Tranzistori bipolari: dispozitiv, principiu de funcționare, circuite de comutare

Cuvântul „tranzistor” este alcătuit din cuvintele TRANSfer și rezistor - convertor de rezistență. A înlocuit lămpile la începutul anilor 1950. Este un dispozitiv cu trei conductoare utilizat pentru amplificare și comutare în circuite electronice. Adjectivul „bipolar” (tranzistor de joncțiune bipolar) este folosit pentru a-l distinge de tranzistoarele cu efect de câmp (FET). Principiul de funcționare al unui tranzistor bipolar este de a utiliza două joncțiuni p-n, formând un strat barieră, care permite unui curent mic să controleze bOmai curent. Tranzistorul bipolar este utilizat atât ca rezistență controlată, cât și ca întrerupător. Există două tipuri de tranzistoare: pnp și npn.

Tranziția P-N

Germaniul (Ge) și siliciul (Si) sunt semiconductori. Siliconul este acum utilizat în principal. Valențele lui Si și Ge sunt patru. Prin urmare, dacă adăugăm arsenic pentavalent (As) la rețeaua cristalină a siliciului, obținem un electron „suplimentar” și dacă adăugăm bor trivalent (B), obținem un loc liber pentru un electron. În primul caz, se vorbește despre un material „donator” care dă electroni, în al doilea caz, despre un material „acceptor” care acceptă electroni. De asemenea, primul tip de material se numește N (negativ), iar al doilea - P (pozitiv).

Dacă materialele de tip P și N sunt aduse în contact, atunci va apărea un curent între ele și o dinamică echilibru cu regiunea de epuizare, unde concentrația purtătorilor de sarcină - electroni și locuri libere („găuri”) - mic. Acest strat este unilateral conductiv și formează baza unui dispozitiv numit diodă. Contactul direct al materialelor nu va crea o tranziție calitativă; este necesară fuziunea (difuzia) sau „conectarea” la cristalul ionilor dopanți în vid.

Tranzistor PNP

Pentru prima dată, un tranzistor bipolar a fost realizat prin topirea picăturilor de indiu într-un cristal de germaniu (material de tip n). Indiul (In) este un metal trivalent, de tip p. Prin urmare, un astfel de tranzistor a fost numit difuz (fuziune), având o structură p-n-p (sau pnp). Tranzistorul bipolar din figura de mai jos a fost fabricat în 1965. Corpul său este tăiat pentru claritate.

Cristalul de germaniu din centru se numește bază, iar picăturile de indiu topite în el se numesc emițător și colector. Puteți considera tranzițiile EB (emițător) și KB (colector) ca diode obișnuite, dar tranziția FE (colector-emițător) are o proprietate specială. Prin urmare, nu este posibil să se facă un tranzistor bipolar din două diode separate.

Dacă se aplică o tensiune de mai mulți volți într-un tranzistor pnp între colector (-) și emițător (+), un curent foarte slab, câțiva μA, va curge în circuit. Dacă aplicați apoi o tensiune mică (de deschidere) între bază (-) și emițător (+) - pentru germaniu este aproximativ 0,3 V (iar pentru siliciu 0,6 V) - atunci un curent de o anumită magnitudine va curge de la emițător la baza. Dar, deoarece baza este foarte subțire, va deveni rapid saturată de găuri (își va „pierde” excesul de electroni, care vor merge la emițător). Deoarece emițătorul este puternic dopat cu conductivitate în gaură și într-o bază ușor dopată, recombinarea electronilor este ușor întârziată, atunci semnificativ bOCea mai mare parte a curentului va merge de la emițător la colector. Colectorul este mai mare decât emițătorul și este ușor dopat, ceea ce îi permite să aibă bOtensiune de avarie mai mare (U_{probe. CE} > U_{probe. EB}). De asemenea, deoarece partea principală a găurilor se recombină în colector, se încălzește mai mult decât restul electrozilor dispozitivului.

Există un raport între curenții colectorului și emițătorului:

De obicei, α se află în intervalul 0,85-0,999 și depinde invers de grosimea bazei. Această valoare se numește coeficientul de transfer al curentului emițătorului. În practică, reciprocul este mai des folosit (notat și ca h_21e):

Acesta este raportul de transfer al curentului de bază, unul dintre cei mai importanți parametri ai unui tranzistor bipolar. El determină deseori proprietățile amplificatoare în practică.

Un tranzistor pnp se numește tranzistor de conducție directă. Dar există și un alt tip de tranzistor, a cărui structură completează perfect pnp în circuite.

Tranzistor NPN

Tranzistorul bipolar poate avea un colector emițător de material de tip N. Apoi baza este realizată din material de tip P. Și în acest caz, tranzistorul npn funcționează exact ca tranzistorul pnp, cu excepția polarității - este un tranzistor de conducere inversă.

Tranzistoarele pe bază de siliciu copleșesc toate celelalte tipuri de tranzistoare bipolare. Materialul donator pentru colector și emițător poate fi As, care are un electron „suplimentar”. De asemenea, s-a schimbat tehnologia fabricării tranzistoarelor. Acum sunt plane, ceea ce face posibilă utilizarea litografiei și realizarea circuitelor integrate. Imaginea de mai jos prezintă un tranzistor bipolar plan (ca parte a unui circuit integrat la mărire mare). Atât tranzistoarele pnp, cât și cele npn, inclusiv cele puternice, sunt fabricate folosind tehnologia plană. Raftingul a fost deja întrerupt.

Tranzistor plan bipolar secțional în imaginea următoare (diagramă simplificată).

Imaginea arată cât de bine este designul tranzistorului plan - colectorul este răcit efectiv de substratul de cristal. De asemenea, a fost fabricat un tranzistor pnp plan.

Simbolurile grafice ale tranzistorului bipolar sunt prezentate în imaginea următoare.

Aceste UGO sunt internaționale și sunt valabile și în conformitate cu GOST 2.730-73.

Circuite de comutare a tranzistorilor

De obicei, un tranzistor bipolar este întotdeauna utilizat în conexiune directă - polaritatea inversă pe joncțiunea FE nu dă nimic interesant. Pentru o diagramă de conexiune directă, există trei scheme de conectare: un emițător comun (OE), un colector comun (OK) și o bază comună (OB). Toate cele trei incluziuni sunt prezentate mai jos. Acestea explică doar principiul de funcționare în sine - dacă presupunem că punctul de operare este stabilit cumva, cu ajutorul unei surse de alimentare suplimentare sau a unui circuit auxiliar. Pentru a deschide un tranzistor de siliciu (Si), este necesar să aveți un potențial de ~ 0,6 V între emițător și bază, iar pentru germaniu, este suficient ~ 0,3 V.

Emițător comun

Tensiunea U1 provoacă curentul Ib, curentul colector Ic este egal cu curentul de bază înmulțit cu β. În acest caz, tensiunea + E ar trebui să fie suficient de mare: 5V-15V. Acest circuit amplifică bine curentul și tensiunea, deci puterea. Semnalul de ieșire este opus în fază semnalului de intrare (inversat). Aceasta este utilizată în tehnologia digitală ca funcție NU.

Dacă tranzistorul nu funcționează în modul cheie, ci ca amplificator de semnale mici (modul activ sau liniar), atunci prin selectarea curentului de bază, tensiunea U este setată₂ egal cu E / 2, astfel încât semnalul de ieșire să nu fie distorsionat. Această aplicație este utilizată, de exemplu, la amplificarea semnalelor audio în amplificatoare high-end, cu distorsiuni reduse și, ca rezultat, cu eficiență redusă.

Colecționar comun

În ceea ce privește tensiunea, circuitul OK nu se amplifică, aici câștigul este α ~ 1. Prin urmare, acest circuit este numit un emițător. Curentul din circuitul emițătorului este β + 1 ori mai mare decât în ​​circuitul de bază. Acest circuit amplifică bine curentul și are o ieșire redusă și o impedanță de intrare foarte mare. (Este timpul să ne amintim că un tranzistor se numește transformator de rezistență.)

Următorul emițătorului are proprietăți și caracteristici de performanță foarte potrivite pentru sondele osciloscopice. Folosește impedanța de intrare imensă și impedanța de ieșire scăzută, ceea ce este bun pentru potrivirea cu un cablu cu impedanță redusă.

Baza comună

Acest circuit are cea mai mică impedanță de intrare, dar câștigul său de curent este α. Un circuit de bază comun amplifică bine tensiunea, dar nu și puterea. Caracteristica sa este eliminarea efectului feedback-ului de capacitate (ef. Miller). Etapele OB sunt ideale ca trepte de intrare ale amplificatoarelor pe căi RF potrivite la impedanțe mici de 50 și 75 ohmi.

Cascadele cu o bază comună sunt utilizate pe scară largă în tehnologia cuptorului cu microunde, iar aplicarea lor în electronică radio cu cascadă de emițător este foarte obișnuită.

Două moduri principale de operare

Distingeți între modurile de funcționare utilizând semnalul „mic” și „mare”. În primul caz, un tranzistor bipolar funcționează pe o mică parte din caracteristicile sale și acesta este utilizat în tehnologia analogică. În astfel de cazuri, amplificarea liniară a semnalelor și zgomotul redus sunt importante. Acesta este modul liniar.

În cel de-al doilea caz (modul cheie), tranzistorul bipolar funcționează în întreaga gamă - de la saturație până la întrerupere, ca o cheie. Aceasta înseamnă că, dacă vă uitați la caracteristica I-V a joncțiunii p-n, ar trebui să aplicați un mic invers între bază și emițător pentru a bloca complet tranzistorul tensiune și pentru deschiderea completă, atunci când tranzistorul intră în modul de saturație, creșteți ușor curentul de bază, în comparație cu semnalul mic modul. Apoi tranzistorul funcționează ca un comutator de impulsuri. Acest mod este utilizat în dispozitivele de comutare și alimentare, este utilizat pentru comutarea surselor de alimentare. În astfel de cazuri, încearcă să obțină un timp scurt de comutare a tranzistoarelor.

Logica digitală se caracterizează printr-o poziție intermediară între semnale „mari” și „mici”. Un nivel logic scăzut este limitat la 10% din tensiunea de alimentare, iar un nivel logic ridicat este limitat la 90%. Întârzierile și comutarea tind să fie reduse la limită. Acest mod de funcționare este cheia, dar puterea este căutată să fie minimizată aici. Orice element logic este o cheie.

Alte tipuri de tranzistori

Principalele tipuri de tranzistoare deja descrise nu limitează proiectarea lor. Sunt produse tranzistoare compozite (circuit Darlington). Β-ul lor este foarte mare și este egal cu produsul coeficienților ambilor tranzistori, de aceea sunt numiți și tranzistori „superbeta”.

Ingineria electrică a stăpânit deja tranzistorul bipolar cu poartă izolată (IGBT), cu o poartă izolată. Poarta tranzistorului cu efect de câmp este într-adevăr izolată de canalul său. Este adevărat, există o problemă de reîncărcare a capacității sale de intrare în timpul comutării, deci nici aici nu se poate lipsi de curent.

Astfel de tranzistoare sunt utilizate în comutatoare de putere puternice: convertoare de impulsuri, invertoare etc. La intrare, IGBT-urile sunt foarte sensibile, datorită rezistenței ridicate a porților tranzistoarelor cu efect de câmp. La ieșire - fac posibilă primirea curenților uriași și pot fi fabricate pentru tensiune înaltă. De exemplu, în Statele Unite există o nouă centrală solară, în care astfel de tranzistoare dintr-un circuit de punte sunt încărcate pe transformatoare puternice care dau energie rețelei industriale.

În concluzie, observăm că tranzistoarele, în termeni simpli, sunt „calul de lucru” al întregii electronice moderne. Sunt folosite peste tot: de la locomotive electrice la telefoane mobile. Orice computer modern este format practic din toate tranzistoarele. Bazele fizice ale funcționării tranzistorului sunt bine înțelese și promit multe alte noi progrese.

Materiale conexe:

• Ce este un pod cu diode - o explicație simplă
• Ce este un rezistor și la ce servește într-un circuit electric
• La ce servește un tester de tranzistoare și ce măsoară