Що таке біполярний транзистор і в чому його особливість

Слово “транзистор” складено зі слів TRANSfer та resISTOR – перетворювач опору. Він прийшов на зміну лампам на початку 1950-х. Це прилад з трьома висновками, що використовується для посилення та перемикання в електронних схемах. Прикметник “біполярний” (bipolar junction transistor) служить на відміну польових транзисторів (FET – field effect transistor). Принцип дії біполярного транзистора полягає у використанні двох p-n переходів, що утворюють запірний шар, який дозволяє малому струму керувати великим струмом. Біполярний транзистор використовується як керований опір, і як ключ. Транзистори бувають двох типів: pnp та npn.

P-N перехід

Німеччина (Ge) та кремній (Si) – це напівпровідники. Зараз переважно використовують кремній. Валентність Si та Ge дорівнює чотирьом. Тому якщо додати в кристалічну решітку кремнію пятивалентний миш'як (As), ми отримаємо "зайвий" електрон, а якщо додати тривалентний бір (B) - ми отримаємо вакантне місце для електрона. У першому випадку говорять про “донорний” матеріал, що дає електрони, у другому випадку – про “акцепторний”, який приймає електрони. Також перший тип матеріалу називають N (negative), а другий – P (positive).

Якщо привести в контакт матеріали P і N типів, між ними виникне струм і встановиться динамічна рівновага з збідненою областю, де концентрація носіїв заряду - електронів і вакантних місць ("дірок") - мала. Цей шар має односторонню провідність і служить основою приладу, званого діод. Безпосередній контакт матеріалів не створить якісний перехід, необхідно сплавлення (дифузія) або "забивання" кристал іонів легуючих домішок у вакуумі.

PNP-транзистор

Вперше біполярний транзистор виготовили, вплавляючи кристал германію (матеріал n-типу) краплі індія. Індій (In) – тривалентний метал, матеріал p-типу. Тому такий транзистор назвали дифузним (сплавним), що має структуру p-n-p (або pnp). Біполярний транзистор на малюнку нижче виготовлено 1965 року. Його корпус обрізаний для наочності.

Кристал германію у центрі називається базою, а вплавлені до нього краплі індія – емітером і колектором. Можна розглядати переходи ЕБ (емітерний) та КБ (колекторний) як звичайні діоди, але перехід КЕ (колектор-емітерний) має особливу властивість. Тому неможливо виготовити біполярний транзистор із двох окремих діодів.

Якщо в транзисторі типу pnp прикласти між колектором (-) і емітером (+) напруга в кілька вольт, в ланцюзі піде дуже слабкий струм, кілька мкА. Якщо потім прикласти невелику (відкриваючу) напругу між базою (-) і емітером (+) – для германію воно становить близько 0,3 (а для кремнію 0,6 В) – то струм деякої величини потече з емітера в базу. Але оскільки база зроблена дуже тонкою, вона швидко насититься дірками (“розгублює” свій надлишок електронів, які підуть в емітер). Оскільки емітер сильно легований дірковою провідністю, а слабко легованої основі рекомбінація електронів трохи запізнюється, то значно більша частина струму піде з емітера в колектор. Колектор зроблено більше емітера і слабо легований, що дозволяє мати на ньому більшу пробивну напругу (Uпроб.КЕ > Uпроб.ЭБ). Також, оскільки основна частина дірок рекомбінує в колекторі, то він і гріється сильніше за інші електроди приладу.

Між струмом колектора та емітера є співвідношення:

Зазвичай лежить в межах 0,85-0,999 і назад залежить від товщини бази. Ця величина називається коефіцієнт передачі струму емітера. Насправді частіше використовують зворотну величину (також позначається як h21e):

Це коефіцієнт передачі струму бази, один із найважливіших параметрів біполярного транзистора. Він частіше визначає підсилювальні властивості практично.

Транзистор pnp називають транзистором прямої провідності. Але буває інший тип транзистора, структура якого добре доповнює pnp в схемотехніці.

NPN-транзистор

Біполярний транзистор може мати колектор з емітером матеріалу N-типу. Тоді основа виготовляється з матеріалу P-типу. І тут, транзистор npn працює точно, як pnp, крім полярності – це транзистор зворотної провідності.

Транзистори з урахуванням кремнію пригнічують своїм числом й інші типи біполярних транзисторів. Донорним матеріалом для колектора та емітера може бути As, що має “зайвий” електрон. Також змінилася технологія виготовлення транзисторів. Нині вони планарні, що дає можливість використовувати літографію та робити інтегральні схеми. На зображенні нижче зображено планарний біполярний транзистор (у складі інтегральної схеми при сильному збільшенні). За планарною технологією виготовляються як pnp, і npn-транзистори, зокрема і потужні. Сплавні вже знято з виробництва.

Планарний біполярний транзистор у розрізі на наступному малюнку (спрощена схема).

З зображення видно, наскільки вдало влаштована конструкція планарного транзистора – колектор ефективно охолоджується підкладкою кристала. Також виготовлений і планарний pnp транзистор.

Умовні графічні позначення біполярного транзистора показано на наступному малюнку.

Ці УДО є міжнародними, а також дійсні за ГОСТ 2.730-73.

Схеми включення транзисторів

Зазвичай біполярний транзистор завжди використовується у прямому включенні – зворотна полярність на КЕ переході нічого цікавого не дає. Для прямої схеми підключення є три схеми включення: загальний емітер (ОЕ), загальний колектор (ОК) та загальна база (ПРО). Усі три включення показані нижче. Вони пояснюють лише сам принцип роботи – якщо припустити, що робоча точка якимось чином за допомогою додаткового джерела живлення або допоміжного ланцюга встановлена. Для відкривання кремнієвого транзистора (Si) необхідно мати потенціал ~0,6 між емітером і базою, а для германієвого вистачить ~0,3 В.

Загальний емітер

Напруга U1 викликає струм Iб, струм колектора Iк дорівнює базовому струму, помноженому на β. При цьому напруга +E повинна бути досить великою: 5-15 В. Ця схема добре посилює струм і напруга, отже, і потужність. Вихідний сигнал протилежний за фазою вхідною (інвертується). Це використовується у цифровій техніці як функція НЕ.

Якщо транзистор працює не в ключовому режимі, а як підсилювач малих сигналів (активний або лінійний режим), то за допомогою підбору базового струму встановлюють напругу U2 рівним E/2, щоб вихідний сигнал не спотворювався. Таке застосування використовується, наприклад, при посиленні аудіосигналів у підсилювачах високого класу, з низькими спотвореннями і, як наслідок, низьким ККД.

Загальний колектор

По напрузі схема ОК не посилює, тут коефіцієнт підсилення дорівнює ~1. Тому ця схема називається емітерний повторювач. Струм у ланцюзі емітера виходить у β+1 разів більше, ніж у кола бази. Ця схема добре посилює струм і має низький вихідний та дуже високий вхідний опір. (Тут саме час згадати, що транзистор називається трансформатором опору.)

Емітерний повторювач має властивості та робочі параметри, що дуже підходять для пробників осцилографів. Тут використовують його величезний вхідний опір та низький вихідний, що добре для узгодження з низькоомним кабелем.

Загальна база

Ця схема відрізняється найнижчим вхідним опором, але посилення струму в неї дорівнює α. Схема із загальною базою добре посилює за напругою, але не за потужністю. Її особливістю є усунення впливу зворотного зв'язку за ємністю (еф. Міллера). Каскади з ПРО ідеально підходять як вхідні каскади підсилювачів в радіочастотних трактах, узгоджених на низьких опорах 50 і 75 Ом.

Каскади із загальною базою дуже широко використовуються в техніці НВЧ та їх застосування в радіоелектроніці з каскадом емітерного повторювача дуже поширене.

Два основні режими роботи

Розрізняють режими роботи з використанням "малого" та "великого" сигналу. У першому випадку біполярний транзистор працює на маленькій ділянці своїх характеристик, і це використовується в аналоговій техніці. У таких випадках важлива лінійність посилення сигналів та малі шуми. Це лінійний режим.

У другому випадку (ключовий режим), біполярний транзистор працює у повному діапазоні – від насичення до відсікання, як ключ. Це означає, що якщо подивитися на ВАХ p-n переходу – слід для повного замикання транзистора прикласти між базою та емітером невелику зворотну напругу, а для повного відкривання, коли транзистор переходить у режим насичення, трохи збільшити базовий струм порівняно з малосигнальним режимом. Тоді транзистор працює як імпульсний ключ. Цей режим використовується в імпульсних та силових пристроях, застосовується для імпульсних джерел живлення. У разі намагаються домогтися малого часу перемикання транзисторів.

Для цифрової логіки характерне проміжне положення між "великим" та "малим" сигналами. Низький логічний рівень обмежують 10% напруги живлення, а високий 90%. Час затримок та перемикання прагнуть зменшити до краю. Такий режим роботи є ключовим, але потужність тут прагнуть звести до мінімальної. Будь-який логічний елемент – це ключ.

Інші види транзисторів

Основні, вже описані види транзисторів не обмежують їх пристрій. Випускають складові транзистори (схема Дарлінгтон). Їх β дуже великий і дорівнює добутку коефіцієнтів обох транзисторів, тому їх називають ще супербету транзисторами.

Електротехніка вже добре освоїла IGBT-транзистори (insulated gate bipolar transistor), із ізольованим затвором. Затвор польового транзистора дійсно ізольований від його каналу. Щоправда, є питання перезарядки його вхідної ємності при перемиканнях, тож без струму і тут не обходиться.

Такі транзистори використовують у потужних силових ключах: імпульсні перетворювачі, інвертори тощо. По входу IGBT дуже чутливі за рахунок високого опору затворів польових транзисторів. По виходу – дозволяють отримувати величезні струми і можуть бути виготовлені на високу напругу. Наприклад, у США є нова сонячна електростанція, де такі транзистори в бруківці навантажені на потужні трансформатори, що віддають енергію в промислову мережу.

Насамкінець зазначимо, що транзистори, кажучи простими словами, є "робочою конячкою" всієї сучасної електроніки. Їх використовують скрізь: від електровозів до мобільних телефонів. Будь-який сучасний комп'ютер складається з одних транзисторів. Фізичні основи роботи транзисторів добре вивчені та обіцяють ще чимало нових досягнень.

Матеріали на тему:

Ви не маєте права надсилати коментарі