Bipolaarinen liitostransistori (BJT) - Rakenne ja käyttö

Bipolaarinen transistori tai BJT on 3-napainen puolijohdelaite, joka kykenee vahvistamaan tai vaihtamaan pieniä signaalitulojännitteitä ja -virtoja merkittävästi suuremmiksi lähtösignaalijännitteiksi ja -virroiksi.

Kuinka kaksisuuntaisen liitoksen transistori BJT kehittyi

Vuosina 1904–1947 tyhjiöputki oli kiistatta elektroninen laite, jolla oli suuri uteliaisuus ja kasvu. Vuonna 1904 J.A.Fleming laukaisi tyhjiöputkidiodin. Pian sen jälkeen, vuonna 1906, Lee De Forest lisäsi laitetta kolmannella ominaisuudella, joka tunnetaan nimellä ohjausverkko, joka tuottaa ensimmäisen vahvistimen ja nimetään triodiksi.

Seuraavien vuosikymmenien aikana radio ja televisio herättivät valtavaa inspiraatiota putkiliiketoimintaan. Valmistus kasvoi noin miljoonasta putkesta vuonna 1922 noin 100 miljoonaan putkeen vuonna 1937. 1930-luvun alussa 4-elementtinen tetrodi ja 5-elementtinen pentodi saivat suosiota elektroniputkiliiketoiminnassa.

Seuraavina vuosina valmistussektori kehittyi yhdeksi tärkeimmistä aloista, ja näille malleille luotiin nopeita parannuksia, tuotantomenetelmiä, suuritehoisia ja suurtaajuisia sovelluksia sekä pienoiskoossa.

23. joulukuuta 1947 elektroniikkateollisuus oli kuitenkin todistamassa ehdottoman uuden 'mielenkiinnon ja parannuksen suunnan' saapumista. Keskipäivällä kävi ilmi, että Walter H. Brattain ja John Bardeen esittivät ja todistivat Bell-puhelimen laboratorioiden ensimmäisen transistorin vahvistavan toiminnan.

Ensimmäinen transistori (joka oli pistekosketustransistorin muodossa) on esitetty kuvassa 3.1.

Kuva Kohteliaisuus: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Replica-of-first-transistor.jpg

Tämän 3-nastaisen kiinteän tilan yksikön positiiviset puolet putkesta poiketen olivat heti havaittavissa: Se osoittautui paljon pienemmäksi, pystyi toimimaan ilman lämmittimiä tai lämmityshäviöitä, oli rikkoutumaton ja vahva, oli tehokkaampi virrankäyttö, se voidaan tallentaa ja käyttää helposti, ei vaadi ensimmäistä lämpenemistä, ja se toimi paljon pienemmillä käyttöjännitteillä.

TRANSISTORIRAKENNUS

Transistori on periaatteessa laite, joka on rakennettu kolmella puolijohdemateriaalikerroksella, jossa käytetään joko 2 n- ja yhtä p-tyyppistä materiaalikerrosta tai 2 p-tyyppistä ja yhtä n-tyyppistä materiaalikerrosta. Ensimmäistä tyyppiä kutsutaan NPN-transistoriksi, kun taas toista muunnosta kutsutaan PNP-tyyppiseksi transistoriksi.

Molemmat näistä tyypeistä voidaan visualisoida kuvassa 3.2 sopivalla DC-esijännityksellä.

Olemme jo oppineet miten BJT: t DC-esijännitys on välttämätöntä vaaditun toiminta-alueen muodostamiseksi ja AC-vahvistukseksi. Tätä varten emitteripuolen kerros seostetaan merkitsevämmin verrattuna pohjapuoleen, joka seostetaan vähemmän merkittävästi.

Ulkokerrosten paksuus on paljon suurempi kuin p- tai n-tyyppisillä kerrostetuilla materiaaleilla. Yllä olevasta kuvasta 3.2 löydämme, että tälle tyypille kokonaisleveyden osuus keskikerrokseen nähden on noin 0,150 / 0,001: 150: 1. Kerrostetun kerroksen päälle tehty seostaminen on myös suhteellisen matalampaa kuin ulkokerrokset, jotka vaihtelevat tyypillisesti välillä 10: 1 tai jopa vähemmän.

Tällainen alennettu dopingitaso alentaa materiaalin johtokykyä ja lisää resistiivistä luonnetta rajoittamalla aineen määrää vapaasti liikkuvat elektronit tai 'vapaat' kantajat.

Esijännitekaaviosta voimme myös nähdä, että laitteen liittimet näytetään suurilla kirjaimilla E emitterille, C kollektorille ja B pohjalle, seuraavassa keskustelussa selitän miksi tämä merkitys kohdistetaan näihin päätelaitteisiin.

Termiä BJT käytetään myös bipolaarisen transistorin lyhentämiseen ja nimitetään näille kolmelle päätelaitteelle. Ilmaus 'bipolaarinen' osoittaa dopingprosessin aikana mukana olevien reikien ja elektronien merkityksen vastakkain polarisoituneelle aineelle.

TRANSISTORIN KÄYTTÖ

Ymmärretään nyt BJT: n perustoiminnot kuvan 3.2 PNP-version avulla. NPN-vastineen toimintaperiaate olisi täsmälleen samanlainen, jos elektronien ja reikien osallistuminen yksinkertaisesti vaihdetaan.

Kuten kuvasta 3.3 nähdään, PNP-transistori on piirretty uudelleen, mikä eliminoi alustan ja kollektorin esijännityksen. Voimme visualisoida, kuinka ehtymisalue näyttää kapeammaltaan johtuen indusoidusta esijännityksestä, joka aiheuttaa enemmistöoperaattorit poikki p- n-tyyppisiin materiaaleihin.

Siinä tapauksessa, että pnp-transistorin emäksestä emitteriin kohdistuva esijännitys poistetaan, kuten kuvassa 3.4 on esitetty, enemmistön kantoaaltojen virtaus muuttuu nollaksi, mikä sallii vain vähemmistökantajien virtauksen.

Lyhyesti sanottuna voimme ymmärtää sen puolueellisessa tilanteessa yksi BJT: n yksi p-n-risteys muuttuu käänteiseksi esijännitetyksi, kun taas toinen risteys on esijännitetty.

Kuvassa 3.5 voidaan nähdä sekä esijännitysjännitteet, jotka kohdistuvat pnp-transistoriin, mikä aiheuttaa ilmoitetun enemmistö- ja vähemmistökantovirtauksen. Täällä ehtymisalueiden leveydestä voimme selvästi visualisoida, mikä risteys on toiminut eteenpäin suuntautuneen tilan kanssa ja mikä on päinvastaisessa puolueessa.

Kuten kuvassa on esitetty, huomattava määrä enemmistön kantajia päätyy diffundoitumaan eteenpäin suuntautuneen p-n-liitoksen yli n-tyyppiseen materiaaliin. Tämä herättää mielessämme kysymyksen, voisivatko näillä kantajilla olla tärkeä rooli edistääkseen perusvirran IB: tä tai antaakseen sen virrata suoraan p-tyyppiseen materiaaliin?

Ottaen huomioon, että kerrostettu n-tyyppinen sisältö on uskomattoman ohut ja sillä on minimaalinen johtokyky, poikkeuksellisen harvat näistä kantajista aikovat kuljettaa tätä erityistä korkean vastuksen reittiä tukiaseman yli.

Perusvirran taso on normaalisti mikroampeereissa eikä milliampeereissa emitteri- ja kollektorivirroille.

Suurempi valikoima näistä enemmistön kantajista diffundoituu käänteisesti esijännitetyn liitoksen varrella p-tyyppiseen materiaaliin, joka on kiinnitetty kollektoriliittimeen, kuten kuvassa 3.5 on esitetty.

Todellinen syy tämän suhteellisen helppouden takana, jolla enemmistön kantoaallot saavat päästä päinvastaisessa esijännitetyssä liitoksessa, toteutetaan nopeasti käänteisen esijännitetyn diodin esimerkillä, jossa indusoidut enemmistön kantajat muuttuvat vähemmistökantajiksi n-tyyppisessä materiaalissa.

Toisin sanoen löydämme vähemmistökantajien esittelyn n-tyyppisen perusalueen materiaaliin. Tämän tiedon ja sen tosiasian kanssa, että diodien osalta kaikki tyhjentämisalueen vähemmistökantajat pääsevät vastakkaisen esijännitetyn liitoksen yli, johtaa elektronien virtaukseen, kuten kuvassa 3.5 on esitetty.

Oletetaan, että kuvan 3.5 transistori on yksi solmu, voimme soveltaa Kirchhoffin nykyistä lakia saadaksesi seuraavan yhtälön:

Mikä osoittaa, että emitterivirta on yhtä suuri kuin perus- ja kollektorivirran summa.

Keräinvirta muodostuu kuitenkin parista elementistä, jotka ovat enemmistön ja vähemmistön kantajat, kuten kuvassa 3.5 on osoitettu.

Vähemmistövirtalähde-elementti muodostaa tässä vuotovirran ja sitä symboloi ICO (nykyinen IC, jolla on avoin emitteriliitin).

Näin ollen kollektorin nettovirta määritetään seuraavan yhtälön 3.2 mukaisesti:

Keräimen nykyinen IC mitataan mA: na kaikille yleiskäyttöisille transistoreille, kun taas ICO lasketaan uA: ssa tai nA: ssa.

ICO käyttäytyy aivan kuten käänteinen esijännitteinen diodi, ja siksi se voi olla altis lämpötilan muutoksille, ja siksi siitä on huolehdittava asianmukaisesti testauksen aikana, erityisesti piireissä, jotka on suunniteltu toimimaan hyvin vaihtelevissa lämpötila-alueissa, tai muuten tulos voi olla valtava vaikuttaa lämpötilatekijän vuoksi.

Tästä johtuen nykyaikaisten transistoreiden rakenteen monien edistyneiden parannusten ansiosta ICO vähenee merkittävästi ja voidaan jättää kokonaan huomiotta kaikissa nykyisissä BJT-laitteissa.

Seuraavassa luvussa opitaan kuinka BJT: t konfiguroidaan yhteisessä tukitilassa.

Viitteet: https://fi.wikipedia.org/wiki/John_Bardeen