Ce este un tranzistor bipolar și care este caracteristica sa
Cuvântul "tranzistor" este compus din cuvintele TRANSFER și RESISTOR - convertor de rezistență. El a înlocuit lămpile la începutul anilor ’50. Acesta este un dispozitiv cu trei pini, utilizat pentru amplificare și comutare în circuite electronice. Adjectivul "bipolar" (tranzistorul de joncțiune bipolară) este utilizat pentru a distinge de tranzistorii cu efect de câmp (FET - tranzistor cu efect de câmp). Principiul de funcționare al unui tranzistor bipolar este utilizarea a două joncțiuni p-n formând un strat de barieră, ceea ce permite controlul unui mic curentdesprecu cel mai mare curent. Tranzistorul bipolar este utilizat atât ca rezistență controlată, cât și ca cheie. Tranzistoarele sunt de două tipuri: pnp și npn.
Joncțiunea P-N
Germanium (Ge) și siliciu (Si) sunt semiconductori. Acum se folosește în principal siliciu. Valența lui Si și Ge este de patru. Prin urmare, dacă adăugăm arsenic pentavalent la rețeaua de cristal de siliciu (As), obținem un electron „suplimentar” și dacă adăugăm bor trivalent (B), obținem un loc vacant pentru un electron. În primul caz, ei vorbesc despre un material „donator” care dă electroni, în al doilea caz vorbesc de un material „acceptor” care primește electroni. De asemenea, primul tip de material se numește N (negativ), iar al doilea - P (pozitiv).
Dacă materialele de tip P și N sunt puse în contact, va apărea un curent între ele și va fi stabilit un echilibru dinamic cu o regiune epuizată, unde concentrația purtătorilor de încărcare - electroni și locurile vacante („găuri”) - este mică. Acest strat are o conductivitate unilaterală și servește ca bază pentru un dispozitiv numit diodă. Contactul direct al materialelor nu va crea o tranziție calitativă, alierea (difuzia) sau „înfundarea” ionilor dopan într-un cristal în vid este necesară.
Tranzistor PNP
Pentru prima dată, un tranzistor bipolar a fost realizat prin topirea picăturilor de indiu într-un cristal de germaniu (material de tip n). Indium (In) este un material metalic trivalent, de tip p. Prin urmare, un astfel de tranzistor a fost numit difuz (aliat) având o structură p-n-p (sau pnp). Tranzistorul bipolar din figura de mai jos a fost fabricat în 1965. Corpul său este tăiat pentru claritate.
Cristalul de germaniu din centru se numește baza, iar picăturile de indiu topite în el se numesc emițător și colector. Este posibil să se considere tranzițiile EB (emițător) și KB (colector) ca diode obișnuite, dar tranziția CE (colector-emițător) are o proprietate specială. Prin urmare, este imposibil să fabricați un tranzistor bipolar din două diode separate.
Dacă o tensiune de mai mulți volți este aplicată între colector (-) și emițător (+) într-un tranzistor de tip pnp, un curent foarte slab, câțiva μA, va curge în circuit. Dacă atunci se aplică o tensiune mică (de deschidere) între bază (-) și emițător (+) - pentru germaniu este de aproximativ 0,3 V (iar pentru siliciu 0,6 V) - atunci un curent de o anumită magnitudine va curge de la emițător la bază.Dar, întrucât baza este foarte subțire, aceasta va fi rapid saturată cu găuri (își „pierde” excesul de electroni care va merge la emițător). Întrucât emițătorul este puternic dopat cu conductivitatea găurilor, iar într-o bază slab dopată, recombinarea electronilor este puțin întârziată, atuncidesprecea mai mare parte a curentului va curge de la emițător la colector. Colectorul este făcut mai mare decât emițătorul și ușor dopat, ceea ce îi permite să aibădespretensiune de defecțiune mai mică (UProba CE> UEșantion EB). De asemenea, din moment ce cea mai mare parte a găurilor se recombină în colector, se încălzește mai puternic decât ceilalți electrozi ai dispozitivului.
Între curentul de colecție și emițător există un raport:
De obicei, α se situează în intervalul 0,85-0,999 și invers depinde de grosimea bazei. Această valoare se numește coeficient de transfer al curentului emițător. În practică, reciproc este adesea utilizat (notat și prin h21e):
Acesta este coeficientul de transfer al curentului de bază, unul dintre cei mai importanți parametri ai unui tranzistor bipolar. Determină mai des proprietățile de îmbunătățire în practică.
Tranzistorul PNP se numește tranzistor cu conductor înainte. Există însă un alt tip de tranzistor, a cărui structură completează perfect pnp în circuite.
Tranzistor NPN
Tranzistorul bipolar poate avea un colector cu un emițător de material de tip N. Apoi baza este fabricată din material de tip P. Și în acest caz, tranzistorul npn funcționează exact ca pnp, cu excepția polarității - este un tranzistor cu conductivitate inversă.
Tranzistoarele pe bază de silicon suprimă cu numărul lor toate celelalte tipuri de tranzistoare bipolare. Ca material donator pentru colector și emițător poate servi ca As, având un electron „în plus”. Tehnologia pentru fabricarea tranzistoarelor s-a schimbat și ea. Acum sunt plane, ceea ce face posibilă utilizarea litografiei și realizarea de circuite integrate. Imaginea de mai jos arată un tranzistor bipolar plan (ca parte a unui circuit integrat la mărire mare). Conform tehnologiei plane, tranzistoarele atât pnp cât și npn sunt fabricate, inclusiv cele puternice. Aleea este deja întreruptă.
Tranzistorul bipolar plan în contextul imaginii următoare (diagrama simplificată).
Imaginea arată cât de bine este aranjat designul tranzistorului plan - colectorul este răcit efectiv de substratul de cristal. De asemenea, este fabricat un tranzistor pnp planar.
În imaginea următoare sunt prezentate denumiri grafice convenționale ale unui tranzistor bipolar.
Aceste UGO sunt internaționale și sunt valabile și în conformitate cu GOST 2.730-73.
Circuite de comutare a tranzistorului
De obicei, un tranzistor bipolar este întotdeauna utilizat în legătură directă - polaritatea inversă la joncțiunea FE nu oferă nimic interesant. Pentru o schemă de conexiune directă, există trei scheme de conexiune: un emițător comun (OE), un colector comun (OK) și o bază comună (OB). Toate cele trei incluziuni sunt prezentate mai jos. Ele explică doar principiul de funcționare în sine - presupunând că punctul de operare este cumva instalat folosind o sursă suplimentară de alimentare sau un circuit auxiliar. Pentru a deschide un tranzistor de siliciu (Si), este necesar să existe un potențial de ~ 0,6 V între emițător și bază, iar pentru un germaniu este suficient ~ 0,3 V.
Emițător comun
Tensiunea U1 provoacă un curent Ib, curentul colector Ik este egal cu curentul de bază înmulțit cu β. În acest caz, tensiunea + E ar trebui să fie suficient de mare: 5 V-15 V. Acest circuit amplifică puterea curentului și a tensiunii și, prin urmare, puterea. Semnalul de ieșire este opus în fază față de intrare (inversat). Acesta este utilizat în tehnologia digitală ca funcție de NU.
Dacă tranzistorul nu funcționează în modul cheie, ci ca un amplificator de semnale mici (mod activ sau liniar), atunci, folosind selecția curentului de bază, tensiunea U este setată2 egală cu E / 2, astfel încât semnalul de ieșire să nu fie denaturat. O astfel de aplicație este folosită, de exemplu, pentru amplificarea semnalelor audio în amplificatoare de înaltă performanță cu distorsiuni reduse și, ca urmare, eficiență scăzută.
Colecționar comun
În ceea ce privește tensiunea, circuitul OK nu se amplifică, aici câștigul este α ~ 1.Prin urmare, acest circuit este numit adept al emițătorului. Curentul în circuitul emițătorului este β + 1 ori mai mare decât în circuitul de bază. Acest circuit amplifică putul curent și are o ieșire scăzută și o impedanță de intrare foarte mare. (Acesta este momentul pentru a ne aminti că tranzistorul se numește transformator de rezistență.)
Următorul emițătorului are proprietăți și parametri de funcționare care sunt foarte potriviți pentru sondele osciloscopului. Își folosește impedanța uriașă de intrare și ieșirea redusă, ceea ce este potrivit pentru potrivirea cu un cablu cu impedanță mică.
Baza comună
Acest circuit se caracterizează prin cea mai mică rezistență de intrare, dar câștigul său de curent este egal cu α. Un circuit de bază comun se amplifică bine în tensiune, dar nu în putere. Caracteristica sa este eliminarea influenței feedback-ului asupra capacitanței (ef. Miller). Cascadele cu OB sunt adecvate ideal ca etape de intrare a amplificatoarelor pe căi de frecvență radio potrivite la rezistențe joase de 50 și 75 Ohmi.
Cascadele cu o bază comună sunt foarte utilizate pe scară largă în tehnologia cu microunde, iar utilizarea lor în electronice radio cu o cascadă de adepți emițători este foarte frecventă.
Două moduri principale de operare
Distingeți între modurile de funcționare folosind semnalul „mic” și „mare”. În primul caz, tranzistorul bipolar funcționează pe o suprafață mică din caracteristicile sale și acest lucru este utilizat în tehnologia analogică. În astfel de cazuri, liniaritatea amplificării semnalului și zgomotul redus sunt importante. Acesta este un mod liniar.
În cel de-al doilea caz (modul cheie), tranzistorul bipolar funcționează pe întreaga gamă - de la saturație la tăiere, ca o cheie. Aceasta înseamnă că, dacă te uiți la caracteristicile I - V ale joncțiunii pn, ar trebui să aplici o tensiune inversă mică între bază și emițător pentru a bloca complet tranzistorul și pentru a se deschide complet atunci când tranzistorul trece în modul de saturație, crește ușor curentul de bază în comparație cu modul semnal mic. Apoi tranzistorul funcționează ca un întrerupător de impulsuri. Acest mod este utilizat la dispozitivele de comutare și alimentare, este utilizat pentru comutarea surselor de alimentare. În astfel de cazuri, încearcă să atingă un timp scurt de comutare a tranzistoarelor.
Logica digitală se caracterizează printr-o poziție intermediară între semnalele „mari” și „mici”. Un nivel logic scăzut este limitat cu 10% din tensiunea de alimentare și unul ridicat cu 90%. Întârzierile de timp și comutarea încearcă să reducă la limită. Acest mod de funcționare este esențial, dar ei încearcă să minimizeze puterea aici. Orice element logic este o cheie.
Alte tipuri de tranzistoare
Principalele tipuri de tranzistoare descrise deja nu limitează dispunerea acestora. Sunt produse tranzistoare compozite (circuitul Darlington). Β-ul lor este foarte mare și egal cu produsul coeficienților ambelor tranzistoare, de aceea sunt numiți și tranzistori „superbet”.
Ingineria electrică a stăpânit deja IGBT-urile (tranzistorul bipolar de poartă izolată), cu o poartă izolată. Poarta tranzistorului cu efect de câmp este într-adevăr izolată de canalul său. Adevărat, se pune problema reîncărcării capacității sale de intrare în timpul comutării, deci, fără curent, nu se poate face aici.
Astfel de tranzistoare sunt utilizate la comutatoarele puternice: convertoare de impuls, invertoare etc. IGBT-urile de intrare sunt foarte sensibile datorită rezistenței mari a tranzistoarelor cu efect de câmp. La ieșire - oferă posibilitatea de a primi curenți uriași și pot fi fabricate pentru înaltă tensiune. De exemplu, în SUA există o nouă centrală solară, unde astfel de tranzistoare din circuitul podului sunt încărcate cu transformatoare puternice care transferă energie în rețeaua industrială.
În concluzie, remarcăm faptul că tranzistorii, în cuvinte simple, sunt „punctul de lucru” al tuturor electronicelor moderne. Sunt folosite peste tot: de la locomotive electrice la telefoane mobile. Orice computer modern este format din aproape toate tranzistoarele. Bazele fizice ale funcționării tranzistoarelor sunt bine înțelese și promit multe alte realizări noi.
Materiale conexe:
Se încarcă ...
