Hvad er en bipolær transistor, og hvad er dens kredsløb?

Brugen af halvlederkomponenter (SSD'er) er udbredt inden for radioelektronik. Dette har reduceret størrelsen på forskellige enheder. Den bipolære transistor er meget udbredt, da den på grund af visse egenskaber har en bredere funktionalitet end den simple felteffekttransistor. For at forstå, hvad den bruges til og under hvilke forhold, er det nødvendigt at se på dens funktionsprincip, tilslutningsmetoder og klassificering.

Struktur og funktionsprincip

Transistoren er en elektronisk halvleder, der består af 3 elektroder, hvoraf den ene er den styrende. Bipolære transistorer adskiller sig fra polære transistorer ved, at de har to typer ladningsbærere (negative og positive).

Negative ladninger repræsenterer elektroner, der frigøres fra krystalgitterets ydre skal. Den positive type ladning, eller huller, dannes i stedet for den frigivne elektron.

Konstruktionen af en bipolær transistor (BT) er ret enkel på trods af dens alsidighed. Den består af 3 lag af ledertypen: en emitter (E), en base (B) og en samler (C).

Emitteren (latin for "frigivelse") er en type halvlederforbindelse, hvis hovedfunktion er at injicere ladninger ind i basen. Kollektoren (latin for "collector") bruges til at modtage ladninger fra emitteren. Basen er kontrolelektroden.

Emitter- og kollektorlagene er næsten identiske, men adskiller sig fra hinanden ved graden af urenheder, der er tilsat for at forbedre sensorens egenskaber. Tilsætning af urenheder kaldes dotering. For kollektorlaget (CL) er doteringen svagt udtrykt for at øge kollektorspændingen (Uk). Emitterhalvlederlaget er stærkt doteret for at øge den omvendte tilladte U-værdi for nedbrydning og for at forbedre injektionen af bærere i bundlaget (øger strømoverførselskoefficienten - Kt). Grundlaget er svagt doteret for at give mere modstand (R).

Forbindelsen mellem basen og emitteren er mindre i areal end K-B. Forskellen i areal er det, der forbedrer Kt. Når et printkort er i drift, er K-B-forbindelsen tændt med en omvendt bias for at give hovedparten af varmemængden Q, som spredes og giver en bedre afkøling af krystallet.

BT's hastighed afhænger af tykkelsen af bundlaget (BS). Denne afhængighed er en værdi, der varierer i et omvendt proportionalt forhold. En mindre tykkelse giver en hurtigere ydeevne. Denne afhængighed er relateret til ladningsbærernes transittid. Men samtidig reduceres Uk.

Der strømmer en høj strøm mellem emitteren og K, kaldet strøm K (Ik). En lille mængde strøm flyder mellem E og B - strøm B (Ib), som bruges til styring. Når Ib ændrer sig, vil der ske en ændring i Ik.

Transistoren har to p-n-forbindelser, E-B og K-B. Når den er aktiv, er E-B forbundet med forward bias og K-B er forbundet med reverse bias. Da E-B-leddet er åbent, strømmer de negative ladninger (elektroner) ind i B. Herefter sker der en delvis rekombination med huller. De fleste af elektronerne når dog K-B på grund af den lave dotering og tykkelse af B.

I BS er elektronerne ikke-base-ladningsbærere, og det elektromagnetiske felt hjælper dem med at overvinde K-B-overgangen. Når Ib øges, udvides E-B-åbningen, og flere elektroner løber mellem E og K. Dette vil resultere i en betydelig forstærkning af signalet med lav amplitude, fordi Ik er større end Ib.

For lettere at forstå den fysiske betydning af en bipolær transistor er vi nødt til at forbinde den med et illustrativt eksempel. Vi må antage, at vandpumpen er strømkilden, vandhanen er transistoren, vandet er Ik og drejegraden af vandhanens håndtag er Ib. For at øge hovedet skal du dreje en smule på hanen - udføre en kontrolhandling. Af eksemplet kan det konkluderes, at princippet for PP's funktion er enkelt.

Ved en betydelig forøgelse af U ved K-B-overgangen kan der imidlertid ske en chokionisering, som medfører en lavineudbredelse af ladningen. Denne proces, kombineret med en tunneleffekt, giver et elektrisk og med stigende tid et termisk sammenbrud, som får PCB'et til at gå i stykker. Nogle gange sker den termiske nedbrydning uden den elektriske nedbrydning som følge af en betydelig stigning i strømmen gennem solfangerudtaget.

Når U ændres ved K-B og E-B, ændres tykkelsen af disse lag desuden, og hvis B er tynd, opstår der en klemmeeffekt (også kaldet B-punktur), hvor K-B- og E-B-knudepunkterne er forbundet. Som følge af dette fænomen ophører PP med at udføre sin funktion.

Driftstilstande

En bipolær transistor kan fungere i 4 tilstande:

1. Aktiv.
2. Cutoff (PO).
3. Mætning (SS).
4. Barriere (RB).

BT's aktive tilstand kan være normal (NAR) og omvendt (IAR).

Normal aktiv tilstand

I denne tilstand strømmer U, som er direkte og kaldes E-B-spænding (Ue-B), ved E-B-forbindelsen. Denne tilstand betragtes som optimal og anvendes i de fleste kredsløb. E-sammenfaldet injicerer ladninger i basisområdet, som bevæger sig mod kollektoren. Sidstnævnte fremskynder ladningerne og skaber en boost-effekt.

Invers aktiv tilstand

I denne tilstand er K-B-forbindelsen åben. BT fungerer i den modsatte retning, dvs. fra K injiceres de hulladningsbærere, der passerer gennem B. De opsamles af E-overgangen. BT's forstærkningsegenskaber er svage, og BT'er anvendes sjældent i denne tilstand.

Mætningstilstand

I PH er begge knudepunkter åbne. Ved at forbinde E-B og K-B til eksterne kilder i fremadgående retning vil BT fungere i PH. Det elektromagnetiske diffusionsfelt i E og K-forbindelserne dæmpes af det elektriske felt, der genereres af eksterne kilder. Dette vil resultere i en reduktion af barrierekapaciteten og begrænse diffusiviteten af de vigtigste ladningsbærere. Dette vil begynde at injicere huller fra E og K til B. Denne tilstand anvendes hovedsagelig i analog teknologi, men der kan dog være undtagelser i nogle tilfælde.

Cutoff-tilstand

I denne tilstand er BT helt lukket og kan ikke lede strøm. Der er dog mindre strømme af ikke-basisladningsbærere til stede i BT, hvilket skaber termiske strømme med små værdier. Denne tilstand anvendes i forskellige typer overbelastnings- og kortslutningsbeskyttelse.

Barrieretilstand

BT's base er forbundet via en modstand til K. Der indgår en modstand i K- eller E-kredsløbet, som bestemmer strømstyrken (I) gennem BT'en. BR anvendes ofte i kredsløb, da den gør det muligt for BT at fungere ved enhver frekvens og over et større temperaturområde.

Ledningsdiagrammer

For korrekt anvendelse og ledningsføring af PD'er skal du kende deres klassifikation og type. Klassifikation af bipolære transistorer:

1. Fremstillingsmateriale: germanium, silicium og arsenidgallium.
2. Funktioner til fremstilling.
3. Strømafgivelse: Lav effekt (op til 0,25 W), middelstor effekt (0,25-1,6 W), høj effekt (over 1,6 W).
4. Frekvensgrænse: Lav frekvens (op til 2,7 MHz), mellemfrekvens (2,7-32 MHz), høj frekvens (32-310 MHz), ultrahøj frekvens (over 310 MHz).
5. Funktionelt formål.

BT'ernes funktionelle formål er opdelt i følgende typer:

1. Lavfrekvensforstærkere med normaliseret og ikke-normaliseret støjtal (NNNFS).
2. Højfrekvensforstærkere med lavt støjforhold (LNNKNSH).
3. Ultrahøjfrekvensforstærker med NiNNSCh.
4. Høj effekt højspændingsforstærker.
5. Generator med høj og ultrahøj frekvens
6. Skifteforstærkere med lav effekt og høj effekt og højspænding.
7. Impulseffekt med høj effekt til drift med høj U-værdi.

Derudover er der typer af bipolære transistorer:

1. P-n-p.
2. N-p-n.

Der findes 3 kredsløb til at skifte bipolær transistor, hver med sine egne fordele og ulemper:

1. Generelt B.
2. Fælles E.
3. Fælles K.

Tilslutning til fælles base (CB)

Dette kredsløb anvendes ved høje frekvenser, hvilket giver mulighed for optimal udnyttelse af frekvensgangen. Tilslutning af en enkelt CT i OhB- og derefter i OB-tilstand vil øge dens frekvensrespons. Denne forbindelsesordning anvendes i forstærkere af antennetypen. Støjniveauet ved høje frekvenser er reduceret.

Fordele:

1. Optimale temperaturværdier og bredt frekvensområde (f).
2. Høj Uk-værdi.

Ulemper:

1. Lav I gain.
2. Lavt input R.

Åben emitter (OhE) forbindelse

Når de er forbundet i dette kredsløb, sker der en U- og I-forstærkning. Kredsløbet kan forsynes med strøm fra en enkelt kilde. Den anvendes ofte i effektforstærkere (P).

Fordele:

1. Høj I-, U- og P-forøgelse.
2. Enkelt strømforsyning.
3. Den inverterer den vekslende U-udgang i forhold til indgangen.

Den har en væsentlig ulempe: Den har den laveste temperaturstabilitet og en dårligere frekvensrespons end O-ringforbindelsen.

Fælles opsamlerforbindelse (OC)

Indgang U transmitteres fuldt ud tilbage til indgangen, og Ki svarer til Ki til Oh-forbindelsen, men U er lav.

Denne type switching bruges til at matche transistorbaserede trin eller med en indgangskilde, der har en høj udgang R (kondensatormikrofon eller lydoptager). Fordelene er en høj R-værdi ved indgang og en lav R-værdi ved udgang. Ulempen er den lave U-forstærkning.

Vigtigste egenskaber ved bipolære transistorer

Grundlæggende karakteristika for BT'er:

1. I- gevinst.
2. Ind- og udgang R.
3. Omvendt I-ke.
4. Tændt tid.
5. Overførselshyppighed Ib.
6. Omvendt Ik.
7. Maksimal I-værdi.

Anvendelser

Bipolære transistorer anvendes i vid udstrækning inden for alle områder af menneskelig aktivitet. Den vigtigste anvendelse er i enheder til forstærkning, generering af elektriske signaler og som et koblingselement. De anvendes i forskellige effektforstærkere, konventionelle og switched-mode strømforsyninger med U- og I-regulerbarhed og i computerteknologi.

Desuden bruges de ofte til at opbygge forskellige former for forbrugerbeskyttelse mod overbelastning, spidser i U og kortslutninger. De anvendes i vid udstrækning i minedrift, metallurgiske industrier.

Relaterede artikler: