Co to jest tranzystor bipolarny i jakie są jego obwody?

Urządzenia półprzewodnikowe (SSD) są szeroko stosowane w radioelektronice. Dzięki temu zmniejszyły się rozmiary różnych urządzeń. Tranzystor bipolarny jest powszechnie stosowany, ponieważ dzięki pewnym cechom ma szerszą funkcjonalność niż prosty tranzystor polowy. Aby zrozumieć, do czego służy i w jakich warunkach, należy przeanalizować jego zasadę działania, metody łączenia i klasyfikację.

Projektowanie i eksploatacja

Tranzystor jest elektronicznym półprzewodnikiem składającym się z 3 elektrod, z których jedna jest elektrodą sterującą. Tranzystory bipolarne różnią się od tranzystorów biegunowych tym, że mają dwa rodzaje nośników ładunku (ujemne i dodatnie).

Ładunki ujemne reprezentują elektrony, które są uwalniane z zewnętrznej powłoki sieci krystalicznej. W miejsce uwolnionego elektronu powstają ładunki dodatnie, czyli dziury.

Budowa tranzystora bipolarnego (BT) jest dość prosta, mimo jego uniwersalności. Składa się on z trzech warstw typu przewodnika: emitera (E), bazy (B) i kolektora (C).

Emiter (łac. "uwalniać") to rodzaj złącza półprzewodnikowego, którego główną funkcją jest wstrzykiwanie ładunków do bazy. Zbieracz (łac. collector - kolektor) służy do odbierania ładunków z emitera. Podstawa jest elektrodą kontrolną.

Warstwy emitera i kolektora są niemal identyczne, ale różnią się stopniem zanieczyszczenia, dodanym w celu poprawy charakterystyki czujnika. Dodawanie zanieczyszczeń nazywa się domieszkowaniem. W przypadku warstwy kolektora (CL) domieszkowanie jest słabo wyrażone w celu zwiększenia napięcia kolektora (Uk). Warstwa półprzewodnikowa emitera jest silnie domieszkowana w celu zwiększenia odwrotnego dopuszczalnego U przebicia i poprawy wstrzykiwania nośników do warstwy podstawowej (zwiększa współczynnik przenoszenia prądu - Kt). Warstwa podstawowa jest słabo domieszkowana, aby zapewnić większą rezystancję (R).

Złącze między bazą a emiterem ma mniejszą powierzchnię niż złącze K-B. Różnica w powierzchni jest tym, co poprawia współczynnik Kt. Podczas pracy płytki drukowanej złącze K-B jest włączane z odwrotnym polaryzowaniem, aby uzyskać większą część ilości ciepła Q, które jest rozpraszane i zapewnia lepsze chłodzenie kryształu.

Prędkość przesuwu BT zależy od grubości warstwy nośnej (BS). Zależność ta jest wartością, która zmienia się zgodnie z zależnością odwrotnie proporcjonalną. Mniejsza grubość powoduje szybsze działanie. Zależność ta jest związana z czasem przelotu nośników ładunku. Jednocześnie jednak Uk ulega zmniejszeniu.

Pomiędzy emiterem a K płynie duży prąd, zwany prądem K (Ik). Pomiędzy E i B płynie niewielki prąd - prąd B (Ib), który jest wykorzystywany do sterowania. Gdy zmieni się Ib, zmieni się Ik.

Tranzystor ma dwa złącza p-n, E-B i K-B. W stanie aktywnym E-B jest połączony z przodem, a K-B z tyłem. Ponieważ złącze E-B jest otwarte, ładunki ujemne (elektrony) przepływają do złącza B. Następnie dochodzi do ich częściowej rekombinacji z dziurami. Jednak większość elektronów dociera do K-B z powodu niskiego domieszkowania i małej grubości B.

W BS elektrony są nośnikami ładunku nie będącymi bazą, a pole elektromagnetyczne pomaga im pokonać przejście K-B. Wraz ze wzrostem Ib, otwór E-B będzie się poszerzał i więcej elektronów będzie przepływało pomiędzy E i K. Spowoduje to znaczne wzmocnienie sygnału o niskiej amplitudzie, ponieważ Ik jest większe niż Ib.

Aby łatwiej zrozumieć fizyczne znaczenie tranzystora bipolarnego, musimy skojarzyć je z ilustrującym przykładem. Musimy założyć, że pompa wodna jest źródłem zasilania, kran jest tranzystorem, woda ma wartość Ik, a stopień obrotu rączki kranu to Ib. Aby podnieść głowicę, należy nieco przekręcić kurek - wykonać czynność kontrolną. Z przykładu można wywnioskować, że zasada działania PP jest prosta.

Jednak przy znacznym wzroście U na złączu K-B może dojść do jonizacji uderzeniowej, której konsekwencją jest lawinowe rozchodzenie się ładunku. Proces ten, w połączeniu z efektem tunelowym, powoduje awarię elektryczną, a wraz z upływem czasu także termiczną, co prowadzi do uszkodzenia płytki drukowanej. Czasami awaria termiczna występuje bez awarii elektrycznej w wyniku znacznego wzrostu natężenia prądu przez wylot kolektora.

Ponadto, gdy U zmienia się w punktach K-B i E-B, zmienia się grubość tych warstw, jeśli B jest cienkie, pojawia się efekt zaciskania (zwany też przebiciem B), w którym złącza K-B i E-B są połączone. W wyniku tego zjawiska PP przestaje pełnić swoją funkcję.

Tryby pracy

Tranzystor bipolarny może pracować w czterech trybach:

1. Aktywny.
2. Wartość graniczna (PO).
3. Nasycenie (SS).
4. Bariera (RB).

Tryb aktywny BT może być normalny (NAR) i odwrotny (IAR).

Normalny tryb aktywny

W tym trybie w złączu E-B płynie napięcie U, które jest bezpośrednie i nazywane napięciem E-B (Ue-B). Tryb ten jest uważany za optymalny i jest stosowany w większości obwodów. Złącze E wprowadza ładunki do obszaru bazy, które przesuwają się w kierunku kolektora. Ta ostatnia przyspiesza ładunki, tworząc efekt pobudzenia.

Odwrotny tryb aktywny

W tym trybie złącze K-B jest otwarte. BT działa w przeciwnym kierunku, tzn. z K wstrzykiwane są nośniki ładunku dziurowego przechodzące przez B. Są one zbierane przez przejście E. Właściwości wzmacniające BT są słabe i BT są rzadko stosowane w tym trybie.

Tryb nasycenia

W PH oba węzły są otwarte. Po podłączeniu E-B i K-B do zewnętrznych źródeł w kierunku do przodu BT będzie działać w trybie PH. Dyfuzyjne pole elektromagnetyczne w złączach E i K jest tłumione przez pole elektryczne wytwarzane przez źródła zewnętrzne. Spowoduje to zmniejszenie pojemności bariery i ograniczenie dyfuzyjności głównych nośników ładunku. Spowoduje to rozpoczęcie wstrzykiwania otworów z liter E i K do litery B. Ten tryb jest stosowany głównie w technologii analogowej, jednak w niektórych przypadkach mogą występować wyjątki.

Tryb wyłączania

W tym trybie BT jest całkowicie zamknięty i nie może przewodzić prądu. W BT występują jednak niewielkie strumienie niebazowych nośników ładunku, tworząc prądy termiczne o niewielkich wartościach. Tryb ten jest wykorzystywany w różnego rodzaju zabezpieczeniach przeciążeniowych i zwarciowych.

Tryb bariery

Baza BT jest połączona przez rezystor z obwodem K. W obwodzie K lub E znajduje się rezystor, który ustala natężenie prądu (I) płynącego przez BT. BR jest często wykorzystywany w obwodach, ponieważ umożliwia działanie BT przy dowolnej częstotliwości i w większym zakresie temperatur.

Schematy połączeń

Aby prawidłowo zastosować i okablować moduły prądotwórcze, należy znać ich klasyfikację i typ. Klasyfikacja tranzystorów bipolarnych:

1. Materiał produkcyjny: german, krzem i arsenek galu.
2. Cechy konstrukcyjne.
3. Rozproszenie mocy: mała moc (do 0,25 W), średnia moc (0,25-1,6 W), duża moc (powyżej 1,6 W).
4. Granica częstotliwości: niska częstotliwość (do 2,7 MHz), średnia częstotliwość (2,7-32 MHz), wysoka częstotliwość (32-310 MHz), ultrawysoka częstotliwość (powyżej 310 MHz).
5. Cel funkcjonalny.

Ze względu na przeznaczenie funkcjonalne BT dzieli się na następujące typy:

1. Wzmacniacze niskich częstotliwości o znormalizowanym i nienormalizowanym współczynniku szumów (NNNFS).
2. Wzmacniacze wysokiej częstotliwości o niskim współczynniku szumów (LNNKNSH).
3. Wzmacniacz ultra wysokiej częstotliwości z NiNNSCh.
4. Wzmacniacz wysokonapięciowy dużej mocy.
5. Generator wysokiej i bardzo wysokiej częstotliwości
6. Wysokonapięciowe wzmacniacze przełączające małej i dużej mocy.
7. Pulsacyjne zasilanie o dużej mocy do pracy przy wysokich wartościach U.

Ponadto istnieją różne typy tranzystorów bipolarnych:

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

Istnieją 3 układy do przełączania tranzystora bipolarnego, każdy z nich ma swoje wady i zalety:

1. Generał B.
2. Wspólna E.
3. Wspólne K.

Złącze podstawy wspólnej (CB)

Ten obwód jest używany przy wysokich częstotliwościach, co pozwala na optymalne wykorzystanie pasma przenoszenia. Podłączenie pojedynczego modułu CT w trybie OhB, a następnie w trybie OB spowoduje zwiększenie jego pasma przenoszenia. Ten schemat połączeń jest stosowany we wzmacniaczach typu antenowego. Zmniejsza się poziom hałasu o wysokich częstotliwościach.

Zalety:

1. Optymalne wartości temperatury i szeroki zakres częstotliwości (f).
2. Wysoka wartość Uk.

Wady:

1. Niskie wzmocnienie I.
2. Niskie wejście R.

Połączenie z emiterem otwartym (OhE)

Po połączeniu w tym obwodzie następuje wzmocnienie U i I. Układ może być zasilany z jednego źródła. Jest on często stosowany we wzmacniaczach mocy (P).

Zalety:

1. Duże wzmocnienie I, U, P.
2. Pojedynczy zasilacz.
3. Odwraca wyjściowe napięcie zmienne U względem wejścia.

Ma ono istotną wadę: mniejszą stabilność temperaturową i gorszą charakterystykę częstotliwościową niż połączenie typu O-ring.

Wspólne połączenie kolektorów (OC)

Wejściowe U jest w pełni przekazywane z powrotem na wejście, a Ki jest podobne do tego z połączenia Oh, ale U jest niskie.

Ten rodzaj przełączania jest stosowany do dopasowania stopni tranzystorowych lub do źródła sygnału wejściowego o wysokim wyjściowym R (mikrofon pojemnościowy lub odbiornik dźwięku). Zaletą tego rozwiązania jest wysoka wartość R na wejściu i niska wartość R na wyjściu. Wadą tego rozwiązania jest niskie wzmocnienie U.

Główne właściwości tranzystorów bipolarnych

Podstawowa charakterystyka BT:

1. Ja - zysk.
2. Wejście i wyjście R.
3. Odwrócone I-ke.
4. Czas włączenia.
5. Częstotliwość nadawania Ib.
6. Odwrotność Ik.
7. Maksymalna wartość współczynnika I.

Aplikacje

Tranzystory bipolarne są szeroko stosowane we wszystkich dziedzinach działalności człowieka. Główne zastosowanie znajdują w urządzeniach do wzmacniania i generowania sygnałów elektrycznych oraz jako element przełączający. Są one stosowane w różnych wzmacniaczach mocy, zasilaczach konwencjonalnych i impulsowych z możliwością regulacji U i I oraz w technice komputerowej.

Ponadto są one często wykorzystywane do budowy różnego rodzaju zabezpieczeń konsumenckich przed przeciążeniami, skokami napięcia U i zwarciami. Są one szeroko stosowane w przemyśle górniczym i metalurgicznym.

Powiązane artykuły: