bipolar transistör. Dahil etme şemaları. Bipolar transistörler: anahtarlama devreleri. Ortak bir yayıcı ile bir bipolar transistörü açma şeması

Bipolar transistör, sinyalleri yükseltmeye veya değiştirmeye yarayan iki p-n bağlantısı ve üç terminali olan bir yarı iletken elemandır. p-n-p ve n-p-n tiplerinde gelirler. Şekil 7.1, a ve b sembollerini göstermektedir.

Şekil 7.1. Bipolar transistörler ve diyot eşdeğer devreleri: a) p-n-p, b) n-p-n transistörü

Transistör, bir ortak p veya n katmanına sahip, karşılıklı olarak bağlı iki diyottan oluşur. Buna bağlanan elektrot baz B olarak adlandırılır. Diğer iki elektrot emiter E ve kollektör K olarak adlandırılır. Sembolün yanında gösterilen diyot eşdeğer devresi, transistör bağlantılarının anahtarlama yapısını açıklar. Bu diyagram, transistörün işlevini tam olarak karakterize etmese de, içinde hareket eden ters ve ileri voltajları temsil etme fırsatı sağlar. Tipik olarak, emitör-taban bağlantısı ileri yönlüdür (açık) ve baz-toplayıcı bağlantısı ters yönlüdür (mandallı). Bu nedenle, Şekil 7.2'de gösterildiği gibi voltaj kaynakları açılmalıdır.

Şekil 7.2. Anahtarlama polaritesi: a) n-p-n, b) p-n-p transistör

NPN transistörleri aşağıdaki kurallara uyar (PNP transistörleri için kurallar geçerlidir, ancak voltaj kutuplarının ters çevrilmesi gerektiğini unutmayın):

1. Kollektör, emitörden daha pozitif bir potansiyele sahiptir.

2. Baz verici ve baz toplayıcı devreleri diyotlar gibi çalışır (Şekil 7.1). Genellikle baz-yayıcı bağlantısı açıktır ve baz-toplayıcı bağlantısı ters yönde, yani. uygulanan voltaj, akımın içinden akmasını önler. Bu kuraldan, baz potansiyelinin emiter potansiyelini 0,6 - 0,8 V'den (diyotun ileri voltajı) daha fazla aşacağı ve çok büyük bir akım ortaya çıkacağı için, baz ile emitör arasındaki voltajın süresiz olarak artırılamayacağı sonucuna varılır. Bu nedenle, çalışan bir transistörde tabandaki ve emitördeki voltaj aşağıdaki ilişki ile ilişkilidir: UB ≈ UE + 0.6V; (UB = UE + UBE).

3. Her transistör, IK, IB, UKE'nin maksimum değerleri ile karakterize edilir. Bu parametreler aşılırsa, başka bir transistör kullanılmalıdır. Ayrıca, örneğin RC'nin harcanan gücü, sıcaklık, UBE vb. Gibi diğer parametrelerin sınır değerleri hakkında da hatırlanmalıdır.

4. Kural 1-3 karşılanırsa, kollektör akımı temel akımla doğru orantılıdır. Kollektör ve emitör akımlarının oranı yaklaşık olarak eşittir

IK \u003d αIE, burada α \u003d 0.95 ... 0.99, verici akım transfer katsayısıdır. Kirchhoff'un birinci yasasına göre yayıcı ve kollektör akımları arasındaki fark (ve Şekil 7.2, a'dan görülebileceği gibi) temel akım IB \u003d IE - IK'dir. Kollektör akımı, ifadeye göre baz akımına bağlıdır: IK \u003d βIB, burada β \u003d α / (1-α) temel akım transfer katsayısı, β >> 1'dir.

Kural 4, bir transistörün temel özelliğini tanımlar: küçük bir taban akımı, büyük bir kollektör akımını harekete geçirir.

Transistör çalışma modları. Bipolar transistörün her bir bağlantısı ileri veya geri yönde açılabilir. Buna bağlı olarak, transistörün aşağıdaki dört çalışma modu ayırt edilir.

Güçlendirme veya aktif mod- emitör bağlantısına ileri voltaj ve kollektör bağlantısına ters voltaj uygulanır. Verici akım transfer katsayısının maksimum değerine karşılık gelen transistörün bu çalışma modudur. Kollektör akımı, amplifiye edilmiş sinyalin minimum bozulmasını sağlayarak, baz akımla orantılıdır.

ters mod- kollektör bağlantısına doğrudan bir voltaj uygulanır ve emitör bağlantısına bir ters voltaj uygulanır. Ters mod, transistörün aktif modda çalışmasına kıyasla, transistörün tabanının akım transfer katsayısında önemli bir azalmaya yol açar ve bu nedenle pratikte sadece anahtar devrelerde kullanılır.

doygunluk modu- her iki bağlantı (verici ve toplayıcı) doğrudan voltaj altındadır. Bu durumda çıkış akımı, giriş akımına bağlı değildir ve sadece yük parametreleri tarafından belirlenir. Kollektör ve emiter terminalleri arasındaki düşük voltaj nedeniyle, sinyal iletim devrelerini kapatmak için doyma modu kullanılır.

kesme modu- her iki geçişe de ters gerilimler bağlanır. Cutoff modunda transistörün çıkış akımı pratik olarak sıfır olduğundan, bu mod sinyal iletim devrelerini açmak için kullanılır.

Analog cihazlarda bipolar transistörlerin ana çalışma modu aktif moddur. Dijital devrelerde, transistör anahtar modunda çalışır, yani. aktif modu atlayarak yalnızca kesme veya doygunluk modundadır.

Elektronik bizi her yerde çevreliyor. Ama neredeyse hiç kimse tüm bunların nasıl çalıştığını düşünmüyor. Aslında, her şey oldukça basittir. Bugün göstermeye çalışacağımız şey bu. Ve transistör gibi önemli bir unsurla başlayalım. Size ne olduğunu, ne yaptığını ve bir transistörün nasıl çalıştığını anlatacağız.

Transistör nedir?

transistör- elektrik akımını kontrol etmek için tasarlanmış bir yarı iletken cihaz.

Transistörler nerelerde kullanılır? Evet, her yerde! Neredeyse hiçbir modern elektrik devresi transistörler olmadan yapamaz. Bilgisayar teknolojisi, ses ve video ekipmanı üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadırlar.

Ne zaman Sovyet mikro devreleri dünyanın en büyüğüydü, geçti ve modern transistörlerin boyutu çok küçük. Yani, cihazların en küçüğü bir nanometre boyutunda!

Önek nano on üzeri eksi dokuzuncu kuvvetin büyüklüğünü ifade eder.

Ancak ağırlıklı olarak enerji ve sanayi alanlarında kullanılan dev örnekler de mevcuttur.

Farklı transistör türleri vardır: bipolar ve polar, doğrudan ve ters iletim. Ancak bu cihazların çalışması aynı prensibe dayanmaktadır. Bir transistör, yarı iletken bir cihazdır. Bilindiği gibi, bir yarı iletkendeki yük taşıyıcılar elektronlar veya deliklerdir.

Elektron fazlalığı olan bölge harf ile gösterilir. n(negatif) ve delik iletkenliği olan bölge P(pozitif).

Bir transistör nasıl çalışır?

Her şeyi çok net hale getirmek için işi düşünün bipolar transistör (en popüler tip).

(bundan böyle sadece bir transistör olarak anılacaktır) bir yarı iletken kristaldir (en sık kullanılan silikon veya germanyum), farklı elektriksel iletkenliğe sahip üç bölgeye ayrılmıştır. Bölgeler buna göre adlandırılır kolektör, temel Ve yayıcı. Transistör cihazı ve şematik gösterimi aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.

Doğrudan ve ters iletkenliğin ayrı transistörleri. P-n-p transistörlerine ileri iletken transistörler, n-p-n transistörlerine ters transistörler denir.

Şimdi transistörlerin iki çalışma modunun ne olduğu hakkında. Transistörün çalışması, bir su musluğunun veya vananın çalışmasına benzer. Sadece su yerine - elektrik akımı. Transistörün iki durumu mümkündür - çalışma (transistör açık) ve dinlenme durumu (transistör kapalı).

Bunun anlamı ne? Transistör kapalıyken üzerinden akım geçmez. Açık durumda, tabana küçük bir kontrol akımı uygulandığında, transistör açılır ve emitör-kolektörden büyük bir akım akmaya başlar.

Bir transistördeki fiziksel süreçler

Ve şimdi her şeyin neden böyle olduğu, yani transistörün neden açılıp kapandığı hakkında daha fazla bilgi. Bipolar transistörü ele alalım. Varsın olsun n-p-n transistör.

Kollektör ile emitör arasına bir güç kaynağı bağlarsanız, kollektör elektronları pozitife doğru çekilmeye başlayacak ancak kollektör ile emitör arasında akım olmayacaktır. Bu, taban katmanı ve yayıcı katmanın kendisi tarafından engellenir.

Ancak baz ile emitör arasına ek bir kaynak bağlanırsa emitörün n bölgesinden gelen elektronlar bazlar bölgesine girmeye başlayacaktır. Sonuç olarak, baz bölgesi serbest elektronlarla zenginleşecek, bazıları deliklerle yeniden birleşecek, bazıları tabanın artısına akacak ve bir kısmı (çoğu) kollektöre gidecek.

Böylece transistör açılır ve içinde emitör-toplayıcı akımı akar. Baz voltajı artırılırsa, kollektör-yayıcı akımı da artacaktır. Ayrıca, kontrol voltajındaki küçük bir değişiklikle, kollektör-vericiden geçen akımda önemli bir artış gözlenir. Transistörlerin amplifikatörlerdeki çalışması bu etki üzerine kuruludur.

Transistörlerin kısaca nasıl çalıştığının asıl amacı budur. Gece boyunca bir bipolar transistör güç amplifikatörü tasarlamanız mı gerekiyor, yoksa bir transistörün çalışmasını incelemek için biraz laboratuvar çalışması mı gerekiyor? Öğrenci hizmetleri uzmanlarımızın yardımını kullanırsanız, bu yeni başlayanlar için bile bir sorun değildir.

Ders çalışmak gibi önemli konularda profesyonel yardım almaktan çekinmeyin! Artık transistörler hakkında bir fikriniz olduğuna göre, sizi rahatlamaya ve Korn grubu “Twisted transistor” videosunu izlemeye davet ediyoruz! Örneğin, siz karar verin, Yazışma ile iletişime geçin.

Bir zamanlar, transistörler vakum tüplerinin yerini aldı. Bunun nedeni, daha küçük boyutlara, yüksek güvenilirliğe ve daha az pahalı üretim maliyetlerine sahip olmalarıydı. Şimdi, bipolar transistörlertüm yükseltici devrelerdeki temel elemanlardır.

İki elektron deliği birleşimi oluşturan üç katmanlı bir yapıya sahip yarı iletken bir elementtir. Bu nedenle, bir transistör arka arkaya iki diyot olarak temsil edilebilir. Ana şarj taşıyıcılarının ne olacağına bağlı olarak, p-n-p Ve n-p-n transistörler.

Temel- transistör tasarımının temeli olan bir yarı iletken katman.

yayıcı işlevi, temel katmana yük taşıyıcıların enjeksiyonu olan yarı iletken katman olarak adlandırılır.

Kolektör işlevi, taban katmanından geçen yük taşıyıcıları toplamak olan yarı iletken katman olarak adlandırılır.

Kural olarak, emitör, tabandan çok daha fazla sayıda temel yük içerir. Bu, transistörün çalışması için temel koşuldur, çünkü bu durumda, yayıcı bağlantısının ileri bir önyargısıyla akım, vericinin ana taşıyıcıları tarafından belirlenecektir. Yayıcı, ana işlevini - taşıyıcıların taban katmanına enjeksiyonunu - gerçekleştirebilecektir. Ters emitör akımı genellikle mümkün olduğu kadar küçük olmaya çalışılır. Yayıcının çoğunluk taşıyıcılarında bir artış, yüksek bir safsızlık konsantrasyonu kullanılarak elde edilir.

Taban mümkün olduğunca ince yapılır. Bu, ücretlerin ömrü ile ilgilidir. Yük taşıyıcıları, toplayıcıya ulaşmak için tabanı geçmeli ve tabanın ana taşıyıcıları ile mümkün olduğunca az yeniden birleşmelidir.

Toplayıcının tabandan geçen taşıyıcıları daha tam olarak toplayabilmesi için tabanı genişletmeye çalışıyorlar.

Transistörün çalışma prensibi

Bir p-n-p transistör örneğini düşünün.

Dış gerilimlerin yokluğunda, katmanlar arasında bir potansiyel farkı kurulur. Geçitlerde potansiyel bariyerler kurulur. Ayrıca emitör ve kollektördeki delik sayısı aynı ise potansiyel bariyerler de aynı genişlikte olacaktır.

Transistörün düzgün çalışması için emitör bağlantısı ileri yönlü ve kollektör bağlantısı ters yönlü olmalıdır.. Bu, transistörün aktif moduna karşılık gelecektir. Böyle bir bağlantı kurmak için iki kaynağa ihtiyaç vardır. Ue gerilimli bir kaynak, emitöre bir pozitif kutup ve tabana bir negatif kutup ile bağlanır. Uk gerilimli bir kaynak, kollektöre negatif bir kutupla ve tabana pozitif olarak bağlanır. ve Ue< Uк.

Ue geriliminin etkisi altında, emitör bağlantısı ileri yönde kaydırılır. Bilindiği gibi, elektron deliği geçişi ileri yönlü olduğunda, dış alan geçiş alanının karşısına yönlendirilir ve bu nedenle onu azaltır. Ana taşıyıcılar geçişten geçmeye başlar, emitörde bunlar 1-5 arası delikler ve 7-8 baz elektronlarındadır. Ve emitördeki deliklerin sayısı tabandaki elektronların sayısından fazla olduğu için emitör akımı esas olarak onlardan kaynaklanmaktadır.

Yayıcı akımı, yayıcı akımın delik bileşeni ile tabanın elektronik bileşeninin toplamıdır.

Sadece delik bileşeni kullanışlı olduğu için elektronik bileşeni mümkün olduğu kadar küçük yapmaya çalışırlar. Yayıcı bağlantısının niteliksel özelliği, enjeksiyon oranı.

Enjeksiyon katsayısını 1'e yaklaştırmaya çalışırlar.

Tabana geçen 1-5 arası delikler, emitör bağlantısının sınırında birikir. Böylece, emitörün yakınında yüksek bir konsantrasyonda delikler ve kollektör bağlantısı yakınında düşük bir konsantrasyon oluşturulur, bunun sonucunda deliklerin emitörden kollektör bağlantısına difüzyon hareketi başlar. Ancak kollektör bağlantısının yakınında, delik konsantrasyonu sıfır kalır, çünkü delikler bağlantıya ulaşır ulaşmaz, iç alanı tarafından hızlandırılırlar ve toplayıcıya çekilir (çekilir). Elektronlar bu alan tarafından itilir.

Delikler taban katmanını geçerken orada bulunan elektronlarla örneğin delik 5 ve elektron 6 olarak yeniden birleşirler. Delikler sürekli içeri girdiklerinden fazla pozitif yük oluştururlar, dolayısıyla çekilen elektronların da içeri girmesi gerekir. baz terminali aracılığıyla ve baz akımı Ibr'yi oluşturur. Bu, transistörün çalışması için önemli bir koşuldur. – tabandaki deliklerin konsantrasyonu yaklaşık olarak elektron konsantrasyonuna eşit olmalıdır. Başka bir deyişle tabanın elektriksel nötrlüğü sağlanmalıdır.

Toplayıcıya ulaşan delik sayısı, tabandaki yeniden birleştirilen deliklerin miktarı kadar emitörden ayrılan delik sayısından daha azdır. yani, Kollektör akımı, emiter akımından baz akım ile farklılık gösterir.

buradan geliyor transfer katsayısı 1'e yaklaştırmaya çalıştıkları taşıyıcılar.

Transistörün kollektör akımı, Icr delik bileşeninden ve kollektör ters akımından oluşur.

Ters kollektör akımı, kollektör bağlantısının ters önyargısının bir sonucu olarak meydana gelir, bu nedenle bir 9 deliğinin azınlık taşıyıcılarından ve bir elektron 10'dan oluşur. Bunun nedeni tam olarak ters akımın azınlık taşıyıcıları tarafından oluşturulmasıdır, çünkü sadece termal üretim süreci, yani sıcaklıkta. Bu nedenle, genellikle denir termal akım.

Transistörün kalitesi, termal akımın büyüklüğüne bağlıdır, ne kadar küçükse, transistör o kadar iyidir.

Kollektör akımı emitöre bağlanır akım aktarım oranı.

Bir transistördeki akımlar aşağıdaki gibi gösterilebilir.

Makalede, beta katsayısı gibi önemli bir transistör parametresini analiz ettik. (β) . Ancak transistörde ilginç bir parametre daha var. Kendi başına önemsizdir, ancak iş hoo yapabilir! Bir sporcunun spor ayakkabılarına giren bir çakıl taşı gibi: küçük görünüyor, ancak koşarken rahatsızlığa neden oluyor. Peki bu çok “çakıl”ı transistörden engelleyen nedir? Anlayalım...

PN bağlantısının doğrudan ve ters bağlantısı

Hatırladığımız gibi, bir transistör üç yarı iletkenden oluşur. baz yayıcı dediğimiz yayıcı bağlantı, ve temel toplayıcı olan geçiş - kollektör geçişi

Bu durumda bir NPN transistörümüz olduğundan, tabanı 0,6 Volt'tan daha fazla bir voltaj uygulayarak açmamız koşuluyla akımın kollektörden emitere akacağı anlamına gelir (yani, transistörün açılması için) .

Varsayımsal olarak ince bir bıçak alalım ve yayıcıyı PN bağlantısı boyunca keselim. Bunun gibi bir şey alacağız:

Durmak! Bir diyotumuz var mı? Evet, o en iyisidir! Akım-voltaj karakteristiği (CVC) makalesinde bir diyotun IV karakteristiğini dikkate aldığımızı unutmayın:

CVC'nin sağ tarafında, grafiğin dalının nasıl çok keskin bir şekilde yükseldiğini görüyoruz. Bu durumda diyota bu şekilde sabit bir voltaj uyguladık, yani diyotun doğrudan bağlantısı.

Diyot kendi içinden bir elektrik akımı geçirdi. Sen ve ben, diyotun doğrudan ve ters açılmasıyla deneyler bile yaptık. Kim hatırlamaz, okuyabilirsiniz.

Ama polariteyi tersine çevirirseniz

o zaman diyot akımı geçmez. Bize her zaman bu şekilde öğretildi ve bunda bazı gerçekler var, ama ... dünyamız mükemmel değil).

Bir PN bağlantısı nasıl çalışır? Bunu bir huni olarak temsil ettik. Yani bu çizim için

hunimiz akıntıya doğru ters çevrilecek

Su akışının yönü, elektrik akımının yönüdür. Huni diyottur. Ama huninin dar boynundan geçen su burada mı? Nasıl denilebilir? Ve o denir ters akım PN bağlantısı (I arr).

Suyun akış hızını eklerseniz, huninin dar boğazından geçecek su miktarı artar mı sizce? Kesinlikle! Yani voltaj eklersek u var, sonra ters akım artacak ben varım diyotun VAC grafiğinde sol tarafta gördüğümüz:

Fakat suyun akışı ne ölçüde arttırılabilir? Çok büyükse, hunimiz dayanmaz, duvarlar çatlar ve paramparça olur, değil mi? Bu nedenle, her diyot için aşağıdaki gibi bir parametre bulabilirsiniz. U dizi.maks, diyot için hangisinin aşılması ölüme eşdeğerdir.

Örneğin, bir D226B diyot için:

U dizi.maks\u003d 500 Volt ve maksimum ters darbe Var. imp.max= 600 volt. Ancak elektronik devrelerin dedikleri gibi "%30'luk bir marjla" tasarlandığını unutmayın. Ve devrede diyot üzerindeki ters voltaj 490 volt olsa bile, devreye 600 volttan daha fazla dayanabilecek bir diyot konulacaktır. Kritik değerlerle oynamamak daha iyidir). Darbe ters voltajı, 600 volta kadar genliğe ulaşabilen keskin bir voltaj patlamasıdır. Ancak burada da küçük bir farkla almak daha iyidir.

Peki ... ama diyot ve diyot hakkında neyim var ... Transistörleri inceliyor gibiyiz. Ama ne derse desin diyot, bir transistör inşa etmek için bir yapı taşıdır. Yani, kollektör bağlantısına bir ters voltaj uygularsak, o zaman bir diyotta olduğu gibi bağlantıdan bir ters akım akacak mı? Kesinlikle. Ve bu parametre transistörde çağrılır. . biz buna atıfta bulunuyoruz ben KBO, burjuvalar arasında - Ben CBO. anlamına gelir "açık emitörlü kollektör ve baz arasındaki akım". Kabaca söylemek gerekirse, emitör ayağı hiçbir yere yapışmaz ve havada asılı kalır.

Kollektörün ters akımını ölçmek için bu kadar basit devreleri toplamak yeterlidir:

NPN transistörü için PNP transistörü için

Silikon transistörler için ters kollektör akımı 1 μA'dan azdır, germanyum transistörler için: 1-30 μA. Sadece 10 μA'dan ölçüm yaptığım ve elimde germanyum transistörler olmadığı için cihazın çözünürlüğü izin vermediği için bu deneyi yapamayacağım.

Kollektör ters akımının neden bu kadar önemli olduğu ve referans kitaplarında verildiği sorusuna cevap veremedik. Mesele şu ki, çalışma sırasında transistör bir miktar gücü uzaya dağıtır, bu da ısındığı anlamına gelir. Ters kolektör akımı sıcaklığa çok bağlıdır ve her 10 santigrat derece için değerini ikiye katlar. Hayır, peki, nedir? Bırak büyüsün, kimseyi rahatsız etmiyor gibi görünüyor.

Ters kollektör akımının etkisi

Mesele şu ki, bazı anahtarlama devrelerinde bu akımın bir kısmı emitör bağlantısından geçer. Ve senin ve benim hatırladığımız gibi, temel akım emitör bağlantısından geçer. Kontrol akımı (baz akımı) ne kadar büyük olursa, kontrol edilen (kolektör akımı) o kadar büyük olur. Makalede tartıştığımız şey bu. Bu nedenle baz akımındaki en ufak bir değişiklik kollektör akımında büyük bir değişikliğe neden olur ve tüm devre arızalanmaya başlar.

Ters kollektör akımı ile nasıl baş edilir

Yani, transistörün ana düşmanı sıcaklıktır. Radyo-elektronik ekipman (REA) geliştiricileri bununla nasıl başa çıkıyor?

- ters kollektör akımının çok küçük olduğu transistörler kullanın. Bunlar elbette silikon transistörlerdir. Küçük bir ipucu - silikon transistörlerin işaretlenmesi "KT" harfleriyle başlar, yani İLE Kemer T fidyeci.

- kollektör ters akımını en aza indiren devrelerin kullanılması.

Kollektör ters akımı önemli bir transistör parametresidir. Her transistör için veri sayfasında verilmiştir. Aşırı sıcaklık koşullarında kullanılan devrelerde kollektör dönüş akımı çok büyük rol oynayacaktır. Bu nedenle, soğutucu ve fan kullanmayan bir devre kuruyorsanız, elbette, minimum ters kollektör akımına sahip transistörler almak daha iyidir.

KONU 4. BİPOLAR TRANSİSTÖRLER

4.1 Tasarım ve çalışma prensibi

Bipolar transistör, alternatif elektrik iletkenliği türlerine sahip üç bölgeden oluşan ve güç amplifikasyonu için uygun olan 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 voltajının 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 devresinde Pk 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 kollektör-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 Rk kollektör direncinin CVC'sine yük hattı denir. Kollektör özellikleriyle kesişme noktaları, belirli bir Rk direnci ve temel akım IB'nin çeşitli değerleri için denklemin (4.11) grafiksel bir çözümünü verir. 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 sinyali olmadığında 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.