Bipolární tranzistor
Bipolární tranzistor je tříelektrodové polovodičové zařízení , jeden z typů tranzistorů . V polovodičové struktuře jsou vytvořeny dva pn přechody , jejichž přenos náboje je prováděn nosiči dvou polarit - elektrony a díry . Proto se zařízení nazývalo "bipolární" (z anglického bipolar ), na rozdíl od polního (unipolárního) tranzistoru .
Používá se v elektronických zařízeních k zesílení nebo generování elektrických oscilací a také jako spínací prvek (například v obvodech TTL ).
Zařízení
Bipolární tranzistor se skládá ze tří polovodičových vrstev se střídavým typem vedení nečistot : emitor (označený "E", angl. E ), báze ("B", angl. B ) a kolektor ("K", angl. C ) . Podle pořadí střídání vrstev se rozlišují tranzistory npn (emitor - n - polovodič , báze - p - polovodič , kolektor - n - polovodič) a pnp . Ke každé z vrstev jsou připojeny vodivé neusměrňovací kontakty [2] .
Z hlediska typů vodivosti jsou vrstvy emitoru a kolektoru nerozeznatelné, ale při výrobě se výrazně liší mírou dotování pro zlepšení elektrických parametrů zařízení. Kolektorová vrstva je lehce dotována, což zvyšuje povolené kolektorové napětí. Emitorová vrstva je silně dotována: velikost průrazného zpětného napětí emitorového přechodu není kritická, protože tranzistory obvykle pracují v elektronických obvodech s dopředně předpjatým emitorovým přechodem. Kromě toho silné dotování vrstvy emitoru poskytuje lepší vstřikování menšinového nosiče do základní vrstvy, což zvyšuje koeficient přenosu proudu v běžných základních obvodech. Základní vrstva je lehce dopovaná, protože se nachází mezi vrstvou emitoru a kolektoru a musí mít vysoký elektrický odpor .
Celková plocha spojení báze-emitor je mnohem menší než plocha spojení kolektor-báze, což zvyšuje pravděpodobnost zachycení menšinových nosičů ze základní vrstvy a zlepšuje koeficient přenosu. Vzhledem k tomu, že přechod kolektor-báze bývá v provozním režimu zapnutý s reverzním předpětím, uvolňuje se v něm hlavní část tepla odváděného zařízením a zvětšení jeho plochy přispívá k lepšímu chlazení krystalu. Proto je v praxi univerzální bipolární tranzistor asymetrickým zařízením (to znamená, že inverzní zapojení, kdy jsou emitor a kolektor obráceny, je nepraktické).
Pro zvýšení frekvenčních parametrů (rychlosti) se zmenšuje tloušťka základní vrstvy, protože to mimo jiné určuje dobu "letu" (difúze v zařízeních bez unášení) menšinových nosičů. Ale s úbytkem tloušťky základny klesá omezující kolektorové napětí, takže tloušťka základní vrstvy se volí na základě rozumného kompromisu.
Brzy tranzistory používaly kovové germanium jako materiál polovodiče . Polovodičová zařízení na něm založená mají řadu nevýhod a v současnosti (2015) jsou bipolární tranzistory vyráběny převážně z monokrystalického křemíku a monokrystalického arsenidu galia . Vzhledem k velmi vysoké mobilitě nosičů v arsenidu galia mají zařízení na bázi arsenidu galia vysokou rychlost a používají se v ultrarychlých logických obvodech a v obvodech mikrovlnných zesilovačů .
Jak to funguje
V aktivním zesilovacím režimu činnosti je tranzistor zapnut tak, že jeho přechod emitoru je vpřed - předpětí [3] (otevřený) a přechod kolektoru je zpětně předpětí (uzavřen).
U tranzistoru typu npn [4] procházejí hlavní nosiče náboje v emitoru (elektrony) otevřeným přechodem emitor-báze (jsou vstřikovány ) do oblasti báze. Některé z těchto elektronů se rekombinují s většinou nosičů náboje v bázi (díry). Avšak vzhledem k tomu, že báze je vyrobena velmi tenká a relativně slabě dotovaná, většina elektronů injektovaných z emitoru difunduje do oblasti kolektoru, protože doba rekombinace je poměrně dlouhá [5] . Silné elektrické pole reverzně vychýleného kolektorového přechodu zachycuje minoritní nosiče z báze (elektrony) a přenáší je do kolektorové vrstvy. Kolektorový proud se tedy prakticky rovná proudu emitoru, s výjimkou malé rekombinační ztráty v bázi, která tvoří proud báze ( I e \u003d I b + I k ).
Koeficient α, který spojuje proud emitoru a proud kolektoru ( I k \u003d α I e ), se nazývá koeficient přenosu proudu emitoru . Číselná hodnota koeficientu α = 0,9–0,999. Čím vyšší je koeficient, tím efektivněji tranzistor přenáší proud. Tento koeficient závisí jen málo na napětí kolektor-báze a báze-emitor. Proto je v širokém rozsahu provozních napětí kolektorový proud úměrný proudu báze, faktor úměrnosti je β = α / (1 - α), od 10 do 1000. Malý proud báze tedy pohání mnohem větší kolektor proud.
Provozní režimy
| Napětí emitoru, báze, kolektoru ( ) |
Offset spojení báze-emitor pro typ npn |
Offset spojení základna-kolektor pro typ npn |
Režim pro typ npn |
|---|---|---|---|
| Přímo | zvrátit | normální aktivní režim | |
| Přímo | Přímo | saturační režim | |
| zvrátit | zvrátit | cutoff režim | |
| zvrátit | Přímo | inverzní aktivní režim | |
| Napětí emitoru, báze, kolektoru ( ) |
Offset spojení základna-emitor pro typ pnp |
Offset spojení základna-kolektor pro typ pnp |
Režim pro typ pnp |
| zvrátit | Přímo | inverzní aktivní režim | |
| zvrátit | zvrátit | cutoff režim | |
| Přímo | Přímo | saturační režim | |
| Přímo | zvrátit | normální aktivní režim |
Normální aktivní režim
Spojení emitor-báze je zapnuto v dopředném směru [3] (otevřeno) a spojení kolektor-báze je v opačném směru (zavřeno):
U EB < 0; U KB > 0 (pro tranzistor typu npn ), pro tranzistor typu pnp bude podmínka vypadat jako U EB > 0; U KB < 0.Inverzní aktivní režim
Emitorový přechod je obrácený a kolektorový je dopředný: U KB < 0; U EB > 0 (pro tranzistor typu npn ).
Režim sytosti
Oba pn přechody jsou předpojaté (oba otevřené). Pokud jsou p-n přechody emitoru a kolektoru připojeny k externím zdrojům v propustném směru, bude tranzistor v saturačním režimu. Difúzní elektrické pole přechodu emitoru a kolektoru bude částečně utlumeno elektrickým polem vytvářeným externími zdroji Ueb a Ucb . V důsledku toho se sníží potenciální bariéra, která omezuje difúzi hlavních nosičů náboje, a začne pronikání (injektování) děr z emitoru a kolektoru do báze, to znamená, že proudy budou protékat emitorem a kolektorem tranzistor, nazývaný saturační proudy emitoru ( I e. us ) a kolektoru ( I K. us ).
Saturační napětí kolektor-emitor (U KE. us ) je úbytek napětí na otevřeném tranzistoru (sémantický analog R SI. otevřený pro tranzistory s efektem pole). Podobně saturační napětí báze-emitor (U BE. us ) je úbytek napětí mezi bází a emitorem na otevřeném tranzistoru.
Režim přerušení
V tomto režimu je kolektorový pn přechod vychýlen v opačném směru a na emitorový přechod lze aplikovat zpětné i dopředné vychýlení, které nepřekročí prahovou hodnotu, při které začíná emise malých nosičů náboje do oblasti báze z emitoru. (pro křemíkové tranzistory přibližně 0, 6-0,7 V).
Režim cutoff odpovídá podmínce U EB <0,6—0,7 V, nebo I B =0 [6] [7] .
Bariérový režim
V tomto režimu je stejnosměrná báze tranzistoru zkratována nebo přes malý odpor s jeho kolektorem a ke kolektorovému nebo emitorovému obvodu tranzistoru je připojen odpor, který nastavuje proud tranzistorem. Tranzistor je v tomto zapojení druh diody zapojené do série s odporem nastavujícím proud. Takové kaskádové obvody se vyznačují malým počtem součástek, dobrým vysokofrekvenčním oddělením, velkým rozsahem provozních teplot a necitlivostí na parametry tranzistoru.
Spínací schémata
Každý tranzistorový spínací obvod je charakterizován dvěma hlavními indikátory:
- Aktuální zisk I out / I in .
- Vstupní impedance R v \ u003d U in / I v .
Schéma spínání se společnou základnou
- Ze všech tří konfigurací má nejmenší vstupní a největší výstupní impedanci. Má proudové zesílení blízké jednotce a velké napěťové zesílení. Neinvertuje fázi signálu.
- Proudové zesílení: I out / I in = I až / I e = α [α<1].
- Vstupní odpor R v \ u003d U in / I v \ u003d U eb / I e .
Vstupní odpor ( vstupní impedance ) zesilovacího stupně se společnou bází příliš nezávisí na proudu emitoru, s nárůstem proudu klesá a nepřesahuje jednotky - stovky ohmů u stupňů s nízkým výkonem, protože vstupní obvod stupně je otevřený emitorový přechod tranzistoru.
Výhody- Dobrá teplota a široký frekvenční rozsah, protože Millerův efekt je v tomto obvodu potlačen .
- Vysoké povolené napětí kolektoru.
- Malý proudový zisk rovný α, protože α je vždy o něco menší než 1
- Nízká vstupní impedance
Spínací obvod se společným emitorem
- Proudové zesílení: I out / I in = I to / I b = I to / ( I e -I to ) = α / (1-α) = β [β>> 1].
- Vstupní odpor: R in \ u003d U in / I in \ u003d U be / I b .
- Velký proudový zisk.
- Velké napěťové zesílení.
- Největší zvýšení výkonu.
- Vystačíte si s jedním napájecím zdrojem.
- Výstupní střídavé napětí je invertováno vzhledem ke vstupu.
- Má menší teplotní stabilitu. Frekvenční vlastnosti takové inkluze jsou výrazně horší ve srovnání s obvodem se společnou bází, což je způsobeno Millerovým jevem .
Společný kolektorový okruh
- Proudové zesílení: I out / I in = I e / I b = I e / ( I e -I k ) = 1/(1-α) = β+1 [β>>1].
- Vstupní odpor: R in \ u003d U in / I in \ u003d ( U be + U ke ) / I b .
- Velká vstupní impedance.
- Nízká výstupní impedance.
- Napěťový zisk je o něco menší než 1.
Obvod s takovým zařazením je často označován jako " sledovač emitoru ".
Základní parametry
- Součinitel aktuálního převodu.
- vstupní impedance.
- výstupní vodivost.
- Reverzní proud kolektor-emitor.
- Čas zapnutí.
- Mezní frekvence základního převodového poměru proudu.
- Reverzní kolektorový proud.
- Maximální povolený proud.
- Mezní frekvence koeficientu přenosu proudu v obvodu se společným emitorem.
Parametry tranzistorů se dělí na vlastní (primární) a sekundární. Vlastní parametry charakterizují vlastnosti tranzistoru bez ohledu na schéma jeho zařazení. Jako hlavní vlastní parametry jsou přijímány následující:
- proudový zisk α;
- odpory emitoru , kolektoru a báze vůči střídavému proudu r e , r to , rb , které jsou:
- r e je součet odporů oblasti emitoru a přechodu emitoru;
- r k je součet odporů oblasti kolektoru a přechodu kolektoru;
- r b - příčný odpor základny.
Sekundární parametry jsou různé pro různé tranzistorové spínací obvody a vzhledem k jejich nelinearitě jsou platné pouze pro nízké frekvence a malé amplitudy signálu. Pro sekundární parametry bylo navrženo několik systémů parametrů a jim odpovídajících ekvivalentních obvodů. Hlavní jsou smíšené (hybridní) parametry, označené písmenem „ h “.
Vstupní odpor - Odpor tranzistoru vůči střídavému vstupu, když je výstup zkratován. Změna vstupního proudu je výsledkem změny vstupního napětí, bez vlivu zpětné vazby od výstupního napětí.
h 11 \ u003d U m1 / I m1 , s U m2 \u003d 0.Koeficient zpětné vazby napětí ukazuje, jaký podíl výstupního střídavého napětí je přenášen na vstup tranzistoru díky zpětné vazbě v něm. Ve vstupním obvodu tranzistoru není střídavý proud a ke změně vstupního napětí dochází pouze v důsledku změny výstupního napětí.
h 12 \ u003d U m1 / U m2 , přičemž I m1 \u003d 0.Součinitel přenosu proudu (proudové zesílení) udává zesílení střídavého proudu při nulovém zatěžovacím odporu. Výstupní proud závisí pouze na vstupním proudu bez vlivu výstupního napětí.
h 21 \ u003d I m2 / I m1 , s U m2 \u003d 0.Output Conductance - Vnitřní vedení pro AC mezi výstupními svorkami. Výstupní proud se mění pod vlivem výstupního napětí.
h 22 \ u003d I m2 / U m2 , přičemž I m1 \u003d 0.Vztah mezi střídavými proudy a tranzistorovými napětími je vyjádřen rovnicí:
U m1 = h 11 I m1 + h 12 U m2 ; I m2 \ u003d h 21 I m1 + h 22 U m2 .V závislosti na spínacím obvodu tranzistoru se k digitálním indexům h-parametrů přidávají písmena: "e" - pro obvod OE, "b" - pro obvod OB, "k" - pro obvod OK.
Pro schéma OE: I m1 = I mb , I m2 = I mk , U m1 = U mb-e , U m2 = U mk-e . Například pro toto schéma:
h 21e \ u003d I mk / I mb \ u003d β.Pro schéma OB: I m1 \ u003d I me , I m2 \ u003d I mk , U m1 \ u003d U me-b , U m2 \ u003d U mk-b .
Vlastní parametry tranzistoru jsou spojeny s h - parametry, například pro obvod OE:
;
;
;
.
S rostoucí frekvencí začíná mít kapacita kolektorového přechodu C to znatelný vliv na činnost tranzistoru . Jeho reaktance se sníží, přemístí zátěž a tím se sníží zisky α a β. Sníží se také přechodový odpor emitoru C e , je však posunut nízkým přechodovým odporem r e a ve většině případů může být ignorován. Navíc s rostoucí frekvencí dochází k dalšímu poklesu koeficientu β v důsledku zpoždění fáze kolektorového proudu od fáze proudu emitoru, což je způsobeno setrvačností procesu pohybu nosičů přes základnu z emitoru. přechodu ke kolektorovému přechodu a setrvačnosti procesů akumulace a resorpce náboje v bázi. Frekvence, při kterých koeficienty α a β klesnou o 3 dB, se nazývají hraniční frekvence koeficientu přenosu proudu pro obvody OB a OE.
V pulzním režimu se kolektorový proud mění se zpožděním o dobu zpoždění τc vzhledem ke vstupnímu proudovému pulzu, což je způsobeno konečným časem průchodu nosičů bází. S akumulací nosičů v bázi se kolektorový proud zvyšuje během trvání čela τ f . Doba sepnutí tranzistoru se nazývá τ on \ u003d τ c + τ f .
Proudy v tranzistoru
Proudy v bipolárním tranzistoru mají dvě hlavní složky.
- Proud hlavních nosičů emitoru I E , který částečně přechází do kolektoru, tvořící proud hlavních nosičů kolektoru I k hlavnímu , se částečně rekombinuje s hlavními nosiči báze a tvoří rekombinantní proud báze I. br .
- Kolektorový minoritní proud, který protéká obráceným kolektorovým přechodem a tvoří zpětný kolektorový proud I kbo .
Bipolární mikrovlnný tranzistor
Bipolární mikrovlnné tranzistory (BT mikrovlny) se používají k zesílení kmitů s frekvencí nad 0,3 GHz [8] . Horní frekvenční limit BT mikrovlnky s výstupním výkonem větším než 1 W je cca 10 GHz. Většina vysokovýkonných mikrovlnných BT je strukturou typu npn [9] . Podle způsobu tvorby přechodů jsou mikrovlnné BT epitaxně-planární . Všechny mikrovlnné BT, kromě většiny nízkopříkonových, mají víceemitorovou strukturu (hřeben, síťka) [10] . Podle výkonu se mikrovlny BT dělí na nízkopříkonové (rozptýlený výkon do 0,3 W), střední výkon (od 0,3 do 1,5 W) a výkonné (nad 1,5 W) [11] . Vyrábí se velké množství vysoce specializovaných typů BT mikrovln [11] .
Tranzistorová technologie
Aplikace tranzistorů
- Zesilovače , zesilovací stupně
- Generátor signálu
- Modulátor
- Demodulátor (detektor)
- Invertor (log. prvek)
- Mikroobvody s tranzistorovou logikou (viz logika tranzistor-tranzistor , logika dioda-tranzistor , logika rezistoru a tranzistoru )
Viz také
Poznámky
- ↑ GOST 2.730-73 Jednotný systém pro projektovou dokumentaci. Podmíněná grafická označení ve schématech. Polovodičová zařízení. . Získáno 4. listopadu 2020. Archivováno z originálu dne 22. srpna 2018.
- ↑ Neusměrňovací neboli ohmický kontakt - kontakt dvou rozdílných materiálů, jejichž proudově-napěťová charakteristika je při změně polarity symetrická a je téměř lineární.
- ↑ 1 2 Dopředné zkreslení pn přechodu znamená, že oblast typu p má kladný potenciál vzhledem k oblasti typu n.
- ↑ Pro případ pnp jsou všechny argumenty podobné s nahrazením slova „elektrony“ za „díry“ a naopak, stejně jako s nahrazením všech napětí opačným znaménkem.
- ↑ Lavrentiev B. F. Obvod elektronických prostředků . - M . : Publikační středisko "Akademie", 2010. - S. 53 -68. — 336 s. - ISBN 978-5-7695-5898-6 .
- ↑ Přednáška č. 7 - Bipolární tranzistor jako aktivní čtyřpólový, h-parametry . Získáno 25. března 2016. Archivováno z originálu 7. dubna 2016.
- ↑ Fyzikální základy elektroniky: metoda. návod k laboratorní práci / sestav. V. K. Usolcev. - Vladivostok: Nakladatelství Státní technické univerzity Dálného východu, 2007. - 50 s.: ill.
- ↑ Kuleshov, 2008 , s. 284.
- ↑ Kuleshov, 2008 , s. 285.
- ↑ Kuleshov, 2008 , s. 286.
- ↑ 1 2 Kuleshov, 2008 , str. 292.
Odkazy
- Online reference parametrů bipolárního tranzistoru archivována 15. března 2022 na Wayback Machine
- Princip činnosti bipolárních tranzistorů
Literatura
- Spiridonov N.S. Základy teorie tranzistorů. - K . : Technika, 1969. - 300 s.
- Kuleshov V.N., Udalov N.N., Bogachev V.M. a další Generování kmitů a vytváření rádiových signálů. - M. : MPEI, 2008. - 416 s. - ISBN 978-5-383-00224-7 .