إذا أخذنا في الاعتبار النظراء الميكانيكيين ، فإن تشغيل الترانزستورات يشبه مبدأ تشغيل التوجيه الهيدروليكي في السيارة. لكن التشابه صالح فقط عند التقريب الأول ، حيث لا توجد صمامات في الترانزستورات. في هذه المقالة ، سننظر بشكل منفصل في تشغيل الترانزستور ثنائي القطب.

جهاز الترانزستور ثنائي القطب

أساس جهاز الترانزستور ثنائي القطب هو مادة شبه موصلة. تم صنع بلورات أشباه الموصلات الأولى للترانزستورات من الجرمانيوم ، واليوم يتم استخدام السيليكون وزرنيخيد الغاليوم بشكل أكثر شيوعًا. أولاً ، يتم إنتاج مادة شبه موصلة نقية ذات شبكة بلورية جيدة الترتيب. ثم يتم إعطاء البلورة الشكل اللازم ويتم إدخال شوائب خاصة في تركيبتها (المادة مخلوطة) ، مما يمنحها خصائص معينة للتوصيل الكهربائي. إذا كانت الموصلية ناتجة عن حركة الإلكترونات الزائدة ، يتم تعريفها على أنها مانحة (إلكترونية) من النوع n. إذا كانت موصلية أشباه الموصلات ناتجة عن الاستبدال المتتالي للأماكن الشاغرة ، ما يسمى بالثقوب ، بالإلكترونات ، فإن هذه الموصلية تسمى متقبل (ثقب) ويشار إليها من خلال الموصلية من النوع p.

الصورة 1.

تتكون بلورة الترانزستور من ثلاثة أجزاء (طبقات) بالتناوب التسلسلي لنوع التوصيل (n-p-n أو p-n-p). تشكل الانتقالات من طبقة إلى أخرى حواجز محتملة. يسمى الانتقال من القاعدة إلى الباعث باعث(EP) ، للمجمع - جامع(كب). يوضح الشكل 1 هيكل الترانزستور على أنه متماثل ومثالي. من الناحية العملية ، أثناء الإنتاج ، تكون أحجام المناطق غير متماثلة بشكل كبير ، تقريبًا كما هو موضح في الشكل 2. تتجاوز منطقة تقاطع المجمع بشكل كبير تقاطع الباعث. الطبقة الأساسية رقيقة جدًا ، بترتيب بضعة ميكرونات.

الشكل 2.

مبدأ عمل الترانزستور ثنائي القطب

أي تقاطع p-n للترانزستور يعمل بالمثل. عندما يتم تطبيق فرق جهد على أقطابها ، يحدث "تحولها". إذا كان فرق الجهد المطبق موجبًا بشكل مشروط ، وتم فتح التقاطع pn ، فيُقال إن الوصلة منحازة للأمام. عندما يتم تطبيق فرق جهد سلبي مشروط ، يكون الانتقال منحازًا عكسيًا ، حيث يتم قفله. تتمثل إحدى ميزات عملية الترانزستور في أنه مع وجود انحياز إيجابي لانتقال واحد على الأقل ، فإن المنطقة المشتركة ، التي تسمى القاعدة ، تكون مشبعة بالإلكترونات ، أو الوظائف الإلكترونية (اعتمادًا على نوع التوصيل للمادة الأساسية) ، مما يتسبب في حدوث انخفاض كبير في الحاجز المحتمل للانتقال الثاني ، ونتيجة لذلك ، تصرفه تحت التحيز العكسي.

أوضاع التشغيل

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

الشكل 3

دائرة تبديل الترانزستور العاديةيتضمن تغيير الموصلية الكهربائية لتقاطع المجمع عن طريق التحكم في إزاحة تقاطع الباعث.

دارة معكوسة، على عكس العادي ، يسمح لك بالتحكم في موصلية تقاطع الباعث من خلال التحكم في تحيز المجمع. الدائرة العكسية هي نظير متماثل للدائرة العادية ، ولكن بسبب عدم التناسق الهيكلي للترانزستور ثنائي القطب ، فهي غير فعالة للاستخدام ، ولها قيود أكثر صرامة على الحد الأقصى للمعلمات المسموح بها وهي غير مستخدمة عمليًا.

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

لوصف العمل ، يُؤخذ اتجاه التيار الكهربائي في هذه المقالة تقليديًا على أنه اتجاه الإلكترونات ، أي من القطب السالب لمصدر الطاقة إلى الموجب. دعنا نستخدم الرسم البياني في الشكل 4 لهذا الغرض.

الشكل 4

وضع القطع

بالنسبة للوصلة pn ، توجد قيمة للحد الأدنى لجهد التحيز الأمامي الذي تكون فيه الإلكترونات قادرة على التغلب على الحاجز المحتمل لهذا التقاطع. أي أنه عند جهد انحياز أمامي يصل إلى هذه العتبة ، لا يمكن لأي تيار أن يتدفق عبر التقاطع. بالنسبة إلى ترانزستورات السيليكون ، تبلغ قيمة هذه العتبة 0.6 فولت تقريبًا ، وبالتالي ، في دائرة التبديل العادية ، عندما لا يتجاوز التحيز الأمامي لتقاطع المرسل 0.6 فولت (بالنسبة للترانزستورات السيليكونية) ، لا يتدفق التيار عبر القاعدة ، فإنه غير مشبع بالإلكترونات ، ونتيجة لذلك ، لا يوجد انبعاث للإلكترونات الأساسية في منطقة المجمع ؛ لا يوجد تيار جامع (صفر).

وبالتالي ، بالنسبة لنظام القطع ، تعتبر الهويات التالية شرطًا ضروريًا:

يو بي<0,6 В

أنا ب \ u003d 0

الوضع النشط

في الوضع النشط ، يكون تقاطع الباعث متحيزًا في الاتجاه الأمامي حتى لحظة الفتح (بداية التدفق الحالي) بجهد يزيد عن 0.6 فولت (للترانزستورات السيليكونية) ، ويكون تقاطع المجمع متحيزًا في الاتجاه المعاكس . إذا كانت القاعدة بها موصلية من النوع p ، فهناك نقل (حقن) للإلكترونات 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 تقاطع المجمع ، والذي من خلاله يتم إزاحة الإلكترونات ، تحت تأثير جهد سلبي من الباعث والقاعدة ، إلى منطقة المجمع ، وتتدفق لأسفل عبر المجمع الطرفية ، مما تسبب في تيار المجمع. تحد الطبقة الرقيقة جدًا من القاعدة من مرورها الأقصى عبر مقطع عرضي صغير جدًا في اتجاه الرصاص الأساسي. لكن هذا السمك الصغير للقاعدة يتسبب في تشبعها السريع بالإلكترونات. منطقة الوصلة لها حجم كبير ، مما يخلق ظروفًا لتدفق تيار كبير باعث-جامع ، والذي يكون أعلى بعشرات ومئات المرات من تيار القاعدة. وبالتالي ، من خلال تمرير تيارات غير مهمة عبر القاعدة ، يمكننا تهيئة الظروف لمرور التيارات الأكبر بكثير عبر المجمع. كلما زاد تيار القاعدة ، زاد تشبعه ، وزاد تيار المجمع. يتيح لك هذا الوضع التحكم بسلاسة (تنظيم) توصيل تقاطع المجمع من خلال التغيير المقابل (التنظيم) للتيار الأساسي. تُستخدم خاصية الوضع النشط للترانزستور في دوائر مكبرات الصوت المختلفة.

في الوضع النشط ، تيار باعث الترانزستور هو مجموع تيارات القاعدة والمجمع:

أنا E \ u003d أنا K + أنا ب

يمكن التعبير عن تيار المجمع على النحو التالي:

أنا ك = α أي

حيث α هو معامل نقل تيار الباعث

من المعادلات أعلاه يمكنك الحصول على ما يلي:

أين β هو عامل تضخيم التيار الأساسي.

وضع التشبع

يحدد حد الزيادة في تيار القاعدة حتى اللحظة التي يظل فيها تيار المجمع دون تغيير نقطة أقصى تشبع للقاعدة بالإلكترونات. لن تؤدي الزيادة الإضافية في تيار القاعدة إلى تغيير درجة تشبعه ، ولن يؤثر بأي شكل من الأشكال على تيار المجمع ، فقد يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المادة في منطقة التلامس الأساسية وفشل الترانزستور. في البيانات المرجعية للترانزستورات ، يمكن الإشارة إلى تيار التشبع والحد الأقصى المسموح به من تيار القاعدة ، أو جهد تشبع قاعدة الباعث والجهد الأقصى المسموح به لقاعدة الباعث. تحدد هذه الحدود وضع تشبع الترانزستور في ظل ظروف التشغيل العادية.

يكون وضع القطع ووضع التشبع فعالين عندما تعمل الترانزستورات كمفاتيح إلكترونية لتبديل الإشارة ودوائر الطاقة.

الاختلاف في مبدأ تشغيل الترانزستورات ذات الهياكل المختلفة

أعلاه ، تم النظر في حالة تشغيل ترانزستور هيكل n-p-n. تعمل ترانزستورات P-n-p بطريقة مماثلة ، ولكن هناك اختلافات جوهرية يجب أن تكون على دراية بها. تتمتع مادة أشباه الموصلات ذات الموصلية المستقبلة من النوع p بقدرة نقل إلكترون منخفضة نسبيًا ، لأنها تستند إلى مبدأ انتقال الإلكترون من مكان شاغر (ثقب) إلى آخر. عندما يتم استبدال جميع الوظائف الشاغرة بالإلكترونات ، فإن حركتها تكون ممكنة فقط عندما تظهر الشواغر من اتجاه الحركة. مع الطول الكبير لمقطع مثل هذه المادة ، سيكون لها مقاومة كهربائية كبيرة ، مما يؤدي إلى المزيد من المشاكل عند استخدامها كأكبر مجمع وباعث للترانزستورات ثنائية القطب من النوع pn-p أكثر من استخدامها في طبقة أساسية رقيقة جدًا من النوع n-p-n الترانزستورات. تحتوي مادة أشباه الموصلات المانحة من النوع n على الخصائص الكهربائية للمعادن الموصلة ، مما يجعلها أكثر فائدة لاستخدامها كباعث ومجمع ، كما هو الحال في الترانزستورات من النوع n-p-n.

تؤدي هذه السمة المميزة للهياكل المختلفة للترانزستورات ثنائية القطب إلى صعوبات كبيرة في إنتاج أزواج من المكونات ذات الهياكل المختلفة والخصائص الكهربائية المتشابهة مع بعضها البعض. إذا انتبهت إلى البيانات المرجعية لخصائص أزواج الترانزستورات ، فستلاحظ أنه عند تحقيق نفس خصائص ترانزستورات من أنواع مختلفة ، على سبيل المثال ، KT315A و ​​KT361A ، على الرغم من قوة المجمع المتطابقة (150 ميجاوات) ونفس الكسب الحالي تقريبًا (20-90) ، يختلفان في الحد الأقصى المسموح به من تيارات المجمع ، والجهد الكهربي للقاعدة ، إلخ.

ملاحظة. تم تفسير هذا الوصف لمبدأ تشغيل الترانزستور من وجهة نظر النظرية الروسية ، لذلك لا يوجد وصف لعمل المجالات الكهربائية على الشحنات الوهمية الموجبة والسالبة. تجعل الفيزياء الروسية من الممكن استخدام نماذج ميكانيكية أبسط وأكثر قابلية للفهم والأقرب إلى الواقع من التجريدات في شكل مجالات كهربائية ومغناطيسية ، وشحنات موجبة وكهربائية ، والتي تنزلقها علينا المدرسة التقليدية غدراً. لهذا السبب ، لا أوصي باستخدام النظرية المذكورة دون تحليل أولي وانعكاس عند التحضير لتسليم الرقابة ، وأوراق الفصل الدراسي وأنواع العمل الأخرى ، فقد لا يقبل معلموك ببساطة المعارضة ، حتى لو كانوا تنافسيين ومتسقين تمامًا من وجهة نظرهم. وجهة نظر الحس السليم والمنطق. بالإضافة إلى ذلك ، من جهتي ، هذه هي المحاولة الأولى لوصف تشغيل جهاز أشباه الموصلات من وجهة نظر الفيزياء الروسية ، والذي يمكن صقله وتكميله في المستقبل.

يتم تقديم التفسيرات اللازمة ، دعنا نصل إلى النقطة.

الترانزستورات. التعريف والتاريخ

الترانزستور- جهاز إلكتروني من أشباه الموصلات يتم فيه التحكم في التيار في دائرة قطبين بواسطة قطب كهربائي ثالث. (ترانزستور.

كانت الترانزستورات ذات التأثير الميداني هي أول من اخترع (1928) ، وظهرت الترانزستورات ثنائية القطب في عام 1947 في مختبرات بيل. وكانت بدون مبالغة ثورة في الإلكترونيات.

استبدلت الترانزستورات بسرعة الأنابيب المفرغة في الأجهزة الإلكترونية المختلفة. في هذا الصدد ، زادت موثوقية هذه الأجهزة وانخفض حجمها بشكل كبير. وحتى يومنا هذا ، بغض النظر عن مدى "روعة" الدائرة الدقيقة ، فإنها لا تزال تحتوي على الكثير من الترانزستورات (بالإضافة إلى الثنائيات ، والمكثفات ، والمقاومات ، وما إلى ذلك). فقط الصغيرة جدا.

بالمناسبة ، في البداية ، كانت تسمى "الترانزستورات" مقاومات ، يمكن تغيير مقاومتها باستخدام مقدار الجهد المطبق. إذا تجاهلنا فيزياء العمليات ، فيمكن أيضًا تمثيل الترانزستور الحديث كمقاومة تعتمد على الإشارة المطبقة عليه.

ما هو الفرق بين المجال والترانزستورات ثنائية القطب؟ الجواب يكمن في أسمائهم. في الترانزستور ثنائي القطب ، يتضمن نقل الشحنة والإلكترونات وثقوب ("مكرر" - مرتين). وفي الميدان (المعروف أيضًا باسم أحادي القطب) - أوالإلكترونات أوالثقوب.

أيضًا ، تختلف هذه الأنواع من الترانزستورات في مجالات التطبيق. يستخدم ثنائي القطب بشكل رئيسي في التكنولوجيا التناظرية ، وفي المجال الرقمي.

وأخيرًا: المجال الرئيسي لتطبيق أي ترانزستورات- تضخيم إشارة ضعيفة بسبب مصدر طاقة إضافي.

الترانزستور ثنائي القطب. مبدأ التشغيل. الخصائص الرئيسية

يتكون الترانزستور ثنائي القطب من ثلاث مناطق: باعث ، وقاعدة ، ومجمع ، يتم تنشيط كل منها. اعتمادًا على نوع الموصلية لهذه المناطق ، يتم تمييز الترانزستورات n-p-n و p-n-p. عادةً ما تكون منطقة المجمع أوسع من منطقة الباعث. القاعدة مصنوعة من أشباه موصلات مخدرة بخفة (والتي بسببها تتمتع بمقاومة عالية) وهي رفيعة جدًا. نظرًا لأن منطقة التلامس مع قاعدة الباعث أصغر بكثير من منطقة التلامس الأساسية للمجمع ، فمن المستحيل تبديل الباعث والمجمع عن طريق تغيير قطبية الاتصال. وهكذا ، يشير الترانزستور إلى الأجهزة غير المتماثلة.

قبل التفكير في فيزياء الترانزستور ، دعنا نحدد المشكلة العامة.


يتكون مما يلي: يتدفق تيار قوي بين الباعث والمجمع ( تيار جامع) ، وبين الباعث والقاعدة - تيار تحكم ضعيف ( تيار القاعدة). سيتغير تيار المجمع مع تغير تيار القاعدة. لماذا؟
ضع في اعتبارك الوصلات p-n للترانزستور. هناك نوعان منهم: قاعدة باعث (EB) وقاعدة جامع (BC). في الوضع النشط للترانزستور ، يرتبط الأول منهم بالتحيز الأمامي ، والثاني مع التحيز العكسي. ماذا يحدث بعد ذلك عند التقاطعات p-n؟ لمزيد من اليقين ، سننظر في الترانزستور n-p-n. بالنسبة إلى p-n-p ، كل شيء هو نفسه ، فقط كلمة "إلكترونات" يجب استبدالها بكلمة "ثقوب".

نظرًا لأن انتقال EB مفتوح ، فإن الإلكترونات "تمر" بسهولة إلى القاعدة. هناك يتحدون جزئيًا مع الثقوب ، لكن اتمكن معظمهم ، نظرًا لسمك القاعدة الصغير وضعف السبائك ، من الوصول إلى انتقال جامع القاعدة. والتي ، كما نتذكر ، مشمولة بانحياز عكسي. ونظرًا لأن الإلكترونات الموجودة في القاعدة عبارة عن ناقلات شحنة ثانوية ، فإن المجال الكهربائي للانتقال يساعدها في التغلب عليها. وبالتالي ، فإن تيار المجمع أقل بقليل من تيار المرسل. الآن شاهد يديك. إذا قمت بزيادة تيار القاعدة ، فإن تقاطع EB سيفتح أكثر ، ويمكن أن ينزلق المزيد من الإلكترونات بين الباعث والمجمع. ونظرًا لأن تيار المجمع أكبر في البداية من تيار القاعدة ، فسيكون هذا التغيير ملحوظًا جدًا. هكذا، سيكون هناك تضخيم لإشارة ضعيفة تستقبلها القاعدة. مرة أخرى ، التغيير الكبير في تيار المجمع هو انعكاس نسبي لتغيير طفيف في تيار القاعدة.

أتذكر أنه تم شرح مبدأ تشغيل الترانزستور ثنائي القطب لزملائي باستخدام مثال صنبور الماء. الماء الموجود فيه هو تيار المجمع وتيار التحكم الأساسي هو مقدار دوران المقبض. يكفي جهد صغير (إجراء تحكم) لزيادة تدفق الماء من الصنبور.

بالإضافة إلى العمليات التي تم النظر فيها ، يمكن أن يحدث عدد من الظواهر الأخرى عند تقاطعات p-n للترانزستور. على سبيل المثال ، مع زيادة قوية في الجهد عند تقاطع مجمع القاعدة ، يمكن أن يبدأ مضاعفة شحنة الانهيار الجليدي بسبب تأثير التأين. وبالاقتران مع تأثير النفق ، سيعطي هذا أولاً انهيارًا كهربائيًا ، ثم (مع زيادة التيار) انهيارًا حراريًا. ومع ذلك ، يمكن أن يحدث الانهيار الحراري في الترانزستور أيضًا بدون كهرباء (أي بدون زيادة جهد المجمع لجهد الانهيار). لهذا ، سيكون تيار واحد زائد من خلال المجمع كافياً.

هناك ظاهرة أخرى تتعلق بحقيقة أنه عندما تتغير الفولتية عند تقاطعات المجمع والباعث ، يتغير سمكها. وإذا كانت القاعدة رقيقة جدًا ، فقد يحدث تأثير الإغلاق (ما يسمى ب "ثقب" القاعدة) - اتصال تقاطع المجمع بالباعث. في هذه الحالة ، تختفي المنطقة الأساسية ويتوقف الترانزستور عن العمل بشكل طبيعي.

تيار المجمع للترانزستور في الوضع النشط العادي للترانزستور أكبر من تيار القاعدة بعدد معين من المرات. هذا الرقم يسمى المكسب الحاليوهو أحد المعالم الرئيسية للترانزستور. تم تعيينه ساعة 21. إذا تم تشغيل الترانزستور بدون تحميل المجمع ، فعندئذٍ عند جهد ثابت للمجمع-الباعث ، ستعطي نسبة تيار المجمع إلى تيار القاعدة مكسب تيار ثابت. يمكن أن تكون مساوية لعشرات أو مئات الوحدات ، ولكن يجدر النظر في حقيقة أن هذا المعامل في الدوائر الحقيقية يكون أقل بسبب حقيقة أنه عند تشغيل الحمل ، ينخفض ​​تيار المجمع بشكل طبيعي.

المعلمة الثانية المهمة هي مقاومة إدخال الترانزستور. وفقًا لقانون أوم ، إنها نسبة الجهد بين القاعدة والباعث إلى تيار التحكم في القاعدة. كلما زاد حجمه ، انخفض التيار الأساسي وزاد الكسب.

المعلمة الثالثة للترانزستور ثنائي القطب هي كسب الجهد. إنه يساوي نسبة السعة أو القيم الفعالة للإخراج (الباعث - المجمع) والمدخلات (الباعث الأساسي) الفولتية المتناوبة. نظرًا لأن القيمة الأولى عادة ما تكون كبيرة جدًا (وحدات وعشرات فولت) ، والثانية صغيرة جدًا (أعشار فولت) ، يمكن أن يصل هذا المعامل إلى عشرات الآلاف من الوحدات. وتجدر الإشارة إلى أن كل إشارة تحكم أساسية لها كسب جهد خاص بها.

أيضا ، الترانزستورات استجابة التردد، والذي يميز قدرة الترانزستور على تضخيم الإشارة ، التي يقترب ترددها من تردد القطع للتضخيم. الحقيقة هي أنه مع زيادة تواتر إشارة الإدخال ، ينخفض ​​الكسب. هذا يرجع إلى حقيقة أن وقت العمليات الفيزيائية الرئيسية (وقت حركة الناقلات من الباعث إلى المجمع ، وشحن وتفريغ تقاطعات الحاجز السعوي) يصبح متناسبًا مع فترة تغيير إشارة الإدخال. أولئك. لا يملك الترانزستور ببساطة الوقت للاستجابة للتغيرات في إشارة الإدخال وفي مرحلة ما يتوقف ببساطة عن تضخيمها. التردد الذي يحدث هذا يسمى الحدود.

أيضًا ، معلمات الترانزستور ثنائي القطب هي:

• جامع-باعث عكس التيار
• وقت التشغيل
• جامع عكس التيار
• أقصى تيار مسموح به

تختلف رموز الترانزستورات n-p-n و p-n-p فقط في اتجاه السهم الذي يشير إلى الباعث. يوضح كيف يتدفق التيار في ترانزستور معين.

أوضاع تشغيل الترانزستور ثنائي القطب

الخيار الذي تمت مناقشته أعلاه هو الوضع النشط العادي للترانزستور. ومع ذلك ، هناك عدة مجموعات أخرى من تقاطعات pn المفتوحة / المغلقة ، كل منها يمثل وضع تشغيل منفصل للترانزستور.

1. الوضع النشط المعكوس. هنا ، يكون الانتقال إلى BC مفتوحًا ، وعلى العكس من ذلك ، يتم إغلاق EB. بطبيعة الحال ، فإن خصائص التضخيم في هذا الوضع ليست أسوأ في أي مكان ، لذلك نادرًا ما يتم استخدام الترانزستورات في هذا الوضع.
2. وضع التشبع. كلا المعبران مفتوحان. وبناءً على ذلك ، فإن ناقلات الشحنة الرئيسية للمجمع والباعث "تنطلق" إلى القاعدة ، حيث تعيد الاتحاد بنشاط مع ناقلاتها الرئيسية. بسبب الزيادة الناشئة في ناقلات الشحن ، تقل مقاومة الوصلات الأساسية و pn. لذلك ، يمكن اعتبار الدائرة التي تحتوي على ترانزستور في وضع التشبع ذات دائرة قصر ، ويمكن تمثيل عنصر الراديو نفسه كنقطة متساوية الجهد.
3. وضع القطع. كلا تقاطعات الترانزستور مغلقة ، أي يتوقف تيار ناقلات الشحنة الرئيسية بين الباعث والمجمع. تولد تدفقات ناقلات الشحن الصغيرة فقط تيارات انتقال حراري صغيرة وغير متحكم فيها. بسبب فقر القاعدة والانتقالات بواسطة ناقلات الشحن ، تزداد مقاومتها بشكل كبير. لذلك ، غالبًا ما يُعتقد أن الترانزستور الذي يعمل في وضع القطع يمثل دائرة مفتوحة.
4. نظام الحاجزفي هذا الوضع ، تكون القاعدة مغلقة مباشرة أو من خلال مقاومة صغيرة للمجمع. أيضًا ، يتم تضمين المقاوم في دائرة المجمع أو الباعث ، والتي تحدد التيار من خلال الترانزستور. بهذه الطريقة ، يتم الحصول على مكافئ الدائرة للديود ذي المقاومة التسلسلية. يعد هذا الوضع مفيدًا للغاية ، حيث يسمح للدائرة بالعمل بأي تردد تقريبًا ، في نطاق درجة حرارة واسع ويتجاهل معلمات الترانزستورات.

تبديل الدوائر للترانزستورات ثنائية القطب

نظرًا لأن الترانزستور يحتوي على ثلاثة جهات اتصال ، في الحالة العامة ، يجب تزويده بالطاقة من مصدرين يحتويان معًا على أربعة مخرجات. لذلك ، يجب تزويد إحدى جهات اتصال الترانزستور بجهد من نفس الإشارة من كلا المصدرين. واعتمادًا على نوع الاتصال ، توجد ثلاث دوائر لتشغيل الترانزستورات ثنائية القطب: مع باعث مشترك (OE) ، ومجمع مشترك (OK) وقاعدة مشتركة (OB). كل واحد منهم له مزايا وعيوب. يتم الاختيار بينهما اعتمادًا على المعلمات المهمة بالنسبة لنا وأي منها يمكن التضحية بها.

تبديل الدائرة مع باعث مشترك

يعطي هذا المخطط أكبر تضخيم في الجهد والتيار (وبالتالي في الطاقة - حتى عشرات الآلاف من الوحدات) ، وبالتالي فهو الأكثر شيوعًا. هنا ، يتم تشغيل تقاطع قاعدة الباعث مباشرة ، ويتم تبديل تقاطع جامع القاعدة مرة أخرى. وبما أن كلاً من القاعدة والمجمع مزودان بجهد من نفس العلامة ، فيمكن تشغيل الدائرة من مصدر واحد. في هذه الدائرة ، يتغير طور جهد التيار المتردد الناتج فيما يتعلق بمرحلة جهد الدخل المتردد بمقدار 180 درجة.

ولكن بالنسبة لجميع الأشياء الجيدة ، فإن مخطط OE له أيضًا عيب كبير. يكمن في حقيقة أن الزيادة في التردد ودرجة الحرارة تؤدي إلى تدهور كبير في خصائص تضخيم الترانزستور. وبالتالي ، إذا كان يجب أن يعمل الترانزستور بترددات عالية ، فمن الأفضل استخدام دائرة تبديل مختلفة. على سبيل المثال ، مع قاعدة مشتركة.

مخطط الأسلاك مع قاعدة مشتركة

لا توفر هذه الدائرة تضخيمًا كبيرًا للإشارة ، ولكنها جيدة في الترددات العالية ، لأنها تتيح لك استخدام استجابة تردد الترانزستور بشكل كامل. إذا تم تشغيل نفس الترانزستور أولاً وفقًا للمخطط باستخدام باعث مشترك ، ثم بقاعدة مشتركة ، ففي الحالة الثانية ستكون هناك زيادة كبيرة في تردد تضخيم القطع. نظرًا لأنه ، مع مثل هذا الاتصال ، تكون مقاومة الإدخال منخفضة ، ومقاومة الخرج ليست كبيرة جدًا ، يتم استخدام شلالات الترانزستور المجمعة وفقًا لدائرة OB في مضخمات الهوائي ، حيث لا تتجاوز مقاومة موجة الكابلات عادةً 100 أوم .

في دارة قاعدة مشتركة ، لا يتم عكس طور الإشارة ، ويتم تقليل مستوى الضوضاء عند الترددات العالية. ولكن ، كما ذكرنا سابقًا ، فإن مكاسبها الحالية دائمًا ما تكون أقل بقليل من الوحدة. صحيح أن كسب الجهد هنا هو نفسه كما هو الحال في الدائرة مع باعث مشترك. يمكن أن تشمل عيوب الدائرة ذات القاعدة المشتركة أيضًا الحاجة إلى استخدام مصدري طاقة.

مخطط التبديل مع جامع مشترك

تكمن خصوصية هذه الدائرة في أن جهد الدخل يتم تحويله بالكامل مرة أخرى إلى الإدخال ، أي أن التغذية المرتدة السلبية قوية جدًا.

اسمحوا لي أن أذكركم بأن ردود الفعل السلبية هي مثل هذه التغذية المرتدة ، حيث يتم إعادة إشارة الخرج إلى المدخلات ، مما يقلل من مستوى إشارة الإدخال. وبالتالي ، يحدث الضبط التلقائي عندما يتم تغيير معلمات إشارة الإدخال عن طريق الخطأ.

يكاد يكون الكسب الحالي هو نفسه كما هو الحال في دائرة الباعث المشتركة. لكن كسب الجهد صغير (العيب الرئيسي لهذه الدائرة). إنها تقترب من الوحدة ، لكنها دائمًا أقل منها. وبالتالي ، فإن كسب الطاقة لا يساوي سوى بضع عشرات من الوحدات.

في دارة المجمع المشترك ، لا يوجد تحول طور بين جهد الدخل والإخراج. نظرًا لأن كسب الجهد قريب من الوحدة ، يتزامن جهد الخرج في الطور والسعة مع الإدخال ، أي يكرره. هذا هو السبب في أن مثل هذه الدائرة تسمى تابع الباعث. الباعث - بسبب إزالة جهد الخرج من الباعث بالنسبة للسلك الشائع.

يتم استخدام هذا التضمين لمطابقة مراحل الترانزستور أو عندما يكون لمصدر إشارة الإدخال مقاومة عالية للمدخلات (على سبيل المثال ، التقاط كهرضغطية أو ميكروفون مكثف).

كلمتين عن الشلالات

يحدث أنك بحاجة إلى زيادة الطاقة الناتجة (أي زيادة تيار المجمع). في هذه الحالة ، يتم استخدام اتصال متوازي للعدد المطلوب من الترانزستورات.

بطبيعة الحال ، يجب أن تكون متماثلة تقريبًا من حيث الخصائص. ولكن يجب أن نتذكر أن الحد الأقصى لتيار المجمع الإجمالي يجب ألا يتجاوز 1.6-1.7 من تيار المجمع المحدد لأي من الترانزستورات في السلسلة.
ومع ذلك (شكرًا على الملاحظة) ، لا ينصح بهذا في حالة الترانزستورات ثنائية القطب. لأن اثنين من الترانزستورات ، حتى من نفس التصنيف ، على الأقل قليلاً ، لكنهما مختلفان عن بعضهما البعض. وفقًا لذلك ، عند الاتصال بالتوازي ، سوف تتدفق التيارات ذات الأحجام المختلفة من خلالها. لموازنة هذه التيارات ، توضع مقاومات متوازنة في دوائر باعث الترانزستورات. يتم حساب قيمة مقاومتها بحيث لا يقل انخفاض الجهد عبرها في نطاق التيارات العاملة عن 0.7 فولت. ومن الواضح أن هذا يؤدي إلى تدهور كبير في كفاءة الدائرة.

قد تكون هناك أيضًا حاجة إلى ترانزستور بحساسية جيدة ومكاسب جيدة. في مثل هذه الحالات ، يتم استخدام سلسلة من الترانزستور الحساس ولكن منخفض الطاقة (في الشكل - VT1) ، والذي يتحكم في إمداد الطاقة لنظير أكثر قوة (في الشكل - VT2).

تطبيقات أخرى للترانزستورات ثنائية القطب

يمكن استخدام الترانزستورات ليس فقط في دوائر تضخيم الإشارة. على سبيل المثال ، نظرًا لحقيقة أنها يمكن أن تعمل في أوضاع التشبع والقطع ، يتم استخدامها كمفاتيح إلكترونية. من الممكن أيضًا استخدام الترانزستورات في دوائر مولد الإشارة. إذا كانت تعمل في الوضع الرئيسي ، فسيتم إنشاء إشارة مستطيلة ، وإذا كانت في وضع التضخيم ، فسيتم إنشاء شكل موجة عشوائي اعتمادًا على إجراء التحكم.

العلامات

نظرًا لأن المقالة قد نمت بالفعل إلى حجم كبير بشكل غير لائق ، في هذه الفقرة سأقدم ببساطة رابطين جيدين ، يصفان بالتفصيل أنظمة وضع العلامات الرئيسية لأجهزة أشباه الموصلات (بما في ذلك الترانزستورات): http://kazus.ru/guide/transistors / mark_all .html وملف xls. (35 كيلوبايت).

تعليقات مفيدة:
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133136/#comment_4419173

العلامات:

• الترانزستورات
• الترانزستورات ثنائية القطب
• إلكترونيات

اضف اشارة

13. جهاز ومبدأ تشغيل الترانزستورات

اعتمادًا على مبدأ التشغيل وميزات التصميم ، يتم تقسيم الترانزستورات إلى فئتين كبيرتين: ثنائي القطب وحقل.

الترانزستورات ثنائية القطب عبارة عن أجهزة شبه موصلة ذات تقاطعات p-n كهربائية متفاعلة أو أكثر وثلاثة أطراف أو أكثر ، ترجع خصائص التضخيم إلى ظواهر الحقن واستخراج ناقلات الشحنة البسيطة.

حاليًا ، يتم استخدام الترانزستورات ثنائية القطب ذات الوصلات pn على نطاق واسع ، والتي يشار إليها غالبًا هذا المصطلح. وهي تتكون من مناطق (طبقات) متناوبة من أشباه الموصلات لها موصلات كهربائية من أنواع مختلفة. اعتمادًا على نوع التوصيل الكهربائي للطبقات الخارجية ، يتم تمييز الترانزستورات ص ص صوأنواع n-p-n.

تسمى الترانزستورات التي يتم فيها إنشاء الوصلات pn عند الأسطح الملامسة لطبقات أشباه الموصلات المستوية

الترانزستور ثنائي القطبعبارة عن بلورة شبه موصلة تتكون من ثلاث طبقات ذات توصيل متناوب ومجهزة بثلاثة أسلاك توصيل (أقطاب كهربائية) للاتصال بدائرة خارجية.

على التين. 1.5 و بيُظهر تعيين الدائرة لنوعين من الترانزستورات ص ف ف نوعو ص- ص- ص-يكتب . الطبقات الخارجية تسمى ينبعثرم(ه) و جامع(ك) بينهما قاعدة(ب). يحتوي الهيكل المكون من ثلاث طبقات على تقاطعات p-n: مفرق باعثبين باعث وقاعدة و تقاطع جامعبين القاعدة والمجمع. كمصدر للمواد للترانزستورات ، يتم استخدام الجرمانيوم أو السيليكون.

عند تصنيع الترانزستور ، يجب استيفاء شرطين:

سمك القاعدة (المسافة بين الباعث والجمع

يجب أن تكون انتقالات المحاضر) صغيرة مقارنة بمتوسط ​​المسار الحر لحاملات الشحن ؛

2) يجب أن يكون تركيز الشوائب (وحاملات الشحنة الرئيسية) في الباعث أعلى بكثير منه في القاعدة (ن أ >> ن د الخامس ص ص صالترانزستور).

ضع في اعتبارك مبدأ العملية ص ص صالترانزستور.

يتم توصيل الترانزستور في سلسلة مع مقاومة الحمل Rk في دائرة مصدر جهد المجمع ه ل . يتم تطبيق التحكم EMF على مدخلات الترانزستور ه ب"، كما هو مبين في الشكل 1.6 ، أ. مثل هذا بدوره على الترانزستور عند الإدخال ( ه ب , ص ب ) ويوم عطلة ( ه ل , ص ل ) السلاسل لها نقطة مشتركة - الباعث ، هو الأكثر شيوعًا ويسمى التضمين مع باعث مشترك(عمر الفاروق).

في حالة عدم وجود ضغوط (هـ ب = 0 ، هـ ل\ u003d 0) تقاطعات الباعث والمجمع في حالة توازن ، والتيارات من خلالها تساوي الصفر. يحتوي كلا التحولات على طبقة كهربائية مزدوجة ، تتكون من أيونات شائبة ، وحاجز محتمل  o ، والذي يختلف لكل من التحولات. يظهر توزيع الإمكانات في الترانزستور في حالة عدم وجود الفولتية في الشكل. 1.6b خط متقطع.

قطبية المصادر الخارجية ه ب و هـ ل يتم اختياره بحيث يكون هناك جهد أمامي عند تقاطع الباعث (مطروحًا منه المصدر ه ب مطبق على القاعدة ، زائد - على الباعث) ، وعند تقاطع المجمع - الجهد العكسي (ناقص المصدر ه ل- للمجمع ، بالإضافة إلى - إلى الباعث) ، والجهد | Uke |> | Ube | (الجهد عند تقاطع المجمع Ukb \ u003d Uke-Ube) مع تضمين المصادر ه ب و هـ ل التوزيع المحتمل في الترانزستور له الشكل الموضح في الشكل. .1.6 ، بخط الصلبة. يتناقص الحاجز المحتمل لتقاطع الباعث المنحاز للأمام ، ويزداد الحاجز المحتمل عند تقاطع المجمع. نتيجة لتطبيق جهد أمامي على تقاطع الباعث ، يبدأ الانتشار المعزز (الحقن) للثقوب من الباعث إلى القاعدة. يمكن إهمال المكون الإلكتروني لتيار الانتشار عبر تقاطع الباعث ، منذ ذلك الحين ص ص >> ص ص , منذ الشرط المذكور أعلاه ن أ >> ن د . وبالتالي ، فإن الباعث الحالي I E \ u003d I Edif ص. تحت تأثير قوى الانتشار ، نتيجة لانخفاض التركيز على طول القاعدة ، تنتقل الثقوب من الباعث إلى المجمع. لأن القاعدة في الترانزستور هي بخير،تصل معظم الثقوب التي يتم حقنها بواسطة الباعث إلى تقاطع المجمع دون الدخول إلى مراكز إعادة التركيب. يتم التقاط هذه الثقوب بواسطة مجال تقاطع المجمع ، وتحويله في الاتجاه المعاكس ، نظرًا لأن هذا المجال يتسارع بالنسبة إلى ناقلات الأقلية - الثقوب في القاعدة من النوع n. يتم إغلاق تيار الثقوب التي تصل من الباعث إلى المجمع من خلال دائرة خارجية ، المصدر ه ل . مع زيادة تيار المرسل بواسطة I E ، سيزداد تيار المجمع بمقدار I K = I E. نظرًا لانخفاض احتمال إعادة التركيب في قاعدة رقيقة ، معامل نقل تيار الباعث  \ u003d I K / I E = 0.9-0.99.

يدخل جزء صغير من الثقوب التي يتم حقنها بواسطة الباعث إلى مراكز إعادة التركيب ويختفي ، ويعيد الاتحاد مع الإلكترونات. تظل شحنة هذه الثقوب في القاعدة ، ولاستعادة حيادية شحنة القاعدة من الدائرة الخارجية بسبب المصدر إيفتدخل الإلكترونات القاعدة. لذلك ، فإن التيار الأساسي هو تيار إعادة التركيب I rec \ u003d I E (1-) بالإضافة إلى المكونات الرئيسية المشار إليها لتيار الترانزستور ، من الضروري مراعاة إمكانية انتقال ناقلات الأقلية التي تنشأ في قاعدة وجامع نتيجة لتوليد الناقل من خلال تقاطع مجمّع يطبق عليه جهد عكسي. هذا التيار الصغير (مرور الثقوب من القاعدة إلى المجمع والإلكترونات من المجمع إلى القاعدة) يشبه التيار العكسي صالانتقال ، ويسمى أيضًا تقاطع جامع عكس التيارأو التيار الحراريويشار إليه بـ I kbo (الشكل 1.6 ، أ)

FETs- أجهزة أشباه الموصلات التي لا تستهلك عمليا التيار من دارة الإدخال.

تنقسم ترانزستورات التأثير الميداني إلى نوعين ، يختلفان عن بعضهما البعض في مبدأ التشغيل: أ) مع صانتقال؛ ب) نوع MDP.

. 1.6.1. FETs معص انتقاللها هيكل ، يظهر قسمه في الشكل. 1.9 ، أ. تسمى الطبقة ذات الموصلية من النوع p قناة،لها مخرجات للدائرة الخارجية: مع- مخزونو و- مصدر.طبقات بنوع التوصيل فالمحيطة بالقناة مترابطة ولها مخرج لدائرة خارجية تسمى مصراع 3.يظهر اتصال مصادر الجهد بالجهاز في الشكل. 1.9 ، أ ، في الشكل. يوضح الشكل 1.9.6 تعيين الدائرة لترانزستور تأثير المجال مع صتقاطع وقناة من النوع p. هناك أيضًا ترانزستورات ذات تأثير ميداني مع قناة من النوع n ، ويظهر تعيينها في الشكل. 1.9 الخامس،مبدأ التشغيل مشابه ، لكن اتجاهات التيارات وقطبية الفولتية المطبقة معاكسة.

ضع في اعتبارك مبدأ تشغيل ترانزستور تأثير المجال بقناة من النوع p. على التين. 1.9 جيتُعطى عائلة خصائص التصريف (الإخراج) لهذا الجهاز Iс = f (Uс) عند Uз = const.

بجهد تحكم Uzi = 0 ويتم توصيل مصدر الجهد بين الصرف والمصدر يوسايتدفق التيار عبر القناة ، والذي يعتمد على مقاومة القناة. الجهد بنا عند تطبيقه بشكل موحد على طول القناة ، يؤدي هذا الجهد إلى انحياز عكسي صالانتقال بين القناة من النوع p والطبقة n ، مع أعلى جهد عكسي عبر صالانتقال موجود في المنطقة المجاورة للمصرف ، وبالقرب من المصدر صالانتقال في حالة توازن. مع زيادة الجهد يوسامنطقة طبقة مزدوجة كهربائية صسوف يتوسع الانتقال ، المستنفد من حاملات الشحن المتنقلة ، كما هو موضح في الشكل. 1.10 ، أ.يكون توسع التقاطع واضحًا بشكل خاص بالقرب من الصرف ، حيث يكون الجهد العكسي عند التقاطع أكبر. امتداد صيؤدي الانتقال إلى تضييق القناة الموصلة للتيار في الترانزستور ، وتزداد مقاومة القناة. نظرًا للزيادة في مقاومة القناة مع زيادة الولايات المتحدة ، فإن خاصية التصريف الخاصة بترانزستور تأثير المجال لها طابع غير خطي (الشكل 1.9 ، د). عند بعض الجهد يوساالحدود صالتحولات مغلقة (الخط المنقط في الشكل 1.10 ، أ) ، والزيادة في تيار Ic مع الزيادة يو سي بي توقف.

عندما يتم تطبيق جهد إيجابي على البوابة Uzi> 0 صيتم تحويل الانتقال إلى منطقة الجهد العكسي ، ويزداد عرض الانتقال ، كما هو موضح في الشكل. 1.10.6. نتيجة لذلك ، تضيق القناة الموصلة للتيار وينخفض ​​التيار الكهربي الحالي. وبالتالي زيادة الجهد عوزي. من الممكن تقليل Ic ، والذي يمكن رؤيته من خلال النظر في الشكل. 1.9 ج.في مكان معين دعا عوزي قطع التيار الكهربائي ،عمليا لا يوجد تيار تصريف. تسمى نسبة التغيير في تيار التصريف I C إلى التغير في الجهد بين البوابة والمصدر Uzi at Usi = const التي تسبب في ذلك. ميل:س = I C / Uzi عند Usi = const

على عكس الترانزستورات ثنائية القطب ، فإن FETs يتم التحكم فيها بالجهد ولا يتدفق سوى تيار حراري صغير عبر دائرة البوابة. صتقاطع تحت الجهد العكسي.

في هذه المقالة سنحاول وصفها مبدأ التشغيلأكثر أنواع الترانزستور شيوعًا هو الترانزستور 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 مناطق ذات أنواع موصلية قطبية 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 عند المجمع أكثر أهمية منها عند الباعث.
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 خلاله.
4. إذا تم استيفاء النقاط من 1 إلى 3 ، فإن Ik الحالي يتناسب طرديًا مع Ib الحالي وله الشكل: Ik = he21 * Ib ، حيث he21 هو المكسب الحالي. تميز هذه القاعدة الجودة الرئيسية للترانزستور ، أي أن تيارًا أساسيًا صغيرًا يتحكم في تيار جامع قوي.

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 أن الجهد المطبق بين الباعث والقاعدة لا ينبغي زيادته 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. بالنسبة للنوع p-n-p ، يجب عكس كل شيء.

يجب أيضًا الانتباه إلى حقيقة أن تيار المجمع لا علاقة له 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 ، ناشئ 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 ، سوف يتدفق تيار ضعيف إلى حد ما في الدائرة الكهربائية للقاعدة. ستنتقل الإلكترونات المتبقية ، التي لم يكن لديها وقت لإعادة الاتحاد في القاعدة ، تحت التأثير المتسارع لمجال تقاطع المجمع المحظور ، كحاملات أقلية ، إلى المجمع ، مما يخلق تيارًا جامعًا. يُطلق على نقل ناقلات الشحنة من منطقة كانت صغيرة إلى منطقة حيث تصبح أساسية ، استخراج الشحنات الكهربائية.

كان مبدأ التحكم في أشباه الموصلات في التيار الكهربائي معروفًا منذ بداية القرن العشرين. على الرغم من حقيقة أن المهندسين العاملين في مجالات الإلكترونيات اللاسلكية يعرفون كيف يعمل الترانزستور ، فقد استمروا في تصميم الأجهزة على أساس الأنابيب المفرغة. كان سبب عدم الثقة في الصمامات الثلاثية لأشباه الموصلات هو النقص في ترانزستورات النقطة الأولى. لم تختلف عائلة ترانزستورات الجرمانيوم في ثبات خصائصها وكانت تعتمد بشكل كبير على ظروف درجة الحرارة.

تم إجراء منافسة جادة على الأنابيب المفرغة بواسطة ترانزستورات السيليكون المتجانسة فقط في نهاية الخمسينيات من القرن الماضي. منذ ذلك الوقت ، بدأت الصناعة الإلكترونية في التطور بسرعة ، واستبدلت الصمامات ثلاثية أشباه الموصلات المدمجة بنشاط المصابيح كثيفة الاستهلاك للطاقة من دوائر الأجهزة الإلكترونية. مع ظهور الدوائر المتكاملة ، حيث يمكن أن يصل عدد الترانزستورات إلى المليارات ، حققت إلكترونيات أشباه الموصلات انتصارًا مقنعًا في الكفاح من أجل تصغير الأجهزة.

ما هو الترانزستور؟

بالمعنى الحديث ، يسمى الترانزستور عنصر راديو أشباه الموصلات مصمم لتغيير معلمات التيار الكهربائي والتحكم فيه. يحتوي الصمام الثلاثي التقليدي لأشباه الموصلات على ثلاثة مخرجات: قاعدة يتم تطبيق إشارات التحكم عليها ، وباعث ومجمع. هناك أيضًا ترانزستورات مركبة عالية الطاقة.

مقياس حجم أجهزة أشباه الموصلات مذهل - من بضعة نانومترات (عناصر غير معبأة مستخدمة في الدوائر الدقيقة) إلى سنتيمترات بقطر الترانزستورات القوية المصممة لمحطات الطاقة والمعدات الصناعية. يمكن أن تصل الفولتية العكسية للصمامات الثلاثية الصناعية إلى 1000 فولت.

جهاز

من الناحية الهيكلية ، يتكون الصمام الثلاثي من طبقات أشباه الموصلات محاطة بمبيت. أشباه الموصلات عبارة عن مواد تعتمد على السيليكون والجرمانيوم وزرنيخيد الغاليوم وعناصر كيميائية أخرى. اليوم ، يتم إجراء بحث يجهز بعض أنواع البوليمرات ، وحتى الأنابيب النانوية الكربونية ، لدور مواد أشباه الموصلات. على ما يبدو في المستقبل القريب سوف نتعرف على الخصائص الجديدة للترانزستورات ذات التأثير الميداني للجرافين.

في السابق ، كانت بلورات أشباه الموصلات موجودة في علب معدنية على شكل قبعات بثلاثة أرجل. كان هذا التصميم نموذجيًا للترانزستورات النقطية.

اليوم ، يتم تصميم معظم الأجهزة المسطحة ، بما في ذلك السيليكون ، وأجهزة أشباه الموصلات على أساس بلورة واحدة مخدرة في أجزاء معينة. يتم ضغطها في العلب البلاستيكية أو الزجاجية أو المعدنية الخزفية. يحتوي بعضها على ألواح معدنية بارزة لتبديد الحرارة ، وهي مثبتة على مشعات.

أقطاب الترانزستورات الحديثة مرتبة في صف واحد. هذا الترتيب من الأرجل مناسب لتجميع اللوحة تلقائيًا. لم يتم وضع علامات على المحطات على العلب. يتم تحديد نوع القطب بواسطة الكتب المرجعية أو عن طريق القياسات.

بالنسبة للترانزستورات ، يتم استخدام بلورات أشباه الموصلات ذات الهياكل المختلفة ، مثل p-n-p أو n-p-n. وهي تختلف في قطبية الجهد على الأقطاب الكهربائية.

من الناحية التخطيطية ، يمكن تمثيل بنية الترانزستور على شكل ثنائيتين من أشباه الموصلات مفصولة بطبقة إضافية. (انظر الشكل 1). إن وجود هذه الطبقة هو الذي يجعل من الممكن التحكم في موصلية الصمام الثلاثي أشباه الموصلات.

أرز. 1. هيكل الترانزستورات

يوضح الشكل 1 بشكل تخطيطي هيكل الصمام الثنائي القطب. هناك فئة أخرى من الترانزستورات ذات التأثير الميداني ، والتي سيتم مناقشتها أدناه.

المبدأ الأساسي للعملية

في حالة الراحة ، لا يتدفق أي تيار بين المجمع وباعث الصمام الثنائي القطب. مقاومة تقاطع الباعث ، والتي تنشأ نتيجة تفاعل الطبقات ، تمنع التيار الكهربائي. لتشغيل الترانزستور ، يلزم تطبيق جهد طفيف على قاعدته.

يوضح الشكل 2 مخططًا يوضح كيفية عمل الصمام الثلاثي.

أرز. 2. مبدأ العمل

من خلال التحكم في التيارات الأساسية ، يمكنك تشغيل الجهاز وإيقاف تشغيله. إذا تم تطبيق إشارة تناظرية على القاعدة ، فستغير سعة تيارات الخرج. في هذه الحالة ، ستكرر إشارة الخرج بالضبط تردد التذبذب عند القطب الكهربائي الأساسي. بمعنى آخر ، سيكون هناك تضخيم للإشارة الكهربائية المستقبلة عند الإدخال.

وبالتالي ، يمكن أن تعمل الصمامات الثلاثية لأشباه الموصلات في وضع المفاتيح الإلكترونية أو في وضع تضخيم إشارات الإدخال.

يمكن فهم تشغيل الجهاز في وضع المفتاح الإلكتروني من الشكل 3.

أرز. 3. الصمام الثلاثي في ​​الوضع الرئيسي

التعيين على الرسوم البيانية

تدوين مشترك: "VT" أو "Q"متبوعًا بمؤشر الموضع. على سبيل المثال ، VT 3. في الرسوم البيانية السابقة ، يمكن العثور على تسميات قديمة: "T" أو "PP" أو "PT". يُصوَّر الترانزستور كخطوط رمزية تشير إلى الأقطاب الكهربائية المقابلة ، محاطة بدائرة أم لا. يُشار إلى اتجاه التيار في الباعث بسهم.

يوضح الشكل 4 دائرة ULF ، يتم فيها تسمية الترانزستورات بطريقة جديدة ، ويوضح الشكل 5 تمثيلات تخطيطية لأنواع مختلفة من الترانزستورات ذات التأثير الميداني.

أرز. 4. مثال لدائرة ULF على الصمامات الثلاثية

أنواع الترانزستورات

وفقًا لمبدأ التشغيل والهيكل ، يتم تمييز الصمامات الثلاثية لأشباه الموصلات:

• مجال؛
• ثنائي القطب؛
• مجموع.

تؤدي هذه الترانزستورات نفس الوظائف ، ولكن هناك اختلافات في مبدأ عملها.

مجال

هذا النوع من الصمامات الثلاثية يسمى أيضًا أحادي القطب ، بسبب الخصائص الكهربائية - لديهم تيار قطبي واحد فقط. وفقًا لهيكل ونوع التحكم ، تنقسم هذه الأجهزة إلى 3 أنواع:

1. الترانزستورات مع تقاطع تحكم pn (الشكل 6).
2. مع بوابة معزولة (يوجد بها قناة مدمجة أو مع قناة مستحثة).
3. MDP ، مع الهيكل: موصل عازل معدني.

السمة المميزة للبوابة المعزولة هي وجود عازل بينها وبين القناة.

الأجزاء حساسة للغاية للكهرباء الساكنة.

تظهر دوائر الصمام الثلاثي المجال في الشكل 5.

أرز. 5. ترانزستورات التأثير الميداني
أرز. 6. صورة حقيقية لثلاثي المجال

انتبه إلى اسم الأقطاب الكهربائية: التصريف والمصدر والبوابة.

تستهلك FETs القليل جدًا من الطاقة. يمكن أن تدوم أكثر من عام على بطارية صغيرة أو تراكم. لذلك ، وجدوا تطبيقًا واسعًا في الأجهزة الإلكترونية الحديثة مثل أجهزة التحكم عن بعد ، والأدوات المحمولة ، وما إلى ذلك.

ثنائي القطب

لقد قيل الكثير عن هذا النوع من الترانزستور في القسم الفرعي "مبدأ التشغيل الأساسي". نلاحظ فقط أن الجهاز حصل على اسم "ثنائي القطب" بسبب قدرته على تمرير شحنات الإشارات المعاكسة عبر قناة واحدة. ميزتها هي مقاومة إنتاج منخفضة.

تعمل الترانزستورات على تضخيم الإشارات وتعمل كأجهزة تبديل. يمكن تضمين حمولة قوية بما فيه الكفاية في دائرة المجمع. بسبب تيار المجمع الكبير ، يمكن تقليل مقاومة الحمل.

سننظر بمزيد من التفصيل حول هيكل ومبدأ العملية أدناه.

مجموع

من أجل تحقيق معلمات كهربائية معينة من استخدام عنصر واحد منفصل ، يخترع مطورو الترانزستور تصميمات مشتركة. من بين هؤلاء:

• مع المقاومات المضمنة ودائرتها ؛
• مجموعات من اثنين من الصمامات الثلاثية (متطابقة أو مختلفة الهياكل) في حالة واحدة ؛
• الثنائيات لامدا - مزيج من اثنين من الصمامات الثلاثية المجال لتشكيل قسم مع مقاومة سلبية ؛
• الإنشاءات التي يتحكم فيها الصمام الثلاثي لمجال البوابة المعزول في الصمام الثلاثي ثنائي القطب (يستخدم للتحكم في المحركات الكهربائية).

في الواقع ، تعتبر الترانزستورات المدمجة عبارة عن دائرة كهربائية أولية في حزمة واحدة.

كيف يعمل الترانزستور ثنائي القطب؟ تعليمات للدمى

يعتمد تشغيل الترانزستورات ثنائية القطب على خصائص أشباه الموصلات ومجموعاتها. لفهم مبدأ تشغيل الصمامات الثلاثية ، سنتعامل مع سلوك أشباه الموصلات في الدوائر الكهربائية.

أشباه الموصلات.

بعض البلورات ، مثل السيليكون والجرمانيوم وما إلى ذلك ، هي عوازل كهربائية. لكن لديهم ميزة واحدة - إذا قمت بإضافة شوائب معينة ، فإنها تصبح موصلات ذات خصائص خاصة.

تؤدي بعض الإضافات (المتبرعات) إلى ظهور الإلكترونات الحرة ، بينما يشكل البعض الآخر (المتقبلات) "ثقوبًا".

على سبيل المثال ، إذا كان السيليكون مخدرًا بالفوسفور (متبرع) ، فإننا نحصل على أشباه موصلات تحتوي على فائض من الإلكترونات (بنية n-Si). عند إضافة البورون (المستقبِل) ، سيصبح السيليكون المخدر أشباه موصل موصل للثقب (p-Si) ، أي أن الأيونات الموجبة الشحنة سوف تسود في بنيته.

التوصيل أحادي الاتجاه.

دعونا نجري تجربة فكرية: دعنا نربط اثنين من أشباه الموصلات غير المتجانسة بمصدر طاقة ونجلب التيار إلى تصميمنا. سيحدث شيء غير متوقع. إذا قمت بتوصيل السلك السالب بلورة من النوع n ، فستغلق الدائرة. ومع ذلك ، عندما نعكس القطبية ، لن يكون هناك كهرباء في الدائرة. لماذا يحدث هذا؟

نتيجة لاتصال البلورات بأنواع مختلفة من الموصلية ، تتشكل منطقة بها تقاطع pn بينهما. سوف يتدفق جزء من الإلكترونات (ناقلات الشحن) من البلورة من النوع n إلى بلورة ذات موصلية ثقب وتعيد تجميع الثقوب في منطقة التلامس.

نتيجة لذلك ، تنشأ رسوم غير معوضة: في المنطقة من النوع n - من الأيونات السالبة ، وفي المنطقة من النوع p من الموجبة. يصل فرق الجهد إلى قيمة 0.3 إلى 0.6 فولت.

يمكن التعبير عن العلاقة بين تركيز الجهد والشوائب بالصيغة:

φ= في تي* ln ( ن ن* Np) / ن 2 ط ، أين

في تي – قيمة الإجهاد الديناميكي الحراري ، ن نو Np – تركيز الإلكترونات والثقوب ، على التوالي ، و n أنا يدل على التركيز الجوهري.

عند توصيل علامة موجب بموصل p ، وعلامة ناقص لأشباه الموصلات من النوع n ، فإن الشحنات الكهربائية ستتغلب على الحاجز ، حيث سيتم توجيه حركتها ضد المجال الكهربائي داخل تقاطع p-n. في هذه الحالة ، يكون الانتقال مفتوحًا. ولكن إذا تم عكس القطبين ، فسيتم إغلاق الانتقال. ومن هنا الاستنتاج: يشكل التقاطع pn التوصيل في اتجاه واحد. تستخدم هذه الخاصية في تصميم الثنائيات.

من الصمام الثنائي إلى الترانزستور.

دعونا نعقد التجربة. دعنا نضيف طبقة أخرى بين اثنين من أشباه الموصلات لهما نفس الهياكل. على سبيل المثال ، بين رقائق السيليكون من النوع p ، نقوم بإدخال طبقة موصلة (n-Si). ليس من الصعب تخمين ما سيحدث في مناطق الاتصال. بالتشابه مع العملية الموصوفة أعلاه ، تتشكل المناطق ذات الوصلات pn التي تمنع حركة الشحنات الكهربائية بين الباعث والمجمع ، بغض النظر عن قطبية التيار.

الشيء الأكثر إثارة للاهتمام يحدث عندما نطبق جهدًا طفيفًا على الطبقة البينية (القاعدة). في حالتنا ، نطبق تيارًا بعلامة سالبة. كما في حالة الصمام الثنائي ، تتشكل دائرة قاعدة باعث ، يتدفق من خلالها التيار. في نفس الوقت ، ستبدأ الطبقة في التشبع بالثقوب ، مما سيؤدي إلى ثقب التوصيل بين الباعث والمجمع.

انظر إلى الشكل 7. يوضح أن الأيونات الموجبة قد ملأت المساحة الكاملة لتصميمنا الشرطي ولا شيء يتداخل الآن مع توصيل التيار. لقد حصلنا على نموذج مرئي لترانزستور ثنائي القطب p-n-p.

أرز. 7. مبدأ تشغيل الصمام الثلاثي

عندما يتم إلغاء تنشيط القاعدة ، يعود الترانزستور بسرعة كبيرة إلى حالته الأصلية ويغلق تقاطع المجمع.

يمكن للجهاز أيضًا أن يعمل في وضع التضخيم.

تيار المجمع يتناسب طرديا مع تيار القاعدة. : أنال= ß* أناب ، أين ß – المكسب الحالي ، أناب – تيار القاعدة.

إذا قمت بتغيير قيمة تيار التحكم ، فستتغير شدة تكوين الثقوب على القاعدة ، مما يستلزم تغييرًا نسبيًا في سعة جهد الخرج ، مع الحفاظ على تردد الإشارة. يستخدم هذا المبدأ لتضخيم الإشارات.

من خلال تطبيق نبضات ضعيفة على القاعدة ، نحصل عند الخرج على نفس تردد التضخيم ، ولكن بسعة أكبر بكثير (يحددها الجهد المطبق على دارة المجمع-الباعث).

تعمل ترانزستورات NPN بطريقة مماثلة. يتغير قطبية الفولتية فقط. الأجهزة ذات الهيكل n-p-n لها توصيل مباشر. الترانزستورات من النوع P-n-p لها موصلية عكسية.

يبقى أن نضيف أن بلورة أشباه الموصلات تتفاعل بطريقة مماثلة مع طيف الضوء فوق البنفسجي. من خلال تشغيل وإيقاف تدفق الفوتون ، أو عن طريق ضبط شدته ، يمكن للمرء التحكم في تشغيل الصمام الثلاثي أو تغيير مقاومة المقاوم لأشباه الموصلات.

دوائر تبديل الترانزستور ثنائية القطب

يستخدم مهندسو الدوائر مخططات التوصيل التالية: مع قاعدة مشتركة ، وأقطاب باعث مشتركة والتشغيل بمجمع مشترك (الشكل 8).

أرز. 8. مخططات الأسلاك للترانزستورات ثنائية القطب

بالنسبة لمكبرات الصوت ذات القاعدة المشتركة ، فهي نموذجية:

• مقاومة منخفضة للمدخلات ، والتي لا تتجاوز 100 أوم ؛
• خصائص درجة الحرارة الجيدة وخصائص التردد للثلاثي ؛
• الجهد العالي المسموح به
• يتطلب اثنين من مصادر الطاقة المختلفة.

دوائر الباعث الشائعة لها:

• مكاسب عالية للتيار والجهد ؛
• كسب طاقة منخفض
• انعكاس جهد الخرج بالنسبة للمدخلات.

مع هذا الاتصال ، يكفي مصدر طاقة واحد.

يوفر مخطط التوصيل وفقًا لمبدأ "المجمع المشترك":

• مدخلات عالية ومقاومة منخفضة للإخراج ؛
• كسب الجهد المنخفض (< 1).

كيف يعمل ترانزستور تأثير المجال؟ شرح للدمى

يختلف هيكل الترانزستور ذو التأثير الميداني عن الترانزستور ثنائي القطب من حيث أن التيار الموجود فيه لا يعبر مناطق الوصلات pn. تتحرك الشحنات على طول منطقة قابلة للتعديل تسمى البوابة. يتم تنظيم عرض النطاق الترددي للبوابة بالجهد.

تتناقص مساحة المنطقة pn أو تزداد تحت تأثير المجال الكهربائي (انظر الشكل 9). وفقًا لذلك ، يتغير عدد حاملات الشحن المجاني - من التدمير الكامل إلى التشبع النهائي. نتيجة لمثل هذا التأثير على البوابة ، يتم تنظيم التيار عند أقطاب التصريف (جهات الاتصال التي تخرج التيار المعالج). يتدفق التيار الوارد عبر جهات اتصال المصدر.

الشكل 9. FET مع تقاطع p-n

تعمل الصمامات الثلاثية الميدانية مع قناة مضمنة ومستحثة على مبدأ مماثل. رأيت مخططاتهم في الشكل 5.

دوائر تبديل FET

في الممارسة العملية ، يتم استخدام مخططات التوصيل عن طريق القياس مع الصمام الثلاثي ثنائي القطب:

• بمصدر مشترك - يعطي تضخيمًا كبيرًا للتيار والطاقة ؛
• دوائر البوابة المشتركة التي توفر مقاومة منخفضة للمدخلات وكسبًا منخفضًا (للاستخدام المحدود) ؛
• دارات التصريف المشترك التي تعمل بنفس طريقة دارات الباعث المشترك.

يوضح الشكل 10 مخططات الأسلاك المختلفة.

أرز. 10. صورة مخططات اتصال الصمام الثلاثي المجال

تقريبًا كل دائرة كهربائية قادرة على العمل بجهد إدخال منخفض جدًا.

فيديو يشرح مبدأ تشغيل الترانزستور بعبارات بسيطة