Bipolárny tranzistor (BJT) - Konštrukčné a prevádzkové podrobnosti

Bipolárny tranzistor alebo BJT je 3-koncové polovodičové zariadenie, ktoré je schopné zosilniť alebo prepnúť malé vstupné napätia a prúdy signálu na podstatne väčšie napätia a prúdy výstupného signálu.

Ako sa vyvíjali tranzistory BJT s bipolárnym spojením

V rokoch 1904–1947 bola vákuová trubica nepochybne elektronickým zariadením veľkej zvedavosti a rastu. V roku 1904 vypustil elektrónku s vákuovou trubicou J. A. Fleming. Krátko nato, v roku 1906, Lee De Forest vylepšil zariadenie o tretiu vlastnosť, známu ako riadiaca mriežka, ktorá produkovala prvý zosilňovač a pomenovala ju ako trióda.

V nasledujúcich desaťročiach rozhlas a televízia vyvolali obrovskú inšpiráciu pre elektrónkový priemysel. Výroba sa zvýšila z približne 1 milióna elektrónok v roku 1922 na približne 100 miliónov v roku 1937. Na začiatku 30. rokov si v obchode s elektrónovými elektrónkami získali obľubu 4-prvková tetróda a 5-prvková pentóda.

V nasledujúcich rokoch sa výrobný sektor vyvinul do jedného z najdôležitejších sektorov a pre tieto modely sa vytvorili rýchle vylepšenia, výrobné metódy, vysokovýkonné a vysokofrekvenčné aplikácie a smer miniaturizácie.

23. decembra 1947 sa však elektronický priemysel stal svedkom príchodu úplne nového „smeru záujmu“ a zlepšovania. Ukázalo sa, že v poledne vystavili Walter H. Brattain a John Bardeen a dokázali zosilňovaciu funkciu úplne prvého tranzistora v Bell Telephone Laboratories.

Úplne prvý tranzistor (ktorý bol vo forme bodového kontaktného tranzistora) je znázornený na obr. 3.1.

Obrázok so súhlasom: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Replica-of-first-transistor.jpg

Pozitívne aspekty tejto 3-pinovej polovodičovej jednotky na rozdiel od elektrónky boli okamžite viditeľné: Ukázalo sa, že je oveľa menšia, funguje bez „ohrievača“ alebo strát pri ohreve, je nerozbitná a silná, bola efektívnejšia z hľadiska spotrebu energie, bolo možné ľahko uložiť a získať k nej prístup, nevyžadovalo si nijaké počiatočné zahrievanie a fungovalo to pri oveľa nižších prevádzkových napätiach.

TRANSISTOROVÁ KONŠTRUKCIA

Tranzistor je v zásade zariadenie vyrobené z 3 vrstiev polovodičového materiálu, v ktorom sa používajú buď 2 n- typ a jedna vrstva materiálu typu p alebo 2 p- typ a jedna vrstva materiálu typu n. Prvý typ sa nazýva tranzistor NPN, zatiaľ čo druhý variant sa nazýva tranzistor typu PNP.

Oba tieto typy je možné vizualizovať na obrázku 3.2 s príslušným predpätím DC.

Už sme sa naučili, ako na to Predpätie BJTs DC sa stanú základnými pre stanovenie požadovanej operačnej oblasti a pre zosilnenie striedavého prúdu. Z tohto dôvodu je bočná vrstva emitora dotovaná významnejšie v porovnaní so základnou stranou, ktorá je dotovaná menej výrazne.

Vonkajšie vrstvy sú tvorené vrstvami s oveľa väčšou hrúbkou v porovnaní s sendvičovými materiálmi typu p alebo n. Na obrázku 3.2 vyššie môžeme zistiť, že pre tento typ je podiel celkovej šírky v porovnaní s centrálnou vrstvou okolo 0,150 / 0,001: 150: 1. Doping implementovaný cez sendvičovú vrstvu je tiež relatívne nižší ako vonkajšie vrstvy, ktoré sa obvykle pohybujú v rozmedzí 10: 1 alebo dokonca menej.

Tento druh zníženej dopingovej úrovne znižuje vodivostnú kapacitu materiálu a zvyšuje odporovú povahu obmedzením množstva voľne sa pohybujúce elektróny alebo „voľné“ nosiče.

Na predpínacom diagrame tiež vidíme, že terminály zariadenia sú zobrazené veľkými písmenami E pre emitor, C pre kolektor a B pre základňu, v našej budúcej diskusii vysvetlím, prečo sa týmto terminálom tento význam prikladá.

Termín BJT sa tiež používa na skrátenie bipolárneho tranzistora a je určený pre tieto 3 koncové zariadenia. Fráza „bipolárna“ označuje relevantnosť dier a elektrónov zapojených do dopingového procesu vzhľadom na opačne polarizovanú látku.

PREVÁDZKA TRANZISTOROV

Poďme teraz pochopiť základné fungovanie BJT pomocou verzie PNP na obrázku 3.2. Princíp fungovania náprotivku NPN by bol úplne podobný, keby sa účasť elektrónov a dier jednoducho zamenila.

Ako je vidieť na obrázku 3.3, PNP tranzistor bol prekreslený, čím sa eliminovalo predpätie základne na kolektore. Môžeme si predstaviť, ako oblasť vyčerpania vyzerá zúžená na šírku v dôsledku indukovaného skreslenia, ktoré spôsobuje masívny tok väčšinoví dopravcovia cez materiály typu p- až n-.

V prípade, že je odchýlka pnp tranzistora od základu k emitoru odstránená, ako je to znázornené na obrázku 3.4, tok väčšinových nosných sa stane nulovým, čo umožňuje tok iba menšinových nosných.

Krátko to môžeme pochopiť v zaujatej situácii jeden p-n spoj BJT sa stane skresleným spätne, zatiaľ čo druhý spoj je skreslený dopredu.

Na obrázku 3.5 môžeme vidieť, že obidve predpínacie napätia sú aplikované na pnp tranzistor, čo spôsobuje indikovaný tok väčšinového a menšinového nosiča. Tu zo šírok oblastí vyčerpania môžeme jasne vizualizovať, ktoré križovatka pracuje so stavom s predpätím a ktoré je so spätným predpätím.

Ako je znázornené na obrázku, značné množstvo väčšinových nosičov sa nakoniec rozptýli cez p-n križovatku smerujúcu dopredu do materiálu typu n. To si v našich mysliach kladie otázku, mohli by tieto nosiče hrať dôležitú úlohu pri podpore základného prúdu IB alebo umožniť jeho tok priamo do materiálu typu p?

Vzhľadom na to, že sendvičový obsah typu n je neuveriteľne tenký a má minimálnu vodivosť, sa výnimočne niekoľko z týchto nosičov vydá touto konkrétnou cestou vysokého odporu cez základňu.

Úroveň základného prúdu je pre emitorové a kolektorové prúdy zvyčajne okolo mikroampérov, nie miliampérov.

Väčší rozsah týchto väčšinových nosičov bude difundovať pozdĺž spojenia s reverzným predpätím do materiálu typu p pripojeného k terminálu kolektora, ako je uvedené na obr. 3.5.

Skutočná príčina tejto relatívnej ľahkosti, s akou sa umožňuje väčšinovým nosičom dostať sa cez križovatku s reverzným predpätím, sa rýchlo realizuje na príklade diódy s reverzným predpätím, kde sa indukované väčšinové nosiče v materiáli typu n objavia ako menšinové nosiče.

Aby sme to povedali inak, nájdeme zavedenie menšinových nosičov do materiálu základnej oblasti typu n. S týmito poznatkami a spolu so skutočnosťou, že pre diódy sa všetky menšinové nosiče v oblasti vyčerpania dostanú cez reverzne predpäté spojenie, vedie k toku elektrónov, ako je to znázornené na obr. 3.5.

Za predpokladu, že tranzistor na obrázku 3.5 je jediný uzol, môžeme pomocou Kirchhoffovho súčasného zákona získať nasledujúcu rovnicu:

Čo ukazuje, že prúd emitora sa rovná súčtu základného a kolektorového prúdu.

Kolektorový prúd je však tvorený niekoľkými prvkami, ktorými sú najmä majoritný a menšinový nosič, ako je to znázornené na obr. 3.5.

Prvok nosiča menšinového prúdu tu predstavuje zvodový prúd a je symbolizovaný ako ICO (prúdový IC s otvoreným terminálom emitora).

Následne sa stanoví čistý prúd kolektora, ako je uvedené v nasledujúcej rovnici 3.2:

IC prúdu kolektora sa meria v mA pre všetky tranzistory na všeobecné použitie, zatiaľ čo ICO sa počíta v uA alebo nA.

ICO sa bude správať celkom ako dióda s reverzným predpätím, a preto by mohlo byť citlivé na zmeny teploty, a preto je potrebné mu pri testovaní venovať náležitú pozornosť, najmä v obvodoch, ktoré sú navrhnuté tak, aby fungovali v rôznych scenároch teplotného rozsahu, inak môže byť výsledok obrovský ovplyvnené teplotným faktorom.

To znamená, že vďaka mnohým pokročilým vylepšeniam v konštrukčnom usporiadaní moderných tranzistorov je ICO výrazne znížené a pre všetky dnešné BJT ho možno úplne ignorovať.

V nasledujúcej kapitole sa dozvieme, ako konfigurovať BJT v spoločnom základnom režime.

Referencie: https://en.wikipedia.org/wiki/John_Bardeen