Bipolar Junction Transistor (BJT) - Λεπτομέρειες κατασκευής και λειτουργίας

Δοκιμάστε Το Όργανο Μας Για Την Εξάλειψη Των Προβλημάτων





Ένα διπολικό τρανζίστορ ή ένα BJT είναι μια συσκευή ημιαγωγών 3 τερματικών η οποία μπορεί να ενισχύσει ή να αλλάξει μικρές τάσεις εισόδου σήματος και ρεύματα σε σημαντικά μεγαλύτερες τάσεις σήματος εξόδου και ρεύματα.

Πώς εξελίχθηκε το διπολικό τρανζίστορ διακλάδωσης

Κατά τη διάρκεια του 1904-1947, ο σωλήνας κενού ήταν αναμφισβήτητα η ηλεκτρονική συσκευή με μεγάλη περιέργεια και ανάπτυξη. Το 1904, η δίοδος κενού σωλήνα κυκλοφόρησε από τον J. A. Fleming. Λίγο αργότερα, το 1906, ο Lee De Forest ενίσχυσε τη συσκευή με ένα τρίτο χαρακτηριστικό, γνωστό ως πλέγμα ελέγχου, παράγοντας τον πρώτο ενισχυτή, και ονομάστηκε ως triode.



Τις επόμενες δεκαετίες, το ραδιόφωνο και η τηλεόραση προκάλεσαν τεράστια έμπνευση στην επιχείρηση σωλήνων. Η μεταποίηση αυξήθηκε από περίπου 1 εκατομμύριο σωλήνες το 1922 σε περίπου 100 εκατομμύρια το 1937. Στις αρχές της δεκαετίας του 1930 το τετράδιο 4 στοιχείων και το πεντόδιο 5 στοιχείων απέκτησαν δημοτικότητα στην επιχείρηση ηλεκτρονικών σωλήνων.

Στα επόμενα χρόνια, ο μεταποιητικός τομέας εξελίχθηκε σε έναν από τους πιο σημαντικούς τομείς και δημιουργήθηκαν ταχύτητες βελτιώσεις για αυτά τα μοντέλα, στις μεθόδους παραγωγής, σε εφαρμογές υψηλής ισχύος και υψηλής συχνότητας και στην κατεύθυνση της μικροποίησης.



Συν-εφευρέτες του πρώτου τρανζίστορ στα Bell Laboratories: Dr. William Shockley (καθισμένος) Dr. John Bardeen (αριστερά) Dr. Walter H. Brattain. (Ευγενική προσφορά των αρχείων AT&T.)

Στις 23 Δεκεμβρίου 1947, ωστόσο, η βιομηχανία ηλεκτρονικών επρόκειτο να δει την άφιξη μιας εντελώς ολοκαίνουργιας «κατεύθυνσης ενδιαφέροντος» και βελτίωσης. Αποδείχθηκε τα μεσάνυχτα ότι οι Walter H. Brattain και John Bardeen παρουσίασαν και απέδειξαν την ενισχυτική λειτουργία του πρώτου τρανζίστορ στα Bell Telephone Laboratories.

Το πρώτο τρανζίστορ (το οποίο είχε τη μορφή τρανζίστορ επαφής σημείου) παρουσιάζεται στο Σχ. 3.1.

την πρώτη εικόνα τρανζίστορ

Ευγενική προσφορά εικόνας: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Replica-of-first-transistor.jpg

Οι θετικές πτυχές αυτής της μονάδας στερεάς κατάστασης 3 ακίδων σε αντίθεση με τον σωλήνα ήταν άμεσα αισθητές: Αποδείχθηκε πολύ μικρότερος, μπορούσε να λειτουργήσει χωρίς «θερμαντήρα» ή απώλειες θέρμανσης, ήταν άθραυστος και ισχυρός, ήταν πιο αποτελεσματικός όσον αφορά η χρήση ισχύος, θα μπορούσε να αποθηκευτεί και να προσπελαστεί με ευκολία, δεν απαιτούσε αρχική εκκίνηση θέρμανσης και λειτούργησε σε πολύ χαμηλότερες τάσεις λειτουργίας.

Vcc και Vee σε BJT κοινή βάση pnp και npn

ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΜΕΤΑΦΡΑΣΤΩΝ

Ένα τρανζίστορ είναι βασικά μια συσκευή που έχει κατασκευαστεί με 3 στρώματα υλικού ημιαγωγών στην οποία είτε χρησιμοποιείται στρώμα τύπου 2 n και ένα στρώμα υλικού p-τύπου είτε χρησιμοποιείται τύπου 2 p- και ένα στρώμα υλικού ενός τύπου n. Ο πρώτος τύπος ονομάζεται τρανζίστορ NPN, ενώ η δεύτερη παραλλαγή ονομάζεται τύπος τρανζίστορ PNP.

Και οι δύο αυτοί τύποι θα μπορούσαν να απεικονιστούν στο σχήμα 3.2 με την κατάλληλη πόλωση DC.

Έχουμε ήδη μάθει πώς BJTs DC πόλωση καθιστούν απαραίτητο για τον καθορισμό της απαιτούμενης επιχειρησιακής περιοχής και για την ενίσχυση AC. Γι 'αυτό το πλευρικό στρώμα του εκπομπού ντόπινγκ πιο σημαντικά σε σύγκριση με την πλευρά βάσης που ντόπινγγεται λιγότερο σημαντικά.

Τα εξωτερικά στρώματα δημιουργούνται με στρώματα πάχους πολύ μεγαλύτερου σε σύγκριση με τα υλικά σάντουιτς τύπου p- ή n-. Στο Σχ. 3.2 παραπάνω, μπορούμε να διαπιστώσουμε ότι για αυτόν τον τύπο το ποσοστό του συνολικού πλάτους σε σύγκριση με το κεντρικό στρώμα είναι περίπου 0,50 / 0,001: 150: 1. Το ντόπινγκ που εφαρμόζεται πάνω από το σάντουιτς στρώμα είναι επίσης σχετικά χαμηλότερο από τα εξωτερικά στρώματα που κυμαίνονται τυπικά μεταξύ 10: 1 ή ακόμα και μικρότερα.

Αυτό το είδος μειωμένου επιπέδου ντόπινγκ μειώνει την ικανότητα αγωγής του υλικού και αυξάνει την ανθεκτική φύση περιορίζοντας την ποσότητα ελεύθερα κινούμενα ηλεκτρόνια ή τους «ελεύθερους» φορείς.

Στο διάγραμμα προκατάληψης μπορούμε επίσης να δούμε ότι οι ακροδέκτες της συσκευής εμφανίζονται με κεφαλαία γράμματα E για πομπό, C για συλλέκτη και B για βάση, στη μελλοντική μας συζήτηση θα εξηγήσω το γιατί αποδίδεται αυτή η σημασία σε αυτά τα τερματικά.

Επίσης, ο όρος BJT χρησιμοποιείται για συντομογραφία διπολικού τρανζίστορ και ορίζεται σε αυτές τις 3 τερματικές συσκευές. Η φράση «διπολική» υποδηλώνει τη συνάφεια των οπών και των ηλεκτρονίων που εμπλέκονται κατά τη διαδικασία ντόπινγκ σε σχέση με μια αντίθετα πολωμένη ουσία.

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ

Ας καταλάβουμε τώρα τη θεμελιώδη λειτουργία ενός BJT με τη βοήθεια μιας έκδοσης PNP του σχήματος 3.2. Η αρχή λειτουργίας ενός αντιστοίχου NPN θα ήταν ακριβώς παρόμοια εάν η συμμετοχή των ηλεκτρονίων και των οπών απλώς εναλλάσσονται.

Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.3, το τρανζίστορ PNP έχει επανασχεδιαστεί, εξαλείφοντας τη βάση προς πόλωση του συλλέκτη. Μπορούμε να απεικονίσουμε πώς η περιοχή εξάντλησης φαίνεται να περιορίζεται στο πλάτος λόγω της προκαλούμενης πόλωσης, η οποία προκαλεί μια μαζική ροή του πλειοψηφικοί μεταφορείς σε υλικά p- έως n-type.

θεμελιώδης εργασία ενός BJT, φορέων πλειοψηφίας ροής και περιοχής εξάντλησης

Σε περίπτωση που αφαιρεθεί η πόλωση βάσης προς εκπομπό του τρανζίστορ pnp όπως φαίνεται στο Σχ. 3.4, η ροή των πλειοψηφικών φορέων καθίσταται μηδενική, επιτρέποντας τη ροή μόνο φορέων μειοψηφίας.

Εν συντομία μπορούμε να το καταλάβουμε, σε μια προκατειλημμένη κατάσταση μια διασταύρωση p-n ενός BJT γίνεται αντίστροφη μεροληπτική ενώ η άλλη διασταύρωση είναι προς τα εμπρός.

Στο Σχ. 3.5 μπορούμε να δούμε και τις δύο τάσεις πόλωσης να εφαρμόζονται σε ένα τρανζίστορ pnp, το οποίο προκαλεί την υποδεικνυόμενη ροή πλειοψηφίας και μειοψηφίας. Εδώ, από τα πλάτη των περιοχών εξάντλησης μπορούμε να απεικονίσουμε με σαφήνεια ποια διασταύρωση λειτουργεί με μια κατάσταση μεροληψίας προς τα εμπρός και ποια είναι σε αντίστροφη προκατάληψη.

Όπως φαίνεται στο σχήμα, μια σημαντική ποσότητα πλειοψηφικών φορέων καταλήγει να διαχέεται κατά μήκος της εμπρόσθιας μεροληψίας p-n στο υλικό τύπου n. Αυτό εγείρει ένα ερώτημα στο μυαλό μας, θα μπορούσαν αυτοί οι φορείς να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο για την προώθηση του βασικού τρέχοντος IB ή να του επιτρέψουν να ρέει απευθείας στο υλικό τύπου p;

Λαμβάνοντας υπόψη ότι το περιεχόμενο τύπου σάντουιτς n είναι απίστευτα λεπτό και διαθέτει ελάχιστη αγωγιμότητα, εξαιρετικά λίγοι από αυτούς τους φορείς θα ακολουθήσουν αυτήν τη συγκεκριμένη διαδρομή υψηλής αντοχής κατά μήκος του τερματικού βάσης.

Το επίπεδο του ρεύματος βάσης είναι συνήθως γύρω από μικροαμπέρ και όχι χιλιοστά για τα ρεύματα του εκπομπού και του συλλέκτη.

Το μεγαλύτερο εύρος αυτών των φορέων πλειοψηφίας πρόκειται να διαχέεται κατά μήκος της αντίστροφης μεροληψίας στο υλικό τύπου ρ που είναι προσαρτημένο στο τερματικό συλλέκτη όπως επισημαίνεται στο Σχ. 3.5.

Η πραγματική αιτία πίσω από αυτήν τη σχετική ευκολία με την οποία οι πλειοψηφικοί φορείς επιτρέπεται να διασχίσουν τη διασταύρωση αντίστροφης πόλωσης πραγματοποιείται γρήγορα με το παράδειγμα μιας διόδου αντίστροφης μεροληψίας όπου οι επαγόμενοι φορείς πλειοψηφίας εμφανίζονται ως φορείς μειοψηφίας στο υλικό τύπου-n.

Για να το θέσουμε διαφορετικά, βρίσκουμε μια εισαγωγή μειονοτικών φορέων στο υλικό βασικής περιοχής τύπου-n. Με αυτή τη γνώση και μαζί με το γεγονός ότι για τις δίοδοι όλοι οι φορείς μειοψηφίας στην περιοχή εξάντλησης διασχίζουν την αντίστροφη μεροληψία, οδηγεί στη ροή ηλεκτρονίων, όπως φαίνεται στο Σχ. 3.5.

ροή πλειοψηφίας και μειοψηφίας στο τρανζίστορ pnp

Υποθέτοντας ότι το τρανζίστορ στο Σχ.3.5 είναι ένας μόνο κόμβος, μπορούμε να εφαρμόσουμε τον τρέχοντα νόμο του Kirchhoff για να λάβουμε την ακόλουθη εξίσωση:

Αυτό δείχνει ότι το ρεύμα εκπομπής είναι ίσο με το άθροισμα του ρεύματος βάσης και συλλέκτη.

Ωστόσο, το ρεύμα συλλέκτη αποτελείται από μερικά στοιχεία, τα οποία είναι δηλαδή οι πλειοψηφικοί και οι μειονοτικοί φορείς όπως αποδεικνύεται στο Σχ.3.5.

Το στοιχείο φέροντος μειοψηφικού ρεύματος αποτελεί το ρεύμα διαρροής και συμβολίζεται ως ICO (τρέχον IC που έχει τερματικό ανοικτού πομπού).

Κατά συνέπεια, το καθαρό ρεύμα συλλέκτη καθορίζεται όπως δίνεται στην ακόλουθη εξίσωση 3.2:

Το ρεύμα συλλέκτη ρεύματος μετράται σε mA για όλα τα τρανζίστορ γενικής χρήσης, ενώ το ICO υπολογίζεται σε uA ή nA.

Η ICO θα συμπεριφέρεται σαν μια αντίστροφη μεροληπτική δίοδος και επομένως θα μπορούσε να είναι ευάλωτη σε μεταβολές θερμοκρασίας και, ως εκ τούτου, πρέπει να είναι κατάλληλη προσοχή κατά τη δοκιμή, ειδικά σε κυκλώματα που έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν σε σενάρια ποικίλων θερμοκρασιών, διαφορετικά το αποτέλεσμα μπορεί να είναι εξαιρετικά επηρεάζεται λόγω του συντελεστή θερμοκρασίας.

Τούτου λεχθέντος, λόγω των πολλών προηγμένων βελτιώσεων στη διάταξη κατασκευής των σύγχρονων τρανζίστορ, το ICO μειώνεται σημαντικά και μπορεί να αγνοηθεί εντελώς για όλα τα σημερινά BJTs.

Στο επόμενο κεφάλαιο θα μάθουμε πώς να ρυθμίζουμε BJTs στην κοινή λειτουργία βάσης.

Βιβλιογραφικές αναφορές: https://en.wikipedia.org/wiki/John_Bardeen




Προηγούμενο: Μεροληψία τάσης-διαχωριστή σε κυκλώματα BJT - Περισσότερη σταθερότητα χωρίς συντελεστή beta Επόμενο: Κατανόηση της κοινής διαμόρφωσης βάσης σε BJT