Какво е биполярен транзистор и каква е неговата характеристика
Думата "транзистор" е съставена от думите TRANSfer и резистор - преобразувател на съпротива. Той заменя лампи в началото на 50-те години. Това е три-пиново устройство, използвано за усилване и превключване в електронни схеми. Прилагателното „биполярно“ (биполярно съединителен транзистор) се използва за разграничаване от транзистори с полеви ефекти (FET). Принципът на работа на биполярния транзистор е да се използват две p-n кръстовища, образуващи бариерен слой, който позволява да се контролира малък токзас най-висок ток. Биполярният транзистор се използва както като контролирано съпротивление, така и като ключ. Транзисторите са от два типа: pnp и npn.
P-N кръстовище
Германий (Ge) и силиций (Si) са полупроводници. Сега се използва главно силиций. Валентността на Si и Ge е четири. Следователно, ако добавим пентавалентния арсен към кристалната решетка на силиций (As), получаваме „допълнителен“ електрон и ако добавим тривалентен бор (В), получаваме празно място за електрон. В първия случай те говорят за материал „донор“, даващ електрони, във втория случай говорят за „акцепторен“ материал, приемащ електрони. Също така, първият вид материал се нарича N (отрицателен), а вторият - P (положителен).
Ако материали от P и N видове се докарат, между тях ще възникне ток и ще се установи динамично равновесие с изчерпана област, където концентрацията на носители на заряд - електрони и свободни места („дупки“) - е малка. Този слой има едностранна проводимост и служи като основа за устройство, наречено диод. Директният контакт на материалите няма да доведе до качествен преход, необходимо е легиране (дифузия) или "запушване" на допантни йони в кристал във вакуум.
PNP транзистор
За първи път беше направен биполярен транзистор чрез разтопяване на капчици индий в кристал на германий (материал от n тип). Индийът (В) е тривалентен метален, p-тип материал. Следователно такъв транзистор се нарича дифузен (легиран) с p-n-p (или pnp) структура. Биполярният транзистор на фигурата по-долу е произведен през 1965г. Тялото му е изрязано за яснота.
Кристалът на германий в центъра се нарича основа, а капчиците индий, разтопени в него, се наричат емитер и колектор. Възможно е да се разглеждат преходите EB (емитер) и KB (колектор) като обикновени диоди, но преходният CE (колектор-емитер) има специално свойство. Следователно е невъзможно да се произведе двуполюсен транзистор от два отделни диода.
Ако напрежение от няколко волта се приложи между колектора (-) и излъчвателя (+) в транзистор тип pnp, в схемата ще потече много слаб ток, няколко μA. Ако тогава между основата (-) и излъчвателя (+) се приложи малко (отварящо) напрежение - за германий е около 0,3 V (а за силиций 0,6 V) - тогава от емитера към основата ще потече ток с известна величина.Но тъй като основата е направена много тънка, тя бързо ще се насити с дупки ("губи" излишъка си от електрони, които ще отидат към излъчвателя). Тъй като излъчвателят е силно легиран с проводимост на дупки и рекомбинацията на електрони в слабо легираната основа е малко забавена, тогавазапо-голямата част от тока ще тече от емитера към колектора. Колекторът е направен по-голям от емитера и леко легиран, което му позволява да имазапо-ниско напрежение на пробив (UПроба CE> UПроба EB). Освен това, тъй като по-голямата част от дупките се рекомбинира в колектора, той се нагрява по-силно от другите електроди на устройството.
Между тока на колектора и емитера има съотношение:
Обикновено α лежи в диапазона от 0,85-0,999 и обратно зависи от дебелината на основата. Тази стойност се нарича коефициент на прехвърляне на ток на емитер. На практика реципрочната често се използва (обозначена също с h21д):
Това е базовият коефициент на прехвърляне на ток, един от най-важните параметри на биполярния транзистор. По-често определя практиките за подобряване.
PNP транзисторът се нарича транзистор с преден проводник. Но има и друг вид транзистор, структурата на който перфектно допълва pnp в схемата.
NPN транзистор
Биполярният транзистор може да има колектор с емитер от материал от N-тип. Тогава основата е направена от материал тип P. И в този случай npn транзисторът работи точно като pnp, с изключение на полярността - той е транзистор с обратна проводимост.
Транзисторите на базата на силиций потискат с техния брой всички други видове биполярни транзистори. Като донорен материал за колектора и емитера може да служи като As, притежаващ "допълнителен" електрон. Технологията за производство на транзистори също се промени. Сега те са планови, което дава възможност да се използва литография и да се правят интегрални схеми. На снимката по-долу е показан плосък биполярен транзистор (като част от интегрална схема с голямо увеличение). Според равнинната технология се произвеждат както pnp, така и npn транзистори, включително мощни. Сплавите вече са преустановени.
Планарният биполярен транзистор в контекста на следната картина (опростена диаграма).
Снимката показва колко добре е подредена конструкцията на плоския транзистор - колекторът се охлажда ефективно от кристалния субстрат. Произвежда се също така и плосък pnp транзистор.
Конвенционалните графични обозначения на биполярен транзистор са показани на следната снимка.
Тези НПО са международни и важат в съответствие с GOST 2.730-73.
Транзисторни комутационни схеми
Обикновено биполярният транзистор винаги се използва при директна връзка - обратната полярност на FE кръстовището не дава нищо интересно. За схема на директно свързване има три схеми на свързване: общ емитер (OE), общ колектор (OK) и обща база (OB). И трите включения са показани по-долу. Те обясняват само самия принцип на работа - ако приемем, че работната точка е инсталирана по някакъв начин с помощта на допълнителен източник на енергия или спомагателна верига. За да отворите силициев транзистор (Si), е необходимо да има потенциал от ~ 0,6 V между емитера и основата, а за германий е достатъчно ~ 0,3 V.
Общ емитер
Напрежението U1 причинява ток Ib, токът на колектора Ik е равен на базовия ток, умножен по β. В този случай напрежението + Е трябва да бъде достатъчно голямо: 5 V-15 V. Тази схема усилва добре тока и напрежението, а следователно и мощността. Изходният сигнал е фазово противоположен на входа (обърнат). Това се използва в цифровите технологии като функция на НЕ.
Ако транзисторът не работи в режим на ключ, а като усилвател на малки сигнали (активен или линеен режим), тогава, използвайки избора на базовия ток, напрежението U се задава2 равна на E / 2, така че изходният сигнал да не бъде изкривен. Такова приложение се използва например за усилване на аудио сигнали в усилватели от висок клас с ниско изкривяване и в резултат на това ниска ефективност.
Общ колектор
По отношение на напрежението ОК веригата не се усилва, тук печалбата е α ~ 1.Следователно тази схема се нарича последовател на емитер. Токът в емитерната верига е β + 1 пъти по-голям, отколкото в основната верига. Тази схема усилва добре тока и има нисък изход и много висок входен импеданс. (Това е моментът да си спомним, че транзисторът се нарича съпротивителен трансформатор.)
Емитерният последовател има свойства и работни параметри, които са много подходящи за осцилоскопни сонди. Той използва своя огромен входен импеданс и нисък изход, което е добре за съвпадение с кабел с нисък импеданс.
Обща база
Тази верига се характеризира с най-ниското съпротивление на входа, но текущото й усилване е равно на α. Общата базова верига усилва добре напрежението, но не и мощността. Неговата особеност е елиминирането на влиянието на обратната връзка върху капацитета (еф. Милър). Каскадите с OB са идеално подходящи като входни етапи на усилватели в радиочестотни пътища, съчетани при ниски съпротивления 50 и 75 Ohms.
Каскадите с обща основа са много широко използвани в микровълновата технология и тяхното използване в радиоелектрониката с каскада от последователи на емитер е много често.
Два основни режима на работа
Разграничете режимите на работа, като използвате сигнала "малък" и "голям". В първия случай биполярният транзистор работи в малка област от своите характеристики и това се използва в аналоговата технология. В такива случаи са важни линейността на усилването на сигнала и ниският шум. Това е линеен режим.
Във втория случай (клавишен режим) биполярният транзистор работи в пълния диапазон - от насищане до отрязване, като ключ. Това означава, че ако погледнете I - V характеристиките на pn кръстовището, трябва да приложите малко обратно напрежение между основата и емитера, за да заключите напълно транзистора и напълно да се отворите, когато транзисторът премине в режим на насищане, леко да увеличите базовия ток в сравнение с режима с нисък сигнал. Тогава транзисторът работи като импулсен превключвател. Този режим се използва при комутационни и захранващи устройства, използва се за превключване на захранващи устройства. В такива случаи те се опитват да постигнат кратко време за превключване на транзисторите.
Цифровата логика се характеризира с междинно положение между „големите” и „малките” сигнали. Ниското логическо ниво е ограничено с 10% от захранващото напрежение, а високото - с 90%. Времевите закъснения и превключването се стремят да намалят до границата. Този режим на работа е ключов, но те се стремят да минимизират мощността тук. Всеки логически елемент е ключ.
Други видове транзистори
Основните типове транзистори, които вече са описани, не ограничават тяхното подреждане. Произвеждат се композитни транзистори (верига на Дарлингтън). Техният β е много голям и равен на произведението на коефициентите и на двата транзистора, следователно те се наричат транзистори „супербет“.
Електротехниката вече е усвоила IGBTs (изолиран затворен биполярен транзистор), с изолирана врата. Вратата на полевия транзистор наистина е изолирана от своя канал. Вярно е, че има въпрос за презареждане на входния му капацитет по време на превключването, така че без ток тук не може да се направи.
Такива транзистори се използват в мощни силови превключватели: импулсни преобразуватели, инвертори и др. Входните IGBTs са много чувствителни поради високото съпротивление на портата на полевите транзистори. На изход - те дават възможност да получават огромни токове и могат да бъдат направени за високо напрежение. Например в САЩ има нова соларна електроцентрала, където такива транзистори в мостовата верига са заредени с мощни трансформатори, които пренасят енергия в индустриалната мрежа.
В заключение отбелязваме, че транзисторите, с прости думи, са „работният кон“ на цялата съвременна електроника. Използват се навсякъде: от електрически локомотиви до мобилни телефони. Всеки съвременен компютър се състои от почти всички транзистори. Физическите основи на работата на транзисторите са добре разбрани и обещават още много нови постижения.
Свързани материали:
Зареждането ...
