ما هو الترانزستور ثنائي القطب وما ميزته
تتكون كلمة "الترانزستور" من الكلمات "تحويل ومقاوم - محول المقاومة". استبدل المصابيح في أوائل الخمسينيات. هذا هو جهاز ثلاثي السنون يستخدم للتضخيم والتبديل في الدوائر الإلكترونية. تعمل صفة "ثنائي القطب" (ترانزستور الوصلة ثنائية القطب) على التمييز بين الترانزستورات ذات التأثير الميداني (FET). مبدأ تشغيل الترانزستور ثنائي القطب هو استخدام تقاطع p-n اللذين يشكلان طبقة حاجزة ، والتي تسمح لتيار صغير بالتحكمحولبأعلى تيار. يتم استخدام الترانزستور ثنائي القطب كمقاومة متحكم بها ومفتاح. الترانزستورات من نوعين: pnp و npn.
السندات الإذنية تقاطع
الجرمانيوم (Ge) والسيليكون (Si) هي أشباه الموصلات. الآن يستخدم بشكل رئيسي السيليكون. تكافؤ Si و Ge هو أربعة. لذلك ، إذا أضفنا زرنيخ خماسي التكافؤ إلى الشبكة البلورية للسيليكون (As) ، نحصل على إلكترون "إضافي" ، وإذا أضفنا البورون ثلاثي التكافؤ (B) ، نحصل على مكان شاغر للإلكترون. في الحالة الأولى ، يتحدثون عن مادة "مانحة" تعطي الإلكترونات ، وفي الحالة الثانية يتحدثون عن مادة "متقبلة" تستقبل الإلكترونات. أيضا ، النوع الأول من المواد يسمى N (سلبي) ، والثاني - P (إيجابي).
إذا تم الاتصال بمواد من النوعين P و N ، فسوف ينشأ تيار بينهما وسيتم إنشاء توازن ديناميكي مع منطقة مستنفدة ، حيث يكون تركيز حاملات الشحن - الإلكترونات والمواقع الشاغرة ("ثقوب") - صغيرًا. هذه الطبقة لها موصلية من جانب واحد وتعمل كأساس لجهاز يسمى الصمام الثنائي. لن يخلق الاتصال المباشر للمواد انتقالًا نوعيًا ؛ من الضروري عمل السبائك (الانتشار) أو "انسداد" أيونات المنشطات في بلورة في فراغ.
الترانزستور PNP
لأول مرة ، تم صنع ترانزستور ثنائي القطب عن طريق إذابة قطرات الإنديوم في بلورة الجرمانيوم (مادة من النوع n). Indium (In) هو معدن ثلاثي التكافؤ ، مادة من النوع P. لذلك ، كان يسمى هذا الترانزستور منتشرًا (ممزوجًا) له بنية p-n-p (أو pnp). تم تصنيع الترانزستور ثنائي القطب في الشكل أدناه في عام 1965. يتم قطع جسدها من أجل الوضوح.
تسمى بلورة الجرمانيوم في المركز القاعدة ، وتسمى قطرات الإنديوم المنصهرة فيها الباعث والمجمع. من الممكن اعتبار انتقالات EB (باعث) و KB (جامع) على شكل ثنائيات عادية ، ولكن الانتقال CE (جامع - باعث) له خاصية خاصة. لذلك ، من المستحيل تصنيع ترانزستور ثنائي القطب من ثنائيين منفصلين.
إذا تم تطبيق جهد لعدة فولت بين المجمع (-) والباعث (+) في ترانزستور من نوع pnp ، فإن تيارًا ضعيفًا للغاية ، قليل من μA ، سيتدفق في الدائرة. إذا تم بعد ذلك تطبيق جهد (فتح) صغير بين القاعدة (-) والباعث (+) - بالنسبة إلى الجرمانيوم ، يكون حوالي 0.3 فولت (والسيليكون 0.6 فولت) - ثم يتدفق تيار من بعض الحجم من الباعث إلى القاعدة.ولكن بما أن القاعدة رقيقة جدًا ، فسوف تتشبع بسرعة بالثقوب ("تفقد" فائض الإلكترونات التي ستنتقل إلى الباعث). بما أن الباعث مخدر بشدة مع توصيل الثقب ، فإن إعادة تركيب الإلكترونات في القاعدة المخدرة الضعيفة يتأخر قليلاً ، ثمحولسوف يتدفق معظم التيار من الباعث إلى المجمع. يتم تجميع المجمع أكبر من الباعث والمخدر قليلاً ، مما يسمح له بالحصول عليهحولانخفاض جهد الانهيار (Uعينة CE> يوعينة EB) أيضًا ، نظرًا لأن الجزء الأكبر من الثقوب يتراكم في المجمع ، فإنه يسخن بقوة أكبر من الأقطاب الكهربائية الأخرى للجهاز.
بين جامع وباعث هناك نسبة:
عادة ، تقع α في نطاق 0.85-0.999 وتعكس عكسًا على سمك القاعدة. تسمى هذه القيمة معامل التحويل الحالي للمرسل. في الممارسة العملية ، غالبًا ما يتم استخدام المعاملة بالمثل (يشار إليها أيضًا بـ h21 هـ):
هذا هو معامل نقل التيار الأساسي ، وهو أحد أهم معلمات الترانزستور ثنائي القطب. في كثير من الأحيان يحدد خصائص تعزيز في الممارسة.
يسمى الترانزستور PNP الترانزستور الموصل الأمامي. ولكن هناك نوع آخر من الترانزستور ، يكمل هيكله بشكل مثالي pnp في الدوائر.
NPN الترانزستور
قد يحتوي الترانزستور ثنائي القطب على جامع بعث من نوع N. ثم تتكون القاعدة من مادة من النوع P. وفي هذه الحالة ، يعمل الترانزستور npn تمامًا مثل pnp ، باستثناء القطبية - إنه ترانزستور توصيل عكسي.
تعمل الترانزستورات القائمة على السيليكون على تثبيط جميع أنواع الترانزستورات ثنائية القطب بأرقامها. كمادة مانحة للمجمع والباعث يمكن أن تكون بمثابة As ، لديها إلكترون "إضافي". كما تغيرت تقنية تصنيع الترانزستورات. وهي الآن مستوية ، مما يجعل من الممكن استخدام الطباعة الحجرية وإنشاء دوائر متكاملة. تُظهر الصورة أدناه ترانزستور ثنائي القطب مستوٍ (كجزء من دائرة متكاملة عند تكبير عالي). وفقًا للتكنولوجيا المستوية ، يتم تصنيع كل من الترانزستورات pnp و npn ، بما في ذلك الترانزستورات القوية. توقف إنتاج السبائك بالفعل.
الترانزستور ثنائي القطب المستوي في سياق الصورة التالية (مخطط مبسط).
تظهر الصورة مدى جودة تصميم الترانزستور المستوي - يتم تبريد المجمع بشكل فعال بواسطة الركيزة البلورية. يتم تصنيع الترانزستور pnp المستوي أيضًا.
تظهر الصور التوضيحية التقليدية للترانزستور ثنائي القطب في الصورة التالية.
هذه UGOs دولية ، وهي صالحة أيضًا وفقًا لـ GOST 2.730-73.
دارات تبديل الترانزستور
عادة ما يتم استخدام الترانزستور ثنائي القطب دائمًا في الاتصال المباشر - لا يعطي القطبية العكسية عند تقاطع FE أي شيء مثير للاهتمام. بالنسبة لنظام الاتصال المباشر ، هناك ثلاثة أنظمة اتصال: باعث مشترك (OE) ، وجامع مشترك (موافق) ، وقاعدة مشتركة (OB). جميع الادراج الثلاثة مبينة أدناه. يشرحون فقط مبدأ التشغيل نفسه - بافتراض أن نقطة التشغيل مثبتة بطريقة أو بأخرى باستخدام مصدر طاقة إضافي أو دائرة مساعدة. لفتح ترانزستور السليكون (Si) ، من الضروري أن يكون لديك إمكانات ~ 0.6 فولت بين الباعث والقاعدة ، وبالنسبة للجرمانيوم يكفي ~ 0.3 فولت.
باعث مشترك
يتسبب الجهد U1 في Ib الحالي ، ويجمع تيار التجميع Ik مع تيار القاعدة مضروبًا في β. في هذه الحالة ، يجب أن يكون الجهد + E كبيرًا بما يكفي: 5 V-15 V. تضخم هذه الدائرة التيار والجهد بشكل جيد ، وبالتالي ، الطاقة. إشارة الخرج متقابلة في طور الإدخال (معكوس). يتم استخدام هذا في التكنولوجيا الرقمية كدالة NOT.
إذا كان الترانزستور لا يعمل في وضع المفتاح ، ولكن كمضخم للإشارات الصغيرة (الوضع النشط أو الخطي) ، فعندئذٍ ، باستخدام اختيار تيار القاعدة ، يتم تعيين الجهد U2 يساوي E / 2 بحيث لا يتم تشويه إشارة الخرج. يتم استخدام هذا التطبيق ، على سبيل المثال ، في تضخيم الإشارات الصوتية في مكبرات الصوت عالية الجودة مع تشويه منخفض ، ونتيجة لذلك ، كفاءة منخفضة.
جامع مشترك
من حيث الجهد ، لا تتضخم الدائرة OK ، وهنا يكون الكسب α ~ 1.لذلك ، تسمى هذه الدائرة أتباع باعث. التيار في دائرة باعث β + 1 مرة أكبر من الدائرة الأساسية. تضخم هذه الدائرة البئر الحالي ولها خرج منخفض ومقاومة عالية جدًا للمدخلات. (هذا هو الوقت المناسب لتذكر أن الترانزستور يسمى محول المقاومة.)
يمتلك جهاز تتبع الباعث خصائص ومعلمات تشغيل مناسبة جدًا لمسابير الذبذبات. يستخدم ممانعة إدخاله الضخمة وخرجه المنخفض ، وهو أمر جيد للتوافق مع كبل ذو مقاومة منخفضة.
قاعدة مشتركة
تتميز هذه الدائرة بأقل مقاومة للدخل ، لكن مكاسبها الحالية تساوي α. تضخم دائرة القاعدة المشتركة بشكل جيد في الجهد ، ولكن ليس في الطاقة. ميزته هي القضاء على تأثير التغذية المرتدة على السعة (كفاءة. ميللر). تتناسب شلالات OB بشكل مثالي كمراحل إدخال لمكبرات الصوت في مسارات التردد اللاسلكي المتوافقة مع مقاومة منخفضة تبلغ 50 و 75 أوم.
تستخدم Cascades ذات القاعدة المشتركة على نطاق واسع جدًا في تكنولوجيا الميكروويف ، كما أن استخدامها في الإلكترونيات اللاسلكية مع سلسلة من متابعي الباعث شائع جدًا.
وضعين رئيسيين للتشغيل
يُميّز بين أساليب التشغيل باستخدام الإشارة "الصغيرة" و "الكبيرة". في الحالة الأولى ، يعمل الترانزستور ثنائي القطب في منطقة صغيرة من خصائصه ويستخدم هذا في التكنولوجيا التناظرية. في مثل هذه الحالات ، فإن الخطية لتضخيم الإشارة وانخفاض الضوضاء مهمة. هذا هو الوضع الخطي.
في الحالة الثانية (وضع المفتاح) ، يعمل الترانزستور ثنائي القطب في النطاق الكامل - من التشبع إلى القطع ، مثل المفتاح. هذا يعني أنه إذا نظرت إلى خصائص I - V الخاصة بتقاطع pn ، يجب عليك تطبيق جهد عكسي صغير بين القاعدة والباعث لقفل الترانزستور بالكامل ، ولفتحه بالكامل عندما ينتقل الترانزستور إلى وضع التشبع ، قم بزيادة تيار القاعدة قليلاً مقارنةً بوضع الإشارة المنخفضة. ثم يعمل الترانزستور مثل مفتاح النبض. يستخدم هذا الوضع في أجهزة التبديل والطاقة ، ويستخدم لتبديل إمدادات الطاقة. في مثل هذه الحالات ، يحاولون تحقيق وقت تبديل قصير للترانزستورات.
يتميز المنطق الرقمي بموقع متوسط بين الإشارات "الكبيرة" و "الصغيرة". يقتصر المستوى المنطقي المنخفض على 10 ٪ من جهد الإمداد ، ومستوى مرتفع بنسبة 90 ٪. يسعى تأخير الوقت والتبديل إلى الحد إلى الحد الأقصى. وضع التشغيل هذا هو المفتاح ، لكنهم يسعون لتقليل الطاقة هنا. أي عنصر منطقي هو مفتاح.
أنواع أخرى من الترانزستورات
الأنواع الرئيسية للترانزستورات الموصوفة بالفعل لا تحد من ترتيبها. يتم إنتاج الترانزستورات المركبة (دارلينجتون). β حجمها كبير جدًا ومساوي لمنتج معاملات كلا الترانزستورات ، لذلك يُطلق عليها أيضًا ترانزستورات "superbet".
لقد أتقنت الهندسة الكهربائية بالفعل IGBTs (بوابة الترانزستور ثنائية القطب المعزولة) ، مع بوابة معزولة. إن بوابة ترانزستور تأثير المجال معزولة بالفعل عن قناتها. صحيح ، هناك مسألة إعادة شحن سعة الإدخال أثناء التبديل ، لذلك ، بدون التيار ، لا يمكن القيام به هنا.
يتم استخدام هذه الترانزستورات في مفاتيح الطاقة القوية: محولات النبض ، العاكسون ، إلخ. تعتبر مدخلات IGBT حساسة للغاية نظرًا لمقاومة البوابة العالية للترانزستورات ذات التأثير الميداني. عند الخروج - يمنحون الفرصة لاستقبال تيارات ضخمة ويمكن تصنيعها للجهد العالي. على سبيل المثال ، توجد في الولايات المتحدة الأمريكية محطة طاقة شمسية جديدة ، حيث يتم تحميل مثل هذه الترانزستورات في دائرة الجسر بمحولات قوية تنقل الطاقة إلى الشبكة الصناعية.
في الختام ، نلاحظ أن الترانزستورات ، بكلمات بسيطة ، هي "العمود الفقري" لجميع الإلكترونيات الحديثة. يتم استخدامها في كل مكان: من القاطرات الكهربائية إلى الهواتف المحمولة. يتكون أي كمبيوتر حديث من جميع الترانزستورات تقريبًا. تُفهم الأساسيات المادية لتشغيل الترانزستورات جيدًا وتعِد بإنجازات جديدة أكثر.
مواد ذات صلة:
جار التحميل...
