Bipolaarsed transistorid: seade, tööpõhimõte, töörežiimid ja ühendusskeemid

Elektroonika on rikas igasuguste detailide poolest. Igaüks neist elementidest täidab talle määratud kindlat rolli. Transistori iseloomustab selle mitmekülgsus ja võime täita erinevaid ülesandeid. Et mõista, mis eristab seda teistest raadiokomponentidest, on vaja arvestada bipolaarsete transistoride seadme ja tööpõhimõttega.

Transistori struktuur

Bipolaarne transistor kuulub pooljuhtide hulka – materjalid, mis juhivad elektrit halvemini kui juhid, kuid ei ole ka dielektrikud. Kuid kui selle temperatuur viia absoluutse nullini, muutub see dielektrikuks. Teisest küljest, kui temperatuur tõuseb, suureneb seadme juhtivus. See muudab selle ülekuumenemise suhtes haavatavaks. Juhtivuse suurenemine suurendab voolu, mis võib seadet kahjustada.

Selguse huvides võime näitena tuua teemandi (adamanti). Looduslikes tingimustes on see pooljuht, kuid kui panna see vaakumisse või inertgaasi ja kuumutada, muutub see grafiidiks, mis on hea juht. Tööstuslikel eesmärkidel kasutatakse transistoride tootmiseks laialdaselt selliseid materjale nagu räni, germaanium ja teised. Kasutatud materjali järgi

transistorid on:

• germaanium;
• räni;
• galliumarseniid.

Pooljuht ise on väga tundlik välismõjude (deformatsioon, kiirgus ja temperatuur), sisemiste defektide ja lisandite suhtes. Looduslikes tingimustes käitub see nagu muutuv takisti, mille takistus muutub koos temperatuuriga (kasutatakse varistoride valmistamiseks). Lisandite lisamisel muutuvad pooljuhi omadused dramaatiliselt ja see muutub juhiks. Lisandid jagunevad:

• doonor;
• aktsepteerija.

Doonorid, näiteks arseen, loovutavad kergesti oma elektrone, muutes pooljuhi negatiivselt laetud materjaliks. Sellise materjali tähistamiseks kasutatakse tähte "p". Kolmevalentne indium on aktseptoritüüp. Kui kombineerida räniga, millel on neljavalentne side, siis üks elektron puudub, mistõttu tekib nn "auk". Sellist materjali tähistatakse tähega "p".

P- ja p-tüüpi pooljuhtide kasutamine

Erinevat tüüpi juhtide ühendamisel tekib nende vahele pn-siirde, mille tõttu saavad elektronid liikuda ainult ühes suunas. Ühendades "p" piirkonna toiteallika miinusega ja "p" piirkonna plussiga, saate luua otseühenduse, milles elektronid liiguvad vabalt. Kui allika polaarsus on vastupidine, siis lähevad elektronid elektronpiirkonnast allikasse ja seade sulgub, kuna pn piir ei lase elektronidel augupiirkonda läbida.

Raadioelementi, mis koosneb kahest erinevast juhtivusest, nimetatakse dioodiks. Selle eripära on see, et see läbib voolu ainult ühes suunas ja ei reguleeri elektronide voolu. Bipolaarse transistori saamiseks lisage kolmas piirkond "p" või "p" - see eristab transistori seadet. Selle tulemusena saadakse kristall, millel on kolm piirkonda ja kaks pn-siirdekohta. Võttes arvesse, kuidas alad üksteisele järgnevad, eristage järgmised tüübid:

• p-p-p;
• p-p-p.

Esimest ala nimetatakse emitteriks, teist (keskmist) on alus ja kolmandat kollektoriks. Alusel on alati emitteri ja kollektori vastandmärk.

Aluse, kollektori ja emitteri määramine

Alus juhib voolu kollektori ja emitteri vahel. See on selgem, kui transistor on jagatud kaheks eraldi sektsiooniks: emitter - alus ja alus - kollektor. Kuna alus on keskmises osas, saame kaks dioodi, mis on suunatud üksteise poole (p-p-p tüüpi) või vastassuunas (p-p-p tüüpi). Kuna toide on ühendatud emitteri ja kollektoriga ning juhtpinge antakse alusele, siis on üks dioodidest ühendatud vastupidises suunas, st. suletud. Peaaegu alati on see üleminek aluselt kollektorile. Aluse ülesanne on seda läbipääsu järk-järgult avada.

Enamik lisanditest lisatakse emitteri piirkonda, kuna see on peamiste kandjate pihusti või generaator. Kollektor seevastu on lisanditega minimaalselt lahjendatud, et suletud olekus voolu läbi ei läheks.

Alus peab vastama rangetele nõuetele. Esiteks, kui kiiresti transistor töötab, sõltub otseselt aluse paksusest - mida õhem see on, seda suurem on kiirus. Teiseks, mida õhem alus, seda madalamat pinget saab transistorile rakendada, vastasel juhul tekib emitteri ja kollektori vahel elektriline rike.

Et mõista, kuidas bipolaarne transistor töötab, võib tuua näite. Veekraan asub horisontaalselt. Läheduses (piki kraani, mitte selle all) on renn, mille kaudu vesi pääseb soovitud kohta. Kui nad hakkavad kraani avama, on veesurve väike, see voolab vertikaalselt, ilma vihmaveerennile kukkumata. Kraani edasisel avamisel rõhk tõuseb, kuni saabub hetk, mil vesi siseneb salve.

Nii nagu kraani ja äravoolu vaheline kaugus määrab veesurve, mis aitab renni jõuda, mõjutab aluse paksus küllastuspinget, mille järel transistor sisse lülitub. Muidugi on näide konarlik ja seda on vaja ainult transistori tööpõhimõtte ligikaudseks mõistmiseks. Kuid just emitteri ja aluse vaheline pinge on see "kraan", mis transistori avab.

Pärast kristalli moodustumist kinnitatakse selle igasse piirkonda metalljuhtmed, kõik on hoolikalt isoleeritud ja korpusega kaitstud. Seal on pakendamata ja läbipaistvad transistorid, samuti need, mis on mõeldud töötamiseks radiaatoriga.

Režiimid ja ühendusskeemid

Tänu teaduse ja tehnoloogia arengule töötatakse välja uusi transistore, mille eesmärk on kõrvaldada kahjulikud tegurid. Nende hulka kuuluvad nii füüsikalised (näiteks kiibid ja lisandid) kui ka elektrilised (materjali takistus). Selliste puuduste kõrvaldamine toob kaasa jõudluse suurenemise, energiatarbimise vähenemise ja mitmete muude eeliste. Aga transistori ülesanded samaks jääma:

• signaali võimendamine;
• põlvkond;
• ümberlülitamine.

Enne kõigi nende ülesannete purustamist on oluline mõista, kuidas transistor töötab. Võtke näiteks pnp-tüüpi transistor. Pluss on ühendatud emitteriga ja miinus kollektoriga. Sellist kaasamist nimetatakse normaalseks, vastupidist nimetatakse pöördvõrdeliseks. Emiter on küllastunud aukudega, mis on tegelikult aatomid, mis ei saa liikuda, kuna neil puuduvad elektronid. Pindala, kus elektrone pole piisavalt, suureneb. Kollektoris on seevastu elektronide üleküllastus.

Alus muutub nende alade vahel isolaatoriks, kuna selles olevad elektronid lähevad emitteri kaudu toiteallikasse. Kui alusele ilmub negatiivne pinge, muudavad elektronid selle järk-järgult juhiks. See viib asjaolu, et transistor avaneb ja emitteri ja kollektori vahele ilmub vool. Sellest võime järeldada, et transistori töörežiimid - suletud olek, küllastus ja avatud olek - sõltuvad täielikult baasi pingest.

Järgmine asi, millele peate tähelepanu pöörama, on see, millist ühendusskeemi kasutatakse. Võtame näiteks aku ja lambipirni. Igal neist elementidest on kaks väljundit, see tähendab, et neid on neli. See reegel kehtib alalisvoolu (impulss) kohta. Transistor on muundur, teisisõnu, sellel on sisend ja väljund. Sel juhul peaks sellel olema mitte kolm, vaid neli tihvti. Praktikas on sellel aga tavaliselt kolm järeldust. Selgub, et üks selle järeldustest peaks olema ühine nii sisendi kui ka väljundi jaoks. Selle põhjal on järgmised ühenduste tüübid:

• ühise emitteriga (pinge ja voolutugevus suureneb, seda kasutatakse sagedamini kui muud tüüpi);
• ühise alusega (võimendab ainult voolu, kasutatakse harva);
• ühise kollektoriga (võimendab pinget, kasutatakse sageli erineva takistusega astmete sobitamiseks).

Kasutusala

Transistorit kasutatakse erineva kujuga pidevate signaalide võimendamiseks analoogahelates. Inimkõne on suurepärane näide. Müra põimub sellistesse signaalidesse kergesti ja nende kõrvaldamiseks kasutatakse filtreid. Analoogahelad on diskreetsete digitaalsignaalide vastandid.

Ostsillaatori ahelas genereerib transistor erineva kujuga signaale. Näiteks televisioonis võimaldavad transistorgeneraatorid luua vahesageduse, millega video ja heli edastatakse. Telerites endis aitavad sellised generaatorid luua ekraanile pilti, määrates sageduse rea ja kaadri kaupa.

Lülitusahelates peate koormuse kiiresti lahti ühendama ja ühendama, täites releeülesannet, näiteks ühendades võimsamad türistorid, kontaktorid jne. Eriti ranged nõuded esitatakse ahelatele, millel on induktiivsus kujul inertsed koormused. Neid kasutatakse digitaalsete signaalide võimendamiseks arvutites ja muudes seadmetes.

Tänapäeval on transistorid vaakumtorud peaaegu täielikult asendanud. Nendel seadmetel on mitmeid eeliseid, sealhulgas tuleks esile tõsta:

• väike suurus;
• kergem tootmine, mis toob kaasa madalamad kulud;
• juhtimiseks on vaja palju vähem pinget;
• ei vaja soojendamist, mis vähendab energiatarbimist ja lühemat seadistamisaega;
• kõrge vastupidavus mehaanilisele pingele;
• suurenenud kasutusiga.

Transistoride tootmiseks kasutatakse tänapäeval parimaid materjale. Mõnest metallist (näiteks germaaniumist) on seadmete valmistamisel juba loobutud. Kuid isegi kaasaegsetel transistoridel on oma puudused ja piirangud. Neile sisaldab järgmist:

• räniseadmed ei saa töötada pingetel üle 1 kV;
• võimsate saatjate loomine nõuab väga keerulist koordineerimist;
• tugev tundlikkus kiirguse ja elektromagnetiliste häirete suhtes.

Hiljutised arengud on jõudnud paljude probleemide lahendamise lähedale. Lisaks selguvad täna uued võimalused ja juhised bipolaarsete seadmete kasutamiseks.