Transistor bipolar: perangkat, prinsip operasi, sirkuit switching

Kata "transistor" terdiri dari kata TRANSfer dan resistor - konverter resistansi. Ini menggantikan lampu di awal 1950-an. Ini adalah perangkat tiga-lead yang digunakan untuk amplifikasi dan switching di sirkuit elektronik. Kata sifat "bipolar" (transistor sambungan bipolar) digunakan untuk membedakannya dari transistor efek medan (FET). Prinsip operasi transistor bipolar adalah menggunakan dua sambungan p-n, membentuk lapisan penghalang, yang memungkinkan arus kecil untuk mengontrol bHAIlebih terkini. Transistor bipolar digunakan baik sebagai resistansi terkontrol dan sebagai sakelar. Ada dua jenis transistor: pnp dan npn.

Transisi P-N

Germanium (Ge) dan silikon (Si) adalah semikonduktor. Silikon sekarang terutama digunakan. Valensi Si dan Ge adalah empat. Oleh karena itu, jika kita menambahkan arsenik (As) pentavalen ke kisi kristal silikon, kita mendapatkan elektron "ekstra", dan jika kita menambahkan boron trivalen (B), kita mendapatkan tempat kosong untuk elektron. Dalam kasus pertama, seseorang berbicara tentang bahan "donor" yang memberikan elektron, dalam kasus kedua, tentang bahan "akseptor" yang menerima elektron. Juga, jenis bahan pertama disebut N (negatif), dan yang kedua - P (positif).

Jika bahan tipe P dan N dikontakkan, maka akan timbul arus di antara keduanya dan dinamika keseimbangan dengan daerah penipisan, di mana konsentrasi pembawa muatan - elektron dan kekosongan ("lubang") - kecil. Lapisan ini secara sepihak konduktif dan membentuk dasar dari perangkat yang disebut dioda. Kontak langsung bahan tidak akan menciptakan transisi kualitatif; fusi (difusi) atau "penancapan" ke dalam kristal ion dopan dalam ruang hampa diperlukan.

Transistor PNP

Untuk pertama kalinya, transistor bipolar dibuat dengan menggabungkan tetes indium ke dalam kristal germanium (bahan tipe-n). Indium (In) adalah logam trivalen, bahan tipe-p. Oleh karena itu, transistor semacam itu disebut difus (fusi), memiliki struktur p-n-p (atau pnp). Transistor bipolar pada gambar di bawah ini diproduksi pada tahun 1965. Tubuhnya dipotong untuk kejelasan.

Kristal germanium di tengah disebut basa, dan tetesan indium yang menyatu ke dalamnya disebut emitor dan kolektor. Anda dapat menganggap transisi EB (emitor) dan KB (kolektor) sebagai dioda biasa, tetapi transisi FE (kolektor-emitor) memiliki sifat khusus. Oleh karena itu, tidak mungkin membuat transistor bipolar dari dua dioda yang terpisah.

Jika tegangan beberapa volt diterapkan dalam transistor pnp antara kolektor (-) dan emitor (+), arus yang sangat lemah, beberapa A, akan mengalir di sirkuit. Jika Anda kemudian menerapkan tegangan (pembukaan) kecil antara basis (-) dan emitor (+) - untuk germanium itu sekitar 0,3 V (dan untuk silikon 0,6 V) - maka arus dengan besaran tertentu akan mengalir dari emitor ke basis. Tetapi karena alasnya dibuat sangat tipis, ia akan dengan cepat menjadi jenuh dengan lubang (ia akan "kehilangan" kelebihan elektronnya, yang akan masuk ke emitor). Karena emitor didoping berat dengan konduktivitas lubang, dan dalam basa yang didoping ringan, rekombinasi elektron sedikit tertunda, maka secara signifikan bHAISebagian besar arus akan mengalir dari emitor ke kolektor. Kolektor dibuat lebih besar dari emitor dan didoping ringan, yang memungkinkannya memiliki bHAItegangan tembus yang lebih tinggi (U_{sampel. CE} > U_{sampel. EB}). Juga, karena bagian utama lubang bergabung kembali di kolektor, ia memanas lebih dari elektroda perangkat lainnya.

Ada perbandingan antara arus kolektor dan emitor:

Biasanya terletak pada kisaran 0,85-0,999 dan berbanding terbalik dengan ketebalan alas. Nilai ini disebut koefisien transfer arus emitor. Dalam prakteknya, timbal balik lebih sering digunakan (juga dilambangkan sebagai h_21e):

Ini adalah rasio transfer arus basis, salah satu parameter terpenting dari transistor bipolar. Dia sering menentukan sifat penguatan dalam praktik.

Transistor pnp disebut transistor konduksi maju. Tetapi ada juga jenis transistor lain, yang strukturnya secara sempurna melengkapi pnp di sirkuit.

transistor NPN

Transistor bipolar mungkin memiliki kolektor emitor material tipe-N. Kemudian alasnya terbuat dari bahan tipe-P. Dan dalam hal ini, transistor npn bekerja persis seperti transistor pnp, kecuali untuk polaritas - ini adalah transistor konduksi terbalik.

Transistor berbasis silikon membanjiri semua jenis transistor bipolar lainnya. Bahan donor untuk kolektor dan emitor dapat berupa As, yang memiliki elektron “ekstra”. Teknologi pembuatan transistor juga telah berubah. Sekarang mereka adalah planar, yang memungkinkan untuk menggunakan litografi dan membuat sirkuit terpadu. Gambar di bawah menunjukkan transistor bipolar planar (sebagai bagian dari sirkuit terpadu pada perbesaran tinggi). Baik transistor pnp dan npn, termasuk yang kuat, diproduksi menggunakan teknologi planar. Arung jeram sudah dihentikan.

Transistor bipolar planar cutaway pada gambar berikut (diagram yang disederhanakan).

Gambar menunjukkan seberapa baik desain transistor planar - kolektor didinginkan secara efektif oleh substrat kristal. Transistor pnp planar juga diproduksi.

Simbol grafis transistor bipolar ditunjukkan pada gambar berikut.

UGO ini bersifat internasional dan juga berlaku sesuai dengan GOST 2.730-73.

Sirkuit switching transistor

Biasanya, transistor bipolar selalu digunakan dalam koneksi langsung - polaritas terbalik pada persimpangan FE tidak memberikan sesuatu yang menarik. Untuk diagram koneksi langsung, ada tiga skema koneksi: common emitter (OE), common collector (OK), dan common base (OB). Ketiga inklusi ditunjukkan di bawah ini. Mereka hanya menjelaskan prinsip operasi itu sendiri - jika kita berasumsi bahwa titik operasi entah bagaimana, dengan bantuan sumber daya tambahan atau sirkuit tambahan, ditetapkan. Untuk membuka transistor silikon (Si), perlu memiliki potensi ~ 0,6 V antara emitor dan basis, dan untuk germanium, ~ 0,3 V sudah cukup.

emitor bersama

Tegangan U1 menyebabkan arus Ib, arus kolektor Ic sama dengan arus basis dikalikan. Dalam hal ini, tegangan + E harus cukup besar: 5V-15V. Sirkuit ini menguatkan arus dan tegangan dengan baik, karenanya daya. Sinyal keluaran berlawanan fasa dengan sinyal masukan (terbalik). Ini digunakan dalam teknologi digital sebagai fungsi NOT.

Jika transistor tidak beroperasi dalam mode kunci, tetapi sebagai penguat sinyal kecil (mode aktif atau linier), maka dengan memilih arus basis, tegangan U diatur₂ sama dengan E/2 agar sinyal keluaran tidak terdistorsi. Aplikasi ini digunakan, misalnya, saat memperkuat sinyal audio di amplifier kelas atas, dengan distorsi rendah dan, akibatnya, efisiensi rendah.

Kolektor umum

Dalam hal tegangan, rangkaian OK tidak diperkuat, di sini penguatannya adalah ~ 1. Oleh karena itu, rangkaian ini disebut pengikut emitor. Arus pada rangkaian emitor adalah + 1 kali lebih besar dari pada rangkaian basis. Rangkaian ini menguatkan arus dengan baik dan memiliki keluaran yang rendah dan impedansi masukan yang sangat tinggi. (Sudah waktunya untuk mengingat bahwa transistor disebut transformator resistansi.)

Pengikut emitor memiliki sifat dan karakteristik kinerja yang sangat cocok untuk probe osiloskop. Ini menggunakan impedansi input yang besar dan impedansi output yang rendah, yang baik untuk dicocokkan dengan kabel impedansi rendah.

Basis umum

Sirkuit ini memiliki impedansi input terendah, tetapi gain arusnya adalah. Sirkuit basis umum menguatkan dengan baik dalam tegangan, tetapi tidak dalam daya. Fiturnya adalah penghapusan efek umpan balik kapasitansi (eff. Tukang giling). Tahap OB ideal sebagai tahap input amplifier di jalur RF yang cocok pada impedansi rendah 50 dan 75 ohm.

Kaskade dengan basis umum sangat banyak digunakan dalam teknologi gelombang mikro dan aplikasinya dalam elektronik radio dengan kaskade pengikut emitor sangat umum.

Dua mode operasi utama

Bedakan antara mode operasi menggunakan sinyal "kecil" dan "besar". Dalam kasus pertama, transistor bipolar beroperasi pada sebagian kecil karakteristiknya, dan ini digunakan dalam teknologi analog. Dalam kasus seperti itu, penguatan sinyal linier dan noise rendah adalah penting. Ini adalah mode linier.

Dalam kasus kedua (mode kunci), transistor bipolar beroperasi dalam jangkauan penuh - dari saturasi hingga cutoff, seperti kunci. Ini berarti bahwa jika Anda melihat karakteristik I-V dari sambungan p-n, Anda harus menerapkan kebalikan kecil antara basis dan emitor untuk sepenuhnya memblokir transistor. tegangan, dan untuk pembukaan penuh, ketika transistor masuk ke mode saturasi, sedikit meningkatkan arus basis, dibandingkan dengan sinyal kecil mode. Kemudian transistor bekerja seperti saklar pulsa. Mode ini digunakan dalam switching dan perangkat daya, digunakan untuk mengganti catu daya. Dalam kasus seperti itu, mereka mencoba untuk mencapai waktu peralihan transistor yang singkat.

Logika digital dicirikan oleh posisi perantara antara sinyal "besar" dan "kecil". Level logika rendah dibatasi hingga 10% dari tegangan suplai, dan level logika tinggi dibatasi hingga 90%. Waktu tunda dan peralihan cenderung dikurangi hingga batasnya. Mode operasi ini adalah kuncinya, tetapi daya dijaga seminimal mungkin. Setiap elemen logis adalah kuncinya.

Jenis transistor lainnya

Jenis utama transistor yang telah dijelaskan tidak membatasi desainnya. Transistor komposit diproduksi (sirkuit Darlington). mereka sangat besar dan sama dengan produk koefisien kedua transistor, oleh karena itu mereka juga disebut transistor "superbeta".

Teknik elektro sudah menguasai transistor bipolar gerbang terisolasi (IGBT), dengan gerbang terisolasi. Gerbang transistor efek medan memang terisolasi dari salurannya. Benar, ada pertanyaan tentang mengisi ulang kapasitansi inputnya selama switching, jadi di sini juga tidak dapat dilakukan tanpa arus.

Transistor semacam itu digunakan dalam sakelar daya yang kuat: konverter pulsa, inverter, dll. Pada input, IGBT sangat sensitif, karena resistansi tinggi dari gerbang transistor efek medan. Di jalan keluar - mereka memungkinkan untuk menerima arus besar dan dapat diproduksi untuk tegangan tinggi. Misalnya, di Amerika Serikat ada pembangkit listrik tenaga surya baru, di mana transistor semacam itu di sirkuit jembatan dimuat pada transformator kuat yang memberi energi ke jaringan industri.

Sebagai kesimpulan, kami mencatat bahwa transistor, secara sederhana, adalah "pekerja keras" dari semua elektronik modern. Mereka digunakan di mana-mana: dari lokomotif listrik hingga ponsel. Setiap komputer modern terdiri dari hampir semua transistor. Fondasi fisik dari operasi transistor dipahami dengan baik dan menjanjikan lebih banyak kemajuan baru.

Bahan terkait:

• Apa itu jembatan dioda - penjelasan sederhana
• Apa itu resistor dan apa kegunaannya dalam rangkaian listrik?
• Untuk apa tester transistor dan untuk apa mengukurnya?