Zařízení a činnost bipolárního tranzistoru

Tranzistor je aktivní polovodičové zařízení, pomocí kterého se provádí zesílení, konverze a generování elektrických kmitů. Takové použití tranzistoru lze pozorovat v analogové technologii. Jiné než to tranzistory Používají se také v digitální technologii, kde se používají v klíčovém režimu. Ale v digitálních zařízeních jsou téměř všechny tranzistory „skryté“ uvnitř integrovaných obvodů, v obrovském množství a v mikroskopických velikostech.

Zde se nebudeme příliš soustředit na elektrony, díry a atomy, které již byly popsány v předchozích částech článku, ale na některé z nich, bude-li to nutné, bude stále třeba pamatovat.

Polovodičová dioda se skládá z jednoho p-n spojení, jehož vlastnosti byly popsány v předchozí části článku. Tranzistor, jak víte, tedy sestává ze dvou přechodů polovodičová dioda lze považovat za předchůdce tranzistoru nebo jeho polovinu.

Pokud je p-n spojení v klidu, pak jsou otvory a elektrony distribuovány, jak je znázorněno na obrázku 1, vytvářející potenciální bariéru. Budeme se snažit nezapomenout na konvence elektronů, děr a iontů znázorněné na tomto obrázku.

Obrázek 1

Jak je to bipolární tranzistor

Zařízení bipolární tranzistor jednoduché na první pohled. K tomu stačí vytvořit dvě pn křižovatky na jedné polovodičové desce nazvané základna. Byly popsány některé způsoby vytvoření pn křižovatky. v předchozích částech článkuproto se zde nebudeme opakovat.

Pokud je vodivost báze typu p, bude mít výsledný tranzistor strukturu n-p-n (vyslovuje se „en-pe-en“). A když se jako základna použije deska typu n, získáme tranzistor struktury p-n-p (pe-en-pe).

Jakmile to přijde na základnu, měli byste věnovat pozornost této věci: polovodičový oplatka použitá jako základna je velmi tenká, mnohem tenčí než emitor a kolektor. Toto tvrzení by mělo být zapamatováno, protože bude potřeba v procesu vysvětlování fungování tranzistoru.

Přirozeně, pro připojení k „vnějšímu světu“ z každé oblasti p a n přichází dráty. Každá z nich má název oblasti, ke které je připojena: emitor, základna, kolektor. Takový tranzistor se nazývá bipolární tranzistor, protože používá dva typy nosičů nábojů - díry a elektrony. Schematická struktura tranzistorů obou typů je znázorněna na obrázku 2.

Obrázek 2

V současné době se ve větší míře používají křemíkové tranzistory. Germaniové tranzistory jsou téměř zcela zastaralé, nahrazují se křemíkem, takže další příběh bude o nich, ačkoli germanium bude někdy zmíněno. Většina křemíkových tranzistorů má strukturu n-p-n, protože tato struktura je technologicky vyspělejší ve výrobě.

Doplňkové páry tranzistorů

U germaniových tranzistorů byla struktura p-n-p zjevně technologicky vyspělejší, proto germánské tranzistory měly z větší části přesně tuto strukturu. Ačkoli, jako součást komplementárních párů (tranzistory blízké parametry, které se lišily pouze typem vodivosti), byly vyrobeny také germaniové tranzistory různé vodivosti, například GT402 (p-n-p) a GT404 (n-p-n).

Takový pár byl použit jako výstupní tranzistory v ULF různých rádiových zařízení. A pokud v historii klesly nemoderní germaniové tranzistory, pak se stále vyrábějí doplňkové páry křemíkových tranzistorů, od tranzistorů v SMD balíčcích až po výkonné tranzistory pro výstupní fáze ULF.

Mimochodem, zvukové zesilovače na germaniových tranzistorech byly milovníky hudby vnímány téměř jako trubkové. No, možná trochu horší, ale mnohem lepší než křemíkové tranzistorové zesilovače. Toto je pouze informativní.

Jak tranzistor funguje

Abychom pochopili, jak tranzistor funguje, musíme se znovu vrátit do světa elektronů, děr, dárců a akceptorů. Je pravda, že nyní to bude o něco jednodušší a ještě zajímavější než v předchozích částech článku. Takovou poznámku bylo třeba učinit, aby čtenáře neděsilo, aby to všechno bylo možné přečíst až do konce.

Obrázek 3 výše ukazuje podmíněné grafické označení tranzistorů na elektrických obvodech a pod p-n jsou křivky tranzistorů znázorněny ve formě polovodičových diod, které jsou rovněž zahrnuty v opačném směru. Tato reprezentace je velmi výhodná při kontrole tranzistoru multimetrem.

Obrázek 3

A obrázek 4 ukazuje vnitřní strukturu tranzistoru.

Na tomto obrázku musíte trochu netrpělivě uvažovat.

Obrázek 4

Takže projde současný nebo ne?

Zde je ukázáno, jak je zdroj energie připojen k tranzistoru struktury n-p-n, a je v takové polaritě, že je připojen ke skutečným tranzistorům v reálných zařízeních. Pokud se ale podíváte blíže, ukáže se, že proud neprochází dvěma p-n křižovatkami, skrze dvě potenciální bariéry: bez ohledu na to, jak změníte polaritu napětí, bude jedna z křižovatek nutně v uzamčeném nevodivém stavu. Prozatím tedy necháme všechno, jak je znázorněno na obrázku, a uvidíme, co se tam stane.

Nekontrolovaný proud

Když zapnete aktuální zdroj, jak je znázorněno na obrázku, je přechod emitor-báze (n-p) v otevřeném stavu a snadno bude procházet elektrony ve směru zleva doprava. Poté, co se elektrony srazí s emitorem uzavřené spojovací základny (p-n), který tento pohyb zastaví, bude cesta pro elektrony uzavřena.

Ale jako vždy a všude existují výjimky ze všech pravidel: některé velmi hbité elektrony budou moci tuto bariéru pod vlivem teploty překonat. Proto, i když nevýznamný proud s takovým zahrnutím bude stále. Tento menší proud se nazývá počáteční proud nebo saturační proud. Příjmení je způsobeno tím, že na tvorbě tohoto proudu se podílejí všechny volné elektrony, které jsou schopny překonat potenciální bariéru při dané teplotě.

Počáteční proud je nekontrolovatelný, je k dispozici pro jakýkoli tranzistor, ale zároveň je málo závislý na externím napětí. Pokud se to, napětí, výrazně zvýší (v rozumném rozsahu uvedeném v adresářích), počáteční proud se příliš nezmění. Ale tepelný účinek na tento proud je velmi znatelný.

Další zvýšení teploty způsobí zvýšení počátečního proudu, což zase může vést k dalšímu ohřevu pn křižovatky. Taková tepelná nestabilita může vést k tepelnému rozkladu, destrukci tranzistoru. Proto by měla být přijata opatření k ochlazení tranzistorů a při zvýšených teplotách nevystavujte extrémní napětí.

Nyní si pamatujte základnu

Zahrnutí tranzistoru visící báze popsaného výše není nikde použito v praktických schématech. Obrázek 5 proto ukazuje správné začlenění tranzistoru. K tomu bylo nutné aplikovat na základnu nějaké malé napětí vzhledem k emitoru a ve směru vpřed (vzpomeňte na diodu a znovu se podívejte na obrázek 3).

Obrázek 5

Pokud se v případě diody zdá vše jasné, - proud se otevřel a prošel jím, pak se v tranzistoru vyskytnou další události. Při působení emitorového proudu elektrony spěchají k základně s vodivostí p z emitoru s vodivostí n. V tomto případě část elektronů vyplní díry umístěné v základní oblasti a nepatrný proud protéká základním terminálem - základní proud Ib. Zde je třeba mít na paměti, že základna je tenká a je v ní málo otvorů.

Zbývající elektrony, které neměly dostatek děr v tenké základně, spěchají do kolektoru a odtud budou extrahovány vyšším potenciálem Ek-e kolektorové baterie. Pod tímto vlivem elektrony překonají druhou potenciální bariéru a vrátí se do emitoru přes baterii.

Tedy malé napětí aplikované na křižovatku základna-emitor přispívá k otevření křižovatky základna-kolektor v opačném směru. Ve skutečnosti se jedná o tranzistorový efekt.

Zbývá jen zvážit, jak toto „malé napětí“ aplikované na základnu ovlivňuje proud kolektoru, jaké jsou jejich hodnoty a poměry. Ale o tomto příběhu v další části článku o tranzistorech.

Pokračování článku: Charakteristika bipolárních tranzistorů

Boris Aladyshkin