Bipolära transistorer: enhet, driftsprincip, omkopplingskretsar

Ordet "transistor" består av orden TRANSfer och resISTOR - resistansomvandlare. Det ersatte lampor i början av 1950 -talet. Det är en treledad enhet som används för förstärkning och koppling av elektroniska kretsar. Adjektivet "bipolär" (bipolär övergångstransistor) används för att skilja den från fälteffekttransistorer (FET). Principen för driften av en bipolär transistor är att använda två p-n-korsningar som bildar ett barriärskikt, vilket gör att en liten ström kan styra bOmer aktuell. Den bipolära transistorn används både som ett kontrollerat motstånd och som en omkopplare. Det finns två typer av transistorer: pnp och npn.

PN-övergång

Germanium (Ge) och kisel (Si) är halvledare. Kisel används nu främst. Valenserna för Si och Ge är fyra. Därför, om vi lägger till pentavalent arsenik (As) till kristallgitteret av kisel, får vi en "extra" elektron, och om vi lägger till trevärt bor (B) får vi en ledig plats för en elektron. I det första fallet talar man om ett "donator" -material som ger elektroner, i det andra fallet, av ett "acceptor" -material som accepterar elektroner. Den första typen av material kallas också N (negativ), och den andra - P (positiv).

Om material av P- och N -typer bringas i kontakt kommer en ström att uppstå mellan dem och en dynamik jämvikt med utarmningsregionen, där koncentrationen av laddningsbärare - elektroner och lediga platser ("hål") - liten. Detta lager är ensidigt ledande och utgör grunden för en anordning som kallas en diod. Direkt kontakt med material kommer inte att skapa en kvalitativ övergång; fusion (diffusion) eller "pluggning" till kristallen av dopantjoner i ett vakuum är nödvändigt.

PNP -transistor

För första gången gjordes en bipolär transistor genom att smälta indiumdroppar till en germaniumkristall (material av n-typ). Indium (In) är ett trivalent metall, material av p-typ. Därför kallades en sådan transistor diffus (fusion), med en p-n-p (eller pnp) struktur. Den bipolära transistorn i figuren nedan tillverkades 1965. Dess kropp är avskuren för tydlighetens skull.

Germaniumkristallen i mitten kallas basen, och indiumdropparna som smälts in i den kallas emitter och uppsamlare. Du kan betrakta övergångarna EB (emitter) och KB (kollektor) som vanliga dioder, men övergången FE (kollektor-emitter) har en speciell egenskap. Därför är det inte möjligt att göra en bipolär transistor från två separata dioder.

Om en spänning på flera volt appliceras i en pnp-transistor mellan kollektorn (-) och sändaren (+) kommer en mycket svag ström, några μA, att flöda i kretsen. Om du sedan applicerar en liten (öppnings) spänning mellan basen ( -) och sändaren (+) - för germanium det är cirka 0,3 V (och för kisel 0,6 V) - då kommer en ström av en viss storlek att strömma från sändaren till bas. Men eftersom basen är mycket tunn kommer den snabbt att bli mättad med hål (den kommer att "förlora" sitt överskott av elektroner, som kommer att gå till sändaren). Eftersom sändaren är starkt dopad med hålkonduktivitet och i en lätt dopad bas fördröjs elektronrekombinationen något, då signifikant bODet mesta av strömmen går från sändaren till uppsamlaren. Samlaren är gjord större än sändaren och är lätt dopad, vilket gör att den kan ha bOhögre nedbrytningsspänning (U_{prover. CE} > U_{prover. EB}). Eftersom huvuddelen av hålen återkombinerar i kollektorn, värms den upp mer än resten av anordningens elektroder.

Det finns ett förhållande mellan kollektor- och emitterströmmar:

Vanligtvis ligger α i intervallet 0,85-0,999 och beror omvänt på tjockleken på basen. Detta värde kallas emitterströmöverföringskoefficienten. I praktiken används det ömsesidiga oftare (betecknas också som h_21e):

Detta är basströmöverföringsförhållandet, en av de viktigaste parametrarna för en bipolär transistor. Han bestämmer ofta de förstärkande egenskaperna i praktiken.

En pnp -transistor kallas en framledningstransistor. Men det finns också en annan typ av transistor, vars struktur perfekt kompletterar pnp i kretsar.

NPN -transistor

Den bipolära transistorn kan ha en N-typ materialemitterkollektor. Sedan är basen gjord av material av P-typ. Och i det här fallet fungerar npn -transistorn exakt som pnp -transistorn, förutom polariteten - det är en omvänd ledningstransistor.

Kiselbaserade transistorer överväldigar alla andra typer av bipolära transistorer. Givarmaterialet för samlaren och sändaren kan vara As, som har en "extra" elektron. Tekniken för tillverkning av transistorer har också förändrats. Nu är de plana, vilket gör det möjligt att använda litografi och göra integrerade kretsar. Bilden nedan visar en plan bipolär transistor (som en del av en integrerad krets med hög förstoring). Både pnp- och npn -transistorer, inklusive kraftfulla, tillverkas med hjälp av plan teknik. Forsränningen har redan avbrutits.

Tvärsnittsplan bipolär transistor i följande bild (förenklat diagram).

Bilden visar hur väl den plana transistorns konstruktion är - kollektorn kyls effektivt av kristallsubstratet. En plan pnp -transistor tillverkades också.

De grafiska symbolerna för den bipolära transistorn visas i följande bild.

Dessa UGO är internationella och är även giltiga i enlighet med GOST 2.730-73.

Transistorkopplingskretsar

Vanligtvis används alltid en bipolär transistor i direkt anslutning - omvänd polaritet på FE -korsningen ger inget intressant. För ett direktanslutningsdiagram finns det tre anslutningsscheman: en gemensam sändare (OE), en gemensam kollektor (OK) och en gemensam bas (OB). Alla tre inkluderingar visas nedan. De förklarar bara själva driftsprincipen - om vi antar att arbetspunkten på något sätt är etablerad med hjälp av en extra strömkälla eller en hjälpkrets. För att öppna en kiseltransistor (Si) är det nödvändigt att ha en potential på ~ 0,6 V mellan sändaren och basen, och för germanium räcker det med ~ 0,3 V.

Gemensam sändare

Spänningen U1 orsakar strömmen Ib, kollektorströmmen Ic är lika med basströmmen multiplicerad med β. I detta fall bör + E-spänningen vara tillräckligt stor: 5V-15V. Denna krets förstärker ström och spänning väl, därav effekt. Utsignalen är i fas motsatt insignalen (inverterad). Detta används i digital teknik som en NOT -funktion.

Om transistorn inte fungerar i nyckelläget, utan som en förstärkare av små signaler (aktivt eller linjärt läge), ställs spänningen U in genom att välja basströmmen₂ lika med E / 2 så att utsignalen inte förvrängs. Denna applikation används till exempel när man förstärker ljudsignaler i avancerade förstärkare, med låg distorsion och därmed låg effektivitet.

Gemensam samlare

När det gäller spänning förstärks inte OK -kretsen, här är förstärkningen α ~ 1. Därför kallas denna krets för en emitterföljare. Strömmen i sändarkretsen är β + 1 gånger större än i baskretsen. Denna krets förstärker strömmen väl och har en låg utgång och mycket hög ingångsimpedans. (Det är dags att komma ihåg att en transistor kallas en motståndstransformator.)

Emitterföljaren har egenskaper och prestandaegenskaper som är mycket lämpliga för oscilloskopprober. Den använder sin enorma ingångsimpedans och låga utgångsimpedans, vilket är bra för matchning med en lågimpedanskabel.

Gemensam bas

Denna krets har den lägsta ingångsimpedansen, men dess nuvarande förstärkning är α. En gemensam baskrets förstärks väl i spänning, men inte i effekt. Dess funktion är att eliminera effekten av kapacitansåterkoppling (eff. Mjölnare). OB -stegen är idealiska som ingångssteg för förstärkare i RF -vägar matchade vid låga impedanser på 50 och 75 ohm.

Kaskader med en gemensam bas används mycket i mikrovågsteknologi och deras tillämpning i radioelektronik med en emitterföljande kaskad är mycket vanlig.

Två huvudsakliga driftsätt

Skilj mellan driftsätt med "liten" och "stor" signal. I det första fallet fungerar en bipolär transistor på en liten del av dess egenskaper, och detta används i analog teknik. I sådana fall är linjär förstärkning av signaler och lågt brus viktigt. Detta är ett linjärt läge.

I det andra fallet (nyckelläge) fungerar den bipolära transistorn i hela intervallet - från mättnad till avstängning, som en nyckel. Detta innebär att om du tittar på I-V-kännetecknet för p-n-övergången, bör du applicera en liten baksida mellan basen och sändaren för att helt blockera transistorn spänning och för full öppning, när transistorn går in i mättnadsläge, öka basströmmen något jämfört med den lilla signalen läge. Då fungerar transistorn som en pulsbrytare. Detta läge används för kopplings- och strömförsörjningsenheter, det används för att byta strömförsörjning. I sådana fall försöker de uppnå en kort omkopplingstid för transistorer.

Digital logik kännetecknas av en mellanliggande position mellan "stora" och "små" signaler. En låg logisk nivå är begränsad till 10% av matningsspänningen och en hög logisk nivå är begränsad till 90%. Tidsfördröjningar och byte tenderar att reduceras till gränsen. Detta driftsätt är nyckeln, men effekten försöker minimeras här. Vilket logiskt element som helst är en nyckel.

Andra typer av transistorer

Huvudtyperna av transistorer som redan beskrivits begränsar inte deras design. Sammansatta transistorer produceras (Darlington -krets). Deras β är mycket stor och är lika med produkten av koefficienterna för båda transistorerna, därför kallas de också "superbeta" -transistorer.

Elektroteknik har redan behärskat den isolerade grindens bipolära transistor (IGBT), med en isolerad grind. Porten till fälteffekttransistorn är verkligen isolerad från sin kanal. Det är sant att det är frågan om att ladda sin ingångskapacitans under omkoppling, så den kan inte klara sig utan ström här heller.

Sådana transistorer används i kraftfulla strömbrytare: pulsomvandlare, växelriktare, etc. I ingången är IGBT: er mycket känsliga på grund av det höga motståndet hos portarna till fälteffekttransistorerna. På väg ut - de gör det möjligt att ta emot enorma strömmar och kan tillverkas för högspänning. Till exempel i USA finns ett nytt solkraftverk, där sådana transistorer i en bryggkrets laddas på kraftfulla transformatorer som ger energi till industrinätet.

Sammanfattningsvis noterar vi att transistorer, i enkla termer, är "arbetshästen" för all modern elektronik. De används överallt: från ellok till mobiltelefoner. Varje modern dator består av praktiskt taget endast transistorer. De fysiska grunderna för transistorer är väl förstådda och lovar många fler nya framsteg.

Relaterat material:

• Vad är en diodbro - en enkel förklaring
• Vad är ett motstånd och vad är det för i en elektrisk krets
• Vad är en transistortester för och vad mäter den