Τι είναι το διπολικό τρανζίστορ και ποιο είναι το χαρακτηριστικό του
Η λέξη "τρανζίστορ" αποτελείται από τις λέξεις TRANSfer και resISTOR - μετατροπέας αντίστασης. Αντικατέστησε τους λαμπτήρες στις αρχές της δεκαετίας του 1950. Πρόκειται για μια συσκευή τριών ακίδων που χρησιμοποιείται για ενίσχυση και εναλλαγή σε ηλεκτρονικά κυκλώματα. Το επίθετο "διπολικό" (διπολικό τρανζίστορ διασταύρωσης) χρησιμοποιείται για τη διάκριση από τα τρανζίστορ εφέ πεδίου (FET - τρανζίστορ εφέ πεδίου). Η αρχή της λειτουργίας ενός διπολικού τρανζίστορ είναι η χρήση δύο συνδέσεων p-n που σχηματίζουν ένα στρώμα φραγμού, το οποίο επιτρέπει σε ένα μικρό ρεύμα να ελέγχειπερίπουμε το υψηλότερο ρεύμα. Το διπολικό τρανζίστορ χρησιμοποιείται τόσο ως ελεγχόμενη αντίσταση όσο και ως κλειδί. Τα τρανζίστορ είναι δύο τύπων: pnp και npn.
Διασταύρωση P-N
Το Germanium (Ge) και το πυρίτιο (Si) είναι ημιαγωγοί. Τώρα χρησιμοποιείται κυρίως πυρίτιο. Η ισχύς των Si και Ge είναι τέσσερις. Επομένως, εάν προσθέσουμε πεντασθενές αρσενικό στο κρυσταλλικό πλέγμα πυριτίου (As), έχουμε ένα «επιπλέον» ηλεκτρόνιο, και αν προσθέσουμε τρισθενές βόριο (B), έχουμε μια κενή θέση για ένα ηλεκτρόνιο. Στην πρώτη περίπτωση, μιλούν για ένα υλικό «δότη» που δίνει ηλεκτρόνια, στη δεύτερη περίπτωση για ένα «δέκτη» υλικό που δέχεται ηλεκτρόνια. Επίσης, ο πρώτος τύπος υλικού ονομάζεται N (αρνητικός) και ο δεύτερος - P (θετικός).
Εάν τα υλικά των τύπων Ρ και Ν έρθουν σε επαφή, θα δημιουργηθεί ένα ρεύμα μεταξύ τους και θα δημιουργηθεί μια δυναμική ισορροπία με μια εξαντλημένη περιοχή, όπου η συγκέντρωση των φορέων φόρτισης - ηλεκτρόνια και κενές θέσεις ("οπές") - είναι μικρή. Αυτό το στρώμα έχει μονόπλευρη αγωγιμότητα και χρησιμεύει ως βάση για μια συσκευή που ονομάζεται δίοδος. Η άμεση επαφή των υλικών δεν θα δημιουργήσει μια ποιοτική μετάβαση · είναι απαραίτητη η κράμα (διάχυση) ή η «απόφραξη» των προσβεβλημένων ιόντων σε κρύσταλλο σε κενό.
Τρανζίστορ PNP
Για πρώτη φορά, ένα διπολικό τρανζίστορ κατασκευάστηκε με τήξη σταγονιδίων ινδίου σε κρύσταλλο γερμανίου (υλικό τύπου-n). Το Indium (In) είναι ένα τρισθενές μεταλλικό υλικό τύπου p. Επομένως, ένα τέτοιο τρανζίστορ ονομάστηκε διάχυτο (κράμα) με δομή p-n-p (ή pnp). Το διπολικό τρανζίστορ στο παρακάτω σχήμα κατασκευάστηκε το 1965. Το σώμα του κόβεται για ευκρίνεια.
Ο κρύσταλλος γερμανίου στο κέντρο ονομάζεται βάση, και τα σταγονίδια ινδίου που λιώνουν σε αυτό ονομάζονται εκπομπούς και συλλέκτες. Είναι δυνατόν να θεωρήσουμε τις μεταβάσεις EB (emitter) και KB (συλλέκτης) ως συνηθισμένες διόδους, αλλά το μεταβατικό CE (συλλέκτης-emitter) έχει μια ειδική ιδιότητα. Επομένως, είναι αδύνατο να κατασκευαστεί ένα διπολικό τρανζίστορ από δύο ξεχωριστές διόδους.
Εάν εφαρμοστεί τάση πολλών βολτ μεταξύ του συλλέκτη (-) και του εκπομπού (+) σε ένα τρανζίστορ τύπου pnp, ένα πολύ ασθενές ρεύμα, μερικά μΑ, θα ρέει στο κύκλωμα. Εάν τότε εφαρμοστεί μια μικρή τάση (άνοιγμα) μεταξύ της βάσης (-) και του πομπού (+) - για το γερμάνιο είναι περίπου 0,3 V (και για το πυρίτιο 0,6 V) - τότε ένα ρεύμα κάποιου μεγέθους θα ρέει από τον πομπό στη βάση.Αλλά επειδή η βάση είναι πολύ λεπτή, θα κορεστεί γρήγορα με τρύπες («χάνει» την περίσσεια των ηλεκτρονίων που θα πάνε στον πομπό). Δεδομένου ότι ο πομπός έχει βαριά πρόσμιξη με αγωγιμότητα οπών και ο ανασυνδυασμός ηλεκτρονίων στη βάση με ασθενή πρόσμιξη καθυστερεί λίγο, τότεπερίπουτο μεγαλύτερο μέρος του ρεύματος θα ρέει από τον πομπό στον συλλέκτη. Ο συλλέκτης είναι μεγαλύτερος από τον πομπό και έχει ελαφρώς προσβληθεί, κάτι που το επιτρέπειπερίπουχαμηλότερη τάση βλάβης (UΔείγμα CE> UΔείγμα EB) Επίσης, δεδομένου ότι το μεγαλύτερο μέρος των οπών ανασυνδυάζεται στον συλλέκτη, θερμαίνεται πιο έντονα από τα άλλα ηλεκτρόδια της συσκευής.
Μεταξύ του συλλέκτη και του ρεύματος εκπομπής υπάρχει ένας λόγος:
Συνήθως, το α βρίσκεται στο εύρος 0,85-0,999 και αντιστρόφως εξαρτάται από το πάχος της βάσης. Αυτή η τιμή ονομάζεται συντελεστής μεταφοράς ρεύματος πομπού. Στην πράξη, το αντίστροφο χρησιμοποιείται συχνά (συμβολίζεται επίσης με h21ε):
Αυτός είναι ο βασικός συντελεστής μεταφοράς ρεύματος, μία από τις πιο σημαντικές παραμέτρους ενός διπολικού τρανζίστορ. Πιο συχνά καθορίζει τις βελτιωτικές ιδιότητες στην πράξη.
Το τρανζίστορ PNP ονομάζεται τρανζίστορ μπροστινού αγωγού. Αλλά υπάρχει ένας άλλος τύπος τρανζίστορ, η δομή του οποίου συμπληρώνει τέλεια το pnp στο κύκλωμα.
Τρανζίστορ NPN
Το διπολικό τρανζίστορ μπορεί να έχει συλλέκτη με εκπομπό υλικού τύπου Ν. Στη συνέχεια, η βάση είναι κατασκευασμένη από υλικό τύπου Ρ. Και σε αυτήν την περίπτωση, το τρανζίστορ npn λειτουργεί ακριβώς όπως το pnp, με εξαίρεση την πολικότητα - είναι ένα τρανζίστορ αντίστροφης αγωγιμότητας.
Τα τρανζίστορ με βάση το πυρίτιο καταστέλλουν με τον αριθμό τους όλους τους άλλους τύπους διπολικών τρανζίστορ. Ως υλικό δότη για τον συλλέκτη και τον εκπομπό μπορεί να χρησιμεύσει ως As, έχοντας ένα "επιπλέον" ηλεκτρόνιο. Η τεχνολογία κατασκευής τρανζίστορ έχει επίσης αλλάξει. Τώρα είναι επίπεδα, γεγονός που καθιστά δυνατή τη χρήση λιθογραφίας και την κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Η παρακάτω εικόνα δείχνει ένα επίπεδο διπολικό τρανζίστορ (ως μέρος ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος σε υψηλή μεγέθυνση). Σύμφωνα με την επίπεδη τεχνολογία, κατασκευάζονται και τα δύο τρανζίστορ pnp και npn, συμπεριλαμβανομένων ισχυρών. Το κράμα έχει ήδη διακοπεί.
Το επίπεδο διπολικό τρανζίστορ στο πλαίσιο της παρακάτω εικόνας (απλοποιημένο διάγραμμα).
Η εικόνα δείχνει πόσο καλά διαμορφώνεται ο σχεδιασμός του επίπεδου τρανζίστορ - ο συλλέκτης ψύχεται αποτελεσματικά από το κρυσταλλικό υπόστρωμα. Κατασκευάζεται επίσης ένα επίπεδο τρανζίστορ pnp.
Οι συμβατικές γραφικές ονομασίες ενός διπολικού τρανζίστορ φαίνονται στην ακόλουθη εικόνα.
Αυτά τα UGO είναι διεθνή και ισχύουν επίσης σύμφωνα με το GOST 2.730-73.
Κυκλώματα μεταγωγής τρανζίστορ
Συνήθως ένα διπολικό τρανζίστορ χρησιμοποιείται πάντα σε άμεση σύνδεση - η αντίστροφη πολικότητα στη διασταύρωση FE δεν δίνει τίποτα ενδιαφέρον. Για ένα σχήμα άμεσης σύνδεσης, υπάρχουν τρία σχήματα σύνδεσης: ένας κοινός πομπός (ΟΕ), ένας κοινός συλλέκτης (ΟΚ) και μια κοινή βάση (ΟΒ). Και τα τρία εγκλείσματα φαίνονται παρακάτω. Εξηγούν μόνο την ίδια την αρχή της λειτουργίας - υποθέτοντας ότι το σημείο λειτουργίας εγκαθίσταται με κάποιον τρόπο χρησιμοποιώντας μια πρόσθετη πηγή ισχύος ή βοηθητικό κύκλωμα. Για να ανοίξετε ένα τρανζίστορ πυριτίου (Si), είναι απαραίτητο να υπάρχει δυναμικότητα ~ 0,6 V μεταξύ του πομπού και της βάσης και για ένα γερμάνιο είναι αρκετό ~ 0,3 V.
Κοινή εκπομπή
Η τάση U1 προκαλεί ρεύμα Ib, το ρεύμα συλλέκτη Ik είναι ίσο με το ρεύμα βάσης πολλαπλασιασμένο επί β. Σε αυτήν την περίπτωση, η τάση + E θα πρέπει να είναι αρκετά μεγάλη: 5 V-15 V. Αυτό το κύκλωμα ενισχύει το ρεύμα και την τάση και, συνεπώς, την ισχύ. Το σήμα εξόδου είναι αντίθετο σε φάση με την είσοδο (ανεστραμμένο). Αυτό χρησιμοποιείται στην ψηφιακή τεχνολογία ως συνάρτηση του NOT.
Εάν το τρανζίστορ δεν λειτουργεί στη λειτουργία κλειδιού, αλλά ως ενισχυτής μικρών σημάτων (ενεργή ή γραμμική λειτουργία), τότε, χρησιμοποιώντας την επιλογή του ρεύματος βάσης, η τάση U ρυθμίζεται2 ίσο με E / 2 έτσι ώστε το σήμα εξόδου να μην παραμορφώνεται. Μια τέτοια εφαρμογή χρησιμοποιείται, για παράδειγμα, στην ενίσχυση ηχητικών σημάτων σε ενισχυτές υψηλού επιπέδου με χαμηλή παραμόρφωση και, ως εκ τούτου, χαμηλή απόδοση.
Κοινός συλλέκτης
Όσον αφορά την τάση, το κύκλωμα ΟΚ δεν ενισχύεται, εδώ το κέρδος είναι α ~ 1.Επομένως, αυτό το κύκλωμα ονομάζεται εκπομπός εκπομπής. Το ρεύμα στο κύκλωμα εκπομπής είναι β + 1 φορές μεγαλύτερο από το βασικό κύκλωμα. Αυτό το κύκλωμα ενισχύει το ρεύμα του φρεατίου και έχει χαμηλή έξοδο και πολύ υψηλή αντίσταση εισόδου. (Αυτή είναι η ώρα να θυμόμαστε ότι το τρανζίστορ ονομάζεται μετασχηματιστής αντίστασης.)
Ο ακόλουθος εκπομπού έχει ιδιότητες και παραμέτρους λειτουργίας που είναι πολύ κατάλληλες για ανιχνευτές παλμογράφων. Χρησιμοποιεί την τεράστια σύνθετη αντίσταση εισόδου και χαμηλή απόδοση, κάτι που είναι καλό για αντιστοίχιση με καλώδιο χαμηλής αντίστασης.
Κοινή βάση
Αυτό το κύκλωμα χαρακτηρίζεται από τη χαμηλότερη αντίσταση εισόδου, αλλά το τρέχον κέρδος του είναι ίσο με το α. Ένα κοινό κύκλωμα βάσης ενισχύεται καλά σε τάση, αλλά όχι σε ισχύ. Το χαρακτηριστικό του είναι η εξάλειψη της επίδρασης της ανατροφοδότησης στην χωρητικότητα (εφέ Miller). Οι καταρράκτες με OBs ταιριάζουν ιδανικά ως στάδια εισόδου ενισχυτών σε διαδρομές ραδιοσυχνοτήτων που ταιριάζουν σε χαμηλές αντιστάσεις 50 και 75 Ohms.
Οι καταρράκτες με κοινή βάση χρησιμοποιούνται ευρέως στην τεχνολογία μικροκυμάτων και η χρήση τους σε ραδιοηλεκτρονικά με έναν καταρράκτη οπαδών εκπομπών είναι πολύ συχνή.
Δύο βασικοί τρόποι λειτουργίας
Κάντε διάκριση μεταξύ τρόπων λειτουργίας χρησιμοποιώντας το σήμα "μικρό" και "μεγάλο". Στην πρώτη περίπτωση, το διπολικό τρανζίστορ λειτουργεί σε μια μικρή περιοχή των χαρακτηριστικών του και αυτό χρησιμοποιείται στην αναλογική τεχνολογία. Σε τέτοιες περιπτώσεις, η γραμμικότητα της ενίσχυσης σήματος και ο χαμηλός θόρυβος είναι σημαντικές. Αυτή είναι μια γραμμική λειτουργία.
Στη δεύτερη περίπτωση (λειτουργία κλειδιού), το διπολικό τρανζίστορ λειτουργεί σε πλήρη γκάμα - από κορεσμό έως κοπή, σαν κλειδί. Αυτό σημαίνει ότι εάν κοιτάξετε τα χαρακτηριστικά I - V της διασταύρωσης pn, θα πρέπει να εφαρμόσετε μια μικρή αντίστροφη τάση μεταξύ της βάσης και του πομπού για να κλειδώσετε εντελώς το τρανζίστορ και να ανοίξετε πλήρως όταν το τρανζίστορ τεθεί σε λειτουργία κορεσμού, αυξήστε ελαφρώς το ρεύμα βάσης σε σύγκριση με τη λειτουργία χαμηλού σήματος. Τότε το τρανζίστορ λειτουργεί σαν διακόπτης παλμού. Αυτή η λειτουργία χρησιμοποιείται σε συσκευές εναλλαγής και τροφοδοσίας, χρησιμοποιείται για εναλλαγή τροφοδοτικών. Σε τέτοιες περιπτώσεις, προσπαθούν να επιτύχουν ένα σύντομο χρόνο εναλλαγής των τρανζίστορ.
Η ψηφιακή λογική χαρακτηρίζεται από μια ενδιάμεση θέση μεταξύ των «μεγάλων» και «μικρών» σημάτων. Ένα χαμηλό επίπεδο λογικής περιορίζεται κατά 10% της τάσης τροφοδοσίας και ένα υψηλό κατά 90%. Οι καθυστερήσεις και οι εναλλαγές χρόνου επιδιώκουν τη μείωση στο όριο. Αυτός ο τρόπος λειτουργίας είναι βασικός, αλλά προσπαθούν να ελαχιστοποιήσουν την ισχύ εδώ. Κάθε λογικό στοιχείο είναι το κλειδί.
Άλλοι τύποι τρανζίστορ
Οι κύριοι τύποι τρανζίστορ που έχουν ήδη περιγραφεί δεν περιορίζουν τη διάταξή τους. Παράγονται σύνθετα τρανζίστορ (κύκλωμα Darlington). Το β τους είναι πολύ μεγάλο και ίσο με το προϊόν των συντελεστών και των δύο τρανζίστορ, επομένως ονομάζονται επίσης «superbet» τρανζίστορ.
Η ηλεκτρολογία έχει ήδη κυριαρχήσει IGBT (μονωμένο διπολικό τρανζίστορ πύλης), με απομονωμένη πύλη. Η πύλη του τρανζίστορ εφέ πεδίου είναι πράγματι απομονωμένη από το κανάλι της. Είναι αλήθεια ότι υπάρχει ζήτημα επαναφόρτισης της χωρητικότητας εισόδου κατά τη διάρκεια της αλλαγής, οπότε, χωρίς ρεύμα, δεν μπορεί να κάνει εδώ.
Τέτοια τρανζίστορ χρησιμοποιούνται σε ισχυρούς διακόπτες ισχύος: μετατροπείς παλμών, μετατροπείς κ.λπ. Οι είσοδοι IGBT είναι πολύ ευαίσθητοι λόγω της υψηλής αντίστασης πύλης των τρανζίστορ εφέ πεδίου. Κατά την έξοδο - δίνουν την ευκαιρία να λαμβάνουν τεράστια ρεύματα και μπορούν να κατασκευαστούν για υψηλή τάση. Για παράδειγμα, στις ΗΠΑ υπάρχει ένας νέος σταθμός ηλιακής ενέργειας, όπου τέτοια τρανζίστορ στο κύκλωμα γέφυρας είναι φορτωμένα με ισχυρούς μετασχηματιστές που μεταφέρουν ενέργεια στο βιομηχανικό δίκτυο.
Συμπερασματικά, σημειώνουμε ότι τα τρανζίστορ, με απλά λόγια, είναι το «άλογο εργασίας» όλων των σύγχρονων ηλεκτρονικών. Χρησιμοποιούνται παντού: από ηλεκτρικές μηχανές έως κινητά τηλέφωνα. Κάθε σύγχρονος υπολογιστής αποτελείται από σχεδόν όλα τα τρανζίστορ. Τα φυσικά θεμέλια της λειτουργίας των τρανζίστορ είναι καλά κατανοητά και υπόσχονται πολλά ακόμη νέα επιτεύγματα.
Σχετικά υλικά:
Φόρτωση ...
