Što je bipolarni tranzistor i koja je njegova karakteristika
Riječ "tranzistor" sastoji se od riječi TRANSfer i otpornik - pretvarač otpora. Zamijenio je svjetiljke u ranim pedesetima. Ovo je tro-pinski uređaj koji se koristi za pojačavanje i prebacivanje u elektroničkim krugovima. Pridev „bipolarni“ (bipolarni spojni tranzistor) služi za razlikovanje od tranzistora s efektom polja (FET). Princip rada bipolarnog tranzistora je upotreba dva p-n spajanja koja tvore barijerski sloj, koji omogućuje maloj struji kontroluokos najvećom strujom. Bipolarni tranzistor koristi se i kao kontrolirani otpor i kao ključ. Tranzistori su dvije vrste: pnp i npn.
P-N spoj
Germanij (Ge) i silicij (Si) su poluvodiči. Sada se uglavnom koristi silicij. Valencija Si i Ge je četiri. Stoga, ako kristalnoj rešetki silicija (As) dodamo pentavalentni arsen, dobit ćemo „dodatni“ elektron, a ako dodamo trovalentni bor (B), dobijemo slobodno mjesto za jedan elektron. U prvom slučaju govore o materijalu "donora" koji daje elektrone, u drugom slučaju oni koji govore o "akceptorskom" materijalu koji prima elektrone. Također, prva vrsta materijala naziva se N (negativna), a druga - P (pozitivna).
Ako se materijali tipa P i N dovedu u dodir, nastaće struja između njih i uspostavit će se dinamička ravnoteža s područjem iscrpljivanja, gdje je koncentracija nosača naboja - elektrona i slobodnih mjesta („rupa“) - mala. Ovaj sloj ima jednostranu vodljivost i služi kao osnova za uređaj zvan dioda. Izravni kontakt materijala neće stvoriti kvalitativni prijelaz, potrebno je legiranje (difuzija) ili "začepljenje" dopantnih iona u kristal u vakuumu.
PNP tranzistor
Prvi put je napravljen bipolarni tranzistor topljenjem kapljica indija u kristal germaniju (materijal n-tipa). Indij (In) je trovalentni metalni materijal p-tipa. Stoga se takav tranzistor zvao difuzni (legirani) s p-n-p (ili pnp) strukturom. Bipolarni tranzistor na donjoj slici proizveden je 1965. godine. Tijelo mu je izrezano radi jasnoće.
Kristal germanija u sredini naziva se baza, a kapljice indija koje su se stapale u njemu nazivaju se emiter i sakupljač. Prijelaze EB (emiter) i KB (kolektor) mogu se smatrati običnim diodama, ali prijelazni CE (kolektor-emiter) ima posebno svojstvo. Stoga je nemoguće proizvesti bipolarni tranzistor iz dvije odvojene diode.
Ako se između kolektora (-) i emitera (+) u naponskom tranzistoru primijeni napon od nekoliko volti, u krugu će teći vrlo slaba struja, nekoliko μA. Ako je tada mali (naponski) napon postavljen između baze (-) i emitora (+) - za germanij je oko 0,3 V (a za silicij 0,6 V) - tada će struja određene veličine teći od emitera do baze.Ali budući da je baza vrlo tanka, brzo će se zasipati rupama ("gubi" svoj višak elektrona koji će otići u emiter). Budući da je odašiljač jako dopiran s rupnom vodljivošću, a rekombinacija elektrona u slabo dopiranom bazenu malo kasni, tadaokovećina struje će teći iz emitera u kolektor. Kolektor je napravljen veći od emitora i blago dopiran, što mu omogućuje da ga imaokoniži proboj napona (UUzorak CE> UUzorak EB) Također, budući da se većina rupa rekombinira u sakupljaču, on se zagrijava jače od ostalih elektroda uređaja.
Između struje kolektora i emitera postoji omjer:
Tipično, α leži u rasponu od 0,85-0,999 i obrnuto ovisi o debljini baze. Ta se vrijednost naziva koeficijentom prijenosa struje odašiljača. U praksi se često koristi recipročna (označena i s h21e):
Ovo je osnovni koeficijent prijenosa struje, jedan od najvažnijih parametara bipolarnog tranzistora. Češće određuje pojačavajuća svojstva u praksi.
PNP tranzistor naziva se tranzistor prednjeg vodiča. Ali postoji i druga vrsta tranzistora, čija struktura savršeno nadopunjuje pnp u krugu.
NPN tranzistor
Bipolarni tranzistor može imati sakupljač s emiterom materijala N-tipa. Tada je osnova izrađena od materijala tipa P. I u ovom slučaju, npn tranzistor djeluje točno poput pnp, s izuzetkom polarnosti - to je tranzistor s reverznom provodljivošću.
Tranzistori na bazi silicija potiskuju sa svojim brojevima sve ostale vrste bipolarnih tranzistora. Kao donator materijal za sakupljač i emiter može poslužiti kao As, koji ima "dodatni" elektron. Također se promijenila tehnologija proizvodnje tranzistora. Sada su planarni, što omogućuje upotrebu litografije i izradu integriranih krugova. Na slici ispod prikazan je ravan bipolarni tranzistor (kao dio integriranog kruga s velikim uvećanjima). Prema planarnoj tehnologiji proizvode se i pnp i npn tranzistori, uključujući snažne. Legura je već obustavljena.
Ravni bipolarni tranzistor u kontekstu sljedeće slike (pojednostavljeni dijagram).
Na slici je prikazano koliko je dobro izveden dizajn ravninskog tranzistora - sakupljač učinkovito hladi kristalnu podlogu. Proizvodi se i ravnični pnp tranzistor.
Konvencionalne grafičke oznake bipolarnog tranzistora prikazane su na sljedećoj slici.
Ti su UGO-ovi međunarodni i vrijede u skladu s GOST 2.730-73.
Tranzistorski sklopni krugovi
Obično se u neposrednoj vezi koristi bipolarni tranzistor - obrnuti polaritet na FE spojnici ne daje ništa zanimljivo. Za shemu izravne veze postoje tri sheme povezivanja: zajednički odašiljač (OE), zajednički kolektor (OK) i zajednička baza (OB). Sva tri uključenja prikazana su u nastavku. Objašnjavaju samo princip samog rada - pod pretpostavkom da je radna točka nekako instalirana pomoću dodatnog izvora napajanja ili pomoćnog kruga. Da bi se otvorio silikonski tranzistor (Si), potrebno je imati napon od ~ 0,6 V između emitora i baze, a za germanij je dovoljno ~ 0,3 V.
Uobičajeni odašiljač
Napon U1 uzrokuje struju Ib, struja kolektor Ik jednaka je osnovnoj struji pomnoženoj s β. U tom slučaju bi napon + E trebao biti dovoljno velik: 5 V-15 V. Ovaj krug dobro pojačava struju i napon, a samim tim i snagu. Izlazni signal je fazno suprotan ulazu (obrnut). To se koristi u digitalnoj tehnologiji kao funkcija NOT.
Ako tranzistor ne radi u ključnom načinu rada, već kao pojačalo malih signala (aktivni ili linearni način rada), tada se pomoću odabira bazne struje postavlja napon U2 jednaka E / 2, tako da izlazni signal ne bude iskrivljen. Takva se aplikacija koristi, na primjer, za pojačavanje audio signala u visokopojasnim pojačalima s malim izobličenjem i, kao rezultat, niskom učinkovitošću.
Uobičajeni kolekcionar
Što se tiče napona, OK krug se ne pojačava, ovdje je dobitak α ~ 1.Stoga se ovaj krug naziva sljedbenik odašiljača. Struja u krugu odašiljača je β + 1 puta veća nego u osnovnom krugu. Ovaj krug pojačava struju dobro i ima nizak izlazni i vrlo visoku ulaznu impedansu. (Ovo je vrijeme za pamćenje da se tranzistor naziva transformator otpora.)
Sljedbenik odašiljača ima svojstva i radne parametre koji su vrlo pogodni za sonde osciloskopa. Koristi veliku ulaznu impedansu i nizak izlaz, što je dobro za slaganje s kabelom male impedance.
Zajednička baza
Ovaj krug karakterizira najmanji ulazni otpor, ali njegov trenutni dobitak jednak je α. Uobičajeni osnovni krug dobro pojačava napon, ali ne i snagu. Njegova je karakteristika uklanjanje utjecaja povratnih informacija na kapacitivnost (ef. Miller). OB stupnjevi su idealni kao ulazni stupnjevi pojačala u radio frekvencijskim stazama podudarnih pri malim otporima 50 i 75 Ohma.
Kaskade sa zajedničkom bazom vrlo su široko korištene u mikrovalnoj tehnologiji, a njihova upotreba u radio-elektronici s kaskadom sljedbenika emitera vrlo je česta.
Dva glavna načina rada
Razlikovati između načina rada pomoću signala "mali" i "veliki". U prvom slučaju bipolarni tranzistor djeluje na malom području svojih karakteristika i to se koristi u analognoj tehnologiji. U takvim je slučajevima važna linearnost pojačanja signala i nizak šum. Ovo je linearni način rada.
U drugom slučaju (način rada s tipkama), bipolarni tranzistor djeluje u punom rasponu - od zasićenja do isključivanja, poput ključa. To znači da ako pogledate I - V karakteristike pn spajanja, trebali biste primijeniti mali obrnuti napon između baze i emitera da biste potpuno zaključali tranzistor, a da biste se potpuno otvorili kada tranzistor pređe u način zasićenja, malo povećajte baznu struju u odnosu na način slabog signala. Tada tranzistor djeluje poput impulsne sklopke. Ovaj način rada koristi se u sklopnim i napajačkim uređajima, koristi se za prebacivanje napajanja. U takvim slučajevima pokušavaju postići kratko vrijeme uključivanja tranzistora.
Digitalnu logiku karakterizira posredni položaj između signala "velikog" i "malog". Niska razina logike ograničena je na 10% opskrbnog napona, a visoka s 90%. Vremensko kašnjenje i prebacivanje nastoje se svesti na ograničenje. Ovaj je način rada ključan, ali oni ovdje žele smanjiti snagu. Bilo koji logički element je ključan.
Ostale vrste tranzistora
Već opisane glavne vrste tranzistora ne ograničavaju njihov raspored. Izrađuju se složeni tranzistori (Darlingtonov krug). Njihov je β vrlo velik i jednak je koeficijentu oba tranzistora, pa ih nazivaju i "superbet" tranzistori.
Elektrotehnika je već savladala IGBTs (izolirani bipolarni tranzistor), s izoliranim vratima. Vrata tranzistora s efektom polja doista su izolirana od svog kanala. Istina, postoji pitanje ponovnog punjenja njegovog ulaznog kapaciteta tijekom prebacivanja, tako da bez struje ovdje ne može.
Takvi se tranzistori koriste u moćnim prekidačima napajanja: pretvaračima impulsa, pretvaračima itd. Ulazni IGBT-ovi vrlo su osjetljivi zbog velikog otpora vrata tranzistora s efektom polja. Na izlazu - daju mogućnost primanja ogromnih struja i mogu se proizvesti za visoki napon. Na primjer, u SAD-u postoji nova solarna elektrana, gdje su takvi tranzistori u mostnom krugu opterećeni snažnim transformatorima koji prenose energiju u industrijsku mrežu.
Zaključno, napominjemo da su tranzistori, jednostavnim riječima, "radni konj" sve moderne elektronike. Koriste se svugdje: od električne lokomotive do mobilnih telefona. Svako suvremeno računalo sastoji se od gotovo svih tranzistora. Fizički temelji rada tranzistora su dobro razumljivi i obećavaju još mnogo novih dostignuća.
Srodni materijali:
Učitavanje ...
