Bipolartransistoren

Der Begriff „Bipolartransistor“ hängt damit zusammen, dass in diesen Transistoren zwei Arten von Ladungsträgern verwendet werden: Elektronen und Löcher. Für die Herstellung von Transistoren werden die gleichen Halbleitermaterialien verwendet wie für Dioden.

Bipolartransistoren verwenden eine dreischichtige Halbleiterstruktur aus Halbleitern unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit Es entstehen zwei p-n-Übergänge mit abwechselnder elektrischer Leitfähigkeit (p-n-p oder n-p-n).

Bipolartransistoren können strukturell entpackt (Abb. 1, a) (zur Verwendung beispielsweise als Teil integrierter Schaltkreise) und in einem typischen Fall geschlossen werden (Abb. 1, b). Die drei Pins eines Bipolartransistors heißen Basis, Kollektor und Emitter.

Reis. 1. Bipolartransistor: a) p-n-p-Strukturen ohne Gehäuse, b) n-p-n-Strukturen im Gehäuse

Abhängig von der allgemeinen Schlussfolgerung können Sie drei Anschlussschemata für einen Bipolartransistor erhalten: mit einer gemeinsamen Basis (OB), einem gemeinsamen Kollektor (OK) und einem gemeinsamen Emitter (OE). Betrachten wir den Betrieb eines Transistors in einer Basisschaltung (Abb. 2).

Reis. 2. Schema des Bipolartransistors

Der Emitter injiziert (liefert) die Basisträger in die Basis. In unserem Beispiel für ein Halbleiterbauelement vom n-Typ sind dies Elektronen. Die Quellen werden so gewählt, dass E2 >> E1. Der Widerstand Re begrenzt den Strom des offenen p-n-Übergangs.

Bei E1 = 0 ist der Strom durch den Kollektorknoten klein (aufgrund von Minoritätsträgern), er wird als anfänglicher Kollektorstrom Ik0 bezeichnet. Wenn E1 > 0, überwinden die Elektronen den p-n-Übergang des Emitters (E1 schaltet in Vorwärtsrichtung ein) und gelangen in den Kernbereich.

Die Basis ist hochbeständig (geringe Konzentration an Verunreinigungen), daher ist die Konzentration an Löchern in der Basis gering. Daher rekombinieren die wenigen Elektronen, die in die Basis eindringen, mit ihren Löchern und bilden den Basisstrom Ib. Gleichzeitig wirkt im Kollektor-p-n-Übergang auf der E2-Seite ein viel stärkeres Feld als im Emitterübergang, das Elektronen zum Kollektor zieht. Daher erreichen die meisten Elektronen den Kollektor.

Emitter- und Kollektorströme hängen mit dem Übertragungskoeffizienten des Emitterstroms zusammen

bei Ukb = const.

Ist immer ∆Ik < ∆Ie und a = 0,9 – 0,999 für moderne Transistoren.

Im betrachteten Schema ist Ik = Ik0 + aIe »Ie. Daher weist der Bipolartransistor mit gemeinsamer Basisschaltung ein niedriges Stromverhältnis auf. Daher wird es selten verwendet, hauptsächlich in Hochfrequenzgeräten, wo es hinsichtlich der Spannungsverstärkung anderen vorzuziehen ist.

Der grundlegende Schaltkreis eines Bipolartransistors ist eine gemeinsame Emitterschaltung (Abb. 3).

Reis. 3. Einschalten eines Bipolartransistors nach dem Schema mit gemeinsamem Emitter

Für sie weiter Kirchhoffs erstes Gesetz wir können Ib = Ie — Ik = (1 — a) Ie — Ik0 schreiben.

Vorausgesetzt, dass 1 — a = 0,001 — 0,1, gilt Ib << Ie » Ik.

Ermitteln Sie das Verhältnis des Kollektorstroms zum Basisstrom:

Diese Beziehung wird Basisstromübertragungskoeffizient genannt... Bei a = 0,99 erhalten wir b = 100. Wenn eine Signalquelle in den Basisstromkreis einbezogen wird, fließt das gleiche Signal ein, jedoch um das b-fache des Stroms verstärkt Der Kollektorkreis bildet eine Spannung am Widerstand Rk, die viel größer ist als die Signalquellenspannung ...

Zur Bewertung des Betriebs eines Bipolartransistors über einen weiten Bereich von Impuls- und Gleichströmen, Leistungen und Spannungen sowie zur Berechnung der Vorspannungsschaltung, des Stabilisierungsmodus und der Familien der Eingangs- und Ausgangs-Volt-Ampere-Kennlinien (VAC).

Eine Familie von I-V-Eingangskennlinien legt die Abhängigkeit des Eingangsstroms (Basis oder Emitter) von der Eingangsspannung Ube bei Uk = const fest, Abb. 4, a. Die Eingangs-I-V-Kennlinien des Transistors ähneln den I-V-Kennlinien einer Diode in direkter Verbindung.

Die Familie der Ausgangs-I-V-Kennlinien legt die Abhängigkeit des Kollektorstroms von der Spannung an ihm bei einem bestimmten Basis- oder Emitterstrom fest (je nach Schaltung mit gemeinsamem Emitter oder gemeinsamer Basis), Abb. 4, geb.

Reis. 4. Strom-Spannungs-Kennlinien des Bipolartransistors: a – Eingang, b – Ausgang

Zusätzlich zum elektrischen NP-Übergang wird in Hochgeschwindigkeitsschaltungen häufig ein Schottky-Metall-Halbleiter-Barriere-Übergang verwendet. Bei solchen Übergängen wird keine Zeit für die Akkumulation und Resorption von Ladungen in der Basis bereitgestellt, und der Betrieb des Transistors hängt nur von der Wiederaufladerate der Barrierekapazität ab.

Reis. 5. Bipolartransistoren

Parameter von Bipolartransistoren

Zur Bewertung der maximal zulässigen Betriebsarten der Transistoren werden die wesentlichen Parameter herangezogen:

1) maximal zulässige Kollektor-Emitter-Spannung (für verschiedene Transistoren Uke max = 10 – 2000 V),

2) maximal zulässige Kollektorverlustleistung Pk max – nach ihm werden Transistoren in Low-Power-Transistoren (bis zu 0,3 W), Medium-Power-Transistoren (0,3-1,5 W) und High-Power-Transistoren (mehr als 1,5 W) unterteilt. Transistoren mittlerer und hoher Leistung sind häufig mit einem speziellen Kühlkörper ausgestattet – einem Kühlkörper.

3) maximal zulässiger Kollektorstrom Ik max – bis zu 100 A und mehr,

4) Grenzstromübertragungsfrequenz fgr (die Frequenz, bei der h21 gleich eins wird), Bipolartransistoren werden danach unterteilt:

• für Niederfrequenz – bis zu 3 MHz,

• Mittelfrequenz – von 3 bis 30 MHz,

• Hochfrequenz – von 30 bis 300 MHz,

• Ultrahochfrequenz – mehr als 300 MHz.

Doktor der technischen Wissenschaften, Professor L.A. Potapov