Co je to bipolární tranzistor a jaká je jeho funkce
Slovo "tranzistor" se skládá ze slov převodník a odpor - převodník odporu. Na začátku padesátých let vyměnil lampy. Toto je tříkolíkové zařízení používané pro zesílení a přepínání v elektronických obvodech. Přídavné jméno „bipolární“ (tranzistor bipolárního přechodu) se používá k odlišení od tranzistorů s efektem pole (FET - tranzistor s efektem pole). Princip činnosti bipolárního tranzistoru spočívá v použití dvou p-n křižovatek vytvářejících bariérovou vrstvu, která umožňuje řízení malého prouduasis nejvyšším proudem. Bipolární tranzistor se používá jak jako řízený odpor, tak jako klíč. Tranzistory jsou dvou typů: pnp a npn.
P-N křižovatka
Germanium (Ge) a křemík (Si) jsou polovodiče. Nyní se používá hlavně křemík. Valence Si a Ge je čtyři. Proto pokud přidáme pentavalentní arsen do krystalové mřížky křemíku (As), dostaneme „extra“ elektron a pokud přidáme trojmocný bor (B), dostaneme volné místo pro elektron. V prvním případě mluví o „dárcovském“ materiálu poskytujícím elektrony, ve druhém případě mluví o „akceptorovém“ materiálu přijímajícím elektrony. Rovněž první typ materiálu se nazývá N (negativní) a druhý - P (pozitivní).
Pokud dojde ke kontaktu materiálů typu P a N, vznikne mezi nimi proud a vytvoří se dynamická rovnováha s vyčerpanou oblastí, kde je koncentrace nosičů náboje - elektronů a volných míst („díry“) - malá. Tato vrstva má jednostrannou vodivost a slouží jako základ pro zařízení zvané dioda. Přímý kontakt materiálů nevytvoří kvalitativní přechod, je nezbytné legování (difúze) nebo „ucpání“ dopantových iontů do krystalu ve vakuu.
Tranzistor PNP
Poprvé byl bipolární tranzistor vyroben roztavením kapek india na krystal germania (materiál typu n). Indium (In) je materiál trojmocného kovu typu p. Proto byl takový tranzistor nazýván difuzní (legovaný) mající strukturu p-n-p (nebo pnp). Bipolární tranzistor na obrázku níže byl vyroben v roce 1965. Jeho tělo je pro větší přehlednost řezané.
Krystal germania ve středu se nazývá základna a kapky india v něm roztavené se nazývají emitor a sběratel. Přechody EB (emitor) a KB (kolektor) je možné považovat za běžné diody, ale přechod CE (kolektor-emitor) má zvláštní vlastnost. Proto není možné vyrobit bipolární tranzistor ze dvou samostatných diod.
Je-li mezi kolektorem (-) a emitorem (+) v tranzistoru typu pnp přivedeno napětí několika voltů, bude v obvodu proudit velmi slabý proud, několik μA. Pokud je pak mezi základnou (-) a emitorem (+) - aplikováno malé (otevírací) napětí pro germanium je to asi 0,3 V (a pro křemík 0,6 V) - pak bude proud emitoru do základny protékat proudem nějaké velikosti.Ale protože je základna velmi tenká, rychle se nasycuje otvory („ztrácí“ přebytek elektronů, které půjdou do emitoru). Protože je emitor silně dopován vodivým otvorem a rekombinace elektronů ve slabě dopované základně je trochu zpožděna, pakasivětšina proudu bude proudit z emitoru do kolektoru. Kolektor je vyroben větší než emitor a mírně dopovaný, což mu umožňuje mítasinižší poruchové napětí (UUkázka CE> UUkázka EB) Také, protože většina děr se v kolektoru kombinuje, zahřívá se silněji než ostatní elektrody zařízení.
Mezi kolektorovým a emitorovým proudem je poměr:
Typicky je a v rozmezí 0,85-0,999 a nepřímo závisí na tloušťce základny. Tato hodnota se nazývá koeficient přenosu proudu emitoru. V praxi se reciprocal často používá (také označován h21e):
Toto je základní koeficient přenosu proudu, jeden z nejdůležitějších parametrů bipolárního tranzistoru. Častěji určuje zlepšující vlastnosti v praxi.
Tranzistor PNP se nazývá tranzistor dopředného vodiče. Existuje však i jiný typ tranzistoru, jehož struktura perfektně doplňuje pnp v obvodech.
Tranzistor NPN
Bipolární tranzistor může mít kolektor s emitorem z materiálu typu N. Poté je základna vyrobena z materiálu typu P. A v tomto případě tranzistor npn funguje přesně jako pnp, s výjimkou polarity - jedná se o tranzistor s reverzní vodivostí.
Tranzistory na bázi křemíku potlačují svými čísly všechny ostatní typy bipolárních tranzistorů. Jako dárcovský materiál pro sběratele a emitor může sloužit jako As, který má „extra“ elektron. Technologie pro výrobu tranzistorů se také změnila. Nyní jsou rovinné, což umožňuje používat litografii a vytvářet integrované obvody. Na následujícím obrázku je rovinný bipolární tranzistor (jako součást integrovaného obvodu při velkém zvětšení). Podle planární technologie jsou vyráběny jak pnp, tak npn tranzistory, včetně výkonných. Slitina je již ukončena.
Rovinný bipolární tranzistor v kontextu následujícího obrázku (zjednodušený diagram).
Obrázek ukazuje, jak dobře je uspořádán design rovinného tranzistoru - kolektor je účinně ochlazován krystalovým substrátem. Rovněž je vyráběn planární pnp tranzistor.
Konvenční grafická označení bipolárního tranzistoru jsou uvedena na následujícím obrázku.
Tyto UGO jsou mezinárodní a také platné v souladu s GOST 2.730-73.
Tranzistorové spínací obvody
Bipolární tranzistor se obvykle používá v přímém spojení - obrácená polarita na přechodu FE neposkytuje nic zajímavého. Pro schéma přímého připojení existují tři schémata připojení: společný emitor (OE), společný kolektor (OK) a společná základna (OB). Všechny tři inkluze jsou uvedeny níže. Vysvětlují pouze samotný princip činnosti - za předpokladu, že provozní bod je nějak instalován pomocí přídavného zdroje energie nebo pomocného obvodu. K otevření křemíkového tranzistoru (Si) je nutné mít mezi emitorem a základnou potenciál ~ 0,6 V a pro germanium stačí ~ 0,3 V.
Společný emitor
Napětí U1 způsobuje proud Ib, proud Ik kolektoru se rovná základnímu proudu vynásobenému β. V tomto případě by napětí + E mělo být dostatečně velké: 5 V-15 V. Tento obvod dobře zesiluje proud a napětí, a proto i sílu. Výstupní signál je ve fázi proti vstupu (obrácený). Používá se v digitální technologii jako funkce NOT.
Pokud tranzistor nepracuje v klíčovém režimu, ale jako zesilovač malých signálů (aktivní nebo lineární režim), pak se pomocí výběru základního proudu nastaví napětí U2 rovna E / 2, takže výstupní signál není zkreslený. Taková aplikace se používá například pro zesílení zvukových signálů ve špičkových zesilovačích s nízkým zkreslením a v důsledku toho s nízkou účinností.
Společný sběratel
Pokud jde o napětí, obvod OK se nezesiluje, zde je zisk α ~ 1.Tento obvod se proto nazývá sledovač emitorů. Proud v emitorovém obvodu je β + 1krát větší než v základním obvodu. Tento obvod dobře zesiluje proud a má nízký výstup a velmi vysokou vstupní impedanci. (Toto je čas si pamatovat, že tranzistor se nazývá odporový transformátor.)
Sledovač emitoru má vlastnosti a provozní parametry, které jsou velmi vhodné pro osciloskopické sondy. Využívá svou obrovskou vstupní impedanci a nízký výstup, což je dobré pro přizpůsobení kabelu s nízkou impedancí.
Společná základna
Tento obvod je charakterizován nejnižším vstupním odporem, ale jeho proudový zisk je roven a. Společný základní obvod dobře zesiluje napětí, ale ne moc. Její funkcí je eliminace vlivu zpětné vazby na kapacitu (eff. Miller). Kaskády s OB jsou ideálně vhodné jako vstupní fáze zesilovačů v vysokofrekvenčních drahách přizpůsobených nízkým odporům 50 a 75 Ohmů.
Kaskády se společnou základnou se v mikrovlnné technologii velmi často používají a jejich použití v rádiové elektronice s kaskádou sledovačů emitorů je velmi běžné.
Dva hlavní provozní režimy
Rozlišujte mezi režimy provozu pomocí signálu „malý“ a „velký“. V prvním případě bipolární tranzistor pracuje na malé oblasti svých charakteristik, což se používá v analogové technologii. V takových případech je důležitá linearita zesílení signálu a nízký šum. Toto je lineární režim.
Ve druhém případě (klíčový režim) pracuje bipolární tranzistor v plném rozsahu - od nasycení až po vypnutí, jako klíč. To znamená, že pokud se podíváte na I - V charakteristiky pn křižovatky, měli byste použít malé zpětné napětí mezi základnou a emitorem, aby se úplně tranzistor zamkl, a aby se úplně otevřel, když tranzistor přejde do režimu nasycení, mírně zvyšte základní proud ve srovnání s režimem nízkého signálu. Pak tranzistor funguje jako pulzní spínač. Tento režim se používá ve spínacích a napájecích zařízeních, používá se pro spínání napájecích zdrojů. V takových případech se snaží dosáhnout krátké spínací doby tranzistorů.
Digitální logika je charakterizována střední polohou mezi „velkými“ a „malými“ signály. Nízká logická úroveň je omezena 10% napájecího napětí a vysoká 90%. Časová zpoždění a přepínání se snaží snížit na limit. Tento režim práce je klíčový, ale snaží se zde minimalizovat energii. Jakýkoli logický prvek je klíč.
Jiné typy tranzistorů
Hlavní typy tranzistorů, které již byly popsány, neomezují jejich uspořádání. Produkují se složené tranzistory (Darlingtonův obvod). Jejich β je velmi velká a rovná součinu koeficientů obou tranzistorů, proto se také nazývají „superbet“ tranzistory.
Elektrotechnika již zvládla IGBT (izolovaný bipolární tranzistor) s izolovanou bránou. Brána tranzistoru s efektem pole je skutečně izolována od svého kanálu. Je pravda, že během přepínání existuje otázka dobití její vstupní kapacity, takže bez proudu to nemůže udělat zde.
Tyto tranzistory se používají v výkonných výkonových spínačích: pulzní převodníky, invertory atd. Vstupní IGBT jsou velmi citlivé kvůli vysokému odporu tranzistoru pole. Na výstupu - dávají příležitost přijímat obrovské proudy a mohou být vyrobeny pro vysoké napětí. Například v USA je nová solární elektrárna, kde jsou takové tranzistory v můstkovém obvodu zatíženy výkonnými transformátory, které přenášejí energii do průmyslové sítě.
Závěrem poznamenáváme, že tranzistory jsou jednoduše řečeno „workhorse“ veškeré moderní elektroniky. Používají se všude: od elektrických lokomotiv po mobilní telefony. Každý moderní počítač se skládá téměř ze všech tranzistorů. Fyzické základy fungování tranzistorů jsou dobře známy a slibují mnoho dalších nových úspěchů.
Související materiály:
Načítám ...
