Tranzystor bipolarny (BJT) - budowa i szczegóły działania

Tranzystor bipolarny lub BJT to 3-zaciskowe urządzenie półprzewodnikowe, które jest w stanie wzmocnić lub przełączyć małe napięcia wejściowe i prądy sygnału na znacznie większe napięcia i prądy sygnału wyjściowego.

Jak ewoluowały bipolarne tranzystory złączowe BJT

W latach 1904–1947 lampa próżniowa była niewątpliwie urządzeniem elektronicznym o wielkiej ciekawości i rozwoju. W 1904 roku J. A. Fleming wprowadził na rynek diodę próżniową. Wkrótce potem, w 1906 roku, Lee De Forest wzbogacił urządzenie o trzecią funkcję, zwaną siatką kontrolną, produkując pierwszy wzmacniacz i nazwany triodą.

W kolejnych dziesięcioleciach radio i telewizja wzbudziły ogromne inspiracje dla biznesu lampowego. Produkcja wzrosła z około 1 miliona lamp w 1922 roku do około 100 milionów w 1937 roku. Na początku lat trzydziestych popularność w branży lamp elektronowych zyskały 4-elementowa tetroda i 5-elementowy pentoda.

W następnych latach sektor produkcyjny przekształcił się w jeden z najważniejszych sektorów i szybko wprowadzono ulepszenia dla tych modeli, w metodach produkcji, w zastosowaniach o dużej mocy i wysokiej częstotliwości oraz w kierunku miniaturyzacji.

Jednak 23 grudnia 1947 r. Przemysł elektroniczny był świadkiem nadejścia zupełnie nowego „kierunku zainteresowania” i ulepszeń. Okazało się, że w południe Walter H. Brattain i John Bardeen wystawili i udowodnili wzmacniającą funkcję pierwszego tranzystora w Bell Telephone Laboratories.

Pierwszy tranzystor (który był w postaci tranzystora punktowego) pokazano na rys. 3.1.

Zdjęcie dzięki uprzejmości: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Replica-of-first-transistor.jpg

Pozytywne aspekty tego 3-pinowego modułu półprzewodnikowego w przeciwieństwie do lampy były natychmiast zauważalne: okazał się znacznie mniejszy, mógł pracować bez `` grzałki '' i strat ciepła, był niezniszczalny i mocny, był bardziej wydajny pod względem pobór mocy, można go było łatwo przechowywać i uzyskiwać do niego dostęp, nie wymagał żadnego wstępnego rozruchu nagrzewania i działał przy znacznie niższych napięciach roboczych.

BUDOWA TRANZYSTORA

Tranzystor jest w zasadzie urządzeniem zbudowanym z 3 warstw materiału półprzewodnikowego, w którym używana jest warstwa materiału typu 2 n i pojedyncza p lub warstwa materiału typu 2 p i pojedyncza warstwa materiału typu n. Pierwszy typ nazywany jest tranzystorem NPN, natomiast drugi wariant nazywany jest tranzystorem typu PNP.

Oba te typy można zobrazować na rysunku 3.2 z odpowiednim odchyleniem DC.

Dowiedzieliśmy się już, jak to zrobić Polaryzacja DC BJT stają się niezbędne do ustalenia wymaganego obszaru operacyjnego i wzmocnienia AC. W tym celu warstwa od strony emitera jest domieszkowana bardziej znacząco w porównaniu do strony podstawy, która jest domieszkowana w mniejszym stopniu.

Warstwy zewnętrzne są tworzone z warstw o ​​znacznie większej grubości w porównaniu z materiałami przekładkowymi typu p lub n. Na Rys. 3.2 powyżej możemy stwierdzić, że dla tego typu proporcja całkowitej szerokości w porównaniu z warstwą środkową wynosi około 0,150 / 0,001: 150: 1. Domieszkowanie zastosowane na warstwie przekładkowej jest również stosunkowo niższe niż na warstwach zewnętrznych, które zwykle wynosi 10: 1 lub nawet mniej.

Ten rodzaj obniżonego poziomu domieszkowania obniża zdolność przewodzenia materiału i zwiększa charakter rezystancyjny poprzez ograniczenie ilości swobodnie poruszające się elektrony lub „wolne” nośniki.

Na diagramie obciążenia widzimy również, że terminale urządzenia są pokazane przy użyciu wielkich liter E dla emitera, C dla kolektora i B dla bazy. W naszej przyszłej dyskusji wyjaśnię, dlaczego ta waga jest przypisywana tym terminalom.

Ponadto termin BJT jest używany w skrócie jako tranzystor bipolarny i jest oznaczony dla tych 3 urządzeń końcowych. Wyrażenie „dwubiegunowy” wskazuje na znaczenie dziur i elektronów zaangażowanych w proces domieszkowania w odniesieniu do przeciwnie spolaryzowanej substancji.

OBSŁUGA TRANZYSTORA

Rozumiemy teraz podstawowe działanie BJT za pomocą wersji PNP z rys. 3.2. Zasada działania odpowiednika NPN byłaby dokładnie podobna, gdyby udział elektronów i dziur był po prostu zamieniony.

Jak widać na rysunku 3.3, tranzystor PNP został przerysowany, eliminując polaryzację bazy do kolektora. Możemy wyobrazić sobie, jak obszar zubożenia wygląda na zawężony ze względu na indukowane odchylenie, które powoduje masowy przepływ większość przewoźników w poprzek p- do materiałów typu n.

W przypadku usunięcia polaryzacji baza-emiter tranzystora pnp, jak pokazano na rys. 3.4, przepływ nośnych większości staje się zerowy, umożliwiając przepływ tylko nośnych mniejszościowych.

Krótko mówiąc, możemy to zrozumieć w sytuacji stronniczej jedno złącze p-n BJT jest spolaryzowane do tyłu, podczas gdy drugie złącze jest spolaryzowane do przodu.

Na ryc. 3.5 możemy zobaczyć oba napięcia polaryzujące przyłożone do tranzystora pnp, co powoduje wskazany przepływ nośnej większości i mniejszości. Tutaj, na podstawie szerokości obszarów zubożenia, możemy wyraźnie wyobrazić sobie, które skrzyżowanie działa w stanie spolaryzowanym do przodu, a które jest spolaryzowane do tyłu.

Jak pokazano na rysunku, znaczna ilość większości nośników jest dyfundowana przez skierowane do przodu złącze p-n do materiału typu n. To nasuwa pytanie, czy te nośniki mogą odgrywać jakąkolwiek ważną rolę w promowaniu prądu podstawowego IB lub umożliwić mu przepływ bezpośrednio do materiału typu p?

Biorąc pod uwagę, że warstwowa zawartość typu n jest niewiarygodnie cienka i ma minimalną przewodność, wyjątkowo niewielu z tych nośników przejdzie tę konkretną drogę o wysokiej rezystancji przez terminal bazowy.

Poziom prądu bazowego jest zwykle zbliżony do mikroamperów, a nie miliamperów dla prądów emitera i kolektora.

Większy zakres tych większości nośników będzie dyfundował wzdłuż złącza spolaryzowanego odwrotnie do materiału typu p przymocowanego do końcówki kolektora, jak pokazano na rys. 3.5.

Rzeczywista przyczyna tej względnej łatwości, z jaką większość nośnych może przejść przez złącze spolaryzowane odwrotnie, jest szybko realizowana na przykładzie diody z odwrotnym polaryzacją, w której indukowane nośne większościowe pojawiają się jako nośne mniejszościowe w materiale typu n.

Mówiąc inaczej, znajdujemy wprowadzenie nośników mniejszościowych do materiału regionu bazowego typu n. Przy tej wiedzy i wraz z faktem, że dla diod wszystkie nośniki mniejszościowe w obszarze zubożenia przechodzą przez złącze spolaryzowane odwrotnie, skutkuje to przepływem elektronów, jak pokazano na rys. 3.5.

Zakładając, że tranzystor na rysunku 3.5 jest pojedynczym węzłem, możemy zastosować aktualne prawo Kirchhoffa, aby otrzymać następujące równanie:

Co pokazuje, że prąd emitera jest równy sumie prądu podstawowego i kolektora.

Jednak prąd kolektora składa się z kilku elementów, którymi są nośniki większościowe i mniejszościowe, jak pokazano na rysunku 3.5.

Element nośny prądu mniejszościowego stanowi tutaj prąd upływu i jest symbolizowany jako ICO (prądowy układ scalony mający otwarty terminal nadajnika).

W konsekwencji prąd kolektora netto jest ustalany zgodnie z następującym równaniem 3.2:

Prąd IC kolektora jest mierzony w mA dla wszystkich tranzystorów ogólnego przeznaczenia, podczas gdy ICO jest obliczany w uA lub nA.

ICO będzie zachowywać się jak dioda z odwrotnym polaryzacją i dlatego może być podatne na zmiany temperatury, dlatego należy zachować odpowiednią ostrożność podczas testowania, szczególnie w obwodach zaprojektowanych do pracy w bardzo różnych scenariuszach zakresu temperatur, w przeciwnym razie wynik może być bardzo duży wpływ czynnika temperaturowego.

To powiedziawszy, ze względu na wiele zaawansowanych ulepszeń w układzie konstrukcyjnym nowoczesnych tranzystorów, ICO jest znacznie zmniejszone i można je całkowicie zignorować we wszystkich dzisiejszych BJT.

W następnym rozdziale dowiemy się, jak skonfigurować BJT w trybie wspólnej bazy.

Bibliografia: https://en.wikipedia.org/wiki/John_Bardeen