Bipolar Junction Transistor (BJT) - Konstruksjon og operasjonelle detaljer

En bipolar transistor eller en BJT er en 3 terminal halvleder enhet som er i stand til å forsterke eller bytte små signal inngangsspenninger og strømmer til betydelig større utgangssignal spenninger og strømmer.

Hvordan Bipolar Junction Transistor BJT utviklet seg

I løpet av 1904–1947 var vakuumrøret utvilsomt det elektroniske apparatet med stor nysgjerrighet og vekst. I 1904 ble vakuumrørsdioden lansert av J. A. Fleming. Rett etterpå, i 1906, forbedret Lee De Forest enheten med en tredje funksjon, kjent som kontrollnettet, og produserte den første forsterkeren og ble kalt trioden.

I de påfølgende tiårene induserte radio og TV enorm inspirasjon til rørvirksomheten. Produksjonen økte fra rundt 1 million rør i 1922 til rundt 100 millioner i 1937. På begynnelsen av 1930-tallet fikk 4-element tetrode og 5-element pentode popularitet i elektronrørbransjen.

I årene som fulgte utviklet produksjonsindustrien seg til en av de viktigste sektorene, og det ble skapt raske forbedringer for disse modellene, i produksjonsmetodene, i høykraft- og høyfrekvensapplikasjoner og i retning av miniatyrisering.

23. desember 1947 skulle imidlertid elektronikkindustrien være vitne til ankomsten av en helt splitter ny 'retning av interesse' og forbedring. Det viste seg midt på dagen at Walter H. Brattain og John Bardeen viste og beviste forsterkningsfunksjonen til den aller første transistoren ved Bell Telephone Laboratories.

Den aller første transistoren (som var i form av en punktkontakt-transistor) er vist i figur 3.1.

Bilde med tillatelse: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Replica-of-first-transistor.jpg

De positive sidene ved denne 3-pinners solid state-enheten i motsetning til røret var øyeblikkelig merkbare: Den viste seg å være mye mindre, kunne fungere uten 'varmeapparat' eller varmetap, var ubrytelig og sterk, var mer effektiv mht. strømforbruk, kunne lagres og nås med letthet, krevde ingen oppstart av oppvarmingen, og det fungerte med mye lavere driftsspenninger.

TRANSISTOR KONSTRUKSJON

En transistor er i utgangspunktet en enhet bygget med 3 lag halvledermateriale der enten 2 n-type og et enkelt lag av p-type materiale brukes eller 2 p-type og et enkelt n-type materiallag. Den første typen kalles en NPN-transistor, mens den andre varianten heter PNP-typen transistor.

Begge disse typene kan visualiseres i figur 3.2 med passende DC-forspenning.

Vi har allerede lært hvordan i BJTs DC forspenning bli viktig for å etablere den nødvendige operasjonsregionen og for vekselstrømforsterkning. For dette er emitter-sidelaget dopet mer signifikant sammenlignet med basesiden som er dopet mindre signifikant.

De ytre lagene er laget med lag som er mye større i tykkelse sammenlignet med p- eller n-type sandwichede materialer. I figur 3.2 ovenfor kan vi finne at andelen av total bredde i forhold til sentrallaget for denne typen er rundt 0.150 / 0.001: 150: 1. Dopingen implementert over det sandwichede laget er også relativt lavere enn de ytre lagene, som vanligvis varierer over 10: 1 eller enda mindre.

Denne typen redusert dopingnivå senker ledningskapasiteten til materialet og øker den resistive naturen ved å begrense mengden av gratis bevegelige elektroner eller de 'gratis' bærerne.

I forspenningsdiagrammet kan vi også se at terminalene på enheten vises med store bokstaver E for emitter, C for samler og B for base. I vår fremtidige diskusjon forklarer jeg hvorfor denne viktigheten blir gitt til disse terminalene.

Begrepet BJT brukes også for forkortelse av bipolar transistor og betegnet til disse 3 terminalenhetene. Uttrykket 'bipolar' indikerer relevansen av hullene og elektronene som er involvert under dopingprosessen med hensyn til et motsatt polarisert stoff.

TRANSISTORBETJENING

La oss nå forstå den grunnleggende virkningen av en BJT ved hjelp av en PNP-versjon av figur 3.2. Operasjonsprinsippet til en NPN-motpart ville være nøyaktig likt hvis elektronenes og hullene bare blir byttet ut.

Som det kan sees i figur 3.3, har PNP-transistoren blitt tegnet på nytt, og eliminerer basen til forspenning av samleren. Vi kan visualisere hvordan uttømmingsområdet ser smalere ut i bredden på grunn av den induserte forspenningen, noe som forårsaker en massiv strøm av majoritetsbærere på tvers av p- til n-type materialer.

Hvis base-til-emitter-forspenningen til pnp-transistoren fjernes som vist i figur 3.4, blir strømmen til majoritetsbærerne null, og tillater strømmen av bare minoritetsbærere.

Kort fortalt kan vi forstå det, i en partisk situasjon det ene p-n-krysset til en BJT blir reversert forspent mens det andre krysset er forspent.

I figur 3.5 kan vi se begge forspenningsspenningene påføres en pnp-transistor, noe som forårsaker den angitte majoritets- og minoritetsbærerstrømmen. Her, fra bredden av utarmingsregionene, kan vi tydelig visualisere hvilket kryss som fungerer med en fremoverforspent tilstand og hvilken som er i omvendt forspent.

Som vist i figuren vil en betydelig mengde majoritetsbærere ende opp med å bli spredt over det fremoverforutførte p-n-krysset til n-typen materiale. Dette reiser et spørsmål i våre sinn, kan disse bærerne spille en viktig rolle for å fremme basestrømmen IB eller gjøre det mulig å strømme direkte inn i p-typen materiale?

Tatt i betraktning at innblandet n-type innhold er utrolig tynt og har minimal ledningsevne, vil svært få av disse bærerne ta denne spesielle ruten med høy motstand over baseterminalen.

Nivået på basestrømmen er normalt rundt mikroampere i stedet for milliamperer for emitter- og samlerstrømmen.

Det større spekteret av disse majoritetsbærerne vil diffundere langs det reverserte forspente krysset inn i p-type materiale festet til kollektorterminalen som påpekt i figur 3.5.

Den faktiske årsaken bak denne relative lettheten som majoritetsbærerne får lov til å komme seg over det omvendte forspente krysset, blir raskt realisert ved eksemplet med en omvendt forspent diode der de induserte majoritetsbærerne dukker opp som minoritetsbærere i n-typen materiale.

For å si det annerledes, finner vi en introduksjon av minoritetsbærere i n-typen basisregionmateriale. Med denne kunnskapen og sammen med det faktum at alle minoritetsbærere i uttømmingsområdet for dioder kommer over det omvendte forspente krysset, resulterer i strømmen av elektroner, som indikert i figur 3.5.

Forutsatt at transistoren i figur 3.5 er en enkelt node, kan vi bruke Kirchhoffs nåværende lov for å få følgende ligning:

Som viser at emitterstrømmen er lik summen av basis- og kollektorstrøm.

Samlerstrømmen består imidlertid av et par elementer, som er majoriteten og minoritetsbærerne som vist i figur 3.5.

Minoritetsstrømbærerelementet her utgjør lekkasjestrømmen, og er symbolisert som ICO (nåværende IC som har en åpen emitterterminal).

Følgelig blir netto kollektorstrøm etablert som gitt i følgende ligning 3.2:

Samlerstrøm IC måles i mA for alle generelle transistorer, mens ICO beregnes i uA eller nA.

ICO vil oppføre seg som en omvendt forspent diode og kan derfor være sårbar for temperaturendringer, og må derfor tas godt i betraktning under testing, spesielt i kretser som er designet for å fungere i vidt forskjellige temperaturområdescenarier, ellers kan resultatet bli enormt påvirket på grunn av temperaturfaktoren.

Når det er sagt, på grunn av de mange avanserte forbedringene i konstruksjonsoppsettet til de moderne transistorene, er ICO betydelig redusert og kan ignoreres fullstendig for alle dagens BJT-er.

I neste kapittel vil vi lære hvordan du konfigurerer BJT i ​​vanlig basemodus.

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