Yarim o'tkazgichli bipolyar transistor va yarim utkazgichli maydonli tranzistorlar parametrlarini hisoblash

Maydoniy tranzistor yoki bipolyar tranzistorlarning yaratilishi
Avstriya-vengriyalik fizik Yuliy Edgar Lilienfild nomi bilan bogʻliq. U tokni boshqarishning yangi yoʻlini taklif qilgan. U taklif qilgan usulga koʻra, tok uzatish yoʻli boʻylab unga koʻndalang elektr maydon qoʻyiladi. Bu elektr maydon zaryad tashuvchilarga taʼsir qilib, oʻtkazuvchanlikning yoʻnalishini oʻzgartiradi.
1934-yilda nemis fizigi Oskar Xayl ham Buyuk Britaniyada ixtiro qilgan „kontaktsiz rele“si uchun patent olgan. Maydoniy tranzistorlar sodda elektrostatik effektga asoslangan va unda kechadigan jarayonlar bipolyar tranzistorlarga qaraganda oddiy boʻlishiga qaramasdan toʻliq ish holatidagi maydoniy tranzistorlarni yasash uchun juda koʻp vaqt ketdi.
1920-yilda patentlangan va hozirda kompyuter sanoatining asosini tashkil etadigan birinchi MDS maydoniy tranzistor birinchi boʻlib 1960-yilda amerikalik olimlar Kang va Atallaning ishidan soʻng yaratilgan boʻlib, ular kremniy sirtini oksidlash orqali uning sirtida dielektrikining kremniy dioksidining juda yupqa qatlamini hosil qilishni taklif qildilar. Bu qatlam oʻtkazgich kanalidan metall zatvorni izolyatsiya qilish vazifasini bajarardi. Bunday bunday tuzilishga MOS strukturasi deyiladi (Metall-oksid-yarim oʻtkazgich, inglizcha metall-oxide-semiconductor).
XX asrning 90-yillaridan boshlab esa MOS-struktura bipolyar tranzistorlardan yetakchilikni tortib oldi.

Bipolyar tranzistorlar

Bipolyar tranzistordan farqli oʻlaroq, birinchi bipolyar tranzistor eksperimental tarzda yaratilgan va uning ishlash prinsipi keyinroq tushuntirilgan.
1029-1933-yillarda Leningrad fizika-texnika institutida Oleg Losev A.F.Ioffe rahbarligi ostida yarimoʻtkazgich qurilmalar ustida bir qator tajribalar oʻtkazdi. Uning konstruktiv jihatdan nuqtaviy tranzistorning nusxasi boʻlgan karborund kristalli (SiC) ustida oʻtkazgan tajribasi natijasida kerakli kuchaytirish koeffitsiyentini hosil qilolmadi. Shundan soʻng yarimoʻtkazgichlardagi elektrolyuminessensiya hodisasini oʻrgangan Losev 90 ta turli materiallarni, asosan, kremniyli birikmalarni koʻrib chiqdi va 1939-yilda oʻzining kundaligida uch elektrodli sistema haqida qaydlar qoldirgan.
Bipolyar tranzistor o'zgaruvchan turdagi nopoklik o'tkazuvchanligiga ega bo'lgan uchta yarimo'tkazgich qatlamidan iborat: emitent ("E", eng. E. bilan belgilanadi), tayanch ("B", eng. B) va kollektor ("K", eng. C). Qatlamlarning almashinish tartibiga qarab n-p-n (emitter - n-yarimo'tkazgich, asos - p-yarim o'tkazgich, kollektor - n-yarim o'tkazgich) va p-n-p tranzistorlar farqlanadi. Supero'tkazuvchilar to'g'rilanmaydigan kontaktlar qatlamlarning har biriga ulanadi . Bipolyar tranzistorning (BT) asosiy vazifasi kirish elektr signalining kuchini oshirishdir. Ushbu yarimo'tkazgichli radio komponentlar elektrovakuum triodlariga muqobil sifatida paydo bo'ldi va vaqt o'tishi bilan ularni amalda sanoatdan chiqarib yubordi.

Adolat bilan aytganda, biz lampalar hali ham qo'llanilayotganini ta'kidlaymiz, lekin maxsus maqsadli uskunalarning juda tor segmentida. Ommaviy radiotexnikada esa asosan tranzistorlar qo'llaniladi - bipolyar va ularning eng yaqin "qarindoshlari" dala.

Bipolyar tranzistor bu rejimga asosiy oqim ma'lum bir chegara qiymatiga ko'tarilganda kiradi, bunda p-n o'tishlari to'liq ochiladi. BT orqali to'yingan holda o'tadigan oqimning qiymati faqat besleme zo'riqishida va kollektor pallasida yukga bog'liq. Ushbu rejimda kirish signali kuchaytirilmaydi, chunki kollektor oqimi asosiy oqimdagi o'zgarishlarni sezmaydi. Transistorning to'yinganlik qobiliyati raqamli texnologiyada BT yopiq holatda kalit rolini o'ynaganda qo'llaniladi.

Ushbu elementlarning asosiy afzalligi ularning miniatyurasidir. Shunga o'xshash xususiyatlarga ega elektrovakuum kuchaytirgich bipolyar tranzistordan bir necha baravar kattaroq bo'lib chiqadi. Natijada, radioelektronikada BT dan foydalanish yakuniy radio mahsulotlarining umumiy o'lchamlarini sezilarli darajada kamaytirishga olib keladi.

Ushbu tranzistor bipolyar deb ataladi, chunki har ikkala turdagi zaryad tashuvchilar ham, ham elektronlar, ham teshiklar uning ishlashi paytida yuzaga keladigan jismoniy jarayonlarda ishtirok etadilar. Bu chiqish signalini boshqarish usuliga ta'sir qiladi. Bipolyar tranzistorlarda chiqish parametrlari dala (unipolyar) kabi elektr maydoni bilan emas, balki oqim bilan boshqariladi.

Bipolyar tranzistorli qurilma.

Ushbu yarimo'tkazgichli triod 3 qismdan iborat - emitent, kollektor va tayanch. Shunday qilib, bipolyar tranzistorning asosiy elementlari daladagi kabi bir emas, ikkita p-n o'tish hisoblanadi. Emitent zaryad tashuvchilarning generatori vazifasini bajaradi, ular qabul qiluvchiga - kollektorga oqadigan ish oqimini hosil qiladi. Baza nazorat kuchlanishini ta'minlash uchun kerak.

Bipolyar tranzistorning ishlash printsipi.

Emitent va kollektor quvvat manbaiga ulanganda, oqim oqimi uchun deyarli barcha sharoitlar yaratiladi. Shu bilan birga, zaryad tashuvchilarning erkin harakatlanishi tayanch tomonidan to'sqinlik qiladi va bu shovqinni bartaraf etish uchun unga egilish kuchlanishi qo'llaniladi. Yarimo'tkazgichning asosiy qatlamida elektron-teshik rekombinatsiyasining fizik-kimyoviy jarayonlari sodir bo'ladi, buning natijasida bazadan kichik oqim o'ta boshlaydi. Natijada, p-n o'tish joylari emitentdan kollektorga zaryad tashuvchilarning oqimiga yo'l ochadi.

Baza-emitter o'tish joyining umumiy maydoni kollektor-tayanch o'tish joyidan ancha kichikdir, bu esa ozchilik tashuvchilarni asosiy qatlamdan tortib olish ehtimolini oshiradi va uzatish koeffitsientini yaxshilaydi. Kollektor-tayanch birikmasi odatda ish rejimida teskari yo'nalish bilan yoqilganligi sababli, qurilma tomonidan tarqaladigan issiqlikning asosiy qismi unda chiqariladi va uning maydonining oshishi kristalning yaxshi sovishiga yordam beradi.

Agar biz tekis BT modelini ko'rib chiqsak, u holda radio komponenti p- yoki n-o'tkazuvchanlik (emitter va kollektor) bo'lgan ikkita hududdan iborat bo'lib, qarama-qarshi belgining o'tkazuvchanligi (tayanch) bilan yarimo'tkazgichning yupqa qatlami bilan ajratilgan. Kollektor tomonidagi yarimo'tkazgich chipi jismonan kattaroqdir. Bu nisbat to'g'ri ishlashini ta'minlaydi.

Agar bazadan o'tadigan oqim qandaydir qonunga muvofiq o'zgarsa, u holda emitent va kollektor o'rtasidagi kuchli oqim xuddi shunday o'zgaradi. Shuning uchun biz bipolyar tranzistorning chiqishida bazada bo'lgani kabi bir xil signalni olamiz, lekin yuqori quvvat bilan. Bu bipolyar tranzistorning kuchaytiruvchi funktsiyasi.

Bundan tashqari, teskari rejim deb ataladigan narsa mavjud, ammo u amalda qo'llanilmaydi va faqat yarimo'tkazgichlarning xatti-harakatlarini nazariy tadqiqotlarda qiziqtiradi. Shuning uchun biz faqat birinchi to'rttasini batafsilroq tasvirlab beramiz.

Emitent va baza o'rtasidagi potentsial farq ma'lum bir qiymatdan (taxminan 0,6 volt) past bo'lsa, asosiy oqim paydo bo'lmagani uchun tayanch-emitter p-n o'tish joyi yopiq bo'lib chiqadi. Shu munosabat bilan, kollektor oqimi asosiy qatlamda erkin elektronlar yo'qligi sababli oqmaydi. Shunday qilib, tranzistor uzilish holatiga o'tadi va signal kuchaytirilmaydi. Ushbu rejim raqamli sxemalarda BT "ochiq" holatda kalit sifatida ishlaganda qo'llaniladi.

Ushbu rejimda radio komponenti signalni kuchaytiradi, ya'ni uning asosiy vazifasini bajaradi. Potensial farq bazaga qo'llaniladi, bu tayanch-emitter p-n birikmasini ochadi. Natijada, kollektor va tayanch oqimlari tranzistorda oqib chiqa boshlaydi. Kollektorning joriy qiymati asosiy oqim qiymati va daromadning arifmetik mahsuloti sifatida hisoblanadi.

Bu erda tranzistor ketma-ket rezistorli diod sifatida ishlaydi. Buning uchun taglik to'g'ridan-to'g'ri yoki kollektorga past ohmli qarshilik orqali ulanadi. Ushbu rejimda triodlar yuqori chastotali qurilmalarda yaxshi ishlaydi. Bundan tashqari, komponentlarning umumiy sonini kamaytirish uchun real ishlab chiqarishda to'siq rejimida tranzistordan foydalanish maqsadga muvofiqdir.

Tranzistor elektron yarimo'tkazgichli qurilma bo'lib, unda ikkita elektrod zanjiridagi oqim uchinchi elektrod tomonidan boshqariladi.
Transistorlar tezda turli xil elektron qurilmalarda vakuum naychalarini almashtirdilar. Shu munosabat bilan bunday qurilmalarning ishonchliligi oshdi va ularning o'lchamlari sezilarli darajada kamaydi. Va bugungi kunga qadar, mikrosxema qanchalik "xushbichim" bo'lmasin, u hali ham ko'plab tranzistorlarni (shuningdek, diodlar, kondansatörler, rezistorlar va boshqalar) o'z ichiga oladi.
Aytgancha, dastlab "tranzistorlar" rezistorlar deb ataldi, ularning qarshiligi qo'llaniladigan kuchlanishning kattaligi yordamida o'zgartirilishi mumkin edi. Agar jarayonlar fizikasini e'tiborsiz qoldiradigan bo'lsak, unda zamonaviy tranzistor ham unga qo'llaniladigan signalga bog'liq bo'lgan qarshilik sifatida ifodalanishi mumkin.

Shuningdek, ushbu turdagi tranzistorlar qo'llash sohalarida farqlanadi. Bipolyar asosan analog texnologiyada, maydonda esa raqamli texnologiyalarda qo'llaniladi.

Bipolyar tranzistor uchta hududdan iborat: emitent, tayanch va kollektor, ularning har biri quvvatlanadi. Ushbu hududlarning o'tkazuvchanligi turiga qarab, n-p-n va p-n-p tranzistorlar farqlanadi. Odatda, kollektor hududi emitent hududdan kengroqdir. Baza engil qo'shilgan yarimo'tkazgichdan qilingan (chunki u yuqori qarshilikka ega) va juda nozik qilingan. Emitent-bazaning aloqa maydoni kollektorning asosiy aloqa maydonidan ancha kichik bo'lgani uchun, ulanishning polaritesini o'zgartirib, emitent va kollektorni almashtirish mumkin emas. Shunday qilib, tranzistor assimetrik qurilmalarga ishora qiladi.
U quyidagilardan iborat: emitent va kollektor o'rtasida kuchli oqim (kollektor oqimi) va emitent va tayanch o'rtasida zaif nazorat oqimi (asosiy oqim) oqadi. Kollektor oqimi asosiy oqim o'zgarishi bilan o'zgaradi.
Transistorning p-n o'tishlarini ko'rib chiqing. Ulardan ikkitasi bor: emitter-bazasi (EB) va tayanch-kollektor (BC). Transistorning faol rejimida ularning birinchisi oldinga, ikkinchisi esa teskari yo'nalish bilan bog'langan. Keyin p-n o'tish joylarida nima sodir bo'ladi? Aniqroq bo'lish uchun biz n-p-n tranzistorini ko'rib chiqamiz. p-n-p uchun hamma narsa bir xil, faqat "elektronlar" so'zini "teshiklar" bilan almashtirish kerak.

Bipolyar tranzistorning ishlash printsipi sinfdoshimga suv krani misolida tushuntirilganini eslayman. Undagi suv kollektor oqimidir va asosiy nazorat oqimi tugmachani qanchalik aylantiramiz. Krandan suv oqimini oshirish uchun kichik harakat (nazorat harakati) etarli.
Ko'rib chiqilayotgan jarayonlardan tashqari, tranzistorning p-n o'tish joylarida bir qator boshqa hodisalar ham sodir bo'lishi mumkin. Masalan, tayanch-kollektor birikmasida kuchlanishning kuchli ortishi bilan zarba ionlashuvi tufayli ko'chki zaryadining ko'payishi boshlanishi mumkin. Va tunnel effekti bilan birgalikda bu birinchi navbatda elektr uzilishini, keyin esa (oqim kuchayishi bilan) termal buzilishni keltirib chiqaradi.
Shu bilan birga, tranzistorda termal buzilish elektrsiz ham sodir bo'lishi mumkin (ya'ni, kollektor kuchlanishini buzilish kuchlanishiga oshirmasdan). Buning uchun kollektor orqali bitta ortiqcha oqim etarli bo'ladi.
Yana bir hodisa, kollektor va emitent o'tish joylaridagi kuchlanishlar o'zgarganda, ularning qalinligi o'zgarishi bilan bog'liq. Va agar taglik juda nozik bo'lsa, yopilish effekti (tayanchning "teshilishi" deb ataladigan) paydo bo'lishi mumkin - kollektor birikmasining emitent bilan ulanishi. Bunday holda, tayanch hududi yo'qoladi va tranzistor normal ishlashni to'xtatadi.
Transistorning normal faol rejimida tranzistorning kollektor oqimi ma'lum bir necha marta asosiy oqimdan kattaroqdir. Bu raqam joriy daromad deb ataladi va tranzistorning asosiy parametrlaridan biridir.


Agar tranzistor kollektor yukisiz yoqilsa, u holda doimiy kollektor-emitter kuchlanishi bilan kollektor oqimining asosiy oqimga nisbati statik oqim kuchayishini beradi. Bu o'nlab yoki yuzlab birliklarga teng bo'lishi mumkin, lekin haqiqiy davrlarda bu koeffitsient kamroq ekanligini hisobga olish kerak, chunki yuk yoqilganda kollektor oqimi tabiiy ravishda kamayadi.
Ikkinchi muhim parametr - tranzistorning kirish qarshiligi. Ohm qonuniga ko'ra, bu baza va emitent o'rtasidagi kuchlanishning bazaning nazorat oqimiga nisbati. U qanchalik katta bo'lsa, tayanch oqimi qanchalik past bo'lsa va daromad shunchalik yuqori bo'ladi.
Bu chiqish (emitter-kollektor) va kirish (baza-emitter) o'zgaruvchan kuchlanishlarning amplitudasi yoki samarali qiymatlari nisbatiga teng. Birinchi qiymat odatda juda katta (birliklar va o'nlab voltlar), ikkinchisi esa juda kichik (voltsning o'ndan bir qismi) bo'lgani uchun bu koeffitsient o'n minglab birliklarga yetishi mumkin. Shuni ta'kidlash kerakki, har bir tayanch nazorat signali o'z kuchlanishiga ega.
Shuningdek, tranzistorlar chastotali javobga ega, bu tranzistorning chastotasi kuchaytirishni kesish chastotasiga yaqinlashadigan signalni kuchaytirish qobiliyatini tavsiflaydi. Gap shundaki, kirish signalining chastotasi ortishi bilan daromad kamayadi. Buning sababi, asosiy jismoniy jarayonlarning vaqti (tashuvchilarning emitentdan kollektorgacha harakatlanish vaqti, sig'imli to'siqli birikmalarning zaryadlanishi va zaryadsizlanishi) kirish signalining o'zgarishi davriga mutanosib bo'ladi. Bular. tranzistor oddiygina kirish signalidagi o'zgarishlarga javob berishga vaqt topolmaydi va bir nuqtada uni kuchaytirishni to'xtatadi.

Transistor uchta kontaktga ega bo'lganligi sababli, umumiy holatda, unga ikkita manbadan quvvat berilishi kerak, ular birgalikda to'rtta chiqishga ega. Shuning uchun tranzistorning kontaktlaridan biri ikkala manbadan bir xil belgining kuchlanishi bilan ta'minlanishi kerak. Va u qanday aloqa ekanligiga qarab, bipolyar tranzistorlarni yoqish uchun uchta sxema mavjud: umumiy emitent (OE), umumiy kollektor (OK) va umumiy baza (OB). Ularning har biri ham afzalliklarga, ham kamchiliklarga ega. Ularning orasidagi tanlov qaysi parametrlar biz uchun muhim va qaysi birini qurbon qilish mumkinligiga qarab amalga oshiriladi.

Ushbu sxema kuchlanish va oqimda (va shuning uchun quvvatda - o'n minglab birlikgacha) eng katta daromadni beradi va shuning uchun eng keng tarqalgan. Bu erda emitent-bazaning ulanishi to'g'ridan-to'g'ri yoqiladi va asosiy-kollektor birikmasi orqaga o'tkaziladi. Va baza va kollektor bir xil belgining kuchlanishi bilan ta'minlanganligi sababli, kontaktlarning zanglashiga olib, bitta manbadan quvvat olish mumkin. Ushbu sxemada chiqish AC kuchlanishining fazasi kirish AC kuchlanishining fazasiga nisbatan 180 gradusga o'zgaradi.
Ammo barcha yaxshiliklarga qaraganda, OE sxemasi ham muhim kamchilikka ega. Bu chastota va haroratning oshishi tranzistorning kuchaytiruvchi xususiyatlarining sezilarli darajada yomonlashishiga olib kelishi bilan bog'liq. Shunday qilib, agar tranzistor yuqori chastotalarda ishlashi kerak bo'lsa, unda boshqa kommutatsiya sxemasidan foydalanish yaxshiroqdir. Masalan, umumiy asos bilan.

Ushbu sxema signalning sezilarli kuchayishini ta'minlamaydi, lekin u yuqori chastotalarda yaxshi, chunki u tranzistorning chastotali javobidan to'liqroq foydalanishga imkon beradi. Agar bir xil tranzistor avval sxema bo'yicha umumiy emitent bilan, keyin esa umumiy tayanch bilan yoqilgan bo'lsa, ikkinchi holda, uning kesish chastotasining kuchaytirilishi sezilarli darajada oshadi. Bunday ulanish bilan kirish empedansi past va chiqish empedansi unchalik katta bo'lmaganligi sababli, OB sxemasiga muvofiq yig'ilgan tranzistorli kaskadlar antenna kuchaytirgichlarida qo'llaniladi, bu erda kabellarning to'lqin empedansi odatda 100 ohmdan oshmaydi.

Umumiy tayanch sxemasida signalning fazasi teskari emas, yuqori chastotalarda shovqin darajasi kamayadi. Ammo, yuqorida aytib o'tilganidek, uning joriy daromadi har doim birlikdan biroz kamroq. To'g'ri, bu erda kuchlanishning kuchayishi umumiy emitentli sxemada bo'lgani kabi. Umumiy asosga ega bo'lgan sxemaning kamchiliklari ikkita quvvat manbasini ishlatish zarurligini ham o'z ichiga olishi mumkin.

Joriy daromad umumiy emitent pallasida bo'lgani kabi deyarli bir xil. Ammo kuchlanishning kuchayishi kichik (bu sxemaning asosiy kamchiligi). U birlikka yaqinlashadi, lekin har doim undan kamroq. Shunday qilib, quvvat daromadi faqat bir necha o'nlab birliklarga teng.

Chunki ikkita tranzistor, hatto bir xil reytingga ega, kamida bir oz, lekin bir-biridan farq qiladi. Shunga ko'ra, parallel ravishda ulanganda, ular orqali turli o'lchamdagi oqimlar oqadi. Ushbu oqimlarni tenglashtirish uchun tranzistorlarning emitent davrlarida muvozanatli rezistorlar joylashtiriladi. Ularning qarshiligining qiymati ish oqimlari oralig'ida ulardagi kuchlanishning pasayishi 0,7 V dan kam bo'lmasligi uchun hisoblab chiqiladi, bu sxemaning samaradorligini sezilarli darajada yomonlashishiga olib kelishi aniq.

Transistorlar nafaqat signalni kuchaytirish davrlarida qo'llanilishi mumkin. Misol uchun, ular to'yinganlik va kesish rejimlarida ishlashi mumkinligi sababli ular elektron kalit sifatida ishlatiladi. Signal generatori davrlarida tranzistorlardan foydalanish ham mumkin. Agar ular kalit rejimida ishlasa, u holda to'rtburchaklar signal hosil bo'ladi va agar kuchaytirish rejimida bo'lsa, boshqaruv harakatlariga qarab o'zboshimchalik bilan to'lqin shakli hosil bo'ladi.