Bipolarni križni tranzistor (BJT) - konstrukcija in podrobnosti o delovanju

Bipolarni tranzistor ali BJT je 3-polna polprevodniška naprava, ki lahko ojača ali preklopi majhne vhodne napetosti in tokove signala na bistveno večje napetosti in tokove izhodnega signala.

Kako so se razvili bipolarni križni tranzistorski BJT-ji

V letih 1904–1947 je bila vakuumska cev nedvomno elektronska naprava velike radovednosti in rasti. Leta 1904 je J. A. Fleming izstrelil vakuumsko cevno diodo. Kmalu zatem, leta 1906, je Lee De Forest napravo izboljšal s tretjo funkcijo, znano kot nadzorna mreža, ki proizvaja prvi ojačevalnik in je bila imenovana kot trioda.

V naslednjih desetletjih sta radio in televizija močno navdihnila podjetje s cevmi. Proizvodnja se je povečala s približno 1 milijona cevi v letu 1922 na približno 100 milijonov v letu 1937. V začetku tridesetih let so 4-elementni tetrodi in 5-elementni pentodi postali priljubljeni v poslu z elektronskimi cevmi.

V naslednjih letih se je proizvodni sektor razvil v enega najpomembnejših sektorjev in za te modele so bile ustvarjene hitre izboljšave v proizvodnih metodah, v visoko zmogljivih in visokofrekvenčnih aplikacijah ter v smeri miniaturizacije.

23. decembra 1947 pa je bila elektronska industrija priča prihodu popolnoma nove 'smeri zanimanja' in izboljšav. Sredi dneva se je izkazalo, da sta Walter H. Brattain in John Bardeen razstavila in dokazala ojačevalno funkcijo prvega tranzistorja v Bell Telephone Laboratories.

Prvi tranzistor (ki je bil v obliki točkovnega tranzistorja) je prikazan na sliki 3.1.

Vljudnost slike: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Replica-of-first-transistor.jpg

Pozitivni vidiki te 3-polne polprevodniške enote v nasprotju s cevjo so bili takoj opazni: izkazalo se je, da je veliko manjši, lahko deluje brez 'grelnika' ali ogrevalnih izgub, je bil nezlomljiv in močan, učinkovitejši v smislu porabe energije, lahko ga je enostavno shraniti in dostopati do njega, ni zahteval začetnega segrevanja in je deloval pri precej nižjih delovnih napetostih.

KONSTRUKCIJA TRANZISTORJA

Tranzistor je v bistvu naprava, zgrajena s 3 plastmi polprevodniškega materiala, v kateri se uporablja 2 n-tip in en sloj p-tipa materiala ali 2 p-tipa in en sloj materiala n-tipa. Prvi tip se imenuje NPN tranzistor, druga varianta pa PNP tranzistor.

Obe vrsti bi lahko prikazali na sliki 3.2 z ustreznim pristranskostjo enosmernega toka.

Že smo se naučili, kako v BJTs DC pristranskost postanejo bistveni za vzpostavitev zahtevanega operativnega območja in za ojačanje izmeničnega toka. Za to je stranska plast oddajnika dopirana bistveno bolj kot osnovna stran, ki je manj znatna.

Zunanje plasti so ustvarjene s plastmi veliko večje debeline v primerjavi s p-ali n-vrstami sendvič materialov. Na sliki 3.2 zgoraj lahko ugotovimo, da je za to vrsto delež celotne širine v primerjavi s centralno plastjo okoli 0,150 / 0,001: 150: 1. Dopiranje, ki se izvaja nad stisnjeno plastjo, je tudi relativno nižje od zunanjih slojev, ki se običajno gibljejo med 10: 1 ali celo manj.

Ta vrsta zmanjšane stopnje dopinga zmanjša prevodnost materiala in poveča uporovno naravo z omejevanjem količine prosti elektroni ali 'prosti' nosilci.

V diagramu pristranskosti lahko vidimo tudi, da so terminali naprave prikazani z velikimi črkami E za oddajnik, C za kolektor in B za bazo, v naši prihodnji razpravi bom razložil, zakaj je ta pomen pripisan tem terminalom.

Izraz BJT se uporablja tudi za skrajšanje bipolarnega tranzistorja in je označen za te 3 terminalne naprave. Besedna zveza „bipolarna“ označuje pomembnost lukenj in elektronov, vključenih med doping postopkom, glede na nasprotno polarizirano snov.

DELOVANJE TRANZISTORJA

Zdaj razumemo temeljno delovanje BJT s pomočjo različice PNP slike 3.2. Načelo delovanja nasprotnika NPN bi bilo popolnoma podobno, če bi se udeležba elektronov in lukenj preprosto zamenjala.

Kot je razvidno iz slike 3.3, je bil tranzistor PNP prerisan in odstranil pristranskost osnove do kolektorja. Vizualiziramo si lahko, kako se območje izčrpavanja zdi zoženo v širini zaradi induciranega pristranskosti, ki povzroči močan pretok večinski prevozniki preko p- do materialov tipa n.

V primeru, da se pristranskost pnp tranzistorja od osnove do emiterja odstrani, kot je prikazano na sliki 3.4, pretok večinskih nosilcev postane nič, kar omogoča pretok samo manjšinskih nosilcev.

Na kratko lahko to razumemo v pristranski situaciji en p-n križišče BJT postane vzvratno pristransko, medtem ko je drugo križišče naprej.

Na sliki 3.5 lahko vidimo, da se na pnp tranzistor nanašata tako napajalne napetosti, ki povzročajo navedeni tok večinskega in manjšinskega nosilca. Tu lahko iz širine območij izčrpavanja jasno razberemo, kateri križišče deluje v prednapetostnem položaju in kateri v obratno pristranskem.

Kot je prikazano na sliki, se velika količina večinskih nosilcev na koncu razprši po naprej usmerjenem p-n spoju v material n-tipa. Ob tem se nam poraja vprašanje, ali bi lahko ti nosilci igrali pomembno vlogo pri promociji osnovnega toka IB ali mu omogočili, da teče neposredno v material tipa p?

Glede na to, da je vsebnost stisnjenega n-tipa neverjetno tanka in ima minimalno prevodnost, bo izjemno malo teh nosilcev ubralo to posebno pot visoke odpornosti skozi osnovni terminal.

Raven osnovnega toka je običajno okoli mikroamperov in ne miliamperov za emiterske in kolektorske tokove.

Večji obseg teh večinskih nosilcev se bo razpršil vzdolž reverzno pristranskega križišča v material tipa p, pritrjen na kolektorski terminal, kot je prikazano na sliki 3.5.

Dejanski vzrok za to relativno lahkoto, s katero lahko večinski nosilci preidejo čez reverzno pristranski spoj, se hitro spozna na primeru reverzne pristranske diode, kjer se inducirani večinski nosilci pojavijo kot manjšinski nosilci v materialu tipa n.

Povedano drugače, najdemo manjšinske nosilce v materialu osnovne regije n-tipa. S tem znanjem in dejstvom, da za diode vsi manjšinski nosilci v območju izčrpavanja preidejo skozi obratno pristranski spoj, povzroči pretok elektronov, kot je prikazano na sliki 3.5.

Če predpostavimo, da je tranzistor na sliki 3.5 en sam vozlišče, lahko uporabimo sedanji zakon Kirchhoffa, da dobimo naslednjo enačbo:

Kar kaže, da je emiterski tok enak vsoti osnovnega in kolektorskega toka.

Vendar je kolektorski tok sestavljen iz nekaj elementov, ki so namreč večinski in manjšinski nosilci, kot je dokazano na sliki 3.5.

Element manjšinskega toka tukaj predstavlja tok uhajanja in je simboliziran kot ICO (trenutni IC z odprtim terminalom oddajnika).

Posledično je neto kolektorski tok določen, kot je navedeno v naslednji enačbi 3.2:

IC kolektorskega toka se meri v mA za vse tranzistorje splošnega namena, ICO pa v uA ali nA.

ICO se bo obnašal podobno kot obratno pristranska dioda in bi zato lahko bil občutljiv na temperaturne spremembe, zato ga je treba med preskušanjem ustrezno paziti, zlasti v tokokrogih, ki so zasnovani za delovanje v zelo različnih scenarijih temperaturnega območja, sicer pa je rezultat lahko zelo velik vplivajo zaradi temperaturnega faktorja.

Kljub temu je ICO zaradi številnih naprednih izboljšav v strukturi sodobnih tranzistorjev bistveno zmanjšan in ga je mogoče popolnoma prezreti za vse današnje BJT-je.

V naslednjem poglavju bomo izvedeli, kako konfigurirati BJT-je v skupnem osnovnem načinu.

Reference: https://en.wikipedia.org/wiki/John_Bardeen