Kas ir bipolārais tranzistors un kādas ir tā shēmas

Radioelektronikā plaši tiek izmantotas pusvadītāju ierīces (SSD). Tas ir samazinājis dažādu ierīču izmēru. Bipolārais tranzistors tiek plaši izmantots, pateicoties noteiktām īpašībām, tam ir plašāka funkcionalitāte nekā vienkāršajam lauka tranzistoram. Lai saprastu, kam un kādos apstākļos to izmanto, ir nepieciešams aplūkot tās darbības principu, savienošanas metodes un klasifikāciju.

Dizains un darbība

Tranzistors ir elektronisks pusvadītājs, kas sastāv no 3 elektrodiem, no kuriem viens ir kontrolējošais. Bipolārie tranzistori atšķiras no polārajiem tranzistoriem ar to, ka tiem ir divu veidu lādiņnesēji (negatīvs un pozitīvs).

Negatīvie lādiņi ir elektroni, kas izdalās no kristālrežģa ārējās čaulas. Atbrīvojušā elektrona vietā veidojas pozitīva tipa lādiņš jeb caurumi.

Bipolārā tranzistora (BT) konstrukcija ir diezgan vienkārša, neraugoties uz tā daudzpusību. To veido 3 vadītāju tipa slāņi: emiteris (E), bāze (B) un kolektors (C).

Emitors (latīņu valodā - "atbrīvošana") ir pusvadītāju savienojuma veids, kura galvenā funkcija ir ievadīt lādiņu bāzē. Kolektors (latīņu valodā "kolektors") tiek izmantots, lai saņemtu lādiņu no emitora. Pamatne ir kontroles elektrods.

Emitora un kolektora slāņi ir gandrīz identiski, bet atšķiras ar to, cik daudz piemaisījumu ir pievienoti sensora īpašību uzlabošanai. Piemaisījumu pievienošanu sauc par dopingu. Kolektora slānim (CL) dopēšana ir vāji izteikta, lai palielinātu kolektora spriegumu (Uk). Emitera pusvadītāja slānis ir stipri leģēts, lai palielinātu atpakaļgaitas pieļaujamo U sadalījuma vērtību un uzlabotu nesēju iesmidzināšanu bāzes slānī (palielina strāvas pārneses koeficientu - Kt). Pamatslānis ir vāji leģēts, lai nodrošinātu lielāku pretestību (R).

Savienojums starp bāzi un emiteri ir mazāks nekā K-B. Platības atšķirība ir tā, kas uzlabo Kt. Kad darbojas PCB, K-B savienojums tiek ieslēgts ar apgriezto novirzi, lai nodrošinātu lielāko daļu siltuma daudzuma Q, kas tiek izkliedēts un nodrošina labāku kristāla dzesēšanu.

BT reakcija ir atkarīga no pamatnes slāņa (BS) biezuma. Šī atkarība ir vērtība, kas mainās saskaņā ar apgriezti proporcionālu sakarību. Mazāks biezums nodrošina ātrāku darbību. Šī atkarība ir saistīta ar lādiņnesēju tranzīta laiku. Tomēr vienlaikus tiek samazināta Uk.

Starp emiteri un K plūst liela strāva, ko sauc par strāvu K (Ik). Starp E un B plūst neliela strāva - strāva B (Ib), kas tiek izmantota kontrolei. Kad Ib mainīsies, mainīsies arī Ik.

Tranzistoram ir divi p-n savienojumi - E-B un K-B. Kad tas ir aktīvs, E-B ir savienots ar tiešo novirzi, bet K-B ir savienots ar apgriezto novirzi. Tā kā E-B savienojums ir atvērts, negatīvie lādiņi (elektroni) ieplūst B. Pēc tam notiek daļēja rekombinācija ar caurumiem. Tomēr lielākā daļa elektronu sasniedz K-B, jo B ir zems dopinga līmenis un biezums.

BS gadījumā elektroni ir bezbāzes lādiņa nesēji, un elektromagnētiskais lauks palīdz tiem pārvarēt K-B pāreju. Palielinoties Ib, E-B atvērums paplašinās un vairāk elektronu aizplūdīs starp E un K. Tā rezultātā zemas amplitūdas signāls tiek ievērojami pastiprināts, jo Ik ir lielāks par Ib.

Lai vieglāk izprastu bipolārā tranzistora fizikālo nozīmi, mums tas jāsaista ar uzskatāmu piemēru. Pieņemsim, ka ūdens sūknis ir strāvas avots, ūdens krāns ir tranzistors, ūdens ir Ik un krāna roktura pagrieziena pakāpe ir Ib. Lai palielinātu galviņu, krāns ir nedaudz jāpagriež - jāveic vadības darbība. No piemēra var secināt, ka PP darbības princips ir vienkāršs.

Tomēr, ievērojami palielinoties U pie K-B savienojuma, var notikt trieciena jonizācija, kuras sekas ir lavīnveida lādiņa izplatīšanās. Šis process apvienojumā ar tuneļa efektu izraisa elektrisko un, laikam pieaugot, arī termisko bojājumu, kas izraisa PCB bojājumus. Dažreiz termiskais sadalījums notiek bez elektriskā sadalījuma, jo ievērojami palielinās strāva caur kolektora izeju.

Turklāt, mainoties U pie K-B un E-B, mainās šo slāņu biezums, ja B ir plāns, rodas saspiešanas efekts (saukts arī par B punkciju), kurā K-B un E-B savienojumi ir savienoti. Šīs parādības rezultātā PP pārstāj pildīt savu funkciju.

Darbības režīmi

Bipolārā tipa tranzistors var darboties 4 režīmos:

1. Aktīvs.
2. Robeža (PO).
3. Piesātinājums (SS).
4. Barjera (RB).

BT aktīvais režīms var būt parastais (NAR) un apgrieztais (IAR).

Parasts aktīvais režīms

Šajā režīmā U, kas ir tiešs un ko sauc par E-B spriegumu (Ue-B), plūst E-B savienojumā. Šis režīms tiek uzskatīts par optimālu un tiek izmantots lielākajā daļā ķēžu. E savienojums injicē lādiņus bāzes apgabalā, kas virzās uz kolektoru. Pēdējais paātrina lādiņus, radot impulsa efektu.

Aktīvais apgrieztais režīms

Šajā režīmā K-B savienojums ir atvērts. BT darbojas pretējā virzienā, t. i., no K tiek injicēti caur B ejošie caurumu lādiņnesēji, kurus savāc pāreja E. BT pastiprinājuma īpašības ir vājas, un šajā režīmā BT izmanto reti.

Piesātinājuma režīms

PH gadījumā abi savienojumi ir atvērti. Savienojot E-B un K-B ar ārējiem avotiem tiešajā virzienā, BT darbosies PH režīmā. E un K savienojuma difūzijas elektromagnētisko lauku vājina ārējo avotu radītais elektriskais lauks. Tā rezultātā samazinās barjeras kapacitāte un tiek ierobežota galveno lādiņnesēju difūzija. Tas sāks ievadīt caurumus no E un K uz B. Šo režīmu galvenokārt izmanto analogajās tehnoloģijās, tomēr dažos gadījumos var būt izņēmumi.

Izslēgšanas režīms

Šajā režīmā BT ir pilnībā slēgts un nespēj vadīt strāvu. Tomēr BT ir nelieli ne-bāzisko lādiņnesēju plūsmas plūsmas, kas rada nelielas termiskās strāvas vērtības. Šo režīmu izmanto dažāda veida pārslodzes un īsslēguma aizsardzībā.

Barjeras režīms

BT bāze caur rezistoru ir savienota ar K. K vai E ķēdē ir iekļauts rezistors, kas nosaka strāvas lielumu (I) caur BT. BR bieži izmanto ķēdēs, jo tas ļauj BT darboties jebkurā frekvencē un lielākā temperatūras diapazonā.

Elektroinstalācijas shēmas

Lai pareizi lietotu un pieslēgtu PD, ir jāzina to klasifikācija un tips. Bipolāro tranzistoru klasifikācija:

1. Ražošanas materiāls: germānijs, silīcijs un gallija arsenīds.
2. Izgatavošanas iezīmes.
3. Jaudas izkliedēšana: zema jauda (līdz 0,25 W), vidēja jauda (0,25-1,6 W), augsta jauda (virs 1,6 W).
4. Frekvences ierobežojums: zema frekvence (līdz 2,7 MHz), vidēja frekvence (2,7-32 MHz), augsta frekvence (32-310 MHz), īpaši augsta frekvence (virs 310 MHz).
5. Funkcionālais mērķis.

Pēc funkcionālā mērķa BT iedala šādos veidos:

1. Zemas frekvences pastiprinātāji ar normalizētu un nenormalizētu trokšņa koeficientu (NNNFS).
2. Augstfrekvences pastiprinātāji ar zemu trokšņa koeficientu (LNNKNSH).
3. Ļoti augstas frekvences pastiprinātājs ar NiNNSCh.
4. Lieljaudas augstsprieguma pastiprinātājs.
5. Augstas un ļoti augstas frekvences ģenerators
6. Mazjaudas un lieljaudas augstsprieguma komutācijas pastiprinātāji.
7. Impulsa jaudas liela jauda darbībai ar augstu U vērtību.

Turklāt ir bipolāro tranzistoru veidi:

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

Pastāv 3 bipolārā tranzistora pārslēgšanas shēmas, katrai no tām ir savas priekšrocības un trūkumi:

1. Vispārīgi B.
2. Kopējais E.
3. K.

Kopējās bāzes (CB) savienojums

Šī shēma tiek izmantota augstās frekvencēs, ļaujot optimāli izmantot frekvenču diapazonu. Viena CT pieslēgšana OhB un pēc tam OB režīmā palielinās tā frekvenču diapazonu. Šo savienojuma shēmu izmanto antenas tipa pastiprinātājos. Tiek samazināts trokšņa līmenis augstās frekvencēs.

Priekšrocības:

1. Optimālās temperatūras vērtības un plašs frekvenču diapazons (f).
2. Augsta Uk vērtība.

Trūkumi:

1. Zems I pieaugums.
2. Zema ieejas R.

Atvērtā raidītāja (OhE) savienojums

Savienojot šajā ķēdē, notiek U un I pastiprināšana. Shēmu var darbināt no viena avota. To bieži izmanto jaudas pastiprinātājos (P).

Priekšrocības:

1. Augsts I, U, P pieaugums.
2. Viens barošanas avots.
3. Tas inverto izejas mainīgo U attiecībā pret ieeju.

Tam ir būtisks trūkums: zemāka temperatūras stabilitāte un sliktāka frekvences reakcija nekā O-veida gredzena savienojumam.

Kopējais kolektora savienojums (OC)

Ieejas U tiek pilnībā pārraidīts atpakaļ uz ieeju, un Ki ir līdzīgs kā Oh savienojuma gadījumā, bet U ir zems.

Šāda veida pārslēgšanu izmanto, lai saskaņotu uz tranzistoriem balstītus pakāpienus vai ar ieejas avotu, kam ir augsts izejas R (kondensatora tipa mikrofons vai skaņas uztvērējs). Priekšrocības ir augsta ieejas R-vērtība un zema izejas R-vērtība. Trūkums ir zemais U-pastiprinājums.

Bipolāro tranzistoru galvenie raksturlielumi

BT pamatīpašības:

1. I- ieguvums.
2. Ieeja un izeja R.
3. Reversā I-ke.
4. Ieslēgšanas laiks.
5. Pārraides biežums Ib.
6. Inversais Ik.
7. Maksimālā I vērtība.

Pieteikumi

Bipolārie tranzistori tiek plaši izmantoti visās cilvēka darbības jomās. Galvenais pielietojums ir ierīcēs pastiprināšanai, elektrisko signālu ģenerēšanai un kā komutācijas elements. Tos izmanto dažādos jaudas pastiprinātājos, tradicionālajos un komutācijas režīma barošanas avotos ar U un I vadību, kā arī datoru tehnoloģijās.

Turklāt tos bieži izmanto, lai izveidotu dažāda veida patērētāju aizsardzību pret pārslodzēm, U un īssavienojumiem. Tos plaši izmanto kalnrūpniecībā, metalurģijā.

Saistītie raksti: