Bipolär anslutningstransistor (BJT) - Konstruktions- och driftsdetaljer

En bipolär transistor eller en BJT är en halvledaranordning med tre terminaler som kan förstärka eller växla små ingångsspänningar och strömmar till signifikant större utsignalsspänningar och -strömmar.

Hur Bipolär Junction Transistor BJT utvecklades

Under 1904–1947 var vakuumröret utan tvekan den elektroniska anordningen med stor nyfikenhet och tillväxt. 1904 lanserades vakuumrörsdioden av J. A. Fleming. Strax därefter, 1906, förbättrade Lee De Forest enheten med en tredje funktion, känd som styrnätet, producerade den första förstärkaren och kallades trioden.

Under de efterföljande decennierna gav radio och tv enorm inspiration till rörverksamheten. Tillverkningen ökade från cirka 1 miljon rör 1922 till cirka 100 miljoner 1937. I början av 1930-talet blev 4-element tetroden och 5-element pentoden populär i elektronrörsbranschen.

Under åren som följer utvecklades tillverkningssektorn till en av de viktigaste sektorerna, och snabba förbättringar skapades för dessa modeller, i produktionsmetoderna, i applikationer med hög effekt och hög frekvens och i riktning mot miniatyrisering.

Den 23 december 1947 skulle dock elektronikindustrin bevittna ankomsten av en helt ny 'riktning av intresse' och förbättringar. Det visade sig på mitten av dagen att Walter H. Brattain och John Bardeen uppvisade och bevisade förstärkningsfunktionen för den allra första transistorn vid Bell Telephone Laboratories.

Den allra första transistorn (som var i form av en punktkontakt-transistor) visas i figur 3.1.

Bild med tillstånd: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Replica-of-first-transistor.jpg

De positiva aspekterna av denna 3-poliga halvledarenhet i motsats till röret märktes omedelbart: Det visade sig vara mycket mindre, kunde fungera utan 'värmare' eller värmeförluster, var okrossbar och stark, var effektivare när det gäller energiförbrukning, kunde lagras och nås med lätthet, krävde ingen initial uppvärmning och det fungerade med mycket lägre driftspänningar.

TRANSISTORKONSTRUKTION

En transistor är i grunden en anordning byggd med tre lager halvledarmaterial i vilket antingen 2 n-typ och ett enda p-typ materiallager används eller 2 p-typ och ett enda n-typ materiallager används. Den första typen kallas en NPN-transistor, medan den andra varianten heter PNP-typen av transistor.

Båda dessa typer kan visualiseras i figur 3.2 med lämplig DC-förspänning.

Vi har redan lärt oss hur i BJTs DC-förspänning bli avgörande för att etablera den nödvändiga operativa regionen och för AC-förstärkning. För detta dopas emitter-sidoskiktet mer signifikant jämfört med bassidan som dopas mindre signifikant.

De yttre skikten skapas med skikt som är mycket större i tjocklek jämfört med p- eller n-typ klämmaterial. I figur 3.2 ovan kan vi hitta att för denna typ är andelen av den totala bredden jämfört med det centrala skiktet cirka 0,150 / 0,001: 150: 1. Dopingen som implementeras över det inklädda skiktet är också relativt lägre än de yttre skikten som typiskt sträcker sig över 10: 1 eller ännu mindre.

Denna typ av reducerad dopningsnivå sänker materialets ledningskapacitet och ökar den resistiva naturen genom att begränsa mängden fria rörliga elektroner eller de 'fria' bärarna.

I förspänningsdiagrammet kan vi också se att terminalerna på enheten visas med stora bokstäver E för emitter, C för samlare och B för bas. I vår framtida diskussion förklarar jag varför denna vikt läggs till dessa terminaler.

Termen BJT används också för förkortning av bipolär transistor och betecknad för dessa 3 terminalanordningar. Uttrycket 'bipolär' anger relevansen av hålen och elektronerna som är involverade under dopningsprocessen med avseende på en motsatt polariserad substans.

TRANSISTORFUNKTION

Låt oss nu förstå den grundläggande funktionen hos en BJT med hjälp av en PNP-version av figur 3.2. Funktionsprincipen för en NPN-motsvarighet skulle vara exakt lik om elektronernas och hålens deltagande helt enkelt byts ut.

Som framgår av figur 3.3 har PNP-transistorn ritats om, vilket eliminerar basen till kollektorförspänning. Vi kan visualisera hur utarmningsregionen ser ut smal i bredd på grund av den inducerade förspänningen, vilket orsakar ett massivt flöde av majoritetsbärare över p- till n-typ material.

Om bas-till-emitter-förspänningen för pnp-transistorn avlägsnas såsom visas i figur 3.4 blir flödet av majoritetsbärarna noll, vilket medger flödet av endast minoritetsbärare.

Kortfattat kan vi förstå det i en partisk situation en p-n-korsning av en BJT blir omvänd förspänd medan den andra korsningen är förspänd.

I figur 3.5 kan vi se att båda förspänningar appliceras på en pnp-transistor, vilket orsakar det angivna flödet av majoritets- och minoritetsbärare. Här, från bredden av utarmningsregionerna kan vi tydligt visualisera vilken korsning som arbetar med ett framåtriktat tillstånd och vilken som är i omvänd förspänning.

Som visas i figuren diffunderar en väsentlig mängd majoritetsbärare över den framåtförspända p-n-korsningen i materialet av n-typ. Detta väcker en fråga i våra sinnen, kan dessa bärare spela någon viktig roll för att främja basströmmen IB eller låta den flyta direkt in i p-typmaterialet?

Med tanke på att det inklädda innehållet av n-typ är otroligt tunt och har minimal ledningsförmåga, kommer ett exceptionellt få av dessa bärare att ta denna speciella väg med hög motståndskraft över basterminalen.

Basströmnivån ligger normalt runt mikroampere snarare än milliamperper för emitter- och kollektorströmmarna.

Det större utbudet av dessa majoritetsbärare kommer att diffundera längs den omvända förspända korsningen in i p-typmaterialet fäst vid uppsamlingsterminalen som påpekas i figur 3.5.

Den verkliga orsaken bakom denna relativa lätthet med vilken majoritetsbärarna får komma över den omvända förspända korsningen realiseras snabbt genom exemplet med en omvänd förspänd diod där de inducerade majoritetsbärarna dyker upp som minoritetsbärare i n-typmaterialet.

För att uttrycka det annorlunda hittar vi en introduktion av minoritetsbärare i basmaterialet av n-typ. Med denna kunskap och tillsammans med det faktum att för dioder kommer alla minoritetsbärare i utarmningsregionen över den omvända förspända korsningen, resulterar i flödet av elektroner, vilket indikeras i figur 3.5.

Förutsatt att transistorn i figur 3.5 är en enda nod kan vi tillämpa Kirchhoffs nuvarande lag för att få följande ekvation:

Vilket visar att emitterströmmen är lika med summan av bas- och kollektorström.

Samlarströmmen består emellertid av ett par element, som nämligen är majoritets- och minoritetsbärarna, vilket bevisats i figur 3.5.

Minoritetsströmbärarelementet här utgör läckströmmen och symboliseras som ICO (nuvarande IC med en öppen emitterterminal).

Följaktligen upprättas nätuppsamlarströmmen enligt följande ekvation 3.2:

Kollektorström IC mäts i mA för alla transistorer för allmänt ändamål, medan ICO beräknas i uA eller nA.

ICO kommer att uppträda som en omvänd förspänd diod och kan därför vara sårbar för temperaturförändringar, och därför måste man ta hand om den vid testning, särskilt i kretsar som är utformade för att fungera i mycket olika temperaturintervaller, annars kan resultatet bli enormt påverkas på grund av temperaturfaktorn.

Med detta sagt, på grund av de många avancerade förbättringarna i de moderna transistornas konstruktionslayout, minskar ICO avsevärt och kan ignoreras helt för alla dagens BJT.

I nästa kapitel lär vi oss hur man konfigurerar BJT i ​​det gemensamma basläget.

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