Bipolare transistorer: enhet, operasjonsprinsipp, koblingskretser

Ordet "transistor" består av ordene TRANSfer og resISTOR - motstandskonverter. Den erstattet lamper på begynnelsen av 1950 -tallet. Dette er en tre-leders enhet som brukes til forsterkning og innkobling av elektroniske kretser. Adjektivet "bipolar" (bipolar junction transistor) brukes for å skille den fra felt effekt transistorer (FET). Prinsippet for drift av en bipolar transistor er å bruke to p-n-kryss, som danner et barrieresjikt, som lar en liten strøm kontrollere bOmer nåværende. Den bipolare transistoren brukes både som kontrollert motstand og som bryter. Det er to typer transistorer: pnp og npn.

PN overgang

Germanium (Ge) og silisium (Si) er halvledere. Silisium brukes nå hovedsakelig. Valensene til Si og Ge er fire. Derfor, hvis vi legger pentavalent arsen (As) til krystallgitteret av silisium, får vi et "ekstra" elektron, og hvis vi legger til trivalent bor (B), får vi et ledig sted for et elektron. I det første tilfellet snakker man om et "donor" -materiale som gir elektroner, i det andre tilfellet, av et "akseptor" -materiale som godtar elektroner. Den første typen materiale kalles også N (negativ), og den andre - P (positiv).

Hvis materialer av P- og N -typer bringes i kontakt, vil det oppstå en strøm mellom dem og en dynamikk likevekt med uttømmingsregionen, der konsentrasjonen av ladningsbærere - elektroner og ledige plasser ("hull") - liten. Dette laget er ensidig ledende og danner grunnlaget for en enhet som kalles en diode. Direkte kontakt med materialer vil ikke skape en kvalitativ overgang; fusjon (diffusjon) eller "plugging" i krystallet av dopantioner i et vakuum er nødvendig.

PNP transistor

For første gang ble en bipolar transistor laget ved å smelte indiumdråper inn i en germaniumkrystall (n-type materiale). Indium (In) er et treverdig metall, p-type materiale. Derfor ble en slik transistor kalt diffus (fusjon), med en p-n-p (eller pnp) struktur. Den bipolare transistoren i figuren nedenfor ble produsert i 1965. Kroppen er avskåret for klarhet.

Germaniumkrystallet i midten kalles basen, og indiumdråpene smeltet inn i det kalles emitter og oppsamler. Du kan betrakte overgangene EB (emitter) og KB (kollektor) som vanlige dioder, men overgangen FE (samler-emitter) har en spesiell egenskap. Derfor er det ikke mulig å lage en bipolar transistor fra to separate dioder.

Hvis det påføres en spenning på flere volt i en pnp-transistor mellom kollektoren (-) og emitteren (+), vil en meget svak strøm, noen få μA, strømme i kretsen. Hvis du deretter bruker en liten (åpning) spenning mellom basen ( -) og emitteren (+) - for germanium det er omtrent 0,3 V (og for silisium 0,6 V) - da vil en strøm av en viss størrelse strømme fra senderen til utgangspunkt. Men siden basen er veldig tynn, vil den raskt bli mettet med hull (den vil "miste" overskuddet av elektroner, som går til senderen). Siden emitteren er sterkt dopet med hullledningsevne, og i en lett dopet base, blir elektronrekombinasjonen litt forsinket, da signifikant bODet meste av strømmen vil gå fra senderen til samleren. Samleren er gjort større enn emitteren og er lett dopet, noe som gjør at den kan ha bOhøyere nedbrytningsspenning (U_{prøver. CE} > U_{prøver. EB}). Siden hoveddelen av hullene rekombinerer i kollektoren, varmes den opp mer enn resten av enhetens elektroder.

Det er et forhold mellom samler- og emitterstrømmer:

Vanligvis ligger α i området 0,85-0,999 og avhengig av tykkelsen på basen. Denne verdien kalles emitter gjeldende overføringskoeffisient. I praksis brukes det gjensidige oftere (også betegnet som h_21e):

Dette er basisstrømoverføringsforholdet, en av de viktigste parameterne for en bipolar transistor. Han bestemmer ofte forsterkningsegenskapene i praksis.

En pnp -transistor kalles en foroverledningstransistor. Men det er også en annen type transistor, hvis struktur perfekt utfyller pnp i kretser.

NPN transistor

Den bipolare transistoren kan ha en N-type materialemittersamler. Deretter er basen laget av materiale av P-type. Og i dette tilfellet fungerer npn -transistoren nøyaktig som pnp -transistoren, bortsett fra polariteten - det er en omvendt ledningstransistor.

Silisiumbaserte transistorer overvelder alle andre typer bipolare transistorer. Donormaterialet til samleren og emitteren kan være As, som har et "ekstra" elektron. Teknologien for produksjon av transistorer har også endret seg. Nå er de plane, noe som gjør det mulig å bruke litografi og lage integrerte kretser. Bildet nedenfor viser en plan bipolar transistor (som en del av en integrert krets med høy forstørrelse). Både pnp og npn transistorer, inkludert kraftige, er produsert ved hjelp av plan teknologi. Rafting er allerede avviklet.

Tverrsnittsplan bipolar transistor i bildet nedenfor (forenklet diagram).

Bildet viser hvor godt utformingen av den plane transistoren er - kollektoren avkjøles effektivt av krystallsubstratet. En plan pnp -transistor ble også produsert.

De grafiske symbolene til den bipolare transistoren er vist i bildet nedenfor.

Disse UGOene er internasjonale og er også gyldige i henhold til GOST 2.730-73.

Transistorkoblingskretser

Vanligvis brukes alltid en bipolar transistor i direkte forbindelse - omvendt polaritet på FE -krysset gir ikke noe interessant. For et direkte tilkoblingsdiagram er det tre tilkoblingsordninger: en felles emitter (OE), en felles samler (OK) og en felles base (OB). Alle tre inneslutningene er vist nedenfor. De forklarer bare selve operasjonsprinsippet - hvis vi antar at driftspunktet på en eller annen måte er etablert ved hjelp av en ekstra strømkilde eller en hjelpekrets. For å åpne en silisiumtransistor (Si) er det nødvendig å ha et potensial på ~ 0,6 V mellom emitteren og basen, og for germanium er ~ 0,3 V nok.

Vanlig emitter

Spenningen U1 forårsaker strømmen Ib, kollektorstrømmen Ic er lik basestrømmen multiplisert med β. I dette tilfellet bør + E spenningen være stor nok: 5V-15V. Denne kretsen forsterker strøm og spenning godt, derav strøm. Utgangssignalet er i fase motsatt av inngangssignalet (invertert). Dette brukes i digital teknologi som en IKKE -funksjon.

Hvis transistoren ikke fungerer i nøkkelmodus, men som en forsterker av små signaler (aktiv eller lineær modus), blir spenningen U satt ved å velge basestrømmen₂ lik E / 2 slik at utgangssignalet ikke blir forvrengt. Denne applikasjonen brukes for eksempel når du forsterker lydsignaler i high-end forsterkere, med lav forvrengning og som et resultat, lav effektivitet.

Felles samler

Når det gjelder spenning, forsterkes ikke OK -kretsen, her er forsterkningen α ~ 1. Derfor kalles denne kretsen en emitterfølger. Strømmen i emitterkretsen er β + 1 ganger større enn i basiskretsen. Denne kretsen forsterker strømmen godt og har en lav utgang og veldig høy inngangsimpedans. (Det er på tide å huske at en transistor kalles en motstandstransformator.)

Emitterfølgeren har egenskaper og ytelsesegenskaper som er veldig egnet for oscilloskopprober. Den bruker sin enorme inngangsimpedans og lave utgangsimpedans, noe som er bra for å matche med en lavimpedans -kabel.

Felles base

Denne kretsen har den laveste inngangsimpedansen, men gjeldende forsterkning er α. En felles basekrets forsterker godt i spenning, men ikke i effekt. Funksjonen er eliminering av effekten av kapasitansfeedback (eff. Miller). OB -trinnene er ideelle som inngangstrinn for forsterkere i RF -baner tilpasset ved lave impedanser på 50 og 75 ohm.

Kaskader med en felles base er veldig mye brukt i mikrobølgeovnsteknologi, og deres anvendelse i radioelektronikk med en emitterfølgerkaskade er svært vanlig.

To hovedmoduser

Skill mellom driftsmåter ved å bruke "lite" og "stort" signal. I det første tilfellet opererer en bipolar transistor på en liten del av egenskapene, og dette brukes i analog teknologi. I slike tilfeller er lineær forsterkning av signaler og lav støy viktig. Dette er lineær modus.

I det andre tilfellet (nøkkelmodus) opererer den bipolare transistoren i hele området - fra metning til cutoff, som en nøkkel. Dette betyr at hvis du ser på IV-karakteristikken til p-n-krysset, bør du bruke en liten revers mellom basen og emitteren for å blokkere transistoren fullstendig spenning, og for full åpning, når transistoren går i metningsmodus, øker du basestrømmen litt, sammenlignet med det lille signalet modus. Da fungerer transistoren som en pulsbryter. Denne modusen brukes for bytte og strømforsyning, den brukes for å bytte strømforsyning. I slike tilfeller prøver de å oppnå en kort byttetid for transistorer.

Digital logikk er preget av en mellomliggende posisjon mellom "store" og "små" signaler. Et lavt logisk nivå er begrenset til 10% av forsyningsspenningen, og et høyt logisk nivå er begrenset til 90%. Tidsforsinkelser og bytte har en tendens til å bli redusert til grensen. Denne driftsmåten er nøkkelen, men strømmen holdes på et minimum. Ethvert logisk element er en nøkkel.

Andre typer transistorer

Hovedtypene av transistorer som allerede er beskrevet, begrenser ikke deres design. Sammensatte transistorer produseres (Darlington -krets). Deres β er veldig stor og er lik produktet av koeffisientene til begge transistorer, derfor kalles de også "superbeta" -transistorer.

Elektroteknikk har allerede mestret den isolerte gate bipolare transistoren (IGBT), med en isolert gate. Porten til felt-effekt-transistoren er faktisk isolert fra kanalen. Det er sant at det er et spørsmål om å lade inngangskapasitansen under bytte, så den kan ikke klare seg uten strøm.

Slike transistorer brukes i kraftige strømbrytere: pulsomformere, omformere, etc. Ved inngangen er IGBT-er veldig følsomme på grunn av den høye motstanden til portene til felt-effekt-transistorer. På utgangen - de gjør det mulig å motta enorme strømmer og kan produseres for høyspenning. For eksempel er det i USA et nytt solkraftverk, hvor slike transistorer i en brokrets lastes på kraftige transformatorer som gir energi til industrinettet.

Avslutningsvis bemerker vi at transistorer, enkelt sagt, er "arbeidshesten" for all moderne elektronikk. De brukes overalt: fra elektriske lokomotiver til mobiltelefoner. Enhver moderne datamaskin består av praktisk talt bare transistorer. Det fysiske grunnlaget for transistorer er godt forstått og lover mange flere nye fremskritt.

Relaterte materialer:

• Hva er en diodebro - en enkel forklaring
• Hva er en motstand og hva er den til for i en elektrisk krets
• Hva er en transistortester for og hva måler den