Bipolarni spojni tranzistor (BJT) - konstrukcija i operativni detalji

Bipolarni tranzistor ili BJT je 3-polni poluvodički uređaj koji je u stanju pojačati ili prebaciti male ulazne napone i struje signalnih signala u znatno veće napone i struje izlaznog signala.

Kako su se razvijali BJT-ovi s bipolarnim spojem

Tijekom 1904–1947. Vakuumska je cijev nedvojbeno bila elektronički uređaj velike znatiželje i rasta. J. A. Fleming je 1904. lansirao vakuumsku cijevnu diodu. Ubrzo nakon toga, 1906. godine, Lee De Forest poboljšao je uređaj trećom značajkom, poznatom kao kontrolna mreža, proizvodeći prvo pojačalo i nazvan triodom.

U sljedećim desetljećima radio i televizija potaknuli su ogromnu inspiraciju u poslu s cijevima. Proizvodnja je porasla s oko milijun cijevi 1922. na oko 100 milijuna 1937. Početkom 1930-ih četveroelektronska tetroda i petoelektrična pentoda stekle su popularnost u poslu s elektronskim cijevima.

U godinama koje će uslijediti, proizvodni sektor evoluirao je u jedan od najvažnijih sektora, a za ove su modele stvorena brza poboljšanja, u proizvodnim metodama, u aplikacijama velike snage i visoke frekvencije, te u smjeru minijaturizacije.

Međutim, 23. prosinca 1947. elektronička je industrija svjedočila dolasku apsolutno novog „smjera interesa“ i poboljšanja. Pokazalo se sredinom dana da su Walter H. Brattain i John Bardeen izložili i dokazali pojačavajuću funkciju prvog tranzistora u Bell Telephone Laboratories.

Prvi tranzistor (koji je bio u obliku točkovnog tranzistora) prikazan je na slici 3.1.

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

Pozitivni aspekti ove 3-polne SSD jedinice za razliku od cijevi bili su odmah uočljivi: pokazalo se da je puno manji, mogao je raditi bez 'grijača' ili gubitaka grijanja, bio je nesalomljiv i jak, bio je učinkovitiji u smislu potrošnje energije, mogao se lako pohraniti i pristupiti mu, nije zahtijevao početno pokretanje zagrijavanja i radio je na puno nižim radnim naponima.

TRAZISTORSKA KONSTRUKCIJA

Tranzistor je u osnovi uređaj izgrađen s 3 sloja poluvodičkog materijala u kojem se koriste 2 n-tipa i jedan sloj p-tipa materijala ili 2 p-tipa i jedan sloj materijala n-tipa. Prvi tip naziva se NPN tranzistor, dok se druga varijanta naziva PNP tip tranzistora.

Obje ove vrste mogle bi se prikazati na slici 3.2 uz odgovarajuće jednosmjerno pristranost.

Već smo naučili kako u BJTs DC pristranost postaju bitni za uspostavljanje potrebnog operativnog područja i za pojačanje izmjeničnog napona. Zbog toga se bočni sloj emitera dopira značajnije u odnosu na osnovnu stranu koja je manje značajna.

Vanjski slojevi stvoreni su sa slojevima mnogo veće debljine u usporedbi s sendvičanim materijalima tipa p- ili n. Na slici 3.2 gore možemo pronaći da je za ovaj tip udio ukupne širine u odnosu na središnji sloj oko 0,150 / 0,001: 150: 1. Doping koji se provodi preko sloja sendviča također je relativno niži od vanjskog sloja koji se obično kreće u rasponu od 10: 1 ili čak manje.

Ova vrsta smanjene razine dopinga smanjuje provodnu sposobnost materijala i povećava otpornost ograničavanjem količine slobodno krećući se elektroni ili 'slobodni' nosači.

Na dijagramu pristranosti također možemo vidjeti da su terminali uređaja prikazani velikim slovima E za emiter, C za kolektor i B za bazu, u našoj ćemo daljnjoj raspravi objasniti zašto se ovim terminalima pridaje ova važnost.

Također, izraz BJT koristi se za skraćivanje bipolarnog tranzistora i označava ova 3 terminalna uređaja. Izraz 'bipolarni' ukazuje na važnost rupa i elektrona uključenih tijekom postupka dopinga u odnosu na suprotno polariziranu tvar.

RAD TRANZISTORA

Shvatimo sada temeljni rad BJT-a uz pomoć PNP verzije slike 3.2. Princip rada NPN kolega bio bi potpuno sličan ako se sudjelovanje elektrona i rupa jednostavno zamijeni.

Kao što se može vidjeti na slici 3.3, PNP tranzistor je precrtan, eliminirajući pristranost baze do kolektora. Možemo vizualizirati kako područje iscrpljenja izgleda suženo u širinu zbog induciranog pristranosti, što uzrokuje masivni protok većinski prijevoznici preko p- do materijala tipa n.

U slučaju da se ukloni pristranost baze emiter pnp tranzistora, kao što je prikazano na slici 3.4, protok većinskih nosača postaje nula, dopuštajući protok samo manjinskih nosača.

Ukratko to možemo shvatiti u pristranoj situaciji jedan p-n spoj BJT-a postaje unatrag pristran, dok je drugi spoj prednji.

Na slici 3.5 možemo vidjeti kako se pristranski naponi primjenjuju na pnp tranzistor, što uzrokuje naznačeni protok većinskog i manjinskog nosača. Ovdje, iz širine područja iscrpljivanja, možemo jasno predočiti koji spoj ima rad s unaprijed pristranim stanjem, a koji u obrnutom položaju.

Kao što je prikazano na slici, značajna količina većinskih nosača na kraju se difundira preko unaprijed pristranog p-n spoja u materijal tipa n. To postavlja pitanje u našem umu, bi li ovi nosači mogli igrati bilo kakvu važnu ulogu u promicanju osnovne struje IB ili mu omogućiti da teče izravno u materijal tipa p?

Uzimajući u obzir da je stisnuti sadržaj tipa n nevjerojatno tanak i da ima minimalnu vodljivost, izuzetno će malo tih nosača krenuti ovom određenom rutom visokog otpora preko osnovnog terminala.

Razina osnovne struje je obično oko mikroampera, a ne miliampera za emiterske i kolektorske struje.

Veći raspon ovih većinskih nosača difuzat će se duž spoja obrnuto pristranog smjesa u materijal tipa p pričvršćen na terminal kolektora, kako je istaknuto na slici 3.5.

Stvarni uzrok ove relativne lakoće s kojom je većinskim nosačima dopušteno da pređu preko obrnuto pristranog spoja brzo se spozna primjerom obrnuto pristranske diode gdje se inducirani većinski nosači pojavljuju kao manjinski nosači u materijalu n-tipa.

Drugim riječima, nalazimo uvođenje manjinskih nosača u materijal osnovnog područja n-tipa. Uz ovo znanje i uz činjenicu da za diode svi manjinski nosači u području iscrpljivanja prelaze preko obrnuto pristranog spoja, rezultira protokom elektrona, kako je prikazano na slici 3.5.

Pod pretpostavkom da je tranzistor na sl.3.5 jedan čvor, možemo primijeniti Kirchhoffov trenutni zakon da bismo dobili sljedeću jednadžbu:

Što pokazuje da je emiterska struja jednaka zbroju osnovne i kolektorske struje.

Međutim, kolektorska struja sastoji se od nekoliko elemenata, koji su naime većinski i manjinski nosači, kako je dokazano na slici 3.5.

Element noseće struje manjine ovdje predstavlja struju curenja i simbolizira se kao ICO (trenutna IC koja ima otvoreni terminal emitora).

Slijedom toga, utvrđuje se neto kolektorska struja kako je dato u sljedećoj jednadžbi 3.2:

IC kolektorske struje mjeri se u mA za sve tranzistore opće namjene, dok se ICO izračunava u uA ili nA.

ICO će se ponašati poput diode s obrnutom pristranošću i stoga bi mogao biti osjetljiv na promjene temperature, te stoga mora biti na odgovarajući način pažljiv tijekom testiranja, posebno u krugovima koji su dizajnirani za rad u vrlo različitim scenarijima temperaturnog raspona, inače rezultat može biti ogroman pod utjecajem temperaturnog faktora.

Međutim, zbog mnogih naprednih poboljšanja u konstrukcijskom rasporedu modernih tranzistora, ICO je značajno smanjen i može se u potpunosti zanemariti za sve današnje BJT-ove.

U sljedećem ćemo poglavlju naučiti kako konfigurirati BJT-ove u načinu zajedničke baze.

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