Bipolartransistoren: Gerät, Funktionsprinzip, Schaltkreise

Das Wort "Transistor" setzt sich aus den Wörtern TRANSfer und resISTOR - Widerstandswandler zusammen. Sie ersetzte Anfang der 1950er Jahre Lampen. Dies ist ein Gerät mit drei Leitungen, das zum Verstärken und Schalten in elektronischen Schaltungen verwendet wird. Zur Unterscheidung von Feldeffekttransistoren (FETs) wird das Adjektiv „bipolar“ (Bipolar-Junction-Transistor) verwendet. Das Funktionsprinzip eines Bipolartransistors besteht darin, zwei p-n-Übergänge zu verwenden, die eine Sperrschicht bilden, die es einem kleinen Strom ermöglicht, b. zu steuernÖaktueller. Der Bipolartransistor wird sowohl als gesteuerter Widerstand als auch als Schalter verwendet. Es gibt zwei Arten von Transistoren: pnp und npn.

P-N-Übergang

Germanium (Ge) und Silizium (Si) sind Halbleiter. Heute wird hauptsächlich Silizium verwendet. Die Wertigkeiten von Si und Ge sind vier. Wenn wir also fünfwertiges Arsen (As) zum Kristallgitter von Silizium hinzufügen, erhalten wir ein „zusätzliches“ Elektron, und wenn wir dreiwertiges Bor (B) hinzufügen, erhalten wir einen freien Platz für ein Elektron. Im ersten Fall spricht man von einem „Donor“-Material, das Elektronen abgibt, im zweiten Fall von einem „Akzeptor“-Material, das Elektronen aufnimmt. Der erste Materialtyp wird auch als N (negativ) und der zweite als P (positiv) bezeichnet.

Wenn Materialien vom P- und N-Typ in Kontakt gebracht werden, entsteht zwischen ihnen ein Strom und ein dynamisches Gleichgewicht mit der Verarmungsregion, wo die Konzentration der Ladungsträger - Elektronen und Leerstellen ("Löcher") - klein. Diese Schicht ist einseitig leitfähig und bildet die Grundlage für eine als Diode bezeichnete Vorrichtung. Direkter Kontakt von Materialien führt nicht zu einem qualitativ hochwertigen Übergang, es ist eine Verschmelzung (Diffusion) oder ein „Einstecken“ in den Kristall der Dotierstoffionen im Vakuum erforderlich.

PNP-Transistor

Zum ersten Mal wurde ein Bipolartransistor hergestellt, indem Indiumtropfen in einen Germaniumkristall (n-Typ-Material) eingeschmolzen wurden. Indium (In) ist ein dreiwertiges Metall vom p-Typ-Material. Daher wurde ein solcher Transistor diffus (Fusion) mit einer p-n-p- (oder pnp-)Struktur genannt. Der Bipolartransistor in der Abbildung unten wurde 1965 hergestellt. Sein Körper ist der Übersichtlichkeit halber abgeschnitten.

Der Germaniumkristall in der Mitte wird als Basis bezeichnet, und die darin eingeschmolzenen Indiumtropfen werden als Emitter und Kollektor bezeichnet. Man kann sich die Übergänge EB (Emitter) und KB (Kollektor) als gewöhnliche Dioden vorstellen, aber der Übergang FE (Kollektor-Emitter) hat eine besondere Eigenschaft. Daher ist es nicht möglich, einen Bipolartransistor aus zwei separaten Dioden herzustellen.

Wird bei einem pnp-Transistor zwischen Kollektor (-) und Emitter (+) eine Spannung von mehreren Volt angelegt, fließt ein sehr schwacher Strom, wenige µA, im Stromkreis. Wenn Sie dann eine kleine (Öffnungs-)Spannung zwischen Basis (-) und Emitter (+) anlegen - für Germanium es beträgt etwa 0,3 V (und für Silizium 0,6 V) - dann fließt ein Strom einer bestimmten Größe vom Emitter zu Base. Da die Basis jedoch sehr dünn ist, wird sie schnell mit Löchern gesättigt (sie „verliert“ ihren Überschuss an Elektronen, die zum Emitter gelangen). Da der Emitter stark mit Lochleitung dotiert ist und in einer schwach dotierten Basis die Elektronenrekombination etwas verzögert ist, dann deutlich bÖDer größte Teil des Stroms fließt vom Emitter zum Kollektor. Der Kollektor ist größer als der Emitter und leicht dotiert, wodurch er bÖhöhere Durchbruchspannung (U_{Proben. CE} > U_{Proben. EB}). Da sich der Hauptteil der Löcher im Kollektor rekombiniert, erwärmt er sich außerdem stärker als der Rest der Elektroden des Geräts.

Es besteht ein Verhältnis zwischen Kollektor- und Emitterstrom:

Normalerweise liegt α im Bereich von 0,85-0,999 und hängt umgekehrt von der Dicke der Basis ab. Dieser Wert wird als Emitterstromübertragungskoeffizient bezeichnet. In der Praxis wird häufiger der Kehrwert verwendet (auch als h. bezeichnet)._21e):

Dies ist das Basisstromübertragungsverhältnis, einer der wichtigsten Parameter eines Bipolartransistors. Er bestimmt in der Praxis oft die verstärkenden Eigenschaften.

Ein pnp-Transistor wird als Vorwärtsleitungstransistor bezeichnet. Es gibt aber auch einen anderen Transistortyp, dessen Struktur pnp in Schaltungen perfekt ergänzt.

NPN-Transistor

Der Bipolartransistor kann einen Emitterkollektor aus einem Material vom N-Typ aufweisen. Dann besteht die Basis aus P-Typ-Material. Und in diesem Fall funktioniert der npn-Transistor bis auf die Polarität genau wie der pnp-Transistor - es ist ein Sperrleitungstransistor.

Transistoren auf Siliziumbasis überwältigen alle anderen Arten von Bipolartransistoren. Das Donormaterial für Kollektor und Emitter kann As sein, das ein „zusätzliches“ Elektron hat. Auch die Technologie zur Herstellung von Transistoren hat sich geändert. Jetzt sind sie planar, was die Verwendung von Lithographie und die Herstellung integrierter Schaltkreise ermöglicht. Das Bild unten zeigt einen planaren Bipolartransistor (als Teil einer integrierten Schaltung bei hoher Vergrößerung). Sowohl pnp- als auch npn-Transistoren, auch leistungsstarke, werden in Planartechnologie hergestellt. Rafting wurde bereits eingestellt.

Schnittplanarer Bipolartransistor im folgenden Bild (vereinfachtes Diagramm).

Das Bild zeigt, wie gut das Design des Planartransistors ist - der Kollektor wird durch das Kristallsubstrat effektiv gekühlt. Ein planarer pnp-Transistor wurde ebenfalls hergestellt.

Die grafischen Symbole des Bipolartransistors sind im folgenden Bild dargestellt.

Diese UGOs sind international und auch nach GOST 2.730-73 gültig.

Transistorschaltkreise

Normalerweise wird immer ein Bipolartransistor in direkter Verbindung verwendet - die umgekehrte Polarität am FE-Übergang gibt nichts Interessantes. Für ein direktes Anschlussdiagramm gibt es drei Anschlussschemata: einen gemeinsamen Emitter (OE), einen gemeinsamen Kollektor (OK) und eine gemeinsame Basis (OB). Alle drei Einschlüsse sind unten aufgeführt. Sie erklären nur das Funktionsprinzip selbst - wenn wir davon ausgehen, dass der Arbeitspunkt irgendwie, mit Hilfe einer zusätzlichen Stromquelle oder eines Hilfsstromkreises, hergestellt wird. Um einen Siliziumtransistor (Si) zu öffnen, muss zwischen Emitter und Basis ein Potential von ~ 0,6 V liegen, für Germanium reichen ~ 0,3 V.

Gemeinsamer Emitter

Die Spannung U1 bewirkt den Strom Ib, der Kollektorstrom Ic ist gleich dem Basisstrom multipliziert mit β. In diesem Fall sollte die +E-Spannung groß genug sein: 5V-15V. Diese Schaltung verstärkt Strom und Spannung gut, also Leistung. Das Ausgangssignal hat eine entgegengesetzte Phase zum Eingangssignal (invertiert). Dies wird in der Digitaltechnik als NICHT-Funktion verwendet.

Wenn der Transistor nicht im Tastenmodus arbeitet, sondern als Verstärker von Kleinsignalen (aktiver oder linearer Modus), dann wird durch Auswahl des Basisstroms die Spannung U eingestellt₂ gleich E / 2, damit das Ausgangssignal nicht verzerrt wird. Diese Anwendung kommt beispielsweise bei der Verstärkung von Audiosignalen in High-End-Verstärkern mit geringer Verzerrung und damit geringer Effizienz zum Einsatz.

Gemeinsamer Kollektor

In Bezug auf die Spannung verstärkt die OK-Schaltung nicht, hier beträgt die Verstärkung α ~ 1. Daher wird diese Schaltung als Emitterfolger bezeichnet. Der Strom im Emitterkreis ist β + 1 mal größer als im Basiskreis. Diese Schaltung verstärkt den Strom gut und hat einen niedrigen Ausgang und eine sehr hohe Eingangsimpedanz. (Es ist an der Zeit, sich daran zu erinnern, dass ein Transistor Widerstandstransformator genannt wird.)

Der Emitterfolger hat Eigenschaften und Leistungsmerkmale, die sich sehr gut für Oszilloskop-Tastköpfe eignen. Es nutzt seine enorme Eingangsimpedanz und niedrige Ausgangsimpedanz, die sich gut für die Anpassung an ein Kabel mit niedriger Impedanz eignet.

Gemeinsame Basis

Diese Schaltung hat die niedrigste Eingangsimpedanz, aber ihre Stromverstärkung beträgt α. Eine gemeinsame Basisschaltung verstärkt die Spannung gut, aber nicht die Leistung. Sein Merkmal ist die Eliminierung des Effekts der Kapazitätsrückkopplung (eff. Müller). Die OB-Stufen sind ideal als Eingangsstufen von Verstärkern in HF-Strecken, die an niedrige Impedanzen von 50 und 75 Ohm angepasst sind.

Kaskaden mit gemeinsamer Basis sind in der Mikrowellentechnik weit verbreitet und ihre Anwendung in der Funkelektronik mit Emitterfolgerkaskade ist weit verbreitet.

Zwei Hauptbetriebsarten

Unterscheiden Sie zwischen Betriebsarten mit "kleinem" und "großem" Signal. Im ersten Fall arbeitet ein Bipolartransistor mit einem kleinen Teil seiner Eigenschaften, und dies wird in der Analogtechnik verwendet. In solchen Fällen sind eine lineare Verstärkung der Signale und ein geringes Rauschen wichtig. Dies ist ein linearer Modus.

Im zweiten Fall (Tastenmodus) arbeitet der Bipolartransistor im vollen Bereich - von der Sättigung bis zum Cutoff, wie eine Taste. Dies bedeutet, dass Sie, wenn Sie sich die I-V-Kennlinie des p-n-Übergangs ansehen, eine kleine Umkehrung zwischen Basis und Emitter anlegen sollten, um den Transistor vollständig zu blockieren Spannung und zum vollständigen Öffnen, wenn der Transistor in den Sättigungsmodus geht, den Basisstrom im Vergleich zum Kleinsignal leicht erhöhen Modus. Dann arbeitet der Transistor wie ein Impulsschalter. Dieser Modus wird in Schalt- und Leistungsgeräten verwendet, er wird für Schaltnetzteile verwendet. In solchen Fällen versuchen sie eine kurze Schaltzeit der Transistoren zu erreichen.

Die digitale Logik zeichnet sich durch eine Zwischenstellung zwischen „großen“ und „kleinen“ Signalen aus. Ein niedriger Logikpegel ist auf 10 % der Versorgungsspannung begrenzt, und ein hoher Logikpegel ist auf 90 % begrenzt. Zeitverzögerungen und Schaltvorgänge werden tendenziell auf das Limit reduziert. Diese Betriebsart ist der Schlüssel, aber die Leistung soll hier minimiert werden. Jedes logische Element ist ein Schlüssel.

Andere Arten von Transistoren

Die bereits beschriebenen Haupttypen von Transistoren schränken ihr Design nicht ein. Es werden zusammengesetzte Transistoren hergestellt (Darlington-Schaltung). Ihr β ist sehr groß und entspricht dem Produkt der Koeffizienten beider Transistoren, daher werden sie auch als „Superbeta“-Transistoren bezeichnet.

Die Elektrotechnik beherrscht bereits den Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) mit isoliertem Gate. Das Gate des Feldeffekttransistors ist tatsächlich von seinem Kanal isoliert. Es geht zwar darum, seine Eingangskapazität während des Schaltens aufzuladen, sodass er nicht auf Strom verzichten kann.

Solche Transistoren werden in leistungsstarken Leistungsschaltern verwendet: Pulswandler, Wechselrichter usw. Am Eingang sind IGBTs aufgrund des hohen Widerstands der Gates der Feldeffekttransistoren sehr empfindlich. Auf dem Weg nach draußen - sie ermöglichen die Aufnahme riesiger Ströme und können für Hochspannung hergestellt werden. In den USA gibt es beispielsweise ein neues Solarkraftwerk, bei dem solche Transistoren in einer Brückenschaltung auf leistungsstarke Transformatoren geladen werden, die Energie in das Industrienetz einspeisen.

Zusammenfassend stellen wir fest, dass Transistoren, vereinfacht gesagt, das "Arbeitspferd" aller modernen Elektronik sind. Sie kommen überall zum Einsatz: von Elektrolokomotiven bis hin zu Mobiltelefonen. Jeder moderne Computer besteht praktisch nur aus Transistoren. Die physikalischen Grundlagen des Transistorbetriebs sind gut verstanden und versprechen viele weitere neue Fortschritte.

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