द्विध्रुवी संधि ट्रांजिस्टर (BJT) का विश्लेषण

एक द्विध्रुवी संधि ट्रांजिस्टर (BJT) एक प्रकार का ट्रांजिस्टर है जो इलेक्ट्रॉन और छिद्र दोनों आवेश वाहकों का उपयोग करता है। BJT का उपयोग प्रवर्धक, स्विच या अन्य अनुप्रयोगों में किया जा सकता है। BJT के व्यवहार और विशेषताओं को समझना उन परिपथों के डिजाइन और विश्लेषण के लिए महत्वपूर्ण है जिनमें वे शामिल हैं।

सही विकल्प विश्लेषण

विकल्प 1: I_E = [ I_C/β ] + βI_B

यह विकल्प उत्सर्जक धारा (I_E), संग्राहक धारा (I_C) और आधार धारा (I_B) के साथ-साथ BJT के धारा लाभ (β) को शामिल करने वाला एक व्यंजक प्रदान करता है।

इस व्यंजक को प्राप्त करने के लिए, आइए हम BJT में धाराओं के मूल संबंधों से शुरुआत करें:

• उत्सर्जक धारा (IE) आधार धारा (IB) और संग्राहक धारा (IC) का योग है:
  I_E = I_B + I_C

BJT का धारा लाभ (β) संग्राहक धारा (IC) और आधार धारा (IB) के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है:
β = I_C / I_B

इससे, हम आधार धारा (IB) को संग्राहक धारा (IC) और β के संदर्भ में व्यक्त कर सकते हैं:
I_B = I_C / β

IE के लिए मूल समीकरण में IB के लिए इस व्यंजक को प्रतिस्थापित करने पर, हमें प्राप्त होता है:
I_E = (I_C / β) + I_C

इस प्रकार, दिया गया व्यंजक I_E = [ I_C/β ] + βI_B सही है और BJT में धाराओं के मौलिक संबंधों के साथ संरेखित है।

अन्य विकल्पों की व्याख्या

विकल्प 2: संग्राहक धारा उत्सर्जक धारा और आधार धारा का योग है।

यह कथन गलत है। सही संबंध है:
I_E = I_B + I_C
यहाँ, उत्सर्जक धारा (I_E) आधार धारा (I_B) और संग्राहक धारा (I_C) का योग है, न कि इसके विपरीत।

विकल्प 3: यदि β उभयनिष्ठ उत्सर्जक प्रवर्धक धारा लाभ है, तो I_C = βI_E

यह कथन गलत है। एक उभयनिष्ठ उत्सर्जक विन्यास में धारा लाभ β को इस प्रकार परिभाषित किया गया है:
β = I_C / I_B
इसलिए, I_C = βI_B, I_C = βI_E नहीं।

विकल्प 4: एक उभयनिष्ठ आधार प्रवर्धक में धारा लाभ संग्राहक धारा और आधार धारा का अनुपात है।

यह कथन गलत है। एक उभयनिष्ठ आधार प्रवर्धक विन्यास में धारा लाभ को α द्वारा दर्शाया गया है और इसे इस प्रकार परिभाषित किया गया है:
α = I_C / I_E
α आम तौर पर एकता के करीब होता है और उभयनिष्ठ उत्सर्जक विन्यास में धारा लाभ β से अलग होता है।

PNP ट्रांजिस्टर विश्लेषण

एक PNP ट्रांजिस्टर में P-प्रकार अर्धचालक की दो परतों के बीच N-प्रकार अर्धचालक की एक परत होती है। तीन टर्मिनल उत्सर्जक (P-प्रकार), आधार (N-प्रकार) और संग्राहक (P-प्रकार) होते हैं। ट्रांजिस्टर के व्यवहार पर चर्चा करते समय, हमें उत्सर्जक संधि और संग्राहक संधि के बायसिंग पर विचार करने की आवश्यकता है।

संग्राहक धारा (I_C) मुख्य रूप से आधार के माध्यम से उत्सर्जक से संग्राहक तक छिद्र की गति के कारण होती है। हालाँकि, अल्पसंख्यक वाहकों (P-प्रकार संग्राहक में इलेक्ट्रॉन) के कारण धारा का एक छोटा घटक भी होता है जो कुल संग्राहक धारा में योगदान करते हैं। इस प्रकार, संग्राहक धारा बहुसंख्यक वाहक धारा (छिद्र) और अल्पसंख्यक वाहक धारा (इलेक्ट्रॉन) का योग है।

अन्य विकल्पों का विश्लेषण

विकल्प 1: एक PNP ट्रांजिस्टर में, धारा मुख्य रूप से N-प्रकार आधार में इलेक्ट्रॉनों के कारण प्रवाहित होती है।

यह कथन गलत है। एक PNP ट्रांजिस्टर में, बहुसंख्यक वाहक P-प्रकार क्षेत्रों (उत्सर्जक और संग्राहक) में छिद्र होते हैं। ट्रांजिस्टर में धारा मुख्य रूप से उत्सर्जक से संग्राहक तक छिद्र की गति के कारण होती है। जबकि N-प्रकार आधार में इलेक्ट्रॉन एक भूमिका निभाते हैं, वे अल्पसंख्यक वाहक हैं और समग्र धारा प्रवाह में महत्वपूर्ण योगदान नहीं करते हैं।

विकल्प 2: N-प्रकार आधार की अवक्षय चौड़ाई P-प्रकार संग्राहक की तुलना में छोटी होती है।

यह कथन गलत है। अवक्षय क्षेत्र विभिन्न प्रकार की अर्धचालक सामग्री के बीच जंक्शन पर बनता है। एक PNP ट्रांजिस्टर में, उत्सर्जक-आधार संधि अग्र अभिनत होती है, जिससे एक कम अवक्षय क्षेत्र बनता है। संग्राहक-आधार संधि उत्क्रम अभिनत होती है, जिससे एक व्यापक अवक्षय क्षेत्र बनता है। अवक्षय क्षेत्र की चौड़ाई डोपिंग स्तर और लागू वोल्टेज पर निर्भर करती है, न कि अर्धचालक सामग्री के प्रकार पर। इसलिए, अवक्षय चौड़ाई की तुलना केवल सामग्री के प्रकार के आधार पर नहीं की जा सकती है।

विकल्प 4: उत्सर्जक संधि का अवक्षय क्षेत्र लागू वोल्टेज बढ़ने पर बढ़ता है।

यह कथन गलत है। एक PNP ट्रांजिस्टर में, उत्सर्जक संधि अग्र अभिनत होती है, जिसका अर्थ है कि लागू वोल्टेज बैरियर विभव को कम करता है और वोल्टेज बढ़ने पर अवक्षय क्षेत्र संकरा हो जाता है। यह उत्सर्जक से आधार में अधिक छिद्र को इंजेक्ट करने की अनुमति देता है। इसलिए, अग्र अभिनत वोल्टेज में वृद्धि के साथ उत्सर्जक संधि का अवक्षय क्षेत्र घटता है।

व्याख्या:

एक बाइपोलर जंक्शन ट्रांजिस्टर (BJT) जो एक प्रवर्धक के रूप में काम कर रहा है, के लिए PNP और NPN विन्यासों दोनों के टर्मिनलों के सही अभिनतीकरण और संयोजन को समझना महत्वपूर्ण है। गलत कथन की पहचान करने के लिए दिए गए विकल्पों का विश्लेषण करते हैं।

सही विकल्प विश्लेषण:

सही विकल्प है:

विकल्प 2: एक NPN ट्रांजिस्टर के संग्राहक जंक्शन के लिए, P-टर्मिनल धनात्मक वोल्टेज से जुड़ा होता है, और N-टर्मिनल ऋणात्मक वोल्टेज से जुड़ा होता है।

यह विकल्प गलत है क्योंकि एक NPN ट्रांजिस्टर में, संग्राहक जंक्शन आमतौर पर पश्च-अभिनत होता है जब ट्रांजिस्टर सक्रिय क्षेत्र (एक प्रवर्धक के रूप में) में काम कर रहा होता है। पश्च-अभिनत में, N-टर्मिनल (संग्राहक) को उच्च वोल्टेज (धनात्मक वोल्टेज) से जोड़ा जाना चाहिए, और P-टर्मिनल (आधार) को कम वोल्टेज (ऋणात्मक वोल्टेज) से जोड़ा जाना चाहिए। इसलिए, विकल्प 2 में दिया गया कथन इस सिद्धांत का खंडन करता है।

Additional Information 

विश्लेषण को और समझने के लिए, आइए अन्य विकल्पों का मूल्यांकन करें:

विकल्प 1: एक PNP ट्रांजिस्टर के उत्सर्जक जंक्शन के लिए, P-टर्मिनल धनात्मक वोल्टेज से जुड़ा होता है, और N-टर्मिनल ऋणात्मक वोल्टेज से जुड़ा होता है।

यह कथन सही है। एक PNP ट्रांजिस्टर में, उत्सर्जक जंक्शन अग्र-अभिनत होता है जब ट्रांजिस्टर सक्रिय मोड में होता है। P-टर्मिनल (उत्सर्जक) उच्च वोल्टेज (धनात्मक वोल्टेज) से जुड़ा होता है, और N-टर्मिनल (आधार) कम वोल्टेज (ऋणात्मक वोल्टेज) से जुड़ा होता है।

विकल्प 3: एक NPN ट्रांजिस्टर के उत्सर्जक जंक्शन के लिए, P-टर्मिनल धनात्मक वोल्टेज से जुड़ा होता है, और N-टर्मिनल ऋणात्मक वोल्टेज से जुड़ा होता है।

यह कथन सही है। एक NPN ट्रांजिस्टर में, उत्सर्जक जंक्शन अग्र-अभिनत होता है जब ट्रांजिस्टर सक्रिय मोड में होता है। P-टर्मिनल (आधार) उच्च वोल्टेज (धनात्मक वोल्टेज) से जुड़ा होता है, और N-टर्मिनल (उत्सर्जक) कम वोल्टेज (ऋणात्मक वोल्टेज) से जुड़ा होता है।

विकल्प 4: एक PNP ट्रांजिस्टर के संग्राहक जंक्शन के लिए, N-टर्मिनल धनात्मक वोल्टेज से जुड़ा होता है, और P-टर्मिनल ऋणात्मक वोल्टेज से जुड़ा होता है।

यह कथन सही है। एक PNP ट्रांजिस्टर में, संग्राहक जंक्शन रिवर्स-बायस्ड होता है जब ट्रांजिस्टर सक्रिय मोड में होता है। N-टर्मिनल (संग्राहक) उच्च वोल्टेज (धनात्मक वोल्टेज) से जुड़ा होता है, और P-टर्मिनल (आधार) कम वोल्टेज (ऋणात्मक वोल्टेज) से जुड़ा होता है।

निष्कर्ष:

PNP और NPN ट्रांजिस्टर के लिए सही अभिनतीकरण स्थितियों और टर्मिनल संयोजन को समझना प्रवर्धक के रूप में उनके उचित संचालन के लिए आवश्यक है। गलत विकल्प (विकल्प 2) एक NPN ट्रांजिस्टर में संग्राहक जंक्शन के सही अभिनतीकरण का गलत प्रतिनिधित्व करता है, जिससे गलत संचालन होता है। इन सिद्धांतों का उचित ज्ञान विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक पारी परिपथ में BJT के सटीक कामकाज को सुनिश्चित करता है।

धारणा:

एक ट्रांजिस्टर के लिए आधार धारा, उत्सर्जक धारा और संग्राहक धारा निम्नानुसार हैं:

IE = IB + IC

जहाँ IC = β IB

β = ट्रांजिस्टर का धारा लाभ

NPN और PNP ट्रांजिस्टर दोनों के लिए विशिष्ट आधार-से एमीटर वोल्टेज, VBE निम्न है:

• यदि ट्रांजिस्टर एक सिलिकॉन पदार्थ का बना होता है, तो आधार-से एमीटर वोल्टेज VBE, 0.7 V होगा।
• यदि ट्रांजिस्टर एक जर्मेनियम पदार्थ का बना होता है, तो आधार-से एमीटर वोल्टेज VBE, 0.3 V होगा।

अनुप्रयोग:

दिए गए आंकड़े से, KVL लागू करें

10 - IB × RB - VBE = 0

आइए मान लें कि V_BE = 0.7 V

10 - IB (1 × 106) - 0.7 = 0

IB = 9.3 μA

हम जानते हैं कि,

IC = β IB

जहाँ,

IC  & IB = उभयनिष्ठ धारा और आधार धारा

इसलिए,

IC = 100 × 9.3 μA

= 930 μA

= 0.93 mA

≈ 1 mA

BJT ऐम्प्लीफायर:

• ट्रांजिस्टर अभिनति एक ऐम्प्लीफायर के रूप में इसके कार्य के लिए आवश्यक संतुलित DC संचालन स्थितियों को रखने के लिए किया जाता है। 
• एक उपयुक्त अभिनत ट्रांजिस्टर में संतृप्त मोड के केंद्र और विच्छेद मोड अर्थात् सक्रीय मोड पर इसका Q - बिंदु (IC और VCE की तरह DC संचालन मानदंड) होना चाहिए। 
• ट्रांजिस्टर संचालन के सक्रीय मोड में एमिटर-आधार संधि अग्र-अभिनत है और संग्राहक-आधार संधिविपरीत अभिनत होता है। 
• ट्रांजिस्टर संचालन के विच्छेद मोड में उत्सर्जक-आधार संधि उत्क्रम अभिनत है और संग्राहक-आधार संधि उत्क्रम अभिनत है।

BJT संचालनों के लिए विभिन्न मोड निम्न हैं:

प्रारंभिक प्रभाव:

• BJT द्वारा अभिव्यक्त किए जाने वाले प्रारंभिक प्रभाव का कारण एक उच्च संग्राहक-आधार पश्च अभिनति होता है
• जैसे-जैसे संग्राहक से आधार जंक्शन की विपरीत अभिनति बढ़ती है, तो अवक्षय क्षेत्र आधार में अधिक प्रवेश करती है क्योंकि आधार हलके रूप से अपमिश्रित होता है।
• यह प्रभावी आधार चौड़ाई को कम कर देता है और इसलिए आधार में सांद्रता की प्रवणता बढ़ जाती है।
• प्रभावी आधार चौड़ाई में यह कमी आधार क्षेत्र में वाहकों के कम पुनर्संयोजन का कारण बनती है जिसके परिणामस्वरूप संग्राहक धारा में वृद्धि होती है। इसे प्रारंभिक प्रभाव के रूप में जाना जाता है।
• आधार चौड़ाई में कमी के कारण ß में वृद्धि होती है और इसलिए संग्राहक धारा स्थिर रहने के बजाय संग्राहक वोल्टेज के साथ बढ़ती है।
• प्रारंभिक प्रभाव द्वारा प्रस्तावित ढलान IC के साथ लगभग रैखिक है और उभयनिष्ठ-उत्सर्जक विशेषताओं को वोल्टेज अक्ष VA के साथ एक प्रतिच्छेदन का बहिर्वेशन किया जाता है, जिसे प्रारंभिक वोल्टेज कहा जाता है।

यह निम्नलिखित VCE (पश्च वोल्टेज) बनाम IC (संग्राहक धारा) वक्र की सहायता से समझाया गया है:

संकल्पना:

जहाँ β = उभयनिष्ठ-उत्सर्जक धारा लाभ 

α = उभयनिष्ठ आधार धारा लाभ 

गणना:

उभयनिष्ठ आधार धारा लाभ = α = 0.98

सूचना:  और 

जहाँ I_C = संग्राहक धारा 

I_E = उत्सर्जक धारा

I_B = आधार धारा 

अवधारणा:

एक उभयनिष्ठ आधार संयोजन में,

IE = IB + IC

और IC = α IE + ICBO

जहां α धारा प्रवर्धन कारक है

IE = IB + α IE + ICBO

⇒ IE (1 – α) = IB + ICBO

गणना:

दिया गया है कि, IB = 0.02 mA

धारा प्रवर्धन कारक (α) = 0.9

ICBO = 30 μA = 0.03 mA

उत्सर्जक धारा निम्न है,

ट्रांजिस्टर

ट्रांजिस्टर के कार्य करने के तरीके

उभयनिष्ठ एमिटर (CE) विन्यास:

CE विन्यास में इनपुट आधार और एमिटर के बीच जुड़ा होता है जबकि आउटपुट को संग्राहक और एमिटर के बीच लिया जाता है। 

I_E = I_B + I_C  

I_C = β I_B + I_CEO 

IC = α I_E + ICBO

I_C = α (I_C + I_B) + ICBO

IC (1 - α ) = α I_B + ICBO

CE विन्यास में जब I_B = 0  है, तो I_C = I_CEO है। 

जहाँ, α = धारा लाभ

β = धारा प्रवर्धन कारक 

IE, IB, IC = क्रमशः एमिटर, आधार और संग्राहक धारा

ICEO = संग्राहक एमिटर विच्छेद धारा 

ICBO = संग्राहक आधार विच्छेद धारा 

गणना:

दिया गया है: α = 0.98, ICBO = 5 μA, IB = 95 μA

I_C = 49 x (95 × 10^-6) + 250 × 10^-6 = 4905 × 10^-6 A

अवधारणा:

• ट्रांजिस्टर: एक ट्रांजिस्टर में दो PN जंक्शन होते हैं यानी यह दो डायोड की तरह होता है। आधार और उत्सर्जक के बीच जंक्शन को उत्सर्जक डायोड कहा जा सकता है। आधार और संग्राहक के बीच जंक्शन को संग्राहक डायोड कहा जा सकता है।

• ट्रांजिस्टर तीन स्तरों में से एक में कार्य कर सकता है:
• कट-ऑफ: उत्सर्जक डायोड और संग्राहक डायोड बंद हैं।
• सक्रिय: उत्सर्जक डायोड चालू है और संग्राहक डायोड बंद है।
• प्रमाणित: उत्सर्जक डायोड और संग्राहक​ डायोड चालू हैं।​

नोट: कृपया यह समझें कि प्रश्न अभिनत ट्रांजिस्टर के क्षेत्रों के बारे में पूछ रहा है। बायसन DC वोल्टेज का एक सेट है जिसे हम आधार-उत्सर्जक 'या' उत्सर्जक-संग्राहक टर्मिनल पर लागू करते हैं। इस वोल्टेज के आधार पर तीन संभावनाएं हैं, यानी सक्रिय क्षेत्र, विच्छेद क्षेत्र और संतृप्ति क्षेत्र।