Bipoliniai tranzistoriai: įrenginys, veikimo principas, perjungimo grandinės

Žodį „tranzistorius“ sudaro žodžiai TRANSfer ir rezistorius - atsparumo keitiklis. Jis pakeitė lempas šeštojo dešimtmečio pradžioje. Tai trijų laidų įtaisas, naudojamas stiprinti ir perjungti elektroninėse grandinėse. Būdvardis „bipolinis“ (bipolinis sandūros tranzistorius) naudojamas jį atskirti nuo lauko efekto tranzistorių (FET). Bipolinio tranzistoriaus veikimo principas yra naudoti dvi p-n jungtis, sudarančias barjerinį sluoksnį, kuris leidžia mažai srovei valdyti bOlabiau dabartinis. Bipolinis tranzistorius naudojamas ir kaip valdomas pasipriešinimas, ir kaip jungiklis. Yra dviejų tipų tranzistoriai: pnp ir npn.

P-N perėjimas

Germanas (Ge) ir silicis (Si) yra puslaidininkiai. Dabar daugiausia naudojamas silicis. Si ir Ge valentai yra keturi. Todėl, jei į silicio kristalinę gardelę pridėsime penkiavalentį arseną (As), gausime „papildomą“ elektroną, o jei pridėsime trivalenčio boro (B), gausime laisvą vietą elektronui. Pirmuoju atveju kalbama apie „donorinę“ medžiagą, kuri suteikia elektronus, antruoju atveju - apie „akceptorinę“ medžiagą, kuri priima elektronus. Taip pat pirmoji medžiagos rūšis vadinama N (neigiama), o antroji - P (teigiama).

Jei susidursite su P ir N tipo medžiagomis, tarp jų ir dinamikos atsiras srovė pusiausvyra su išeikvojimo regionu, kur krūvininkų koncentracija - elektronai ir laisvos vietos („skylės“) - mažas. Šis sluoksnis yra vienašališkai laidus ir sudaro prietaiso, vadinamo diodu, pagrindą. Tiesioginis medžiagų kontaktas nesukels kokybinio perėjimo; susiliejimas (difuzija) arba „prijungimas“ prie priedų jonų kristalo vakuume yra būtinas.

PNP tranzistorius

Pirmą kartą bipolinis tranzistorius buvo pagamintas lydant indžio lašus į germanio kristalą (n tipo medžiagą). Indis (In) yra trivalentė metalo p tipo medžiaga. Todėl toks tranzistorius buvo vadinamas difuziniu (susiliejimu), turinčiu p-n-p (arba pnp) struktūrą. Žemiau esančiame paveikslėlyje esantis bipolinis tranzistorius buvo pagamintas 1965 m. Aiškumo dėlei jo kūnas nupjautas.

Centre esantis germanio kristalas vadinamas pagrindu, o į jį sulydyti indžio lašai - spinduliuotė ir surinkėja. Perėjimus EB (emitteris) ir KB (kolektorius) galite laikyti įprastais diodais, tačiau perėjimas FE (kolektorius-emitteris) turi ypatingą savybę. Todėl iš dviejų atskirų diodų neįmanoma pagaminti bipolinio tranzistoriaus.

Jei pnp tranzistoriuje tarp kolektoriaus (-) ir emiterio (+) įtvirtinama kelių voltų įtampa, grandinėje tekės labai silpna srovė, keli μA. Jei tada germaniui pritaikysite nedidelę (atidarymo) įtampą tarp pagrindo ( -) ir emiterio (+) tai yra apie 0,3 V (ir silicio 0,6 V) - tada iš emiterio į tam tikrą dydį tekės srovė bazė. Bet kadangi pagrindas yra labai plonas, jis greitai bus prisotintas skylių (jis „praras“ savo elektronų perteklių, kuris pateks į spinduolį). Kadangi spinduolis yra stipriai legiruotas skylių laidumu ir lengvai legiruotu pagrindu, elektronų rekombinacija šiek tiek vėluoja, tada žymiai bODidžioji srovės dalis eina iš emiterio į kolektorių. Kolektorius yra didesnis už emiterį ir yra lengvai legiruotas, o tai leidžia turėti bOdidesnė įtampa (U_{pavyzdžiai. CE} > U_{pavyzdžiai. EB}). Be to, kadangi pagrindinė skylių dalis rekombinuojasi kolektoriuje, ji įkaista daugiau nei likę prietaiso elektrodai.

Yra santykis tarp kolektoriaus ir emiterio srovių:

Paprastai α yra 0,85–0,999 ir atvirkščiai priklauso nuo pagrindo storio. Ši vertė vadinama emiterio srovės perdavimo koeficientu. Praktiškai dažniau naudojamas abipusis (taip pat žymimas kaip h_21e):

Tai yra bazinis srovės perdavimo santykis, vienas iš svarbiausių bipolinio tranzistoriaus parametrų. Jis dažnai nustato stiprinimo savybes praktikoje.

Pnp tranzistorius vadinamas priekinio laidumo tranzistoriumi. Tačiau yra ir kitas tranzistorių tipas, kurio struktūra puikiai papildo pnp grandinėse.

NPN tranzistorius

Bipolinis tranzistorius gali turėti N tipo medžiagos emiterio kolektorių. Tada pagrindas pagamintas iš P tipo medžiagos. Ir šiuo atveju npn tranzistorius veikia tiksliai kaip pnp tranzistorius, išskyrus poliškumą - tai atvirkštinio laidumo tranzistorius.

Silicio pagrindu pagaminti tranzistoriai užgožia visų kitų tipų bipolinius tranzistorius. Kolektoriaus ir emiterio donoro medžiaga gali būti As, turinti „papildomą“ elektroną. Pasikeitė ir tranzistorių gamybos technologija. Dabar jie yra plokšti, o tai leidžia naudoti litografiją ir gaminti integrinius grandynus. Žemiau esančiame paveikslėlyje pavaizduotas plokštuminis bipolinis tranzistorius (kaip didelio padidinimo integruoto grandyno dalis). Tiek pnp, tiek npn tranzistoriai, įskaitant galingus, gaminami naudojant plokštuminę technologiją. Plaukimas plaustais jau buvo nutrauktas.

Sekcijinis plokščiasis bipolinis tranzistorius pateiktas paveikslėlyje (supaprastinta schema).

Paveikslėlyje parodyta, koks yra plokštuminio tranzistoriaus dizainas - kolektorių efektyviai aušina kristalinis substratas. Taip pat buvo pagamintas plokštuminis pnp tranzistorius.

Grafiniai bipolinio tranzistoriaus simboliai parodyti šiame paveikslėlyje.

Šie UGO yra tarptautiniai ir taip pat galioja pagal GOST 2.730-73.

Tranzistorių perjungimo grandinės

Paprastai bipolinis tranzistorius visada naudojamas tiesioginiu ryšiu - atvirkštinis FE sankryžos poliškumas nesuteikia nieko įdomaus. Tiesioginio prijungimo schemoje yra trys prijungimo schemos: bendras emitteris (OE), bendras kolektorius (OK) ir bendras pagrindas (OB). Visi trys intarpai parodyti žemiau. Jie paaiškina tik patį veikimo principą - jei darytume prielaidą, kad veikimo taškas yra kaip nors, naudojant papildomą maitinimo šaltinį arba pagalbinę grandinę, yra nustatytas. Norint atidaryti silicio tranzistorių (Si), būtina, kad tarp emiterio ir pagrindo būtų ~ 0,6 V potencialas, o germaniui pakanka ~ 0,3 V.

Bendras skleidėjas

Įtampa U1 sukelia srovę Ib, kolektoriaus srovė Ic yra lygi bazinei srovei, padaugintai iš β. Tokiu atveju + E įtampa turėtų būti pakankamai didelė: 5V-15V. Ši grandinė gerai padidina srovę ir įtampą, taigi ir galią. Išėjimo signalas fazėje yra priešingas įvesties signalui (apverstas). Tai naudojama skaitmeninėse technologijose kaip NE funkcija.

Jei tranzistorius neveikia rakto režimu, bet kaip mažų signalų stiprintuvas (aktyvus arba linijinis režimas), tada, pasirinkus bazinę srovę, nustatoma įtampa U₂ lygus E / 2, kad išvesties signalas nebūtų iškraipytas. Ši programa naudojama, pavyzdžiui, stiprinant garso signalus aukščiausios klasės stiprintuvuose, esant mažam iškraipymui ir dėl to mažam efektyvumui.

Bendras kolektorius

Kalbant apie įtampą, OK grandinė nepadidėja, čia stiprinimas yra α ~ 1. Todėl ši grandinė vadinama emiterio sekėju. Srovė emiterio grandinėje yra β + 1 kartus didesnė nei bazinėje grandinėje. Ši grandinė gerai sustiprina srovę ir turi mažą išėjimą bei labai didelę įėjimo varžą. (Laikas prisiminti, kad tranzistorius vadinamas pasipriešinimo transformatoriumi.)

Emiteris turi savybių ir eksploatacinių savybių, labai tinkamų osciloskopo zondams. Jis naudoja didžiulę įėjimo varžą ir mažą išėjimo varžą, o tai tinka derinti su mažos varžos kabeliu.

Bendra bazė

Ši grandinė turi mažiausią įėjimo varžą, tačiau jos srovės stipris yra α. Įprasta bazinė grandinė stiprina įtampą, bet ne galią. Jo ypatybė yra pašalinti talpos grįžtamojo ryšio efektą (pvz. Milleris). OB pakopos idealiai tinka kaip stiprintuvų įvesties pakopos RF keliuose, suderintos esant mažoms 50 ir 75 omų varžoms.

Kaskados, turinčios bendrą pagrindą, yra labai plačiai naudojamos mikrobangų technologijoje, o jų taikymas radijo elektronikoje su spinduliuotės sekimo kaskadu yra labai paplitęs.

Du pagrindiniai darbo režimai

Skirkite darbo režimus naudodami „mažą“ ir „didelį“ signalą. Pirmuoju atveju bipolinis tranzistorius veikia nedidelę jo charakteristikų dalį, ir tai naudojama analoginėje technologijoje. Tokiais atvejais svarbus linijinis signalų stiprinimas ir mažas triukšmas. Tai yra linijinis režimas.

Antruoju atveju (klavišo režimas) bipolinis tranzistorius veikia visu diapazonu - nuo prisotinimo iki atjungimo, kaip raktas. Tai reiškia, kad jei pažvelgsite į p-n sankryžos I-V charakteristiką, tarp pagrindo ir emiterio turėtumėte taikyti nedidelį atvirkštinį režimą, kad visiškai užblokuotumėte tranzistorių įtampa, o norint visiškai atidaryti, kai tranzistorius pereina į prisotinimo režimą, šiek tiek padidinkite bazinę srovę, palyginti su mažo signalo režimu. Tada tranzistorius veikia kaip impulsinis jungiklis. Šis režimas naudojamas perjungimo ir maitinimo įtaisuose, jis naudojamas maitinimo šaltiniams perjungti. Tokiais atvejais jie bando pasiekti trumpą tranzistorių perjungimo laiką.

Skaitmeninei logikai būdinga tarpinė padėtis tarp „didelių“ ir „mažų“ signalų. Žemas loginis lygis yra apribotas iki 10% maitinimo įtampos, o aukštas - iki 90%. Laiko vėlavimas ir perjungimas paprastai sutrumpinami iki ribos. Šis veikimo būdas yra esminis, tačiau čia siekiama sumažinti galią. Bet koks loginis elementas yra raktas.

Kiti tranzistorių tipai

Pagrindiniai jau aprašyti tranzistorių tipai neriboja jų konstrukcijos. Gaminami sudėtiniai tranzistoriai (Darlingtono grandinė). Jų β yra labai didelis ir lygus abiejų tranzistorių koeficientų sandaugai, todėl jie taip pat vadinami „superbeta“ tranzistoriais.

Elektros inžinerija jau įvaldė izoliuotą vartų bipolinį tranzistorių (IGBT) su izoliuotais vartais. Lauko efekto tranzistoriaus vartai iš tikrųjų yra izoliuoti nuo jo kanalo. Tiesa, kyla klausimas, kaip perkrauti jo įvesties talpą perjungimo metu, todėl ir čia negali išsiversti be srovės.

Tokie tranzistoriai naudojami galinguose maitinimo jungikliuose: impulsų keitikliuose, inverteriuose ir kt. Įvestyje IGBT yra labai jautrūs dėl didelio lauko tranzistorių vartų atsparumo. Išeinant - jie leidžia gauti didžiulių srovių ir gali būti pagaminti aukštai įtampai. Pavyzdžiui, JAV yra nauja saulės jėgainė, kurioje tokie tranzistoriai tilto grandinėje yra apkraunami galingais transformatoriais, kurie suteikia energijos pramoniniam tinklui.

Pabaigoje pažymime, kad tranzistoriai, paprastai tariant, yra visos šiuolaikinės elektronikos „darbinis arkliukas“. Jie naudojami visur: nuo elektrinių lokomotyvų iki mobiliųjų telefonų. Bet kurį šiuolaikinį kompiuterį sudaro praktiškai visi tranzistoriai. Fiziniai tranzistorių veikimo pagrindai yra gerai suprantami ir žada daug daugiau naujų laimėjimų.

Susijusios medžiagos:

• Kas yra diodinis tiltas - paprastas paaiškinimas
• Kas yra rezistorius ir kam jis skirtas elektros grandinėje
• Kam skirtas tranzistorius ir ką jis matuoja