Bipolarni tranzistorji: naprava, načelo delovanja, stikalna vezja

Beseda "tranzistor" je sestavljena iz besed TRANSfer in upor - pretvornik upora. V začetku petdesetih let je zamenjal svetilke. To je trivodna naprava, ki se uporablja za ojačanje in preklapljanje v elektronskih vezjih. Pridevnik "bipolar" (bipolarni spojni tranzistor) se uporablja za razlikovanje od tranzistorjev z efektom polja (FET). Načelo delovanja bipolarnega tranzistorja je uporaba dveh p-n stičišč, ki tvorita pregradno plast, ki majhnemu toku omogoča nadzor bO.bolj aktualno. Bipolarni tranzistor se uporablja tako kot nadzorovani upor kot stikalo. Obstajata dve vrsti tranzistorjev: pnp in npn.

P-N prehod

Germanij (Ge) in silicij (Si) sta polprevodnika. Zdaj se v glavnem uporablja silicij. Valenci Si in Ge sta štiri. Če torej v kristalno rešetko silicija dodamo petovalentni arzen (As), bomo dobili "dodaten" elektron, če pa dodamo trivalentni bor (B), bomo dobili prosto mesto za elektron. V prvem primeru govorimo o "donorskem" materialu, ki daje elektrone, v drugem pa o "akceptorskem" materialu, ki sprejema elektrone. Tudi prva vrsta materiala se imenuje N (negativna), druga pa P (pozitivna).

Če pridejo v stik materiali P in N, bo med njima nastal tok in dinamika ravnovesje z območjem izčrpavanja, kjer je koncentracija nosilcev naboja - elektronov in prostih mest ("luknje") - majhna. Ta plast je enostransko prevodna in je osnova naprave, imenovane dioda. Neposreden stik materialov ne bo ustvaril kvalitativnega prehoda; potrebna je fuzija (difuzija) ali "priključitev" v kristal dopantnih ionov v vakuumu.

PNP tranzistor

Prvič je bil bipolarni tranzistor narejen s spajanjem indijskih kapljic v kristal germanija (material n-tipa). Indij (In) je trivalentna kovina, p-material. Zato se je tak tranzistor imenoval difuzni (fuzijski), ki ima strukturo p-n-p (ali pnp). Bipolarni tranzistor na spodnji sliki je bil izdelan leta 1965. Njegovo telo je zaradi jasnosti odrezano.

Kristal germanija v središču se imenuje baza, indijske kapljice, ki se stopijo vanj, pa se imenujejo oddajnik in zbiralnik. Prehode EB (oddajnik) in KB (zbiralnik) lahko obravnavate kot navadne diode, vendar ima prehod FE (zbiralnik-oddajnik) posebno lastnost. Zato iz dveh ločenih diod ni mogoče izdelati bipolarnega tranzistorja.

Če v tranzistorju pnp med zbiralnikom (-) in oddajnikom (+) uporabimo napetost več voltov, bo v vezju tekel zelo šibek tok, nekaj μA. Če nato uporabite majhno (odpiralno) napetost med bazo ( -) in oddajnikom (+) - za germanij to je približno 0,3 V (in za silicij 0,6 V) - potem bo tok določene velikosti tekel od oddajnika do bazo. Ker pa je osnova zelo tanka, bo hitro nasičena z luknjami ("izgubila" bo presežek elektronov, ki bodo šli v oddajnik). Ker je oddajnik močno dopiran s prevodnostjo lukenj in v rahlo dopirani bazi je rekombinacija elektronov rahlo zakasnjena, potem bistveno bO.Večina toka bo šla od oddajnika do zbiralnika. Zbiralec je večji od oddajnika in je rahlo dopiran, kar mu omogoča bO.višja prekinitvena napetost (U_{vzorci. CE} > U_{vzorci. EB}). Ker se glavni del lukenj ponovno združi v zbiralniku, se segreje bolj kot preostale elektrode v napravi.

Obstaja razmerje med kolektorskim in oddajnim tokom:

Običajno α leži v območju 0,85-0,999 in je obratno odvisen od debeline podlage. Ta vrednost se imenuje koeficient prenosa toka oddajnika. V praksi se pogosteje uporablja vzajemnost (označena tudi kot h_21e):

To je prenosno razmerje osnovnega toka, eden najpomembnejših parametrov bipolarnega tranzistorja. V praksi pogosto določa ojačevalne lastnosti.

Pnp tranzistor se imenuje tranzistor za prevodnost naprej. Obstaja pa tudi druga vrsta tranzistorja, katere struktura odlično dopolnjuje pnp v vezjih.

NPN tranzistor

Bipolarni tranzistor ima lahko zbiralnik materialov N-tipa. Nato je osnova izdelana iz materiala P-tipa. V tem primeru tranzistor npn deluje popolnoma enako kot tranzistor pnp, razen polarnosti - to je tranzistor z povratno prevodnostjo.

Tranzistorji na osnovi silicija prevladajo nad vsemi drugimi vrstami bipolarnih tranzistorjev. Donatorski material za zbiralnik in oddajnik je lahko As, ki ima "dodatni" elektron. Spremenila se je tudi tehnologija izdelave tranzistorjev. Zdaj so ravninski, kar omogoča uporabo litografije in izdelavo integriranih vezij. Spodnja slika prikazuje ravninski bipolarni tranzistor (kot del integriranega vezja pri veliki povečavi). Tako tranzistorji pnp kot npn, vključno z zmogljivimi, so izdelani z uporabo ravninske tehnologije. Rafting je bil že prekinjen.

Ravni bipolarni tranzistor na naslednji sliki (poenostavljen diagram).

Slika prikazuje, kako dobra je zasnova ravninskega tranzistorja - kolektor učinkovito hladi kristalna podlaga. Izdelan je bil tudi planarni pnp tranzistor.

Grafični simboli bipolarnega tranzistorja so prikazani na naslednji sliki.

Ti UGO so mednarodni in veljajo tudi v skladu z GOST 2.730-73.

Tranzistorska stikalna vezja

Običajno se pri neposredni povezavi vedno uporablja bipolarni tranzistor - obratna polarnost na stičišču FE ne daje nič zanimivega. Za diagram neposredne povezave obstajajo tri sheme povezav: skupni oddajnik (OE), skupni zbiralnik (OK) in skupna osnova (OB). Spodaj so prikazani vsi trije vključki. Pojasnjujejo le sam princip delovanja - če predpostavimo, da je delovna točka nekako s pomočjo dodatnega vira napajanja ali pomožnega vezja vzpostavljena. Za odpiranje silicijevega tranzistorja (Si) je potrebno imeti med oddajnikom in bazo potencial ~ 0,6 V, za germanij pa zadošča ~ 0,3 V.

Skupni oddajnik

Napetost U1 povzroči tok Ib, kolektorski tok Ik je enak osnovnemu toku, pomnoženemu z β. V tem primeru mora biti napetost + E dovolj velika: 5V-15V. To vezje dobro ojača tok in napetost, torej moč. Izhodni signal je fazno nasproten vhodnemu signalu (obrnjen). To se v digitalni tehnologiji uporablja kot funkcija NE.

Če tranzistor ne deluje v načinu ključa, ampak kot ojačevalnik majhnih signalov (aktivni ali linearni način), potem z izbiro osnovnega toka napetost U₂ enako E / 2, tako da izhodni signal ni popačen. Ta aplikacija se uporablja na primer pri ojačanju zvočnih signalov v vrhunskih ojačevalnikih z nizkim popačenjem in posledično nizko učinkovitostjo.

Skupni zbiralec

V smislu napetosti se vezje OK ne poveča, tukaj je dobiček α ~ 1. Zato se to vezje imenuje sledilnik oddajnikov. Tok v oddajniškem vezju je β + 1 -krat večji kot v osnovnem vezju. To vezje dobro ojača tok in ima nizko izhodno in zelo visoko vhodno impedanco. (Čas je, da se spomnimo, da se tranzistor imenuje uporni transformator.)

Oddajnik ima lastnosti in lastnosti, ki so zelo primerne za osciloskopske sonde. Uporablja svojo veliko vhodno impedanco in nizko izhodno impedanco, kar je dobro za ujemanje z nizko impedančnim kablom.

Skupna baza

To vezje ima najnižjo vhodno impedanco, vendar je njegov trenutni dobiček α. Skupno osnovno vezje dobro ojača napetost, ne pa tudi moči. Njegova značilnost je odprava učinka povratne kapacitivnosti (eff. Miller). Stopnje OB so idealne kot vhodne stopnje ojačevalnikov v RF poteh, ki se ujemajo pri nizkih impedancah 50 in 75 ohmov.

Kaskade s skupno osnovo se zelo pogosto uporabljajo v mikrovalovni tehnologiji, njihova uporaba v radijski elektroniki s kaskado oddajnikov pa je zelo pogosta.

Dva glavna načina delovanja

Razlikujte med načini delovanja z uporabo "majhnega" in "velikega" signala. V prvem primeru bipolarni tranzistor deluje na majhnem delu svojih lastnosti, kar se uporablja v analogni tehnologiji. V takih primerih sta pomembna linearna ojačitev signalov in nizek šum. To je linearni način.

V drugem primeru (način ključa) bipolarni tranzistor deluje v celotnem območju - od nasičenosti do prekinitve, kot ključ. To pomeni, da če pogledate I-V značilnost p-n stika, morate uporabiti majhno obratno med bazo in oddajnikom, da popolnoma blokirate tranzistor napetosti in za popolno odpiranje, ko tranzistor preide v način nasičenja, rahlo povečajte osnovni tok v primerjavi z majhnim signalom način. Nato tranzistor deluje kot impulzno stikalo. Ta način se uporablja v stikalnih in napajalnih napravah, uporablja se za preklapljanje napajalnikov. V takih primerih poskušajo doseči kratek čas preklopa tranzistorjev.

Za digitalno logiko je značilen vmesni položaj med "velikimi" in "majhnimi" signali. Nizka logična raven je omejena na 10% napajalne napetosti, visoka logična raven pa na 90%. Časovni zamiki in preklapljanje se ponavadi skrajšajo. Ta način delovanja je ključen, vendar si prizadevamo zmanjšati moč. Vsak logični element je ključ.

Druge vrste tranzistorjev

Glavne vrste tranzistorjev, ki so že opisane, ne omejujejo njihove zasnove. Proizvajajo se sestavljeni tranzistorji (Darlingtonovo vezje). Njihov β je zelo velik in je enak produktu koeficientov obeh tranzistorjev, zato jih imenujemo tudi "superbeta" tranzistorji.

Elektrotehnika je že obvladala bipolarni tranzistor z izoliranimi vrati (IGBT) z izoliranimi vrati. Vrata tranzistorja z efektom polja so resnično ločena od kanala. Res je, obstaja vprašanje, kako napolniti svojo vhodno kapacitivnost med preklopom, zato ne more brez toka.

Takšni tranzistorji se uporabljajo v močnih stikalih za napajanje: pretvorniki impulzov, pretvorniki itd. Na vhodu so IGBT-ji zelo občutljivi zaradi velike upornosti vrat tranzistorjev s poljskim učinkom. Na izhodu - omogočajo sprejemanje velikih tokov in jih je mogoče izdelati za visoko napetost. Na primer, v Združenih državah obstaja nova sončna elektrarna, kjer so takšni tranzistorji v mostnem vezju naloženi na močne transformatorje, ki dajejo energijo industrijskemu omrežju.

Na koncu ugotavljamo, da so tranzistorji, preprosto povedano, "delovni konj" vse sodobne elektronike. Uporabljajo se povsod: od električnih lokomotiv do mobilnih telefonov. Vsak sodoben računalnik je sestavljen iz skoraj vseh tranzistorjev. Fizični temelji delovanja tranzistorjev so dobro razumljeni in obljubljajo veliko več novih napredkov.

Sorodni materiali:

• Kaj je diodni most - preprosta razlaga
• Kaj je upor in čemu služi v električnem vezju
• Za kaj je tranzistorski tester in kaj meri