الترانزستور ثنائي القطب- جهاز إلكتروني شبه موصل، وهو أحد أنواع الترانزستورات، مصمم لتضخيم وتوليد وتحويل الإشارات الكهربائية. يسمى الترانزستور ثنائي القطبنظرًا لأن نوعين من حاملات الشحن يشاركان في وقت واحد في تشغيل الجهاز - الإلكتروناتو الثقوب. هذا هو كيف يختلف عن أحادي القطبترانزستور (مؤثر ميداني)، يحتوي على نوع واحد فقط من حاملات الشحنة.

مبدأ تشغيل كلا النوعين من الترانزستورات يشبه تشغيل صنبور الماء الذي ينظم تدفق الماء، فقط تدفق الإلكترونات يمر عبر الترانزستور. في الترانزستورات ثنائية القطب، يمر تياران عبر الجهاز - التيار الرئيسي "الكبير"، والتيار التحكم "الصغير". تعتمد قوة التيار الرئيسي على قوة وحدة التحكم. مع الترانزستورات ذات التأثير الميداني، يمر تيار واحد فقط عبر الجهاز، وتعتمد قوته على المجال الكهرومغناطيسي. في هذه المقالة سوف نلقي نظرة فاحصة على عمل الترانزستور ثنائي القطب.

تصميم الترانزستور ثنائي القطب.

يتكون الترانزستور ثنائي القطب من ثلاث طبقات من أشباه الموصلات ووصلتين PN. تتميز الترانزستورات PNP و NPN بنوع تناوب الفتحة والتوصيل الإلكتروني. وهو يشبه الثنائيات المتصلة وجهاً لوجه أو العكس.

يحتوي الترانزستور ثنائي القطب على ثلاثة اتصالات (أقطاب كهربائية). يتم استدعاء جهة الاتصال الخارجة من الطبقة المركزية قاعدة.تسمى الأقطاب الكهربائية القصوى جامعو باعث (جامعو باعث). الطبقة الأساسية رقيقة جدًا بالنسبة للمجمع والباعث. بالإضافة إلى ذلك، فإن مناطق أشباه الموصلات الموجودة عند حواف الترانزستور غير متماثلة. تكون طبقة أشباه الموصلات الموجودة على جانب المجمع أكثر سمكًا قليلاً من جانب الباعث. وهذا ضروري لكي يعمل الترانزستور بشكل صحيح.

دعونا ننظر في العمليات الفيزيائية التي تحدث أثناء تشغيل الترانزستور ثنائي القطب. لنأخذ نموذج NPN كمثال. مبدأ تشغيل الترانزستور PNP مشابه، فقط قطبية الجهد بين المجمع والباعث ستكون معاكسة.

كما ذكرنا سابقًا في المقالة الخاصة بأنواع الموصلية في أشباه الموصلات، تحتوي المواد من النوع P على أيونات موجبة الشحنة - ثقوب. المادة من النوع N مشبعة بالإلكترونات سالبة الشحنة. في الترانزستور، تركيز الإلكترونات في المنطقة N يتجاوز بشكل كبير تركيز الثقوب في المنطقة P.

لنقم بتوصيل مصدر جهد بين المجمع والباعث V CE (V CE). بموجب عملها، ستبدأ الإلكترونات من الجزء العلوي N في الانجذاب إلى الزائد وتجمع بالقرب من المجمع. ومع ذلك، لن يتمكن التيار من التدفق لأن المجال الكهربائي لمصدر الجهد لا يصل إلى الباعث. يتم منع ذلك بواسطة طبقة سميكة من أشباه الموصلات المجمعة بالإضافة إلى طبقة من أشباه الموصلات الأساسية.

الآن دعونا نقوم بتوصيل الجهد بين القاعدة والباعث V BE ، ولكنه أقل بكثير من V CE (بالنسبة لترانزستورات السيليكون، الحد الأدنى المطلوب V BE هو 0.6V). نظرًا لأن الطبقة P رقيقة جدًا، بالإضافة إلى مصدر جهد متصل بالقاعدة، فإنها ستكون قادرة على "الوصول" بمجالها الكهربائي إلى المنطقة N للباعث. تحت تأثيره، سيتم توجيه الإلكترونات إلى القاعدة. سيبدأ البعض منهم في ملء الثقوب الموجودة هناك (إعادة التركيب). أما الجزء الآخر فلن يجد ثقبا حرا، لأن تركيز الثقوب في القاعدة أقل بكثير من تركيز الإلكترونات في الباعث.

ونتيجة لذلك، يتم إثراء الطبقة المركزية للقاعدة بالإلكترونات الحرة. سيذهب معظمهم نحو المجمع، لأن الجهد أعلى بكثير هناك. يتم تسهيل ذلك أيضًا من خلال السماكة الصغيرة جدًا للطبقة المركزية. بعض أجزاء الإلكترونات، حتى لو كانت أصغر بكثير، ستستمر في التدفق نحو الجانب الموجب للقاعدة.

نتيجة لذلك، نحصل على تيارين: صغير - من القاعدة إلى الباعث I BE، وكبير - من المجمع إلى الباعث I CE.

إذا قمت بزيادة الجهد عند القاعدة، فسوف يتراكم المزيد من الإلكترونات في الطبقة P. ونتيجة لذلك، فإن التيار الأساسي سوف يزيد قليلا، وسوف يزيد تيار المجمع بشكل كبير. هكذا، مع تغيير طفيف في التيار الأساسي Iب ، تيار المجمع يتغير بشكل كبيرس. هذا ما يحدث. تضخيم الإشارة في الترانزستور ثنائي القطب. تسمى نسبة تيار المجمع I C إلى التيار الأساسي I B بالكسب الحالي. معين β , hfeأو h21e، اعتمادًا على تفاصيل الحسابات التي تم إجراؤها باستخدام الترانزستور.

أبسط مضخم ترانزستور ثنائي القطب

دعونا نفكر بمزيد من التفصيل في مبدأ تضخيم الإشارة في المستوى الكهربائي باستخدام مثال الدائرة. اسمحوا لي أن أحجز مسبقًا أن هذا المخطط ليس صحيحًا تمامًا. لا أحد يقوم بتوصيل مصدر جهد مستمر مباشرة بمصدر تيار متردد. ولكن في هذه الحالة، سيكون من الأسهل والأكثر وضوحًا فهم آلية التضخيم نفسها باستخدام ترانزستور ثنائي القطب. كما أن تقنية الحساب نفسها في المثال أدناه مبسطة إلى حد ما.

1. وصف العناصر الرئيسية للدائرة

لذا، لنفترض أن لدينا ترانزستورًا بكسب قدره 200 (β = 200). على جانب المجمع، سنقوم بتوصيل مصدر طاقة قوي نسبيا 20 فولت، بسبب الطاقة التي سيحدث فيها التضخيم. من قاعدة الترانزستور نقوم بتوصيل مصدر طاقة ضعيف 2 فولت. سنقوم بتوصيله على التوالي بمصدر جهد متناوب على شكل موجة جيبية بسعة تذبذب قدرها 0.1 فولت. ستكون هذه إشارة يجب تضخيمها. يعد المقاوم Rb الموجود بالقرب من القاعدة ضروريًا للحد من التيار القادم من مصدر الإشارة، والذي عادةً ما يكون ذو طاقة منخفضة.

2. حساب تيار الإدخال الأساسي أنا ب

الآن دعونا نحسب التيار الأساسي I b. وبما أننا نتعامل مع الجهد المتردد، فإننا بحاجة إلى حساب قيمتين للتيار - عند الحد الأقصى للجهد (V max) والحد الأدنى (V min). دعنا نسمي هذه القيم الحالية على التوالي - أنا bmax و أنا bmin.

أيضًا، من أجل حساب تيار القاعدة، عليك معرفة جهد الباعث الأساسي V BE. يوجد وصلة PN واحدة بين القاعدة والباعث. اتضح أن التيار الأساسي "يلتقي" مع الصمام الثنائي لأشباه الموصلات في طريقه. الجهد الذي يبدأ عنده الصمام الثنائي لأشباه الموصلات في التوصيل هو حوالي 0.6 فولت. لن نخوض في تفاصيل خصائص الجهد الحالي للصمام الثنائي، ولتسهيل الحسابات سنأخذ نموذجًا تقريبيًا، والذي بموجبه يكون الجهد على الصمام الثنائي الحامل للتيار دائمًا 0.6 فولت. وهذا يعني أن الجهد بين القاعدة والباعث هو V BE = 0.6V. وبما أن الباعث متصل بالأرض (V E = 0)، فإن الجهد من القاعدة إلى الأرض هو أيضًا 0.6V (V B = 0.6V).

لنحسب I bmax وi bmin باستخدام قانون أوم:

2. حساب تيار خرج المجمع I C

الآن، بعد معرفة الكسب (β = 200)، يمكنك بسهولة حساب القيم القصوى والدنيا لتيار المجمع (I cmax وI cmin).

3. حساب الجهد الناتج V خارج

يتدفق تيار المجمع عبر المقاوم Rc، والذي قمنا بحسابه بالفعل. يبقى استبدال القيم:

4. تحليل النتائج

وكما يتبين من النتائج، تبين أن V Cmax أقل من V Cmin. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن الجهد عبر المقاوم V Rc يتم طرحه من جهد الإمداد VCC. ومع ذلك، في معظم الحالات، لا يهم، لأننا مهتمون بالمكون المتغير للإشارة - السعة، التي زادت من 0.1 فولت إلى 1 فولت. لم يتغير التردد والشكل الجيبي للإشارة. بالطبع، نسبة V out / V في عشر مرات بعيدة كل البعد عن أفضل مؤشر لمكبر الصوت، ولكنها مناسبة تمامًا لتوضيح عملية التضخيم.

لذلك، دعونا نلخص مبدأ تشغيل مكبر للصوت على أساس الترانزستور ثنائي القطب. يتدفق تيار I b عبر القاعدة، ويحمل مكونات ثابتة ومتغيرة. هناك حاجة إلى مكون ثابت حتى يبدأ تقاطع PN بين القاعدة والباعث في العمل - "يفتح". والمكون المتغير هو في الواقع الإشارة نفسها (معلومات مفيدة). إن تيار المجمع والباعث داخل الترانزستور هو نتيجة لتيار القاعدة مضروبًا في الكسب β. بدوره، فإن الجهد عبر المقاوم Rc أعلى المجمع هو نتيجة ضرب تيار المجمع المضخم بقيمة المقاوم.

وبالتالي، يستقبل الطرف V للخارج إشارة ذات سعة تذبذب متزايدة، ولكن بنفس الشكل والتردد. من المهم التأكيد على أن الترانزستور يستهلك الطاقة من أجل التضخيم من مصدر الطاقة VCC. إذا كان جهد الإمداد غير كافٍ، فلن يتمكن الترانزستور من العمل بشكل كامل، وقد تتشوه إشارة الخرج.

أوضاع تشغيل الترانزستور ثنائي القطب

وفقًا لمستويات الجهد على أقطاب الترانزستور، هناك أربعة أوضاع لتشغيله:

• وضع القطع.
• الوضع النشط.
• وضع التشبع.
• الوضع العكسي.

وضع القطع

عندما يكون جهد الباعث الأساسي أقل من 0.6 فولت - 0.7 فولت، يتم إغلاق وصلة PN بين القاعدة والباعث. في هذه الحالة، لا يوجد للترانزستور تيار أساسي. ونتيجة لذلك، لن يكون هناك تيار مجمع أيضًا، حيث لا توجد إلكترونات حرة في القاعدة جاهزة للتحرك نحو جهد المجمع. اتضح أن الترانزستور مغلق، ويقولون إنه موجود وضع القطع.

الوضع النشط

في الوضع النشطالجهد الكهربائي عند القاعدة كافٍ لفتح تقاطع PN بين القاعدة والباعث. في هذه الحالة، يكون للترانزستور تيارات قاعدية ومجمعة. تيار المجمع يساوي التيار الأساسي مضروبا في الكسب. أي أن الوضع النشط هو وضع التشغيل العادي للترانزستور، والذي يستخدم للتضخيم.

وضع التشبع

في بعض الأحيان قد يكون التيار الأساسي مرتفعًا جدًا. ونتيجة لذلك، فإن طاقة الإمداد ببساطة لا تكفي لتوفير مثل هذا الحجم من تيار المجمع الذي يتوافق مع كسب الترانزستور. في وضع التشبع، سيكون تيار المجمع هو الحد الأقصى الذي يمكن أن يوفره مصدر الطاقة ولن يعتمد على التيار الأساسي. في هذه الحالة، يكون الترانزستور غير قادر على تضخيم الإشارة، لأن تيار المجمع لا يستجيب للتغيرات في التيار الأساسي.

في وضع التشبع، تكون موصلية الترانزستور هي الحد الأقصى، وهي أكثر ملاءمة لوظيفة المفتاح (المفتاح) في حالة "التشغيل". وبالمثل، في وضع القطع، تكون موصلية الترانزستور في حدها الأدنى، وهذا يتوافق مع المفتاح في حالة إيقاف التشغيل.

الوضع العكسي

في هذا الوضع، يتغير دور المجمع والباعث: يكون تقاطع المجمع PN متحيزًا في الاتجاه الأمامي، ويكون تقاطع الباعث متحيزًا في الاتجاه المعاكس. ونتيجة لذلك، يتدفق التيار من القاعدة إلى المجمع. تكون منطقة أشباه الموصلات المجمعة غير متماثلة مع الباعث، ويكون الكسب في الوضع العكسي أقل منه في الوضع النشط العادي. تم تصميم الترانزستور بحيث يعمل بأكبر قدر ممكن من الكفاءة في الوضع النشط. لذلك، لا يتم استخدام الترانزستور عمليا في الوضع العكسي.

المعلمات الأساسية للترانزستور ثنائي القطب.

المكسب الحالي- نسبة تيار المجمع I C إلى تيار القاعدة I B. معين β , hfeأو h21e، اعتمادًا على تفاصيل الحسابات التي يتم إجراؤها باستخدام الترانزستورات.

β هي قيمة ثابتة لترانزستور واحد، وتعتمد على البنية المادية للجهاز. يتم حساب المكاسب العالية بمئات الوحدات، والمكاسب المنخفضة - بالعشرات. بالنسبة لترانزستورين منفصلين من نفس النوع، حتى لو كانا "جارين في خط الأنابيب" أثناء الإنتاج، قد يكون β مختلفًا قليلاً. ربما تكون هذه الخاصية للترانزستور ثنائي القطب هي الأكثر أهمية. إذا كان من الممكن في كثير من الأحيان إهمال المعلمات الأخرى للجهاز في الحسابات، فإن الكسب الحالي يكاد يكون مستحيلاً.

مقاومة المدخلات- المقاومة في الترانزستور التي "تلبي" التيار الأساسي. معين ر في (ر في). كلما كان أكبر، كلما كان ذلك أفضل لخصائص التضخيم للجهاز، حيث يوجد عادة على الجانب الأساسي مصدر إشارة ضعيفة، والتي تحتاج إلى استهلاك أقل قدر ممكن من التيار. الخيار المثالي هو عندما تكون مقاومة الإدخال لا نهاية لها.

مدخلات R للترانزستور ثنائي القطب المتوسط ​​هي عدة مئات من KΩ (كيلو أوم). هنا يفقد الترانزستور ثنائي القطب كثيرًا أمام ترانزستور التأثير الميداني، حيث تصل مقاومة الإدخال إلى مئات الجيجا أوم.

الموصلية الإخراج- موصلية الترانزستور بين المجمع والباعث. كلما زادت موصلية الخرج، زادت قدرة تيار المجمع والباعث على المرور عبر الترانزستور بقدرة أقل.

أيضًا، مع زيادة موصلية الخرج (أو انخفاض مقاومة الخرج)، يزداد الحمل الأقصى الذي يمكن أن يتحمله مكبر الصوت مع خسائر طفيفة في الكسب الإجمالي. على سبيل المثال، إذا قام الترانزستور ذو الموصلية المنخفضة للإخراج بتضخيم الإشارة 100 مرة دون تحميل، فعند توصيل حمل 1 كيلو أوم، سيتم تضخيمه بالفعل 50 مرة فقط. الترانزستور الذي له نفس الكسب ولكن موصلية خرج أعلى سيكون له انخفاض أقل في الكسب. الخيار المثالي هو عندما تكون موصلية الخرج لا نهاية لها (أو مقاومة الخرج R out = 0 (R out = 0)).

الترانزستور ثنائي القطب هو عنصر شبه موصل يحتوي على وصلتين p-n وثلاثة أطراف، ويعمل على تضخيم الإشارات أو تبديلها. أنها تأتي في أنواع p-n-p و n-p-n. يوضح الشكل 7.1 أ و ب رموزهما.

الشكل 7.1. الترانزستورات ثنائية القطب ودوائرها المكافئة للصمام الثنائي:أ) p-n-p، ب) الترانزستور n-p-n

يتكون الترانزستور من ثنائيين متصلين بشكل متعاكس، ولهما طبقة p- أو n مشتركة. يسمى القطب المتصل به القاعدة B. ويطلق على القطبين الآخرين اسم الباعث E والمجمع K. وتشرح دائرة الصمام الثنائي المكافئة الموضحة بجوار الرمز بنية التبديل لوصلات الترانزستور. على الرغم من أن هذا المخطط لا يصف وظائف الترانزستور بشكل كامل، إلا أنه يجعل من الممكن تخيل الفولتية العكسية والأمامية العاملة فيه. عادةً ما تكون الوصلة بين الباعث والقاعدة منحازة للأمام (مفتوحة)، وتكون الوصلة مع المجمع الأساسي منحازة عكسيًا (مغلقة). ولذلك، يجب تشغيل مصادر الجهد، كما هو مبين في الشكل 7.2.

الشكل 7.2. تبديل القطبية: أ) n-p-n، ب) الترانزستور p-n-p

تخضع الترانزستورات من النوع n-p-n للقواعد التالية (بالنسبة للترانزستورات من النوع p-n-p تظل القواعد كما هي، ولكن تجدر الإشارة إلى أنه يجب عكس أقطاب الجهد):

1. يمتلك المجمع إمكانات أكثر إيجابية من الباعث.

2. تعمل دوائر الباعث الأساسي والمجمع الأساسي مثل الثنائيات (الشكل 7.1). عادةً ما تكون الوصلة بين القاعدة والباعث مفتوحة وتكون الوصلة مع المجمع الأساسي منحازة عكسيًا، أي. الجهد المطبق يمنع التيار من التدفق من خلاله. ويترتب على هذه القاعدة أن الجهد بين القاعدة والباعث لا يمكن زيادته إلى أجل غير مسمى، لأن إمكانات القاعدة ستتجاوز إمكانات الباعث بأكثر من 0.6 - 0.8 فولت (الجهد الأمامي للصمام الثنائي)، وينشأ تيار كبير جدًا. وبالتالي، في الترانزستور العامل، ترتبط الفولتية عند القاعدة والباعث بالعلاقة التالية: UB ≈ UE+0.6V؛ (UB = UE + UBE).

3. يتميز كل ترانزستور بالقيم القصوى IK، IB، UKE. إذا تم تجاوز هذه المعلمات، يجب استخدام ترانزستور آخر. يجب أن تتذكر أيضًا القيم الحدية للمعلمات الأخرى، على سبيل المثال، الطاقة المتبددة لـ RC، ودرجة الحرارة، وUBE، وما إلى ذلك.

4. إذا تم اتباع القواعد 1-3، فإن تيار المجمع يتناسب طرديا مع تيار القاعدة. نسبة تيارات المجمع والباعث متساوية تقريبًا

IК = αIE، حيث α=0.95…0.99 هو معامل نقل تيار الباعث. الفرق بين تيارات الباعث والمجمع وفقًا لقانون كيرشوف الأول (وكما يتبين من الشكل 7.2، أ) هو التيار الأساسي IB = IE - IK. يعتمد تيار المجمع على تيار القاعدة وفقًا للتعبير: IK = βIB، حيث β=α/(1-α) هو معامل نقل التيار الأساسي، β >>1.

تحدد القاعدة 4 الخاصية الأساسية للترانزستور: تيار قاعدة صغير يتحكم في تيار مجمع كبير.

أوضاع تشغيل الترانزستور. يمكن تشغيل كل وصلة للترانزستور ثنائي القطب إما في الاتجاه الأمامي أو العكسي. اعتمادا على هذا، يتم تمييز أوضاع التشغيل الأربعة التالية للترانزستور.

تعزيز أو الوضع النشط- يتم تطبيق الجهد المباشر على تقاطع الباعث، ويتم تطبيق الجهد العكسي على تقاطع المجمع. إن وضع تشغيل الترانزستور هذا هو الذي يتوافق مع القيمة القصوى لمعامل نقل تيار الباعث. يتناسب تيار المجمع مع التيار الأساسي، مما يضمن الحد الأدنى من التشوه للإشارة المضخمة.

الوضع العكسي- يتم تطبيق الجهد المباشر على تقاطع المجمع، ويتم تطبيق الجهد العكسي على تقاطع الباعث. يؤدي الوضع العكسي إلى انخفاض كبير في معامل نقل التيار الأساسي للترانزستور مقارنة بتشغيل الترانزستور في الوضع النشط وبالتالي يتم استخدامه عمليًا فقط في الدوائر الرئيسية.

وضع التشبع- كلا الوصلتين (الباعث والمجمع) تحت جهد مباشر. لا يعتمد تيار الخرج في هذه الحالة على تيار الإدخال ويتم تحديده فقط من خلال معلمات التحميل. نظرًا للجهد المنخفض بين طرفي المجمع والباعث، يتم استخدام وضع التشبع لإغلاق دوائر نقل الإشارة.

وضع القطع- يتم تطبيق الفولتية العكسية على كلا التقاطعين. نظرًا لأن تيار الخرج للترانزستور في وضع القطع هو صفر تقريبًا، يتم استخدام هذا الوضع لفتح دوائر نقل الإشارة.

وضع التشغيل الرئيسي للترانزستورات ثنائية القطب في الأجهزة التناظرية هو الوضع النشط. في الدوائر الرقمية، يعمل الترانزستور في وضع التبديل، أي. إنه فقط في وضع القطع أو التشبع، متجاوزًا الوضع النشط.

تنقسم الترانزستورات إلى ثنائية القطب وتأثير ميداني. كل نوع من هذه الأنواع له مبدأ تشغيله وتصميمه الخاص، إلا أن القاسم المشترك بينهما هو وجود هياكل p-n لأشباه الموصلات.

تظهر رموز الترانزستورات في الجدول:

نوع الجهاز				رمز رسومي تقليدي (أوغو)
ثنائي القطب	نوع ثنائي القطب PNP
	نوع ثنائي القطب n-p-n
مجال	مع المدير السندات الإذنية تقاطع	مع قناة من النوع p
		مع قناة من النوع n
	مع عزل مصراع الترانزستورات موسفيت	مع المدمج في قناة	قناة مدمجة نوع ف
			قناة مدمجة نوع ن
		مع المستحث قناة	القناة المستحثة نوع ف
			القناة المستحثة نوع ن

الترانزستورات ثنائية القطب

يشير تعريف "ثنائي القطب" إلى أن عمل الترانزستور يرتبط بالعمليات التي تشارك فيها ناقلات الشحن من نوعين - الإلكترونات والثقوب.

الترانزستور هو جهاز شبه موصل مزود بفتحتين للإلكترون، مصمم لتضخيم وتوليد الإشارات الكهربائية. يستخدم الترانزستور كلا النوعين من الناقلات - الكبرى والثانوية، ولهذا يطلق عليه ثنائي القطب.

يتكون الترانزستور ثنائي القطب من ثلاث مناطق من شبه موصل أحادي البلورة مع أنواع مختلفة من الموصلية: الباعث والقاعدة والمجمع.

• ه - باعث،
• ب - القاعدة،
• ك - جامع،
• EP - تقاطع باعث،
• KP - تقاطع جامع،
• ث - سمك القاعدة.

يمكن تشغيل كل من انتقالات الترانزستور إما في الاتجاه الأمامي أو العكسي. اعتمادًا على ذلك، هناك ثلاثة أوضاع تشغيل للترانزستور:

1. وضع القطع - يتم إغلاق كلا الوصلتين p-n، بينما يتدفق تيار صغير نسبيًا عبر الترانزستور عادةً
2. وضع التشبع - كلا الوصلتين p-n مفتوحتان
3. الوضع النشط - أحد تقاطعات p-n مفتوح والآخر مغلق

في وضع القطع ووضع التشبع، لا يمكن التحكم في الترانزستور. يتم التحكم الفعال في الترانزستور فقط في الوضع النشط. هذا الوضع هو الوضع الرئيسي. إذا كان الجهد عند تقاطع الباعث مباشرًا، وعند تقاطع المجمع يكون عكسيًا، فإن تشغيل الترانزستور يعتبر طبيعيًا، وإذا كانت القطبية معاكسة، فهي معكوسة.

في الوضع العادي، يتم إغلاق تقاطع المجمع p-n، ويكون تقاطع الباعث مفتوحًا. يتناسب تيار المجمع مع التيار الأساسي.

تظهر حركة حاملات الشحنة في ترانزستور n-p-n في الشكل:

عندما يتم توصيل الباعث بالطرف السالب لمصدر الطاقة، يحدث تيار باعث. نظرًا لأنه يتم تطبيق جهد خارجي على وصلة الباعث في الاتجاه الأمامي، فإن الإلكترونات تعبر الوصلة وتدخل منطقة القاعدة. تتكون القاعدة من أشباه الموصلات p، لذا فإن الإلكترونات هي ناقلات شحنة أقلية لها.

تتحد الإلكترونات التي تدخل منطقة القاعدة جزئيًا مع الثقوب الموجودة في القاعدة. ومع ذلك، فإن القاعدة عادة ما تكون مصنوعة من موصل p رقيق للغاية ذو مقاومة عالية (محتوى شوائب منخفض)، وبالتالي فإن تركيز الثقوب في القاعدة منخفض ولا يتحد سوى عدد قليل من الإلكترونات التي تدخل القاعدة مع فتحاتها، وتشكل قاعدة إب الحالي. معظم الإلكترونات، بسبب الحركة الحرارية (الانتشار) وتحت تأثير مجال المجمع (الانجراف)، تصل إلى المجمع، وتشكل أحد مكونات تيار المجمع Ik.

تتميز العلاقة بين الزيادات في تيارات الباعث والمجمع بمعامل النقل الحالي

على النحو التالي من الفحص النوعي للعمليات التي تحدث في الترانزستور ثنائي القطب، فإن معامل النقل الحالي يكون دائمًا أقل من الوحدة. للترانزستورات ثنائية القطب الحديثة α = 0.9 ÷ 0.95

عندما يكون Ie ≠ 0، فإن تيار مجمع الترانزستور يساوي:

في دائرة الاتصال المدروسة، يكون القطب الكهربائي الأساسي شائعًا في دوائر الباعث والمجمع. تسمى هذه الدائرة لتوصيل الترانزستور ثنائي القطب بدائرة ذات قاعدة مشتركة، بينما تسمى دائرة الباعث بدائرة الإدخال، وتسمى دائرة المجمع بدائرة الخرج. ومع ذلك، نادرا ما تستخدم مثل هذه الدائرة لتشغيل الترانزستور ثنائي القطب.

ثلاث دوائر لتشغيل الترانزستور ثنائي القطب

توجد دوائر تبديل ذات قاعدة مشتركة وباعث مشترك ومجمع مشترك. تظهر دوائر الترانزستور pnp في الأشكال أ، ب، ج:

في الدائرة ذات القاعدة المشتركة (الشكل أ)، يكون القطب الأساسي مشتركًا في دوائر الإدخال والإخراج؛ وفي الدائرة ذات الباعث المشترك (الشكل ب)، يكون الباعث شائعًا في الدائرة ذات المجمع المشترك؛ (الشكل ج)، الجامع شائع.

يوضح الشكل: E1 – مصدر الطاقة لدائرة الإدخال، E2 – مصدر الطاقة لدائرة الخرج، Uin – مصدر الإشارة المضخمة.

دائرة التبديل الرئيسية هي تلك التي يكون فيها القطب المشترك لدوائر الإدخال والإخراج هو الباعث (دائرة التبديل لترانزستور ثنائي القطب مع باعث مشترك). في مثل هذه الدائرة، تمر دائرة الإدخال عبر وصلة الباعث الأساسي وينشأ فيها تيار أساسي:

أدت القيمة المنخفضة للتيار الأساسي في دائرة الإدخال إلى الاستخدام الواسع النطاق لدائرة الباعث المشترك.

ترانزستور ثنائي القطب في دائرة باعث مشترك (CE).

في الترانزستور المتصل وفقًا لدائرة OE، تسمى العلاقة بين التيار والجهد في دائرة دخل الترانزستور Ib = f1 (Ube) بالمدخل أو خاصية جهد التيار الأساسي (VC) للترانزستور. إن اعتماد تيار المجمع على الجهد بين المجمع والباعث عند قيم ثابتة للتيار الأساسي Iк = f2 (Uke)، Ib – const يسمى عائلة خصائص الخرج (المجمع) للترانزستور.

يظهر الشكل خصائص الجهد الكهربي للإدخال والإخراج للترانزستور ثنائي القطب متوسط ​​القدرة من النوع n-p-n:

كما يتبين من الشكل، فإن خاصية الإدخال مستقلة عمليا عن جهد Uke. خصائص الخرج متساوية تقريبًا عن بعضها البعض وخطية تقريبًا عبر نطاق واسع من تغيرات الجهد Uke.

الاعتماد Ib = f(Ube) هو خاصية الاعتماد الأسي لتيار تقاطع p-n المتحيز للأمام. نظرًا لأن تيار القاعدة هو إعادة التركيب، فإن قيمته Ib أقل بـ β مرات من تيار الباعث المحقون Ie. مع زيادة جهد المجمع Uk، تنتقل خاصية الإدخال إلى منطقة الفولتية الأعلى Ub. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه بسبب تعديل عرض القاعدة (التأثير المبكر)، تنخفض نسبة تيار إعادة التركيب في قاعدة الترانزستور ثنائي القطب. لا يتجاوز جهد Ube 0.6...0.8 فولت. سيؤدي تجاوز هذه القيمة إلى زيادة حادة في التيار المتدفق عبر تقاطع الباعث المفتوح.

يوضح الاعتماد Ik = f(Uke) أن تيار المجمع يتناسب طرديًا مع التيار الأساسي: Ik = B Ib

معلمات الترانزستور ثنائي القطب

تمثيل الترانزستور في وضع التشغيل ذو الإشارة الصغيرة كشبكة ذات أربع أطراف

في وضع التشغيل ذو الإشارة الصغيرة، يمكن تمثيل الترانزستور بشبكة ذات أربع أطراف. عندما تتغير الفولتية u1 و u2 والتيارات i1 و i2 وفقًا لقانون الجيبية، يتم إنشاء الاتصال بين الفولتية والتيارات باستخدام معلمات Z و Y و h.

الإمكانات 1، 2، 3 هي نفسها. من الملائم وصف الترانزستور باستخدام المعلمات h.

تتميز الحالة الكهربائية للترانزستور المتصل وفق دائرة بباعث مشترك بأربع كميات: Ib وUbe وIk وUke. يمكن اعتبار اثنتين من هذه الكميات مستقلة، ويمكن التعبير عن الكميتين الأخريين بدلالةهما. ولأسباب عملية، من المناسب اختيار الكميتين Ib وUke ككميتين مستقلتين. ثم Ube = f1 (Ib، Uke) وIk = f2 (Ib، Uke).

في أجهزة التضخيم، تكون إشارات الإدخال عبارة عن زيادات في جهود وتيارات الإدخال. ضمن الجزء الخطي من الخصائص، تكون المساواة التالية صحيحة بالنسبة للزيادات Ube وIk:

المعنى المادي للمعلمات:

بالنسبة للدائرة ذات OE، تتم كتابة المعاملات بالمؤشر E: h11e، h12e، h21e، h22e.

تشير بيانات جواز السفر إلى h21е = β، h21b = α. هذه المعلمات تميز جودة الترانزستور. لزيادة قيمة h21، تحتاج إما إلى تقليل عرض القاعدة W أو زيادة طول الانتشار، وهو أمر صعب للغاية.

الترانزستورات المركبة

ولزيادة قيمة h21، يتم توصيل الترانزستورات ثنائية القطب باستخدام دائرة دارلينجتون:

في الترانزستور المركب الذي له نفس خصائص ترانزستور واحد، يتم توصيل القاعدة VT1 بالباعث VT2 وΔIе2 = ΔIb1. يتم توصيل مجمعات كلا الترانزستورات وهذه المحطة هي محطة الترانزستور المركب. يلعب القاعدة VT2 دور قاعدة الترانزستور المركب ΔIb = ΔIb2، ويلعب الباعث VT1 دور باعث الترانزستور المركب ΔIe = ΔI1.

دعونا نحصل على تعبير عن الكسب الحالي β لدائرة دارلينجتون. دعونا نعبر عن العلاقة بين التغير في تيار القاعدة dIb والتغير الناتج في تيار المجمع dIk للترانزستور المركب كما يلي:

نظرًا لأن الكسب الحالي للترانزستورات ثنائية القطب عادة ما يكون عدة عشرات (β1، β2 >> 1)، فسيتم تحديد الكسب الإجمالي للترانزستور المركب من خلال حاصل ضرب مكاسب كل ترانزستور βΣ = β1 · β2 ويمكن أن يكون كبيرًا جدًا في قيمة.

دعونا نلاحظ ميزات وضع التشغيل لهذه الترانزستورات. نظرًا لأن تيار الباعث VT2 Ie2 هو التيار الأساسي VT1 dIb1 ، لذلك يجب أن يعمل الترانزستور VT2 في وضع الطاقة الدقيقة ، والترانزستور VT1 - في وضع الحقن العالي ، تختلف تيارات باعثها بمقدار 1-2 أوامر من حيث الحجم. مع هذا الاختيار دون المستوى الأمثل لخصائص التشغيل للترانزستورات ثنائية القطب VT1 وVT2، لا يمكن تحقيق قيم كسب تيار عالية في كل منهما. ومع ذلك، حتى مع قيم الكسب β1، β2 ≈ 30، فإن الكسب الإجمالي βΣ سيكون βΣ ≈ 1000.

يتم تحقيق قيم الكسب العالية في الترانزستورات المركبة فقط في الوضع الإحصائي، لذلك تستخدم الترانزستورات المركبة على نطاق واسع في مراحل إدخال مكبرات الصوت التشغيلية. في الدوائر ذات الترددات العالية، لم تعد الترانزستورات المركبة تتمتع بمثل هذه المزايا، بل على العكس من ذلك، فكل من تردد التضخيم الحالي وسرعة تشغيل الترانزستورات المركبة أقل من نفس المعلمات لكل من الترانزستورات VT1، VT2 بشكل منفصل.

خصائص التردد للترانزستورات ثنائية القطب

تتم عملية انتشار ناقلات الشحنة الأقلية التي يتم حقنها في القاعدة من الباعث إلى تقاطع المجمع عن طريق الانتشار. هذه العملية بطيئة جدًا، ولن تصل الحاملات المحقونة من الباعث إلى المجمع في موعد لا يتجاوز أثناء انتشار الناقلات عبر القاعدة. سيؤدي مثل هذا التأخير إلى تحول الطور بين Ie الحالي وIk الحالي. عند الترددات المنخفضة، تتزامن مراحل التيارات Ie وIk وIb.

يُطلق على تردد إشارة الدخل الذي يتناقص عنده معامل الكسب بمعامل مقارنة بالقيمة الثابتة β0 التردد المحدد لتضخيم التيار لترانزستور ثنائي القطب في دائرة باعث مشترك

Fβ – الحد من التردد (تردد القطع)
fgr – تردد القطع (تردد كسب الوحدة)

تأثير الترانزستور الميدان

تستخدم الترانزستورات ذات التأثير الميداني، أو أحادية القطب، تأثير المجال كمبدأ فيزيائي رئيسي. على عكس الترانزستورات ثنائية القطب، حيث يكون كلا النوعين من الناقلات، الكبرى والثانوية، مسؤولين عن تأثير الترانزستور، تستخدم ترانزستورات التأثير الميداني نوعًا واحدًا فقط من الناقلات لتحقيق تأثير الترانزستور. لهذا السبب، تسمى الترانزستورات ذات التأثير الميداني أحادية القطب. اعتمادًا على ظروف تنفيذ التأثير الميداني، تنقسم ترانزستورات التأثير الميداني إلى فئتين: ترانزستورات التأثير الميداني مع بوابة معزولة وترانزستورات التأثير الميداني مع وصلة تحكم p-n.

ترانزستورات التأثير الميداني مع وصلة التحكم p-n

من الناحية التخطيطية، يمكن تمثيل ترانزستور التأثير الميداني مع وصلة التحكم pn على شكل لوحة، يتم توصيل الأقطاب الكهربائية والمصدر والصرف في نهاياتها. في التين. يُظهر مخطط الهيكل والاتصال لترانزستور التأثير الميداني بقناة من النوع n:

في الترانزستور ذو القناة n، تكون معظم حاملات الشحنة في القناة عبارة عن إلكترونات، والتي تتحرك على طول القناة من مصدر منخفض الجهد إلى مصدر ذو جهد أعلى، مما ينتج عنه تيار تصريف Ic. يتم تطبيق جهد كهربائي بين البوابة والمصدر، مما يؤدي إلى سد الوصلة p-n التي تشكلها المنطقة n للقناة والمنطقة p للبوابة.

عندما يتم تطبيق جهد مانع على تقاطع p-n Uzi، تظهر طبقة موحدة عند حدود القناة، مستنفدة من حاملات الشحنة ولها مقاومة عالية. وهذا يؤدي إلى انخفاض في العرض الموصل للقناة.

ومن خلال تغيير قيمة هذا الجهد، من الممكن تغيير المقطع العرضي للقناة، وبالتالي تغيير قيمة المقاومة الكهربائية للقناة. بالنسبة لترانزستور تأثير المجال ذو القناة n، يكون جهد التصريف موجبًا بالنسبة إلى جهد المصدر. عندما يتم تأريض البوابة، يتدفق التيار من المصرف إلى المصدر. لذلك، لإيقاف التيار، يجب تطبيق جهد عكسي لعدة فولتات على البوابة.

تسمى قيمة جهد عوزي، والتي يصبح عندها التيار عبر القناة مساوية تقريبًا للصفر، بجهد القطع أوزاب

وبالتالي، فإن الترانزستور ذو التأثير الميداني مع بوابة على شكل تقاطع p-n يمثل مقاومة، يتم تنظيم قيمتها بواسطة جهد خارجي.

يتميز ترانزستور التأثير الميداني بخاصية الجهد الحالي التالية:

هنا، اعتماد تيار التصريف Ic على الجهد عند جهد ثابت عند بوابة Uzi يحدد خصائص الخرج أو التصريف لترانزستور التأثير الميداني. في القسم الأولي من الخصائص Usi + |Uzi |< Uзап ток стока Iс возрастает с увеличением Uси . При повышении напряжения сток - исток до Uси = Uзап - |Uзи | происходит перекрытие канала и дальнейший рост тока Iс прекращается (участок насыщения). Отрицательное напряжение Uзи между затвором и истоком смещает момент перекрытия канала в сторону меньших значений напряжения Uси и тока стока Iс . Участок насыщения является рабочей областью выходных характеристик полевого транзистора. Дальнейшее увеличение напряжения Uси приводит к пробою р-n-перехода между затвором и каналом и выводит транзистор из строя.

تُظهر خاصية الجهد الحالي Ic = f(Uzi) جهد Uzap. بما أن Uzi ≥ 0 فإن تقاطع p-n مغلق وتيار البوابة صغير جدًا، حوالي 10 -8…10-9 ألذلك، فإن المزايا الرئيسية لترانزستور التأثير الميداني، مقارنة بالترانزستور ثنائي القطب، تشمل مقاومة عالية للمدخل، حوالي 10 10…1013 أوم. وبالإضافة إلى ذلك، فهي تتميز بالضوضاء المنخفضة وسهولة التصنيع.

هناك نوعان من مخططات التبديل الرئيسية التي لها تطبيق عملي. دائرة ذات مصدر مشترك (الشكل أ) ودائرة ذات استنزاف مشترك (الشكل ب)، كما هو موضح في الشكل:

ترانزستورات تأثير المجال البوابة المعزولة
(ترانزستورات MOS)

يستخدم مصطلح "ترانزستور MOS" للإشارة إلى ترانزستورات التأثير الميداني التي يتم فيها فصل قطب التحكم - البوابة - عن المنطقة النشطة لترانزستور التأثير الميداني بواسطة طبقة عازلة - عازل. العنصر الأساسي لهذه الترانزستورات هو هيكل عازل المعدن وأشباه الموصلات (MDS).

تظهر تقنية ترانزستور MOS مع بوابة مدمجة في الشكل:

يُطلق على شبه الموصل الأصلي الذي يُصنع عليه ترانزستور MOS اسم الركيزة (دبوس P). تسمى المنطقتان n+ المشبعتان بشدة بالمصدر (I) والصرف (C). تسمى منطقة الركيزة الموجودة أسفل البوابة (3) بالقناة المدمجة (قناة n).

الأساس المادي لتشغيل ترانزستور التأثير الميداني بهيكل عازل معدني وأشباه الموصلات هو التأثير الميداني. تأثير المجال هو أنه تحت تأثير مجال كهربائي خارجي يتغير تركيز ناقلات الشحنة الحرة في المنطقة القريبة من السطح لأشباه الموصلات. في الأجهزة الميدانية ذات بنية MIS، يحدث المجال الخارجي بسبب الجهد المطبق على قطب البوابة المعدنية. اعتمادًا على علامة وحجم الجهد المطبق، قد تكون هناك حالتان لمنطقة الشحنة الفضائية (SCR) في القناة - التخصيب والنضوب.

يتوافق وضع الاستنفاد مع جهد سلبي عوزي، حيث ينخفض ​​\u200b\u200bتركيز الإلكترون في القناة، مما يؤدي إلى انخفاض في تيار الصرف. يتوافق وضع التخصيب مع جهد إيجابي عوزي وزيادة في تيار التصريف.

تظهر خاصية الجهد الحالي في الشكل:

يظهر الشكل طوبولوجيا ترانزستور MOS مع قناة من النوع p المستحثة (المستحثة):

عندما يكون Uzi = 0 لا توجد قناة ويكون Ic = 0. يمكن أن يعمل الترانزستور فقط في وضع التخصيب Uzi< 0. Если отрицательное напряжение Uзи превысит пороговое Uзи.пор , то происходит формирование инверсионного канала. Изменяя величину напряжения на затворе Uзи в области выше порогового Uзи.пор , можно менять концентрацию свободных носителей в инверсионном канале и сопротивление канала. Источник напряжения в стоковой цепи Uси вызовет ток стока Iс .

تظهر خاصية الجهد الحالي في الشكل:

في ترانزستورات MOS، يتم فصل البوابة عن شبه الموصل بطبقة من أكسيد SiO2. ولذلك فإن مقاومة المدخلات لهذه الترانزستورات تبلغ حوالي 1013 ... 1015 أوم.

تشمل المعلمات الرئيسية للترانزستورات ذات التأثير الميداني ما يلي:

• ميل الخاصية عند Usp = const، Upi = const. قيم المعلمات النموذجية هي (0.1...500) مللي أمبير/فولت؛
• ميل الخاصية على طول الركيزة عند Usp = const، Uzi = const. قيم المعلمات النموذجية (0.1...1) مللي أمبير/فولت؛
• تيار التصريف الأولي Is.init. - تصريف التيار عند قيمة جهد صفر عوزي. قيم المعلمات النموذجية: (0.2...600) مللي أمبير – للترانزستورات ذات وصلة p-n لقناة التحكم؛ (0.1...100) مللي أمبير – للترانزستورات ذات القناة المدمجة؛ (0.01...0.5) μA – للترانزستورات ذات القناة المستحثة؛
• قطع الجهد Uzi.ots. . القيم النموذجية (0.2...10) V؛ عتبة الجهد يصل. القيم النموذجية (1...6) V؛
• مقاومة مصدر الصرف في الحالة المفتوحة. القيم النموذجية (2..300) أوم
• المقاومة التفاضلية (الداخلية): عند Uzi = const؛
• الربح الإحصائي: μ = S ri

الثايرستور

الثايرستور هو جهاز من أشباه الموصلات يحتوي على ثلاثة أو أكثر من الوصلات ذات الفتحات الإلكترونية. وهي تستخدم أساسا كمفاتيح إلكترونية. اعتمادًا على عدد المحطات الخارجية، يتم تقسيمها إلى ثايرستورات ذات طرفين خارجيين - دينيستورات وثايرستورات بثلاثة أطراف - ثايرستورات. يتم استخدام رمز الحرف VS لتعيين الثايرستور.

تصميم ومبدأ تشغيل الدينستور

يظهر الشكل الهيكلي و UGO وخصائص الجهد الحالي لدينستور:



تسمى المنطقة p الخارجية الأنود (A)، وتسمى المنطقة n الخارجية الكاثود (K). تم تحديد ثلاث تقاطعات p-n بالأرقام 1، 2، 3. هيكل الدينستور هو 4 طبقات - p-n-p-n.

يتم تغذية جهد الإمداد E إلى الدينستور بطريقة تجعل إحدى الوصلات الثلاثة مفتوحة وتكون مقاومتها ضئيلة، ويتم إغلاق الانتقال 2 ويتم تطبيق كل جهد الإمداد العلوي عليه. يتدفق تيار عكسي صغير عبر الدينستور، ويتم فصل الحمل R عن مصدر الطاقة E.

عندما يتم الوصول إلى جهد حرج يساوي جهد التشغيل Uon، يتم فتح الانتقال 2، بينما تكون التحولات الثلاثة 1، 2، 3 في حالة الفتح (التشغيل). تنخفض مقاومة الدينستور إلى أعشار الأوم.

جهد التشغيل هو عدة مئات من الفولتات. ينفتح الدينستور وتتدفق من خلاله تيارات كبيرة. يبلغ انخفاض الجهد عبر الدينستور في الحالة المفتوحة 1-2 فولت ويعتمد قليلاً على حجم التيار المتدفق الذي تبلغ قيمته τa ≈ E / R و UR ≈ E، أي. يتم توصيل الحمل بمصدر الطاقة E. ويسمى الجهد عبر الدينستور، الموافق للحد الأقصى للنقطة المسموح بها Iopen.max، بجهد الحالة المفتوحة Uokr. الحد الأقصى للتيار المسموح به يتراوح من مئات مللي أمبير إلى مئات أمبير. يكون الدينستور في الحالة المفتوحة حتى يصبح التيار المتدفق من خلاله أقل من اللولب الحالي. يتم إغلاق الدينستور عندما ينخفض ​​الجهد الخارجي إلى قيمة حوالي 1 فولت أو عندما تتغير قطبية المصدر الخارجي. ولذلك، يتم استخدام مثل هذا الجهاز في دوائر التيار العابر. تتوافق النقطتان B و D مع القيم الحدية لتيارات الدينستور والفولتية. يبلغ وقت استرداد مقاومة الانتقال 2 بعد إزالة جهد الإمداد حوالي 10-30 ميكروثانية.

من حيث المبدأ، فإن أجهزة الديناستور هي أجهزة عمل رئيسية. في حالة التشغيل (قسم BV) يشبه المفتاح المغلق، وفي حالة إيقاف التشغيل (قسم EG) يشبه المفتاح المفتوح.

تصميم ومبدأ تشغيل الثايرستور (الثايرستور)

الثايرستور هو جهاز يمكن التحكم فيه. يحتوي على قطب تحكم (CE) متصل بشبه موصل من النوع p أو شبه موصل من النوع n للوصلة الوسطى 2.

يظهر الشكل الهيكل و UGO وخصائص الجهد الحالي للثلاثي (يسمى عادةً الثايرستور) في الشكل:



يمكن تقليل جهد Uoff، الذي تبدأ عنده زيادة تشبه الانهيار الجليدي في التيار، عن طريق إدخال ناقلات شحن أقلية في أي من الطبقات المجاورة للوصلة 2. يظهر مدى انخفاض Uon في خاصية الجهد الحالي. المعلمة المهمة هي تيار التحكم في الفتح Iу.оt، والذي يضمن أن الثايرستور يتحول إلى الحالة المفتوحة عند الفولتية أقل من الجهد Uon. يوضح الشكل ثلاث قيم لتشغيل واجهة المستخدم للجهد< Un вкл < Um вкл соответствует трем значениям управляющего тока UI у.от >Un u.ot > أم u.ot .

دعونا ننظر في أبسط دائرة مع الثايرستور المحمل على حمل المقاوم Rн






• Ia – تيار الأنود (تيار الطاقة في دائرة الأنود والكاثود في الثايرستور) ؛
• Uak – الجهد بين الأنود والكاثود.
• Iу - التحكم في تيار القطب (يتم استخدام نبضات التيار في الدوائر الحقيقية) ؛
• Uuk هو الجهد بين قطب التحكم والكاثود.
• Upit – جهد الإمداد.

لنقل الثايرستور إلى الحالة المفتوحة، يتم تزويد القطب غير المتحكم به من دائرة توليد النبض بنبضة تحكم قصيرة المدى (في حدود عدة ميكروثانية).

من السمات المميزة للثايرستور غير القابل للقفل قيد النظر، والذي يستخدم على نطاق واسع جدًا في الممارسة العملية، أنه لا يمكن إيقاف تشغيله باستخدام تيار التحكم.

لإيقاف الثايرستور عمليًا، يتم تطبيق الجهد العكسي UAC عليه< 0 и поддерживают это напряжение в течении времени, большего так называемого времени выключения tвыкл . Оно обычно составляет единицы или десятки микросекунд.

تصميم ومبدأ تشغيل التيرستورات

يتم استخدام ما يسمى بالثايرستور المتماثل (triacs، triacs) على نطاق واسع. يشبه كل ترياك زوجًا من الثايرستورات المدروسة، المتصلة ظهرًا لظهر. الثايرستور المتماثل هو جهاز يتم التحكم فيه بخاصية جهد التيار المتماثل. للحصول على خاصية متناظرة، يتم استخدام هياكل أشباه الموصلات p-n-p-n-p على الوجهين.

يظهر الشكل هيكل الترياك وخصائص UGO والجهد الحالي:



يحتوي الترياك (التيراك) على اثنين من الثايرستور p1-n1-p2-n2 وp2-n2-p1-n4 متصلين بالتتابع. يحتوي الترياك على 5 انتقالات P1-P2-P3-P4-P5. في حالة عدم وجود إلكترون تحكم، يسمى الترياك UE بالدياك.

مع وجود قطبية موجبة على القطب E1، يحدث تأثير الثايرستور في p1-n1-p2-n2، ومع قطبية معاكسة في p2-n1-p1-n4.

عندما يتم تطبيق جهد التحكم على UE، اعتمادًا على قطبيته وحجمه، يتغير جهد التبديل Uon

الثايرستور (dinistors، الثايرستور، triacs) هي العناصر الرئيسية في أجهزة إلكترونيات الطاقة. هناك الثايرستورات التي يكون جهد التبديل فيها أكبر من 1 كيلو فولت، والحد الأقصى للتيار المسموح به أكبر من 1 كيلو أمبير

المفاتيح الإلكترونية

لزيادة كفاءة أجهزة إلكترونيات الطاقة، يتم استخدام وضع التشغيل النبضي للثنائيات والترانزستورات والثايرستور على نطاق واسع. يتميز وضع النبض بالتغيرات المفاجئة في التيارات والفولتية. في وضع النبض، يتم استخدام الثنائيات والترانزستورات والثايرستور كمفاتيح.

باستخدام المفاتيح الإلكترونية، يتم تبديل الدوائر الإلكترونية: توصيل/فصل الدائرة من/إلى مصادر (مصادر) الطاقة الكهربائية أو الإشارة، توصيل أو فصل عناصر الدائرة، تغيير معلمات عناصر الدائرة، تغيير نوع مصدر الإشارة المؤثرة.

تظهر مفاتيح UGO المثالية في الشكل:

المفاتيح التي تعمل على الفتح والإغلاق على التوالي.




يتميز وضع المفتاح بحالتين: "تشغيل"/"إيقاف".

تتميز المفاتيح المثالية بتغير فوري في المقاومة، والتي يمكن أن تأخذ القيمة 0 أو ∞. انخفاض الجهد عبر المفتاح المغلق المثالي هو 0. عندما يكون المفتاح مفتوحًا، يكون التيار 0.

وتتميز المفاتيح الحقيقية أيضًا بقيمتي مقاومة شديدة Rmax وRmin. يحدث الانتقال من قيمة مقاومة إلى أخرى في المحولات الحقيقية في وقت محدد. انخفاض الجهد عبر مفتاح مغلق حقيقي ليس صفراً.

تنقسم المفاتيح إلى مفاتيح تستخدم في الدوائر منخفضة الطاقة ومفاتيح تستخدم في الدوائر عالية الطاقة. كل فئة من هذه الفئات لها خصائصها الخاصة.

وتتميز المفاتيح المستخدمة في الدوائر منخفضة الطاقة بما يلي:

1. المقاومة الرئيسية في الدول المفتوحة والمغلقة؛
2. الأداء - الوقت الذي يستغرقه المفتاح للانتقال من حالة إلى أخرى؛
3. انخفاض الجهد على مفتاح مغلق وتيار التسرب على مفتاح مفتوح؛
4. الحصانة ضد الضوضاء – قدرة المفتاح على البقاء في إحدى الحالات عند تعرضه للتداخل؛
5. حساسية المفتاح هي حجم إشارة التحكم التي تنقل المفتاح من حالة إلى أخرى؛
6. جهد العتبة - قيمة جهد التحكم الذي يوجد بالقرب منه تغير حاد في مقاومة المفتاح الإلكتروني.

مفاتيح إلكترونية ديود

أبسط نوع من المفاتيح الإلكترونية هو مفاتيح الصمام الثنائي. يوضح الشكل دائرة تبديل الصمام الثنائي وخاصية النقل الثابت وخاصية الجهد الحالي واعتماد المقاومة التفاضلية على جهد الصمام الثنائي:

يعتمد مبدأ تشغيل المفتاح الإلكتروني للصمام الثنائي على تغيير قيمة المقاومة التفاضلية للصمام الثنائي لأشباه الموصلات بالقرب من قيمة جهد العتبة على الصمام الثنائي Uthr. يوضح الشكل "ج" خاصية جهد التيار للدايود شبه الموصل، والذي يوضح قيمة Uthr. تقع هذه القيمة عند تقاطع محور الجهد مع الظل المرسوم للعضو الصاعد لخاصية الجهد الحالي.

يوضح الشكل "د" اعتماد المقاومة التفاضلية على الجهد عبر الصمام الثنائي. يستنتج من الشكل أنه على مقربة من جهد العتبة 0.3 فولت هناك تغيير حاد في المقاومة التفاضلية للصمام الثنائي بقيم متطرفة تبلغ 900 و 35 أوم (Rmin = 35 أوم، Rmax = 900 أوم).

في حالة "التشغيل"، يكون الصمام الثنائي مفتوحًا وUout ≈ Uin.

في حالة "إيقاف التشغيل"، يتم إغلاق الصمام الثنائي و Uout ≈ Uin · Rн / Rmax<

من أجل تقليل وقت التبديل، يتم استخدام الثنائيات ذات السعة الانتقالية المنخفضة في حدود 0.5-2 pF، مع توفير وقت إيقاف في حدود 0.5-0.05 μs.

لا تسمح مفاتيح الصمام الثنائي بالفصل الكهربائي بين دوائر التحكم والتحكم، وهو ما يكون مطلوبًا غالبًا في الدوائر العملية.

مفاتيح الترانزستور

تعتمد غالبية الدوائر المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر وأجهزة التحكم عن بعد وأنظمة التحكم الآلي وما إلى ذلك على مفاتيح الترانزستور.

تظهر في الشكل دوائر التبديل على الترانزستور ثنائي القطب وخصائص الجهد الحالي:

يتم تحديد الحالة الأولى "إيقاف" (الترانزستور مغلق) بالنقطة A1 على خصائص خرج الترانزستور؛ يطلق عليه وضع القطع. في وضع القطع، التيار الأساسي Ib = 0، وتيار المجمع Ik1 يساوي تيار المجمع الأولي، وجهد المجمع Uk = Uk1 ≈ Ek. يتم تنفيذ وضع القطع عند Uin = 0 أو عند الإمكانات الأساسية السلبية. في هذه الحالة، تصل مقاومة المفتاح إلى قيمتها القصوى: Rmax =، حيث RT هي مقاومة الترانزستور في الحالة المغلقة، أكثر من 1 MOhm.

يتم تحديد الحالة الثانية "تشغيل" (الترانزستور مفتوح) بالنقطة A2 على خاصية الجهد الحالي وتسمى وضع التشبع. من وضع القطع (A1) إلى وضع التشبع (A2)، يتم تبديل الترانزستور بواسطة جهد دخل موجب Uin. في هذه الحالة، يأخذ الجهد Uout قيمة دنيا Uk2 = Uk.e.us في حدود 0.2-1.0 فولت، وتيار المجمع Ik2 = Ik.us ≈ Ek / Rk. يتم تحديد التيار الأساسي في وضع التشبع من الحالة: Ib > Ib.us = Ik.us / h21.

يتم تحديد جهد الدخل المطلوب لتحويل الترانزستور إلى الحالة المفتوحة من الحالة: U في> Ib.us · Rb + Uk.e.us

يتم تفسير المناعة الجيدة للضوضاء وتبديد الطاقة المنخفض في الترانزستور من خلال حقيقة أن الترانزستور في معظم الأحيان يكون إما مشبعًا (A2) أو مغلقًا (A1)، ويكون وقت الانتقال من حالة إلى أخرى جزءًا صغيرًا من المدة من هذه الدول. يتم تحديد وقت تبديل المفاتيح على الترانزستورات ثنائية القطب من خلال السعات الحاجزة لوصلات p-n وعمليات تراكم وامتصاص حاملات شحنة الأقلية في القاعدة.

لزيادة السرعة ومقاومة المدخلات، يتم استخدام مفاتيح الترانزستور ذات التأثير الميداني.

تظهر في الشكل دوائر التبديل على ترانزستورات التأثير الميداني مع وصلة تحكم pn ومع قناة مستحثة ذات مصدر مشترك واستنزاف مشترك.

لأي مفتاح على ترانزستور التأثير الميداني Rн> 10-100 كيلو أوم.

تبلغ إشارة التحكم Uin عند البوابة حوالي 10-15 فولت. وتكون مقاومة ترانزستور التأثير الميداني في الحالة المغلقة عالية، حوالي 108 -109 أوم.

يمكن أن تكون مقاومة ترانزستور التأثير الميداني في الحالة المفتوحة 7-30 أوم. يمكن أن تكون مقاومة ترانزستور التأثير الميداني على طول دائرة التحكم 108 -109 أوم. (الدوائر "أ" و "ب") و1012 -1014 أوم (الدوائر "ج" و "د").

أجهزة أشباه الموصلات (الطاقة).

تُستخدم أجهزة أشباه موصلات الطاقة في إلكترونيات الطاقة، وهو مجال التكنولوجيا الأكثر تطورًا والواعد. وهي مصممة للتحكم في تيارات تبلغ عشرات ومئات الأمبيرات، وفولتية تبلغ عشرات ومئات الفولتات.

تشتمل أجهزة أشباه موصلات الطاقة على الثايرستورات (الدينستورات والثايرستورات والترياك) والترانزستورات (ثنائية القطب وتأثير المجال) والترانزستورات ثنائية القطب المستحثة بشكل ثابت (IGBT). يتم استخدامها كمفاتيح إلكترونية تعمل على تبديل الدوائر الإلكترونية. يحاولون تقريب خصائصهم من خصائص المفاتيح المثالية.

وفقًا لمبدأ التشغيل والخصائص والمعلمات، تشبه الترانزستورات عالية الطاقة الترانزستورات منخفضة الطاقة، ولكن هناك ميزات معينة.

ترانزستورات تأثير مجال الطاقة

يعد ترانزستور التأثير الميداني حاليًا أحد أكثر أجهزة الطاقة الواعدة. الترانزستورات الأكثر استخدامًا هي ترانزستورات البوابة المعزولة وترانزستورات القناة المستحثة. لتقليل مقاومة القناة، يتم تقليل طولها. ولزيادة تيار التصريف، يتم عمل مئات وآلاف القنوات في الترانزستور، ويتم توصيل القنوات على التوازي. احتمال التسخين الذاتي للترانزستور ذو التأثير الميداني صغير لأنه تزداد مقاومة القناة مع زيادة درجة الحرارة.

ترانزستورات تأثير مجال الطاقة لها هيكل عمودي. يمكن وضع القنوات عموديًا وأفقيًا.

ترانزستور ديموس

يحتوي ترانزستور MOS هذا، المصنوع بطريقة الانتشار المزدوج، على قناة أفقية. يوضح الشكل عنصر هيكل يحتوي على قناة.

الترانزستور VMOS

يحتوي ترانزستور MOS على شكل V على قناة عمودية. يوضح الشكل عنصر هيكلي يحتوي على قناتين.

من السهل أن نرى أن هياكل ترانزستور VMOS وترانزستور DMIS متشابهة.

ترانزستور IGBT

IGBT هو جهاز أشباه الموصلات الهجين. فهو يجمع بين طريقتين للتحكم في التيار الكهربائي، أحدهما نموذجي للترانزستورات ذات التأثير الميداني (التحكم في المجال الكهربائي)، والثاني للترانزستورات ثنائية القطب (التحكم في حقن الناقلات الكهربائية).

عادة، تستخدم IGBTs بنية ترانزستور MOS للقناة المستحثة من النوع n. يختلف هيكل هذا الترانزستور عن هيكل ترانزستور DMIS بطبقة إضافية من أشباه الموصلات من النوع p.

يرجى ملاحظة أن مصطلحات "الباعث" و"المجمع" و"البوابة" تُستخدم بشكل شائع للإشارة إلى أقطاب IGBT.

تؤدي إضافة طبقة من النوع p إلى تكوين بنية ترانزستور ثنائية القطب ثانية (نوع pnp). وهكذا، IGBT لديه هيكلين ثنائي القطب - نوع n-p-n ونوع p-n-p.

تظهر دائرة إيقاف تشغيل UGO وIGBT في الشكل:

يظهر الشكل النموذجي لخصائص الإخراج:

الجلوس الترانزستور

SIT عبارة عن ترانزستور ذو تأثير ميداني مع وصلة تحكم p-n مع تحريض ثابت. إنه متعدد القنوات وله هيكل عمودي. يظهر الشكل التخطيطي لـ SIT ودائرة اتصال المصدر المشترك:

تكون مناطق أشباه الموصلات من النوع p على شكل أسطوانات يبلغ قطرها بضعة ميكرومترات أو أكثر. يعمل نظام الأسطوانة هذا كمصراع. يتم توصيل كل أسطوانة بقطب البوابة (في الشكل "أ" لا يظهر قطب البوابة).

تشير الخطوط المنقطة إلى مناطق تقاطعات p-n. العدد الفعلي للقنوات يمكن أن يكون الآلاف. عادةً ما يتم استخدام SIT في دوائر المصدر المشترك.

كل جهاز من الأجهزة المعنية له مجال التطبيق الخاص به. تُستخدم مفاتيح الثايرستور في الأجهزة التي تعمل بترددات منخفضة (كيلو هرتز وأقل). العيب الرئيسي لهذه المفاتيح هو أدائها المنخفض.

المجال الرئيسي لتطبيق الثايرستور هو الأجهزة منخفضة التردد ذات قدرة تحويل عالية تصل إلى عدة ميجاوات، والتي لا تفرض متطلبات أداء جدية.

تُستخدم الترانزستورات ثنائية القطب القوية كمفاتيح عالية الجهد في الأجهزة ذات تردد تحويل أو تحويل في حدود 10-100 كيلو هرتز، مع مستوى طاقة خرج من بضعة واط إلى عدة كيلوواط. النطاق الأمثل لتبديل الفولتية هو 200-2000 فولت.

تُستخدم الترانزستورات ذات التأثير الميداني (MOSFETs) كمفاتيح إلكترونية لتبديل الأجهزة ذات الجهد المنخفض والتردد العالي. لا تتجاوز القيم المثلى لجهود التبديل 200 فولت (القيمة القصوى تصل إلى 1000 فولت)، بينما يمكن أن يتراوح تردد التبديل من بضعة كيلو هرتز إلى 105 كيلو هرتز. نطاق التيارات المبدلة هو 1.5-100 أمبير. الخصائص الإيجابية لهذا الجهاز هي إمكانية التحكم بالجهد وليس التيار، واعتماد أقل على درجة الحرارة مقارنة بالأجهزة الأخرى.

تُستخدم الترانزستورات ثنائية القطب ذات البوابة المعزولة (IGBTs) بترددات أقل من 20 كيلو هرتز (تُستخدم بعض أنواع الأجهزة بترددات أعلى من 100 كيلو هرتز) مع قوى تبديل أعلى من 1 كيلو واط. لا تقل الفولتية المبدلة عن 300-400 فولت. القيم المثلى للفولطية المبدلة أعلى من 2000 فولت. تتطلب IGBT وMOSFET جهدًا لا يزيد عن 12-15 فولت للتشغيل الكامل للجهد السلبي؛ الأجهزة. تتميز بسرعات تحويل عالية.

المواد اللازمة للتحضير للحصول على الشهادة

صفحة 1 من 2

تصميم ومبدأ تشغيل الترانزستور ثنائي القطب

الترانزستور ثنائي القطب هو جهاز شبه موصل يحتوي على تقاطعين بفتحة إلكترون مكونة في بلورة واحدة من شبه الموصل. تشكل هذه التحولات ثلاث مناطق في أشباه الموصلات ذات أنواع مختلفة من التوصيل الكهربائي. تسمى إحدى المناطق المتطرفة الباعث (E)، والآخر - المجمع (K)، الأوسط - القاعدة (B). يتم لحام الخيوط المعدنية في كل منطقة لتوصيل الترانزستور بالدائرة الكهربائية.
الموصلية الكهربائية للباعث والمجمع معاكسة للتوصيل الكهربائي للقاعدة. اعتمادًا على ترتيب تناوب المناطق p- و n، يتم تمييز الترانزستورات ذات الهياكل p-n-p و n-p-n. تختلف الرموز الرسومية التقليدية لترانزستورات p-n-p وn-p-n فقط في اتجاه السهم عند القطب الذي يشير إلى الباعث.

مبادئ تشغيل الترانزستورات p-n-p و n-p-n هي نفسها، لذلك في المستقبل سننظر فقط في تشغيل الترانزستور بهيكل p-n-p.
يُطلق على تقاطع ثقب الإلكترون الذي يتكون من باعث وقاعدة تقاطع باعث، ويسمى الوصل المجمع والقاعدة بوصلة المجمع. المسافة بين الوصلات صغيرة جدًا: بالنسبة للترانزستورات عالية التردد فهي أقل من 10 ميكرومتر (1 ميكرومتر = 0.001 مم)، وبالنسبة للترانزستورات منخفضة التردد فهي لا تتجاوز 50 ميكرومتر.
عندما يعمل الترانزستور، تستقبل وصلاته الفولتية الخارجية من مصدر الطاقة. اعتمادًا على قطبية هذه الفولتية، يمكن تشغيل كل وصلة إما في الاتجاه الأمامي أو العكسي. هناك ثلاثة أوضاع تشغيل للترانزستور: 1) وضع القطع - كلا التحولات، وبالتالي الترانزستور مغلق تمامًا؛ 2) وضع التشبع - الترانزستور مفتوح تمامًا؛ 3) الوضع النشط - هذا وضع وسط بين الوضعين الأولين. يتم استخدام وضعي القطع والتشبع معًا في المراحل الرئيسية، عندما يكون الترانزستور مفتوحًا تمامًا أو مغلقًا تمامًا بالتناوب مع تردد النبضات التي تصل إلى قاعدته. تُستخدم الشلالات التي تعمل في وضع التبديل في الدوائر النبضية (تبديل مصادر الطاقة، ومراحل إخراج المسح الأفقي لأجهزة التلفزيون، وما إلى ذلك). يمكن أن تعمل مراحل الإخراج لمضخمات الطاقة جزئيًا في وضع القطع.
غالبًا ما تستخدم الترانزستورات في الوضع النشط. يتم تحديد هذا الوضع من خلال تطبيق جهد صغير على قاعدة الترانزستور، وهو ما يسمى الجهد المتحيز (U cm). يفتح الترانزستور قليلاً ويبدأ التيار بالتدفق خلال تحولاته. يعتمد مبدأ تشغيل الترانزستور على حقيقة أن تيارًا صغيرًا نسبيًا يتدفق عبر تقاطع الباعث (التيار الأساسي) يتحكم في تيار أكبر في دائرة المجمع. تيار الباعث هو مجموع تيارات القاعدة والمجمع.

أوضاع تشغيل الترانزستور ثنائي القطب

وضع القطع يتم الحصول على الترانزستور عندما تكون وصلات الباعث والمجمع p-n متصلة بمصادر خارجية في الاتجاه المعاكس. في هذه الحالة، تتدفق تيارات باعث عكسي صغيرة جدًا عبر كلا الوصلتين pn ( أنا إيبو) والجامع ( أنا كي بي أو). التيار الأساسي يساوي مجموع هذه التيارات، ويتراوح، اعتمادًا على نوع الترانزستور، من وحدات الميكرو أمبير - μA (لترانزستورات السيليكون) إلى وحدات المللي أمبير - مللي أمبير (لترانزستورات الجرمانيوم).

إذا كانت وصلات الباعث والمجمع p-n متصلة بمصادر خارجية في الاتجاه الأمامي، فسيكون الترانزستور في وضع التشغيل وضع التشبع . سيتم إضعاف المجال الكهربائي المنتشر لوصلات الباعث والمجمع جزئيًا بواسطة المجال الكهربائي الناتج عن مصادر خارجية يو إبو يو كيلو بايت. ونتيجة لذلك، فإن حاجز الجهد الذي يحد من انتشار ناقلات الشحنة الرئيسية سوف يتضاءل، وسيبدأ اختراق (حقن) الثقوب من الباعث والمجمع إلى القاعدة، أي أن تيارات تسمى تيارات تشبع الباعث سوف تتدفق عبر باعث ومجمع الترانزستور ( أنا إي) وجامع ( أنا ك).

تستخدم لتضخيم الإشارات الوضع النشط لتشغيل الترانزستور .
عندما يعمل الترانزستور في الوضع النشط، يتم تشغيل وصلة الباعث الخاصة به في الاتجاه الأمامي، ويتم تشغيل وصلة المجمع في الاتجاه العكسي.

تحت الجهد المباشر شإبيتم حقن الثقوب من الباعث في القاعدة. مرة واحدة في القاعدة من النوع n، تصبح الثقوب حاملات شحنة أقلية فيها، وتحت تأثير قوى الانتشار، تتحرك (منتشرة) إلى تقاطع المجمع p-n. يتم ملء (إعادة دمج) بعض الثقوب الموجودة في القاعدة بالإلكترونات الحرة الموجودة فيها. ومع ذلك، فإن عرض القاعدة صغير - من عدة وحدات إلى 10 ميكرون. ولذلك، فإن الجزء الرئيسي من الثقوب يصل إلى تقاطع المجمع p-n ويتم نقله بواسطة مجاله الكهربائي إلى المجمع. ومن الواضح أن جامع الحالي أنا ك صلا يمكن أن يكون هناك تيار باعث أكثر، حيث أن بعض الثقوب تتحد مرة أخرى في القاعدة. لهذا أنا ك ع = ح 21 ب أناأوه
ضخامة ح 21 بيسمى معامل النقل الثابت لتيار الباعث. للترانزستورات الحديثة ح 21 ب= 0.90...0.998. نظرًا لأن تقاطع المجمع يتم تبديله في الاتجاه المعاكس (غالبًا ما يقال - متحيز في الاتجاه المعاكس) ، فإن التيار العكسي يتدفق عبره أيضًا أنا اتفاقية الأسلحة البيولوجية ، مكونة من حاملات الأقلية للقاعدة (الثقوب) والمجمع (الإلكترونات). لذلك، فإن إجمالي تيار المجمع للترانزستور متصل وفقًا لدائرة ذات قاعدة مشتركة

أنال = ح 21 ب أناأوه +أنااتفاقية الأسلحة البيولوجية
الثقوب التي لم تصل إلى تقاطع المجمع وأعيد تجميعها (مملوءة) في القاعدة تعطيها شحنة موجبة. لاستعادة الحياد الكهربائي للقاعدة، يتم تزويدها بنفس عدد الإلكترونات من الدائرة الخارجية. إن حركة الإلكترونات من الدائرة الخارجية إلى القاعدة تخلق تيار إعادة التركيب فيها أنا ب.ريك.بالإضافة إلى تيار إعادة التركيب، يتدفق تيار المجمع العكسي عبر القاعدة في الاتجاه المعاكس وتيار القاعدة الكامل
I B = I B.rek - I KBO
في الوضع النشط، يكون التيار الأساسي أقل بعشرات ومئات المرات من تيار المجمع وتيار الباعث.

دوائر توصيل الترانزستور ثنائي القطب

في الرسم البياني السابق، الدائرة الكهربائية المتكونة من المصدر يو إب، الباعث وقاعدة الترانزستور، يسمى الإدخال، والدائرة التي يتكون منها المصدر يو كيلو بايت، المجمع وقاعدة نفس الترانزستور، هو الناتج. القاعدة هي القطب المشترك للترانزستور لدوائر الإدخال والإخراج، وبالتالي فإن إدراجها يسمى دائرة ذات قاعدة مشتركة، أو باختصار "مخطط OB".

يوضح الشكل التالي دائرة يكون فيها الباعث هو القطب المشترك لدوائر الإدخال والإخراج. هذه دائرة باعث مشتركة، أو "مخطط OE".

فيه، تيار الخرج، كما هو الحال في دائرة OB، هو تيار المجمع أنا ك، يختلف قليلاً عن تيار الباعث أي، والمدخل هو التيار الأساسي أنا ب، أقل بكثير من تيار المجمع. التواصل بين التيارات أنا بو أنا كفي مخطط OE يتم تحديده بالمعادلة: أنا ك= ح 21 ه أنا ب + أناكيو
عامل التناسب ح 21 يسمى E معامل نقل التيار الأساسي الثابت. يمكن التعبير عنها من حيث معامل النقل الثابت لتيار الباعث ح 21 ب
ح 21 ه = ح 21 ب / (1 —ح 21 ب )
لو ح 21 بيقع ضمن نطاق 0.9...0.998، القيم المقابلة ح 21 E سيكون ضمن 9...499.
عنصر أنايُطلق على Keo اسم تيار المجمع العكسي في دائرة OE. قيمتها هي 1+ ح 21 ه مرات أكثر من أنااتفاقية الأسلحة البيولوجية، أي. أناكيو =(1+ ح 21 ه ) أنا KBO. التيارات العكسية أنااتفاقية الأسلحة البيولوجية و أنالا يعتمد الرؤساء التنفيذيون على جهد الإدخال يو إبو يو بيونتيجة لذلك تسمى المكونات غير المنضبطة لتيار المجمع. تعتمد هذه التيارات بشدة على درجة الحرارة المحيطة وتحدد الخواص الحرارية للترانزستور. وقد ثبت أن القيمة الحالية العكسية أنايتضاعف معدل BER مع زيادة درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية للجرمانيوم و8 درجات مئوية لترانزستورات السيليكون. في دائرة OE، تتغير درجة الحرارة في التيار العكسي غير المنضبط أنايمكن أن يكون KEO أعلى بعشرات ومئات المرات من التغيرات في درجات الحرارة للتيار العكسي غير المنضبط أنا BWC وتعطيل عمل الترانزستور تمامًا. لذلك، في دوائر الترانزستور، يتم استخدام تدابير خاصة لتحقيق الاستقرار الحراري لشلالات الترانزستور، مما يساعد على تقليل تأثير التغيرات في درجات الحرارة في التيارات على تشغيل الترانزستور.
من الناحية العملية، غالبًا ما تكون هناك دوائر يكون فيها القطب المشترك لدوائر الإدخال والإخراج للترانزستور هو المجمع. هذه دائرة اتصال مع جامع مشترك، أو "دائرة موافق" (تابع باعث) .

إذا نظرنا إلى نظائرها الميكانيكية، فإن تشغيل الترانزستورات يشبه مبدأ تشغيل نظام التوجيه الهيدروليكي في السيارة. لكن التشابه لا يكون صالحًا إلا للوهلة الأولى، نظرًا لأن الترانزستورات لا تحتوي على صمامات. في هذه المقالة سننظر بشكل منفصل في تشغيل الترانزستور ثنائي القطب.

جهاز الترانزستور ثنائي القطب

أساس جهاز الترانزستور ثنائي القطب هو مادة شبه موصلة. صُنعت بلورات أشباه الموصلات الأولى للترانزستورات من الجرمانيوم؛ أما اليوم فيُستخدم فيها السيليكون وزرنيخيد الغاليوم. أولاً، يتم إنتاج مادة شبه موصلة نقية ذات شبكة بلورية مرتبة جيدًا. ثم يتم إعطاء البلورة الشكل المطلوب ويتم إدخال شوائب خاصة في تركيبتها (المادة مخدرة)، مما يمنحها خصائص معينة للتوصيل الكهربائي. إذا كانت الموصلية ناتجة عن حركة الإلكترونات الزائدة، يتم تعريفها على أنها مانحة من النوع n (إلكترونية). إذا كانت موصلية شبه الموصل ناتجة عن الاستبدال المتسلسل للمواضع الشاغرة، ما يسمى بالثقوب، بواسطة الإلكترونات، فإن هذه الموصلية تسمى المستقبل (الثقب) ويتم تعيينها بموصلية من النوع p.

الصورة 1.

تتكون بلورة الترانزستور من ثلاثة أجزاء (طبقات) مع التناوب المتسلسل لنوع الموصلية (n-p-n أو p-n-p). تشكل التحولات من طبقة إلى أخرى حواجز محتملة. يسمى الانتقال من القاعدة إلى الباعث باعث(EP)، إلى المجمع – جامع(ك.ب). في الشكل 1، يظهر هيكل الترانزستور على أنه متماثل ومثالي. من الناحية العملية، أثناء الإنتاج، تكون أحجام المناطق غير متماثلة إلى حد كبير، تقريبًا كما هو موضح في الشكل 2. مساحة تقاطع المجمع أكبر بكثير من تقاطع الباعث. الطبقة الأساسية رقيقة جدًا، في حدود عدة ميكرونات.

الشكل 2.

مبدأ تشغيل الترانزستور ثنائي القطب

أي وصلة p-n للترانزستور تعمل بالمثل. وعندما يُطبق فرق جهد على قطبيه، فإنه "ينزاح". إذا كان فرق الجهد المطبق موجبًا مشروطًا، وفتحت الوصلة pn، يقال أن الوصلة منحازة للأمام. عند تطبيق فرق جهد سلبي مشروط، يحدث انحياز عكسي للوصلة، حيث يتم قفلها. من سمات تشغيل الترانزستور أنه مع انحياز إيجابي لانتقال واحد على الأقل، تكون المنطقة العامة، التي تسمى القاعدة، مشبعة بالإلكترونات أو الشواغر الإلكترونية (اعتمادًا على نوع موصلية المادة الأساسية)، مما يسبب انخفاض كبير في الحاجز المحتمل للانتقال الثاني، ونتيجة لذلك، الموصلية في ظل التحيز العكسي.

أوضاع التشغيل

يمكن تقسيم جميع دوائر توصيل الترانزستور إلى نوعين: طبيعيو معكوس.

الشكل 3.

دائرة تبديل الترانزستور العاديةيتضمن تغيير التوصيل الكهربائي لوصلة المجمع عن طريق التحكم في انحياز تقاطع الباعث.

مخطط عكسي، على عكس الوضع الطبيعي، يسمح لك بالتحكم في موصلية تقاطع الباعث عن طريق التحكم في انحياز تقاطع المجمع. الدائرة العكسية هي نظير متماثل للدائرة العادية، ولكن بسبب عدم التماثل الهيكلي للترانزستور ثنائي القطب، فهي غير فعالة للاستخدام، ولديها قيود أكثر صرامة على الحد الأقصى للمعلمات المسموح بها ولا يتم استخدامها عمليا.

مع أي دائرة تبديل، يمكن للترانزستور أن يعمل في ثلاثة أوضاع: وضع القطع, الوضع النشطو وضع التشبع.

لوصف العمل، يعتبر اتجاه التيار الكهربائي في هذه المقالة تقليديًا هو اتجاه الإلكترونات، أي. من القطب السالب لمصدر الطاقة إلى القطب الموجب. دعونا نستخدم الرسم البياني في الشكل 4 لهذا الغرض.

الشكل 4.

وضع القطع

بالنسبة للوصلة pn، يوجد حد أدنى لجهد التحيز الأمامي الذي تكون عنده الإلكترونات قادرة على التغلب على الحاجز المحتمل لهذا الوصلة. وهذا يعني أنه عند جهد انحياز أمامي يصل إلى قيمة العتبة هذه، لا يمكن أن يتدفق أي تيار عبر الوصلة. بالنسبة لترانزستورات السيليكون، تبلغ قيمة هذه العتبة حوالي 0.6 فولت. وبالتالي، مع دائرة التبديل العادية، عندما لا يتجاوز الانحياز الأمامي لوصلة الباعث 0.6 فولت (لترانزستورات السيليكون)، لا يتدفق أي تيار عبر القاعدة، يكون غير مشبعة بالإلكترونات، ونتيجة لذلك لا يوجد انبعاث للإلكترونات الأساسية إلى منطقة المجمع، أي. لا يوجد تيار جامع (صفر).

وبالتالي، فإن الشروط الضرورية لوضع القطع هي الهويات:

يو بي<0,6 В

أنا ب = 0

الوضع النشط

في الوضع النشط، ينحرف تقاطع الباعث في الاتجاه الأمامي حتى لحظة إلغاء القفل (يبدأ التيار بالتدفق) بجهد أكبر من 0.6 فولت (لترانزستورات السيليكون)، وتقاطع المجمع في الاتجاه العكسي. إذا كانت القاعدة ذات موصلية من النوع p، فسيتم نقل (حقن) الإلكترونات من الباعث إلى القاعدة، والتي يتم توزيعها على الفور في طبقة رقيقة من القاعدة وتصل جميعها تقريبًا إلى حدود المجمع. يؤدي تشبع القاعدة بالإلكترونات إلى انخفاض كبير في حجم وصلة المجمع، والتي من خلالها يتم دفع الإلكترونات، تحت تأثير الجهد السلبي من الباعث والقاعدة، إلى منطقة المجمع، وتتدفق عبر محطة المجمع، وبالتالي مما تسبب في تيار المجمع. الطبقة الرقيقة جدًا من القاعدة تحد من مرور تيارها الأقصى عبر مقطع عرضي صغير جدًا في اتجاه مخرج القاعدة. لكن هذا السمك الصغير للقاعدة يسبب تشبعها السريع بالإلكترونات. تعتبر منطقة الوصلة مهمة، مما يخلق الظروف الملائمة لتدفق تيار كبير من مجمع الباعث، أكبر بعشرات ومئات المرات من التيار الأساسي. وبالتالي، من خلال تمرير تيارات ضئيلة عبر القاعدة، يمكننا تهيئة الظروف لمرور تيارات أكبر بكثير عبر المجمع. كلما زاد تيار القاعدة، زاد تشبعه، وزاد تيار المجمع. يتيح لك هذا الوضع التحكم بسلاسة (تنظيم) في موصلية تقاطع المجمع عن طريق تغيير (تنظيم) التيار الأساسي بالمقابل. يتم استخدام خاصية الوضع النشط للترانزستور في دوائر مكبر الصوت المختلفة.

في الوضع النشط، تيار الباعث للترانزستور هو مجموع تيار القاعدة وتيار المجمع:

أنا ه = أنا ك + أنا ب

يمكن التعبير عن تيار المجمع على النحو التالي:

أنا ك = α أي

حيث α هو معامل نقل تيار الباعث

ومن المعادلات المذكورة أعلاه يمكننا الحصول على ما يلي:

حيث β هو عامل التضخيم الحالي الأساسي.

وضع التشبع

يحدد الحد الأقصى لزيادة التيار الأساسي حتى اللحظة التي يظل فيها تيار المجمع دون تغيير نقطة التشبع الأقصى للقاعدة بالإلكترونات. لن تؤدي الزيادة الإضافية في التيار الأساسي إلى تغيير درجة تشبعه، ولن تؤثر على تيار المجمع بأي شكل من الأشكال، بل يمكن أن تؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المادة في منطقة التلامس الأساسية وفشل الترانزستور. يمكن أن تشير البيانات المرجعية للترانزستورات إلى قيم تيار التشبع والحد الأقصى المسموح به لتيار القاعدة، أو جهد تشبع قاعدة الباعث والحد الأقصى المسموح به لجهد قاعدة الباعث. تحدد هذه الحدود وضع تشبع الترانزستور في ظل ظروف التشغيل العادية.

يكون وضع القطع ووضع التشبع فعالين عندما تعمل الترانزستورات كمفاتيح إلكترونية لتبديل دوائر الإشارة والطاقة.

الفرق في مبدأ تشغيل الترانزستورات ذات الهياكل المختلفة

تم النظر في حالة تشغيل الترانزستور n-p-n أعلاه. تعمل ترانزستورات هياكل pnp بشكل مشابه، ولكن هناك اختلافات أساسية يجب أن تعرفها. تتمتع مادة أشباه الموصلات ذات الموصلية المستقبلة من النوع p بإنتاجية إلكترون منخفضة نسبيًا، لأنها تعتمد على مبدأ انتقال الإلكترون من موقع شاغر (ثقب) إلى آخر. عندما يتم استبدال جميع الشواغر بالإلكترونات، فإن حركتها تكون ممكنة فقط عندما تظهر الشواغر في اتجاه الحركة. مع وجود مساحة كبيرة من هذه المواد، سيكون لها مقاومة كهربائية كبيرة، مما يؤدي إلى مشاكل أكبر عند استخدامها باعتبارها المجمع والباعث الأكثر ضخامة للترانزستورات ثنائية القطب p-n-p مقارنةً باستخدامها في طبقة أساسية رقيقة جدًا من ترانزستورات n-p-n. تتمتع المواد شبه الموصلة ذات الموصلية المانحة من النوع n بالخصائص الكهربائية للمعادن الموصلة، مما يجعلها أكثر فائدة للاستخدام كباعث ومجمع، كما هو الحال في الترانزستورات n-p-n.

هذه السمة المميزة لمختلف هياكل الترانزستور ثنائي القطب تؤدي إلى صعوبات كبيرة في إنتاج أزواج من المكونات ذات هياكل مختلفة وخصائص كهربائية مماثلة لبعضها البعض. إذا انتبهت إلى البيانات المرجعية الخاصة بخصائص أزواج الترانزستورات، ستلاحظ أنه عندما يتم تحقيق نفس الخصائص لترانزستورين من نوعين مختلفين، على سبيل المثال KT315A وKT361A، على الرغم من قوة المجمع المتطابقة (150 ميجاوات) وما يقرب من نفس كسب التيار (20-90) ، لديهم أقصى تيارات مجمعة مسموح بها ، وفولتية قاعدة الباعث ، وما إلى ذلك.

ملاحظة. تم تفسير هذا الوصف لمبدأ تشغيل الترانزستور من وجهة نظر النظرية الروسية، وبالتالي لا يوجد وصف لعمل المجالات الكهربائية على الشحنات الإيجابية والسلبية الوهمية. تجعل الفيزياء الروسية من الممكن استخدام نماذج ميكانيكية أبسط ومفهومة وأقرب إلى الواقع من التجريدات في شكل مجالات كهربائية ومغناطيسية، وشحنات موجبة وكهربائية، والتي تخدعنا بها المدرسة التقليدية غدرًا. لهذا السبب، لا أوصي باستخدام النظرية المذكورة دون التحليل والفهم الأولي عند التحضير للاختبارات والدورات الدراسية وأنواع أخرى من العمل؛ قد لا يقبل معلموك ببساطة المعارضة، حتى لو كانت تنافسية ومتسقة تمامًا من وجهة نظر مشتركة العقل والمنطق. بالإضافة إلى ذلك، من جهتي، هذه هي المحاولة الأولى لوصف عمل جهاز أشباه الموصلات من موقع الفيزياء الروسية، ويمكن تحسينه واستكماله في المستقبل.