Bipolaarsed transistorid: seade, tööpõhimõte, lülitusahelad

Sõna "transistor" koosneb sõnadest TRANSfer ja resISTOR - takistusmuundur. See asendas lambid 1950ndate alguses. See on kolmejuhtmeline seade, mida kasutatakse elektrooniliste vooluahelate võimendamiseks ja lülitamiseks. Omadussõna "bipolar" (bipolar junction transistor) kasutatakse selle eristamiseks välitransistoridest (FET). Bipolaarse transistori tööpõhimõte on kasutada kahte p-n-ristmikku, moodustades tõkkekihi, mis võimaldab väikesel voolul juhtida bOaktuaalsem. Bipolaarset transistorit kasutatakse nii kontrollitud takistina kui ka lülitina. Transistore on kahte tüüpi: pnp ja npn.

P-N üleminek

Germaanium (Ge) ja räni (Si) on pooljuhid. Praegu kasutatakse peamiselt räni. Si ja Ge valents on neli. Seega, kui lisada räni kristallvõrele viievalentne arseen (As), saame “ekstra” elektroni ja kolmevalentse boori (B) lisamisel saame elektroni jaoks vaba koha. Esimesel juhul räägitakse "doonormaterjalist", mis annab elektrone, teisel juhul aga "aktseptorist", mis võtab vastu elektronid. Samuti nimetatakse esimest tüüpi materjali N (negatiivne) ja teist - P (positiivne).

Kui P ja N tüüpi materjalid kokku puutuvad, tekib nende ja dünaamika vahel vool tasakaal ammendumispiirkonnaga, kus laengukandjate - elektronide ja vabade kohtade (augud) kontsentratsioon - väike. See kiht on ühepoolselt juhtiv ja moodustab seadme, mida nimetatakse dioodiks. Materjalide otsene kokkupuude ei loo kvaliteetset üleminekut; sulandumine (difusioon) või „ühendamine“ lisandite ioonide kristalliga vaakumis on vajalik.

PNP transistor

Esmakordselt valmistati bipolaarne transistor, sulatades indiumi tilgad germaaniumi kristalliks (n-tüüpi materjaliks). Indium (In) on kolmevalentne metall, p-tüüpi materjal. Seetõttu nimetati sellist transistorit difuusseks (fusion), millel oli p-n-p (või pnp) struktuur. Alloleval joonisel olev bipolaarne transistor on toodetud 1965. aastal. Selle korpus on selguse huvides ära lõigatud.

Keskel asuvat germaaniumkristalli nimetatakse aluseks ja sellesse sulatatud indiumi tilka nimetatakse kiirguriks ja kogujaks. Üleminekuid EB (emitter) ja KB (kollektor) võite pidada tavalisteks dioodideks, kuid üleminekul FE (kollektor-emitter) on eriline omadus. Seetõttu pole kahest eraldi dioodist võimalik bipolaarset transistorit teha.

Kui kollektori (-) ja emitteri (+) vahele pnp-transistoris rakendatakse mitme voldist pinget, voolab vooluringis väga nõrk vool, paar μA. Kui rakendate seejärel germaaniumi jaoks aluse ( -) ja kiirguri (+) vahele väikese (avaneva) pinge see on umbes 0,3 V (ja räni puhul 0,6 V) - siis voolab emitterist teatud suurusega vool alus. Kuid kuna alus on väga õhuke, muutub see kiiresti aukudega küllastunuks (see kaotab liigse elektronide koguse, mis läheb kiirgajale). Kuna emitter on aukude juhtimisega tugevalt legeeritud ja kergelt legeeritud aluses, on elektronide rekombinatsioon veidi edasi lükatud, siis oluliselt bOEnamik voolust läheb emitterist kollektorisse. Kollektor on tehtud emitterist suuremaks ja on kergelt legeeritud, mis võimaldab sellel olla bOkõrgem purunemispinge (U_{proovid. CE} > U_{proovid. EB}). Samuti, kuna aukude põhiosa rekombineerub kollektoris, soojeneb see rohkem kui seadme ülejäänud elektroodid.

Kollektori ja emitteri voolude vahel on suhe:

Tavaliselt on α vahemikus 0,85-0,999 ja sõltub pöördvõrdeliselt aluse paksusest. Seda väärtust nimetatakse emitteri vooluülekande koefitsiendiks. Praktikas kasutatakse sagedamini vastastikku (tähistatakse ka kui h_21e):

See on baasvoolu ülekande suhe, mis on bipolaarse transistori üks olulisemaid parameetreid. Sageli määrab ta praktikas võimendavad omadused.

Pnp -transistorit nimetatakse edasijuhtivaks transistoriks. Kuid on ka teist tüüpi transistore, mille struktuur täiuslikult täiendab vooluahelate pnp -d.

NPN transistor

Bipolaarsel transistoril võib olla N-tüüpi materjali emitterikollektor. Seejärel on alus valmistatud P-tüüpi materjalist. Ja sel juhul töötab npn -transistor täpselt nagu pnp -transistor, välja arvatud polaarsus - see on pöördjuhtivusega transistor.

Ränipõhised transistorid ületavad kõik muud tüüpi bipolaarsed transistorid. Doonormaterjal kollektori ja emitteri jaoks võib olla As, millel on “ekstra” elektron. Samuti on muutunud transistoride tootmise tehnoloogia. Nüüd on need tasapinnalised, mis võimaldab kasutada litograafiat ja teha integraallülitusi. Alloleval pildil on näha tasapinnaline bipolaartransistor (suure suurendusega integreeritud vooluahela osana). Nii pnp kui ka npn transistorid, sealhulgas võimsad, on toodetud tasapinnalise tehnoloogia abil. Rafting on juba lõpetatud.

Sektsiooniline tasapinnaline bipolaartransistor järgmisel pildil (lihtsustatud skeem).

Pildil on näha, kui hästi on tasapinnalise transistori disain - kollektor jahutatakse efektiivselt kristallsubstraadi poolt. Samuti toodeti tasapinnalist pnp -transistorit.

Bipolaarse transistori graafilised sümbolid on näidatud järgmisel pildil.

Need UGO-d on rahvusvahelised ja kehtivad ka vastavalt standardile GOST 2.730-73.

Transistori lülitusahelad

Tavaliselt kasutatakse bipolaarset transistorit alati otseühenduses - FE ristmikul olev vastupidine polaarsus ei anna midagi huvitavat. Otseühendusskeemi jaoks on kolm ühendusskeemi: ühine emitter (OE), ühine kollektor (OK) ja ühine alus (OB). Kõik kolm kaasamist on näidatud allpool. Nad selgitavad ainult tööpõhimõtet ennast - kui eeldada, et tööpunkt on mingil moel, täiendava toiteallika või abiahela abil, loodud. Ränitransistori (Si) avamiseks peab emitteri ja aluse vahel olema ~ 0,6 V potentsiaal ning germaaniumi jaoks piisab ~ 0,3 V potentsiaalist.

Ühine kiirgaja

Pinge U1 põhjustab voolu Ib, kollektori vool Ic on võrdne baasvooluga, mis on korrutatud β -ga. Sel juhul peaks + E pinge olema piisavalt suur: 5V-15V. See ahel võimendab hästi voolu ja pinget, seega võimsust. Väljundsignaal on faasis vastupidine sisendsignaalile (ümberpööratud). Seda kasutatakse digitaaltehnoloogias NOT funktsioonina.

Kui transistor ei tööta võtmerežiimis, vaid väikeste signaalide võimendina (aktiivne või lineaarne režiim), siis baasvoolu valides seadistatakse pinge U₂ võrdne E / 2, et väljundsignaal ei oleks moonutatud. Seda rakendust kasutatakse näiteks helisignaalide võimendamisel tipptasemel võimendites, väikese moonutusega ja sellest tulenevalt madala kasuteguriga.

Ühine koguja

Pinge osas OK ahel ei võimenda, siin on võimendus α ~ 1. Seetõttu nimetatakse seda vooluahelat emitteri järgijaks. Vool emitteriahelas on β + 1 korda suurem kui baasahelas. See vooluahel võimendab voolu hästi ja sellel on madal väljund ja väga kõrge sisendtakistus. (On aeg meeles pidada, et transistorit nimetatakse takistusmuunduriks.)

Emitteri jälgijal on ostsilloskoobisondidele väga sobivad omadused ja jõudlusomadused. See kasutab oma tohutut sisendtakistust ja madalat väljundtakistust, mis sobib hästi väikese takistusega kaabliga.

Ühine alus

Sellel ahelal on madalaim sisendtakistus, kuid selle voolutugevus on α. Tavaline baasahel võimendab hästi pinget, kuid mitte võimsust. Selle eripära on mahtuvuse tagasiside mõju kõrvaldamine (eff. Miller). OB -astmed on ideaalsed võimendite sisendastmetena raadiosagedusradadel, mis sobivad madala impedantsiga 50 ja 75 oomi.

Ühise alusega kaskaade kasutatakse mikrolainetehnoloogias väga laialdaselt ja nende kasutamine raadioelektroonikas koos emitteri järgija kaskaadiga on väga levinud.

Kaks peamist töörežiimi

Eristage töörežiime, kasutades "väikest" ja "suurt" signaali. Esimesel juhul töötab bipolaarne transistor väikese osa oma omadustest ja seda kasutatakse analoogtehnoloogias. Sellistel juhtudel on oluline signaalide lineaarne võimendamine ja madal müratase. See on lineaarne režiim.

Teisel juhul (võtmerežiim) töötab bipolaarne transistor täies ulatuses - küllastusest kuni piirini, nagu võti. See tähendab, et kui vaatate p-n-ristmiku I-V omadust, peaksite transistori täielikuks blokeerimiseks rakendama aluse ja emitteri vahel väikest tagasikäiku. pinge ja täieliku avamise korral, kui transistor läheb küllastusrežiimi, suurendage väikese vooluga võrreldes veidi põhivoolu režiimi. Siis töötab transistor nagu impulsslüliti. Seda režiimi kasutatakse lülitus- ja toiteallikates, seda kasutatakse toiteallikate vahetamiseks. Sellistel juhtudel püüavad nad saavutada transistoride lühikest lülitusaega.

Digitaalset loogikat iseloomustab vahepealne asend suurte ja väikeste signaalide vahel. Madal loogikatase on piiratud 10% toitepingest ja kõrge loogikatase on piiratud 90% -ga. Aja viivitused ja ümberlülitused kipuvad olema piiratud. See töörežiim on võtmetähtsusega, kuid siin püütakse võimsust minimeerida. Iga loogiline element on võti.

Muud tüüpi transistorid

Juba kirjeldatud peamised transistoride tüübid ei piira nende konstruktsiooni. Toodetakse komposiit -transistore (Darlingtoni ahel). Nende β on väga suur ja võrdub mõlema transistori koefitsientide korrutisega, seetõttu nimetatakse neid ka “superbeeta” transistorideks.

Elektrotehnika on juba omandanud isoleeritud värava bipolaarse transistori (IGBT), isoleeritud väravaga. Väljatransistori värav on tõepoolest selle kanalist isoleeritud. Tõsi, on küsimus selle sisendmahtuvuse laadimisest ümberlülitamise ajal, nii et see ei saa ilma vooluta hakkama.

Selliseid transistore kasutatakse võimsates toitelülitites: impulssmuundurid, inverterid jne. Sisendi juures on IGBT-d väga tundlikud, kuna väljatransistoride väravad on väga vastupidavad. Väljumisel - need võimaldavad vastu võtta tohutuid voolusid ja neid saab toota kõrgepinge jaoks. Näiteks Ameerika Ühendriikides on uus päikeseelektrijaam, kus sellised sillaahelas asuvad transistorid laaditakse võimsatele trafodele, mis annavad energiat tööstusvõrgule.

Kokkuvõtteks märgime, et lihtsasti öeldes on transistorid kogu kaasaegse elektroonika "tööhobune". Neid kasutatakse kõikjal: elektriveduritest mobiiltelefonideni. Iga kaasaegne arvuti koosneb praktiliselt ainult transistoridest. Transistori töö füüsilised alused on hästi mõistetavad ja lubavad veel palju uusi edusamme.

Seotud materjalid:

• Mis on dioodsild - lihtne seletus
• Mis on takisti ja milleks see on elektriahelas
• Mille jaoks on transistoride tester ja mida see mõõdab