Přehled bipolárních tranzistorů NPN a PNP: typy a klasifikace, konstrukce, princip činnosti

Bipolární tranzistor (BJT) je třísvorková proudově řízená polovodičová elektronická součástka, která má schopnost zesilovat stejnosměrné a střídavé signály, takže každý tranzistor patří do rodiny komponent zesilovače, které zvládnou velké množství energie při použití nastavení nízkého výkonu. .

Co jsou to bipolární tranzistory a jak fungují?

Existují 2 typy BJT: bipolární tranzistor PNP a NPN. Elektrody těchto zařízení mají tyto názvy: kolektor (drain), báze (gate) a emitor (zdroj). Nejčastěji se používají křemíkové Si tranzistory (prahové napětí VT = 0,6 – 0,7 V), méně často – germanium Ge (VT = 0,2 – 0,3 V). BJT se používají téměř všude: od zesilovačů, oscilátorů, systémů přepínání napájení až po počítače a pokročilejší zařízení.

Hlavním rozdílem mezi bipolárními tranzistory PNP a jejich analogy NPN je schopnost ovládat velký proud při použití malého. Na základě typu pracovního bodu lze BJT používat ve čtyřech provozních režimech:

1. Režim cut-off – přechod mezi hradlem a zdrojem nemá vůbec žádné předpětí nebo je předpětí provedeno v opačném směru. Hodnoty aktuálních kolektorů jsou velmi malé.
2. Aktivní režim – Spojení hradlo-zdroj je vychýleno dopředu a přechod hradlo-odvod je obráceno. Zde stojí za zmínku, že není dovoleno překračování přechodového napětí (křemíkové nebo germaniové diody), což je spojeno s nadměrným průtokem proudu hradlem a možným poškozením tranzistoru.
3. Invertovaný režim – spojení hradlo-zdroj je obráceno a spojení hradlo-odvod je předpětí. Aktuální zisk je malý.
4. Režim saturace je, když napětí mezi kolektorem a zdrojem klesne na malou hodnotu a proud báze je tak vysoký, že jej kolektorový obvod již nemůže zesílit.

Sekce tranzistorového obvodu lze v případě potřeby použít pro různé účely. Zesilovací funkce zařízení se uplatňuje v oblasti přímého působení a používá se k vybudování systému, který bude zesilovat proud. Funkce přepínání využívá přechod mezi saturační oblastí (zapnuto) a hraniční oblastí (vypnuto). Používá se v digitálních a pulzních systémech.

Každý bipolární tranzistor NPN PNP má limitní charakteristické hodnoty:

• VEB0max – zpětné zkreslení špičky hradla;
• VCB0max – zpětné předpětí brány-odtok;
• VCE0max – limit dopředného zkreslení zdroje brány;
• ICmax – špičkový odtokový proud;
• IBmax – limit základního proudu.

Operační systémy bipolárních tranzistorů

Systém společného emitoru. Zesílené vstupní napětí je umístěno mezi hradlem a kolektorem, zatímco zesílený parametr je brán mezi kolektorem a zdrojem. Napěťové zesílení tohoto obvodu se blíží jednotce, takže výstup zesilovače přijímá „opakující se“ napětí ze vstupu, odtud druhý společný název pro tento zesilovač – emitor.

Společný základní systém. Zesílené napětí vstupního signálu je umístěno mezi hradlem a zdrojem, zatímco signál je po zesílení přijímán mezi hradlem a kolektorem.

Společný kolektorový systém. Zesílené napětí vstupního signálu je umístěno mezi hradlem a zdrojem, zatímco signál po zesílení je přijímán mezi mozkem a zdrojem. V tomto případě je emitorová elektroda pro vstupní a výstupní signály zcela „obyčejná“ – odtud název systému.

Spínací funkce bipolárních tranzistorů

Komplementární bipolární tranzistory jsou vhodné pro aplikace spínacích zařízení. Princip jejich činnosti je založen na dvou provozních stavech: cutoff a saturace. Vlivem signálu (napětí) se elektronická součástka aktivuje a přechází ze stavu cutoff přes aktivní stav do saturace. Když řídicí napětí zmizí, tranzistor se vrátí do stavu cutoff. Ve vypnutém stavu má tranzistor velmi vysoký odpor, takže nepropustí žádný signál (to lze považovat za otevřený obvod). Když je však tranzistor nasycený, má nízký odpor a situace je obrácená.

Ideální tranzistorový spínač by měl měnit stavy téměř okamžitě a mít velmi strmou (vertikální) přechodovou odezvu a doba sepnutí by měla být nulová.

Existují způsoby, jak výrazně urychlit proces přepínání BJT. Chcete-li to provést, musíte snížit odpor základního odporu tranzistoru nebo připojit paralelní kapacitu k základnímu odporu tranzistoru. Tím se eliminuje integrační efekt a zkracuje se doba sepnutí tranzistoru.

Bázi a kolektor tranzistoru můžete propojit i přes germaniovou diodu (takový spínač se stává kvazi saturovaným), která se vyznačuje vyšší hodnotou saturace a kratší dobou sepnutí. Nevýhodou tohoto systému je vyšší napětí při minimálním stavu, protože nedochází k saturaci.

Mikrovlnné bipolární tranzistory

Mikrovlnný bipolární tranzistor je nelineární radioelektronická součástka, nejčastěji křemíku typu NPN, pracující na frekvencích do 5 GHz. Tranzistorové geometrie jsou charakterizovány jako interdigitované, superponované a maticové. Tyto geometrie mají velkou plochu emitoru pro překonání omezení doby přenosu.

Propojená geometrie se používá pro nízkoproudé obvody s nízkým výkonem, zatímco typy patch a matrix se používají pouze pro obvody s nízkým výkonem. Pro vysokofrekvenční aplikace je preferována struktura NPN, protože mobilita elektronů je vyšší než mobilita díry. Difúze a iontová implantace jsou běžné metody výroby tranzistorů.

Epitaxní vrstva N se pěstuje na křemíkovém substrátu N+ s nízkým měrným odporem, oblast P difunduje a tvoří základnu a vrstva N± difunduje přes oblast P a tvoří emitor. Křemíkový substrát funguje jako kolektor.

Elektronika nás obklopuje všude. Téměř nikdo se ale nezamýšlí nad tím, jak to celé funguje. Je to vlastně docela jednoduché. Přesně to se dnes pokusíme ukázat. Začněme tak důležitým prvkem, jakým je tranzistor. Řekneme vám, co to je, co dělá a jak tranzistor funguje.

Co je to tranzistor?

Tranzistor – polovodičové zařízení určené k řízení elektrického proudu.

Kde se používají tranzistory? Ano všude! Téměř žádný moderní elektrický obvod se neobejde bez tranzistorů. Jsou široce používány při výrobě výpočetní techniky, audio a video zařízení.

Časy, kdy Sovětské mikroobvody byly největší na světě, prošly a velikost moderních tranzistorů je velmi malá. Nejmenší zařízení tedy dosahují velikosti řádově nanometrů!

Předpona nano- označuje hodnotu řádově od deseti do mínus deváté mocniny.

Existují však i obří exempláře, které se používají především v oblastech energetiky a průmyslu.

Existují různé typy tranzistorů: bipolární a polární, přímé a reverzní vedení. Provoz těchto zařízení je však založen na stejném principu. Tranzistor je polovodičová součástka. Jak je známo, v polovodiči jsou nosiče náboje elektrony nebo díry.

Oblast s přebytečnými elektrony je označena písmenem n (negativní) a oblast s vodivostí otvoru je p (pozitivní).

Jak funguje tranzistor?

Aby bylo vše velmi jasné, podívejme se na práci bipolární tranzistor (nejoblíbenější typ).

Bipolární tranzistor (dále jen tranzistor) je polovodičový krystal (nejčastěji používaný křemík nebo germanium), rozdělené do tří zón s různou elektrickou vodivostí. Podle toho jsou zóny pojmenovány kolektor, báze и emitor. Zařízení tranzistoru a jeho schematické znázornění je znázorněno na obrázku níže

Oddělené tranzistory s dopředným a zpětným vedením. Tranzistory PNP se nazývají tranzistory s dopředným vedením a tranzistory NPN se nazývají tranzistory se zpětným vedením.

Nyní si povíme o dvou provozních režimech tranzistorů. Provoz samotného tranzistoru je podobný provozu vodovodního kohoutku nebo ventilu. Jen místo vody je tam elektrický proud. Existují dva možné stavy tranzistoru – provozní (tranzistor otevřený) a klidový stav (tranzistor uzavřen).

co to znamená? Když je tranzistor vypnutý, neprotéká jím žádný proud. V otevřeném stavu, kdy je do báze přiveden malý řídicí proud, se tranzistor otevře a emitorem-kolektorem začne protékat velký proud.

Fyzikální procesy v tranzistoru

A nyní více o tom, proč se vše děje tímto způsobem, tedy proč se tranzistor otevírá a zavírá. Vezměme si bipolární tranzistor. Nech to být npn tranzistor.

Pokud připojíte zdroj energie mezi kolektor a emitor, elektrony z kolektoru se začnou přitahovat ke kladnému pólu, ale mezi kolektorem a emitorem nebude proud. Tomu brání základní vrstva a samotná vrstva emitoru.

Pokud mezi základnu a emitor připojíte další zdroj, začnou elektrony z oblasti n emitoru pronikat do oblasti báze. V důsledku toho bude oblast báze obohacena o volné elektrony, z nichž některé se rekombinují s dírami, některé budou proudit do plusu báze a některé (většina) půjdou do kolektoru.

Tranzistor se tedy ukáže jako otevřený a protéká v něm proud emitor-kolektor. Pokud se základní napětí zvýší, zvýší se také proud kolektor-emitor. Navíc při malé změně řídicího napětí je pozorováno výrazné zvýšení proudu kolektorem-emitorem. Právě na tomto efektu je založen provoz tranzistorů v zesilovačích.

To je v kostce podstata fungování tranzistorů. Potřebujete spočítat výkonový zesilovač pomocí bipolárních tranzistorů přes noc, nebo provést laboratorní práce pro studium činnosti tranzistoru? To není problém ani pro začátečníka, pokud využijete pomoci našich specialistů studentského servisu.

V důležitých věcech, jako je studium, neváhejte vyhledat odbornou pomoc! A teď, když už máte představu o tranzistorech, doporučujeme vám odpočinout si a podívat se na video od Korna „Twisted tranzistor“! Rozhodnete se například pro zakoupení protokolu z praxe, obraťte se na Korespondenta.

Pomůžeme vám projít se skvělými výsledky a bez opakování.

• Kontrolní práce od 1 dne / od 120 rublů. Zjistěte cenu
• Práce od 7 dnů / od 9540 rublů Zjistěte cenu
• Kurz od 5 dnů / od 2160 rublů. Zjistěte cenu
• Abstrakt od 1 dne / od 840 rublů Zjistěte cenu

Ivan Kolobkov, také známý jako Joni. Marketér, analytik a copywriter ve společnosti Zaochnik. Mladý nadějný spisovatel. Má lásku k fyzice, vzácným věcem a dílu C. Bukowského.