Bipolární tranzistor (BJT) - konstrukční a provozní podrobnosti

Bipolární tranzistor nebo BJT je 3-koncové polovodičové zařízení, které je schopné zesilovat nebo přepínat malá vstupní napětí a proudy signálu na výrazně větší napětí a proudy výstupního signálu.

Jak se vyvinul bipolární tranzistor BJT

V letech 1904–1947 byla vakuová trubice nepochybně elektronickým zařízením velké zvědavosti a růstu. V roce 1904 vypustil vakuovou trubici dioda J. A. Fleming. Krátce nato, v roce 1906, Lee De Forest vylepšil zařízení o třetí funkci, známou jako kontrolní mřížka, vyrábějící první zesilovač, a pojmenovanou jako trioda.

V následujících desetiletích vyvolaly rozhlas a televize obrovskou inspiraci pro odvětví elektroniky. Výroba vzrostla z přibližně 1 milionu trubek v roce 1922 na přibližně 100 milionů v roce 1937. Na začátku 30. let si v oboru elektronkových trubek získaly popularitu čtyřprvková tetroda a pětičlenná pentoda.

V následujících letech se výrobní odvětví vyvinulo v jedno z nejdůležitějších odvětví a pro tyto modely byla vytvořena rychlá vylepšení ve výrobních metodách, ve vysoce výkonných a vysokofrekvenčních aplikacích a ve směru miniaturizace.

23. prosince 1947 se však elektronický průmysl stal svědkem příchodu zcela nového „směru zájmu“ a zdokonalování. V poledne se ukázalo, že Walter H. Brattain a John Bardeen vystavovali a prokázali zesilovací funkci prvního tranzistoru v Bell Telephone Laboratories.

Úplně první tranzistor (který byl ve formě bodového kontaktního tranzistoru) je znázorněn na obr. 3.1.

Obrázek se svolením: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Replica-of-first-transistor.jpg

Pozitivní aspekty této 3kolíkové polovodičové jednotky na rozdíl od trubice byly okamžitě patrné: Ukázalo se, že je mnohem menší, může fungovat bez „ohřívače“ nebo ztrát ohřevu, je nerozbitný a silný, je efektivnější z hlediska spotřeba energie, kterou lze snadno uložit a získat k ní přístup, nevyžadovala žádné počáteční zahřívání a fungovala při mnohem nižších provozních napětích.

TRANSISTOROVÁ KONSTRUKCE

Tranzistor je v zásadě zařízení postavené ze 3 vrstev polovodičového materiálu, ve kterém jsou použity buď 2 n- typ a jedna p-vrstva materiálu nebo 2 p-typ a jedna n-typu vrstvy materiálu. První typ se nazývá tranzistor NPN, zatímco druhá varianta je pojmenována jako tranzistor typu PNP.

Oba tyto typy lze vizualizovat na obrázku 3.2 s vhodným předpětím DC.

Už jsme se naučili, jak dovnitř Předpětí BJTs DC staly nezbytnými pro stanovení požadované operační oblasti a pro AC zesílení. Z tohoto důvodu je boční strana emitoru dotována významněji ve srovnání se základní stranou, která je dotována méně významně.

Vnější vrstvy jsou vytvořeny s vrstvami, které mají mnohem větší tloušťku ve srovnání se sendvičovými materiály typu p nebo n. Na obrázku 3.2 výše zjistíme, že pro tento typ je podíl celkové šířky ve srovnání s centrální vrstvou kolem 0,150 / 0,001: 150: 1. Doping implementovaný přes sendvičovou vrstvu je také relativně nižší než vnější vrstvy, které se obvykle pohybují v poměru 10: 1 nebo dokonce méně.

Tento druh snížené dopingové úrovně snižuje vodivost materiálu a zvyšuje odporovou povahu omezením množství volně se pohybující elektrony nebo „volné“ nosiče.

V diagramu předpětí také vidíme, že terminály zařízení jsou zobrazeny velkými písmeny E pro emitor, C pro kolektor a B pro základnu, v naší budoucí diskusi vysvětlím, proč je tato důležitost těmto terminálům vyjádřena.

Termín BJT se také používá pro zkrácení bipolárního tranzistoru a je určen pro tato 3 koncová zařízení. Fráze „bipolární“ označuje význam otvorů a elektronů zapojených během dopingového procesu s ohledem na opačně polarizovanou látku.

PROVOZ TRANSISTORU

Pojďme nyní pochopit základní fungování BJT pomocí verze PNP na obr. 3.2. Princip fungování protějšku NPN by byl přesně podobný, pokud by byla účast elektronů a děr jednoduše zaměněna.

Jak je vidět na obrázku 3.3, tranzistor PNP byl překreslen, což eliminuje předpětí základny ke kolektoru. Můžeme si představit, jak oblast vyčerpání vypadá zúžená na šířku kvůli indukovanému předpětí, které způsobuje masivní tok většinoví dopravci přes materiály typu p- až n.

V případě, že je předpětí tranzistoru pnp odstraněno předpětí báze k emitoru, jak je znázorněno na obr. 3.4, tok většinových nosných se stává nulovým, což umožňuje tok pouze menšinových nosných.

Krátce to můžeme pochopit v předpojaté situaci jedno p-n spojení BJT se stane předpjatým, zatímco druhé spojení je předpjaté.

Na obr. 3.5 vidíme jak předpěťová napětí aplikovaná na pnp tranzistor, což způsobuje indikovaný tok většinovým i menšinovým nosičem. Zde ze šířek oblastí vyčerpání můžeme jasně vizualizovat, které křižovatka pracuje s podmínkou dopředného předpětí a která je v předpětí.

Jak je znázorněno na obrázku, podstatné množství většinových nosičů se nakonec rozptýlí napříč předpjatým p-n spojem do materiálu typu n. To v našich myslích vyvolává otázku, mohli by tyto nosiče hrát nějakou důležitou roli při podpoře základního proudu IB nebo umožnit jeho tok přímo do materiálu typu p?

Vzhledem k tomu, že sendvičový obsah typu n je neuvěřitelně tenký a má minimální vodivost, vyjde výjimečně málo z těchto nosičů touto konkrétní cestou vysokého odporu napříč základnovým terminálem.

Úroveň základního proudu je pro emitorové a kolektorové proudy obvykle kolem mikroamperů, nikoli miliampérů.

Větší rozsah těchto většinových nosičů bude difundovat podél reverzně předpjatého spojení do materiálu typu p připojeného k terminálu kolektoru, jak je uvedeno na obr. 3.5.

Skutečná příčina této relativní snadnosti, s níž se většinovým nosným je dovoleno dostat se přes křižovatku s reverzním předpětím, je rychle realizována příkladem diody s předpětím s předpětím, kde se indukované většinové nosiče v materiálu typu n objevují jako menšinové nosiče.

Jinak řečeno, nacházíme zavedení menšinových nosičů do materiálu základní oblasti typu n. S těmito znalostmi a spolu se skutečností, že pro diody se všechny nosiče menšin v oblasti vyčerpání dostanou přes křižovatku s reverzním předpětím, vede k toku elektronů, jak je naznačeno na obr. 3.5.

Za předpokladu, že tranzistor na obr. 3.5 bude jediným uzlem, můžeme použít Kirchhoffův současný zákon a získat následující rovnici:

Což ukazuje, že emitorový proud se rovná součtu základního a kolektorového proudu.

Kolektorový proud je však tvořen několika prvky, kterými jsou zejména majoritní a menšinové nosiče, jak je ukázáno na obr. 3.5.

Prvek nosného menšinového proudu zde představuje svodový proud a je symbolizován jako ICO (proud IC s otevřeným terminálem emitoru).

V důsledku toho je čistý proud kolektoru stanoven, jak je uvedeno v následující rovnici 3.2:

Proud kolektoru IC se měří v mA pro všechny tranzistory pro všeobecné použití, zatímco ICO se počítá v uA nebo nA.

ICO se bude chovat docela jako dioda s reverzním předpětím, a proto by mohla být náchylná k teplotním změnám, a proto musí být při testování náležitě pečována, zejména v obvodech, které jsou navrženy pro práci v různých scénářích teplotního rozsahu, jinak může být výsledek značně ovlivněna vlivem teplotního faktoru.

To znamená, že díky mnoha pokročilým vylepšením v konstrukčním uspořádání moderních tranzistorů je ICO výrazně sníženo a lze jej zcela ignorovat pro všechny dnešní BJT.

V následující kapitole se naučíme, jak konfigurovat BJT v běžném základním režimu.

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