Co to jest tranzystor bipolarny i jaka jest jego funkcja
Słowo „tranzystor” składa się ze słów TRANSFER i rezystor - przetwornik rezystancji. Wymienił lampy na początku lat pięćdziesiątych. Jest to trzy pinowe urządzenie stosowane do wzmacniania i przełączania obwodów elektronicznych. Przymiotnik „bipolarny” (tranzystor bipolarny) służy do odróżnienia tranzystorów polowych (FET). Zasada działania tranzystora bipolarnego polega na zastosowaniu dwóch połączeń p-n tworzących warstwę barierową, która pozwala kontrolować niewielki prądoz najwyższym prądem. Tranzystor bipolarny służy zarówno jako kontrolowany opór, jak i klucz. Tranzystory są dwojakiego rodzaju: pnp i npn.
Złącze P-N
German (Ge) i krzem (Si) są półprzewodnikami. Teraz używany jest głównie krzem. Wartościowość Si i Ge wynosi cztery. Dlatego jeśli dodamy pięciowartościowy arsen do sieci krystalicznej krzemu (As), otrzymamy „dodatkowy” elektron, a jeśli dodamy trójwartościowy bor (B), otrzymamy wolne miejsce dla elektronu. W pierwszym przypadku mówią o materiale „dawcy” dającym elektrony, w drugim przypadku mówią o materiale „akceptorowym” odbierającym elektrony. Również pierwszy rodzaj materiału nazywa się N (ujemny), a drugi - P (dodatni).
Jeśli materiały typu P i N zostaną zetknięte, powstanie między nimi prąd, a równowaga dynamiczna zostanie ustalona z regionem zubożonym, w którym stężenie nośników ładunku - elektronów i wolnych miejsc („dziur”) - jest niewielkie. Ta warstwa ma jednostronną przewodność i służy jako podstawa dla urządzenia zwanego diodą. Bezpośredni kontakt materiałów nie spowoduje jakościowego przejścia; konieczne jest stopowanie (dyfuzja) lub „zatykanie” jonów domieszek do kryształu w próżni.
Tranzystor PNP
Po raz pierwszy wykonano bipolarny tranzystor przez stopienie kropli indu w krysztale germanu (materiał typu n). Ind (In) jest trójwartościowym metalem typu p. Dlatego taki tranzystor nazwano rozproszonym (stopowym) o strukturze p-n-p (lub pnp). Tranzystor bipolarny na poniższym rysunku został wyprodukowany w 1965 roku. Jego ciało jest wycięte dla jasności.
Kryształ germanu w centrum nazywa się bazą, a stopione w nim kropki indu nazywane są emiterem i kolektorem. Przejścia EB (emiter) i KB (kolektor) można traktować jak zwykłe diody, ale przejście CE (kolektor-emiter) ma specjalną właściwość. Dlatego niemożliwe jest wytworzenie tranzystora bipolarnego z dwóch oddzielnych diod.
Jeśli do kolektora (-) i emitera (+) zostanie doprowadzone napięcie kilku woltów w tranzystorze typu pnp, w obwodzie przepłynie bardzo słaby prąd, kilka μA. Jeśli następnie zostanie przyłożone małe (otwierające) napięcie między bazą (-) a emiterem (+) - dla germanu wynosi około 0,3 V (a dla krzemu 0,6 V) - wówczas prąd o pewnej wielkości przepłynie z emitera do bazy.Ale ponieważ baza jest bardzo cienka, szybko się nasyci dziurami („traci” swój nadmiar elektronów, które trafią do emitera). Ponieważ emiter jest silnie domieszkowany przewodnością dziurkową, a w słabo domieszkowanej bazie rekombinacja elektronów jest nieco opóźniona,owiększość prądu przepłynie z emitera do kolektora. Kolektor jest większy niż emiter i lekko domieszkowany, co pozwala mu miećoniższe napięcie przebicia (UPróbka CE> UPróbka EB) Ponadto, ponieważ większość otworów rekombinuje się w kolektorze, nagrzewa się on mocniej niż inne elektrody urządzenia.
Pomiędzy prądem kolektora i emitera istnieje stosunek:
Zazwyczaj α leży w zakresie 0,85-0,999 i odwrotnie zależy od grubości podstawy. Ta wartość nazywana jest współczynnikiem przenoszenia prądu emitera. W praktyce często stosuje się odwrotność (oznaczoną również przez h21e):
Jest to podstawowy współczynnik przenikania prądu, jeden z najważniejszych parametrów tranzystora bipolarnego. Częściej określa właściwości wzmacniające w praktyce.
Tranzystor PNP nazywany jest tranzystorem przewodzącym do przodu. Ale istnieje inny rodzaj tranzystora, którego struktura doskonale uzupełnia pnp w obwodach.
Tranzystor NPN
Tranzystor bipolarny może mieć kolektor z emiterem materiału typu N. Następnie podstawa jest wykonana z materiału typu P. I w tym przypadku tranzystor npn działa dokładnie tak samo jak pnp, z wyjątkiem polaryzacji - jest to tranzystor o odwróconym przewodnictwie.
Tranzystory na bazie krzemu tłumią swoimi numerami wszystkie inne typy tranzystorów bipolarnych. Jako materiał dawcy dla kolektora i emitera może służyć jako „dodatkowy” elektron. Zmieniła się również technologia wytwarzania tranzystorów. Teraz są płaskie, co pozwala na korzystanie z litografii i tworzenie układów scalonych. Poniższy rysunek pokazuje płaski tranzystor bipolarny (jako część układu scalonego przy dużym powiększeniu). Zgodnie z technologią planarną produkowane są tranzystory pnp i npn, w tym mocne. Stop jest już wycofany.
Płaski tranzystor bipolarny w kontekście poniższego obrazu (schemat uproszczony).
Zdjęcie pokazuje, jak dobrze ułożona jest konstrukcja tranzystora płaskiego - kolektor jest skutecznie chłodzony przez krystaliczne podłoże. Produkowany jest również płaski tranzystor pnp.
Konwencjonalne oznaczenia graficzne tranzystora bipolarnego pokazano na poniższym rysunku.
Te organizacje pozarządowe są międzynarodowe, a także ważne zgodnie z GOST 2.730-73.
Tranzystorowe obwody przełączające
Zwykle w połączeniu bezpośrednim zawsze używany jest tranzystor bipolarny - odwrotna polaryzacja na przejściu FE nie daje nic interesującego. W przypadku schematu bezpośredniego połączenia istnieją trzy schematy połączeń: wspólny emiter (OE), wspólny kolektor (OK) i wspólna baza (OB). Wszystkie trzy wtrącenia pokazano poniżej. Wyjaśniają tylko samą zasadę działania - zakładając, że punkt pracy jest w jakiś sposób instalowany przy użyciu dodatkowego źródła zasilania lub obwodu pomocniczego. Aby otworzyć tranzystor krzemowy (Si), konieczne jest, aby potencjał między ~ emiterem a bazą wynosił ~ 0,6 V, a dla germanu wystarczy ~ 0,3 V.
Wspólny emiter
Napięcie U1 powoduje prąd Ib, prąd kolektora Ik jest równy prądowi podstawowemu pomnożonemu przez β. W takim przypadku napięcie + E powinno być wystarczająco duże: 5 V-15 V. Ten obwód dobrze wzmacnia prąd i napięcie, a zatem moc. Sygnał wyjściowy jest przeciwny w fazie niż wejście (odwrócony). Jest to wykorzystywane w technologii cyfrowej jako funkcja NOT.
Jeśli tranzystor nie działa w trybie kluczowym, ale jako wzmacniacz małych sygnałów (tryb aktywny lub liniowy), to za pomocą wyboru prądu podstawowego ustawia się napięcie U2 równa E / 2, dzięki czemu sygnał wyjściowy nie jest zniekształcony. Takie zastosowanie jest stosowane, na przykład, do wzmacniania sygnałów audio we wzmacniaczach wysokiej klasy o niskim zniekształceniu, a co za tym idzie niskiej wydajności.
Wspólny kolektor
Pod względem napięcia obwód OK nie ulega wzmocnieniu, tutaj wzmocnienie wynosi α ~ 1.Dlatego obwód ten nazywany jest obserwatorem emiterów. Prąd w obwodzie emitera jest β + 1 razy większy niż w obwodzie bazowym. Obwód ten dobrze wzmacnia prąd i ma niską moc wyjściową i bardzo wysoką impedancję wejściową. (Czas przypomnieć, że tranzystor nazywany jest transformatorem oporowym).
Obserwator emitera ma właściwości i parametry robocze, które są bardzo odpowiednie dla sond oscyloskopowych. Wykorzystuje ogromną impedancję wejściową i niską moc wyjściową, co jest dobre do dopasowania z kablem o niskiej impedancji.
Wspólna podstawa
Obwód ten charakteryzuje się najniższą rezystancją wejściową, ale jego wzmocnienie prądu jest równe α. Wspólny obwód podstawowy dobrze wzmacnia napięcie, ale nie moc. Jego cechą jest eliminacja wpływu sprzężenia zwrotnego na pojemność (efekt Millera). Kaskady z OB doskonale nadają się jako stopnie wejściowe wzmacniaczy na ścieżkach częstotliwości radiowych dopasowanych przy niskich opornościach 50 i 75 omów.
Kaskady ze wspólną podstawą są bardzo szeroko stosowane w technologii mikrofalowej, a ich stosowanie w elektronice radiowej z kaskadą obserwatorów emitujących jest bardzo powszechne.
Dwa główne tryby pracy
Rozróżnij tryby pracy za pomocą sygnału „małego” i „dużego”. W pierwszym przypadku tranzystor bipolarny działa na niewielkim obszarze swoich charakterystyk i jest to wykorzystywane w technologii analogowej. W takich przypadkach ważna jest liniowość wzmocnienia sygnału i niski poziom szumów. To jest tryb liniowy.
W drugim przypadku (tryb klucza) tranzystor bipolarny działa w pełnym zakresie - od nasycenia do odcięcia, jak klucz. Oznacza to, że jeśli spojrzysz na charakterystykę I - V złącza pn, powinieneś zastosować małe napięcie wsteczne między bazą a emiterem, aby całkowicie zablokować tranzystor i aby całkowicie się otworzyć, gdy tranzystor przejdzie w tryb nasycenia, nieznacznie zwiększ prąd bazowy w porównaniu do trybu niskiego sygnału. Następnie tranzystor działa jak przełącznik impulsowy. Ten tryb jest używany w urządzeniach przełączających i zasilających, służy do przełączania zasilaczy. W takich przypadkach starają się osiągnąć krótki czas przełączania tranzystorów.
Logika cyfrowa charakteryzuje się położeniem pośrednim między sygnałami „dużymi” i „małymi”. Niski poziom logiczny jest ograniczony o 10% napięcia zasilania, a wysoki o 90%. Opóźnienia czasowe i przełączanie mają na celu ograniczenie do limitu. Ten tryb działania jest kluczowy, ale starają się tutaj zminimalizować moc. Każdy element logiczny jest kluczem.
Inne rodzaje tranzystorów
Opisane już główne typy tranzystorów nie ograniczają ich rozmieszczenia. Produkowane są tranzystory kompozytowe (obwód Darlingtona). Ich β jest bardzo duża i równa iloczynowi współczynników obu tranzystorów, dlatego nazywane są również tranzystorami „superbet”.
Elektrotechnika opanowała już IGBT (tranzystor bipolarny z izolowaną bramką) z izolowaną bramką. Bramka tranzystora polowego jest rzeczywiście odizolowana od jego kanału. To prawda, że istnieje kwestia ładowania jego pojemności wejściowej podczas przełączania, więc bez prądu nie można tego zrobić.
Takie tranzystory są stosowane w potężnych przełącznikach mocy: przetwornikach impulsowych, falownikach itp. Wejściowe tranzystory IGBT są bardzo czułe ze względu na wysoką rezystancję bramki tranzystorów polowych. Przy wyjściu - dają możliwość odbioru ogromnych prądów i mogą być wytwarzane na wysokie napięcie. Na przykład w USA istnieje nowa elektrownia słoneczna, w której takie tranzystory w obwodzie mostkowym są obciążone potężnymi transformatorami, które przenoszą energię do sieci przemysłowej.
Podsumowując, zauważamy, że tranzystory, w prostych słowach, są „koniem roboczym” całej nowoczesnej elektroniki. Są stosowane wszędzie: od lokomotyw elektrycznych po telefony komórkowe. Każdy nowoczesny komputer składa się z prawie wszystkich tranzystorów. Fizyczne podstawy działania tranzystorów są dobrze poznane i obiecują wiele nowych osiągnięć.
Powiązane materiały:
Ładowanie...
