Bipolaarse ristmiku transistor (BJT) - ehitus ja töö üksikasjad

Bipolaarne transistor või BJT on 3 klemmiga pooljuhtseade, mis on võimeline võimendama või lülitama signaali väikesi sisendpinge ja -vooge oluliselt suuremaks väljundsignaali pingeks ja vooluks.

Kuidas arenesid bipolaarse ristmiku transistori BJT-d

Aastatel 1904–1947 oli vaakumtoru vaieldamatult suure uudishimu ja kasvuga elektroonikaseade. 1904. aastal käivitas vaakumtoru dioodi J. A. Fleming. Varsti pärast seda, 1906. aastal, täiustas Lee De Forest seadet kolmanda funktsiooniga, mida nimetatakse juhtimisvõrguks, mis toodab esimest võimendit ja mida nimetatakse trioodiks.

Järgnevatel aastakümnetel pakkusid raadio ja televisioon toruärile tohutut inspiratsiooni. Tootmine kasvas umbes miljonilt torult 1922. aastal umbes 100 miljonile torule 1937. aastal. 1930-ndate aastate alguses omandasid 4-elemendiline tetrood ja 5-elementne pentood elektrontoruäris populaarsuse.

Järgnevatel aastatel arenes tootmissektor üheks olulisemaks sektoriks ning nende mudelite jaoks tehti kiireid täiustusi, tootmismeetodeid, suure võimsusega ja kõrgsageduslikke rakendusi ning miniatuurimise suunda.

23. detsembril 1947 oli aga elektroonikatööstus tunnistajaks täiesti uhiuue huvide ja täiustamise suuna saabumisele. Keskpäeval selgus, et Walter H. Brattain ja John Bardeen näitasid ja tõestasid Belli telefonilaborite kõige esimese transistori võimendusfunktsiooni.

Esimest transistorit (mis oli punkt-kontakttransistori kujul) on näidatud joonisel 3.1.

Pildi viisakus: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Replica-of-first-transistor.jpg

Selle 3-kontaktilise tahkeseadme positiivsed küljed, erinevalt torust, olid koheselt märgatavad: see osutus palju väiksemaks, võib töötada ilma 'küttekeha' või küttekadudeta, oli purunematu ja tugev, oli tõhusam energiakasutus, seda oli võimalik hõlpsalt salvestada ja juurde pääseda, see ei nõudnud esialgset soojenemist ja see töötas palju madalamal tööpingel.

TRANSISTORI EHITUS

Transistor on põhimõtteliselt seade, mis on ehitatud 3 pooljuhtmaterjalikihiga, milles kasutatakse kas 2 n-tüüpi ja ühte p-tüüpi materjalikihti või 2 p-tüüpi ja ühte n-tüüpi materjalikihti. Esimest tüüpi nimetatakse NPN-transistoriks, teist varianti nimetatakse PNP-tüüpi transistoriks.

Mõlemat tüüpi saab sobiva alalisvoolu kallutamisega visualiseerida joonisel 3.2.

Oleme juba õppinud, kuidas sisse BJT-de alalisvoolu kallutamine vajaliku tööpiirkonna loomiseks ja vahelduvvoolu võimendamiseks hädavajalikud. Selle jaoks on emitteri külgkiht dopinguga märgatavam võrreldes põhipoolega, mis on vähem olulisel määral legeeritud.

Välimised kihid on loodud kihtidega, mille paksus on palju suurem, võrreldes p- või n-tüüpi kihtidega materjalidega. Ülaltoodud joonisel 3.2 leiame, et selle tüübi puhul on kogu laiuse osakaal keskkihiga võrreldes umbes 0,150 / 0,001: 150: 1. Üle kihi paigaldatud doping on samuti suhteliselt madalam kui väliskiht, mis jääb tavaliselt vahemikku 10: 1 või isegi vähem.

Selline vähendatud dopingutase vähendab materjali juhtivust ja suurendab resistentsust, piirates vabalt liikuvad elektronid või „vabad” kandjad.

Eelpingestusdiagrammil näeme ka seda, et seadme klemme näidatakse emitteri jaoks suurtähtedega E, kollektorina C ja baasina, meie tulevases arutelus selgitan, miks neile terminalidele seda tähtsust omistatakse.

Terminit BJT kasutatakse ka bipolaarse transistori lühendamiseks ja tähistatakse nende kolme terminaliseadmega. Fraas „bipolaarne” näitab dopinguprotsessis osalevate aukude ja elektronide olulisust vastandlikult polariseeritud aine suhtes.

TRANSISTORI TÖÖTAMINE

Mõistame nüüd BJT põhitööd joonise 3.2 PNP versiooni abil. NPN analoogi tööpõhimõte oleks täpselt sarnane, kui elektronide ja aukude osalus lihtsalt vahetataks.

Nagu on näha jooniselt 3.3, on PNP transistor ümber joonistatud, välistades aluse ja kollektori kallutatuse. Võime visualiseerida, kuidas ammendumispiirkond paistab laiuse tõttu kitsendatud indutseeritud kallutatuse tõttu, mis põhjustab enamuse vedajad üle p- n-tüüpi materjalidele.

Juhul, kui pnp-transistori baas-emitter-eelpinge eemaldatakse, nagu on näidatud joonisel 3.4, muutub enamuse kandjate voog nulliks, võimaldades ainult vähemuskandjate voogu.

Lühidalt võime sellest erapoolikus olukorras aru saada üks BJT p-n ristmik muutub vastupidiseks, teine ​​ristmik on ettepoole kallutatud.

Joonisel 3.5 näeme, et pnp transistorile rakendatakse mõlemat eelarvepinget, mis põhjustab näidatud enamuse ja vähemuse kandja voolu. Siit võime ammendumispiirkondade laiustest selgelt visualiseerida, milline ristmik töötab ettepoole suunatud ja milline on vastupidise kallutusega.

Nagu on näidatud joonisel, hajutatakse märkimisväärne osa enamuse kandjatest läbi ettepoole kallutatud p-n-ristmiku n-tüüpi materjaliks. See tekitab meie arvates küsimuse, kas need kandjad võiksid mängida mingit olulist rolli baasvoolu IB edendamisel või võimaldada sellel otse p-tüüpi materjali voolata?

Arvestades, et kinnitatud n-tüüpi sisu on uskumatult õhuke ja sellel on minimaalne juhtivus, lähevad erakordselt vähesed neist kanduritest läbi selle suure takistuse suure baasterminali.

Baasvoolu tase on emitteri ja kollektori voolude puhul tavaliselt pigem mikroamprite kui milliamprite ümber.

Nende enamusekandjate suurem hulk hajub piki vastupidist kallutatud ristmikku kollektoriterminali külge kinnitatud p-tüüpi materjali, nagu on näidatud joonisel 3.5.

Selle suhtelise lihtsuse taga, millega enamikul kandjatel lubatakse üle vastupidise kallutatud ristmiku pääseda, saab kiiresti aru vastupidise kallutatud dioodi näide, kus indutseeritud enamuse kandjad osutuvad n-tüüpi materjalis vähemuskandjateks.

Teisiti öeldes leiame n-tüüpi baaspiirkonna materjalist vähemusekandjate tutvustuse. Selle teadmise ja koos sellega, et dioodide puhul jõuavad kõik tühjenemispiirkonna vähemuskandjad üle vastupidise kallutatud ristmiku, põhjustab elektronide voolu, nagu on näidatud joonisel 3.5.

Eeldades, et joonisel 3.5 olev transistor on üks sõlm, võime järgmise võrrandi saamiseks rakendada Kirchhoffi praegust seadust:

Mis näitab, et emitteri vool on võrdne baasi ja kollektori voolu summaga.

Kollektorvool koosneb siiski paarist elemendist, milleks on enamus ja vähemus kandjad, nagu on näidatud joonisel 3.5.

Vähemusvoolu kandev element moodustab siin lekkevoolu ja seda sümboliseeritakse kui ICO (voolu IC, millel on avatud emitteri terminal).

Järelikult arvutatakse kollektori netovool vastavalt järgmisele võrrandile 3.2:

Kollektorvoolu IC-d mõõdetakse kõigi üldotstarbeliste transistoride mA-des, ICO arvutatakse uA või nA-des.

ICO käitub üsna vastupidise eelhäälestatud dioodina ja võib seetõttu olla temperatuurimuutuste suhtes haavatav ning seetõttu tuleb testimise ajal nõuetekohaselt hoolitseda, eriti vooluringides, mis on mõeldud töötama väga erinevates temperatuurivahemikes, muidu võib tulemus olla tohutult mõjutatud temperatuuriteguri tõttu.

See tähendab, et tänu kaasaegsete transistoride konstruktsioonipaigutuse paljudele täiustatud täiustustele on ICO oluliselt vähenenud ja seda saab kõigi tänapäevaste BJT-de puhul täiesti ignoreerida.

Järgmises peatükis õpime, kuidas BJT-sid konfigureerida ühises baasrežiimis.

Viited: https://et.wikipedia.org/wiki/John_Bardeen