Co je to bipolární tranzistor a k čemu se používá?

V tomto krátkém přehledu jsme se pokusili v rámci možností popsat princip činnosti bipolárních tranzistorů a uvést příklady jejich použití. Samozřejmě tímto článkem nemůžeme nahradit tisíce stránek věnovaných tomuto tématu, ale doufáme, že informace, které poskytujeme, budou pro čtenáře užitečné.

úvod

Za datum vzniku bipolárního tranzistoru se považuje 23. prosinec 1947. V tento den byl tranzistor oznámen v Bell Telephone Laboratories of American Telephone and Telegraph. Navzdory skutečnosti, že výzkum byl prováděn více než dva roky, vzhled tranzistoru je způsoben kuriozitou. 16. prosince 1947 udělal laboratorní inženýr Walter Brattain chybu s polaritou napětí aplikovaného na krystal a neočekávaně obdržel stabilní efekt zesílení signálu.

V této recenzi se nebudeme pouštět do fyzikálních základů polovodičové elektroniky a zaměříme se na principy činnosti bipolárních tranzistorů a jejich využití v praktických obvodech. Než však přejdeme k popisu charakteristik bipolárních tranzistorů a jejich použití v návrhu obvodů, je nutné krátce zvážit základní pojmy teorie polovodičů. Pro jednoduchost prezentace polovodičem rozumíme křemík.

Stručné teoretické informace

Připomeňme, že elektrony v atomu se nacházejí pouze na povolených drahách. Čím blíže je orbita k jádru atomu, tím silnější je vazba mezi elektronem a jádrem a tím více energie je potřeba k oddělení elektronu od atomu. Můžeme říci, že elektrony jsou na různých energetických hladinách.

Valenční hladina je nejvyšší energetická hladina. Pro mnoho atomů není zcela vyplněn, takže vnější elektron může být zachycen atomem na této úrovni. Níže je vodivostní pásmo, ve kterém se mohou pohybovat volné elektrony.

Ve vodičích se vodivostní pás shoduje s valenčním pásem, takže elektrony ve vodičích se mohou volně pohybovat. U polovodičů je k přesunu z vodivého pásma do valenčního pásu potřeba pouze malé množství dodatečné energie a elektrony se mohou do valenčního pásma přesunout tepelným pohybem. V dielektrikách je rozdíl energie velký a k pohybu elektronů je zapotřebí značné vnější pole, což vede k rozpadu dielektrika.

K vytvoření bipolárního tranzistoru nebo diody jsou zapotřebí dva typy polovodičů: n-typ a p-typ. Získávají se dopováním 4-mocného křemíku polovodiči různého mocenství. K získání n-typu se používá nečistota 5-valentního polovodiče. V tomto případě nečistota vytvoří 4 vazby s křemíkem a 5. valenční elektron zůstává volný a může opustit valenční pás. Proto je elektron hlavním nosičem náboje v polovodiči typu n a 5-valentní nečistota se nazývá donor.

Výroba křemíku typu p se dosahuje zavedením 3-valentního polovodiče nazývaného akceptor. S křemíkem tvoří 3 vazby a volný zůstává 4. elektron atomu křemíku, který lze z valenčního pásma odstranit např. se zvyšující se teplotou nebo působením vnějšího elektrického pole. Atom křemíku s nenaplněným valenčním pásem má kladný náboj a nazývá se díra.

Atom křemíku se na rozdíl od elektronu nemůže volně pohybovat, takže když níže mluvíme o pohybu díry, musíme pochopit, že jde pouze o pohodlnou abstrakci pro popis. Dojem pohybu děr vzniká tím, že elektrony opouštějí atomy křemíku, a zdá se, že kladně nabité díry, které jsou hlavním nosičem náboje v polovodiči typu p, se pohybují.

Pokud připojíte polovodiče typu n a typu p, začne difúze nosné (difúzní proud). Elektrony se přesunou do p-oblasti a díry do n-oblasti (obr. 1a). Nosiče se budou částečně rekombinovat, což povede k poklesu mobilních nosičů náboje, a částečně se budou nacházet v úzké oblasti zvané pn přechod (obr. 1b).

Rýže. 1. Proces tvorby pn přechodu. Vyplněné kruhy jsou elektrony, otevřené kruhy jsou díry.

V oblasti pn přechodu vzniká elektrické pole, které brání difúzi nosičů, vzniká potenciální bariéra (obr. 1c), k jejímuž překonání potřebují většinové nosiče dodatečnou energii, zatímco menšinové nosiče se naopak budou pohybovat vlivem elektrického pole pn přechodu – vytvářejí driftový proud. Při nepřítomnosti vnějšího elektrického pole se difúzní a driftové proudy vzájemně vyrovnávají.

Pokud aplikujeme vnější elektrické pole namířené proti elektrickému poli pn přechodu, potenciálová bariéra se zmenší, tudíž se zvýší difúzní proud. V tomto případě se vnější napětí nazývá předpětí. Když se změní polarita vnějšího napětí, potenciální bariéra se zvýší a driftový proud se zvýší: aplikované napětí se pak nazývá zpětné předpětí.

Princip činnosti bipolárního tranzistoru

Bipolární tranzistory jsou polovodičová součástka se dvěma pn přechody. Existují dva typy vodivosti tranzistorů – pnp a npn. Schematická struktura obou typů, jakož i jejich polohové označení jsou na Obr. 2. Tranzistor se skládá ze tří oblastí: emitor, báze a kolektor. Na Obr. 2 jsou tyto oblasti označeny písmeny „E“, „B“ a „K“, šipka emitoru ukazuje směr toku proudu.

Rýže. 2. Tranzistory: a) typ pnp; b) typ npn

Základna tranzistoru je konstrukčně velmi tenká, obvykle ne více než 10 mikronů, takže vyžadují malou energii k pohybu hlavních nosičů přes základnu. Popišme si princip činnosti bipolárního tranzistoru na příkladu npn tranzistoru (obr. 3).

Rýže. 3. Princip činnosti bipolárního tranzistoru

Pro zapnutí tranzistoru se na přechod báze-emitor aplikuje předpětí U _BÝT , v tomto případě se potenciálová bariéra pn přechodu zmenšuje a hlavní nosiče emitoru, elektrony, ji snadno překonávají a jsou vstřikovány do oblasti báze díky energii přijaté z vnějšího pole. V oblasti báze dochází k procesu rekombinace – malá část vstřikovaných nosičů je zachycena hlavními nosiči báze – otvory, tvořící proud báze I _б . Během procesu rekombinace se elektrony přesunou do valenčního pásma díry a dvojice nosičů náboje zmizí. Hlavní část elektronů protíná tenkou oblast báze, dostává se ke kolektorovému přechodu a vstupuje do kolektorové oblasti – dochází k extrakci nosiče. Aktuální I_K1 kolektor je připojen k emitorovému proudu I _Э poměr:

kde: α je koeficient přenosu proudu emitoru, obvykle α = 0.96–0,999.

Kromě kolektorového proudu se přes kolektorový přechod přenášejí do základny menšinové nosiče a otvory. Tvoří zpětný kolektorový proud I_K, někdy nazývaný počáteční proud. Tedy celkový kolektorový proud I_K bude určeno vzorcem:

Zpravidla I_K1 >> já_K, proto lze zpětný proud zanedbat, v tomto případě I_K = I_K1. Z Kirchhoffova zákona plyne výraz (3) pro tranzistorové proudy:

Po vynechání přechodných transformací nakonec dostaneme:

kde: β = α/(1 – α), základní koeficient proudového přenosu.

Hodnota β v moderních bipolárních tranzistorech se pohybuje od několika desítek do několika tisíc jednotek. Ze vzorce (4) vyplývá, že tranzistor je zesilovací zařízení, ve kterém malý proud báze řídí výrazně větší kolektorový proud.

Rýže. 4. Tranzistorové připojovací obvody: a) se společným emitorem; b) společný základ; c) společný sběrač

Možné obvody pro sepnutí tranzistoru jsou na Obr. 4. Zpravidla se používají 3 spínací schémata:

• se společným emitorem (obr. 4a);
• se společnou základnou (obr. 4b);
• se společným kolektorem (obr. 4c).

Rýže. 5. Charakteristiky tranzistoru: a) vstupní; b) volný den

Statické vstupní a výstupní charakteristiky tranzistoru jsou uvedeny na Obr. 5. Vstupní charakteristikou je napěťová závislost U _BÝT ze základního proudu I _Б nebo emitorový proud a je podobný proudově-napěťové charakteristice diody. Výstupní charakteristika odráží všechny režimy činnosti bipolárního tranzistoru při různých vstupních proudech.

V režimu cutoff není žádný řídicí proud a tranzistor je vypnutý. V aktivním režimu je spojení emitor-báze s předpětím a spojení kolektor-báze je obrácené. Tranzistor je v tomto případě v lineární oblasti a pracuje v režimu zesílení, jeho výstupní proud závisí na vstupním proudu. V saturačním režimu jsou oba přechody předpětí, výstupní proud nezávisí na vstupním proudu, ale je určen pouze odporem zátěže. Úbytek napětí kolektor-emitor je minimální a nepřesahuje 0,1–0,2 V. Tento režim se používá při spínání zátěže, tranzistor hraje roli spínače, proto se saturačnímu režimu někdy říká klíčový režim.

Je třeba mít na paměti, že na Obr. Obrázek 2 ukazuje schematické znázornění konstrukce tranzistoru, ve kterém mají kolektor a emitor stejnou velikost, takže se může zdát, že kolektor a emitor lze zaměnit. To však vůbec není pravda: jako příklad na Obr. Obrázek 6 ukazuje řez tranzistorem vyrobeným technologií mesa-planar (obr. 6a) a difuzně-planární technologií (obr. 6b) Jak je patrné z obrázku, kolektor a emitor tranzistorů se znatelně liší velikost. Pokud se při instalaci tranzistoru montér splete a zamění emitor s kolektorem, zhorší se parametry tranzistoru, sníží se zisk a pracovní frekvenční pásmo a zvýší se úbytek napětí kolektor-emitor U _K-E při provozu v režimu klíče.

Rýže. 6. Průřez reálného tranzistoru

Dnes již není možné najít aplikace, ve kterých jsou zesilovací obvody postaveny výhradně na diskrétních bipolárních tranzistorech. Takové obvody se používají pouze jako koncové zesilovací stupně a předběžné zesílení a úprava signálu jsou realizovány na analogových mikroobvodech. Vynecháme proto popisy malosignálových parametrů tranzistoru, ale přidáme pár slov o frekvenčních vlastnostech tranzistoru.

Setrvačnost tranzistoru je způsobena konečnou rychlostí pohybu nosiče přes oblast báze, což zase vede ke zpoždění v resorpci a akumulaci náboje v oblasti báze. Dalším důvodem pro omezení frekvenčních vlastností tranzistoru je parazitní kapacita kolektorového přechodu. Uvedené vlastnosti vedou ke snížení zesílení tranzistoru s rostoucí frekvencí a snížení maximální spínací frekvence tranzistoru ve spínacím režimu.

Příklady použití bipolárního tranzistoru

Uveďme několik příkladů použití bipolárního tranzistoru v obvodech realizovaných v praxi.

Rýže. 7. Zdroj proudu pro plovoucí zátěž

Na Obr. Obrázek 7 ukazuje zdroj proudu pro plovoucí zátěž (zátěž není spojena se zemí). Zpětná vazba od emitoru tranzistoru zajišťuje udržení nastaveného napětí U _VX při odporu R1. Proto prostřednictvím tohoto odporu U _VX /R1 také podporuje konstantní proud emitoru. Kolektorový proud je určen ze vztahu (3) a proud báze – ze vztahu (4). Čím vyšší je tedy zesílení β, tím menší jsou rozdíly v proudech I _Э a já_K.

Rýže. 8. Bipolární vysílač emitoru

Na Obr. Obrázek 8 ukazuje sledovač bipolárního emitoru. Zpětnovazební napětí je odstraněno ze zátěže, což umožňuje udržovat konstantní napětí U _VÝSTUP =U _VX na zátěži a vyhněte se zkreslení, když je výstupní napětí operačního zesilovače v mezích U _{BÝT n–p–n}…. U _{BÝT p–n–p}.

Rýže. 9. Spínače zátěže: a) unipolární; b) bipolární

Na Obr. Obrázek 9 ukazuje použití bipolárních tranzistorů v obvodech unipolárního spínače (obr. 9a) a bipolárních zátěžových spínačů (obr. 9b). Tranzistory v tomto případě pracují v režimu klíče. Horní pnp tranzistor VT1 (obr. 9b) se otevírá při záporném řídícím napětí, spodní npn tranzistor se otevírá při kladném řídícím napětí.

Bipolární tranzistory jsou elektronická polovodičová zařízení, která se od polních liší způsobem přenosu náboje. U tranzistorů s efektem pole (unipolárních) používaných hlavně v digitálních zařízeních je náboj přenášen buď dírami nebo elektrony. U bipolárních se procesu účastní jak elektrony, tak díry. Bipolární tranzistory se stejně jako jiné typy tranzistorů používají především jako zesilovače signálu. Používá se v analogových zařízeních.

Vlastnosti bipolárního tranzistorového zařízení

Bipolární tranzistor zahrnuje tři oblasti:

• emitor;
• základna je velmi tenká, která je vyrobena z lehce dopovaného polovodiče, odpor této oblasti je vysoký;
• kolektor – jeho plocha je rozměrově větší než plocha emitoru.

Na každé ploše jsou připájeny kovové kontakty, které slouží k připojení zařízení k elektrickému obvodu.

Vodivost kolektoru a emitoru je stejná a opačná než vodivost báze. Podle typu vodivosti oblastí se rozlišují zařízení pnp nebo npn. Zařízení jsou asymetrická kvůli rozdílu v kontaktní ploše – mezi emitorem a základnou je mnohem nižší než mezi základnou a kolektorem. Proto je nemožné zaměnit K a E změnou polarity.

Princip činnosti bipolárního tranzistoru

Tento typ tranzistoru má dva přechody:

• elektronová díra mezi emitorem a bází – emitor;
• mezi kolektorem a základnou – kolektorem.

Vzdálenost mezi přechody je malá. U vysokofrekvenčních dílů je to méně než 10 mikronů, u nízkofrekvenčních dílů až 50 mikronů. Pro aktivaci zařízení je k němu přiváděno napětí z napájecího zdroje třetí strany. Princip činnosti bipolárních tranzistorů s pnp a npn přechody je stejný. Přechody mohou pracovat v dopředném a zpětném směru, což je určeno polaritou použitého napětí.

Provozní režimy bipolárních tranzistorů

Režim cut-off

Průchody jsou uzavřeny, zařízení nefunguje. Tento režim se získá při připojení zpět k externím zdrojům. Oběma přechody protékají reverzní malé kolektorové a emitorové proudy. Často se má za to, že zařízení v tomto režimu přeruší obvod.

Aktivní inverzní režim

Je střední. Přechod B-K je otevřený a báze emitoru je uzavřena. Základní proud je v tomto případě podstatně menší než proudy E a K. Zesilovací charakteristiky bipolárního tranzistoru v tomto případě chybí. Tento režim je málo žádaný.

Režim sytosti

Zařízení je zcela otevřené. Oba přechody jsou připojeny ke zdrojům proudu v propustném směru. Tím se snižuje potenciální bariéra omezující pronikání nosičů náboje. Emitorem a kolektorem začnou protékat proudy, které se nazývají „saturační proudy“.

Spínací obvody pro bipolární tranzistory

V závislosti na kontaktu, ke kterému je zdroj napájení napájen, existují 3 schémata pro zapínání zařízení.

Společný zářič

Tento obvod pro připojení bipolárních tranzistorů poskytuje největší nárůst proudově-napěťové charakteristiky (CV charakteristika), proto je nejoblíbenější. Nevýhodou této možnosti je zhoršování zesilovacích vlastností zařízení s rostoucí frekvencí a teplotou. To znamená, že pro vysokofrekvenční tranzistory se doporučuje zvolit jiný obvod.

Se společnou základnou

Používá se pro provoz na vysokých frekvencích. Úroveň šumu je snížena, zisk není příliš vysoký. V anténních zesilovačích jsou požadovány kaskády zařízení sestavených podle tohoto schématu. Nevýhodou této možnosti je potřeba dvou zdrojů energie.

Se společným sběračem

Tato možnost se vyznačuje přenosem vstupního signálu zpět na vstup, což výrazně snižuje jeho úroveň. Proudové zesílení je vysoké a napěťové zesílení nízké, což je nevýhoda této metody. Obvod je vhodný pro kaskády zařízení v případech, kdy má zdroj vstupního signálu vysokou vstupní impedanci.

Jaké parametry se berou v úvahu při výběru bipolárního tranzistoru?

• Materiál, ze kterého je vyroben, je arsenid galia nebo křemík.
• Frekvence. Může být ultravysoký (více než 300 MHz), vysoký (30–300 MHz), střední (3–30 MHz), nízký (méně než 3 MHz).
• Maximální ztrátový výkon.