Kas ir bipolārais tranzistors un kāda ir tā īpašība?
Vārdu "tranzistors" veido vārdi TRANSfer un rezistors - pretestības pārveidotājs. Viņš nomainīja lampas piecdesmito gadu sākumā. Šī ir trīs kontaktu ierīce, ko izmanto pastiprināšanai un pārslēgšanai elektroniskajās shēmās. Īpašības vārds “bipolārs” (bipolārs krustojuma tranzistors) kalpo, lai atšķirtu no lauka efekta tranzistoriem (FET). Bipolārā tranzistora darbības princips ir izmantot divus p-n krustojumus, kas veido barjeras slāni, kas ļauj kontrolēt nelielu strāvuparar lielāko strāvu. Bipolārais tranzistors tiek izmantots gan kā kontrolēta pretestība, gan kā atslēga. Tranzistori ir divu veidu: pnp un npn.
P-N krustojums
Germijs (Ge) un silīcijs (Si) ir pusvadītāji. Tagad galvenokārt tiek izmantots silīcijs. Si un Ge valence ir četras. Tāpēc, ja silīcija (As) kristāla režģim pievienojam pentavalentu arsēnu, mēs iegūstam “papildu” elektronu, un, ja pievienojam trīsvērtīgo boru (B), mēs iegūstam brīvu vietu elektronam. Pirmajā gadījumā viņi runā par “donora” materiālu, kas dod elektronus, otrajā gadījumā viņi runā par “akceptētāja” materiālu, kas saņem elektronus. Arī pirmā veida materiālu sauc par N (negatīvs), bet otro - par P (pozitīvs).
Ja P un N tipa materiāli nonāk saskarē, starp tiem rodas strāva un tiek izveidots dinamisks līdzsvars ar noplicinātu reģionu, kurā lādiņu nesēju - elektronu un brīvo vietu (“caurumu”) - koncentrācija ir maza. Šim slānim ir vienpusēja vadītspēja un tas kalpo par pamatu ierīcei, ko sauc par diodi. Materiālu tiešs kontakts neradīs kvalitatīvu pāreju, ir nepieciešama palīgvielu jonu leģēšana (difūzija) vai “aizsērēšana” kristālā vakuumā.
PNP tranzistors
Pirmoreiz bipolāru tranzistoru izgatavoja, kausējot indija pilienus germānija kristālā (n-veida materiāls). Indijs (In) ir trīsvērtīgs metāla p-veida materiāls. Tāpēc šādu tranzistoru sauca par difūzu (leģētu), kam ir p-n-p (vai pnp) struktūra. Zemāk redzamajā attēlā redzamais bipolārais tranzistors tika ražots 1965. gadā. Tās korpuss ir sagriezts skaidrības labad.
Germānijas kristālu centrā sauc par bāzi, un tajā izkusušos indija pilienus sauc par emitētāju un kolektoru. Ir iespējams uzskatīt pārejas EB (emitētājs) un KB (kolektors) par parastajām diodēm, bet pārejas CE (kolektors-emitētājs) ir īpaša īpašība. Tāpēc nav iespējams izgatavot bipolāru tranzistoru no divām atsevišķām diodēm.
Ja pnp tipa tranzistorā starp kolektoru (-) un emitētāju (+) tiek piemērots vairāku voltu spriegums, ķēdē plūst ļoti vāja strāva, dažas μA. Ja pēc tam starp pamatni (-) un emitētāju (+) tiek piemērots mazs (atverams) spriegums - germānijai tas ir aptuveni 0,3 V (un silīcijam 0,6 V) - tad no emitētāja uz pamatni plūst zināma lieluma strāva.Bet, tā kā pamatne ir izgatavota ļoti plāna, tā ātri kļūst piesātināta ar caurumiem (tā “zaudē” savu elektronu pārpalikumu, kas nonāks emitētājā). Tā kā emitētājs ir ļoti leģēts ar caurumu vadītspēju un elektronu rekombinācija vāji leģētā pamatnē ir nedaudz aizkavējusies, tadparlielākā daļa strāvas plūst no emitētāja uz kolektoru. Kolektors ir izgatavots lielāks par emitētāju un ir nedaudz izkaisīts, kas tam ļaujparzemāks sabrukšanas spriegums (UCE paraugs> UEB paraugs) Turklāt, tā kā lielākā daļa caurumu rekombinējas kolektorā, tas uzkarst daudz spēcīgāk nekā citi ierīces elektrodi.
Starp kolektora un emitētāja strāvu ir attiecība:
Parasti α ir diapazonā no 0,85-0,999 un apgriezti atkarīgs no pamatnes biezuma. Šo vērtību sauc par emitētāja strāvas pārvades koeficientu. Praksē bieži izmanto abpusēju (apzīmēts arī ar h21e):
Tas ir bāzes strāvas pārneses koeficients, viens no vissvarīgākajiem bipolārā tranzistora parametriem. Tas biežāk nosaka pastiprinošās īpašības praksē.
PNP tranzistoru sauc par priekšējā vadītāja tranzistoru. Bet ir arī cits tranzistora tips, kura struktūra perfekti papildina pnp shēmā.
NPN tranzistors
Bipolārā tranzistoram var būt savācējs ar N veida materiāla izstarotāju. Tad pamatne ir izgatavota no P veida materiāla. Un šajā gadījumā npn tranzistors darbojas tieši tāpat kā pnp, izņemot polaritāti - tas ir apgriezts vadītspējas tranzistors.
Silīcija bāzes tranzistori ar savu numuru nomāc visus pārējos bipolāro tranzistoru veidus. Kā donora materiāls kolektoram un emitētājam var kalpot kā As, kam ir "papildu" elektrons. Ir mainījusies arī tranzistoru ražošanas tehnoloģija. Tagad tie ir plāni, kas ļauj izmantot litogrāfiju un veidot integrālās shēmas. Zemāk redzamajā attēlā ir redzams bipolārs tranzistors (kā integrētas shēmas daļa ar lielu palielinājumu). Saskaņā ar plakano tehnoloģiju tiek ražoti gan pnp, gan npn tranzistori, ieskaitot jaudīgus. Sakausējums jau tiek pārtraukts.
Plakanais bipolārais tranzistors šī attēla kontekstā (vienkāršota diagramma).
Attēlā redzams, cik labi ir sakārtots plānā tranzistora dizains - kolektoru efektīvi atdzesē ar kristāla substrātu. Tiek ražots arī plakans pnp tranzistors.
Bipolārā tranzistora parastie grafiskie apzīmējumi ir parādīti nākamajā attēlā.
Šie UGO ir starptautiski un derīgi arī saskaņā ar GOST 2.730-73.
Tranzistora komutācijas shēmas
Parasti tiešā savienojumā vienmēr tiek izmantots bipolārs tranzistors - FE krustojuma apgrieztā polaritāte nedod neko interesantu. Tieša savienojuma shēmai ir trīs savienojuma shēmas: kopējais emitētājs (OE), kopējais kolektors (OK) un kopējā bāze (OB). Visi trīs ieslēgumi ir parādīti zemāk. Viņi izskaidro tikai pašas darbības principu - pieņemot, ka darbības punkts kaut kādā veidā tiek uzstādīts, izmantojot papildu enerģijas avotu vai palīgķēdi. Lai atvērtu silīcija tranzistoru (Si), starp emitētāju un pamatni ir jābūt ~ 0,6 V potenciālam, un germānijam tas ir pietiekams ~ 0,3 V.
Kopējs emitētājs
Spriegums U1 rada strāvu Ib, kolektora strāva Ik ir vienāda ar bāzes strāvu, kas reizināta ar β. Šajā gadījumā spriegumam + E vajadzētu būt pietiekami lielam: 5 V – 15 V. Šī ķēde labi pastiprina strāvu un spriegumu, un līdz ar to arī jaudu. Izejas signāls fāzē ir pretējs ievadam (apgriezts). To izmanto digitālajā tehnoloģijā kā NAV funkciju.
Ja tranzistors nedarbojas taustiņu režīmā, bet kā mazu signālu pastiprinātājs (aktīvs vai lineārs režīms), tad, izmantojot bāzes strāvas izvēli, tiek iestatīts spriegums U2 vienāds ar E / 2, lai izvades signāls netiktu izkropļots. Šādu lietojumprogrammu izmanto, piemēram, audio signālu pastiprināšanai augstākās klases pastiprinātājos ar zemu kropļojumu un rezultātā zemu efektivitāti.
Kopējs kolekcionārs
Sprieguma ziņā OK ķēde netiek pastiprināta, šeit pastiprinājums ir α ~ 1.Tāpēc šo ķēdi sauc par emitētāja sekotāju. Strāva emitētāja ķēdē ir β + 1 reizes lielāka nekā bāzes ķēdē. Šī ķēde labi pastiprina strāvu, un tai ir zema izeja un ļoti augsta ieejas pretestība. (Šis ir laiks atcerēties, ka tranzistoru sauc par pretestības transformatoru.)
Emitētāja sekotājam ir īpašības un darbības parametri, kas ir ļoti piemēroti osciloskopa zondei. Tas izmanto savu milzīgo ieejas pretestību un zemu jaudu, kas ir piemērots, lai pieskaņotu kabeli ar zemu pretestību.
Kopīga bāze
Šo ķēdi raksturo vismazākā ieejas pretestība, bet tās strāvas pieaugums ir vienāds ar α. Kopējā bāzes shēma labi pastiprina spriegumu, bet ne strāvu. Tā iezīme ir atgriezeniskās saites ietekmes uz kapacitāti novēršana (piem., Millers). OB pakāpes ir ideāli piemērotas kā pastiprinātāju ieejas pakāpes radiofrekvenču ceļos, kas saskaņoti ar mazu pretestību 50 un 75 omi.
Kaskādes ar kopēju bāzi ir ļoti plaši izmantotas mikroviļņu tehnoloģijā, un to izmantošana radioelektronikā ar emitētāju sekotāju kaskādi ir ļoti izplatīta.
Divi galvenie darbības režīmi
Atdaliet darbības režīmus, izmantojot signālu "mazs" un "liels". Pirmajā gadījumā bipolārais tranzistors darbojas uz nelielu tā raksturlielumu apgabalu, un to izmanto analogajā tehnoloģijā. Šādos gadījumos svarīga ir signāla pastiprināšanas linearitāte un zems trokšņa līmenis. Šis ir lineārais režīms.
Otrajā gadījumā (taustiņu režīms) bipolārais tranzistors darbojas pilnā diapazonā - no piesātinājuma līdz izslēgšanai, tāpat kā taustiņš. Tas nozīmē, ka, aplūkojot pn krustojuma I - V raksturlielumus, jums vajadzētu piemērot nelielu apgrieztu spriegumu starp pamatni un emitētāju, lai pilnībā bloķētu tranzistoru, un pilnībā atvērtu, kad tranzistors nonāk piesātinājuma režīmā, nedaudz palieliniet bāzes strāvu, salīdzinot ar zema signāla režīmu. Tad tranzistors darbojas kā impulsa slēdzis. Šis režīms tiek izmantots komutācijas un barošanas ierīcēs, to izmanto barošanas avotu pārslēgšanai. Šādos gadījumos viņi mēģina panākt īsu tranzistoru pārslēgšanās laiku.
Digitālo loģiku raksturo starpposma pozīcija starp “lielajiem” un “mazajiem” signāliem. Zemu loģikas līmeni ierobežo 10% no barošanas sprieguma, bet augstu - 90% no barošanas sprieguma. Laika aizkavēšanās un maiņas mērķis ir samazināt līdz robežai. Šis darbības režīms ir galvenais, taču šeit viņi cenšas samazināt jaudu. Jebkurš loģiskais elements ir atslēga.
Cita veida tranzistori
Galvenie jau aprakstītie tranzistoru veidi neierobežo to izvietojumu. Tiek ražoti kompozītmateriāla tranzistori (Darlingtona shēma). Viņu β ir ļoti liels un vienāds ar abu tranzistoru koeficientu reizinājumu, tāpēc tos sauc arī par “superbeta” tranzistoriem.
Elektrotehnika jau ir apguvusi IGBT (izolētu vārtu bipolāru tranzistoru) ar izolētiem vārtiem. Lauka efekta tranzistora vārti patiešām ir izolēti no tā kanāla. Tiesa, ir jautājums par tās ieejas kapacitātes atjaunošanu pārslēgšanas laikā, tāpēc bez strāvas šeit to nevar izdarīt.
Šādi tranzistori tiek izmantoti jaudīgos jaudas slēdžos: impulsu pārveidotājos, invertoros utt. IGBT ieeja ir ļoti jutīga, pateicoties lauka efekta tranzistoru augstajai vārtu pretestībai. Izejot - tie dod iespēju saņemt milzīgas strāvas, un tos var ražot augstspriegumam. Piemēram, ASV ir jauna saules elektrostacija, kur šādus tranzistorus tilta ķēdē iekrauj ar jaudīgiem transformatoriem, kas enerģiju nodod rūpnieciskajam tīklam.
Noslēgumā mēs atzīmējam, ka tranzistori, vienkāršiem vārdiem sakot, ir visas mūsdienu elektronikas “darba zirgs”. Tos izmanto visur: no elektriskām lokomotīvēm līdz mobilajiem tālruņiem. Jebkurš mūsdienu dators sastāv no gandrīz visiem tranzistoriem. Tranzistoru darbības fiziskie pamati ir labi saprotami un sola vēl daudz jaunus sasniegumus.
Saistītie materiāli:
Notiek ielāde ...
