ترانزیستور تک پیوندی چیست؟

ترانزیستور تک پیوندی یا UJT (Unijunction Transistor) یک المان نیمه‌هادی سه پایانه است که ویژگی‌­های مقاومت منفی و سوئیچینگ را برای استفاده به عنوان یک نوسان‌­ساز وقفه‌­ای (relaxation oscillator) در کاربردهای کنترل فاز از خود نشان می­‌دهد.

ترانزیستور تک‌­پیوندی یا به اختصار UJT، یکی دیگر از قطعات سه ترمیناله حالت جامد است که می­‌تواند در پالس گیت، مدارهای زمان­‌بندی و کاربردهای مولد تحریک برای سوئیچ و کنترل تریستورها و ترایاک‌­ها در کاربردهای کنترل توان AC استفاده شود.

مانند دیودها، ترانزیستورهای تک­‌پیوندی از مواد نیمه‌هادی جداگانه نوع P و N ساخته می­‌شوند که یک اتصال PN واحد (از این رو نام آن تک پیوندی است) را در کانال اصلی نوع N هدایت دستگاه، تشکیل می‌­دهند.

اگرچه ترانزیستور تک­‌پیوندی نام ترانزیستور دارد، اما ویژگی­‌های سوییچینگ آن بسیار متفاوت از ترانزیستور دو قطبی معمولی یا اثر میدان است زیرا نمی­‌توان از آن برای تقویت سیگنال استفاده کرد، اما در عوض به عنوان یک ترانزیستور سوئیچینگ روشن-خاموش استفاده می­‌شود. UJT ها دارای ویژگی­‌های هدایت یک طرفه و امپدانس منفی هستند که بیشتر شبیه یک تقسیم­‌کننده ولتاژ متغیر در هنگام شکست عمل می­‌کنند.

مانند FET های Nکانال ، UJT متشکل از یک قطعه جامد مواد نیمه‌رسانای نوع N است که کانال اصلی حامل جریان را با دو اتصال بیرونی آن که به عنوان بیس 2 (B2) و بیس 1 (B1) مشخص شده‌­اند، تشکیل می­‌دهد. اتصال سوم که به طور گیج کننده­ای به عنوان امیتر (E) مشخص شده است در امتداد کانال قرار دارد. پایانه امیتر با فلشی نشان داده می‌­شود که از امیتر نوع P به بیس نوع N اشاره می‌­کند.

پیوند p-n یکسو­کننده امیتر ترانزیستور تک­‌پیوندی با ذوب مواد نوع P در کانال سیلیکونی نوع N تشکیل می‌­شود. با این حال، UJT های کانال P با ترمینال امیتر نوع N نیز در دسترس هستند، اما از آنها استفاده کمی می­‌شود.

محل اتصال امیتر در امتداد کانال طوری قرار می­گیرد که به ترمینال B2 نزدیکتر از B1 باشد. یک فلش در نماد UJT استفاده شده است که به سمت بیس نشانه می­‌رود و نشان می‌­دهد که پایانه امیتر مثبت است و نوار سیلیکون ماده منفی است. در زیر، نماد، ساختار و مدار معادل UJT نشان داده شده است.

نماد و ساختار ترانزیستور تک پیوندی

1. نماد و ساختار ترانزیستور تک پیوندی یا UJT

توجه داشته باشید که نماد ترانزیستور تک­‌پیوندی بسیار شبیه به ترانزیستور اثر میدان پیوندی (junction field effect transistor) یا JFET است، با این تفاوت که دارای یک فلش خمیده است که نشان دهنده ورودی امیتر (E) است. در حالی که از نظر کانال‌­های اهمی مشابه هستند، JFET و UJT بسیار متفاوت عمل می­‌کنند و نباید آن­ها را اشتباه گرفت.

پس چگونه کار می­‌کند؟ از مدار معادل بالا می­‌توانیم ببینیم که کانال نوع N اساساً از دو مقاومت RB2 و RB1 به صورت سری با یک دیود معادل (ایده‌­آل) تشکیل شده است، D نشان دهنده اتصال p-n متصل به نقطه مرکزی آن­ها است. این اتصال p-n امیتر در هنگام ساخت در امتداد کانال اهمی ثابت است و بنابراین نمی‌­توان آن را تغییر داد.

مقاومت RB1، به مقاومت بین امیتر E و ترمینال B۱ گفته می­‌شود، در حالی که مقاومت RB2 بین امیتر E و ترمینال B۲ است. از آنجایی که موقعیت فیزیکی اتصال p-n به ترمینال B۲ نزدیکتر از B۱ است، مقدار مقاومتی RB2 کمتر از RB1 خواهد بود.

مقاومت کل نوار سیلیکونی (مقاومت اهمی آن) به سطح دوپینگ واقعی نیمه­‌هادی‌­ها (semiconductors actual doping level) و همچنین ابعاد فیزیکی کانال سیلیکونی نوع N بستگی دارد و می­‌توان آن را با RBB نشان داد. اگر با اهم‌­متر اندازه‌­گیری شود، این مقاومت استاتیک معمولاً برای اکثر UJT های رایج مانند2N1671، 2N2646 یا 2N2647 بین 4 کیلواهم و 10 کیلواهم اندازه‌­گیری می­‌شود.

این دو مقاومت سری، یک شبکه تقسیم‌­کننده ولتاژ بین دو پایانه بیس ترانزیستور تک­‌پیوندی ایجاد می­‌کنند و از آنجایی که این کانال از B۲ تا B۱ امتداد دارد، زمانی که یک ولتاژ در دستگاه اعمال می­‌شود، پتانسیل در هر نقطه در طول کانال متناسب با موقعیت آن بین پایانه‌­های B۲ و B۱ است. بنابراین سطح گرادیان ولتاژ به مقدار ولتاژ تغذیه بستگی دارد.

هنگامی که در مدار استفاده می‌­شود، ترمینال B1 به زمین متصل می‌­شود و امیتر به عنوان ورودی دستگاه عمل می­‌کند. فرض کنید یک ولتاژ VBB در UJT بین B۲ و B۱ اعمال شود به طوری که B۲ نسبت به B۱ بایاس مثبت است. با اعمال ورودی امیتر صفر، ولتاژ ایجاد شده در RB1 (مقاومت کمتر) تقسیم­‌کننده ولتاژ مقاومتی را می­توان به صورت زیر محاسبه کرد:

ولتاژ RB1 ترانزیستور تک‎ پیوندی

برای یک ترانزیستور تک پیوندی، نسبت مقاومتی RB1 به RBB که در بالا نشان داده شده است، نسبت مقاومت ذاتی (intrinsic stand-off ratio) نامیده می‌­شود و با نماد یونانی η (eta) مشخص می‌­شود. مقادیر استاندارد معمولی η از 0.5 تا 0.8 برای اکثر UJT های رایج متغیر است.

اگر یک ولتاژ ورودی مثبت کوچک که کمتر از ولتاژ ایجاد شده در مقاومت RB1 است (ηVBB)، اکنون به ترمینال ورودی امیتر اعمال شود، پیوند دیود p-n بایاس معکوس می­‌شود بنابراین امپدانس بسیار بالایی داشته و دستگاه هدایت نمی­‌کند. UJT خاموش بوده و جریانی عبور نمی­‌کند.

با این حال، هنگامی که ولتاژ ورودی امیتر افزایش می­‌یابد و از VRB1 (یا ηVBB + 0.7V، که در آن 0.7 ولت برابر است با افت ولتاژ دیود پیوند p-n) بزرگتر می­‌شود، اتصال p-n بایاس مستقیم می­‌شود و ترانزیستور تک­‌پیوندی شروع به هدایت می‌­کند. در نتیجه، جریان امیتر ηIE از امیتر به بیس جریان می­‌یابد.

اثر جریان امیتر اضافی که به بیس جریان می­‌یابد، مقدار مقاومت کانال بین اتصال امیتر و ترمینال B۱ را کاهش می­‌دهد. این کاهش مقاومت RB1 به مقدار بسیار کم، به این معنی است که اتصال امیتر بیشتر بایاس مستقیم شده و در نتیجه جریان بیشتری عبور می­‌کند. این رفتار منجر به مقاومت منفی در ترمینال امیتر می­‌شود.

به همین ترتیب، اگر ولتاژ ورودی اعمال شده بین امیتر و ترمینال B۱ به مقداری کمتر از شکست کاهش یابد، مقاومت RB1 به مقدار زیادی افزایش می‌یابد. بنابراین ترانزیستور تک­‌پیوندی را می‌­توان به عنوان یک دستگاه شکست ولتاژ در نظر گرفت.

می توانیم ببینیم که مقاومت ارائه شده توسط RB1 متغیر است و به مقدار جریان امیتر، IE بستگی دارد. بایاس مستقیم اتصال امیتر نسبت به B۱ باعث جریان بیشتری می‌­شود که مقاومت بین امیتر، E و B۱ را کاهش می­‌دهد.

به عبارت دیگر، گذر جریان به امیتر UJT باعث می‌­شود که مقدار مقاومت RB1 کاهش یابد و افت ولتاژ در آن، VRB1 نیز باید کاهش یابد، و اجازه می­‌دهد جریان بیشتری عبور کرده و شرط مقاومت منفی را تولید می­‌کند.

کاربردهای ترانزیستور تک‌پیوندی

حال که می‌­دانیم یک ترانزیستور تک‌­پیوندی چگونه کار می­‌کند، برای چه کاری می‌­توان از آنها استفاده کرد؟ متداول­ترین کاربرد ترانزیستور تک‌­پیوندی به عنوان یک وسیله راه­‌انداز برای SCR و تریاک است، اما سایر کاربردهای UJT شامل مولدهای دندانه اره‌­ای، نوسانگرهای ساده، کنترل فاز و مدارهای زمان­‌بندی است. ساده‌­ترین مدار UJT، نوسان‌­ساز وقفه­‌ای است که شکل موج­‌های غیر سینوسی تولید می‌­کند.

در یک مدار نوسان­‌ساز وقفه­‌ای UJT معمولی، ترمینال امیتر ترانزیستور تک­‌پیوندی به محل اتصال مقاومت و خازن سری  RCمتصل می‌­شود که در زیر نمایش داده شده است.

نوسان‌ساز وقفه‌ای ترانزیستور تک پیوندی

۲. نوسان‌ساز وقفه‌ای ترانزیستور تک‌پیوندی

هنگامی که یک ولتاژ (Vs) برای اولین بار اعمال می­‌شود، ترانزیستور تک پیوندی خاموش است و خازن C۱ به طور کامل تخلیه شده است اما به صورت نمایی شروع به شارژ از طریق مقاومت R۳ می­‌کند. از آنجایی که امیتر UJT به خازن متصل است، زمانی که ولتاژ شارژ Vc در خازن از مقدار افت ولتاژ دیود بیشتر می­‌شود، پیوند PN مانند یک دیود معمولی رفتار کرده، بایاس مستقیم می­‌شود و UJT را به حالت هدایت می‌­برد و ترانزیستور تک پیوندی “روشن” است. در این مرحله امپدانس امیتر به B۱، کاهش می­‌یابد زیرا امیتر به حالت اشباع امپدانس پایین می رود و جریان امیتر از طریق R۱ انجام می‌­شود.

از آنجایی که مقدار اهمی مقاومت R۱ بسیار کم است، خازن به سرعت از طریق UJT تخلیه شده و یک پالس ولتاژ افزایشی سریع در R۱ ظاهر می­‌شود. همچنین، از آنجایی که خازن از طریق UJT سریعتر از شارژ شدن از طریق مقاومت R۳ تخلیه می‌‌­شود، زمان تخلیه بسیار کمتر از زمان شارژ است زیرا خازن از طریق UJT با مقاومت کم تخلیه می­‌‌‌شود.

هنگامی که ولتاژ دو طرف خازن به زیر نقطه نگهدارنده پیوند p-n  (VOFF) کاهش می‌یابد، UJT خاموش شده و هیچ جریانی از اتصال امیتر عبور نمی‌­کند، بنابراین یک بار دیگر خازن از طریق مقاومت R۳ شارژ می­‌شود و این فرآیند شارژ و تخلیه بین VON و VOFF به طور مداوم تکرار می­شود در حالی که ولتاژ تغذیه Vs، اعمال می‌­شود.

شکل موج نوسان‌ساز UJT

3.شکل موج نوسان‌ساز UJT

می‌توانیم ببینیم که نوسان‌گر تک­‌پیوندی به طور مداوم بدون هیچ فیدبکی «روشن» و «خاموش» می‌­شود. فرکانس کار اسیلاتور مستقیماً تحت تأثیر مقدار مقاومت شارژ R۳ سری با خازن C۱ و مقدار η است. شکل پالس خروجی تولید شده از ترمینال بیس 1 (B1) شکل موج دندانه اره‌­ای است و برای تنظیم دوره زمانی، فقط باید مقدار اهمی مقاومت R۳ را تغییر داد زیرا ثابت زمانی RC را برای شارژ خازن تنظیم می‌­کند.

دوره زمانی، T شکل موج دندانه اره‌­ای به عنوان زمان شارژ به اضافه زمان تخلیه خازن در نظر گرفته می‌­شود. از آنجایی که زمان تخلیه، τ۱ به طور کلی در مقایسه با زمان شارژ RC بزرگتر، τ2 بسیار کوتاه است، دوره زمانی نوسان تقریبا معادل T ≅ τ۲ است. بنابراین فرکانس نوسان برابر با ƒ = 1/T است.

نوسان‌ساز UJT - مثال 1

برگه داده (data sheet) برای یک ترانزیستور تک­‌پیوندی 2N2646، نسبت مقاومت ذاتی η را 0.65 نمایش می‌­دهد. اگر از یک خازن 100nF برای تولید پالس‌های زمان‌بندی استفاده ‌شود، مقاومت زمان‌بندی مورد نیاز برای تولید فرکانس نوسان 100 هرتز را محاسبه کنید.

۱.دوره زمانی به شرح زیر است:

2.مقدار مقاومت زمان بندی R۳ به صورت زیر محاسبه می‌­شود:

بنابراین، مقدار مقاومت شارژ مورد نیاز در این مثال ساده به صورت 95.3 کیلواهم که نزدیکترین مقدار ترجیحی است، محاسبه می­‌شود. با این حال، شرایط خاصی برای عملکرد صحیح نوسان‌­ساز وقفه‌­ای UJT لازم است زیرا مقدار مقاومت R۳ می­‌تواند خیلی بزرگ یا خیلی کوچک باشد.

به عنوان مثال، اگر مقدار R۳ خیلی بزرگ باشد (در حدود مگا اهم)، ممکن است خازن به اندازه کافی شارژ نشود تا امیتر تک­‌پیوندی را به حالت هدایت ببرد، اما همچنین باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا اطمینان حاصل شود زمانی که خازن به زیر ولتاژ تحریک پایین­‌تر تخلیه شد، UJT خاموش شود.

به همین ترتیب، اگر مقدار R۳ خیلی کوچک باشد (چند صد اهم)، پس از راه‌اندازی، جریان وارد شده به ترمینال امیتر ممکن است به اندازه‌ای بزرگ باشد که دستگاه را به منطقه اشباع خود هدایت کند و از خاموش شدن کامل آن جلوگیری کند. در هر صورت، مدار نوسانگر تک­‌یوندی نوسان نخواهد کرد.

مدار کنترل سرعت UJT

یکی از کاربردهای معمول مدار ترانزیستور تک پیوندی بالا، تولید یک سری پالس برای تحریک و کنترل تریستور است. با استفاده از UJT به عنوان یک مدار راه­‌اندازی کنترل فاز در اتصال با SCR یا ترایاک، می‌­توانیم سرعت موتور AC یا DC یونیورسال (universal) را مطابق شکل تنظیم کنیم.

کنترل سرعت ترانزیستور تک پیوندی

۴. کنترل سرعت ترانزیستور تک‌پیوندی

خلاصه ترانزیستور تک پیوندی یا UJT

• دیدیم که یک ترانزیستور تک‌­پیوندی یا به اختصار UJT یک المان نیمه‌رسانای الکترونیکی است که فقط یک اتصال p-n در یک کانال اهمی از نوع N (یا نوع P) دارد. UJT دارای سه پایانه است که یکی امیتر (E) و دو تا بیس (B1 و B2) نامگذاری شده‌­اند.
• دو اتصال اهمی B1 و B2 در هر انتهای کانال نیمه هادی با مقاومت بین B1 و B2، متصل می­‌شوند، زمانی که امیتر مدار باز است که مقاومت بین بیس RBB نامیده می­‌شود. اگر با اهم­‌متر اندازه­‌گیری شود، این مقاومت استاتیک معمولاً بین 4 کیلواهم و 10 کیلواهم برای اکثر UJT های رایج اندازه‌­گیری می‌­شود.
• نسبت RB1 به RBB را نسبت مقاومت ذاتی می‌گویند و نماد یونانی η (eta) به آن داده می‌شود. مقادیر استاندارد معمولی η از 0.5 تا 0.8 برای اکثر UJT های رایج متغیر است.
• ترانزیستور تک­‌پیوندی یک دستگاه راه‌­انداز حالت جامد است که می‌­تواند در مدارها و کاربردهای مختلف، از تحریک تریستورها و ترایاک‌­ها تا استفاده در مولدهای دندانه اره­‌ای برای مدارهای کنترل فاز، استفاده شود. ویژگی مقاومت منفی UJT، آن را به یک نوسان­‌ساز وقفه­‌ای ساده و بسیار مفید تبدیل می­‌کند.
• زمانی که به عنوان یک نوسان­‌ساز وقفه­‌ای متصل می‌­شود، می­‌تواند به طور مستقل بدون مدار مخزنی (tank) یا شبکه فیدبک پیچیده RC نوسان کند. هنگامی که به این طریق متصل می­‌شود، ترانزیستور تک‌­پیوندی قادر است یک رشته پالس با مدت زمان متفاوت را به سادگی با تغییر مقادیر خازن (C) یا مقاومت (R) تولید کند.
• ترانزیستورهای تک­‌پیوندی معمولی موجود عبارتند از 2N1671، 2N2646، 2N2647، که 2N2646 محبوب­‌ترین UJT برای استفاده در مولدهای پالس و دندانه اره‌­ای و مدارهای تاخیر زمانی است. انواع دیگر دستگاه­‌های ترانزیستور تک­‌پیوندی نیز وجود دارند که UJT های قابل برنامه­‌ریزی نامیده می‌­شوند و می­‌توانند پارامترهای سوییچینگ خود را توسط مقاومت­‌های خارجی تنظیم کنند. رایج­‌ترین ترانزیستورهای تک­‌پیوندی قابل برنامه­‌ریزی، 2N6027 و 2N6028 هستند.