Bipoláris tranzisztor
A bipoláris tranzisztor egy háromelektródos félvezető eszköz , a tranzisztorok egyik fajtája . A félvezető szerkezetben két pn átmenet jön létre, amelyeken keresztül a töltésátvitelt két polaritású hordozók - elektronok és lyukak - hajtják végre . Ezért az eszközt "bipolárisnak" (az angol bipoláris szóból ) nevezték el, ellentétben a terepi (unipoláris) tranzisztorral .
Elektronikus eszközökben használják elektromos rezgések erősítésére vagy generálására, valamint kapcsolóelemként (például TTL áramkörökben ).
Eszköz
A bipoláris tranzisztor három félvezető rétegből áll, váltakozó típusú szennyezővezetéssel : emitterből (jelezve "E", eng. E ), alapból ("B", eng. B ) és kollektorból ("K", eng. C ) . . A rétegek váltakozási sorrendjétől függően megkülönböztetünk npn (emitter - n - félvezető , bázis - p - félvezető , kollektor - n - félvezető) és pnp tranzisztorokat. Az egyes rétegekhez vezetőképes, nem egyenirányító érintkezők vannak csatlakoztatva [2] .
A vezetőképesség típusai szempontjából az emitter és a kollektor rétegek megkülönböztethetetlenek, de a gyártás során jelentősen eltérnek az adalékolás mértékében, hogy javítsák az eszköz elektromos paramétereit. A kollektorréteg enyhén adalékolt, ami növeli a megengedett kollektor feszültséget. Az emitter réteg erősen adalékolt: az emitter átmenet áttörési feszültségének nagysága nem kritikus, mivel a tranzisztorok általában előre előfeszített emitter átmenettel rendelkező elektronikus áramkörökben működnek. Ezenkívül az emitterréteg erős adalékolása jobb kisebbségi hordozó befecskendezést biztosít az alaprétegbe, ami növeli az áramátviteli együtthatót a közös alapáramkörökben. Az alapréteg enyhén adalékolt, mivel az emitter és a kollektor réteg között helyezkedik el, és nagy elektromos ellenállással kell rendelkeznie .
Az alap-emitter csomópont teljes területe sokkal kisebb, mint a kollektor-bázis csomópont területe, ami növeli a kisebbségi hordozók befogásának valószínűségét az alaprétegből, és javítja az átviteli együtthatót. Mivel a kollektor-bázis csomópont működési módban általában fordított előfeszítéssel van bekapcsolva, a készülék által leadott hő fő része abban szabadul fel, és a területének növekedése hozzájárul a kristály jobb hűtéséhez. Ezért a gyakorlatban az általános célú bipoláris tranzisztor aszimmetrikus eszköz (azaz az inverz kapcsolat, amikor az emitter és a kollektor felcserélődik, nem praktikus).
A frekvenciaparaméterek (sebesség) növelése érdekében az alapréteg vastagságát csökkentik, mivel többek között ez határozza meg a kisebbségi hordozók „repülési” idejét (diffúzió a sodródásmentes eszközökben). De az alap vastagságának csökkenésével a korlátozó kollektor feszültség csökken, ezért az alapréteg vastagságát ésszerű kompromisszum alapján választják ki.
A korai tranzisztorok fémes germániumot használtak félvezető anyagként . Az erre épülő félvezető eszközöknek számos hátránya van , és jelenleg (2015) a bipoláris tranzisztorok főként egykristályos szilíciumból és egykristályos gallium -arzenidből készülnek . A gallium-arzenidben lévő hordozók nagyon nagy mobilitása miatt a gallium-arzenid alapú eszközök nagy sebességgel rendelkeznek, és ultragyors logikai áramkörökben és mikrohullámú erősítő áramkörökben használatosak .
Hogyan működik
Az aktív erősítő üzemmódban a tranzisztort úgy kapcsolják be, hogy az emitter csomópontja előre - előfeszített [3] (nyitott), a kollektor átmenet pedig fordított előfeszítésű (zárt).
Egy npn típusú tranzisztorban [4] az emitterben lévő fő töltéshordozók (elektronok) egy nyitott emitter-bázis csomóponton áthaladnak ( injektálódnak ) az alapterületbe. Ezen elektronok némelyike az alapban (lyukak) rekombinálódik a többségi töltéshordozókkal. Mivel azonban az alap nagyon vékony és viszonylag enyhén adalékolt, az emitterből injektált elektronok nagy része a kollektor tartományba diffundál, mivel a rekombinációs idő viszonylag hosszú [5] . A fordított előfeszítésű kollektor csomópont erős elektromos tere lefogja az alapból a kisebbségi hordozókat (elektronokat), és átviszi a kollektorrétegbe. A kollektoráram ezért gyakorlatilag megegyezik az emitter áramával, kivéve egy kis rekombinációs veszteséget a bázisban, amely az alapáramot képezi ( I e \u003d I b + I k ).
Az α együtthatót, amely összeköti az emitter áramát és a kollektor áramát ( I k \u003d α I e ), emitter áramátviteli együtthatónak nevezzük . Az α együttható számértéke = 0,9–0,999. Minél nagyobb az együttható, a tranzisztor annál hatékonyabban továbbítja az áramot. Ez az együttható kevéssé függ a kollektor-bázis és a bázis-emitter feszültségtől. Ezért az üzemi feszültségek széles tartományában a kollektoráram arányos az alapárammal, az arányossági tényező β = α / (1 - α), 10-től 1000-ig. Így egy kis bázisáram sokkal nagyobb kollektort hajt meg. jelenlegi.
Üzemmódok
Emitter, alap, kollektor feszültségek ( ) |
Alap-kibocsátó csomópont eltolása npn típushoz |
Alap-kollektor csomópont eltolása npn típushoz |
Mód npn típushoz |
|---|---|---|---|
| közvetlen | fordított | normál aktív mód | |
| közvetlen | közvetlen | telítettségi mód | |
| fordított | fordított | levágási mód | |
| fordított | közvetlen | inverz aktív mód | |
Emitter, alap, kollektor feszültségek ( ) |
Az alap-kibocsátó csomópont eltolása pnp típushoz |
Alap-kollektor csomópont eltolása pnp típushoz |
Mód pnp típushoz |
| fordított | közvetlen | inverz aktív mód | |
| fordított | fordított | levágási mód | |
| közvetlen | közvetlen | telítettségi mód | |
| közvetlen | fordított | normál aktív mód |
Normál aktív mód
Az emitter-bázis csomópont előre [3] be van kapcsolva (nyitva), a kollektor-bázis csomópont pedig fordított irányban (zárt):
U EB < 0; U KB > 0 ( npn típusú tranzisztor esetén), pnp típusú tranzisztor esetén a feltétel így fog kinézni: U EB > 0; U KB < 0.Inverz aktív mód
Az emitter átmenet fordított előfeszítésű, a kollektor átmenet pedig előre előfeszített: U KB < 0; U EB > 0 ( npn típusú tranzisztor esetén ).
Telítettségi mód
Mindkét pn átmenet előre torzított (mindkettő nyitott). Ha az emitter és a kollektor p-n csomópontja külső forráshoz csatlakozik előrefelé, a tranzisztor telítési módban lesz. Az emitter és kollektor csomópontok diffúziós elektromos terét részben csillapítja az Ueb és Ucb külső források által létrehozott elektromos tér . Ennek eredményeként csökken a fő töltéshordozók diffúzióját korlátozó potenciálgát, és megkezdődik a lyukak behatolása (injektálása) az emitterből és a kollektorból az alapba, azaz áramok fognak átfolyni az emitteren és a kollektoron. a tranzisztor, amelyet az emitter ( I e. us ) és a kollektor ( I K. us ) telítési áramának neveznek.
A kollektor-emitter telítési feszültség (U KE. us ) a feszültségesés egy nyitott tranzisztoron (az R SI szemantikai analógja. nyitott térhatású tranzisztorokra). Hasonlóképpen , az alap-emitter telítési feszültsége (U BE. us ) a bázis és az emitter közötti feszültségesés egy nyitott tranzisztoron.
Lezárási mód
Ebben az üzemmódban a kollektor pn átmenet ellentétes irányban van előfeszítve, és az emitter átmeneten mind a fordított, mind az előre irányú előfeszítés alkalmazható, nem lépve túl azt a küszöbértéket, amelynél a kisebb töltéshordozók kibocsátása az emitterből az alapterületbe kezdődik. (szilícium tranzisztorok esetén körülbelül 0, 6-0,7 V).
A lekapcsolási mód az U EB <0,6–0,7 V, vagy I B =0 [6] [7] feltételnek felel meg .
Sorompó mód
Ebben az üzemmódban a tranzisztor egyenáramú bázisa rövidre van zárva, vagy egy kis ellenálláson keresztül a kollektorával , és a tranzisztor kollektor- vagy emitteráramköréhez egy ellenállás van csatlakoztatva , amely a tranzisztoron átvezeti az áramot. Ebben az összefüggésben a tranzisztor egyfajta dióda, amely sorba van kapcsolva egy árambeállító ellenállással. Az ilyen kaszkád áramköröket kis számú alkatrész, jó nagyfrekvenciás leválasztás, nagy üzemi hőmérséklet-tartomány és a tranzisztor paraméterei iránti érzéketlenség különbözteti meg.
Sémák váltása
Bármely tranzisztoros kapcsolóáramkört két fő mutató jellemez:
- Jelenlegi nyereség I out / I in .
- Bemeneti impedancia R in \ u003d U in / I in .
Kapcsolási séma közös alappal
- Mindhárom konfiguráció közül a legkisebb bemenettel és a legnagyobb kimeneti impedanciával rendelkezik. Egységhez közeli áramerősítése és nagy feszültségerősítése van. Nem fordítja meg a jel fázisát.
- Áramerősítés: I out / I in = I to / I e = α [α<1].
- Bemeneti ellenállás R in \ u003d U in / I in \ u003d U eb / I e .
A közös bázisú erősítő fokozat bemeneti ellenállása ( bemeneti impedancia ) nem nagyon függ az emitter áramától, az áram növekedésével csökken, és nem haladja meg az egységeket - több száz ohmot kis teljesítményű fokozatoknál, mivel a bemeneti áramkör A fokozat a tranzisztor nyitott emitteres csomópontja.
Előnyök- Jó hőmérséklet és széles frekvenciatartomány, mivel a Miller-effektus el van nyomva ebben az áramkörben .
- Magas megengedett kollektorfeszültség.
- Kis áramerősítés egyenlő α-val, mivel α mindig valamivel kisebb, mint 1
- Alacsony bemeneti impedancia
Kapcsolóáramkör közös emitterrel
- Áramerősítés: I out / I in = I to / I b = I to / ( I e -I to ) = α / (1-α) = β [β>> 1].
- Bemeneti ellenállás: R in \ u003d U in / I in \ u003d U be / I b .
- Nagy áramerősítés.
- Nagy feszültségerősítés.
- A legnagyobb teljesítménynövelés.
- Egy tápegységgel meg lehet boldogulni.
- A kimeneti váltóáramú feszültség a bemenethez képest megfordul.
- Kisebb hőmérsékleti stabilitása van. Egy ilyen zárvány frekvenciatulajdonságai lényegesen rosszabbak egy közös bázisú áramkörhöz képest, ami a Miller-effektusnak köszönhető .
Közös kollektor áramkör
- Áramerősítés: I ki / I be = I e / I b = I e / ( I e -I k ) = 1/(1-α) = β+1 [β>>1].
- Bemeneti ellenállás: R in \ u003d U in / I in \ u003d ( U be + U ke ) / I b .
- Nagy bemeneti impedancia.
- Alacsony kimeneti impedancia.
- A feszültségerősítés valamivel kisebb, mint 1.
Az ilyen beépítésű áramkört gyakran " kibocsátó követőnek " nevezik.
Alapparaméterek
- Áramátviteli együttható.
- bemeneti impedancia.
- kimeneti vezetőképesség.
- Fordított kollektor-emitter áram.
- Bekapcsolási idő.
- Az alap áramátviteli arány határfrekvenciája.
- Fordított kollektor áram.
- A megengedett legnagyobb áramerősség.
- Az áramátviteli együttható vágási frekvenciája közös emitteres áramkörben.
A tranzisztor paraméterei saját (elsődleges) és másodlagosra vannak osztva. Saját paraméterek jellemzik a tranzisztor tulajdonságait, függetlenül a beépítési sémától. A következőket fogadjuk el fő saját paraméterként:
- áramerősítés α;
- emitter, kollektor és bázis ellenállások váltakozó árammal szemben r e , r to , r b , amelyek a következők:
- r e az emitter tartomány és az emitter átmenet ellenállásainak összege;
- r k a kollektor tartomány és a kollektor átmenet ellenállásának összege;
- r b - az alap keresztirányú ellenállása.
A másodlagos paraméterek különböző tranzisztoros kapcsolóáramköröknél eltérőek, és nemlinearitása miatt csak alacsony frekvenciákra és kis jelamplitúdókra érvényesek. A másodlagos paraméterekhez több paraméterrendszert és a hozzájuk tartozó ekvivalens áramkört javasoltak. A főbbek vegyes (hibrid) paraméterek, amelyeket " h " betű jelöl.
Bemeneti ellenállás – A tranzisztor ellenállása a váltakozó áramú bemenettel szemben, amikor a kimenet zárlatos. A bemeneti áram változása a bemeneti feszültség változásának eredménye, a kimeneti feszültség visszacsatolása nélkül.
h 11 \ u003d U m1 / I m1 , ahol U m2 \u003d 0.A feszültség-visszacsatolási együttható azt mutatja meg, hogy a kimenő váltakozó feszültség mekkora hányada jut át a tranzisztor bemenetére a benne lévő visszacsatolás miatt. A tranzisztor bemeneti áramkörében nincs váltóáram, a bemeneti feszültség változása csak a kimeneti feszültség változása következtében következik be.
h 12 \ u003d U m1 / U m2 , ahol I m1 \u003d 0.Az áramátviteli tényező (áramerősítés) az AC áram erősödését jelzi nulla terhelési ellenállás mellett. A kimeneti áram csak a bemeneti áramtól függ, a kimeneti feszültség hatása nélkül.
h 21 \ u003d I m2 / I m1 , ahol U m2 \u003d 0.Output Conductance - Belső vezetés az AC számára a kimeneti kapcsok között. A kimeneti áram a kimeneti feszültség hatására változik.
h 22 \ u003d I m2 / U m2 , ahol I m1 \u003d 0.A váltakozó áramok és a tranzisztor feszültségek közötti kapcsolatot a következő egyenletek fejezik ki:
U m1 = h 11 I m1 + h 12 U m2 ; I m2 \ u003d h 21 I m1 + h 22 U m2 .A tranzisztor kapcsolóáramkörétől függően a h-paraméterek digitális indexeihez betűket adunk: "e" - az OE áramkörhöz, "b" - az OB áramkörhöz, "k" - az OK áramkörhöz.
Az OE séma esetében: I m1 = I mb , I m2 = I mk , U m1 = U mb-e , U m2 = U mk-e . Például ehhez a sémához:
h 21e \ u003d I mk / I mb \ u003d β.Az OB sémához: I m1 \ u003d I me , I m2 \ u003d I mk , U m1 \ u003d U me-b , U m2 \ u003d U mk-b .
A tranzisztor belső paraméterei h - paraméterekkel vannak társítva, például az OE áramkörhöz:
;
;
;
.
A frekvencia növekedésével a C to kollektorátmenet kapacitása érezhetően befolyásolja a tranzisztor működését . Reaktanciája csökken, tolatja a terhelést, és ezáltal csökkenti az α és β nyereséget. A C e emitter csatlakozási ellenállása is csökken, azonban az alacsony átmeneti ellenállás r e söntöli, és a legtöbb esetben figyelmen kívül hagyható. Ezenkívül a frekvencia növekedésével a β együttható további csökkenése következik be a kollektoráram fázisának az emitter áramfázisától való késése miatt, amelyet a hordozók bázison keresztül történő mozgatásának tehetetlensége okoz. csatlakozás a kollektor csomóponthoz és a töltésakkumulációs és -felszívódási folyamatok tehetetlensége a bázisban. Azokat a frekvenciákat, amelyeken az α és β együttható 3 dB-lel csökken, az OB, illetve az OE áramkörök áramátviteli együtthatójának határfrekvenciáinak nevezzük .
Impulzus üzemmódban a kollektoráram a τc késleltetési idővel késéssel változik a bemeneti áramimpulzushoz képest , amelyet a hordozók bázison áthaladó véges áthaladási ideje okoz. A hordozók felhalmozódásával a bázisban a kollektoráram növekszik a front τ f időtartama alatt . A tranzisztor bekapcsolási idejét τ on \ u003d τ c + τ f -nek nevezzük .
Áramok egy tranzisztorban
A bipoláris tranzisztorok áramának két fő összetevője van.
- Az I E emitter fő hordozóinak árama , amely részben átmegy a kollektorba, az I kollektor fő vivőinek áramát a főbe , részben rekombinálódik az alap fő vivőivel, rekombináns I alapáramot képezve. br .
- A kollektor kisebbségi árama, amely egy fordított előfeszítésű kollektor átmeneten folyik át, és I kbo fordított kollektoráramot képez .
Bipoláris mikrohullámú tranzisztor
A bipoláris mikrohullámú tranzisztorokat (BT microwave) a 0,3 GHz-nél nagyobb frekvenciájú rezgések erősítésére használják [8] . Az 1 W-nál nagyobb kimeneti teljesítményű BT mikrohullámú sütő felső frekvenciahatára körülbelül 10 GHz. A nagy teljesítményű mikrohullámú BT-k többsége npn típusú szerkezetű [9] . Az átmenetek kialakításának módszere szerint a mikrohullámú BT-k epitaxiális-síkúak . Minden mikrohullámú BT, kivéve a legkisebb fogyasztásúakat, több emitteres szerkezettel rendelkezik (fésű, háló) [10] . A BT mikrohullámú sütő teljesítménye szerint kis teljesítményűre (disszipált teljesítmény 0,3 W-ig), közepes teljesítményre (0,3-1,5 W) és erősre (1,5 W felett) oszthatók [11] . A BT mikrohullámú sütők [11] nagyszámú speciális típusát gyártják .
Tranzisztor technológia
- epitaxiális - síkbeli
- Diffúziós ötvözet.
A tranzisztorok alkalmazásai
- Erősítők , erősítő fokozatok
- Jelgenerátor
- Modulátor
- Demodulátor (detektor)
- Inverter (log. elem)
- Tranzisztor logikai mikroáramkörök (lásd tranzisztor-tranzisztor logika , dióda-tranzisztor logika , ellenállás-tranzisztor logika )
Lásd még
Jegyzetek
- ↑ GOST 2.730-73 Egységes rendszer a tervdokumentációhoz. Feltételes grafikai jelölések sémákban. Félvezető eszközök. . Letöltve: 2020. november 4. Az eredetiből archiválva : 2018. augusztus 22.
- ↑ Nem egyenirányító, vagy ohmos érintkezés - két különböző anyag érintkezése, amelyek áram-feszültség karakterisztikája polaritásváltáskor szimmetrikus és majdnem lineáris.
- ↑ 1 2 A pn átmenet előretoltsága azt jelenti, hogy a p-típusú régió pozitív potenciállal rendelkezik az n-típusú régióhoz képest.
- ↑ A pnp esetében minden érv hasonló az „elektronok” szó „lyukak” szóval való helyettesítésével és fordítva, valamint az összes feszültség ellentétes előjellel való helyettesítésével.
- ↑ Lavrentiev B. F. Az elektronikus eszközök áramköre . - M . : "Akadémia" Kiadói Központ, 2010. - S. 53 -68. — 336 p. - ISBN 978-5-7695-5898-6 .
- ↑ 7. előadás - Bipoláris tranzisztor, mint aktív négypólusú, h-paraméterek . Letöltve: 2016. március 25. Az eredetiből archiválva : 2016. április 7..
- ↑ Az elektronika fizikai alapjai: módszer. útmutató a laboratóriumi munkához / ösz. V. K. Usoltsev. - Vlagyivosztok: Távol-keleti Állami Műszaki Egyetem Kiadója, 2007. - 50 p.: ill.
- ↑ Kuleshov, 2008 , p. 284.
- ↑ Kuleshov, 2008 , p. 285.
- ↑ Kuleshov, 2008 , p. 286.
- ↑ 1 2 Kuleshov, 2008 , p. 292.
Linkek
- Bipoláris tranzisztorparaméterek online hivatkozása archiválva : 2022. március 15. a Wayback Machine -nél
- A bipoláris tranzisztorok működési elve
Irodalom
- Spiridonov N.S. A tranzisztorok elméletének alapjai. - K . : Technika, 1969. - 300 p.
- Kuleshov V.N., Udalov N.N., Bogachev V.M. és mások Lengések generálása és rádiójelek kialakítása. - M. : MPEI, 2008. - 416 p. - ISBN 978-5-383-00224-7 .