Mikä on bipolaarinen transistori ja mitkä ovat sen virtapiirit?

Puolijohdekomponenttien (SSD) käyttö on yleistä radioelektroniikassa. Tämä on pienentänyt eri laitteiden kokoa. Bipolaarinen transistori on laajalti käytetty, ja tiettyjen ominaisuuksiensa ansiosta sen toiminnallisuus on laajempi kuin yksinkertaisen kenttäefektitransistorin. Jotta ymmärrettäisiin, mihin sitä käytetään ja missä olosuhteissa, on tarkasteltava sen toimintaperiaatetta, liitäntätapoja ja luokitusta.

Suunnittelu ja toiminta

Transistori on elektroninen puolijohde, joka koostuu kolmesta elektrodista, joista yksi on ohjauselektrodi. Bipolaaritransistorit eroavat polaaritransistoreista siinä, että niissä on kahdenlaisia varauksenkuljettajia (negatiivisia ja positiivisia).

Negatiiviset varaukset edustavat elektroneja, jotka vapautuvat kideruudun ulommasta kuoresta. Vapautuneen elektronin tilalle muodostuu positiivinen varaus eli reikiä.

Bipolaaritransistorin (BT) rakenne on melko yksinkertainen sen monipuolisuudesta huolimatta. Se koostuu kolmesta johtajatyyppisestä kerroksesta: emitteri (E), pohja (B) ja keräin (C).

Emitteri (latinaksi "vapauttaa") on eräänlainen puolijohdejohdeliitos, jonka päätehtävänä on siirtää varauksia emäkselle. Kerääjä (lat. collector) vastaanottaa varauksia emitteristä. Pohja on ohjauselektrodi.

Emitteri- ja keräinkerrokset ovat lähes identtiset, mutta ne eroavat toisistaan epäpuhtauksien määrän suhteen, joka on lisätty anturin ominaisuuksien parantamiseksi. Epäpuhtauksien lisäämistä kutsutaan seostamiseksi. Keräinkerroksen (CL) osalta doping on heikosti ilmaistu keräinjännitteen (Uk) nostamiseksi. Emitteripuolijohdekerros on voimakkaasti seostettu, jotta voidaan lisätä läpilyönnin sallittua käänteistä U:ta ja parantaa kantoaineen injektiota pohjakerrokseen (kasvattaa virransiirtokerrointa - Kt). Pohjakerros on seostettu heikosti, jotta vastus (R) olisi suurempi.

Tukikohdan ja emitterin välinen liitos on pinta-alaltaan pienempi kuin K-B. Pinta-alan ero parantaa Kt:n arvoa. Kun piirilevy on toiminnassa, K-B-liitäntä kytketään päälle käänteisellä harhautuksella, jotta saadaan suurin osa lämpömäärästä Q, joka haihtuu ja jäähdyttää kiteen paremmin.

BT:n nopeus riippuu pohjakerroksen paksuudesta. Tämä riippuvuus on arvo, joka vaihtelee kääntäen verrannollisen suhteen mukaisesti. Pienempi paksuus johtaa nopeampaan suorituskykyyn. Tämä riippuvuus liittyy varauksenkuljettajien kulkuaikaan. Samalla Uk kuitenkin vähenee.

Emitterin ja K:n välillä kulkee suuri virta, jota kutsutaan virraksi K (Ik). E:n ja B:n välillä kulkee pieni määrä virtaa - virta B (Ib), jota käytetään ohjaukseen. Kun Ib muuttuu, Ik muuttuu.

Transistorissa on kaksi p-n-liitosta, E-B ja K-B. Kun se on aktiivinen, E-B on kytketty eteenpäin ja K-B on kytketty taaksepäin. Koska E-B-liitos on avoin, negatiiviset varaukset (elektronit) virtaavat B:hen. Tätä seuraa niiden osittainen rekombinaatio reikien kanssa. Suurin osa elektroneista pääsee kuitenkin K-B:hen, koska B:n dopingpitoisuus ja paksuus ovat alhaiset.

BS:ssä elektronit ovat muita kuin emäksisiä varauksenkuljettajia, ja sähkömagneettinen kenttä auttaa niitä selviytymään K-B-siirtymästä. Ib:n kasvaessa E-B-aukko laajenee ja enemmän elektroneja kulkee E:n ja K:n välillä. Tämä johtaa pienen amplitudin signaalin merkittävään vahvistumiseen, koska Ik on suurempi kuin Ib.

Jotta bipolaarisen transistorin fysikaalinen merkitys olisi helpompi ymmärtää, meidän on yhdistettävä se havainnollistavaan esimerkkiin. Meidän on oletettava, että vesipumppu on virtalähde, vesihana on transistori, vesi on Ik ja hanan kahvan kierrosluku on Ib. Jos haluat lisätä päätä, sinun on käännettävä hanaa hieman - suorita ohjaustoiminto. Esimerkistä voidaan päätellä, että PP:n toimintaperiaate on yksinkertainen.

Kun U:n määrä kasvaa merkittävästi K-B-liitoksessa, voi kuitenkin tapahtua shokki-ionisaatio, jonka seurauksena varaus leviää lumivyörynä. Kun tämä prosessi yhdistetään tunneliefektiin, syntyy sähköinen ja ajan myötä lämpöeroosio, joka aiheuttaa piirilevyn rikkoutumisen. Joskus terminen hajoaminen tapahtuu ilman sähköistä hajoamista keräimen ulostulon kautta kulkevan virran huomattavan kasvun seurauksena.

Lisäksi kun U muuttuu K-B:ssä ja E-B:ssä, näiden kerrosten paksuus muuttuu, jos B on ohut, syntyy puristusvaikutus (jota kutsutaan myös B-punktioksi), jossa K-B- ja E-B-liitokset yhdistetään. Tämän ilmiön seurauksena PP lakkaa toimimasta.

Toimintatavat

Bipolaarinen transistori voi toimia neljässä eri tilassa:

1. Aktiivinen.
2. Raja-arvo (PO).
3. Kylläisyys (SS).
4. Este (RB).

BT:n aktiivinen tila voi olla normaali (NAR) ja käänteinen (IAR).

Normaali aktiivinen tila

Tässä tilassa E-B-liitoksessa virtaa U, joka on suora ja jota kutsutaan E-B-jännitteeksi (Ue-B). Tilaa pidetään optimaalisena, ja sitä käytetään useimmissa piireissä. E-liitoksesta johdetaan varauksia perusalueelle, jotka siirtyvät kohti kollektoria. Jälkimmäinen kiihdyttää latauksia, mikä luo tehostusvaikutuksen.

Käänteinen aktiivinen tila

Tässä tilassa K-B-liitos on avoin. BT toimii vastakkaiseen suuntaan, eli K:sta injektoidaan B:n läpi kulkevia reikävarauksen kantajia. Ne kerätään E-siirtymään. BT:n vahvistusominaisuudet ovat heikot ja BT:tä käytetään harvoin tässä moodissa.

Saturaatiotila

PH:ssa molemmat liittymät ovat auki. Kytkemällä E-B ja K-B ulkoisiin lähteisiin eteenpäin BT:n toiminta on PH. Ulkoisten lähteiden tuottama sähkökenttä vaimentaa E- ja K-liitosten diffuusiosähkömagneettista kenttää. Tämä johtaa esteen kapasiteetin pienenemiseen ja tärkeimpien varauksenkuljettajien diffuusiokyvyn rajoittumiseen. Tämä alkaa ruiskuttaa reikiä E:stä ja K:sta B:hen. Tätä tilaa käytetään pääasiassa analogisessa tekniikassa, mutta joissakin tapauksissa voi olla poikkeuksia.

Katkaisutila

Tässä tilassa BT on täysin suljettu eikä pysty johtamaan virtaa. BT:ssä on kuitenkin vähäisiä muiden kuin perusvarauksen kantajien virtoja, jotka aiheuttavat pieniä lämpövirtoja. Tätä tilaa käytetään erilaisissa ylikuormitus- ja oikosulkusuojauksissa.

Esteen tila

BT:n pohja on kytketty vastuksen kautta K:hon. K- tai E-piirissä on vastus, joka määrittää BT:n läpi kulkevan virran määrän (I). BR:tä käytetään usein piireissä, koska sen ansiosta BT voi toimia millä tahansa taajuudella ja laajemmalla lämpötila-alueella.

Kytkentäkaaviot

Jotta voit käyttää ja kytkeä PD:t oikein, sinun on tunnettava niiden luokitus ja tyyppi. Bipolaaritransistorien luokittelu:

1. Valmistusmateriaali: germanium, pii ja arsenidi-gallium.
2. Valmistusominaisuudet.
3. Tehonkulutus: Pieni teho (enintään 0,25 W), keskiteho (0,25-1,6 W), suuri teho (yli 1,6 W).
4. Taajuusraja: matala taajuus (enintään 2,7 MHz), keskitaajuus (2,7-32 MHz), korkea taajuus (32-310 MHz), erittäin korkea taajuus (yli 310 MHz).
5. Toiminnallinen tarkoitus.

BT:t jaetaan toiminnallisesti seuraaviin tyyppeihin:

1. Matalataajuusvahvistimet, joissa on normalisoitu ja normalisoimaton kohinaluku (NNNFS).
2. Suurtaajuusvahvistimet, joissa on alhainen kohinasuhde (LNNKNSH).
3. NiNNSCh:lla varustettu ultrakorkeataajuusvahvistin.
4. Suuritehoinen suurjännitevahvistin.
5. Korkean ja erittäin korkean taajuuden generaattori
6. Pienitehoiset ja suuritehoiset suurjännitekytkentävahvistimet.
7. Pulssitehoinen suuritehoinen korkean U-arvon toimintaan.

Lisäksi on olemassa erilaisia bipolaarisia transistoreja:

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

Bipolaarisen transistorin kytkentään on 3 piiriä, joilla kullakin on omat etunsa ja haittansa:

1. Yleinen B.
2. Yhteinen E.
3. Yhteinen K.

Yhteinen perusliitäntä (CB)

Tätä piiriä käytetään korkeilla taajuuksilla, mikä mahdollistaa taajuusvasteen optimaalisen käytön. Yksittäisen CT:n kytkeminen OhB- ja sitten OB-tilaan parantaa sen taajuusvasteen. Tätä kytkentätapaa käytetään antennityyppisissä vahvistimissa. Korkeiden taajuuksien melutasot ovat alhaisemmat.

Edut:

1. Optimaaliset lämpötila-arvot ja laaja taajuusalue (f).
2. Korkea Uk-arvo.

Haitat:

1. Pieni I-vahvistus.
2. Alhainen tulo R.

Avoimen emitterin (OhE) liitäntä

Kun se kytketään tähän piiriin, tapahtuu U- ja I-vahvistus. Piirille voidaan syöttää virtaa yhdestä lähteestä. Sitä käytetään usein tehovahvistimissa (P).

Edut:

1. Korkea I, U, P-vahvistus.
2. Yksi virtalähde.
3. Se kääntää ulostulon vuorottelevan U:n suhteessa tuloon.

Sillä on merkittävä haittapuoli: alhaisin lämpötilavakaus ja huonompi taajuusvaste kuin O-rengasliitoksella.

Yhteinen kollektoriliitäntä (OC)

Tulo U siirretään kokonaan takaisin tuloon, ja Ki on samanlainen kuin Oh-yhteydessä, mutta U on matala.

Tämäntyyppistä kytkentää käytetään sovittamaan transistoripohjaisia vaiheita tai tulolähteen kanssa, jolla on korkea lähtö R (kondensaattorityyppinen mikrofoni tai äänenpainike). Etuna on korkea tulo-R-arvo ja alhainen lähtö-R-arvo. Haittapuolena on alhainen U-vahvistus.

Bipolaaritransistorien tärkeimmät ominaisuudet

BT:n perusominaisuudet:

1. I-voitto.
2. Tulo ja lähtö R.
3. Käänteinen I-ke.
4. ON-aika.
5. Lähetystaajuus Ib.
6. Käänteinen Ik.
7. Suurin I-arvo.

Sovellukset

Bipolaarisia transistoreja käytetään laajalti kaikilla ihmisen toiminnan aloilla. Pääsovellus on vahvistimissa, sähkösignaalien tuottamisessa ja kytkentäelementtinä. Niitä käytetään erilaisissa tehovahvistimissa, tavanomaisissa ja kytkentätoimisissa teholähteissä, joissa on U- ja I-ohjauskyky, sekä tietokonetekniikassa.

Lisäksi niitä käytetään usein erilaisten kuluttajansuojien rakentamiseen ylikuormitusta, U-piikkejä ja oikosulkuja vastaan. Niitä käytetään laajalti kaivosteollisuudessa ja metallurgisessa teollisuudessa.

Aiheeseen liittyvät artikkelit: