Bipolární tranzistory
Termín «bipolární tranzistor» souvisí se skutečností, že v těchto tranzistorech jsou použity dva typy nosičů náboje: elektrony a díry. Pro výrobu tranzistorů se používají stejné polovodičové materiály jako pro diody.
Bipolární tranzistory využívají třívrstvou polovodičovou strukturu vyrobenou z polovodičů rozdílná elektrická vodivost jsou vytvořeny dva p — n přechody se střídajícími se typy elektrické vodivosti (p — n — p nebo n — p — n).
Bipolární tranzistory lze konstrukčně rozbalit (obr. 1, a) (pro použití např. jako součást integrovaných obvodů) a v typickém případě uzavřít (obr. 1, b). Tři piny bipolárního tranzistoru se nazývají báze, kolektor a emitor.
Rýže. 1. Bipolární tranzistor: a) p-n-p-struktury bez pouzdra, b) n-p-n-struktury v pouzdru
V závislosti na obecném závěru můžete získat tři schémata připojení pro bipolární tranzistor: se společnou bází (OB), společným kolektorem (OK) a společným emitorem (OE). Uvažujme činnost tranzistoru v obvodu se společnou bází (obr. 2).
Rýže. 2. Schéma bipolárního tranzistoru
Emitor vstřikuje (dodává) do báze nosiče báze, v našem příkladu polovodičového zařízení typu n to budou elektrony. Zdroje se volí tak, že E2 >> E1. Rezistor Re omezuje proud otevřeného p — n přechodu.
Při E1 = 0 je proud kolektorovým uzlem malý (kvůli menšinovým nosičům), nazývá se počáteční kolektorový proud Ik0. Pokud E1> 0, elektrony překonávají p — n přechod emitoru (E1 se zapne v propustném směru) a vstoupí do oblasti jádra.
Základna je vyrobena s vysokou odolností (nízká koncentrace nečistot), takže koncentrace otvorů v základně je nízká. Proto se několik elektronů vstupujících do báze rekombinuje s jejími otvory a tvoří základní proud Ib. V kolektorovém p — n přechodu na straně E2 přitom působí mnohem silnější pole než v emitorovém přechodu, které přitahuje elektrony ke kolektoru. Proto většina elektronů dosáhne kolektoru.
Proudy emitoru a kolektoru jsou související s přenosovým koeficientem proudu emitoru
u Ukb = konst.
Je vždy ∆Ik < ∆Ie a a = 0,9 — 0,999 pro moderní tranzistory.
V uvažovaném schématu Ik = Ik0 + aIe »Ie. Proto má obvod bipolární tranzistor se společnou bází nízký proudový poměr. Proto se používá zřídka, hlavně ve vysokofrekvenčních zařízeních, kde je z hlediska napěťového zesílení výhodnější než ostatní.
Základním spínacím obvodem bipolárního tranzistoru je obvod se společným emitorem (obr. 3).
Rýže. 3. Zapnutí bipolárního tranzistoru podle schématu se společným emitorem
Pro ni Kirchhoffův první zákon můžeme psát Ib = Ie — Ik = (1 — a) Ie — Ik0.
Vzhledem k tomu, že 1 — a = 0,001 — 0,1, máme Ib << Tj. » Ik.
Najděte poměr kolektorového proudu k proudu báze:
Tento vztah se nazývá základní koeficient přenosu proudu... Při a = 0,99 dostaneme b = 100. Je-li v obvodu báze zařazen zdroj signálu, pak stejný signál, ale zesílený proudem b krát, poteče v kolektorový obvod tvořící napětí na rezistoru Rk mnohem větší než napětí zdroje signálu...
Vyhodnotit činnost bipolárního tranzistoru v širokém rozsahu pulzních a stejnosměrných proudů, výkonů a napětí a vypočítat obvod předpětí, stabilizovat režim, rodiny vstupních a výstupních voltampérových charakteristik (VAC).
Skupina vstupních charakteristik I — V určuje závislost vstupního proudu (báze nebo emitoru) na vstupním napětí Ube při Uk = konst, obr. 4, a. Vstupní I — V charakteristiky tranzistoru jsou podobné I — V charakteristice diody v přímém zapojení.
Skupina výstupních charakteristik I — V určuje závislost kolektorového proudu na napětí na něm při určité bázi nebo emitorovém proudu (v závislosti na obvodu se společným emitorem nebo společnou bází), obr. 4, b.
Rýže. 4. Proudově-napěťové charakteristiky bipolárního tranzistoru: a — vstup, b — výstup
Kromě elektrického n-p přechodu je ve vysokorychlostních obvodech široce používán Schottkyho přechod kov-polovodič-bariéra. Při takových přechodech není vyhrazen čas pro akumulaci a resorpci nábojů v bázi a činnost tranzistoru závisí pouze na rychlosti dobíjení bariérové kapacity.
Rýže. 5. Bipolární tranzistory
Parametry bipolárních tranzistorů
Hlavní parametry se používají k vyhodnocení maximálních přípustných provozních režimů tranzistorů:
1) maximální přípustné napětí kolektor-emitor (pro různé tranzistory Uke max = 10 — 2000 V),
2) maximální přípustný ztrátový výkon kolektoru Pk max — podle něj se tranzistory dělí na nízkopříkonové (do 0,3 W), středně výkonné (0,3 — 1,5 W) a vysokovýkonové (více než 1,5 W), tranzistory středního a vysokého výkonu jsou často vybaveny speciálním chladičem - chladičem,
3) maximální přípustný kolektorový proud Ik max — až 100 A a více,
4) omezující aktuální přenosová frekvence fgr (frekvence, při které se h21 rovná jednotce), bipolární tranzistory se podle ní dělí:
- pro nízké frekvence – do 3 MHz,
- střední frekvence — od 3 do 30 MHz,
- vysoká frekvence — od 30 do 300 MHz,
- ultravysoká frekvence — více než 300 MHz.
Doktor technických věd, profesor L.A. Potapov