Wat is een bipolaire transistor en wat is de functie ervan?
Het woord "transistor" is samengesteld uit de woorden TRANSfer en weerstand-omzetter. Begin jaren vijftig verving hij lampen. Dit is een driepolig apparaat dat wordt gebruikt voor versterking en schakelen in elektronische schakelingen. Het bijvoeglijk naamwoord "bipolair" (bipolaire junctietransistor) dient om onderscheid te maken tussen veldeffecttransistors (FET). Het principe van de werking van een bipolaire transistor is om twee p-n-overgangen te gebruiken die een barrièrelaag vormen, waardoor een kleine stroom kan worden gestuurdongeveermet de hoogste stroom. De bipolaire transistor wordt zowel als gecontroleerde weerstand als sleutel gebruikt. Transistors zijn van twee soorten: pnp en npn.
P-N kruising
Germanium (Ge) en silicium (Si) zijn halfgeleiders. Nu wordt voornamelijk silicium gebruikt. De valentie van Si en Ge is vier. Daarom, als we pentavalent arseen toevoegen aan het kristalrooster van silicium (As), krijgen we een "extra" elektron en als we driewaardig boor (B) toevoegen, krijgen we een vrije plaats voor een elektron. In het eerste geval spreken ze van een 'donor'-materiaal dat elektronen geeft, in het tweede geval spreken ze van een' acceptor'-materiaal dat elektronen ontvangt. Ook wordt het eerste type materiaal N (negatief) genoemd en het tweede - P (positief).
Als materialen van P- en N-typen met elkaar in contact komen, ontstaat er een stroom tussen hen en ontstaat er een dynamisch evenwicht met een verarmd gebied, waar de concentratie van ladingsdragers - elektronen en lege plekken ("gaten") - klein is. Deze laag heeft eenzijdige geleidbaarheid en dient als basis voor een apparaat dat een diode wordt genoemd. Direct contact van materialen leidt niet tot een kwalitatieve overgang; legering (diffusie) of "verstopping" van doteringsionen in een kristal in een vacuüm is noodzakelijk.
PNP-transistor
Voor het eerst werd een bipolaire transistor gemaakt door indiumdruppeltjes te smelten tot een germaniumkristal (n-type materiaal). Indium (In) is een driewaardig metaal, p-type materiaal. Daarom werd zo'n transistor diffuus (gelegeerd) genoemd met een p-n-p (of pnp) structuur. De bipolaire transistor in de onderstaande afbeelding is vervaardigd in 1965. Het lichaam is gesneden voor de duidelijkheid.
Het germaniumkristal in het midden wordt de basis genoemd en de erin gesmolten indiumdruppels worden de emitter en de collector genoemd. Overgangen EB (emitter) en CB (collector) kunnen als gewone diodes worden beschouwd, maar de overgang CE (collector-emitter) heeft een bijzondere eigenschap. Daarom is het onmogelijk om een bipolaire transistor te maken uit twee afzonderlijke diodes.
Als er een spanning van meerdere volt wordt aangelegd tussen de collector (-) en de emitter (+) in een pnp-type transistor, zal er een zeer zwakke stroom, een paar μA, in het circuit stromen. Als er dan een kleine (openings) spanning wordt aangelegd tussen de basis (-) en de emitter (+) - voor germanium is het ongeveer 0,3 V (en voor silicium 0,6 V) - dan zal er een stroom van enige grootte van de emitter naar de basis stromen.Maar omdat de basis erg dun is gemaakt, zal deze snel verzadigd raken met gaten (het 'verliest' zijn overtollige elektronen die naar de emitter gaan). Aangezien de emitter zwaar gedoteerd is met gatgeleiding en in een zwak gedoteerde basis de elektronenrecombinatie een beetje vertraagd is,ongeveerhet grootste deel van de stroom zal van de emitter naar de collector stromen. De collector is groter gemaakt dan de emitter en licht gedoteerd, waardoor hij kan worden bewaardongeveerlagere doorslagspanning (UVoorbeeld CE> UVoorbeeld EB) Omdat het grootste deel van de gaten in de collector opnieuw combineren, warmt het ook sterker op dan de andere elektroden van het apparaat.
Tussen de collector- en emitterstroom is er een verhouding:
Typisch ligt α in het bereik van 0,85-0,999 en omgekeerd hangt het af van de dikte van de basis. Deze waarde wordt de emissiestroomoverdrachtscoëfficiënt genoemd. In de praktijk wordt vaak het omgekeerde gebruikt (ook aangeduid met h21e):
Dit is de basisstroomoverdrachtscoëfficiënt, een van de belangrijkste parameters van een bipolaire transistor. Het bepaalt vaker de versterkende eigenschappen in de praktijk.
De PNP-transistor wordt de voorwaartse geleidertransistor genoemd. Maar er is nog een ander type transistor, waarvan de structuur perfect aansluit bij pnp in schakelingen.
NPN-transistor
De bipolaire transistor kan een collector hebben met een emitter van N-type materiaal. Vervolgens is de basis gemaakt van P-type materiaal. En in dit geval werkt de npn-transistor precies zoals pnp, met uitzondering van polariteit - het is een transistor met omgekeerde geleidbaarheid.
Op silicium gebaseerde transistors onderdrukken met hun aantal alle andere soorten bipolaire transistors. Als donormateriaal voor de verzamelaar en emitter kan het dienen als As, met een "extra" elektron. De technologie voor het vervaardigen van transistors is ook veranderd. Nu zijn ze vlak, wat het mogelijk maakt om lithografie te gebruiken en geïntegreerde schakelingen te maken. De onderstaande afbeelding toont een vlakke bipolaire transistor (als onderdeel van een geïntegreerd circuit met hoge vergroting). Volgens planaire technologie worden zowel pnp- als npn-transistors vervaardigd, inclusief krachtige. Legering is al stopgezet.
De planaire bipolaire transistor in de context van de volgende afbeelding (vereenvoudigd diagram).
De afbeelding laat zien hoe goed het ontwerp van de vlakke transistor is gerangschikt - de collector wordt effectief gekoeld door het kristalsubstraat. Er wordt ook een vlakke pnp-transistor vervaardigd.
Conventionele grafische aanduidingen van een bipolaire transistor worden getoond in de volgende afbeelding.
Deze UGO's zijn internationaal en ook geldig in overeenstemming met GOST 2.730-73.
Transistorschakelcircuits
Meestal wordt altijd een bipolaire transistor gebruikt in directe verbinding - de omgekeerde polariteit bij de FE-overgang geeft niets interessants. Voor een direct verbindingsschema zijn er drie verbindingsschema's: een gemeenschappelijke emitter (OE), een gemeenschappelijke collector (OK) en een gemeenschappelijke basis (OB). Alle drie de insluitsels worden hieronder weergegeven. Ze leggen alleen het werkingsprincipe zelf uit - ervan uitgaande dat het werkpunt op de een of andere manier is geïnstalleerd met een extra voedingsbron of hulpcircuit. Om een siliciumtransistor (Si) te openen, moet er een potentiaal van ~ 0,6 V zijn tussen de emitter en de basis, en voor een germanium is het genoeg ~ 0,3 V.
Gemeenschappelijke zender
De spanning U1 veroorzaakt een stroom Ib, de collectorstroom Ik is gelijk aan de basisstroom vermenigvuldigd met β. In dit geval moet de spanning + E groot genoeg zijn: 5 V-15 V. Dit circuit versterkt de stroom en spanning goed, en dus het vermogen. Het uitgangssignaal is in fase tegengesteld aan de ingang (omgekeerd). Dit wordt gebruikt in digitale technologie als een functie van NOT.
Als de transistor niet werkt in de sleutelmodus, maar als een versterker van kleine signalen (actieve of lineaire modus), wordt met behulp van de selectie van de basisstroom de spanning U ingesteld2 gelijk aan E / 2 zodat het uitgangssignaal niet wordt vervormd. Een dergelijke toepassing wordt bijvoorbeeld gebruikt bij het versterken van audiosignalen in high-end versterkers met lage vervorming en daardoor een laag rendement.
Gemeenschappelijke verzamelaar
In termen van spanning versterkt het OK-circuit niet, hier is de versterking α ~ 1.Daarom wordt dit circuit een emittervolger genoemd. De stroom in het emittercircuit is β + 1 keer groter dan in het basiscircuit. Dit circuit versterkt de stroom goed en heeft een laag uitgangsvermogen en een zeer hoge ingangsimpedantie. (Dit is het moment om te onthouden dat de transistor een weerstandstransformator wordt genoemd.)
De emittervolger heeft eigenschappen en bedrijfsparameters die zeer geschikt zijn voor oscilloscoopsondes. Het gebruikt zijn enorme ingangsimpedantie en lage output, wat goed is voor afstemming met een kabel met lage impedantie.
Gemeenschappelijke basis
Dit circuit wordt gekenmerkt door de laagste ingangsweerstand, maar de huidige versterking is gelijk aan α. Een gemeenschappelijk basiscircuit versterkt goed in spanning, maar niet in vermogen. Het kenmerk is de eliminatie van de invloed van feedback op capaciteit (eff. Miller). Cascades met OB's zijn bij uitstek geschikt als ingangstrappen van versterkers in radiofrequente paden afgestemd op lage weerstanden van 50 en 75 Ohm.
Cascades met een gemeenschappelijke basis worden zeer veel gebruikt in microgolftechnologie en hun gebruik in radio-elektronica met een cascade van emittervolgers is heel gebruikelijk.
Twee hoofdmodi
Maak een onderscheid tussen werkingsmodi met het signaal "klein" en "groot". In het eerste geval werkt de bipolaire transistor op een klein gebied van zijn kenmerken en dit wordt gebruikt in analoge technologie. In dergelijke gevallen zijn de lineariteit van signaalversterking en lage ruis belangrijk. Dit is een lineaire modus.
In het tweede geval (sleutelmodus) werkt de bipolaire transistor in het volledige bereik - van verzadiging tot afsnijding, als een sleutel. Dit betekent dat als je naar de I-V-kenmerken van de pn-overgang kijkt, je een kleine sperspanning tussen de basis en de emitter moet toepassen om de transistor volledig te vergrendelen en om volledig te openen wanneer de transistor in de verzadigingsmodus gaat, de basisstroom iets te verhogen in vergelijking met de laagsignaalmodus. Dan werkt de transistor als een pulsschakelaar. Deze modus wordt gebruikt bij schakel- en voedingsapparaten, het wordt gebruikt voor het schakelen van voedingen. In dergelijke gevallen proberen ze een korte schakeltijd van de transistors te bereiken.
Digitale logica wordt gekenmerkt door een tussenpositie tussen de "grote" en "kleine" signalen. Een laag logisch niveau wordt beperkt door 10% van de voedingsspanning en een hoog met 90%. Tijdvertragingen en schakelen proberen tot het uiterste te beperken. Deze manier van werken is de sleutel, maar ze proberen hier het vermogen te minimaliseren. Elk logisch element is een sleutel.
Andere soorten transistors
De belangrijkste typen transistors die al zijn beschreven, beperken hun opstelling niet. Er worden composiettransistors geproduceerd (Darlington-circuit). Hun β is erg groot en gelijk aan het product van de coëfficiënten van beide transistors, daarom worden ze ook "superbet" -transistors genoemd.
Elektrotechniek beheerst al IGBT's (bipolaire transistor met geïsoleerde poort), met een geïsoleerde poort. De poort van de veldeffecttransistor is inderdaad geïsoleerd van zijn kanaal. Toegegeven, er is een kwestie van het opladen van de ingangscapaciteit tijdens het schakelen, dus zonder stroom kan het hier niet.
Dergelijke transistors worden gebruikt in krachtige stroomschakelaars: pulsomvormers, omvormers, enz. De ingangs-IGBT's zijn zeer gevoelig vanwege de hoge poortweerstand van de veldeffecttransistors. Bij het verlaten - ze geven de mogelijkheid om enorme stromen te ontvangen en kunnen worden geproduceerd voor hoogspanning. Zo is er in de VS een nieuwe zonne-energiecentrale, waar dergelijke transistors in het brugcircuit worden geladen met krachtige transformatoren die energie overdragen aan het industriële netwerk.
Concluderend merken we op dat transistors, in eenvoudige bewoordingen, het "werkpaard" zijn van alle moderne elektronica. Ze worden overal gebruikt: van elektrische locomotieven tot mobiele telefoons. Elke moderne computer bestaat uit bijna alle transistors. De fysieke basis van de werking van transistors is goed begrepen en belooft veel meer nieuwe prestaties.
Gerelateerde materialen:
Bezig met laden ...
