Kas yra bipolinis tranzistorius ir kokia jo savybė?
Žodį „tranzistorius“ sudaro žodžiai TRANSfer ir rezistorius - varža keitiklis. Šeštojo dešimtmečio pradžioje jis pakeitė lempas. Tai trijų kontaktų įtaisas, naudojamas stiprinimui ir perjungimui elektroninėse grandinėse. Būdvardis „bipolinis“ (bipolinis jungiamasis tranzistorius) skirtas atskirti nuo lauko tranzistorių (FET). Bipolinio tranzistoriaus veikimo principas yra naudoti dvi p-n sankryžas, sudarančias barjerinį sluoksnį, kuris leidžia valdyti mažą srovęapieesant didžiausiai srovei. Bipolinis tranzistorius naudojamas tiek kaip kontroliuojamas pasipriešinimas, tiek kaip raktas. Tranzistoriai yra dviejų tipų: pnp ir npn.
P-N sankryža
Germanis (Ge) ir silicis (Si) yra puslaidininkiai. Dabar daugiausia naudojamas silicis. Si ir Ge valentingumas yra keturi. Todėl, jei į silicio (As) kristalinę gardelę pridėsime penkiavalentį arseną, gausime „papildomą“ elektroną, o pridėję trivalentį borą (B), gausime laisvą vietą elektronui. Pirmuoju atveju jie kalba apie „donorinę“ medžiagą, suteikiančią elektronus, antruoju atveju - apie „priimančiąją“ medžiagą, gaunančią elektronus. Taip pat pirmojo tipo medžiaga vadinama N (neigiama), o antroji - P (teigiama).
Susilietus su P ir N tipo medžiagomis, susidarys srovė ir susidarys dinaminė pusiausvyra išeikvojimo regione, kur krūvio nešėjų - elektronų ir laisvų vietų („skylių“) - koncentracija yra maža. Šis sluoksnis turi vienpusį laidumą ir yra prietaiso, vadinamo diodu, pagrindas. Tiesioginis medžiagų kontaktas nesukurs kokybinio perėjimo, todėl būtina dopantų jonų lydymą (difuziją) arba „užkimšimą“ į kristalą vakuume.
PNP tranzistorius
Pirmą kartą bipolinis tranzistorius buvo pagamintas išlydant indio lašelius į germanio kristalą (n tipo medžiagą). Indis (į) yra trivalentis metalas, p tipo medžiaga. Todėl toks tranzistorius buvo vadinamas difuziniu (legiruotuoju), turinčiu p-n-p (arba pnp) struktūrą. Žemiau pateiktame paveiksle nurodytas bipolinis tranzistorius buvo pagamintas 1965 m. Jo kūnas supjaustytas aiškumo dėlei.
Centre esantis germanio kristalas vadinamas baze, o į jį ištirpę indio lašeliai vadinami emiteriu ir kolektoriumi. Galima laikyti perėjimus EB (spinduolis) ir KB (kolektorius) kaip paprastus diodus, tačiau pereinamasis CE (kolektorius-skleidėjas) turi ypatingą savybę. Todėl iš dviejų atskirų diodų neįmanoma pagaminti bipolinio tranzistoriaus.
Jei tarp kolektoriaus (-) ir emiterio (+) pnp tipo tranzistoriuje yra taikoma kelių voltų įtampa, grandinėje tekės labai silpna, kelių μA, srovė. Jei tada tarp pagrindo (-) ir emiterio (+) taikoma maža (atidarymo) įtampa - germaniui ji yra apie 0,3 V (o siliciui - 0,6 V) - tada iš emiterio į pagrindą tekės tam tikro dydžio srovė.Kadangi pagrindas pagamintas labai plonas, jis greitai prisotinamas skylių („praranda“ savo elektronų perteklių, kuris pateks į emiterį). Kadangi emiterio skylių laidumas yra smarkiai pasklidęs, o elektronų rekombinacija silpnai išmėtytoje bazėje yra šiek tiek atidėta, tadaapiedidžioji srovės dalis tekės iš emiterio į kolektorių. Kolektorius pagamintas didesnis už emiterį ir šiek tiek paduotas, o tai leidžia jį turėtiapiemažesnė skilimo įtampa (UCE pavyzdys> UEB pavyzdys) Be to, kadangi didžioji skylių dalis rekombinuojasi kolektoriuje, ji įkaista labiau nei kiti prietaiso elektrodai.
Tarp kolektoriaus ir emiterio srovės yra santykis:
Paprastai α svyruoja nuo 0,85-0,999 ir atvirkščiai priklauso nuo pagrindo storio. Ši vertė vadinama emiterio srovės perdavimo koeficientu. Praktiškai dažnai naudojamas grįžtamasis ryšys (taip pat žymimas h21e):
Tai yra bazinės srovės perdavimo koeficientas, vienas iš svarbiausių bipolinio tranzistoriaus parametrų. Tai dažniau lemia stiprinančias savybes praktikoje.
PNP tranzistorius vadinamas priekinio laidininko tranzistoriumi. Tačiau yra dar vienas tranzistoriaus tipas, kurio struktūra puikiai papildo pnp grandinėse.
NPN tranzistorius
Bipolinis tranzistorius gali turėti kolektorių su N tipo medžiagos emiteriu. Tada pagrindas pagamintas iš P tipo medžiagos. Ir šiuo atveju npn tranzistorius veikia lygiai taip pat kaip pnp, išskyrus poliškumą - tai atvirkštinio laidumo tranzistorius.
Silicio tranzistoriai savo skaičiumi slopina visus kitus bipolinių tranzistorių tipus. Kaip donorinė medžiaga kolekcininkui ir emiteriui gali tarnauti kaip As, turinti „papildomą“ elektroną. Taip pat pasikeitė tranzistorių gamybos technologija. Dabar jie yra plokšti, o tai leidžia naudoti litografiją ir sudaryti integrinius grandynus. Žemiau esančiame paveikslėlyje parodytas plokštuminis bipolinis tranzistorius (kaip integruotos grandinės dalis esant dideliam padidinimui). Pagal plokštuminę technologiją gaminami tiek pnp, tiek npn tranzistoriai, įskaitant galingus. Lydinys jau nutrauktas.
Plokštuminis bipolinis tranzistorius šio paveikslo kontekste (supaprastinta schema).
Nuotraukoje parodyta, kaip gerai išdėstytas plokštuminio tranzistoriaus dizainas - kolektorius efektyviai aušinamas kristalų pagrindu. Taip pat gaminamas plokštuminis pnp tranzistorius.
Įprasti bipolinio tranzistoriaus grafiniai žymėjimai parodyti šiame paveikslėlyje.
Šios UGO yra tarptautinės, jos taip pat galioja pagal GOST 2.730-73.
Tranzistorių perjungimo grandinės
Paprastai bipolinis tranzistorius visada naudojamas tiesioginiame ryšyje - atvirkštinis poliškumas FE sankryžoje nesuteikia nieko įdomaus. Tiesioginio jungimo schemai yra trys jungimo schemos: bendras emiteris (OE), bendras kolektorius (OK) ir bendra bazė (OB). Visi trys intarpai parodyti žemiau. Jie paaiškina tik patį veikimo principą - darant prielaidą, kad veikimo taškas kažkaip įrengiamas naudojant papildomą energijos šaltinį arba pagalbinę grandinę. Norint atidaryti silicio tranzistorių (Si), tarp emiterio ir pagrindo turi būti ~ 0,6 V potencialas, o germaniui - ~ 0,3 V.
Dažnas skleidėjas
Įtampa U1 sukelia srovę Ib, kolektoriaus srovė Ik yra lygi bazinei srovei, padaugintai iš β. Tokiu atveju įtampa + E turėtų būti pakankamai didelė: 5 V – 15 V. Ši grandinė gerai sustiprina srovę ir įtampą, taigi ir galią. Išėjimo signalas yra priešingas fazei nei įėjimas (apverstas). Tai naudojama skaitmeninėse technologijose kaip NEMOKAMOS funkcijos.
Jei tranzistorius veikia ne rakto režimu, o kaip mažų signalų stiprintuvas (aktyvusis arba tiesinis režimas), tada, pasirinkus bazinę srovę, nustatoma įtampa U2 lygus E / 2, kad išvesties signalas nebūtų iškraipomas. Tokia programa naudojama, pavyzdžiui, garsiniams signalams stiprinti, naudojant aukštos klasės stiprintuvus, turinčius mažą iškraipymą ir dėl to žemą efektyvumą.
Bendras kolekcininkas
Kalbant apie įtampą, OK grandinė nepadidėja, čia padidėjimas yra α ~ 1.Todėl ši grandinė vadinama emiterio sekėja. Srovė emiterio grandinėje yra β + 1 kartus didesnė nei bazinėje grandinėje. Ši grandinė stiprina srovę ir turi mažą išėjimą bei labai didelę įėjimo varžą. (Atėjo laikas prisiminti, kad tranzistorius vadinamas atsparumo transformatoriumi.)
Emiterio sekiklis turi savybes ir veikimo parametrus, kurie yra labai tinkami osciloskopo zondams. Jis naudoja savo didžiulę įėjimo varžą ir mažą išvestį, o tai gerai tinka suderinti su mažos varžos kabeliu.
Bendra bazė
Ši grandinė pasižymi mažiausia įėjimo varža, tačiau jos srovės stipris yra lygus α. Įprasta bazinė grandinė stiprina įtampą, bet ne galią. Jo ypatybė yra grįžtamojo ryšio įtakos talpai pašalinimas (pvz., Milleris). OB pakopos yra idealiai tinkamos kaip stiprintuvų įvesties pakopos radijo dažnio kelyje, suderintame esant žemai 50 ir 75 omų varžai.
Kaskados, turinčios bendrą pagrindą, yra labai plačiai naudojamos mikrobangų technologijoje, o radijo elektronikoje jos naudojamos kartu su emiterių sekėjų kaskadomis.
Du pagrindiniai darbo režimai
Atskirkite veikimo režimus naudodami signalą „mažas“ ir „didelis“. Pirmuoju atveju bipolinis tranzistorius veikia mažame jo charakteristikų plote ir tai yra naudojama analoginėje technologijoje. Tokiais atvejais svarbu signalo stiprinimo tiesiškumas ir mažas triukšmas. Tai yra linijinis režimas.
Antruoju atveju (klavišo režimas) bipolinis tranzistorius veikia visu diapazonu - nuo soties iki atjungimo, kaip raktas. Tai reiškia, kad jei pažvelgsite į pn sandūros I - V charakteristikas, turėtumėte naudoti mažą atvirkštinę įtampą tarp bazės ir emiterio, kad tranzistorius visiškai užsiblokuotų, ir visiškai atidaryti, kai tranzistorius pereina į prisotinimo režimą, šiek tiek padidinti bazinę srovę, palyginti su žemo signalo režimu. Tada tranzistorius veikia kaip impulsinis jungiklis. Šis režimas naudojamas perjungimo ir maitinimo įtaisuose, jis naudojamas perjungti maitinimo šaltinius. Tokiais atvejais jie stengiasi pasiekti trumpą tranzistorių perjungimo laiką.
Skaitmeninei logikai būdinga tarpinė padėtis tarp „didžiojo“ ir „mažojo“ signalų. Žemą logikos lygį riboja 10% maitinimo įtampos, o aukštą - 90%. Laiko vėlavimą ir keitimą siekiama sumažinti iki ribos. Šis veikimo būdas yra pagrindinis, tačiau čia siekiama sumažinti energiją. Bet koks loginis elementas yra raktas.
Kiti tranzistorių tipai
Pagrindiniai jau aprašyti tranzistorių tipai neriboja jų išdėstymo. Gaminami kompozitiniai tranzistoriai (Darlingtono grandinė). Jų β yra labai didelis ir lygus abiejų tranzistorių koeficientų sandaugai, todėl jie taip pat vadinami „superbet“ tranzistoriais.
Elektrotechnika jau įvaldė IGBT (izoliuotus vartų bipolinius tranzistorius) su izoliuotais vartais. Lauko efekto tranzistoriaus vartai iš tiesų yra izoliuoti nuo jo kanalo. Tiesa, kyla klausimas, kaip perkrauti savo įvesties talpą, taigi, be srovės, ji čia negali išsiversti.
Tokie tranzistoriai naudojami galinguose galios jungikliuose: impulsų keitikliuose, keitikliuose ir kt. Įvesties IGBT yra labai jautrūs dėl didelio lauko efekto tranzistorių atsparumo vartams. Išeinant - jie suteikia galimybę gauti didžiules sroves ir gali būti gaminami esant aukštai įtampai. Pavyzdžiui, JAV yra nauja saulės elektrinė, kur tokie tranzistoriai tilto grandinėje yra pakraunami galingais transformatoriais, kurie perduoda energiją į pramoninį tinklą.
Pabaigoje pažymime, kad tranzistoriai, paprastais žodžiais tariant, yra visos šiuolaikinės elektronikos „arklys“. Jie naudojami visur: nuo elektrinių lokomotyvų iki mobiliųjų telefonų. Bet kurį šiuolaikinį kompiuterį sudaro beveik visi tranzistoriai. Fiziniai tranzistorių veikimo pagrindai yra gerai suprantami ir žada dar daugiau naujų laimėjimų.
Susijusios medžiagos:
Įkeliama ...
