Mi az a bipoláris tranzisztor és milyen áramkörökkel rendelkezik?

A félvezető eszközök (SSD-k) használata széles körben elterjedt a rádióelektronikában. Ez csökkentette a különböző eszközök méretét. A bipoláris tranzisztort széles körben használják, bizonyos tulajdonságainak köszönhetően szélesebb körű funkcionalitással rendelkezik, mint az egyszerű térhatású tranzisztor. Ahhoz, hogy megértsük, mire és milyen körülmények között használják, meg kell vizsgálni a működési elvét, a csatlakozási módszereket és az osztályozást.

Tervezés és működés

A tranzisztor egy elektronikus félvezető, amely 3 elektródából áll, amelyek közül az egyik a vezérlő elektróda. A bipoláris tranzisztorok abban különböznek a poláris tranzisztoroktól, hogy kétféle töltéshordozóval rendelkeznek (negatív és pozitív).

A negatív töltések a kristályrács külső héjából felszabaduló elektronokat jelentik. A pozitív típusú töltés, vagyis lyukak keletkeznek a felszabadult elektron helyén.

A bipoláris tranzisztor (BT) felépítése sokoldalúsága ellenére meglehetősen egyszerű. 3 vezető típusú rétegből áll: egy emitter (E), egy bázis (B) és egy kollektor (C).

Az emitter (latinul "kibocsátó") egyfajta félvezető átmenet, amelynek fő funkciója, hogy töltést juttasson az alapba. A kollektor (latinul "gyűjtő") az emittertől származó töltések fogadására szolgál. Az alap a vezérlő elektróda.

Az emitter- és a kollektorréteg majdnem azonos, de az érzékelő jellemzőinek javítása érdekében hozzáadott szennyeződések mértékében különböznek. A szennyeződések hozzáadását doppingolásnak nevezzük. A kollektorréteg (CL) esetében az adalékolás gyengén kifejezve növeli a kollektorfeszültséget (Uk). Az emitter félvezető réteget erősen adalékolták, hogy növeljék a fordított megengedhető U átbomlási értéket és javítsák a hordozóinjekciót az alaprétegbe (növelik az áramátviteli együtthatót - Kt). Az alapréteget gyengén adalékolják, hogy nagyobb ellenállást (R) biztosítsanak.

A bázis és az emitter közötti átmenet kisebb felületű, mint a K-B. A területbeli különbség az, ami javítja a Kt. A NYÁK működés közben a K-B átmenetet fordított előfeszítéssel kapcsolják be, hogy a hőmennyiség nagy részét Q adja, amely elvezetésre kerül, és a kristály jobb hűtését biztosítja.

A BT érzékenysége az alapréteg (BS) vastagságától függ. Ez a függőség egy olyan érték, amely fordítottan arányos összefüggés szerint változik. A kisebb vastagság gyorsabb teljesítményt eredményez. Ez a függés a töltéshordozók átfutási idejével függ össze. Ugyanakkor azonban az Uk csökken.

Az emitter és K között nagy áram folyik, amelyet K áramnak (Ik) nevezünk. E és B között kis mennyiségű áram folyik - a B áram (Ib), amelyet a vezérlésre használnak. Amikor Ib megváltozik, Ik is megváltozik.

A tranzisztornak két p-n átmenete van, az E-B és a K-B. Amikor aktív, az E-B előreirányú előfeszítéssel, a K-B pedig hátrameneti előfeszítéssel van összekötve. Mivel az E-B átmenet nyitott, a negatív töltések (elektronok) B-be áramlanak. Ezt követi a lyukakkal való részleges rekombinációjuk. Az elektronok nagy része azonban a K-B-t éri el a B kis adalékolása és vastagsága miatt.

A BS-ben az elektronok nem bázistöltés-hordozók, és az elektromágneses tér segít nekik a K-B átmenet leküzdésében. Az Ib növekedésével az E-B-nyílás szélesedik, és több elektron fut E és K között. Ez az alacsony amplitúdójú jel jelentős erősítését eredményezi, mivel Ik nagyobb, mint Ib.

Ahhoz, hogy könnyebben megértsük a bipoláris tranzisztor fizikai jelentését, egy szemléletes példával kell társítanunk. Feltételezzük, hogy a vízszivattyú az áramforrás, a vízcsap a tranzisztor, a víz Ik, a csapkar elfordításának mértéke pedig Ib. A fej növeléséhez egy kicsit el kell fordítania a csapot - végezze el a vezérlési műveletet. A példából megállapítható, hogy a PP működési elve egyszerű.

A K-B átmenetnél azonban az U jelentős növekedése esetén lökésionizáció következhet be, amelynek következménye a töltés lavinaszerű terjedése. Ez a folyamat alagúthatással kombinálva elektromos, majd az idő előrehaladtával termikus meghibásodást okoz, ami a NYÁK meghibásodását okozza. Előfordul, hogy a kollektor kimeneti nyílásán átfolyó áram jelentős növekedése következtében hőhiba következik be elektromos hiba nélkül.

Ezenkívül, amikor az U változik a K-B és az E-B-nél, e rétegek vastagsága is megváltozik, ha B vékony, akkor szorító hatás lép fel (más néven B-punkció), amelyben a K-B és az E-B csomópontok összekapcsolódnak. E jelenség következtében a PP megszűnik ellátni a funkcióját.

Működési módok

A bipoláris típusú tranzisztor 4 üzemmódban működhet:

1. Aktív.
2. Határérték (PO).
3. Telítettség (SS).
4. Akadály (RB).

A BT-k aktív üzemmódja lehet normál (NAR) és inverz (IAR).

Normál aktív üzemmód

Ebben az üzemmódban az E-B-csatlakozáson egyenes U, az úgynevezett E-B-feszültség (Ue-B) folyik. Ez az üzemmód optimálisnak tekinthető, és a legtöbb áramkörben használják. Az E átmenet töltéseket injektál a bázistérségbe, amelyek a kollektor felé mozognak. Ez utóbbi felgyorsítja a töltéseket, és ezzel lökéshatást vált ki.

Inverz aktív üzemmód

Ebben az üzemmódban a K-B átmenet nyitott. A BT ellenkező irányban működik, azaz K-ból a B-n áthaladó lyuk töltéshordozókat injektálják. Ezeket az E átmenet gyűjti össze. A BT erősítési tulajdonságai gyengék, ezért a BT-ket ritkán használják ebben az üzemmódban.

Telítési mód

A PH-ban mindkét csomópont nyitott. Az E-B és K-B külső forrásokhoz való csatlakoztatásával a BT PH-ban fog működni. Az E és K csomópontok diffúziós elektromágneses terét a külső források által keltett elektromos tér csillapítja. Ez a gátkapacitás csökkenését és a fő töltéshordozók diffúziós képességének korlátozását eredményezi. Ez elkezdi az E és K lyukakat B-be injektálni. Ezt az üzemmódot főleg az analóg technológiában használják, azonban egyes esetekben lehetnek kivételek.

Kikapcsolási mód

Ebben az üzemmódban a BT teljesen zárva van, és nem képes áramot vezetni. A BT-ben azonban nem alapvető töltéshordozók kisebb áramai vannak jelen, amelyek kis értékű termikus áramokat hoznak létre. Ezt az üzemmódot különböző típusú túlterhelés- és rövidzárlat-védelemben használják.

Akadály üzemmód

A BT bázisa egy ellenálláson keresztül a K-hoz van csatlakoztatva. A K vagy E áramkörben egy ellenállás van, amely a BT-n átfolyó áram (I) mennyiségét állítja be. A BR-t gyakran használják áramkörökben, mivel lehetővé teszi, hogy a BT bármilyen frekvencián és nagyobb hőmérséklet-tartományban működjön.

Kapcsolási rajzok

A PD-k helyes alkalmazásához és bekötéséhez ismernie kell azok osztályozását és típusát. A bipoláris tranzisztorok osztályozása:

1. Gyártási anyag: germánium, szilícium és arzenid gallium.
2. Gyártási jellemzők.
3. Vezetési teljesítmény: alacsony teljesítmény (0,25 W-ig), közepes teljesítmény (0,25-1,6 W), nagy teljesítmény (1,6 W felett).
4. Frekvenciahatár: alacsony frekvencia (2,7 MHz-ig), közepes frekvencia (2,7-32 MHz), magas frekvencia (32-310 MHz), ultramagas frekvencia (310 MHz felett).
5. Funkcionális cél.

A BT-k funkcionális célja a következő típusokra osztható:

1. Alacsony frekvenciájú erősítők normalizált és nem normalizált zajszámmal (NNNFS).
2. Nagyfrekvenciás erősítő alacsony zajszűrési aránnyal (LNNKNSH).
3. Ultranagyfrekvenciás erősítő NiNNSCh-val.
4. Nagy teljesítményű nagyfeszültségű erősítő.
5. Nagy- és ultranagyfrekvenciás generátor
6. Kis teljesítményű és nagy teljesítményű nagyfeszültségű kapcsolóerősítők.
7. Impulzusos teljesítményű nagy teljesítményű, magas U-értékű működéshez.

Ezenkívül vannak bipoláris tranzisztorok típusai:

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

A bipoláris tranzisztor kapcsolására 3 áramkör létezik, mindegyiknek megvannak a maga előnyei és hátrányai:

1. Általános B.
2. Közös E.
3. Közös K.

Közös alap (CB) csatlakozás

Ezt az áramkört magas frekvenciákon használják, lehetővé téve a frekvenciaválasz optimális kihasználását. Egyetlen CT OhB, majd OB üzemmódban történő csatlakoztatása növeli a frekvenciaválaszát. Ezt a kapcsolási sémát az antenna típusú erősítőkben használják. A magas frekvenciák zajszintje csökken.

Előnyök:

1. Optimális hőmérsékleti értékek és széles frekvenciatartomány (f).
2. Magas Uk-érték.

Hátrányok:

1. Alacsony I nyereség.
2. Alacsony bemeneti R.

Nyitott emitter (OhE) csatlakozás

Ebben az áramkörben csatlakoztatva az U és I erősítés történik. Az áramkör egyetlen forrásból táplálható. Gyakran használják a teljesítményerősítőkben (P).

Előnyök:

1. Magas I, U, P nyereség.
2. Egyetlen tápegység.
3. Megfordítja a kimeneti váltakozó U-t a bemenethez képest.

Jelentős hátránya van: Alacsonyabb hőmérséklet-stabilitás és rosszabb frekvenciaválasz, mint az O-gyűrűs csatlakozásnál.

Közös gyűjtőcsatlakozás (OC)

A bemeneti U teljes mértékben visszakerül a bemenetre, és a Ki hasonló az Oh-kapcsolathoz, de az U alacsony.

Ezt a fajta kapcsolást a tranzisztor-alapú fokozatokhoz vagy olyan bemeneti forráshoz használják, amely nagy R kimeneti értékkel rendelkezik (kondenzátor típusú mikrofon vagy hangszedő). Előnye a magas bemeneti R-érték és az alacsony kimeneti R-érték. Hátránya az alacsony U-erősítés.

A bipoláris tranzisztorok fő jellemzői

A BT-k alapvető jellemzői:

1. I-nyereség.
2. Bemeneti és kimeneti R.
3. Fordított I-ke.
4. Bekapcsolási idő.
5. Az adás gyakorisága Ib.
6. Inverz Ik.
7. Maximális I-érték.

Alkalmazások

A bipoláris tranzisztorokat széles körben használják az emberi tevékenység minden területén. Fő alkalmazási területe az erősítésre, elektromos jelek előállítására és kapcsolóelemként való felhasználás. Ezeket különböző teljesítményerősítőkben, hagyományos és kapcsolóüzemű, U és I szabályozhatóságú tápegységekben, valamint a számítástechnikában használják.

Ezenkívül gyakran használják őket különböző típusú fogyasztóvédelmi rendszerek kiépítésére a túlterhelések, U tüskék és rövidzárlatok ellen. Széles körben használják a bányászatban, a kohászati iparban.

Kapcsolódó cikkek: