Биполярен транзистор за свързване (BJT) - конструкция и експлоатационни подробности

Биполярният транзистор или BJT е 3-терминално полупроводниково устройство, което може да усилва или превключва малки входни напрежения и токове на сигнала към значително по-големи напрежения и токове на изходния сигнал.

Как се развиха биполярните транзисторни транзисторни BJT

През 1904–1947 г. вакуумната тръба е безспорно електронното устройство с голямо любопитство и растеж. През 1904 г. диодът с вакуумна тръба е пуснат от J. A. Fleming. Скоро след това, през 1906 г., Лий Де Форест усъвършенства устройството с трета функция, известна като контролна мрежа, произвеждаща първия усилвател и наречена като триод.

През следващите десетилетия радиото и телевизията предизвикват огромно вдъхновение за тръбния бизнес. Производството се е увеличило от около 1 милион тръби през 1922 г. до около 100 милиона през 1937 г. В началото на 30-те години 4-елементният тетрод и 5-елементният пентод придобиват популярност в бизнеса с електронни тръби.

В следващите години производственият сектор се превърна в един от най-важните сектори и бяха създадени бързи подобрения за тези модели, в производствените методи, в мощни и високочестотни приложения и в посока на миниатюризация.

На 23 декември 1947 г. обаче електронната индустрия ще бъде свидетел на пристигането на абсолютно нова „посока на интерес“ и подобрение. В средата на деня се оказа, че Уолтър Х. Братейн и Джон Бардийн излагат и доказват усилващата функция на първия транзистор в телефонните лаборатории на Бел.

Първият транзистор (който е под формата на транзистор с точков контакт) е показан на фиг. 3.1.

Учтивост на изображението: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Replica-of-first-transistor.jpg

Положителните аспекти на този 3-пинов полупроводников модул за разлика от тръбата бяха незабавно забележими: Оказа се, че е много по-малък, може да работи без „нагревател“ или топлинни загуби, беше нечуплив и силен, беше по-ефективен от гледна точка на потребление на енергия, може да се съхранява и да се осъществява достъп с лекота, не се изисква първоначално стартиране на затопляне и работи при много по-ниски работни напрежения.

ТРАНЗИСТОРНА КОНСТРУКЦИЯ

Транзисторът е основно устройство, изградено с 3 слой полупроводников материал, в който се използва или 2 n-тип, и един слой p-тип материал, или 2 p-тип и се използва един слой n-тип материал. Първият тип се нарича NPN транзистор, докато вторият вариант се нарича PNP тип транзистор.

И двата типа могат да бъдат визуализирани на фигура 3.2 с подходящо DC отклонение.

Вече научихме как в BJTs DC пристрастия стават от съществено значение за установяване на необходимия оперативен регион и за усилване на променлив ток. За това страничният слой на емитера е легиран по-значително в сравнение с основната страна, която е легирана по-малко значително.

Външните слоеве са създадени със слоеве с много по-голяма дебелина в сравнение с p- или n-тип сандвичирани материали. На фигура 3.2 по-горе можем да открием, че за този тип делът на общата ширина в сравнение с централния слой е около 0,150 / 0,001: 150: 1. Легирането, приложено върху затворения слой, също е относително по-ниско от външните слоеве, което обикновено варира в 10: 1 или дори по-малко.

Този вид намалено ниво на легиране намалява проводимостта на материала и увеличава резистивния характер чрез ограничаване на количеството на свободно движещи се електрони или 'свободните' носители.

В диаграмата за отклонение можем също да видим, че терминалите на устройството са показани с главни букви E за излъчвател, C за колектор и B за основа, в нашата бъдеща дискусия ще обясня защо това значение се придава на тези терминали.

Също така терминът BJT се използва за съкращаване на биполярен транзистор и е обозначен за тези 3 терминални устройства. Изразът „биполярен“ показва значението на дупките и електроните, участващи по време на допинг процеса по отношение на противоположно поляризирано вещество.

ТРАНЗИСТОРНА ЕКСПЛОАТАЦИЯ

Нека сега разберем фундаменталната работа на BJT с помощта на PNP версия на фиг. 3.2. Принципът на работа на NPN аналог би бил точно подобен, ако участието на електроните и дупките просто се размени.

Както може да се види на фигура 3.3, PNP транзисторът е преначертан, елиминирайки отклонението на основата към колектора. Можем да визуализираме как областта на изчерпване изглежда стеснена по ширина поради индуцираното отклонение, което причинява масивен поток на мажоритарни превозвачи през р- до материалите от тип n.

В случай, че отклонението от база към емитер на pnp транзистора е премахнато, както е показано на Фигура 3.4, потокът на мажоритарните носители става нула, позволявайки потока само на малцинствени носители.

Накратко можем да разберем това в предубедена ситуация единият p-n кръстовище на BJT става обратно пристрастен, докато другият кръстовище е пристрастен напред.

На фиг. 3.5 можем да видим и двете отклоняващи напрежения, приложени към pnp транзистор, което причинява посочения поток на мажоритарен и малцинствен носител. Тук, от ширините на регионите на изчерпване, можем ясно да визуализираме кой кръстовище е работил с предварително пристрастено състояние и кое е с обратното пристрастие.

Както е показано на фигурата, значително количество мажоритарни носители в крайна сметка се разпръскват през преместения напред p-n кръстовище в n-тип материал. Това поражда въпрос в съзнанието ни, биха ли могли тези носители да играят някаква важна роля за популяризиране на базовия ток IB или да му позволят да тече директно в материала от типа p?

Като се има предвид, че съдържанието на затворения n-тип е невероятно тънко и притежава минимална проводимост, изключително малко от тези носители ще поемат по този конкретен път на висока устойчивост през базовия терминал.

Нивото на базовия ток обикновено е около микроампери, а не милиампера за емитерните и колекторните токове.

По-големият обхват на тези мажоритарни носители ще се разпръсне по кръстосано-обратната връзка в материала тип p, прикрепен към терминала на колектора, както е посочено на фиг. 3.5.

Действителната причина за тази относителна лекота, с която на мнозинството носители е позволено да преминат през кръстосано-пристрастния кръстовище, бързо се осъзнава чрез примера на обратно-пристрастен диод, където индуцираните мажоритарни носители се появяват като малцинствени носители в материала от n-тип.

За да го кажем по различен начин, ние откриваме въвеждане на малцинствени носители в материала от базовия регион от n-тип. С това знание и заедно с факта, че за диодите всички малцинствени носители в областта на изчерпване преминават през обратното пристрастие на прехода, води до поток на електрони, както е показано на фиг. 3.5.

Ако приемем, че транзисторът на фиг. 3.5 е единичен възел, можем да приложим сегашния закон на Кирххоф, за да получим следното уравнение:

Което показва, че емитерният ток е равен на сумата от базовия и колекторния ток.

Токът на колектора обаче се състои от няколко елемента, които са по-голямата част и малцинствените носители, както е доказано на фиг. 3.5.

Елементът на носещия ток на малцинството представлява токът на утечка и е символизиран като ICO (текущата IC с отворен терминал на емитер).

Следователно нетният ток на колектора се установява, както е дадено в следното уравнение 3.2:

IC на колекторния ток се измерва в mA за всички транзистори с общо предназначение, докато ICO се изчислява в uA или nA.

ICO ще се държи като диод с обратен пристрастие и следователно може да бъде уязвим на температурни промени и следователно трябва да бъде полаган подходящи грижи по време на тестване, особено в схеми, които са проектирани да работят в широко вариращи сценарии на температурен диапазон, иначе резултатът може да бъде изключително засегнати поради температурния фактор.

Въпреки това, поради многото усъвършенствани подобрения в конструкцията на модерните транзистори, ICO е значително намален и може да бъде напълно игнориран за всички днешни BJT.

В следващата глава ще научим как да конфигурираме BJTs в общия базов режим.

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