Použití polovodičových součástek (SS) je v rádiové elektronice velmi rozšířené. Díky tomu se zmenšily rozměry různých zařízení. Bipolární tranzistor získal široké uplatnění, díky některým funkcím je jeho funkčnost širší než u jednoduchého tranzistoru s efektem pole. Abychom pochopili, proč je potřeba a za jakých podmínek se používá, je nutné zvážit jeho princip fungování, způsoby připojení a klasifikaci.
Obsah
Zařízení a princip činnosti
Tranzistor je elektronický polovodič sestávající ze 3 elektrod, z nichž jedna je řídicí. Bipolární typ tranzistoru se liší od polárního v přítomnosti 2 typů nosičů náboje (negativní a pozitivní).
Záporné náboje jsou elektrony, které se uvolňují z vnějšího obalu krystalové mřížky. Místo uvolněného elektronu se vytvoří kladný typ náboje nebo díry.
Zařízení bipolárního tranzistoru (BT) je navzdory své univerzálnosti poměrně jednoduché. Skládá se ze 3 vrstev vodivého typu: emitor (E), báze (B) a kolektor (K).
Emitor (z latinského „uvolňovat“) je druh polovodičového přechodu, jehož hlavní funkcí je vstřikovat náboje do základny. Kolektor (z latinského „sběratel“) slouží k příjmu nábojů emitoru. Základem je řídící elektroda.
Vrstvy emitoru a kolektoru jsou téměř stejné, liší se však stupněm přidání nečistot pro zlepšení vlastností DPS. Přidání nečistot se nazývá doping. Pro kolektorovou vrstvu (CL) je doping slabě vyjádřen pro zvýšení kolektorového napětí (Uk). Emitorová polovodičová vrstva je silně dotována za účelem zvýšení zpětného povoleného průrazu U a zlepšení vstřikování nosičů do základní vrstvy (zvyšuje se koeficient přenosu proudu - Kt). Základní vrstva je lehce dopována pro zajištění větší odolnosti (R).
Přechod mezi bází a emitorem je plošně menší než K-B. Vlivem rozdílnosti oblastí dochází ke zlepšení Kt. Během provozu DPS se zapíná přechod K-B s reverzním předpětím, aby se uvolnil hlavní zlomek množství tepla Q, které se rozptýlí a zajistí lepší chlazení krystalu.
Rychlost BT závisí na tloušťce základní vrstvy (BS). Tato závislost je hodnota, která se mění v nepřímém poměru. S menší tloušťkou - větší rychlost. Tato závislost souvisí s dobou letu nosičů náboje.Současně však klesá Uk.
Mezi emitorem a K protéká silný proud, nazývaný proud K (Ik). Mezi E a B protéká malý proud - proud B (Ib), který slouží k ovládání. Když se změní Ib, změní se Ik.
Tranzistor má dva p-n přechody: E-B a K-B. Když je režim aktivní, E-B je připojeno s předpětím dopředného typu a CB je připojeno se zpětným předpětím. Protože přechod E-B je v otevřeném stavu, proudí do B záporné náboje (elektrony). Poté se částečně rekombinují s dírami. Většina elektronů však dosahuje K-B kvůli nízké legitimitě a tloušťce B.
V BS jsou elektrony menšími nosiči náboje a elektromagnetické pole jim pomáhá překonat přechod K-B. Se zvýšením Ib se otvor E-B rozšíří a mezi E a K poběží více elektronů. V tomto případě dojde k významnému zesílení signálu s nízkou amplitudou, protože Ik je větší než Ib.
Abychom snadněji pochopili fyzikální význam činnosti tranzistoru bipolárního typu, je nutné jej spojit s dobrým příkladem. Je třeba předpokládat, že čerpadlo pro čerpání vody je zdroj energie, vodovodní kohoutek je tranzistor, voda je Ik, stupeň otáčení rukojeti kohoutku je Ib. Chcete-li zvýšit tlak, musíte mírně otočit kohoutkem - provést ovládací akci. Na základě příkladu můžeme usuzovat na jednoduchý princip fungování softwaru.
Při výrazném zvýšení U na přechodu K-B však může dojít k nárazové ionizaci, která má za následek znásobení lavinového náboje.V kombinaci s tunelovým efektem tento proces způsobí elektrický a s prodloužením času tepelný průraz, který vyřadí PP z provozu. Někdy dochází k tepelnému průrazu bez elektrického průrazu v důsledku výrazného zvýšení proudu procházejícího výstupem kolektoru.
Navíc, když se U změní na K-B a E-B, změní se tloušťka těchto vrstev, je-li B tenké, pak nastává uzavírací efekt (říká se mu také vpich B), při kterém se spojují přechody K-B a E-B. V důsledku tohoto jevu přestává PP plnit své funkce.
Provozní režimy
Bipolární tranzistor může pracovat ve 4 režimech:
- Aktivní.
- Hranice (RO).
- Sytost (PH).
- Bariéra (RB).
Aktivní režim BT je normální (NAR) a inverzní (IAR).
Normální aktivní režim
V tomto režimu proudí U na E-B přechodu, který je přímý a nazývá se E-B napětí (Ue-b). Režim je považován za optimální a používá se ve většině schémat. Přechod E vstřikuje do základní oblasti náboje, které se pohybují směrem ke kolektoru. Ten zrychluje nabíjení a vytváří efekt posílení.
Inverzní aktivní režim
V tomto režimu je přechod K-B otevřený. BT pracuje v opačném směru, tj. nosiče děrového náboje jsou vstřikovány z K, procházející přes B. Jsou shromažďovány přechodem E. Zesilovací vlastnosti PP jsou slabé a BT se v tomto režimu používají zřídka.
Režim saturace
Při PH jsou oba přechody otevřené. Když jsou E-B a K-B připojeny k externím zdrojům v dopředném směru, BT bude fungovat v nosné raketě. Difúzní elektromagnetické pole E a K přechodu je zeslabeno elektrickým polem, které je vytvářeno vnějšími zdroji.V důsledku toho dojde ke snížení bariérové schopnosti a omezení difuzní schopnosti hlavních nosičů náboje. Začne vstřikování otvorů z E a K do B. Tento režim se používá hlavně v analogové technologii, ale v některých případech mohou existovat výjimky.
Režim cutoff
V tomto režimu se BT zcela uzavře a není schopen vést proud. V BT jsou však nevýznamné toky vedlejších nosičů náboje, které vytvářejí tepelné proudy s malými hodnotami. Tento režim se používá v různých typech ochrany proti přetížení a zkratu.
bariérový režim
Báze BT je připojena přes odpor ke K. V obvodu K nebo E je zařazen odpor, který nastavuje hodnotu proudu (I) přes BT. BR se často používá v obvodech, protože umožňuje BT pracovat na libovolné frekvenci a ve větším teplotním rozsahu.
Spínací schémata
Pro správné použití a připojení BT je potřeba znát jejich klasifikaci a typ. Klasifikace bipolárních tranzistorů:
- Výrobní materiál: germanium, křemík a arsenidogallium.
- Výrobní vlastnosti.
- Ztrátový výkon: nízký (do 0,25 W), střední (0,25-1,6 W), silný (nad 1,6 W).
- Mezní frekvence: nízkofrekvenční (až 2,7 MHz), středofrekvenční (2,7-32 MHz), vysokofrekvenční (32-310 MHz), mikrovlnná (více než 310 MHz).
- Funkční účel.
Funkční účel BT je rozdělen do následujících typů:
- Zesilování nízkofrekvenčních s normalizovaným a nenormalizovaným šumovým číslem (NiNNKSh).
- Zesílení vysokých frekvencí pomocí NiNNKSh.
- Zesilovací mikrovlnná trouba s NiNNKSh.
- Zesilování výkonného vysokého napětí.
- Generátor s vysokými a ultravysokými frekvencemi.
- Nízkoenergetická a vysoce výkonná vysokonapěťová spínací zařízení.
- Výkonné pulzní pro vysoké hodnoty U.
Kromě toho existují takové typy bipolárních tranzistorů:
- P-n-p.
- N-p-n.
K dispozici jsou 3 obvody pro zapínání bipolárního tranzistoru, z nichž každý má své výhody a nevýhody:
- Generál B.
- Generál E.
- Generál K.
Zapínání se společnou základnou (OB)
Obvod je aplikován na vysokých frekvencích, což umožňuje optimální využití frekvenční charakteristiky. Při připojení jednoho BT podle schématu s OE a poté s OB se jeho frekvence provozu zvýší. Toto schéma zapojení se používá u zesilovačů anténního typu. Hladina hluku při vysokých frekvencích je snížena.
výhody:
- Optimální teploty a široký frekvenční rozsah (f).
- Vysoká hodnota UK.
nedostatky:
- Nízko přibírám.
- Nízký vstup R.
Přepínání společných emitorů (CE)
Při zapojení podle tohoto schématu dochází k zesílení v U a I. Obvod lze napájet z jednoho zdroje. Často se používá ve výkonových zesilovačích (P).
výhody:
- Vysoké zisky pro I, U, P.
- Jeden napájecí zdroj.
- Výstupní proměnná U je invertována vzhledem ke vstupu.
Má značné nevýhody: nejnižší teplotní stabilita a frekvenční charakteristiky jsou horší než při spojení s OB.
Zapínání společným kolektorem (OK)
Vstup U je plně převeden zpět na vstup a Ki je podobný při připojení k OE, ale je nízký v U.
Tento typ spínání se používá k přizpůsobení kaskád vytvořených na tranzistorech nebo se zdrojem vstupního signálu, který má vysoký výstup R (kondenzátorový mikrofon nebo snímač). Mezi výhody patří: velká hodnota vstupu a malý výstup R.Nevýhodou je nízký U zisk.
Hlavní charakteristiky bipolárních tranzistorů
Hlavní vlastnosti BT:
- získávám.
- Vstup a výstup R.
- Reverzní Ik-e.
- Čas zapnutí.
- Přenosová frekvence Ib.
- Reverzní Ik.
- Maximální hodnota I.
Aplikace
Použití bipolárních tranzistorů je rozšířené ve všech oblastech lidské činnosti. Hlavní aplikace zařízení byla přijata v zařízeních pro zesilování, generování elektrických signálů a také slouží jako spínaný prvek. Používají se v různých výkonových zesilovačích, v běžných i spínaných zdrojích s možností nastavení hodnot U a I, ve výpočetní technice.
Kromě toho se často používají k vybudování různých spotřebitelských ochran proti přetížení, U přepětí a zkratům. Jsou široce používány v těžebním a hutním průmyslu.
Podobné články:
