Čo je to bipolárny tranzistor a aké spínacie obvody existujú

V rádiovej elektronike je rozšírené používanie polovodičových zariadení (SS). Vďaka tomu sa zmenšili rozmery rôznych zariadení. Bipolárny tranzistor získal široké uplatnenie, vďaka niektorým funkciám je jeho funkčnosť širšia ako u jednoduchého tranzistora s efektom poľa. Aby sme pochopili, prečo je to potrebné a za akých podmienok sa používa, je potrebné zvážiť jeho princíp fungovania, spôsoby pripojenia a klasifikáciu.

Zariadenie a princíp činnosti

Tranzistor je elektronický polovodič pozostávajúci z 3 elektród, z ktorých jedna je riadiaca. Bipolárny typ tranzistora sa líši od polárneho v prítomnosti 2 typov nosičov náboja (negatívny a pozitívny).

Záporné náboje sú elektróny, ktoré sa uvoľňujú z vonkajšieho obalu kryštálovej mriežky. Namiesto uvoľneného elektrónu sa vytvorí kladný typ náboja alebo diery.

Zariadenie bipolárneho tranzistora (BT) je napriek svojej všestrannosti pomerne jednoduché. Skladá sa z 3 vrstiev vodivého typu: žiarič (E), základňa (B) a kolektor (K).

Emitor (z latinského „uvoľniť“) je typ polovodičového prechodu, ktorého hlavnou funkciou je vstrekovanie nábojov do základne. Zberač (z latinského „kolektor“) sa používa na príjem nábojov žiariča. Základom je riadiaca elektróda.

Emitorové a kolektorové vrstvy sú takmer rovnaké, líšia sa však stupňom pridania nečistôt na zlepšenie vlastností DPS. Pridávanie nečistôt sa nazýva doping. Pre kolektorovú vrstvu (CL) je doping slabo vyjadrený na zvýšenie kolektorového napätia (Uk). Emitorová polovodičová vrstva je silne dotovaná, aby sa zvýšil spätný prípustný prieraz U a zlepšilo vstrekovanie nosičov do základnej vrstvy (zvyšuje sa koeficient prenosu prúdu - Kt). Základná vrstva je jemne dopovaná, aby poskytovala väčšiu odolnosť (R).

Prechod medzi základňou a žiaričom je plošne menší ako K-B. V dôsledku rozdielnosti oblastí dochádza k zlepšeniu Kt. Počas prevádzky DPS sa zapína prechod K-B s reverzným predpätím, aby sa uvoľnila hlavná frakcia množstva tepla Q, ktoré sa rozptýli a zabezpečí lepšie chladenie kryštálu.

Rýchlosť BT závisí od hrúbky základnej vrstvy (BS). Táto závislosť je hodnota, ktorá sa mení v nepriamom pomere. S menšou hrúbkou - vyššou rýchlosťou. Táto závislosť súvisí s časom letu nosičov nábojov.Zároveň však klesá Uk.

Medzi emitorom a K preteká silný prúd, nazývaný prúd K (Ik). Medzi E a B tečie malý prúd - prúd B (Ib), ktorý slúži na riadenie. Keď sa zmení Ib, zmení sa Ik.

Tranzistor má dva p-n prechody: E-B a K-B. Keď je režim aktívny, E-B je spojený s predpätím vpred a CB je spojený so spätným predpätím. Keďže prechod E-B je v otvorenom stave, do B prúdia záporné náboje (elektróny). Potom sa čiastočne rekombinujú s dierami. Väčšina elektrónov však dosahuje K-B kvôli nízkej legitimite a hrúbke B.

V BS sú elektróny menšími nosičmi náboja a elektromagnetické pole im pomáha prekonať prechod K-B. So zvýšením Ib sa otvor E-B rozšíri a medzi E a K bude prechádzať viac elektrónov. V tomto prípade dôjde k výraznému zosilneniu signálu s nízkou amplitúdou, pretože Ik je väčšie ako Ib.

Aby sme ľahšie pochopili fyzikálny význam činnosti tranzistora bipolárneho typu, je potrebné ho spojiť s dobrým príkladom. Je potrebné predpokladať, že čerpadlo na čerpanie vody je zdrojom energie, vodovodný kohútik je tranzistor, voda je Ik, stupeň otáčania rukoväte kohútika je Ib. Ak chcete zvýšiť tlak, musíte mierne otočiť kohútik - vykonať kontrolnú akciu. Na základe príkladu môžeme vyvodiť jednoduchý princíp fungovania softvéru.

Pri výraznom zvýšení U na prechode K-B však môže dôjsť k nárazovej ionizácii, ktorá má za následok znásobenie lavínového náboja.V kombinácii s tunelovým efektom tento proces spôsobí elektrický a s predĺžením času tepelný prieraz, ktorý znefunkční PP. Niekedy dochádza k tepelnému prierazu bez elektrického prierazu v dôsledku výrazného zvýšenia prúdu cez výstup kolektora.

Okrem toho, keď sa U zmení na K-B a E-B, zmení sa hrúbka týchto vrstiev, ak je B tenká, potom nastáva uzáverový efekt (nazýva sa aj prepichnutie B), pri ktorom sú spojené prechody K-B a E-B. V dôsledku tohto javu PP prestáva plniť svoje funkcie.

Prevádzkové režimy

Bipolárny tranzistor môže pracovať v 4 režimoch:

1. Aktívne.
2. Hranice (RO).
3. Sýtosť (PH).
4. Bariéra (RB).

Aktívny režim BT je normálny (NAR) a inverzný (IAR).

Normálny aktívny režim

V tomto režime prúdi U na E-B prechode, ktorý je priamy a nazýva sa E-B napätie (Ue-b). Režim sa považuje za optimálny a používa sa vo väčšine schém. Prechod E vstrekuje náboje do základnej oblasti, ktoré sa pohybujú smerom ku kolektoru. Ten zrýchľuje nabíjanie a vytvára zosilňovací efekt.

Inverzný aktívny režim

V tomto režime je prechod K-B otvorený. BT pracuje v opačnom smere, t.j. nosiče náboja dier sa vstrekujú z K, prechádzajú cez B. Zhromažďujú sa prechodom E. Amplifikačné vlastnosti PP sú slabé a BT sa v tomto režime používajú zriedka.

Režim nasýtenia

Pri PH sú oba prechody otvorené. Keď sú E-B a K-B pripojené k externým zdrojom v smere dopredu, BT bude fungovať v nosnej rakete. Difúzne elektromagnetické pole E a K prechodu je oslabené elektrickým poľom, ktoré je vytvárané vonkajšími zdrojmi.V dôsledku toho dôjde k zníženiu bariérovej schopnosti a obmedzeniu difúznej schopnosti hlavných nosičov náboja. Začne sa vstrekovanie otvorov z E a K do B. Tento režim sa používa hlavne v analógovej technológii, ale v niektorých prípadoch môžu existovať výnimky.

Režim cutoff

V tomto režime sa BT úplne zatvorí a nie je schopný viesť prúd. V BT sú však nevýznamné toky malých nosičov náboja, ktoré vytvárajú tepelné prúdy s malými hodnotami. Tento režim sa používa v rôznych typoch ochrany proti preťaženiu a skratu.

bariérový režim

Báza BT je pripojená cez odpor ku K. V obvode K alebo E je zahrnutý odpor, ktorý nastavuje hodnotu prúdu (I) cez BT. BR sa často používa v obvodoch, pretože umožňuje BT pracovať pri akejkoľvek frekvencii a vo väčšom teplotnom rozsahu.

Schémy prepínania

Pre správne používanie a pripojenie BT je potrebné poznať ich klasifikáciu a typ. Klasifikácia bipolárnych tranzistorov:

1. Výrobný materiál: germánium, kremík a arzenidogálium.
2. Výrobné vlastnosti.
3. Stratený výkon: nízky (do 0,25 W), stredný (0,25-1,6 W), silný (nad 1,6 W).
4. Limitná frekvencia: nízkofrekvenčná (do 2,7 MHz), stredná frekvencia (2,7-32 MHz), vysokofrekvenčná (32-310 MHz), mikrovlnná (viac ako 310 MHz).
5. Funkčný účel.

Funkčný účel BT je rozdelený do nasledujúcich typov:

1. Zosilnenie nízkofrekvenčných s normalizovaným a nenormalizovaným šumovým číslom (NiNNKSh).
2. Zosilnenie vysokých frekvencií pomocou NiNNKSh.
3. Zosilňovacia mikrovlnná rúra s NiNNKSh.
4. Zosilnenie silného vysokého napätia.
5. Generátor s vysokými a ultravysokými frekvenciami.
6. Nízkoenergetické a vysokovýkonné vysokonapäťové spínacie zariadenia.
7. Výkonný pulzný pre vysoké hodnoty U.

Okrem toho existujú také typy bipolárnych tranzistorov:

1. P-n-p.
2. N-p-n.

Existujú 3 obvody na zapnutie bipolárneho tranzistora, z ktorých každý má svoje výhody a nevýhody:

1. Generál B.
2. Generál E.
3. Generál K.

Zapínanie so spoločnou základňou (OB)

Obvod sa aplikuje pri vysokých frekvenciách, čo umožňuje optimálne využitie frekvenčnej odozvy. Pri pripojení jedného BT podľa schémy s OE a potom s OB sa zvýši frekvencia jeho prevádzky. Táto schéma zapojenia sa používa v zosilňovačoch anténneho typu. Hladina hluku pri vysokých frekvenciách je znížená.

Výhody:

1. Optimálne teploty a široký frekvenčný rozsah (f).
2. Vysoká hodnota Uk.

nedostatky:

1. Nízko priberám.
2. Nízky vstup R.

Prepínanie spoločného žiariča (CE)

Pri pripojení podľa tejto schémy dochádza k zosilneniu v U a I. Obvod môže byť napájaný z jedného zdroja. Často sa používa vo výkonových zosilňovačoch (P).

Výhody:

1. Vysoké zisky pre I, U, P.
2. Jeden napájací zdroj.
3. Výstupná premenná U je invertovaná vzhľadom na vstup.

Má značné nevýhody: najnižšia teplotná stabilita a frekvenčné charakteristiky sú horšie ako pri spojení s OB.

Zapnutie pomocou spoločného kolektora (OK)

Vstup U je plne prenesený späť na vstup a Ki je podobný pri pripojení k OE, ale je nízky v U.

Tento typ spínania sa používa na prispôsobenie kaskád vytvorených na tranzistoroch alebo so zdrojom vstupného signálu, ktorý má vysoký výstup R (kondenzátorový mikrofón alebo snímač). Medzi výhody patria: veľká hodnota vstupu a malý výstup R.Nevýhodou je nízky U zisk.

Hlavné charakteristiky bipolárnych tranzistorov

Hlavné vlastnosti BT:

1. priberám.
2. Vstup a výstup R.
3. Obrátené Ik-e.
4. Čas zapnutia.
5. Prenosová frekvencia Ib.
6. Reverzný Ik.
7. Maximálna hodnota I.

Aplikácie

Použitie bipolárnych tranzistorov je rozšírené vo všetkých oblastiach ľudskej činnosti. Hlavné použitie zariadenia bolo prijaté v zariadeniach na zosilnenie, generovanie elektrických signálov a tiež slúži ako spínaný prvok. Používajú sa v rôznych výkonových zosilňovačoch, v bežných a spínaných zdrojoch s možnosťou nastavenia hodnôt U a I, vo výpočtovej technike.

Okrem toho sa často používajú na vytvorenie rôznych spotrebiteľských ochrán proti preťaženiu, prepätiu U a skratu. Sú široko používané v ťažobnom a hutníckom priemysle.

Podobné články: