Bipolární tranzistory: zařízení, princip činnosti, spínací obvody

Slovo „tranzistor“ tvoří slova TRANSfer a odpor - převodník odporu. To nahradilo lampy na počátku roku 1950. Jedná se o třívodičové zařízení používané pro zesílení a přepínání v elektronických obvodech. K odlišení od tranzistorů s efektem pole (FET) se používá přídavné jméno „bipolární“ (tranzistor s bipolárním spojením). Princip činnosti bipolárního tranzistoru spočívá v použití dvou přechodů p-n, tvořících bariérovou vrstvu, která umožňuje malý proud ovládat bÓaktuálnější. Bipolární tranzistor se používá jak jako řízený odpor, tak jako spínač. Existují dva typy tranzistorů: pnp a npn.

P-N přechod

Germanium (Ge) a křemík (Si) jsou polovodiče. Nyní se používá hlavně křemík. Valence Si a Ge jsou čtyři. Pokud tedy do krystalové mřížky křemíku přidáme pětimocný arsen (As), získáme „extra“ elektron, a pokud přidáme trojmocný bór (B), získáme volné místo pro elektron. V prvním případě se hovoří o materiálu „dárce“, který dává elektrony, ve druhém případě o materiálu „přijímače“, který přijímá elektrony. Také první typ materiálu se nazývá N (negativní) a druhý - P (pozitivní).

Pokud se materiály typu P a N uvedou do kontaktu, pak mezi nimi a dynamikou vznikne proud rovnováha s oblastí vyčerpání, kde koncentrace nosičů náboje - elektrony a prázdná místa („díry“) - malý. Tato vrstva je jednostranně vodivá a tvoří základ zařízení nazývaného dioda. Přímý kontakt materiálů nevytváří vysoce kvalitní přechod; je nutná fúze (difúze) nebo „zasunutí“ do krystalu dopujících iontů ve vakuu.

PNP tranzistor

Poprvé byl bipolární tranzistor vyroben fúzí kapek india do krystalu germania (materiál typu n). Indium (In) je trojmocný kovový materiál typu p. Proto byl takový tranzistor nazýván difúzní (fúze), který měl strukturu p-n-p (nebo pnp). Bipolární tranzistor na obrázku níže byl vyroben v roce 1965. Jeho tělo je pro přehlednost odříznuto.

Germániový krystal ve středu se nazývá základna a kapky india do něj srostlé se nazývají emitor a kolektor. Přechody EB (emitor) a KB (kolektor) můžete považovat za běžné diody, ale přechod FE (kolektor-emitor) má zvláštní vlastnost. Proto není možné vyrobit bipolární tranzistor ze dvou samostatných diod.

Pokud je v kolektoru (-) a emitoru (+) v tranzistoru pnp aplikováno napětí několika voltů, protéká obvodem velmi slabý proud, několik μA. Pokud pak použijete malé (otevírací) napětí mezi základnou ( -) a emitorem (+) - pro germánium je to asi 0,3 V (a u křemíku 0,6 V) - pak z vysílače bude proudit proud určité velikosti základna. Ale protože je základna velmi tenká, rychle se nasytí otvory („ztratí“ přebytek elektronů, které půjdou k emitoru). Protože je emitor silně dopován vedením otvorů a v lehce dopované bázi je rekombinace elektronů mírně zpožděna, pak výrazně bÓVětšina proudu půjde z vysílače do kolektoru. Kolektor je větší než emitor a je lehce dopovaný, což mu umožňuje mít bÓvyšší průrazné napětí (U_{Vzorky. CE} > U_{Vzorky. EB}). Protože se hlavní část otvorů rekombinuje ve sběrači, zahřívá se více než zbytek elektrod zařízení.

Mezi kolektorovými a emitorovými proudy existuje poměr:

Obvykle α leží v rozmezí 0,85-0,999 a nepřímo závisí na tloušťce základny. Tato hodnota se nazývá součinitel přenosu proudu emitoru. V praxi se častěji používá reciproční (také označované jako h_21e):

Toto je základní přenosový poměr proudu, jeden z nejdůležitějších parametrů bipolárního tranzistoru. V praxi často určuje zesilovací vlastnosti.

Tranzistor pnp se nazývá dopředný tranzistor. Existuje však také jiný typ tranzistoru, jehož struktura dokonale doplňuje pnp v obvodech.

NPN tranzistor

Bipolární tranzistor může mít kolektor emitorů materiálu typu N. Poté je základna vyrobena z materiálu typu P. A v tomto případě tranzistor npn funguje přesně jako tranzistor pnp, kromě polarity - je to tranzistor s reverzním vedením.

Tranzistory na bázi křemíku převyšují všechny ostatní typy bipolárních tranzistorů. Dárcovským materiálem pro kolektor a emitor může být As, který má „extra“ elektron. Změnila se také technologie výroby tranzistorů. Nyní jsou planární, což umožňuje používat litografii a vytvářet integrované obvody. Následující obrázek ukazuje planární bipolární tranzistor (jako součást integrovaného obvodu při vysokém zvětšení). Tranzistory pnp i npn, včetně výkonných, jsou vyráběny pomocí planární technologie. Rafting již byl ukončen.

Sekční planární bipolární tranzistor na následujícím obrázku (zjednodušený diagram).

Obrázek ukazuje, jak dobře je konstrukce planárního tranzistoru - kolektor je efektivně chlazen krystalovým substrátem. Rovněž byl vyroben planární pnp tranzistor.

Grafické symboly bipolárního tranzistoru jsou uvedeny na následujícím obrázku.

Tato UGO jsou mezinárodní a jsou také platná v souladu s GOST 2.730-73.

Tranzistorové spínací obvody

Obvykle je v přímém spojení vždy použit bipolární tranzistor - obrácená polarita na spoji FE nedává nic zajímavého. Pro schéma přímého připojení existují tři schémata připojení: společný emitor (OE), společný kolektor (OK) a společná základna (OB). Všechny tři inkluze jsou uvedeny níže. Vysvětlují pouze samotný princip činnosti - pokud předpokládáme, že pracovní bod je nějakým způsobem vytvořen pomocí přídavného zdroje energie nebo pomocného obvodu. K otevření křemíkového tranzistoru (Si) je nutné mít mezi emitorem a základnou potenciál ~ 0,6 V a pro germánium stačí ~ 0,3 V.

Společný vysílač

Napětí U1 způsobí proud Ib, kolektorový proud Ic se rovná základnímu proudu vynásobenému β. V tomto případě by mělo být napětí + E dostatečně velké: 5V-15V. Tento obvod dobře zesiluje proud a napětí, potažmo výkon. Výstupní signál je fázově opačný ke vstupnímu signálu (invertovaný). Toto se používá v digitální technologii jako funkce NOT.

Pokud tranzistor nepracuje v klíčovém režimu, ale jako zesilovač malých signálů (aktivní nebo lineární režim), pak výběrem základního proudu se nastaví napětí U₂ rovno E / 2, aby nebyl výstupní signál zkreslený. Tato aplikace se používá například při zesilování zvukových signálů v špičkových zesilovačích s nízkým zkreslením a v důsledku toho s nízkou účinností.

Společný sběratel

Z hlediska napětí obvod OK nezesiluje, zde je zisk α ~ 1. Tento obvod se proto nazývá sledovač emitorů. Proud v obvodu emitoru je β + 1krát větší než v základním obvodu. Tento obvod dobře zesiluje proud a má nízký výkon a velmi vysokou vstupní impedanci. (Je na čase si uvědomit, že tranzistor se nazývá odporový transformátor.)

Sledovač emitoru má vlastnosti a výkonnostní charakteristiky velmi vhodné pro sondy osciloskopu. Využívá své obrovské vstupní impedance a nízké výstupní impedance, což je dobré pro přizpůsobení kabelu s nízkou impedancí.

Společný základ

Tento obvod má nejnižší vstupní impedanci, ale jeho proudový zisk je α. Společný základní obvod zesiluje dobře v napětí, ale ne ve výkonu. Jeho funkcí je eliminace vlivu kapacitní zpětné vazby (efekt. Mlynář). Stupně OB jsou ideální jako vstupní stupně zesilovačů v RF cestách přizpůsobených nízkým impedancím 50 a 75 ohmů.

Kaskády se společnou základnou jsou v mikrovlnné technologii velmi široce používány a jejich aplikace v rádiové elektronice s kaskádou sledovače emitorů je velmi běžná.

Dva hlavní režimy provozu

Rozlišujte režimy provozu pomocí signálu „malý“ a „velký“. V prvním případě bipolární tranzistor pracuje na malé části svých charakteristik, a to se používá v analogové technologii. V takových případech je důležité lineární zesílení signálů a nízký šum. Toto je lineární režim.

V druhém případě (klíčový režim) pracuje bipolární tranzistor v celém rozsahu - od nasycení po cutoff, jako klíč. To znamená, že pokud se podíváte na charakteristiku I-V přechodu p-n, měli byste použít malý reverz mezi základnou a emitorem, abyste úplně zablokovali tranzistor napětí a pro úplné otevření, když tranzistor přejde do režimu nasycení, mírně zvyšte základní proud ve srovnání s malým signálem režimu. Poté tranzistor funguje jako pulzní spínač. Tento režim se používá ve spínacích a napájecích zařízeních, používá se pro spínání napájecích zdrojů. V takových případech se snaží dosáhnout krátké doby přepínání tranzistorů.

Digitální logika se vyznačuje mezipolohou mezi „velkými“ a „malými“ signály. Nízká logická úroveň je omezena na 10% napájecího napětí a vysoká logická úroveň je omezena na 90%. Časová zpoždění a přepínání bývají redukovány na hranici možností. Tento režim provozu je klíčový, ale výkon je omezen na minimum. Jakýkoli logický prvek je klíč.

Jiné typy tranzistorů

Hlavní typy již popsaných tranzistorů neomezují jejich konstrukci. Jsou vyráběny kompozitní tranzistory (obvod Darlington). Jejich β je velmi velký a je roven součinu koeficientů obou tranzistorů, proto se jim také říká tranzistory „superbeta“.

Elektrotechnika již zvládla bipolární tranzistor s izolovanou bránou (IGBT) s izolovanou bránou. Brána tranzistoru s efektem pole je skutečně izolována od svého kanálu. Je pravda, že během přepínání existuje otázka dobití jeho vstupní kapacity, takže se neobejde bez proudu.

Takové tranzistory se používají ve výkonných výkonových spínačích: pulzních měničích, invertorech atd. Na vstupu jsou IGBT velmi citlivé kvůli vysokému odporu hradel tranzistorů s efektem pole. Na výstupu - umožňují přijímat obrovské proudy a mohou být vyráběny pro vysoké napětí. Například ve Spojených státech existuje nová solární elektrárna, kde jsou takové tranzistory v můstkovém obvodu načteny na výkonné transformátory, které dodávají energii průmyslové síti.

Na závěr poznamenáváme, že tranzistory, jednoduše řečeno, jsou „pracovním koněm“ veškeré moderní elektroniky. Používají se všude: od elektrických lokomotiv po mobilní telefony. Každý moderní počítač se skládá prakticky pouze z tranzistorů. Fyzické základy tranzistorů jsou dobře srozumitelné a slibují mnoho dalších nových pokroků.

Související materiály:

• Co je to diodový můstek - jednoduché vysvětlení
• Co je odpor a k čemu je v elektrickém obvodu
• K čemu je tester tranzistoru a co měří?