Χαρακτηριστικά ενός τρανζίστορ

Το Transistor έχει δύο συγκεκριμένες οικογένειες να αντιμετωπίσει. Το πρώτο είναι Διπολικά Τρανζίστορ Διασταύρωσης (BJT) και το δεύτερο Τρανζίστορ Εφέ Πεδίου (FETS). Το BJT αποτελείται από δύο συσκευές ημιαγωγών διασταύρωσης, τρία στρώματα και τρεις ακροδέκτες. Έχει δύο διασταυρώσεις PN με σάντουιτς με ένα μεσαίο στρώμα. Όταν πρόκειται να μάθετε για τα τρανζίστορ, αναφέρεται ως Τρανζίστορ Διπολικής Διασταύρωσης.

Τρανζίστορ

Βασικά, το τρανζίστορ έχει τρεις ακροδέκτες, δηλαδή βάση, πομπό και συλλέκτη. Η λειτουργία του πομπού είναι να εκπέμπει τα ηλεκτρόνια στη βάση, καθώς ο εκπομπός έχει ένα εξαιρετικά ντοπαρισμένο τερματικό.

Η λειτουργία της βάσης ως ένα ελαφρώς ντοπαρισμένο τερματικό είναι να ανοίγει χώρο για τα ηλεκτρόνια που εγχέονται από τον εκπομπό στον συλλέκτη. Αντίθετα, ο συλλέκτης αρπάζει τα ηλεκτρόνια από τη βάση καθώς ο συλλέκτης έχει μέτρια προσμείξεις ιδιότητες. Σε σύγκριση με άλλους ακροδέκτες, ο συλλέκτης είναι μεγάλος και μερικές φορές αρχίζει να παράγει λιγότερη θερμότητα για τη λειτουργία της λειτουργίας.

Ιστορία του τρανζίστορ

Είναι μια συσκευή ημιαγωγών με τρεις ακροδέκτες συνδεδεμένους σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. Συνήθως, το τρίτο τερματικό λειτουργεί ως διακόπτης για τη ρύθμιση της ποσότητας ηλεκτρικής ενέργειας που ρέει μεταξύ των δύο άλλων τελικών σημείων. Όπως σε έναν ραδιοφωνικό δέκτη, αυτό είναι για ενίσχυση, ψηφιακά κυκλώματα ή γρήγορη εναλλαγή. Οι τρίοδοι, επίσης γνωστές ως (θερμιονικές) βαλβίδες, ήταν πολύ μεγαλύτερες και απαιτούσαν περισσότερη ισχύ για να λειτουργήσουν από τα τρανζίστορ.

Το 1947, η Bell Labs στο Murray Hill του New Jersey παρουσίασε με επιτυχία το πρώτο τρανζίστορ. Ιδρύθηκε από την American Telephone and Telegraph, η Bell Labs είναι το ερευνητικό τμήμα της εταιρείας (AT&T). Οι Shockley, Bardeen και Brattain είναι οι τρεις εφευρέτες που αποδίδονται στη δημιουργία του τρανζίστορ. Η εισαγωγή του τρανζίστορ θεωρείται συχνά ως μία από τις πιο σημαντικές τεχνολογικές εξελίξεις όλων των εποχών.

Τρανζίστορ διασταύρωσης

Το Junction Transistor, επίσης γνωστό ως Διπολικό Τρανζίστορ Διασταύρωσης (BJT), χρησιμοποιείται για την ενίσχυση ενός σήματος. Είναι μια συσκευή ημιαγωγών που αποτελείται από δύο συνδέσεις p-n. Αποτελείται από τρία τερματικά: 

• Εκπομπός: Είναι βαριά ντοπαρισμένο. Αυτό σημαίνει ότι έχει πολλές ακαθαρσίες. Δεν είναι πολύ μεγάλο ή όχι πολύ μικρό σε μέγεθος. Βοηθά στη ροή ρεύματος τροφοδοτώντας τους κύριους μεταφορείς.
• Βάση: Είναι ελαφρώς ντοπαρισμένο. Αποτελεί το κεντρικό τμήμα.
• Συλλέκτης: Είναι μεγαλύτερο από τον πομπό. Είναι μέτρια ντοπαρισμένο. Βοηθά στην παροχή του πλειοψηφικού φορτίου από τον πομπό και ρυθμίζει τη ροή του ρεύματος.

Τύποι τρανζίστορ Junction

• Τρανζίστορ NPN- Ένας πομπός με n και ένας συλλέκτης με ντόπισμα n συνδέονται σε μια βάση ημιαγωγού τύπου p σε ένα τρανζίστορ NPN. Επειδή η κινητικότητα ηλεκτρονίων είναι ευκολότερη από την κινητικότητα ηλεκτρονίων-οπών, τα τρανζίστορ NPN χρησιμοποιούνται συχνά ως διπολικά τρανζίστορ. Τα ηλεκτρόνια αποτελούν τους περισσότερους από τους φορείς φορτίου σε ένα τρανζίστορ n-p-n, ενώ οι τρύπες αποτελούν τη μειοψηφία. Μια μεγάλη ποσότητα ρεύματος ρέει από τον πομπό στον συλλέκτη, ενώ μόνο μια μικρή ποσότητα ρεύματος ρέει μέσω του ακροδέκτη βάσης. Ο κύριος όγκος των φορέων φορτίου στον πομπό απωθείται προς τη βάση λόγω της πόλωσης του τρανζίστορ προς τα εμπρός. Στην περιοχή βάσης, ο ανασυνδυασμός ηλεκτρονίου-οπής είναι εξαιρετικά σπάνιος, με τα περισσότερα ηλεκτρόνια να ταξιδεύουν στην περιοχή συλλέκτη.

• Τρανζίστορ PNP- Ο εκπομπός και ο συλλέκτης ενός τρανζίστορ PNP αποτελούνται από έναν ημιαγωγό με p-doped, ενώ η βάση είναι n-doped. Αυτά τα τρανζίστορ χρησιμοποιούν οπές ως φορείς της πλειοψηφίας, ενώ τα ηλεκτρόνια χρησιμοποιούνται ως φορείς μειοψηφίας σε αυτές τις συσκευές. Ο εκπομπός ενός τρανζίστορ PNP είναι πολωμένος προς τα εμπρός, ενώ ο συλλέκτης πολώνεται προς τα πίσω.

Θεωρία και μοντελοποίηση ενός τρανζίστορ

Για να κατανοήσετε τα BJT, σκεφτείτε τα ως δύο διόδους (ενώσεις P–N) που συνδέονται μεταξύ τους. Δύο δίοδοι που μοιράζονται μια περιοχή καθόδου τύπου Ν και Ρ σε ένα PNP BJT και δύο δίοδοι που μοιράζονται μια περιοχή ανόδου τύπου Ρ σε ένα NPN BJT είναι ανάλογες. Η χρήση καλωδίων για τη σύνδεση δύο διόδων δεν δημιουργεί BJT επειδή οι φορείς μειοψηφίας δεν μπορούν να ταξιδέψουν μέσα από το καλώδιο. Τα BJT λειτουργούν επιτρέποντας στο ρεύμα βάσης να ρυθμίζει μια ενισχυμένη έξοδο από τον συλλέκτη, κάτι που κάνουν και οι δύο τύποι BJT. Ένας εξαιρετικός διακόπτης μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας την είσοδο βάσης του BJT. Ο BJT είναι επίσης ένας καλός ενισχυτής, καθώς μπορεί να αυξήσει την ισχύ ενός αδύναμου σήματος κατά περίπου 100 φορές. Τα δίκτυα BJT μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία ισχυρών ενισχυτών για ένα ευρύ φάσμα σκοπών.

Χαρακτηριστικά V-I της διόδου σύνδεσης p-n

Μια καμπύλη μεταξύ της τάσης και του ρεύματος μέσω του κυκλώματος καθορίζει τις ιδιότητες V-I των διόδων σύνδεσης P-N. Ο άξονας x αντιπροσωπεύει την τάση, ενώ ο άξονας y αντιπροσωπεύει το ρεύμα. Ας υποθέσουμε ότι τα χαρακτηριστικά V-I της διόδου σύνδεσης p-n απεικονίζονται σε ένα γράφημα. μπορούμε να δούμε ότι η δίοδος λειτουργεί σε τρεις διαφορετικές ζώνες, οι οποίες είναι:

1. Μηδενική προκατάληψη: Δεν παρέχεται εξωτερική τάση στη διασταύρωση p-n σε κατάσταση μηδενικής πόλωσης,

Ως αποτέλεσμα, το φράγμα δυναμικού στη διασταύρωση εμποδίζει τη ροή ρεύματος.

Ως αποτέλεσμα, όταν V =0, το ρεύμα του κυκλώματος είναι μηδέν.

2. Προκαταλήψεις: Ο τύπος p της μπροστινής πόλωσης σύνδεσης p-n συνδέεται με τον θετικό ακροδέκτη της εξωτερικής τάσης, ενώ ο τύπος n συνδέεται στον αρνητικό ακροδέκτη.

Ως αποτέλεσμα, το πιθανό εμπόδιο ελαχιστοποιείται.

Το πρόσθιο χαρακτηριστικό V-I της διόδου σύνδεσης P-N δείχνει ότι το ρεύμα αυξάνεται εξαιρετικά αργά στην αρχή. Η καμπύλη είναι μη γραμμική επειδή η εξωτερική τάση που παρέχεται στη διασταύρωση p-n χρησιμοποιείται για να ξεπεραστεί το φράγμα δυναμικού σε αυτήν την περιοχή.

Το φράγμα δυναμικού αφαιρείται μόλις η εξωτερική τάση ξεπεράσει την πιθανή τάση φραγμού και η διασταύρωση p-n λειτουργεί σαν ένας συνηθισμένος αγωγός. Ως αποτέλεσμα, η καμπύλη ΑΒ ανεβαίνει σημαντικά καθώς αυξάνεται η εξωτερική τάση, η οποία είναι σχεδόν γραμμική.

3. Αντίστροφη προκατάληψη: Ο τύπος p της σύνδεσης p-n συνδέεται στον αρνητικό ακροδέκτη της εξωτερικής τάσης, ενώ ο τύπος n συνδέεται στον θετικό ακροδέκτη.

Ως αποτέλεσμα, το φράγμα δυναμικού στη διασταύρωση ενισχύεται.

Η αντίσταση της διασταύρωσης αυξάνεται σε εξαιρετικά υψηλό επίπεδο και ουσιαστικά δεν ρέει ρεύμα μέσω του κυκλώματος.

Στην πράξη, ωστόσο, ένα πολύ μέτριο ρεύμα της τάξης των μικρο-αμπέρ διασχίζει το κύκλωμα. Λόγω των μειοψηφικών φορέων στη διασταύρωση, αυτό είναι γνωστό ως ρεύμα αντίστροφου κορεσμού.

Συμπέρασμα

Μια διασταύρωση p-n είναι το θεμελιώδες στοιχείο πολλών συσκευών ημιαγωγών όπως οι δίοδοι και τα τρανζίστορ. Η κατανόηση της ανάπτυξης και της λειτουργίας μιας διασταύρωσης p-n είναι κρίσιμη για την κατανόηση του τρόπου λειτουργίας των συσκευών ημιαγωγών.