چرا به ترانزیستور دوقطبی دوقطبی می گویند؟ ترانزیستورهای دوقطبی: مدارهای سوئیچینگ طرح روشن کردن ترانزیستور دوقطبی با امیتر مشترک

انواع مختلفی از دستگاه های نیمه هادی وجود دارد - تریستورها، تریودها، آنها بر اساس هدف و نوع ساخت آنها طبقه بندی می شوند. ترانزیستورهای دوقطبی نیمه هادی قادرند به طور همزمان دو نوع بار را حمل کنند، در حالی که انواع میدانی تنها یکی هستند.

طراحی و اصل عملیات

قبلاً به جای ترانزیستورها در مدارهای الکتریکی، از لوله های خلاء کم نویز مخصوص استفاده می شد، اما اندازه آنها بزرگ بود و با لامپ رشته ای کار می کردند. ترانزیستور دوقطبی GOST 18604.11-88 یک دستگاه الکتریکی نیمه هادی است که یک عنصر کنترل شده است و با ساختار سه لایه مشخص می شود که برای کنترل مایکروویو استفاده می شود. می تواند در مورد و بدون آن باشد. آنها در انواع p-n-p و n-p-n هستند. بسته به ترتیب لایه ها، پایه می تواند یک صفحه p یا n باشد که ماده خاصی روی آن رسوب می کند. به دلیل انتشار در حین ساخت، یک لایه پوششی بسیار نازک اما بادوام به دست می آید.

برای تعیین اینکه کدام ترانزیستور در مقابل شما قرار دارد، باید پیکان اتصال امیتر را پیدا کنید. اگر جهت آن به سمت پایه برود، ساختار pnp، اگر از آن دور است، سپس npn. برخی از همتایان وارداتی قطبی (IGBT و دیگران) ممکن است یک نامه انتقال داشته باشند. علاوه بر این، ترانزیستورهای مکمل دوقطبی نیز وجود دارد. اینها دستگاه هایی هستند که دارای ویژگی های یکسان، اما انواع مختلف هدایت هستند. چنین جفتی در مدارهای رادیویی مختلف کاربرد پیدا کرده است. در صورت نیاز به تعویض عناصر جداگانه مدار، این ویژگی باید در نظر گرفته شود.

ناحیه ای که در مرکز قرار دارد پایه نامیده می شود که در دو طرف آن یک قطره چکان و یک کلکتور وجود دارد. پایه بسیار نازک است، اغلب ضخامت آن از دو میکرون تجاوز نمی کند. در تئوری، چیزی به نام ترانزیستور دوقطبی ایده آل وجود دارد. این مدلی است که در آن فاصله بین ناحیه امیتر و کلکتور یکسان است. اما اغلب، محل اتصال امیتر (مساحت بین پایه و امیتر) دو برابر اتصال جمع کننده (مساحت بین پایه و کلکتور) است.

با توجه به نوع اتصال و سطح توان ارسالی به موارد زیر تقسیم می شوند:

1. فرکانس بالا؛
2. فرکانس پایین.

با قدرت برای:

1. کم قدرت؛
2. توان متوسط؛
3. قدرت (درایور ترانزیستور برای کنترل لازم است).

اصل عملکرد ترانزیستورهای دوقطبی بر این واقعیت استوار است که دو اتصال میانی نسبت به یکدیگر در مجاورت نزدیک قرار دارند. این به شما امکان می دهد تا به طور قابل توجهی تکانه های الکتریکی را که از آنها عبور می کنند تقویت کنید. اگر انرژی الکتریکی با پتانسیل های مختلف را به بخش های مختلف (مناطق) اعمال کنید، ناحیه خاصی از ترانزیستور جابه جا می شود. از این نظر آنها بسیار شبیه دیودها هستند.

به عنوان مثال، یک مقدار مثبت ناحیه p-n را باز می کند و یک مقدار منفی آن را می بندد. ویژگی اصلی عملکرد ترانزیستورها این است که وقتی هر منطقه جابجا می شود، پایه با الکترون ها یا جاهای خالی (سوراخ ها) اشباع می شود، این به شما امکان می دهد پتانسیل را کاهش دهید و رسانایی عنصر را افزایش دهید.

فعالیت های کلیدی زیر وجود دارد:

1. حالت فعال؛
2. برش
3. مضاعف یا اشباع؛
4. وارونگی.

قبل از تعیین نحوه عملکرد در تریودهای دوقطبی، باید بفهمید که چگونه آنها با یکدیگر تفاوت دارند. ولتاژهای بالا اغلب در حالت فعال کار می کنند (این حالت کلید نیز است)، در اینجا، در هنگام روشن شدن، اتصال امیتر جابجا می شود و ولتاژ معکوس در قسمت کلکتور وجود دارد. حالت وارونگی برعکس حالت فعال است، در اینجا همه چیز به نسبت مستقیم جابجا می شود. به همین دلیل سیگنال های الکترونیکی تا حد زیادی تقویت می شوند.

در طول قطع، همه انواع ولتاژ حذف می شوند، سطح جریان ترانزیستور به صفر کاهش می یابد. در این حالت سوئیچ ترانزیستور یا تریود میدان گیت عایق باز می شود و دستگاه خاموش می شود. همچنین یک حالت دوگانه یا عملیات اشباع وجود دارد، با این نوع عملکرد، ترانزیستور نمی تواند به عنوان یک تقویت کننده عمل کند. بر اساس این اصل اتصال، مدارها در جایی کار می کنند که نیاز به تقویت سیگنال نیست، بلکه برای باز و بسته کردن کنتاکت ها ضروری است.

با توجه به تفاوت سطوح ولتاژ و جریان در حالت های مختلف، برای تعیین آنها می توانید ترانزیستور دوقطبی را با یک مولتی متر بررسی کنید، به عنوان مثال در حالت تقویت، یک ترانزیستور خوب n-p-n باید تغییر آبشار را از 500 تا 1200 اهم نشان دهد. اصل اندازه گیری در زیر توضیح داده شده است.

هدف اصلی ترانزیستورها تغییر سیگنال های خاصی از شبکه الکتریکی بسته به شاخص های جریان و ولتاژ است. خواص آنها به شما امکان می دهد با تغییر فرکانس جریان، بهره را کنترل کنید. به عبارت دیگر مبدل مقاومت و تقویت کننده سیگنال است. در تجهیزات صوتی و تصویری مختلف برای کنترل جریان های برق کم توان و به عنوان UMZCH، ترانسفورماتور، کنترل موتور ماشین ابزار و غیره استفاده می شود.

ویدئو: ترانزیستورهای دوقطبی چگونه کار می کنند

معاینه

ساده ترین راه برای اندازه گیری h21e ترانزیستورهای دوقطبی با توان بالا، حلقه زدن آنها با یک مولتی متر است. برای باز کردن تریود نیمه هادی p-n-p، یک ولتاژ منفی به پایه اعمال می شود. برای انجام این کار، مولتی متر به حالت اهم متر در -2000 اهم تغییر می کند. هنجار نوسانات مقاومت از 500 تا 1200 اهم است.

برای بررسی سایر نواحی، باید مقاومت مثبت را به پایه اعمال کنید. با این تست، نشانگر باید مقاومت بیشتری نشان دهد، در غیر این صورت، تریود معیوب است.

گاهی اوقات سیگنال‌های خروجی توسط مقاومت‌هایی که برای کاهش مقاومت نصب می‌شوند قطع می‌شوند، اما در حال حاضر به ندرت از این فناوری شنتینگ استفاده می‌شود. برای بررسی ویژگی های مقاومت ترانزیستورهای پالس n-p-n، باید پلاس را به پایه و منفی را به پایانه های امیتر و کلکتور متصل کنید.

مشخصات و نشانه گذاری

پارامترهای اصلی که این عناصر نیمه هادی انتخاب می شوند پین اوت و کدگذاری رنگ هستند.

از کدگذاری رنگ نیز استفاده می شود.

بسیاری از ترانزیستورهای مدرن داخلی نیز با یک رمز الفبایی نشان داده می شوند که شامل اطلاعات مربوط به گروه (میدان، دوقطبی)، نوع (سیلیکون و غیره)، سال و ماه انتشار است.

خصوصیات (پارامترهای) اصلی تریودها:

1. افزایش ولتاژ؛
2. ولتاژ ورودی؛
3. مشخصات فرکانس مرکب

برای انتخاب آنها از ویژگی های استاتیک نیز استفاده می شود که شامل مقایسه ویژگی های ورودی و خروجی I-V می شود.

اگر محاسبه با توجه به ویژگی های اصلی (توزیع جریان های آبشاری، محاسبه حالت کلید) انجام شود، می توان پارامترهای مورد نیاز را محاسبه کرد. جریان جمع کننده: Ik=(Ucc-Ukenas)/Rn

• Ucc - ولتاژ شبکه؛
• Ukenas - اشباع؛
• Rn - مقاومت شبکه.

تلفات برق در حین کار:

P=Ik*Ukenas

شما می توانید ترانزیستورهای دوقطبی SMD، IGBT و غیره را در هر فروشگاه برق خریداری کنید. قیمت آنها بسته به هدف و ویژگی ها از چند سنت تا ده دلار متغیر است.

دستگاه و اصل کار

اولین ترانزیستورها بر اساس ژرمانیوم ساخته شدند. آنها در حال حاضر عمدتا از سیلیکون و آرسنید گالیم ساخته می شوند. جدیدترین ترانزیستورها در مدارهای تقویت کننده فرکانس بالا استفاده می شوند. یک ترانزیستور دوقطبی از سه ناحیه نیمه هادی با دوپ متفاوت تشکیل شده است: یک امیتر E، پایه بو کلکسیونر سی. بسته به نوع رسانایی این مناطق، ترانزیستورهای NPN (امیتر - n-نیمه هادی، پایه - p-نیمه هادی، کلکتور - n-نیمه هادی) و PNP متمایز می شوند. کنتاکت های رسانا به هر یک از زون ها متصل می شوند. پایه بین امیتر و کلکتور قرار گرفته است و از یک نیمه هادی کم دوپ شده با مقاومت بالا ساخته شده است. مجموع سطح تماس بیس-امیتر بسیار کوچکتر از سطح تماس کلکتور-پایه است (این کار به دو دلیل انجام می شود - یک منطقه اتصال کلکتور-پایه بزرگ احتمال استخراج حامل های بار جزئی را به کلکتور افزایش می دهد و از آنجایی که در کارکرد حالت اتصال پایه کلکتور معمولاً با بایاس معکوس روشن می شود، که تولید گرما را افزایش می دهد، باعث حذف گرما از کلکتور می شود، بنابراین، یک ترانزیستور دوقطبی عمومی یک دستگاه نامتقارن است (امکان تعویض امیتر و کلکتور با تغییر امیتر غیرممکن است. قطبیت اتصال و در نتیجه یک ترانزیستور دوقطبی کاملاً مشابه ترانزیستور اصلی بدست می آید).

در حالت فعال ترانزیستور روشن می شود تا اتصال امیتر آن بایاس رو به جلو (باز) و اتصال جمع کننده بایاس معکوس (بسته) باشد. برای قطعیت، در نظر بگیرید npnترانزیستور، همه آرگومان ها دقیقاً به همان روش برای مورد تکرار می شوند pnpترانزیستور، با جایگزینی کلمه "الکترون" با "سوراخ"، و بالعکس، و همچنین با جایگزینی تمام ولتاژها با علائم مخالف. که در npnدر ترانزیستور، الکترون‌ها، حامل‌های اصلی جریان در امیتر، از یک اتصال باز امیتر-پایه عبور می‌کنند (تزریق می‌شوند) به ناحیه پایه. برخی از این الکترون ها با اکثر حامل های بار در پایه (حفره ها) دوباره ترکیب می شوند. با این حال، با توجه به این واقعیت که پایه بسیار نازک است و نسبتاً کمی دوپ شده است، بیشتر الکترون های تزریق شده از امیتر به ناحیه کلکتور پخش می شوند. میدان الکتریکی قوی پیوند جمع کننده با بایاس معکوس، الکترون ها را می گیرد و آنها را به کلکتور می برد. بنابراین، جریان کلکتور عملاً برابر با جریان امیتر است، به استثنای یک افت نوترکیب کوچک در پایه، که جریان پایه را تشکیل می دهد (I e \u003d I b + I k). ضریب α که جریان امیتر و جریان کلکتور را متصل می کند (I k \u003d α I e) ضریب انتقال جریان امیتر نامیده می شود. مقدار عددی ضریب α 0.9 - 0.999. هرچه این ضریب بیشتر باشد، ترانزیستور جریان را با کارایی بیشتری منتقل می کند. این ضریب کمی به ولتاژ کلکتور-پایه و پایه-امیتر بستگی دارد. بنابراین، در طیف گسترده ای از ولتاژهای عملیاتی، جریان کلکتور با جریان پایه متناسب است، ضریب تناسب برابر با β = α / (1 - α) = (10..1000) است. بنابراین، با تغییر جریان پایه پایین، می توان جریان کلکتور بسیار بالاتری را کنترل کرد.

حالت های کاری ترانزیستور دوقطبی

حالت فعال معمولی

اتصال امیتر-پایه در جهت رو به جلو (باز) و اتصال جمع کننده-پایه در جهت معکوس (بسته) است.
U EB > 0؛ U KB<0 (для транзистора p-n-p типа, для транзистора n-p-n типа условие будет иметь вид U ЭБ <0;U КБ >0);

حالت فعال معکوس

محل اتصال امیتر معکوس است و اتصال جمع کننده مستقیم است.

حالت اشباع

هر دو اتصال p-n بایاس رو به جلو هستند (هر دو باز). اگر اتصالات p-n امیتر و کلکتور به منابع خارجی در جهت رو به جلو متصل شوند، ترانزیستور در حالت اشباع خواهد بود. میدان الکتریکی انتشار پیوندهای امیتر و کلکتور تا حدی توسط میدان الکتریکی ایجاد شده توسط منابع خارجی Ueb و Ucb کاهش می یابد. در نتیجه، مانع پتانسیلی که انتشار حامل های بار اصلی را محدود می کند کاهش می یابد و نفوذ (تزریق) سوراخ ها از امیتر و کلکتور به داخل پایه آغاز می شود، یعنی جریان ها از طریق امیتر و کلکتور جریان می یابند. ترانزیستور، جریان های اشباع امیتر (IE.us) و کلکتور (IK. us) نامیده می شود.

حالت قطع

در این حالت هر دو اتصال p-n دستگاه در جهت مخالف بایاس می شوند (هر دو بسته هستند). حالت قطع ترانزیستور زمانی به دست می آید که اتصالات p-n امیتر و کلکتور در جهت مخالف به منابع خارجی متصل شوند. در این حالت، جریان های معکوس بسیار کوچک امیتر (IEBO) و کلکتور (ICBO) از هر دو اتصال pn جریان می یابد. جریان پایه برابر است با مجموع این جریان ها و بسته به نوع ترانزیستور، از واحدهای میکرو آمپر - μA (برای ترانزیستورهای سیلیکونی) تا واحدهای میلی آمپر - میلی آمپر (برای ترانزیستورهای ژرمانیومی) متغیر است.

رژیم مانع

در این حالت پایهترانزیستور اتصال کوتاه یا از طریق یک مقاومت کوچک با آن است گردآورنده، و در گردآورندهیا در ساطع کنندهمدار ترانزیستور مقاومتی را روشن می کند که جریان را از طریق ترانزیستور تنظیم می کند. در چنین گنجایشی، ترانزیستور نوعی دیود است که به صورت سری با یک مقاومت تنظیم کننده جریان متصل می شود. چنین مدارهای آبشاری با تعداد کم اجزا، جداسازی فرکانس بالا خوب، محدوده دمای عملیاتی زیاد و عدم حساسیت به پارامترهای ترانزیستور متمایز می شوند.

طرح های سوئیچینگ

هر مدار سوئیچینگ ترانزیستوری با دو نشانگر اصلی مشخص می شود:

• سود فعلی I out / I in.
• امپدانس ورودی R در \u003d U in / I in

نمودار سیم کشی با پایه مشترک

تقویت کننده پایه معمولی

• در بین هر سه پیکربندی، کمترین ورودی و بزرگترین امپدانس خروجی را دارد. بهره جریان نزدیک به واحد و بهره ولتاژ زیادی دارد. فاز سیگنال معکوس نیست.
• بهره فعلی: من خارج / من در = من به / من e = α [α<1]
• مقاومت ورودی R در \u003d U in / I in \u003d U be / I e.

مقاومت ورودی برای یک مدار با پایه مشترک کوچک است و برای ترانزیستورهای کم مصرف از 100 اهم تجاوز نمی کند، زیرا مدار ورودی ترانزیستور در این مورد یک اتصال امیتر باز ترانزیستور است.

مزایای:

• خواص دما و فرکانس خوب
• ولتاژ مجاز بالا

معایب طرح با پایه مشترک:

• افزایش جریان کوچک، از α< 1
• امپدانس ورودی کم
• دو منبع ولتاژ مختلف برای منبع تغذیه

مدار سوئیچینگ با امیتر مشترک

• بهره فعلی: I out / I in = I to / I b = I to / (I e -I to) = α / (1-α) = β [β>> 1]
• امپدانس ورودی: R in \u003d U in / I in \u003d U be / I b

مزایای:

• بهره جریان بزرگ
• بهره ولتاژ بزرگ
• بزرگترین کسب قدرت
• می تواند از یک منبع تغذیه استفاده کند
• ولتاژ AC خروجی نسبت به ورودی معکوس می شود.

ایرادات:

• خواص دما و فرکانس بدتر در مقایسه با مدار پایه معمولی

مدار جمع کننده مشترک

• بهره فعلی: I out / I in = I e / I b = I e / (I e -I k) = 1 / (1-α) = β [β>> 1]
• امپدانس ورودی: R in \u003d U in / I in \u003d (U be + U ke) / I b

مزایای:

• امپدانس ورودی بزرگ
• امپدانس خروجی کم

ایرادات:

• بهره ولتاژ کمتر از 1 است.

مداری با چنین درگیری "پیرو امیتر" نامیده می شود.

تنظیمات اصلی

• نسبت انتقال فعلی
• امپدانس ورودی
• هدایت خروجی
• جریان معکوس کلکتور-امیتر
• زمان روشن شدن
• فرکانس محدود نسبت انتقال جریان پایه
• جریان معکوس کلکتور
• حداکثر جریان مجاز
• فرکانس محدود کننده ضریب انتقال جریان در مدار با امیتر مشترک

پارامترهای ترانزیستور به خود (اولیه) و ثانویه تقسیم می شوند. پارامترهای خود ویژگی های ترانزیستور را بدون توجه به طرح گنجاندن آن مشخص می کنند. موارد زیر به عنوان پارامترهای اصلی خود پذیرفته می شوند:

• افزایش جریان α;
• مقاومت امیتر، کلکتور و پایه در برابر جریان متناوب r e, r k, r b که عبارتند از:
  • r e - مجموع مقاومت های ناحیه امیتر و محل اتصال امیتر.
  • r به - مجموع مقاومت های ناحیه کلکتور و محل اتصال کلکتور.
  • r b - مقاومت عرضی پایه.

مدار معادل ترانزیستور دوقطبی با استفاده از پارامترهای h

پارامترهای ثانویه برای مدارهای مختلف سوئیچینگ ترانزیستور متفاوت است و به دلیل غیر خطی بودن آن، فقط برای فرکانس‌های پایین و دامنه‌های سیگنال کوچک معتبر است. برای پارامترهای ثانویه، چندین سیستم از پارامترها و مدارهای معادل مربوط به آنها پیشنهاد شده است. موارد اصلی پارامترهای ترکیبی (ترکیبی) در نظر گرفته می شوند که با حرف "h" مشخص می شوند.

امپدانس ورودی- مقاومت ترانزیستور در برابر جریان متناوب ورودی در صورت اتصال کوتاه در خروجی. تغییر در جریان ورودی نتیجه تغییر ولتاژ ورودی است، بدون تاثیر فیدبک از ولتاژ خروجی.

H 11 \u003d U m1 / I m1 با U m2 \u003d 0.

فاکتور بازخورد ولتاژنشان می دهد که چه نسبتی از ولتاژ AC خروجی به دلیل بازخورد در آن به ورودی ترانزیستور منتقل می شود. در مدار ورودی ترانزیستور جریان متناوب وجود ندارد و تغییر ولتاژ ورودی تنها در نتیجه تغییر ولتاژ خروجی رخ می دهد.

H 12 \u003d U m1 / U m2 با I m1 \u003d 0.

نسبت انتقال فعلی(افزایش جریان) بهره جریان AC را در مقاومت بار صفر نشان می دهد. جریان خروجی فقط به جریان ورودی بدون تأثیر ولتاژ خروجی بستگی دارد.

H 21 \u003d I m2 / I m1 در U m2 \u003d 0.

هدایت خروجی- هدایت داخلی برای جریان متناوب بین پایانه های خروجی. جریان خروجی تحت تأثیر ولتاژ خروجی تغییر می کند.

H 22 \u003d I m2 / U m2 در I m1 \u003d 0.

رابطه بین جریان متناوب و ولتاژ ترانزیستور با معادلات زیر بیان می شود:

U m1 = h 11 I m1 + h 12 U m2 ;
I m2 \u003d h 21 I m1 + h 22 U m2.

بسته به مدار سوئیچینگ ترانزیستور، حروف به شاخص های دیجیتال پارامترهای h اضافه می شود: "e" - برای مدار OE، "b" - برای مدار OB، "k" - برای مدار OK.

برای طرح OE: I m1 = I mb، I m2 = I mk، U m1 = U mb-e، U m2 = U mk-e. به عنوان مثال، برای این طرح:

H 21e \u003d I mk / I mb \u003d β.

برای طرح OB: I m1 = I me, I m2 = I mk, U m1 = U me-b, U m2 = U mk-b.

پارامترهای ذاتی ترانزیستور مربوط به پارامترهای h است، به عنوان مثال، برای مدار OE:

با افزایش فرکانس، ظرفیت اتصال کلکتور C k شروع به تأثیر مضر بر عملکرد ترانزیستور می کند، مقاومت خازنی کاهش می یابد، جریان عبوری از مقاومت بار کاهش می یابد و در نتیجه بهره های α و β کاهش می یابد. مقاومت خازنی اتصال امیتر C e نیز کاهش می یابد، با این حال، توسط یک مقاومت اتصال کوچک r e شنت می شود و در بیشتر موارد می توان نادیده گرفت. علاوه بر این، با افزایش فرکانس، کاهش اضافی در ضریب β در نتیجه تأخیر فاز جریان کلکتور از فاز جریان امیتر رخ می دهد که ناشی از اینرسی فرآیند حرکت حامل ها از طریق پایه است. اتصال امیتر به محل اتصال جمع کننده و اینرسی فرآیندهای تجمع و جذب بار در پایه. فرکانس هایی که در آن ضرایب α و β 3 دسی بل کاهش می یابد نامیده می شوند فرکانس های محدود کننده ضریب انتقال جریانبه ترتیب برای طرح های OB و OE.

در حالت پالسی، پالس جریان کلکتور با تأخیر زمان تأخیر τc نسبت به پالس جریان ورودی شروع می‌شود، که ناشی از زمان عبور محدود حامل‌ها از پایه است. با تجمع حامل ها در پایه، جریان کلکتور در طول مدت جلویی τ f افزایش می یابد. به موقعترانزیستور τ on = τ c + τ f نامیده می شود.

فناوری ساخت ترانزیستور

• اپیتاکسیال-مسطح
• شناور
  • انتشار
  • آلیاژ انتشار

کاربرد ترانزیستورها

• دمودولاتور (آشکارساز)
• اینورتر (عنصر ورود به سیستم)
• ریز مدارهای منطقی ترانزیستور (به منطق ترانزیستور-ترانزیستور، منطق دیود-ترانزیستور، منطق مقاومت-ترانزیستور مراجعه کنید)

همچنین ببینید

ادبیات

یادداشت

در طرح در نظر گرفته شده، Ik = Ik0 + aIe »Ie. بنابراین، مدار ترانزیستور دوقطبی پایه مشترک نسبت انتقال جریان پایینی دارد. به همین دلیل، به ندرت مورد استفاده قرار می گیرد، عمدتاً در دستگاه های فرکانس بالا، جایی که از نظر تقویت ولتاژ نسبت به سایرین ارجحیت دارد.

مدار اصلی برای روشن کردن ترانزیستور دوقطبی مداری با یک امیتر مشترک است (شکل 3).

برنج. 3. روشن کردن ترانزیستور دوقطبی بر اساس مدار امیتر مشترک

برای آن می توانید Ib \u003d Ie - Ik \u003d (1 - a)Ie - Ik0 بنویسید.

با توجه به اینکه 1 - a = 0.001 - 0.1، Ib داریم<< Iэ » Iк.

نسبت جریان کلکتور به جریان پایه را پیدا کنید:

این رابطه نامیده می شود نسبت انتقال جریان پایه. با a = 0.99، b = 100 را دریافت می کنیم. اگر یک منبع سیگنال در مدار پایه گنجانده شود، آنگاه همان سیگنال، اما با بارهای جریان b تقویت می شود، در مدار کلکتور جریان می یابد و ولتاژی روی مقاومت Rk بسیار ایجاد می کند. بیشتر از ولتاژ منبع سیگنال

برای ارزیابی عملکرد یک ترانزیستور دوقطبی در طیف گسترده ای از جریان ها، توان ها و ولتاژهای مستقیم و پالسی و همچنین برای محاسبه مدار بایاس، از تثبیت حالت استفاده می شود. خانواده مشخصات جریان-ولتاژ ورودی و خروجی (CVC).

خانواده ورودی IVوابستگی جریان ورودی (پایه یا امیتر) را به ولتاژ ورودی Ube در Uк = const، شکل. 4a. ویژگی های ورودی I-V ترانزیستور مشابه ویژگی های I-V یک دیود در اتصال مستقیم است.

خانواده مشخصات خروجی IV وابستگی جریان کلکتور را به ولتاژ روی آن در یک پایه یا جریان امیتر مشخص (بسته به مدار با یک امیتر مشترک یا یک پایه مشترک) ایجاد می کند. 4b.

برنج. شکل 4. ویژگی های ولت آمپر ترانزیستور دوقطبی: a - ورودی، b - خروجی

علاوه بر انتقال الکتریکی n-p، انتقال مبتنی بر تماس فلز-نیمه هادی، مانع شاتکی، به طور گسترده ای در مدارهای با سرعت بالا استفاده می شود. در چنین انتقال‌هایی، هیچ زمانی برای تجمع و اتلاف بارها در پایه صرف نمی‌شود و سرعت ترانزیستور فقط به سرعت شارژ مجدد ظرفیت مانع بستگی دارد.

برنج. 5. ترانزیستورهای دوقطبی

پارامترهای ترانزیستورهای دوقطبی

برای ارزیابی حداکثر حالت های عملکرد مجاز ترانزیستورها، از پارامترهای اصلی استفاده می شود:

1) حداکثر ولتاژ مجاز کلکتور-امیتر(برای ترانزیستورهای مختلف Uke max = 10 - 2000 V)،

2) حداکثر توان اتلاف کلکتور حداکثر Pk- طبق آن، ترانزیستورها به ترانزیستورهای کم توان (حداکثر 0.3 وات)، متوسط ​​(0.3 - 1.5 وات) و توان بالا (بیش از 1.5 وات) تقسیم می شوند، ترانزیستورهای توان متوسط ​​و بالا اغلب به یک هیت سینک مخصوص مجهز هستند. - رادیاتور

3) حداکثر جریان مجاز کلکتور Ik max - تا 100 A و بیشتر،

4) فرکانس محدود کننده انتقال جریان fgr(فرکانسی که h21 برابر یک می شود)، ترانزیستورهای دوقطبی بر آن تقسیم می شوند:

• برای فرکانس پایین - تا 3 مگاهرتز،

• فرکانس متوسط ​​- از 3 تا 30 مگاهرتز،

• فرکانس بالا - از 30 تا 300 مگاهرتز،

• مایکروویو - بیش از 300 مگاهرتز.
  

دکترای علوم فنی، پروفسور L. A. Potapov

موضوع 4. ترانزیستورهای دوقطبی

4.1 طراحی و اصل عملیات

ترانزیستور دوقطبی یک دستگاه نیمه هادی است که از سه ناحیه با انواع رسانایی الکتریکی متناوب تشکیل شده و برای تقویت توان مناسب است.

ترانزیستورهای دوقطبی تولید شده در حال حاضر را می توان بر اساس معیارهای زیر طبقه بندی کرد:

با توجه به مواد: ژرمانیوم و سیلیکون؛

با توجه به نوع هدایت مناطق: نوع p-n-p و n-p-n.

با توان: کم (Pmax £ 0.3W)، متوسط ​​(Pmax £ 1.5W) و قدرت بالا (Pmax > 1.5W).

بر اساس فرکانس: فرکانس پایین، فرکانس متوسط، فرکانس بالا و مایکروویو.

در ترانزیستورهای دوقطبی، جریان با حرکت دو نوع حامل بار تعیین می شود: الکترون ها و حفره ها (یا پایه و فرعی). از این رو نام آنها - دوقطبی.

در حال حاضر فقط ترانزیستورهایی با اتصالات مسطح p-n ساخته و استفاده می شوند.

دستگاه یک ترانزیستور دوقطبی مسطح به صورت شماتیک در شکل نشان داده شده است. 4.1.

صفحه ای از ژرمانیوم یا سیلیکون است که در آن سه ناحیه با رسانایی الکتریکی متفاوت ایجاد می شود. در یک ترانزیستور n-p-n، ناحیه میانی دارای سوراخ است و نواحی انتهایی دارای رسانایی الکتریکی الکترونیکی هستند.

ترانزیستورهای نوع p-n-p دارای ناحیه میانی با الکترونیک و نواحی شدید با رسانایی الکتریکی سوراخ هستند.

ناحیه میانی ترانزیستور پایه نامیده می شود، یک منطقه انتهایی امیتر و دیگری کلکتور است. بنابراین، ترانزیستور دارای دو اتصال p-n است: امیتر - بین امیتر و پایه و کلکتور - بین پایه و کلکتور. ناحیه اتصال امیتر از ناحیه اتصال جمع کننده کوچکتر است.

امیتر ناحیه ای از ترانزیستور است که هدف آن تزریق حامل های بار به پایه است. کلکتور منطقه ای است که هدف آن استخراج حامل های بار از پایه است. پایه ناحیه ای است که حامل های شارژ که برای این ناحیه جزئی هستند توسط امیتر به آن تزریق می شود.

غلظت اکثر حامل های بار در امیتر چندین برابر بیشتر از غلظت اکثر حامل های بار در پایه است و غلظت آنها در کلکتور تا حدودی کمتر از غلظت در امیتر است. بنابراین، رسانایی امیتر چندین مرتبه بیشتر از رسانایی پایه است و رسانایی کلکتور کمی کمتر از رسانایی امیتر است.

نتیجه گیری از پایه، امیتر و کلکتور گرفته می شود. بسته به اینکه کدام یک از نتایج مشترک در مدارهای ورودی و خروجی است، سه مدار سوئیچینگ ترانزیستور وجود دارد: با یک پایه مشترک (OB)، یک امیتر مشترک (OE)، یک کلکتور مشترک (OK).

مدار ورودی یا کنترل برای کنترل عملکرد ترانزیستور استفاده می شود. در مدار خروجی یا کنترل شده، نوسانات افزایش یافته به دست می آید. منبع نوسانات تقویت شده به مدار ورودی و بار به مدار خروجی متصل می شود.

اصل کار یک ترانزیستور را با استفاده از مثال یک ترانزیستور از نوع p-n-p که بر اساس مدار پایه مشترک متصل شده است در نظر بگیرید (شکل 4.2).

شکل 4.2 - اصل عملکرد یک ترانزیستور دوقطبی (نوع p-n-p)

ولتاژهای خارجی دو منبع تغذیه EE و Ek به ترانزیستور متصل می شوند به گونه ای که پیوند امیتر P1 در جهت جلو (ولتاژ جلو) بایاس می شود و اتصال کلکتور P2 در جهت مخالف (ولتاژ معکوس) بایاس می شود. ).

اگر یک ولتاژ معکوس به محل اتصال کلکتور اعمال شود و مدار امیتر باز باشد، یک جریان معکوس کوچک Iko (واحد میکرو آمپر) در مدار کلکتور جریان می یابد. این جریان تحت اثر یک ولتاژ معکوس ایجاد می شود و با حرکت جهت دار حامل های بار اقلیت سوراخ های پایه و الکترون های جمع کننده از طریق اتصال جمع کننده ایجاد می شود. جریان معکوس از مدار عبور می کند: +Ek، پایه-کلکتور، -Ek. مقدار جریان معکوس کلکتور به ولتاژ کلکتور بستگی ندارد، بلکه به دمای نیمه هادی بستگی دارد.

هنگامی که یک EE ولتاژ ثابت در جهت جلو به مدار امیتر متصل می شود، مانع پتانسیل اتصال امیتر کاهش می یابد. تزریق (تزریق) سوراخ ها به پایه آغاز می شود.

معلوم می شود که ولتاژ خارجی اعمال شده به ترانزیستور عمدتاً به اتصالات P1 و P2 اعمال می شود، زیرا در مقایسه با مقاومت ناحیه پایه، امیتر و کلکتور مقاومت بالایی دارند. بنابراین سوراخ های تزریق شده به پایه به وسیله دیفیوژن در آن حرکت می کنند. در این حالت، حفره ها با الکترون های پایه دوباره ترکیب می شوند. از آنجایی که غلظت حامل ها در پایه بسیار کمتر از امیتر است، تعداد کمی از سوراخ ها دوباره ترکیب می شوند. با ضخامت پایه کوچک، تقریبا تمام سوراخ ها به محل اتصال جمع کننده P2 می رسند. الکترون های نوترکیب با الکترون های منبع انرژی Ek جایگزین می شوند. سوراخ هایی که با الکترون های پایه ترکیب می شوند، جریان پایه IB را ایجاد می کنند.

تحت عمل ولتاژ معکوس Ek، مانع پتانسیل اتصال جمع کننده افزایش می یابد و ضخامت اتصال P2 افزایش می یابد. اما مانع بالقوه اتصال جمع کننده مانع از عبور سوراخ ها از آن نمی شود. سوراخ هایی که وارد ناحیه اتصال کلکتور می شوند در یک میدان شتاب دهنده قوی ایجاد شده در محل اتصال توسط ولتاژ کلکتور قرار می گیرند و توسط کلکتور خارج می شوند (کشیده می شوند) و جریان کلکتور Ik ایجاد می کنند. جریان کلکتور از مدار عبور می کند: + Ek، پایه-کلکتور، -Ek.

بنابراین، سه جریان در ترانزیستور جریان دارد: جریان امیتر، کلکتور و پایه.

در سیم که خروجی پایه است، جریان های امیتر و کلکتور برعکس جهت می گیرند. بنابراین، جریان پایه برابر است با تفاوت بین جریان امیتر و کلکتور: IB \u003d IE - IK.

فرآیندهای فیزیکی در یک ترانزیستور نوع n-p-n مشابه فرآیندهای یک ترانزیستور نوع p-n-p انجام می شود.

IE کل جریان امیتر با تعداد حامل های بار اصلی تزریق شده توسط امیتر تعیین می شود. قسمت اصلی این حامل های شارژ با رسیدن به کلکتور، جریان کلکتور Ik را ایجاد می کند. بخش ناچیزی از حامل های بار تزریق شده به پایه در پایه دوباره ترکیب می شوند و یک جریان پایه IB ایجاد می کنند. بنابراین، جریان امیتر به جریان های پایه و کلکتور تقسیم می شود، یعنی. IE \u003d IB + Ik.

جریان امیتر جریان ورودی است، جریان کلکتور جریان خروجی است. جریان خروجی بخشی از ورودی است، یعنی.

که در آن a ضریب انتقال جریان برای مدار OB است.

از آنجایی که جریان خروجی کمتر از جریان ورودی است، ضریب a<1. Он показывает, какая часть инжектированных в базу носителей заряда достигает коллектора. Обычно величина a составляет 0,95¸0,995.

در مدار امیتر رایج، جریان خروجی جریان کلکتور و جریان ورودی جریان پایه است. بهره جریان برای مدار OE:

(4.3)

در نتیجه، بهره جریان برای مدار OE ده ها واحد است.

جریان خروجی ترانزیستور به جریان ورودی بستگی دارد. بنابراین ترانزیستور وسیله ای است که با جریان کنترل می شود.

تغییرات جریان امیتر ناشی از تغییر ولتاژ اتصال امیتر به طور کامل به مدار کلکتور منتقل می شود و باعث تغییر در جریان کلکتور می شود. و از ولتاژ منبع تغذیه کلکتور Ek بسیار بیشتر از امیتر Ee است، پس توان مصرفی در مدار کلکتور Pk بسیار بیشتر از توان در مدار امیتر Re خواهد بود. بنابراین، می توان قدرت زیادی را در مدار کلکتور ترانزیستور با توان کم صرف شده در مدار امیتر کنترل کرد، یعنی. افزایش قدرت وجود دارد.

4.2 طرح هایی برای روشن کردن ترانزیستورهای دوقطبی

ترانزیستور طوری به مدار الکتریکی متصل می شود که یکی از پایانه های آن (الکترود) ورودی، دومی خروجی و سومی مشترک در مدارهای ورودی و خروجی است. بسته به اینکه کدام الکترود رایج است، سه مدار سوئیچینگ ترانزیستور وجود دارد: OB، OE و OK. این مدارها برای ترانزیستور p-n-p در شکل نشان داده شده است. 4.3. برای یک ترانزیستور n-p-n فقط قطبیت ولتاژها و جهت جریان ها در مدارهای سوئیچینگ تغییر می کند. برای هر مدار سوئیچینگ ترانزیستوری (در حالت فعال)، قطبیت منبع تغذیه باید به گونه ای انتخاب شود که اتصال امیتر در جهت رو به جلو و اتصال کلکتور در جهت مخالف روشن شود.

شکل 4.3 - طرح هایی برای روشن کردن ترانزیستورهای دوقطبی: الف) ABOUT; ب) OE; ج) باشه

4.3 ویژگی های استاتیکی ترانزیستورهای دوقطبی

حالت استاتیک کار ترانزیستور حالتی است که در مدار خروجی بار وجود نداشته باشد.

مشخصات استاتیکی ترانزیستورها وابستگی های گرافیکی ولتاژ و جریان مدار ورودی (VAC ورودی) و مدار خروجی (VAC خروجی) نامیده می شود. نوع مشخصه ها به نحوه روشن شدن ترانزیستور بستگی دارد.

4.3.1 ویژگی های ترانزیستور متصل بر اساس مدار OB

IE \u003d f (UEB) با UKB \u003d const (شکل 4.4، a).

IK \u003d f (UKB) با IE \u003d ثابت (شکل 4.4، ب).

شکل 4.4 - خصوصیات استاتیکی یک ترانزیستور دوقطبی متصل شده بر اساس مدار OB

مشخصه های خروجی I-V دارای سه ناحیه مشخصه هستند: 1 - وابستگی شدید Ik به UKB (منطقه اولیه غیرخطی). 2 - وابستگی ضعیف Ik به UKB (منطقه خطی). 3 - خرابی محل اتصال کلکتور.

یکی از ویژگی های ویژگی های منطقه 2 افزایش جزئی آنها با افزایش ولتاژ UKB است.

4.3.2 ویژگی های ترانزیستور متصل طبق طرح OE:

مشخصه ورودی وابستگی است:

IB \u003d f (UBE) با UKE \u003d const (شکل 4.5، b).

مشخصه خروجی وابستگی است:

IK \u003d f (UKE) با IB \u003d ثابت (شکل 4.5، a).

شکل 4.5 - ویژگی های استاتیکی یک ترانزیستور دوقطبی متصل شده بر اساس مدار OE

ترانزیستور در مدار OE افزایش جریان را فراهم می کند. بهره جریان در مدار OE: اگر ضریب a برای ترانزیستورهای a = 0.9 ¸ 0.99، ضریب b = 9¸ 99. این مهمترین مزیت روشن کردن ترانزیستور بر اساس مدار OE است که به ویژه کاربرد عملی گسترده تر این مدار سوئیچینگ را در مقایسه با مدار OB تعیین می کند.

از اصل عملکرد ترانزیستور، مشخص است که دو جزء جریان در جهت مخالف از طریق ترمینال پایه جریان می یابند (شکل 4.6): جریان معکوس اتصال کلکتور IKO و بخشی از جریان امیتر (1 - a) IE. در این راستا، مقدار صفر جریان پایه (IB = 0) با برابری اجزای مشخص شده جریان ها تعیین می شود، یعنی. (1 - a)IE = IKO. جریان ورودی صفر مربوط به جریان امیتر IE=IKO/(1−a)=(1+b)IKO و جریان کلکتور است. به عبارت دیگر، در جریان پایه صفر (IB \u003d 0)، جریانی از طریق ترانزیستور در مدار OE جریان می یابد که به آن جریان اولیه یا از طریق جریان IKO (E) و برابر با (1 + b) IKO است.

شکل 4.6 - مدار سوئیچینگ برای ترانزیستور با امیتر مشترک (مدار OE)

4.4 پارامترهای اساسی

برای تجزیه و تحلیل و محاسبه مدارها با ترانزیستورهای دوقطبی، به اصطلاح h استفاده می شود - پارامترهای یک ترانزیستور متصل مطابق مدار OE.

وضعیت الکتریکی یک ترانزیستور متصل شده طبق مدار OE با مقادیر IB، IBE، IK، UKE مشخص می شود.

سیستم پارامترهای h شامل مقادیر زیر است:

1. امپدانس ورودی

h11 = DU1/DI1 با U2 = const. (4.4)

نشان دهنده مقاومت ترانزیستور در برابر جریان ورودی متناوب است که در آن اتصال کوتاه در خروجی، یعنی. در صورت عدم وجود ولتاژ AC خروجی.

2. نسبت بازخورد ولتاژ:

h12 = DU1/DU2 با I1 = const. (4.5)

نشان می دهد که چه نسبتی از ولتاژ AC ورودی به دلیل بازخورد در ترانزیستور به ورودی ترانزیستور منتقل می شود.

3. ضریب نیروی جریان (ضریب انتقال جریان):

h21 = DI2/DI1 با U2 = const. (4.6)

بهره AC ترانزیستور را در حالت بدون بار نشان می دهد.

4. رسانایی خروجی:

h22 = DI2/DU2 با I1 = const. (4.7)

رسانایی AC بین پایانه های خروجی ترانزیستور را نشان می دهد.

مقاومت خروجی Rout = 1/h22.

برای مدار امیتر مشترک، معادلات زیر برقرار است:

(4.8)

برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد محل اتصال کلکتور، لازم است که توان آزاد شده در آن در هنگام عبور جریان کلکتور از حداکثر مقدار معینی تجاوز نکند:

(4.9)

علاوه بر این، محدودیت هایی در مورد ولتاژ کلکتور وجود دارد:

و جریان کلکتور:

4.5 حالت های کاری ترانزیستورهای دوقطبی

ترانزیستور بسته به ولتاژ در محل اتصال خود می تواند در سه حالت کار کند. هنگام کار در حالت فعال، ولتاژ در محل اتصال امیتر مستقیم و در محل اتصال کلکتور معکوس است.

حالت قطع یا مسدود کردن، با اعمال ولتاژ معکوس به هر دو اتصال به دست می آید (هر دو اتصال p-n- بسته هستند).

اگر ولتاژ در هر دو اتصال مستقیم باشد (هر دو پیوند p-n- باز هستند)، ترانزیستور در حالت اشباع کار می کند.

در حالت های قطع و اشباع، تقریبا هیچ کنترل ترانزیستوری وجود ندارد. در حالت فعال، چنین کنترلی به بهترین شکل انجام می شود و ترانزیستور می تواند عملکرد یک عنصر فعال مدار الکتریکی (تقویت، تولید و غیره) را انجام دهد.

4.6 دامنه

ترانزیستورهای دوقطبی دستگاه های نیمه هادی برای استفاده جهانی هستند و به طور گسترده در تقویت کننده ها، ژنراتورها، دستگاه های پالس و کلیدی مختلف استفاده می شوند.

4.7 ساده ترین مرحله تقویت در ترانزیستور دوقطبی

بیشترین کاربرد توسط مدار سوئیچینگ ترانزیستور بر اساس مدار امیتر رایج یافت می شود (شکل 4.7).

عناصر اصلی مدار منبع تغذیه Ek، عنصر کنترل شده ترانزیستور VT و مقاومت Rk است. این عناصر مدار اصلی (خروجی) مرحله تقویت را تشکیل می دهند که در آن به دلیل جریان یک جریان کنترل شده، یک ولتاژ متناوب تقویت شده در خروجی مدار ایجاد می شود.

عناصر باقی مانده نقش حمایت کننده را ایفا می کنند. Cp خازن در حال جدا شدن است. در غیاب این خازن، یک جریان مستقیم در مدار منبع سیگنال ورودی از منبع تغذیه Ek ایجاد می شود.

شکل 4.7 - طرح ساده ترین مرحله تقویت در یک ترانزیستور دوقطبی با توجه به مدار امیتر مشترک

مقاومت RB، موجود در مدار پایه، عملکرد ترانزیستور را در حالت استراحت تضمین می کند، یعنی. در صورت عدم وجود سیگنال ورودی حالت استراحت توسط جریان پایه استراحت IB » Ek/RB ارائه می شود.

با کمک مقاومت Rk یک ولتاژ خروجی ایجاد می شود، یعنی. Rk وظیفه ایجاد تغییر ولتاژ در مدار خروجی را به دلیل جریان جریان در آن، توسط مدار پایه کنترل می کند.

برای مدار کلکتور مرحله تقویت، معادله حالت الکتریکی زیر را می توان نوشت:

Ek \u003d Uke + IkRk، (4.10)

یعنی مجموع افت ولتاژ در مقاومت Rk و ولتاژ کلکتور-امیتر Uke ترانزیستور همیشه برابر با یک مقدار ثابت است - EMF منبع تغذیه Ek.

فرآیند تقویت مبتنی بر تبدیل انرژی یک منبع ولتاژ ثابت Ek به انرژی یک ولتاژ متناوب در مدار خروجی به دلیل تغییر در مقاومت عنصر کنترل شده (ترانزیستور) طبق قانون مشخص شده توسط ورودی است. علامت.

هنگامی که یک ولتاژ متناوب uin به ورودی مرحله تقویت کننده اعمال می شود، یک جزء جریان متناوب IB ~ در مدار پایه ترانزیستور ایجاد می شود که به این معنی است که جریان پایه تغییر خواهد کرد. تغییر در جریان پایه منجر به تغییر در مقدار جریان کلکتور (IK = bIB) و از این رو به تغییر در مقادیر ولتاژ در مقاومت Rk و Uke می شود. توانایی های تقویت کننده به این دلیل است که تغییر در مقادیر جریان کلکتور b برابر بیشتر از جریان پایه است.

4.8 محاسبه مدارهای الکتریکی با ترانزیستورهای دوقطبی

برای مدار کلکتور مرحله تقویت (شکل 4.7)، مطابق با قانون دوم کیرشهوف، معادله (4.10) معتبر است.

مشخصه ولت آمپر مقاومت کلکتور RK خطی است و مشخصه های ولت آمپر ترانزیستور خصوصیات کلکتور غیرخطی ترانزیستور است (شکل 4.5، a) که مطابق مدار OE متصل شده است.

محاسبه چنین مدار غیر خطی، یعنی تعیین IK، URK و UKE برای مقادیر مختلف جریان پایه IB و مقاومت مقاومت RK، می تواند به صورت گرافیکی انجام شود. برای انجام این کار، در خانواده ویژگی های کلکتور (شکل 4.5، a)، لازم است از نقطه EK روی ولت های محور آبسیسا - مشخصه جریان مقاومت RK، که معادله را برآورده می کند، رسم کنید:

Uke \u003d Ek - RkIk. (4.11)

این ویژگی بر دو نکته بنا شده است:

Uke =Ek در Ik = 0 در محور x و Ik = Ek/Rk در Uke = 0 در محور y. CVC مقاومت کلکتور Rk که به این روش ساخته شده است، خط بار نامیده می شود. نقاط تقاطع آن با ویژگی های کلکتور، یک راه حل گرافیکی برای معادله (4.11) برای مقاومت معین Rk و مقادیر مختلف جریان پایه IB می دهد. از این نقاط می توان برای تعیین جریان کلکتور Ik استفاده کرد که برای ترانزیستور و مقاومت Rk و همچنین ولتاژ UKE و URK یکسان است.

نقطه تلاقی خط بار با یکی از مشخصه های استاتیک IV نقطه کار ترانزیستور نامیده می شود. با تغییر IB می توانید آن را در امتداد خط بار حرکت دهید. موقعیت اولیه این نقطه در صورت عدم وجود سیگنال متغیر ورودی، نقطه استراحت - Т0 نامیده می شود.

الف) ب)

شکل 4.8 - محاسبه نموداری-تحلیلی حالت عملکرد ترانزیستور با استفاده از مشخصات خروجی و ورودی.

نقطه استراحت (نقطه کاری) T0 IKP جریان و ولتاژ UKEP را در حالت استراحت تعیین می کند. از این مقادیر می توانید قدرت RCP آزاد شده در ترانزیستور را در حالت استراحت پیدا کنید که نباید از حداکثر توان PK max که یکی از پارامترهای ترانزیستور است تجاوز کند:

RKP = IKP ×UKEP £ RK حداکثر. (4.12)

کتاب‌های مرجع معمولاً خانواده‌ای از ویژگی‌های ورودی را ارائه نمی‌کنند، بلکه فقط ویژگی‌هایی را برای UKE = 0 و برای برخی UKE > 0 ارائه می‌کنند.

ویژگی های ورودی برای UKE های مختلف بیش از 1 ولت بسیار نزدیک به یکدیگر هستند. بنابراین، محاسبه جریان و ولتاژ ورودی را می توان به طور تقریبی با توجه به مشخصه ورودی برای UKE > 0، برگرفته از کتاب مرجع انجام داد.

نقاط A، To و B از مشخصه عملکرد خروجی به این منحنی منتقل می شوند و نقاط A1، T1 و B1 به دست می آیند (شکل 4.8، b). نقطه عملیاتی T1 ولتاژ ثابت UBEP پایه و جریان ثابت پایه IBP را تعیین می کند.

مقاومت مقاومت RB (کارکرد ترانزیستور را در حالت استراحت تضمین می کند)، که از طریق آن یک ولتاژ ثابت از منبع EK به پایه تامین می شود:

(4.13)

در حالت فعال (تقویت کننده)، نقطه استراحت ترانزیستور To تقریباً در وسط قسمت خط بار AB قرار دارد و نقطه کار از قسمت AB فراتر نمی رود.

صفحه 1 از 2

دستگاه و اصل عملکرد یک ترانزیستور دوقطبی

ترانزیستور دوقطبی یک دستگاه نیمه هادی است که دارای دو اتصال الکترون به حفره است که در یک تک کریستال نیمه هادی تشکیل شده اند. این انتقال ها سه ناحیه را در نیمه هادی با انواع مختلف هدایت الکتریکی تشکیل می دهند. یک ناحیه افراطی امیتر (E)، دیگری جمع کننده (K) و ناحیه میانی پایه (B) نامیده می شود. سرنخ های فلزی به هر ناحیه لحیم می شوند تا ترانزیستور در یک مدار الکتریکی روشن شود.
رسانایی الکتریکی امیتر و کلکتور برخلاف رسانایی الکتریکی پایه است. بسته به ترتیب تناوب نواحی p و n، ترانزیستورها با ساختار p-n-p و n-p-n متمایز می شوند. نام‌گذاری‌های گرافیکی معمولی ترانزیستورهای p-n-p و n-p-n فقط در جهت فلش در الکترود متفاوت است که نشان‌دهنده امیتر است.

اصل عملکرد ترانزیستورهای p-n-p و n-p-n یکسان است، بنابراین در آینده فقط عملکرد یک ترانزیستور با ساختار p-n-p را در نظر خواهیم گرفت.
اتصال الکترون به حفره که توسط یک امیتر و یک پایه ایجاد می شود، اتصال امیتر و جمع کننده و پایه را اتصال جمع کننده می گویند. فاصله بین انتقال ها بسیار کوچک است: برای ترانزیستورهای فرکانس بالا کمتر از 10 میکرومتر (1 میکرومتر = 0.001 میلی متر) و برای ترانزیستورهای فرکانس پایین از 50 میکرومتر تجاوز نمی کند.
هنگامی که ترانزیستور کار می کند، اتصالات آن ولتاژهای خارجی را از منبع تغذیه دریافت می کند. بسته به قطبیت این ولتاژها، هر انتقال می تواند هم در جهت جلو و هم در جهت معکوس متصل شود. سه حالت کار ترانزیستور وجود دارد: 1) حالت قطع - هر دو انتقال و بر این اساس ترانزیستور کاملاً بسته است. 2) حالت اشباع - ترانزیستور کاملاً باز است؛ 3) حالت فعال یک حالت میانی بین دو حالت اول است. حالت‌های قطع و اشباع با هم در مراحل کلیدی استفاده می‌شوند، زمانی که ترانزیستور به طور متناوب یا کاملاً باز است یا کاملاً قفل می‌شود و فرکانس پالس‌هایی که وارد پایه آن می‌شوند. آبشارهایی که در حالت کلید کار می کنند در مدارهای پالس (منابع تغذیه سوئیچینگ، مراحل خروجی اسکن افقی تلویزیون ها و غیره) استفاده می شوند. تا حدی در حالت قطع، مراحل خروجی تقویت کننده های قدرت می توانند کار کنند.
اغلب ترانزیستورها در حالت فعال استفاده می شوند. این حالت با اعمال یک ولتاژ کوچک به پایه ترانزیستور تعیین می شود که به آن ولتاژ بایاس می گویند (U see) ترانزیستور کمی باز می شود و جریان از طریق اتصالات آن شروع به عبور می کند. اصل کار ترانزیستور بر این واقعیت استوار است که یک جریان نسبتاً کوچک که از طریق اتصال امیتر (جریان پایه) جریان می یابد، جریان بزرگتری را در مدار کلکتور ایجاد می کند. جریان امیتر مجموع جریان پایه و کلکتور است.

حالت های کاری ترانزیستور دوقطبی

حالت قطع ترانزیستور زمانی به دست می آید که پیوندهای p-n امیتر و کلکتور در جهت مخالف به منابع خارجی متصل شوند. در این حالت، جریان های امیتر معکوس بسیار کوچکی از هر دو اتصال p-n عبور می کنند. من EBO) و کلکسیونر ( I KBO). جریان پایه برابر است با مجموع این جریان ها و بسته به نوع ترانزیستور، از واحدهای میکرو آمپر - μA (برای ترانزیستورهای سیلیکونی) تا واحدهای میلی آمپر - میلی آمپر (برای ترانزیستورهای ژرمانیومی) متغیر است.

اگر اتصالات p-n امیتر و کلکتور به منابع خارجی در جهت جلو متصل شوند، ترانزیستور در حالت اشباع . میدان الکتریکی انتشار اتصالات امیتر و کلکتور تا حدی توسط میدان الکتریکی ایجاد شده توسط منابع خارجی تضعیف می شود. U EBو U KB. در نتیجه، مانع پتانسیلی که انتشار حامل های بار اصلی را محدود می کند کاهش می یابد و نفوذ (تزریق) سوراخ ها از امیتر و کلکتور به داخل پایه آغاز می شود، یعنی جریان ها از طریق امیتر و کلکتور جریان می یابند. ترانزیستور، به نام جریان اشباع امیتر ( من e.us) و کلکسیونر ( I K.us).

برای تقویت سیگنال استفاده می شود حالت فعال ترانزیستور .
هنگامی که ترانزیستور در حالت فعال است، اتصال امیتر آن در جهت جلو و اتصال جمع کننده در جهت مخالف روشن می شود.

تحت ولتاژ مستقیم UEBسوراخ ها از امیتر به پایه تزریق می شوند. هنگامی که در پایه نوع n قرار می گیرند، سوراخ ها به حامل های بار جزئی در آن تبدیل می شوند و تحت تأثیر نیروهای انتشار، به محل اتصال p-n کلکتور حرکت می کنند. بخشی از حفره های پایه با الکترون های آزاد موجود در آن پر شده (بازترکیب می شود). با این حال، عرض پایه کوچک است، از چند واحد تا 10 میکرومتر. بنابراین قسمت اصلی سوراخ ها به محل اتصال p-n کلکتور می رسد و توسط میدان الکتریکی آن به کلکتور منتقل می شود. واضح است که جریان کلکتور من K pنمی تواند بیشتر از جریان امیتر باشد، زیرا برخی از سوراخ ها در پایه دوباره ترکیب می شوند. از همین رو من K p = ساعت 21B مناوه
ارزش ساعت 21Bضریب انتقال جریان ساکن امیتر نامیده می شود. برای ترانزیستورهای مدرن ساعت 21B= 0.90...0.998. از آنجایی که اتصال کلکتور معکوس است (اغلب گفته می شود بایاس معکوس است)، جریان معکوس نیز از آن عبور می کند. من KBO ، توسط حامل های اقلیت پایه (سوراخ ها) و جمع کننده (الکترون ها) تشکیل می شود. بنابراین، جریان کل کلکتور یک ترانزیستور که طبق یک مدار پایه مشترک وصل شده است

منبه = ساعت 21B مناوه + منKBO
سوراخ هایی که به محل اتصال کلکتور نرسیده و در پایه دوباره ترکیب شده (پر شده اند) به آن بار مثبت می دهند. برای بازیابی خنثی الکتریکی پایه، همان تعداد الکترون از مدار خارجی وارد آن می شود. حرکت الکترون ها از مدار خارجی به پایه جریان نوترکیبی را در آن ایجاد می کند من B.rec.علاوه بر جریان نوترکیبی، جریان کلکتور معکوس از طریق پایه در جهت مخالف و جریان کل پایه عبور می کند.
رودخانه I B \u003d I B. - I KBO
در حالت فعال، جریان پایه ده ها و صدها برابر کمتر از جریان کلکتور و جریان امیتر است.

مدارهای سوئیچینگ ترانزیستور دوقطبی

در نمودار قبلی، مدار الکتریکی توسط منبع تشکیل شده است U EB، امیتر و پایه ترانزیستور ورودی نامیده می شود و مدار تشکیل شده توسط منبع U KB، کلکتور و پایه همان ترانزیستور - خروجی. پایه یک الکترود مشترک ترانزیستور برای مدارهای ورودی و خروجی است، بنابراین این شامل مدار پایه مشترک یا به اختصار نامیده می شود. "طرح OB".

شکل زیر مداری را نشان می دهد که در آن الکترود مشترک مدارهای ورودی و خروجی امیتر است. این یک مدار سوئیچینگ امیتر معمولی یا به اختصار است "طرح OE".

در آن، جریان خروجی، مانند مدار OB، جریان کلکتور است من ک، کمی با جریان امیتر متفاوت است من e، و ورودی جریان پایه است من ب، بسیار کمتر از جریان کلکتور. رابطه بین جریان ها من بو من کدر طرح OE با این معادله تعیین می شود: من ک= ساعت 21 E من ب + من KEO
عامل تناسب ساعت 21 E ضریب انتقال جریان ساکن پایه نامیده می شود. می توان آن را بر حسب ضریب انتقال جریان ساکن امیتر بیان کرد ساعت 21B
ساعت 21 E = ساعت 21B / (1 —ساعت 21B )
اگر ساعت 21Bدر محدوده 0.9 ... 0.998، مقادیر مربوطه است ساعت 21 E در 9...499 خواهد بود.
جزء من keo جریان کلکتور معکوس در مدار OE نامیده می شود. مقدار آن 1+ است ساعت 21 E برابر بیشتر از من KBO، یعنی من QEO = (1+ ساعت 21 E ) من KBO. جریان های معکوس من KBO و من FEC به ولتاژ ورودی بستگی ندارد U EBو U BEو در نتیجه اجزای کنترل نشده جریان کلکتور نامیده می شوند. این جریان ها به شدت به دمای محیط وابسته هستند و خواص حرارتی ترانزیستور را تعیین می کنند. مشخص شده است که مقدار جریان معکوس من TBE با افزایش دما تا 10 درجه سانتیگراد برای ترانزیستورهای ژرمانیومی و 8 درجه سانتیگراد برای ترانزیستورهای سیلیکونی دو برابر می شود. در مدار OE، دمای جریان معکوس کنترل نشده تغییر می کند من KEO می تواند ده ها و صدها بار از تغییرات دمایی جریان معکوس کنترل نشده تجاوز کند من OBE و به طور کامل عملکرد ترانزیستور را مختل می کند. بنابراین در مدارهای ترانزیستوری از اقدامات خاصی برای تثبیت حرارتی آبشارهای ترانزیستور استفاده می شود که به کاهش اثر تغییرات دما در جریان ها بر عملکرد ترانزیستور کمک می کند.
در عمل اغلب مدارهایی وجود دارد که در آنها الکترود مشترک مدارهای ورودی و خروجی ترانزیستور، کلکتور است. آیا این یک مدار جمع کننده رایج است یا "مدار OK" (پیرو امیتر) .