Bir transistörün kollektör-yayıcı direnci. Ters kollektör akımı

Bu makale dizisinde, transistörler gibi karmaşık bileşenler hakkında basit ve anlaşılır bir şekilde konuşmaya çalışacağız.

Bugün, bu yarı iletken eleman hemen hemen tüm baskılı devre kartlarında, herhangi bir elektronik cihazda (cep telefonlarında, radyolarda, bilgisayarlarda ve diğer elektronik cihazlarda) bulunur. Transistörler, mantık devreleri, bellek, mikroişlemciler inşa etmenin temelidir ... Öyleyse bu mucizenin ne olduğunu, nasıl çalıştığını ve bu kadar geniş bir uygulamaya neyin neden olduğunu anlayalım.

Bir transistör, bir giriş sinyalinin akımı kontrol etmesine izin veren, genellikle üç terminalli, yarı iletken malzemeden yapılmış elektronik bir bileşendir.

Birçok kişi transistörün giriş sinyalini güçlendirdiğini düşünüyor. Üzülmek için acele ediyorum - kendi başlarına, harici bir güç kaynağı olmadan, transistörler hiçbir şeyi yükseltmeyecek (henüz kimse enerjinin korunumu yasasını iptal etmedi). Bir transistör üzerine bir amplifikatör kurulabilir, ancak bu uygulamalarından sadece bir tanesidir ve daha sonra güçlendirilmiş bir sinyal elde etmek için belirli koşullar için tasarlanmış ve hesaplanmış özel bir devreye ihtiyacınız vardır ve ayrıca bir güç kaynağı gereklidir.

Transistör kendi başına sadece akımı kontrol edebilir.

Bilmeniz gereken en önemli şey nedir? Transistörler 2 büyük gruba ayrılır: bipolar ve alan. Bu 2 grup yapı ve eylem ilkesi bakımından farklılık gösterir, bu nedenle bu grupların her biri hakkında ayrı ayrı konuşacağız.

Yani ilk grup bipolar transistörler.

Bu transistörler üç katman yarı iletkenden oluşur ve yapılarına göre 2 tipe ayrılır: pnp Ve npn. Birinci tip (pnp) bazen ileri iletimli transistörler olarak anılır ve ikinci tip (npn) bazen ters iletimli transistörler olarak adlandırılır.

Bu harfler ne anlama geliyor? Bu transistörler nasıl farklı? Ve neden tam olarak iki iletkenlik? Her zamanki gibi, gerçek orada bir yerlerde. Ustaca olan her şey basittir. N - olumsuz (İngilizce) - olumsuz. P - pozitif (İngilizce) - pozitif. Bu, transistörün oluştuğu yarı iletken katmanların iletkenlik türlerinin belirlenmesidir. "Pozitif" - "delik" iletkenliğine sahip bir yarı iletken tabaka (içinde ana yük taşıyıcılarının pozitif bir işareti vardır), "negatif" - "elektronik" iletkenliğe sahip bir yarı iletken tabaka (içinde ana yük taşıyıcıları vardır
negatif işareti).

Diyagramlardaki bipolar transistörlerin yapısı ve tanımı sağdaki şekilde gösterilmektedir. Her çıktının kendi adı vardır. E - emitör, K - toplayıcı, B - baz. Diyagramdaki temel sonuç nasıl bulunur? Kolayca. Kollektör ve emitörün dayandığı platform tarafından belirtilir. Yayıcıyı nasıl bilirsiniz? Aynı zamanda kolaydır - bu oklu bir sonuçtur. Kalan çıktı toplayıcıdır. Yayıcı üzerindeki ok her zaman akımın yönünü gösterir. Buna göre, npn transistörleri için, akım toplayıcı ve tabandan akar ve yayıcıdan dışarı akar, pnp transistörleri için, aksine, akım emitörden içeri akar ve toplayıcı ve tabandan dışarı akar.

Teorinin derinliklerine iniyoruz ... Bir yarı iletkenin üç katmanı, bir transistörde iki pn-bağlantısı oluşturur. Biri emitör ile baz arasındadır, genellikle emiter olarak adlandırılır, ikincisi kollektör ile baz arasındadır, genellikle kollektör olarak adlandırılır.

İki pn bağlantısının her biri ileri veya geri önyargıya sahip olabilir, bu nedenle, transistörün çalışmasında, pn bağlantılarının önyargısına bağlı olarak dört ana mod ayırt edilir (unutmayın, evet, eğer voltaj p ile birlikteyse -tipi iletkenlik, n-tipi iletkenliğe sahip taraftan daha büyüktür, o zaman bu, pn-bağlantısının doğrudan bir önyargısıdır, eğer tersi doğruysa, o zaman tam tersi). Aşağıda, her modu gösteren şekillerde, oklar yüksek voltajdan düşük voltaja doğru yönü gösterir (bu, akımın yönü değildir!). Bu şekilde gezinmek daha kolaydır: ok "p" den "n" ye yönlendirilirse, bu pn bağlantısının ileri bir önyargısıdır, "n" den "p" ye ise ters bir önyargıdır.

Bipolar transistörün çalışma modları:

1) Verici pn bağlantısı ileri taraflıysa ve kolektör bağlantısı ters taraflıysa, o zaman transistör normal aktif mod(bazen normal kelimesini atlayarak sadece “aktif mod” derler). Bu modda, kollektör akımı temel akıma bağlıdır ve onunla aşağıdaki ilişki ile ilişkilidir: Ik=Ib*β. Aktif mod, transistör yükselteçleri oluştururken kullanılır.

2) Her iki bağlantı da ileri taraflıysa, transistör doygunluk modu. Bu durumda, kollektör akımı, yukarıdaki formüle göre (β katsayısının olduğu) baz akımına bağlı olmaktan çıkar, baz akımı artmaya devam etse bile artmayı durdurur. Bu durumda transistörün tamamen açık veya basitçe açık olduğu söylenir. Doygunluk bölgesinde ne kadar derine inersek, Ik=Ib*β bağımlılığı o kadar çok bozulur. Dışarıdan, β katsayısı azalıyor gibi görünüyor. Doygunluk katsayısı diye bir şey olduğunu da söyleyeceğim. Aktif mod ve doygunluk arasındaki sınırda gerçek baz akımının (şu anda sahip olduğunuz) baz akıma oranı olarak tanımlanır.

3) Her iki bağlantıda da ters önyargı varsa, transistör kesme modu. Aynı zamanda, içinden hiçbir akım geçmez (çok küçük kaçak akımlar hariç - pn bağlantılarından ters akımlar). Bu durumda transistörün tamamen kapalı veya basitçe kapalı olduğu söylenir. Transistör anahtarlarının yapımında doygunluk ve kesme modları kullanılır.

4) Verici bağlantısı ters taraflıysa ve kolektör bağlantısı ileri taraflıysa, transistör girer ters aktif mod. Bu mod oldukça egzotik ve nadiren kullanılıyor. Çizimlerimizde emitörün toplayıcıdan farklı olmamasına ve aslında eşdeğer olmalarına rağmen (tekrar en üstteki şekle bakın - ilk bakışta, toplayıcıyı ve emitörü değiştirirseniz hiçbir şey değişmeyecek), aslında , yapısal farklılıkları vardır (örneğin, boyut olarak) ve eşdeğer değildirler. Bu eşitsizlik nedeniyle “normal aktif mod” ve “ters aktif mod” olarak bir ayrım vardır.

Bazen beşinci, sözde "bariyer rejimi" de ayırt edilir. Bu durumda, transistörün tabanı toplayıcıya kısa devre yapar. Aslında, bazı özel modlardan değil, özel bir açma yönteminden bahsetmek daha doğru olur. Buradaki mod oldukça normaldir - aktif mod ile doygunluk arasındaki sınır durumuna yakındır. Sadece tabanı toplayıcı ile kısaltarak elde edilemez. Bu özel durumda, işin püf noktası, bu açma yöntemiyle, besleme gerilimini veya yükü nasıl değiştirirsek değiştirelim, transistör hala bu sınır modunda kalacaktır. Yani, bu durumda transistör bir diyota eşdeğer olacaktır.

Bipolar transistör akım tarafından kontrol edilir. Yani akımın kollektör ile emiter arasında akabilmesi için (başka bir deyişle transistörün açılabilmesi için) emiter ile baz arasında (veya ters mod için kollektör ile baz arasında) akımın akması gerekir. Ayrıca, temel akımın büyüklüğü ve kollektörden geçen olası maksimum akım (böyle bir temel akımda) sabit bir katsayı β (temel akım transfer katsayısı) ile ilişkilidir: I B *β=I K .

β parametresine ek olarak başka bir katsayı kullanılır: emitör akım transfer katsayısı (α). Kollektör akımının emitör akımına oranına eşittir: α=Ik/Ie. Bu katsayının değeri genellikle bire yakındır (bire ne kadar yakınsa o kadar iyidir). α ve β katsayıları aşağıdaki ilişki ile birbirine bağlıdır: β=α/(1-α).

Yerli referans kitaplarında, β katsayısı yerine, h 21E katsayısı (ortak yayıcılı bir devrede akım kazancı) sıklıkla belirtilir; yabancı literatürde bazen β yerine h FE bulunabilir. Sorun değil, genellikle tüm bu katsayıların eşit olduğunu varsayabilirsiniz, ancak bunlara genellikle "transistör kazancı" denir.

Bize ne veriyor ve neden buna ihtiyacımız var? Soldaki şekil en basit devreleri göstermektedir. Eşdeğerdirler, ancak farklı iletkenliğe sahip transistörlerin katılımıyla inşa edilmiştir. Ayrıca mevcut: akkor ampul şeklinde bir yük, değişken bir direnç ve sabit bir direnç.

Soldaki şemaya bakın. Orada neler oluyor? Değişken direnç kaydırıcısının yukarı konumda olduğunu hayal edin. Aynı zamanda, transistörün tabanında, voltaj yayıcıdaki voltaja eşittir, taban akımı sıfırdır, bu nedenle kollektör akımı da sıfırdır (IK \u003d β * IB) - transistör kapalıdır, lamba yanmıyor. Kaydırıcıyı aşağı indirmeye başlıyoruz
- üzerindeki voltaj emitörden daha düşük düşmeye başlar - emitörden tabana bir akım (baz akımı) görünür ve aynı zamanda - emitörden kollektöre bir akım (transistör açılmaya başlar). Lamba yanmaya başlıyor, ancak tam yoğunlukta değil. Değişken direnç kaydırıcısını ne kadar aşağı hareket ettirirsek, lamba o kadar parlak yanar.

Ve burada, dikkat! Değişken direncin kaydırıcısını yukarı hareket ettirmeye başlarsak, transistör kapanmaya başlayacak ve emitörden tabana ve emitörden kollektöre giden akımlar azalmaya başlayacaktır. Sağdaki şemada, her şey aynı, sadece farklı iletkenliğe sahip bir transistör ile.

Transistörün dikkate alınan çalışma modu sadece aktiftir. Amaç ne? Akım kontrolleri mevcut mu? Kesinlikle, ama işin püf noktası, β katsayısının onlarca olarak ölçülebilmesi ve
hatta yüzlerce. Yani emitörden toplayıcıya akan akımı büyük ölçüde değiştirmek için emitörden tabana akan akımı biraz değiştirmemiz yeterlidir.

Aktif modda, transistör (uygun kablolama ile) bir amplifikatör olarak kullanılır.

Yorulduk biraz dinlenelim...

Ve tekrar ileri!

Şimdi transistörün çalışmasını bir anahtar olarak ele alalım. Soldaki şemaya bakın. S anahtarı 1 konumunda kapalı olsun. Bu durumda, transistörün tabanı, direnç R üzerinden güç artısına çekilir, bu nedenle emitör ile taban arasında akım yoktur ve transistör kapalıdır. S anahtarını 2 konumuna getirdiğimizi hayal edin. Tabandaki voltaj emitördekinden daha az olur - emitör ile baz arasında bir akım belirir (değeri R direnci tarafından belirlenir). KE akımı hemen belirir. Transistör açılır, lamba yanar. S anahtarını tekrar 1 konumuna getirirsek, transistör kapanır, lamba söner. (sağdaki şemada her şey aynı, sadece transistörün iletkenliği farklı)

Bu durumda transistörün anahtar görevi gördüğü söylenir. Amaç ne? Transistör iki durum arasında geçiş yapar - açık ve kapalı. Genellikle, bir transistörü anahtar olarak kullanırken, transistörü açık durumda doygunluğa yakın tutmaya çalışırlar (aynı zamanda, kollektör ve emitör arasındaki voltaj düşüşü ve dolayısıyla transistördeki kayıplar minimumdur). Bunun için baz devresinde özel bir şekilde bir sınırlayıcı direnç hesaplanır. Derin doygunluk ve derin kesme durumlarından genellikle kaçınılır, çünkü bu durumda anahtarı bir durumdan diğerine değiştirme süresi artar.

Küçük bir hesaplama örneği. Bir transistör aracılığıyla 12V, 50mA akkor lambayı kontrol ettiğimizi hayal edin. Transistör bizim için bir anahtar görevi görür, bu nedenle açık durumda doygunluğa yakın olmalıdır. Doyma modu için besleme voltajından daha düşük bir büyüklük sırası olduğundan, kollektör ve emitör arasındaki voltaj düşüşünü dikkate almayacağız. Lambadan 50 mA'lık bir akım geçtiğinden, maksimum CE akımı en az 62,5 mA olan bir transistör seçmemiz gerekir (genellikle bileşenlerin maksimum parametrelerinin% 75'inde kullanılması önerilir, bu böyle bir marjdır. ). Dizini açıyoruz ve uygun bir p-n-p transistörü arıyoruz. Örneğin KT361. Bizim durumumuzda, CE'nin maksimum voltajı 20V olduğundan ve görevde sadece 12V olduğundan, akım “a, b, c, d” harf endeksleriyle uygundur.

KT361A'yı 20'den 90'a kazançla kullanacağımızı varsayalım. Transistörün tamamen açılmasını garanti etmemiz gerektiğinden, hesaplamada minimum Kus = 20'yi kullanacağız. Şimdi düşünüyoruz. CE üzerinden 50 mA'lık bir akım sağlamak için emitör ile taban arasında akması gereken minimum akım nedir?

50 mA / 20 kez = 2,5 mA

BE üzerinden 2,5 mA'lık bir akıma izin vermek için hangi akım sınırlayıcı direnç değeri kurulmalıdır?

Burada her şey basit. Ohm yasası: I=U/R. Bu nedenle, R \u003d (12 V besleme - BE'nin pn kavşağında 0,65 V kayıp) / 0,0025 A \u003d 4540 Ohm. Bizim durumumuzda emitörden tabana akması gereken minimum akım 2,5 mA olduğundan, standart aralıktan en yakın düşük dirençli direnci seçmeniz gerekir. Örneğin, %5 sapma ile bu 4,3 kΩ direnç olacaktır.

Şimdi akım hakkında. Nominal akımı 50 mA olan bir lambayı yakmak için sadece 2,5 mA'lık bir akımı değiştirmemiz gerekir. Ve bu, 40 yıl önce geliştirilen düşük Kus'lu bir kuruş transistör olan Shirpotrebovsky'yi kullanırken. Farkı Hisset? Transistörler kullanılırken anahtarların boyutları (ve dolayısıyla maliyetleri) ne kadar azaltılabilir.

Teoriye geri dönelim.

Yukarıda tartışılan örneklerde, transistör anahtarlama devrelerinden sadece birini kullandık. Toplamda, kontrol sinyalini nereye uyguladığımıza ve çıkış sinyalini nereden aldığımıza bağlı olarak (bu sinyaller için hangi elektrot ortaktır), bipolar transistörleri açmak için 3 ana devre vardır (peki, mantıklı, değil mi? - transistörün 3 çıkışı vardır, bu nedenle devreleri sonuçlardan birinin ortak olduğu ilkesine göre bölerseniz, toplamda 3 devre olabilir):

1) Ortak emitör devresi.

Giriş akımının taban akımı, giriş voltajının BE bağlantısındaki voltaj, çıkış akımının kollektör akımı ve çıkış voltajının kollektör ile emitör arasındaki voltaj olduğunu varsayarsak, şöyle yazabiliriz: Iout / Iin = Ik / Ib = β, Rin \u003d Ube / Ib.

Ek olarak, Uout \u003d Epit-Ik * R olduğundan, ilk olarak, çıkış voltajının girişten çok daha yüksek hale getirilebileceği ve ikincisi, çıkış voltajının girişe göre ters çevrildiği (Ube olduğunda) açıktır. \u003d Uin artar ve giriş akımı artar - çıkış akımı da artar, ancak Uke = Uout azalır).

Böyle bir anahtarlama devresi (kısaca OE olarak adlandırılır) en yaygın olanıdır, çünkü hem akımı hem de voltajı yükseltmenize izin verir, yani maksimum güç kazancı elde etmenizi sağlar. Yükseltilmiş sinyalden gelen bu ek gücün havadan değil, transistörün kendisinden değil, güç kaynağından (Epit), transistörün hiçbir şeyi yükseltemeyeceği ve genel olarak hiçbir şeyin olmayacağına dikkat edin. çıkış devresindeki akım. (Sanırım - transistör yükselteçlerinin nasıl çalıştığı ve daha sonra nasıl hesaplanacağı hakkında ayrı bir makalede daha fazla yazacağız).

2) Ortak taban devresi.

Burada giriş akımı emiter akımıdır, giriş gerilimi BE bağlantısındaki gerilimdir, çıkış akımı kollektör akımıdır ve çıkış gerilimi kollektör devresine bağlı yük üzerindeki gerilimdir. Bu devre için: Iout≈Iin, çünkü Ik≈Ie, Rin=Ube/Ie.

Böyle bir devre (OB) sadece gerilimi yükseltir ve akımı yükseltmez. Bu durumda sinyal faz kaydırmalı değildir.

3) Ortak Kollektör Devresi(yayıcı takipçi).

Burada giriş akımı temel akımdır ve giriş gerilimi BE transistör bağlantısına ve yüke bağlıdır, çıkış akımı emitör akımıdır ve çıkış gerilimi emitör devresinde bulunan yük boyunca gerilimdir. Bu devre için: Iout / Iin = Ie / Ib = (I K + I B) / I B = β + 1, çünkü genellikle β katsayısı oldukça büyüktür, bazen Iout/Iin≈β kabul edilir. Rin \u003d Ube / Ib + R. Uout/Uin=(Ube+Uout)/Uout≈1.

Gördüğünüz gibi, böyle bir devre (OK) akımı yükseltir ve gerilimi yükseltmez. Bu durumda sinyal faz kaydırmalı değildir. Ayrıca bu devre en büyük giriş empedansına sahiptir.

Yukarıdaki diyagramlardaki turuncu oklar, çıkış devresinin (Epit) güç kaynağı ve giriş sinyalinin kendisi (Uin) tarafından oluşturulan akımların akışı için devreleri gösterir. Gördüğünüz gibi, OB devresinde, Epit tarafından üretilen akım sadece transistörden değil, aynı zamanda güçlendirilmiş sinyalin kaynağından da akar ve OK devresinde, tam tersine, giriş sinyali tarafından üretilen akım akar. sadece transistör aracılığıyla değil, aynı zamanda yük yoluyla da (bu işaretlerle, bir anahtarlama şemasını diğerinden kolayca ayırt edebilirsiniz).

Ve son olarak, bipolar transistörün servis kolaylığı için nasıl kontrol edileceği hakkında konuşalım. Çoğu durumda, transistörün sağlığı, pn bağlantılarının durumu ile değerlendirilebilir. Bu pn bağlantılarını birbirinden bağımsız olarak düşünürsek, transistör iki diyotun birleşimi olarak gösterilebilir (soldaki şekilde olduğu gibi). Genel olarak, pn bağlantılarının karşılıklı etkisi, transistörü bir transistör yapar, ancak kontrol ederken, bu karşılıklı etki göz ardı edilebilir, çünkü transistör terminallerine çiftler halinde voltaj uygularız (üç terminalden ikisine). Buna göre, diyot test modunda geleneksel bir multimetre ile bu pn bağlantılarını kontrol edebilirsiniz. Kırmızı probu (+) diyotun katotuna ve siyah olanı anoda bağladığınızda, pn-bağlantısı kapanacaktır (multimetre sonsuz yüksek direnç gösterir), probları değiştirirseniz, pn-bağlantısı açık olacaktır (multimetre, genellikle 0,6-0,8 V olmak üzere açık pn bağlantısı boyunca voltaj düşüşünü gösterir). Probları toplayıcı ve emitör arasına bağlarken, multimetre, kollektöre hangi probun bağlı olduğuna ve hangisinin emitöre bağlı olduğuna bakılmaksızın sonsuz büyük bir direnç gösterecektir.

Devam edecek…

Bipolar transistörler, farklı iletkenliğe sahip üç katmana seri bağlanmış üç elektrotlu yarı iletken cihazlardır. Tek tip yük taşıyan diğer transistörlerin aksine, aynı anda iki tip yük taşıma kapasitesine sahiptir.

Bipolar transistörlerin kullanıldığı bağlantı şemaları, yapılan işe ve iletim tipine bağlıdır. İletkenlik elektronik olabilir, delik.

Bipolar transistör çeşitleri

Bipolar transistörler çeşitli kriterlere göre tiplere ayrılır:

• İmalat malzemesi: silikon veya galyum arsenit.
• frekans değeri: 3 MHz'e kadar - düşük, 30 MHz'e kadar - orta, 300 MHz'e kadar - yüksek, 300 MHz'den fazla - ultra yüksek.
• en yüksek güç dağılımı: 0-0.3W, 0.3-3W, 3W üzerinde.
• Cihaz tipi: Sıralı iletim tipi sırasına sahip 3 kat yarı iletken.

Cihaz ve iş

Transistörün hem iç hem de dış katmanları, taban, verici ve toplayıcı şeklinde kendi adlarına sahip yerleşik elektrotlarla birleştirilir.

Kollektör ve emitör için iletkenlik türlerinde özel bir fark yoktur, ancak kollektördeki kirliliklerin dahil edilme yüzdesi çok daha düşüktür, bu da çıkışta izin verilen voltajı arttırmayı mümkün kılar.

Yarı iletkenin (taban) orta tabakası hafif alaşımlı malzemeden yapıldığı için yüksek bir direnç değerine sahiptir. Geniş bir alanda kollektör ile temas halindedir. Bu, geçişin diğer yönde yer değiştirmesinden ısının salınması nedeniyle gerekli olan ısı emiciyi artırmanıza izin verir. İyi baz toplayıcı teması, azınlık elektronlarının kolay geçişini sağlar.

Geçiş katmanları aynı prensibe göre yapılır. Bununla birlikte, bipolar transistörler tek uçlu cihazlar olarak kabul edilir. Aynı iletkenliğe sahip yerlerde aşırı katmanları değiştirirken, benzer yarı iletken parametreleri oluşturmak mümkün değildir.

Transistör bağlantı şemaları, ona hem kapalı hem de açık durum sağlayabilecek şekilde tasarlanmıştır. Aktif çalışmada, yarı iletken açıkken emitör ileri yönde polarlanır. Bu tasarımı tam olarak anlamak için besleme voltajını gösterilen şemaya göre bağlamanız gerekir.

Bu durumda, kollektörün 2. bağlantısındaki sınır kapalıdır, üzerinden akım geçmez. Uygulamada, bitişik geçişler, bunların birbirleri üzerindeki etkisi nedeniyle zıt fenomen meydana gelir. Pilin negatif kutbu emitöre bağlı olduğundan, açık tip geçiş elektronların ana taşıyıcılar olan deliklerle yeniden birleştikleri tabana geçmesine izin verir. Temel akım I b belirir. Baz akımı ne kadar yüksek olursa, çıkış akımı o kadar büyük olur. Bu, amplifikatörlerin çalışma prensibidir.

Elektrik alan işi olmadığı için tabandan sadece elektronların difüzyon hareketi akar. Bu katmanın küçük kalınlığı ve önemli bir parçacık gradyanı nedeniyle, taban yüksek bir dirence sahip olmasına rağmen, hemen hemen hepsi toplayıcıya girer. Kavşakta ulaşımı destekleyen ve onları içine çeken bir elektrik alanı var. Yayıcı ve toplayıcı akımları, tabanda yeniden dağıtımdan kaynaklanan küçük bir yük kaybı dışında aynıdır: ben e \u003d ben b + ben.

özellikleri

• akım amplifikasyon faktörü β = I ila / I b.
• Gerilim Kazancı U eq / U ol.
• Giriş direnci.
• Frekans özelliği - transistörün belirli bir frekansa kadar çalışma yeteneği, bunun ötesinde geçiş süreçleri bir sinyal değişikliği için geç kalır.

Çalışma modları ve şemaları

Devre tipi, bipolar transistörün çalışma modunu etkiler. Sinyal, farklı durumlar için iki yerde kaldırılıp verilebilir ve üç elektrot vardır. Bu nedenle, rastgele bir elektrot aynı anda hem çıkış hem de giriş olmalıdır. Tüm bipolar transistörler bu prensibe göre bağlanır ve aşağıda ele alacağımız üç tip devreye sahiptirler.

Ortak Kollektör Devresi

Sinyal dirençten geçer RL, kollektör devresine de dahildir.

Böyle bir bağlantı şeması, yalnızca bir akım amplifikatörü oluşturmayı mümkün kılar. Böyle bir emitör takipçisinin avantajı, girişte önemli bir direnç oluşmasıdır. Bu, kazanç aşamalarını eşleştirmeyi mümkün kılar.

Ortak taban devresi

Devrede, küçük bir giriş direnci şeklinde bir dezavantaj bulabilirsiniz. Ortak baz devresi çoğunlukla bir osilatör olarak kullanılır.

Ortak emitör devresi

Çoğu zaman, bipolar transistörler kullanıldığında, ortak bir yayıcıya sahip bir devre gerçekleştirilir. Gerilim, yük direnci R L'den geçer, güç, emitöre negatif bir kutup ile bağlanır.

Tabana ve emitöre değişken bir değer sinyali gelir. Kollektör devresinde değeri büyür. Devrenin ana elemanları bir direnç, bir transistör ve bir güç kaynağına sahip bir amplifikatör çıkış devresidir. Ek çelik elemanlar: kapasite 1'den akımın girişe geçmesine izin vermeyen, direnç R1, transistörün açıldığı için.

Kollektör devresinde transistör voltajı ve direnci EMF değerine eşittir: E= IkRk+Vke.

Küçük bir Ec sinyalinin, transistör dönüştürücünün değişken çıkışındaki potansiyel farkı değiştirme kuralını belirlediğini takip eder. Böyle bir devre, voltaj ve gücün yanı sıra giriş akımını birçok kez artırmayı mümkün kılar.

Böyle bir devrenin dezavantajları arasında, girişte düşük bir direnç (1 kOhm'a kadar) olarak adlandırılabilir. Sonuç olarak, kaskadların oluşumunda sorunlar ortaya çıkar. Çıkış direnci 2 ila 20 kOhm arasındadır.

Dikkate alınan şemalar, bir bipolar transistörün etkisini göstermektedir. Çalışması, sinyalin frekansından ve aşırı ısınmadan etkilenir. Bu sorunu çözmek için ek ayrı önlemler uygulanır. Verici topraklaması çıkışta bozulma oluşturur. Devrenin güvenilirliğini oluşturmak için filtreler, geri beslemeler vb. bağlanır. Bu tür önlemlerden sonra devre daha iyi çalışır, ancak kazanç azalır.

Çalışma modları

Transistörün hızı, bağlı voltajın değerinden etkilenir. Bipolar transistörlerin ortak bir emitöre bağlı olduğu bir devre örneğini kullanarak farklı çalışma modlarını düşünün.

ayırmak

Bu mod, V BE gerilimi 0,7 volta düştüğünde oluşur. Bu durumda emitör bağlantısı kapanır ve tabanda elektron olmadığı için kollektörde akım olmaz ve transistör kapalı kalır.

aktif mod

Tabana transistörü açmak için yeterli bir voltaj uygulandığında, küçük bir giriş akımı ve büyük bir çıkış akımı meydana gelir. Kazancın boyutuna bağlıdır. Bu durumda, transistör bir amplifikatör olarak çalışır.

doygunluk modu

Bu çalışmanın aktif moddan kendi farklılıkları vardır. Yarı iletken sonuna kadar açılır, kollektör akımı maksimum değerine ulaşır. Artışı, yalnızca yükü veya çıkış devresinin EMF'sini değiştirerek elde edilebilir. Baz akımın ayarlanması kollektör akımını değiştirmez. Doygunluk modu, transistörün tamamen açık olması ve bir anahtar olarak çalışması gibi özelliklere sahiptir. Bipolar transistörlerin doygunluk ve kesme modlarını birleştirirseniz, anahtarlar oluşturabilirsiniz.

Çıkış karakteristik özellikleri modları etkiler. Bu grafikte gösterilmiştir.

En yüksek kollektör akımına ve voltaj boyutuna karşılık gelen koordinat eksenlerinde segmentler çizildiğinde ve ardından uçları birbiriyle birleştirirken, kırmızı bir yük çizgisi oluşur. Grafik, akım ve gerilim noktasının, taban akımındaki bir artışla yük hattı boyunca yukarı doğru kayacağını göstermektedir.

Taramalı çıktı karakteristiği ile Vke ekseni arasındaki alan, kesme işidir. Bu durumda transistör kapalıdır ve akımın tersi küçüktür. Üstteki A noktasındaki karakteristik yük ile kesişir, bundan sonra I V'deki bir artışla kollektör akımı artık değişmez. Grafikte doygunluk alanı, Ik ekseni ile en dik grafik arasındaki taralı kısımdır.

Çeşitli modlarda bipolar transistörler

Transistör, giriş devresinde farklı türde sinyallerle etkileşime girer. Temel olarak, transistör amplifikatörlerde kullanılır. Giriş AC sinyali çıkış akımını değiştirir. Bu durumda ortak emitör veya kollektöre sahip devreler kullanılır. Çıkış devresinde, sinyalin bir yüke ihtiyacı vardır.

Çoğu zaman, bu, toplayıcı çıkış devresine takılan direnç kullanılarak yapılır. Doğru seçimi ile çıkıştaki voltaj değeri giriştekinden çok daha büyük olacaktır.

Darbe sinyalinin dönüştürülmesi sırasında mod, sinüzoidal sinyallerle aynı kalır. Harmoniklerdeki değişimin kalitesi, yarı iletkenlerin frekans özellikleri ile belirlenir.

geçiş modu

Transistör anahtarları, elektrik devrelerinde temassız anahtarlama için kullanılır. Bu çalışma, yarı iletkenin direnç değerinin aralıklı olarak ayarlanmasından oluşur. Bipolar transistörler en çok anahtarlama cihazlarında uygulanabilir.

Sinyal değiştirme devrelerinde yarı iletkenler kullanılır. Çok yönlü performansları ve geniş sınıflandırmaları, transistörlerin performans yeteneklerini belirleyen çeşitli devrelerde kullanılmasını mümkün kılar. Kullanılan ana devreler, kuvvetlendirme ve anahtarlama devreleridir.

KONU 4. BİPOLAR TRANSİSTÖRLER

4.1 Tasarım ve çalışma prensibi

Bipolar transistör, alternatif elektriksel iletkenlik tiplerine sahip ve güç amplifikasyonu için uygun üç bölgeden oluşan bir yarı iletken cihazdır.

Şu anda üretilen bipolar transistörler aşağıdaki kriterlere göre sınıflandırılabilir:

Malzemeye göre: germanyum ve silikon;

Bölgelerin iletkenlik tipine göre: p-n-p ve n-p-n tipi;

Güç olarak: düşük (Pmax £ 0,3W), orta (Pmax £ 1,5W) ve yüksek güç (Pmax > 1,5W);

Frekansa göre: düşük frekans, orta frekans, yüksek frekans ve mikrodalga.

Bipolar transistörlerde akım, iki tip yük taşıyıcının hareketi ile belirlenir: elektronlar ve delikler (veya temel ve küçük). Bu nedenle isimleri - bipolar.

Şu anda sadece düzlemsel p-n bağlantılı transistörler üretilmekte ve kullanılmaktadır.

Düzlemsel bir bipolar transistörün cihazı, Şek. 4.1.

Farklı elektriksel iletkenliğe sahip üç bölgenin oluşturulduğu bir germanyum veya silikon levhadır. Bir n-p-n transistöründe orta bölge bir deliğe sahiptir ve uç bölgeler elektronik elektrik iletkenliğine sahiptir.

p-n-p tipi transistörler, elektronik ile orta bir bölgeye ve delik elektrik iletkenliğine sahip aşırı bölgelere sahiptir.

Transistörün orta bölgesi taban olarak adlandırılır, bir uç bölge emitör, diğeri toplayıcıdır. Böylece, transistörün iki p-n-bağlantısı vardır: yayıcı - yayıcı ile taban arasında ve toplayıcı - taban ile toplayıcı arasında. Yayıcı bağlantı alanı, kollektör bağlantı alanından daha küçüktür.

Yayıcı, amacı tabana yük taşıyıcıları enjekte etmek olan bir transistörün bir bölgesidir. Toplayıcı, amacı tabandan yük taşıyıcıları çıkarmak olan bir alandır. Baz, bu bölge için küçük olan yük taşıyıcılarının emitör tarafından enjekte edildiği bölgedir.

Yayıcıdaki çoğunluk yük taşıyıcılarının konsantrasyonu, bazdaki çoğunluk yük taşıyıcılarının konsantrasyonundan birçok kez daha fazladır ve toplayıcıdaki konsantrasyonları, emitördeki konsantrasyondan biraz daha azdır. Bu nedenle, emitör iletkenliği, baz iletkenliğinden birkaç kat daha yüksektir ve kollektör iletkenliği, emitör iletkenliğinden biraz daha azdır.

Sonuçlar taban, emitör ve toplayıcıdan alınır. Giriş ve çıkış devrelerinde hangi sonuçların ortak olduğuna bağlı olarak, üç transistör anahtarlama devresi vardır: ortak bir taban (OB), ortak bir emitör (OE), ortak bir toplayıcı (OK).

Giriş veya kontrol devresi, transistörün çalışmasını kontrol etmek için kullanılır. Çıkışta veya kontrollü devrede gelişmiş salınımlar elde edilir. Güçlendirilmiş salınımların kaynağı giriş devresine, yük ise çıkış devresine bağlanır.

Ortak bir temel devresine göre bağlanmış bir p-n-p tipi transistör örneğini kullanarak bir transistörün çalışma prensibini düşünün (Şekil 4.2).

Şekil 4.2 - Bipolar transistörün çalışma prensibi (p-n-p tipi)

İki güç kaynağı EE ve Ek'in harici voltajları, transistöre, emitör bağlantısı P1 ileri yönde (ileri voltaj) ve kollektör bağlantısı P2 ters yönde (ters voltaj) polarlanacak şekilde bağlanır. ).

Kolektör bağlantısına bir ters voltaj uygulanırsa ve yayıcı devre açıksa, kollektör devresinde küçük bir ters akım Iko (mikroamper birimleri) akar. Bu akım, bir ters voltajın etkisi altında ortaya çıkar ve taban deliklerinin azınlık yük taşıyıcılarının ve kollektör bağlantısı boyunca kollektör elektronlarının yönlü hareketi ile oluşturulur. Ters akım devreden geçer: +Ek, baz toplayıcı, −Ek. Kollektör ters akımının büyüklüğü kollektör voltajına değil yarı iletkenin sıcaklığına bağlıdır.

Yayıcı devresine ileri yönde sabit bir voltaj EE bağlandığında, yayıcı bağlantısının potansiyel bariyeri azalır. Tabana deliklerin enjeksiyonu (enjeksiyonu) başlar.

Transistöre uygulanan harici voltajın esas olarak P1 ve P2 bağlantılarına uygulandığı ortaya çıkıyor, çünkü taban, emiter ve kollektör bölgelerinin direncine göre yüksek bir dirence sahiptirler. Bu nedenle tabana enjekte edilen delikler difüzyon yoluyla içinde hareket eder. Bu durumda, delikler baz elektronlarla yeniden birleşir. Bazdaki taşıyıcıların konsantrasyonu emitördekinden çok daha az olduğundan, çok az sayıda delik yeniden birleşir. Küçük bir taban kalınlığı ile hemen hemen tüm delikler P2 kollektör bağlantısına ulaşacaktır. Yeniden birleştirilen elektronlar, Ek güç kaynağından gelen elektronlarla değiştirilir. Tabandaki elektronlarla yeniden birleşen delikler, taban akımı IB'yi oluşturur.

Ek voltajın etkisi altında, kollektör bağlantısının potansiyel bariyeri artar ve P2 bağlantısının kalınlığı artar. Ancak kollektör bağlantısının potansiyel bariyeri, deliklerin içinden geçmesini engellemez. Kolektör bağlantısı bölgesine giren delikler, kollektör voltajı tarafından bağlantıda oluşturulan güçlü bir hızlanma alanına düşer ve kollektör tarafından dışarı çekilir (çekilir), bir kollektör akımı Ik oluşturur. Kolektör akımı devreden geçer: + Ek, baz-kolektör, -Ek.

Böylece, transistörde üç akım akar: emitör, toplayıcı ve baz akımı.

Tabanın çıkışı olan telde emiter ve kollektör akımları zıt yönlerdedir. Bu nedenle, baz akım, emitör ve kollektör akımları arasındaki farka eşittir: IB \u003d IE - IK.

n-p-n tipi bir transistördeki fiziksel işlemler, p-n-p tipi bir transistördeki işlemlere benzer şekilde ilerler.

Toplam emitör akımı IE, emitör tarafından enjekte edilen ana yük taşıyıcılarının sayısı ile belirlenir. Bu yük taşıyıcıların toplayıcıya ulaşan ana kısmı, bir kollektör akımı Ik oluşturur. Baza enjekte edilen yük taşıyıcılarının önemsiz bir kısmı, bazda yeniden birleşerek bir baz akımı IB oluşturur. Bu nedenle emiter akımı, baz ve kollektör akımlarına bölünecektir, yani. IE \u003d IB + Ik.

Yayıcı akım giriş akımıdır, kollektör akımı çıkıştır. Çıkış akımı, girişin bir parçasıdır, yani.

(4.1)

burada a, OB devresi için akım transfer katsayısıdır;

Çıkış akımı giriş akımından küçük olduğundan, a katsayısı<1. Он показывает, какая часть инжектированных в базу носителей заряда достигает коллектора. Обычно величина a составляет 0,95¸0,995.

Ortak bir emitör devresinde çıkış akımı kollektör akımı, giriş akımı ise taban akımıdır. OE devresi için akım kazancı:

(4.2) (4.3)

Sonuç olarak, OE devresi için akım kazancı onlarca birimdir.

Transistörün çıkış akımı giriş akımına bağlıdır. Bu nedenle, bir transistör akım kontrollü bir cihazdır.

Yayıcı bağlantı voltajındaki bir değişikliğin neden olduğu emitör akımındaki değişiklikler, tamamen kollektör devresine aktarılır ve kollektör akımında bir değişikliğe neden olur. Dan beri Ek toplayıcı güç kaynağının voltajı, emitör Ee'ninkinden çok daha büyükse, kollektör devresi Pk'de tüketilen güç, emitör devresi Re'deki güçten çok daha büyük olacaktır. Böylece emiter devresinde harcanan düşük bir güçle, yani transistörün kollektör devresindeki büyük bir gücü kontrol etmek mümkündür. güçte bir artış var.

4.2 Bipolar transistörleri açma şemaları

Transistör, elektrik devresine, terminallerinden biri (elektrot) giriş, ikincisi çıkış ve üçüncüsü giriş ve çıkış devreleri için ortak olacak şekilde bağlanır. Hangi elektrotun ortak olduğuna bağlı olarak, üç transistör anahtarlama devresi vardır: OB, OE ve OK. Bir p-n-p transistörü için bu devreler, Şek. 4.3. Bir n-p-n transistör için, anahtarlama devrelerinde sadece gerilimlerin polaritesi ve akımların yönü değişir. Herhangi bir transistör anahtarlama devresi için (aktif modda), güç kaynaklarını açmanın polaritesi, emitör bağlantısı ileri yönde ve kollektör bağlantısı ters yönde açılacak şekilde seçilmelidir.

Şekil 4.3 - Bipolar transistörleri açma şemaları: a) HAKKINDA; b) OE; c) tamam

4.3 Bipolar transistörlerin statik özellikleri

Transistörün statik çalışma modu, çıkış devresinde yük olmadığındaki moddur.

Transistörlerin statik özelliklerine, giriş devresinin (giriş VAC) ve çıkış devresinin (çıkış VAC) voltaj ve akımının grafiksel olarak ifade edilen bağımlılıkları denir. Özelliklerin türü, transistörün açılma şekline bağlıdır.

4.3.1 OB devresine göre bağlanan transistörün özellikleri

Giriş özelliği bağımlılıktır:

UKB \u003d const ile IE \u003d f (UEB) (Şekil 4.4, a).

Çıkış karakteristiği bağımlılıktır:

IE \u003d const ile IK \u003d f (UKB) (Şekil 4.4, b).

Şekil 4.4 - OB devresine göre bağlanan iki kutuplu bir transistörün statik özellikleri

Çıkış I–V karakteristiklerinin üç karakteristik bölgesi vardır: 1 – Ik'nin UKB'ye güçlü bağımlılığı (doğrusal olmayan başlangıç ​​bölgesi); 2 – Ik'nin UKB'ye zayıf bağımlılığı (doğrusal bölge); 3 - kollektör bağlantısının bozulması.

Yarı iletken cihaz transistörünün adı iki kelimeden oluşur: transfer - transfer+ direnç - direnç. Çünkü gerçekten bir elektrotun voltajı tarafından düzenlenecek bir tür direnç olarak temsil edilebilir. Bir transistör bazen yarı iletken triyot olarak da adlandırılır.

İlk bipolar transistör 1947'de yaratıldı ve 1956'da üç bilim insanı buluşu için Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü.

Bipolar transistör, alternatif tipte kirlilik iletimine sahip üç yarı iletkenden oluşan bir yarı iletken cihazdır. Bir elektrot bağlanır ve her katmana yönlendirilir. Bipolar bir transistörde, taşıyıcıları elektron olan yükler aynı anda kullanılır ( n - “negatif”) ve delikler (p - “pozitif” ”), yani iki tip taşıyıcı, dolayısıyla “bi” adının önekinin oluşumu - iki.

Transistörler, katman değişimi türünde farklılık gösterir:

Pnp -transistör (doğrudan iletim);

Npn- transistör (ters iletim).

Temel (B) bipolar transistörün merkezi katmanına bağlanan elektrottur. Dış katmanlardan gelen elektrotlara emiter (E) ve toplayıcı (K) adı verilir.

Şekil 1 - Bipolar transistörün cihazı

diyagramlar etiketli " VT ”, eski Rusça belgelerde “T”, “PP” ve “PT” isimlerini bulabilirsiniz. Bipolar transistörler, yarı iletken iletkenlik değişimine bağlı olarak elektrik devrelerinde aşağıdaki gibi gösterilmektedir:

Şekil 2 - Bipolar transistörlerin tanımı

Yukarıdaki şekil 1'de toplayıcı ve emitör arasındaki fark görünmez. Bir bölümdeki bir transistörün basitleştirilmiş bir temsiline bakarsanız, alanın p - n Kollektör bağlantısı emitörünkinden daha büyüktür.

Şekil 3 - Kesitteki Transistör

Taban iletkenliği düşük, yani malzemenin direnci yüksek bir yarı iletkenden yapılmıştır. Bir ön koşul, bir transistör etkisi olasılığı için ince bir taban katmanıdır. Temas alanından beri p - n Kollektör ve emitörün bağlantıları farklı olduğu için bağlantının polaritesini değiştiremezsiniz. Bu özellik, transistörü asimetrik cihazlar olarak sınıflandırır.

Bipolar transistörün iki I-V özelliği (voltaj karakteristiği) vardır: giriş ve çıkış.

Giriş I–V karakteristiği, temel akımın bağımlılığıdır ( ben ) baz emitör voltajında ​​( OLSUN).

Şekil 4 - Bipolar transistörün giriş akımı-voltaj özelliği

Çıkış I–V karakteristiği, kollektör akımının bağımlılığıdır ( ben K ) toplayıcı-verici voltajında ​​( UKE).

Şekil 5 - Transistörün Çıkış IV'ü

Bipolar transistörün çalışma prensibi, npn tipi, pnp için benzer şekilde, elektronlar değil, yalnızca delikler dikkate alınır.Transistörün iki p-n bağlantısı vardır. Aktif çalışma modunda, bunlardan biri ileri önyargı, diğeri ise ters önyargı ile bağlanır. EB bağlantısı açık olduğunda, emitörden gelen elektronlar kolaylıkla tabana hareket eder (rekombinasyon meydana gelir). Ancak, daha önce belirtildiği gibi, temel katman incedir ve iletkenliği düşüktür, bu nedenle bazı elektronların baz-toplayıcı bağlantısına hareket etmek için zamanı vardır. Buradaki elektronlar azınlık taşıyıcıları olduğundan, elektrik alanı katman geçiş bariyerinin üstesinden gelmeye (güçlendirmeye) yardımcı olur. Baz akımı arttıkça, emitör-taban bağlantısı açılacak ve daha fazla elektron emitörden toplayıcıya kayabilecektir. Kolektör akımı, temel akımla orantılıdır ve ikincisinde (kontrol) küçük bir değişiklikle, kollektör akımı önemli ölçüde değişir. Bipolar transistörde sinyal amplifikasyonu bu şekilde gerçekleşir.

Şekil 6 - Transistörün aktif modu

resme bakarak açıklayabilirsin transistörün çalışma prensibi biraz daha kolay. KE'nin bir su borusu ve B'nin su akışını kontrol edebileceğiniz bir musluk olduğunu hayal edin. Yani tabana ne kadar akım uygularsanız o kadar çıktıda alırsınız.

Kollektör akımının değeri, taban akımını oluşturan tabandaki rekombinasyon sırasındaki kayıplar hariç, emiter akımına neredeyse eşittir, bu nedenle formül geçerlidir:

І E \u003d І B + І K.

Transistörün ana parametreleri:

Akım kazancı, kollektör akımının etkin değerinin baz akıma oranıdır.

Giriş direnci - Ohm yasasına göre, emitör-baz voltajının oranına eşit olacaktır. EB akımı kontrol etmek ben B.

Voltaj yükseltme faktörü - parametre, çıkış voltajının oranı ile bulunur U EC girmek için U BE .

Frekans yanıtı, bir transistörün giriş sinyalinin belirli bir kesme frekansına kadar çalışma yeteneğini tanımlar. Sınırlayıcı frekansın aşılmasından sonra, transistördeki fiziksel işlemlerin gerçekleşmesi için zaman kalmayacak ve yükseltme yetenekleri hiçbir şeye indirgenmeyecektir.

Bipolar transistörler için anahtarlama devreleri

Transistörü bağlamak için sadece üç çıkışı (elektrotlar) bizim için kullanılabilir. Bu nedenle, normal çalışması için iki güç kaynağı gereklidir. Bir transistör elektrot aynı anda iki kaynağa bağlanacaktır. Bu nedenle, bir bipolar transistör için 3 bağlantı şeması vardır: OE - ortak bir yayıcı ile, OB - ortak bir taban, OK - ortak bir toplayıcı. Her birinin, uygulamaya bağlı olarak hem avantajları hem de dezavantajları vardır ve gerekli özellikler bağlantı seçimini yapar.

Ortak bir emitöre (CE) sahip anahtarlama devresi, sırasıyla akım ve voltajın ve gücün en büyük amplifikasyonu ile karakterize edilir. Bu bağlantı ile çıkış AC voltajı girişe göre 180 elektriksel derece kaydırılır. Ana dezavantaj, düşük frekans yanıtı, yani yüksek frekanslı bir giriş sinyali ile kullanmayı imkansız kılan kesme frekansının düşük değeridir.

(OB) mükemmel frekans yanıtı sağlar. Ancak OE'deki gibi büyük bir voltaj sinyali amplifikasyonu sağlamaz. Ve akım amplifikasyonu hiç gerçekleşmez, bu nedenle bu devreye genellikle akım takipçisi denir, çünkü akım stabilizasyon özelliğine sahiptir.

Ortak kollektör (CC) devresi, OE devresi ile hemen hemen aynı akım kazancına sahiptir, ancak voltaj kazancı neredeyse 1'dir (biraz daha az). Gerilim ofseti bu bağlantı şeması için tipik değildir. Çıkış voltajı ( EB ) giriş voltajına karşılık gelir.

Transistörlerin uygulanması:

Yükseltici devreler;

Sinyal üreteçleri;

Elektronik anahtarlar.

KONU 4. BİPOLAR TRANSİSTÖRLER

4.1 Tasarım ve çalışma prensibi

Bipolar transistör, alternatif elektriksel iletkenlik tiplerine sahip ve güç amplifikasyonu için uygun üç bölgeden oluşan bir yarı iletken cihazdır.

Şu anda üretilen bipolar transistörler aşağıdaki kriterlere göre sınıflandırılabilir:

Malzemeye göre: germanyum ve silikon;

Bölgelerin iletkenlik tipine göre: p-n-p ve n-p-n tipi;

Güç olarak: düşük (Pmax £ 0,3W), orta (Pmax £ 1,5W) ve yüksek güç (Pmax > 1,5W);

Frekansa göre: düşük frekans, orta frekans, yüksek frekans ve mikrodalga.

Bipolar transistörlerde akım, iki tip yük taşıyıcının hareketi ile belirlenir: elektronlar ve delikler (veya temel ve küçük). Bu nedenle isimleri - bipolar.

Şu anda sadece düzlemsel p-n bağlantılı transistörler üretilmekte ve kullanılmaktadır.

Düzlemsel bir bipolar transistörün cihazı, Şek. 4.1.

Farklı elektriksel iletkenliğe sahip üç bölgenin oluşturulduğu bir germanyum veya silikon levhadır. Bir n-p-n transistöründe orta bölge bir deliğe sahiptir ve uç bölgeler elektronik elektrik iletkenliğine sahiptir.

p-n-p tipi transistörler, elektronik ile orta bir bölgeye ve delik elektrik iletkenliğine sahip aşırı bölgelere sahiptir.

Transistörün orta bölgesi taban olarak adlandırılır, bir uç bölge emitör, diğeri toplayıcıdır. Böylece, transistörün iki p-n-bağlantısı vardır: yayıcı - yayıcı ile taban arasında ve toplayıcı - taban ile toplayıcı arasında. Yayıcı bağlantı alanı, kollektör bağlantı alanından daha küçüktür.

Yayıcı, amacı tabana yük taşıyıcıları enjekte etmek olan bir transistörün bir bölgesidir. Toplayıcı, amacı tabandan yük taşıyıcıları çıkarmak olan bir alandır. Baz, bu bölge için küçük olan yük taşıyıcılarının emitör tarafından enjekte edildiği bölgedir.

Yayıcıdaki çoğunluk yük taşıyıcılarının konsantrasyonu, bazdaki çoğunluk yük taşıyıcılarının konsantrasyonundan birçok kez daha fazladır ve toplayıcıdaki konsantrasyonları, emitördeki konsantrasyondan biraz daha azdır. Bu nedenle, emitör iletkenliği, baz iletkenliğinden birkaç kat daha yüksektir ve kollektör iletkenliği, emitör iletkenliğinden biraz daha azdır.

Sonuçlar taban, emitör ve toplayıcıdan alınır. Giriş ve çıkış devrelerinde hangi sonuçların ortak olduğuna bağlı olarak, üç transistör anahtarlama devresi vardır: ortak bir taban (OB), ortak bir emitör (OE), ortak bir toplayıcı (OK).

Giriş veya kontrol devresi, transistörün çalışmasını kontrol etmek için kullanılır. Çıkışta veya kontrollü devrede gelişmiş salınımlar elde edilir. Güçlendirilmiş salınımların kaynağı giriş devresine, yük ise çıkış devresine bağlanır.

Ortak bir temel devresine göre bağlanmış bir p-n-p tipi transistör örneğini kullanarak bir transistörün çalışma prensibini düşünün (Şekil 4.2).

Şekil 4.2 - Bipolar transistörün çalışma prensibi (p-n-p tipi)

İki güç kaynağı EE ve Ek'in harici voltajları, transistöre, emitör bağlantısı P1 ileri yönde (ileri voltaj) ve kollektör bağlantısı P2 ters yönde (ters voltaj) polarlanacak şekilde bağlanır. ).

Kolektör bağlantısına bir ters voltaj uygulanırsa ve yayıcı devre açıksa, kollektör devresinde küçük bir ters akım Iko (mikroamper birimleri) akar. Bu akım, bir ters voltajın etkisi altında ortaya çıkar ve taban deliklerinin azınlık yük taşıyıcılarının ve kollektör bağlantısı boyunca kollektör elektronlarının yönlü hareketi ile oluşturulur. Ters akım devreden geçer: +Ek, baz toplayıcı, −Ek. Kollektör ters akımının büyüklüğü kollektör voltajına değil yarı iletkenin sıcaklığına bağlıdır.

Yayıcı devresine ileri yönde sabit bir voltaj EE bağlandığında, yayıcı bağlantısının potansiyel bariyeri azalır. Tabana deliklerin enjeksiyonu (enjeksiyonu) başlar.

Transistöre uygulanan harici voltajın esas olarak P1 ve P2 bağlantılarına uygulandığı ortaya çıkıyor, çünkü taban, emiter ve kollektör bölgelerinin direncine göre yüksek bir dirence sahiptirler. Bu nedenle tabana enjekte edilen delikler difüzyon yoluyla içinde hareket eder. Bu durumda, delikler baz elektronlarla yeniden birleşir. Bazdaki taşıyıcıların konsantrasyonu emitördekinden çok daha az olduğundan, çok az sayıda delik yeniden birleşir. Küçük bir taban kalınlığı ile hemen hemen tüm delikler P2 kollektör bağlantısına ulaşacaktır. Yeniden birleştirilen elektronlar, Ek güç kaynağından gelen elektronlarla değiştirilir. Tabandaki elektronlarla yeniden birleşen delikler, taban akımı IB'yi oluşturur.

Ek voltajın etkisi altında, kollektör bağlantısının potansiyel bariyeri artar ve P2 bağlantısının kalınlığı artar. Ancak kollektör bağlantısının potansiyel bariyeri, deliklerin içinden geçmesini engellemez. Kolektör bağlantısı bölgesine giren delikler, kollektör voltajı tarafından bağlantıda oluşturulan güçlü bir hızlanma alanına düşer ve kollektör tarafından dışarı çekilir (çekilir), bir kollektör akımı Ik oluşturur. Kolektör akımı devreden geçer: + Ek, baz-kolektör, -Ek.

Böylece, transistörde üç akım akar: emitör, toplayıcı ve baz akımı.

Tabanın çıkışı olan telde emiter ve kollektör akımları zıt yönlerdedir. Bu nedenle, baz akım, emitör ve kollektör akımları arasındaki farka eşittir: IB \u003d IE - IK.

n-p-n tipi bir transistördeki fiziksel işlemler, p-n-p tipi bir transistördeki işlemlere benzer şekilde ilerler.

Toplam emitör akımı IE, emitör tarafından enjekte edilen ana yük taşıyıcılarının sayısı ile belirlenir. Bu yük taşıyıcıların toplayıcıya ulaşan ana kısmı, bir kollektör akımı Ik oluşturur. Baza enjekte edilen yük taşıyıcılarının önemsiz bir kısmı, bazda yeniden birleşerek bir baz akımı IB oluşturur. Bu nedenle emiter akımı, baz ve kollektör akımlarına bölünecektir, yani. IE \u003d IB + Ik.

Yayıcı akım giriş akımıdır, kollektör akımı çıkıştır. Çıkış akımı, girişin bir parçasıdır, yani.

burada a, OB devresi için akım transfer katsayısıdır;

Çıkış akımı giriş akımından küçük olduğundan, a katsayısı<1. Он показывает, какая часть инжектированных в базу носителей заряда достигает коллектора. Обычно величина a составляет 0,95¸0,995.

Ortak bir emitör devresinde çıkış akımı kollektör akımı, giriş akımı ise taban akımıdır. OE devresi için akım kazancı:

(4.3)

Sonuç olarak, OE devresi için akım kazancı onlarca birimdir.

Transistörün çıkış akımı giriş akımına bağlıdır. Bu nedenle, bir transistör akım kontrollü bir cihazdır.

Yayıcı bağlantı voltajındaki bir değişikliğin neden olduğu emitör akımındaki değişiklikler, tamamen kollektör devresine aktarılır ve kollektör akımında bir değişikliğe neden olur. Dan beri Ek toplayıcı güç kaynağının voltajı, emitör Ee'ninkinden çok daha büyükse, kollektör devresi Pk'de tüketilen güç, emitör devresi Re'deki güçten çok daha büyük olacaktır. Böylece emiter devresinde harcanan düşük bir güçle, yani transistörün kollektör devresindeki büyük bir gücü kontrol etmek mümkündür. güçte bir artış var.

4.2 Bipolar transistörleri açma şemaları

Transistör, elektrik devresine, terminallerinden biri (elektrot) giriş, ikincisi çıkış ve üçüncüsü giriş ve çıkış devreleri için ortak olacak şekilde bağlanır. Hangi elektrotun ortak olduğuna bağlı olarak, üç transistör anahtarlama devresi vardır: OB, OE ve OK. Bir p-n-p transistörü için bu devreler, Şek. 4.3. Bir n-p-n transistör için, anahtarlama devrelerinde sadece gerilimlerin polaritesi ve akımların yönü değişir. Herhangi bir transistör anahtarlama devresi için (aktif modda), güç kaynaklarını açmanın polaritesi, emitör bağlantısı ileri yönde ve kollektör bağlantısı ters yönde açılacak şekilde seçilmelidir.

Şekil 4.3 - Bipolar transistörleri açma şemaları: a) HAKKINDA; b) OE; c) tamam

4.3 Bipolar transistörlerin statik özellikleri

Transistörün statik çalışma modu, çıkış devresinde yük olmadığındaki moddur.

Transistörlerin statik özelliklerine, giriş devresinin (giriş VAC) ve çıkış devresinin (çıkış VAC) voltaj ve akımının grafiksel olarak ifade edilen bağımlılıkları denir. Özelliklerin türü, transistörün açılma şekline bağlıdır.

4.3.1 OB devresine göre bağlanan transistörün özellikleri

UKB \u003d const ile IE \u003d f (UEB) (Şekil 4.4, a).

IE \u003d const ile IK \u003d f (UKB) (Şekil 4.4, b).

Şekil 4.4 - OB devresine göre bağlanan iki kutuplu bir transistörün statik özellikleri

Çıkış I–V karakteristiklerinin üç karakteristik bölgesi vardır: 1 – Ik'nin UKB'ye güçlü bağımlılığı (doğrusal olmayan başlangıç ​​bölgesi); 2 – Ik'nin UKB'ye zayıf bağımlılığı (doğrusal bölge); 3 - kollektör bağlantısının bozulması.

Bölge 2'deki özelliklerin bir özelliği, artan UKB gerilimi ile hafif artışlarıdır.

4.3.2 OE şemasına göre bağlanan transistörün özellikleri:

Giriş özelliği bağımlılıktır:

UKE \u003d const ile IB \u003d f (UBE) (Şekil 4.5, b).

Çıkış karakteristiği bağımlılıktır:

IB \u003d const ile IK \u003d f (UKE) (Şekil 4.5, a).

Şekil 4.5 - OE devresine göre bağlanan iki kutuplu bir transistörün statik özellikleri

OE devresindeki transistör akım kazancı sağlar. OE devresindeki akım kazancı: Transistörler için a katsayısı a = 0.9¸0.99 ise, o zaman b katsayısı = 99¸99. Bu, özellikle OB devresine kıyasla bu anahtarlama devresinin daha geniş pratik uygulamasını belirleyen OE devresine göre transistörü açmanın en önemli avantajıdır.

Transistörün çalışma prensibinden, iki akım bileşeninin taban terminalinden zıt yönde aktığı bilinmektedir (Şekil 4.6): kollektör bağlantısının ters akımı IKO ve verici akımın bir kısmı (1 - a) IE. Bu bağlamda, temel akımın (IB = 0) sıfır değeri, akımların belirtilen bileşenlerinin eşitliği ile belirlenir, yani. (1 - a)IE = IKO. Sıfır giriş akımı, emitör akımı IE=IKO/(1−a)=(1+b)IKO ve kollektör akımına karşılık gelir. Başka bir deyişle, sıfır temel akımda (IB \u003d 0), OE devresindeki transistörden ilk veya akım IKO (E) olarak adlandırılan ve (1 + b) IKO'ya eşit bir akım akar.

Şekil 4.6 - Ortak emitörlü bir transistör için anahtarlama devresi (OE devresi)

4.4 Temel parametreler

Bipolar transistörlü devrelerin analizi ve hesaplanması için, sözde h kullanılır - OE devresine göre bağlanmış bir transistörün parametreleri.

OE devresine göre bağlanan bir transistörün elektrik durumu, IB, IBE, IK, UKE değerleri ile karakterize edilir.

h - parametreleri sistemi aşağıdaki miktarları içerir:

1. Giriş empedansı

h11 = DU1/DI1 ile U2 = sabit. (4.4)

transistörün çıkıştaki kısa devrenin olduğu alternatif bir giriş akımına direncini temsil eder, yani. AC çıkış voltajının yokluğunda.

2. Gerilim geri besleme oranı:

h12 = DU1/DU2 ile I1= sabit. (4.5)

içindeki geri besleme nedeniyle transistörün girişine giriş AC voltajının ne kadarının iletildiğini gösterir.

3. Akım kuvvet katsayısı (akım aktarım katsayısı):

h21 = DI2/DI1 ile U2= sabit. (4.6)

yüksüz modda transistörün AC kazancını gösterir.

4. Çıkış iletkenliği:

h22 = DI2/DU2 ile I1 = sabit. (4.7)

transistörün çıkış terminalleri arasındaki AC iletkenliğini temsil eder.

Çıkış direnci Rota = 1/h22.

Ortak emitör devresi için aşağıdaki denklemler geçerlidir:

(4.8)

Kolektör bağlantısının aşırı ısınmasını önlemek için, kollektör akımının geçişi sırasında içinde salınan gücün belirli bir maksimum değeri aşmaması gerekir:

(4.9)

Ek olarak, kollektör voltajında ​​kısıtlamalar vardır:

ve kollektör akımı:

4.5 Bipolar transistörlerin çalışma modları

Transistör, bağlantı noktalarındaki gerilime bağlı olarak üç modda çalışabilir. Aktif modda çalışırken voltaj, emitör bağlantısında doğrudan ve kollektör bağlantısında terstir.

Kesme modu veya engelleme, her iki bağlantıya da bir ters voltaj uygulanarak elde edilir (her iki p-n- bağlantısı da kapalıdır).

Voltaj her iki bağlantıda da doğrudan ise (her iki p-n- bağlantısı da açıktır), transistör doyma modunda çalışır.

Kesme ve doyma modlarında neredeyse hiç transistör kontrolü yoktur. Aktif modda, bu tür kontrol en verimli şekilde gerçekleştirilir ve transistör, elektrik devresinin aktif bir elemanının (amplifikasyon, üretim, vb.) işlevlerini yerine getirebilir.

4.6 Kapsam

Bipolar transistörler, evrensel kullanım için yarı iletken cihazlardır ve çeşitli amplifikatörlerde, jeneratörlerde, darbe ve anahtar cihazlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.

4.7 Bipolar transistördeki en basit yükseltme aşaması

En büyük uygulama, ortak emitör devresine göre transistör anahtarlama devresi tarafından bulunur (Şekil 4.7).

Devrenin ana elemanları güç kaynağı Ek, kontrol edilen eleman transistör VT ve direnç Rk'dir. Bu elemanlar, kontrollü bir akımın akışı nedeniyle devrenin çıkışında yükseltilmiş bir alternatif voltajın oluşturulduğu yükseltme aşamasının ana (çıkış) devresini oluşturur.

Kalan unsurlar destekleyici bir rol oynar. Kondansatör Cp ayrılıyor. Bu kapasitörün yokluğunda, Ek güç kaynağından giriş sinyali kaynağı devresinde bir doğru akım oluşturulacaktır.

Şekil 4.7 - Ortak bir yayıcı devresine göre bir bipolar transistördeki en basit yükseltme aşamasının şeması

Temel devrede bulunan RB direnci, transistörün dinlenme modunda çalışmasını sağlar, yani. bir giriş sinyalinin yokluğunda. Dinlenme modu, dinlenme temel akımı IB » Ek/RB tarafından sağlanır.

Direnç Rk yardımıyla bir çıkış voltajı oluşturulur, yani. Rk, baz devre tarafından kontrol edilen, içindeki akım akışı nedeniyle çıkış devresinde değişen bir voltaj oluşturma işlevini yerine getirir.

Yükseltme aşamasının kollektör devresi için, elektrik durumunun aşağıdaki denklemi yazılabilir:

Ek \u003d Uke + IkRk, (4.10)

yani, direnç Rk üzerindeki voltaj düşüşünün ve transistörün kolektör-yayıcı voltajı Uke'nin toplamı her zaman sabit bir değere eşittir - güç kaynağı Ek'in EMF'si.

Amplifikasyon işlemi, giriş tarafından belirtilen yasaya göre kontrol edilen elemanın (transistör) direncindeki bir değişiklik nedeniyle, sabit bir voltaj kaynağının (E) enerjisinin çıkış devresindeki alternatif bir voltajın enerjisine dönüştürülmesine dayanır. sinyal.

Yükseltme aşamasının girişine bir alternatif voltaj uin uygulandığında, transistörün temel devresinde bir alternatif akım bileşeni IB ~ oluşturulur, bu, taban akımının değişeceği anlamına gelir. Baz akımındaki bir değişiklik, kollektör akımının değerinde bir değişikliğe (IK = bIB) ve dolayısıyla Rk ve Uke direnci üzerindeki gerilimlerin değerlerinde bir değişikliğe yol açar. Yükseltme yetenekleri, kollektör akımının değerlerindeki değişimin baz akımından b kat daha büyük olmasından kaynaklanmaktadır.

4.8 Bipolar transistörlü elektrik devrelerinin hesaplanması

Yükseltme aşamasının kollektör devresi için (Şekil 4.7), ikinci Kirchhoff yasasına göre denklem (4.10) geçerlidir.

Kolektör direnci RK'nin volt-amper özelliği doğrusaldır ve transistörün volt-amper özellikleri, OE devresine göre bağlanan transistörün (Şekil 4.5, a) doğrusal olmayan kollektör özellikleridir.

Böyle doğrusal olmayan bir devrenin hesaplanması, yani. IB baz akımlarının çeşitli değerleri ve RK direncinin direnci için IK, URK ve UKE'nin belirlenmesi grafiksel olarak gerçekleştirilebilir. Bunu yapmak için, kollektör özellikleri ailesinde (Şekil 4.5, a), apsis ekseni voltlarındaki EK noktasından - denklemi karşılayan direnç RK'nin mevcut özelliğinden çizmek gerekir:

Uke \u003d Ek - RkIk. (4.11)

Bu özellik iki nokta üzerine inşa edilmiştir:

x ekseninde Ik = 0'da Uke =Ek ve y ekseninde Uke = 0'da Ik = Ek/Rk. Bu şekilde oluşturulan kollektör direnci Rk'nin CVC'sine yük hattı denir. Kollektör özellikleriyle kesişme noktaları, belirli bir Rk direnci ve IB taban akımının çeşitli değerleri için denklem (4.11) için grafiksel bir çözüm sunar. Bu noktalar, transistör ve direnç Rk için aynı olan kollektör akımı Ik ile UKE ve URK gerilimini belirlemek için kullanılabilir.

Yük hattının statik IV özelliklerinden biriyle kesişme noktasına transistörün çalışma noktası denir. IB'yi değiştirerek yük hattı boyunca hareket ettirebilirsiniz. Bir giriş değişken sinyalinin yokluğunda bu noktanın ilk konumuna dinlenme noktası − Т0 denir.

a) b)

Şekil 4.8 - Çıkış ve giriş özelliklerini kullanarak transistörün çalışma modunun grafik-analitik hesaplaması.

Dinlenme noktası (çalışma noktası) T0, dinlenme modunda mevcut IKP'yi ve UKEP voltajını belirler. Bu değerlerden, transistörün parametrelerinden biri olan PK max'ın maksimum gücünü geçmemesi gereken, dinlenme modunda transistörde serbest bırakılan RCP'nin gücünü bulabilirsiniz:

RKP = IKP ×UKEP £ RK maks. (4.12)

Referans kitapları genellikle bir girdi özellikleri ailesi sağlamaz, sadece UKE = 0 ve bazı UKE > 0 için özellikler sağlar.

1V'yi aşan farklı UKE'ler için giriş özellikleri birbirine çok yakındır. Bu nedenle giriş akımlarının ve gerilimlerinin hesaplanması, referans kitaptan alınan UKE > 0 için giriş karakteristiğine göre yaklaşık olarak yapılabilir.

Çıkış çalışma karakteristiğinin A, To ve B noktaları bu eğriye aktarılır ve A1, T1 ve B1 noktaları elde edilir (Şekil 4.8, b). T1 çalışma noktası, temel UBEP'nin sabit voltajını ve temel IBP'nin sabit akımını belirler.

Direnç RB'nin direnci (transistörün dinlenme modunda çalışmasını sağlar), bu sayede EK kaynağından tabana sabit bir voltaj sağlanır:

(4.13)

Aktif (yükseltici) modda, transistör To'nun dinlenme noktası AB yük hattı bölümünün yaklaşık olarak ortasında bulunur ve çalışma noktası AB bölümünün ötesine geçmez.