Radioelektronika asoslari

Bipolyar tranzistorlar haqida umumiy ma’lumotlar
Bipolyar transistor (BT) deb o’zaro ta’sirlashuvci ikkita p-n o’tishdan tashkil topgan va signallarni tok, kuchlanish yoki quvvat bo’yicha kuchaytiruvchi uch elektrodli yarimo’tkazgich asbobga aytiladi. Bipolyar tranzistorlarda tok hosil bo’lishida ikki xil (bipolyar) zaryad tashuvchilar- elektronlar va kovaklar ishtirok etadi.
Bipolyar tranzistorlar p- va n- o’tkazuvchanlik turi takrorlanuvchi uchta (emitter, baza va kollektor) yarimo’tkazgich sohaga ega.

Yarimo’tkazgich sohalarni belgilash asosiy zaryad tashuvchilar konsentratsiyasi yuqori bo’lgan soha p⁺ yoki n⁺ belgisi qo’yilishi bilan boshqa sohalardan farqlanishi qabul qilingan.
Tranzistorlarning sohalari ichida eng yuqori konsentratsiyaga ega bo’lgan chekka soha (n⁺ - soha) n⁺ -p-n yoki (p⁺ - soha) p⁺ -p-n turli tranzistorlarda emitter (E) deb ataladi. Emitterning vazifasi tranzistorning baza (B) soha deb ataluvchi o’rta (p- yoki n- turli) sohasiga zaryad tashuvchilarni injeksiyalashdan iborat. Tranzistor tuzilmasining boshqa chekkasida joylashgan n^- soha (n⁺ -p-n) yoki p^-soha (p⁺ -n-p) kollektor (K) deb ataladi. Uning vazifasi baza sohasidagi noasosiy zaryad tashuvchilarni ekstraksiyalashdan iborat. Emitter bilan baza orasidagi p-n o’tish emitter o’tish (EO’), kollektor bilan baza orasidagi p-n o’tish esa kollektor o’tish (KO’) deb ataladi.
Baza sohasi emitter va kollektor o’tishlarning o’zaro ta’sirlasuvini ta’minlashi kerakligi sabali, bipolyar tranzistorning baza sohasi kengligi bazadagi noasosiy zaryad tashuvchilar diffuziya uzunligidan kichik (p⁺ -n-p Bipolyar tranzistorlar uchun , n⁺ -p-n bipolyar tranzistorlar uchun ) bo’lmog’I shart. Aks holda emitterdan bazaga injeksiyalangan asosiy zaryad tshuvchilar kollektor o’tishgacha yetib bormaydilar va bipolyar tranzisorlar samaradorligini pasayadi. Odatda, baza sohasi kengligi ni tashkil etadi. Tuzilish xususiyatlariga va tayyorlah texnologiyasiga ko’ra bipolyar tranzistorlar eritib tayyorlangan, planar va planar-epitaksial tranzistorlarga ajratiladi. Qotishmali tranzistorlarning baza sohasida kiritmalar taqsimlanishi bir jinsli (tekis) bo’lganligi sababli, unda elektr maydon hosil bo’lmaydi. Shuning uchun EZNlar bazadan kollektorga diffuziya hisobiga ko’chadilar.
Planar va planar-epitaksial tranzistorlarning bazasohasida kiritilmalar konsemtratsiyasi taqsimoti bir jinsli emas (notekis) bo’lib, u kollektorga siljigan sari kamayib boradi. Bunday bipolyar tranzistorlar dreyfli tranzistorlar deb ataladi. Kiritmalar konsentratsiyasi gradiyenti ichki elektr maydon hosil bo’lishiga olib keladi va EZNlar bazadan kollektorga dreyf va diffuziya jarayonlarlari hisobiga ko’chadilar. Demak, dreyfli bipolyar tranzistorlarning tezkorligi yuqori bo’ladi [7].
Bipolyar tranzlar asosan chastotalarningkeng diapazonida (0 GGs) va quvvat bo’yicha ( ) eletr signallarni o’zgartiruvchi, generator va kuchaytirgich sxemalarni hosil qilish uchun ishlatiladi.
Bipolyar tranzistotorlar chastota bo’yicha: past chastotali- 3 MGs gacha; o’rta chastotali 0.3÷30 MGs; yuqori chastotali 30÷300 MGs, o’ta yuqori chastotali-300MGs dan yuqori guruhlarga bo’linadi.
Quvvati bo’yicha - kam quvvatli – 0,3 Vt gacha; o’rta quvvatli- 0,3÷1,5 Vt; kata quvvatli – 1,5 Vtdan yuqori guruhlarga ajratiladi. Tuzilishi bo’yicha bipolyar tranzistorlar ko’p emitterli (KET), ko’p kollektorli (KKT) va tarkibiy (Darlington va Shiklai) tranzistorlari bo’ladi.
Bipolyar tranzistor kirishiga berilgan signal quvvat bo’yicha quvvat bo’yicha kuchaytiriladi. Buning uchun uni o’zgartiriladigan signal zanjiriga U_c (kirish yoki boshqaruvchi) hamda kuchaytirilgan R_yu (chiqish yoki boshqariluvchi) signal zanjirga ulanadi.
Bipolyar tranzistorlarning beshta asosiy ish rejimi mavjud.
Agar tashqi kuchlanish manbalari (U_EB, U_KB) yordamida emitter o’tish to’g’ri yo’nalishda, kollektor o’tish esa teskari yo’nalishida siljitilsa, u holda bipolyar tranistor aktiv (normal) rejimda ishlaydi. Bu rejim analog sxemotexnikada keng qo’llaniladi.
Agar emitter o’tish teskari yo’nalishda, kollektor o’tish esa to’g’ri yo’nalishda siljitilgan bo’lsa, bipolyar tranzistorlar invers (teskari) rejimda ishlaydi.
Agar emitter va kollektor o’tishlar to’g’ri siljitilgan bo’lsa, bipolyar tranzistor to’yinish, teskari siljitilgan bo’lsa- berk rejimda ishlaydi. Bu rejimlar raqamli sxemotexnikada keng qo’llaniladi. Emitter o’tish to’g’ri siljiganda kollektor o’tishda EYK hosil bo’lsa, bipolyar tranzistor injeksiya-voltaik rejimda ishlaydi. Bipolyar tranzistorning yana bir rejimi bo’lib, u teskari siljitilgan kollektor o’tishga yuqori kuchlanishlar yoki temperature ta’sir etganda yuzaga keladi. Bu rejim teshilish rejimi deb ataladi. Ko’chkili tranzistorlar elektr teshilish hisobiga ishlaydi [8].
Hozirgi zamon elektronika asrida elektron qurilmalar chizmalarida bipolyar, ya’ni ikki qutbli tranzistorlar bilan bir qatorda maydonli yoki bir qutbli tranzistorlar keng ishlatiladi. Bir qutbli transistorlar birinchi marta 1952-yilda V.Shokli tomonidan kashf etilagan. Ular ikki qutblilarga qaraganda ancha soda va arzondir.
Tranzistir sxemaga ulkanayotganda chiqishlaridan biri kirish va chiqish zanjiri uchun umumiy qilib ulanadi, shu sababli quyidagi ulanish sxemalari mavjud: umumiy baza (UB), umumiy emitter (UE), umumiy kollektor (UK).
Bipolyar tranzistorlarning elektr signallar quvvatini kuchaytirish imkoniyati uning energetik diagrammasida yaqqol ko’rinadi. Diagramma electron va kovaklarning tuzilmada egallagan o’rni bilan potensial energiyalarning bog’liqligini ko’rsatadi. Dreyfsiz n-p-n tuzilmali bipolyar transistor energetik diamgrammasini ko’rish mumkin. Elektronlarning potensia energiyasi (o’tkazuvchanlik zonasi tubi energiyasi W_c) n-yarimo’tkazgichda kichik va p-yarimo’tkazgichda katta. Kovaklar potensial energiyasi (valent zona shipi energiyasi W_V), aksincha, n-yarimo’tkazgichda kata va p-yarimo’tkazgichda kichik.



Elektronlarning emitterdan yoki kollektordan bazaga o’tishida potensial barer balandligi elektronlarning p- va n-yarimo’tkazgichlardagi potensial energiyalari ayirmasi teng bo’lgan mos potensial to’siqlarni yengib o’tishi bilan bog’liq. Kovakning bazadan (p yarimo’tkazgichdan) emitterga yoki kollektorga o’tishida potensial barer balandligi electronlar uchun o’tkazuvchanlik zonadagi potensial barer kattaligiga teng potensial barerni yengib o’tish bilan bog’liq.
Muvozanat holatda Fermi sathi tuzilmaning barcha elementilari uchun bir xil ya’ni elektronni emitterdan bazaga o’tkazish uchun sarflanadigan ish, elektronni bazadan kollektorga o’tkazishda ajraladigan energiyaga teng bo’ladi. Emitter va kollektor orasida elektronlarning uzluksiz almashinuvi, tabiiy, butun tuzilma energiyasining o’zgarishiga olib kelmaydi. Electron emitterdan kollektorga hamda kovak kollektordanemitterga o’tganda energiya balansi buzilmaydi.
Emitter o’tishga to’gri siljitish, kollektor o’tishga teskari siljitish berilganda, emitter-baza potensial barer pasayadi, kollektor-baza potensial barer esa ortadi. Energetik diagrammada ko’rsatilgan. O’tishlarga berilgan kuchlanishlar natijasida tuzilmada energetiya balansi o’zgaradi. Emitter sohasi Fermi kvazisathining yuqoriga siljisi va potensial barerning mos kamayishi, elektronni emitter o’tishdan o’tkazish uchun zarur ishning kamayishini banglatadi. Xuddi shu vaqtda kollektor soha Fermi kvazisathining pastga siljishi va kollektor o’tish potensial barerining ortishi, elektronni bazadan kollektorga o’tishda ajralib chiqadigan energiyaning ortishini anglatadi. Agar vaqt birligi ichida kollektorga o’tuvchi elektronlar soni, xuddi shu vaqt davomida, emitterdan bazaga o’tuvchi elektronlar soniga, hech bo’lmaganda, kattalik darajasi bo’yicha teng bo’lsa, elektronlarni bazaga injeksiyalash uchun sarflanadigan quvvat ushbu elektronlar kollektorga o’tganda ajraladigan quvvatga nisbatan kichik bo’ladi.
Ushbu ortiqcha quvvat chiqish zanjiri elektr toki quvvatidek namoyon bo’ladi. Yuqorida ko’rib o’tilganlar bipolyar tranzistorlarda quvvat kuchaytirgichning fizik mohiyatini belgilaydi. Bazadan kollektorga yo’nalgan elektronlar oqimi emitterdan bazaga oquvchi ushbu zarrachalar oqimi bilan bir xil bo’lishi uchun, baza sohasi kengligi yetarlicha kichik va elektronlarning rekombinatsiya hisobiga yo’qolishi kam bo’lmog’I kerak. Kovak kollektordan emitterga o’tganda energiya balansi, albatta, shundayligicha qoladi. Lekin, kollektor sohada kovaklarkonsentratsiyasi emitterdagi elektronlar konsentratsiyasiga nisbatan juda kichik bo’lgani sababli, birlik vaqt davomida kollektordan emitterga o’tuvchi kovaklar soni electronlarning emitterdan kollektorga o’tishiga nisbatan mos marta kam bo’ladi. Kovaklar o’tishi hisobiga quvvatdagi yutug’ga nisbatan, inobatga olmasa bo’ladigan darajada kam bo’ladi. p-n-p tuzilmali bipolyar tranzistorlarda esa quvvat bo’yicha yutug’ining asosiy qismi kovaklarning emitterdan kollektorga o’tishi hisobiga bo’ladi. Elektronlarning kollektordan emitterga o’tishi quvvat kuchaytirishda inobatga olmasa bo’ladigan darajada kam bo’ladi. Tranzistorlarda quvvat o’zgartirishning ba’zi tomonlari gidrodinamik energiyani o’zgartirish jarayoniga o’xshab ketadi. Emitter va kollektor sahalarni do’nglik bilan ajratilgan ikkita suv havzasiga o’xshatish mumkin. Tranzistor tuzilmaning muvozanat holatiga, gidrogeologlar tili bilan aytganda, yuqori va pastki tub sathilari bilan bir xil va do’nglik sathidan partda yotgan holat to’g’ri keladi. Emitter o’tishdagi to’g’ri va kollektor o’tishdagi teskari siljishga yuqori tub sathi do’nglik sathiga nisbatan yuqori ko’tarilgan holat to’g’ri keladi. Yuqori suv havzasidagi suv do’nglikdan oshib o’tadi va qisman filtratsiya va bug’lanish hisobiga kamayishiga qaramasdan (elektronlarning bazada rekombinatsiya bo’lishi hisobiga kamayishi), ikkinchi suv sathiga nisbatan katta potensial energiya zaxirasiga ega bo’ladi va sharshara sifatida oqib, jamg’arilgan energiyani ajratish uchun gidroturbina o’tishini taqazo qiladi. Tranzistorlarda bunday turbinalar vazifasini kollektor zanjirining yuklama elementlari bajaradi. p-n-p tuzilmali tranzistorlarda barcha jarayonlar yuqoridagilarga o’xshash bo’ladi, faqat ishchi suyuqlikrolini elektronlar emas, kovaklar bajaradi. Dreyfli tranzistorlar baza sohasida kiritmalar notekis taqsimlangan bo’lgani uchun elektr o’tish bazaninh biutun kengligini egallaydi. Quyida n-p-n tuzilmali dreyfli transistor energetik diagrammasi ko’rsatilgan

Bunday tranzistorda baza sohasi do’nglikdan emas, balki kollektor tomonga og’gan tekisliklardan iborat. Elektronlarning bazadan o’tishi diffuziya bilan dreyf hisobiga amalga oshadi. Gidrodinamik o’xshtishda suyuqliklarning suv havzalar orasidagi harakati nafaqat gidrodinamik bosim ostida, balki ko’proq gidrostatik bosim ostida yuz berilishini anglatadi. Suv o’tish tezligi ortadi, o’tishdagi yo’qotishlar esa kamayadi. Quvvat o’zgartirish jarayonlarini miqdor jihatidan ifodalash uchun, bazaga injeksiyalanuvchi elektronlar oqimi va kollektor o’tish chegarasidagi ushbu zarrachalar oqimi porasidagi bog’lanishni aniqlash kerak. Bu o’z navbatida Bipolyar tranzistorlar elektrodlar toklarini va turli rejimlarida ular orasidagi bog’liqligi aniqlashdan iborat ekanligini anglatadi [9].
Bipolyar tranzistorning ishlashi uchta asosiy hodisaga asoslangan:
- emitterdan bazaga zaryad tashuvchilarning injektsiyasi;
- bazaga injektsiyalangan zaryad tashuvchilarni kollektorga o’tishi;
- bazaga injektsiyalangan zaryad tashuvchilar va kollektor o’tishga
etib kelgan asosiy bo`lmagan zaryad tashuvchilarni bazadan kollektorga
ekstraktsiyasi.

Emitter o’tish to’g’ri yo`nalishda siljiganda (U<sub>EB</sub> kuchlanish manbai bilan ta’minlanadi) uning potentsial to’siq balandligi kamayadi va emitterdan bazaga elektronlar injektsiyasi sodir bo`ladi. Elektronlarning bazaga injektsiyasi, hamda kovaklarni bazadan emitterga injektsiyasi tufayli emitter toki I_E shakllanadi. Shunday qilib, emitter toki

bu yerda , mos ravishda elektron va kovaklarning injektsiya toklari.
Emitter tokining Ier tashkil etuvchisi kollektor orqali oqib o`tmaydi va zararli
hisoblanadi (tranzistorning qo`shimcha qizishiga olib keladi). Ier ni kamaytirish
maqsadida bazadagi aktseptor kiritma konsentratsiyasi emitterdagi donor kiritma
konsentratsiyasiga nisbatan ikki darajaga kamaytiriladi.
Emitter tokidagi Ien qismini injektsiya koeffitsienti aniqlaydi.

Bu kattalik emitter ishi samaradorligini xarakterlaydi ( =0,990-0,995). Injektsiyalangan elektronlar kollektor o`tish tomon baza uzunligi bo`ylab elektronlar zichligining kamayishi hisobiga bazaga diffuziyalanadilar va kollektor o’tishga yetgach, kollektorga ekstraktsiyalanadilar (kollektor o’tish elektr maydoni hisobiga tortib olinadilar) va I_Kn kollektor toki hosil bo`ladi. Zichlikning kamayishi konsentratsiya gradienti deb ataladi. Gradient qancha katta bo`lsa, tok ham shuncha katta bo`ladi. Bu vaqtda bazadan injektsiyalanyotgan elektronlarning bir qismi kovaklar bilan bazaga ekstraktsiyalanishini ham hisobga olish kerak. Rekombinatsiya jarayoni bazaning elektr neytrallik shartini tiklash uchun talab qilinadigan kovaklarning kamchiligini yuzaga keltiradi. Talab qilinayotgan kovaklar baza zanjiri bo`ylab kelib tranzistor baza toki Ibrek ni yuzaga keltiradi. Ibrek toki kerak emas hisoblanadi va shu sababli uni kamaytirishga harakat qilinadi. Bu holat baza kengligini kamaytirish hisobiga amalga oshiriladi W Ln (elektronlarning diffuziya uzunligi). Bazadagi rekombinatsiya uchun emitter elektron tokining yo`qotilishi elektronlarning uzatish koeffitsienti bilan xarakterlanadi:
Real tranzistorlarda
Aktiv rejimda tranzistorning kollektor o`tishi teskari yo’nalishda ulanadi (U_kb kuchlanish manbai hisobiga amalga oshiriladi) va kollektor zanjirida, asosiy bo’lmagan zaryad tashuvchilardan tashkil topgan ikkita dreyf toklaridan iborat bo'lgan kollektorning xususiy toki oqib o`tadi. Shunday qilib, kollektor toki ikkita tashkil etuvchidan iborat bo`ladi.

Agar ni emitterning to`liq toki bilan aloqasini hisobga olsak, u holda

bu yerda emitter tokining uzatish koeffitsienti. Bu kattalik UB ulanish sxemasidagi tranzistorni kuchaytirish xossalarini namoyon etadi.
Kirxgofning birinchi qonuniga mos ravishda baza toki tranzistorning boshqa toklari bilan quyidagi nisbatda bog’liq

Bu ifodadan baza tokining emitterning to`liq toki orqali ifodasini olishimiz mumkin:
<sub>IB</sub>  1 I<sub>E</sub><sup> I</sup><sub>K 0</sub>
Koeffitsient l ekanligini hisobga olgan holda, shunday hulosa qilish mumkin:
UB ulanish sxemasi tok bo`yicha kuchayish bermaydi ( IK IE ).
Tok bo’yicha yaxshi kuchaytirish natijalarini umumiy emitter sxemasida ulangan tranzistorda olish mumkin. Bu sxemada emitter umumiy elektrod, baza toki - kirish toki, kollektor toki esa – chiqish toki hisoblanadi. Ko’rsatilgan ifodalardan kelib chiqqan holda UE sxemadagi tranzistorning kollektor toki quyidagi ko`rinishga ega bo`ladi: I_K  I_K^{ I}_B^{ I}_K0
Bunda Agar belgilash kiritilsa, bu ifodani quyidagicha yozish mumkin:

Koeffitsient - baza tokining uzatish koeffitsienti deb ataladi. ning qiymati o`ndan yuzgacha, ba`zi tranzistor turlarida esa bir necha minglargacha oralig`ida bo`lishi mumkin. Demak, UE sxemasida ulangan tranzistor tok bo`yicha yaxshi kuchaytirish xossalariga ega hisoblanadi.
Bipolyar tranzistor fizik parametrlari. Tok bo`yicha va koeffitsientlar statik parametrlar hisoblanadi, chunki ular o’zgarmas toklar nisbatini ifodalaydilar. Ulardan tashqari tok o’zgarishlari nisbati bilan ifodalanidigan differentsial kuchaytirish koeffitsientlari ham keng qo’llaniladi. Statik va differentsial kuchaytirish koeffitsientlari bir biridan farq qiladilar, shu sababli talab qilingan hollarda ular ajratiladi. Tok bo’yicha kuchaytirish koeffitsientining kollektordagi kuchlanishga bog’liqligi Erli effekti bilan tushuntiriladi. UE sxemasi uchun tok bo`yicha differentsial kuchaytirish koeffitsienti temperaturaga bog’liq bo’lib baza sohasidagi asosiy bo’lmagan zaryad tashuvchilarning yashash vaqtiga bog’liqligi bilan tushuntiriladi. Temperatura ortishi bilan rekombinatsiya jarayonlari sekinlashishi sababli, odatda tranzistorning tok bo’yicha kuchaytirish koeffitsientining ortishi kuzatiladi [10].