Čo je bipolárny tranzistor a aké sú jeho obvody

Používanie polovodičových zariadení (SSD) je v rádiovej elektronike veľmi rozšírené. Tým sa zmenšila veľkosť rôznych zariadení. Bipolárny tranzistor je široko používaný, vďaka určitým vlastnostiam má širšiu funkčnosť ako jednoduchý tranzistor s poľom. Aby sme pochopili, na čo sa používa a za akých podmienok, je potrebné zvážiť jeho princíp fungovania, spôsoby pripojenia a klasifikáciu.

Štruktúra a princíp fungovania

Tranzistor je elektronický polovodič pozostávajúci z 3 elektród, z ktorých jedna je riadiaca. Bipolárny tranzistor sa od polárneho tranzistora líši tým, že má dva typy nosičov náboja (záporný a kladný).

Záporné náboje sú elektróny, ktoré sa uvoľňujú z vonkajšej škrupiny kryštálovej mriežky. Na mieste uvoľneného elektrónu sa vytvorí kladný typ náboja alebo diery.

Konštrukcia bipolárneho tranzistora (BT) je napriek jeho univerzálnosti pomerne jednoduchá. Skladá sa z 3 vrstiev typu vodič: emitor (E), báza (B) a kolektor (C).

Emitor (latinsky "uvoľnenie") je typ polovodičového prechodu, ktorého hlavnou funkciou je privádzať náboje do bázy. Kolektor (latinsky "collector") slúži na prijímanie nábojov z emitora. Základňa je kontrolná elektróda.

Emitorová a kolektorová vrstva sú takmer identické, ale líšia sa stupňom prímesí pridaných na zlepšenie vlastností senzora. Pridávanie nečistôt sa nazýva dopovanie. V prípade kolektorovej vrstvy (CL) je doping slabo vyjadrený na zvýšenie kolektorového napätia (Uk). Emitorová polovodičová vrstva je silne dopovaná, aby sa zvýšilo spätné prípustné U prierazu a zlepšila sa injekcia nosičov do základnej vrstvy (zvyšuje sa koeficient prenosu prúdu - Kt). Základná vrstva je slabo dopovaná, aby poskytovala väčší odpor (R).

Spoj medzi bázou a emitorom má menšiu plochu ako K-B. Rozdiel v ploche je to, čo zlepšuje Kt. Keď je doska plošných spojov v prevádzke, prechod K-B je zapnutý s reverzným predpätím, aby poskytol väčšinu tepla Q, ktoré sa rozptýli a zabezpečí lepšie chladenie kryštálu.

Reakcia BT závisí od hrúbky základnej vrstvy (BS). Táto závislosť je hodnota, ktorá sa mení podľa nepriamo úmerného vzťahu. Menšia hrúbka má za následok rýchlejší výkon. Táto závislosť súvisí s časom prechodu nosičov náboja. Zároveň sa však znižuje Uk.

Medzi emitorom a K tečie vysoký prúd, ktorý sa nazýva prúd K (Ik). Medzi E a B tečie malé množstvo prúdu - prúd B (Ib), ktorý sa používa na riadenie. Keď sa zmení Ib, zmení sa aj Ik.

Tranzistor má dva p-n prechody, E-B a K-B. Keď je aktívny, E-B je pripojený s predpätím dopredu a K-B je pripojený s opačným predpätím. Keďže prechod E-B je otvorený, záporné náboje (elektróny) prúdia do B. Potom nasleduje ich čiastočná rekombinácia s dierami. Väčšina elektrónov sa však dostane do K-B kvôli nízkemu dopovaniu a hrúbke B.

V BS sú elektróny nezákladnými nosičmi náboja a elektromagnetické pole im pomáha prekonať K-B prechod. S rastúcim Ib sa otvor E-B zväčšuje a medzi E a K prechádza viac elektrónov. Výsledkom bude výrazné zosilnenie signálu s nízkou amplitúdou, pretože Ik je väčší ako Ib.

Aby sme ľahšie pochopili fyzikálny význam bipolárneho tranzistora, musíme ho spojiť s názorným príkladom. Musíme predpokladať, že vodné čerpadlo je zdroj energie, vodovodný kohútik je tranzistor, voda je Ik a stupeň otočenia kľučky vodovodného kohútika je Ib. Ak chcete zvýšiť hlavu, musíte trochu otočiť kohútikom - vykonať kontrolný úkon. Z príkladu vyplýva, že princíp fungovania PP je jednoduchý.

Pri výraznom zvýšení U na prechode K-B však môže dôjsť k nárazovej ionizácii, ktorej dôsledkom je lavínové šírenie náboja. Tento proces v kombinácii s tunelovým efektom spôsobuje elektrický a s pribúdajúcim časom aj tepelný rozpad, ktorý spôsobuje poruchu dosky plošných spojov. Niekedy dochádza k tepelnému rozpadu bez elektrického rozpadu v dôsledku výrazného zvýšenia prúdu cez výstup kolektora.

Okrem toho sa pri zmene U na K-B a E-B mení hrúbka týchto vrstiev, ak je B tenká, dochádza k efektu zovretia (nazývanému aj B prieraz), pri ktorom sú spoje K-B a E-B spojené. V dôsledku tohto javu PP prestáva plniť svoju funkciu.

Režimy prevádzky

Bipolárny tranzistor môže pracovať v 4 režimoch:

1. Aktívne.
2. Hranica (PO).
3. Nasýtenie (SS).
4. Bariéra (RB).

Aktívny režim BT môže byť normálny (NAR) a inverzný (IAR).

Normálny aktívny režim

V tomto režime tečie na prechode E-B napätie U, ktoré je priame a nazýva sa napätie E-B (Ue-B). Tento režim sa považuje za optimálny a používa sa vo väčšine obvodov. Prechod E injektuje náboje do oblasti bázy, ktoré sa pohybujú smerom ku kolektoru. Tá urýchľuje náboje a vytvára efekt boostu.

Inverzný aktívny režim

V tomto režime je prechod K-B otvorený. BT pracuje v opačnom smere, t. j. z K sú injektované dierové nosiče náboja prechádzajúce cez B. Tie sú zachytávané prechodom E. Zosilňovacie vlastnosti BT sú slabé a BT sa v tomto režime používajú len zriedka.

Režim nasýtenia

V systéme PH sú obe križovatky otvorené. Pripojením E-B a K-B k externým zdrojom v priamom smere bude BT pracovať v režime PH. Difúzne elektromagnetické pole prechodov E a K je tlmené elektrickým poľom generovaným vonkajšími zdrojmi. To vedie k zníženiu bariérovej kapacity a k obmedzeniu difúznej schopnosti hlavných nosičov náboja. Tým sa začnú injektovať diery z E a K do B. Tento režim sa používa najmä v analógovej technológii, avšak v niektorých prípadoch môžu existovať výnimky.

Režim vypnutia

V tomto režime je BT úplne uzavretý a nie je schopný viesť prúd. V BT sú však prítomné menšie toky nezákladných nosičov náboja, ktoré vytvárajú tepelné prúdy s malými hodnotami. Tento režim sa používa pri rôznych typoch ochrany proti preťaženiu a skratu.

Režim bariéry

Báza BT je cez rezistor pripojená k obvodu K. V obvode K alebo E je zahrnutý rezistor, ktorý nastavuje veľkosť prúdu (I) prechádzajúceho BT. BR sa často používa v obvodoch, pretože umožňuje BT pracovať pri akejkoľvek frekvencii a vo väčšom rozsahu teplôt.

Schémy zapojenia

Na správne použitie a zapojenie PD je potrebné poznať ich klasifikáciu a typ. Klasifikácia bipolárnych tranzistorov:

1. Výrobný materiál: germánium, kremík a arzenid gália.
2. Výrobné vlastnosti.
3. Rozptyl energie: Nízky výkon (do 0,25 W), stredný výkon (0,25-1,6 W), vysoký výkon (nad 1,6 W).
4. Frekvenčný limit: nízka frekvencia (do 2,7 MHz), stredná frekvencia (2,7-32 MHz), vysoká frekvencia (32-310 MHz), ultravysoká frekvencia (nad 310 MHz).
5. Funkčný účel.

Funkčné určenie BT sa delí na tieto typy:

1. Nízkofrekvenčné zosilňovače s normalizovaným a nenormalizovaným šumovým číslom (NNNFS).
2. Vysokofrekvenčné zosilňovače s nízkym pomerom šumu (LNNKNSH).
3. Ultravysokofrekvenčný zosilňovač s NiNNSCh.
4. Vysokovýkonný vysokonapäťový zosilňovač.
5. Generátor vysokých a veľmi vysokých frekvencií
6. Nízkovýkonové a vysokovýkonové vysokonapäťové spínané zosilňovače.
7. Pulzný výkon s vysokým výkonom pre prevádzku s vysokou hodnotou U.

Okrem toho existujú typy bipolárnych tranzistorov:

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

Existujú 3 zapojenia pre spínanie bipolárneho tranzistora, pričom každé má svoje výhody a nevýhody:

1. Všeobecný B.
2. Spoločný E.
3. Spoločný K.

Pripojenie spoločnej základne (CB)

Tento obvod sa používa pri vysokých frekvenciách, čo umožňuje optimálne využitie frekvenčnej charakteristiky. Pripojením jedného CT v režime OhB a potom v režime OB sa zvýši jeho frekvenčná odozva. Táto schéma pripojenia sa používa v zosilňovačoch anténneho typu. Hladina hluku pri vysokých frekvenciách je znížená.

Výhody:

1. Optimálne hodnoty teploty a široký frekvenčný rozsah (f).
2. Vysoká hodnota Uk.

Nevýhody:

1. Nízky zisk I.
2. Nízky vstup R.

Pripojenie otvoreného vysielača (OhE)

Po zapojení do tohto obvodu dochádza k zosilneniu U a I. Obvod môže byť napájaný z jedného zdroja. Často sa používa vo výkonových zosilňovačoch (P).

Výhody:

1. Vysoký prírastok I, U, P.
2. Jediný zdroj napájania.
3. Invertuje výstupné striedavé U vzhľadom na vstup.

Má významnú nevýhodu: nižšiu teplotnú stabilitu a horšiu frekvenčnú odozvu ako spojenie s O-krúžkom.

Spoločné pripojenie zberača (OC)

Vstupné U sa plne prenáša späť na vstup a Ki je podobné ako pri spojení Oh, ale U je nízke.

Tento typ prepínania sa používa na prispôsobenie tranzistorových stupňov alebo pri vstupnom zdroji s vysokým výstupným R (kondenzátorový mikrofón alebo snímač zvuku). Výhodou je vysoká vstupná hodnota R a nízka výstupná hodnota R. Nevýhodou je nízke zosilnenie U.

Hlavné charakteristiky bipolárnych tranzistorov

Základné charakteristiky BT:

1. I- zisk.
2. Vstup a výstup R.
3. Obrátený I-ke.
4. Čas zapnutia.
5. Frekvencia prenosu Ib.
6. Inverzný Ik.
7. Maximálna hodnota I.

Aplikácie

Bipolárne tranzistory sa široko používajú vo všetkých oblastiach ľudskej činnosti. Hlavné použitie je v zariadeniach na zosilňovanie, generovanie elektrických signálov a ako spínací prvok. Používajú sa v rôznych výkonových zosilňovačoch, konvenčných a spínaných zdrojoch s možnosťou regulácie U a I a vo výpočtovej technike.

Okrem toho sa často používajú na budovanie rôznych typov ochrany spotrebiteľa pred preťažením, špičkami v U a skratmi. Široko sa používajú v baníctve a hutníctve.

Súvisiace články: