Kaj je bipolarni tranzistor in kakšna so preklopna vezja

Uporaba polprevodniških naprav (SSD) je zelo razširjena v radijski elektroniki. To je zmanjšalo velikost različnih naprav. Bipolarni tranzistor se pogosto uporablja, zaradi nekaterih lastnosti pa je njegova funkcionalnost širša od enostavnega tranzistorja z učinkom polja. Da bi razumeli, za kaj se uporablja in pod kakšnimi pogoji se uporablja, je treba upoštevati njegovo načelo delovanja, načine povezovanja in razvrstitev.

Zasnova in princip delovanja

Tranzistor je elektronski polprevodnik, sestavljen iz 3 elektrod, od katerih je ena krmilna. Bipolarni tranzistor se od polarnega tranzistorja razlikuje po prisotnosti dveh vrst nosilcev naboja (negativnih in pozitivnih).

Negativni naboji predstavljajo elektrone, ki se sprostijo iz zunanje lupine kristalne mreže. Namesto sproščenega elektrona nastane pozitivna vrsta naboja ali luknje.

Zasnova bipolarnega tranzistorja (BT) je kljub vsestranskosti precej preprosta.Sestavljen je iz 3 prevodniških plasti: emitorja (E), baze (B) in zbiralnika (C).

Emiter (iz latinščine "sprostiti") je vrsta polprevodniškega spoja, katerega glavna funkcija je vbrizgavanje nabojev v bazo. Kolektor (latinsko "zbiralec") služi za sprejem emiterskih nabojev. Osnova je krmilna elektroda.

Oddajna in kolektorska plast sta skoraj enaki, vendar se razlikujeta po stopnji dodajanja nečistoč za izboljšanje lastnosti senzorja. Dodajanje nečistoč se imenuje doping. Za kolektorsko plast (CL) je doping šibko izražen, da poveča napetost kolektorja (Uk). Emiterska polprevodniška plast je močno dopirana, da se poveča obratni dovoljeni U razboja in izboljša vbrizgavanje nosilca v osnovno plast (poveča koeficient prenosa toka - Kt). Osnovna plast je šibko dopirana, da zagotovi večjo odpornost (R).

Prehod med bazo in emitorjem je po površini manjši od K-B. Razlika v površini je tisto, kar izboljša Kt. Spoj K-B je vklopljen z reverzno prednapetostjo, da se sprosti večina toplote Q, ki se odvede in poskrbi za boljše hlajenje kristala.

Zmogljivost BT je odvisna od debeline osnovne plasti (BS). Ta odvisnost je vrednost, ki se spreminja v obratno sorazmernem razmerju. Manjša debelina omogoča hitrejše delovanje. Ta odvisnost je povezana s tranzitnim časom nosilcev naboja. Vendar pa se hkrati zmanjša Uk.

Med emitorjem in K teče močan tok, imenovan K tok (Ik). Med E in B teče majhen tok, imenovan B tok (Ib), ki se uporablja za krmiljenje. Ko se Ib spremeni, bo prišlo do spremembe Ik.

Tranzistor ima dva p-n spoja: E-B in K-B. Ko je aktiven, je E-B povezan s prednapetostjo, K-B pa z vzvratno prednapetostjo.Ker je spoj E-B odprt, se negativni naboji (elektroni) stekajo v B. Nato pride do njihove delne rekombinacije z luknjami. Vendar pa večina elektronov doseže K-B zaradi majhnega dopinga in debeline B.

Pri BS so elektroni nebistveni nosilci naboja in elektromagnetno polje jim pomaga premagati prehod K-B. Ko se Ib poveča, se bo odprtina E-B razširila in med E in K bo teklo več elektronov. V tem primeru bo prišlo do znatne ojačitve signala z nizko amplitudo, ker je Ik večji od Ib.

Da bi lažje razumeli fizični pomen tranzistorja bipolarnega tipa, ga je treba povezati z jasnim primerom. Predpostaviti moramo, da je črpalka za črpanje vode vir energije, vodna pipa je tranzistor, voda je Ik, stopnja obračanja gumba pipe je Ib. Če želite povečati višino višine, morate malo obrniti pipo - za izvedbo krmilnega dejanja. Na podlagi primera lahko sklepamo o enostavnem principu delovanja PP.

Pri znatnem povečanju U na K-B spoju pa lahko pride do udarne ionizacije, katere posledica je plazovita multiplikacija naboja. V kombinaciji z učinkom tunela povzroči ta proces električno in s časom naraščajočo toplotno razgradnjo, zaradi česar BC ne deluje. Včasih pride do toplotne okvare brez električne okvare zaradi znatnega povečanja toka skozi izhod kolektorja.

Poleg tega, ko se U spremeni na K-B in E-B, se spremeni debelina teh plasti, če je B tanek, pride do upogibnega učinka (imenuje se tudi B punkcija), pri katerem sta spoja K-B in E-B povezana. Zaradi tega pojava PP preneha opravljati svoje funkcije.

Načini delovanja

Bipolarni tranzistor lahko deluje v 4 načinih:

1. Aktiven.
2. Prekinitev (RO).
3. Nasičenost (SS).
4. Pregrada (RB).

Aktivni način BT je lahko normalen (NAR) in inverzni (IAR).

Običajni aktivni način

V tem načinu U, ki je neposreden in se imenuje napetost E-B (Ue-B), teče na stičišču E-B. Način velja za optimalnega in se uporablja v večini tokokrogov. Spoj E vbrizga naboje v bazno področje, ki se premaknejo v kolektor. Slednji pospeši naboje in ustvari učinek ojačenja.

Inverzni aktivni način

V tem načinu je spoj K-B odprt. BT deluje v nasprotni smeri, tj. od K poteka vbrizgavanje luknjastih nosilcev naboja, ki potekajo skozi B. Zberejo se s prehodom E. Lastnosti ojačanja BT so šibke in BT se v tem načinu redko uporabljajo.

Način nasičenosti.

V PH sta obe stičišči odprti. Ko sta E-B in K-B povezana z zunanjimi viri v smeri naprej, bo BT deloval v PH. Difuzijsko elektromagnetno polje E in K spojev je oslabljeno z električnim poljem, ki ga ustvarjajo zunanji viri. Posledično bo prišlo do zmanjšanja pregradne sposobnosti in omejitve difuzijske sposobnosti glavnih nosilcev naboja. Začne se vbrizgavanje lukenj od stičišč E in K do B. Ta način se večinoma uporablja v analogni tehnologiji, vendar v nekaterih primerih lahko pride do izjem.

Način izklopa

V tem načinu je BT popolnoma zaprt in ne more prevajati toka. Vendar pa so v BT nepomembni tokovi nebistvenih nosilcev naboja, ki ustvarjajo toplotne tokove z majhnimi vrednostmi. Ta način se uporablja pri različnih vrstah zaščite pred preobremenitvijo in kratkim stikom.

Pregradni način

Osnova PD je prek upora povezana s K. Upor je vključen v vezje K ali E, ki nastavi količino toka (I) skozi PD. BR se pogosto uporablja v tokokrogih, ker omogoča, da BT-ji delujejo pri kateri koli frekvenci in v širšem temperaturnem območju.

Sheme ožičenja

Za pravilno uporabo in ožičenje PD-jev morate poznati njihovo klasifikacijo in vrsto. Razvrstitev bipolarnih tranzistorjev:

1. Material izdelave: germanij, silicij in arzenid galij.
2. Lastnosti izdelave.
3. Disipacija moči: nizka moč (do 0,25 W), srednja moč (0,25-1,6 W), visoka moč (nad 1,6 W).
4. Frekvenčne omejitve: nizkofrekvenčne (do 2,7 MHz), srednjefrekvenčne (2,7-32 MHz), visokofrekvenčne (32-310 MHz), ultravisoke frekvence (nad 310 MHz).
5. Funkcionalni namen.

Funkcionalni namen BT je razdeljen na naslednje vrste:

1. Nizkofrekvenčni ojačevalniki z normaliziranim in nenormaliziranim šumom (NNNKNSH).
2. Visokofrekvenčni ojačevalniki z NiNKNSH.
3. Ojačitev ultravisoke frekvence z NiNNFSH.
4. Zmogljiv visokonapetostni ojačevalnik.
5. Generator z visokimi in ultravisokimi frekvencami.
6. Visokonapetostno preklapljanje nizke in visoke moči.
7. Impulzna visoka moč za delovanje z visoko U-vrednostjo.

Poleg tega obstajajo te vrste bipolarnih tranzistorjev:

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

Obstajajo 3 vezja za preklop bipolarnega tranzistorja, vsako s svojimi prednostmi in slabostmi:

1. General B.
2. Navadni E.
3. Navadni K.

Preklop na skupno bazo (CB).

Vezje se uporablja pri visokih frekvencah, kar omogoča optimalno uporabo frekvenčnega odziva. Priključitev enega BT v načinu Oh in nato v načinu OB bo povečala njegov frekvenčni odziv. Ta povezovalna shema se uporablja v ojačevalnikih antenskega tipa. Nivo hrupa pri visokih frekvencah se zmanjša.

Prednosti:

1. Optimalne temperaturne vrednosti in široko frekvenčno območje (f).
2. Visoka vrednost v Združenem kraljestvu.

Slabosti:

1. Nizko pridobim.
2. Nizek vnos R.

Povezava z odprtim oddajnikom (OhE).

S tem vezjem pride do ojačanja U in I. Vezje se lahko napaja iz enega vira. Pogosto se uporablja v ojačevalnikih moči (P).

Prednosti:

1. Visok I, U, P dobiček.
2. Enkratno napajanje.
3. Obrne izhod izmenično U glede na vhod.

Ima pomembne pomanjkljivosti: najnižja temperaturna stabilnost in frekvenčni odziv sta slabša kot pri OB povezavi.

Povezava skupnega kolektorja (OC)

Vhodni U se v celoti prenese nazaj na vhod, Ki pa je podoben povezavi OC, vendar je U nizek.

Ta vrsta vključitve se uporablja za ujemanje stopenj, izdelanih na tranzistorjih, ali z virom vhodnega signala, ki ima visok izhod R (kondenzatorski mikrofon ali sprejemnik zvoka). Prednosti sta visoka vhodna vrednost R in nizka izhodna vrednost R. Pomanjkljivost je nizka U-ojačitev.

Glavne značilnosti bipolarnih tranzistorjev

Glavne značilnosti BT:

1. pridobim.
2. Vhod in izhod R.
3. Inverzni I-ke.
4. Čas vklopa.
5. Pogostost prenosa Ib.
6. Inverzni Ik.
7. Največja I-vrednost.

Aplikacije

Bipolarni tranzistorji se pogosto uporabljajo na vseh področjih človeške dejavnosti. Glavna uporaba je v napravah za ojačanje, generiranje električnih signalov, pa tudi v stikalnih elementih. Uporabljajo se v različnih močnostnih ojačevalnikih, v navadnih in impulznih napajalnikih z možnostjo regulacije vrednosti U in I, v računalniški tehniki.

Poleg tega se pogosto uporabljajo za gradnjo različnih zaščit potrošnikov pred preobremenitvami, konicami v U, kratkimi stiki. Pogosto se uporablja v rudarstvu, metalurški industriji.

Povezani članki: