Bipolární tranzistory. Pro figuríny / Habr

Protože je téma tranzistorů velmi, velmi rozsáhlé, budou jim věnovány dva články: zvlášť o bipolárních a zvlášť o tranzistorech s efektem pole.

Tranzistor, stejně jako dioda, je založen na jevu přechodu pn. Kdo chce, může si osvěžit paměť na fyziku procesů v něm probíhajících zde nebo zde.

Potřebná vysvětlení byla podána, pojďme k věci.

Tranzistory. Definice a historie

Tranzistor – elektronické polovodičové zařízení, ve kterém je proud v obvodu dvou elektrod řízen třetí elektrodou. (tranzistors.ru)

Jako první byly vynalezeny tranzistory s efektem pole (1928) a bipolární tranzistory se objevily v roce 1947 v Bellových laboratořích. A byla to bez nadsázky revoluce v elektronice.

Tranzistory velmi rychle nahradily elektronky v různých elektronických zařízeních. V tomto ohledu se spolehlivost takových zařízení zvýšila a jejich velikost se výrazně snížila. A dodnes, bez ohledu na to, jak „sofistikovaný“ mikroobvod je, stále obsahuje mnoho tranzistorů (stejně jako diody, kondenzátory, odpory atd.). Jen velmi malé.

Mimochodem, zpočátku byly „tranzistory“ rezistory, jejichž odpor bylo možné měnit pomocí množství použitého napětí. Pokud pomineme fyziku procesů, pak lze moderní tranzistor také reprezentovat jako odpor, který závisí na signálu, který je k němu přiváděn.

Jaký je rozdíl mezi tranzistory s efektem pole a bipolárními tranzistory? Odpověď spočívá v jejich samotných jménech. V bipolárním tranzistoru zahrnuje přenos náboje и elektrony, и otvory („přídavek“ – dvakrát). A v poli (aka unipolární) – nebo elektrony, nebo díry.

Tyto typy tranzistorů se také liší v aplikačních oblastech. Bipolární se používají hlavně v analogové technice a polní – v digitální technice.

A nakonec: hlavní oblast použití jakýchkoli tranzistorů — zesílení slabého signálu v důsledku dodatečného zdroje energie.

Bipolární tranzistor. Princip fungování. Hlavní vlastnosti

Bipolární tranzistor se skládá ze tří oblastí: emitor, báze a kolektor, z nichž každá je napájena napětím. Podle typu vodivosti těchto oblastí se rozlišují tranzistory npn a pnp. Oblast kolektoru je obvykle širší než oblast emitoru. Základna je vyrobena z lehce dopovaného polovodiče (proto má vysokou odolnost) a je vyrobena velmi tenká. Protože kontaktní plocha emitor-báze je podstatně menší než kontaktní plocha báze-kolektor, není možné zaměnit emitor a kolektor změnou polarity připojení. Tranzistor je tedy asymetrické zařízení.

Než se zamyslíme nad fyzikou fungování tranzistoru, nastínime obecný problém.

Je to takto: mezi emitorem a kolektorem protéká silný proud (kolektorový proud) a mezi emitorem a základnou je slabý řídicí proud (základní proud). Kolektorový proud se bude měnit v závislosti na změně proudu báze. Proč?
Uvažujme pn přechody tranzistoru. Existují dva z nich: emitor-base (EB) a base-collector (BC). V aktivním režimu činnosti tranzistoru je první z nich spojen s předpětím a druhý s předpětím zpět. Co se děje na pn křižovatkách? Pro větší jistotu budeme uvažovat NPN tranzistor. U pnp je vše podobné, pouze slovo „elektrony“ je třeba nahradit „díry“.

Protože je EB přechod otevřený, elektrony snadno „přeběhnou“ k základně. Tam se částečně rekombinují s dírami, aleоVětšině z nich se díky malé tloušťce základny a jejímu nízkému dopingu podaří dosáhnout přechodu základna-kolektor. Což, jak si pamatujeme, je obráceně zaujaté. A protože elektrony v bázi jsou menšinovými nosiči náboje, elektrické pole přechodu jim pomáhá jej překonat. Kolektorový proud je tedy jen o málo menší než proud emitoru. Nyní pozor na ruce. Pokud zvýšíte proud báze, EB přechod se otevře silněji a mezi emitor a kolektor bude moci proklouznout více elektronů. A protože kolektorový proud je zpočátku větší než základní proud, bude tato změna velmi, velmi patrná. Tedy, slabý signál přijatý na základně bude zesílen. Ještě jednou, velká změna kolektorového proudu je proporcionálním odrazem malé změny proudu báze.

Pamatuji si, že princip činnosti bipolárního tranzistoru byl vysvětlen mému spolužákovi na příkladu vodovodního kohoutku. Voda v něm je kolektorový proud a základní řídicí proud je to, o kolik otočíme knoflíkem. Ke zvýšení průtoku vody z kohoutku stačí malá síla (kontrolní působení).

Kromě uvažovaných procesů může na pn přechodech tranzistoru docházet k řadě dalších jevů. Například při silném nárůstu napětí na spoji báze-kolektor může začít násobení lavinové náboje v důsledku nárazové ionizace. A ve spojení s tunelovým efektem to způsobí nejprve elektrický průraz a poté (s rostoucím proudem) tepelný průraz. K tepelnému průrazu v tranzistoru však může dojít bez elektrického průrazu (tj. bez zvýšení napětí kolektoru na průrazné napětí). K tomu bude stačit jeden nadměrný proud kolektorem.

Další jev je způsoben tím, že při změně napětí na přechodech kolektoru a emitoru se mění jejich tloušťka. A pokud je základna příliš tenká, může dojít k uzavíracímu efektu (tzv. „proražení“ základny) – spojení mezi kolektorovým a emitorovým přechodem. V tomto případě oblast báze zmizí a tranzistor přestane normálně fungovat.

Kolektorový proud tranzistoru v normálním aktivním režimu činnosti tranzistoru je o určitý počet větší než proud báze. Toto číslo se volá aktuální zisk a je jedním z hlavních parametrů tranzistoru. Je určeno h21. Pokud je tranzistor zapnut bez zatížení kolektoru, pak při konstantním napětí kolektor-emitor bude poměr kolektorového proudu k proudu báze dávat statický proudový zisk. Může se rovnat desítkám nebo stovkám jednotek, ale stojí za to vzít v úvahu skutečnost, že v reálných obvodech je tento koeficient menší kvůli tomu, že při zapnutí zátěže přirozeně klesá kolektorový proud.

Druhým důležitým parametrem je vstupní odpor tranzistoru. Podle Ohmova zákona je to poměr napětí mezi bází a emitorem k řídicímu proudu báze. Čím větší je, tím nižší je základní proud a vyšší zisk.

Třetím parametrem bipolárního tranzistoru je napěťový zisk. Rovná se poměru amplitudy nebo efektivních hodnot výstupního (emitor-kolektor) a vstupního (base-emitor) střídavého napětí. Protože první hodnota je obvykle velmi velká (jednotky a desítky voltů) a druhá je velmi malá (desetiny voltů), může tento koeficient dosáhnout desítek tisíc jednotek. Stojí za zmínku, že každý základní řídicí signál má svůj vlastní napěťový zisk.

Tranzistory také mají frekvenční odezva, která charakterizuje schopnost tranzistoru zesílit signál, jehož frekvence se blíží mezní frekvenci zesílení. Faktem je, že s rostoucí frekvencí vstupního signálu se zisk snižuje. To je způsobeno skutečností, že doba výskytu hlavních fyzikálních procesů (doba pohybu nosičů od emitoru ke kolektoru, nabíjení a vybíjení kapacitních bariérových přechodů) se stává úměrnou periodě změny vstupního signálu. . Tito. tranzistor prostě nestihne zareagovat na změny vstupního signálu a v určité chvíli ho prostě přestane zesilovat. Frekvence, se kterou se to děje, se nazývá hranice.

• kolektor-emitor zpětného proudu
• včas
• zpětný kolektorový proud
• maximální přípustný proud

Symboly pro tranzistory npn a pnp se liší pouze ve směru šipky označující emitor. Ukazuje, jak teče proud v daném tranzistoru.

Provozní režimy bipolárního tranzistoru

1. Inverzní aktivní režim. Zde je přechod BC otevřený, ale naopak uzavřený EB. Vlastnosti zesílení v tomto režimu jsou samozřejmě horší než kdy jindy, takže tranzistory se v tomto režimu používají velmi zřídka.
2. Režim sytosti. Oba přechody jsou otevřené. V souladu s tím hlavní nosiče náboje kolektoru a emitoru „běží“ k základně, kde se aktivně rekombinují se svými hlavními nosiči. Vlivem vzniklého přebytku nosičů náboje klesá odpor báze a pn přechodů. Proto obvod obsahující tranzistor v saturačním režimu lze považovat za zkratovaný a tento rádiový prvek samotný může být reprezentován jako ekvipotenciální bod.
3. Režim cut-off. Oba přechody tranzistoru jsou uzavřené, tzn. proud hlavních nosičů náboje mezi emitorem a kolektorem se zastaví. Toky menšinových nosičů náboje vytvářejí pouze malé a nekontrolovatelné proudy tepelného přechodu. Díky chudobě základny a přechodům s nosiči náboje se jejich odpor velmi zvyšuje. Proto se často věří, že tranzistor pracující v režimu cutoff představuje otevřený obvod.
4. Bariérový režim V tomto režimu je základna přímo nebo přes nízký odpor připojena ke kolektoru. V obvodu kolektoru nebo emitoru je také obsažen odpor, který nastavuje proud tranzistorem. Vznikne tak ekvivalent diodového obvodu s rezistorem v sérii. Tento režim je velmi užitečný, protože umožňuje obvodu pracovat na téměř libovolné frekvenci, v širokém teplotním rozsahu a je nenáročný na parametry tranzistorů.

Spínací obvody pro bipolární tranzistory

Vzhledem k tomu, že tranzistor má tři kontakty, obecně k němu musí být napájení dodáváno ze dvou zdrojů, které dohromady vytvářejí čtyři výstupy. Proto musí být jeden z tranzistorových kontaktů napájen napětím stejného znaménka z obou zdrojů. A podle toho, o jaký kontakt se jedná, existují tři obvody pro připojení bipolárních tranzistorů: se společným emitorem (CE), společným kolektorem (OC) a společnou bází (CB). Každý z nich má výhody i nevýhody. Volba mezi nimi se provádí podle toho, které parametry jsou pro nás důležité a které lze obětovat.

Spojovací obvod se společným emitorem

Tento obvod poskytuje největší zisk v napětí a proudu (a tedy ve výkonu – až desítky tisíc jednotek), a proto je nejběžnější. Zde je přechod emitor-báze zapnut přímo a přechod báze-kolektor obráceně. A protože jak báze, tak kolektor jsou napájeny napětím stejného znaménka, lze obvod napájet z jednoho zdroje. V tomto obvodu se fáze výstupního střídavého napětí mění vzhledem k fázi vstupního střídavého napětí o 180 stupňů.

Ale kromě všech vychytávek má OE schéma i značnou nevýhodu. Spočívá v tom, že zvýšení frekvence a teploty vede k výraznému zhoršení zesilovacích vlastností tranzistoru. Pokud tedy tranzistor musí pracovat na vysokých frekvencích, je lepší použít jiný spínací obvod. Například se společným základem.

Schéma zapojení se společnou základnou

Tento obvod neposkytuje výrazné zesílení signálu, ale je dobrý na vysokých frekvencích, protože umožňuje plně využít frekvenční odezvu tranzistoru. Pokud je stejný tranzistor zapojen nejprve podle obvodu se společným emitorem a poté se společnou bází, pak ve druhém případě dojde k výraznému zvýšení jeho mezní frekvence zesílení. Protože při takovém zapojení je vstupní impedance malá a výstupní příliš vysoká, používají se tranzistorové kaskády sestavené podle obvodu OB v anténních zesilovačích, kde charakteristická impedance kabelů obvykle nepřesahuje 100 Ohmů.

V obvodu se společnou bází se fáze signálu neinvertuje a hladina šumu při vysokých frekvencích je snížena. Ale jak již bylo zmíněno, jeho aktuální zisk je vždy o něco menší než jednota. Pravda, napěťový zisk je zde stejný jako v obvodu se společným emitorem. Mezi nevýhody obvodu se společnou bází patří také nutnost použití dvou napájecích zdrojů.

Schéma zapojení se společným kolektorem

Zvláštností tohoto obvodu je, že vstupní napětí je zcela přeneseno zpět na vstup, tj. negativní zpětná vazba je velmi silná.

Dovolte mi připomenout, že negativní zpětná vazba je taková zpětná vazba, ve které je výstupní signál přiváděn zpět na vstup, čímž se snižuje úroveň vstupního signálu. K automatickému nastavení tedy dochází, když se náhodně změní parametry vstupního signálu

Proudové zesílení je téměř stejné jako v obvodu se společným emitorem. Ale napěťové zesílení je malé (hlavní nevýhoda tohoto obvodu). Blíží se k jednotě, ale je vždy menší než ona. Výkonový zisk se tedy rovná pouze několika desítkám jednotek.

Ve společném kolektorovém obvodu nedochází k žádnému fázovému posunu mezi vstupním a výstupním napětím. Protože se napěťový zisk blíží jednotce, výstupní napětí odpovídá vstupnímu napětí ve fázi a amplitudě, tj. opakuje je. Proto se takový obvod nazývá emitorový sledovač. Emitor – protože výstupní napětí je odstraněno z emitoru vzhledem ke společnému vodiči.

Toto zapojení se používá pro přizpůsobení tranzistorových stupňů nebo když má zdroj vstupního signálu vysokou vstupní impedanci (například piezoelektrický snímač nebo kondenzátorový mikrofon).

Dvě slova o kaskádách

Stává se, že potřebujete zvýšit výstupní výkon (tj. zvýšit kolektorový proud). V tomto případě se používá paralelní zapojení požadovaného počtu tranzistorů.

Přirozeně by měly mít přibližně stejné vlastnosti. Je však třeba mít na paměti, že maximální celkový kolektorový proud by neměl překročit 1,6-1,7 maximálního kolektorového proudu žádného z kaskádových tranzistorů.
To se však (díky wrewolfovi za poznámku) v případě bipolárních tranzistorů nedoporučuje. Protože dva tranzistory, byť stejného typu, se od sebe alespoň trochu liší. Při paralelním zapojení jimi tedy budou protékat proudy různé velikosti. Pro vyrovnání těchto proudů jsou v emitorových obvodech tranzistorů instalovány symetrické odpory. Hodnota jejich odporu je vypočtena tak, aby úbytek napětí na nich v rozsahu pracovního proudu byl alespoň 0,7 V. Je zřejmé, že to vede k výraznému zhoršení účinnosti obvodu.

Může být také potřeba tranzistor s dobrou citlivostí a zároveň dobrým ziskem. V takových případech se používá kaskáda citlivého, ale nízkovýkonového tranzistoru (VT1 na obrázku), který řídí napájení výkonnějšího kolegu (VT2 na obrázku).

Další aplikace bipolárních tranzistorů

Tranzistory lze použít nejen v obvodech pro zesílení signálu. Například díky tomu, že mohou pracovat v režimech saturace a cutoff, se používají jako elektronické klíče. V obvodech generátoru signálu je také možné použít tranzistory. Pokud pracují v režimu klíče, bude generován obdélníkový signál, a pokud v režimu zesílení, pak signál libovolného tvaru v závislosti na ovládací akci.