Bipolārie tranzistori: ierīce, darbības princips, komutācijas shēmas

Vārdu "tranzistors" veido vārdi TRANSfer un rezistors - pretestības pārveidotājs. 50. gadu sākumā tā nomainīja lampas. Tā ir trīs vadu ierīce, ko izmanto pastiprināšanai un pārslēgšanai elektroniskajās shēmās. Īpašības vārds "bipolārs" (bipolārs savienojuma tranzistors) tiek izmantots, lai to atšķirtu no lauka efektu tranzistoriem (FET). Bipolārā tranzistora darbības princips ir izmantot divus p-n savienojumus, veidojot barjeras slāni, kas ļauj nelielai strāvai kontrolēt bOaktuālāka. Bipolāro tranzistoru izmanto gan kā kontrolētu pretestību, gan kā slēdzi. Pastāv divu veidu tranzistori: pnp un npn.

P-N pāreja

Germānijs (Ge) un silīcijs (Si) ir pusvadītāji. Tagad galvenokārt izmanto silīciju. Si un Ge valences ir četras. Tāpēc, ja mēs pievienojam piecvērtīgo arsēnu (As) silīcija kristāla režģim, mēs iegūstam “papildu” elektronu, un, ja mēs pievienojam trīsvērtīgo boru (B), mēs iegūstam brīvu vietu elektronam. Pirmajā gadījumā tiek runāts par “donora” materiālu, kas dod elektronus, otrajā gadījumā - par “akceptora” materiālu, kas pieņem elektronus. Arī pirmo materiāla veidu sauc par N (negatīvs), bet otro - P (pozitīvs).

Ja saskaras P un N tipa materiāli, tad starp tiem un dinamiku radīsies strāva līdzsvars ar iztukšošanas reģionu, kur lādiņu nesēju koncentrācija - elektroni un vakances (“caurumi”) - mazs. Šis slānis ir vienpusēji vadošs un veido pamatu ierīcei, ko sauc par diodi. Materiālu tieša saskare neradīs kvalitatīvu pāreju; saplūšana (difūzija) vai “pievienošana” piedevu jonu kristālam vakuumā ir nepieciešama.

PNP tranzistors

Pirmo reizi tika izgatavots bipolārs tranzistors, kausējot indija pilienus germānija kristālā (n-veida materiāls). Indijs (In) ir trīsvērtīgs metāla p tipa materiāls. Tāpēc šādu tranzistoru sauca par difūzu (saplūšanu), kam bija p-n-p (vai pnp) struktūra. Zemāk redzamajā attēlā redzamais bipolārais tranzistors tika ražots 1965. gadā. Skaidrības labad tā korpuss ir nogriezts.

Centrā esošo germānija kristālu sauc par bāzi, un tajā sapludinātos indija pilienus sauc par izstarotāju un savācēju. Jūs varat uzskatīt pārejas EB (emitētājs) un KB (kolektors) par parastajām diodēm, bet pārejai FE (kolektors-emitētājs) ir īpaša īpašība. Tāpēc nav iespējams izgatavot bipolāru tranzistoru no divām atsevišķām diodēm.

Ja pnp tranzistorā starp kolektoru (-) un emitētāju (+) tiek pielikts vairāku voltu spriegums, ķēdē ieplūdīs ļoti vāja strāva, daži μA. Ja pēc tam germānijam pievienojat nelielu (atvēršanas) spriegumu starp pamatni ( -) un izstarotāju (+) tas ir aptuveni 0,3 V (un silīcijam 0,6 V) - tad no emitera līdz noteiktam lielumam plūdīs strāva bāze. Bet, tā kā pamatne ir ļoti plāna, tā ātri piesātinās ar caurumiem (tā “zaudēs” elektronu pārpalikumu, kas nonāks emitētājā). Tā kā emitētājs ir stipri leģēts ar caurumu vadītspēju un viegli leģētā bāzē, elektronu rekombinācija ir nedaudz aizkavējusies, tad ievērojami bOLielākā daļa strāvas nonāks no emitenta uz kolektoru. Kolektors ir izgatavots lielāks par izstarotāju un ir viegli leģēts, kas ļauj tam būt bOaugstāks sabrukšanas spriegums (U_{paraugi. CE} > U_{paraugi. EB}). Turklāt, tā kā galvenā caurumu daļa tiek apvienota kolektorā, tā uzsilst vairāk nekā pārējie ierīces elektrodi.

Pastāv attiecība starp kolektora un izstarotāja strāvām:

Parasti α ir robežās no 0,85-0,999 un apgriezti atkarīgs no pamatnes biezuma. Šo vērtību sauc par emitenta strāvas pārneses koeficientu. Praksē biežāk tiek izmantots abpusējs (apzīmēts arī kā h_21e):

Šī ir bāzes strāvas pārneses attiecība, kas ir viens no svarīgākajiem bipolārā tranzistora parametriem. Viņš praksē bieži nosaka pastiprinošās īpašības.

Pnp tranzistoru sauc par virzības uz priekšu tranzistoru. Bet ir arī cita veida tranzistori, kuru struktūra lieliski papildina shēmu pnp.

NPN tranzistors

Bipolārajam tranzistoram var būt N veida materiāla izstarotāja kolektors. Tad pamatne ir izgatavota no P veida materiāla. Un šajā gadījumā npn tranzistors darbojas tieši tāpat kā pnp tranzistors, izņemot polaritāti - tas ir reversās vadīšanas tranzistors.

Uz silīcija balstīti tranzistori pārspēj visus pārējos bipolāro tranzistoru veidus. Donora materiāls kolektoram un emitētājam var būt As, kuram ir “papildu” elektrons. Ir mainījusies arī tranzistoru ražošanas tehnoloģija. Tagad tie ir plakani, kas ļauj izmantot litogrāfiju un izgatavot integrālās shēmas. Zemāk redzamajā attēlā redzams plakans bipolārs tranzistors (kā daļa no integrētas shēmas ar lielu palielinājumu). Gan pnp, gan npn tranzistori, ieskaitot jaudīgos, tiek ražoti, izmantojot plakanu tehnoloģiju. Raftings jau ir pārtraukts.

Sekcijas plaknes bipolārais tranzistors nākamajā attēlā (vienkāršota diagramma).

Attēlā redzams, cik labi ir plānveida tranzistora dizains - kolektoru efektīvi atdzesē kristāla substrāts. Tika ražots arī plakans pnp tranzistors.

Bipolārā tranzistora grafiskie simboli ir parādīti nākamajā attēlā.

Šie UGO ir starptautiski un ir derīgi arī saskaņā ar GOST 2.730-73.

Tranzistora komutācijas shēmas

Parasti tiešā savienojumā vienmēr tiek izmantots bipolārs tranzistors - FE krustojuma apgrieztā polaritāte nedod neko interesantu. Tiešā savienojuma shēmai ir trīs savienojuma shēmas: kopējs emitētājs (OE), kopējs savācējs (OK) un kopēja bāze (OB). Visi trīs ieslēgumi ir parādīti zemāk. Tie izskaidro tikai pašu darbības principu - ja pieņemam, ka darbības punkts kaut kādā veidā tiek izveidots, izmantojot papildu barošanas avotu vai palīgķēdi. Lai atvērtu silīcija tranzistoru (Si), starp emitētāju un pamatni jābūt ~ 0,6 V potenciālam, un germānijam pietiek ar ~ 0,3 V.

Kopējs emitētājs

Spriegums U1 izraisa strāvu Ib, kolektora strāva Ic ir vienāda ar bāzes strāvu, kas reizināta ar β. Šajā gadījumā + E spriegumam jābūt pietiekami lielam: 5V-15V. Šī shēma labi pastiprina strāvu un spriegumu, tātad arī jaudu. Izejas signāls fāzē ir pretējs ieejas signālam (apgriezts). Tas tiek izmantots digitālajās tehnoloģijās kā NAV funkcija.

Ja tranzistors nedarbojas atslēgas režīmā, bet kā nelielu signālu pastiprinātājs (aktīvs vai lineārs režīms), tad, izvēloties bāzes strāvu, tiek iestatīts spriegums U₂ vienāds ar E / 2, lai izejas signāls netiktu izkropļots. Šo lietojumprogrammu izmanto, piemēram, pastiprinot audio signālus augstākās klases pastiprinātājos ar zemiem izkropļojumiem un līdz ar to zemu efektivitāti.

Parasts kolekcionārs

Sprieguma ziņā OK ķēde netiek pastiprināta, šeit pastiprinājums ir α ~ 1. Tāpēc šo ķēdi sauc par emitētāja sekotāju. Emitētāja ķēdē esošā strāva ir β + 1 reizes lielāka nekā bāzes ķēdē. Šī shēma labi pastiprina strāvu, un tai ir zema izeja un ļoti augsta ieejas pretestība. (Ir pienācis laiks atcerēties, ka tranzistoru sauc par pretestības transformatoru.)

Emitētāja sekotājam ir īpašības un veiktspējas īpašības, kas ir ļoti piemērotas osciloskopa zondēm. Tas izmanto milzīgo ieejas pretestību un zemo izejas pretestību, kas ir labi piemērota savienošanai ar zemas pretestības kabeli.

Kopēja bāze

Šai ķēdei ir zemākā ieejas pretestība, bet tās strāvas pieaugums ir α. Kopējā bāzes ķēde labi pastiprina spriegumu, bet ne jaudu. Tās iezīme ir kapacitātes atgriezeniskās saites efekta novēršana (eff. Millers). OB posmi ir ideāli piemēroti kā pastiprinātāju ieejas posmi RF ceļos, kas atbilst zemām pretestībām 50 un 75 omi.

Kaskādes ar kopēju bāzi ir ļoti plaši izmantotas mikroviļņu tehnoloģijās, un to pielietojums radioelektronikā ar emitētāja sekotāju kaskādi ir ļoti izplatīts.

Divi galvenie darbības režīmi

Atšķiriet darbības režīmus, izmantojot "mazu" un "lielu" signālu. Pirmajā gadījumā bipolārais tranzistors darbojas ar nelielu daļu no tā raksturlielumiem, un tas tiek izmantots analogā tehnoloģijā. Šādos gadījumos svarīga ir signālu lineāra pastiprināšana un zems trokšņa līmenis. Tas ir lineārs režīms.

Otrajā gadījumā (taustiņu režīms) bipolārais tranzistors darbojas visā diapazonā - no piesātinājuma līdz izslēgšanai, tāpat kā atslēga. Tas nozīmē, ka, aplūkojot p-n krustojuma I-V raksturlielumu, jums vajadzētu uzlikt nelielu reversu starp pamatni un emitētāju, lai pilnībā bloķētu tranzistoru spriegumam un pilnīgai atvēršanai, kad tranzistors nonāk piesātinājuma režīmā, nedaudz palieliniet bāzes strāvu, salīdzinot ar mazo signālu režīmu. Tad tranzistors darbojas kā impulsa slēdzis. Šo režīmu izmanto komutācijas un barošanas ierīcēs, to izmanto barošanas avotu pārslēgšanai. Šādos gadījumos viņi cenšas panākt īsu tranzistoru pārslēgšanās laiku.

Digitālo loģiku raksturo starpposma pozīcija starp “lieliem” un “maziem” signāliem. Zems loģikas līmenis ir ierobežots līdz 10% no barošanas sprieguma, un augsts loģikas līmenis ir ierobežots līdz 90%. Laika aizkavēšanās un pārslēgšanās parasti tiek samazināta līdz robežai. Šis darbības režīms ir galvenais, taču šeit tiek mēģināts samazināt jaudu. Jebkurš loģiskais elements ir atslēga.

Cita veida tranzistori

Galvenie jau aprakstīto tranzistoru veidi neierobežo to konstrukciju. Tiek ražoti kompozītmateriālu tranzistori (Dārlingtonas ķēde). To β ir ļoti liels un ir vienāds ar abu tranzistoru koeficientu reizinājumu, tāpēc tos sauc arī par “superbetas” tranzistoriem.

Elektrotehnika jau ir apguvusi izolēto vārtu bipolāro tranzistoru (IGBT) ar izolētiem vārtiem. Lauka efekta tranzistora vārti patiešām ir izolēti no tā kanāla. Tiesa, ir jautājums par tā ieejas kapacitātes uzlādi pārslēgšanās laikā, tāpēc arī šeit nevar iztikt bez strāvas.

Šādus tranzistorus izmanto jaudīgos strāvas slēdžos: impulsu pārveidotājos, invertoros utt. Pie ievades IGBT ir ļoti jutīgi, jo lauka efekta tranzistoru vārti ir ļoti izturīgi. Izbraucot - tie ļauj uztvert milzīgas strāvas un var tikt ražoti augstspriegumam. Piemēram, ASV ir jauna saules elektrostacija, kur šādi tranzistori tilta ķēdē tiek noslogoti uz jaudīgiem transformatoriem, kas dod enerģiju rūpnieciskajam tīklam.

Noslēgumā mēs atzīmējam, ka tranzistori, vienkāršā izteiksmē, ir visas mūsdienu elektronikas "darba zirgs". Tie tiek izmantoti visur: no elektriskām lokomotīvēm līdz mobilajiem tālruņiem. Jebkurš mūsdienu dators sastāv no praktiski visiem tranzistoriem. Tranzistora darbības fiziskie pamati ir labi saprotami un sola daudzus jaunus sasniegumus.

Saistītie materiāli:

• Kas ir diodes tilts - vienkāršs skaidrojums
• Kas ir rezistors un kam tas paredzēts elektriskajā ķēdē
• Kam paredzēts tranzistoru testeris un ko tas mēra