصلة الباعث والقاعدة محيّزة أماميّاً، والمجمع والقاعدة محيّزة عكسيّاً

• حركة حوامل الشحنات في وصلة PNP، في نمط العمل الفعّال العكسي حيث وصلة الباعث والقاعدة مُحيّزة أماميّاً، والمجمع والقاعدة محيّزة عكسيّاً

تيارات الوصلة

قوانين لحساب تيارات الدبابيس في الترانزستور بغض النظر عن إعداد الوصلة أودارة التحييز

الترانزستور	إن بي إذا ${\displaystyle NPN$	بي إذا بي ${\displaystyle PNP$
تيار القاعدة ${\displaystyle I_{B$	${\displaystyle {\frac {I_{S {\beta _{F .{\Bigr [ e^{\frac {V_{BE {V_{TH -1{\Bigr ] +{\frac {I_{S {\beta _{R .{\Bigr [ e^{\frac {V_{BC {V_{TH -1{\Bigr ]$	${\displaystyle {\frac {I_{S {\beta _{F .{\Bigr [ e^{\frac {V_{EB {V_{TH -1{\Bigr ] +{\frac {I_{S {\beta _{R .{\Bigr [ e^{\frac {V_{CB {V_{TH -1{\Bigr ]$
تيار المُجمّع ${\displaystyle I_{C$	${\displaystyle I_{S .{\Bigr [ e^{\frac {V_{BE {V_{TH -e^{\frac {V_{BC {V_{TH {\Bigr ] -{\frac {I_{S {\beta _{R .{\Bigr [ e^{\frac {V_{BC {V_{TH -1{\Bigr ]$	${\displaystyle I_{S .{\Bigr [ e^{\frac {V_{EB {V_{TH -e^{\frac {V_{CB {V_{TH {\Bigr ] -{\frac {I_{S {\beta _{R .{\Bigr [ e^{\frac {V_{CB {V_{TH -1{\Bigr ]$
تيار الباعث ${\displaystyle I_{E$	${\displaystyle I_{S .{\Bigr [ e^{\frac {V_{BE {V_{TH -e^{\frac {V_{BC {V_{TH {\Bigr ] +{\frac {I_{S {\beta _{F .{\Bigr [ e^{\frac {V_{BE {V_{TH -1{\Bigr ]$	${\displaystyle I_{S .{\Bigr [ e^{\frac {V_{EB {V_{TH -e^{\frac {V_{CB {V_{TH {\Bigr ] +{\frac {I_{S {\beta _{F .{\Bigr [ e^{\frac {V_{EB {V_{TH -1{\Bigr ]$
الملاحظات ^ و${\displaystyle V_{TH}}$ خطأ رياضيات (خطأ في الصياغة): {\displaystyle V_{TH = �rac {KT {q حيث ${\displaystyle T$ هي درجة الحرارة مقدرة بالكلفن، و${\displaystyle K$ هوثابت بولتزمان، و${\displaystyle q$ هي شحنة الإلكترون مقدرة بالكولون.

يمكن بتطبيق قانون كيرشوف الأول على الترانزستور ثنائي القطب، في الترانزستور NPN، يدخل التيار من المجمع والقاعدة، ويخرج من الباعث، أما في الترانزستور PNP، فيدخل من الباعث ويخرج من القاعدة والمُجمّع، وفي كلا الحالتين،قد يكون تيار الباعث ${\displaystyle I_{E$ مساوٍ لمجموع تياري المُجمع ${\displaystyle I_{C$ والقاعدة ${\displaystyle I_{B$، ويُعبّر عن ذلك رياضياً بالشكل:

${\displaystyle I_{E =I_{B +I_{C$

بالإضافة لذلك، هناك أيضاً تيار الإشباع ${\displaystyle I_{S$، وتكون قيمته صغيرة ضمن المجال ${\displaystyle 10^{-18 \leq I_{S \leq 10^{-9$ أمبير، ولا تتعلق بالجهد الخارجي المطبق ولكن بدرجة الحرارة وأبعاد منطقة العبور.

العامل ألفا

يُعرّف العامل ألفا الأمامي ${\displaystyle \alpha _{F$ بأنّه النسبة بين تيار المجمع وتيار الباعث من أجل عمل الترانزستور في المنطقة الفعّالة الأماميّة، ويسمى أيضاً كسب التيار في وصلة القاعدة المشهجرة، ويُوصف رياضياً عند استعمال القيم المستمرّة بالعلاقة:

${\displaystyle \alpha _{F ={\frac {I_{C {I_{E$

أما عند العمل استعمال القيم المتناوبة، فإنّ قيمة العامل بيتا تتعلق بحركة نقطة العمل، وتُحسب عندها من أجل قيمة ثابتة لجهد المُجمّع والقاعدة، وتحدد قيمتان لتياري المجمع والباعث من أجل مجموعتين من قيم التحييز المتنوعة، ثُمّ يحسب فرق القيمتين من أجل جميع تيار، أيّ${\displaystyle \Delta I=I_{2 -I_{1$، ويُعبّر رياضياً عن قيمة العامل ألفا كنسبة بين الفرقين بالشكل التالي:

${\displaystyle \alpha _{F =\left.{\frac {\Delta I_{C {\Delta I_{E \right\vert _{V_{CB =constant$

تكون قيمة العامل ألفا أصغر من الواحد دائماً، وتتراوح عادة 0.95 و0.998.

العامل بيتا

عند عمل الترانزستور في النمط الفعّال الأمامي، يُستخدم العامل بيتا الأمامي ${\displaystyle \beta _{F$ لوصف العلاقة بين التيارات، ويشار إليه أحياناً بالعامل بيتا فقط، ويُسمّى أيضاً في بعض المراجع كسب التيار الأمامي في وصلة الباعث المشهجر، أوالعامل ${\displaystyle h_{FE$، ويُسمّى أيضاً عامل التضخيم. وهوالنسبة بين تيار المُجمع وتيار القاعدة، ولا واحدة له، يُوصف هذا العامل رياضيّاً عند التحييز ترانزستور بالجهد المستمر بالعلاقة:

${\displaystyle \beta _{F ={\frac {I_{C {I_{B$

أمّا عند استعمال القيم المُتناوبة، فإنّ قيمته تتعلق بحركة نقطة العمل، وتُحسب عندها من أجل قيمة ثابتة لجهد المُجمّع والباعث، ويُسمّى أيضاً العامل ${\displaystyle h_{fe$، ويُعبّر رياضيّاً عن هذه العلاقة بالشكل الثالي:

${\displaystyle \beta _{F =\left.{\frac {\Delta I_{C {\Delta I_{B \right\vert _{V_{CE =constant$

أمّا عند العمل بالنمط الفعال العكسي، فيُعرّف العامل بيتا العكسي ${\displaystyle \beta _{R$ وهوالنسبة بين تيار الباعث وتيار القاعدة، يُوصف هذا العامل رياضيّاً عند العمل بنمط التيار المستمر بالعلاقة:

${\displaystyle \beta _{R ={\frac {I_{E {I_{B$

تكون قيمة العامل بيتا الأماميّ مُرتفعة مُقارنةً بالعامل ألفا الأمامي، وتعبّر عن نسبة تضخيم التيار، وتتراوح عادة بينعشرة و500. أمّا قيمة العامل بيتا العكسيّ فتكون صغيرةً مقارنة بعامل بيتا الأماميّ، وتتراوح بين 0.1 و5.

كما يمكن حتى يُستخدم العامل بيتا الأمامي لوصف العلاقة بين تيار الباعث وتيار القاعدة وفق العلاقة التالية:

${\displaystyle I_{E =(1+\beta ).I_{B$

أخيراً، يُعرّف العامل ألفا العكسي ${\displaystyle \alpha _{R$ من خلال العلاقة التالية التي تربطه مع العامل بيتا العكسي:

${\displaystyle \alpha _{R ={\frac {\beta _{R {1-\beta _{R$

وهذه العلاقة سليمة أيضاً من عندماقد يكون العاملان أماميّان معاً.

تيارا التسريب العكسيان

دارة قياس التيار ${\displaystyle I_{CBO$

دارة قياس التيار ${\displaystyle I_{CEO$

دارات قياس تياري التسريب العكسيين في وصلة NPN.

تيار التسريب العكسي هوتيار كهربائي ناجم عن حركة الشحنات الأقليّة عند التحييز العكسيّ لوصلة شبه موصل. ويُوصف هذا التيار بأنّه عكسيّ لأن أثره يصبح واضحاً عند التحييز العكسيّ للوصلة، وترتبط قيمته بحوامل الشحنة المتولدة في منطقة العبور، لا بالجهد الكهربائي المُطبق على الوصلة.

في ترانزستور ثنائي القطب من النوع NPN، يمرّ تيارا تسريب عكسيّان الأوّل بين المُجمّع والقاعدة والثاني بين المُجمّع والباعِث، ويُمكن قياسهما من خلال تطبيق جهد كهربائي مناسب على الدبوسين المعنيين، وهجر الدبوس الثالث بدون تطبيق أي جهد، أي هجر دارته مفتوحة. وهذان التياران هما:

1. تيار التسريب العكسي بين المجمع والقاعدة مع باعث مفتوح ${\displaystyle I_{CBO$.
2. تيار التسريب العكسي بين المجمع والباعث مع قاعدة مفتوحة ${\displaystyle I_{CEO$.

يلعب جميع من التيارين دوراً رئيسياً في تحديد الحدود التي تفصل بين منطقة البتر ومنطقة العمل الفعال في ميزة خرج الترانزستور. تكون قيمة تيار التسريب العكسي بين المجمع والقاعدة مع باعث مفتوح ${\displaystyle I_{CBO}}$

يرتبط تيارا التسريب العكسيان مع بعضهما البعض بالعلاقة الرياضية:

${\displaystyle I_{CEO =I_{CBO (\beta +1)$

إعداد الوصلة

الترانزستور ثنائي القطب هوعنصر إلكتروني ثُلاثي النهايات، دبابيسه هي القاعدة والباعث والمجمع. في التطبيق العملي،قد يكون هناك دارتان منفصلتان هما دارتا الدخل والخرج، أي تكون هناك حاجة لأربعة أقطاب، يُستخدم اثنان منهما من أجل دارة الدخل واثنان من أجل دارة الخرج. ولكنّ وبما حتى هذا الترانزسستور له ثلاثة دبابيس فقط، فلا بد حتى تشهجر دارتا الدخل والخرج بأحد الأقطاب. يتمّ تصنيف وصلات الترانزستور بناءً على النهاية المشهجر بين الدارتين، وبناء على ذلك، تُصنّف وصلات التغذية المُستعملة لتحييز الترانزستور إلى ثلاث مجموعات:

• وصلة القاعدة المشهجرة، وتكون القاعدة هي النقطة ذات الجهد المرجعي بين دارتي الدخل والخرج.
• وصلة الباعث المشهجر، ويكون الباعث هي النقطة ذات الجهد المرجعي بين دارتي الدخل الخرج.
• وصلة المُجمّع المشهجر، ويكون المُجمّع هي النقطة ذات الجهد المرجعي بين دارتي الدخل والخرج.

يكون لكل وصلة خواص مميزة، تضم الأرباح، أي كسب الجهد والتيار والاستطاعة، وهي نسب بين القيم المدروسة في دارتي الدخل والخرج، ومعاوقتي الدخل والخرج، وهي المعاوقة الكهربائية للدارة منظورّة من دارتي الدخل والخرج، بالإضافة ميّزة عكس طور الإشارة، أي حدوث فرق في طور الإشارة المدروسة بقيمة 180 درجة بين دارتي الدخل والخرج.

القاعدة المشهجرة

في وصلة القاعدة المُشهجرة تكون القاعدة هي النقطة ذات الجهد المرجعي بين دارتي الدخل والخرج، وتضم دارة الدخل وصلة الباعث والقاعدة والتي يتم تحييزها أماميّاً. أمّا الوصلة الأخرى، والتي تضم القاعدة والمُجمّع، فتُحيّز عكسيّاً، وتسمى دارة الخرج.

تُدرس هذه الوصلة بواسطة مجموعتين منفصلتين من المنحنيات، تضمّ المجموعة الأولى دارة الدخل، ويجري فيها الهجريز محددات الدخل، وتحديداً العلاقة بين تيار الباعث ${\displaystyle I_{E$، الذي يُمثّل تيار الدخل، وفرق الجهد بين القاعدة والباعث ${\displaystyle V_{BE$، من أجل قيم مختلفة للجهد بين الباعث والمجمع ${\displaystyle V_{CE$ وتسمى المنحنيات الناتجة مميّزة الدخل للترانزستور. أمّا في دارة الخرج، فتدرس العلاقة بين تيار المجمع ${\displaystyle I_{C$، الذي يُمثّل تيار الخرج، وفرق الجهد بين القاعدة والمجمع ${\displaystyle V_{CB$ من أجل قيم مختلفة لتيار الباعث ${\displaystyle I_{E$.

في ترانزستور NPN، تبدي منحنيات ميزة الدخل سلوكاً مُركّباً، فطالما كانت قيمة جهد الدخل أقل من القيمة اللازمة للتغلب على جهد العبور في وصلة PN المُحيّزة أماميّاً، فإنّ قيمة تيار الخرج تكون صفريّة. أمّا عندما تكون قيمة جهد الدخل أكبر من قيمة عتبة العبور، فإنّ المنحي يسلك سلوكاً أسيّاً، وحدثا كانت قيمة الجهد المُطبق لتحييز دارة الخرج عكسيّاً أكبر، كان انحدار منحني ميزة الدخل في القسم الأسيّ أكبر. أمّا مُميّزة الخرج. يجري تقسيم فضاء مميزة الخرج إلى ثلاث مناطق متمايزة وهذه المناطق هي:

1. منطقة البتر: وهي تظهر في المنطقة تحت الخط البياني الذي يمثل تيار دخلٍ صفري، أي ${\displaystyle I_{E =0$، ويكون تيار الخرج في هذه الحالة مساوياً لتيار التسريب العكسي ${\displaystyle I_{CBO$، لأنّ:
   ${\displaystyle I_{C =\alpha .I_{E +I_{CBO$
   ويكون الترانزستور في هذه المنطقة إذا اختيرت قيم الجهود بحيث تحقق تحييزاً عكسيّاً للوصلتين.
2. المنطقة الفعالة: وتشغل هذه المنطقة معظم مساحة مميزة الخرج، وتكون في الربع الأول من جملة الإحداثيات الديكارتية، حيث تكون قيم النحورين الأفقي والشاقولي موجبةً، وفيها ومع زيادة قيمة تيار الباعث فوق الصفر، فإنّ تيار المُجمّع يزداد إلى قيمة مُقاربة له. أي يبدي تيار المُجمّع سلوكاً خطياً ذوميل صفري تقريباً طالما كانت وصلة المجمع والقاعدة محيزّة عكسياً، أي طالما كانت قيمة ${\displaystyle V_{CB$ أكبر من الصفر. لا تتعلق قيمة تيار المُجمّع بفرق الجهد بين المجمع والباعث.
3. منطقة الإشباع: وتظهر هذه المنطقة في القسم المُوافِق لجهد خرج أصغر من الصفر، أي ${\displaystyle V_{CB <0$ وفيها تتغير قيمة تيار الخرج بشكل كبير مع تغيير جهد الخرج.قد يكون الترانزستور في هذه المنطقة إذا اختيرت قيم الجهود بحيث تحقق تحييزاً أماميّا للوصلتين.

أمّا في ترانزستور PNP، فتربط مميزة الدخل بين الجهد بين الباعث والقاعدة ${\displaystyle V_{EB$، وبين تيار الباعث ${\displaystyle I_{E$ من أجل قيم مختلفة سالبة للجهد بين المُجمّع والقاعدة ${\displaystyle V_{CB$، وتكون مميزة الدخل مماثلة في الترانزستور من النوع PNP مماثلة في شكلها لميزة الدخل في النوع NPN. في حين تُرسم مميزة الخرج في الربع الثالث من جملة الإحداثيات الديكارتية حيث تكون المحاور سالبة القيم، ويُمثّل المحور الأفقي فرق الجهد بين القاعدة والمجمع ${\displaystyle V_{CB$، والمحور الشاقولي تيار المُجمّع ${\displaystyle I_{C$، وذلك من أجل قيم مُختلفة لتيار الباعث ${\displaystyle I_{E$، وتُقسم مميزة الخرج إلى مناطق البتر والعمل والإشباع بشكل مشابه للترانزستور NPN.

تكون قيمة مقاومة الدخل في هذا الإعداد صغيرة، ونتيجة لذلك، يظهر تيار الدخل ${\displaystyle I_{E$ مع تطبيق جهود صغيرة على دارة الدخل. لذلك، تستخدم هذه الوصلة كمضخم جهد، والسبب في ذلك حتى تيار الدخل فيها مساوٍ تقريباً إلى تيار الخرج، ولكن قيمة المقاومة منظورة من دارة الدخل أقل بشكل ملحوظ من المقاومة منظورة من دارة الخرج، وذلك بسبب التحييز العكسي والأمامي للوصلتين، ويسبب هذا تضخيماً للجهد بين دارتي الدخل والخرج.

الباعث المشهجر

في هذا الإعداد،قد يكون الباعث هوالنقطة ذات الجهد المرجعي لدارتي الدخل والخرج، حيث تضم الدارة الأولى القاعدة والباعث أمّا الدارة الثانية، فتضمّ المجمع والباعث، ويجب حتى يتم توصيل جهود التغذية بشكلٍ متوافق مع نوع الترانزستور لتحقيق التحييز المناسب لوصلتي الترانزستور.

تُدرس هذه الوصلة بواسطة مجموعتين منفصلتين من المنحنيات، تضم المجموعة الأولى مُحددات دارة الدخل، وتحديداً العلاقة بين تيار القاعدة ${\displaystyle I_{B$، وهوتيار الدخل، وفرق الجهد بين القاعدة والباعث ${\displaystyle V_{BE$، من أجل قيم مختلفة للجهد بين المجمع والباعث ${\displaystyle V_{CE$ وتُسمّى المنحنيات الناتجة مميّزة الدخل للترانزستور. أمّا في دارة الخرج، فتدرس العلاقة بين تيار المجمع ${\displaystyle I_{C$، وهوتيار الخرج وفرق الجهد بين المجمع والباعث ${\displaystyle V_{CE$ وذلك من أجل قيم مختلفة لتيار القاعدة ${\displaystyle I_{B$. وتُسمّى المُنحنيات الناتجة مُميّزة الخرج.

في ترانزستور NPN تبدي منحنيات ميزة الدخل سلوكاً مركّباً، فطالما كانت قيمة جهد الدخل أقل من القيمة اللازمة للتغلب على جهد العبور في وصلة PN المُحيّزة أماميّاً، فإنّ قيمة تيار الخرج تكون صفريّة. أمّا عندما تكون قيمة جهد الدخل أكبر من قيمة عتبة العبور، فإنّ المنحي يسلك سلوكاً أسيّاً، وحدثا كانت قيمة فرق الجهد بين الباعث والمجمع أكبر، كان انحدار منحني ميزة الدخل في القسم الأسيّ أقل. يجري تقسيم فضاء مميزة الخرج إلى ثلاث مناطق متمايزة بحسب تحييز دارتي الدخل والخرج، وهذه المناطق هي:

1. منطقة البتر: وهي تقع تحت الخط البياني الذي يمثل تيار دخلٍ صفري، أي ${\displaystyle I_{B =0$، وتكون قيمة تيار الخرج صغيرة جداً ومرتبطة بتيار التسريب العكسيّ، لأن:
   ${\displaystyle I_{C =\beta .I_{B +(\beta +1).I_{CBO$
   ويكون الترانزستور في هذه المنطقة عندما تكون وصلتاه محيزتين بشكل عكسيّ.
2. المنطقة الفعّالة: وتضم الجزء الأكبر من مميزة الخرج، وتكون في الربع الأول من جملة الإحداثيات الديكارتية، وتبدأ مع زيادة قيمة تيار الدخل، أي تيار القاعدة، فوق الصفر، ويبدأ حينها تيار المُجمّع بالزيادة بشكلٍ طردي. يجب الانتباه إلى حتى العلاقة بين تيار المجمع وجهد المجمع والباعث ليست خطيّة في المنطقة الفعّالة كلها، لكنّها تنزع لأن تكون كذلك في جزء مُحدد منها فقط.
3. منطقة الإشباع: وتتحدد هذه المنقطة في الجزء الذيقد يكون فيه جهد الخرج أصغر من الصفر، وتيار الدخل أكبر من الصفر ${\displaystyle I_{B <0$ ويكون الترانزستور في هذه المنطقة عندما تكون وصلتاه محيزتين بشكل أمام.

أمّا في ترانزستور PNP، ترسم ميزة الدخل في الربع الثالث من جملة الإحداثيات الديكارتية حيث تكون المحاور سالبة القيم، ويرتبط فرق الجهد بين القاعدة والباعث ${\displaystyle V_{BE$ مع تيار القاعدة ${\displaystyle I_{B$ وذلك من أجل قيم سالبة لفرق الجهد بين المجمع والباعث ${\displaystyle V_{CE$. وكذا الأمر لميزة الخرج التي ترسم في الربع الثالث، حيث يُمثّل المحور الأفقي فرق الجهد بين المجمع والباعث ${\displaystyle V_{CE$، والشاقولي تيار المُجمّع ${\displaystyle I_{C$. وذلك من أجل قيم سالبة لتيار القاعدة ${\displaystyle I_{B$ وتُقسم مميزة الخرج إلى مناطق البتر والفعالة والإشباع بشكل مشابه للترانزستور NPN.

إن إعداد وصلة الباعث المشهجر هوالإعداد الأكثر استعمالاً في ترانزستور ثنائي القطب، ويرجع ذلك لسببين: الأول هوأنه الإعداد الوحيد الذي يحقق ربحا حقيقياً للجهد والتيار معاً، والثاني هوحتى نسبة مقاومة الخرج إلى الدخل صغيرة وتتراوح بينعشرة و100 أوم فقط. تُستخدم هذه الوصلة لجعل الترانزستور يعمل كمفتاح إلكتروني، حيث يمكن التحكم بمرور التيار في دارة الخرج عن طريق ضبط جهد التغذية في دارة الدخل. كما تستعمل أيضاً في عمليات تضخيم الإشارات المتناوبة، وللاستفادة من ذلك، يتم وضع الترانزستور في القسم الخطي من المنطقة الفعالة.

المجمع المشهجر

في هذه وصلة المُجمّع المُشهجر قد يكون المجمع هوالنقطة ذات الجهد المرحعي لدارتي الدخل والخرج، حيث تضم الدارة الأولى القاعدة والمجمع، أمّا الدارة الثانية، فتصل بين المجمع والباعث. تُسمّى هذه الوصلة أيضاً مُتتبع الباعث (بالإنجليزية: Emitter follower)‏.

تُدرس هذه الوصلة بواسطة مجموعتين مُنفصلتين من الخطوط البيانيّة، تضم الأولى مُحددات دارة الدخل، وتحديداً العلاقة بين تيار القاعدة ${\displaystyle I_{B$، الذي يُسمّى أيضاً تيارَ الدخل، وفرق الجهد بين المجمع والقاعدة ${\displaystyle V_{CB$، وذلك من أجل قيم مُختلفة للجهد بين الباعث والمجمع ${\displaystyle V_{CE$ أمّا في دارة الخرج، فتدرس العلاقة بين تيار الباعث ${\displaystyle I_{E$، ويسمى أيضاً تيار الخرج، وفرق الجهد بين المُجمّع والباعث ${\displaystyle V_{CE$ وذلك من أجل قيم مختلفة لتيار القاعدة ${\displaystyle I_{B$.

في ترانزستور NPN، تختلف ميزة الدخل في وصلة المُجمّع المشهجر عن ميزة الدخل في وصلتي القاعدة المشهجرة والباعث المشهجر، فهي لا تبدي أي خاصية أسيّة، فمن أجل جميع قيمة لفرق الجهد بين الباعث القاعدة، تكون العلاقة بين جهد المجمع والقاعدة وتيار القاعدة خطية وذات ميل موجب، أي مع زيادة قيمة فرق الجهد بين المجمع والقاعدة تزداد قيمة تيار القاعدة بشكل خطي. باستثناء كون تيار الخرج ${\displaystyle I_{E$ بدلاً من ${\displaystyle I_{C$، فإنّ المعلومات المستخلصة من ميزة الخرج في إعداد المجمع المشهجر مُشابهة لنظيرتها في إعداد الباعث المشهجر. وذلك سواء في العلاقة بين تياري الدخل والخرج أوفي تقسيم المميزة إلى مناطق البتر والفعالة والإشباع.

يُستخدم هذا الإعداد بشكل أساسي لأغراض مُطابقة المعاوقة الكهربائية، حيث تمتلك دارة الدخل قيمة معاوقة مرتفعة جداً، في حين تمتلك دارة الخرج قيمة معاوقة مُنخفضة، لذلك فإن باستطاعة الترانزستور في هذا الإعداد حتى يلعب دور ربط بيني لمنبع ذي معاوقة خرج مرتفعة وحمل ذي معاوقة ولج مُنخفضة.

تحييز الترانزستور

تحييز الترانزستور (بالإنجليزية: Transistor Biasing)‏ هوتطبيق جهود كهربائية مستمرة وخارجية وبقطبية محددة على وصلتي الترانزستور بغرض تشغيله في منطقة محددة، تظراً لإن الجهود المُطبقة مستمرّة، فإنّ العملية تُسمّى أيضاً بالتحييز المستمر (بالإنجليزية: DC Biasing)‏. إذا الهدف الأساسي من عملية التحييز الحصول على قيمة محددة لتيار الخرج من أجل قيمة محددة لجهد الخرج، وتُمثل هاتان القيمتان بنقطة ديكارتية على ميزة الخرج تُسمّى نقطة العمل أوالنقطة الساكنة.

يجري تحليل دارة التحييز من خلال دراسة منفصلة لدارتي الدخل والخرج وكتابة المعادلات الرياضية المُعبرة عن جميع منهما، وهي العملية التي تسمى تحليل التحييز المستمر (بالإنجليزية: DC Biasing analyzing)‏. يمكن استعمال المعادلات السابقة لتحديد العلاقة بين جهد الخرج وتيار الخرج من أجل قيمة محددة لجهد الدخل، وتسمى هذه العملية بتحديد نقطة العمل، ويجري اختيار هذه النقطة بما يتوافق مع نمط عمل المرغوب.

نقطة العمل

نقطة العمل (بالإنجليزية: Operating point)‏ أوالنقطة الساكنة (بالإنجليزية: Quiescent Point)‏ هي زوج من القيم التي تمثل جهد وتيار الخرج (${\displaystyle V_{o$,${\displaystyle I_{o$) على ميزة خرج الترانزستور. يرتبط تحديد نقطة العمل بالكيفية التي يُراد حتى يعمل الترانزستور فيها، فإذا كان الهدف هوعمله كمضخم للإشارات الصغيرة، فإن اختيار عناصر الدارة يجب حتى يحقق نقطة ضمن المنقطة الفعّالة، أمّا إذا كان الهدف هوعمل الترانزستور كقاطع إلكتروني، فإن اختيار العناصر يجب حتى يحقق نقطة عمل تنتقل بين منطقتي البتر والإشباع.

يتمّ تحديد نقطة العمل من خلال تحييز وصلتي PN في الترانزستور، وتضم عملية التحييز اختيار قيم العناصر الإلكترونية التي تجعل من نقطة العمل في المسقط المناسب الذي يتوافق مع غرض الدارة.

تحديد نقطة العمل

تحديد مسقط نقطة العمل هوفهم إحداثياتها الديكارتيّة على مخطط ميّزة الخرج الخاصة بالترانزستور. ولتحقيق ذلك، يجب دراسة دارتي الدخل والخرج بحسب إعدادات الوصلة المُستعملة، وحساب وإيجاد معادلة تيار الدخل والمعادلة التي تربط جهد الخرج بتيار الخرج، ثم حساب هذه القيم من أجل قيم محددة للعاملين ألفا ${\displaystyle \beta$ وبيتا ${\displaystyle \alpha$ ولعناصر الدارة المستعملة.

لتحديد نقطة العمل الخاصة بترانزستور تمّ تحييزه، تُتبع المراحل التالية:

1. دراسة دارة الدخل، وحساب تيار الدخل ${\displaystyle I_i}$
   ${\displaystyle I_{i ={\frac {f(V) {f(R)$
   حيث تُمثّل ${\displaystyle f(V)$ علاقة بين الجهود الكهربائية في دارة الدخل، و${\displaystyle f(R)$ علاقة بين المقاومات فيها.
2. تحديد الخط البياني المتوافق مع قيمة تيار الدخل في ميزة الخرج، إذا كانت قيمة تيار الدخل أصغر من الصفر، فالترانزستور في منطقة البتر.
3. دراسة دارة الخرج وإيجاد العلاقة بين تيار الخرج ${\displaystyle I_{o$ وجهد الخرج ${\displaystyle V_{o$، باستعمال قانون كيرشوف الثاني، وتكون المعادلة من الشكل:
   ${\displaystyle V_{o =f(I_{o )$
   تكون هذه المعادلة من الدرجة الأولى، أي أنها تمثل مستقيماً في المستوي الديكارتي.
4. رسم المستقيم السابق على ميزة الخرج، ويسمى خط الحمل (بالإنجليزية: Load line)‏، وهومستقيم يربط بين جهد الخرج وأعظم تيار خرج ممكن موافق.
5. نقطة العمل هي نقطة تقاطع خط الحمل مع الخط البياني المُتوفق مع قيمة تيار الدخل.

• تأثير تغيير مقاومات دارة التحييز على مسقط نقطة العمل.

• تأثير تغيير قيمة تيار الدخل في دارة التحييز على مسقط نقطة العمل.

• تأثير تغيير قيم جهود التغذية في دارة التحييز على مسقط نقطة العمل.

تحديد منطقة العمل

يكون لعمل الترانزستور ضمن الدارة الإلكترونية حدود فيزيائية لا يمكن تجاوزها، تُحدد هذه الحدود منطقة عمل تسمى منطقة العمل الخطية، فإذا كانت نقطة العمل ضمن المنطقة الخطيّة،قد يكون التشوّه في الإشارة صغيراً أومعدوماً، أمّا إذا كانت نقطة العمل في المنطقة غير الخطية، فإن تشوّه الإشارةقد يكون كبيراً، وقد تسبب شروط العمل في المنطقة غير الخطية ضرراً دائماً في الترانزستور.

إنّ أقصى تيار خرج يمكن حتى يتحمله الترانزستور ويحافظ على الخاصية الخطيّة هوتيار الخرج الأعظمي${\displaystyle I_{o_{max}}}$${\displaystyle P_{o_{Max =V_{o .I_{o$، وعادة ما يتم تحديد هذا الحدّ من ورقة بيانات العنصر، على أي حال، فإن جميع النقاط في ميزة الخرج (${\displaystyle V_{o$, ${\displaystyle I_{o$) التي تحقق العلاقة السابقة تُشكّل حدّاً علويّاً لمنطقة العمل الخطيّة.

دارات تحييز الترانزستور

دارة التحييز لوصلة القاعدة المشهجرة

في دارة التحييز الخاصّة بوصلة القاعدة المُشهجرة تكون القاعدة هي النهاية المُشهجرة بين دارتي الدخل والخرج. تضمّ دارة الدخل وصلة الباعث والقاعدة، ويجري تحييزها أماميّا باستخدام مولد جهده ${\displaystyle V_{EE$، ويكون تيار الدخل هو${\displaystyle I_{E$، أما دارة الخرج فتضمّ وصلة المُجمّع والقاعدة، ويتمّ تحييزها عكسيّاً باستعمال مولّد جهده ${\displaystyle V_{CC$ويكون تيار الخرج هو${\displaystyle I_{C$.

يجري التحليل المستمر للدارة كما يلي:

1. تطبيق قانون كيروشوف الثاني على دارة الدخل، ويمكن كتابة المعادلة:
   ${\displaystyle -V_{EE -I_{E .R_{E -V_{BE =0$
   أي:
   ${\displaystyle I_{E ={\frac {V_{EE -V_{BE {R_{E$
2. حساب قيمة تيار المجمع بحسب العلاقة:
   ${\displaystyle I_{C =\alpha .I_{E$
3. تطبيق قانون كيروشوف الثاني على دارة الخرج، ويمكن كتابة المعادلة:
   ${\displaystyle -V_{CC +I_{C .R_{C -V_{CB =0$
   أي:
   ${\displaystyle V_{CB =I_{C .R_{C -V_{CC$

دارة التحييز الثابت

دارة التحييز الثابت (بالإنجليزية: Fixed-Bias Circuit)‏ هي دارة تحييز لترانزستور ثنائي القطب بوصلة الباعث المشهجر، يُوصل المُجمّع والقاعدة إلى جهد تغذية ${\displaystyle V_{CC$ عبر مقاومتين هما ${\displaystyle R_{C$ و${\displaystyle R_{B$ على الترتيب، أمّا الباعث فيُؤرّض. تستعمل هذه الوصلة عند عمل الترانزستور كمُضخم، حيث يتم تمرير إشارة الدخل المتناوبة من القاعدة والحصول على إشارة الخرج المضخّمة من المجمع.قد يكون جهد التغذية ${\displaystyle V_{CC$ هوالجهد المطبق في دراتي الدخل والخرج، اللتان تُسميان على الترتيب دارة القاعدة والباعث ودارة المجمع والباعث.قد يكون تيار دارة الدخل هوتيار القاعدة ${\displaystyle I_{B$ أمّا تيار دارة الخرج فهوتيار المجمع${\displaystyle I_{C$.

يجري التحليل المستمر للدراة كما يلي:

1. تطبيق قانون كيروشوف الثاني على دارة الدخل، ويمكن كتابة المعادلة:
   ${\displaystyle +V_{CC -I_{B .R_{B -V_{BE =0$
   أي:
   ${\displaystyle I_{B ={\frac {V_{CC -V_{BE {R_{B$
2. تطبيق قانون كيروشوف الثاني على دارة الخرج فيمكن كتابة المعادلة:
   ${\displaystyle +V_{CC -I_{C .R_{C -V_{CE =0$
   أي:
   ${\displaystyle V_{CE =V_{CC -I_{C R_{C$
3. أمّا تيار الخرج من أجل جهد ${\displaystyle V_{CE$ صفري، والذي يُسمّى أيضاً تيار الإشباع ${\displaystyle I_{C_{sat$ فيحسب بالعلاقة:

${\displaystyle I_{C_{sat ={\frac {V_{CC {R_{C$

دارة التحييز ذات الباعث المستقر

دارة التحييز ذات الباعث المستقر (بالإنجليزية: Emitter-stabilized bias circuit)‏ هي دارة تحييز لترانزستور ثنائي القطب بوصلة الباعث المشهجر. تتشابه هذه الدارة في بنيتها مع دارة التحييز الثابت، مع فرق وحيد هوزيادة مقاومة ذات قيمة صغيرة، توصل بين الباعث والأرضي هي ${\displaystyle R_E}$

يجري التحليل المستمر للدارة كما يلي:

1. من دارة الدخل، بتطبيق قانون كيرشوف الثاني، يُمكن كتابة المعادلة التالية:
   ${\displaystyle +V_{CC -I_{B .R_{B -V_{BE -I_{E R_{E =0$
   مع اعتبار أن:
   ${\displaystyle I_{E =(\beta +1)I_{B$
   يكون:
   ${\displaystyle I_{B ={\frac {V_{CC -V_{BE {R_{B +(\beta +1)R_{E$
2. من دارة الخرج، بتطبيق قانون كيروشوف الثاني على، يمكن كتابة المعادلة:
   ${\displaystyle +V_{CC -I_{C .R_{C -V_{CE -I_{E R_{E =0$
   مع اعتبار أن: ${\displaystyle I_{C \approxeq I_{E$، يمكن كتابة المعادلة:
   ${\displaystyle V_{CE =V_{CC -I_{C (R_{C +R_{E )$
3. أمّا تيار الخرج من أجل جهد ${\displaystyle V_{CE$ صفري، والذي يُسمّى أيضاً تيار الإشباع ${\displaystyle I_{C_{sat$ فيُحسب بالعلاقة:

${\displaystyle I_{C_{sat ={\frac {V_{CC {R_{C +R_{E$

دارة التحييز بمقسم الجهد

دراة التحييز بمقسم الجهد (بالإنجليزية: Voltage-divider bias circuit)‏ هي دارة تحييز لترانزستور ثنائي القطب بوصلة الباعث المشهجر. إنّ المشكلة الأساسية دارة التحييز بالباعث الثابت هوارتباط جميع من تيار الخرج وجهد الخرج بالعامل بيتا، الذيقد يكون بدوره حساساً لدرجة الحرارة، خاصة في الترانزستورات السيليكونية. تؤمن دارة التحييز بمقسم الجهد دارة تحييزقد يكون جهد الخرج وتياره مُستقلان عن العامل بيتا. يجري توصيل جهد التغدية نفسه ${\displaystyle V_{CC$ إلى دارتي الدخل والخرج، في دارة الدخل، يتم توصيل القاعدة بين مقاومتين لمقسم جهد، هما على الترتيب ${\displaystyle R_{1$ و${\displaystyle R_{2$. أمّا في دارة الخرج فيجري توصيل جهد التغدية إلى المُجمِّع عبر مقاومة المجمع ${\displaystyle R_{C$ والباعث إلى الأرضي عبر مقاومة الباعث ${\displaystyle R_{E$.

يجري التحليل المستمر للدارة كما يلي:

1. بحسب نظرية ثيفنين، يتمّ الاستعاضة عن مقسم الجهد بمنبع جهد ثيفنين ومقاومة ثيفنين، وتحسب قيمتهما باستعمال العلاقتين:
   ${\displaystyle R_{TH =R_{1 ||R_{2 ={\frac {R_{1 .R_{2 {R_{1 +R_{2$
   ${\displaystyle V_{TH ={\frac {R{2 {R{1 +R{2 .V_{CC$
2. بعد ذلك، يجري استبدال مُقسّم الجهد بمقاومة ثيفنين ومنبعه.ومع ${\displaystyle I_{E =(\beta +1).I_{B$ تُصبح معادلة دارة الدخل:
   ${\displaystyle V_{TH -I_{B .R_{TH -V_{BE -(\beta +1).I_{B .R_{E =0$
   فيكون:
   ${\displaystyle I_{B ={\frac {V_{TH -V_{BE {R_{TH -(\beta +1).R_{E$
3. في دارة الخرج، تكون المعادلة بحسب قانون كيرشوف الثاني:
   ${\displaystyle V_{CC -I_{C .R_{C -V_{CE -I_{E .R_{E =0$
   مع اعتبار أن: ${\displaystyle I_{C \approxeq I_{E$، يمكن كتابة المعادلة بالشكل التالي:
   ${\displaystyle V_{CE =V_{CC -I_{C .(R_{C +R_{E )$
4. أمّا تيار الإشباع ${\displaystyle I_{C_{sat$ فيُحسب بالعلاقة:

${\displaystyle I_{C_{sat ={\frac {V_{CC {R_{C +R_{E$

دارات تحييز أخرى

• دارة التحييز بالتغذية العكسية لترانزستور NPN من بوصلة الباعث المشهجر.

• دارة تحييز أخرى لترانزستور من النوع NPN بوصلة الباعث المشهجر.

• دارة تحييز باستخدام مقسم الجهد مع منبعي تغذية لترانزستور من النوع NPN بوصلة الباعث المشهجر.

• دارة تحييز لترانزستور من النوع NPN بوصلة المجمع المشهجر.

• دارة متتبع الباعث لتحييز لترانزستور من النوع NPN بوصلة المجمع المشهجر.

نمذجة الترانزستور

يُعرّف نموذج الترانزستور بأنه مجموعة من عناصر الدارة التي تحاكي تحت شروط عمل محددة وبشكل تقريبي السلوك العملي لأشباه الموصولات المُشكّلة للترانزستور. يُمكن نمذجة الترانزستور باستعمال نماذج خطيّة أوغير خطيّة في النماذج الخطية تستعمل الدارات الخطيّة فقط، أمّا في النماذج غير الخطية فتستعمل عناصر غير خطية مثل الثنائي، أشهر النماذج الخطيّة هي:

• نموذج آر إي ${\displaystyle r_{e$
• النموذج المكافئ الهجين
• نموذج تي
• نموذج باي الهجين

أمّا أشهر النماذج غير الخطية للترانستور ثتائي القطب فهي:

• نموذج إيبرس مول
• نموذج غوميل بون

تُصنّف نماذج الترانزستور أيضاً بحسب الإشارات التي التي تُضّخمها إلى نماذج إشارات صغيرة ونماذج إشارات كبيرة.⁽¹¹⁾قد يكون لمضخمات الإشارات الصغيرة كسب جهد عالٍ وربح تيار منخفض، ولذلك وهي لا تستطيع نقل تيارات كبيرة وتستعمل في مراحل التضخيم الأولى، أما مضخمات الإشارات الكبيرة فلها كسب تيار عالٍ ويمكن حتى توصل إلى الحمل مباشرة، لذلك تستعمل في مراحل التضخيم المتأخرة.

النماذج الخطيّة

النموذج آر إي

في نموذج آر إي (بالإنجليزية: model ${\displaystyle r_e}$Emitter incremental resistance)‏ ويُرمز لها: ${\displaystyle r_{e$، وهي التي أعطت هذا النموذج اسمه، وتحسب قيمتها من العلاقة:

${\displaystyle r_{e ={\frac {V_{Th {I_{E$

• حيث ${\displaystyle V_{Th$ هوالجهد الحراري، وتساوي قيمته 26 ميلي فولت في درجة حرارة الغرفة، وتحسب قيمته باستخدام العلاقة:

${\displaystyle V_{th ={\frac {KT {q$

• حيث ${\displaystyle T$ هي درجة الحرارة مقدرة بالكلفن، و${\displaystyle K$ هوثابت بولتزمان، و${\displaystyle q$ هي شحنة الإلكترون مقدرة بالكولون.

يستعمل هذا النموذج لدراسة الترانزستور في نمط التيار المتناوب من أجل تضخيم الإشارات الصغيرة.

النموذج المكافئ الهجين

وسُميّ النموذج بالهجين لأنه معادلاته تحتوي خليطاً من محددات الدخل والخرج معاً، ومنها اشتق الرمز ${\displaystyle h}$Hybrid)‏.في هذا النموذج يتم استبدال الترانزستور برباعي الأقطاب، يضمّ هذا الرباعي عنصرين مُتحكم بهما يربطان الجهود والتيارات بين منفذي الدخل والخرج. بشكلٍ أكثر تفصيلاً، يحتوي هذا الرباعي على مقاومة كهربائية قيمتها ${\displaystyle h_{11}}$${\displaystyle h_{22$ سيمنز موصولة على التفرع مع منبع تيار متحكم به قيمة تياره ${\displaystyle h_{21 .I_{i$، وكلاهما موصول على التفرع مع قطب الخرج.

في دارة كهذه، بتطبيق قانون كيرشوف الثاني على دارة الدخل، وقانون كيرشوف الأول على دارة الخرج يمكن كتابة المعادلتين التاليتين:

${\displaystyle V_{i =h_{11 I_{i +h_{12 V_{0$

${\displaystyle I_{0 =h_{21 I_{i +h_{22 V_{0$

ثُمّ تحسب قيم العوامل الأربعة ${\displaystyle h_{11 ,h_{12 ,h_{21 ,h_{21$ كما يلي:

${\displaystyle h_{11 =\left.{\frac {V_{i {I_{i \right\vert _{V_{o =0$

العوامل الهجينة لترانزستور PNP بحسب النموذج المكافئ الهجين

اسم المُحدد	وصلة القاعدة المشهجرة	وصلة الباعث المشهجر	وصلة المجمع المشهجر
مُحدد مقاومة الدخل ${\displaystyle h_{i$	${\displaystyle h_{ib ={\frac {V_{eb {I_{e$	${\displaystyle h_{ie ={\frac {V_{be {I_{b$	${\displaystyle h_{ic ={\frac {V_{bc {I_{b$
مُحدد نسبة تحويل الجهد المقلوب ${\displaystyle h_{r$	${\displaystyle h_{rb ={\frac {V_{eb {V_{cb$	${\displaystyle h_{re ={\frac {V_{be {V_{ce$	${\displaystyle h_{rc ={\frac {V_{bc {V_{ec$
مُحدد نسبة تحويل التيار ${\displaystyle h_{f$	${\displaystyle h_{fb ={\frac {I_{c {I_{e$	${\displaystyle h_{fe ={\frac {I_{c {I_{b$	${\displaystyle h_{fc ={\frac {I_{e {I_{b$
مُحدد مُوصليّة الخرج ${\displaystyle h_{o$	${\displaystyle h_{ob ={\frac {I_{c {V_{cb$	${\displaystyle h_{oe ={\frac {I_{c {V_{ce$	${\displaystyle h_{oc ={\frac {I_{e {V_{ec$
الدارة المكافئة الكاملة
الدارة المكافئة المختصرة

${\displaystyle h_{12 =\left.{\frac {V_{i {V_{o \right\vert _{I_{i =0$

${\displaystyle h_{21 =\left.{\frac {I_{o {I_{i \right\vert _{V_{o =0$

${\displaystyle h_{22 =\left.{\frac {I_{o {V_{o \right\vert _{I_{i =0$

بعد ذلك يُسمّى:⁽⁶⁾

• المُحدد ${\displaystyle h_{11$ بمُحدد مقاومة الدخل ${\displaystyle h_{i$، ويقاس بالأوم،
• المُحدد ${\displaystyle h_{12$ بمُحدد نسبة تحويل الجهد المقلوب ${\displaystyle h_{r$ وهوعديم الواحدة.
• المُحدد ${\displaystyle h_{21$ بمُحدد نسبة تحويل التيار ${\displaystyle h_{f$ وهوأيضاً عديم الواحدة.
• المُحدد ${\displaystyle h_{22}}$${\displaystyle h_{o$ وواحدته السيمنز.

يُمكن حتى تطبق المنهجية السابقة من أجل جميع وصلة من وصلات الترانزستور، ويعطي ذلك 12 مُحدداً بالإجمال. في الدارسات العملية، غالباً ما يُهمل أثر مُحدد تحويل الجهد المقلوب، ويعوّض عنه بدارة مقصورة، وأثر مُحدد موصلية الخرج، ويعوّض عنه بدارة مفتوحة، وينتج ذلك دارة مكافئة كاملة تحتوي جميع المُحددات الخاصة بوصلة محددة، ودارة مكافئة مختصرة لا تحتوي على العوامل المحذوفة. لتمييز العوامل الخاصة بكل وصلة، يُضاف أحد المحارف {b,e,c من أجل القاعدة والباعث والمجمع على الترتيب، فتصبح عوامل وصلة القاعدة:${\displaystyle h_{ib ,h_{rb ,h_{fb ,h_{ob$، وعوامل وصلة الباعث المشهجر ${\displaystyle h_{ie ,h_{re ,h_{fe ,h_{oe$ وعوامل وصلة المُجمّع المُشهجر ${\displaystyle h_{ic ,h_{rc ,h_{fc ,h_{oc$.

يستعمل النموذج المكافئ الهجين لمحاكاة الترانزستور عند العمل مع الإشارات الصغيرة. إنّ نموذجي آر إي والمكافئ الهجين متكافئان، ويُمكن التحويل رقميّاً بين مُحددات ${\displaystyle \alpha ,\beta ,r_{e$ وعوامل الثاني ${\displaystyle h_{i ,h_{r ,h_{f ,h_{o$ من أجل جميع وصلات الترانزستور الثلاث.

نموذج تي

نموذج تي (بالإنجليزية: T-Model)‏ هونموذج خطي لدراسة الإشارات الصغيرة في الترانزستور ثنائي القطب، وفيه يتم استبدال الترانزستور ثنائي القطب بشبكة على شكل الحرف اللاتيني (T)، وهي التي أعطت النموذج اسمه.

يحتوي النموذج على مُعاملين فقط، هما بالموصليّة المنقولة ${\displaystyle g_{m$ ومقاومة الباعث المُتزايدة ${\displaystyle r_{e$ وتحسب قيمتاهما بحسب العلاقة:

${\displaystyle g_{m ={\frac {I_{o {V_{Th$

حيث ${\displaystyle V_{Th$ هوالجهد الحراري، وتساوي قيمته 26 ميلي فولت في درجة حرارة الغرفة، و${\displaystyle I_{o$ هوتيار دارة الخرج.

${\displaystyle r_{e ={\frac {V_{Th {I_{E$

يمكن أيضاً إضافة مقاومة ${\displaystyle r_o}$${\displaystyle V_{A$ إلى النموذج، وتحسب قيمتها بالعلاقة:

${\displaystyle r_{o ={\frac {V_{A +V_{o {I_{o$

• نموذج تي لترانزستور NPN مع إضافة المقاومة ${\displaystyle r_{o$ في دارة الخرج.

نموذج باي الهجين

إن بي إن

بي إذا بي

نموذج باي لترانزستور ثنائي القطب (مع إسقاط ${\displaystyle r_{o$).

نموذج باي الهجين (بالإنجليزية: Hybrid-pi model)‏ ويسمى أيضاً نموذج جياكوليتونسبة إلى لورانس جياكوليتو الذي اقترحه في عام 1969، هونموذج للترانزستور ثنائي القطب عند العمل في نمط الإشارات الصغيرة والكبيرة، فيه يجري استبدال الترانزستور برباعي الأقطاب يحتوي على مجموعة من العناصر الخطيّة التي تحاكي في أدائها عمل الترانزستور. يسمى أحد هذه العناصر بالمقاومة باي ${\displaystyle r_{\pi$، وهي التي منحت النموذج اسمه المميز.

يجري تعويض الترازستور بمقاومة وحيدة تمثل المقاومة المتزايدة، وتُسمّى المقاومة باي في دارة الدخل، أما دارة الخرج فيجري فتحتوي منبع تيار متحكم به، تساوي قيمته جهد دارة الدخل مضروباً بالموصليّة المنقولة ${\displaystyle g_{m$، ويختلف اتجاه التيار الصادر عن المنبع بحسب نوع الترانزستور، PNP أوNPN. تحسب المحددات الثلاثة باستعمال العلاقات التالية:

${\displaystyle g_{m ={\frac {I_{o {V_{Th$

حيث ${\displaystyle V_{Th$ هوالجهد الحراري، وتساوي قيمته 26 ميلي فولت في درجة حرارة الغرفة، و${\displaystyle I_{o$ هوتيار دارة الخرج.

${\displaystyle r_{\pi ={\frac {\beta {o {g_{m$

حيث ${\displaystyle \beta {o$ هوعامل كسب الإشارات الصغيرة، وغالباً تستعمل قيمة العامل بيتا ${\displaystyle \beta _{F$ من أجله.

تضاف مقاومة ${\displaystyle r_o}$${\displaystyle V_{A$ في النموذج، وتحسب قيمتها بالعلاقة:

${\displaystyle r_{o ={\frac {V_{A +V_{o {I_{o$

يستعمل هذا النموذج من أجل الإشارات الصغيرة، ويتميز هذا النموذج عن باقي نماذج الإشارات الصغيرة بوجود بكونه تابعاً لتردد الإشارة، فالدارة السابقة، تمثل النموذج عندماقد يكون تردد الإشارات صغيراً، أما في الحالة التيقد يكون تردد الإشارة فيها كبيراً، فإن هناك أثراً سعويّاً يبدأ بالظهور، ويتبع تردد الإشارة. في وصلة الباعث المشهجر، وعندما يعمل الترانزستور في المنطقة الأمامية، يمكن تمثيل هذا الأثر في النموذج باي الهجين بإضافة مُكثفتين تسمى الأولى ${\displaystyle C_{\pi$، وتصل بين الباعث والقاعدة، وتسمى الثانية ${\displaystyle C_{\mu$ وتصل بين القاعدة والمجمع.

يضم نموذج باي الهجين الموسع مقاومة ${\displaystyle r_b}$Reverse-biased diffusion resistance)‏. عموماً، تكون هذه المقاومة ذات قيمة كبيرة جداً، لذلك غالباً ما تهمل ويجري التعويض عنها بدارة مفتوحة.

إنّ نموذجي تي وباي الهجين متكافئان ويمكن استعمالهما لدراسات الإشارات الصغيرة بنفس الطريقة، ويعتمد اختيار أحدهما دون الآخر على شكل دارة التضخيم المدروسة..

• نموذج باي لترانزستور NPN مع إضافة المقاومة ${\displaystyle r_{o$ في دارة الخرج.

النماذج غير الخطية

كان جميع من جويل إيبرس وجون مول أول من قدّم نموذجاً غير خطي للترانزستور ثنائي القطب، ثُمّ تبعهم هيرمان غوميل وإتش سي بون في بعد ذلك بسنوات حيث طوّروا نموذجاً موسّعاً، يضم على ظاهرتين غير مشمولتين في النموذج السابق، وهما ظاهرتا جهد إيرلي والحقن عالي المستوى (بالإنجليزية: High Level injuction)‏، بعد ذلك تمّ توسيع نموذج غوميل باستعمال برنامج سبايس الذي نتج عنه نموذج سبايس غوميل-بون الذي يُستعمل على نطاق واسع لمحاكاة عمل الترانوستور ثنائي القطب.

نموذج إيبرس مول

في عام 1954م قام جويل إيبرس وجون مول بنشر ورقة بحثيّة بعنوان: "سلوك الإشارات الكبيرة في في ترانزستورات الوصلة"،⁽⁷⁾ تضمّنت نموذجاً غير خطي لعمل وصلة PN، وسُميّ هذا النموذج باسم نموذج إيبرس مول. طوّر هذا النموذج لاحقاً ليضم الوصلة الثلاثية PNP والوصلة الرباعية PNPN كذلك.

في نموذج إيبرس مول، يجري تمثيل الترانزستور على شكل وصلتي PN، تشهجران في قاعدة الترانزستور، تُمثّل جميع وصلة بثنائي موصول على التفرّع مع منبع تيار متحكم به، وترتبط قيمة تيار المنبع في جميع وصلة بتيار الثنائي في الوصلة الأخرى، تختلف قطبية والمنابع والثنائيات بحسب نوع الترانزستور، NPN أوPNP.

في الترانزستور NPN، تحسب قيمتا تياري ثنائي الباعث ${\displaystyle I_{ED$ وثنائي المجمع ${\displaystyle I_{CD$ بالعلاقتين:

${\displaystyle I_{ED =I_{ES (e^{V_{BE /V_{TH -1)$

${\displaystyle I_{CD =I_{CS (e^{V_{BC /V_{TH -1)$

حيث ${\displaystyle I_{ES$ و${\displaystyle I_{CS$ هما تيارا الإشباع لثنائي الباعث والمجمع على الترتيب.

أما في ترانزستور PNP، فإن قيمتا تياري ثنائي الباعث وثنائي المجمع تحسبان بالعلاقتين:

${\displaystyle I_{ED =I_{ES (e^{V_{EB /V_{Th -1)$

${\displaystyle I_{CD =I_{CS (e^{V_{CB /V_{Th -1)$

يرتبط تيارا الإشباع الخاصين بكل وصلة مع بعضهما بالعلاقة:

${\displaystyle \alpha _{F .I_{ES =\alpha _{R .I_{CS$

حيث ${\displaystyle \alpha _{F$ و${\displaystyle \alpha _{R$ هما عاملا ألفا الأمامي والعكسي على الترتيب.

من أجل نوعي الترانزستور، تكون قيمة منبع التيار في وصلة الباعث والقاعدة هي: ${\displaystyle \alpha _{R .I_{CD$ وفي وصلة المجمع والقاعدة هي ${\displaystyle \alpha _{F .I_{ED$، وبالتالي تكون قيمة تيارا الباعث ${\displaystyle I_{E$ والمُجمّع${\displaystyle I_{C$:

${\displaystyle I_{E =I_{ED -\alpha _{R .I_{CD$

${\displaystyle I_{C =-I_{CD +\alpha _{F .I_{ED$

ثم يُحسب تيار القاعدة بحسب قانون كيرشوف الأول كفرق بين تياري الباعث والمُجمّع:⁽¹²⁾

${\displaystyle I_{B =I_{E -I_{C$

هناك أشكال أخرى للنموذج نفسه تعتمد على نفس المبدأ يتم الحصول عليها من خلال التلاعب بشكل المعادلات الرياضيّة.

نموذج غوميل بون

بناء على نموذج إيبرس مول، اقترح هيرمان غوميل وإتش سي بون في عام 1970 نموذجاً جديداً لمحاكاة عمل الترانزستور عند تضخيم الإشارات الكبيرة.، في هذه الحالة، يصبح تردد الإشارات ذات قيمة كبيرة، ولابد من إدخال الأثر السعوي في النموذج الذي سمي نموذج غوميل بون .

يتصف هذا النموذج بالتعقيد، وهويحتوي على مصفوفة مكونة من أربع ثنائيات وأخرى مكوّنة من أربع مكثفات بالإضافة لثلاث مقاومات تُمثّل مقاومة جميع نهاية في الترانزستور. بالمُجمل، يحتوي على الترانزستور على 41 مُحدِداً أومعامِلاً تُستعمل لوصف سلوكه وتفاعله مع الإشارات الكبيرة. بسبب ذلك، يمكن حتى وصف ظواهر فيزيائية لم تكن مشمولة في نموذج إيبرس مول الأساسي مثل أثر إيرلي وأثر ساه-نويس-شوكلي وأثر ويبستر وأثر كيرك.

تطبيقات الترانزستور

مضخم الإشارات المتناوبة

إذا أضيفت إشارة جيبيّة متناوبة يتأرجح مطالها بسعة ${\displaystyle \mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}{V}_i}$${\displaystyle V_{i$، فإنّ نقطة العمل الخاصّة بدارة تحييز الترانزستور يفترض أن تتأرجح عن مسقطها بسعة ${\displaystyle \Delta V_{i$ ويمكن حتى يُقرأ هذا التأرجح على خرج الترانزستور كتضخيم للإشارة المتناوبة التي طبقت على الدخل.

في الحالة السابقة، يعمل الترانزستور كمُضخّم للإشارات المتناوبة، ولضمان عدم تشوّه الإشارة، يجب حتى تظلّ نقطة العمل خلال تأرجحها داخل المنطقة الخطيّة، ويتوافق ذلك مع تحييز الترانزستور بحيث تكون في منتصف المنطقة الفعّالة ومنتصف خط الحمل، وبذلكقد يكون مطال التأرجح أعظم ما يمكن. لتحقيق عملية التضخيم، يستخدم الترانزستور الطاقة الكهربائية المقدمة من التغذية المستمرة، يُمكن التعبير عن فعالية عملية التضخيم ${\displaystyle \eta$ كنسبة تربط بين الاستطاعة المستمرة المقدمة من دارة التغذية، والاستطاعة المتناوبة في الإشارة المضخمة في الخرج بالشكل التالي:

${\displaystyle \eta ={\frac {P_{o(ac) {P_{i(dc)$

لدراسة تأثير الجهود والتيارات المتناوبة على دارة الانحياز، يجب حتى يتم إجراء بعض التعديلات على دراة التحييز لتتوافق مع الدراسة المتناوبة، ولتحقيق ذلك تُتبع المراحل التالية:

1. ضبط قيم جميع منابع الجهد المستمرة إلى الصفر، ثم استبدالها بدارة قصر.
2. استبدال جميع المكثفات بدارات قصر.
3. إزالة جميع العناصر المقصورة بحكم الخطوتين السابقتين.
4. إعادة ترتيب العناصر بشكل أكثر مُناسبة لاستبدال الترانزستور بدارته المكافئة.
5. استبدال الترانزستور بالدارة المُكافئة المناسبة، ثُمّ حساب المُحددات الأساسيّة التي تُحدد كيف من الممكن أن سيتمّ تضخيم الإشارة المتناوبة.

المحددات الأساسية

لنمذجة الترانزستور، يجري الاستعاضة عن العنصر الإلكتروني واستبداله برباعي الأقطاب بديل مكوّن من منفذين، يُسمّى هذا النظام البديل أيضاً بالنظام ثنائي المنافذ. بعد ذلك، ولدراسة النموذج، يجري تطبيق إشارة كهربائية على أحد المنفذين وُيسمّى منفذ الدخل، في حين يتمّ وصل حملٍ ذي قيمة محددة على المنفذ الآخر، ويسمى منفذ الخرج.

بناء على ذلك يمكن دراسة النظام عبر مجموعة من مُحددات خارجية ليست جزءاً من النموذج. في النظام الثنائي المنافذ، وبغض النظر عن طبيعة النظام نفسه ومكوناته، يمكن التمييز بين تيار الدخل ${\displaystyle I_i}$${\displaystyle Z_{i$، أمّا المعاوقة المنظورة من منفذ الخرج، فتُسمّى بمعاوقة الخرج ${\displaystyle Z_{o$.

الإشارات الصغيرة

نموذج الإشارات الصغيرة (بالإنجليزية: Small Signal Model)‏ هونموذج خطي مستقل عن المطال، وفيه يتمّ استبدال العناصر غير الخطيّة، مثل الترانزستور ثنائي القطب، بعناصر خطية. يستعمل هذا النموذج عندماقد يكون التأرجح حول نقطة العمل صغيراً بما يكفي ليسمح بتقريب تأثير عنصر غير خطي على مطال الإشارة إلى تأثير عنصر خطي، وذلك من أجل مطالات صغيرة ومحددة. رياضيّاً، تستعمل عملية النمذجة من أجل التخلّص من العناصر غير الخطيّة في معادلات الترانزستور، ولتبسيط العلاقات بين المحددات اعتماداً على معادلات خطيّة فقط.

من الأمثلة على نماذج الإشارات الصغيرة، نموذج آر إي، والنموذج المكافِئ الهجين ونموذج باي الهجين.

بحسب نموذج آر إي

المحددات الأساسية لأشهر دارات التحييز بحسب نموذج آر إي

دارة التحييز	إعداد الوصلة	الدارة المتناوبة المكافئة	معاوقة الدخل ${\displaystyle Z_{i$	معاوقة الخرج ${\displaystyle Z_{o$	ربح الجهد ${\displaystyle A_{v$	ربح التيار ${\displaystyle A_{o$	ملاحظات
	قاعدة مشهجر		${\displaystyle R_{E ||r_{e$	${\displaystyle R_{C$	${\displaystyle {\frac {\alpha .R_{C {r_{e$	${\displaystyle -\alpha$	الترانزستور من نوع PNP.
	باعث مشهجر (تحييز ثابت)		${\displaystyle R_{B ||\beta .r_{e$	${\displaystyle R_{C ||r_{o$	${\displaystyle -{\frac {R_{C ||r_{o {r_{e$	${\displaystyle {\frac {\beta .R_{B .r_{o {(r_{o +R_{C )(R_{B +\beta .r_{e )$	هناك فرق طور 180 درجة بين جهدي الدخل والخرج.
	باعث مشهجر (الباعث المستقر)		${\displaystyle R_{B ||Z_{b$	${\displaystyle R_{C$	${\displaystyle -{\frac {\beta .R_{C {Z_{b$	${\displaystyle {\frac {\beta .R_{B {R_{B +Z_{b$	هناك فرق طور 180 درجة بين جهدي الدخل والخرج.
	باعث مشهجر (مقسم الجهد)		${\displaystyle R^{\prime ||\beta .r_{e$	${\displaystyle R_{C ||r_{o$	${\displaystyle -{\frac {R_{C ||r_{o {r_{e$	${\displaystyle {\frac {\beta .R^{\prime .r_{o {(r_{o +R_{C )(R^{\prime +\beta .r_{e )$	هناك فرق طور 180 درجة بين جهدي الدخل والخرج.
	باعث مشهجر (تغذية عكسية)		${\displaystyle {\frac {\beta .r_{e {1+{\frac {\beta .r_{e {R_{F .{\biggr [ 1+{\frac {R_{C {r_{e {\biggr ]$	${\displaystyle R_{C ||R_{F$	${\displaystyle -{\frac {R_{C {r_{e$	${\displaystyle {\frac {\beta .R_{F {R_{F +\beta .R_{C$	هناك فرق طور 180 درجة بين جهدي الدخل والخرج.
	مجمع مشهجر (متتبع الباعث)		${\displaystyle R_{B ||Z_{b$	${\displaystyle R_{E ||r_{e$	${\displaystyle {\frac {R_{E {R_{E +r_{e$	${\displaystyle -{\frac {(\beta +1).R_{B {R_{B +Z_{b$	-

الملاحظات

بحسب النموذج المكافئ الهجين

المحددات الأساسية لأشهر دارات التحييز بحسب النموذج المكافئ الهجين

دارة التحييز	إعداد الوصلة	الدارة المتناوبة المكافئة	معاوقة الدخل ${\displaystyle Z_{i$	معاوقة الخرج ${\displaystyle Z_{o$	ربح الجهد ${\displaystyle A_{v$	ربح التيار ${\displaystyle A_{o$	ملاحظات
	قاعدة مشهجرة		${\displaystyle R_{E ||h_{ib$	${\displaystyle R_{C$	${\displaystyle -{\frac {h_{fb .R_{C {h_{ib$	${\displaystyle h_{fb$	الترانزستور من نوع PNP.
	باعث مشهجر (تحييز ثابث)		${\displaystyle R_{B ||h_{ie$	${\displaystyle R_{C ||{\frac {1 {h_{oe$	${\displaystyle -{\frac {h_{fe .(R_{C ||{\frac {1 {h_{oe ) {h_{ie$	${\displaystyle h_{fe$	هناك فرق طور 180 درجة بين جهدي الدخل والخرج
	باعث مشهجر (الباعث المستقر)		${\displaystyle R_{B ||Z_{b$	${\displaystyle R_{C$	${\displaystyle -{\frac {h_{fe .R_{C {Z_{b$	${\displaystyle {\frac {h_{fe .R_{B {R_{B +Z_{b$	هناك فرق طور 180 درجة بين جهدي الدخل والخرج
	باعث مشهجر (مقسم الجهد)		${\displaystyle R^{\prime ||h_{ie$	${\displaystyle R_{C$	${\displaystyle -{\frac {h_{fe .(R_{C ||{\frac {1 {h_{oe ) {h_{ie$	${\displaystyle {\frac {h_{fe .R^{\prime {R^{\prime +h_{ie$	هناك فرق طور 180 درجة بين جهدي الدخل والخرج
	مجمع مشهجر (تحييز ثابث)		${\displaystyle R_{B ||Z_{b$	${\displaystyle R_{E ||{\frac {h_{ic {1+h_{fc$	${\displaystyle {\frac {R_{E {R_{E +{\frac {h_{ic {h_{fc$	${\displaystyle {\frac {h_{fc .R_{B {R_{B +Z_{b$	-

الملاحظات

بحسب نموذج باي الهجين

المحددات الأساسية لأشهر دارات التحييز بحسب نموذج باي الهجين

دارة التحييز	إعداد الوصلة	الدارة المتناوبة المكافئة	معاوقة الدخل ${\displaystyle Z_{i$	معاوقة الخرج ${\displaystyle Z_{o$	ربح الجهد ${\displaystyle A_{v$	ربح التيار ${\displaystyle A_{o$	ملاحظات
	قاعدة مشهجرة		${\displaystyle {\frac {r_{\pi {\beta +1$	${\displaystyle r_{o ||R_{C$	${\displaystyle {\frac {g_{m .R_{C {r_{\pi ||R_{E$	${\displaystyle {\frac {\beta {\beta +1$	الترانزستور من النوع PNP.
	باعث مشهجر (تحييز ثابت)		${\displaystyle R_{B ||r_{\pi$	${\displaystyle r_{o ||R_{C$	${\displaystyle -g_{m .R_{C$	${\displaystyle \beta$	هناك فرق طور 180 درجة بين جهدي الدخل والخرج
	باعث مشهجر (باعث مستقر)		${\displaystyle R_{B ||Z_{b$	${\displaystyle r_{o ||R_{C$	${\displaystyle -{\frac {g_{m .R_{C {Z_{b$	${\displaystyle \beta$	هناك فرق طور 180 درجة بين جهدي الدخل والخرج
	باعث مشهجر (مُقسّم الجهد)		${\displaystyle Z_{b ||R^{\prime$	${\displaystyle r_{o ||R_{C$	${\displaystyle {\frac {-g_{m .R_{C {Z_{b$	${\displaystyle \beta$	هناك فرق طور 180 درجة بين جهدي الدخل والخرج
	مُجمّع مشهجر		${\displaystyle Z_{b ||R_{B$	${\displaystyle {\biggr [ {\frac {r_{\pi +R_{B {\beta +1 {\biggr ] ||R_{E$	${\displaystyle \approx 1$	${\displaystyle \beta +1$	-