טרנזיסטורים דו קוטביים: מכשיר, עקרון הפעולה, מעגלי מיתוג

המילה "טרנזיסטור" מורכבת מהמילים TRANSfer ו- resISTOR - ממיר התנגדות. הוא החליף מנורות בתחילת שנות החמישים. זהו מכשיר בעל שלושה עופרים המשמש להגברה ולמיתוג במעגלים אלקטרוניים. שם התואר "דו קוטבי" (טרנזיסטור צומת דו קוטבי) משמש להבחנה שלו מטרנזיסטורים של אפקט שדה (FET). עקרון הפעולה של טרנזיסטור דו קוטבי הוא שימוש בשני צומת p-n, היוצרים שכבת מחסום, המאפשרת לזרם קטן לשלוט באונוכחי יותר. הטרנזיסטור הדו קוטבי משמש הן כהתנגדות מבוקרת והן כמתג. ישנם שני סוגים של טרנזיסטורים: pnp ו- npn.

מעבר P-N

גרמניום (Ge) וסיליקון (Si) הם מוליכים למחצה. כיום משתמשים בעיקר בסיליקון. הערכים של Si ו- Ge הם ארבעה. לכן, אם נוסיף ארסן מחומש (As) לסריג הגביש של הסיליקון, נקבל אלקטרון "נוסף", ואם נוסיף בורון טריוולנטי (B), נקבל מקום פנוי לאלקטרון. במקרה הראשון, מדברים על חומר "תורם" שנותן אלקטרונים, במקרה השני, על חומר "מקבל" המקבל אלקטרונים. כמו כן, סוג החומר הראשון נקרא N (שלילי), והשני - P (חיובי).

אם חומרים מסוג P ו- N מובאים במגע, אז יווצר זרם ביניהם לבין דינמיקה שיווי משקל עם אזור הדלדול, שבו ריכוז נושאי המטען - אלקטרונים ופנויים ("חורים") - קטן. שכבה זו מוליכה חד צדדית ומהווה בסיס למכשיר הנקרא דיודה. מגע ישיר של חומרים לא ייצור מעבר איכותני; היתוך (דיפוזיה) או "חיבור" לגביש של יוני דופנט בחלל ריק הוא הכרחי.

טרנזיסטור PNP

בפעם הראשונה נוצר טרנזיסטור דו קוטבי על ידי מיזוג טיפות אינדיום לגביש גרמניום (חומר מסוג n). אינדיום (In) הוא מתכת טריוולנטית, מסוג p. לכן, טרנזיסטור כזה נקרא מפוזר (היתוך), בעל מבנה p-n-p (או pnp). הטרנזיסטור הדו קוטבי באיור שלהלן יוצר בשנת 1965. גופו מנותק לשם בהירות.

גביש הגרמניום במרכז נקרא הבסיס, וטיפות האינדיום המתמזגות לתוכו נקראות הפולט והאספן. אתה יכול להתייחס למעברים EB (פולט) ו- KB (אספן) כדיודות רגילות, אך למעבר FE (אספן-פולט) יש תכונה מיוחדת. לכן לא ניתן ליצור טרנזיסטור דו קוטבי משתי דיודות נפרדות.

אם יופעל מתח של מספר וולט בטרנזיסטור pnp בין הקולט (-) לפולט (+), יזרום במעגל זרם חלש מאוד, כמה מיקרו-א. אם לאחר מכן תחיל מתח קטן (פתיחה) בין הבסיס ( -) לפולט (+) - עבור גרמניום הוא בערך 0.3 V (ולסיליקון 0.6 V) - אז זרם בסדר גודל מסוים יזרום מהפולט אל בסיס. אך מכיוון שהבסיס עשוי דק מאוד, הוא יהפוך במהירות לרווי בחורים (הוא "יאבד" את עודף האלקטרונים שלו, שיגיע לפולט). מכיוון שהפולט מסומם בכבדות עם מוליכות חורים, ובבסיס מסומם קלות, רקומבינציה האלקטרונים מתעכבת מעט, ואז משמעותית באורוב הזרם יעבור מהפולט לאספן. האספן גדול מהפולט והוא מסומם קלות, מה שמאפשר לו להיות באומתח התמוטטות גבוה יותר (U_{דגימות. לִספִירַת הַנוֹצרִים} > U_{דגימות. EB}). כמו כן, מכיוון שחלקם העיקרי של החורים מתאחד מחדש באספן, הוא מתחמם יותר משאר האלקטרודות של המכשיר.

יש יחס בין זרמי האספן והפולט:

בדרך כלל α נמצא בטווח של 0.85-0.999 ותלוי הפוך בעובי הבסיס. ערך זה נקרא מקדם העברת הזרם הפולט. בפועל, ההדדי משמש לעתים קרובות יותר (מסומן גם כ- h_21e):

זהו יחס ההעברה הנוכחי הבסיסי, אחד הפרמטרים החשובים ביותר של טרנזיסטור דו קוטבי. לעתים קרובות הוא קובע את תכונות ההגברה בפועל.

טרנזיסטור pnp נקרא טרנזיסטור הולכה קדימה. אבל יש גם סוג אחר של טרנזיסטור, שהמבנה שלו משלים בצורה מושלמת את ה- PNP במעגלים.

טרנזיסטור NPN

לטרנזיסטור הדו קוטבי יש אספן פולט חומרים מסוג N. אז הבסיס עשוי מחומר מסוג P. ובמקרה זה, הטרנזיסטור npn עובד בדיוק כמו הטרנזיסטור pnp, למעט הקוטביות - זהו טרנזיסטור הולכה הפוכה.

טרנזיסטורים מבוססי סיליקון מציפים את כל סוגי הטרנזיסטורים הדו קוטביים. חומר התורם לאספן ולפולט יכול להיות As, בעל אלקטרון "נוסף". הטכנולוגיה של ייצור טרנזיסטורים השתנתה גם היא. עכשיו הם מישוריים, מה שמאפשר להשתמש בליתוגרפיה ולייצר מעגלים משולבים. התמונה למטה מציגה טרנזיסטור דו קוטבי מישור (כחלק ממעגל משולב בהגדלה גבוהה). טרנזיסטורים pnp ו- npn, כולל טרנזיסטורים חזקים, מיוצרים בטכנולוגיה מישורית. הרפטינג כבר הופסק.

טרנזיסטור דו קוטבי מישורי בתמונה הבאה (דיאגרמה פשוטה).

התמונה מראה עד כמה טוב העיצוב של הטרנזיסטור המישורי - האספן מקורר ביעילות על ידי מצע הגביש. כמו כן יוצר טרנזיסטור PNP מישור.

הסמלים הגרפיים של הטרנזיסטור הדו קוטבי מוצגים בתמונה הבאה.

UGO אלה הם בינלאומיים ותקפים גם בהתאם ל- GOST 2.730-73.

מעגלי מיתוג טרנזיסטור

בדרך כלל, תמיד משתמשים בטרנזיסטור דו קוטבי בחיבור ישיר - הקוטביות ההפוכה בצומת FE אינה נותנת שום דבר מעניין. לתרשים חיבור ישיר, יש שלוש תוכניות חיבור: פולט משותף (OE), אספן משותף (אישור) ובסיס משותף (OB). כל שלושת ההכללות מוצגות להלן. הם מסבירים רק את עקרון הפעולה עצמו - אם נניח שנקודת ההפעלה היא איכשהו, בעזרת מקור כוח נוסף או מעגל עזר, נקבעת. כדי לפתוח טרנזיסטור סיליקון (Si), יש צורך בפוטנציאל של ~ 0.6 V בין הפולט לבסיס, ולגרמניום, ~ 0.3 V מספיק.

פולט נפוץ

המתח U1 גורם לזרם Ib, זרם הקולט Ic שווה לזרם הבסיס מוכפל ב- β. במקרה זה, מתח + E צריך להיות גדול מספיק: 5V-15V. מעגל זה מגביר היטב את הזרם והמתח, ומכאן הספק. אות הפלט מנוגד בשלב לאות הקלט (הפוך). זה משמש בטכנולוגיה דיגיטלית כפונקציה NOT.

אם הטרנזיסטור אינו פועל במצב המפתח, אלא כמגבר של אותות קטנים (מצב פעיל או ליניארי), אז על ידי בחירת זרם הבסיס, מתח U נקבע₂ שווה ל- E / 2 כך שאות הפלט לא יעוות. יישום זה משמש, למשל, בעת הגברת אותות שמע במגברים מתקדמים, עם עיוות נמוך וכתוצאה מכך יעילות נמוכה.

אספן משותף

מבחינת מתח, מעגל ה- OK אינו מתגבר, כאן הרווח הוא α ~ 1. לכן, מעגל זה נקרא עוקב פולט. הזרם במעגל הפולט גדול פי β + 1 מאשר במעגל הבסיס. מעגל זה מגביר את הזרם היטב ויש לו תפוקה נמוכה ועומדת קלט גבוהה מאוד. (הגיע הזמן לזכור כי טרנזיסטור נקרא שנאי התנגדות).

לחסיד הפולט יש מאפיינים ומאפייני ביצועים המתאימים מאוד לגשמי אוסצילוסקופ. הוא משתמש בעכבת הכניסה העצומה ובעכבת הפלט הנמוכה, וזה טוב להתאמה עם כבל עכבה נמוכה.

בסיס משותף

למעגל זה יש את עכבת הכניסה הנמוכה ביותר, אך הרווח הנוכחי שלו הוא α. מעגל בסיס משותף מתגבר היטב במתח, אך לא בהספק. התכונה שלו היא חיסול ההשפעה של משוב קיבול (eff. טוֹחֵן). שלבי ה- OB אידיאליים כשלבי קלט של מגברים בנתיבי RF המותאמים לעכבות נמוכות של 50 ו -75 אוהם.

מפלים עם בסיס משותף נמצאים בשימוש נרחב מאוד בטכנולוגיית מיקרוגל ויישומם באלקטרוניקה ברדיו עם מפל עוקב פולט נפוץ מאוד.

שני אופני פעולה עיקריים

הבחנה בין מצבי פעולה באמצעות אות "קטן" ו"גדול ". במקרה הראשון, טרנזיסטור דו קוטבי פועל על חלק קטן ממאפייניו, וזה משמש בטכנולוגיה אנלוגית. במקרים כאלה, הגברה לינארית של אותות ורעש נמוך חשובים. זהו מצב לינארי.

במקרה השני (מצב מפתח), הטרנזיסטור הדו קוטבי פועל בכל הטווח - מרוויה ועד לחתך, כמו מפתח. המשמעות היא שאם אתה מסתכל על המאפיין I-V של צומת p-n, עליך להחיל רוורס קטן בין הבסיס לפולט כדי לחסום לחלוטין את הטרנזיסטור מתח, ולפתיחה מלאה, כאשר הטרנזיסטור נכנס למצב רוויה, הגדל מעט את זרם הבסיס, בהשוואה לאות הקטן מצב. ואז הטרנזיסטור עובד כמו מתג דופק. מצב זה משמש להתקני מיתוג והספק, הוא משמש להחלפת ספקי כוח. במקרים כאלה, הם מנסים להשיג זמן מיתוג קצר של טרנזיסטורים.

ההיגיון הדיגיטלי מאופיין במיקום ביניים בין אותות "גדולים" ל"קטנים ". רמת לוגיקה נמוכה מוגבלת ל -10% ממתח האספקה, ורמת לוגיקה גבוהה מוגבלת ל -90%. עיכובים בזמן וההחלפה נוטים לצמצם עד לגבול. אופן פעולה זה הוא המפתח, אך מבקשים למזער את העוצמה כאן. כל אלמנט לוגי הוא מפתח.

סוגים אחרים של טרנזיסטורים

הסוגים העיקריים של הטרנזיסטורים שכבר תוארו אינם מגבילים את עיצובם. טרנזיסטורים מרוכבים מיוצרים (מעגל דרלינגטון). ה- β שלהם גדול מאוד ושווה לתוצר של מקדמי שני הטרנזיסטורים, ולכן הם נקראים גם טרנזיסטורים "סופרבטה".

הנדסת החשמל כבר השתלטה על הטרנזיסטור הדו קוטבי המבודד (IGBT), עם שער מבודד. השער של הטרנזיסטור אפקט השדה אכן מבודד מהערוץ שלו. נכון, יש שאלה של טעינת קיבול הכניסה שלה במהלך המעבר, כך שהוא לא יכול להסתדר בלי זרם.

טרנזיסטורים כאלה משמשים במתגי כוח רבי עוצמה: ממירים לדופק, ממירים וכו '. בכניסה, IGBT הם רגישים מאוד, בשל ההתנגדות הגבוהה של השערים של הטרנזיסטורים של אפקט השדה. בדרך החוצה - הם מאפשרים לקבל זרמים עצומים וניתן לייצר אותם למתח גבוה. לדוגמה, בארצות הברית יש תחנת כוח סולארית חדשה, שבה טרנזיסטורים כאלה במעגל גשר מועמסים על שנאים רבי עוצמה שנותנים אנרגיה לרשת התעשייתית.

לסיכום, נציין כי טרנזיסטורים, במילים פשוטות, הם "סוס העבודה" של כל האלקטרוניקה המודרנית. הם משמשים בכל מקום: מקטרים ​​חשמליים ועד טלפונים ניידים. כל מחשב מודרני מורכב כמעט מטרנזיסטורים בלבד. היסודות הפיזיים של פעולת הטרנזיסטור מובנים היטב ומבטיחים התקדמות חדשה נוספת.

חומרים קשורים:

• מהו גשר דיודה - הסבר פשוט
• מהו נגד ולמה הוא מיועד במעגל חשמלי
• לשם מה בודק טרנזיסטור ומה הוא מודד