Hoe werkt een bipolaire transistor? Omgekeerde collectorstroom

Pagina 1 van 2

Het ontwerp en het werkingsprincipe van een bipolaire transistor

Een bipolaire transistor is een halfgeleiderapparaat met twee elektron-gatovergangen gevormd in één halfgeleider-monokristal. Deze overgangen vormen drie gebieden in de halfgeleider met verschillende soorten elektrische geleidbaarheid. Het ene uiterste gebied wordt de emitter (E) genoemd, het andere de collector (K), het midden de basis (B). Op elk gebied worden metalen draden gesoldeerd om de transistor met het elektrische circuit te verbinden.
De elektrische geleidbaarheid van de emitter en collector is tegengesteld aan de elektrische geleidbaarheid van de basis. Afhankelijk van de volgorde van afwisseling van p- en n-gebieden worden transistoren met p-n-p- en n-p-n-structuren onderscheiden. Conventionele grafische symbolen voor p-n-p- en n-p-n-transistors verschillen alleen in de richting van de pijl op de elektrode die de emitter aangeeft.

De werkingsprincipes van p-n-p- en n-p-n-transistors zijn hetzelfde, dus in de toekomst zullen we alleen de werking van een transistor met een p-n-p-structuur beschouwen.
Een elektron-gatovergang gevormd door een emitter en een basis wordt een emitterovergang genoemd, en een collector- en basisovergang wordt een collectorovergang genoemd. De afstand tussen de knooppunten is erg klein: voor hoogfrequente transistors is deze minder dan 10 micrometer (1 μm = 0,001 mm), en voor laagfrequente transistors is deze niet groter dan 50 μm.
Wanneer de transistor in bedrijf is, ontvangen de knooppunten externe spanningen van de stroombron. Afhankelijk van de polariteit van deze spanningen kan elke junctie in voorwaartse of achterwaartse richting worden ingeschakeld. Er zijn drie bedrijfsmodi van de transistor: 1) afsnijmodus - beide overgangen en dienovereenkomstig de transistor zijn volledig gesloten; 2) verzadigingsmodus - de transistor is volledig open; 3) actieve modus - dit is een modus die tussen de eerste twee in ligt. De afsnij- en verzadigingsmodi worden samen gebruikt in belangrijke fasen, wanneer de transistor afwisselend volledig open of volledig gesloten is met de frequentie van de pulsen die de basis bereiken. Cascades die in schakelmodus werken, worden gebruikt in schakelcircuits (schakelende voedingen, horizontale scanuitgangstrappen van televisies, enz.). De eindtrappen van eindversterkers kunnen gedeeltelijk in de afsnijmodus werken.
Transistoren worden meestal in de actieve modus gebruikt. Deze modus wordt bepaald door een kleine spanning aan te leggen op de basis van de transistor, die voorspanning (U cm) wordt genoemd. De transistor gaat enigszins open en er begint stroom door de overgangen te vloeien. Het werkingsprincipe van de transistor is gebaseerd op het feit dat een relatief kleine stroom die door de emitterovergang vloeit (basisstroom) een grotere stroom in het collectorcircuit regelt. De emitterstroom is de som van de basis- en collectorstromen.

Bedrijfsmodi van een bipolaire transistor

Afgesneden modus transistor wordt verkregen wanneer de pn-overgangen van de emitter en de collector in de tegenovergestelde richting met externe bronnen zijn verbonden. In dit geval vloeien zeer kleine omgekeerde emitterstromen door beide pn-overgangen ( I EBO) En verzamelaar ( ik KBO). De basisstroom is gelijk aan de som van deze stromen en varieert, afhankelijk van het type transistor, van eenheden van microampère - µA (voor siliciumtransistors) tot eenheden van milliampère - mA (voor germaniumtransistors).

Als de pn-overgangen van de emitter en de collector in voorwaartse richting met externe bronnen zijn verbonden, zal de transistor in de voorwaartse richting zijn verzadigingsmodus . Het elektrische diffusieveld van de emitter- en collectorovergangen zal gedeeltelijk worden verzwakt door het elektrische veld dat door externe bronnen wordt gecreëerd U EB En UKB. Als gevolg hiervan zal de potentiële barrière die de diffusie van de hoofdladingsdragers beperkt, afnemen, en zal de penetratie (injectie) van gaten van de emitter en collector in de basis beginnen, dat wil zeggen dat stromen die emitterverzadigingsstromen worden genoemd, door de basis zullen stromen. emitter en collector van de transistor ( ik E.us) en verzamelaar ( ik K.us).

Wordt gebruikt om signalen te versterken actieve werkingsmodus van de transistor .
Wanneer de transistor in de actieve modus werkt, wordt zijn emitterovergang in voorwaartse richting ingeschakeld en de collectorovergang in tegengestelde richting.

Onder gelijkspanning UEB gaten worden vanuit de zender in de basis geïnjecteerd. Eenmaal in de n-type basis worden gaten daarin minderheidsladingsdragers en bewegen (diffuus) onder invloed van diffusiekrachten naar de p-n-overgang van de collector. Een deel van de gaten in de basis wordt opgevuld (gerecombineerd) met de daarin aanwezige vrije elektronen. De breedte van de basis is echter klein: van enkele eenheden tot 10 micron. Daarom bereikt het grootste deel van de gaten de p-n-overgang van de collector en wordt het door zijn elektrische veld naar de collector overgedragen. Uiteraard de collectorstroom I K p er kan niet meer emitterstroom zijn, omdat sommige gaten in de basis opnieuw samenkomen. Daarom I K p = H 21B I uh
Grootte H 21B wordt de statische overdrachtscoëfficiënt van de emitterstroom genoemd. Voor moderne transistors H 21B= 0,90...0,998. Omdat de collectorovergang in de tegenovergestelde richting wordt geschakeld (vaak gezegd - voorgespannen in de tegenovergestelde richting), stroomt er ook tegenstroom doorheen I BWC , gevormd door minderheidsdragers van de basis (gaten) en collector (elektronen). Daarom is de totale collectorstroom van een transistor aangesloten volgens een circuit met een gemeenschappelijke basis

INaar = H 21B I uh +IkBWC
Gaten die de collectorovergang niet bereikten en opnieuw gecombineerd (opgevuld) in de basis, geven het een positieve lading. Om de elektrische neutraliteit van de basis te herstellen, wordt hetzelfde aantal elektronen vanuit het externe circuit toegevoerd. De beweging van elektronen van het externe circuit naar de basis creëert daarin een recombinatiestroom ik B.rec. Naast de recombinatiestroom stroomt de omgekeerde collectorstroom door de basis in de tegenovergestelde richting en de volledige basisstroom
I B = I B.rek - I KBO
In de actieve modus is de basisstroom tientallen en honderden keren kleiner dan de collectorstroom en de emitterstroom.

Bipolaire transistorverbindingscircuits

In het vorige diagram wordt het elektrische circuit gevormd door de bron U EB, emitter en basis van de transistor, wordt ingang genoemd, en het circuit wordt gevormd door de bron UKB, collector en basis van dezelfde transistor, is de uitgang. De basis is de gemeenschappelijke elektrode van de transistor voor de ingangs- en uitgangscircuits, daarom wordt deze opname een circuit met een gemeenschappelijke basis genoemd, of kortweg "OB-regeling".

De volgende afbeelding toont een circuit waarin de emitter de gemeenschappelijke elektrode is voor de ingangs- en uitgangscircuits. Dit is een gemeenschappelijk emittercircuit, of "OE-diagram".

Daarin is de uitgangsstroom, net als in het OB-circuit, de collectorstroom ik K, iets anders dan de emitterstroom ik e, en de invoer is de basisstroom ik B, aanzienlijk minder dan de collectorstroom. Communicatie tussen stromingen ik B En ik K in het OE-schema wordt bepaald door de vergelijking: ik K= H 21 E ik B + I KEO
Evenredigheidsfactor H 21 E wordt de statische basisstroomoverdrachtscoëfficiënt genoemd. Het kan worden uitgedrukt in termen van de statische overdrachtscoëfficiënt van de emitterstroom H 21B
H 21 E = H 21B / (1 —H 21B )
Als H 21B ligt binnen het bereik van 0,9...0,998, de overeenkomstige waarden H 21 E ligt binnen 9...499.
Onderdeel I keo wordt de omgekeerde collectorstroom in het OE-circuit genoemd. De waarde is 1+ H 21 E keer meer dan I BWC, d.w.z. I KEO =(1+ H 21 E ) I KBO. Tegengestelde stromen I BWC en I CEO's zijn niet afhankelijk van ingangsspanningen U EB En U BENT en worden daarom ongecontroleerde componenten van de collectorstroom genoemd. Deze stromen zijn sterk afhankelijk van de omgevingstemperatuur en bepalen de thermische eigenschappen van de transistor. Er is vastgesteld dat de omgekeerde huidige waarde I De BER verdubbelt bij een temperatuurstijging van 10 °C voor germanium en 8 °C voor siliciumtransistors. In het OE-circuit veranderen de temperatuur in de ongecontroleerde tegenstroom I KEO kan tientallen en honderden keren hoger zijn dan de temperatuurveranderingen van de ongecontroleerde tegenstroom I BWC en verstoort de werking van de transistor volledig. Daarom worden in transistorcircuits speciale maatregelen gebruikt voor de thermische stabilisatie van transistorcascades, waardoor de invloed van temperatuurveranderingen in stromen op de werking van de transistor wordt verminderd.
In de praktijk zijn er vaak circuits waarin de gemeenschappelijke elektrode voor de ingangs- en uitgangscircuits van de transistor de collector is. Dit is een verbindingscircuit met een gemeenschappelijke collector, of “OK-circuit” (emittervolger) .

Pagina 1 van 2

Het ontwerp en het werkingsprincipe van een bipolaire transistor

De werkingsprincipes van p-n-p- en n-p-n-transistors zijn hetzelfde, dus in de toekomst zullen we alleen de werking van een transistor met een p-n-p-structuur beschouwen.
De elektron-gatovergang gevormd door de emitter en de basis wordt de emitter genoemd, en de collector en basis worden de collector genoemd. De afstand tussen de knooppunten is erg klein: voor hoogfrequente transistors is deze minder dan 10 micrometer (1 μm = 0,001 mm), en voor laagfrequente transistors is deze niet groter dan 50 μm.
Wanneer de transistor in bedrijf is, ontvangen de knooppunten externe spanningen van de stroombron. Afhankelijk van de polariteit van deze spanningen kan elke junctie in voorwaartse of achterwaartse richting worden ingeschakeld. Er zijn drie bedrijfsmodi van de transistor: 1) afsnijmodus - beide overgangen en dienovereenkomstig de transistor zijn volledig gesloten; 2) verzadigingsmodus - de transistor is volledig open; 3) actieve modus - dit is een modus die tussen de eerste twee in ligt. De afsnij- en verzadigingsmodi worden samen gebruikt in belangrijke fasen, wanneer de transistor afwisselend volledig open of volledig gesloten is met de frequentie van de pulsen die de basis bereiken. Cascades die in schakelmodus werken, worden gebruikt in schakelcircuits (schakelende voedingen, horizontale scanuitgangstrappen van televisies, enz.). De eindtrappen van eindversterkers kunnen gedeeltelijk in de afsnijmodus werken.
Transistoren worden meestal in de actieve modus gebruikt. Deze modus wordt bepaald door een kleine spanning aan te leggen op de basis van de transistor, die voorspanning (U cm) wordt genoemd. De transistor gaat enigszins open en er begint stroom door de overgangen te vloeien. Het werkingsprincipe van de transistor is gebaseerd op het feit dat een relatief kleine stroom die door de emitterovergang vloeit (basisstroom) een grotere stroom in het collectorcircuit regelt. De emitterstroom is de som van de basis- en collectorstromen.

Bedrijfsmodi van een bipolaire transistor

Onder gelijkspanning U EB injecteert gaten van de zender in de basis. Eenmaal in de n-type basis worden gaten daarin minderheidsladingsdragers en verplaatsen (diffuus) onder invloed van diffusiekrachten naar de p-n-overgang van de collector. Een deel van de gaten in de basis wordt opgevuld (gerecombineerd) met de daarin aanwezige vrije elektronen. De breedte van de basis is echter klein: van enkele eenheden tot 10 micron. Daarom bereikt het grootste deel van de gaten de p-n-overgang van de collector en wordt door zijn elektrisch veld naar de collector overgedragen. Uiteraard de collectorstroom I Kp kan niet groter zijn dan de emitterstroom, omdat sommige gaten in de basis opnieuw samenkomen. Daarom I Kp = H 21B I uh
Grootte H 21B wordt de statische overdrachtscoëfficiënt van de emitterstroom genoemd. Voor moderne transistors H 21B= 0,90…0,998. Omdat de collectorovergang in tegengestelde richting is voorgespannen (vaak wordt gezegd dat deze in tegengestelde richting is), stroomt er ook tegenstroom doorheen ik KBO, gevormd door minderheidsdragers van de basis (gaten) en collector (elektronen). Daarom is de totale collectorstroom van een transistor aangesloten volgens een circuit met een gemeenschappelijke basis
I Naar = H 21B I uh +Ik BWC
Gaten die de collectorovergang niet bereikten en opnieuw gecombineerd (opgevuld) in de basis, geven het een positieve lading. Om de elektrische neutraliteit van de basis te herstellen, wordt hetzelfde aantal elektronen vanuit het externe circuit toegevoerd. De beweging van elektronen van het externe circuit naar de basis creëert daarin een recombinatiestroom ik B.rec. Naast de recombinatiestroom stroomt de omgekeerde collectorstroom door de basis in de tegenovergestelde richting en de volledige basisstroom
I B = I B.rek - I KBO
In de actieve modus is de basisstroom tientallen en honderden keren kleiner dan de collectorstroom en de emitterstroom.

Bipolaire transistorverbindingscircuits

In het vorige diagram wordt het elektrische circuit gevormd door de bron U EB, emitter en basis van de transistor, wordt ingang genoemd, en het circuit wordt gevormd door de bron UKB, collector en basis van dezelfde transistor, - uitgang. De basis is de gemeenschappelijke elektrode van de transistor voor de ingangs- en uitgangscircuits, daarom wordt deze opname een circuit met een gemeenschappelijke basis genoemd, of kortweg "OB-regeling".
De volgende afbeelding toont een circuit waarin de emitter de gemeenschappelijke elektrode is voor de ingangs- en uitgangscircuits. Dit is een gemeenschappelijk emittercircuit, of "OE-diagram".

KI– huidige winst

K U– spanningsversterking

K P– vermogenswinst

Vorige pagina – Volgende pagina

In dit artikel hebben we zo'n belangrijke transistorparameter besproken als de bètacoëfficiënt (β) . Maar er zit nog een interessante parameter in de transistor. Op zichzelf is hij onbeduidend, maar hij kan veel zaken doen! Het is als een steentje dat in de sneaker van een atleet terechtkomt: het lijkt klein, maar veroorzaakt ongemak tijdens het hardlopen. Dus wat interfereert dit "kiezeltje" met de transistor? Dat zoeken we uit...

Directe en omgekeerde aansluiting van PN-verbinding

Zoals we ons herinneren, bestaat een transistor uit drie halfgeleiders. , die we basisemitter noemen emitter-overgang, en de basis-collectorovergang is collector overgang.

Omdat we in dit geval een NPN-transistor hebben, betekent dit dat de stroom van de collector naar de emitter zal vloeien, op voorwaarde dat we de basis openen door er een spanning van meer dan 0,6 Volt op aan te leggen (nou ja, zodat de transistor opent) .

Laten we hypothetisch een dun, dun mes nemen en de emitter direct langs de PN-overgang uitsnijden. We eindigen met zoiets als dit:

Stop! Hebben we een diode? Ja, hij is het! Bedenk dat we in het artikel stroom-spanningskarakteristiek (CVC) naar de CVC van de diode hebben gekeken:

Aan de rechterkant van de stroom-spanningskarakteristiek zien we hoe de tak van de grafiek heel scherp omhoog vloog. In dit geval hebben we op deze manier een constante spanning op de diode aangelegd, dat wil zeggen: dat was het geval directe aansluiting van de diode.

De diode liet elektrische stroom door zichzelf gaan. We hebben zelfs experimenten uitgevoerd met directe en omgekeerde aansluiting van de diode. Wie het zich niet herinnert, kan het lezen.

Maar als je de polariteit verandert

dan zal onze diode geen stroom doorlaten. Dit is ons altijd zo geleerd, en er zit een kern van waarheid in, maar... onze wereld is niet ideaal).

Hoe werkt een PN-knooppunt? We stelden ons het voor als een trechter. Dus voor deze tekening

onze trechter zal ondersteboven worden gedraaid richting de stroom

De richting van de waterstroom is de richting van de elektrische stroom. De trechter is de diode. Maar het water dat door de smalle hals van de trechter kwam? Hoe kunnen we het noemen? En het heet tegenstroom van PN-overgang (I retour).

Wat denk je dat als je de snelheid van de waterstroom verhoogt, de hoeveelheid water die door de smalle hals van de trechter stroomt, zal toenemen? Zeker! Dit betekent dat als u spanning toevoegt U arr., dan zal de tegenstroom toenemen Ik kom., wat we zien aan de linkerkant van de grafiek van de stroom-spanningskarakteristiek van de diode:

Maar tot welke grens kan de snelheid van de waterstroom worden verhoogd? Als het erg groot is, houdt onze trechter het niet, de muren zullen barsten en het zal in stukken vliegen, toch? Daarom kunt u voor elke diode een parameter vinden zoals U toerenmax, waarbij een overschrijding voor een diode gelijk staat aan de dood.

Voor diode D226B bijvoorbeeld:

U toerenmax= 500 Volt, en de maximale tegenpuls U arr. imp.max= 600 Volt. Maar houd er rekening mee dat elektronische circuits, zoals ze zeggen, zijn ontworpen ‘met een marge van 30%’. En zelfs als in het circuit de sperspanning op de diode 490 volt is, wordt er een diode in het circuit geïnstalleerd die bestand is tegen meer dan 600 volt. Het is beter om niet met kritische waarden te spelen). Puls-sperspanning is een plotselinge spanningsstoot die een amplitude van maximaal 600 volt kan bereiken. Maar ook hier is het beter om met een kleine marge te nemen.

Dus... waarom ga ik dit allemaal over de diode en over de diode... Het is alsof we transistors bestuderen. Maar wat je ook zegt, een diode is een bouwsteen voor het bouwen van een transistor. Dus als we een sperspanning op de collectorovergang aanleggen, zal er een tegenstroom door de kruising vloeien, zoals in een diode? Precies. En deze parameter in een transistor wordt genoemd . Wij duiden het aan als ik KBO, onder de bourgeoisie - Ik CBO. Betekent “stroom tussen collector en basis, met emitter open”. Grof gezegd blijft het emitterpootje nergens hangen en hangt het in de lucht.

Om de tegenstroom van de collector te meten, volstaat het om deze eenvoudige circuits samen te stellen:

Voor NPN-transistor voor PNP-transistor

Voor siliciumtransistors is de tegencollectorstroom minder dan 1 µA, voor germaniumtransistoren: 1-30 µA. Omdat ik pas meet vanaf 10 µA, en ik geen germaniumtransistors bij de hand heb, kan ik dit experiment niet uitvoeren, omdat de resolutie van het apparaat dit niet toestaat.

We hebben de vraag nog steeds niet beantwoord: waarom is collector-tegenstroom zo belangrijk en wordt deze vermeld in naslagwerken? Het punt is dat de transistor tijdens bedrijf wat stroom in de ruimte dissipeert, wat betekent dat hij opwarmt. De omgekeerde collectorstroom is sterk afhankelijk van de temperatuur en verdubbelt zijn waarde voor elke 10 graden Celsius. Nee, maar wat is er aan de hand? Laat het maar groeien, het lijkt niemand te storen.

Effect van omgekeerde collectorstroom

Het punt is dat in sommige schakelcircuits een deel van deze stroom door de emitterovergang gaat. En zoals we ons herinneren, vloeit de basisstroom door de emitterovergang. Hoe groter de stuurstroom (basisstroom), hoe groter de geregelde stroom (collectorstroom). We hebben dit besproken in het artikel. Bijgevolg leidt de kleinste verandering in de basisstroom tot een grote verandering in de collectorstroom en begint het hele circuit niet goed te werken.

Hoe omgekeerde collectorstroom te bestrijden

Dit betekent dat de belangrijkste vijand van de transistor temperatuur is. Hoe bestrijden ontwikkelaars van radio-elektronische apparatuur (REA) dit?

- gebruik transistors waarbij de tegencollectorstroom een zeer kleine waarde heeft. Dit zijn uiteraard siliciumtransistoren. Een kleine hint: de markering van siliciumtransistors begint met de letters "KT", wat betekent NAAR riem T transistor.

- gebruik van circuits die de tegenstroom van de collector minimaliseren.

Omkeercollectorstroom is een belangrijke parameter van de transistor. Het staat vermeld in het gegevensblad van elke transistor. In circuits die onder extreme temperatuuromstandigheden worden gebruikt, zal de retourstroom van de collector een zeer grote rol spelen. Daarom, als je een circuit assembleert dat geen radiator en ventilator gebruikt, is het natuurlijk beter om transistors te nemen met een minimale omgekeerde collectorstroom.

- een van de twee hoofdtypen transistors, vervaardigd in de vorm van een halfgeleiderapparaat met drie elektroden. Elk van deze geleiders bevat achtereenvolgens gerangschikte lagen met n-geleiding (onzuiverheid) of p-geleiding (gat). Er worden dus bipolaire transistoren van het n-p-n- of p-n-p-type gevormd.

De drie elektroden in een bipolaire transistor zijn respectievelijk verbonden met elk van de drie geleidende lagen.

Op het moment dat de bipolaire transistor in werking treedt, vindt gelijktijdige overdracht plaats van verschillende soorten ladingen die worden gedragen door elektronen en gaten. Dat wil zeggen dat er twee soorten ladingen bij betrokken zijn, daarom wordt deze transistor "bipolair" ("bi" betekent "twee") genoemd.

Fig. 1: Bipolair transistorontwerp.

De elektrode die op de middelste laag is aangesloten, wordt de “basis” genoemd. De twee buitenste elektroden worden "collector" en "emitter" genoemd. Deze twee kanalen zijn qua geleidingstype identiek. Om echter een apparaat met de nodige kenmerken te verkrijgen, wordt de laag die met de emitter is verbonden meer gedoteerd met onzuiverheden, en is de laag die met de collector is verbonden omgekeerd. Als gevolg hiervan neemt de toegestane collectorspanning toe. Rekening houden met het sperspanningsniveau waarbij doorslag van de emitterovergang optreedt, is niet zo belangrijk, omdat voor het assembleren van een elektronisch circuit meestal modellen met voorwaartse voorspanning over de emitter-pn-overgang worden gebruikt, waardoor het circuit praktisch in een geleider verandert. De gedoteerde emitterlaag vergemakkelijkt onder andere de overgang van minderheidsdragers naar de centrale geleidende laag, waardoor de stroomomzettingsefficiëntie in een CB-circuit (common base) wordt vergroot.

Bovendien is in het gewijzigde ontwerp de pn-overgang van de collector aanzienlijk groter dan de emitterovergang. Deze parameter is te wijten aan de noodzaak om de verzameling van minderheidsdragers afkomstig van de basislaag te verbeteren en de transmissiecoëfficiënt te verhogen.

De prestaties van bipolaire transistors zijn afhankelijk van de dikte van de basislaag: hoe dikker deze is, hoe langzamer het hele circuit functioneert. Maar ook deze laag kan niet extreem verdund worden. Naarmate de dikte afneemt, neemt ook de tijd die nodig is voor minderheidsdragers om door het lichaam van de basislaag te gaan af, maar tegelijkertijd is er een significante afname van de maximale collectorspanning. Daarom wordt bij de selectie van de juiste basisgrootte rekening gehouden met beide verschijnselen.

Apparaat en werkingsprincipe

Fig. 2: Planaire bipolaire npn-transistor in dwarsdoorsnede

De allereerste modellen bipolaire transistors werden gemaakt met behulp van het metaal germanium (halfgeleidermateriaal). Momenteel worden voor deze doeleinden enkelkristallijn silicium en enkelkristallijn galliumarsenide gebruikt.

Fig. 3: Enkele kristallen van silicium en galliumarsenide

De snelst werkende apparaten zijn apparaten die galliumarsenide gebruiken. Om deze reden worden ze meestal gebruikt als elementen van ultrasnelle logische circuits en microgolfversterkercircuits.

Zoals hierboven vermeld, bestaat de structuur van een bipolaire transistor uit emitter-, basis- en collectorlagen met verschillende doteringsniveaus, en elke laag is verbonden met zijn eigen elektrode, weergegeven door een ohms (niet-gelijkrichtend) contact.

De licht gedoteerde basislaag van de transistor heeft een hoge ohmse weerstand.

Bij het correleren van de emitter-basis- en collector-basiscontacten kan worden opgemerkt dat de eerste kleiner is dan de tweede.

Dit ontwerp is te wijten aan de volgende punten:

Met een grote collector-basisovergang kunt u het aantal minderheidsladingsdragers (MCC's) dat van de basis naar de collector wordt overgedragen vergroten;
Op het moment van actieve werking werkt de KB-overgang onder tegengestelde voorspanningsomstandigheden, wat een sterke warmteontwikkeling in het collectorovergangsgebied veroorzaakt. Om de warmteafvoer ervan te verbeteren, moet het gebied daarom worden vergroot.

De ‘ideale’ symmetrische bipolaire transistor verschijnt dus alleen in theoretische berekeningen, en het overbrengen van de theorie naar een praktische basis toont aan dat de modellen die geen symmetrie hebben de hoogste efficiëntie hebben.

In de actieve versterkingsmodus ondergaat de transistor een voorwaartse bias van de E-junctie (deze wordt open) en een omgekeerde bias van de K-junctie (deze wordt gesloten). In de tegenovergestelde situatie, wanneer de E-splitsing sluit en de K-splitsing opent, wordt de bipolaire transistor omgekeerd ingeschakeld.

Als we het werkingsproces van transistoren van het n-p-n-type nader bekijken, observeren we eerst de overgang van de hoofd-NC (ladingsdragers) van de emitterlaag langs de E-B-overgang naar de basislaag. Sommige NS, vertegenwoordigd door elektronen, interageren met gaten in de basis, wat leidt tot de neutralisatie van beide ladingen en de daarmee gepaard gaande vrijgave van energie. De basislaag is echter vrij dun en licht gedoteerd, waardoor de totale tijd van het interactieproces toeneemt, zodat een veel groter aantal emitter-NC's in de collectorlaag kan doordringen. Bovendien wordt het effect van de door de verplaatste collectorovergang gegenereerde elektrische veldkracht beïnvloed. Dankzij deze kracht neemt het aantal elektronen dat uit de basislaag wordt getrokken aanzienlijk toe.

Als gevolg hiervan is de waarde van de collectorstroom vrijwel gelijk aan de emitterstroom minus de verliezen in de basislaag, die de basisstroom zelf berekenen. Om de waarde van de collectorstroom te berekenen, wordt de formule gebruikt:

waarbij Ik de collectorstroom is, Ie de emitterstroom is, α de emitterstroomoverdrachtscoëfficiënt is.

Het bereik van coëfficiënt α-waarden varieert van 0,9 tot 0,99. Grotere waarden zorgen voor een efficiëntere stroomoverdracht door de transistor. De waarde van α wordt niet bepaald door de spanning die de K-B- en BE-overgangen vertonen. Als gevolg hiervan blijft onder omstandigheden van veel bedrijfsspanningsopties de proportionele relatie tussen Ik en Ib behouden. Om de coëfficiënt van deze evenredigheid te vinden, wordt de formule gebruikt:

β = α/(1 − α).

β-waarden kunnen variëren van 10-100. Hieruit kunnen we concluderen dat het, om de werking van een grote collectorstroom te regelen, heel goed mogelijk is om genoegen te nemen met een lage stroom aan de basis.

Varianten van de werkingsvolgorde van bipolaire transistors

Normale actieve modus

Kenmerk:

Open emitterbasisgebied (voorwaartse bias);
Gesloten collector-basisgebied (omgekeerde bias);
Positief spanningsniveau in het emitterbasisgebied;
Negatief spanningsniveau in het collectorbasisgebied.

Punten 3 en 4 worden gegeven voor pnp-transistoren. Voor modellen met een n-p-n-structuur zal de karakteristiek het omgekeerde zijn van deze.

Omgekeerde actieve modus

Kenmerk:

Omgekeerde bias op de emitterovergang;
Directe voorspanning op de collectorovergang.

De overige punten zijn hetzelfde als voor de normale actieve modus.

Verzadiging modus

Kenmerk:

Aansluiting van de E-splitsing en K-splitsing met externe bronnen;
Directe bias van emitter- en collectorovergang;
Verzwakking van het diffuse elektrische veld als gevolg van het elektrische veld van externe bronnen;
Een afname van het niveau van de potentiële barrière, wat zal leiden tot een verzwakking van de controle over de diffusie van de belangrijkste NC's, evenals de verplaatsing van een groot aantal gaten van de emitter- en collectorgebieden naar het basisgebied.

Als resultaat van het laatste punt vindt de vorming van emitter- en collectorverzadigingsstromen plaats (Ie.s. en Ik.s.)

In dezelfde modus verschijnt het concept van "verzadigingsspanning" bij de K-E-overgang. Dankzij dit kun je de mate van spanningsval voor een open transistor bepalen. Op soortgelijke wijze bepaalt de verzadigingsspanning voor de BE-overgang de mate van spanningsval voor de gereduceerde sectie.

Afgesneden modus

Kenmerk:

Omgekeerde bias in de K-regio;
De verplaatsing van de E-junctie in welke richting dan ook, op voorwaarde dat deze de drempelwaarde niet overschrijdt die het begin van het proces van emissie van elektronen door de emitter in de basislaag beperkt.

Het niveau van de gegeven indicator in het geval van een bipolaire siliciumtransistor bereikt 0,6-0,7 volt, wat betekent dat de uitschakelmodus mogelijk is bij nulstroom aan de basis, of bij een spanningsniveau van minder dan 0,7 volt bij de EB-overgang.

Barrièremodus

Kenmerk:

De verbinding tussen het basissegment en de collector is kort of gebruikt een kleine weerstand;
Een weerstand is verbonden met het collector- of emittercircuit zodat deze de stroom door een transistorelement kan instellen.

De bewerking in de gepresenteerde modus zet een halfgeleidertriode om in een analoog van een diode met een serieschakeling naar een stroominstelweerstand. Een cascade gebouwd volgens dit schema heeft een klein aantal componenten en is vrijwel onafhankelijk van de kenmerken van het gebruikte apparaat.

Verbindingsschema's

Om het schakeltransistorcircuit te karakteriseren, worden twee belangrijke indicatoren gebruikt:

De waarde van de huidige versterkingsfixatiecoëfficiënt, die wordt berekend door de verhouding van de uitgangsstroom (Iout) tot de ingangsstroom (Iin);
De waarde van de ingangsweerstand (Rin), die wordt berekend door de verhouding van de ingangsspanning (Uin) tot de ingangsstroom (Iin).

Inschakelen met een gemeenschappelijke basis (CB)

Afb. 4: Versterker met OB

Kenmerk:

Een circuitvariant waarbij het weerstandsniveau aan de ingang het laagst is en de uitgang het hoogst;
α (huidige versterking) benadert 1;
Heeft een grote Ku (spanningsversterking);
Er is geen signaalfase-inversie.

Om de coëfficiënt α te bepalen, is het noodzakelijk om de verhouding van de collectorstroom tot de emitterstroom te berekenen (met andere woorden, de verhouding van de uitgangsstroom tot de ingangsstroom).

Om de ingangsweerstand Rin te bepalen, moet u de verhouding tussen de ingangsspanning en de ingangsstroom berekenen (met andere woorden, de verhouding van de spanning op de E-B-overgang en de emitterstroom). De waarde van deze parameter voor circuits met OB bereikt een maximum van 100 Ohm (in een bipolaire transistor met laag vermogen).

Voordelen van het gebruik van schakelcircuits met OB

Goede temperatuur- en frequentiewaarde;
Hoog niveau van toelaatbare stress.

Nadelen van het gebruik van schakelcircuits met OB

Onbelangrijke mate van stroomversterking (aangezien de waarde van de coëfficiënt α geen eenheid bereikt);
Lage ingangsimpedantie;
De werking wordt verzorgd door twee verschillende spanningsbronnen.

Gemeenschappelijke emitteraansluiting (CE)

Kenmerk:

De uitgangsstroom komt overeen met de collectorstroom;
De ingangsstroom komt overeen met de basisstroom;
De ingangsspanning komt overeen met de spanning op de BE-overgang;

De coëfficiënt β (stroomversterking) voor een bepaald circuit kan worden berekend door de verhouding van de uitgangsstroom tot de ingangsstroom (collectorstroom tot basisstroom; collectorstroom tot het verschil tussen de emitter- en collectorstromen).

Om de ingangsweerstand (Rin) te bepalen, wordt de verhouding van de ingangsspanning tot de ingangsstroom berekend (spanning op de B-E-overgang en de stroom aan de basis).

Grote waarde van coëfficiënt β;
Hoogspanningsversterking;
Hoogste vermogenswinstniveau;
Er wordt slechts één stroombron gebruikt;
De uitgangsspanning wordt omgekeerd (ten opzichte van de ingang).

Voordelen van het gebruik van schakelcircuits met OE

De temperatuur- en frequentiewaarden zijn veel lager in vergelijking met schakelcircuits met OB.

Inschakelen met een gemeenschappelijke collector (OK)

Kenmerk:

De uitgangsstroom komt overeen met de emitterstroom;
De ingangsstroom komt overeen met de huidige waarde in het basisgebied;
De ingangsspanning komt overeen met de spanning op de B-K-overgang;
De uitgangsspanning komt overeen met de spanning op de K-E-overgang.

De berekening van de β-indicator wordt uitgevoerd door de verhouding van de uitgangsstroom tot de ingangsstroom (stroom in het emittergebied tot de stroom in het basisgebied; stroom in het emittergebied tot het verschil tussen E- en K-stroom).

De hoeveelheid weerstand aan de ingang wordt bepaald door de verhouding van de spanning aan de ingang tot de stroom aan de ingang (de verhouding van de som van de spanningen op de B-E- en C-E-overgangen tot de stroomindicator aan de basis).

Een circuit met dit type verbinding wordt een emittervolger genoemd.

Voordelen van het bedienen van schakelcircuits met OK

Aanzienlijk niveau van ingangsweerstand;
Lage uitgangsweerstand.

Nadelen van het bedienen van schakelcircuits met OK

De waarde van de indicator die de spanningsversterking karakteriseert, bereikt geen eenheid.

Significante indicatoren voor bipolaire transistors

De waarde van de indicator die de huidige transmissie karakteriseert;
Uitgangsweerstandsniveau;
Uitgangsgeleidingswaarde;
De grootte van de omgekeerde K-E-stroom;
Tijd die nodig is om in te schakelen;
Het niveau van de grensfrequentie van de indicator die de transmissie van basisstroom karakteriseert;
De grootte van de tegenstroom in het collectorgebied;
De maximaal toegestane stroomwaarde;
Het niveau van de grensfrequentie van de indicator die de stroomoverdracht karakteriseert (voor circuits met OE).

Er is een verdeling van de bepalende eigenschappen van een bipolaire transistor in twee hoofdgroepen. De eerste groep parameters definieert een lijst met tekens die verschijnen tijdens de werking van de transistor, maar die niet afhankelijk zijn van het gebruikte type verbinding. Deze omvatten:

De waarde van de huidige versterkingsindex α;
Totale emitterweerstand;
Totale collectorweerstand;
De weerstandswaarde aan de basis in de dwarsrichting.

Als we het hebben over de parameters van de tweede groep, veranderen deze afhankelijk van het gebruikte schakelcircuit. Bovendien is het noodzakelijk om rekening te houden met het gebrek aan lineariteit van transistoreigenschappen, zodat de lijst met secundaire kenmerken alleen kan worden toegepast op frequenties met een laag niveau en pulsen met een lage amplitude.

Er wordt rekening gehouden met secundaire parameters:

Ingangsweerstandsniveau;
De waarde van de indicator die spanningsfeedback aangeeft;
De waarde van de huidige overdrachtsindicator;
Uitgangsgeleidingsniveau.

Naast de bovenstaande punten moet er rekening mee worden gehouden dat hoge frequentie een afname van de capaciteit, een afname van de stroomsterkte en een daaropvolgende afname van de waarden van de coëfficiënten α en β met zich meebrengt. De frequentie-indicator die een afname van α en β met 3 dB veroorzaakt, wordt als beperkend aangemerkt.

Toepassingsgebieden

Halfgeleidertriodes kunnen worden gebruikt voor het creëren van:

Versterkers, versterkingstrappen;
Signaalgeneratoren;
Modulatoren;
Demodulatoren (detectoren);
Omvormers (logische elementen), etc.

Aanvullende informatie is te vinden op http://www.aistsoft.ru/. Het AIST-systeem is een grote gegevensbron voor gespecialiseerde informatie (technische beschrijvingen, paspoorten, tekeningen, certificaten, enz.).

Schrijf opmerkingen, aanvullingen op het artikel, misschien heb ik iets gemist. Kijk eens, ik zal blij zijn als je iets anders nuttigs over de mijne vindt.

De naam van de transistor van het halfgeleiderapparaat bestaat uit twee woorden: overdracht - overdracht+ weerstand bieden - weerstand. Omdat het echt kan worden weergegeven in de vorm van een weerstand, die wordt geregeld door de spanning van één elektrode. Een transistor wordt ook wel een halfgeleidertriode genoemd.

De eerste bipolaire transistor werd in 1947 gemaakt en in 1956 ontvingen drie wetenschappers de Nobelprijs voor de natuurkunde voor de uitvinding ervan.

Een bipolaire transistor is een halfgeleiderapparaat dat bestaat uit drie halfgeleiders met afwisselende soorten onzuiverheidsgeleiding. Er wordt een elektrode aangesloten en naar elke laag gestuurd. Een bipolaire transistor gebruikt tegelijkertijd ladingen waarvan de dragers elektronen zijn ( n - “negatief”) en gaten (p – “positief "), dat wil zeggen dragers van twee typen, vandaar de vorming van het naamvoorvoegsel "bi" - twee.

Transistoren verschillen in het type laagwisseling:

P n p -transistor (directe geleiding);

Npn- transistor (omgekeerde geleiding).

Baseren (B) is een elektrode die is verbonden met de centrale laag van de bipolaire transistor. De elektroden uit de buitenste lagen worden emitter (E) en collector (K) genoemd.

Figuur 1 – Bipolair transistorontwerp

De diagrammen geven aan “ V.T ", in oude Russischtalige documentatie vindt u de aanduidingen "T", "PP" en "PT". Bipolaire transistors worden als volgt weergegeven op elektrische circuits, afhankelijk van de afwisseling van halfgeleidergeleidingsvermogen:

Figuur 2 – Benaming van bipolaire transistors

In figuur 1 hierboven is het verschil tussen de collector en de emitter niet zichtbaar. Als je naar een vereenvoudigde weergave van de dwarsdoorsnede van een transistor kijkt, kun je zien dat het gebied p-n De collectorovergang is groter dan die van de emitter.

Figuur 3 - Dwarsdoorsnede van transistor

De basis is gemaakt van een halfgeleider met een zwakke geleidbaarheid, dat wil zeggen dat de weerstand van het materiaal hoog is. Een voorwaarde is een dunne basislaag om het transistoreffect te laten optreden. Sinds het contactgebied p-n Omdat de collector- en emitterovergangen verschillend zijn, kan de aansluitpolariteit niet worden gewijzigd. Dit kenmerk classificeert de transistor als een asymmetrisch apparaat.

Een bipolaire transistor heeft twee stroom-spanningskarakteristieken (volt-ampère-karakteristieken): ingang en uitgang.

De ingangsstroom-spanningskarakteristiek is de afhankelijkheid van de basisstroom ( ik B ) van basis-emitterspanning ( U BE).

Figuur 4 - Ingangsstroom-spanningskarakteristiek van een bipolaire transistor

De uitgangsstroom-spanningskarakteristiek is de afhankelijkheid van de collectorstroom ( ik K ) van de collector-emitterspanning ( U KE).

Figuur 5 - Uitgangsstroom-spanningskarakteristiek van de transistor

Laten we eens kijken naar het werkingsprincipe van een bipolaire transistor. npn-type, voor pnp op dezelfde manier wordt alleen niet gekeken naar elektronen, maar naar gaten.De transistor heeft twee pn-overgangen. In de actieve bedrijfsmodus is een ervan verbonden met voorwaartse bias en de andere met omgekeerde bias. Wanneer de EB-overgang open is, bewegen elektronen van de emitter gemakkelijk naar de basis (recombinatie vindt plaats). Maar zoals eerder vermeld is de basislaag dun en de geleidbaarheid ervan laag, zodat sommige elektronen tijd hebben om naar de basis-collectorovergang te bewegen. Het elektrische veld helpt de laagovergangsbarrière te overwinnen (versterken), aangezien elektronen hier minderheidsdragers zijn. Naarmate de basisstroom toeneemt, zal de emitter-basisovergang steeds meer openen en kunnen er meer elektronen van de emitter naar de collector stromen. De collectorstroom is evenredig met de basisstroom en bij een kleine verandering in deze laatste (regeling) verandert de collectorstroom aanzienlijk. Zo wordt het signaal versterkt in een bipolaire transistor.

Figuur 6 - Actieve modus van transistorwerking

Als je naar de foto kijkt, kun je het uitleggen werkingsprincipe van een transistor een beetje eenvoudiger. Stel je voor dat KE een waterleiding is en B een kraan waarmee je de waterstroom kunt regelen. Dat wil zeggen, hoe meer stroom u op de basis toepast, hoe meer u aan de uitgang krijgt.

De waarde van de collectorstroom is vrijwel gelijk aan de emitterstroom, exclusief recombinatieverliezen in de basis, die de basisstroom vormt, dus de formule is geldig:

ik E = ik B + ik K.

Basisparameters van de transistor:

De stroomversterking is de verhouding tussen de effectieve waarde van de collectorstroom en de basisstroom.

Ingangsweerstand - volgens de wet van Ohm is deze gelijk aan de verhouding van de emitter-basisspanning U EB stroom te controleren ik B.

Spanningsversterking – de parameter wordt bepaald door de verhouding van de uitgangsspanning U EC om U BE in te voeren.

De frequentierespons beschrijft het vermogen van een transistor om te werken tot een bepaalde grensfrequentie van het ingangssignaal. Na het overschrijden van de maximale frequentie zullen de fysieke processen in de transistor geen tijd hebben om plaats te vinden en zal het versterkende vermogen tot niets worden gereduceerd.

Schakelcircuits voor bipolaire transistors

Om de transistor aan te sluiten, zijn alleen de drie aansluitingen (elektroden) voor ons beschikbaar. Daarom zijn voor de normale werking twee stroombronnen vereist. Eén elektrode van de transistor zal tegelijkertijd met twee bronnen worden verbonden. Er zijn dus 3 aansluitschema's voor een bipolaire transistor: OE - met een gemeenschappelijke emitter, OB - een gemeenschappelijke basis, OK - een gemeenschappelijke collector. Elk heeft zowel voor- als nadelen; afhankelijk van de toepassing en vereiste eigenschappen wordt de keuze voor de aansluiting gemaakt.

Het verbindingscircuit met een gemeenschappelijke emitter (CE) wordt gekenmerkt door de grootste versterking van respectievelijk stroom en spanning en vermogen. Met deze aansluiting wordt de uitgangswisselspanning 180 elektrische graden verschoven ten opzichte van de ingang. Het grootste nadeel is de lage frequentierespons, dat wil zeggen de lage waarde van de afsnijfrequentie, waardoor het niet mogelijk is om deze te gebruiken met een hoogfrequent ingangssignaal.

(OB) biedt een uitstekende frequentierespons. Maar het levert niet zo'n grote signaalspanningsversterking op als bij OE. Maar stroomversterking vindt helemaal niet plaats, daarom wordt dit circuit vaak een stroomvolger genoemd, omdat het de eigenschap heeft van stroomstabilisatie.

De schakeling met een gemeenschappelijke collector (CC) heeft vrijwel dezelfde stroomversterking als bij de OE, maar de spanningsversterking is vrijwel gelijk aan 1 (iets minder). De spanningsverschuiving is niet typisch voor dit aansluitschema. Ik noem het ook een emittervolger, omdat de uitgangsspanning ( U EB ) komen overeen met de ingangsspanning.

Toepassing van transistoren:

Versterkercircuits;

Signaalgeneratoren;

Elektronische sleutels.