Bipolartransistoren: Gerät, Funktionsprinzip, Betriebsarten und Anschlusspläne

Elektronik ist reich an Details aller Art. Jedes dieser Elemente erfüllt eine ihm zugewiesene spezifische Rolle. Der Transistor zeichnet sich durch seine Vielseitigkeit und Fähigkeit aus, verschiedene Aufgaben zu erfüllen. Um zu verstehen, was es von anderen Funkkomponenten unterscheidet, müssen das Gerät und das Funktionsprinzip von Bipolartransistoren berücksichtigt werden.

Transistorstruktur

Ein Bipolartransistor gehört zu Halbleitern - Materialien, die Elektrizität schlechter leiten als Leiter, aber auch keine Dielektrika sind. Aber wenn seine Temperatur auf den absoluten Nullpunkt gebracht wird, wird es ein Dielektrikum. Andererseits nimmt mit steigender Temperatur die Leitfähigkeit des Geräts zu. Dies macht es anfällig für Überhitzung. Die Erhöhung der Leitfähigkeit erhöht den Strom, was das Gerät beschädigen kann.

Aus Gründen der Klarheit können wir als Beispiel einen Diamanten (Adamant) anführen. Unter natürlichen Bedingungen ist es ein Halbleiter, aber wenn Sie es in ein Vakuum oder Inertgas legen und erhitzen, verwandelt es sich in Graphit, das ein guter Leiter ist. Für industrielle Zwecke werden Materialien wie Silizium, Germanium und andere häufig für die Herstellung von Transistoren verwendet. Nach verwendetem Material

Transistoren sind:

• Germanium;
• Silizium;
• Galliumarsenid.

Der Halbleiter selbst ist sehr empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen (Verformung, Strahlung und Temperatur), inneren Defekten und Verunreinigungen. Unter natürlichen Bedingungen verhält er sich wie ein variabler Widerstand, dessen Widerstand sich mit der Temperatur ändert (zur Herstellung von Varistoren). Beim Hinzufügen von Verunreinigungen ändern sich die Eigenschaften des Halbleiters dramatisch und er wird zu einem Leiter. Verunreinigungen werden unterteilt in:

• Spender;
• Akzeptor.

Donatoren wie Arsen geben leicht ihre Elektronen ab und wandeln den Halbleiter in ein negativ geladenes Material um. Um solches Material zu bezeichnen, verwenden Sie den Buchstaben "p". Dreiwertiges Indium ist ein Akzeptortyp. In Verbindung mit Silizium, das eine vierwertige Bindung hat, fehlt ein Elektron, so dass ein sogenanntes "Loch" entsteht. Ein solches Material wird mit dem Buchstaben "p" bezeichnet.

Verwendung von p- und p-Typ-Halbleitern

Beim Verbinden von Leitern unterschiedlicher Art entsteht zwischen ihnen ein pn-Übergang, wodurch sich Elektronen nur in eine Richtung bewegen können. Indem Sie den "p" -Bereich mit dem Minus der Stromversorgung und den "p" -Bereich mit dem Plus verbinden, können Sie eine direkte Verbindung herstellen, in der sich die Elektronen frei bewegen. Wenn die Polarität der Quelle umgekehrt wird, gehen die Elektronen aus dem elektronischen Bereich zur Quelle, und die Vorrichtung wird geschlossen, da die pn-Grenze keine Elektronen durch den Lochbereich passieren lässt.

Ein Radioelement, das aus zwei entgegengesetzten Leitungsarten besteht, wird als Diode bezeichnet. Seine Besonderheit ist, dass es den Strom nur in eine Richtung durchlässt und den Elektronenfluss nicht reguliert. Um einen Bipolartransistor zu erhalten, fügen Sie eine dritte Region "p" oder "p" hinzu - dies unterscheidet das Gerät des Transistors. Als Ergebnis wird ein Kristall mit drei Bereichen und zwei pn-Übergängen erhalten. Unter Berücksichtigung, wie die Bereiche aufeinander folgen, unterscheiden Sie die folgenden Typen:

• p-p-p;
• p-p-p.

Der erste Bereich wird als Emitter bezeichnet, der zweite (Mitte) als Basis und der dritte als Kollektor. Die Basis hat immer das entgegengesetzte Vorzeichen von Emitter und Kollektor.

Basis-, Kollektor- und Emitterzuordnung

Die Basis steuert den Strom zwischen Kollektor und Emitter. Es wird klarer, wenn der Transistor in zwei separate Abschnitte unterteilt ist: Emitter - Basis und Basis - Kollektor. Da sich die Basis im mittleren Teil befindet, erhalten wir zwei Dioden, die aufeinander zu gerichtet sind (p-p-p-Typ) oder in die entgegengesetzte Richtung (p-p-p-Typ). Da die Stromversorgung an Emitter und Kollektor angeschlossen ist und die Steuerspannung an der Basis anliegt, wird eine der Dioden in die entgegengesetzte Richtung geschaltet, d.h. abgeschlossen. Fast immer ist es der Übergang vom Sockel zum Kollektor. Aufgabe der Basis ist es, diesen Durchgang nach und nach zu öffnen.

Vor allem Verunreinigungen werden dem Emitterbereich hinzugefügt, da er ein Injektor oder Generator der Hauptträger ist. Der Kollektor hingegen ist minimal mit Verunreinigungen verdünnt, um im geschlossenen Zustand keinen Strom durchzulassen.

Die Basis muss strenge Anforderungen erfüllen. Erstens hängt die Geschwindigkeit des Transistors direkt von der Dicke der Basis ab – je dünner er ist, desto höher ist die Geschwindigkeit. Zweitens, je dünner die Basis, desto niedriger kann die Spannung an den Transistor angelegt werden, da sonst ein elektrischer Durchbruch zwischen Emitter und Kollektor auftritt.

Um zu verstehen, wie ein Bipolartransistor funktioniert, kann ein Beispiel gegeben werden. Der Wasserhahn ist waagerecht angeordnet. In der Nähe (entlang des Wasserhahns und nicht darunter) befindet sich eine Rinne, durch die Wasser an die gewünschte Stelle gelangen kann. Wenn sie beginnen, den Wasserhahn zu öffnen, ist der Wasserdruck gering, es fließt vertikal, ohne auf die Dachrinne zu fallen. Bei weiterem Öffnen des Hahns erhöht sich der Druck, bis der Moment kommt, in dem Wasser in die Wanne eindringt.

So wie der Abstand zwischen Wasserhahn und Abfluss den Wasserdruck bestimmt, der dazu beiträgt, die Rinne zu erreichen, beeinflusst die Dicke der Basis die Sättigungsspannung, nach der der Transistor einschaltet. Das Beispiel ist natürlich grob und wird nur benötigt, um das Funktionsprinzip des Transistors grob zu verstehen. Aber es ist die Spannung zwischen dem Emitter und der Basis, die der "Abgriff" ist, der den Transistor öffnet.

Nachdem der Kristall gebildet wurde, werden an jedem seiner Bereiche Metallleitungen angebracht, alles ist sorgfältig isoliert und durch das Gehäuse geschützt. Es gibt unverpackte und transparente Transistoren sowie solche, die mit einem Kühler arbeiten.

Modi und Schaltpläne

Dank der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie werden neue Transistoren entwickelt, die darauf abzielen, schädliche Faktoren zu eliminieren. Dazu gehören sowohl physikalische (zB Späne und Verunreinigungen) als auch elektrische (Materialbeständigkeit). Die Beseitigung solcher Nachteile führt zu einer Leistungssteigerung, einer Verringerung des Stromverbrauchs und einer Reihe weiterer Vorteile. Aber Transistoraufgaben gleich bleiben:

• Signalverstärkung;
• Generation;
• schalten.

Bevor Sie jede dieser Aufgaben aufschlüsseln, ist es wichtig zu verstehen, wie ein Transistor funktioniert. Nehmen wir als Beispiel einen pnp-Transistor. Am Emitter ist ein Plus und am Kollektor ein Minus angeschlossen. Eine solche Inklusion wird als normal bezeichnet, das Gegenteil wird als invers bezeichnet. Der Emitter ist mit Löchern gesättigt, die eigentlich Atome sind, die sich nicht bewegen können, weil ihnen Elektronen fehlen. Der Bereich, in dem nicht genügend Elektronen vorhanden sind, nimmt zu. Im Kollektor hingegen kommt es zu einer Übersättigung von Elektronen.

Die Basis wird zwischen diesen Bereichen zu einem Isolator, da die darin befindlichen Elektronen durch den Emitter zur Stromquelle gelangen. Wenn an der Basis eine negative Spannung auftritt, verwandeln Elektronen sie allmählich in einen Leiter. Dies führt dazu, dass der Transistor öffnet und zwischen Emitter und Kollektor ein Strom auftritt. Daraus können wir schließen, dass die Betriebsarten des Transistors - geschlossener Zustand, Sättigung und offener Zustand - vollständig von der Spannung an der Basis abhängig sind.

Als nächstes müssen Sie darauf achten, welches Verbindungsschema verwendet wird. Nehmen wir als Beispiel eine Batterie und eine Glühbirne. Jedes dieser Elemente hat zwei Ausgänge, dh es gibt vier davon. Diese Regel gilt für Gleichstrom (gepulst). Ein Transistor ist ein Wandler, hat also einen Eingang und einen Ausgang. In diesem Fall sollte es nicht drei, sondern vier Pins haben. In der Praxis hat es jedoch in der Regel drei Schlussfolgerungen. Es stellt sich heraus, dass eine ihrer Schlussfolgerungen sowohl für die Eingabe als auch für die Ausgabe gelten sollte. Darauf aufbauend gibt es folgendes Verbindungsarten:

• mit einem gemeinsamen Emitter (Spannung und Strom steigen an, er wird häufiger verwendet als andere Typen);
• mit einer gemeinsamen Basis (verstärkt nur den Strom, selten verwendet);
• mit einem gemeinsamen Kollektor (verstärkt die Spannung, wird oft verwendet, um Stufen mit unterschiedlichen Widerständen anzupassen).

Anwendungsgebiet

Ein Transistor wird verwendet, um kontinuierliche Signale verschiedener Formen in analogen Schaltungen zu verstärken. Die menschliche Sprache ist ein Paradebeispiel. Rauschen wird leicht in solche Signale eingewoben und Filter werden verwendet, um sie zu eliminieren. Analoge Schaltungen sind das Gegenteil von diskreten digitalen Signalen.

In der Oszillatorschaltung erzeugt der Transistor Signale unterschiedlicher Form. Im Fernsehen können Sie beispielsweise mit Transistorgeneratoren eine Zwischenfrequenz erzeugen, mit der Video und Ton übertragen werden. In den Fernsehern selbst helfen solche Generatoren, ein Bild auf dem Bildschirm zu erstellen, indem die Frequenz nach Zeile und Bild eingestellt wird.

In Schaltkreisen müssen Sie die Last schnell trennen und anschließen, indem Sie die Aufgabe des Relais erfüllen, z. B. leistungsstärkere Thyristoren, Schütze usw. anschließen. An Schaltungen mit trägen Lasten in Form von Induktivitäten werden besonders hohe Anforderungen gestellt. Sie werden verwendet, um digitale Signale in Computern und anderen Geräten zu verstärken.

Heutzutage haben Transistoren Vakuumröhren fast vollständig ersetzt. Diese Geräte haben eine Reihe von Vorteilen, darunter sollte hervorgehoben werden:

• kleine Größe;
• leichtere Produktion, was zu geringeren Kosten führt;
• zur Steuerung wird viel weniger Spannung benötigt;
• kein Aufwärmen erforderlich, was zu einem geringeren Energieverbrauch und einer kürzeren Einrichtungszeit führt;
• hohe Beständigkeit gegen mechanische Beanspruchung;
• erhöhte Lebensdauer.

Die besten Materialien werden heute für die Herstellung von Transistoren verwendet. Einige Metalle (zum Beispiel Germanium) wurden bereits bei der Herstellung von Geräten aufgegeben. Aber auch moderne Transistoren haben ihre Nachteile und Grenzen. Zu ihnen das Folgende einschließen:

• Siliziumgeräte können nicht bei Spannungen über 1 kV betrieben werden;
• die Schaffung leistungsfähiger Sender erfordert eine sehr komplexe Koordination;
• starke Empfindlichkeit gegenüber Strahlung und elektromagnetischen Störungen.

Die jüngsten Entwicklungen sind der Lösung vieler Probleme nahe gekommen. Darüber hinaus werden heute neue Möglichkeiten und Richtungen für die Verwendung von bipolaren Geräten aufgedeckt.