Bipolaire junctie-transistor (BJT) - Constructie en operationele details

Probeer Ons Instrument Voor Het Oplossen Van Problemen





Een bipolaire transistor of een BJT is een halfgeleiderapparaat met drie aansluitingen dat in staat is om kleine ingangsspanningen en stromen te versterken of om te schakelen naar aanzienlijk grotere uitgangssignalen en stromen.

Hoe Bipolaire Junction Transistor BJT's evolueerden

In de periode 1904-1947 was de vacuümbuis ongetwijfeld het elektronische apparaat van grote nieuwsgierigheid en groei. In 1904 werd de vacuümbuisdiode gelanceerd door J. A. Fleming. Kort daarna, in 1906, verbeterde Lee De Forest het apparaat met een derde functie, bekend als het stuurrooster, waarmee de eerste versterker werd geproduceerd en de triode werd genoemd.



In de daaropvolgende decennia hebben radio en televisie de buizenhandel enorm geïnspireerd. De productie steeg van ongeveer 1 miljoen buizen in 1922 tot ongeveer 100 miljoen in 1937. In het begin van de jaren dertig werden de 4-elemententetrode en 5-elementpentode populair in de elektronenbuisindustrie.

In de jaren die volgden, evolueerde de productiesector tot een van de belangrijkste sectoren en werden snelle verbeteringen aangebracht voor deze modellen, in de productiemethoden, in toepassingen met hoog vermogen en hoge frequentie en in de richting van miniaturisatie.



Mede-uitvinders van de eerste transistor bij Bell Laboratories: Dr. William Shockley (zittend) Dr. John Bardeen (links) Dr. Walter H. Brattain. (Met dank aan AT & T-archieven.)

Op 23 december 1947 was de elektronica-industrie echter getuige van de komst van een geheel nieuwe 'richting van interesse' en verbetering. Het bleek halverwege de dag dat Walter H. Brattain en John Bardeen de versterkende functie van de allereerste transistor in de Bell Telephone Laboratories tentoonstelden en bewezen.

De allereerste transistor (die de vorm had van een puntcontacttransistor) wordt gedemonstreerd in Fig. 3.1.

het eerste transistorbeeld

Hoffelijkheid van afbeeldingen: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Replica-of-first-transistor.jpg

De positieve aspecten van deze 3 pin solid-state unit in tegenstelling tot de buis waren direct merkbaar: hij bleek veel kleiner te zijn, kon zonder 'verwarming' of verwarmingsverliezen werken, was onbreekbaar en sterk, was efficiënter qua stroomverbruik, kon gemakkelijk worden opgeslagen en geopend, hoefde niet eerst opgewarmd te worden en het werkte bij veel lagere bedrijfsspanningen.

Vcc en Vee in BJT common-base pnp en npn

TRANSISTORBOUW

Een transistor is in feite een apparaat gebouwd met 3 lagen halfgeleidermateriaal waarin ofwel 2 n-type en een enkele p-type laag materiaal wordt gebruikt of 2 p-type en een enkele n-type laag materiaal wordt gebruikt. Het eerste type wordt een NPN-transistor genoemd, terwijl de tweede variant het PNP-type transistor wordt genoemd.

Beide typen kunnen worden gevisualiseerd in figuur 3.2 met de juiste DC-voorspanning.

We hebben al geleerd hoe in BJTs DC-voorspanning essentieel worden voor het vaststellen van de vereiste operationele regio en voor AC-versterking. Hiervoor wordt de emitterzijdelaag significanter gedoteerd dan de basiszijde die minder significant is gedoteerd.

De buitenste lagen zijn gemaakt met lagen die veel dikker zijn in vergelijking met de p- of n-type sandwichmaterialen. In figuur 3.2 hierboven kunnen we zien dat voor dit type de verhouding van de totale breedte in vergelijking met de centrale laag ongeveer 0,150 / 0,001: 150: 1 is. De doping die over de ingeklemd laag wordt geïmplementeerd, is ook relatief lager dan de buitenlagen, die typisch 10: 1 of zelfs minder bedraagt.

Dit soort verminderde dopingniveau verlaagt het geleidingscapaciteit van het materiaal en verhoogt het weerstandskarakter door de hoeveelheid van de vrij bewegende elektronen of de 'vrije' dragers.

In het voorspanningsdiagram kunnen we ook zien dat de terminals van het apparaat worden weergegeven met hoofdletters E voor zender, C voor collector en B voor basis, in onze toekomstige bespreking zal ik uitleggen waarom dit belang aan deze terminals wordt toegekend.

Ook wordt de term BJT gebruikt voor het afkorten van bipolaire transistor en aangeduid voor deze 3 eindapparaten. De uitdrukking 'bipolair' geeft de relevantie aan van de gaten en elektronen die betrokken zijn tijdens het doteringsproces ten opzichte van een tegengesteld gepolariseerde stof.

WERKING VAN DE TRANSISTOR

Laten we nu de fundamentele werking van een BJT begrijpen met behulp van een PNP-versie van Fig 3.2. Het werkingsprincipe van een NPN-tegenhanger zou precies hetzelfde zijn als de deelname van de elektronen en de gaten eenvoudig worden verwisseld.

Zoals te zien is in figuur 3.3, is de PNP-transistor opnieuw getekend, waardoor de basis naar de collectorvoorspanning is geëlimineerd. We kunnen visualiseren hoe het uitputtingsgebied er in de breedte versmald uitziet vanwege de geïnduceerde voorspanning, die een enorme stroom van de meerderheidsdragers over p- naar de n-type materialen.

fundamentele werking van een BJT, stroommeerderheidsdragers en uitputtingsregio

In het geval dat de basis-naar-emitter-bias van de pnp-transistor wordt verwijderd zoals getoond in figuur 3.4, wordt de stroom van de meerderheidsdragers nul, waardoor de stroom van alleen minderheidsdragers mogelijk is.

In het kort kunnen we dat begrijpen in een bevooroordeelde situatie een p-n-overgang van een BJT wordt in tegengestelde richting voorgespannen, terwijl de andere overgang voorwaarts wordt voorgespannen.

In figuur 3.5 kunnen we zien dat beide instelspanningen worden toegepast op een pnp-transistor, wat de aangegeven meerderheids- en minderheidsdraaggolfstroom veroorzaakt. Hier kunnen we aan de hand van de breedten van de uitputtingsgebieden duidelijk visualiseren welk knooppunt werkt met een voorwaarts gerichte toestand en welke in tegengestelde richting werkt.

Zoals getoond in de figuur, wordt een aanzienlijke hoeveelheid van de meerderheidsdragers uiteindelijk verspreid over de voorwaarts voorgespannen p-n-overgang in het n-type materiaal. Dit roept een vraag op in onze gedachten: zouden deze dragers een belangrijke rol kunnen spelen om de basisstroom IB te promoten of het rechtstreeks in het p-type materiaal te laten stromen?

Gezien het feit dat de ingeklemde n-type inhoud ongelooflijk dun is en een minimale geleidbaarheid bezit, zullen uitzonderlijk weinig van deze dragers deze specifieke route van hoge weerstand over de basisterminal nemen.

Het niveau van de basisstroom is normaal gesproken rond microamperes in plaats van milliampère voor de emitter- en collectorstromen.

Het grotere bereik van deze meerderheidsdragers zal diffunderen langs de tegengestelde overgang in het p-type materiaal dat aan de collectorterminal is bevestigd, zoals aangegeven in Fig. 3.5.

De feitelijke oorzaak achter dit relatieve gemak waarmee de meerderheidsdragers over de omgekeerde voorgespannen overgang kunnen komen, wordt snel gerealiseerd door het voorbeeld van een diode met omgekeerde voorspanning waarbij de geïnduceerde meerderheidsdragers verschijnen als minderheidsdragers in het n-type materiaal.

Anders gezegd, we vinden een introductie van minderheidsdragers in het materiaal van het n-type basisgebied. Met deze kennis en samen met het feit dat voor diodes alle minderheidsdragers in het depletiegebied de omgekeerde voorgespannen junctie passeren, resulteert dit in de stroom van elektronen, zoals aangegeven in figuur 3.5.

meerderheids- en minderheidsdraaggolfstroom in pnp-transistor

Ervan uitgaande dat de transistor in figuur 3.5 een enkel knooppunt is, kunnen we de huidige wet van Kirchhoff toepassen om de volgende vergelijking te krijgen:

Wat aantoont dat de emitterstroom gelijk is aan de som van basis- en collectorstroom.

De collectorstroom bestaat echter uit een aantal elementen, namelijk de meerderheid en de minderheidsdragers, zoals blijkt uit figuur 3.5.

Het minderheidsstroomdraaggolfelement vormt hier de lekstroom en wordt gesymboliseerd als ICO (stroom-IC met een open emitterterminal).

Bijgevolg wordt de netto collectorstroom bepaald zoals gegeven in de volgende vergelijking 3.2:

Collectorstroom IC wordt gemeten in mA voor alle transistors voor algemene doeleinden, terwijl ICO wordt berekend in uA of nA.

ICO gedraagt ​​zich behoorlijk als een diode met omgekeerde voorinstelling en kan daarom kwetsbaar zijn voor temperatuurveranderingen, en daarom moet er tijdens het testen op de juiste manier voor worden gezorgd, vooral in circuits die zijn ontworpen om te werken in scenario's met sterk variërende temperatuurbereik, anders kan het resultaat enorm zijn beïnvloed door de temperatuurfactor.

Dat gezegd hebbende, vanwege de vele geavanceerde verbeteringen in de constructie-indeling van de moderne transistors, is de ICO aanzienlijk verminderd en kan deze volledig worden genegeerd voor alle BJT's van vandaag.

In het volgende hoofdstuk zullen we leren hoe u BJT's configureert in de gemeenschappelijke basismodus.

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




Vorige: Voltage-Divider Bias in BJT-circuits - Meer stabiliteit zonder bètafactor Volgende: Common Base Configuration in BJT's begrijpen