Bipolaire transistoren: apparaat, werkingsprincipe, schakelcircuits

Het woord "transistor" bestaat uit de woorden TRANSfer en resISTOR - weerstandsomzetter. Het verving lampen in de vroege jaren 1950. Dit is een apparaat met drie afleidingen dat wordt gebruikt voor versterking en omschakeling in elektronische circuits. Het adjectief "bipolair" (bipolaire junctietransistor) wordt gebruikt om het te onderscheiden van veldeffecttransistoren (FET's). Het werkingsprincipe van een bipolaire transistor is om twee pn-overgangen te gebruiken, die een barrièrelaag vormen, waardoor een kleine stroom bOmeer actueel. De bipolaire transistor wordt zowel als gecontroleerde weerstand als als schakelaar gebruikt. Er zijn twee soorten transistoren: pnp en npn.

P-N overgang

Germanium (Ge) en silicium (Si) zijn halfgeleiders. Nu wordt vooral silicium gebruikt. De valenties van Si en Ge zijn vier. Daarom, als we vijfwaardig arseen (As) toevoegen aan het kristalrooster van silicium, krijgen we een "extra" elektron, en als we driewaardig boor (B) toevoegen, krijgen we een lege plaats voor een elektron. In het eerste geval spreekt men van een 'donor'-materiaal dat elektronen afgeeft, in het tweede geval van een 'acceptor'-materiaal dat elektronen opneemt. Ook wordt het eerste type materiaal N (negatief) genoemd en de tweede - P (positief).

Als materialen van het P- en N-type met elkaar in contact worden gebracht, ontstaat er een stroom tussen hen en een dynamiek evenwicht met het uitputtingsgebied, waar de concentratie van ladingsdragers - elektronen en vacatures ("gaten") - klein. Deze laag is eenzijdig geleidend en vormt de basis van een apparaat dat een diode wordt genoemd. Direct contact van materialen zorgt niet voor een hoogwaardige overgang; fusie (diffusie) of "pluggen" in het kristal van doteringsionen in een vacuüm is noodzakelijk.

PNP-transistor

Voor het eerst werd een bipolaire transistor gemaakt door indiumdruppels te smelten tot een germaniumkristal (n-type materiaal). Indium (In) is een driewaardig metaal, p-type materiaal. Daarom werd zo'n transistor diffuus (fusie) genoemd, met een p-n-p (of pnp) -structuur. De bipolaire transistor in de onderstaande afbeelding werd vervaardigd in 1965. Zijn lichaam is afgesneden voor de duidelijkheid.

Het germaniumkristal in het midden wordt de basis genoemd en de indiumdruppels die erin zijn gefuseerd, worden de emitter en collector genoemd. De overgangen EB (emitter) en KB (collector) kun je beschouwen als gewone diodes, maar de overgang FE (collector-emitter) heeft een bijzondere eigenschap. Daarom is het niet mogelijk om van twee afzonderlijke diodes een bipolaire transistor te maken.

Als in een pnp-transistor tussen de collector (-) en de emitter (+) een spanning van enkele volts wordt aangelegd, zal er een zeer zwakke stroom, enkele μA, in de schakeling vloeien. Als je dan een kleine (openings)spanning aanbrengt tussen de basis (-) en de emitter (+) - voor germanium het is ongeveer 0,3 V (en voor silicium 0,6 V) - dan zal er een stroom van een bepaalde grootte van de zender naar baseren. Maar omdat de basis erg dun is gemaakt, zal deze snel verzadigd raken met gaten (het zal zijn overmaat aan elektronen "verliezen", die naar de emitter gaan). Omdat de emitter zwaar gedoteerd is met gatengeleiding, en in een licht gedoteerde basis, is de elektronenrecombinatie enigszins vertraagd, dan aanzienlijk bODe meeste stroom gaat van de emitter naar de collector. De collector is groter gemaakt dan de emitter en is licht gedoteerd, waardoor hij b. kan hebbenOhogere doorslagspanning (U_{monsters. CE} > U_{monsters. EB}). Omdat het grootste deel van de gaten opnieuw wordt gecombineerd in de collector, warmt het meer op dan de rest van de elektroden van het apparaat.

Er is een verhouding tussen de collector- en emitterstromen:

Gewoonlijk ligt α in het bereik van 0,85-0,999 en hangt omgekeerd af van de dikte van de basis. Deze waarde wordt de emitterstroomoverdrachtscoëfficiënt genoemd. In de praktijk wordt het omgekeerde vaker gebruikt (ook wel aangeduid als h_21e):

Dit is de basisstroomoverdrachtsverhouding, een van de belangrijkste parameters van een bipolaire transistor. Vaak bepaalt hij de versterkende eigenschappen in de praktijk.

Een pnp-transistor wordt een voorwaartse geleidingstransistor genoemd. Maar er is ook een ander type transistor, waarvan de structuur perfect aansluit bij pnp in circuits.

NPN-transistor

De bipolaire transistor kan een emittercollector van N-type materiaal hebben. Dan is de basis gemaakt van P-type materiaal. En in dit geval werkt de npn-transistor precies zoals de pnp-transistor, behalve de polariteit - het is een omgekeerde geleidingstransistor.

Op silicium gebaseerde transistors overweldigen alle andere soorten bipolaire transistors. Het donormateriaal voor de collector en emitter kan As zijn, dat een "extra" elektron heeft. De technologie voor het vervaardigen van transistors is ook veranderd. Nu zijn ze vlak, wat het mogelijk maakt om lithografie te gebruiken en geïntegreerde schakelingen te maken. De afbeelding hieronder toont een vlakke bipolaire transistor (als onderdeel van een geïntegreerde schakeling met hoge vergroting). Zowel pnp- als npn-transistors, inclusief krachtige, worden vervaardigd met behulp van planaire technologie. Het raften is al gestaakt.

Een opengewerkte vlakke bipolaire transistor in de volgende afbeelding (vereenvoudigd diagram).

De afbeelding laat zien hoe goed het ontwerp van de planaire transistor is - de collector wordt effectief gekoeld door het kristalsubstraat. Een planaire pnp-transistor werd ook vervaardigd.

De grafische symbolen van de bipolaire transistor worden weergegeven in de volgende afbeelding.

Deze UGO's zijn internationaal en zijn ook geldig in overeenstemming met GOST 2.730-73.

Transistorschakelcircuits

Gewoonlijk wordt een bipolaire transistor altijd in directe verbinding gebruikt - de omgekeerde polariteit op de FE-junctie geeft niets interessants. Voor een direct aansluitschema zijn er drie aansluitschema's: een gemeenschappelijke emitter (OE), een gemeenschappelijke collector (OK) en een gemeenschappelijke basis (OB). Alle drie de insluitsels worden hieronder weergegeven. Ze verklaren alleen het werkingsprincipe zelf - als we aannemen dat het werkpunt op de een of andere manier wordt vastgesteld met behulp van een extra stroombron of een hulpcircuit. Om een ​​siliciumtransistor (Si) te openen, is een potentiaal van ~ 0,6 V nodig tussen de emitter en de basis, en ~ 0,3 V is voldoende voor germanium.

Gemeenschappelijke zender

De spanning U1 veroorzaakt de stroom Ib, de collectorstroom Ic is gelijk aan de basisstroom vermenigvuldigd met β. In dit geval moet de + E spanning groot genoeg zijn: 5V-15V. Deze schakeling versterkt stroom en spanning goed, dus vermogen. Het uitgangssignaal is in fase tegengesteld aan het ingangssignaal (geïnverteerd). Dit wordt in de digitale technologie gebruikt als een NIET-functie.

Als de transistor niet in de sleutelmodus werkt, maar als een versterker van kleine signalen (actieve of lineaire modus), dan wordt door de basisstroom te selecteren de spanning U ingesteld₂ gelijk aan E/2 zodat het uitgangssignaal niet vervormd wordt. Deze toepassing wordt bijvoorbeeld gebruikt bij het versterken van audiosignalen in high-end versterkers, met een lage vervorming en daardoor een laag rendement.

Gemeenschappelijke verzamelaar

In termen van spanning versterkt het OK-circuit niet, hier is de versterking α ~ 1. Daarom wordt dit circuit een emittervolger genoemd. De stroom in het emittercircuit is β + 1 keer groter dan in het basiscircuit. Deze schakeling versterkt de stroom goed en heeft een laag uitgangsvermogen en een zeer hoge ingangsimpedantie. (Het is tijd om te onthouden dat een transistor een weerstandstransformator wordt genoemd.)

De emittervolger heeft eigenschappen en prestatiekenmerken die zeer geschikt zijn voor oscilloscoopsondes. Het gebruikt zijn enorme ingangsimpedantie en lage uitgangsimpedantie, wat goed is voor het matchen met een kabel met lage impedantie.

gemeenschappelijke basis

Dit circuit heeft de laagste ingangsimpedantie, maar de stroomversterking is α. Een gemeenschappelijk basiscircuit versterkt goed in spanning, maar niet in vermogen. Het kenmerk is de eliminatie van het effect van capaciteitsfeedback (eff. Molenaar). De OB-trappen zijn ideaal als ingangstrappen van versterkers in RF-paden die zijn afgestemd op lage impedanties van 50 en 75 ohm.

Cascades met een gemeenschappelijke basis worden veel gebruikt in de microgolftechnologie en hun toepassing in radio-elektronica met een emittervolger-cascade is heel gebruikelijk.

Twee hoofdmodi:

Maak onderscheid tussen de werkingsmodi met behulp van "klein" en "groot" signaal. In het eerste geval werkt een bipolaire transistor op een klein deel van zijn karakteristieken, en dit wordt gebruikt in analoge technologie. In dergelijke gevallen zijn lineaire versterking van signalen en weinig ruis belangrijk. Dit is een lineaire modus.

In het tweede geval (sleutelmodus) werkt de bipolaire transistor in het volledige bereik - van verzadiging tot afsnijding, als een sleutel. Dit betekent dat als je naar de I-V-karakteristiek van de pn-overgang kijkt, je een kleine omgekeerde beweging moet toepassen tussen de basis en de emitter om de transistor volledig te blokkeren spanning, en voor volledige opening, wanneer de transistor in de verzadigingsmodus gaat, verhoogt u de basisstroom enigszins in vergelijking met het kleine signaal modus. Dan werkt de transistor als een pulsschakelaar. Deze modus wordt gebruikt in schakel- en voedingsapparaten, het wordt gebruikt voor het schakelen van voedingen. In dergelijke gevallen proberen ze een korte schakeltijd van transistoren te realiseren.

Digitale logica wordt gekenmerkt door een tussenpositie tussen "grote" en "kleine" signalen. Een laag logisch niveau is beperkt tot 10% van de voedingsspanning en een hoog logisch niveau is beperkt tot 90%. Tijdvertragingen en schakelen worden tot het uiterste beperkt. Deze manier van werken is de sleutel, maar het vermogen wordt hier geminimaliseerd. Elk logisch element is een sleutel.

Andere soorten transistors

De belangrijkste typen transistors die al zijn beschreven, beperken hun ontwerp niet. Er worden samengestelde transistoren geproduceerd (Darlington-circuit). Hun β is erg groot en is gelijk aan het product van de coëfficiënten van beide transistoren, daarom worden ze ook wel "superbeta"-transistoren genoemd.

De elektrotechniek heeft de bipolaire transistor met geïsoleerde poort (IGBT) al onder de knie, met een geïsoleerde poort. De poort van de veldeffecttransistor is inderdaad geïsoleerd van zijn kanaal. Toegegeven, er is sprake van het opladen van zijn ingangscapaciteit tijdens het schakelen, dus ook hier kan hij niet zonder stroom.

Dergelijke transistors worden gebruikt in krachtige vermogensschakelaars: pulsomvormers, omvormers, enz. Aan de ingang zijn IGBT's erg gevoelig, vanwege de hoge weerstand van de poorten van de veldeffecttransistoren. Op weg naar buiten - ze maken het mogelijk om enorme stromen te ontvangen en kunnen worden vervaardigd voor hoogspanning. Zo is er in de Verenigde Staten een nieuwe zonne-energiecentrale, waar dergelijke transistoren in een brugschakeling worden geladen op krachtige transformatoren die energie leveren aan het industriële net.

Concluderend merken we op dat transistors, in eenvoudige bewoordingen, het "werkpaard" zijn van alle moderne elektronica. Ze worden overal gebruikt: van elektrische locomotieven tot mobiele telefoons. Elke moderne computer bestaat uit praktisch alle transistors. De fysieke fundamenten van transistorwerking zijn goed begrepen en beloven nog veel meer nieuwe ontwikkelingen.

Gerelateerde materialen:

• Wat is een diodebrug - een eenvoudige uitleg?
• Wat is een weerstand en waar dient deze voor in een elektrisch circuit?
• Waar is een transistortester voor en wat meet hij?