Was ist ein Bipolartransistor und was ist sein Merkmal?
Das Wort "Transistor" besteht aus den Wörtern ÜBERTRAGUNG und WIDERSTAND - Widerstandswandler. Er ersetzte Lampen in den frühen 1950er Jahren. Dies ist ein dreipoliges Gerät, das zur Verstärkung und zum Schalten in elektronischen Schaltkreisen verwendet wird. Das Adjektiv "bipolar" (Bipolartransistor) wird verwendet, um von Feldeffekttransistoren (FET) zu unterscheiden. Das Funktionsprinzip eines Bipolartransistors besteht darin, zwei pn-Übergänge zu verwenden, die eine Barriereschicht bilden, die die Steuerung eines kleinen Stroms ermöglichtÜbermit dem höchsten Strom. Der Bipolartransistor wird sowohl als gesteuerter Widerstand als auch als Schlüssel verwendet. Es gibt zwei Arten von Transistoren: pnp und npn.
PN-Übergang
Germanium (Ge) und Silizium (Si) sind Halbleiter. Jetzt wird hauptsächlich Silizium verwendet. Die Wertigkeit von Si und Ge beträgt vier. Wenn wir dem Kristallgitter von Silizium (As) fünfwertiges Arsen hinzufügen, erhalten wir ein „zusätzliches“ Elektron, und wenn wir dreiwertiges Bor (B) hinzufügen, erhalten wir einen freien Platz für ein Elektron. Im ersten Fall sprechen sie von einem "Donor" -Material, das Elektronen liefert, im zweiten Fall von einem "Akzeptor" -Material, das Elektronen empfängt. Auch der erste Materialtyp heißt N (negativ) und der zweite - P (positiv).
Wenn Materialien vom Typ P und N in Kontakt gebracht werden, entsteht ein Strom zwischen ihnen und ein dynamisches Gleichgewicht mit einem abgereicherten Bereich, in dem die Konzentration der Ladungsträger - Elektronen und freie Stellen („Löcher“) - gering ist. Diese Schicht hat eine einseitige Leitfähigkeit und dient als Basis für eine Vorrichtung, die als Diode bezeichnet wird. Der direkte Kontakt von Materialien führt nicht zu einem qualitativen Übergang, da das Legieren (Diffusion) oder "Verstopfen" von Dotierstoffionen in einem Kristall im Vakuum erforderlich ist.
PNP-Transistor
Zum ersten Mal wurde ein Bipolartransistor hergestellt, indem Indiumtröpfchen zu einem Germaniumkristall (Material vom n-Typ) geschmolzen wurden. Indium (In) ist ein dreiwertiges Metallmaterial vom p-Typ. Daher wurde ein solcher Transistor als diffus (legiert) mit einer p-n-p- (oder pnp-) Struktur bezeichnet. Der Bipolartransistor in der folgenden Abbildung wurde 1965 hergestellt. Sein Körper ist zur Klarheit geschnitten.
Der Germaniumkristall in der Mitte wird als Basis bezeichnet, und die darin geschmolzenen Indiumtröpfchen werden als Emitter und Kollektor bezeichnet. Es ist möglich, die Übergänge EB (Emitter) und KB (Kollektor) als gewöhnliche Dioden zu betrachten, aber der Übergang CE (Kollektor-Emitter) hat eine besondere Eigenschaft. Daher ist es unmöglich, einen Bipolartransistor aus zwei getrennten Dioden herzustellen.
Wenn in einem pnp-Transistor eine Spannung von mehreren Volt zwischen dem Kollektor (-) und dem Emitter (+) angelegt wird, fließt ein sehr schwacher Strom von einigen μA in der Schaltung. Wenn dann eine kleine (Öffnungs-) Spannung zwischen der Basis (-) und dem Emitter (+) angelegt wird - für Germanium sind es ungefähr 0,3 V (und für Silizium 0,6 V) - dann fließt ein Strom von einer gewissen Größe vom Emitter zur Basis.Da die Basis jedoch sehr dünn ist, wird sie schnell mit Löchern gesättigt (sie "verliert" ihren Überschuss an Elektronen, die zum Emitter gelangen). Da der Emitter stark mit Lochleitung dotiert ist und die Rekombination von Elektronen in der schwach dotierten Basis etwas verzögert istüberDer größte Teil des Stroms fließt vom Emitter zum Kollektor. Der Kollektor ist größer als der Emitter und leicht dotiert, was es ihm ermöglichtüberniedrigere Durchbruchspannung (U.Probe CE> U.Probe EB) Da sich der Großteil der Löcher im Kollektor rekombiniert, erwärmt er sich stärker als die anderen Elektroden der Vorrichtung.
Zwischen Kollektor- und Emitterstrom besteht ein Verhältnis:
Typischerweise liegt α im Bereich von 0,85 bis 0,999 und hängt umgekehrt von der Dicke der Basis ab. Dieser Wert wird als Emitterstromübertragungskoeffizient bezeichnet. In der Praxis wird häufig der Kehrwert verwendet (auch mit h bezeichnet)21e):
Dies ist der Basisstromübertragungskoeffizient, einer der wichtigsten Parameter eines Bipolartransistors. Es bestimmt häufiger die Verbesserungseigenschaften in der Praxis.
Der PNP-Transistor wird als Vorwärtsleitertransistor bezeichnet. Es gibt jedoch einen anderen Transistortyp, dessen Struktur pnp in der Schaltung perfekt ergänzt.
NPN-Transistor
Der Bipolartransistor kann einen Kollektor mit einem Emitter aus Material vom N-Typ aufweisen. Dann besteht die Basis aus P-Typ-Material. In diesem Fall funktioniert der npn-Transistor mit Ausnahme der Polarität genau wie pnp - es handelt sich um einen Umkehrleitfähigkeitstransistor.
Transistoren auf Siliziumbasis unterdrücken mit ihrer Anzahl alle anderen Arten von Bipolartransistoren. Als Donormaterial kann der Kollektor und Emitter als As mit einem "zusätzlichen" Elektron dienen. Die Technologie zur Herstellung von Transistoren hat sich ebenfalls geändert. Jetzt sind sie planar, was es ermöglicht, Lithographie zu verwenden und integrierte Schaltkreise herzustellen. Das Bild unten zeigt einen planaren Bipolartransistor (als Teil einer integrierten Schaltung mit hoher Vergrößerung). Gemäß der planaren Technologie werden sowohl pnp- als auch npn-Transistoren hergestellt, einschließlich leistungsstarker. Legierungen werden bereits eingestellt.
Der planare Bipolartransistor im Kontext des folgenden Bildes (vereinfachtes Diagramm).
Das Bild zeigt, wie gut das Design des planaren Transistors angeordnet ist - der Kollektor wird durch das Kristallsubstrat effektiv gekühlt. Ein planarer pnp-Transistor wird ebenfalls hergestellt.
Herkömmliche grafische Bezeichnungen eines Bipolartransistors sind in der folgenden Abbildung dargestellt.
Diese UGOs sind international und auch gemäß GOST 2.730-73 gültig.
Transistorschaltkreise
Normalerweise wird in direkter Verbindung immer ein Bipolartransistor verwendet - die Verpolung am FE-Übergang ergibt nichts Interessantes. Für ein Direktverbindungsschema gibt es drei Verbindungsschemata: einen gemeinsamen Emitter (OE), einen gemeinsamen Kollektor (OK) und eine gemeinsame Basis (OB). Alle drei Einschlüsse sind unten gezeigt. Sie erklären nur das Funktionsprinzip selbst - vorausgesetzt, der Betriebspunkt wird irgendwie mit einer zusätzlichen Stromquelle oder einem zusätzlichen Stromkreis installiert. Um einen Siliziumtransistor (Si) zu öffnen, muss zwischen dem Emitter und der Basis ein Potential von ~ 0,6 V liegen, und für ein Germanium reichen ~ 0,3 V aus.
Gemeinsamer Emitter
Die Spannung U1 verursacht einen Strom Ib, der Kollektorstrom Ik ist gleich dem Basisstrom multipliziert mit β. In diesem Fall sollte die Spannung + E groß genug sein: 5 V-15 V. Diese Schaltung verstärkt den Strom und die Spannung gut und damit die Leistung. Das Ausgangssignal ist phasengleich zum Eingang (invertiert). Dies wird in der digitalen Technologie als Funktion von NOT verwendet.
Wenn der Transistor nicht im Schlüsselmodus arbeitet, sondern als Verstärker für kleine Signale (aktiver oder linearer Modus), wird unter Auswahl des Basisstroms die Spannung U eingestellt2 gleich E / 2, damit das Ausgangssignal nicht verzerrt wird. Eine solche Anwendung wird beispielsweise zum Verstärken von Audiosignalen in High-End-Verstärkern mit geringer Verzerrung und folglich geringer Effizienz verwendet.
Gemeinsamer Sammler
In Bezug auf die Spannung verstärkt sich die OK-Schaltung nicht, hier beträgt die Verstärkung α ~ 1.Daher wird diese Schaltung als Emitterfolger bezeichnet. Der Strom in der Emitterschaltung ist β + 1-mal größer als in der Basisschaltung. Diese Schaltung verstärkt den Strom gut und hat einen niedrigen Ausgang und eine sehr hohe Eingangsimpedanz. (Dies ist die Zeit, sich daran zu erinnern, dass der Transistor als Widerstandstransformator bezeichnet wird.)
Der Emitterfolger hat Eigenschaften und Betriebsparameter, die für Oszilloskopsonden sehr gut geeignet sind. Es verwendet seine enorme Eingangsimpedanz und seinen niedrigen Ausgang, was sich gut für die Anpassung an ein niederohmiges Kabel eignet.
Gemeinsame Basis
Diese Schaltung ist durch den niedrigsten Eingangswiderstand gekennzeichnet, aber ihre Stromverstärkung ist gleich α. Eine gemeinsame Basisschaltung verstärkt die Spannung gut, aber nicht die Leistung. Sein Merkmal ist die Beseitigung des Einflusses der Rückkopplung auf die Kapazität (eff. Miller). OB-Kaskaden eignen sich ideal als Eingangsstufen von Verstärkern in HF-Pfaden, die bei niedrigen Widerständen von 50 und 75 Ohm angepasst sind.
Kaskaden mit einer gemeinsamen Basis werden in der Mikrowellentechnologie sehr häufig verwendet, und ihre Verwendung in der Funkelektronik mit einer Kaskade von Emitterfolgern ist sehr häufig.
Zwei Hauptbetriebsarten
Unterscheiden Sie zwischen den Betriebsarten anhand des Signals "klein" und "groß". Im ersten Fall arbeitet der Bipolartransistor in einem kleinen Bereich seiner Eigenschaften und dies wird in der analogen Technologie verwendet. In solchen Fällen sind die Linearität der Signalverstärkung und das geringe Rauschen wichtig. Dies ist ein linearer Modus.
Im zweiten Fall (Schlüsselmodus) arbeitet der Bipolartransistor im gesamten Bereich - von der Sättigung bis zur Abschaltung wie ein Schlüssel. Dies bedeutet, dass Sie, wenn Sie sich die I - V - Eigenschaften des pn - Übergangs ansehen, eine kleine Sperrspannung zwischen Basis und Emitter anlegen sollten, um den Transistor vollständig zu verriegeln und um vollständig zu öffnen, wenn der Transistor in den Sättigungsmodus wechselt, den Basisstrom im Vergleich zum Niedrigsignalmodus geringfügig erhöhen. Dann arbeitet der Transistor wie ein Impulsschalter. Dieser Modus wird in Schalt- und Stromversorgungsgeräten verwendet, er wird zum Schalten von Stromversorgungen verwendet. In solchen Fällen versuchen sie, eine kurze Schaltzeit der Transistoren zu erreichen.
Die digitale Logik ist durch eine Zwischenposition zwischen den Signalen "groß" und "klein" gekennzeichnet. Ein niedriger Logikpegel ist um 10% der Versorgungsspannung und ein hoher um 90% begrenzt. Zeitverzögerungen und Schaltvorgänge sollen auf das Limit reduziert werden. Diese Betriebsart ist der Schlüssel, aber sie versuchen hier, die Leistung zu minimieren. Jedes logische Element ist ein Schlüssel.
Andere Arten von Transistoren
Die bereits beschriebenen Haupttypen von Transistoren beschränken ihre Anordnung nicht. Es werden zusammengesetzte Transistoren hergestellt (Darlington-Schaltung). Ihr β ist sehr groß und gleich dem Produkt der Koeffizienten beider Transistoren, daher werden sie auch als "Superbet" -Transistoren bezeichnet.
Die Elektrotechnik beherrscht bereits IGBTs (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) mit einem isolierten Gate. Das Gate des Feldeffekttransistors ist tatsächlich von seinem Kanal isoliert. Es ist wahr, dass es eine Frage des Wiederaufladens seiner Eingangskapazität während des Schaltens gibt, also kann es hier ohne Strom nicht tun.
Solche Transistoren werden in leistungsstarken Leistungsschaltern verwendet: Impulswandler, Wechselrichter usw. Die Eingangs-IGBTs sind aufgrund des hohen Gate-Widerstands der Feldeffekttransistoren sehr empfindlich. Beim Verlassen - geben sie die Möglichkeit, große Ströme zu empfangen und können für Hochspannung ausgelegt werden. In den USA gibt es beispielsweise ein neues Solarkraftwerk, in dem solche Transistoren im Brückenkreis mit leistungsstarken Transformatoren beladen sind, die Energie an das industrielle Netzwerk übertragen.
Zusammenfassend stellen wir fest, dass Transistoren in einfachen Worten das „Arbeitspferd“ aller modernen Elektronik sind. Sie werden überall eingesetzt: von Elektrolokomotiven bis hin zu Mobiltelefonen. Jeder moderne Computer besteht aus fast allen Transistoren. Die physikalischen Grundlagen des Betriebs von Transistoren sind gut verstanden und versprechen viele weitere neue Errungenschaften.
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