Что такое биполярный транзистор и в чем его особенность

Слово «транзистор» состоит из слов TRANSfer и resISTOR — преобразователь сопротивления. Он заменил трубы в начале 1950-х годов. Это трехконтактное устройство для усиления и переключения в электронных схемах. Прилагательное «транзистор с биполярным соединением» используется, чтобы отличить его от полевого транзистора (FET). Принцип работы биполярного транзистора заключается в том, что два pn-перехода образуют соединительный слой, который позволяет небольшому току управлять большим током. Биполярный транзистор используется как регулируемое сопротивление и как ключ. Транзисторы бывают двух типов: pnp и npn.


  • Разъем P-N
  • PNP транзистор
  • NPN транзистор
  • Схемы подключения транзисторов
  • Общий эмиттер
  • Общий коллектор
  • Общие основания
  • Два основных режима работы
  • Другие типы транзисторов

P-N переход

Германий (Ge) и кремний (Si) — полупроводники. В настоящее время в основном используется кремний. Валентность Si и Ge равна четырем. Итак, если мы добавим пятивалентный мышьяк (As) в решетку кремния, мы получим «лишний» электрон, а если мы добавим трехвалентный бор (B), мы получим свободный участок для электрона. В первом случае речь идет о «донорном» материале, отдающем электроны; во втором случае речь идет об «акцепторном» материале, принимающем электроны. Кроме того, первый тип материала называется N (отрицательный), а второй тип — P (положительный).

Если материалы P и N вступают в контакт друг с другом, между ними возникает ток и устанавливается динамическое равновесие с обедненной областью, в которой концентрация носителей заряда — электронов и вакансий («дырок») — мала. Этот слой имеет однонаправленную проводимость и служит основой устройства, называемого диодом. Непосредственный контакт с материалом не произведет качественного перехода; термоядерный синтез (диффузия) или «загон» легирующих ионов в кристалл под вакуумом необходим.

PNP-транзистор

Первые биполярные транзисторы были созданы путем сплавления капель индия в кристалл германия (материал n-типа). Ind (In) — трехвалентный металл, материал p-типа, поэтому такой транзистор называется диффузионным (сплавным) транзистором со структурой p-n-p (или pnp). Биполярный транзистор на рисунке ниже был изготовлен в 1965 году. Его тело отрезано для ясности.

Кристалл германия в центре называется базой, а внедренные в него капли индия — эмиттером и коллектором. Переходы EB (эмиттер) и CB (коллектор) можно рассматривать как обычные диоды, но переход KE (коллектор-эмиттер) имеет особое свойство. Поэтому сделать биполярный транзистор из двух отдельных диодов невозможно.

Если напряжение в несколько вольт приложено между коллектором (-) и эмиттером (+) в pnp-транзисторе, в цепи протекает очень небольшой ток в несколько мкА. Если затем вы приложите небольшое (размыкающее) напряжение между базой (-) и эмиттером (+) — для германия оно составляет около 0,3 В (а для кремния 0,6 В) — ток некоторой величины будет течь от эмиттера к базе. Но поскольку база очень тонкая, она быстро насытится дырками (она «потеряет» лишние электроны, которые окажутся в эмиттере). Поскольку дырочная проводимость в эмиттере сильно легирована, а рекомбинация электронов несколько задерживается в слаболегированной базе, от эмиттера к коллектору будет течь гораздо больше тока. Коллектор больше эмиттера и слегка легирован, поэтому имеет более высокое напряжение пробоя (U

sample.QE

>
В

проблема EB

). Кроме того, поскольку большинство отверстий в коллекторе объединяются, он нагревается больше, чем другие электроды в устройстве.

Между током коллектора и током эмиттера существует зависимость:

Обычно α находится в диапазоне 0,85–0,999 и обратно зависит от толщины подложки. Это значение называется коэффициентом передачи тока эмиттера. На практике обратная величина (также обозначаемая как h

21e

):

Это коэффициент передачи тока базы, один из важнейших параметров биполярного транзистора. На практике именно она чаще всего определяет укрепляющие свойства.

Транзистор pnp называется прямым транзистором.лидерство. Однако есть еще один тип транзистора, структура которого идеально дополняет pnp в схемотехнике.

NPN-транзистор

Биполярный транзистор может иметь коллектор с эмиттером из материала типа N. Тогда база сделана из материала P. И в этом случае транзистор npn работает точно так же, как транзистор pnp, за исключением его поляризации — это транзистор с обратной проводимостью.

Транзисторы на основе кремния своим числом подавляют все другие типы биполярных транзисторов. Материалом донора для коллектора и эмиттера может быть As, имеющий «лишний» электрон. Изменилась и технология изготовления транзисторов. Теперь они планарные, что позволяет использовать литографию и создавать интегральные схемы. На рисунке ниже показан планарный биполярный транзистор (как часть ИС при большом увеличении). И pnp, и npn-транзисторы сделаны по планарной технологии, включая транзисторы большой мощности. Сплавные транзисторы были сняты с производства.

Поперечное сечение планарного биполярного транзистора показано на рисунке ниже (упрощенная схема).

На фото видно, насколько удачна конструкция планарного транзистора — коллектор эффективно охлаждается кристаллической подложкой. Также изготавливается планарный pnp-транзистор.

Обозначение биполярного транзистора показано на рисунке ниже.

Эти УГО имеют международный характер и также применяются по ГОСТ 2.730-73.

Схемы включения транзисторов

Обычно в прямом подключении всегда используется биполярный транзистор — обратная полярность на переходе КЕ ничего интересного не дает. Есть три схемы для прямого подключения: общий эмиттер (CE), общий коллектор (OC) и общая база (BC). Все три подключения показаны ниже. Они только объясняют сам принцип работы — при условии, что рабочая точка каким-то образом фиксируется через дополнительный источник питания или вспомогательную цепь. Для открытия кремниевого (Si) транзистора требуется потенциал определенного значения.

0,6 В между эмиттером и базой, а для германиевого транзистора a

Общий эмиттер

Напряжение U1 вызывает ток Ib, ток коллектора Ik равен току базы, умноженному на β. Напряжение + E должно быть достаточно высоким: 5-15 В. Эта схема хорошо усиливает ток и напряжение, а значит, и мощность. Выходной сигнал инвертирован по фазе входному сигналу (инвертирован). Это используется в цифровых технологиях как функция НЕ.

Если транзистор работает не в режиме манипуляции, а как усилитель слабого сигнала (активный или линейный режим), то, выбрав базовый ток, можно получить напряжение

2

равным E / 2, чтобы выходной сигнал не искажался. Такое приложение используется, например, для усиления аудиосигналов в усилителях высокого класса с низкими искажениями и, следовательно, низкой эффективностью.

Общий коллектор

Схема OC не усиливает напряжение, здесь коэффициент усиления α

1. Поэтому эта схема называется эмиттерным усилителем. Ток в цепи эмиттера в β + 1 раз больше, чем в цепи базы. Эта схема хорошо усиливает ток и имеет низкое выходное сопротивление и очень высокое входное сопротивление. (Сейчас самое время вспомнить, что транзистор называется трансформатором импеданса.)

Эмиттерный усилитель имеет характеристики и рабочие параметры, очень подходящие для пробников осциллографов. Он имеет высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс, что хорошо для согласования с кабелями с низким сопротивлением.

Общая база

Эта схема имеет наименьшее входное сопротивление, но ее коэффициент усиления по току равен α. Схема с общей базой хороша для усиления напряжения, но не для источника питания. Особенностью является устранение эффектов емкостной связи (эффект Миллера). Эти каскады идеальны в качестве входных усилительных каскадов в скоординированных ВЧ схемах с низким импедансом 50 и 75 Ом.

Каскады с общей базой очень широко используются в микроволновой технике, и их использование в радиоэлектронике с каскадом эмиттерного усилителя очень распространено.

Два основных режима работы

Возможны разные режимы работы «малый» и»большой». В первом случае биполярный транзистор работает на небольшой части своих характеристик, и это используется в аналоговой технике. В таких случаях важны линейность усиления сигнала и низкий уровень шума. Это линейный режим.

Во втором случае (ключевой режим) биполярный транзистор работает в полном диапазоне — от насыщения до отсечки, как ключ. Это означает, что если мы посмотрим на форму волны pn перехода, нам нужно приложить небольшое обратное напряжение между базой и эмиттером, чтобы полностью заблокировать транзистор, а также полностью открыть транзистор, когда он переходит в режим насыщения, немного увеличивая ток базы, по сравнению с в режим слабого сигнала. Тогда транзистор работает как импульсный переключатель. Этот режим используется в импульсных и силовых устройствах, а также в импульсных источниках питания. В таких случаях цель состоит в том, чтобы получить малое время переключения транзисторов.

Цифровая логика характеризуется промежуточным положением между «высоким» и «низким» сигналом. Низкий логический уровень ограничен 10% напряжения питания, а высокий логический уровень ограничен 90%. Задержки и время переключения сокращены до предела. Этот режим работы очень важен, но мощность сведена к минимуму. Каждый логический элемент — это ключ.

Другие виды транзисторов

Базовые, уже описанные типы транзисторов не ограничивают их устройства. Выпускаются сложные транзисторы (схема Дарлингтона). Их β очень велико и равно произведению коэффициентов обоих транзисторов, поэтому их еще называют «супербета» транзисторами.

Электротехника уже хорошо известна по IGBT (биполярным транзисторам с изолированным затвором) с изолированным затвором. Затвор полевого транзистора фактически изолирован от его канала. Но стоит вопрос о подзарядке его входной емкости при переключении, поэтому без электричества даже здесь это невозможно.

Такие транзисторы используются в мощных переключателях: импульсных преобразователях, инверторах и т. Д. На стороне входа IGBT очень чувствительны из-за высокого сопротивления затвора полевых транзисторов. На выходе они могут производить огромные токи и могут быть рассчитаны на высокое напряжение. Например, в США есть новая солнечная электростанция, где такие транзисторы в мостовой схеме загружены на огромные трансформаторы, подающие энергию в промышленную сеть.

Таким образом, транзисторы, попросту говоря, являются «рабочей лошадкой» всей современной электроники. Они используются везде, от электровозов до мобильных телефонов. Сегодня каждый компьютер почти полностью состоит из транзисторов. Физическая основа транзисторов хорошо изучена и обещает много новых разработок.