Tranzystory bipolarne: urządzenie, zasada działania, obwody przełączające

Słowo „tranzystor” składa się ze słów TRANSfer i resISTOR - konwerter rezystancji. Zastąpił lampy na początku lat pięćdziesiątych. Jest to trójprzewodowe urządzenie służące do wzmacniania i przełączania w obwodach elektronicznych. Przymiotnik „bipolarny” (bipolarny tranzystor złączowy) służy do odróżnienia go od tranzystorów polowych (FET). Zasada działania tranzystora bipolarnego polega na wykorzystaniu dwóch złączy p-n, tworzących warstwę barierową, która umożliwia sterowanie małym prądem bObardziej aktualne. Tranzystor bipolarny jest używany zarówno jako kontrolowany opór, jak i jako przełącznik. Istnieją dwa rodzaje tranzystorów: pnp i npn.

Przejście P-N

German (Ge) i krzem (Si) to półprzewodniki. Obecnie używany jest głównie krzem. Wartościowości Si i Ge są cztery. Dlatego jeśli dodamy pięciowartościowy arsen (As) do sieci krystalicznej krzemu, otrzymamy „dodatkowy” elektron, a jeśli dodamy trójwartościowy bor (B), otrzymamy wolne miejsce dla elektronu. W pierwszym przypadku mówi się o materiale „donorowym”, który daje elektrony, w drugim przypadku o materiale „akceptorowym”, który przyjmuje elektrony. Ponadto pierwszy rodzaj materiału nazywa się N (ujemny), a drugi - P (dodatni).

Jeśli materiały typu P i N zostaną doprowadzone do kontaktu, to między nimi powstanie prąd i dynamika równowaga z obszarem zubożenia, gdzie koncentracja nośników ładunku - elektronów i wakatów („dziury”) - mały. Warstwa ta jest jednostronnie przewodząca i stanowi podstawę urządzenia zwanego diodą. Bezpośredni kontakt materiałów nie spowoduje przejścia jakościowego, konieczna jest fuzja (dyfuzja) lub „zatykanie się” w krysztale jonów domieszkujących w próżni.

Tranzystor PNP

Po raz pierwszy tranzystor bipolarny został wykonany przez stopienie kropli indu z kryształem germanu (materiał typu n). Ind (In) to trójwartościowy metal, materiał typu p. Dlatego taki tranzystor nazwano rozproszonym (fuzją), o strukturze p-n-p (lub pnp). Tranzystor bipolarny na poniższym rysunku został wyprodukowany w 1965 roku. Jego ciało jest odcięte dla jasności.

Kryształ germanu w środku nazywany jest podstawą, a wtopione w niego krople indu nazywane są emiterem i kolektorem. Możesz uznać przejścia EB (emiter) i KB (kolektor) za zwykłe diody, ale przejście FE (kolektor-emiter) ma specjalną właściwość. Dlatego nie jest możliwe wykonanie tranzystora bipolarnego z dwóch oddzielnych diod.

Jeśli między kolektorem (-) a emiterem (+) do tranzystora pnp zostanie przyłożone napięcie kilku woltów, w obwodzie popłynie bardzo słaby prąd, wynoszący kilka μA. Jeśli następnie zastosujesz małe (otwarcie) napięcie między podstawą (-) a emiterem (+) - dla germanu jest to około 0,3 V (a dla krzemu 0,6 V) - wtedy prąd o określonej wielkości popłynie z emitera do baza. Ale ponieważ podstawa jest bardzo cienka, szybko nasyci się dziurami (straci nadmiar elektronów, które trafią do emitera). Ponieważ emiter jest silnie domieszkowany przewodnictwem dziurowym, a w słabo domieszkowanej bazie, rekombinacja elektronów jest nieco opóźniona, a następnie znacznie bOWiększość prądu przejdzie od emitera do kolektora. Kolektor jest większy niż emiter i jest lekko domieszkowany, co pozwala na uzyskanie bOwyższe napięcie przebicia (U_{próbki. CE} > U_{próbki. EB}). Ponadto, ponieważ główna część otworów łączy się ponownie w kolektorze, nagrzewa się bardziej niż reszta elektrod urządzenia.

Istnieje stosunek między prądami kolektora i emitera:

Zwykle α mieści się w przedziale 0,85-0,999 i odwrotnie zależy od grubości podstawy. Wartość ta nazywana jest współczynnikiem przenoszenia prądu emitera. W praktyce częściej stosuje się odwrotność (oznaczaną również jako h_21e):

Jest to podstawowy współczynnik przenoszenia prądu, jeden z najważniejszych parametrów tranzystora bipolarnego. W praktyce często określa właściwości wzmacniające.

Tranzystor pnp nazywany jest tranzystorem przewodzenia do przodu. Ale jest też inny rodzaj tranzystora, którego budowa doskonale uzupełnia pnp w obwodach.

Tranzystor NPN

Tranzystor bipolarny może mieć kolektor emitera materiału typu N. Następnie podstawa wykonana jest z materiału typu P. I w tym przypadku tranzystor npn działa dokładnie tak samo jak tranzystor pnp, z wyjątkiem polaryzacji - jest to tranzystor z odwróconym przewodnictwem.

Tranzystory krzemowe przeważają nad wszystkimi innymi typami tranzystorów bipolarnych. Materiałem dawcy dla kolektora i emitera może być As, który ma „dodatkowy” elektron. Zmieniła się również technologia wytwarzania tranzystorów. Teraz są płaskie, co umożliwia wykorzystanie litografii i wykonanie układów scalonych. Poniższy rysunek przedstawia planarny tranzystor bipolarny (jako część układu scalonego przy dużym powiększeniu). Zarówno tranzystory pnp, jak i npn, także te o dużej mocy, produkowane są w technologii planarnej. Rafting został już przerwany.

Przekrój planarny tranzystor bipolarny na poniższym rysunku (schemat uproszczony).

Zdjęcie pokazuje, jak dobrze wykonana jest konstrukcja tranzystora planarnego - kolektor jest skutecznie chłodzony przez podłoże kryształowe. Wyprodukowano również planarny tranzystor pnp.

Symbole graficzne tranzystora bipolarnego pokazano na poniższym rysunku.

Te UGO są międzynarodowe i są również ważne zgodnie z GOST 2.730-73.

Tranzystorowe obwody przełączające

Zwykle tranzystor bipolarny jest zawsze używany w połączeniu bezpośrednim - odwrotna polaryzacja na złączu FE nie daje nic ciekawego. W przypadku schematu bezpośredniego połączenia istnieją trzy schematy połączeń: wspólny emiter (OE), wspólny kolektor (OK) i wspólna podstawa (OB). Wszystkie trzy wtrącenia są pokazane poniżej. Wyjaśniają tylko samą zasadę działania - jeśli przyjmiemy, że punkt pracy jest w jakiś sposób, za pomocą dodatkowego źródła zasilania lub obwodu pomocniczego, jest ustalany. Aby otworzyć tranzystor krzemowy (Si), potrzebny jest potencjał ~ 0,6 V między emiterem a bazą, a dla germanu wystarcza ~ 0,3 V.

Wspólny emiter

Napięcie U1 powoduje powstanie prądu Ib, prąd kolektora Ic jest równy prądowi bazy pomnożonemu przez β. W takim przypadku napięcie +E powinno być wystarczająco duże: 5V-15V. Obwód ten dobrze wzmacnia prąd i napięcie, a więc moc. Sygnał wyjściowy jest w fazie przeciwnej do sygnału wejściowego (odwrócony). Jest to używane w technologii cyfrowej jako funkcja NIE.

Jeżeli tranzystor nie pracuje w trybie klucza, ale jako wzmacniacz małych sygnałów (tryb aktywny lub liniowy), to wybierając prąd bazowy ustawia się napięcie U₂ równy E/2, aby sygnał wyjściowy nie był zniekształcony. Ta aplikacja jest wykorzystywana na przykład przy wzmacnianiu sygnałów audio w wysokiej klasy wzmacniaczach, z niskimi zniekształceniami, a co za tym idzie, niską wydajnością.

Wspólny kolektor

Pod względem napięcia obwód OK nie wzmacnia się, tutaj wzmocnienie wynosi α ~ 1. Dlatego ten obwód nazywa się popychaczem emitera. Prąd w obwodzie emitera jest β + 1 razy większy niż w obwodzie podstawowym. Ten obwód dobrze wzmacnia prąd i ma niską wyjściową i bardzo wysoką impedancję wejściową. (Czas pamiętać, że tranzystor nazywa się transformatorem oporowym.)

Popychacz emitera ma właściwości i charakterystykę działania bardzo odpowiednią dla sond oscyloskopowych. Wykorzystuje swoją ogromną impedancję wejściową i niską impedancję wyjściową, co jest dobre do dopasowania z kablem o niskiej impedancji.

Wspólna baza

Obwód ten ma najniższą impedancję wejściową, ale jego wzmocnienie prądowe wynosi α. Wspólny obwód bazowy dobrze wzmacnia napięcie, ale nie moc. Jego cechą jest eliminacja efektu sprzężenia pojemnościowego (eff. Młynarz). Stopnie OB są idealne jako stopnie wejściowe wzmacniaczy w ścieżkach RF dopasowane przy niskich impedancjach 50 i 75 omów.

Kaskady ze wspólną podstawą są bardzo szeroko stosowane w technice mikrofalowej, a ich zastosowanie w elektronice radiowej z kaskadą wtórnika emiterowego jest bardzo powszechne.

Dwa główne tryby pracy

Rozróżnij tryby pracy za pomocą „małego” i „dużego” sygnału. W pierwszym przypadku tranzystor bipolarny działa na niewielkiej części swojej charakterystyki, a to jest wykorzystywane w technologii analogowej. W takich przypadkach ważne jest liniowe wzmocnienie sygnałów i niski poziom szumów. To jest tryb liniowy.

W drugim przypadku (tryb klucza) tranzystor bipolarny działa w pełnym zakresie - od nasycenia do odcięcia, jak klucz. Oznacza to, że jeśli spojrzysz na charakterystykę IV złącza p-n, powinieneś zastosować mały zwrot między bazą a emiterem, aby całkowicie zablokować tranzystor napięcia, a dla pełnego otwarcia, gdy tranzystor przejdzie w tryb nasycenia, nieznacznie zwiększ prąd bazowy w porównaniu z małym sygnałem tryb. Wtedy tranzystor działa jak przełącznik impulsowy. Ten tryb jest używany w urządzeniach przełączających i zasilających, służy do przełączania zasilaczy. W takich przypadkach starają się osiągnąć krótki czas przełączania tranzystorów.

Logika cyfrowa charakteryzuje się pośrednią pozycją między „dużymi” i „małymi” sygnałami. Niski poziom logiczny jest ograniczony do 10% napięcia zasilania, a wysoki poziom logiczny jest ograniczony do 90%. Opóźnienia czasowe i przełączanie mają tendencję do ograniczania się do granic możliwości. Ten tryb działania jest kluczowy, ale tutaj dąży się do zminimalizowania mocy. Każdy element logiczny jest kluczem.

Inne rodzaje tranzystorów

Opisane już główne typy tranzystorów nie ograniczają ich konstrukcji. Produkowane są tranzystory kompozytowe (obwód Darlingtona). Ich β jest bardzo duże i równe iloczynowi współczynników obu tranzystorów, dlatego nazywane są również tranzystorami „superbeta”.

Elektrotechnika opanowała już tranzystor bipolarny z izolowaną bramką (IGBT) z izolowaną bramką. Bramka tranzystora polowego jest rzeczywiście odizolowana od jego kanału. To prawda, że ​​podczas przełączania jest kwestia ładowania pojemności wejściowej, więc tutaj również nie może obejść się bez prądu.

Takie tranzystory są używane w potężnych przełącznikach mocy: konwerterach impulsów, falownikach itp. Na wejściu tranzystory IGBT są bardzo czułe ze względu na wysoką rezystancję bramek tranzystorów polowych. Na wyjściu - umożliwiają odbiór ogromnych prądów i mogą być produkowane na wysokie napięcie. Na przykład w Stanach Zjednoczonych jest nowa elektrownia słoneczna, w której takie tranzystory w obwodzie mostkowym są ładowane na potężne transformatory, które dostarczają energię do sieci przemysłowej.

Podsumowując, zauważamy, że tranzystory, w uproszczeniu, są „wół roboczym” całej współczesnej elektroniki. Stosowane są wszędzie: od lokomotyw elektrycznych po telefony komórkowe. Każdy nowoczesny komputer składa się praktycznie ze wszystkich tranzystorów. Fizyczne podstawy działania tranzystorów są dobrze poznane i obiecują wiele nowych osiągnięć.

Powiązane materiały:

• Co to jest mostek diodowy – proste wyjaśnienie
• Co to jest rezystor i do czego służy w obwodzie elektrycznym
• Do czego służy tester tranzystorów i co mierzy