Tranzistor de joncțiune bipolar

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Simbol NPN
Simbol PNP

În electronică , tranzistorul de joncțiune bipolar (prescurtare uzuală: BJT , din limba engleză b ipolar j unction t ransistor) este un tip de tranzistor utilizat pe scară largă în domeniul electronicii analogice în principal ca amplificator și comutator de curent. Constituie cea mai răspândită familie în electronică, împreună cu tranzistorul cu efect de câmp, în raport cu care este capabil să ofere un curent de ieșire mai mare, cu dezavantajul, totuși, de a nu avea un terminal de control izolat ( poartă ).

Este compus din trei straturi de material semiconductor dopat , de obicei siliciu , în care stratul central este dopat opus celorlalte două, astfel încât să formeze o joncțiune dublă pn . Fiecare strat este asociat cu un terminal: cel central ia numele de bază , cele externe se numesc colector și emițător . Principiul de funcționare se bazează pe posibilitatea de a controla conductivitatea electrică a dispozitivului și, prin urmare, curentul electric care trece prin acesta, prin aplicarea unei tensiuni între bornele sale. Acest dispozitiv implică atât electroni, cât și găuri ( purtători de încărcare majoritari) și, prin urmare, acest tip de tranzistor se numește bipolar .

Tranzistorul de joncțiune bipolar poate fi utilizat clasic în trei configurații diferite numite bază comună, colector comun sau emițător comun : acești termeni se referă la terminalul fără semnal (de obicei pentru că este conectat la potențialul de referință, direct sau printr-un bypass).

Introducere

Acest tranzistor constă practic din două joncțiuni antiserie pn : terminalul de bază este „conexiunea dintre capete”, în timp ce capetele sunt cele două terminale ale emițătorului și ale colectorului: simbolul său grafic reflectă această caracteristică. Funcționarea sa se bazează pe distanța dintre cele două joncțiuni opuse, care trebuie să fie mult mai scurtă decât lungimea de difuzie a purtătorilor de încărcare majoritari ai zonelor emițătorului și colectorului: aceasta înseamnă că atunci când joncțiunea emițător-bază trece în conducție, purtătorii de încărcarea de la emițător difuză în cea mai mare parte în colector, rămânând captată de joncțiunea bază-colector, în loc să ajungă la terminalul de bază așa cum ar trebui (poate deci funcționa și schimbând colectorul și emițătorul între ele, deși cu o eficiență mult mai redusă). Raportul β dintre curentul captat de colector și cel care ajunge la bază este unul dintre parametrii fundamentali ai oricărui tranzistor de joncțiune bipolar; în general este de la 50 la 800 sau mai mult, adică curentul la colector este de 50 până la 800 de ori mai mare decât cel de la bază.

Simbolul mic al diodei de pe terminalul emițătorului, care identifică polaritatea tranzistorului (pnp sau npn) indică modul în care sunt orientate joncțiunile interne și, prin urmare, tipul purtătorilor de sarcină majoritari: pnp au colector și emițător de tip p, prin urmare, i purtătorii majorității sunt lacunele ; npn le au de tip n, deci sunt electroni . În proiectarea și construcția circuitelor electronice, tranzistoarele pnp și npn au caracteristici aproape identice, dar tensiunile de polarizare de-a lungul acestora trebuie să fie de semn opus.

Prin urmare, în funcție de polarizare , tranzistorul (dincolo de configurație) are patru regiuni de funcționare pentru creșterea tensiunilor de bază:

  • Inversați regiunea activă
  • Regiunea de interdicție
  • Regiunea de saturație
  • Regiune activă directă

Curenți

Diagrama curenților circulanți în tranzistorul de joncțiune bipolar ideal pnp.

În acest moment putem vedea care sunt curenții care circulă în interiorul tranzistorului pnp. Deoarece are trei terminale (baza B , colectorul C și emițătorul E ), avem trei curenți care sunt luate în mod convențional ca intrând în tranzistor și, prin urmare, pozitive. Curentul emițătorului este compus dintr-un curent de gaură iar unul de electroni , ambele au o direcție care intră în bază (evident găurile fiind pozitive trec de la emițător la bază și electronii fiind negativi trec de la bază la emițător, dar direcția curentului este aceeași pentru ambele). Prin urmare, curentul emițătorului este dat de:

O parte considerabilă a curentului traversează baza și ajunge la colector și este indicat cu , cealaltă parte a găurilor care intră în bază se recombină cu electronii bazei în sine ( ), în timp ce curentul de electroni (care, evident, se deplasează de la bază la emițător), fiind baza mult mai puțin dopată decât emițătorul, este mult mai mică decât curentul de gaură și, prin urmare, neglijabilă.

Curentul colector este în schimb (fiind polarizat invers) un mic curent invers de saturație, numit , care este compus din electroni care trec de la colector la bază și prin goluri care trec de la bază la colector . De asemenea, în colector acești curenți au o direcție convențională care intră în bază, dar acest curent părăsește de fapt baza. Asa de:

Structură reală PNP plană

dar deasemenea:

Dacă indicăm cu fracția de curent emițător care ajunge la colector apoi:

se numește amplificare de curent pentru semnale mari în acest caz cu o bază comună. Poate fi exprimat și ca:

După cum este definit este întotdeauna pozitiv și are o valoare cuprinsă între 0,9 - 0,999 și variază în funcție de tensiune . Bineînțeles, aceleași considerații se aplică și tranzitorului npn, unde purtătorii de taxă majoritari și minoritari sunt inversați și, prin urmare, notațiile se schimbă în consecință: cu toate acestea, ecuațiile sunt valabile în analogie.

Regiuni de lucru

Tranzistorul este adesea folosit ca un comutator (tranzistor de comutare) potrivit pentru pornirea sau oprirea circuitelor, traductoarelor etc. În toate aceste aplicații, operația este legată de două stări particulare ale tranzistorului de joncțiune bipolar: cea de saturație (ON) și cea de interdicție (OFF).

În saturație este esențial ca cele două joncțiuni să fie polarizate direct. Pentru valori mici (tensiunea dintre colector și emițător) curentul de bază pierde controlul asupra curentului colectorului iar proporționalitatea lipsește (unde este înseamnă câștig de curent continuu). Valorile convenționale ale tensiunilor de saturație sunt Și .

În interdicție, tranzistorul nu conduce (OFF) și această condiție apare dacă ambele joncțiuni sunt polarizate invers. Un tranzistor npn poate fi considerat în afara limitelor dacă tensiunea este mai mic sau egal cu zero, în timp ce un tranzistor pnp poate fi considerat în afara limitelor dacă este mai mare sau egal cu zero.

Timpul luat de dispozitiv pentru a trece dintr-o stare în alta își asumă o importanță considerabilă.

În cazul ideal, tranzistorul intră în starea OFF și în starea ON și viceversa instantaneu. Dacă s-ar produce acest fenomen, nu am avea pierderi de căldură de la tranzistorul de joncțiune bipolar, deoarece nu absorb puterea în starea de oprire și saturație. De fapt, în starea de interdicție aproape nu trece curent prin tranzistor și în starea de saturație are tensiune aproape zero.

Tranzistor BJT.PNG

Configurări

Pe o bază comună

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: tranzistor de bază comun .
Caracteristicile comune de ieșire ale configurației de bază. Rețineți că tensiunea de bază a emițătorului este menținută constantă.

În tranzistorul pnp curenții sunt cei descriși mai sus. În configurația de bază comună , curentul se datorează în esență golurilor și curentului este complet determinată de curent și tensiune . Plus tensiunea este, de asemenea, determinată de aceste două variabile, iar apoi caracteristica de ieșire poate fi trasată:

Graficul caracteristicii de ieșire are abscisa , în ordonată și este parametrizat pe baza valorilor , păstrând constant . După cum se poate observa, există trei regiuni caracteristice care sunt, de asemenea, generale: în toate configurațiile, regiunile sunt întotdeauna regiunile active, de interdicție și de saturație.

În cazul tranzistoarelor pnp de bază comune, regiunea activă este cazul în care joncțiunea este polarizat invers e este direct polarizată. Este reprezentat în figură ca o zonă aproximativ liniară.

Un emițător comun

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: tranzistor cu emițător comun .
Tranzistor de joncțiune bipolar în configurația emițătorului comun

După cum se poate vedea din figură, emițătorul este conectat direct la sursa de alimentare, în timp ce baza este la tensiune . Acolo este tensiunea de alimentare a circuitului ed este rezistența la sarcină. Joncțiunea emițătorului este polarizată direct, iar joncțiunea colectorului invers, adică suntem în regiunea activă a tranzistorului. Noi stim aia:

este asta:

prin urmare, obținem curentul colectorului:

pus în evidență :

În general, se definește pe sine numită amplificare pentru semnale mari și, prin urmare:

pe care le poți aproxima, știind asta atunci primul addend poate fi neglijat:

ceea ce ne spune cum se comportă tranzistorul ca amplificator : o mică modificare a curentului de bază produce prin coeficient , o schimbare considerabilă a curentului colectorului, din moment ce coeficientul este de ordinul . În acest sens, tranzistorul este, de asemenea, un generator de curent controlat în curent (sau, de asemenea, controlat în tensiune), datorită acestei caracteristici.

Un colecționar obișnuit

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: tranzistor comun cu colector .

Această configurație este frecvent utilizată ca tampon de tensiune . În acest dispozitiv, nodul colector al tranzistorului este conectat la sursa de alimentare (un generator de tensiune ), nodul de bază acționează ca o intrare, în timp ce nodul emițător acționează ca o ieșire. Nodul emițătorului „urmărește” potențialul aplicat intrării, de la care numele emițătorului (în engleză emitter follower), utilizat de obicei pentru a se referi la această configurație. Echivalentul FET al colectorului comun este scurgerea comună .

Amplificare

Este clar cum reacționează tranzistorul la o mică variație a tensiunii de intrare, producând o variație mare a curentului de ieșire: acesta este motivul pentru care un tranzistor este un amplificator, în special al curentului.

Configurațiile de bază ale amplificatoarelor cu tranzistor unic sunt:

Modele cu tranzistoare

Modelul Ebers-Moll

Modelul cel mai similar cu un tranzistor este cel al lui Ebers-Moll, deoarece are o reprezentare mult mai fizică a funcționării tranzistorului și permite să-l ia în considerare în toate regiunile sale de operare în același mod. Modelul Ebers-Moll identifică tranzistorul ca fiind format din două diode ideale poziționate în direcții opuse, cu în paralel cu fiecare dintre ele un generator dependent de curent controlat de curent. În general, ecuația (1) poate fi utilizată pentru a reprezenta simetric curenții diodei, adică curentul de intrare atât pe cel al emițătorului, ca în (1), cât și pe cel al colectorului:

Formulele de stres pot fi obținute și:

unde este sunt amplificările curente pentru a identifica faptul că în primul caz tranzistorul într-un mod direct ( înainte ) și în al doilea invers ( invers ), așa cum am anunțat.

Model cu curent continuu

Diagrama opusă este reprezentarea unui tranzistor npn conectat la două surse de tensiune. Pentru ca tranzistorul să conducă curentul de la C la E, se aplică o tensiune (aproximativ 0,7 volți) la joncțiunea bază-emițător. Această tensiune se numește . Acest lucru face ca joncțiunea pn să conducă permițând un curent mai mare ( ) să curgă în colector. Curentul total care curge este pur și simplu curentul emițătorului, . Ca toate componentele electronice, curentul total de intrare trebuie să fie egal cu curentul total de ieșire, prin urmare:

Acest comportament poate fi exploatat pentru a crea un comutator digital: dacă tensiunea de bază este pur și simplu o serie de „on-off”, atunci curentul colectorului va urma, de asemenea, aceeași tendință în timp.

Cu toate acestea, în termeni generali, amplificarea , adică câștigul tranzistorului, este extrem de dependent de temperatura de funcționare: pe măsură ce crește, câștigul crește. Pe baza tipului de circuit electronic care este realizat (dar în special în circuitele amplificatoare care necesită ca componenta să funcționeze în zona liniară a caracteristicilor sale), proiectantul ar trebui să ia întotdeauna în considerare un feedback satisfăcător, astfel încât să minimizeze efectele variația temperaturii.

Model de semnal mic

Dacă semnalele sunt suficient de mici, tranzistorul se comportă cu liniaritate suficientă și se poate folosi modelul hibrid al tranzistorului .

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Modelul hibrid al tranzistorului .

Model de tranzistor de înaltă frecvență

În acest caz, modelele anterioare nu pot fi utilizate, deoarece tranzistorul nu se comportă cu liniaritate din cauza neliniarităților de fază create de capacitățile parazite și timpul de viață al sarcinilor minoritare. În acest caz se folosește modelul Giacoletto sau modelul de parametri hibrizi .

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: modelul Giacoletto .

Notă


Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

  • O introducere în BJT (Notă: acest site arată curentul ca un flux de electroni, în loc să urmeze convenția conform căreia curentul urmează fluxul de găuri, astfel încât săgețile pot indica un sens greșit)
  • Curbele caracteristice , pe st-and.ac.uk .
  • Analogie cu apa , pe satcure-focus.com . Adus la 17 martie 2005 (arhivat din original la 17 ianuarie 2014) .
Controlul autorității LCCN (EN) sh85014274 · GND (DE) 4145669-5