Cos'è un transistor bipolare e quali sono i suoi circuiti

L'uso di dispositivi a semiconduttore (SSD) è molto diffuso nell'elettronica radio. Questo ha ridotto le dimensioni dei vari dispositivi. Il transistor bipolare è ampiamente utilizzato, grazie a certe caratteristiche ha una funzionalità più ampia del semplice transistor a effetto campo. Per capire a cosa serve e in quali condizioni, è necessario considerare il suo principio di funzionamento, i metodi di collegamento e la classificazione.

Progettazione e funzionamento

Il transistor è un semiconduttore elettronico che consiste in 3 elettrodi, uno dei quali è quello di controllo. Il transistor bipolare differisce dal transistor polare in quanto ha due tipi di portatori di carica (negativi e positivi).

Le cariche negative rappresentano gli elettroni che vengono rilasciati dal guscio esterno del reticolo cristallino. Al posto dell'elettrone rilasciato si formano cariche di tipo positivo, o buchi.

La costruzione di un transistor bipolare (BT) è abbastanza semplice, nonostante la sua versatilità. Consiste di 3 strati di tipo conduttore: un emettitore (E), una base (B) e un collettore (C).

L'emettitore (latino per "rilascio") è un tipo di giunzione a semiconduttore la cui funzione principale è quella di iniettare cariche nella base. Il collettore (latino per 'collettore') è usato per ricevere le cariche dall'emettitore. La base è l'elettrodo di controllo.

Gli strati emettitore e collettore sono quasi identici, ma differiscono per il grado di impurità aggiunto per migliorare le caratteristiche del sensore. L'aggiunta di impurità si chiama doping. Per lo strato collettore (CL) il drogaggio è debolmente espresso per aumentare la tensione del collettore (Uk). Lo strato semiconduttore emettitore è pesantemente drogato per aumentare la U inversa ammissibile di ripartizione e per migliorare l'iniezione dei portatori nello strato di base (aumenta il coefficiente di trasferimento della corrente - Kt). Lo strato di base è leggermente drogato per fornire più resistenza (R).

La giunzione tra la base e l'emettitore ha un'area più piccola del K-B. La differenza di area è ciò che migliora il Kt. Quando un PCB è in funzione, la giunzione K-B è accesa con una polarizzazione inversa per dare la maggior parte della quantità di calore Q, che viene dissipato e fornisce un migliore raffreddamento del cristallo.

La velocità del BT dipende dallo spessore dello strato di base (BS). Questa dipendenza è un valore che varia secondo una relazione inversamente proporzionale. Uno spessore minore si traduce in una performance più veloce. Questa dipendenza è legata al tempo di transito dei portatori di carica. Tuttavia, allo stesso tempo, Uk è ridotto.

Una corrente elevata scorre tra l'emettitore e K, chiamata corrente K (Ik). Una piccola quantità di corrente scorre tra E e B - la corrente B (Ib), che viene utilizzata per il controllo. Quando Ib cambia, ci sarà un cambiamento in Ik.

Il transistor ha due giunzioni p-n, E-B e K-B. Quando è attivo, E-B è collegato con polarizzazione in avanti e K-B è collegato con polarizzazione inversa. Poiché la giunzione E-B è aperta, le cariche negative (elettroni) fluiscono in B. Questo è seguito dalla loro ricombinazione parziale con i buchi. Tuttavia, la maggior parte degli elettroni raggiunge K-B a causa del basso drogaggio e dello spessore di B.

In BS, gli elettroni sono portatori di carica non basica e il campo elettromagnetico li aiuta a superare la transizione K-B. All'aumentare di Ib, l'apertura E-B si allarga e più elettroni corrono tra E e K. Questo risulterà in una significativa amplificazione del segnale di bassa ampiezza perché Ik è maggiore di Ib.

Per capire più facilmente il significato fisico di un transistor bipolare, dobbiamo associarlo a un esempio illustrativo. Dobbiamo assumere che la pompa dell'acqua sia la fonte di alimentazione, il rubinetto dell'acqua sia il transistor, l'acqua sia Ik e il grado di rotazione della maniglia del rubinetto sia Ib. Per aumentare la testa bisogna girare un po' il rubinetto - eseguire un'azione di controllo. Dall'esempio si può concludere che il principio di funzionamento del PP è semplice.

Tuttavia, con un aumento significativo di U alla giunzione K-B può verificarsi una ionizzazione d'urto, la cui conseguenza è una propagazione a valanga della carica. Questo processo, quando è combinato con un effetto tunnel, produce un guasto elettrico e, con l'aumentare del tempo, un guasto termico che causa la rottura del PCB. A volte la rottura termica si verifica senza la rottura elettrica come risultato di un aumento significativo della corrente attraverso l'uscita del collettore.

Inoltre, quando U cambia a K-B e E-B, lo spessore di questi strati cambia, se B è sottile, si verifica un effetto di serraggio (chiamato anche foratura B), in cui le giunzioni K-B e E-B sono collegate. Come risultato di questo fenomeno il PP cessa di svolgere la sua funzione.

Modalità di funzionamento

Un transistor di tipo bipolare può funzionare in 4 modi:

1. Attivo.
2. Cutoff (PO).
3. Saturazione (SS).
4. Barriera (RB).

La modalità attiva dei BT può essere normale (NAR) e inversa (IAR).

Modalità attiva normale

In questo modo, U, che è diretto e chiamato tensione E-B (Ue-B), scorre alla giunzione E-B. Il modo è considerato ottimale e viene utilizzato nella maggior parte dei circuiti. La giunzione E inietta delle cariche nella regione della base, che si muovono verso il collettore. Quest'ultimo accelera le cariche, creando un effetto boost.

Modalità attiva inversa

In questa modalità la giunzione K-B è aperta. Il BT funziona nella direzione opposta, cioè, da K vengono iniettati i portatori di carica del foro che passano attraverso B. Essi vengono raccolti dalla transizione E. Le proprietà di guadagno del BT sono deboli e i BT sono raramente usati in questo modo.

Modalità di saturazione

In PH entrambe le giunzioni sono aperte. Collegando E-B e K-B a fonti esterne in direzione avanti, il BT funzionerà in PH. Il campo elettromagnetico di diffusione delle giunzioni E e K è attenuato dal campo elettrico generato da fonti esterne. Questo comporterà una riduzione della capacità di barriera e limiterà la diffusività dei portatori di carica principali. Questo inizierà a iniettare i fori da E e K in B. Questa modalità è usata principalmente nella tecnologia analogica, tuttavia ci possono essere eccezioni in alcuni casi.

Modo Cutoff

In questa modalità il BT è completamente chiuso e incapace di condurre corrente. Tuttavia, flussi minori di portatori di carica non basici sono presenti nel BT, creando correnti termiche con valori piccoli. Questa modalità è utilizzata in vari tipi di protezione da sovraccarico e cortocircuito.

Modalità barriera

La base del BT è collegata attraverso una resistenza al K. Nel circuito K o E è incluso un resistore che stabilisce la quantità di corrente (I) attraverso il BT. Il BR è spesso usato nei circuiti perché permette al BT di funzionare a qualsiasi frequenza e su una gamma di temperature più ampia.

Schemi elettrici

Per una corretta applicazione e cablaggio dei PD, è necessario conoscere la loro classificazione e tipo. Classificazione dei transistor bipolari:

1. Materiale di fabbricazione: germanio, silicio e arsenuro di gallio.
2. Caratteristiche di fabbricazione.
3. Dissipazione di potenza: bassa potenza (fino a 0.25W), media potenza (0.25-1.6W), alta potenza (sopra 1.6W).
4. Limite di frequenza: bassa frequenza (fino a 2,7 MHz), media frequenza (2,7-32 MHz), alta frequenza (32-310 MHz), altissima frequenza (oltre 310 MHz).
5. Scopo funzionale.

Lo scopo funzionale dei BT è diviso nei seguenti tipi:

1. Amplificatori a bassa frequenza con figura di rumore normalizzata e non normalizzata (NNNFS).
2. Amplificatore ad alta frequenza con basso rapporto di rumore (LNNKNSH).
3. Amplificatore ad altissima frequenza con NiNNSCh.
4. Amplificatore ad alta potenza e alta tensione.
5. Generatore di alta e altissima frequenza
6. Amplificatori a commutazione a bassa e alta tensione a bassa potenza.
7. Potenza pulsata ad alta potenza per un funzionamento ad alto valore U.

Inoltre ci sono tipi di transistor bipolari:

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

Ci sono 3 circuiti per la commutazione del transistor bipolare, ognuno con i suoi vantaggi e svantaggi:

1. Generale B.
2. Comune E.
3. Comune K.

Connessione a base comune (CB)

Questo circuito è utilizzato alle alte frequenze, permettendo un uso ottimale della risposta in frequenza. Collegare un singolo CT in OhB e poi in modalità OB aumenterà la sua risposta in frequenza. Questo schema di connessione è usato negli amplificatori di tipo antenna. I livelli di rumore alle alte frequenze sono ridotti.

Vantaggi:

1. Valori di temperatura ottimali e ampia gamma di frequenze (f).
2. Alto valore di Uk.

Svantaggi:

1. Basso guadagno I.
2. Ingresso basso R.

Collegamento emettitore aperto (OhE)

Quando è collegato in questo circuito, si verifica l'amplificazione U e I. Il circuito può essere alimentato da una sola fonte. È spesso usato negli amplificatori di potenza (P).

Vantaggi:

1. Alto guadagno I, U, P.
2. Alimentazione singola.
3. Inverte l'uscita U alternata rispetto all'ingresso.

Ha uno svantaggio significativo: stabilità di temperatura più bassa e risposta in frequenza peggiore rispetto alla connessione O-ring.

Connessione comune del collettore (OC)

L'ingresso U viene trasmesso completamente all'ingresso, e il Ki è simile a quello della connessione Oh, ma la U è bassa.

Questo tipo di commutazione è utilizzato per abbinare stadi a transistor o con una sorgente d'ingresso che ha un'alta R in uscita (microfono a condensatore o pick-up). I vantaggi sono un alto valore R in ingresso e un basso valore R in uscita. Lo svantaggio è la bassa amplificazione U.

Caratteristiche principali dei transistor bipolari

Caratteristiche di base dei BT:

1. Io... guadagno.
2. Ingresso e uscita R.
3. I-ke inverso.
4. Tempo di accensione.
5. Frequenza di trasmissione Ib.
6. Ik inverso.
7. Valore I massimo.

Applicazioni

I transistor bipolari sono ampiamente utilizzati in tutti i campi dell'attività umana. L'applicazione principale è in dispositivi di amplificazione, generazione di segnali elettrici e come elemento di commutazione. Sono utilizzati in vari amplificatori di potenza, alimentatori convenzionali e a commutazione con controllabilità U e I e nella tecnologia dei computer.

Inoltre, sono spesso utilizzati per costruire vari tipi di protezione dei consumatori contro i sovraccarichi, i picchi di U e i cortocircuiti. Sono ampiamente utilizzati nell'industria mineraria e metallurgica.

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