Transistor bipolari: dispositivo, principio di funzionamento, circuiti di commutazione

La parola "transistor" è composta dalle parole TRANSfer e resISTOR - convertitore di resistenza. Ha sostituito le lampade nei primi anni '50. È un dispositivo a tre conduttori utilizzato per l'amplificazione e la commutazione nei circuiti elettronici. L'aggettivo "bipolare" (transistor bipolare a giunzione) viene utilizzato per distinguerlo dai transistor ad effetto di campo (FET). Il principio di funzionamento di un transistor bipolare consiste nell'utilizzare due giunzioni p-n, formando uno strato barriera, che consente a una piccola corrente di controllare bohpiù attuale. Il transistor bipolare viene utilizzato sia come resistenza controllata che come interruttore. Esistono due tipi di transistor: pnp e npn.

Transizione P-N

Il germanio (Ge) e il silicio (Si) sono semiconduttori. Il silicio è ora utilizzato principalmente. Le valenze di Si e Ge sono quattro. Pertanto, se aggiungiamo l'arsenico pentavalente (As) al reticolo cristallino del silicio, otteniamo un elettrone "extra" e se aggiungiamo boro trivalente (B), otteniamo un posto libero per un elettrone. Nel primo caso si parla di materiale “donatore” che cede elettroni, nel secondo caso di materiale “accettore” che accetta elettroni. Inoltre, il primo tipo di materiale è chiamato N (negativo) e il secondo - P (positivo).

Se materiali di tipo P e N vengono messi in contatto, allora si creerà una corrente tra loro e una dinamica equilibrio con la regione di esaurimento, dove la concentrazione di portatori di carica - elettroni e vacanze ("buchi") - piccolo. Questo strato è unilateralmente conduttivo e costituisce la base di un dispositivo chiamato diodo. Il contatto diretto dei materiali non creerà una transizione qualitativa; è necessaria la fusione (diffusione) o "collegamento" nel cristallo di ioni droganti nel vuoto.

Transistor PNP

Per la prima volta è stato realizzato un transistor bipolare fondendo gocce di indio in un cristallo di germanio (materiale di tipo n). L'indio (In) è un metallo trivalente, materiale di tipo p. Pertanto, un tale transistor è stato chiamato diffuso (fusione), avente una struttura p-n-p (o pnp). Il transistor bipolare nella figura sotto è stato prodotto nel 1965. Il suo corpo è tagliato per chiarezza.

Il cristallo di germanio al centro è chiamato base e le gocce di indio fuse in esso sono chiamate emettitore e collettore. Puoi considerare le transizioni EB (emettitore) e KB (collettore) come diodi ordinari, ma la transizione FE (collettore-emettitore) ha una proprietà speciale. Pertanto, non è possibile realizzare un transistor bipolare da due diodi separati.

Se viene applicata una tensione di diversi volt in un transistor pnp tra il collettore (-) e l'emettitore (+), nel circuito scorrerà una corrente molto debole, alcuni μA. Se poi si applica una piccola tensione (di apertura) tra la base (-) e l'emettitore (+) - per il germanio è di circa 0,3 V (e per il silicio 0,6 V) - quindi una corrente di una certa grandezza scorrerà dall'emettitore a base. Ma poiché la base è molto sottile, si saturerà rapidamente di buchi (perderà il suo eccesso di elettroni, che andrà all'emettitore). Poiché l'emettitore è fortemente drogato con conduttività della lacuna e in una base leggermente drogata, la ricombinazione elettronica è leggermente ritardata, quindi significativamente bohLa maggior parte della corrente andrà dall'emettitore al collettore. Il collettore è più grande dell'emettitore ed è leggermente drogato, il che gli consente di avere bohmaggiore tensione di rottura (U_{campioni. CE} > U_{campioni. EB}). Inoltre, poiché la parte principale dei fori si ricombina nel collettore, si riscalda più del resto degli elettrodi del dispositivo.

Esiste un rapporto tra le correnti di collettore ed emettitore:

Di solito α si trova nell'intervallo 0,85-0,999 e dipende inversamente dallo spessore della base. Questo valore è chiamato coefficiente di trasferimento della corrente dell'emettitore. In pratica si usa più spesso il reciproco (indicato anche come h_21e):

Questo è il rapporto di trasferimento della corrente di base, uno dei parametri più importanti di un transistor bipolare. Spesso determina le proprietà di amplificazione nella pratica.

Un transistor pnp è chiamato transistor a conduzione diretta. Ma esiste anche un altro tipo di transistor, la cui struttura integra perfettamente il pnp nei circuiti.

Transistor NPN

Il transistor bipolare può avere un collettore emettitore di materiale di tipo N. Quindi la base è realizzata in materiale di tipo P. E in questo caso, il transistor npn funziona esattamente come il transistor pnp, ad eccezione della polarità: è un transistor a conduzione inversa.

I transistor a base di silicio sopraffanno tutti gli altri tipi di transistor bipolari. Il materiale donatore per il collettore e l'emettitore può essere As, che ha un elettrone "extra". Anche la tecnologia di produzione dei transistor è cambiata. Ora sono planari, il che rende possibile utilizzare la litografia e realizzare circuiti integrati. L'immagine sotto mostra un transistor bipolare planare (come parte di un circuito integrato ad alto ingrandimento). Entrambi i transistor pnp e npn, compresi quelli potenti, sono prodotti utilizzando la tecnologia planare. Il rafting è già stato interrotto.

Un transistor bipolare planare in sezione nella figura seguente (schema semplificato).

L'immagine mostra quanto sia buono il design del transistor planare: il collettore viene efficacemente raffreddato dal substrato di cristallo. È stato anche prodotto un transistor pnp planare.

I simboli grafici del transistor bipolare sono mostrati nella figura seguente.

Questi UGO sono internazionali e sono validi anche in conformità con GOST 2.730-73.

Circuiti di commutazione a transistor

Di solito, un transistor bipolare viene sempre utilizzato in connessione diretta: la polarità inversa sulla giunzione FE non dà nulla di interessante. Per uno schema di collegamento diretto, esistono tre schemi di collegamento: un emettitore comune (OE), un collettore comune (OK) e una base comune (OB). Tutte e tre le inclusioni sono mostrate di seguito. Spiegano solo il principio di funzionamento stesso - se assumiamo che il punto operativo sia in qualche modo stabilito, con l'aiuto di una fonte di alimentazione aggiuntiva o di un circuito ausiliario. Per aprire un transistor al silicio (Si), è necessario avere un potenziale di ~ 0,6 V tra l'emettitore e la base e ~ 0,3 V è sufficiente per il germanio.

Emettitore comune

La tensione U1 provoca la corrente Ib, la corrente di collettore Ic è uguale alla corrente di base moltiplicata per. In questo caso, la tensione + E dovrebbe essere abbastanza grande: 5V-15V. Questo circuito amplifica bene corrente e tensione, quindi potenza. Il segnale di uscita è in fase opposta al segnale di ingresso (invertito). Questo è usato nella tecnologia digitale come una funzione NOT.

Se il transistor non funziona in modalità chiave, ma come amplificatore di piccoli segnali (modalità attiva o lineare), quindi selezionando la corrente di base, viene impostata la tensione U₂ uguale a E/2 in modo che il segnale in uscita non venga distorto. Questa applicazione viene utilizzata, ad esempio, quando si amplificano segnali audio in amplificatori di fascia alta, con bassa distorsione e, di conseguenza, bassa efficienza.

Collezionista comune

In termini di tensione, il circuito OK non amplifica, qui il guadagno è α ~ 1. Pertanto, questo circuito è chiamato follower dell'emettitore. La corrente nel circuito dell'emettitore è β + 1 volte maggiore rispetto al circuito di base. Questo circuito amplifica bene la corrente e ha un'uscita bassa e un'impedenza di ingresso molto alta. (È tempo di ricordare che un transistor è chiamato trasformatore di resistenza.)

Il follower dell'emettitore ha proprietà e caratteristiche prestazionali molto adatte per le sonde degli oscilloscopi. Utilizza la sua enorme impedenza di ingresso e bassa impedenza di uscita, che è buona per l'abbinamento con un cavo a bassa impedenza.

Base comune

Questo circuito ha l'impedenza di ingresso più bassa, ma il suo guadagno di corrente è α. Un circuito di base comune amplifica bene in tensione, ma non in potenza. La sua caratteristica è l'eliminazione dell'effetto della retroazione capacitiva (eff. Mugnaio). Gli stadi OB sono ideali come stadi di ingresso di amplificatori in percorsi RF abbinati a basse impedenze di 50 e 75 ohm.

Le cascate con una base comune sono molto utilizzate nella tecnologia a microonde e la loro applicazione nell'elettronica radio con una cascata emettitore follower è molto comune.

Due principali modalità di funzionamento

Distinguere tra le modalità di funzionamento utilizzando il segnale "piccolo" e "grande". Nel primo caso, un transistor bipolare opera su una piccola parte delle sue caratteristiche, e questo viene utilizzato nella tecnologia analogica. In tali casi, sono importanti l'amplificazione lineare dei segnali e il basso rumore. Questa è una modalità lineare.

Nel secondo caso (modalità chiave), il transistor bipolare opera nell'intera gamma, dalla saturazione al taglio, come una chiave. Ciò significa che se osservi la caratteristica I-V della giunzione p-n, dovresti applicare un piccolo inverso tra la base e l'emettitore per bloccare completamente il transistor tensione, e per l'apertura completa, quando il transistor va in modalità di saturazione, aumentare leggermente la corrente di base, rispetto al piccolo segnale modalità. Quindi il transistor funziona come un interruttore a impulsi. Questa modalità viene utilizzata nei dispositivi di commutazione e alimentazione, viene utilizzata per la commutazione degli alimentatori. In tali casi, cercano di ottenere un breve tempo di commutazione dei transistor.

La logica digitale è caratterizzata da una posizione intermedia tra segnali “grandi” e “piccoli”. Un livello logico basso è limitato al 10% della tensione di alimentazione e un livello logico alto è limitato al 90%. I ritardi e le commutazioni tendono a essere ridotti al limite. Questa modalità di funzionamento è fondamentale, ma qui si cerca di ridurre al minimo la potenza. Qualsiasi elemento logico è una chiave.

Altri tipi di transistor

I principali tipi di transistor già descritti non limitano il loro design. Vengono prodotti transistor compositi (circuito Darlington). Il loro β è molto grande ed è uguale al prodotto dei coefficienti di entrambi i transistor, quindi sono anche chiamati transistor “superbeta”.

L'ingegneria elettrica ha già padroneggiato il transistor bipolare a gate isolato (IGBT), con un gate isolato. Il gate del transistor ad effetto di campo è infatti isolato dal suo canale. È vero, si tratta di ricaricare la sua capacità di ingresso durante la commutazione, quindi non può fare a meno della corrente.

Tali transistor sono utilizzati in potenti interruttori di alimentazione: convertitori di impulsi, inverter, ecc. All'ingresso, gli IGBT sono molto sensibili, a causa dell'elevata resistenza dei gate dei transistor ad effetto di campo. All'uscita, consentono di ricevere enormi correnti e possono essere fabbricati per l'alta tensione. Ad esempio, negli Stati Uniti esiste una nuova centrale solare, in cui tali transistor in un circuito a ponte vengono caricati su potenti trasformatori che forniscono energia alla rete industriale.

In conclusione, notiamo che i transistor, in termini semplici, sono il "cavallo di battaglia" di tutta l'elettronica moderna. Sono utilizzati ovunque: dalle locomotive elettriche ai telefoni cellulari. Qualsiasi computer moderno è costituito praticamente solo da transistor. Le basi fisiche del funzionamento dei transistor sono ben comprese e promettono molti altri nuovi progressi.

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