Bipolar Junction Transistor (BJT) - Konstruktion og operationelle detaljer

En bipolar transistor eller en BJT er en 3-terminal halvlederindretning, som er i stand til at forstærke eller skifte små signalindgangsspændinger og -strømme til betydeligt større udgangssignalspændinger og -strømme.

Hvordan Bipolar Junction Transistor BJT udviklede sig

I løbet af 1904–1947 var vakuumrøret utvivlsomt den elektroniske enhed med stor nysgerrighed og vækst. I 1904 blev vakuumrørsdioden lanceret af J. A. Fleming. Kort efter, i 1906, forbedrede Lee De Forest enheden med en tredje funktion, kendt som kontrolgitteret, der producerede den første forstærker og blev navngivet som trioden.

I de efterfølgende årtier inducerede radio og tv enorm inspiration til rørvirksomheden. Fremstillingen steg fra omkring 1 million rør i 1922 til omkring 100 millioner i 1937. I begyndelsen af ​​1930'erne fik 4-element tetrode og 5-element pentode popularitet i elektronrørbranchen.

I årene, der fulgte, udviklede fremstillingssektoren sig til en af ​​de vigtigste sektorer, og der blev skabt hurtige forbedringer for disse modeller i produktionsmetoderne i applikationer med høj effekt og høj frekvens og i retning af miniaturisering.

Den 23. december 1947 blev elektronikindustrien imidlertid vidne til ankomsten af ​​en helt ny 'retning af interesse' og forbedring. Det viste sig midt på dagen, at Walter H. Brattain og John Bardeen udstillede og beviste forstærkningsfunktionen for den allerførste transistor ved Bell Telephone Laboratories.

Den allerførste transistor (som var i form af en punktkontakt-transistor) er vist i figur 3.1.

Billede med tilladelse: https://commons.wikimedia.org/wiki/Fil:Replica-of-first-transistor.jpg

De positive aspekter af denne 3-benede solid-state-enhed i modsætning til røret var øjeblikkeligt mærkbare: Det viste sig at være meget mindre, kunne arbejde uden en 'varmelegeme' eller varmetab, var ubrydelig og stærk, var mere effektiv med hensyn til strømforbrug, kunne opbevares og tilgås med lethed, krævede ingen indledende opvarmning, og det fungerede med meget lavere driftsspændinger.

TRANSISTOR KONSTRUKTION

En transistor er grundlæggende en enhed bygget med 3 lag halvledermateriale, hvor enten 2 n-type og et enkelt p-type lag af materiale anvendes eller 2 p-type og et enkelt n-type materiale materiale. Den første type kaldes en NPN-transistor, mens den anden variant er navngivet som PNP-typen af ​​transistor.

Begge disse typer kunne visualiseres i figur 3.2 med passende DC-forspænding.

Vi har allerede lært hvordan i BJTs DC-forspænding blive afgørende for etablering af den krævede driftsregion og for AC-forstærkning. Til dette er emitter-sidelaget doteret mere signifikant sammenlignet med basissiden, som er doteret mindre signifikant.

De ydre lag er skabt med lag, der er meget større i tykkelse sammenlignet med p- eller n-type sandwichede materialer. I figur 3.2 ovenfor kan vi finde, at for denne type er andelen af ​​den samlede bredde i forhold til det centrale lag omkring 0,150 / 0,001: 150: 1. Den doping, der er implementeret over det sandwichede lag, er også relativt lavere end de udvendige lag, som typisk varierer over 10: 1 eller endnu mindre.

Denne form for reduceret dopingniveau sænker materialets ledningskapacitet og øger den resistive natur ved at begrænse mængden af fri bevægelige elektroner eller de 'frie' bærere.

I forspændingsdiagrammet kan vi også se, at enhedens terminaler vises ved hjælp af store bogstaver E for emitter, C for samler og B for base. I vores fremtidige diskussion forklarer jeg, hvorfor denne betydning tillægges disse terminaler.

Udtrykket BJT bruges også til forkortelse af bipolar transistor og udpeget til disse 3 terminalenheder. Udtrykket 'bipolar' indikerer relevansen af ​​de huller og elektroner, der er involveret under dopingprocessen med hensyn til et modsat polariseret stof.

TRANSISTORBETJENING

Lad os nu forstå den grundlæggende funktion af en BJT ved hjælp af en PNP-version af figur 3.2. Funktionsprincippet for en NPN-modstykke ville være nøjagtigt ens, hvis elektronernes deltagelse og hullerne simpelthen omveksles.

Som det kan ses i figur 3.3, er PNP-transistoren blevet tegnet igen, hvilket eliminerer basen til forspænding af kollektoren. Vi kan visualisere, hvordan udtømningsområdet ser indsnævret ud i bredden på grund af den inducerede forspænding, hvilket forårsager en massiv strøm af majoritetsbærere på tværs af p- til n-type materialer.

Hvis base-til-emitter-forspændingen af ​​pnp-transistoren fjernes som vist i figur 3.4, bliver strømmen fra majoritetsbærerne nul, hvilket kun tillader strømmen af ​​mindretalsbærere.

Kort kan vi forstå det i en forudindtaget situation et p-n-kryds af en BJT bliver omvendt forspændt, mens det andet kryds er forspændt.

I figur 3.5 kan vi se, at begge forspændingsspændinger påføres en pnp-transistor, hvilket forårsager den angivne majoritets- og minoritetsbærerstrøm. Her kan vi fra bredden af ​​depleteringsregionerne tydeligt visualisere, hvilket kryds der arbejder med en fremadrettet tilstand, og hvilken der er i omvendt forspændt.

Som vist i figuren ender en væsentlig mængde af de fleste bærere med at blive diffunderet over det fremadspændte p-n-kryds til materialet af n-typen. Dette rejser et spørgsmål i vores sind, kunne disse transportører spille en vigtig rolle for at fremme basisstrøm IB eller gøre det muligt at flyde direkte ind i p-type materiale?

I betragtning af at det sandwichede n-type indhold er utroligt tyndt og har minimal ledningsevne, vil et usædvanligt få af disse bærere tage denne særlige rute med høj modstand over baseterminalen.

Niveauet af basisstrømmen er normalt omkring mikroampere snarere end milliamperer for emitter- og kollektorstrømmene.

Det større interval af disse majoritetsbærere vil diffundere langs den omvendte forspændte krydsning i p-typen materiale, der er fastgjort til opsamlingsterminalen som påpeget i fig. 3.5.

Den egentlige årsag bag denne relative lethed, hvormed majoritetsbærerne får lov til at komme over den omvendte forspændte krydsning, realiseres hurtigt ved eksemplet med en omvendt forspændt diode, hvor de inducerede majoritetsbærere dukker op som minoritetsbærere i n-typen materiale.

For at sige det anderledes finder vi en introduktion af minoritetsbærere i n-type basisregionsmateriale. Med denne viden og sammen med det faktum, at for alle dioder, kommer alle mindretalsbærere i udtømningsområdet over det omvendte forspændte kryds, resulterer i strømmen af ​​elektroner, som angivet i figur 3.5.

Antager vi, at transistoren i figur 3.5 er en enkelt knude, kan vi anvende Kirchhoffs nuværende lov for at få følgende ligning:

Hvilket viser, at emitterstrømmen er lig med summen af ​​basis- og kollektorstrøm.

Samlerstrømmen består imidlertid af et par elementer, der er majoritets- og mindretalsbærere som bevist i figur 3.5.

Minoritetsstrømbærerelementet her udgør lækstrømmen og symboliseres som ICO (nuværende IC med en åben emitterterminal).

Derfor etableres nettoopsamlerstrømmen som angivet i følgende ligning 3.2:

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

ICO vil opføre sig som en omvendt forspændt diode og kan derfor være sårbar over for temperaturændringer og skal derfor passes passende under testning, især i kredsløb, der er designet til at arbejde i meget forskellige temperaturintervaller, ellers kan resultatet være enormt påvirket på grund af temperaturfaktoren.

Når det er sagt, på grund af de mange avancerede forbedringer i de moderne transistors konstruktionslayout er ICO betydeligt reduceret og kan ignoreres fuldstændigt for alle nutidens BJT'er.

I det næste kapitel lærer vi, hvordan man konfigurerer BJT'er i den fælles basetilstand.

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