Bipolarni tranzistori: uređaj, princip rada, sklopni krugovi

Riječ "tranzistor" sastoji se od riječi TRANSfer i otpornik - pretvarač otpora. Zamijenio je svjetiljke početkom 1950 -ih. Ovo je trovodni uređaj koji se koristi za pojačavanje i prebacivanje u elektroničkim krugovima. Pridjev "bipolarni" (tranzistor s bipolarnim spojem) koristi se za razlikovanje od tranzistora s efektom polja (FET). Princip rada bipolarnog tranzistora je korištenje dva p-n spoja, tvoreći barijerni sloj, koji omogućuje kontroliranje male struje bO.aktualnije. Bipolarni tranzistor koristi se i kao kontrolirani otpor i kao prekidač. Postoje dvije vrste tranzistora: pnp i npn.

P-N prijelaz

Germanij (Ge) i silicij (Si) su poluvodiči. Sada se uglavnom koristi silicij. Valencije Si i Ge su četiri. Stoga, ako u kristalnu rešetku silicija dodamo petovalentni arsen (As), dobit ćemo "dodatni" elektron, a ako dodamo trovalentni bor (B), dobit ćemo slobodno mjesto za elektron. U prvom slučaju govori se o "donorskom" materijalu koji daje elektrone, u drugom slučaju o "akceptorskom" materijalu koji prihvaća elektrone. Također, prva vrsta materijala naziva se N (negativna), a druga - P (pozitivna).

Ako se dovedu u dodir materijali tipa P i N, tada će između njih nastati struja i dinamika ravnoteža s područjem iscrpljivanja, gdje je koncentracija nosača naboja - elektrona i praznina ("rupe") - mali. Ovaj sloj je jednostrano vodljiv i čini osnovu uređaja zvanog dioda. Izravni kontakt materijala neće stvoriti kvalitativni prijelaz; nužna je fuzija (difuzija) ili "uključivanje" u kristal jona legure.

PNP tranzistor

Po prvi put bipolarni tranzistor napravljen je spajanjem kapi indija u kristal germanija (materijal n-tipa). Indij (In) je trovalentni metal, p-materijal. Stoga se takav tranzistor nazvao difuznim (fuzijskim), koji ima strukturu p-n-p (ili pnp). Bipolarni tranzistor na donjoj slici proizveden je 1965. godine. Tijelo mu je odrezano radi jasnoće.

Kristal germanija u središtu naziva se baza, a kapljice indija stopljene u njemu nazivaju se odašiljač i sakupljač. Prijelaze EB (emiter) i KB (kolektor) možete smatrati običnim diodama, ali prijelaz FE (kolektor-emiter) ima posebno svojstvo. Stoga nije moguće izraditi bipolarni tranzistor od dvije odvojene diode.

Ako se u pnp tranzistor primijeni napon od nekoliko volti između kolektora (-) i emitera (+), u krug će teći vrlo slaba struja, nekoliko μA. Ako zatim primijenite mali (otvorni) napon između baze ( -) i emitera (+) - za germanij to je oko 0,3 V (a za silicij 0,6 V) - tada će struja određene veličine teći od odašiljača do baza. No, budući da je baza vrlo tanka, brzo će postati zasićena rupama ("izgubit će" svoj višak elektrona, koji će otići u odašiljač). Budući da je odašiljač jako dopiran vodljivošću rupe i u lagano dopiranoj bazi, rekombinacija elektrona malo kasni, tada značajno bO.Većina struje ići će od odašiljača do kolektora. Kolektor je veći od emitera i lagano je dopiran, što mu omogućuje da ima bO.veći probojni napon (U_{uzorci. CE} > U_{uzorci. EB}). Također, budući da se glavni dio rupa rekombinira u kolektoru, zagrijava se više od ostalih elektroda uređaja.

Postoji omjer između struja kolektora i emitera:

Obično α leži u rasponu od 0,85-0,999 i obrnuto ovisi o debljini baze. Ta se vrijednost naziva koeficijent prijenosa struje emitera. U praksi se češće koristi recipročna vrijednost (također označena kao h_21e):

Ovo je omjer prijenosa osnovne struje, jedan od najvažnijih parametara bipolarnog tranzistora. Često u praksi određuje pojačavačka svojstva.

Pnp tranzistor naziva se tranzistor za provođenje prema naprijed. No postoji i druga vrsta tranzistora čija struktura savršeno nadopunjuje pnp u krugovima.

NPN tranzistor

Bipolarni tranzistor može imati kolektor emitera materijala N-tipa. Tada je baza izrađena od materijala tipa P. I u ovom slučaju, npn tranzistor radi točno kao i pnp tranzistor, osim polariteta - radi se o tranzistoru obrnutog provođenja.

Tranzistori na bazi silicija nadjačavaju sve druge vrste bipolarnih tranzistora. Donatorski materijal za kolektor i emiter može biti As, koji ima "dodatni" elektron. Promijenila se i tehnologija proizvodnje tranzistora. Sada su ravni, što omogućuje upotrebu litografije i izradu integriranih sklopova. Na donjoj slici prikazan je ravni bipolarni tranzistor (kao dio integriranog kruga pri velikom povećanju). I tranzistori pnp i npn, uključujući i moćne, proizvedeni su planarnom tehnologijom. Rafting je već prekinut.

Ravan bipolarni tranzistor sa rasjekom na sljedećoj slici (pojednostavljeni dijagram).

Na slici je prikazano koliko je dobar dizajn ravnog tranzistora - kolektor se učinkovito hladi kristalnom podlogom. Proizveden je i ravan pnp tranzistor.

Grafički simboli bipolarnog tranzistora prikazani su na sljedećoj slici.

Ovi UGO-i su međunarodni i također vrijede u skladu s GOST 2.730-73.

Sklopni krugovi tranzistora

Obično se bipolarni tranzistor uvijek koristi u izravnoj vezi - obrnuti polaritet na FE spoju ne daje ništa zanimljivo. Za dijagram izravne veze postoje tri sheme povezivanja: zajednički odašiljač (OE), zajednički kolektor (OK) i zajednička baza (OB). Sve tri inkluzije prikazane su dolje. Oni objašnjavaju samo sam princip rada - ako pretpostavimo da je radna točka na neki način, uz pomoć dodatnog izvora napajanja ili pomoćnog kruga, uspostavljena. Za otvaranje silicijskog tranzistora (Si) potrebno je imati potencijal ~ 0,6 V između emitera i baze, a za germanij je dovoljno ~ 0,3 V.

Uobičajeni emiter

Napon U1 uzrokuje struju Ib, struja kolektora Ic jednaka je osnovnoj struji pomnoženoj s β. U tom slučaju napon + E trebao bi biti dovoljno velik: 5V-15V. Ovaj krug dobro pojačava struju i napon, dakle snagu. Izlazni signal je fazno suprotan od ulaznog signala (obrnut). To se koristi u digitalnoj tehnologiji kao funkcija NOT.

Ako tranzistor ne radi u ključnom načinu rada, već kao pojačalo malih signala (aktivni ili linearni način), tada se odabirom osnovne struje postavlja napon U₂ jednak E / 2 tako da se izlazni signal ne izobliči. Ova se aplikacija koristi, na primjer, za pojačavanje audio signala u vrhunskim pojačalima, s niskim izobličenjem i, kao rezultat toga, niskom učinkovitošću.

Zajednički sakupljač

Što se tiče napona, OK krug se ne pojačava, ovdje je dobitak α ~ 1. Stoga se ovaj krug naziva sljedbenik emitera. Struja u odašiljačkom krugu je β + 1 puta veća nego u osnovnom krugu. Ovaj krug dobro pojačava struju i ima nisku izlaznu i vrlo visoku ulaznu impedanciju. (Vrijeme je da se sjetite da se tranzistor naziva otpornički transformator.)

Sljedbenik emitera ima svojstva i karakteristike vrlo prikladne za sonde osciloskopa. Koristi svoju ogromnu ulaznu impedanciju i nisku izlaznu impedanciju, što je dobro za usklađivanje s kablom niske impedancije.

Zajednička baza

Ovaj krug ima najmanju ulaznu impedanciju, ali je njegov trenutni dobitak α. Uobičajeni osnovni krug dobro pojačava napon, ali ne i snagu. Njegova je značajka uklanjanje učinka povratne sprege kapacitivnosti (eff. Mlinar). OB stupnjevi su idealni kao ulazni stupnjevi pojačala u RF stazama usklađenim pri niskim impedancijama od 50 i 75 ohma.

Kaskade sa zajedničkom bazom vrlo su široko korištene u mikrovalnoj tehnologiji, a njihova primjena u radio elektronici s kaskadom s emitera sljedbenika vrlo je česta.

Dva glavna načina rada

Razlikovati načine rada pomoću "malog" i "velikog" signala. U prvom slučaju, bipolarni tranzistor radi na malom dijelu svojih karakteristika, a to se koristi u analognoj tehnologiji. U takvim slučajevima važno je linearno pojačanje signala i niska razina buke. Ovo je linearni način rada.

U drugom slučaju (način rada s ključem) bipolarni tranzistor radi u cijelom rasponu - od zasićenja do prekida, poput ključa. To znači da ako pogledate I-V karakteristiku p-n spoja, trebali biste primijeniti mali obrat između baze i emitera kako biste potpuno blokirali tranzistor napona, a za potpuno otvaranje, kada tranzistor pređe u način zasićenja, malo povećajte osnovnu struju, u usporedbi s malim signalom načinu rada. Tada tranzistor radi poput impulsnog prekidača. Ovaj način rada koristi se u sklopnim i napajačkim uređajima, koristi se za prebacivanje napajanja. U takvim slučajevima pokušavaju postići kratko vrijeme uključivanja tranzistora.

Digitalnu logiku karakterizira srednji položaj između "velikih" i "malih" signala. Niska logička razina ograničena je na 10% napona napajanja, a visoka logička razina ograničena je na 90%. Vremenska odgode i prebacivanje nastoje se smanjiti do krajnjih granica. Ovaj način rada je ključan, ali se ovdje nastoji smanjiti snaga. Svaki logički element je ključ.

Druge vrste tranzistora

Već opisane glavne vrste tranzistora ne ograničavaju njihov dizajn. Proizvode se kompozitni tranzistori (Darlingtonovo kolo). Njihov β je vrlo velik i jednak je umnošku koeficijenata oba tranzistora, pa se nazivaju i "superbeta" tranzistorima.

Elektrotehnika je već svladala bipolarni tranzistor s izoliranim vratima (IGBT), s izoliranim vratima. Vrata tranzistora s efektom polja doista su izolirana od njegova kanala. Istina, postavlja se pitanje punjenja ulaznog kapaciteta tijekom prebacivanja, pa ni ovdje ne može bez struje.

Takvi se tranzistori koriste u snažnim prekidačima napajanja: pretvaračima impulsa, pretvaračima itd. Na ulazu su IGBT-i vrlo osjetljivi, zbog velikog otpora vrata tranzistora s efektom polja. Na izlazu - omogućuju primanje velikih struja i mogu se proizvesti za visoki napon. Na primjer, u Sjedinjenim Državama postoji nova solarna elektrana, gdje su takvi tranzistori u krugu mosta opterećeni snažnim transformatorima koji daju energiju industrijskoj mreži.

Zaključno, napominjemo da su tranzistori, jednostavno rečeno, "radni konj" sve moderne elektronike. Koriste se posvuda: od električnih lokomotiva do mobitela. Svako moderno računalo sastoji se praktički samo od tranzistora. Fizički temelji rada tranzistora dobro su razumljivi i obećavaju još mnogo novih dostignuća.

Povezani materijali:

• Što je diodni most - jednostavno objašnjenje
• Što je otpornik i čemu služi u električnom krugu
• Čemu služi tranzistorski tester i što mjeri