تيار المجمع العكسي. دعونا نفهم معًا مبادئ الترانزستور

يتكون اسم ترانزستور جهاز أشباه الموصلات من كلمتين: نقل - نقل+ المقاومة - مقاومة. لأنه يمكن تمثيلها حقًا على أنها نوع من المقاومة ، والتي سيتم تنظيمها بجهد قطب كهربائي واحد. يُطلق على الترانزستور أحيانًا اسم الصمام الثلاثي أشباه الموصلات.

تم إنشاء أول ترانزستور ثنائي القطب في عام 1947 ، وفي عام 1956 مُنح ثلاثة علماء جائزة نوبل في الفيزياء لاختراعه.

الترانزستور ثنائي القطب هو جهاز أشباه الموصلات يتكون من ثلاثة أشباه موصلات مع نوع بديل من توصيل الشوائب. يتم توصيل قطب كهربائي ويخرج إلى كل طبقة. في الترانزستور ثنائي القطب ، تُستخدم الشحنات في وقت واحد ، وحاملاتها عبارة عن إلكترونات (ن - "سلبي") والثقوب (ف - "موجب ") ، أي ناقلات من نوعين ، ومن هنا تم تشكيل بادئة الاسم" bi "- اثنان.

تختلف الترانزستورات في نوع تناوب الطبقة:

ف ن ص -الترانزستور (التوصيل المباشر) ؛

Npn- الترانزستور (التوصيل العكسي).

قاعدة (ب) هو قطب كهربائي متصل بالطبقة المركزية للترانزستور ثنائي القطب. تسمى الأقطاب الكهربائية من الطبقات الخارجية الباعث (E) والمجمع (K).

الشكل 1 - جهاز الترانزستور ثنائي القطب

المخططات معنونة " VT "، في الوثائق القديمة باللغة الروسية ، يمكنك العثور على التعيينات" T "و" PP "و" PT ". يتم عرض الترانزستورات ثنائية القطب في المخططات الكهربائية، اعتمادًا على تناوب موصلية أشباه الموصلات ، على النحو التالي:

الشكل 2 - تعيين الترانزستورات ثنائية القطب

في الشكل 1 أعلاه ، الفرق بين المجمع والباعث غير مرئي. إذا نظرت إلى تمثيل مبسط للترانزستور في قسم ، يمكنك أن ترى تلك المنطقةص - ن تقاطع المجمع أكبر من تقاطع الباعث.

الشكل 3 - الترانزستور في المقطع

القاعدة مصنوعة من أشباه الموصلات ذات الموصلية المنخفضة ، أي أن مقاومة المادة عالية. الشرط الأساسي هو طبقة أساسية رفيعة لإمكانية تأثير الترانزستور. منذ منطقة الاتصالص - ن نظرًا لاختلاف تقاطعات المجمع والباعث ، فلا يمكنك تغيير قطبية الاتصال. هذه الخاصية تصنف الترانزستور كأجهزة غير متماثلة.

يحتوي الترانزستور ثنائي القطب على خاصيتين I-V (خصائص الجهد): المدخلات والمخرجات.

خاصية الإدخال من I إلى V هي اعتماد التيار الأساسي (أنا ب ) على جهد باعث القاعدة ( U BE).

الشكل 4 - خاصية المدخلات الحالية والجهد لترانزستور ثنائي القطب

إن خاصية I-V الناتجة هي اعتماد تيار المجمع (أنا ك ) على جهد المجمع-الباعث ( U KE).

الشكل 5 - الناتج الرابع من الترانزستور

يعتبر مبدأ تشغيل الترانزستور ثنائي القطب فينوع npn ، لـ pnp وبالمثل ، يتم النظر في الثقوب فقط ، وليس الإلكترونات.يحتوي الترانزستور على تقاطعات pn. في الوضع النشط للعملية ، يرتبط أحدهما بالتحيز الأمامي والآخر بالتحيز العكسي. عندما يكون تقاطع EB مفتوحًا ، تتحرك الإلكترونات من الباعث بسهولة إلى القاعدة (يحدث إعادة التركيب). ولكن ، كما ذكرنا سابقًا ، تكون الطبقة الأساسية رفيعة وموصلية توصيلها منخفضة ، لذا فإن بعض الإلكترونات لديها الوقت للانتقال إلى تقاطع مجمع القاعدة. الحقل الكهربائييساعد على التغلب على (يقوي) حاجز انتقال الطبقة ، لأن الإلكترونات هي ناقلات ثانوية هنا. مع زيادة تيار القاعدة ، سيفتح تقاطع قاعدة الباعث المزيد والمزيد من الإلكترونات ستكون قادرة على الانزلاق من الباعث إلى المجمع. يتناسب تيار المجمع مع تيار القاعدة ومع تغيير طفيف في الأخير (التحكم) ، تيار جامعيتغير بشكل ملحوظ. هذه هي الطريقة التي يحدث بها تضخيم الإشارة في الترانزستور ثنائي القطب.

الشكل 6 - الوضع النشط للترانزستور

بالنظر إلى الصورة يمكنك شرحهامبدأ تشغيل الترانزستور أسهل قليلا. تخيل أن CE هي انبوب ماء، و B عبارة عن صنبور يمكنك من خلاله التحكم في تدفق المياه. هذا هو من أكثر حداثةتقدم إلى القاعدة ، كلما حصلت على المزيد عند المخرج.

تكاد تكون قيمة تيار المجمع مساوية لتيار المرسل ، باستثناء الخسائر أثناء إعادة التركيب في القاعدة ، والتي تشكل تيار القاعدة ، وبالتالي فإن الصيغة صالحة:

І E \ u003d І B + І K.

المعالم الرئيسية للترانزستور:

الكسب الحالي هو نسبة القيمة الفعالة لتيار المجمع إلى تيار القاعدة.

مقاومة الإدخال - وفقًا لقانون أوم ، ستكون مساوية لنسبة جهد قاعدة المرسل U EB للسيطرة على التيارأنا ب.

عامل تضخيم الجهد - تم العثور على المعلمة بنسبة جهد الخرج U EC لإدخال U BE.

تصف استجابة التردد قدرة الترانزستور على العمل حتى تردد قطع معين لإشارة الدخل. بعد تجاوز التردد المحدد ، لن يكون للعمليات الفيزيائية في الترانزستور وقت لتحدث وستنخفض قدراته التضخمية إلى لا شيء.

تبديل الدوائر للترانزستورات ثنائية القطب

لتوصيل الترانزستور ، تتوفر لنا مخرجاته الثلاثة (الأقطاب الكهربائية) فقط. لذلك ، يلزم وجود مصدرين للطاقة لتشغيله العادي. سيتصل قطب ترانزستور واحد بمصدرين في نفس الوقت. لذلك ، هناك 3 مخططات اتصال لترانزستور ثنائي القطب: OE - مع باعث مشترك ، OB - قاعدة مشتركة ، حسنًا - جامع مشترك. لكل منها مزايا وعيوب ، اعتمادًا على التطبيق والخصائص المطلوبة ، يتم اختيار الاتصال.

تتميز دائرة التبديل ذات الباعث المشترك (CE) بأكبر تضخيم للتيار والجهد ، على التوالي ، والطاقة. مع هذا الاتصال ، يتم إزاحة جهد التيار المتردد الناتج بمقدار 180 درجة كهربائية بالنسبة للإدخال. العيب الرئيسي هو استجابة التردد المنخفض ، أي القيمة المنخفضة لتردد القطع ، مما يجعل من المستحيل استخدامه مع إشارة إدخال عالية التردد.

(OB) يوفر استجابة تردد ممتازة. لكنه لا يعطي تضخيمًا كبيرًا لإشارة الجهد كما هو الحال مع OE. وبالتالي ، فإن التضخيم الحالي لا يحدث على الإطلاق هذا المخططغالبًا ما يطلق عليه التابع الحالي لأنه يمتلك خاصية الاستقرار الحالي.

دائرة المجمع المشترك (CC) لها نفس الكسب الحالي تقريبًا مثل دائرة OE ، لكن كسب الجهد هو تقريبًا 1 (أقل قليلاً). إن موازنة الجهد ليست نموذجية لمخطط الأسلاك هذا. أسميها أيضًا متابع باعث ، نظرًا لأن جهد الخرج ( U EB ) تتوافق مع جهد الدخل.

تطبيق الترانزستورات:

تضخيم الدوائر

مولدات الإشارة

مفاتيح إلكترونية.

الموضوع 4. الترانزستورات ثنائية القطب

4.1 تصميم ومبدأ العملية

الترانزستور ثنائي القطب هو جهاز أشباه الموصلات يتكون من ثلاث مناطق ذات أنواع متناوبة من التوصيل الكهربائي ومناسبة لتضخيم الطاقة.

يمكن تصنيف الترانزستورات ثنائية القطب المنتجة حاليًا وفقًا للمعايير التالية:

حسب المادة: الجرمانيوم والسيليكون.

حسب نوع التوصيل للمناطق: اكتب p-n-p و n-p-n ؛

حسب الطاقة: منخفضة (Pmax £ 0.3W) ومتوسطة (Pmax £ 1.5W) وقوة عالية (Pmax> 1.5W) ؛

حسب التردد: التردد المنخفض ، التردد المتوسط ​​، التردد العالي والميكروويف.

في الترانزستورات ثنائية القطب ، يتم تحديد التيار من خلال حركة نوعين من حاملات الشحنة: الإلكترونات والثقوب (أو الأساسية والثانوية). ومن هنا اسمهم - ثنائي القطب.

في الوقت الحاضر ، يتم تصنيع واستخدام الترانزستورات التي تحتوي على ترانزستورات داخل الطائرة فقط. السندات الإذنية تقاطعميل.

يظهر جهاز الترانزستور ثنائي القطب بشكل تخطيطي في الشكل. 4.1

إنها صفيحة من الجرمانيوم أو السيليكون ، حيث يتم إنشاء ثلاث مناطق ذات موصلية كهربائية مختلفة. في الترانزستور اكتب n-p-nالمنطقة الوسطى بها ثقب ، والمناطق الخارجية لها موصلية كهربائية إلكترونية.

تحتوي الترانزستورات من النوع p-n-p على منطقة وسطى بها مناطق إلكترونية ومتطرفة ذات موصلية كهربائية للفتحة.

المنطقة الوسطى من الترانزستور تسمى القاعدة ، والمنطقة المتطرفة هي الباعث ، والأخرى هي المجمع. وهكذا ، يحتوي الترانزستور على اثنين من الوصلات p-n: الباعث - بين الباعث والقاعدة والمجمع - بين القاعدة والمجمع. منطقة تقاطع الباعث أصغر من منطقة تقاطع المجمع.

الباعث هو منطقة الترانزستور التي تهدف إلى حقن حاملات الشحنة في القاعدة. المجمع هو منطقة الغرض منها استخراج ناقلات الشحن من القاعدة. القاعدة هي المنطقة التي يتم فيها حقن ناقلات الشحنة الصغيرة لهذه المنطقة بواسطة الباعث.

تركيز حاملات الشحنة الأغلبية في الباعث أكبر بعدة مرات من تركيز حاملات الشحنة الأغلبية في القاعدة ، وتركيزها في المجمع أقل إلى حد ما من التركيز في الباعث. لذلك ، فإن موصلية الباعث أعلى بعدة مرات من الموصلية الأساسية ، وموصلية المجمع أقل قليلاً من موصلية الباعث.

الاستنتاجات مستمدة من القاعدة والباعث والمجمع. اعتمادًا على أي من الاستنتاجات شائعة في دارات الإدخال والإخراج ، توجد ثلاث دوائر تبديل ترانزستور: مع قاعدة مشتركة (OB) ، باعث مشترك (OE) ، جامع مشترك (OK).

يتم استخدام دارة الإدخال أو التحكم للتحكم في تشغيل الترانزستور. في الخرج ، أو الدائرة المتحكم فيها ، يتم الحصول على تذبذبات محسنة. يتم توصيل مصدر التذبذبات المضخمة بدائرة الإدخال ، والحمل متصل بدائرة الإخراج.

ضع في اعتبارك مبدأ تشغيل الترانزستور باستخدام مثال ترانزستور من النوع p-n-p متصل وفقًا لدائرة قاعدة مشتركة (الشكل 4.2).

الشكل 4.2 - مبدأ تشغيل الترانزستور ثنائي القطب (النوع pn-p)

يتم توصيل الفولتية الخارجية لمصدري الطاقة EE و Ek بالترانزستور بطريقة يكون فيها تقاطع الباعث P1 متحيزًا في الاتجاه الأمامي (الجهد الأمامي) ، ويكون تقاطع المجمع P2 متحيزًا في الاتجاه المعاكس (الجهد العكسي) ).

إذا تم تطبيق جهد عكسي على تقاطع المجمع ، وكانت دائرة الباعث مفتوحة ، فإن تيارًا عكسيًا صغيرًا Iko (وحدات ميكرو أمبير) يتدفق في دائرة المجمع. ينشأ هذا التيار تحت تأثير الجهد العكسي ويتم إنشاؤه بواسطة الحركة الاتجاهية لحاملات الشحنة الأقلية لثقوب القاعدة وإلكترونات المجمع من خلال تقاطع المجمع. يتدفق التيار العكسي عبر الدائرة: + Ek ، جامع القاعدة ، −Ek. لا يعتمد حجم التيار العكسي للمجمع على جهد المجمع ، ولكنه يعتمد على درجة حرارة أشباه الموصلات.

عندما يتم توصيل جهد ثابت EE بدائرة الباعث في الاتجاه الأمامي ، يتناقص الحاجز المحتمل لتقاطع الباعث. يبدأ حقن (حقن) الثقوب في القاعدة.

تبين أن الجهد الخارجي المطبق على الترانزستور يتم تطبيقه بشكل أساسي على التقاطعات P1 و P2 ، لأن يملكون مقاومة كبيرةمقارنة بمقاومة مناطق القاعدة والباعث والمجمع. لذلك ، فإن الثقوب المحقونة في القاعدة تتحرك فيها عن طريق الانتشار. في هذه الحالة ، تتحد الثقوب مع الإلكترونات الأساسية. نظرًا لأن تركيز المواد الحاملة في القاعدة أقل بكثير مما هو عليه في الباعث ، يتم إعادة تجميع عدد قليل جدًا من الثقوب. بسمك قاعدة صغير ، ستصل جميع الثقوب تقريبًا إلى تقاطع مجمع P2. يتم استبدال الإلكترونات المعاد تجميعها بإلكترونات من مصدر الطاقة Ek. الثقوب التي تتحد مع الإلكترونات في القاعدة تخلق IB الحالي الأساسي.

تحت تأثير الجهد العكسي Ek ، يزداد الحاجز المحتمل لتقاطع المجمع ، ويزداد سمك التقاطع P2. لكن الحاجز المحتمل لتقاطع المجمع لا يمنع الثقوب من المرور عبره. تقع الثقوب التي تدخل منطقة تقاطع المجمع في مجال تسريع قوي تم إنشاؤه عند التقاطع بواسطة جهد المجمع ويتم استخلاصها (سحبها) بواسطة المجمع ، مما يؤدي إلى تكوين تيار جامع Ik. يتدفق تيار المجمع عبر الدائرة: + Ek ، مجمع القاعدة ، -Ek.

وهكذا ، تتدفق ثلاثة تيارات في الترانزستور: تيار الباعث والمجمع والقاعدة.

في السلك ، وهو ناتج القاعدة ، يتم توجيه تيارات الباعث والمجمع بشكل معاكس. لذلك ، فإن التيار الأساسي يساوي الفرق بين تيارات الباعث والمجمع: IB \ u003d IE - IK.

تستمر العمليات الفيزيائية في الترانزستور من النوع n-p-n بشكل مشابه للعمليات في الترانزستور من النوع p-n-p.

يتم تحديد إجمالي تيار الباعث IE من خلال عدد ناقلات الشحنة الرئيسية التي يتم حقنها بواسطة الباعث. الجزء الرئيسي من حاملات الشحن هذه ، الذي يصل إلى المجمع ، يخلق Ik الحالي للمجمع. جزء ضئيل من ناقلات الشحنة المحقونة في القاعدة تتجمع في القاعدة ، مما يخلق قاعدة IB الحالية. لذلك ، سيتم تقسيم تيار الباعث إلى تيارات قاعدة وجامع ، أي IE \ u003d IB + Ik.

تيار المرسل هو تيار الإدخال ، تيار المجمع هو الإخراج. تيار الإخراج هو جزء من المدخلات ، أي

(4.1)

حيث a هو معامل التحويل الحالي لدائرة OB ؛

نظرًا لأن تيار الخرج أقل من تيار الإدخال ، فإن المعامل أ<1. Он показывает, какая часть инжектированных в базу носителей заряда достигает коллектора. Обычно величина a составляет 0,95¸0,995.

في دارة باعث شائعة ، يكون تيار الخرج هو تيار المجمع وتيار الإدخال هو تيار القاعدة. الكسب الحالي لدائرة OE:

(4.2) (4.3)

وبالتالي ، فإن الكسب الحالي لدائرة OE هو عشرات الوحدات.

يعتمد تيار الخرج للترانزستور على تيار الإدخال. لذلك ، فإن الترانزستور هو جهاز يتم التحكم فيه حاليًا.

يتم نقل التغييرات في تيار المرسل الناتجة عن التغيير في جهد تقاطع الباعث بالكامل إلى دائرة المجمع ، مما يتسبب في حدوث تغيير في تيار المجمع. ومنذ ذلك الحين إن جهد مصدر طاقة المجمع Ek أكبر بكثير من جهد الباعث Ee ، فإن الطاقة المستهلكة في دائرة المجمع Pk ستكون أكبر بكثير من الطاقة في دائرة الباعث Re. وبالتالي ، من الممكن التحكم في طاقة كبيرة في دائرة المجمع للترانزستور باستخدام طاقة منخفضة مستهلكة في دائرة الباعث ، أي هناك زيادة في القوة.

4.2 مخططات التبديل على الترانزستورات ثنائية القطب

يتم توصيل الترانزستور بالدائرة الكهربائية بحيث يكون أحد طرفيه (القطب) هو المدخل ، والثاني هو الإخراج ، والثالث شائع لدوائر الإدخال والإخراج. اعتمادًا على القطب الكهربي الشائع ، توجد ثلاث دوائر تبديل ترانزستور: OB و OE و OK. تظهر هذه الدوائر الخاصة بالترانزستور p-n-p في الشكل. 4.3 بالنسبة للترانزستور n-p-n ، يتغير قطبية الفولتية واتجاه التيارات في دوائر التبديل. بالنسبة لأي دائرة تبديل ترانزستور (في الوضع النشط) ، يجب اختيار قطبية تشغيل مزودات الطاقة بحيث يتم تشغيل تقاطع الباعث في الاتجاه الأمامي ، ويتم تشغيل تقاطع المجمع في الاتجاه المعاكس.

الشكل 4.3 - مخططات التبديل على الترانزستورات ثنائية القطب: أ) حول ؛ ب) عمر الفاروق ؛ ج) حسنا

4.3 الخصائص الثابتة للترانزستورات ثنائية القطب

الوضع الثابت لتشغيل الترانزستور هو الوضع عندما لا يكون هناك حمل في دائرة الإخراج.

تسمى الخصائص الثابتة للترانزستورات بالاعتماد المعبر عنه بيانياً للجهد والتيار لدائرة الإدخال (إدخال VAC) ودائرة الإخراج (مخرج VAC). يعتمد نوع الخصائص على طريقة تشغيل الترانزستور.

4.3.1 خصائص الترانزستور الموصل حسب دائرة OB

IE \ u003d f (UEB) مع UKB \ u003d const (الشكل 4.4 ، أ).

IK \ u003d f (UKB) مع IE \ u003d const (الشكل 4.4 ، ب).

الشكل 4.4 - الخصائص الثابتة للترانزستور ثنائي القطب المتصل وفقًا لدائرة OB

تتميز خصائص الناتج I-V بثلاث مناطق مميزة: 1 - اعتماد قوي لـ Ik على UKB (المنطقة الأولية غير الخطية) ؛ 2 - ضعف الاعتماد على Ik على UKB (المنطقة الخطية) ؛ 3 - انهيار مفرق المجمع.

من سمات الخصائص في المنطقة 2 ارتفاعها الطفيف مع زيادة الجهد UKB.

4.3.2 خصائص الترانزستور المتصل وفقًا لمخطط OE:

خاصية الإدخال هي الاعتماد:

IB \ u003d f (UBE) مع UKE \ u003d const (الشكل 4.5 ، ب).

صفة الإخراج هي التبعية:

IK \ u003d f (UKE) مع IB \ u003d const (الشكل 4.5 ، أ).

الشكل 4.5 - الخصائص الثابتة للترانزستور ثنائي القطب المتصل وفقًا لدائرة OE

يوفر الترانزستور في دائرة OE الكسب الحالي. الكسب الحالي في دائرة OE:

إذا كان المعامل a للترانزستورات a = 0.9¸0.99 ، فإن المعامل b = 9¸99. هذه هي الميزة الأكثر أهمية لتشغيل الترانزستور وفقًا لدائرة OE ، والتي تحدد ، على وجه الخصوص ، التطبيق العملي الأوسع لدائرة التبديل هذه مقارنة بدائرة OB.

من مبدأ تشغيل الترانزستور ، من المعروف أن مكونين حاليين يتدفقان في الاتجاه المعاكس من خلال طرف القاعدة (الشكل 4.6): التيار العكسي لتقاطع المجمع IKO وجزء من تيار المرسل (1 - أ) بمعنى آخر. في هذا الصدد ، يتم تحديد القيمة الصفرية للتيار الأساسي (IB = 0) من خلال المساواة بين المكونات المشار إليها للتيارات ، أي (1 - أ) IE = IKO. تيار الإدخال الصفري يتوافق مع تيار المرسل IE = IKO / (1 − a) = (1 + b) IKO وتيار المجمع

. بمعنى آخر ، عند تيار القاعدة الصفري (IB \ u003d 0) ، يتدفق التيار عبر الترانزستور في دائرة OE ، يسمى الأولي أو عبر IKO الحالي (E) ويساوي (1 + b) IKO.

الشكل 4.6 - دارة التبديل للترانزستور مع باعث مشترك (دائرة OE)

4.4 المعلمات الأساسية

لتحليل وحساب الدوائر باستخدام الترانزستورات ثنائية القطب ، يتم استخدام ما يسمى h - معلمات الترانزستور المتصلة وفقًا لدائرة OE.

تتميز الحالة الكهربائية للترانزستور المتصل وفقًا لدائرة OE بالقيم IB و IBE و IK و UKE.

يتضمن نظام h - معلمات الكميات التالية:

1. مدخلات المعاوقة

h11 = DU1 / DI1 مع U2 = const. (4.4)

يمثل مقاومة الترانزستور لتيار إدخال متناوب حيث تكون الدائرة القصيرة عند الخرج ، أي في حالة عدم وجود جهد التيار المتردد الناتج.

2. نسبة التغذية المرتدة الجهد:

h12 = DU1 / DU2 مع I1 = const. (4.5)

يوضح نسبة جهد التيار المتردد المدخل الذي يتم إرساله إلى مدخلات الترانزستور بسبب التغذية المرتدة فيه.

3 - معامل القوة الحالي (معامل النقل الحالي):

h21 = DI2 / DI1 مع U2 = const. (4.6)

يُظهر كسب التيار المتردد للترانزستور في وضع عدم التحميل.

4-الموصلية الناتجة:

h22 = DI2 / DU2 مع I1 = const. (4.7)

يمثل توصيل التيار المتردد بين أطراف خرج الترانزستور.

مقاومة الإخراج = 1 / h22.

بالنسبة لدائرة الباعث المشترك ، فإن المعادلات التالية صحيحة:

(4.8)

لمنع ارتفاع درجة حرارة تقاطع المجمع ، من الضروري ألا تتجاوز الطاقة المنبعثة فيه أثناء مرور تيار المجمع قيمة قصوى معينة:

(4.9)

بالإضافة إلى ذلك ، هناك قيود على جهد المجمع:

وتيار المجمع:

4.5 أوضاع تشغيل الترانزستورات ثنائية القطب

يمكن أن يعمل الترانزستور في ثلاثة أوضاع ، اعتمادًا على الجهد عند تقاطعاته. عند التشغيل في الوضع النشط ، يكون الجهد مباشرًا عند تقاطع الباعث ، وعكس اتجاه تقاطع المجمع.

يتم تحقيق وضع القطع ، أو الحجب ، عن طريق تطبيق جهد عكسي على كلا الوصلات (يتم إغلاق كل من الوصلات p-n).

إذا كان الجهد مباشرًا عند كلا التقاطعين (كلا الوصلات p-n مفتوحة) ، فإن الترانزستور يعمل في وضع التشبع.

في أوضاع القطع والتشبع ، لا يوجد أي تحكم في الترانزستور تقريبًا. في الوضع النشط ، يتم تنفيذ هذا التحكم بكفاءة أكبر ، ويمكن أن يؤدي الترانزستور وظائف عنصر نشط في الدائرة الكهربائية (التضخيم ، التوليد ، إلخ).

4.6 النطاق

الترانزستورات ثنائية القطب هي أجهزة شبه موصلة للاستخدام العام وتستخدم على نطاق واسع في مختلف مكبرات الصوت والمولدات والنبض والأجهزة الرئيسية.

4.7 أبسط مرحلة تضخيم في ترانزستور ثنائي القطب

تم العثور على أكبر تطبيق من خلال دائرة تبديل الترانزستور وفقًا لدائرة الباعث الشائعة (الشكل 4.7)

العناصر الرئيسية للدائرة هي مصدر الطاقة Ek ، والعنصر المتحكم فيه هو الترانزستور VT والمقاوم Rk. تشكل هذه العناصر الدائرة (الخرج) الرئيسية لمرحلة التضخيم ، حيث يتم إنشاء جهد متناوب متضخم عند خرج الدائرة بسبب تدفق تيار متحكم فيه.

تلعب العناصر المتبقية دورًا داعمًا. مكثف Cp يفصل. في حالة عدم وجود هذا المكثف ، سيتم إنشاء تيار مباشر في دائرة مصدر إشارة الدخل من مصدر الطاقة Ek.

الشكل 4.7 - مخطط أبسط مرحلة تضخيم على ترانزستور ثنائي القطب وفقًا لدائرة باعث مشتركة

يضمن المقاوم RB ، المتضمن في الدائرة الأساسية ، تشغيل الترانزستور في وضع السكون ، أي في حالة عدم وجود إشارة دخل. يتم توفير وضع الراحة من قبل IB الحالي للقاعدة الباقية »Ek / RB.

بمساعدة المقاوم Rk ، يتم إنشاء جهد خرج ، أي يؤدي Rk وظيفة إنشاء جهد متغير في دائرة الخرج بسبب تدفق التيار فيها ، الذي تتحكم فيه الدائرة الأساسية.

بالنسبة لدائرة المجمع لمرحلة التضخيم ، يمكن كتابة المعادلة التالية للحالة الكهربائية:

Ek \ u003d Uke + IkRk ، (4.10)

أي أن مجموع انخفاض الجهد عبر المقاوم Rk والجهد الباعث للمجمع Uke للترانزستور يساوي دائمًا قيمة ثابتة - EMF لمصدر الطاقة Ek.

تعتمد عملية التضخيم على تحويل طاقة مصدر الجهد الثابت Ek إلى طاقة جهد متناوب في دائرة الخرج بسبب تغيير في مقاومة العنصر المتحكم فيه (الترانزستور) وفقًا للقانون المحدد بواسطة المدخلات الإشارة.

عندما يتم تطبيق uin جهد متناوب على مدخلات مرحلة التضخيم ، يتم إنشاء مكون التيار المتردد IB ~ في الدائرة الأساسية للترانزستور ، مما يعني أن تيار القاعدة سيتغير. يؤدي التغيير في تيار القاعدة إلى تغيير في قيمة تيار المجمع (IK = bIB) ، وبالتالي إلى تغيير في قيم الفولتية على المقاومة Rk و Uke. ترجع قدرات التضخيم إلى حقيقة أن التغيير في قيم تيار المجمع أكبر ب مرات من تيار القاعدة.

4.8 حساب الدوائر الكهربائية مع الترانزستورات ثنائية القطب

بالنسبة لدائرة المجمع لمرحلة التضخيم (الشكل 4.7) ، وفقًا لقانون كيرشوف الثاني ، فإن المعادلة (4.10) صالحة.

خاصية الفولت أمبير لمقاوم المجمع RK خطية ، وخصائص فولت أمبير للترانزستور هي خصائص المجمع غير الخطي للترانزستور (الشكل 4.5 ، أ) متصل وفقًا لدائرة OE.

يمكن حساب هذه الدائرة غير الخطية ، أي تحديد IK و URK و UKE لقيم مختلفة للتيارات الأساسية IB ومقاومة المقاوم RK ، بيانياً. للقيام بذلك ، على عائلة خصائص المجمع (الشكل 4.5 ، أ) ، من الضروري السحب من النقطة EK على محور الإحداثي فولت - السمة الحالية للمقاوم RK ، والتي تفي بالمعادلة:

Uke \ u003d Ek - RkIk. (4.11)

هذه الخاصية مبنية على نقطتين:

Uke = Ek عند Ik = 0 على المحور x و Ik = Ek / Rk عند Uke = 0 على المحور y. يُطلق على رمز التحقق من البطاقة (CVC) الخاص بمقاوم التجميع Rk المصمم بهذه الطريقة اسم خط التحميل. تعطي نقاط تقاطعها مع خصائص المجمع حلاً رسوميًا للمعادلة (4.11) لمقاومة معينة Rk وقيم مختلفة للتيار الأساسي IB. يمكن استخدام هذه النقاط لتحديد تيار المجمع Ik ، وهو نفس الشيء بالنسبة للترانزستور والمقاوم Rk ، وكذلك الجهد UKE و URK.

تسمى نقطة تقاطع خط التحميل بإحدى الخصائص الثابتة IV بنقطة تشغيل الترانزستور. من خلال تغيير IB ، يمكنك تحريكه على طول خط التحميل. يسمى الموضع الأولي لهذه النقطة في حالة عدم وجود إشارة متغيرة الإدخال نقطة الراحة - Т0.

أ) ب)

الشكل 4.8 - الحساب التحليلي للرسم البياني لوضع تشغيل الترانزستور باستخدام خصائص الإخراج والمدخلات.

تحدد نقطة الراحة (نقطة العمل) T0 IKP الحالي والجهد UKEP في وضع الراحة. من هذه القيم ، يمكنك العثور على قوة RCP ، الصادرة في الترانزستور في وضع الراحة ، والتي يجب ألا تتجاوز الطاقة القصوى لـ PK max ، والتي تعد واحدة من معلمات الترانزستور:

RKP = IKP × UKEP £ RK كحد أقصى. (4.12)

لا تقدم الكتب المرجعية عادةً مجموعة من خصائص المدخلات ، ولكن فقط خصائص UKE = 0 وللبعض UKE> 0.

تكون خصائص الإدخال الخاصة بـ UKEs المختلفة التي تتجاوز 1 فولت قريبة جدًا من بعضها البعض. لذلك ، يمكن حساب التيارات والفولتية المدخلة تقريبًا وفقًا لخاصية الإدخال لـ UKE> 0 ، المأخوذة من الكتاب المرجعي.

يتم تحويل النقاط A و To و B لخاصية تشغيل الخرج إلى هذا المنحنى ، ويتم الحصول على النقاط A1 و T1 و B1 (الشكل 4.8 ، ب). تحدد نقطة التشغيل T1 ضغط مستمرقواعد UBEP و التيار المباشرقواعد شراكة الموازنة الدولية.

مقاومة المقاوم RB (تضمن تشغيل الترانزستور في وضع الراحة) ، والتي من خلالها سيتم توفير جهد ثابت للقاعدة من المصدر EK:

(4.13)

في الوضع النشط (التضخيم) ، تقع نقطة بقية الترانزستور إلى في منتصف قسم خط تحميل AB تقريبًا ، ولا تتجاوز نقطة التشغيل قسم AB.

لقد قمنا بتحليل المقال مثل هذا معلمة مهمةالترانزستور بيتا (β) . لكن هناك معلمة أخرى مثيرة للاهتمام في الترانزستور. هو في حد ذاته غير مهم ، لكن يمكنه القيام بأعمال تجارية! إنها مثل حصاة سقطت في حذاء رياضي: يبدو أنها صغيرة ، لكنها تسبب الإزعاج عند الجري.

فما الذي يمنع هذه "الحصاة" من الترانزستور؟ هيا نكتشف...

كما نتذكر ، يتكون الترانزستور من ثلاثة أشباه موصلات. تقاطع PN ، الذي نسميه باعث القاعدة مفرق باعث، والانتقال هذا المجمع الأساسي انتقال جامع.

منذ في هذه الحالة لدينا الترانزستور NPN، ثم يتدفق التيار من المجمع إلى الباعث ، بشرط أن نفتح القاعدة بتطبيق جهد يزيد عن 0.6 فولت (حسنًا ، حتى يفتح الترانزستور).

من أجل المتعة ، دعنا نأخذ سكينًا رفيعًا ونقطع الباعث على طول تقاطع PN. سنحصل على شيء مثل هذا:

قف! هل لدينا ديود؟ هو. تذكر ، في مقال خصائص الجهد الحالي (CVC) ، اعتبرنا خاصية I-V للديود:

على الجانب الأيمن من رمز التحقق من البطاقة ، نرى كيف ارتفع فرع الرسم البياني بشكل حاد للغاية. في هذه الحالة ، طبقنا جهدًا ثابتًا على الصمام الثنائي بهذه الطريقة ، أي اتصال مباشر للديود.

يمر الصمام الثنائي بتيار كهربائي من خلال نفسه. لقد أجريت أنا وأنت تجارب على التبديل المباشر والعكسي للديود. من لا يتذكر يمكنك أن تقرأ.

ولكن إذا قمت بعكس القطبية

ثم لن يمر الصمام الثنائي الحالي.لقد تعلمنا دائمًا بهذه الطريقة ، وهناك بعض الحقيقة في هذا ، لكن ... عالمنا ليس كاملاً).

اعتمادًا على ترتيب طبقات أشباه الموصلات ، الترانزستوراتهناك نوعان رئيسيان - ترانزستورات NPN وترانزستورات PNP.

تسمى أقطاب الترانزستور ثنائي القطب التقليدي بالقاعدة والباعث والمجمع. يشكل المجمع والباعث الدائرة الرئيسية التيار الكهربائيفي الترانزستور ، والقاعدة مصممة للتحكم في كمية التيار في هذه الدائرة.

على ال رمزيظهر سهم طرفي باعث الترانزستور اتجاه التيار.

كيف يعمل الترانزستور

تتحكم الدائرة الأساسية للترانزستور في تدفق التيار في دائرة المجمع-الباعث. من خلال تغيير الجهد الصغير المطبق على القاعدة ضمن حدود صغيرة ، من الممكن تغيير التيار في دائرة المجمع-الباعث ضمن نطاق واسع إلى حد ما.

رسم تخطيطي يوضح كيفية عمل الترانزستور

دعونا نضع رسمًا بيانيًا يوضح بوضوح عملية الترانزستور
ومبدأ إدراجه. نحتاج إلى ترانزستور بهيكل NPN ، على سبيل المثال 2N3094 ، مقاوم متغير أو قاطع ، مقاوم مع مقاومة ثابتةومصباح يدوي. يشار إلى تصنيفات الأجهزة الإلكترونية في الرسم التخطيطي.

عن طريق تغيير المقاومة مقاومة متغيرة R1 ، سوف نلاحظ كيف يتغير سطوع المصباح H1.

يلعب المقاوم الثابت R2 في هذه الدائرة دور المحدد ، حيث يحمي قاعدة الترانزستور من الكثير من التيار الذي يمكن تطبيقه عليها في الوقت الذي تقترب فيه مقاومة المقاوم المتغير من الصفر. يمنع المقاوم المحدد فشل الترانزستور.

لنحاول الآن استبدال المصباح بمحرك كهربائي منخفض الطاقة. من خلال تدوير محور المقاوم المتغير ، يمكننا ملاحظة التغيير السلس في سرعة دوران المحرك M1.

تستخدم الترانزستورات في دوائر الروبوت لتضخيم الإشارات من أجهزة الاستشعار ، للتحكم في المحركات ، ويمكن استخدام الترانزستورات لتجميع العناصر المنطقية التي تنفذ عمليات النفي المنطقي والضرب المنطقي والإضافة المنطقية. الترانزستورات هي أساس جميع الدوائر الدقيقة الحديثة تقريبًا.

تنقسم الترانزستورات إلى مجموعتين فرعيتين كبيرتين - القطبين والميدان. تستخدم بشكل شائع لتضخيم الإشارات الكهربائية وتوليدها وتحويلها.في عام 1956 ، حصل ويليام شوكلي وجون باردين ووالتر براتين على جائزة نوبل في الفيزياء لاختراع الترانزستور ثنائي القطب.

ترانزستورات ثنائية القطب.

الترانزستور ثنائي القطب هو جهاز أشباه الموصلات مع اثنين السندات الإذنية تقاطعميل ، الذي له ثلاثة استنتاجات. يعتمد تشغيل الترانزستور ثنائي القطب على استخدام ناقلات الشحنة لكلتا العلامتين (الثقوب والإلكترونات) ، ويتم التحكم في التيار المتدفق من خلاله باستخدام تيار تحكم.

الترانزستور ثنائي القطب هو أكثر أجهزة أشباه الموصلات النشطة شيوعًا.

جهاز الترانزستور.يحتوي الترانزستور ثنائي القطب بشكل أساسي على ثلاث طبقات من أشباه الموصلات (p-n-p أو n-p-n) ، وبالتالي ، تقاطعات pn. يتم توصيل كل طبقة من أشباه الموصلات من خلال جهة اتصال معدنية غير معدلة بأشباه الموصلات بطرف خارجي.

تسمى الطبقة الوسطى والمخرج المقابل بالقاعدة ، ويطلق على إحدى الطبقات المتطرفة والمخرج المقابل اسم الباعث ، ويطلق على الطبقة المتطرفة الأخرى والمخرج المقابل اسم المجمع.

نعطي تمثيلًا تخطيطيًا مبسطًا لهيكل ترانزستور من النوع ن ص ن(الشكل 1 ، أ) ومتغيران مقبولان لتسمية الرسوم التقليدية (الشكل 1 ، ب). نوع الترانزستور ص ن صرتبت بالمثل. في هذه الحالة ، سيتم توجيه "سهم" الباعث في الاتجاه المعاكس - نحو القاعدة. تُظهر أسهم الباعث اتجاه التيارات عبر الترانزستور.

أرز. 1. تمثيل تخطيطي لهيكل الترانزستور

دعا الترانزستور ثنائي القطب، نظرًا لأن عملية تدفق التيار الكهربائي تتضمن حاملات للكهرباء من علامتين - الإلكترونات والثقوب. ولكن في أنواع مختلفةالترانزستورات ، دور الإلكترونات والثقوب مختلف.

ترانزستورات NPN أكثر شيوعًا من ترانزستورات pnp ، كما هو الحال عادةً أفضل المعلمات. يتم شرح ذلك على النحو التالي: الدور الرئيسي في العمليات الكهربائية في الترانزستورات من النوع npn تلعبه الإلكترونات ، وفي الترانزستورات p-n-p- ثقوب. من ناحية أخرى ، تتمتع الإلكترونات بحركة أكبر مرتين إلى ثلاث مرات من الثقوب.

من المهم أن نلاحظ أن مساحة تقاطع المجمع في الواقع أكبر بكثير من منطقة تقاطع الباعث ، لأن مثل هذا التباين يحسن بشكل كبير خصائص الترانزستور.

في هذه المقالة سنحاول وصفها مبدأ التشغيلأكثر أنواع الترانزستور شيوعًا هو ثنائي القطب. الترانزستور ثنائي القطبهو أحد العناصر النشطة الرئيسية للأجهزة الإلكترونية الراديوية. والغرض منه هو العمل على تضخيم قوة الإشارة الكهربائية القادمة إلى مدخلاتها. يتم تضخيم الطاقة عن طريق مصدر طاقة خارجي. الترانزستور هو مكون إلكتروني له ثلاثة أطراف.

ميزة تصميم الترانزستور ثنائي القطب

لإنتاج ترانزستور ثنائي القطب ، هناك حاجة إلى أشباه الموصلات ذات الفتحة أو النوع الإلكتروني من الموصلية ، والتي يتم الحصول عليها عن طريق الانتشار أو الاندماج مع الشوائب المستقبلة. نتيجة لذلك ، تتشكل المناطق ذات الأنواع القطبية من الموصلية على جانبي القاعدة.

الترانزستورات ثنائية القطب عن طريق التوصيل نوعان: n-p-n و p-n-p. قواعد التشغيل التي يخضع لها الترانزستور ثنائي القطب مع التوصيل n-p-n (بالنسبة لـ p-n-p ، من الضروري تغيير قطبية الجهد المطبق):

1. الإمكانات الإيجابية للمجمع لها قيمة أكبرمقارنة بالباعث.
2. أي ترانزستور له الحد الأقصى المسموح به من المعلمات Ib و Ik و Uke ، والتي يعتبر فائضها من حيث المبدأ غير مقبول ، لأن هذا يمكن أن يؤدي إلى تدمير أشباه الموصلات.
3. تعمل محطات الباعث الأساسي والمجمع الأساسي مثل الثنائيات. كقاعدة عامة ، يكون الصمام الثنائي في اتجاه الباعث الأساسي مفتوحًا ، وفي اتجاه مجمع القاعدة يكون متحيزًا في الاتجاه المعاكس ، أي أن الجهد الوارد يتداخل مع تدفق التيار الكهربائي من خلاله.
4. إذا تم استيفاء النقاط من 1 إلى 3 ، فإن Ik الحالي يتناسب طرديًا مع Ib الحالي ويبدو مثل: Ik = he21 * Ib ، حيث he21 هو المكسب الحالي. هذه القاعدةيميز الجودة الرئيسية للترانزستور ، أي أن تيار القاعدة المنخفض يوفر التحكم تيار قويجامع.

بالنسبة للترانزستورات ثنائية القطب المختلفة من نفس السلسلة ، يمكن أن يختلف مؤشر he21 بشكل أساسي من 50 إلى 250. وتعتمد قيمته أيضًا على تيار المجمع المتدفق ، والجهد بين الباعث والمجمع ، وعلى درجة الحرارة المحيطة.

دعنا ندرس القاعدة رقم 3. ويترتب على ذلك أنه لا ينبغي زيادة الجهد المطبق بين الباعث والقاعدة بشكل كبير ، لأنه إذا كان الجهد الأساسي 0.6 ... 0.8 فولت أكبر من الباعث (الجهد الأمامي للديود) ، فإن تيارًا كبيرًا للغاية سوف يظهر. وبالتالي ، في الترانزستور العامل ، تكون الفولتية عند الباعث والقاعدة مترابطة وفقًا للصيغة: Ub \ u003d Ue + 0.6V (Ub \ u003d Ue + Ube)

دعونا نتذكر مرة أخرى أن كل هذه النقاط تشير إلى الترانزستورات التي لها موصلية n-p-n. إلى عن على نوع pnpيجب عكس كل شيء.

يجب أيضًا الانتباه إلى حقيقة أن تيار المجمع ليس له علاقة بموصلية الصمام الثنائي ، حيث يتم توفير جهد عكسي ، كقاعدة عامة ، إلى الصمام الثنائي لقاعدة التجميع. بالإضافة إلى ذلك ، فإن التيار المتدفق عبر المجمع يعتمد قليلاً جدًا على الإمكانات عند المجمع (هذا الصمام الثنائي مشابه لمصدر تيار صغير)

عندما يتم تشغيل الترانزستور في وضع التضخيم ، يكون تقاطع الباعث مفتوحًا ويغلق تقاطع المجمع. يتم الحصول على ذلك عن طريق توصيل مصادر الطاقة.

نظرًا لأن تقاطع الباعث مفتوح ، فسوف يمر عبره تيار باعث ناتج عن انتقال الثقوب من القاعدة إلى الباعث ، وكذلك الإلكترونات من الباعث إلى القاعدة. وبالتالي ، يحتوي تيار المرسل على مكونين - ثقب وإلكترون. تحدد نسبة الحقن كفاءة الباعث. يشير حقن الشحنة إلى نقل ناقلات الشحنة من المنطقة التي كانت مسيطرة فيها إلى المنطقة التي أصبحت فيها ثانوية.

في القاعدة ، تتحد الإلكترونات ، ويتم تجديد تركيزها في القاعدة من إضافة مصدر EE. نتيجة لذلك ، في دائرة كهربائيةستتدفق القاعدة تيارًا ضعيفًا إلى حد ما. ستنتقل الإلكترونات المتبقية التي لم يكن لديها وقت لإعادة الاتحاد في القاعدة ، تحت التأثير المتسارع لمجال تقاطع المجمع المحظور ، كحاملات أقلية ، إلى المجمع ، مما ينتج عنه تيار جامع. يُطلق على نقل حاملات الشحنة من منطقة كانت صغيرة إلى منطقة حيث تصبح رئيسية استخراج الشحنات الكهربائية.