Tranzistors ir ierīce, kas darbojas uz pusvadītājiem ar elektronisku pildījumu. Tas ir paredzēts elektrisko signālu konvertēšanai un pastiprināšanai. Ir divu veidu ierīces: un vienpolārs tranzistors vai lauks.
Ja tranzistorā vienlaikus darbojas divu veidu lādiņnesēji - caurumi un elektroni, tad to sauc par bipolāru. Ja tranzistorā darbojas tikai viena veida lādiņš, tad tas ir vienpolārs.
Iedomājieties parastā ūdens krāna darbību. Pagrieza vārstu - ūdens plūsma palielinājās, pagrieza otrā virzienā - plūsma samazinājās vai apstājās. Praksē tas ir tranzistora darbības princips. Tikai ūdens vietā caur to plūst elektronu plūsma. Bipolārā tipa tranzistora darbības princips ir raksturīgs ar to, ka caur šo elektronisko ierīci plūst divu veidu strāvas. Tie ir sadalīti lielajos vai galvenajos un mazajos, jeb pārvaldniekos. Turklāt vadības strāvas jauda ietekmē galvenās strāvas jaudu. Apsveriet, ka tā darbības princips atšķiras no citiem. Tas iziet tikai vienu, kas ir atkarīgs no vides
Bipolārais tranzistors ir izgatavots no 3 pusvadītāju slāņiem un, pats galvenais, no diviem PN savienojumiem. Ir nepieciešams nošķirt PNP un NPN krustojumus un līdz ar to arī tranzistorus. Šajos pusvadītājos notiek elektronu un caurumu vadīšanas maiņa.
Bipolārajam tranzistoram ir trīs tapas. Šī ir pamatne, kontakts, kas iziet no centrālā slāņa, un divi elektrodi malās - emitētājs un kolektors. Salīdzinot ar šiem gala elektrodiem, bāzes slānis ir ļoti plāns. Tranzistora malās pusvadītāju apgabals nav simetrisks. Lai šī ierīce darbotos pareizi, pusvadītāju slānim, kas atrodas kolektora pusē, jābūt nedaudz biezākam par emitētāja pusi.
Tranzistora darbības principi ir balstīti uz fiziskiem procesiem. Strādāsim ar PNP modeli. NPN modeļa darbība būs līdzīga, izņemot sprieguma polaritāti starp galvenajiem elementiem, piemēram, kolektoru un emitētāju. Tas rādīs pretējā virzienā.
P veida viela satur caurumus vai pozitīvi lādētus jonus. N tipa viela sastāv no negatīvi lādētiem elektroniem. Tranzistorā, kuru mēs apsveram, caurumu skaits P reģionā ir daudz lielāks nekā elektronu skaits N reģionā.
Ja sprieguma avots ir savienots starp tādām daļām kā emitētājs un kolektors, tranzistora darbības principi ir balstīti uz faktu, ka caurumi sāk piesaistīties pie staba un savākties emitētāja tuvumā. Bet strāvas nav. Sprieguma avota elektriskais lauks nesasniedz kolektoru emitētāja pusvadītāja un bāzes pusvadītāja slāņa biezā slāņa dēļ.
Tad mēs savienojam sprieguma avotu ar atšķirīgu elementu kombināciju, proti, starp bāzi un emitētāju. Tagad caurumi virzās uz pamatni un sāk mijiedarboties ar elektroniem. Pamatnes centrālā daļa ir piesātināta ar caurumiem. Rezultātā tiek ģenerētas divas strāvas. Liels - no emitētāja līdz kolektoram, mazs - no pamatnes līdz emitētājam.
Palielinoties bāzes spriegumam, N slānī būs vēl vairāk caurumu, palielināsies bāzes strāva un nedaudz palielināsies emitētāja strāva. Tas nozīmē, ka ar nelielām bāzes strāvas izmaiņām emitētāja strāva diezgan nopietni palielinās. Rezultātā mēs iegūstam signāla pieaugumu bipolārā tranzistorā.
Apsveriet tranzistora darbības principus atkarībā no tā darbības režīmiem. Ir parastais aktīvais režīms, apgrieztais aktīvais režīms, piesātinājuma režīms, izslēgšanas režīms.
Kad aktīvs, emitera savienojums ir atvērts un kolektora savienojums ir aizvērts. Apgrieztā režīmā viss notiek otrādi.
Ko nozīmē nosaukums "tranzistors"?
Tranzistors uzreiz nesaņēma tik pazīstamu nosaukumu. Sākotnēji to sauca pēc analoģijas ar lampu tehnoloģiju pusvadītāju triode. Pašreizējais nosaukums sastāv no diviem vārdiem. Pirmais vārds ir "pārsūtīšana", (šeit uzreiz nāk prātā "transformators") nozīmē raidītājs, pārveidotājs, nesējs. Un vārda otrā puse atgādina vārdu "rezistors" - elektrisko ķēžu detaļa, kuras galvenā īpašība ir elektriskā pretestība.
Tieši šī pretestība ir atrodama Oma likumā un daudzās citās elektrotehnikas formulās. Tāpēc vārdu "tranzistors" var interpretēt kā pretestības pārveidotāju. Līdzīgi kā hidraulikā, šķidruma plūsmas izmaiņas tiek kontrolētas ar vārstu. Tranzistorā šāds “vārsts” maina summu elektriskie lādiņi kas rada elektrisko strāvu. Šīs izmaiņas nav nekas cits kā pusvadītāju ierīces iekšējās pretestības izmaiņas.
Elektrisko signālu pastiprināšana
Visbiežāk veikta operācija tranzistori, ir elektrisko signālu pastiprināšana. Bet tas nav gluži pareizais izteiciens, jo vājais signāls no mikrofona paliek tāds.
Pastiprināšana nepieciešama arī radio un televīzijas uztveršanā: vājš signāls no antenas ar jaudu miljardo daļu vatu jāpastiprina tiktāl, lai ekrānā tiktu uztverta skaņa vai attēls. Un tā jau ir vairāku desmitu un dažos gadījumos simtiem vatu jauda. Tāpēc pastiprināšanas process ir saistīts ar papildu enerģijas avotu izmantošanu, kas saņemti no barošanas avota, lai iegūtu spēcīgu vāja ievades signāla kopiju. Citiem vārdiem sakot, mazjaudas ievades darbība kontrolē spēcīgas enerģijas plūsmas.
Stiprināšana citās tehnoloģiju un dabas jomās
Šādus piemērus var atrast ne tikai elektriskās diagrammas. Piemēram, nospiežot gāzes pedāli, palielinās automašīnas ātrums. Tajā pašā laikā gāzes pedālis nav jāspiež ļoti spēcīgi – salīdzinot ar dzinēja jaudu, pedāļa nospiešanas jauda ir niecīga. Lai samazinātu ātrumu, pedālis būs nedaudz jāatlaiž, lai vājinātu ievades efektu. Šajā situācijā benzīns ir spēcīgs enerģijas avots.
To pašu efektu var novērot arī hidraulikā: elektromagnētiskā vārsta atvēršanai, piemēram, darbgaldos, ir nepieciešams ļoti maz enerģijas. Un eļļas spiediens uz mehānisma virzuli spēj radīt vairāku tonnu spēku. Šo spēku var regulēt, ja eļļas līnijā ir paredzēts regulējams vārsts, piemēram, parastajā virtuves jaucējkrānā. Nedaudz piesegts - spiediens kritās, piepūle samazinājās. Ja atvērāt vairāk, spiediens palielinājās.
Vārsta pagriešana arī neprasa daudz pūļu. Šajā gadījumā ārējais avots enerģija ir sūkņu stacija mašīna. Un līdzīgas ietekmes dabā un tehnoloģijās var redzēt ļoti daudz. Bet tomēr mūs vairāk interesē tranzistors, tāpēc mums būs jāapsver tālāk ...
Elektriskie signāla pastiprinātāji
Kādreiz radio sauca par tranzistoru, bet mūsu rakstā par radio nerunāsim. Tātad, kas ir tranzistors un kā tas darbojas.
Ir materiālu klase, ko to īpašību dēļ sauc par pusvadītājiem. To atšķirīgā iezīme ir vadītspēja - tie var būt gan vadītāji elektriskā strāva, un dielektriķi, t.i. izolatoriem un nevada elektrību.
Tas ir materiāls, ko izmanto tranzistora izgatavošanai, ko plaši izmanto rūpniecībā un veido gandrīz visas mūsdienu elektronikas pamatu.
Nepieskaroties ražošanas tehnoloģijai, tranzistoru veidiem, to pielietojumiem, vienkārši atzīmējam, ka ir dažādi tranzistoru veidi, piemēram, npn tranzistors. Tas saņēma šo nosaukumu izmantotā materiāla un vadītspējas veida dēļ. Pagaidām pietiek ar teikto un ražošanas tehnoloģijā un tranzistoru daudzveidībā tagad neiedziļināsimies.
Kā darbojas tranzistors? Tas ir paredzēts elektriskās strāvas kontrolei, ir strukturāli ražots metāla vai plastmasas korpusā, un tam ir trīs izejas, ko sauc par emitētāju, bāzi, kolektoru. Secinājumu nosaukums jau runā par to mērķi: emitētājs izstaro elektronus, bāze tos kontrolē, kolektors tos savāc. Visi šie procesi notiek tranzistora iekšpusē.
Lai saprastu, kā darbojas tranzistors, apsveriet daudz vienkāršāku piemēru - ūdens jaucējkrānu.
Tam ir arī trīs izvadi - pa vienam, ūdens ieplūst krānā, otrs izplūst no krāna, trešais ir vārsts, kas kontrolē krāna darbību. Kad vārsts ir atvērts, ūdens brīvi plūst caur jaucējkrānu, kad vārsts ir aizvērts, ūdens neplūst. Šī ir vienas no tranzistora darbības iespējām imitācija. Šo darbības režīmu sauc par taustiņu - tranzistors ir atvērts - tas plūst vai ir aizvērts, tad strāva neplūst. Lai atvērtu tranzistoru, uz pamatnes tiek pielikts spriegums, ja ir spriegums, tad tranzistors ir atvērts, ja nē, tad tas ir aizvērts. Viss notiek tā, it kā būtu vaļā - ūdens tek, vārsts ir aizvērts - ūdens nav.
Iepriekš tika apsvērta tranzistora darbība, kad to izmanto kā atslēgu: vai nu aizvērts, vai atvērts. Tomēr ir arī citi darbības režīmi. Kā piemēru atkal ņemsim jaucējkrānu. Ja vārstu nedaudz atver, tad ūdens no krāna tecēs nepārtraukti, un ūdens spiedienu noteiks tas, cik atvērām krānu.
Tranzistoram ir aptuveni tāds pats darbības režīms. Tās pamatnei tiek pielikts spriegums, tas atveras, un caur to plūst strāva. Mainot spriegumu pie pamatnes, jūs varat kontrolēt strāvas daudzumu, kas iet caur tranzistoru. Pilnīga analoģija ar vārsta stāvokli uz krāna: atvērtāks - vairāk ūdens plūst (ti, tranzistoram strāva); mazāk atvērts - mazāk plūst ūdens (strāva tranzistoram). Šo tranzistora darbības režīmu sauc par pastiprinošu, kad ar neliela sprieguma palīdzību, kas tiek pievadīts pamatnei, ir iespējams kontrolēt ievērojamu strāvu, kas ņemta no kolektora.
Noslēgumā jāatzīmē, ka tranzistori var būt dažāda veida, visu nosaka ražošanā izmantotais materiāls. Tie var atšķirties pēc jaudas, viņi var kontrolēt un izlaist caur sevi ievērojamas elektriskās strāvas plūsmas. Tranzistori var būt dažāda dizaina. Ir arī citi tranzistoru darbības režīmi, kas atšķiras no aplūkotajiem. Bet pamatideja par to, kā darbojas tranzistors, ir sniegta iepriekš.
Viss iepriekš minētais ir aptuvens, bet tomēr ļauj izprast tranzistora darbību. Faktiski tranzistora darbs ir daudz sarežģītāks. Ir īpaši parametri, pēc kuriem var aprēķināt un iestatīt nepieciešamo darbības režīmu, izmantojot formulas, taču šī ir pavisam cita tēma diskusijai un citam rakstam.
bipolārs tranzistors.
bipolārs tranzistors- elektroniska pusvadītāju ierīce, viens no tranzistoru veidiem, kas paredzēts elektrisko signālu pastiprināšanai, ģenerēšanai un konvertēšanai. Tranzistoru sauc bipolāri, jo ierīces darbībā vienlaikus piedalās divu veidu lādiņnesēji - elektroni un caurumiem. Ar to tas atšķiras no vienpolārs(lauka efekta) tranzistors, kurā piedalās tikai viena veida lādiņnesēji.
Abu veidu tranzistoru darbības princips ir līdzīgs ūdens vārsta darbībai, kas regulē ūdens plūsmu, caur tranzistoru iet tikai elektronu plūsma. Bipolāros tranzistoros caur ierīci iet divas strāvas - galvenā "lielā" strāva un vadības "mazā" strāva. Galvenās strāvas jauda ir atkarīga no vadības ierīces jaudas. Lauka tranzistoros caur ierīci iet tikai viena strāva, kuras jauda ir atkarīga no elektromagnētiskā lauka. Šajā rakstā mēs sīkāk aplūkosim darbu bipolārs tranzistors.
Bipolārā tranzistora ierīce.
Bipolārais tranzistors sastāv no trim pusvadītāju slāņiem un diviem PN savienojumiem. Atšķiriet PNP un NPN tranzistorus pēc savijas veida caurumu un elektronu vadītspēja. Tas ir kā divi diode savienots aci pret aci vai otrādi.
Bipolārajam tranzistoram ir trīs kontakti (elektrodi). Tiek saukts kontakts, kas rodas no centrālā slāņa bāze (bāze). Gala elektrodi ir nosaukti kolekcionārs un emitētājs (kolekcionārs un emitētājs). Pamatnes slānis ir ļoti plāns attiecībā pret kolektoru un emitētāju. Turklāt pusvadītāju apgabali tranzistora malās nav simetriski. Pusvadītāju slānis kolektora pusē ir nedaudz biezāks nekā emitera pusē. Tas ir nepieciešams pareizai tranzistora darbībai.
Bipolārā tranzistora darbība.
Apsveriet fiziskos procesus, kas notiek bipolārā tranzistora darbības laikā. Kā piemēru ņemsim NPN modeli. PNP tranzistora darbības princips ir līdzīgs, tikai sprieguma polaritāte starp kolektoru un emitētāju būs pretēja.
Kā jau teikts raksts par vadītspējas veidiem pusvadītājos, P-veida vielā ir pozitīvi lādēti joni - caurumi. N tipa viela ir piesātināta ar negatīvi lādētiem elektroniem. Tranzistorā elektronu koncentrācija N reģionā ir daudz augstāka nekā caurumu koncentrācija P reģionā.
Pievienojiet sprieguma avotu starp kolektoru un emitētāju V CE (V CE). Tās darbības rezultātā elektroni no augšējās N daļas sāks piesaistīties plusam un savākties kolektora tuvumā. Taču strāva nevar plūst, jo sprieguma avota elektriskais lauks nesasniedz emitētāju. To novērš biezs kolektora pusvadītāja slānis plus bāzes pusvadītāja slānis.
Tagad pievienojiet spriegumu starp bāzi un emitētāju V BE , bet daudz zemāku par V CE (silīcija tranzistoriem minimālais nepieciešamais V BE ir 0,6 V). Tā kā slānis P ir ļoti plāns, plus sprieguma avots, kas savienots ar pamatni, varēs "izsniegt" ar savu elektrisko lauku līdz emitētāja N apgabalam. Tās darbības rezultātā elektroni dosies uz bāzi. Daži no tiem sāks aizpildīt tur esošos caurumus (rekombinēt). Otra daļa sev brīvu caurumu neatradīs, jo urbumu koncentrācija pamatnē ir daudz mazāka nekā elektronu koncentrācija emitētājā.
Rezultātā bāzes centrālais slānis ir bagātināts ar brīvajiem elektroniem. Lielākā daļa no tiem virzīsies uz kolektoru, jo spriegums tur ir daudz augstāks. To veicina arī ļoti mazs centrālā slāņa biezums. Daļa elektronu, lai arī daudz mazāka, tomēr plūdīs uz bāzes plusu.
Rezultātā mēs iegūstam divas strāvas: mazu - no bāzes uz emitētāju I BE un lielu - no kolektora uz emitētāju I CE.
Ja bāzes spriegums tiek palielināts, tad P slānī uzkrāsies vēl vairāk elektronu. Tā rezultātā bāzes strāva nedaudz palielināsies, un kolektora strāva ievērojami palielināsies. Pa šo ceļu, ar nelielām bāzes strāvas izmaiņām I B , kolektora strāva I stipri mainās NO. Tā tas notiek signāla pastiprināšana bipolārā tranzistorā. Kolektora strāvas I C attiecību pret bāzes strāvu I B sauc par strāvas pastiprinājumu. Apzīmēts β , hfe vai h21e, atkarībā no ar tranzistoru veikto aprēķinu specifikas.
Vienkāršākais bipolārais tranzistoru pastiprinātājs
Ļaujiet mums sīkāk apsvērt signāla pastiprināšanas principu elektriskā plaknē, izmantojot ķēdi kā piemēru. Jau iepriekš izdarīšu atrunu, ka šāda shēma nav gluži pareiza. Neviens nesavieno līdzstrāvas sprieguma avotu tieši ar maiņstrāvas avotu. Bet šajā gadījumā būs vieglāk un skaidrāk saprast pašu pastiprināšanas mehānismu, izmantojot bipolāru tranzistoru. Arī pati aprēķinu tehnika zemāk esošajā piemērā ir nedaudz vienkāršota.
1. Ķēdes galveno elementu apraksts
Tātad, pieņemsim, ka mums ir tranzistors ar pastiprinājumu 200 (β = 200). No kolektora puses pieslēdzam salīdzinoši jaudīgu 20V strāvas avotu, kura enerģijas dēļ notiks pastiprinājums. No tranzistora pamatnes puses mēs pievienojam vāju 2 V strāvas avotu. Savienojiet avotu ar to virknē. Maiņstrāvas spriegums sinusa formā, ar svārstību amplitūdu 0,1V. Tas būs signāls, kas jāpastiprina. Rezistors Rb pie pamatnes ir nepieciešams, lai ierobežotu strāvu, kas nāk no signāla avota, kas parasti ir mazjaudas.
2. Ieejas bāzes strāvas I aprēķins b
Tagad aprēķināsim bāzes strāvu I b. Tā kā mums ir darīšana ar maiņspriegumu, mums jāaprēķina divas strāvas vērtības - pie maksimālā sprieguma (V max) un minimālā (V min). Sauksim šīs pašreizējās vērtības attiecīgi - I bmax un I bmin.
Tāpat, lai aprēķinātu bāzes strāvu, jāzina bāzes emitētāja spriegums V BE. Starp bāzi un emitētāju ir viens PN savienojums. Izrādās, ka bāzes strāva savā ceļā "satiekas" ar pusvadītāju diodi. Spriegums, pie kura pusvadītāju diode sāk vadīt, ir aptuveni 0,6 V. Mēs neiedziļināsimies detaļās diodes strāvas-sprieguma raksturlielumi, un aprēķinu vienkāršības labad mēs ņemam aptuvenu modeli, saskaņā ar kuru strāvu vadošās diodes spriegums vienmēr ir 0,6 V. Tas nozīmē, ka spriegums starp bāzi un emitētāju ir V BE = 0,6 V. Un tā kā emitētājs ir savienots ar zemi (V E = 0), spriegums no pamatnes uz zemi arī ir 0,6 V (V B = 0,6 V).
Aprēķināsim I bmax un I bmin, izmantojot Ohma likumu:
2. Kolektora izejas strāvas I aprēķins NO
Tagad, zinot pastiprinājumu (β = 200), mēs varam viegli aprēķināt kolektora strāvas maksimālo un minimālo vērtību (I cmax un I cmin).
3. Izejas sprieguma V aprēķins ārā
Kolektora strāva plūst caur rezistoru Rc, kuru mēs jau esam aprēķinājuši. Atliek aizstāt vērtības:
4. Rezultātu analīze
Kā redzams no rezultātiem, V Cmax izrādījās mazāks par V Cmin . Tas ir tāpēc, ka spriegums pāri V Rc tiek atņemts no barošanas sprieguma VCC. Tomēr vairumā gadījumu tam nav nozīmes, jo mūs interesē signāla mainīgā sastāvdaļa - amplitūda, kas palielinājās no 0,1 V līdz 1 V. Frekvence un sinusoidālā viļņa forma nav mainījusies. Protams, V out / V attiecība desmit reizes ir tālu no labākā pastiprinātāja rādītāja, taču tas ir diezgan piemērots, lai ilustrētu pastiprināšanas procesu.
Tātad, apkoposim bipolārā tranzistora pastiprinātāja darbības principu. Caur pamatni plūst strāva I b, nesot pastāvīgu un mainīgu komponentu. Pastāvīgā sastāvdaļa ir nepieciešama, lai PN savienojums starp bāzi un emitētāju sāktu vadīt - “atvērtos”. Mainīgais komponents faktiski ir pats signāls (noderīga informācija). Kolektora-emitera strāvas stiprums tranzistora iekšpusē ir rezultāts, reizinot bāzes strāvu ar pastiprinājumu β. Savukārt spriegums pāri rezistoram Rc virs kolektora ir rezultāts, reizinot pastiprināto kolektora strāvu ar rezistora vērtību.
Tādējādi izeja V out saņem signālu ar palielinātu svārstību amplitūdu, bet ar saglabātu formu un frekvenci. Ir svarīgi uzsvērt, ka tranzistors ņem enerģiju pastiprināšanai no VCC barošanas avota. Ja barošanas spriegums nav pietiekams, tranzistors nevarēs pilnībā darboties, un izejas signāls var tikt izkropļots.
Bipolārā tranzistora darbības režīmi
Saskaņā ar sprieguma līmeņiem uz tranzistora elektrodiem ir četri tā darbības režīmi:
Izslēgšanas režīms.
Aktīvais režīms (aktīvais režīms).
Piesātinājuma režīms.
Reversais režīms.
Izslēgšanas režīms
Ja bāzes emitētāja spriegums ir zemāks par 0,6 V - 0,7 V, PN savienojums starp bāzi un emitētāju tiek aizvērts. Šajā stāvoklī tranzistoram nav bāzes strāvas. Rezultātā nebūs arī kolektora strāvas, jo bāzē nav brīvu elektronu, kas būtu gatavi virzīties uz kolektora spriegumu. Izrādās, ka tranzistors ir it kā bloķēts, un viņi saka, ka tas ir iekšā nogriešanas režīms.
Aktīvais režīms
AT aktīvais režīms spriegums pie pamatnes ir pietiekams, lai atvērtu PN savienojumu starp bāzi un emitētāju. Šajā stāvoklī tranzistoram ir bāzes un kolektora strāvas. Kolektora strāva ir vienāda ar bāzes strāvu, kas reizināta ar pastiprinājumu. Tas ir, aktīvais režīms ir parastais tranzistora darbības režīms, ko izmanto pastiprināšanai.
Piesātinājuma režīms
Dažreiz bāzes strāva var būt pārāk liela. Rezultātā barošanas jauda vienkārši nav pietiekama, lai nodrošinātu tādu kolektora strāvu, kas atbilstu tranzistora pastiprinājumam. Piesātinājuma režīmā kolektora strāva būs maksimālā, ko var nodrošināt barošanas avots, un to neietekmēs bāzes strāva. Šajā stāvoklī tranzistors nespēj pastiprināt signālu, jo kolektora strāva nereaģē uz bāzes strāvas izmaiņām.
Piesātinājuma režīmā tranzistora vadītspēja ir maksimāla, un tā ir vairāk piemērota slēdža (atslēgas) funkcijai "ieslēgtā" stāvoklī. Tāpat izslēgšanas režīmā tranzistora vadītspēja ir minimāla, un tas atbilst slēdzim "izslēgtā" stāvoklī.
Apgrieztais režīms
Šajā režīmā kolektora un emitētāja slēdžu lomas ir: kolektora PN pāreja ir nobīdīta uz priekšu, bet emitera pāreja ir nobīdīta pretējā virzienā. Rezultātā strāva plūst no pamatnes uz kolektoru. Kolektora pusvadītāju apgabals nav simetrisks pret emitētāju, un pastiprinājums apgrieztajā režīmā ir mazāks nekā parastajā aktīvajā režīmā. Tranzistora dizains ir veidots tā, lai tas darbotos pēc iespējas efektīvāk aktīvajā režīmā. Tāpēc apgrieztajā režīmā tranzistors praktiski netiek izmantots.
Bipolārā tranzistora pamatparametri.
pašreizējais pieaugums- kolektora strāvas I C attiecība pret bāzes strāvu I B . Apzīmēts β , hfe vai h21e, atkarībā no ar tranzistoriem veikto aprēķinu specifikas.
β ir nemainīga vērtība vienam tranzistoram un ir atkarīga no ierīces fiziskās struktūras. Liels pieaugums tiek aprēķināts simtos vienību, zems - desmitos. Diviem atsevišķiem viena veida tranzistoriem, pat ja tie ražošanas laikā bija “kaimiņi pa cauruļvadu”, β var nedaudz atšķirties. Šī bipolārā tranzistora īpašība, iespējams, ir vissvarīgākā. Ja aprēķinos bieži var neņemt vērā citus ierīces parametrus, tad strāvas pastiprinājums ir gandrīz neiespējams.
Ievades pretestība- pretestība tranzistorā, kas "atbilst" bāzes strāvai. Apzīmēts R iekšā (R iekšā). Jo lielāks tas ir, jo labāks ir ierīces pastiprināšanas raksturlielumi, jo bāzes pusē parasti ir vājš signāla avots, no kura jums jāpatērē pēc iespējas mazāk strāvas. Ideāls variants ir tad, ja ieejas pretestība ir vienāda ar bezgalību.
R in vidējam bipolāram tranzistoram ir vairāki simti KΩ (kilo-omi). Šeit bipolārais tranzistors ļoti daudz zaudē lauka efekta tranzistoram, kur ieejas pretestība sasniedz simtiem GΩ (gigaomu).
Izejas vadītspēja- tranzistora vadītspēja starp kolektoru un emitētāju. Jo lielāka ir izejas vadītspēja, jo lielāka kolektora-emitera strāva varēs iziet cauri tranzistoru ar mazāku jaudu.
Turklāt, palielinoties izejas vadītspējai (vai samazinoties izejas pretestībai), palielinās maksimālā slodze, ko pastiprinātājs var izturēt ar nelielu kopējā pastiprinājuma zudumu. Piemēram, ja tranzistors ar zemu izejas vadītspēju bez slodzes pastiprina signālu 100 reizes, tad, pieslēdzot 1KΩ slodzi, tas jau pastiprinās tikai 50 reizes. Tranzistoram ar tādu pašu pastiprinājumu, bet lielāku izejas vadītspēju būs mazāks pastiprinājuma kritums. Ideāls variants ir tad, ja izejas vadītspēja ir vienāda ar bezgalību (vai izejas pretestība R out \u003d 0 (R out \u003d 0)).
Tranzistors ir aktīva pusvadītāju ierīce, kas pastiprina, pārveido un ģenerē elektriskās svārstības. Šo tranzistora pielietojumu var redzēt analogajā tehnoloģijā. Turklāt tos izmanto arī digitālajās tehnoloģijās, kur tos izmanto taustiņu režīmā. Bet digitālajās iekārtās gandrīz visi tranzistori ir “paslēpti” integrālajās shēmās un milzīgos daudzumos un mikroskopiskos izmēros.
Šeit mēs nekavēsimies pārāk daudz pie elektroniem, caurumiem un atomiem, kas jau tika aprakstīti raksta iepriekšējās daļās, bet daži no tiem, ja nepieciešams, joprojām būs jāatceras.
Pusvadītāju diode sastāv no viena p-n krustojums, kuras īpašības tika aprakstītas. Tranzistors, kā zināms, sastāv no diviem krustojumiem, tāpēc to var uzskatīt par tranzistora priekšteci vai pusi no tā.
Ja p-n pāreja atrodas miera stāvoklī, tad caurumi un elektroni tiek sadalīti, kā parādīts 1. attēlā, veidojot potenciālu barjeru. Centīsimies neaizmirst konvencijas elektroni, caurumi un joni, kas parādīti šajā attēlā.
1. attēls.
Kā darbojas bipolārais tranzistors?
Bipolārā tranzistora ierīce no pirmā acu uzmetiena ir vienkārša. Lai to izdarītu, pietiek uzreiz izveidot divus p-n savienojumus uz vienas pusvadītāju plāksnes, ko sauc par pamatni. Daži veidi izveidojot p-n pārejas ir aprakstītas, tāpēc mēs šeit neatkārtosimies.
Ja bāzes vadītspēja ir p, tad iegūtajam tranzistoram būs n-p-n struktūra (izrunā "en-pe-en"). Un, ja par pamatu tiek izmantota n-veida plāksne, tiek iegūts p-n-p (“pe-en-pe”) struktūras tranzistors.
Tā kā mēs runājam par pamatni, jums vajadzētu pievērst uzmanību šādai lietai: kā pamatne izmantotā pusvadītāju plāksne ir ļoti plāna, daudz plānāka nekā emitētājs un kolektors. Šis apgalvojums ir jāatceras, jo tas būs nepieciešams tranzistora darbības skaidrošanas procesā.
Protams, savienojumam ar "ārpasauli" no katras zonas p un n nāk vads. Katram no tiem ir apgabala nosaukums, ar kuru tas ir savienots: emitētājs, bāze, kolektors. Šādu tranzistoru sauc par bipolāru, jo tajā tiek izmantoti divu veidu lādiņnesēji - caurumi un elektroni. Abu veidu tranzistoru shematiskais izvietojums parādīts 2. attēlā.
2. attēls.
Pašlaik silīcija tranzistori tiek izmantoti lielākā mērā. Ģermānija tranzistori gandrīz pilnībā izkrituši no lietošanas, tos nomainījuši silīcija, tāpēc tālākais stāsts būs par tiem, lai gan dažkārt tiks pieminēti arī germānija. Lielākajai daļai silīcija tranzistoru ir n-p-n struktūra, jo šī struktūra ražošanā ir tehnoloģiski progresīvāka.
Papildu tranzistoru pāri
Acīmredzot germānija tranzistoriem p-n-p struktūra bija tehnoloģiski progresīvāka, tāpēc germānija tranzistori lielākoties bija šāda struktūra. Lai gan kā daļa no komplementāriem pāriem (tranzistori tuvu parametriem, kas atšķīrās tikai pēc vadītspējas veida), tika ražoti arī dažādas vadītspējas germānija tranzistori, piemēram, GT402 (p-n-p) un GT404 (n-p-n).
Šāds pāris tika izmantots kā izejas tranzistori dažādu radioiekārtu ULF. Un, ja novecojuši germānija tranzistori ir iegājuši vēsturē, tad joprojām tiek ražoti papildinoši silīcija tranzistoru pāri, sākot no tranzistoriem SMD iepakojumos un līdz pat jaudīgi tranzistori ULF izejas posmiem.
Starp citu, skaņas pastiprinātājus, kuru pamatā ir germānija tranzistori, mūzikas mīļotāji uztvēra gandrīz kā cauruļu pastiprinātājus. Nu, varbūt nedaudz sliktāks, bet daudz labāks par silīcija tranzistoru pastiprinātājiem. Tas ir tikai atsaucei.
Kā darbojas tranzistors
Lai saprastu, kā darbojas tranzistors, mums atkal ir jāatgriežas elektronu, caurumu, donoru un akceptoru pasaulē. Tiesa, tagad tas būs nedaudz vienkāršāk un pat interesantāk nekā iepriekšējās raksta daļās. Tāda piezīme bija jāizsaka, lai lasītāju nenobiedētu, ļautu viņam to visu izlasīt līdz galam.
3. attēlā parādīts tradicionālais elektrisko ķēžu tranzistoru grafiskais apzīmējums, un zemāk tranzistoru p-n krustojumi ir parādīti pusvadītāju diožu veidā, kas arī ir savienoti ar aizmuguri. Šis attēlojums ir ļoti ērts, pārbaudot tranzistoru ar multimetru.
3. attēls
Un 4. attēlā parādīta tranzistora iekšējā struktūra.
Šajā attēlā jums būs nedaudz jāpakavējas, lai to apsvērtu sīkāk.
4. attēls
Tātad strāva plūdīs vai nē?
Lūk, kā izveidot tranzistoru n-p-n struktūras ir pievienots barošanas avots un tieši tādā pašā polaritātē, kādā tas ir savienots reālās ierīcēs ar reāliem tranzistoriem. Bet, ja paskatās tuvāk, izrādās, ka caur diviem p-n krustojumiem, caur diviem potenciālajiem šķēršļiem, strāva nepāries: neatkarīgi no tā, kā jūs mainītu sprieguma polaritāti, viens no krustojumiem noteikti ir bloķēts, nevadošs stāvoklis. Tāpēc pagaidām atstāsim visu, kā parādīts attēlā, un paskatīsimies, kas tur notiek.
Nekontrolēta strāva
Kad strāvas avots ir ieslēgts, kā parādīts attēlā, emitētāja-bāzes (n-p) pāreja ir atvērtā stāvoklī un viegli nodod elektronus virzienā no kreisās puses uz labo. Pēc tam elektroni sadursies ar slēgtu emitera bāzes (p-n) krustojumu, kas apturēs šo kustību, elektroniem ceļš tiks slēgts.
Bet, kā vienmēr un visur, jebkuram noteikumam ir izņēmumi: daži īpaši veikli elektroni temperatūras ietekmē joprojām spēs pārvarēt šo barjeru. Tāpēc, lai gan ar šādu iekļaušanu būs neliela straume, tā joprojām būs. Šo nenozīmīgo strāvu sauc par sākotnējo strāvu vai piesātinājuma strāvu. Pēdējais nosaukums ir saistīts ar faktu, ka šīs strāvas veidošanā piedalās visi brīvie elektroni, kas noteiktā temperatūrā spēj pārvarēt potenciālo barjeru.
Sākotnējā strāva ir nekontrolēta, jebkuram tranzistoram tā ir, bet tajā pašā laikā tā ir maz atkarīga no ārējā sprieguma. Ja tas, spriegums, tiek palielināts ļoti būtiski (uzziņu grāmatās norādītajā saprātīgajā diapazonā), sākotnējā strāva daudz nemainīsies. Bet termiskajam efektam uz šo strāvu ir ļoti pamanāma ietekme.
Tālāka temperatūras paaugstināšanās izraisa sākotnējās strāvas palielināšanos, kas savukārt var izraisīt p-n savienojuma papildu sildīšanu. Šāda termiskā nestabilitāte var izraisīt termisku sabrukumu, tranzistora iznīcināšanu. Tāpēc ir jāveic pasākumi, lai atdzesētu tranzistorus, nevis pielietotu ārkārtēju spriegumu paaugstinātā temperatūrā.
Tagad parunāsim par bāzi.
Iepriekš aprakstītā tranzistora iekļaušana ar salauztu pamatni praktiskās shēmās nekur netiek izmantota. Tāpēc 5. attēlā parādīta pareiza tranzistora ieslēgšanās. Lai to izdarītu, bija jāpieliek neliels spriegums pamatnei attiecībā pret emitētāju un virzienā uz priekšu (atcerieties diodi un vēlreiz skatieties 3. attēlu).
5. attēls
Ja diodes gadījumā viss šķiet skaidrs - tā atvērās un caur to gāja strāva, tad tranzistorā notiek citi notikumi. Emitatora strāvas iedarbībā elektroni ieplūdīs pamatnē ar vadītspēju p no emitētāja ar vadītspēju n. Šajā gadījumā daži elektroni aizpildīs caurumus, kas atrodas bāzes reģionā, un caur bāzes izeju plūst nenozīmīga strāva, bāzes strāva Ib. Šeit ir jāatceras, ka pamatne ir plāna un tajā ir maz caurumu.
Atlikušie elektroni, kuriem nebija pietiekami daudz caurumu plānā pamatnē, steidzas kolektorā un tiks izņemti no turienes ar kolektora akumulatora Ek-e augstāko potenciālu. Šīs ietekmes ietekmē elektroni pārvarēs otro potenciāla barjeru un caur akumulatoru atgriezīsies pie emitētāja.
Tādējādi neliels spriegums, kas tiek pielikts bāzes-emitera savienojumam, izraisa bāzes kolektora savienojuma atvēršanos pretējā virzienā. Faktiski tas ir tranzistora efekts.
Atliek tikai apsvērt, kā šis "mazais spriegums", kas tiek pielietots pamatnei, ietekmē kolektora strāvu, kādi ir to lielumi un attiecības. Bet par šo stāstu nākamajā raksta daļā par tranzistoriem.