Nejprve jsem chtěl do názvu přidat „pro začátečníky“ nebo „pro figuríny“, ale po zamyšlení jsem došel k závěru: „Ale ne každý elektronik, který se považuje za pokročilého, rozumí: Jak technologicky funguje bipolární tranzistor?, kvůli kterému má zlepšující vlastnosti, která ovlivňuje vlastnosti tranzistoru a odkud se vzalo toto tajemné zvíře – “otvor”“.
Začněme definicí: Bipolární tranzistor je polovodičové elektronické zařízení, které funguje na principu interakce mezi dvěma pn přechody umístěnými těsně na krystalu. A pokud je zařízení polovodičové, znamená to, že ať už se dá říci cokoli, tranzistor je vyroben z polovodičových materiálů, jako je křemík, germanium, indium atd. Co to je – polovodičový materiál nebo prostě polovodič?
Polovodiče svými vlastnostmi zaujímají mezilehlou polohu mezi vodiči a dielektriky. Při teplotách nepříliš odlišných od absolutní nuly (-273,15°C) mají polovodiče vlastnosti dielektrik. Již při mírném zvýšení teploty však rychle klesá odpor polovodiče a ten začne vést elektrický proud – tzn. se stává vodivým. Proč se to děje?
Jak teplota stoupá, krystal polovodiče přijímá určité množství energie ve formě tepla, dostatečné k tomu, aby některé ze záporně nabitých elektronů opustily své atomy a přesunuly se do meziatomového prostoru. Takový elektrony se nazývají volnéa atomy krystalová mřížka, ze které vycházejí elektrony, získat nevyvážený kladný náboj a získat kódové jméno „díra“.
Krystal čistého polovodiče tedy při teplotách nad -273,15°C obsahuje určité množství nábojů obou znamének – volných elektronů a děr. Pokud krystal neobsahuje nečistoty, pak se v každém okamžiku počet volných elektronů rovná počtu děr přítomných v krystalu.
Jiná věc je, když přimícháte určitou látku do čistého polovodiče! V závislosti na vlastnostech této nečistoty můžeme získat: buď koncentraci děr mnohem vyšší než je koncentrace elektronů (polovodič typu p), nebo naopak – koncentrace elektronů převyšuje koncentraci díry (polovodič typu n).
To znamená, P-semiconductor (z anglického positive) je polovodič s kladným děrovým typem vodivosti a n-polovodič (z anglického negative) je záporný elektronický typ vodivosti..
No a nyní můžeme přejít k popisu blokového schématu tranzistoru.
Jak vyplývá z obrázku 1, bipolární tranzistory jsou zařízení vyrobená na bázi třívrstvé polovodičové struktury. V závislosti na pořadí střídání oblastí se rozlišují produkty dvou typů vodivosti: rovný (pnp) и zpětný chod (npn).
Je dobře vidět, že taková kombinace polovodičů v tranzistoru připomíná antisériové zapojení dvou diod se společnou katodou (pnp) nebo anodou (npn). Tato analogie platí pouze v jednom případě – umožňuje vám snadno otestovat životnost tranzistoru pomocí běžného ohmmetru nebo multimetru.
Uvažujme obvod ilustrující činnost tranzistoru typu NPN v různých režimech.
Obr. 2 a) Režim přerušení potrubí b) Aktivní režim potrubí c) Režim saturace čerpadla
Na obrázku 2 je klasické zapojení tranzistoru typu npn podle obvodu se společným emitorem. Kladná svorka napájecího zdroje je připojena přes zátěž (což je v našem případě LED) ke kolektoru tranzistoru, záporná svorka k emitoru polovodiče a v případě haldy k zemní sběrnici.
Aplikujme nulové předpětí na bázi tranzistoru (obr. 2 a)), čímž jej zavedeme do cutoff režim, odpovídající stavu Ueb 0,6-0,7 V (obr. 2 b)) a tím jej převést na aktivní (normální) režim. V tomto režimu je spojení báze-emitor zapnuto v dopředném směru (otevřeno) a spojení báze-kolektor je zapnuto ve zpětném směru (zavřeno):
Jelikož je p-polovodičová vrstva báze technologicky velmi tenká, kladné napětí aplikované na bázi může svým elektrickým polem „dosáhnout“ do mnohem větší n-oblasti emitoru. Vlivem tohoto pole jsou elektrony z emitoru směrovány k bázi a pronikají do ní. Malá část elektronů se setkává a rekombinuje (neutralizuje) s otvory, které jsou hlavními nosiči báze, ale vzhledem k její malé velikosti (a tedy i malému počtu děr) většina elektronů prochází bází. a dosáhněte sběrné křižovatky.
Pokles počtu děr v základně, ke kterému dochází v důsledku rekombinace, je kompenzován napájením Bat2 a způsobuje základní proud, který, jak jsme již pochopili, je výrazně menší než proud emitoru, který je přímo závislý na intenzitě toku elektronů.
Poté vlivem elektrického pole vytvořeného kladným potenciálem zdroje Bat1 proniknou elektrony z báze přes pn přechod do kolektoru tranzistoru, vyjdou ven a přes zdroj se uzavřou zpět do oblasti emitoru.
Pokud dále zvýšíte napětí na bázi, zvýší se také počet elektronů účastnících se procesu cirkulace obvodem. Výsledkem bude mírné (v absolutní hodnotě) zvýšení proudu báze a výrazné zvýšení proudu kolektoru.
A protože proud v obvodu je přímo úměrný intenzitě toku nosičů náboje, pak na základě všeho výše uvedeného a v souladu s prvním Kirchhoffovým zákonem existuje v tranzistoru vždy následující vztah mezi proudy: Iк = Iэ – Jáб .
Hodnota poměru kolektorového a emitorového proudu charakterizuje takový parametr tranzistoru jako – koeficient proudového přenosu α = Iк / Iэ . Ze vzorců vyplývá, že koeficient přenosu proudu tranzistoru je vždy menší než jedna a nabývá hodnoty ≈ 0,9-0,99.
Zesilovací vlastností tranzistoru je, že prostřednictvím relativně malého proudu báze lze řídit velký kolektorový proud. Navíc v aktivním režimu je změna kolektorového proudu přímo úměrná změně základního proudu: ΔIк = ΔIб xh21e , kde h21e (nebo β) je statický koeficient přenosu proudu tranzistoru. Tento parametr je orientační a pro různé polovodiče se pohybuje od 10-12 do 200-300.
A poslední provozní režim tranzistoru je saturační režim (Obrázek 2 c)) nebo chytrým způsobem – režim dvojitého vstřikování.
S dalším zvyšováním napěťové úrovně na bázi roste i proud v kolektorovém obvodu Ik, což vede (podle Ohmova zákona) k úměrnému zvýšení úbytku napětí na zátěži a v důsledku toho k poklesu napětí Uk.
Při určité úrovni tohoto napětí Uk začne přechod báze-kolektor přecházet do dopředně předpjatého (otevřeného) stavu, tzn. oba pn přechody tranzistoru budou otevřené. Základní úroveň napětí, při které tento proces začíná, se nazývá Ube.us, je referenční hodnota a je indikována při určitém pevném kolektorovém proudu.
Fyzikálně toto přímé zkreslení CP vede k tomu, že nejen emitor bude vysílat (injektovat) elektrony do báze, ale také kolektor. Pohyb těchto kolektorových elektronů je opačný než směr difúzního proudu emitoru a aktivně zabraňuje dalšímu zvyšování proudu tranzistoru.
V důsledku této opozice přestává kolektorový proud prakticky záviset na dalším zvyšování napěťové hladiny na bázi a je zafixován na úrovni tzv. Ik.us. Dalším pasovým parametrem charakterizujícím činnost tranzistoru v saturačním režimu je Uke.us ukazuje velikost úbytku napětí mezi kolektorem a emitorem pro daný kolektorový proud.
Vzhledem k tomu, že aktuální hodnota Ik.us může nabývat hodnot výrazně vyšších než proudy tranzistoru v lineárním režimu, měli byste pečlivě zvážit výběr zátěže kolektoru, abyste nepřekročili maximální přípustné hodnoty výkonu jak samotného tranzistoru, tak zátěže. V případě znázorněném na obr. 2 c) bude tento výstupní proud zřetelně vyšší než 20 mA přípustných pro LED, což je ve skutečnosti znázorněno na obrázku.
No a na závěr uvedu příklad činnosti OE tranzistorové kaskády v aktivním režimu (obr. 3).
Variabilní odpor R1 nabývá hodnot od 0 (v horní poloze) do 680 kOhm (ve spodní poloze).
K prvnímu přiblížení – změnou hodnoty napětí Ube lze zanedbat a považovat za rovnocenné Ube ≈ 0,6 V.
Potom, podle Ohmova zákona, v horní poloze potenciometru bude základní proud roven:
Iб ≈ (UNetopýr1 – NEBOmiláček)/(R1+R2) = (9v-0,6v)/51k = 0,16 mA ,
a ve spodní části:
Iб ≈ (UNetopýr1 – NEBOmiláček)/(R1+R2) = (9v-0,6v)/(51k +680k) = 0,011 mA ,
A když už si to pamatujeme Iк = Iб xh21e , pak v horní poloze R1 – Iк = 16 mA , tj. Jas LED se blíží maximu.
V dolní poloze R1 – Iк = 1,1 mA , tj. LED nesvítí nebo svítí velmi slabě.
V mezipolohách knoflíku potenciometru nabývají proudy a tím i jas žhavení střední hodnoty.
Na další stránce se podíváme na ekvivalentní obvod tranzistoru a také na vlastnosti a charakteristiky různých typů zesilovacích stupňů.
Transtory jsou nejdůležitější polovodičová zařízení. Jejich hlavní funkcí je zesilovat slabé elektrické signály, přičemž je samozřejmě energie přenášena ze zdroje energie. Používají se proto všude tam, kde není nutné zesilování signálů, například v rozhlasových přijímačích, televizorech, magnetofonech, elektronických zařízeních, automatických zařízeních apod.
Všechny tranzistory lze rozdělit do dvou velkých skupin: bipolární a polní. Běžnější jsou bipolární tranzistory, u kterých se podíváme především na jejich vlastnosti.
Bipolární tranzistory lze klasifikovat následovně.
1.V závislosti na použitém polovodiči jsou to buď křemík nebo germanium.
2. V závislosti na technologii výroby mohou být epitaxní-planární, slitinové, mesa-tranzistory, konverzní atp.
3.V závislosti na mechanismu pohybu nosičů náboje existují difúze a driftu.
4.V závislosti na síle existují nízký výkon (až 0,3 W), střední výkon (od 0,3 do 3 W) a mocný (více než 3 W).
5. V závislosti na mezní frekvenci se rozlišují nízkofrekvenční (do 3 MHz), středofrekvenční (od 3 do 30 MHz), vysokofrekvenční (od 30 do 300 MHz) и ultravysoká frekvence (nad 300 MHz).
Jak je znázorněno na Obr. 18.1, hlavní částí tranzistoru je malý krystal tzv základna (B), na kterém jsou provedeny dvě adheze, tzv emitor (E) и sběratel (K). Když jsou tato spojení vytvořena mezi emitorem a základnou a mezi kolektorem a základnou, dva p–n přechod. K tomu dochází, když je vodivost emitoru a kolektoru zvolena tak, aby byla opačná než vodivost báze. Je důležité si uvědomit, že oba přechody jsou velmi blízko u sebe, tzn. základna je velmi tenká, přibližně 1 – 20 mikronů.
V závislosti na vodivosti emitoru, báze a kolektoru se vyrábějí dva typy tranzistorů: n–p–n и p–n–p. Ty jsou zobrazeny na obr. 18.2 spolu s jejich obvodovými symboly. Tyto dva základní typy tranzistorů mají stejný princip činnosti a stejné zesilovací vlastnosti. Liší se však polaritou silových obvodů.
Protože všichni p–n Přechod je v podstatě dioda, na horním obrázku je tranzistor znázorněn jako kombinace dvou diod. Ve skutečnosti obvody báze-emitor a báze-kolektor, brát samostatně, mají jednosměrnou vodivost. Pokud však vezmeme dvě diody a zapojíme je, jak je znázorněno na obr. 18.2, pak nezískáme zesilovací zařízení. Rozdíl je v tom U tranzistorů jsou oba přechody umístěny velmi blízko u sebe a existuje mezi nimi interakce. Tato interakce se také nazývá tranzistorový efekta bipolární tranzistory mu vděčí za své zesilovací vlastnosti.
Pro ochranu před vnějšími vlivy je tranzistor hermeticky uzavřen v kovovém nebo plastovém pouzdře.
Jak se zesiluje bipolární tranzistor?
Abyste pochopili, jak tranzistor zesiluje, zvažte Obr. 18.3 a, který znázorňuje obvod obsahující mikrofon, baterii a reproduktor. Pokud do mikrofonu není dodáván žádný zvuk, pak bude obvodem protékat pouze stejnosměrný proud a reproduktor je tichý (oddíl A). Pokud je do mikrofonu přiváděn zvuk, pak proud v obvodu bude obsahovat nejen konstantní, ale i střídavou složku (sekce B) a v reproduktoru uslyšíme slabý zvuk.
Pomocí tranzistoru můžeme tento zvuk zesílit, jak je znázorněno na Obr. 18.3b, kde jsou použity dvě napájecí baterie. Pokud provedeme příslušná měření, uvidíme to Proud a napětí na výstupu tranzistoru jsou mnohem větší než proud a napětí na vstupu.
Nejdůležitější vlastností každého výztužného prvku je výrazné zvýšení výkonu na výstupu (při zátěži) oproti výkonu dodávanému na vstup. A protože výkon je součinem proudu a napětí (viz kapitola 4), jsou možné následující možnosti zesilovače:
1. Obvod zesiluje napětí a proud. U tranzistorových zesilovačů je tento případ nejvíce žádoucí.
2. Obvod zesiluje pouze napětí a výstupní proud je téměř stejný.
3. Obvod zesiluje pouze proud a výstupní napětí je téměř stejné.
Bipolární tranzistor vykazuje zesilovací vlastnosti ve třech typech obvodů. které se liší způsobem zapnutí tranzisury: společný emitor (OE), společný základ (OB) и společný sběratel (OK).
Kvalita každého zesilovače závisí nejen na tom, kolikrát zesílí, ale také na jeho vstupní a výstupní impedanci. V některých případech jsou tyto odpory ještě důležitější než zisk. Proto se v praxi používají všechny tři hlavní tranzistorové spínací obvody, protože každý z nich má své výhody a nevýhody.
V obvodu OE působí vstupní signál mezi bází a emitorem a zátěž je zapojena mezi kolektor a emitor (obr. 18.4). toto схема vylepšuje a napětí a proudu a proto se v praxi používá nejčastěji. Jeho vstupní a výstupní odpory nejsou příliš vysoké.
V obvodu OB působí vstupní signál mezi emitorem a bází a zátěž je zapojena mezi kolektor a bázi (obr. 18.4). Tento obvod zesiluje pouze napětí a má nízkou vstupní impedanci a vysokou výstupní impedanci.
V obvodu s OK (také nazývaný emitorový sledovač) přichází vstupní signál do řídicího spoje emitor-báze, prochází zátěží a samotná zátěž je zapojena mezi emitor a kolektor (obr. 18.4). Toto je obvod pro zesílení proudu. Jeho vstupní impedance je vysoká a výstupní impedance je nízká.
Je třeba si dát pozor na jednu důležitou okolnost: bez ohledu na spínací obvod (s OE, OB, OK) je řídicí přechod v tranzistoru emitor a řízený obvod, jehož odpor se mění, je emitor-kolektor (na Obr. 18.5 tento obvod je znázorněn tlustou čarou) .
Пri tohle Polarita napájecích zdrojů je taková, že přechod emitoru je vždy zapnut v dopředném směru a přechod kolektoru – v opaku. Proto ve všech schématech (s OE, OB, OK) napětí, která působí na řídicí sekci, jsou malá – napříkladměří 0,1-0,4 V v germaniu a 0,4 – 0,8 V v křemíkových tranzistorech (obr. 18.6), zatímco napětí kolektor-emitor může být poměrně významné – asi 6–24 V.
Další důležitou vlastností tranzistoru je, že proud báze je mnohem menší než proud emitoru a kolektoru (poslední dva jsou téměř stejné).
To znamená, že hlavní vlastnost tranzistoru lze formulovat následovně: malý základní proud pohání mnohem větší kolektorový proud. Tato vlastnost je znázorněna na Obr. 18.7, kde je patrná analogie mezi tranzistorem a vodním mechanickým zařízením. A skutečně, tenký proud vody v potrubí Б řídí hustý proud vody potrubím К a E. V tomto případě je proud E roven součtu proudů B a K.
V pulzní technice se jako spínač nejčastěji používá tranzistor. V tomto případě on nebo zamčené (odpor kolektor-emitor je vysoký) nebo otevřít (odpor kolektor-emitor je nízký). Tohoto uzamčení a otevření je dosaženo vhodným uzamčením nebo průchodem proudu báze. Podobný experiment, který lze snadno provést, je znázorněn na Obr. 18.8. V prvním případě jsou základní a kolektorový proud nulové a ve druhém případě 1Б = 2-3 mA a IК = 200 mA. V důsledku toho lze i zde pomocí malého proudu báze řídit poměrně velký proud v kolektorovém obvodu.
