Mikä on bipolaaritransistori ja mikä on sen ominaisuus?
Sana "transistori" koostuu sanoista TRANSfer ja vastus - vastusmuunnin. Hän korvasi valaisimet 1950-luvun alkupuolella. Tämä on kolminapainen laite, jota käytetään vahvistukseen ja kytkemiseen elektronisissa piireissä. Adjektiivi “bipolaarinen” (bipolaarinen risteystransistori) erottaa toisistaan kenttävaikutteisista transistoreista (FET). Bipolaarisen transistorin toimintaperiaatteena on käyttää kahta p-n-liitosta, jotka muodostavat estekerroksen, joka mahdollistaa pienen virran ohjaamisennoinsuurimmalla virralla. Bipolaarista transistoria käytetään sekä ohjattuna vastuksena että avaimena. Transistorit ovat kahden tyyppisiä: pnp ja npn.
P-N-risteys
Germanium (Ge) ja pii (Si) ovat puolijohteita. Nyt käytetään pääasiassa piitä. Si: n ja Ge: n valenssi on neljä. Siksi, jos lisäämme pentavalenttia arseenia piin (As) kidehilaan, saadaan ”ylimääräinen” elektroni, ja jos lisäämme kolmiarvoista booria (B), saamme vapaan paikan elektronille. Ensimmäisessä tapauksessa he puhuvat "luovuttajasta" materiaalista, joka antaa elektroneja, toisessa tapauksessa he puhuvat "vastaanottaja" -materiaalista, joka vastaanottaa elektroneja. Myös ensimmäisen tyyppistä materiaalia kutsutaan N (negatiiviseksi) ja toiseksi - P (positiiviseksi).
Jos P- ja N-tyyppiset materiaalit saatetaan kosketukseen, niiden välillä syntyy virta ja dynaaminen tasapaino syntyy köyhdytetyllä alueella, jossa varauskantajien - elektronien ja tyhjien kohtien (”reikien”) - pitoisuus on pieni. Tällä kerroksella on yksipuolinen johtavuus ja se toimii perustana diodiksi kutsutulle laitteelle. Materiaalien suora kosketus ei luo laadullista muutosta, seostusaineiden leviäminen (diffuusio) tai “tukkeutuminen” kiteiksi tyhjiössä on välttämätöntä.
PNP-transistori
Bipolaaritransistori valmistettiin ensimmäistä kertaa sulattamalla indiumpisaroita germaniumkiteiksi (n-tyyppinen materiaali). Indium (In) on kolmiarvoinen metalli, p-tyyppinen materiaali. Siksi tällaista transistoria kutsuttiin diffuusiksi (seostettuksi), jolla on p-n-p (tai pnp) rakenne. Alla olevan kuvan bipolaaritransistori on valmistettu vuonna 1965. Sen runko on leikattu selvyyden vuoksi.
Keskellä olevaa germaniumkitettä kutsutaan emäkseksi ja siihen sulatettuja indiumpisaroita kutsutaan emitteriksi ja kollektoriksi. Siirtymiä EB (emitteri) ja KB (kollektori) voidaan pitää tavallisina diodeina, mutta siirtymä-CE: llä (kollektorisäteilijä) on erityinen ominaisuus. Siksi bipolaaritransistoria on mahdotonta valmistaa kahdesta erillisestä diodista.
Jos pnp-tyyppisessä transistorissa kollektorin (-) ja emitterin (+) väliin syötetään usean voltin jännite, piirissä virtaa erittäin heikko virta, muutama μA. Jos silloin pieni (avautuva) jännite johdetaan kannan (-) ja emitterin (+) väliin - germaniumille se on noin 0,3 V (ja piille 0,6 V) -, silloin emitterista pohjaan virtaa jonkin suuruinen virta.Mutta koska pohja on tehty hyvin ohueksi, se tyydytyy nopeasti reikiin (se "menettää" emitterilleen menevän elektronien ylimäärän). Koska emitterissa on voimakkaasti seostettu reikäjohtavuus ja elektronien rekombinaatio heikosti seostetussa kannassa on hieman viivästynyt, niinnoinsuurin osa virrasta virtaa emitterista kollektoriin. Keräin on tehty päästöä suuremmaksi ja lievästi seostettu, mikä mahdollistaa sennoinalempi vikajännite (UNäyte CE> UNäyte EB) Lisäksi koska suurin osa reikistä yhdistyy keräimessä, se kuumenee voimakkaammin kuin laitteen muut elektrodit.
Kollektorin ja emitterivirran välillä on suhde:
Tyypillisesti a on alueella 0,85 - 0,999 ja riippuu käänteisesti alustan paksuudesta. Tätä arvoa kutsutaan emitterin virransiirtokerroimeksi. Käytännössä vastavuoroista käytetään usein (merkitään myös h: llä21e):
Tämä on kantavirransiirtokerroin, yksi bipolaaritransistorin tärkeimmistä parametreista. Se määrittelee useammin parantavia ominaisuuksia käytännössä.
PNP-transistoria kutsutaan eteenpäin johtavaksi transistoriksi. Mutta on olemassa toisen tyyppinen transistori, jonka rakenne täydentää täydellisesti pnp: tä piirissä.
NPN-transistori
Bipolaarisessa transistorissa voi olla kollektori, jolla on N-tyyppisen materiaalin emitteri. Sitten pohja on valmistettu P-tyyppisestä materiaalista. Ja tässä tapauksessa npn-transistori toimii täsmälleen kuten pnp, napaisuutta lukuun ottamatta - se on käänteinen johtokykyinen transistori.
Pii-pohjaiset transistorit tukahduttavat numerollaan kaikki muun tyyppiset bipolaaritransistorit. Luovuttajamateriaalina keräilijälle ja emitterille voi toimia As: nä, jolla on "ylimääräinen" elektroni. Myös transistorien valmistustekniikka on muuttunut. Nyt ne ovat tasomaisia, mikä tekee mahdolliseksi käyttää litografiaa ja tehdä integroituja piirejä. Seuraava kuva näyttää tasomaisen bipolaaritransistorin (osana integroitua virtapiiriä suurella suurennuksella). Tasomaisen tekniikan mukaan valmistetaan sekä pnp- että npn-transistoreita, myös tehokkaita. Lejeeringit lopetetaan jo.
Tasomainen bipolaaritransistori seuraavan kuvan yhteydessä (yksinkertaistettu kaavio).
Kuvassa näkyy, kuinka hyvin tasomaisen transistorin suunnittelu on järjestetty - kidealusta jäähdyttää kollektorin tehokkaasti. Valmistetaan myös tasomainen pnp-transistori.
Bipolaaritransistorin tavanomaiset graafiset merkinnät on esitetty seuraavassa kuvassa.
Nämä UGO-järjestöt ovat kansainvälisiä, ja ne ovat myös voimassa standardin GOST 2.730-73 mukaisesti.
Transistorin kytkentäpiirit
Yleensä bipolaarista transistoria käytetään aina suorassa yhteydessä - käänteinen napaisuus FE-risteyksessä ei anna mitään mielenkiintoista. Suoralle kytkentämallille on kolme kytkentämallia: yhteinen säteilijä (OE), yhteinen keräilijä (OK) ja yhteinen kanta (OB). Kaikki kolme sulkemista on esitetty alla. Ne selittävät vain itse toimintaperiaatteen - olettaen, että toimintapiste asennetaan jotenkin ylimääräisen virtalähteen tai apupiirin avulla. Piitransistorin (Si) avaamiseksi on välttämätöntä, että emitterin ja pohjan välillä on ~ 0,6 V potentiaali, ja germaniumille se riittää ~ 0,3 V.
Yleinen päästö
Jännite U1 aiheuttaa virran Ib, kollektorivirta Ik on yhtä suuri kuin kantavirta kerrottuna p: llä. Tässä tapauksessa jännitteen + E tulisi olla riittävän suuri: 5 V - 15 V. Tämä piiri vahvistaa virtaa ja jännitettä, ja siten myös tehoa. Lähtösignaali on vaiheessa vastapäätä tuloa (käänteinen). Tätä käytetään digitaalitekniikassa EI-toiminnon funktiona.
Jos transistori ei toimi näppäinmoodissa, vaan pienten signaalien vahvistimena (aktiivinen tai lineaarinen tila), niin jännite U asetetaan kantavirran valintaa käyttämällä2 yhtä suuri kuin E / 2, jotta lähtösignaali ei vääristy. Tällaista sovellusta käytetään esimerkiksi äänisignaalien vahvistamiseen huipputeknisissä vahvistimissa, joilla on pieni vääristymä ja seurauksena matala hyötysuhde.
Yhteinen keräilijä
Jännitteen suhteen OK-piiri ei vahvistu, tässä vahvistus on α ~ 1.Siksi tätä piiriä kutsutaan emitterin seuraajaksi. Emitteripiirin virta on β + 1 kertaa suurempi kuin kantapiirissä. Tämä piiri vahvistaa virtaa hyvin ja sillä on alhainen lähtö ja erittäin korkea tuloimpedanssi. (Tämä on aika muistaa, että transistoria kutsutaan vastusmuuntajaksi.)
Emitterin seuraajalla on ominaisuudet ja toimintaparametrit, jotka ovat erittäin sopivia oskilloskooppikoettimiin. Se käyttää valtavaa tuloimpedanssiaan ja matalaa lähtöä, mikä sopii yhteen pienimpedanssisen kaapelin kanssa.
Yhteinen perusta
Tälle piirille on ominaista alhaisin tulovastus, mutta sen virranvahvistus on yhtä suuri kuin α. Yhteinen tukipiiri vahvistaa hyvin jännitettä, mutta ei tehoa. Sen ominaisuus on palautteen vaikutuksen eliminointi kapasitanssiin (eff. Miller). OB-portaat sopivat ihanteellisesti vahvistimien tuloasteiksi radiotaajuusreiteillä, jotka on sovitettu alhaisilla vastuksilla 50 ja 75 ohmia.
Kaskadeja, joilla on yhteinen perusta, käytetään erittäin laajasti mikroaaltoteknologiassa, ja niiden käyttö radioelektroniikassa, jossa on päästöjä seuraavia kaskadia, on hyvin yleinen.
Kaksi pääkäyttötapaa
Erota toimintatavat "pienen" ja "suuren" signaalin avulla. Ensimmäisessä tapauksessa bipolaaritransistori toimii pienellä alueella sen ominaisuuksista ja tätä käytetään analogisessa tekniikassa. Tällaisissa tapauksissa signaalin vahvistuksen lineaarisuus ja alhainen kohina ovat tärkeitä. Tämä on lineaarinen tila.
Toisessa tapauksessa (näppäinmuoto) bipolaaritransistori toimii täydellä alueella - kylläisyydestä raja-arvoon, kuten näppäin. Tämä tarkoittaa, että jos tarkastellaan pn-liitännän I - V-ominaisuuksia, sinun tulisi kohdistaa pieni käänteinen jännite kannan ja emitterin väliin transistorin lukitsemiseksi kokonaan ja avata täysin, kun transistori siirtyy kylläisyystilaan, kasvattaa kantavirtaa hieman verrattuna matala-signaalitilaan. Sitten transistori toimii kuin pulssikytkin. Tätä tilaa käytetään kytkentä- ja virtalaitteissa, sitä käytetään virtalähteiden kytkemiseen. Tällaisissa tapauksissa he yrittävät saavuttaa lyhyen transistorien kytkentäajan.
Digitaaliselle logiikalle on tunnusomaista väliasento suurten ja pienten signaalien välillä. Alhaista logiikkatasoa rajoittaa 10% syöttöjännitteestä ja korkeaa 90%. Aikaviiveillä ja vaihdolla pyritään vähentämään rajaa. Tämä toimintatapa on avain, mutta he pyrkivät minimoimaan virran tässä. Mikä tahansa looginen elementti on avain.
Muun tyyppiset transistorit
Jo kuvatut transistorien päätyypit eivät rajoita niiden järjestelyä. Komposiittitransistoreita tuotetaan (Darlington-piiri). Heidän β on erittäin suuri ja yhtä suuri kuin molempien transistorien kertoimien tuote, siksi niitä kutsutaan myös ”superbet”-transistoreiksi.
Sähkötekniikka on jo hallinnut IGBT: t (eristetyn portin bipolaaritransistorin) eristetyllä portilla. Kenttäefektitransistorin hila on todellakin eristetty sen kanavasta. Totta, on kysymys tulokapasitanssin lataamisesta vaihtamisen aikana, joten ilman virtaa se ei voi tehdä täällä.
Tällaisia transistoreita käytetään voimakkaissa virtakytkimissä: pulssimuuntajissa, inverttereissä jne. Tulot IGBT: t ovat erittäin herkkiä johtuen kenttäefektitransistorien suuresta hilavastuksesta. Poistumisen yhteydessä - ne tarjoavat mahdollisuuden vastaanottaa valtavia virtauksia ja voidaan valmistaa korkeaa jännitettä varten. Esimerkiksi Yhdysvalloissa on uusi aurinkovoimala, jossa tällaiset siltapiirin transistorit ladataan voimakkaalla muuntajalla, joka siirtää energiaa teollisuusverkkoon.
Yhteenvetona voidaan todeta, että transistorit, yksinkertaisin sanoin, ovat kaiken nykyajan elektroniikan "työhevonen". Niitä käytetään kaikkialla: sähkövetureista matkapuhelimiin. Mikä tahansa nykyaikainen tietokone koostuu melkein kaikista transistoreista. Transistorien toiminnan fyysiset perusteet ymmärretään hyvin ja lupaavat paljon enemmän uusia saavutuksia.
Aiheeseen liittyvät materiaalit:
Ladataan...
