Tranzistor bipolar

Un tranzistor bipolar este un dispozitiv semiconductor  cu trei electrozi , unul dintre tipurile de tranzistori . În structura semiconductoare se formează două joncțiuni pn , transferul de sarcină prin care este efectuat de purtători a două polarități - electroni și găuri . De aceea, dispozitivul a fost numit „bipolar” (din engleză  bipolar ), spre deosebire de tranzistorul de câmp (unipolar) .

Este folosit în dispozitivele electronice pentru a amplifica sau genera oscilații electrice, precum și un element de comutare (de exemplu, în circuitele TTL ).

Dispozitiv

Un tranzistor bipolar constă din trei straturi semiconductoare cu un tip alternativ de conducție a impurităților : emițător (notat cu "E", ing.  E ), bază ("B", ing.  B ) și colector ("K", ing.  C ) . În funcție de ordinea de alternanță a straturilor, se disting tranzistoarele npn (emițător - n - semiconductor , bază - p - semiconductor , colector - n - semiconductor) și pnp . Contactele conductoare neredresoare sunt conectate la fiecare dintre straturi [2] .

Din punct de vedere al tipurilor de conductivitate, straturile emițătorului și colectorului nu se pot distinge, dar în timpul fabricării diferă semnificativ în gradul de dopaj pentru a îmbunătăți parametrii electrici ai dispozitivului. Stratul colector este ușor dopat, ceea ce crește tensiunea admisă a colectorului. Stratul emițătorului este puternic dopat: magnitudinea tensiunii inverse de defalcare a joncțiunii emițătorului nu este critică, deoarece tranzistoarele funcționează de obicei în circuite electronice cu o joncțiune a emițătorului polarizat direct. În plus, dopajul puternic al stratului emițător asigură o injecție mai bună a purtătorului minoritar în stratul de bază, ceea ce crește coeficientul de transfer de curent în circuitele de bază comune. Stratul de bază este ușor dopat, deoarece este situat între straturile emițător și colector și trebuie să aibă o rezistență electrică mare .

Suprafața totală a joncțiunii bază-emițător este mult mai mică decât aria joncțiunii colector-bază, ceea ce crește probabilitatea de a captura purtători minoritari din stratul de bază și îmbunătățește coeficientul de transfer. Deoarece joncțiunea colector-bază este de obicei activată cu polarizare inversă în modul de funcționare, partea principală a căldurii disipate de dispozitiv este eliberată în ea, iar o creștere a zonei sale contribuie la o răcire mai bună a cristalului. Prin urmare, în practică, un tranzistor bipolar de uz general este un dispozitiv asimetric (adică o conexiune inversă, atunci când emițătorul și colectorul sunt inversate, nu este practică).

Pentru a crește parametrii de frecvență (viteza), grosimea stratului de bază este redusă, deoarece aceasta, printre altele, determină timpul de „zbor” (difuzie în dispozitive fără derivă) al purtătorilor minoritari. Dar cu o scădere a grosimii bazei, tensiunea limitatoare a colectorului scade, astfel încât grosimea stratului de bază este aleasă pe baza unui compromis rezonabil.

Tranzistoarele timpurii foloseau germaniu metalic ca material semiconductor . Dispozitivele semiconductoare bazate pe acesta au o serie de dezavantaje , iar în prezent (2015) tranzistoarele bipolare sunt fabricate în principal din siliciu monocristal și arseniură de galiu monocristal . Datorită mobilității foarte mari a purtătorilor în arseniură de galiu, dispozitivele pe bază de arseniură de galiu au viteză mare și sunt utilizate în circuite logice ultrarapide și în circuitele amplificatoare cu microunde .

Cum funcționează

În modul de funcționare cu amplificare activă, tranzistorul este pornit, astfel încât joncțiunea emițătorului să fie polarizată înainte [3] (deschisă), iar joncțiunea colectorului este polarizat invers (închis).

Într-un tranzistor de tip npn [4] , purtătorii de sarcină principali din emițător (electroni) trec printr-o joncțiune deschisă emițător-bază (sunt injectați ) în regiunea de bază. Unii dintre acești electroni se recombină cu cei mai mulți purtători de sarcină din bază (găuri). Cu toate acestea, datorită faptului că baza este făcută foarte subțire și relativ ușor dopată, majoritatea electronilor injectați din emițător difuzează în regiunea colectorului, deoarece timpul de recombinare este relativ lung [5] . Câmpul electric puternic al unei joncțiuni colectoare cu polarizare inversă captează purtătorii minoritari de la bază (electroni) și îi transferă în stratul colector. Prin urmare, curentul colectorului este practic egal cu curentul emițătorului, cu excepția unei mici pierderi de recombinare în bază, care formează curentul de bază ( I e \u003d I b + I k ).

Coeficientul α, care conectează curentul emițătorului și curentul colectorului ( I k \u003d α I e ), se numește coeficientul de transfer al curentului emițătorului . Valoarea numerică a coeficientului α = 0,9–0,999. Cu cât coeficientul este mai mare, cu atât tranzistorul transferă curentul mai eficient. Acest coeficient depinde puțin de tensiunile colector-bază și bază-emițător. Prin urmare, pe o gamă largă de tensiuni de funcționare, curentul colectorului este proporțional cu curentul de bază, factorul de proporționalitate este β = α / (1 - α), de la 10 la 1000. Astfel, un curent de bază mic antrenează un colector mult mai mare. actual.

Moduri de operare

Tensiuni
emițător,
bază,
colector
( )		 Decalaj
joncțiune
bază-emițător
pentru tipul npn		 Decalaj de
joncțiune
de bază-colector
pentru tipul npn		 Mod
pentru tipul npn
direct verso
modul activ normal
direct direct modul de saturație
verso verso modul de tăiere
verso direct modul invers
activ
Tensiuni
emițător,
bază,
colector
( )		 Decalaj
joncțiune
bază-emițător
pentru tipul pnp		 Decalaj de
joncțiune
de bază-colector
pentru tipul pnp		 Mod
pentru tipul pnp
verso direct modul invers
activ
verso verso modul de tăiere
direct direct modul de saturație
direct verso
modul activ normal

Modul activ normal

Joncțiunea emițător-bază este activată în direcția înainte [3] (deschis), iar joncțiunea colector-bază este în direcția inversă (închis):

U EB < 0; U KB > 0 (pentru un tranzistor de tip npn ), pentru un tranzistor de tip pnp , condiția va arăta ca U EB > 0; U KB < 0.

Modul activ invers

Joncțiunea emițătorului este polarizată invers, iar joncțiunea colectorului este polarizată direct: U KB < 0; U EB > 0 (pentru tranzistorul de tip npn ).

Modul de saturație

Ambele joncțiuni pn sunt polarizate înainte (ambele deschise). Dacă joncțiunile emițătorului și colectorului p-n sunt conectate la surse externe în direcția înainte, tranzistorul va fi în modul de saturație. Câmpul electric de difuzie al joncțiunilor emițătorului și colectorului va fi parțial atenuat de câmpul electric creat de sursele externe Ueb și Ucb . Ca urmare, bariera de potențial care limitează difuzia purtătorilor principali de sarcină va scădea și va începe pătrunderea (injecția) găurilor de la emițător și colector în bază, adică vor curge curenți prin emițător și colector de tranzistorul, numit curenții de saturație ai emițătorului ( I e. us ) și ai colectorului ( I K. us ).

Tensiunea de saturație colector-emițător (U KE. us ) este căderea de tensiune pe un tranzistor deschis (analogul semantic al R SI. deschis pentru tranzistoarele cu efect de câmp). În mod similar , tensiunea de saturație bază-emițător (U BE. us ) este căderea de tensiune între bază și emițător pe un tranzistor deschis.

Modul de întrerupere

În acest mod, joncțiunea colectorului pn este polarizată în direcția opusă și pot fi aplicate atât polarizarea inversă, cât și directă la joncțiunea emițătorului, fără a depăși valoarea de prag la care începe emisia purtătorilor de sarcină minori în regiunea de bază de la emițător. (pentru tranzistoare cu siliciu, aproximativ 0, 6-0,7 V).

Modul de tăiere corespunde condiției U EB <0,6—0,7 V, sau I B =0 [6] [7] .

Modul barieră

În acest mod , baza DC a tranzistorului este scurtcircuitată sau printr-un mic rezistor cu colectorul său , iar un rezistor este conectat la circuitul colector sau emițător al tranzistorului, care stabilește curentul prin tranzistor. În acest sens, tranzistorul este un fel de diodă conectată în serie cu un rezistor de setare a curentului. Astfel de circuite în cascadă se disting printr-un număr mic de componente, o decuplare bună de înaltă frecvență, un interval mare de temperatură de funcționare și insensibilitate la parametrii tranzistorului.

Scheme de comutare

Orice circuit de comutare a tranzistorului este caracterizat de doi indicatori principali:

Schema de comutare cu o bază comună

Rezistența de intrare ( impedanța de intrare ) a unei etape de amplificator cu o bază comună nu depinde foarte mult de curentul emițătorului, cu o creștere a curentului scade și nu depășește unitățile - sute de ohmi pentru etapele de putere mică, deoarece circuitul de intrare a etajului este o joncțiune emițător deschisă a tranzistorului.

Avantaje Defecte

Circuit de comutare cu un emițător comun

Avantaje Defecte

Circuit colector comun

Avantaje Defecte

Un circuit cu o astfel de includere este adesea denumit „ emițător adept ”.

Parametrii de bază

Parametrii tranzistorului sunt împărțiți în proprii (primari) și secundari. Parametrii proprii caracterizează proprietățile tranzistorului, indiferent de schema de includere a acestuia. Următorii sunt acceptați ca principali parametri proprii:

Parametrii secundari sunt diferiți pentru diferite circuite de comutare a tranzistorului și, datorită neliniarității sale, sunt valabili numai pentru frecvențe joase și amplitudini mici ale semnalului. Pentru parametrii secundari, au fost propuse mai multe sisteme de parametri și circuitele lor echivalente corespunzătoare. Principalii sunt parametri mixți (hibrizi), notați cu litera „ h ”.

Rezistență de intrare  - Rezistența tranzistorului la intrarea AC atunci când ieșirea este scurtcircuitată. Modificarea curentului de intrare este rezultatul modificării tensiunii de intrare, fără efectul feedback-ului de la tensiunea de ieșire.

h 11 \ u003d U m1 / I m1 , cu U m2 \u003d 0.

Coeficientul de feedback al tensiunii arată ce proporție din tensiunea de ieșire AC este transmisă la intrarea tranzistorului datorită feedback-ului din acesta. Nu există curent alternativ în circuitul de intrare al tranzistorului, iar modificarea tensiunii de intrare are loc numai ca urmare a unei modificări a tensiunii de ieșire.

h 12 \ u003d U m1 / U m2 , cu I m1 \u003d 0.

Coeficientul de transfer de curent (câștig de curent) indică amplificarea curentului AC la rezistența de sarcină zero. Curentul de ieșire depinde numai de curentul de intrare fără influența tensiunii de ieșire.

h 21 \ u003d I m2 / I m1 , cu U m2 \u003d 0.

Conductanță de ieșire  - Conducție internă pentru AC între bornele de ieșire. Curentul de ieșire se modifică sub influența tensiunii de ieșire.

h 22 \ u003d I m2 / U m2 , cu I m1 \u003d 0.

Relația dintre curenții alternativi și tensiunile tranzistorului este exprimată prin ecuațiile:

U m1 = h 11 I m1 + h 12 U m2 ; I m2 \ u003d h 21 I m1 + h 22 U m2 .

În funcție de circuitul de comutare al tranzistorului, la indicii digitali ai parametrilor h se adaugă litere: "e" - pentru circuitul OE, "b" - pentru circuitul OB, "k" - pentru circuitul OK.

Pentru schema OE: I m1 = I mb , I m2 = I mk , U m1 = U mb-e , U m2 = U mk-e . De exemplu, pentru această schemă:

h 21e \ u003d I mk / I mb \ u003d β.

Pentru schema OB: I m1 \ u003d I me , I m2 \ u003d I mk , U m1 \ u003d U me-b , U m2 \ u003d U mk-b .

Parametrii intrinseci ai tranzistorului sunt asociați cu parametrii h , de exemplu, pentru circuitul OE:

;

;

;

.

Odată cu creșterea frecvenței, capacitatea joncțiunii colectorului C începe să aibă un efect vizibil asupra funcționării tranzistorului . Reactanța sa scade, manevrând sarcina și, prin urmare, reducând câștigurile α și β. Rezistența joncțiunii emițătorului C e scade și ea, cu toate acestea, este manevrată de o rezistență joncțiune scăzută r e și în majoritatea cazurilor poate fi ignorată. În plus, odată cu creșterea frecvenței, apare o scădere suplimentară a coeficientului β ca urmare a întârzierii fazei curentului colectorului față de faza curentului emițătorului, care este cauzată de inerția procesului de deplasare a purtătorilor prin bază de la emițător. joncțiunea cu joncțiunea colector și inerția proceselor de acumulare și resorbție a sarcinii în bază. Frecvențele la care coeficienții α și β scad cu 3 dB sunt numite frecvențe limită ale coeficientului de transfer de curent pentru circuitele OB și, respectiv, OE.

În modul pulsat, curentul colectorului se modifică cu o întârziere cu timpul de întârziere τc în raport cu impulsul curentului de intrare, care este cauzat de timpul finit de tranzit al purtătorilor prin bază. Odată cu acumularea de purtători în bază, curentul colectorului crește pe durata frontului τ f . Timpul de pornire al tranzistorului se numește τ pe \ u003d τ c + τ f .

Curenți într-un tranzistor

Curenții dintr-un tranzistor bipolar au două componente principale.

Tranzistor bipolar cu microunde

Tranzistoarele bipolare cu microunde (BT microunde) sunt folosite pentru amplificarea oscilațiilor cu o frecvență peste 0,3 GHz [8] . Limita superioară de frecvență a cuptorului cu microunde BT cu o putere de ieșire mai mare de 1 W este de aproximativ 10 GHz. Majoritatea BT-urilor cu microunde de mare putere sunt de tip npn în structură [9] . Conform metodei de formare a tranzițiilor, BT-urile cu microunde sunt epitaxial-planare . Toate BT-urile cu microunde, cu excepția celor mai de putere redusă, au o structură cu mai mulți emițători (pieptene, plasă) [10] . În funcție de puterea cuptorului cu microunde BT, sunt împărțite în putere redusă (putere disipată până la 0,3 W), putere medie (de la 0,3 la 1,5 W) și puternice (peste 1,5 W) [11] . Sunt produse un număr mare de tipuri înalt specializate de cuptor cu microunde BT [11] .

Tehnologia tranzistorilor

Aplicații ale tranzistorilor

Vezi și

Note

  1. ↑ GOST 2.730-73 Sistem unificat pentru documentația de proiectare. Denumirile grafice condiționate în scheme. Dispozitive semiconductoare. . Preluat la 4 noiembrie 2020. Arhivat din original la 22 august 2018.
  2. ↑ Contact neredresant sau ohmic  - contactul a două materiale diferite, a căror caracteristică curent-tensiune este simetrică la schimbarea polarității și este aproape liniară.
  3. ↑ 1 2 Polarizarea directă a joncțiunii pn înseamnă că regiunea de tip p are un potențial pozitiv în raport cu regiunea de tip n.
  4. ↑ Pentru cazul pnp , toate argumentele sunt similare cu înlocuirea cuvântului „electroni” cu „găuri” și invers, precum și cu înlocuirea tuturor tensiunilor cu semnul opus.
  5. ↑ Lavrentiev B. F. Circuiteria mijloacelor electronice . - M . : Centrul de Editură „Academia”, 2010. - S.  53 -68. — 336 p. - ISBN 978-5-7695-5898-6 .
  6. ↑ Cursul nr. 7 - Tranzistorul bipolar ca un activ cu patru poli, parametrii h . Preluat la 25 martie 2016. Arhivat din original la 7 aprilie 2016.
  7. ↑ Bazele fizice ale electronicii: metoda. instructiuni pentru munca de laborator / comp. V. K. Usolţev. - Vladivostok: Editura Universității Tehnice de Stat din Orientul Îndepărtat, 2007. - 50 p.: ill.
  8. ↑ Kuleshov, 2008 , p. 284.
  9. ↑ Kuleshov, 2008 , p. 285.
  10. ↑ Kuleshov, 2008 , p. 286.
  11. ↑ 1 2 Kuleshov, 2008 , p. 292.

Link -uri

Literatură