Dòng điện ngược của quá trình chuyển đổi bóng bán dẫn. Cùng nhau tìm hiểu nguyên lý hoạt động của Transistor

Trong sơ đồ đang xét Ik = Ik0 + aIe » Ie. Do đó, mạch bán dẫn lưỡng cực cơ sở chung có hệ số truyền dòng điện thấp. Bởi vì điều này, nó hiếm khi được sử dụng, chủ yếu trong các thiết bị tần số cao, nơi nó được ưa chuộng hơn các thiết bị khác về khả năng khuếch đại điện áp.

Mạch chính để bật bóng bán dẫn lưỡng cực là mạch có bộ phát chung (Hình 3).

Cơm. 3. Bật Transistor lưỡng cực theo mạch phát chung

Với nó chúng ta có thể viết Ib = Ie – Ik = (1 – a)Ie – Ik0.

Xét 1 – a = 0,001 – 0,1 ta có Ib<< Iэ » Iк.

Hãy tìm tỷ số giữa dòng cực góp và dòng cực nền:

Mối quan hệ này được gọi là hệ số truyền dòng cơ sở. Với a = 0,99, chúng ta thu được b = 100. Nếu một nguồn tín hiệu được đưa vào mạch cơ sở thì tín hiệu tương tự, nhưng được khuếch đại với dòng điện b lần, sẽ chạy trong mạch thu, tạo thành điện áp trên điện trở Rk tức là lớn hơn nhiều so với điện áp của nguồn tín hiệu.

Để đánh giá hoạt động của một bóng bán dẫn lưỡng cực trong một loạt các dòng điện xung và một chiều, công suất và điện áp, cũng như để tính toán mạch phân cực và ổn định chế độ, Họ đặc tính dòng điện-điện áp đầu vào và đầu ra (đặc tính volt-ampe).

Nhóm đặc tính dòng điện-điện áp đầu vào thiết lập sự phụ thuộc của dòng điện đầu vào (cơ sở hoặc bộ phát) vào điện áp đầu vào Ube tại Uk = const, Hình 2. 4, A. Đặc tính dòng điện-điện áp đầu vào của bóng bán dẫn tương tự như đặc tính dòng điện-điện áp của diode khi kết nối trực tiếp.

Nhóm đặc tính I-V đầu ra thiết lập sự phụ thuộc của dòng điện thu vào điện áp trên nó tại một cực gốc hoặc dòng cực phát nhất định (tùy thuộc vào mạch có cực phát chung hoặc cực chung), Hình 2. 4, b.

Cơm. 4. Đặc tính dòng điện-điện áp của Transistor lưỡng cực: a – đầu vào, b – đầu ra

Ngoài mối nối điện n–p, một mối nối dựa trên tiếp điểm kim loại-bán dẫn—hàng rào Schottky—được sử dụng rộng rãi trong các mạch tốc độ cao. Trong các quá trình chuyển đổi như vậy, không có thời gian dành cho việc tích tụ và hòa tan điện tích trong đế và hiệu suất của bóng bán dẫn chỉ phụ thuộc vào tốc độ sạc lại điện dung rào cản.

Cơm. 5. Transistor lưỡng cực

Thông số bóng bán dẫn lưỡng cực

Để đánh giá các chế độ hoạt động tối đa cho phép của bóng bán dẫn, các thông số cơ bản sau được sử dụng:

1) điện áp cực thu-phát tối đa cho phép(đối với các loại bóng bán dẫn khác nhau Uke max = 10 - 2000 V),

2) công suất tiêu tán tối đa cho phép của bộ thu Pk max– Theo đó, các bóng bán dẫn được chia thành các bóng bán dẫn công suất thấp (đến 0,3 W), các bóng bán dẫn công suất trung bình (0,3 – 1,5 W) và các bóng bán dẫn công suất cao (trên 1,5 W); các bóng bán dẫn công suất trung bình và cao thường được trang bị tản nhiệt đặc biệt. thiết bị – bộ tản nhiệt,

3) dòng thu tối đa cho phép Ik max – lên tới 100 A và hơn thế nữa,

4) tần số giới hạn của fgr truyền tải hiện tại(tần số tại đó h21 trở thành bằng đơn vị), các bóng bán dẫn lưỡng cực chia cho nó:

• cho tần số thấp – lên đến 3 MHz,

• tần số trung bình – từ 3 đến 30 MHz,

• tần số cao – từ 30 đến 300 MHz,

• tần số cực cao - hơn 300 MHz.
  

Tiến sĩ Khoa học Kỹ thuật, Giáo sư L. A. Potapov

Trang 1 trên 2

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Transistor lưỡng cực

Transistor lưỡng cực là một thiết bị bán dẫn có hai điểm nối lỗ điện tử được hình thành trong một tinh thể bán dẫn đơn. Những chuyển tiếp này tạo thành ba vùng trong chất bán dẫn với các loại độ dẫn điện khác nhau. Một vùng cực đoan được gọi là vùng cực phát (E), vùng còn lại - vùng cực thu (K), vùng giữa - cực (B). Các dây dẫn kim loại được hàn vào từng khu vực để kết nối bóng bán dẫn với mạch điện.
Độ dẫn điện của cực phát và cực thu ngược với độ dẫn điện của đế. Tùy thuộc vào thứ tự xen kẽ của vùng p và n, các bóng bán dẫn có cấu trúc p-n-p và n-p-n được phân biệt. Các ký hiệu đồ họa thông thường cho bóng bán dẫn p-n-p và n-p-n chỉ khác nhau theo hướng mũi tên ở điện cực chỉ bộ phát.

Nguyên lý hoạt động của bóng bán dẫn p-n-p và n-p-n là như nhau nên trong tương lai chúng ta sẽ chỉ xét hoạt động của bóng bán dẫn có cấu trúc p-n-p.
Tiếp giáp lỗ điện tử được hình thành bởi cực phát và cực bazơ được gọi là tiếp giáp cực phát, tiếp giáp cực thu và cực bazơ được gọi là tiếp giáp cực thu. Khoảng cách giữa các điểm nối rất nhỏ: đối với các bóng bán dẫn tần số cao, nó nhỏ hơn 10 micromet (1 μm = 0,001 mm) và đối với các bóng bán dẫn tần số thấp, nó không vượt quá 50 μm.
Khi bóng bán dẫn hoạt động, các điểm nối của nó nhận điện áp bên ngoài từ nguồn điện. Tùy thuộc vào cực tính của các điện áp này, mỗi điểm nối có thể được bật theo hướng thuận hoặc ngược. Có ba chế độ hoạt động của bóng bán dẫn: 1) chế độ cắt - cả hai chế độ chuyển tiếp và theo đó, bóng bán dẫn đều đóng hoàn toàn; 2) chế độ bão hòa - bóng bán dẫn mở hoàn toàn; 3) chế độ hoạt động - đây là chế độ trung gian giữa hai chế độ đầu tiên. Chế độ cắt và bão hòa được sử dụng cùng nhau trong các giai đoạn quan trọng, khi bóng bán dẫn luân phiên mở hoàn toàn hoặc đóng hoàn toàn với tần số của các xung đến chân đế của nó. Các tầng hoạt động ở chế độ chuyển mạch được sử dụng trong các mạch chuyển mạch (chuyển mạch nguồn điện, các tầng đầu ra quét ngang của tivi, v.v.). Các tầng đầu ra của bộ khuếch đại công suất có thể hoạt động một phần ở chế độ cắt.
Transitor thường được sử dụng ở chế độ hoạt động. Chế độ này được xác định bằng cách đặt một điện áp nhỏ vào đế của bóng bán dẫn, được gọi là điện áp phân cực (U cm). Bóng bán dẫn mở ra một chút và dòng điện bắt đầu chạy qua các chuyển tiếp của nó. Nguyên lý hoạt động của bóng bán dẫn dựa trên thực tế là một dòng điện tương đối nhỏ chạy qua điểm nối bộ phát (dòng cơ sở) sẽ điều khiển dòng điện lớn hơn trong mạch thu. Dòng phát là tổng của dòng cực gốc và dòng cực thu.

Các chế độ hoạt động của bóng bán dẫn lưỡng cực

Chế độ ngắt bóng bán dẫn thu được khi các mối nối p-n bộ phát và bộ thu được kết nối với các nguồn bên ngoài theo hướng ngược lại. Trong trường hợp này, dòng điện phát ngược rất nhỏ chạy qua cả hai điểm nối pn ( TÔI EBO) Và người sưu tầm ( tôi KBO). Dòng điện cơ bản bằng tổng của các dòng điện này và tùy thuộc vào loại bóng bán dẫn, dao động từ đơn vị microamp - µA (đối với bóng bán dẫn silicon) đến đơn vị milliamp - mA (đối với bóng bán dẫn germanium).

Nếu các tiếp điểm p-n bộ phát và bộ thu được nối với các nguồn bên ngoài theo hướng thuận thì bóng bán dẫn sẽ ở trạng thái chế độ bão hòa . Điện trường khuếch tán của các mối nối bộ phát và bộ thu sẽ bị suy yếu một phần do điện trường được tạo ra bởi các nguồn bên ngoài bạn eb Và bạn KB. Kết quả là, hàng rào thế năng hạn chế sự khuếch tán của các hạt mang điện chính sẽ giảm xuống và sự xâm nhập (tiêm) các lỗ từ bộ phát và bộ thu vào đế sẽ bắt đầu, tức là các dòng điện gọi là dòng bão hòa bộ phát sẽ chạy qua bộ phát và bộ thu của bóng bán dẫn ( Tôi E.us) và người thu thập ( Tôi K.us).

Dùng để khuếch đại tín hiệu chế độ hoạt động tích cực của bóng bán dẫn .
Khi bóng bán dẫn hoạt động ở chế độ hoạt động, điểm nối bộ phát của nó được bật theo hướng thuận và điểm nối bộ thu của nó được bật theo hướng ngược lại.

Dưới điện áp trực tiếp bạnEB các lỗ được bơm từ bộ phát vào đế. Khi ở trong đế loại n, các lỗ trở thành hạt mang điện thiểu số trong đó và dưới tác dụng của lực khuếch tán, di chuyển (khuếch tán) đến điểm nối p-n của bộ thu. Một số lỗ trống ở đế được lấp đầy (tái kết hợp) bằng các electron tự do có trong đó. Tuy nhiên, chiều rộng của đế nhỏ - từ vài đơn vị đến 10 micron. Do đó, phần chính của các lỗ đi tới điểm nối p-n của bộ thu và được truyền điện trường của nó tới bộ thu. Rõ ràng, dòng điện thu TÔI K p không thể có nhiều dòng phát hơn vì một số lỗ kết hợp lại ở đế. Đó là lý do tại sao TÔI Kp = h 21B TÔIừ
Kích cỡ h 21Bđược gọi là hệ số truyền tĩnh của dòng phát. Đối với các bóng bán dẫn hiện đại h 21B= 0,90...0,998. Vì điểm nối của bộ thu được chuyển theo hướng ngược lại (thường được gọi là phân cực ngược), dòng điện ngược cũng chạy qua nó TÔI BWC , được hình thành bởi các hạt mang thiểu số của bazơ (lỗ trống) và bộ thu (electron). Do đó, tổng dòng điện thu của một bóng bán dẫn được mắc theo một mạch có đế chung

TÔIĐẾN = h 21B TÔIừ +TôiBWC
Các lỗ không chạm tới điểm nối bộ thu và được kết hợp lại (lấp đầy) trong đế sẽ mang lại điện tích dương cho nó. Để khôi phục tính trung hòa về điện của đế, cùng một số electron được cung cấp cho nó từ mạch ngoài. Sự chuyển động của các electron từ mạch ngoài tới đế tạo ra dòng điện tái hợp trong đó Tôi B.rec. Ngoài dòng tái hợp, dòng thu ngược chạy qua cực gốc theo hướng ngược lại và dòng cực đại toàn phần
I B = I B.rek - I KBO
Ở chế độ hoạt động, dòng cơ sở nhỏ hơn hàng chục, hàng trăm lần so với dòng cực thu và dòng cực phát.

Mạch kết nối Transistor lưỡng cực

Trong sơ đồ trước, mạch điện được hình thành bởi nguồn bạn eb, bộ phát và đế của bóng bán dẫn, được gọi là đầu vào và mạch được hình thành bởi nguồn bạn KB, cực thu và đế của cùng một bóng bán dẫn, là đầu ra. Đế là điện cực chung của bóng bán dẫn cho các mạch đầu vào và đầu ra, do đó, sự bao gồm của nó được gọi là mạch có đế chung, hay viết tắt là "sơ đồ OB".

Hình dưới đây cho thấy một mạch trong đó bộ phát là điện cực chung cho các mạch đầu vào và đầu ra. Đây là mạch phát thông thường, hoặc "Sơ đồ OE".

Trong đó, dòng điện đầu ra, như trong mạch OB, là dòng điện cực góp tôi K, hơi khác so với dòng phát I E và đầu vào là dòng cơ sở tôi B, nhỏ hơn đáng kể so với dòng thu. Giao tiếp giữa các dòng điện tôi B Và tôi K trong sơ đồ OE được xác định theo phương trình: tôi K= h 21 E tôi B + TÔI KEO
Hệ số tỷ lệ h 21 E được gọi là hệ số truyền dòng cơ sở tĩnh. Nó có thể được biểu thị dưới dạng hệ số truyền tĩnh của dòng phát h 21B
h 21 E = h 21B / (1 —h 21B )
Nếu như h 21B nằm trong khoảng 0,9...0,998, các giá trị tương ứng h 21 E sẽ ở trong khoảng 9...499.
Thành phần TÔI keo được gọi là dòng thu ngược trong mạch OE. Giá trị của nó là 1+ h 21 E gấp nhiều lần TÔI BWC, tức là TÔI KEO =(1+ h 21 E ) TÔI KBO. Dòng điện ngược TÔI BWC và TÔI CEO không phụ thuộc vào điện áp đầu vào bạn eb Và bạn là và kết quả là được gọi là thành phần không được kiểm soát của dòng điện thu. Những dòng điện này phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ môi trường và xác định tính chất nhiệt của bóng bán dẫn. Người ta đã xác định rằng giá trị dòng điện ngược TÔI BER tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng 10°C đối với germani và 8°C đối với bóng bán dẫn silicon. Trong mạch OE, nhiệt độ thay đổi khi dòng điện ngược không được điều khiển TÔI KEO có thể cao hơn hàng chục, hàng trăm lần so với sự thay đổi nhiệt độ của dòng điện ngược không kiểm soát được TÔI BWC và làm gián đoạn hoàn toàn hoạt động của bóng bán dẫn. Do đó, trong các mạch bán dẫn, các biện pháp đặc biệt được sử dụng để ổn định nhiệt của các tầng bóng bán dẫn, giúp giảm ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ của dòng điện đến hoạt động của bóng bán dẫn.
Trong thực tế, thường có các mạch trong đó điện cực chung cho mạch đầu vào và đầu ra của bóng bán dẫn là cực thu. Đây là mạch kết nối với bộ thu chung, hoặc “Mạch OK” (bộ theo dõi bộ phát) .

Điện tử bao quanh chúng ta ở khắp mọi nơi. Nhưng hầu như không ai nghĩ về cách thức hoạt động của toàn bộ điều này. Nó thực sự khá đơn giản. Đây chính xác là những gì chúng tôi sẽ cố gắng trình bày ngày hôm nay. Hãy bắt đầu với một yếu tố quan trọng như bóng bán dẫn. Chúng tôi sẽ cho bạn biết nó là gì, nó làm gì và bóng bán dẫn hoạt động như thế nào.

Transistor là gì?

bóng bán dẫn- một thiết bị bán dẫn được thiết kế để điều khiển dòng điện.

Transistor được sử dụng ở đâu? Có ở khắp mọi nơi! Hầu như không có mạch điện hiện đại nào có thể hoạt động được nếu không có bóng bán dẫn. Chúng được sử dụng rộng rãi trong sản xuất thiết bị máy tính, thiết bị âm thanh và video.

Thời điểm khi Vi mạch của Liên Xô lớn nhất thế giới, đã qua và kích thước của bóng bán dẫn hiện đại là rất nhỏ. Do đó, các thiết bị nhỏ nhất có kích thước khoảng nanomet!

Bảng điều khiển nano- biểu thị giá trị cấp mười mũ chín âm.

Tuy nhiên, cũng có những mẫu vật khổng lồ được sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực năng lượng và công nghiệp.

Có nhiều loại bóng bán dẫn khác nhau: lưỡng cực và cực, dẫn trực tiếp và ngược. Tuy nhiên, hoạt động của các thiết bị này đều dựa trên nguyên tắc giống nhau. Transistor là một thiết bị bán dẫn. Như đã biết, trong chất bán dẫn hạt mang điện là electron hoặc lỗ trống.

Vùng thừa electron được biểu thị bằng chữ cái N(âm) và vùng có độ dẫn lỗ trống là P(tích cực).

Transistor hoạt động như thế nào?

Để làm cho mọi thứ thật rõ ràng, chúng ta hãy nhìn vào công việc bóng bán dẫn lưỡng cực (loại phổ biến nhất).

(sau đây gọi đơn giản là bóng bán dẫn) là một tinh thể bán dẫn (thường được sử dụng nhiều nhất silic hoặc germani), được chia thành ba vùng có độ dẫn điện khác nhau. Các khu vực được đặt tên tương ứng người sưu tầm, căn cứ Và máy phát. Thiết bị của bóng bán dẫn và sơ đồ biểu diễn của nó được thể hiện trong hình bên dưới

Phân biệt các bóng bán dẫn dẫn thuận và ngược. Các bóng bán dẫn P-n-p được gọi là bóng bán dẫn dẫn thuận, và các bóng bán dẫn n-p-n được gọi là bóng bán dẫn dẫn ngược.

Bây giờ hãy nói về hai chế độ hoạt động của bóng bán dẫn. Bản thân hoạt động của bóng bán dẫn cũng tương tự như hoạt động của vòi hoặc van nước. Chỉ thay vì nước mới có dòng điện. Có hai trạng thái có thể có của bóng bán dẫn - hoạt động (bóng bán dẫn mở) và trạng thái nghỉ (bóng bán dẫn đóng).

Nó có nghĩa là gì? Khi bóng bán dẫn tắt, không có dòng điện chạy qua nó. Ở trạng thái mở, khi một dòng điện điều khiển nhỏ được đưa vào đế, bóng bán dẫn sẽ mở ra và một dòng điện lớn bắt đầu chạy qua bộ phát-thu.

Các quá trình vật lý trong bóng bán dẫn

Và bây giờ hãy tìm hiểu thêm về lý do tại sao mọi thứ lại diễn ra theo cách này, đó là lý do tại sao bóng bán dẫn mở và đóng. Hãy lấy một bóng bán dẫn lưỡng cực. Để cho nó được n-p-n bóng bán dẫn.

Nếu bạn kết nối nguồn điện giữa bộ thu và bộ phát, các electron của bộ thu sẽ bắt đầu bị hút về cực dương, nhưng sẽ không có dòng điện giữa bộ thu và bộ phát. Điều này bị cản trở bởi lớp cơ sở và chính lớp phát.

Nếu bạn kết nối một nguồn bổ sung giữa đế và bộ phát, các electron từ vùng n của bộ phát sẽ bắt đầu thâm nhập vào vùng cơ sở. Kết quả là, vùng đế sẽ được làm giàu với các electron tự do, một số sẽ kết hợp lại với các lỗ trống, một số sẽ chảy đến cực dương của đế và một số (hầu hết) sẽ đi đến bộ thu.

Do đó, bóng bán dẫn ở trạng thái mở và dòng điện cực phát-thu chạy trong nó. Nếu điện áp cơ bản tăng thì dòng cực thu-cực phát cũng sẽ tăng. Hơn nữa, với một sự thay đổi nhỏ trong điện áp điều khiển, dòng điện qua bộ thu-phát sẽ tăng đáng kể. Hoạt động của bóng bán dẫn trong bộ khuếch đại dựa trên hiệu ứng này.

Tóm lại, đó là bản chất hoạt động của bóng bán dẫn. Bạn cần tính toán một bộ khuếch đại công suất sử dụng bóng bán dẫn lưỡng cực qua đêm, hay làm việc trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu hoạt động của bóng bán dẫn? Đây không phải là vấn đề ngay cả đối với người mới bắt đầu nếu bạn sử dụng sự trợ giúp của các chuyên gia dịch vụ sinh viên của chúng tôi.

Đừng ngần ngại tìm kiếm sự giúp đỡ chuyên nghiệp trong những vấn đề quan trọng như học tập! Và bây giờ bạn đã có ý tưởng về bóng bán dẫn, chúng tôi khuyên bạn nên thư giãn và xem video của Korn “Twisted Transistor”! Ví dụ: bạn quyết định liên hệ với Sinh viên Thư tín.

Transistor là một thành phần phổ biến và quan trọng trong vi điện tử hiện đại. Mục đích của nó rất đơn giản: nó cho phép bạn điều khiển một thiết bị mạnh hơn nhiều bằng tín hiệu yếu.

Đặc biệt, nó có thể được sử dụng như một "bộ giảm chấn" được điều khiển: do không có tín hiệu ở "cổng", chặn dòng điện và bằng cách cung cấp cho nó, cho phép nó. Nói cách khác: đây là một nút được nhấn không phải bằng ngón tay mà bằng điện áp. Đây là ứng dụng phổ biến nhất trong điện tử kỹ thuật số.

Các bóng bán dẫn có sẵn trong các gói khác nhau: cùng một bóng bán dẫn có thể trông hoàn toàn khác nhau về hình thức. Trong tạo mẫu, các trường hợp phổ biến nhất là:

TO-92 - nhỏ gọn, dành cho tải nhẹ

TO-220AB - lớn, tản nhiệt tốt, cho tải nặng

Ký hiệu trên sơ đồ cũng khác nhau tùy thuộc vào loại bóng bán dẫn và tiêu chuẩn ký hiệu được sử dụng trong quá trình biên dịch. Nhưng bất chấp sự biến đổi như thế nào, biểu tượng của nó vẫn có thể nhận ra được.

Transistor lưỡng cực

Các bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực (BJT, Transistor tiếp giáp lưỡng cực) có ba tiếp điểm:

Bộ thu - điện áp cao được đặt vào nó mà bạn muốn điều khiển

Cơ sở - một lượng nhỏ được cung cấp thông qua nó hiện hànhđể mở khóa lớn; căn cứ được nối đất để chặn nó

Bộ phát - dòng điện chạy qua nó từ bộ thu và đế khi bóng bán dẫn “mở”

Đặc điểm chính của bóng bán dẫn lưỡng cực là chỉ báo hfe còn được gọi là đạt được. Nó phản ánh số lần dòng điện trong phần cực thu-cực phát mà bóng bán dẫn có thể truyền qua nhiều hơn bao nhiêu lần so với dòng điện cực phát.

Ví dụ, nếu hfe= 100 và 0,1 mA đi qua đế, khi đó bóng bán dẫn sẽ đi qua chính nó tối đa là 10 mA. Nếu trong trường hợp này có một thành phần ở phần dòng điện cao tiêu thụ, chẳng hạn như 8 mA, thì nó sẽ được cung cấp 8 mA và bóng bán dẫn sẽ có một "dự trữ". Nếu có một thành phần rút ra 20 mA, nó sẽ chỉ được cung cấp tối đa 10 mA.

Ngoài ra, tài liệu cho mỗi bóng bán dẫn cho biết điện áp và dòng điện tối đa cho phép tại các tiếp điểm. Vượt quá các giá trị này sẽ dẫn đến nóng quá mức và giảm tuổi thọ sử dụng, nếu vượt quá nhiều có thể dẫn đến phá hủy.

NPN và PNP

Transitor được mô tả ở trên được gọi là bóng bán dẫn NPN. Nó được gọi như vậy bởi vì nó bao gồm ba lớp silicon được kết nối theo thứ tự: Âm-Tích cực-Tiêu cực. Trong đó âm là hợp kim silicon có quá nhiều hạt mang điện tích âm (pha tạp n) và dương là hợp kim có quá nhiều hạt mang điện tích dương (pha tạp p).

NPN hiệu quả hơn và phổ biến hơn trong công nghiệp.

Khi chỉ định các bóng bán dẫn PNP, chúng khác nhau theo hướng mũi tên. Mũi tên luôn hướng từ P đến N. Transistor PNP có hành vi “đảo ngược”: dòng điện không bị chặn khi đế được nối đất và bị chặn khi dòng điện chạy qua nó.

Transistor hiệu ứng trường

Các bóng bán dẫn hiệu ứng trường (FET, Transitor hiệu ứng trường) có cùng mục đích nhưng khác nhau về cấu trúc bên trong. Một loại cụ thể của các thành phần này là các bóng bán dẫn MOSFET (Transistor hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại). Chúng cho phép bạn hoạt động với công suất lớn hơn nhiều với cùng kích thước. Và việc điều khiển “van điều tiết” được thực hiện độc quyền sử dụng điện áp: không có dòng điện chạy qua cổng, không giống như bóng bán dẫn lưỡng cực.

Các bóng bán dẫn hiệu ứng trường có ba tiếp điểm:

Xả - điện áp cao được đặt vào nó mà bạn muốn điều khiển

Cổng - điện áp được đặt vào nó để cho phép dòng điện chạy qua; cổng được nối đất để chặn dòng điện.

Nguồn - dòng điện chạy qua nó từ cống khi bóng bán dẫn “mở”

Kênh N và Kênh P

Tương tự với các bóng bán dẫn lưỡng cực, các bóng bán dẫn hiệu ứng trường có độ phân cực khác nhau. Transistor N-Channel đã được mô tả ở trên. Chúng là phổ biến nhất.

Kênh P, khi được chỉ định, sẽ khác nhau về hướng mũi tên và một lần nữa, có hành vi "đảo ngược".

Kết nối bóng bán dẫn để điều khiển các thành phần công suất cao

Nhiệm vụ điển hình của bộ vi điều khiển là bật và tắt một thành phần mạch cụ thể. Bản thân bộ vi điều khiển thường có đặc tính xử lý điện năng khiêm tốn. Vì vậy, Arduino, với đầu ra 5 V trên mỗi chân, có thể chịu được dòng điện 40 mA. Động cơ mạnh mẽ hoặc đèn LED siêu sáng có thể tạo ra hàng trăm milliamp. Khi kết nối trực tiếp các tải như vậy, chip có thể nhanh chóng bị hỏng. Ngoài ra, để một số thành phần hoạt động, cần có điện áp lớn hơn 5 V và Arduino không thể tạo ra điện áp lớn hơn 5 V từ chân đầu ra kỹ thuật số.

Nhưng nó đủ dễ dàng để điều khiển một bóng bán dẫn, từ đó sẽ điều khiển một dòng điện lớn. Giả sử chúng ta cần kết nối một dải đèn LED dài cần 12 V và tiêu thụ 100 mA:

Bây giờ, khi đầu ra được đặt ở mức logic (cao), 5 V đi vào đế sẽ mở bóng bán dẫn và dòng điện sẽ chạy qua băng - nó sẽ phát sáng. Khi đầu ra được đặt ở mức logic 0 (thấp), đế sẽ được nối đất thông qua bộ vi điều khiển và dòng điện sẽ bị chặn.

Chú ý đến điện trở giới hạn dòng điện R. Điều cần thiết là khi đặt điện áp điều khiển, ngắn mạch không hình thành dọc theo tuyến đường của vi điều khiển - bóng bán dẫn - nối đất. Điều chính là không vượt quá dòng điện cho phép qua tiếp điểm Arduino là 40 mA, vì vậy bạn cần sử dụng điện trở có giá trị ít nhất là:

Đây Ud- đây là sự sụt giảm điện áp trên chính bóng bán dẫn. Nó phụ thuộc vào vật liệu mà nó được tạo ra và thường là 0,3 – 0,6 V.

Nhưng tuyệt đối không cần thiết phải giữ dòng điện ở mức giới hạn cho phép. Điều cần thiết duy nhất là mức tăng của bóng bán dẫn cho phép bạn kiểm soát dòng điện cần thiết. Trong trường hợp của chúng tôi là 100 mA. Chấp nhận được cho bóng bán dẫn được sử dụng hfe= 100 thì dòng điện điều khiển 1 mA sẽ đủ cho chúng ta

Một điện trở có giá trị từ 118 Ohm đến 4,7 kOhm là phù hợp với chúng ta. Để một bên hoạt động ổn định và bên kia tải nhẹ cho chip, 2,2 kOhm là một lựa chọn tốt.

Nếu bạn sử dụng bóng bán dẫn hiệu ứng trường thay vì bóng bán dẫn lưỡng cực, bạn có thể làm mà không cần điện trở:

Điều này là do cổng trong các bóng bán dẫn như vậy chỉ được điều khiển bằng điện áp: không có dòng điện trong phần vi điều khiển - cổng - nguồn. Và nhờ các đặc tính cao, mạch sử dụng MOSFET cho phép bạn điều khiển các bộ phận rất mạnh.

Thiết bị và nguyên lý hoạt động

Các bóng bán dẫn đầu tiên được làm từ germanium. Hiện nay, chúng được làm chủ yếu từ silicon và gali arsenide. Các bóng bán dẫn sau được sử dụng trong các mạch khuếch đại tần số cao. Một bóng bán dẫn lưỡng cực bao gồm ba vùng bán dẫn được pha tạp khác nhau: vùng phát E, căn cứ B và người sưu tầm C. Tùy thuộc vào loại độ dẫn của các vùng này, NPN (bộ phát - chất bán dẫn n, cơ sở - chất bán dẫn p, bộ thu - chất bán dẫn n) và bóng bán dẫn PNP được phân biệt. Các tiếp điểm dẫn điện được kết nối với từng vùng. Đế nằm giữa bộ phát và bộ thu và được làm bằng chất bán dẫn pha tạp nhẹ có điện trở cao. Tổng diện tích tiếp xúc của cực gốc-cực phát nhỏ hơn đáng kể so với diện tích tiếp xúc của cực góp-đế (điều này được thực hiện vì hai lý do - diện tích lớn của điểm nối cực thu-cực làm tăng khả năng các hạt mang điện thiểu số được chiết vào cực thu và vì ở chế độ vận hành, điểm nối cực thu-đế thường được bật ở chế độ phân cực ngược, điều này làm tăng sự sinh nhiệt và thúc đẩy quá trình loại bỏ nhiệt khỏi bộ thu), do đó, bóng bán dẫn lưỡng cực nói chung là một thiết bị không đối xứng (không thể hoán đổi bộ phát và bộ thu bằng thay đổi cực của kết nối và tạo ra một bóng bán dẫn lưỡng cực hoàn toàn giống với bóng bán dẫn ban đầu).

Ở chế độ hoạt động tích cực, bóng bán dẫn được bật sao cho điểm nối bộ phát của nó bị lệch theo hướng thuận (mở) và điểm nối bộ thu được phân cực theo hướng ngược lại (đóng). Để chắc chắn, hãy xem xét npn Transistor thì mọi lập luận được lặp lại hoàn toàn tương tự cho trường hợp pnp bóng bán dẫn, thay thế từ “electron” bằng “lỗ trống” và ngược lại, cũng như thay thế tất cả các điện áp bằng các dấu trái ngược nhau. TRONG npn Trong một bóng bán dẫn, các electron, chất mang dòng điện chính trong bộ phát, đi qua điểm nối đế-bộ phát mở (được bơm) vào vùng đế. Một số electron này kết hợp lại với các hạt mang điện đa số trong đáy (lỗ trống). Tuy nhiên, do đế được làm rất mỏng và pha tạp tương đối nhẹ nên hầu hết các electron được bơm từ bộ phát sẽ khuếch tán vào vùng thu. Điện trường mạnh của điểm nối bộ thu phân cực ngược sẽ thu giữ các electron và mang chúng vào bộ thu. Do đó, dòng cực góp thực tế bằng với dòng cực phát, ngoại trừ tổn hao tái hợp nhỏ ở cực gốc, tạo nên dòng cực gốc (I e = I b + I k). Hệ số α nối dòng phát và dòng thu (I k = α I e) được gọi là hệ số truyền dòng phát. Trị số của hệ số α là 0,9 - 0,999. Hệ số càng cao thì bóng bán dẫn truyền dòng điện càng hiệu quả. Hệ số này phụ thuộc rất ít vào điện áp cực thu và cực phát. Do đó, trên một phạm vi điện áp hoạt động rộng, dòng thu tỷ lệ thuận với dòng cơ sở, hệ số tỷ lệ bằng β = α / (1 − α) = (10..1000). Do đó, bằng cách thay đổi dòng điện cơ sở nhỏ, có thể kiểm soát được dòng điện thu lớn hơn nhiều.

Các chế độ hoạt động của bóng bán dẫn lưỡng cực

Chế độ hoạt động bình thường

Điểm nối đế-bộ phát được kết nối theo hướng thuận (mở) và điểm nối đế-bộ thu được kết nối theo hướng ngược lại (đóng)
U EB >0;U KB<0 (для транзистора p-n-p типа, для транзистора n-p-n типа условие будет иметь вид U ЭБ <0;U КБ >0);

Chế độ hoạt động nghịch đảo

Điểm nối bộ phát có kết nối ngược và điểm nối bộ thu có kết nối trực tiếp.

Chế độ bão hòa

Cả hai tiếp giáp pn đều được phân cực thuận (cả hai đều mở). Nếu các mối nối p-n bộ phát và bộ thu được kết nối với các nguồn bên ngoài theo hướng thuận thì bóng bán dẫn sẽ ở chế độ bão hòa. Điện trường khuếch tán của các điểm nối bộ phát và bộ thu sẽ bị suy yếu một phần do điện trường được tạo ra bởi các nguồn bên ngoài Ueb và Ukb. Kết quả là, rào cản tiềm năng hạn chế sự khuếch tán của các hạt mang điện chính sẽ giảm xuống và sự xâm nhập (tiêm) các lỗ từ bộ phát và bộ thu vào đế sẽ bắt đầu, tức là dòng điện gọi là dòng bão hòa của bộ phát (IE .sat) và bộ thu (IK) sẽ chảy qua bộ phát và bộ thu của bóng bán dẫn chúng ta).

Chế độ ngắt

Ở chế độ này, cả hai tiếp điểm p-n của thiết bị đều bị phân cực theo hướng ngược lại (cả hai đều đóng). Chế độ cắt của bóng bán dẫn thu được khi các mối nối p-n bộ phát và bộ thu được kết nối với các nguồn bên ngoài theo hướng ngược lại. Trong trường hợp này, dòng điện ngược rất nhỏ của bộ phát (IEBO) và bộ thu (ICBO) chạy qua cả hai điểm nối p-n. Dòng điện cơ bản bằng tổng của các dòng điện này và tùy thuộc vào loại bóng bán dẫn, dao động từ đơn vị microamp - µA (đối với bóng bán dẫn silicon) đến đơn vị milliamp - mA (đối với bóng bán dẫn germanium).

Chế độ rào cản

Ở chế độ này căn cứ Transistor dùng cho dòng điện một chiều được nối ngắn mạch hoặc thông qua một điện trở nhỏ với người sưu tầm, và trong người sưu tầm hoặc trong máy phát Mạch bán dẫn được bật bởi một điện trở đặt dòng điện qua bóng bán dẫn. Trong kết nối này, bóng bán dẫn là một loại diode được mắc nối tiếp với điện trở đặt dòng điện. Các mạch xếp tầng như vậy được phân biệt bởi một số lượng nhỏ các thành phần, khả năng cách ly tần số cao tốt, phạm vi nhiệt độ hoạt động lớn và không nhạy cảm với các thông số bóng bán dẫn.

Sơ đồ kết nối

Bất kỳ mạch kết nối bóng bán dẫn nào được đặc trưng bởi hai chỉ số chính:

• Mức tăng hiện tại tôi ra / tôi vào.
• Điện trở vào Rin =Uin /Iin

Sơ đồ kết nối với đế chung

Bộ khuếch đại cơ sở chung.

• Trong số cả ba cấu hình, nó có trở kháng đầu vào thấp nhất và đầu ra cao nhất. Nó có mức tăng dòng điện gần bằng 1 và mức tăng điện áp lớn. Pha tín hiệu không bị đảo ngược.
• Mức tăng hiện tại: I out /I in =I to /I e =α [α<1]
• Điện trở vào R in =U in /I in =U be /I e.

Điện trở đầu vào của mạch có đế chung nhỏ và không vượt quá 100 Ohms đối với bóng bán dẫn công suất thấp, vì mạch đầu vào của bóng bán dẫn là một điểm nối cực phát mở của bóng bán dẫn.

Thuận lợi:

• Đặc tính nhiệt độ và tần số tốt.
• Điện áp cao cho phép

Nhược điểm của sơ đồ cơ sở chung:

• Độ lợi dòng điện thấp vì α< 1
• Trở kháng đầu vào thấp
• Hai nguồn điện áp khác nhau để cung cấp điện.

Mạch kết nối với bộ phát chung

• Mức tăng hiện tại: I out /I in =I to /I b =I to /(I e -I to) = α/(1-α) = β [β>>1]
• Điện trở đầu vào: R in =U in /I in =U be /I b

Thuận lợi:

• Mức tăng hiện tại cao
• Tăng điện áp cao
• Tăng công suất cao nhất
• Bạn có thể làm được với một nguồn năng lượng
• Điện áp xoay chiều đầu ra được đảo ngược so với đầu vào.

Sai sót:

• Đặc tính nhiệt độ và tần số kém hơn so với mạch cơ sở thông thường

Mạch thu chung

• Mức tăng hiện tại: I out /I in =I e /I b =I e /(I e -I k) = 1/(1-α) = β [β>>1]
• Điện trở đầu vào: R in = U in / I in = (U b e + U k e) / I b

Thuận lợi:

• Trở kháng đầu vào cao
• Trở kháng đầu ra thấp

Sai sót:

• Độ lợi điện áp nhỏ hơn 1.

Mạch có kết nối này được gọi là “bộ theo dõi bộ phát”

Cài đặt chính

• Hệ số chuyển hiện tại
• Trở kháng đầu vào
• Độ dẫn điện đầu ra
• Bộ thu-phát dòng ngược
• Kịp thời
• Tần số giới hạn của hệ số truyền dòng cơ sở
• Dòng thu ngược
• Dòng điện tối đa cho phép
• Tần số cắt của hệ số truyền dòng điện trong mạch có bộ phát chung

Các tham số của bóng bán dẫn được chia thành nội tại (sơ cấp) và thứ cấp. Các tham số nội tại đặc trưng cho các đặc tính của bóng bán dẫn, bất kể mạch kết nối của nó. Sau đây được lấy làm tham số chính:

• mức tăng hiện tại α;
• Điện trở của bộ phát, bộ thu và đế đối với dòng điện xoay chiều re, r k, r b, đó là:
  • r e - tổng điện trở của vùng phát và tiếp giáp cực phát;
  • r k - tổng điện trở của vùng thu và tiếp điểm thu;
  • r b - điện trở ngang của đế.

Mạch tương đương của một bóng bán dẫn lưỡng cực sử dụng tham số h

Các tham số thứ cấp là khác nhau đối với các mạch chuyển mạch bóng bán dẫn khác nhau và do tính phi tuyến của nó nên chỉ có giá trị đối với tần số thấp và biên độ tín hiệu nhỏ. Đối với các tham số thứ cấp, một số hệ tham số và mạch tương đương của chúng đã được đề xuất. Những cái chính là các tham số hỗn hợp (hybrid), ký hiệu là chữ “h”.

Trở kháng đầu vào- Điện trở của bóng bán dẫn đối với dòng điện xoay chiều đầu vào trong thời gian ngắn mạch ở đầu ra. Sự thay đổi dòng điện đầu vào là kết quả của sự thay đổi điện áp đầu vào mà không chịu ảnh hưởng của phản hồi từ điện áp đầu ra.

H 11 = U m1 /I m1 tại U m2 = 0.

Hệ số phản hồi điện áp cho biết tỷ lệ điện áp xoay chiều đầu ra được chuyển đến đầu vào của bóng bán dẫn do phản hồi trong đó. Không có dòng điện xoay chiều trong mạch đầu vào của bóng bán dẫn và sự thay đổi điện áp đầu vào chỉ xảy ra do sự thay đổi điện áp đầu ra.

H 12 = U m1 /U m2 tại I m1 = 0.

Hệ số chuyển hiện tại(mức tăng dòng điện) hiển thị mức tăng của dòng điện xoay chiều ở điện trở tải bằng không. Dòng điện đầu ra chỉ phụ thuộc vào dòng điện đầu vào mà không chịu ảnh hưởng của điện áp đầu ra.

H 21 = I m2 /I m1 tại U m2 = 0.

Độ dẫn điện đầu ra- Độ dẫn điện bên trong của dòng điện xoay chiều giữa các cực đầu ra. Dòng điện đầu ra thay đổi dưới tác động của điện áp đầu ra.

H 22 = I m2 /U m2 tại I m1 = 0.

Mối quan hệ giữa dòng điện xoay chiều và điện áp tranzito được thể hiện bằng các phương trình:

U m1 = h 11 I m1 + h 12 U m2 ;
Tôi m2 = h 21 Tôi m1 + h 22 U m2.

Tùy thuộc vào mạch kết nối bóng bán dẫn, các chữ cái được thêm vào chỉ số kỹ thuật số của các tham số h: “e” - đối với mạch OE, “b” - đối với mạch OB, “k” - đối với mạch OK.

Đối với mạch OE: I m1 = I mb, I m2 = I mk, U m1 = U mb-e, U m2 = U mk-e. Ví dụ: đối với sơ đồ này:

H 21e = I mк /I mb = β.

Đối với mạch OB: I m1 = I mе, I m2 = I mк, U m1 = U mе-b, U m2 = U mк-b.

Các tham số riêng của bóng bán dẫn có liên quan đến các tham số h, ví dụ đối với mạch OE:

Với tần số ngày càng tăng, điện dung tiếp giáp C k bắt đầu có tác động có hại đến hoạt động của bóng bán dẫn. Điện trở của điện dung giảm, dòng điện qua điện trở tải và do đó, hệ số khuếch đại α và β giảm. Điện trở của tụ điện tiếp giáp bộ phát C e cũng giảm, tuy nhiên, nó bị tắt bởi điện trở tiếp giáp nhỏ và trong hầu hết các trường hợp có thể không được tính đến. Ngoài ra, với tần số ngày càng tăng, hệ số β giảm thêm xảy ra do độ trễ pha của dòng thu so với pha của dòng phát, nguyên nhân là do quán tính của quá trình di chuyển các sóng mang qua đế từ điểm nối cực phát đến cực thu và quán tính của các quá trình tích tụ và tái hấp thụ điện tích trong đế. Các tần số mà hệ số α và β giảm đi 3 dB được gọi là tần số giới hạn của hệ số truyền dòng điện cho các sơ đồ OB và OE tương ứng.

Ở chế độ xung, xung dòng thu bắt đầu bằng độ trễ bằng thời gian trễ τ з so với xung dòng đầu vào, nguyên nhân là do thời gian di chuyển hữu hạn của các sóng mang qua đế. Khi các hạt tải điện tích tụ trong đế, dòng cực góp tăng lên trong thời gian tăng τ f. Kịp thời Transistor được gọi là τ on = τ h + τ f.

Công nghệ sản xuất Transistor

• epiticular-phẳng
• Splavnaya
  • Khuếch tán
  • Hợp kim khuếch tán

Ứng dụng của bóng bán dẫn

• Bộ giải điều chế (Máy dò)
• Biến tần (phần tử logic)
• Các vi mạch dựa trên logic bóng bán dẫn (xem logic bóng bán dẫn-bóng bán dẫn, logic diode-bóng bán dẫn, logic điện trở-bóng bán dẫn)

Xem thêm

Văn học

Ghi chú