Tranzistor de joncțiune bipolar (BJT) - Construcție și detalii operaționale

Un tranzistor bipolar sau un BJT este un dispozitiv semiconductor cu 3 terminale care este capabil să amplifice sau să comute tensiuni și curenți de intrare de semnal mici la tensiuni și curenți de semnal de ieșire semnificativ mai mari.

Cum au evoluat tranzistorul de joncțiune bipolar BJT

În perioada 1904–1947, tubul de vid a fost, fără îndoială, dispozitivul electronic de mare curiozitate și creștere. În 1904, dioda cu tub vid a fost lansată de J. A. Fleming. Curând după aceea, în 1906, Lee De Forest a îmbunătățit dispozitivul cu o a treia caracteristică, cunoscută sub numele de grila de control, producând primul amplificator și numită triodă.

În deceniile următoare, radioul și televiziunea au indus o inspirație uriașă în industria tuburilor. Producția a crescut de la aproximativ 1 milion de tuburi în 1922 la aproximativ 100 de milioane în 1937. La începutul anilor 1930, tetrodul cu 4 elemente și pentodul cu 5 elemente au căpătat popularitate în afacerea cu tuburi de electroni.

În anii care vor urma, sectorul manufacturier a evoluat într-unul dintre cele mai importante sectoare și au fost create îmbunătățiri rapide pentru aceste modele, în metodele de producție, în aplicații de înaltă putere și frecvență înaltă și în direcția miniaturizării.

Cu toate acestea, pe 23 decembrie 1947, industria electronică asistă la sosirea unei „direcții de interes” și îmbunătățire absolut noi. La jumătatea zilei sa dovedit că Walter H. Brattain și John Bardeen au expus și au dovedit funcția de amplificare a primului tranzistor la laboratoarele telefonice Bell.

Primul tranzistor (care a fost sub forma unui tranzistor de contact punct) este demonstrat în Fig. 3.1.

Amabilitatea imaginii: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Replica-of-first-transistor.jpg

Aspectele pozitive ale acestei unități în stare solidă cu 3 pini, spre deosebire de tub, s-au remarcat instantaneu: s-a dovedit a fi mult mai mic, putea funcționa fără un „încălzitor” sau pierderi de încălzire, a fost incasabil și puternic, a fost mai eficient din punct de vedere al consumul de energie, ar putea fi stocat și accesat cu ușurință, nu a necesitat o pornire inițială de încălzire și a funcționat la tensiuni de funcționare mult mai mici.

CONSTRUCȚIE TRANSISTOR

Un tranzistor este practic un dispozitiv construit cu 3 straturi de material semiconductor în care se folosește fie un strat de material de tip 2 n, cât și un singur tip de tip p sau 2 tip de tip p și un singur strat de material de tip n. Primul tip se numește tranzistor NPN, în timp ce a doua variantă este denumită tipul de tranzistor PNP.

Ambele tipuri ar putea fi vizualizate în figura 3.2 cu polarizarea corespunzătoare a curentului continuu.

Am învățat deja cum Particularizarea BJT-urilor DC devin esențiale pentru stabilirea regiunii operaționale necesare și pentru amplificarea de curent alternativ. Pentru aceasta, stratul lateral al emițătorului este dopat mai semnificativ în comparație cu partea de bază, care este dopată mai puțin semnificativ.

Straturile exterioare sunt create cu straturi mult mai mari ca grosime comparativ cu materialele tip sandwich p- sau n-. În figura 3.2 de mai sus, putem constata că, pentru acest tip, proporția lățimii totale în comparație cu stratul central este de aproximativ 0.150 / 0.001: 150: 1. Dopajul implementat peste stratul sandwich este, de asemenea, relativ mai mic decât straturile exterioare, care variază de obicei în 10: 1 sau chiar mai puțin.

Acest tip de nivel de dopaj redus reduce capacitatea de conducere a materialului și crește natura rezistivă prin restricționarea cantității de electroni în mișcare liberă sau purtătorii „liberi”.

În diagrama de polarizare putem vedea, de asemenea, că terminalele dispozitivului sunt afișate folosind majusculele E pentru emițător, C pentru colector și B pentru bază, în viitoarea noastră discuție voi explica de ce această importanță este acordată acestor terminale.

De asemenea, termenul BJT este utilizat pentru abrevierea tranzistorului bipolar și desemnat pentru aceste 3 dispozitive terminale. Expresia „bipolar” indică relevanța găurilor și a electronilor implicați în timpul procesului de dopaj cu privire la o substanță polarizată în mod opus.

FUNCȚIONAREA TRANSISTORULUI

Să înțelegem acum funcționarea fundamentală a unui BJT cu ajutorul unei versiuni PNP a Fig 3.2. Principiul de funcționare al unui omolog NPN ar fi exact similar dacă participarea electronilor și a găurilor este pur și simplu schimbată.

După cum se poate vedea în Figura 3.3, tranzistorul PNP a fost redesenat, eliminând polarizarea bazei către colector. Putem vizualiza modul în care regiunea de epuizare pare îngustată în lățime datorită polarizării induse, care determină un flux masiv al transportatori majoritari peste materialele de tip p- la n-.

În cazul în care distorsiunea de la bază la emițător a tranzistorului pnp este îndepărtată așa cum se demonstrează în Fig 3.4, fluxul purtătorilor majoritari devine zero, permițând fluxul doar purtătorilor minoritari.

Pe scurt, putem înțelege asta, într-o situație părtinitoare o joncțiune p-n a unui BJT devine polarizată invers, în timp ce cealaltă joncțiune este polarizată înainte.

În Fig. 3.5 putem vedea ambele tensiuni de polarizare aplicate unui tranzistor pnp, ceea ce determină fluxul purtătorului majoritar și minoritar indicat. Aici, din lățimile regiunilor de epuizare, putem vizualiza în mod clar care joncțiune funcționează cu o condiție orientată înainte și care este inversată.

Așa cum se arată în figură, o cantitate substanțială de purtători majoritari ajunge să fie difuzată de-a lungul joncțiunii p-n polarizate înainte în materialul de tip n. Acest lucru ne ridică o întrebare, ar putea acești transportatori să joace vreun rol important pentru a promova curentul de bază IB sau pentru a-i permite să curgă direct în materialul de tip p?

Având în vedere că conținutul de tip n sandwich este incredibil de subțire și are o conductivitate minimă, un număr excepțional de puțini dintre acești purtători va urma această cale specială de rezistență ridicată pe terminalul de bază.

Nivelul curentului de bază este în mod normal în jurul microamperelor, mai degrabă decât în ​​miliamperi pentru curenții emițătorului și colectorului.

Gama mai mare a acestor purtători majoritari se va difuza de-a lungul joncțiunii inversate în materialul de tip p atașat la terminalul colector, așa cum se arată în Fig. 3.5.

Cauza reală din spatele acestei ușurințe relative cu care transportatorii majoritari au voie să traverseze joncțiunea inversată este realizată rapid de exemplul unei diode polarizate invers, în care purtătorii majoritari induși apar ca purtători minoritari în materialul de tip n.

Pentru a spune altfel, găsim o introducere a purtătorilor minoritari în materialul regiunii de bază de tip n. Cu aceste cunoștințe și împreună cu faptul că pentru diode toți purtătorii minoritari din regiunea de epuizare traversează joncțiunea inversată, rezultă fluxul de electroni, așa cum se indică în Fig. 3.5.

Presupunând că tranzistorul din Fig.3.5 este un singur nod, putem aplica legea curentă a lui Kirchhoff pentru a obține următoarea ecuație:

Ceea ce arată că curentul emițătorului este egal cu suma curentului de bază și colector.

Cu toate acestea, curentul colector este alcătuit din câteva elemente, care sunt anume purtătorii majoritari și minoritari, așa cum s-a dovedit în Fig.3.5.

Elementul purtător de curent minoritar aici constituie curentul de scurgere și este simbolizat ca ICO (IC curent având un terminal emisor deschis).

În consecință, curentul net al colectorului este stabilit după cum este dat în următoarea ecuație 3.2:

IC curent colector este măsurat în mA pentru toate tranzistoarele de uz general, în timp ce ICO este calculat în uA sau nA.

ICO se va comporta destul de mult ca o diodă polarizată inversă și, prin urmare, ar putea fi vulnerabilă la schimbările de temperatură și, prin urmare, trebuie să fie îngrijită în mod corespunzător în timpul testării, în special în circuite care sunt proiectate să funcționeze în scenarii cu variații mari de temperatură, altfel rezultatul poate fi extrem de mare afectate din cauza factorului de temperatură.

Acestea fiind spuse, datorită numeroaselor îmbunătățiri avansate ale aspectului de construcție al tranzistoarelor moderne, ICO este redus semnificativ și poate fi complet ignorat pentru toate BJT-urile de astăzi.

În capitolul următor vom învăța cum să configurăm BJT-urile în modul de bază comun.

Referințe: https://en.wikipedia.org/wiki/John_Bardeen