Dispozitivul și funcționarea tranzistorului bipolar

Un tranzistor este un dispozitiv semiconductor activ, cu ajutorul căruia se realizează amplificarea, conversia și generarea oscilațiilor electrice. O astfel de aplicare a tranzistorului poate fi observată în tehnologia analogică. În afară de asta tranzistori De asemenea, sunt utilizate în tehnologia digitală, unde sunt utilizate în modul cheie. Dar în echipamentele digitale, aproape toate tranzistoarele sunt „ascunse” în circuitele integrate și în cantități uriașe și în dimensiuni microscopice.

Aici nu ne vom rezuma prea mult la electroni, găuri și atomi, care au fost deja descriși în părțile anterioare ale articolului, dar o parte din acest lucru, dacă va fi necesar, va trebui totuși amintit.

Dioda semiconductor constă dintr-o joncțiune p-n, ale cărei proprietăți au fost descrise în partea anterioară a articolului. Transistorul, după cum știți, este format din două tranziții dioda semiconductoare poate fi considerat precursorul tranzistorului sau jumătatea acestuia.

Dacă joncțiunea p-n este în repaus, atunci găurile și electronii sunt distribuiți, așa cum se arată în figura 1, formând o barieră potențială. Vom încerca să nu uităm convențiile electronilor, găurilor și ionilor prezentate în această figură.

Figura 1

Cum este un tranzistor bipolar

dispozitiv tranzistor bipolar simplu la prima vedere. Pentru a face acest lucru, este suficient să creăm două joncțiuni pn pe o placă semiconductoare, numită bază. Au fost descrise unele metode pentru crearea unei joncțiuni pn. în părțile anterioare ale articoluluiprin urmare, nu vom repeta aici.

Dacă conductivitatea bazei este de tip p, atunci tranzistorul rezultat va avea structura n-p-n (pronunțată "en-pe-en"). Și când o bază de tip n este folosită ca bază, atunci obținem un tranzistor al structurii p-n-p (pe-en-pe).

De îndată ce a ajuns la bază, ar trebui să fiți atenți la acest lucru: placa semiconductor folosită ca bază este foarte subțire, mult mai subțire decât emițătorul și colectorul. Această afirmație trebuie amintită, deoarece va fi necesară în procesul de explicare a funcționării tranzistorului.

Desigur, pentru a vă conecta la „lumea exterioară” din fiecare regiune p și n vine ieșirea prin cablu. Fiecare dintre ele are numele zonei la care este conectat: emițător, bază, colector. Un astfel de tranzistor este numit tranzistor bipolar, deoarece folosește două tipuri de purtători de încărcare - găuri și electroni. Structura schematică a tranzistoarelor de ambele tipuri este prezentată în figura 2.

Figura 2

În prezent, tranzistoarele de siliciu sunt utilizate într-o măsură mai mare. Tranzistoarele germaniu sunt aproape complet învechite, fiind înlocuite cu siliciu, astfel că povestea ulterioară va fi despre ele, deși germaniu va fi uneori menționat. Majoritatea tranzistorilor de siliciu au o structură n-p-n, deoarece această structură este mai avansată din punct de vedere tehnologic în producție.

Perechi de tranzistoare complementare

Se pare că pentru tranzistoarele de germaniu, structura p-n-p era mai avansată din punct de vedere tehnologic, prin urmare, tranzistorii germaniu în cea mai mare parte aveau tocmai această structură. Deși, ca parte a perechilor complementare (tranzistoarele se închid în parametri, care diferă doar în tipul conductivității), tranzistoarele de germaniu cu o conductivitate diferită au fost, de asemenea, produse, de exemplu, GT402 (p-n-p) și GT404 (n-p-n).

O astfel de pereche a fost utilizată ca tranzistori de ieșire în ULF pentru diferite echipamente radio. Și dacă tranzistorii nemodernici moderni au trecut în istorie, atunci se mai produc perechi complementare de tranzistoare de siliciu, începând de la tranzistoarele din pachetele SMD și până la tranzistoarele puternice pentru etapele de ieșire ale ULF.

Apropo, amplificatorii de sunet de pe tranzistoarele de germaniu au fost percepute de iubitorii de muzică aproape ca cele cu tuburi. Ei bine, poate ceva mai rău, dar mult mai bine decât amplificatoarele cu tranzistor de siliciu. Acesta este doar pentru referință.

Cum funcționează un tranzistor

Pentru a înțelege cum funcționează tranzistorul, va trebui din nou să ne întoarcem în lumea electronilor, a găurilor, a donatorilor și a acceptoarelor. Este adevărat, acum va fi ceva mai simplu și chiar mai interesant decât în ​​părțile anterioare ale articolului. O astfel de remarcă trebuia făcută pentru a nu speria cititorul, pentru a permite să citească toate acestea până la sfârșit.

Figura 3 de mai sus arată denumirea grafică convențională a tranzistoarelor pe circuite electrice, iar sub joncțiunile p-n ale tranzistoarelor sunt prezentate sub formă de diode semiconductoare, care sunt de asemenea incluse în direcția opusă. Această reprezentare este foarte convenabilă atunci când verificați tranzistorul cu un multimetru.

Figura 3

Iar figura 4 prezintă structura internă a tranzistorului.

În această figură, trebuie să zăbovești puțin pentru a o lua în considerare mai detaliat.

Figura 4

Deci va trece curentul sau nu?

Aici este arătat cum sursa de alimentare este conectată la tranzistorul structurii n-p-n și este într-o astfel de polaritate, încât este conectată la tranzistoarele reale în dispozitive reale. Dar, dacă te uiți cu atenție, se dovedește că prin două joncțiuni p-n, prin două bariere potențiale, curentul nu va trece: indiferent cum schimbi polaritatea tensiunii, una dintre joncțiuni va fi în mod necesar într-o stare blocată, care nu conduce. Deci, deocamdată, lăsăm totul așa cum se arată în figură și vedem ce se întâmplă acolo.

Curent necontrolat

Când porniți sursa curentă, așa cum se arată în figură, tranziția emițător-bază (n-p) este în stare deschisă și va trece cu ușurință electroni în direcția de la stânga la dreapta. După care electronii se vor ciocni cu un emițător de bază de joncțiune închisă (p-n), care va opri această mișcare, calea pentru electroni va fi închisă.

Dar, ca întotdeauna și peste tot, există excepții de la toate regulile: unii electroni foarte nimici vor putea depăși această barieră sub influența temperaturii. Prin urmare, deși va fi un curent nesemnificativ cu o astfel de incluziune. Acest curent minor se numește curent inițial sau curent de saturație. Ultimul nume se datorează faptului că toți electronii liberi care sunt capabili să depășească bariera potențială la o anumită temperatură participă la formarea acestui curent.

Curentul inițial este incontrolabil, este disponibil pentru orice tranzistor, dar în același timp este puțin dependent de tensiunea externă. Dacă tensiunea este crescută semnificativ (în limita rezonabilă indicată în directoare), curentul inițial nu se va schimba mult. Dar efectul termic asupra acestui curent este foarte vizibil.

O creștere suplimentară a temperaturii determină o creștere a curentului inițial, care poate conduce la încălzirea suplimentară a joncțiunii pn. O astfel de instabilitate termică poate duce la descompunerea termică, distrugerea tranzistorului. Prin urmare, trebuie luate măsuri pentru răcirea tranzistoarelor și nu se aplică tensiuni extreme la temperaturi ridicate.

Acum amintiți-vă de bază

Includerea unui tranzistor bazat pe prag descris mai sus nu se aplică nicăieri în schemele practice. Prin urmare, figura 5 arată includerea corectă a tranzistorului. Pentru a face acest lucru, a fost necesară aplicarea unei mici tensiuni la bază în raport cu emițătorul și în direcția înainte (amintiți-vă dioda și uitați-vă din nou la figura 3).

Figura 5

Dacă în cazul diodei, totul pare clar, - curentul s-a deschis și a trecut prin ea, atunci alte evenimente apar în tranzistor. Sub acțiunea curentului emițător, electronii se îndreaptă spre bază cu conductivitatea p de la emițător cu conductivitatea n. În acest caz, o parte din electroni va fi umplută de găuri situate în regiunea de bază și un curent nesemnificativ curge prin terminalul de bază - curentul de bază Ib. Aici trebuie amintit faptul că baza este subțire și există puține găuri în ea.

Electronii rămași, care nu aveau suficiente găuri în baza subțire, se grăbesc în colector și vor fi extrași de acolo de potențialul mai mare al bateriei colectorului Ek-e. Sub această influență, electronii vor depăși a doua barieră potențială și vor reveni la emițător prin baterie.

Astfel, o mică tensiune aplicată joncțiunii bază-emițător contribuie la deschiderea joncțiunii bazei-colector în direcția opusă. De fapt, acesta este efectul tranzistorului.

Rămâne doar să luăm în considerare modul în care această „mică tensiune” aplicată bazei afectează curentul colectorului, care sunt valorile și raporturile acestora. Dar despre această poveste în următoarea parte a articolului despre tranzistoare.

Continuarea articolului: Caracteristicile tranzistoarelor bipolare

Boris Aladyshkin