Vad är en bipolär transistor och vad är dess funktion
Ordet "transistor" består av orden TRANSfer och resISTOR - resistensomvandlare. Han bytte lampor i början av 1950-talet. Detta är en trepinnar som används för förstärkning och koppling i elektroniska kretsar. Adjektivet "bipolär" (bipolär övergångstransistor) tjänar till att skilja från fälteffekttransistorer (FET). Funktionen för en bipolär transistor är att använda två p-n-korsningar som bildar ett spärrskikt, vilket gör att en liten ström kan kontrollerahandla ommed den högsta strömmen. Den bipolära transistorn används både som ett kontrollerat motstånd och som en nyckel. Transistorer är av två typer: pnp och npn.
P-N-korsningen
Germanium (Ge) och kisel (Si) är halvledare. Nu används främst kisel. Valens hos Si och Ge är fyra. Därför, om vi lägger till pentavalent arsenik till kristallgitteret i kisel (As), får vi en "extra" elektron, och om vi lägger till trivalent bor (B), får vi en ledig plats för en elektron. I det första fallet talar de om ett "givar" -material som ger elektroner, i det andra fallet talar de om ett "acceptor" -material som tar emot elektroner. Dessutom kallas den första typen av material N (negativ), och den andra - P (positiv).
Om material av P- och N-typer bringas i kontakt kommer en ström att uppstå mellan dem och en dynamisk jämvikt upprättas med ett utarmat område, där koncentrationen av laddningsbärare - elektroner och lediga platser ("hål") är liten. Detta skikt har ensidig konduktivitet och fungerar som bas för en anordning som kallas en diod. Direkt kontakt med material kommer inte att skapa en kvalitativ övergång, legering (diffusion) eller "tilltäppning" av dopningsjoner till en kristall i vakuum är nödvändig.
PNP-transistor
För första gången gjordes en bipolär transistor genom att smälta indiumdroppar till en germaniumkristall (material av n-typ). Indium (In) är ett trivalent metall av p-typ. Därför kallades en sådan transistor diffus (legerad) med en p-n-p (eller pnp) struktur. Den bipolära transistorn i figuren nedan tillverkades 1965. Dess kropp skärs för tydlighet.
Germaniumkristallen i mitten kallas basen, och indiumdropparna som smälts in i den kallas emitter och samlare. Det är möjligt att betrakta övergångar EB (emitter) och KB (samlare) som vanliga dioder, men övergången CE (kollektor-emitter) har en speciell egenskap. Därför är det omöjligt att tillverka en bipolär transistor från två separata dioder.
Om en spänning på flera volt appliceras mellan kollektorn (-) och emittern (+) i en transistor av pnp-typ, kommer en mycket svag ström, några μA, att strömma i kretsen. Om då en liten (öppnings) spänning appliceras mellan basen (-) och emittern (+) - för germanium är den cirka 0,3 V (och för kisel 0,6 V) - kommer en ström av viss storlek att strömma från emittern till basen.Men eftersom basen är mycket tunn kommer den snabbt att bli mättad med hål (den "tappar" sitt överskott av elektroner som kommer till sändaren). Eftersom emittern är kraftigt dopad med hålkonduktivitet och i en svagt dopad bas är elektronrekombinationen lite försenadhandla omdet mesta av strömmen kommer att flyta från sändaren till uppsamlaren. Samlaren är gjort större än emittern och lätt dopad, vilket gör att den kan ha dethandla omlägre nedbrytningsspänning (UProv CE> UExempel på EB) Eftersom huvuddelen av hålen rekombineras i kollektorn värms det också upp kraftigare än de andra elektroderna på anordningen.
Mellan kollektorn och emitterströmmen finns ett förhållande:
Vanligtvis ligger a inom intervallet 0,85-0,999 och beror omvänt på basens tjocklek. Detta värde kallas emitterströmöverföringskoefficienten. I praktiken används ofta det ömsesidiga (även betecknat h21e):
Detta är basströmöverföringskoefficienten, en av de viktigaste parametrarna för en bipolär transistor. Det bestämmer oftare de förbättrade egenskaperna i praktiken.
PNP-transistorn kallas den framåtledande transistorn. Men det finns en annan typ av transistor, vars struktur perfekt kompletterar pnp i kretsar.
NPN-transistor
Den bipolära transistorn kan ha en kollektor med en emitter av N-typmaterial. Sedan är basen gjord av material av P-typ. Och i detta fall fungerar npn-transistorn exakt som pnp, med undantag av polaritet - det är en omvänd konduktivitetstransistor.
Kiselbaserade transistorer undertrycker med sitt antal alla andra typer av bipolära transistorer. Som donator kan material för samlaren och emittern fungera som att ha en "extra" elektron. Tekniken för tillverkning av transistorer har också förändrats. Nu är de plana, vilket gör det möjligt att använda litografi och göra integrerade kretsar. Bilden nedan visar en plan bipolär transistor (som en del av en integrerad krets vid hög förstoring). Enligt plan teknik tillverkas både pnp- och npn-transistorer, inklusive kraftfulla. Legeringen har redan upphört.
Den plana bipolära transistorn i sammanhanget med följande bild (förenklat diagram).
Bilden visar hur väl utformningen av den plana transistorn är anordnad - kollektorn kyls effektivt av kristallunderlaget. En plan pnp-transistor tillverkas också.
Konventionella grafiska beteckningar av en bipolär transistor visas i följande bild.
Dessa UGO: er är internationella och gäller också i enlighet med GOST 2.730-73.
Transistor switching Circuits
Vanligtvis används alltid en bipolär transistor i direktanslutning - den omvända polariteten vid FE-korsningen ger inget intressant. För ett direktanslutningsschema finns det tre anslutningsscheman: en gemensam emitter (OE), en gemensam samlare (OK) och en gemensam bas (OB). Alla tre inneslutningar visas nedan. De förklarar bara själva driftsprincipen - förutsatt att driftspunkten på något sätt är installerad med en extra strömkälla eller hjälpkrets. För att öppna en kiseltransistor (Si) är det nödvändigt att ha en potential på ~ 0,6 V mellan emittern och basen, och för ett germanium är det tillräckligt med ~ 0,3 V.
Vanlig emitter
Spänningen U1 orsakar en ström Ib, kollektorströmmen Ik är lika med basströmmen multiplicerad med ß. I detta fall bör spänningen + E vara tillräckligt stor: 5 V-15 V. Denna krets förstärker strömmen och spänningen väl, och därför kraften. Utgångssignalen är motsatt i fas till ingången (inverterad). Detta används i digital teknik som en funktion av INTE.
Om transistorn inte fungerar i tangentläget, utan som en förstärkare av små signaler (aktivt eller linjärt läge), ställs spänningen U med val av basström2 lika med E / 2 så att utsignalen inte är förvrängd. En sådan applikation används till exempel för att förstärka ljudsignaler i avancerade förstärkare med låg distorsion och, som ett resultat, låg effektivitet.
Vanlig samlare
När det gäller spänning förstärks inte OK-kretsen, här är förstärkningen α ~ 1.Därför kallas denna krets en emitterföljare. Strömmen i emitterkretsen är ß + 1 gånger större än i baskretsen. Denna krets förstärker strömbrunnen och har en låg utgång och mycket hög ingångsimpedans. (Det är dags att komma ihåg att transistorn kallas en motståndstransformator.)
Emitterföljaren har egenskaper och driftsparametrar som är mycket lämpliga för oscilloskopprober. Den använder sin enorma ingångsimpedans och låg effekt, vilket är bra för matchning med en lågimpedanskabel.
Vanlig bas
Denna krets kännetecknas av det lägsta ingångsmotståndet, men dess nuvarande förstärkning är lika med α. En vanlig baskrets förstärker väl i spänning, men inte i kraft. Dess funktion är att eliminera påverkan av feedback på kapacitans (eff. Miller). OB-kaskader är idealiska som ingångssteg av förstärkare i RF-vägar matchade vid låga motstånd på 50 och 75 ohm.
Kaskader med en gemensam bas används mycket i mikrovågsteknologi och deras användning inom radioelektronik med en kaskad av emitterföljare är mycket vanlig.
Två huvudsakliga driftslägen
Skillnad mellan driftsätt med hjälp av "liten" och "stor" signal. I det första fallet arbetar den bipolära transistorn på ett litet område med dess egenskaper och det används i analog teknik. I sådana fall är linjäriteten för signalförstärkning och lågt brus viktigt. Detta är ett linjärt läge.
I det andra fallet (tangentläge) fungerar den bipolära transistorn i hela räckvidden - från mättnad till avstängning, som en nyckel. Detta innebär att om du tittar på I-V-egenskaperna för pn-övergången, bör du applicera en liten backspänning mellan basen och emittern för att helt låsa transistorn, och för att helt öppna när transistorn går i mättnadsläge, öka basströmmen något jämfört med lågsignalläget. Sedan fungerar transistorn som en pulsbrytare. Det här läget används vid växlar och strömförsörjningsenheter, det används för att byta strömförsörjning. I sådana fall försöker de uppnå en kort växlingstid för transistorerna.
Digital logik kännetecknas av ett mellanläge mellan "stora" och "små" signaler. En låg logiknivå är begränsad av 10% av matningsspänningen och en hög med 90%. Tidsförseningar och växling försöker minska till gränsen. Det här driftsläget är viktigt, men de försöker minimera effekten här. Alla logiska element är en nyckel.
Andra typer av transistorer
De huvudsakliga typerna av redan beskrivna transistorer begränsar inte deras arrangemang. Sammansatta transistorer produceras (Darlington-kretsen). Deras β är mycket stor och lika med produkten från koefficienterna för båda transistorerna, därför kallas de också "superbet" -transistorer.
Elektroteknik har redan behärskat IGBT: er (bipolär transistor i grindport) med en isolerad grind. Fälteffekttransistorns grind är verkligen isolerad från dess kanal. Det är riktigt en fråga om att ladda sin ingångskapacitans under omkopplingen, så utan ström kan den inte göra här.
Sådana transistorer används i kraftfulla strömbrytare: pulsomvandlare, växelriktare etc. IGBT-ingångarna är mycket känsliga på grund av fälteffekttransistorns höga grindmotstånd. Vid utgång - de ger möjlighet att ta emot enorma strömmar och kan tillverkas för högspänning. Till exempel i USA finns det en ny solkraftstation, där sådana transistorer i bryggkretsen är belastade med kraftfulla transformatorer som överför energi till det industriella nätverket.
Sammanfattningsvis noterar vi att transistorer, i enkla ord, är "arbetshäst" för all modern elektronik. De används överallt: från elektriska lok till mobiltelefoner. Alla moderna datorer består av nästan alla transistorer. De fysiska grunderna för operationen av transistorer är väl förståda och lovar många fler nya resultat.
Relaterade material:
Läser in...
