A bipoláris tranzisztor vagy egy BJT egy 3 terminálos félvezető eszköz, amely képes felerősíteni vagy átkapcsolni a kis jelbemeneti feszültségeket és áramokat lényegesen nagyobb kimeneti jel feszültségekre és áramokra.
Hogyan alakultak a Bipolar Junction Transistor BJT-k
1904–1947 folyamán a vákuumcső kétségtelenül nagy érdeklődésű és növekedésű elektronikus eszköz volt. 1904-ben J. A. Fleming indította el a vákuumcsöves diódát. Röviddel ezután, 1906-ban, Lee De Forest tovább fejlesztette az eszközt egy harmadik, a vezérlőrács néven ismert funkcióval, amely előállította az első erősítőt, és triódnak nevezték el.
A következő évtizedekben a rádió és a televízió óriási inspirációt váltott ki a csőszakmában. A gyártás az 1922-es mintegy 1 millió csőről az 1937-es mintegy 100 millió csőre nőtt. Az 1930-as évek elején a 4 elemű tetróda és az 5 elemű pentód népszerűségre tett szert az elektroncső üzletágban.
Az elkövetkező években a feldolgozóipar az egyik legfontosabb ágazattá fejlődött, és gyors fejlesztéseket hajtottak végre ezeken a modelleken, a gyártási módszerekben, a nagy teljesítményű és nagy frekvenciájú alkalmazásokban, valamint a miniatürizálás irányában.
1947. december 23-án azonban az elektronikai ipar tanúja volt egy teljesen vadonatúj „érdeklődés és fejlődés irányának” megérkezéséről. A nap közepén kiderült, hogy Walter H. Brattain és John Bardeen kiállította és bebizonyította az első tranzisztor erősítő funkcióját a Bell Telephone Laboratories-ban.
A legelső tranzisztort (amely pont-érintkező tranzisztor volt) a 3.1. Ábra szemlélteti.
Kép jóvoltából: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Replica-of-first-transistor.jpg
Ennek a 3 tűs szilárdtest-egységnek a csővel ellentétben a pozitív vonatkozásai azonnal észrevehetőek voltak: sokkal kisebbnek bizonyult, „fűtés” vagy fűtési veszteség nélkül működhet, törhetetlen és erős, hatékonyabb volt energiafelhasználás, könnyen tárolható és hozzáférhető, nem igényelt semmilyen kezdeti felmelegedést, és sokkal alacsonyabb üzemi feszültség mellett működött.
TRANZISZTOROS ÉPÍTÉS
A tranzisztor alapvetően olyan eszköz, amely 3 réteg félvezető anyagból épül fel, amelyben vagy 2 n típusú és egyetlen p típusú anyag réteget, vagy 2 p típusú és egyetlen n típusú anyag réteget használnak. Az első típust NPN tranzisztornak, míg a második variánst PNP típusú tranzisztornak nevezzük.
Mindkét típus megfelelő DC előfeszítéssel láthatóvá tehető a 3.2 ábrán.
Már megtanultuk, hogyan BJT-k DC előfeszítés elengedhetetlenné válnak a szükséges működési régió kialakításához és az AC erősítéshez. Ehhez az emitter oldalsó réteget jelentősebben adalékolják, összehasonlítva az alap oldallal, amely kevésbé jelentősen adalékolt.
A külső rétegeket sokkal nagyobb vastagságú rétegekkel hozzák létre, mint a p- vagy n-típusú rétegelt anyagok. A fenti 3.2. Ábrán azt tapasztalhatjuk, hogy ennél a típusnál a teljes szélesség aránya a központi réteghez képest körülbelül 0,150 / 0,001: 150: 1. A szendvicsrétegen át alkalmazott doppingszint viszonylag alacsonyabb, mint a külső rétegeké, amely jellemzően 10: 1-ig terjed, vagy még ennél is kisebb.
Ez a fajta csökkent doppingszint csökkenti az anyag vezetőképességét és növeli a rezisztív jelleget azáltal, hogy korlátozza a szabadon mozgó elektronok vagy a „szabad” hordozók.
Az előfeszítő ábrán azt is láthatjuk, hogy az eszköz termináljait E nagybetűvel jelöltük az emitterre, C-t a kollektorra és a B-t az alapra.
A BJT kifejezést a bipoláris tranzisztor rövidítésére használják, és ezt a 3 végberendezést jelölik. A „bipoláris” kifejezés jelzi az adalékolási folyamat során részt vevő furatok és elektronok jelentőségét egy ellentétesen polarizált anyag vonatkozásában.
TRANZISZTOR MŰKÖDTETÉS
Most értsük meg a BJT alapvető működését a 3.2. Ábra PNP változatának segítségével. Az NPN-partner működési elve pontosan hasonló lenne, ha az elektronok és a furatok részvételét egyszerűen felcserélnék.
Amint az a 3.3. Ábrán látható, a PNP tranzisztort újrarajzolták, kiküszöbölve a bázis és a kollektor torzítását. Ábrázolhatjuk, hogy a kimerülési régió szélességében hogyan szűkült az indukált torzítás miatt, ami a többségi fuvarozók p-n át az n-típusú anyagokra.
Abban az esetben, ha a pnp tranzisztor bázis-emitter előfeszítése megszűnik, amint azt a 3.4. Ábra mutatja, a többségi vivők áramlása nulla lesz, csak a kisebbségi vivők áramlását engedélyezve.
Röviden megérthetjük ezt, elfogult helyzetben A BJT egyik p-n elágazása fordított, míg a másik elágazás előre irányú.
A 3.5. Ábrán láthatjuk, hogy mind a torzító feszültségek egy pnp tranzisztorra vonatkoznak, ami a jelzett többség- és kisebbség-hordozó áramlást okozza. Itt a kimerülési régiók szélességéből világosan szemléltethetjük, hogy melyik csomópont működik előre irányú és melyik fordított előfeszítéssel.
Amint az ábrán látható, jelentős többségű vivőanyag az elülső torzítású p-n kereszteződésen át az n-típusú anyagba diffundálódik. Ez felveti a fejünkben a kérdést: játszhatnak-e ezek a hordozók bármilyen fontos szerepet az alapáram IB előmozdításában, vagy annak lehetővé tételében, hogy közvetlenül a p-típusú anyagba áramoljon?
Figyelembe véve, hogy a beillesztett n típusú tartalom hihetetlenül vékony és minimális vezetőképességgel rendelkezik, ezek közül a hordozók közül kivételesen kevesen fognak a nagy ellenállás ezen útvonalán haladni az alapterminálon.
Az alapáram szintje általában a mikroamperek körül van, nem pedig milliamper az emitter és a kollektor áramára.
Ezeknek a többségi hordozóknak a nagyobb tartománya a fordított előfeszítésű csomópont mentén diffundál a kollektor terminálhoz rögzített p típusú anyagba, amint az a 3.5. Ábrán látható.
Ennek a viszonylagos könnyűségnek a tényleges oka, amellyel a többségi vivők átengedik a fordított előfeszítésű kereszteződést, gyorsan kiderül egy fordított előfeszített dióda példájával, ahol az indukált többségi vivők kisebbségi vivőként fordulnak elő az n típusú anyagban.
Másképp fogalmazva, az n-típusú alaprégió anyagában találjuk a kisebbségi hordozók bevezetését. Ennek ismeretében és azzal a ténnyel együtt, hogy a diódák esetében a kimerülési régió összes kisebbségi hordozója átjut a fordított előfeszített kereszteződésen, az elektronáramlást eredményez, amint azt a 3.5.
Feltételezve, hogy a 3.5. Ábra tranzisztora egyetlen csomópont, Kirchhoff jelenlegi törvényét alkalmazhatjuk a következő egyenlet megszerzéséhez:
Ami azt mutatja, hogy az emitter áram egyenlő az alap és a kollektor áramának összegével.
A kollektoráram azonban néhány elemből áll, amelyek nevezetesen a többségi és a kisebbségi hordozók, amint azt a 3.5. Ábra bizonyítja.
A kisebbségi áramú vivőelem itt képezi a szivárgási áramot, és ICO (nyitott emitteres terminállal rendelkező áram IC) szimbólumként jelenik meg.
Következésképpen a nettó kollektoráramot a következő 3.2. Egyenlet szerint állapítják meg:
A kollektoráram IC-t minden általános célú tranzisztornál mA-ben mérik, míg az ICO-t uA-ban vagy nA-ban számítják.
Az ICO ugyanúgy viselkedik, mint egy fordított előfeszített dióda, ezért érzékeny lehet a hőmérsékletváltozásokra, ezért a tesztelés során megfelelő gondossággal kell rendelkeznie, különösen olyan áramkörökben, amelyeket széleskörűen változó hőmérsékleti tartományban működnek, különben az eredmény óriási lehet befolyásolja a hőmérsékleti tényező.
Ennek ellenére a modern tranzisztorok felépítésének sok fejlett fejlesztése miatt az ICO jelentősen lecsökken, és teljesen figyelmen kívül hagyható az összes mai BJT esetében.
A következő fejezetben megtudhatjuk, hogyan kell konfigurálni a BJT-ket a közös alapmódban.
Referenciák: https://en.wikipedia.org/wiki/John_Bardeen
Korábbi: Feszültségosztó torzítás a BJT áramkörökben - nagyobb stabilitás béta faktor nélkül Következő: A közös alapkonfiguráció megértése a BJT-kben
