Struktura a funkce bipolárního tranzistoru » Informace pro elektrikáře

Tranzistor je polovodičová součástka, která dokáže zesilovat, převádět a generovat elektrické signály. Název polovodičové součástky tranzistor je tvořen dvěma slovy: transfer + resist. Protože si ho lze skutečně představit jako nějaký odpor, který bude regulován napětím jedné elektrody. První funkční bipolární tranzistor byl vynalezen v roce 1947. Materiálem pro jeho výrobu bylo germanium. A již v roce 1956 se zrodil křemíkový tranzistor.

Bipolární tranzistor je polovodičová součástka, která se skládá ze tří polovodičů se střídavými typy vodivosti nečistot. Ke každé vrstvě je připojena a vyvedena elektroda. Bipolární tranzistor používá současně náboje, jejichž nosiči jsou elektrony (n – „záporný“) a díry (p – „kladný“), tj. nosiče dvou typů, odtud pochází předpona názvu „bi“ – dva.

Kromě bipolárních tranzistorů existují i unipolární (polně řízené) tranzistory, které používají pouze jeden typ nosiče náboje – elektrony nebo díry.

Tranzistory byly dlouho převážně germaniové a měly strukturu PNP, což bylo vysvětleno možnostmi tehdejších technologií. Parametry germaniových tranzistorů však byly nestabilní, jejich největší nevýhodou je nízká provozní teplota – ne více než 60 . 70 stupňů Celsia. Při vyšších teplotách se tranzistory stávaly nekontrolovatelnými a poté zcela selhávaly.

Postupem času začaly křemíkové tranzistory vytlačovat své germaniové protějšky. V současné době se používají hlavně křemíkové a na tom není nic překvapivého. Koneckonců, křemíkové tranzistory a diody (téměř všechny typy) zůstávají funkční až do 150…170 stupňů. Křemíkové tranzistory jsou také „náplní“ všech integrovaných obvodů.

Tranzistory jsou právem považovány za jeden z velkých objevů lidstva. Tím, že nahradily elektronky, je nejen nahradily, ale způsobily revoluci v elektronice, překvapily a šokovaly svět. Nebýt tranzistorů, mnoho moderních zařízení a přístrojů, tak známých a blízkých, by prostě nevzniklo.

Většina křemíkových tranzistorů má npn strukturu, což je vysvětleno i technologií výroby, ačkoli existují i křemíkové tranzistory typu pnp, ale je jich o něco méně než npn struktur. Takové tranzistory se používají v komplementárních párech (tranzistory s různou vodivostí se stejnými elektrickými parametry). Například KT315 a KT361, KT815 a KT814 a ve výstupních stupních tranzistorových výkonových zesilovačů KT819 a KT818. V dovážených zesilovačích se velmi často používá výkonný komplementární pár 2SA1943 a 2SC5200.

Tranzistory struktury pnp se často nazývají tranzistory s přímou vodivostí a struktury npn s reverzní vodivostí. Z nějakého důvodu se tento název v literatuře téměř nevyskytuje, ale v kruhu radiotechniků a radioamatérů se používá všude, každý okamžitě chápe, o čem se diskutuje. Obrázek ukazuje schematickou strukturu tranzistorů a jejich konvenční grafické symboly.

Kromě rozdílu v typu vodivosti a materiálu se bipolární tranzistory klasifikují podle výkonu a provozní frekvence. Pokud disipační výkon na tranzistoru nepřesahuje 0,3 W, je takový tranzistor považován za nízkovýkonný. S výkonem 0,3 . 3 W se tranzistor nazývá tranzistor středního výkonu a s výkonem nad 3 W se výkon považuje za vysokovýkonný. Moderní tranzistory jsou schopny disipovat výkon několika desítek a dokonce stovek wattů.

Tranzistory zesilují elektrické signály různě: s rostoucí frekvencí se zesílení tranzistorové kaskády snižuje a při určité frekvenci se zcela zastaví. Proto se pro provoz v širokém rozsahu frekvencí vyrábějí tranzistory s různými frekvenčními vlastnostmi.

Podle provozní frekvence se tranzistory dělí na nízkofrekvenční, – provozní frekvence není vyšší než 3 MHz, středněfrekvenční – 3. 30 MHz, vysokofrekvenční – vyšší než 30 MHz. Pokud provozní frekvence přesahuje 300 MHz, pak se již jedná o ultravysokofrekvenční tranzistory.

Obecně platí, že seriózní tlusté referenční knihy uvádějí přes 100 různých parametrů tranzistorů, což také naznačuje obrovské množství modelů. A počet moderních tranzistorů je takový, že je již nelze v plném rozsahu zahrnout do žádné referenční knihy. A modelová řada se neustále rozšiřuje, což umožňuje řešit téměř všechny úkoly stanovené vývojáři.

Existuje mnoho tranzistorových obvodů (stačí si připomenout počet domácích spotřebičů) pro zesilování a převod elektrických signálů, ale i přes veškerou rozmanitost se tyto obvody skládají ze samostatných kaskád, jejichž základem jsou tranzistory. Pro dosažení potřebného zesílení signálu je nutné použít několik zesilovacích kaskád zapojených do série. Abychom pochopili, jak zesilovací kaskády fungují, je nutné se podrobněji seznámit s obvody zapojení tranzistorů.

Tranzistor sám o sobě nemůže nic zesilovat. Jeho zesilovací vlastnosti spočívají v tom, že malé změny vstupního signálu (proudu nebo napětí) vedou k významným změnám napětí nebo proudu na výstupu kaskády v důsledku výdeje energie z externího zdroje. Právě tato vlastnost se široce využívá v analogových obvodech – zesilovačích, televizi, rádiu, komunikacích atd.

Pokud se podíváte na zjednodušený průřez tranzistorem, uvidíte, že plocha pn přechodu kolektoru je větší než plocha emitoru.

Báze je vyrobena z polovodiče se slabou vodivostí, tj. odpor materiálu je vysoký. Předpokladem je tenká vrstva báze pro možnost tranzistorového efektu. Protože kontaktní plocha pn přechodu na kolektoru a emitoru je odlišná, nelze změnit polaritu zapojení. Tato vlastnost klasifikuje tranzistor jako asymetrický prvek.

Bipolární tranzistor má dvě charakteristiky proud-napětí (CVC): vstupní a výstupní.

Vstupní I-V charakteristika je závislost základního proudu (I_Б) z napětí báze-emitor (U_BÝT).

Výstupní I-V charakteristika je závislost kolektorového proudu (I_К) z napětí kolektor-emitor (U_CE).

Princip činnosti bipolárního tranzistoru bude uvažován na typu npn, u pnp je to podobné, pouze se uvažují ne elektrony, ale díry. Tranzistor má dva pn přechody. V aktivním režimu provozu je jeden z nich připojen k propustnému předpětí a druhý k opačnému. Když je přechod EB otevřený, elektrony z emitoru se snadno přesunou k bázi (dochází k rekombinaci). Jak již bylo řečeno, základní vrstva je tenká a její vodivost je nízká, takže některé elektrony mají čas přesunout se k přechodu báze-kolektor. Elektrické pole pomáhá překonat (zesiluje) bariéru přechodu vrstev, protože elektrony jsou zde minoritními nosiči. Se zvyšujícím se proudem báze se přechod emitor-báze bude otevírat stále více a více elektronů bude moci proklouznout z emitoru do kolektoru. Kolektorový proud je úměrný proudu báze a s malou změnou proudu báze (řízení) se kolektorový proud výrazně změní. Takto se signál v bipolárním tranzistoru zesiluje.

Princip fungování tranzistoru lze ilustrovat na příkladu vodovodního kohoutku. Představte si, že KE je vodovodní potrubí a B je kohoutek, kterým můžete ovládat průtok vody. To znamená, že čím větší proud dodáte do báze, tím větší proud dostanete na výstupu.

Hodnota kolektorového proudu je téměř rovna emitorovému proudu, po vyloučení ztrát v důsledku rekombinace v bázi, která tvoří bázový proud, takže platí vzorec:

Hlavní parametry tranzistoru:

Proudový zisk je poměr efektivní hodnoty kolektivního proudu k základnímu proudu.

Vstupní odpor – podle Ohmova zákona bude roven poměru napětí emitor-báze U_EB k řídicímu proudu I_Б.

Faktor zesílení napětí – parametr je poměr výstupního napětí U_EC pro vstup U_BÝT.

Pro připojení tranzistoru máme přístup pouze ke třem jeho vývodům (elektrodám). Pro jeho normální provoz jsou tedy potřeba dva zdroje napájení. Jedna elektroda tranzistoru bude připojena ke dvěma zdrojům současně. Existují tedy 3 schémata pro zapojení bipolárního tranzistoru: OE – se společným emitorem, OB – se společnou bází, OK – se společným kolektorem. Každé má své výhody a nevýhody, v závislosti na oblasti použití a požadovaných vlastnostech se volí jedno nebo druhé zapojení.

Obvod se společným emitorem (CE) se vyznačuje největším zesílením proudu a napětí, a tedy i výkonu.

Při tomto zapojení je výstupní střídavé napětí posunuto o 180 elektrických stupňů vzhledem ke vstupu. Hlavní nevýhodou je nízká frekvenční odezva, tj. nízká hodnota mezní frekvence, která neumožňuje použití s vysokofrekvenčním vstupním signálem.

Obvod se společnou bází (CB) poskytuje vynikající frekvenční odezvu.

Neposkytuje však tak velké zesílení signálu napětím jako u OE. A zesílení proudem se vůbec neprojevuje, proto se tento obvod často nazývá proudový sledovač, protože má vlastnost stabilizace proudu.

Obvod se společným kolektorem (CC) má téměř stejný proudový zisk jako obvod CE, ale napěťový zisk je téměř roven 1 (o něco menší).

Napěťový offset není pro toto schéma zapojení typický. Nazývá se také emitorový sledovač, protože výstupní napětí (U_EB) odpovídají vstupnímu napětí.

Страницы

• Jak funguje počítač
  • Programovací jazyky
  • Typy počítačů
  • Osobní sítě
  • Lokální sítě
  • Městské sítě
  • Globální sítě
  • Síťová asociace
  • Síťová rozhraní
  • Binárně-desítkový kód
  • Šíření elektromagnetických vln
  • Amplitudově-frekvenční a fázově-frekvenční charakteristiky
  • Šifrovací a dešifrovací
  • Kirchhoffovy zákony
  • Bipolární tranzistory a jejich schéma zapojení
  • Funkčně kompletní systém logických prvků
  • Diferenciace a integrace elektrických obvodů
  • Účel, klasifikace a elektrické parametry rezistorů
  • Účel, klasifikace a elektrické parametry kondenzátorů

  

  Tranzistor je aktivní polovodičová součástka, která zesiluje, transformuje a generuje elektrické kmity. Toto uplatnění tranzistoru lze nalézt v analogové technice. Kromě toho se tranzistory používají také v digitální technice, kde se používají v klíčovém režimu. V digitálních zařízeních jsou však téměř všechny tranzistory „skryty“ uvnitř integrovaných obvodů, a to v obrovském množství a mikroskopických velikostech.

  Zde se nebudeme příliš podrobně zabývat elektrony, dírami a atomy, o kterých již bylo řeč v předchozích částech článku, ale některé z nich si v případě potřeby budeme muset ještě připomenout.

  Polovodičová dioda se skládá z jednoho pn přechodu, jehož vlastnosti byly popsány v předchozí části článku. Tranzistor, jak je známo, se skládá ze dvou přechodů, takže polovodičovou diodu lze považovat za předchůdce tranzistoru, respektive jeho poloviny.

  Pokud je pn přechod v klidovém stavu, díry a elektrony jsou rozloženy, jak je znázorněno na obrázku 1, a tvoří potenciální bariéru. Zkusme nezapomenout na symboly pro elektrony, díry a ionty zobrazené na tomto obrázku.

  

  Jak funguje bipolární tranzistor

  Konstrukce bipolárního tranzistoru je na první pohled jednoduchá. K tomu stačí vytvořit dva pn přechody najednou na jedné polovodičové desce, nazývané báze. Některé metody pro vytvoření pn přechodu byly popsány v předchozích částech článku, takže je zde nebudeme opakovat.

  Pokud je vodivost báze typu p, pak výsledný tranzistor bude mít strukturu npn (vyslovuje se „en-pe-en“). A když se jako báze použije deska typu n, získá se tranzistor struktury pnp („pe-en-pe“).

  Protože mluvíme o bázi, měli bychom věnovat pozornost tomuto: polovodičová destička použitá jako báze je velmi tenká, mnohem tenčí než emitor a kolektor. Toto tvrzení je třeba si pamatovat, protože bude potřeba při vysvětlování činnosti tranzistoru.

  Z každé oblasti p a n přirozeně vychází vodič pro připojení k „vnějšímu světu“. Každý z nich má název oblasti, ke které je připojen: emitor, báze, kolektor. Takový tranzistor se nazývá bipolární, protože používá dva typy nosičů náboje – díry a elektrony. Schéma struktury obou typů tranzistorů je znázorněno na obrázku 2.

  

  V dnešní době se ve větší míře používají křemíkové tranzistory. Germaniové tranzistory se téměř úplně vytratily z používání a byly nahrazeny křemíkovými, takže další povídání bude o nich, i když se někdy budou zmiňovat i germaniové. Většina křemíkových tranzistorů má npn strukturu, protože tato struktura je technologicky vyspělejší ve výrobě.

  Komplementární páry tranzistorů

  U germaniových tranzistorů byla pnp struktura zřejmě technologicky vyspělejší, takže germaniové tranzistory měly většinou tuto strukturu. Ačkoli se v rámci komplementárních párů (tranzistory s podobnými parametry, které se lišily pouze typem vodivosti) vyráběly i germaniové tranzistory s různou vodivostí, například GT402 (pnp) a GT404 (npn).

  Takový pár se používal jako výstupní tranzistory v nízkofrekvenčních zesilovačích různých rádiových zařízení. A pokud se zastaralé germaniové tranzistory staly historií, pak se stále vyrábějí komplementární páry křemíkových tranzistorů, počínaje tranzistory v SMD pouzdrech až po výkonné tranzistory pro výstupní stupně nízkofrekvenčních zesilovačů.

  Mimochodem, audio zesilovače na germaniových tranzistorech vnímali milovníci hudby téměř jako elektronkové. Možná trochu hůř, ale mnohem lépe než zesilovače na křemíkových tranzistorech. To jen pro referenci.

  Jak funguje tranzistor?

  Abychom pochopili, jak tranzistor funguje, budeme se muset vrátit do světa elektronů, děr, donorů a akceptorů. Nyní to však bude poněkud jednodušší a ještě zajímavější než v předchozích částech článku. Taková poznámka musela být učiněna, aby čtenáře nevyděsila a umožnila mu dočíst si to celé až do konce.

  Obrázek 3 znázorňuje konvenční grafické znázornění tranzistorů na elektrických obvodech nahoře a dole jsou pn přechody tranzistorů znázorněny jako polovodičové diody, rovněž zapojené v opačných směrech. Toto znázornění je velmi výhodné při kontrole tranzistoru multimetrem.

  

  A obrázek 4 ukazuje vnitřní strukturu tranzistoru.

  Abychom se na tuto kresbu podívali podrobněji, budeme se u ní muset trochu déle zdržet.

  

  Takže proud projde, nebo ne?

  Zde je ukázáno, jak je zdroj energie připojen k tranzistoru struktury npn, a to přesně ve stejné polaritě, jako je připojen ke skutečným tranzistorům v reálných zařízeních. Pokud se ale podíváte pozorněji, ukáže se, že proud neprochází dvěma pn přechody, tedy dvěma potenciálovými bariérami: ať už změníte polaritu napětí jakkoli, jeden z přechodů bude jistě v uzamčeném, nevodivém stavu. Takže prozatím nechme vše tak, jak je znázorněno na obrázku, a podívejme se, co se tam děje.

  Neřízený proud

  Když je zdroj proudu zapnutý, jak je znázorněno na obrázku, je přechod emitor-báze (np) v otevřeném stavu a elektrony snadno propouštějí zleva doprava. Poté se elektrony srazí s uzavřeným přechodem báze-emitor (pn), což tento pohyb zastaví a cesta pro elektrony se uzavře.

  Ale jako vždy a všude existují výjimky z každého pravidla: některé obzvláště hbité elektrony budou pod vlivem teploty stále schopny tuto bariéru překonat. Proto i když při takovém spojení bude existovat nevýznamný proud, stále tam bude nějaký. Tento nevýznamný proud se nazývá počáteční proud nebo saturační proud. Druhý název je dán skutečností, že na tvorbě tohoto proudu se podílejí všechny volné elektrony, které jsou schopny překonat potenciálovou bariéru při dané teplotě.

  Počáteční proud je neřiditelný, má ho každý tranzistor, ale zároveň málo závisí na vnějším napětí. Pokud se toto napětí poměrně výrazně zvýší (v rozumných mezích, uvedených v referenčních publikacích), počáteční proud se příliš nezmění. Tepelný vliv na tento proud však tento proud poměrně znatelně ovlivňuje.

  Další zvýšení teploty způsobuje zvýšení počátečního proudu, což může vést k dalšímu ohřevu pn přechodu. Taková tepelná nestabilita může vést k tepelnému průrazu, zničení tranzistoru. Proto by měla být přijata opatření k chlazení tranzistorů a při zvýšených teplotách by se nemělo aplikovat extrémní napětí.

  Nyní si vzpomeňme na základnu

  Výše popsané zapojení tranzistoru s přerušenou bází se v praktických obvodech nikde nepoužívá. Obrázek 5 proto ukazuje správné zapojení tranzistoru. K tomu bylo nutné přivést na bázi malé napětí vzhledem k emitoru a v propustném směru (vzpomeňte si na diodu a podívejte se znovu na obrázek 3).

  

  Pokud se v případě diody zdá vše jasné – otevřela se a prošel jí proud, pak v tranzistoru dochází i k dalším dějům. Pod vlivem emitorového proudu se elektrony řítí z emitoru s vodivostí n k bázi s vodivostí p. V tomto případě část elektronů zaplní otvory umístěné v oblasti báze a terminálem báze protéká nevýznamný proud – proud báze Iб. Právě zde bychom si měli uvědomit, že báze je tenká a je v ní málo otvorů.

  Zbývající elektrony, které neměly v tenké bázi dostatek děr, se řítí do kolektoru a odtud budou extrahovány vyšším potenciálem kolektorové baterie Ek-e. Pod tímto vlivem elektrony překonají druhou potenciálovou bariéru a přes baterii se vrátí do emitoru.

  Malé napětí aplikované na přechod báze-emitor tedy způsobí otevření přechodu báze-kolektor a jeho předpětí je v opačném směru. To je vlastně tranzistorový jev.

  Zbývá už jen zvážit, jak toto „malé napětí“ přivedené na bázi ovlivňuje kolektorový proud, jaké jsou jejich hodnoty a poměry. Ale o tom bude řeč v další části článku o tranzistorech.

  • Charakteristiky diod, provedení a aplikační vlastnosti
  • Jak fungují a jak fungují polovodičové diody?
  • Údržba a opravy magnetických startérů

  Doufám, že vám byl tento článek užitečný. Podívejte se také na další články z kategorie Elektrická energie v každodenním životě i v práci » Pomoci začínajícím elektrikářům

  Přihlaste se k odběru našeho kanálu na Telegram: World of Electricity

  Zde můžete zanechat komentář, položit otázku a jen chatovat:
  Chat na elektrická témata

  Sdílejte tento článek se svými přáteli: