Použití polovodičových zařízení (SSD) je v radioelektronice velmi rozšířené. Tím se zmenšila velikost různých zařízení. Bipolární tranzistor je široce používaný, díky určitým vlastnostem má širší funkčnost než jednoduchý tranzistor s polem. Abychom pochopili, k čemu se používá a za jakých podmínek, je třeba se zabývat jeho principem fungování, způsoby připojení a klasifikací.
Obsah
Konstrukce a provoz
Tranzistor je elektronický polovodič složený ze tří elektrod, z nichž jedna je řídicí. Bipolární tranzistory se od polárních tranzistorů liší tím, že mají dva typy nosičů náboje (záporný a kladný).
Záporné náboje představují elektrony, které se uvolňují z vnější slupky krystalové mřížky. Na místě uvolněného elektronu se vytvoří kladný typ náboje neboli díry.
Konstrukce bipolárního tranzistoru (BT) je navzdory jeho univerzálnosti poměrně jednoduchá. Skládá se ze tří vrstev typu vodič: emitor (E), báze (B) a kolektor (C).
Emitor (latinsky "uvolňovač") je typ polovodičového přechodu, jehož hlavní funkcí je přivádět náboje do báze. Kolektor (latinsky "collector") slouží k přijímání nábojů z emitoru. Základna je kontrolní elektroda.
Emitorová a kolektorová vrstva jsou téměř identické, liší se však mírou příměsí přidaných za účelem zlepšení vlastností senzoru. Přidávání nečistot se nazývá dopování. U kolektorové vrstvy (CL) je dopování slabě vyjádřeno zvýšením kolektorového napětí (Uk). Emitorová polovodičová vrstva je silně dopována, aby se zvýšila zpětná přípustná hodnota U průrazu a zlepšila se injekce nosičů do základní vrstvy (zvyšuje se koeficient přenosu proudu - Kt). Základní vrstva je slabě dopovaná, aby poskytovala větší odpor (R).
Přechod mezi bází a emitorem má menší plochu než K-B. Rozdíl v ploše je to, co zlepšuje Kt. Když je deska plošných spojů v provozu, je přechod K-B zapnut s opačným předpětím, aby se většina tepelného množství Q, které je odváděno, lépe ochlazovala krystal.
Rychlost BT závisí na tloušťce základní vrstvy (BS). Tato závislost je hodnota, která se mění podle nepřímo úměrného vztahu. Menší tloušťka má za následek rychlejší výkon. Tato závislost souvisí s dobou průchodu nosičů náboje. Současně se však snižuje Uk.
Mezi emitorem a K protéká velký proud, který se nazývá proud K (Ik). Mezi E a B protéká malé množství proudu - proud B (Ib), který se používá k regulaci. Když se změní Ib, změní se i Ik.
Tranzistor má dva p-n přechody, E-B a K-B. Když je aktivní, E-B je připojen s předpětím dopředu a K-B je připojen s opačným předpětím. Protože je přechod E-B otevřený, záporné náboje (elektrony) proudí do B. Poté následuje jejich částečná rekombinace s dírami. Většina elektronů však dosáhne K-B kvůli nízkému dopování a tloušťce B.
V BS jsou elektrony nebazickými nosiči náboje a elektromagnetické pole jim pomáhá překonat K-B přechod. S rostoucím Ib se otvor E-B rozšiřuje a mezi E a K přebíhá více elektronů. Tím dojde k výraznému zesílení signálu s nízkou amplitudou, protože Ik je větší než Ib.
Abychom snáze pochopili fyzikální význam bipolárního tranzistoru, musíme si jej spojit s názorným příkladem. Předpokládejme, že vodní čerpadlo je zdrojem energie, vodovodní kohoutek je tranzistor, voda je Ik a stupeň otočení kohoutku je Ib. Chcete-li zvýšit hlavu, musíte kohoutkem trochu pootočit - provést kontrolní akci. Z příkladu lze vyvodit, že princip fungování PP je jednoduchý.
Při výrazném zvýšení U na přechodu K-B však může dojít k rázové ionizaci, jejímž důsledkem je lavinovité šíření náboje. Tento proces v kombinaci s tunelovým efektem způsobuje elektrický a s rostoucím časem i tepelný průraz, který způsobuje selhání desky plošných spojů. Někdy dochází k tepelnému průrazu bez elektrického průrazu v důsledku výrazného zvýšení proudu přes výstup kolektoru.
Kromě toho se při změně U na K-B a E-B mění tloušťka těchto vrstev, pokud je B tenká, dochází ke svěrnému efektu (nazývanému také průraz B), při kterém jsou spoje K-B a E-B spojeny. V důsledku tohoto jevu přestane PP plnit svou funkci.
Režimy provozu
Bipolární tranzistor může pracovat ve 4 režimech:
- Aktivní.
- Mezní hodnota (PO).
- Nasycení (SS).
- Bariéra (RB).
Aktivní režim BT může být normální (NAR) a inverzní (IAR).
Normální aktivní režim
V tomto režimu protéká na přechodu E-B napětí U, které je přímé a nazývá se napětí E-B (Ue-B). Tento režim je považován za optimální a používá se ve většině obvodů. Přechod E přivádí náboje do oblasti báze, které se pohybují směrem ke kolektoru. Ten urychluje náboje, čímž vytváří tzv. boost efekt.
Inverzní aktivní režim
V tomto režimu je přechod K-B otevřený. BT pracuje v opačném směru, tj. z K jsou injektovány děrové nosiče náboje procházející B. Ty jsou zachyceny přechodem E. Zesilovací vlastnosti BT jsou slabé a BT se v tomto režimu používají jen zřídka.
Režim nasycení
U PH jsou obě křižovatky otevřené. Připojením E-B a K-B k vnějším zdrojům v přímém směru bude BT pracovat v režimu PH. Difuzní elektromagnetické pole přechodů E a K je tlumeno elektrickým polem generovaným vnějšími zdroji. To vede ke snížení bariérové kapacity a omezení difuzivity hlavních nosičů náboje. Tím se začnou vstřikovat díry z E a K do B. Tento režim se používá hlavně v analogové technologii, v některých případech však mohou existovat výjimky.
Režim vypnutí
V tomto režimu je BT zcela uzavřen a není schopen vést proud. V BT jsou však přítomny menší toky nezákladních nosičů náboje, které vytvářejí tepelné proudy malých hodnot. Tento režim se používá v různých typech ochrany proti přetížení a zkratu.
Bariérový režim
Báze BT je přes rezistor připojena k obvodu K. V obvodu K nebo E je zařazen rezistor, který nastavuje velikost proudu (I) procházejícího BT. BR se často používá v obvodech, protože umožňuje BT pracovat při libovolné frekvenci a ve větším rozsahu teplot.
Schémata zapojení
Pro správné použití a zapojení PD je třeba znát jejich klasifikaci a typ. Klasifikace bipolárních tranzistorů:
- Výrobní materiál: germanium, křemík a arsenid galia.
- Výrobní vlastnosti.
- Rozptyl energie: Nízký výkon (do 0,25 W), střední výkon (0,25-1,6 W), vysoký výkon (nad 1,6 W).
- Frekvenční omezení: nízká frekvence (do 2,7 MHz), střední frekvence (2,7-32 MHz), vysoká frekvence (32-310 MHz), ultravysoká frekvence (nad 310 MHz).
- Funkční účel.
Funkční určení BT se dělí na následující typy:
- Nízkofrekvenční zesilovače s normalizovaným a nenormalizovaným šumovým číslem (NNNFS).
- Vysokofrekvenční zesilovače s nízkým šumovým poměrem (LNNKNSH).
- Ultravysokofrekvenční zesilovač s NiNNSCh.
- Vysoce výkonný vysokonapěťový zesilovač.
- Generátor vysokých a velmi vysokých frekvencí
- Nízkovýkonové a vysokovýkonové vysokonapěťové spínané zesilovače.
- Pulzní výkon s vysokým výkonem pro provoz s vysokou hodnotou U.
Kromě toho existují typy bipolárních tranzistorů:
- P-n-p.
- N-p-n.
Existují 3 zapojení pro spínání bipolárního tranzistoru, každé má své výhody a nevýhody:
- Obecné B.
- Common E.
- Common K.
Připojení společné základny (CB)
Tento obvod se používá při vysokých frekvencích, což umožňuje optimální využití frekvenční charakteristiky. Připojení jednoho CT v režimu OhB a následně v režimu OB zvýší jeho frekvenční odezvu. Toto schéma připojení se používá v zesilovačích anténního typu. Hladina hluku při vysokých frekvencích je snížena.
Výhody:
- Optimální hodnoty teploty a široký frekvenční rozsah (f).
- Vysoká hodnota Uk.
Nevýhody:
- Nízký zisk I.
- Nízký vstup R.
Připojení otevřeného zářiče (OhE)
Při zapojení do tohoto obvodu dochází k zesílení U a I. Obvod může být napájen z jednoho zdroje. Často se používá ve výkonových zesilovačích (P).
Výhody:
- Vysoký přírůstek I, U, P.
- Jediný napájecí zdroj.
- Invertuje výstupní střídavé U vzhledem ke vstupu.
Jeho podstatnou nevýhodou je nižší teplotní stabilita a horší frekvenční odezva než u O-kroužkového spojení.
Společné sběrné připojení (OC)
Vstupní U se plně přenáší zpět na vstup a Ki je podobné jako u připojení Oh, ale U je nízké.
Tento typ přepínání se používá pro přizpůsobení tranzistorových stupňů nebo pro vstupní zdroj s vysokým výstupním R (kondenzátorový mikrofon nebo zvukový snímač). Výhodou je vysoká vstupní hodnota R a nízká výstupní hodnota R. Nevýhodou je nízké zesílení U.
Hlavní charakteristiky bipolárních tranzistorů
Základní charakteristiky BT:
- I- zisk.
- Vstup a výstup R.
- Obrácené I-ke.
- Čas zapnutí.
- Frekvence přenosu Ib.
- Inverzní Ik.
- Maximální hodnota I.
Aplikace
Bipolární tranzistory se hojně používají ve všech oblastech lidské činnosti. Hlavní použití je v zařízeních pro zesilování, generování elektrických signálů a jako spínací prvek. Používají se v různých výkonových zesilovačích, konvenčních a spínaných zdrojích s možností regulace U a I a ve výpočetní technice.
Kromě toho se často používají k vytváření různých typů ochrany spotřebitele před přetížením, špičkami v U a zkraty. Jsou široce používány v těžebním a metalurgickém průmyslu.
Související články:
