Bipolárne tranzistory: zariadenie, princíp činnosti, spínacie obvody

Slovo „tranzistor“ pozostáva zo slov TRANSfer a odpor - prevodník odporu. Začiatkom päťdesiatych rokov minulého storočia nahradil žiarovky. Jedná sa o trojvodičové zariadenie používané na zosilnenie a spínanie v elektronických obvodoch. Na jeho odlíšenie od tranzistorov s efektom poľa (FET) sa používa prídavné meno „bipolárny“ (bipolárny tranzistor). Princípom činnosti bipolárneho tranzistora je použitie dvoch spojov p-n, ktoré tvoria bariérovú vrstvu, ktorá umožňuje malý prúd ovládať bOaktuálnejšia. Bipolárny tranzistor sa používa ako riadený odpor aj ako spínač. Existujú dva typy tranzistorov: pnp a npn.

P-N prechod

Germánium (Ge) a kremík (Si) sú polovodiče. Teraz sa používa hlavne kremík. Valencie Si a Ge sú štyri. Ak teda do kryštálovej mriežky kremíka pridáme päťmocný arzén (As), získame „extra“ elektrón a ak pridáme trojmocný bór (B), dostaneme voľné miesto pre elektrón. V prvom prípade sa hovorí o „darcovskom“ materiáli, ktorý dáva elektróny, v druhom prípade o „akceptorovom“ materiáli, ktorý prijíma elektróny. Prvý typ materiálu sa tiež nazýva N (negatívny) a druhý - P (pozitívny).

Ak sa materiály typu P a N uvedú do kontaktu, vznikne medzi nimi a dynamikou prúd rovnováha s oblasťou vyčerpania, kde je koncentrácia nosičov náboja - elektrónov a prázdnych miest („dier“) - malý. Táto vrstva je jednostranne vodivá a tvorí základ zariadenia nazývaného dióda. Priamy kontakt materiálov nevytvorí kvalitatívny prechod; je potrebná fúzia (difúzia) alebo „zapojenie“ do kryštálu dopujúcich iónov vo vákuu.

PNP tranzistor

Bipolárny tranzistor bol prvýkrát vyrobený fúziou kvapiek india do germániového kryštálu (materiál typu n). Indium (In) je trojmocný kovový materiál typu p. Preto sa taký tranzistor nazýval difúzny (fúzny), ktorý mal štruktúru p-n-p (alebo pnp). Bipolárny tranzistor na obrázku nižšie bol vyrobený v roku 1965. Jeho telo je kvôli prehľadnosti odrezané.

Germániový kryštál v strede sa nazýva základňa a kvapky india v ňom zlúčené sa nazývajú žiarič a zberač. Prechody EB (emitor) a KB (kolektor) môžete považovať za bežné diódy, ale prechod FE (kolektor-emitor) má špeciálnu vlastnosť. Preto nie je možné vyrobiť bipolárny tranzistor z dvoch oddelených diód.

Ak je v tranzistore pnp medzi kolektorom (-) a emitorom (+) aplikované napätie niekoľko voltov, v obvode bude prúdiť veľmi slabý prúd, niekoľko μA. Ak potom použijete malé (otváracie) napätie medzi základňou ( -) a žiaričom (+) - pre germánium je to asi 0,3 V (a pre kremík 0,6 V) - potom prúdi prúd určitej veľkosti z emitora do základňa. Pretože je však základňa veľmi tenká, rýchlo sa nasýti dierami („stratí“ svoj prebytok elektrónov, ktoré pôjdu do žiariča). Pretože je žiarič silne dopovaný vodivosťou dier a v ľahko dotovanej báze je rekombinácia elektrónov mierne oneskorená, potom výrazne bOVäčšina prúdu pôjde z vysielača do kolektora. Zberač je väčší ako žiarič a je ľahko dopovaný, čo mu umožňuje dosiahnuť bOvyššie prierazné napätie (U_{vzorky. CE} > U_{vzorky. EB}). Pretože sa hlavná časť otvorov rekombinuje v kolektore, zahrieva sa viac ako ostatné elektródy zariadenia.

Medzi kolektorovým a emitorovým prúdom je pomer:

Obvykle α leží v rozmedzí 0,85-0,999 a nepriamo závisí od hrúbky základne. Táto hodnota sa nazýva koeficient prenosu prúdu emitora. V praxi sa častejšie používa recipročné (tiež označované ako h_21e):

Toto je základný prevodový pomer prúdu, jeden z najdôležitejších parametrov bipolárneho tranzistora. V praxi často určuje zosilňujúce vlastnosti.

Tranzistor pnp sa nazýva dopredný tranzistor. Existuje však aj iný typ tranzistora, ktorého štruktúra dokonale dopĺňa pnp v obvodoch.

NPN tranzistor

Bipolárny tranzistor môže mať kolektor žiariča materiálu typu N. Potom je základňa vyrobená z materiálu typu P. A v tomto prípade tranzistor npn funguje presne ako tranzistor pnp, s výnimkou polarity - je to tranzistor s opačným vedením.

Tranzistory na báze kremíka prevyšujú všetky ostatné typy bipolárnych tranzistorov. Darcovským materiálom pre zberač a vysielač môže byť As, ktorý má „extra“ elektrón. Zmenila sa aj technológia výroby tranzistorov. Teraz sú planárne, čo umožňuje používať litografiu a vytvárať integrované obvody. Nasledujúci obrázok zobrazuje planárny bipolárny tranzistor (ako súčasť integrovaného obvodu pri vysokom zväčšení). Tranzistory pnp aj npn, vrátane výkonných, sú vyrábané pomocou planárnej technológie. Rafting už bol prerušený.

Rezový planárny bipolárny tranzistor na nasledujúcom obrázku (zjednodušený diagram).

Obrázok ukazuje, ako dobre je konštrukcia planárneho tranzistora - kolektor je účinne chladený kryštálovým substrátom. Bol tiež vyrobený planárny tranzistor pnp.

Grafické symboly bipolárneho tranzistora sú znázornené na nasledujúcom obrázku.

Tieto UGO sú medzinárodné a sú tiež platné v súlade s GOST 2.730-73.

Tranzistorové spínacie obvody

Bipolárny tranzistor sa zvyčajne používa vždy v priamom spojení - opačná polarita na križovatke FE nedáva nič zaujímavé. Pre schému priameho pripojenia existujú tri schémy pripojenia: spoločný emitor (OE), spoločný kolektor (OK) a spoločná základňa (OB). Všetky tri inklúzie sú uvedené nižšie. Vysvetľujú iba samotný princíp činnosti - ak predpokladáme, že prevádzkový bod je nejakým spôsobom vytvorený pomocou prídavného zdroja energie alebo pomocného obvodu. Na otvorenie kremíkového tranzistora (Si) je potrebné mať medzi emitorom a bázou potenciál ~ 0,6 V a pre germánium stačí ~ 0,3 V.

Spoločný žiarič

Napätie U1 spôsobuje prúd Ib, kolektorový prúd Ic sa rovná základnému prúdu vynásobenému β. V tomto prípade by napätie + E malo byť dostatočne veľké: 5V-15V. Tento obvod dobre zosilňuje prúd a napätie, a teda aj výkon. Výstupný signál je fázovo opačný ako vstupný signál (invertovaný). Toto sa používa v digitálnej technológii ako funkcia NOT.

Ak tranzistor nepracuje v kľúčovom režime, ale ako zosilňovač malých signálov (aktívny alebo lineárny režim), zvolením základného prúdu sa nastaví napätie U₂ sa rovná E / 2, aby výstupný signál nebol skreslený. Táto aplikácia sa používa napríklad pri zosilnení zvukových signálov v špičkových zosilňovačoch s nízkym skreslením a v dôsledku toho s nízkou účinnosťou.

Spoločný zberateľ

Pokiaľ ide o napätie, obvod OK sa nezosilňuje, tu je zisk α ~ 1. Preto sa tento obvod nazýva sledovač emitorov. Prúd v emitorovom obvode je β + 1 krát väčší ako v základnom obvode. Tento obvod dobre zosilňuje prúd a má nízky výstup a veľmi vysokú vstupnú impedanciu. (Je načase si uvedomiť, že tranzistor sa nazýva odporový transformátor.)

Sledovač emitora má vlastnosti a výkonové charakteristiky veľmi vhodné pre sondy osciloskopu. Využíva svoju obrovskú vstupnú impedanciu a nízku výstupnú impedanciu, čo je dobré na prispôsobenie káblom s nízkou impedanciou.

Spoločný základ

Tento obvod má najnižšiu vstupnú impedanciu, ale jeho prúdový zisk je α. Spoločný základný obvod dobre zosilňuje napätie, ale nie výkon. Jeho vlastnosťou je eliminácia účinku kapacitnej spätnej väzby (napr. Miller). Stupne OB sú ideálne ako vstupné stupne zosilňovačov v RF dráhach pri nízkych impedanciách 50 a 75 ohmov.

Kaskády so spoločnou základňou sú veľmi široko používané v mikrovlnnej technológii a ich aplikácia v rádiovej elektronike s kaskádou sledovača emitorov je veľmi bežná.

Dva hlavné režimy prevádzky

Rozlišujte režimy prevádzky pomocou signálu „malý“ a „veľký“. V prvom prípade bipolárny tranzistor pracuje na malej časti svojich charakteristík a používa sa v analógovej technológii. V takýchto prípadoch je dôležité lineárne zosilnenie signálov a nízky šum. Toto je lineárny režim.

V druhom prípade (režim kľúča) bipolárny tranzistor pracuje v celom rozsahu - od sýtosti po prerušenie, podobne ako kľúč. To znamená, že ak sa pozriete na charakteristiku I-V križovatky p-n, mali by ste použiť malý reverz medzi základňou a emitorom, aby ste úplne zablokovali tranzistor napätie a na úplné otvorenie, keď tranzistor prejde do režimu nasýtenia, mierne zvýšte základný prúd v porovnaní s malým signálom režim. Potom tranzistor funguje ako impulzný spínač. Tento režim sa používa v spínacích a napájacích zariadeniach, používa sa na prepínanie napájacích zdrojov. V takýchto prípadoch sa pokúšajú dosiahnuť krátky spínací čas tranzistorov.

Digitálna logika je charakterizovaná medzipolohou medzi „veľkými“ a „malými“ signálmi. Nízka logická úroveň je obmedzená na 10% napájacieho napätia a vysoká logická úroveň je obmedzená na 90%. Časové oneskorenia a prepínanie sa väčšinou obmedzujú na maximum. Tento režim prevádzky je kľúčový, ale tu sa snaží minimalizovať výkon. Akýkoľvek logický prvok je kľúčom.

Iné typy tranzistorov

Už popísané hlavné typy tranzistorov neobmedzujú ich konštrukciu. Vyrábajú sa kompozitné tranzistory (obvod Darlington). Ich β je veľmi veľký a rovná sa súčinu koeficientov oboch tranzistorov, preto sa nazývajú aj „superbeta“ tranzistory.

Elektrotechnika už zvládla bipolárny tranzistor s izolovanou bránou (IGBT) s izolovanou bránou. Brána tranzistora s efektom poľa je skutočne izolovaná od jeho kanála. Je pravda, že pri prepínaní existuje otázka dobitia jeho vstupnej kapacity, takže ani tu sa nezaobíde.

Takéto tranzistory sa používajú vo výkonných výkonových spínačoch: impulzné meniče, meniče atď. Na vstupe sú IGBT veľmi citlivé kvôli vysokému odporu brán tranzistorov s efektom poľa. Na ceste von - umožňujú prijímať obrovské prúdy a môžu byť vyrobené pre vysoké napätie. Napríklad v USA je nová slnečná elektráreň, kde sú takéto tranzistory v mostovom obvode nabité na výkonné transformátory, ktoré dodávajú energiu priemyselnej sieti.

Na záver poznamenávame, že tranzistory, zjednodušene povedané, sú „pracovným koňom“ všetkej modernej elektroniky. Používajú sa všade: od elektrických lokomotív až po mobilné telefóny. Každý moderný počítač pozostáva prakticky iba z tranzistorov. Fyzické základy tranzistorov sú dobre pochopené a sľubujú mnoho ďalších nových pokrokov.

Súvisiace materiály:

• Čo je to diódový mostík - jednoduché vysvetlenie
• Čo je odpor a na čo slúži elektrický obvod
• Na čo je tester tranzistorov a čo meria