Čo je to bipolárny tranzistor a aká je jeho vlastnosť
Slovo "tranzistor" sa skladá zo slov prevodník odporu TRANSFER a RESISTOR. Na začiatku 50. rokov 20. storočia vymenil žiarovky. Toto je trojpólové zariadenie používané na zosilnenie a spínanie v elektronických obvodoch. Prídavné meno „bipolárny“ (tranzistor bipolárneho spojenia) sa používa na rozlíšenie od tranzistorov s poľným efektom (FET - tranzistor s efektom poľa). Princíp činnosti bipolárneho tranzistora spočíva v použití dvoch spojení p-n, ktoré tvoria bariérovú vrstvu, ktorá umožňuje riadenie malého prúduos najvyšším prúdom. Bipolárny tranzistor sa používa ako riadený odpor aj ako kľúč. Tranzistory sú dvoch typov: pnp a npn.
Križovatka P-N
Germánium (Ge) a kremík (Si) sú polovodiče. Teraz sa používa hlavne kremík. Valencia Si a Ge je štyri. Preto, ak pridáme päťmocný arzén do kryštálovej mriežky kremíka (As), dostaneme „extra“ elektrón a ak pridáme trojmocný bór (B), získame voľné miesto pre elektrón. V prvom prípade hovoria o „donorskom“ materiáli poskytujúcom elektróny, v druhom prípade hovoria o „akceptorovom“ materiáli prijímajúcom elektróny. Tiež sa prvý typ materiálu nazýva N (negatívny) a druhý - P (pozitívny).
Ak sa dostanú do styku materiály typu P a N, vznikne medzi nimi prúd a vytvorí sa dynamická rovnováha s vyčerpanou oblasťou, kde je koncentrácia nosičov náboja - elektrónov a voľných miest („dier“) - malá. Táto vrstva má jednostrannú vodivosť a slúži ako základ pre zariadenie zvané dióda. Priamy kontakt materiálov nevytvorí kvalitatívny prechod, je potrebné legovanie (difúzia) alebo „zanesenie“ dopantových iónov na kryštál vo vákuu.
Tranzistor PNP
Prvýkrát bol bipolárny tranzistor vyrobený roztavením kvapiek india na germánium kryštál (materiál typu n). Indium (In) je trojmocný kov typu p. Preto sa taký tranzistor nazýval difúzny (legovaný) majúci štruktúru p-n-p (alebo pnp). Bipolárny tranzistor na obrázku nižšie bol vyrobený v roku 1965. Jeho telo je z dôvodu prehľadnosti rezané.
Kryštál germánia v strede sa nazýva základňa a kvapky india, ktoré sa do neho rozpustia, sa nazývajú žiarič a kolektor. Prechody EB (emitor) a KB (kolektor) je možné považovať za bežné diódy, ale prechod CE (kolektor-emitor) má osobitnú vlastnosť. Preto nie je možné vyrobiť bipolárny tranzistor z dvoch samostatných diód.
Ak je medzi kolektor (-) a žiarič (+) v tranzistore typu pnp privedené napätie niekoľko voltov, v obvode pretečie veľmi slabý prúd, niekoľko μA. Ak sa potom medzi základňou (-) a emitorom (+) - aplikuje malé (otváracie) napätie pre germánium asi 0,3 V (a pre kremík 0,6 V) - potom prúdi z emitora do základne prúd s určitou veľkosťou.Ale pretože je základňa veľmi tenká, rýchlo sa nasýti dierami (stráca prebytok elektrónov, ktoré pôjdu do žiariča). Pretože je žiarič veľmi dotovaný vodivosťou dier a v slabo dotovanej báze je rekombinácia elektrónov trochu oneskorená,oväčšina prúdu bude prúdiť z emitora do kolektora. Kolektor je vyrobený väčší ako žiarič a mierne dotovaný, čo mu umožňuje maťonižšie medzné napätie (UVzorka CE> UVzorka EB). Pretože sa väčšina otvorov spája v kolektore, zohrieva sa silnejšie ako ostatné elektródy zariadenia.
Medzi kolektorovým a emitorovým prúdom je pomer:
Typicky leží a v rozmedzí 0,85-0,999 a nepriamo závisí od hrúbky základne. Táto hodnota sa nazýva koeficient prenosu prúdu emitoru. V praxi sa často používa recipročný (označený tiež h21e):
Toto je základný koeficient prenosu prúdu, jeden z najdôležitejších parametrov bipolárneho tranzistora. V praxi častejšie určuje zlepšujúce vlastnosti.
Tranzistor PNP sa nazýva tranzistor predného vodiča. Existuje však aj iný typ tranzistora, ktorého štruktúra dokonale dopĺňa pnp v obvodoch.
Tranzistor NPN
Bipolárny tranzistor môže mať kolektor s emitorom z materiálu typu N. Potom je základňa vyrobená z materiálu typu P. A v tomto prípade tranzistor npn funguje presne ako pnp, s výnimkou polarity - je to tranzistor s reverznou vodivosťou.
Tranzistory na báze kremíka svojimi číslami potláčajú všetky ostatné typy bipolárnych tranzistorov. Ako darcovský materiál pre kolektora a žiariča môže slúžiť ako As, ktorý má „extra“ elektrón. Technológia výroby tranzistorov sa tiež zmenila. Teraz sú rovinné, čo umožňuje používať litografiu a vytvárať integrované obvody. Na nasledujúcom obrázku je znázornený rovinný bipolárny tranzistor (ako súčasť integrovaného obvodu s vysokým zväčšením). Podľa planárnej technológie sa vyrábajú tranzistory pnp aj npn vrátane výkonných. Zliatina je už prerušená.
Rovinný bipolárny tranzistor v kontexte nasledujúceho obrázka (zjednodušený diagram).
Obrázok ukazuje, ako dobre je usporiadaný dizajn plošného tranzistora - kolektor je účinne chladený kryštálovým substrátom. Vyrába sa tiež planárny pnp tranzistor.
Konvenčné grafické označenia bipolárneho tranzistora sú znázornené na nasledujúcom obrázku.
Tieto UGO sú medzinárodné a tiež platné v súlade s GOST 2.730-73.
Tranzistorové spínacie obvody
Obvykle sa bipolárny tranzistor používa vždy v priamom spojení - opačná polarita na križovatke FE neprináša nič zaujímavé. Pre schému priameho pripojenia existujú tri schémy pripojenia: spoločný žiarič (OE), spoločný zberač (OK) a spoločná základňa (OB). Všetky tri inklúzie sú uvedené nižšie. Vysvetľujú iba samotný princíp činnosti - za predpokladu, že prevádzkový bod je nejako nainštalovaný pomocou dodatočného zdroja energie alebo pomocného obvodu. Na otvorenie kremíkového tranzistora (Si) je potrebné mať medzi žiaričom a základňou potenciál ~ 0,6 V a pre germánium stačí ~ 0,3 V.
Spoločný žiarič
Napätie U1 spôsobuje prúd Ib, kolektorový prúd Ik sa rovná základnému prúdu vynásobenému p. V takom prípade by napätie + E malo byť dosť veľké: 5 V-15 V. Tento obvod dobre zosilňuje prúd a napätie, a teda aj silu. Výstupný signál je vo fáze oproti vstupu (obrátený). Používa sa v digitálnej technológii ako funkcia NOT.
Ak tranzistor nepracuje v kľúčovom režime, ale ako zosilňovač malých signálov (aktívny alebo lineárny režim), potom sa pomocou výberu základného prúdu nastaví napätie U.2 rovná E / 2, takže výstupný signál nie je skreslený. Takáto aplikácia sa používa napríklad na zosilnenie zvukových signálov v špičkových zosilňovačoch s nízkym skreslením a v dôsledku toho s nízkou účinnosťou.
Spoločný zberateľ
Pokiaľ ide o napätie, obvod OK sa nezosilňuje, tu je zisk α ~ 1.Tento obvod sa preto nazýva sledovač emitorov. Prúd v emitorovom obvode je ß + 1krát väčší ako v základnom obvode. Tento obvod dobre zosilňuje prúd a má nízky výstup a veľmi vysokú vstupnú impedanciu. (Toto je čas pamätať si, že tranzistor sa nazýva odporový transformátor.)
Sledovač žiariča má vlastnosti a prevádzkové parametre, ktoré sú veľmi vhodné pre sondy osciloskopu. Používa svoju obrovskú vstupnú impedanciu a nízky výstup, čo je dobré pre prispôsobenie sa nízkoimpedančnému káblu.
Spoločný základ
Tento obvod sa vyznačuje najnižším vstupným odporom, ale jeho prúdový zisk sa rovná a. Spoločný základný obvod dobre zosilňuje napätie, ale nie napájanie. Jej znakom je eliminácia vplyvu spätnej väzby na kapacitu (eff. Miller). Stupne OB sú ideálne vhodné ako vstupné stupne zosilňovačov v vysokofrekvenčných trasách prispôsobených pri nízkych odporoch 50 a 75 ohmov.
Kaskády so spoločnou základňou sa veľmi často používajú v mikrovlnnej technológii a ich použitie v rádiovej elektronike s kaskádou sledovateľov emisií je veľmi bežné.
Dva hlavné prevádzkové režimy
Rozlišujte medzi režimami prevádzky pomocou signálu „malý“ a „veľký“. V prvom prípade bipolárny tranzistor pracuje na malej oblasti svojich charakteristík, čo sa používa v analógovej technológii. V takýchto prípadoch je dôležitá linearita zosilnenia signálu a nízky šum. Toto je lineárny režim.
V druhom prípade (režim kľúča) pracuje bipolárny tranzistor v plnom rozsahu - od saturácie po prerušenie, ako kľúč. To znamená, že ak sa pozriete na charakteristiky I - V spoja pn, mali by ste použiť malé spätné napätie medzi bázou a emitorom, aby sa úplne tranzistor uzamkol, a aby sa úplne otvoril, keď tranzistor prechádza do režimu saturácie, mierne zvýšte prúd bázy v porovnaní s režimom nízkeho signálu. Potom tranzistor funguje ako impulzný spínač. Tento režim sa používa v spínacích a napájacích zariadeniach, používa sa na prepínanie napájacích zdrojov. V takýchto prípadoch sa snažia dosiahnuť krátky spínací čas tranzistorov.
Digitálna logika sa vyznačuje medzipolohou medzi „veľkými“ a „malými“ signálmi. Nízka logická úroveň je obmedzená 10% napájacieho napätia a vysoká 90%. Časové oneskorenia a prepínanie sa snažia znížiť na limit. Tento režim činnosti je kľúčový, ale tu sa usilujú minimalizovať energiu. Akýkoľvek logický prvok je kľúčom.
Ostatné typy tranzistorov
Hlavné typy tranzistorov, ktoré už boli opísané, neobmedzujú ich usporiadanie. Produkujú sa zložené tranzistory (obvod Darlington). Ich β je veľmi veľká a rovná súčinu koeficientov oboch tranzistorov, preto sa tiež nazývajú „superbetické“ tranzistory.
Elektrotechnika už zvládla IGBT (izolovaný bipolárny tranzistor brány) s izolovanou bránou. Brána tranzistora s poľným efektom je skutočne izolovaná od svojho kanála. Je pravda, že počas prepínania je tu otázka nabíjania vstupnej kapacity, takže bez prúdu to tu nemôže robiť.
Takéto tranzistory sa používajú v výkonných výkonových spínačoch: pulzné meniče, invertory atď. Vstupné IGBT sú veľmi citlivé z dôvodu vysokého odporu tranzistorov poľa. Na výstupe - dávajú možnosť prijímať obrovské prúdy a môžu byť vyrobené pre vysoké napätie. Napríklad v USA existuje nová solárna elektráreň, kde sú také tranzistory v mostnom obvode nabité výkonnými transformátormi, ktoré prenášajú energiu do priemyselnej siete.
Na záver poznamenávame, že tranzistory sú jednoducho „pracovným koňom“ všetkej modernej elektroniky. Používajú sa všade: od elektrických lokomotív až po mobilné telefóny. Akýkoľvek moderný počítač pozostáva z takmer všetkých tranzistorov. Fyzické základy fungovania tranzistorov sú dobre známe a sľubujú mnoho ďalších nových úspechov.
Súvisiace materiály:
Načítava sa ...
