Urządzenie i działanie tranzystora bipolarnego

Tranzystor jest aktywnym urządzeniem półprzewodnikowym, za pomocą którego przeprowadza się wzmocnienie, konwersję i generowanie oscylacji elektrycznych. Takie zastosowanie tranzystora można zaobserwować w technologii analogowej. Inne niż to tranzystory Są również wykorzystywane w technologii cyfrowej, gdzie są używane w trybie klucza. Ale w sprzęcie cyfrowym prawie wszystkie tranzystory są „ukryte” w układach scalonych, w ogromnych ilościach i mikroskopijnych rozmiarach.

Tutaj nie będziemy zbytnio rozwodzić się nad elektronami, dziurami i atomami, które zostały już opisane w poprzednich częściach artykułu, ale niektóre z nich, jeśli to konieczne, nadal będą musiały zostać zapamiętane.

Dioda półprzewodnikowa składa się z jednego złącza p-n, którego właściwości zostały opisane w poprzedniej części artykułu. Tranzystor, jak wiecie, składa się zatem z dwóch przejść dioda półprzewodnikowa można uznać za prekursor tranzystora lub jego połowę.

Jeśli złącze p-n jest w spoczynku, wówczas dziury i elektrony są rozmieszczone, jak pokazano na rycinie 1, tworząc barierę potencjalną. Postaramy się nie zapomnieć o konwencjach elektronów, dziur i jonów pokazanych na tym rysunku.

Rycina 1

Jaki jest tranzystor bipolarny

Urządzenie tranzystor bipolarny proste na pierwszy rzut oka. Aby to zrobić, wystarczy utworzyć dwa złącza pn na jednej płycie półprzewodnikowej, zwanej podstawą. Niektóre metody tworzenia złącza pn zostały opisane. w poprzednich częściach artykułudlatego nie powtórzymy tutaj.

Jeśli przewodność podstawowa jest typu p, powstały tranzystor będzie miał strukturę n-p-n (wymawiane jako „en-pe-en”). A gdy jako podstawę zastosowana zostanie płytka typu n, otrzymujemy tranzystor o strukturze p-n-p (pe-en-pe).

Gdy tylko dojdzie do podstawy, należy zwrócić uwagę na to: płytka półprzewodnikowa zastosowana jako podstawa jest bardzo cienka, znacznie cieńsza niż emiter i kolektor. Należy pamiętać o tym stwierdzeniu, ponieważ będzie ono potrzebne w procesie wyjaśniania działania tranzystora.

Oczywiście, aby połączyć się ze „światem zewnętrznym” z każdego regionu p i n, jest wyjście przewodowe. Każdy z nich ma nazwę obszaru, z którym jest połączony: emiter, baza, kolektor. Taki tranzystor nazywa się tranzystorem bipolarnym, ponieważ wykorzystuje dwa typy nośników ładunku - dziury i elektrony. Schematyczną strukturę tranzystorów obu typów pokazano na rysunku 2.

Rycina 2

Obecnie w większym stopniu wykorzystywane są tranzystory krzemowe. Tranzystory germanu są prawie całkowicie przestarzałe, zastępowane przez krzem, więc dalsza historia będzie o nich, chociaż german będzie czasem wspominany. Większość tranzystorów krzemowych ma strukturę n-p-n, ponieważ ta struktura jest bardziej zaawansowana technologicznie w produkcji.

Komplementarne pary tranzystorów

Najwyraźniej w przypadku tranzystorów germanowych struktura p-n-p była bardziej zaawansowana technologicznie, dlatego tranzystory germanowe w większości miały właśnie tę strukturę. Chociaż w ramach par komplementarnych (tranzystory bliskie parametrami, które różniły się tylko rodzajem przewodnictwa), wyprodukowano również tranzystory germanowe o różnej przewodności, na przykład GT402 (p-n-p) i GT404 (n-p-n).

Taką parę zastosowano jako tranzystory wyjściowe w ULF różnych urządzeń radiowych. A jeśli nienowoczesne tranzystory germanowe przeszły do ​​historii, to nadal wytwarzane są komplementarne pary tranzystorów krzemowych, od tranzystorów w pakietach SMD po potężne tranzystory dla stopni wyjściowych ULF.

Nawiasem mówiąc, wzmacniacze dźwięku na tranzystorach germanowych były postrzegane przez melomanów prawie jak lampowe. Cóż, może trochę gorzej, ale znacznie lepiej niż krzemowe wzmacniacze tranzystorowe. To jest tylko w celach informacyjnych.

Jak działa tranzystor

Aby zrozumieć, jak działa tranzystor, ponownie będziemy musieli powrócić do świata elektronów, dziur, dawców i akceptorów. To prawda, że ​​teraz będzie to nieco prostsze, a nawet bardziej interesujące niż w poprzednich częściach tego artykułu. Taka uwaga musiała zostać poczyniona, aby nie przestraszyć czytelnika, aby pozwolić przeczytać to wszystko do końca.

Ryc. 3 powyżej pokazuje warunkowe oznaczenie graficzne tranzystorów w obwodach elektrycznych, a poniżej złącza p-n tranzystorów są przedstawione w postaci diod półprzewodnikowych, które są również zawarte w przeciwnym kierunku. Ta reprezentacja jest bardzo wygodna podczas sprawdzania tranzystora za pomocą multimetru.

Rycina 3

A rysunek 4 pokazuje wewnętrzną strukturę tranzystora.

Na tym rysunku musisz się trochę dłużej zastanowić, aby rozważyć to bardziej szczegółowo.

Rycina 4

Więc czy bieżący przejdzie, czy nie?

Tutaj pokazano, w jaki sposób źródło zasilania jest podłączone do tranzystora struktury n-p-n, i jest na takiej polaryzacji, że jest podłączone do prawdziwych tranzystorów w rzeczywistych urządzeniach. Ale jeśli przyjrzysz się bliżej, okaże się, że prąd nie przejdzie przez dwa złącza p-n, przez dwie potencjalne bariery: bez względu na to, jak zmienisz biegunowość napięcia, jedno z połączeń koniecznie będzie w stanie zablokowanym, nieprzewodzącym. Więc na razie zostawmy wszystko, jak pokazano na rysunku i zobaczmy, co się tam dzieje.

Niekontrolowany prąd

Po włączeniu bieżącego źródła, jak pokazano na rysunku, przejście emiter-baza (n-p) jest w stanie otwartym i łatwo przepuszcza elektrony w kierunku od lewej do prawej. Po czym elektrony zderzą się z zamkniętym emiterem podstawy przyłączeniowej (p-n), co zatrzyma ten ruch, ścieżka elektronów zostanie zamknięta.

Ale, jak zawsze i wszędzie, istnieją wyjątki od wszystkich zasad: niektóre bardzo zwinne elektrony będą w stanie pokonać tę barierę pod wpływem temperatury. Dlatego, chociaż nieznaczny prąd z takim włączeniem nadal będzie. Ten niewielki prąd nazywa się prądem początkowym lub prądem nasycenia. Nazwisko wynika z faktu, że wszystkie wolne elektrony, które są w stanie pokonać barierę potencjalną w danej temperaturze, uczestniczą w tworzeniu tego prądu.

Prąd początkowy jest niekontrolowany, jest dostępny dla dowolnego tranzystora, ale jednocześnie w niewielkim stopniu zależy od napięcia zewnętrznego. Jeśli napięcie znacznie wzrośnie (w rozsądnym zakresie wskazanym w katalogach), prąd początkowy niewiele się zmieni. Ale efekt termiczny na ten prąd jest bardzo zauważalny.

Dalszy wzrost temperatury powoduje wzrost prądu początkowego, co z kolei może prowadzić do dodatkowego nagrzewania złącza pn. Taka niestabilność termiczna może prowadzić do uszkodzenia termicznego, zniszczenia tranzystora. Dlatego należy podjąć kroki w celu schłodzenia tranzystorów i nie stosować ekstremalnych naprężeń w podwyższonych temperaturach.

Teraz pamiętaj o bazie

Włączenie opisanego powyżej tranzystora z wiszącą bazą nie jest nigdzie stosowane w praktycznych schematach. Dlatego rysunek 5 pokazuje prawidłowe włączenie tranzystora. Aby to zrobić, konieczne było przyłożenie niewielkiego napięcia do podstawy względem emitera oraz w kierunku do przodu (przywołaj diodę i ponownie spójrz na rysunek 3).

Rycina 5

Jeśli w przypadku diody wszystko wydaje się jasne, - prąd otworzył się i przeszedł przez niego, wówczas w tranzystorze zachodzą inne zdarzenia. Pod działaniem prądu emitera elektrony pędzą do podstawy o przewodności p z nadajnika o przewodności n. W tym przypadku część elektronów wypełni otwory znajdujące się w obszarze podstawy, a niewielki prąd przepłynie przez zacisk podstawy - prąd podstawy Ib. W tym miejscu należy pamiętać, że podstawa jest cienka i ma w niej niewiele dziur.

Pozostałe elektrony, które nie miały wystarczającej liczby otworów w cienkiej podstawie, wpadają do kolektora i stamtąd zostaną wydobyte przez wyższy potencjał baterii kolektora Ek-e. Pod tym wpływem elektrony pokonają drugą barierę potencjalną i powrócą do emitera przez baterię.

Tak więc małe napięcie przyłożone do złącza baza-emiter przyczynia się do otwarcia złącza baza-kolektor odchylonego w przeciwnym kierunku. W rzeczywistości jest to efekt tranzystorowy.

Pozostaje tylko zastanowić się, w jaki sposób to „małe napięcie” przyłożone do podstawy wpływa na prąd kolektora, jakie są ich wartości i stosunki. Ale o tej historii w następnej części artykułu o tranzystorach.

Kontynuacja artykułu: Charakterystyka tranzystorów bipolarnych

Boris Aladyshkin