Bipolaariset transistorit: laite, toimintaperiaate, kytkentäpiirit

Sana "transistori" koostuu sanoista TRANSfer ja resISTOR - vastusmuunnin. Se korvasi lamput 1950 -luvun alussa. Tämä on kolmijohtoinen laite, jota käytetään vahvistukseen ja kytkentään elektronisissa piireissä. Adjektiivia "bipolar" (bipolar risteys transistori) käytetään erottamaan se kenttävaikutransistoreista (FET). Bipolaarisen transistorin toimintaperiaate on käyttää kahta p-n-risteystä, muodostaen estokerroksen, joka mahdollistaa pienen virran ohjata bOajankohtaisempi. Bipolaarista transistoria käytetään sekä ohjattuna vastuksena että kytkimenä. Transistoreita on kahdenlaisia: pnp ja npn.

P-N siirtyminen

Germanium (Ge) ja pii (Si) ovat puolijohteita. Nykyään käytetään pääasiassa piitä. Si- ja Ge -valenssit ovat neljä. Siksi, jos lisäämme viisiarvoista arseenia (As) piin kidehilaan, saamme "ylimääräisen" elektronin, ja jos lisäämme kolmiarvoisen boorin (B), saamme tyhjän paikan elektronille. Ensimmäisessä tapauksessa puhutaan "luovuttaja" -materiaalista, joka antaa elektroneja, toisessa tapauksessa "hyväksymismateriaalista", joka hyväksyy elektroneja. Myös ensimmäisen tyyppistä materiaalia kutsutaan N (negatiiviseksi) ja toista - P (positiiviseksi).

Jos P- ja N -tyyppiset materiaalit joutuvat kosketuksiin, niiden ja dynaamisen välille syntyy virta tasapaino tyhjennysalueen kanssa, jossa varauskantoaineiden pitoisuus - elektronit ja avoimet työpaikat ("reiät") - pieni. Tämä kerros on yksipuolisesti johtava ja muodostaa perustan diodiksi kutsutulle laitteelle. Materiaalien suora kosketus ei luo korkealaatuista siirtymää; fuusio (diffuusio) tai "liittäminen" lisäaine-ionien kiteeseen tyhjiössä on välttämätöntä.

PNP -transistori

Ensimmäistä kertaa tehtiin bipolaarinen transistori sulattamalla indiumtipat germaniumkiteiksi (n-tyyppinen materiaali). Indium (In) on kolmiarvoinen metalli, p-tyyppinen materiaali. Siksi tällaista transistoria kutsuttiin diffuusiksi (fuusio), jolla oli p-n-p (tai pnp) -rakenne. Alla olevan kuvan bipolaarinen transistori on valmistettu vuonna 1965. Sen runko on katkaistu selvyyden vuoksi.

Keskellä olevaa germaniumkideä kutsutaan pohjaksi, ja siihen sulautuneita indiumpisaroita kutsutaan emitteriksi ja kerääjäksi. Voit pitää siirtymiä EB (emitteri) ja KB (keräilijä) tavallisina diodeina, mutta siirtymällä FE (keräilijä-emitteri) on erityisominaisuus. Siksi ei ole mahdollista tehdä bipolaarista transistoria kahdesta erillisestä diodista.

Jos pnp-transistoriin syötetään usean voltin jännite kollektorin (-) ja emitterin (+) väliin, piirissä virtaa erittäin heikko, muutaman μA: n virta. Jos sitten laitat pienen (avautuvan) jännitteen pohjan ( -) ja emitterin (+) väliin germaniumia varten se on noin 0,3 V (ja piille 0,6 V) - silloin tietyn suuruinen virta kulkee emitteristä pohja. Mutta koska pohja on hyvin ohut, se kyllästyy nopeasti reikiin (se "menettää" ylimääräisen elektroninsa, joka menee lähettäjälle). Koska emitteri on voimakkaasti seostettu reikäjohtavuudella ja kevyesti seostetulla alustalla, elektronien rekombinaatio viivästyy hieman, sitten merkittävästi bOSuurin osa virrasta menee lähettimestä keräimeen. Keräin on tehty emitteriä suuremmaksi ja se on kevyesti seostettu, mikä mahdollistaa sen olevan bOsuurempi katkaisujännite (U_{näytteet. CE} > U_{näytteet. EB}). Lisäksi koska suurin osa reikistä yhdistyy uudelleen keräimessä, se lämmittää enemmän kuin muut laitteen elektrodit.

Keräimen ja emitterivirtojen välillä on suhde:

Yleensä α on alueella 0,85-0,999 ja riippuu käänteisesti pohjan paksuudesta. Tätä arvoa kutsutaan emitterin virransiirtokerroimeksi. Käytännössä vastavuoroisuutta käytetään useammin (myös merkitty h_21e):

Tämä on kantavirtasuhde, yksi bipolaarisen transistorin tärkeimmistä parametreista. Hän määrittää usein vahvistavat ominaisuudet käytännössä.

Pnp -transistoria kutsutaan eteenpäin johtavaksi transistoriksi. Mutta on myös toisen tyyppinen transistori, jonka rakenne täydentää täydellisesti pnp: tä piirissä.

NPN -transistori

Bipolaarisessa transistorissa voi olla N-tyyppinen materiaalin emitterikollektori. Sitten pohja on valmistettu P-tyypin materiaalista. Ja tässä tapauksessa npn -transistori toimii täsmälleen kuten pnp -transistori, polaarisuutta lukuun ottamatta - se on käänteinen johtamistransistori.

Piipohjaiset transistorit hukuttavat kaikki muut bipolaariset transistorit. Keräilijän ja emitterin luovuttajamateriaali voi olla As, jossa on ”ylimääräinen” elektroni. Myös transistorien valmistustekniikka on muuttunut. Nyt ne ovat tasomaisia, mikä mahdollistaa litografian käytön ja integroitujen piirien tekemisen. Alla olevassa kuvassa on tasomainen bipolaarinen transistori (osana integroitua piiriä suurella suurennuksella). Sekä pnp- että npn -transistorit, myös tehokkaat, on valmistettu tasomaisella tekniikalla. Koskenlasku on jo lopetettu.

Leikattu tasomainen bipolaarinen transistori seuraavassa kuvassa (yksinkertaistettu kaavio).

Kuvassa näkyy tasotransistorin rakenne - kiteinen alusta jäähdyttää tehokkaasti keräimen. Lisäksi valmistettiin tasomainen pnp -transistori.

Bipolaarisen transistorin graafiset symbolit on esitetty seuraavassa kuvassa.

Nämä UGO: t ovat kansainvälisiä ja ovat myös voimassa GOST 2.730-73: n mukaisesti.

Transistorin kytkentäpiirit

Yleensä bipolaarista transistoria käytetään aina suorassa yhteydessä - FE -liitoksen käänteinen napaisuus ei anna mitään mielenkiintoista. Suorakytkentäkaaviossa on kolme kytkentäkaaviota: yhteinen lähetin (OE), yhteinen keräilijä (OK) ja yhteinen kanta (OB). Kaikki kolme sulkeumaa on esitetty alla. Ne selittävät vain itse toimintaperiaatteen - jos oletetaan, että toimintapiste on jollakin tavalla lisävirtalähteen tai apupiirin avulla muodostettu. Pii -transistorin (Si) avaamiseksi on välttämätöntä, että emitterin ja emäksen välillä on ~ 0,6 V: n potentiaali, ja ~ 0,3 V riittää germaniumille.

Yhteinen säteilijä

Jännite U1 aiheuttaa virran Ib, kollektorivirta Ic on yhtä suuri kuin kantavirta kerrottuna β: lla. Tällöin + E-jännitteen tulee olla riittävän suuri: 5V-15V. Tämä piiri vahvistaa virtaa ja jännitettä hyvin, joten tehoa. Lähtösignaali on vaiheessa päinvastainen kuin tulosignaali (käänteinen). Tätä käytetään digitaalitekniikassa EI -funktiona.

Jos transistori ei toimi avaintilassa, vaan pienten signaalien vahvistimena (aktiivinen tai lineaarinen tila), jännite U asetetaan valitsemalla perusvirta₂ yhtä suuri kuin E / 2, jotta lähtösignaali ei vääristy. Tätä sovellusta käytetään esimerkiksi vahvistettaessa audiosignaaleja huippuluokan vahvistimissa, joissa on vähäinen vääristymä ja sen seurauksena alhainen hyötysuhde.

Yhteinen keräilijä

Jännitteen suhteen OK -piiri ei vahvistu, tässä vahvistus on α ~ 1. Siksi tätä piiriä kutsutaan emitterin seuraajaksi. Virta emitteripiirissä on β + 1 kertaa suurempi kuin peruspiirissä. Tämä piiri vahvistaa hyvin virtaa ja sillä on alhainen lähtö ja erittäin suuri tuloimpedanssi. (On aika muistaa, että transistoria kutsutaan vastamuuntajaksi.)

Emitterin seuraajalla on ominaisuuksia ja suorituskykyominaisuuksia, jotka soveltuvat erittäin hyvin oskilloskooppianturille. Se käyttää valtavaa tuloimpedanssiaan ja alhaista lähtöimpedanssiaan, mikä sopii hyvin pienimpedanssiseen kaapeliin.

Yhteinen pohja

Tällä piirillä on pienin tuloimpedanssi, mutta sen nykyinen vahvistus on α. Yhteinen peruspiiri vahvistaa hyvin jännitettä, mutta ei tehoa. Sen ominaisuus on kapasitanssipalautteen vaikutuksen poistaminen (eff. Miller). OB -portaat ovat ihanteellisia vahvistimien tulovaiheina RF -poluilla, jotka on sovitettu pienille 50 ja 75 ohmin impedansseille.

Kaskadit, joilla on yhteinen pohja, käytetään erittäin laajalti mikroaaltotekniikassa, ja niiden käyttö radioelektroniikassa, jossa on emitterin seuraajakaskadi, on hyvin yleistä.

Kaksi pääkäyttötapaa

Erota toimintatavat "pienen" ja "suuren" signaalin avulla. Ensimmäisessä tapauksessa bipolaarinen transistori toimii pienellä osalla sen ominaisuuksia, ja tätä käytetään analogisessa tekniikassa. Tällaisissa tapauksissa signaalien lineaarinen vahvistaminen ja alhainen kohina ovat tärkeitä. Tämä on lineaarinen tila.

Toisessa tapauksessa (avaintila) bipolaarinen transistori toimii täydellä alueella - kylläisyydestä katkaisuun, kuten avain. Tämä tarkoittaa sitä, että jos katsot p-n-liitoksen I-V-ominaisuutta, sinun on asetettava pieni käänteinen kanta ja emitteri välille transistorin tukkeutumiseksi kokonaan jännitettä ja täydellistä avaamista varten, kun transistori siirtyy kyllästystilaan, lisää hieman perusvirtaa pieneen signaaliin verrattuna -tilaan. Sitten transistori toimii kuin pulssikytkin. Tätä tilaa käytetään kytkentä- ja virtalaitteissa, sitä käytetään virtalähteiden kytkemiseen. Tällaisissa tapauksissa he yrittävät saavuttaa lyhyen transistorien kytkentäajan.

Digitaaliselle logiikalle on ominaista väliasento "suurten" ja "pienten" signaalien välillä. Alhainen logiikkataso on rajoitettu 10%: iin syöttöjännitteestä ja korkea logiikkataso 90%: iin. Aikaviiveet ja vaihtaminen yleensä lyhenevät rajaan. Tämä toimintatapa on avainasemassa, mutta teho pidetään minimissä. Mikä tahansa looginen elementti on avain.

Muuntyyppiset transistorit

Jo kuvatut transistorien päätyypit eivät rajoita niiden suunnittelua. Tuotetaan komposiittitransistoreita (Darlington -piiri). Niiden β on erittäin suuri ja yhtä suuri kuin kummankin transistorin kertoimien tulo, joten niitä kutsutaan myös ”superbetatransistoreiksi”.

Sähkötekniikka on jo oppinut eristetyn portin bipolaaritransistorin (IGBT), jossa on eristetty portti. Kenttävaikutransistorin portti on todellakin eristetty kanavastaan. Totta, on kysymys sen tulokapasitanssin lataamisesta kytkennän aikana, joten se ei voi tehdä ilman virtaa.

Tällaisia ​​transistoreita käytetään tehokkaissa virtakytkimissä: pulssimuuntimissa, inverttereissä jne. Tulossa IGBT: t ovat erittäin herkkiä kenttätransistorien porttien suuren vastuksen vuoksi. Lähdössä - ne mahdollistavat valtavien virtojen vastaanottamisen ja voidaan valmistaa suurjännitteelle. Esimerkiksi Yhdysvalloissa on uusi aurinkovoimala, jossa tällaiset siltapiirin transistorit ladataan tehokkaille muuntajille, jotka antavat energiaa teollisuusverkolle.

Lopuksi toteamme, että transistorit ovat yksinkertaisesti sanottuna kaiken nykyaikaisen elektroniikan "työhevonen". Niitä käytetään kaikkialla: sähkövetureista matkapuhelimiin. Jokainen moderni tietokone koostuu käytännössä vain transistoreista. Transistorien fyysiset perusteet ymmärretään hyvin ja ne lupaavat paljon uusia edistysaskeleita.

Aiheeseen liittyviä materiaaleja:

• Mikä on diodisilta - yksinkertainen selitys
• Mikä on vastus ja mihin se on tarkoitettu sähköpiirissä
• Mikä on transistoritesteri ja mitä se mittaa