Was ist ein bipolarer Transistor und welche Schaltungen gibt es?

Die Verwendung von Halbleiterbauelementen (SSDs) ist in der Funkelektronik weit verbreitet. Dadurch wurde die Größe verschiedener Geräte verringert. Der Bipolartransistor ist weit verbreitet, da er aufgrund bestimmter Merkmale einen größeren Funktionsumfang hat als der einfache Feldeffekttransistor. Um zu verstehen, wozu und unter welchen Bedingungen sie eingesetzt werden, muss man sich mit ihrem Funktionsprinzip, ihren Anschlussmethoden und ihrer Klassifizierung befassen.

Aufbau und Betrieb

Der Transistor ist ein elektronischer Halbleiter, der aus drei Elektroden besteht, von denen eine die Steuerelektrode ist. Bipolare Transistoren unterscheiden sich von polaren Transistoren dadurch, dass sie zwei Arten von Ladungsträgern haben (negative und positive).

Negative Ladungen sind Elektronen, die aus der äußeren Schale des Kristallgitters freigesetzt werden. Anstelle des freigesetzten Elektrons entstehen positive Ladungen, so genannte Löcher.

Der Aufbau eines Bipolartransistors (BT) ist trotz seiner Vielseitigkeit recht einfach. Es besteht aus 3 Schichten vom Typ Leiter: einem Emitter (E), einer Basis (B) und einem Kollektor (C).

Der Emitter (lateinisch für "auslösen") ist eine Art Halbleiterübergang, dessen Hauptfunktion darin besteht, Ladungen in die Basis zu injizieren. Der Kollektor (lateinisch für "Sammler") dient dazu, Ladungen vom Emitter aufzunehmen. Die Basis ist die Steuerelektrode.

Die Emitter- und Kollektorschichten sind fast identisch, unterscheiden sich aber durch den Grad der Verunreinigungen, die zur Verbesserung der Sensoreigenschaften hinzugefügt wurden. Die Zugabe von Verunreinigungen wird als Dotierung bezeichnet. Bei der Kollektorschicht (CL) ist die Dotierung nur schwach ausgeprägt, um die Kollektorspannung (Uk) zu erhöhen. Die Emitter-Halbleiterschicht ist stark dotiert, um den rückwärtsgerichteten zulässigen Durchbruch U zu erhöhen und die Ladungsträgerinjektion in die Basisschicht zu verbessern (erhöht den Stromübertragungskoeffizienten - Kt). Die Basisschicht ist leicht dotiert, um den Widerstand (R) zu erhöhen.

Der Übergang zwischen der Basis und dem Emitter ist flächenmäßig kleiner als der K-B. Der Unterschied in der Fläche verbessert den Kt. Wenn eine Leiterplatte in Betrieb ist, wird der K-B-Übergang mit einer Sperrvorspannung eingeschaltet, um den größten Teil der Wärmemenge Q abzugeben, die abgeleitet wird und für eine bessere Kühlung des Kristalls sorgt.

Die Reaktionsfähigkeit des BT hängt von der Dicke der Basisschicht (BS) ab. Diese Abhängigkeit ist ein Wert, der in einem umgekehrt proportionalen Verhältnis schwankt. Eine geringere Dicke führt zu einer schnelleren Leistung. Diese Abhängigkeit hängt mit der Transitzeit der Ladungsträger zusammen. Gleichzeitig wird aber auch Uk reduziert.

Zwischen dem Emitter und K fließt ein hoher Strom, der als Strom K (Ik) bezeichnet wird. Zwischen E und B fließt eine kleine Strommenge - der Strom B (Ib), der zur Steuerung verwendet wird. Wenn sich Ib ändert, wird sich auch Ik ändern.

Der Transistor hat zwei p-n-Übergänge, E-B und K-B. Im aktiven Zustand ist E-B in Durchlassrichtung und K-B in Sperrrichtung geschaltet. Da der E-B-Übergang offen ist, fließen die negativen Ladungen (Elektronen) nach B. Danach erfolgt ihre teilweise Rekombination mit Löchern. Aufgrund der geringen Dotierung und Dicke von B erreichen die meisten Elektronen jedoch K-B.

In BS sind die Elektronen Nicht-Basisladungsträger und das elektromagnetische Feld hilft ihnen, den K-B-Übergang zu überwinden. Wenn Ib zunimmt, weitet sich die E-B-Öffnung und mehr Elektronen laufen zwischen E und K. Dies führt zu einer erheblichen Verstärkung des Signals mit geringer Amplitude, da Ik größer als Ib ist.

Um die physikalische Bedeutung eines Bipolartransistors besser verstehen zu können, müssen wir ihn mit einem anschaulichen Beispiel in Verbindung bringen. Wir müssen davon ausgehen, dass die Wasserpumpe die Stromquelle, der Wasserhahn der Transistor, das Wasser Ik und der Drehwinkel des Wasserhahngriffs Ib ist. Um die Förderhöhe zu erhöhen, müssen Sie den Wasserhahn ein wenig drehen - eine Steueraktion durchführen. Aus dem Beispiel lässt sich schließen, dass das Funktionsprinzip von PP einfach ist.

Bei einem erheblichen Anstieg von U am K-B-Übergang kann es jedoch zu einer Stoßionisation kommen, die eine lawinenartige Ausbreitung der Ladung zur Folge hat. Dieser Prozess führt in Verbindung mit einem Tunneleffekt zu einem elektrischen und mit zunehmender Zeit auch zu einem thermischen Durchschlag, der die Leiterplatte zum Versagen bringt. Manchmal tritt der thermische Durchbruch ohne den elektrischen Durchbruch auf, weil der Strom durch den Kollektorausgang stark ansteigt.

Außerdem ändert sich die Dicke dieser Schichten, wenn sich U an K-B und E-B ändert. Wenn B dünn ist, kommt es zu einem Klemmeffekt (auch B-Punkt genannt), bei dem die K-B- und E-B-Übergänge miteinander verbunden sind. Infolge dieses Phänomens kann die PP ihre Funktion nicht mehr erfüllen.

Betriebsarten

Ein bipolarer Transistor kann in 4 Betriebsarten arbeiten:

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

Der aktive Modus von BTs kann normal (NAR) und invers (IAR) sein.

Normaler aktiver Modus

In dieser Betriebsart fließt am E-B-Übergang die Gleichspannung U, die als E-B-Spannung (Ue-B) bezeichnet wird. Dieser Modus gilt als optimal und wird in den meisten Schaltungen verwendet. Der E-Übergang injiziert Ladungen in den Basisbereich, die sich zum Kollektor hin bewegen. Letzteres beschleunigt die Ladungen und erzeugt einen Boost-Effekt.

Inverser aktiver Modus

In diesem Modus ist der K-B-Übergang offen. Der BT arbeitet in umgekehrter Richtung, d. h. von K aus werden die durch B hindurchgehenden Lochladungsträger injiziert, die vom E-Übergang aufgefangen werden. Die Verstärkungseigenschaften des BT sind schwach und BTs werden in diesem Modus nur selten verwendet.

Sättigungsmodus

Bei PH sind beide Kreuzungen offen. Durch Anschluss von E-B und K-B an externe Quellen in Vorwärtsrichtung wird der BT in PH betrieben. Das elektromagnetische Diffusionsfeld der E- und K-Übergänge wird durch das von externen Quellen erzeugte elektrische Feld abgeschwächt. Dies führt zu einer Verringerung der Barrierenkapazität und begrenzt die Diffusionsfähigkeit der Hauptladungsträger. Damit wird begonnen, Löcher von E und K in B zu injizieren. Dieser Modus wird hauptsächlich in der Analogtechnik verwendet, es kann jedoch in einigen Fällen Ausnahmen geben.

Abschaltmodus

In diesem Modus ist der BT vollständig geschlossen und nicht in der Lage, Strom zu leiten. Allerdings sind im BT geringe Ströme von Nicht-Basisladungsträgern vorhanden, die thermische Ströme mit kleinen Werten erzeugen. Dieser Modus wird bei verschiedenen Arten des Überlast- und Kurzschlussschutzes verwendet.

Barriere-Modus

Die Basis des BT ist über einen Widerstand mit dem K verbunden. In der K- oder E-Schaltung ist ein Widerstand enthalten, der die Stromstärke (I) durch den BT einstellt. Der BR wird häufig in Schaltkreisen verwendet, da er den Betrieb des BT bei jeder Frequenz und in einem größeren Temperaturbereich ermöglicht.

Stromlaufpläne

Für die korrekte Anwendung und Verdrahtung von PDs müssen Sie deren Klassifizierung und Typ kennen. Klassifizierung von Bipolartransistoren:

1. Herstellungsmaterial: Germanium, Silizium und Galliumarsenid.
2. Merkmale der Herstellung.
3. Verlustleistung: Geringe Leistung (bis zu 0,25 W), mittlere Leistung (0,25-1,6 W), hohe Leistung (über 1,6 W).
4. Frequenzgrenze: Niederfrequenz (bis 2,7 MHz), Mittelfrequenz (2,7-32 MHz), Hochfrequenz (32-310 MHz), Ultrahochfrequenz (über 310 MHz).
5. Funktioneller Zweck.

Der funktionale Zweck von BTs wird in die folgenden Typen unterteilt:

1. Niederfrequenzverstärker mit normalisiertem und nicht-normalisiertem Rauschmaß (NNNFS).
2. Hochfrequenzverstärker mit niedrigem Rauschabstand (LNNKNSH).
3. Ultrahochfrequenzverstärker mit NiNNSCh.
4. Leistungsstarker Hochspannungsverstärker.
5. Hoch- und Ultrahochfrequenzgenerator
6. Hochspannungsschaltverstärker mit niedriger und hoher Leistung.
7. Gepulste Leistung mit hoher Leistung für hohe U-Werte.

Darüber hinaus gibt es verschiedene Arten von bipolaren Transistoren:

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

Es gibt 3 Schaltungen für bipolare Transistoren, jede mit ihren eigenen Vor- und Nachteilen:

1. Allgemeines B.
2. Gemeinsame E.
3. Gemeinsame K.

Gemeinsame Basis (CB) Verbindung

Diese Schaltung wird bei hohen Frequenzen eingesetzt und ermöglicht eine optimale Ausnutzung des Frequenzgangs. Der Anschluss eines einzelnen Stromwandlers im OhB- und dann im OB-Modus erhöht seinen Frequenzgang. Dieses Anschlussschema wird bei Antennenverstärkern verwendet. Der Lärmpegel bei hohen Frequenzen wird reduziert.

Vorteile:

1. Optimale Temperaturwerte und großer Frequenzbereich (f).
2. Hoher Uk-Wert.

Nachteilig:

1. Geringe I-Verstärkung.
2. Niedriger Eingang R.

Offener Emitter (OhE) Anschluss

In dieser Schaltung kommt es zur U- und I-Verstärkung. Der Stromkreis kann aus einer einzigen Quelle gespeist werden. Er wird häufig in Leistungsverstärkern (P) verwendet.

Vorteile:

1. Hohe I-, U-, P-Verstärkung.
2. Einzelne Stromversorgung.
3. Er invertiert den Ausgang alternierend U gegenüber dem Eingang.

Sie hat einen entscheidenden Nachteil: Geringere Temperaturstabilität und schlechterer Frequenzgang als die O-Ring-Verbindung.

Gemeinsamer Kollektoranschluss (OC)

Der Eingang U wird vollständig an den Eingang zurückgegeben, und der Ki ist ähnlich wie bei der Oh-Verbindung, aber der U ist niedrig.

Diese Art der Umschaltung wird zur Anpassung an Transistorstufen oder an eine Eingangsquelle mit hohem Ausgangs-R (Kondensatormikrofon oder Tonabnehmer) verwendet. Die Vorteile sind ein hoher Eingangs-R-Wert und ein niedriger Ausgangs-R-Wert. Der Nachteil ist die geringe U-Verstärkung.

Hauptmerkmale von Bipolartransistoren

Grundlegende Merkmale von BTs:

1. I- Gewinn.
2. Eingang und Ausgang R.
3. Umgekehrtes I-ke.
4. ON-Zeit.
5. Häufigkeit der Übermittlung Ib.
6. Umgekehrt Ik.
7. Maximaler I-Wert.

Anwendungen

Bipolartransistoren sind in allen Bereichen der menschlichen Tätigkeit weit verbreitet. Die Hauptanwendung ist in Geräten zur Verstärkung, Erzeugung elektrischer Signale und als Schaltelement. Sie werden in verschiedenen Leistungsverstärkern, konventionellen und getakteten Stromversorgungen mit U- und I-Steuerbarkeit und in der Computertechnik eingesetzt.

Außerdem werden sie häufig zum Bau verschiedener Arten von Verbraucherschutzvorrichtungen gegen Überlastungen, U-Spitzen und Kurzschlüsse verwendet. Sie sind im Bergbau und in der metallurgischen Industrie weit verbreitet.

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