Біпалярны транзістар

Біпалярны транзістар — трохэлектродны паўправадніковы прыбор, разнавіднасць транзістара. Электроды далучаны да трох паслядоўна змешчаных слаёў паўправадніка з чаргаваным тыпам прымеснай праводнасці. Паводле гэтага спосаба чаргавання распазнаюць n-p-n і p-n-p транзістары (n (negative) — электронный тып прымеснай праводнасці, p (positive) — дзіркавы).

Электрод, які далучаны да цэнтральнага слою, называюць базай, электроды, якія падключаны да вонкавых слаёў, называюць калектарам і эмітарам. На простай схеме адрозненні паміж калектарам і эмітэрам не бачныя. На самай справе калектар адрозніваецца ад эмітэра, галоўнае адрозненне калектара — большая плошча p — n-перахода. Акрамя гэтага, для работы транзістара абавязкова неабходна малая таўшчына базы.

У гэтым абзацы будзе спрошчанае тлумачэнне. Біпалярны транзістар мае 3 кантакты: эмітар(выпраменьвальнік, аддае ток ад крыніцы сілкавання), калектар(прымач, зборшчык, прымае ток ад калектара) і база(кіруе токам, для крамянёвых транзістараў злучае калектар з эмітарам пры напружанні 0.7В, для германіевых 0.3В, пры меньшых напружаннях калектар не атрымоўвае току ад эмітара). Для npn транзістара на эмітар накіроўваецца мінус крыніцы сілкавання, з калектара здымаецца таксама мінус, і на прыладу аддаецца мінус. База кіруецца плюсам. Для pnp калектар і эмітар плюс, база кіруецца мінусам. Гэта робіць магчымасць мяняць з дапамогай біпалярнага транзістара плюсавы кантакт кіравання на мінусавы і наадварот. Другімі словамі біпалярны транзістар гэта электронная кнопка, якая кіруецца зваротным адносна уваходу і выхаду напружаннем. На першы погляд такая прылада не можа рабіць інверсію сігналу(калі на ўваходзе 0 вольт, аддаваць на выхад +5 вольт, калі на ўваходзе +5 вольт, аддаваць на выхад 0 вольт), але з дапамогай рэзістара на калектары можна зрабіць так каб увесь ток праходзіў праз адкрыты транзістар і не трапляў на выхад(бо супраціў адкрытага транзістара амаль як у правадніка, а прылада, далучаная да выхаду, звычайна мае невялікі супраціў), а пры закрытым транзістары праходзіў хоць і з супрацівам, але толькі праз рэзістар:

Гэта дае магчымасць рабіць лічбавыя NOR элементы, і было выкарыстана ў кампьютары AGC, які кіраваў першым палётам чалавека на Месяц. Далей будзе абгрунтаванне на ўзроўні атамаў.

У актыўным рэжыме работы транзістар уключаны так, што яго эмітарны пераход зрушаны ў прамым напрамку (адчынены), а калектарны пераход зрушаны ў адваротным напрамку. Разглядзім n-p-n транзістар ^[1]. У n-p-n транзістары электроны — асноўныя носьбіты току ў эмітары — праходзяць праз адкрыты пераход эмітар-база ў вобласць базы. Частка гэтых электронаў рэкамбінуюць з асноўнымі носьбітамі зараду ў базе (дзіркамі), частка дыфундуе назад у эмітар^[2]. Аднак, з-за таго што базу робяць вельмі тонкай і вельмі слаба легіраванай, большая частка электронаў, інжэктаваная з эмітара, дыфундуе ў вобласць калектара. Магутнае электрычнае поле адваротна зрушанага калектарнага пераходу захоплівае электроны (нагадаем, што яны — неасноўныя носьбіты ў базе, таму для іх пераход адчынены), і прыносіць іх у калектар. Ток калектара, такім чынам, практычна роўны току эмітара, за выключэннем невялікай страты на рэкамбінацыю ў базе, якая і стварае ток базы (I_э=I_б + I_к). Каэфіцыент α, які звязвае ток эмітара і ток калектара (I_к = α I_э), называецца каэфіцыентам перадачы тока эмітара. Звычайна ён роўны α=(0.9 — 0.999) (чым большы каэфіцыент, тым лепш транзістар). Гэты каэфіцыент мала залежыць ад напружання калектар-база і база-эмітар. Таму ў шырокім дыяпазоне рабочых напружанняў ток калектара прапарцыянальны току базы, каэфіцыент прапарцыйнасці роўны β = α / (1 − α) (звычайна β=(10 − 1000). Такім чынам, змяняючы малы ток базы, можна кіраваць значна большым токам калектара.

У большасці электрычным схем транзістар выкарыстоўваецца ў якасці чатырохполюсніка (прыстасавання, якое мае два ўваходных і два выходных вывады), з-за таго, што транзістар мае толькі тры вывады, для яго выкарыстоўванне ў якасці чатырохполюсніка патрэбна адзін з вывадаў транзістара зрабіць агульным для ўваходнага і выходнага ланцугоў. Адпаведна адрозніваюць тры схемы ўключэння транзістара: схемы з агульнай базай (АБ), агульным эмітарам (АЭ) і агульным калектарам (АК). Для разліку контураў з біпалярнымі транзістарамі ў наш час выкарыстоўвают h-параметры: транзістар уяўляюць як чатырохполюснік і запісваюць ураўненні чатырохполюсніка ў h-параметрах. Каэфіцыенты чатырохполюсніка (h-параметры) выражаюцца наступным чынам: h11=Uбэ/Iб пры Uкэ=const — уваходнае супраціўленне Rвх, Ом; h12=Uбэ/Uкэ пры Iб=const — безразмерны каэфіцыент зваротнай сувязі па напружанню; h21=Iк/Iб пры Uкэ=const — безразмерны каэфіцыент перадачы току (β); h22=Iк/Uкэ пры Iб=const — выходная праводнасць (1/Rвых)

Любая схема ўключэння транзістара характарызуецца двума асноўнымі паказчыкамі:

• каэфіцыент узмацнення па току I_вых/I_ув.

Для схемы з агульнай базай I_вых/I_ув=I_к/I_э=α [α<1])

• уваходнае супраціўленне R_увб=U_ув/I_ув=U_бэ/I_э.

Уваходнае супраціўленне для схемы э агульнай базай малое і складае дзясяткі Ом, таму што ўваходны контур транзістара пры гэтым уяўляе сабою адчынены эмітарны пераход транзістара.

Недахопы схемы з агульнай базай:

• Схема не ўзмацняе ток, таму што α < 1
• Малое ўваходнае супраціўленне
• Дзве розныя крыніцы напружання для сілкавання.

Перавагі:

• Добрыя тэмпературныя і частотныя ўласцівасці.

• Каэфіцыент узмацнення па току:  I_вых/I_вх = I_к/I_б = I_к/(I_э-I_к) = α/(1-α) = β [β>>1].
• уваходнае супраціўленне: R_вх = U_вх/I_вх = U_бэ/I_б

Перавагі:

• Вялікі каэфіцыент узмацнення па току
• Вялікі каэфіцыент узмацнення напружання
• Найбольшае ўзмацненне магутнасці.
• Магчыма абыйсціся адной крыніцай сілкавання
• Выходнае пераменнае напружанне інвертуецца адносна ўваходнага

Недахопы:

• Меншая тэмпературная стабільнасць. Частотныя ўласцівасці такога ўключэння ў параўнанні з схемай уключэння з агульнай базай значна горшае, што абумоўлена эфектам Міллера

• Каэфіцыент узмацнення па току: I_вых/I_вх = I_э/I_б = I_э/(I_э-I_к) = 1/(1-α) = β+1 [β>>1].
• уваходнае супраціўленне: R_вх = U_вх/I_вх = (U_бэ + U_кэ)/I_б.

Перавагі:

• Вялікае ўваходнае супраціўленне
• Малае выходнае супраціўленне

Недахопы:

• Каэфіцыент узмацнення па напружанню меншы за 1

Актыўны рэжым (нармальны актыўны рэжым) — рэжым, якому адпавядае адчынены стан эмітарнага пераходу і зачынены стан калектарнага пераходу:U_ЭБ>0; U_КБ<0 (для транзістара n-p-n тыпа), для транзістара p-n-p тыпа умовы имець від U_ЭБ<0; U_КБ>0.

Інверсны рэжым (інверсны актыўны рэжым) — рэжым, якому адпавядае адчынены стан калектарнага пераходу і зачынены стан эмітарнага пераходу. У сувязі з тым, што ўзмацняльныя ўласцівасці транзістара ў інверсным рэжыме значна горшыя, чым у актыўным рэжыме, транзістар у інверсным рэжыме практычна не выкарыстоўваецца.

Режым насычання — рэжым, у якім абодва пераходы транзістара знаходзяцца ў адчыненым стане. У гэтым рэжыме і эмітар, і калектар інжэктуюць электроны ў базу, у выніку гэтага ў структуры працякаюць два сустрэчных скразных струмені электронаў (нармальны і інверсны). Ад суадносін гэтых струменяў залежыць напрамак токаў, якія цякуць у контурах эмітара і калектара. У выніку двайной інжэкцыі база транзістара вельмі моцна насычаецца залішнімі электронамі, з-за чаго ўзмацняецца іх рэкамбінацыя з дзіркамі, і рэкамбінацыйны ток базы аказваецца значна вышэй, чым у актыўным або інверсным рэжымах.

Трэба таксама сказаць, што ў сувязі з насыченнем базы транзістара і яго пераходаў залішнімі носьбітамі зараду, іх супраціўленне становіцца вельмі малым. Таму контуры, якія ўтрымліваюць транзістар ў рэжыме насычэння, можна лічыць каротказамкнутымі. Калі браць да ўвагі тое, што ў рэжыме насычэння напружанне паміж электродамі транзістара складае ўсяго некалькі дзясятых далей вольта, то лічаць, што ў гэтым рэжыме транзістар уяўляе сабою эквіпатэнцыяльны пункт.

Рэжым адсечкі — рэжым, у якім абодва пераходы транзістара знаходзяцца ў зачыненым стане.

Рэжым адсечкі адпавядае ўмове U_ЭБ<0,6—0,7 В, или I_Б=0.^[3]

Бар’ерны рэжым — рэжым у якім база транзістара злучаны з калектарам, а ў калектарны або эмітарны ланцуг транзістара ўключаецца рэзістар, які задае ток праз транзістар. У такшм злучынні транзістар уяўляе сабой своеасаблівы дыёд, уключаны паслядоўна з рэзістарам. Такія схемы каскадаў адрозніваюцца малой колькасцю камплектуючых, вялікім дыяпазонам тэмператур, неадчувальнасцю да параметраў транзістараў.

• Спиридонов Н. С. Основы теории транзисторов. — К.: Техника, 1969. — 300 с
• Кулешов В. Н., Удалов Н. Н., Богачев В. М. и др. Генерирование колебаний и формирование радиосигналов. — М.: МЭИ, 2008. — 416 с. — ISBN 978-5-383-00224-7.