Cos'è un transistor bipolare e qual è la sua caratteristica
La parola "transistor" è composta dalle parole TRASFERIMENTO e RESISTORE - convertitore di resistenza. Ha sostituito le lampade nei primi anni '50. Questo è un dispositivo a tre pin utilizzato per l'amplificazione e la commutazione nei circuiti elettronici. L'aggettivo "bipolare" (transistor di giunzione bipolare) viene utilizzato per distinguere dai transistor ad effetto di campo (FET - transistor ad effetto di campo). Il principio di funzionamento di un transistor bipolare consiste nell'utilizzare due giunzioni p-n che formano uno strato barriera, che consente a una piccola corrente di controllaresucon la massima corrente. Il transistor bipolare viene utilizzato sia come resistenza controllata che come chiave. I transistor sono di due tipi: pnp e npn.
Giunzione P-N
Il germanio (Ge) e il silicio (Si) sono semiconduttori. Ora viene utilizzato principalmente silicio. La valenza di Si e Ge è quattro. Pertanto, se aggiungiamo arsenico pentavalente al reticolo cristallino del silicio (As), otteniamo un elettrone “extra” e se aggiungiamo boro trivalente (B), otteniamo un posto libero per un elettrone. Nel primo caso, parlano di un materiale "donatore" che dà elettroni, nel secondo caso parlano di un materiale "accettore" che riceve elettroni. Inoltre, il primo tipo di materiale è chiamato N (negativo) e il secondo - P (positivo).
Se materiali di tipo P e N vengono messi in contatto, tra loro sorgerà una corrente e verrà stabilito un equilibrio dinamico con una regione impoverita, dove la concentrazione di portatori di carica - elettroni e siti vuoti ("buchi") - è piccola. Questo strato ha conducibilità unilaterale e funge da base per un dispositivo chiamato diodo. Il contatto diretto dei materiali non creerà una transizione qualitativa; è necessario legare (diffusione) o "intasare" gli ioni droganti in un cristallo nel vuoto.
Transistor PNP
Per la prima volta, un transistor bipolare è stato realizzato fondendo goccioline di indio in un cristallo di germanio (materiale di tipo n). L'indio (In) è un metallo trivalente di tipo p. Pertanto, tale transistor era chiamato diffuso (legato) con una struttura p-n-p (o pnp). Il transistor bipolare nella figura seguente è stato prodotto nel 1965. Il suo corpo è tagliato per chiarezza.
Il cristallo di germanio al centro è chiamato base, e le goccioline di indio che si fondono in esso sono chiamate emettitore e collettore. È possibile considerare le transizioni EB (emettitore) e KB (collettore) come diodi ordinari, ma la transizione CE (collettore-emettitore) ha una proprietà speciale. Pertanto, è impossibile produrre un transistor bipolare da due diodi separati.
Se viene applicata una tensione di diversi volt tra il collettore (-) e l'emettitore (+) in un transistor di tipo pnp, nel circuito scorrerà una corrente molto debole, alcuni μA. Se poi viene applicata una piccola tensione (di apertura) tra la base (-) e l'emettitore (+) - per il germanio è di circa 0,3 V (e per il silicio 0,6 V) - allora una corrente di una certa portata fluirà dall'emettitore alla base.Ma poiché la base è resa molto sottile, diventerà rapidamente satura di buchi ("perde" il suo eccesso di elettroni che andranno all'emettitore). Poiché l'emettitore è pesantemente drogato con conduzione del foro e la ricombinazione degli elettroni nella base debolmente drogata è un po 'ritardata, quindisula maggior parte della corrente fluirà dall'emettitore al collettore. Il collettore è reso più grande dell'emettitore e leggermente drogato, il che gli consente di averlosutensione di rottura inferiore (UCampione CE> UEB campione). Inoltre, poiché la maggior parte dei fori si ricombina nel collettore, si riscalda più fortemente rispetto agli altri elettrodi del dispositivo.
Tra la corrente del collettore e dell'emettitore c'è un rapporto:
Tipicamente, α si trova nell'intervallo 0,85-0,999 e dipende inversamente dallo spessore della base. Questo valore è chiamato coefficiente di trasferimento della corrente dell'emettitore. In pratica viene spesso utilizzato il reciproco (indicato anche da h21e):
Questo è il coefficiente di trasferimento della corrente di base, uno dei parametri più importanti di un transistor bipolare. Più spesso determina le proprietà di miglioramento nella pratica.
Il transistor PNP è chiamato transistor del conduttore anteriore. Ma esiste un altro tipo di transistor, la cui struttura integra perfettamente il pnp nei circuiti.
Transistor NPN
Il transistor bipolare può avere un collettore con un emettitore di materiale di tipo N. Quindi la base è realizzata in materiale di tipo P. E in questo caso, il transistor npn funziona esattamente come il pnp, ad eccezione della polarità - è un transistor a conducibilità inversa.
I transistor a base di silicio sopprimono con il loro numero tutti gli altri tipi di transistor bipolari. Come materiale donatore per il collezionista e l'emettitore può servire come As, avendo un elettrone "extra". Anche la tecnologia per la produzione di transistor è cambiata. Ora sono planari, il che rende possibile l'uso della litografia e la realizzazione di circuiti integrati. L'immagine seguente mostra un transistor bipolare planare (come parte di un circuito integrato ad alto ingrandimento). Secondo la tecnologia planare, vengono prodotti sia transistor pnp che npn, compresi quelli potenti. Le leghe sono già fuori produzione.
Il transistor bipolare planare nel contesto della seguente immagine (diagramma semplificato).
L'immagine mostra quanto bene sia organizzato il design del transistor planare: il collettore è effettivamente raffreddato dal substrato di cristallo. Viene anche prodotto un transistor pnp planare.
Le designazioni grafiche convenzionali di un transistor bipolare sono mostrate nella figura seguente.
Queste UGO sono internazionali e valide anche in conformità con GOST 2.730-73.
Circuiti di commutazione a transistor
Di solito un transistor bipolare viene sempre utilizzato in connessione diretta: la polarità inversa sulla giunzione FE non fornisce nulla di interessante. Per uno schema di connessione diretta, esistono tre schemi di connessione: un emettitore comune (OE), un collettore comune (OK) e una base comune (OB). Tutte e tre le inclusioni sono mostrate di seguito. Spiegano solo il principio di funzionamento stesso - supponendo che il punto operativo sia in qualche modo installato utilizzando una fonte di alimentazione aggiuntiva o un circuito ausiliario. Per aprire un transistor al silicio (Si), è necessario avere un potenziale di ~ 0,6 V tra l'emettitore e la base, e per un germanio è sufficiente ~ 0,3 V.
Emettitore comune
La tensione U1 provoca una corrente Ib, la corrente di collettore Ik è uguale alla corrente di base moltiplicata per β. In questo caso, la tensione + E dovrebbe essere abbastanza grande: 5 V-15 V. Questo circuito amplifica bene la corrente e la tensione, e quindi la potenza. Il segnale di uscita è opposto in fase all'ingresso (invertito). Questo è usato nella tecnologia digitale in funzione di NOT.
Se il transistor non funziona in modalità chiave, ma come un amplificatore di piccoli segnali (modalità attiva o lineare), quindi, utilizzando la selezione della corrente di base, viene impostata la tensione U2 uguale a E / 2 in modo che il segnale di uscita non sia distorto. Tale applicazione viene utilizzata, ad esempio, per amplificare i segnali audio negli amplificatori di fascia alta con bassa distorsione e, di conseguenza, bassa efficienza.
Collezionista comune
In termini di tensione, il circuito OK non si amplifica, qui il guadagno è α ~ 1.Pertanto, questo circuito è chiamato seguace dell'emettitore. La corrente nel circuito dell'emettitore è β + 1 volte maggiore rispetto al circuito di base. Questo circuito amplifica bene la corrente e ha un'uscita bassa e un'impedenza di ingresso molto elevata. (Questo è il momento di ricordare che il transistor è chiamato trasformatore di resistenza.)
Il follower dell'emettitore ha proprietà e parametri operativi molto adatti per le sonde dell'oscilloscopio. Utilizza la sua enorme impedenza di ingresso e bassa uscita, che è buono per l'abbinamento con un cavo a bassa impedenza.
Base comune
Questo circuito è caratterizzato dalla resistenza di ingresso più bassa, ma il suo guadagno di corrente è uguale a α. Un circuito base comune amplifica bene in tensione, ma non in potenza. La sua caratteristica è l'eliminazione dell'influenza del feedback sulla capacità (eff. Miller). Le cascate con OB sono ideali come stadi di ingresso di amplificatori in percorsi a radiofrequenza abbinati a basse resistenze di 50 e 75 Ohm.
Le cascate con una base comune sono molto utilizzate nella tecnologia a microonde e il loro uso nell'elettronica radio con una cascata di seguaci di emettitori è molto comune.
Due modalità operative principali
Distinguere tra le modalità di funzionamento usando il segnale "piccolo" e "grande". Nel primo caso, il transistor bipolare opera su una piccola area delle sue caratteristiche e questo viene utilizzato nella tecnologia analogica. In tali casi, la linearità dell'amplificazione del segnale e il basso rumore sono importanti. Questa è una modalità lineare.
Nel secondo caso (modalità chiave), il transistor bipolare funziona a tutto campo, dalla saturazione al taglio, come un tasto. Ciò significa che se si osservano le caratteristiche I - V della giunzione pn, è necessario applicare una piccola tensione inversa tra la base e l'emettitore per bloccare completamente il transistor e per aprirsi completamente quando il transistor passa in modalità di saturazione, aumentare leggermente la corrente di base, rispetto alla modalità a segnale basso. Quindi il transistor funziona come un interruttore a impulsi. Questa modalità viene utilizzata nei dispositivi di commutazione e alimentazione, per la commutazione di alimentatori. In tali casi, cercano di ottenere un breve tempo di commutazione dei transistor.
La logica digitale è caratterizzata da una posizione intermedia tra i segnali "grandi" e "piccoli". Un livello logico basso è limitato dal 10% della tensione di alimentazione e uno alto dal 90%. I ritardi e il cambio di tempo cercano di ridurre al limite. Questa modalità di funzionamento è fondamentale, ma qui cercano di ridurre al minimo la potenza. Qualsiasi elemento logico è una chiave.
Altri tipi di transistor
I principali tipi di transistor già descritti non limitano la loro disposizione. Vengono prodotti transistor compositi (circuito di Darlington). Il loro β è molto grande e uguale al prodotto dei coefficienti di entrambi i transistor, quindi sono anche chiamati transistor "superbet".
L'ingegneria elettrica ha già dominato gli IGBT (transistor bipolare a gate isolato), con un gate isolato. Il gate del transistor ad effetto di campo è effettivamente isolato dal suo canale. È vero, c'è una questione di ricarica della sua capacità di ingresso durante la commutazione, quindi, senza corrente, non può fare qui.
Tali transistor sono utilizzati in potenti interruttori di potenza: convertitori di impulsi, inverter, ecc. Gli IGBT di ingresso sono molto sensibili a causa dell'elevata resistenza di gate dei transistor ad effetto di campo. All'uscita - danno l'opportunità di ricevere enormi correnti e possono essere fabbricati per alta tensione. Ad esempio, negli Stati Uniti esiste una nuova centrale solare, in cui tali transistor nel circuito del ponte sono caricati con potenti trasformatori che trasferiscono energia alla rete industriale.
In conclusione, notiamo che i transistor, in parole semplici, sono il "cavallo di battaglia" di tutta l'elettronica moderna. Sono utilizzati ovunque: dalle locomotive elettriche ai telefoni cellulari. Qualsiasi computer moderno è costituito da quasi tutti i transistor. Le basi fisiche del funzionamento dei transistor sono ben comprese e promettono molti altri nuovi risultati.
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