Qu'est-ce qu'un transistor bipolaire et quelle est sa caractéristique
Le mot "transistor" est composé des mots TRANSfer et RESISTOR - convertisseur de résistance. Il a remplacé les lampes au début des années 1950. Il s'agit d'un appareil à trois broches utilisé pour l'amplification et la commutation dans les circuits électroniques. L'adjectif "bipolaire" (transistor bipolaire à jonction) est utilisé pour distinguer les transistors à effet de champ (FET - transistor à effet de champ). Le principe de fonctionnement d'un transistor bipolaire est d'utiliser deux jonctions p-n qui forment une couche barrière, ce qui permet de contrôler un petit courantà proposavec le courant le plus élevé. Le transistor bipolaire est utilisé à la fois comme résistance contrôlée et comme clé. Les transistors sont de deux types: pnp et npn.
Jonction P-N
Le germanium (Ge) et le silicium (Si) sont des semi-conducteurs. Maintenant, le silicium est principalement utilisé. La valence de Si et Ge est de quatre. Par conséquent, si nous ajoutons de l'arsenic pentavalent au réseau cristallin du silicium (As), nous obtenons un électron «supplémentaire», et si nous ajoutons du bore trivalent (B), nous obtenons une place vacante pour un électron. Dans le premier cas, ils parlent d'un matériau «donneur» donnant des électrons, dans le second cas ils parlent d'un matériau «accepteur» recevant des électrons. En outre, le premier type de matériau est appelé N (négatif) et le second - P (positif).
Si des matériaux de types P et N sont mis en contact, un courant se produit entre eux et un équilibre dynamique s'établit avec une région appauvrie, où la concentration des porteurs de charge - électrons et sites vacants («trous») - est faible. Cette couche a une conductivité unilatérale et sert de base à un dispositif appelé diode. Le contact direct des matériaux ne créera pas de transition qualitative, l'alliage (diffusion) ou le «colmatage» des ions dopants dans un cristal sous vide est nécessaire.
Transistor PNP
Pour la première fois, un transistor bipolaire a été réalisé en faisant fondre des gouttelettes d'indium dans un cristal de germanium (matériau de type n). L'indium (In) est un métal trivalent de type p. Par conséquent, un tel transistor a été appelé diffus (allié) ayant une structure p-n-p (ou pnp). Le transistor bipolaire de la figure ci-dessous a été fabriqué en 1965. Son corps est taillé pour plus de clarté.
Le cristal de germanium au centre est appelé la base, et les gouttelettes d'indium qui y fondent sont appelées émetteur et collecteur. Il est possible de considérer les transitions EB (émetteur) et KB (collecteur) comme des diodes ordinaires, mais la transition CE (collecteur-émetteur) a une propriété spéciale. Par conséquent, il est impossible de fabriquer un transistor bipolaire à partir de deux diodes distinctes.
Si une tension de plusieurs volts est appliquée entre le collecteur (-) et l'émetteur (+) dans un transistor de type pnp, un courant très faible, quelques μA, circulera dans le circuit. Si ensuite une petite tension (d'ouverture) est appliquée entre la base (-) et l'émetteur (+) - pour le germanium, elle est d'environ 0,3 V (et pour le silicium 0,6 V) - alors un courant d'une certaine ampleur circulera de l'émetteur vers la base.Mais puisque la base est rendue très mince, elle deviendra rapidement saturée de trous (elle «perd» son excès d'électrons qui ira à l'émetteur). Étant donné que l'émetteur est fortement dopé par conduction des trous et que la recombinaison d'électrons dans la base faiblement dopée est un peu retardée, alorsà proposla majeure partie du courant passera de l'émetteur au collecteur. Le collecteur est plus grand que l'émetteur et légèrement dopé, ce qui lui permet d'avoirà propostension de claquage inférieure (UÉchantillon CE> UExemple EB) De plus, comme la majeure partie des trous se recombine dans le collecteur, il se réchauffe plus fortement que les autres électrodes de l'appareil.
Entre le collecteur et le courant de l'émetteur, il y a un rapport:
Typiquement, α se situe dans la plage de 0,85-0,999 et dépend inversement de l'épaisseur de la base. Cette valeur est appelée coefficient de transfert du courant de l'émetteur. En pratique, la réciproque est souvent utilisée (également désignée par h21e):
Il s'agit du coefficient de transfert du courant de base, l'un des paramètres les plus importants d'un transistor bipolaire. Il détermine plus souvent les propriétés améliorantes dans la pratique.
Le transistor PNP est appelé transistor conducteur direct. Mais il existe un autre type de transistor, dont la structure complète parfaitement le pnp dans les circuits.
Transistor NPN
Le transistor bipolaire peut avoir un collecteur avec un émetteur en matériau de type N. Ensuite, la base est en matériau de type P. Et dans ce cas, le transistor npn fonctionne exactement comme pnp, à l'exception de la polarité - c'est un transistor à conductivité inverse.
Les transistors à base de silicium suppriment avec leur nombre tous les autres types de transistors bipolaires. En tant que matériau donneur pour le collecteur et l'émetteur peut servir de As, ayant un électron "supplémentaire". La technologie de fabrication des transistors a également changé. Maintenant, ils sont plans, ce qui permet d'utiliser la lithographie et de réaliser des circuits intégrés. L'image ci-dessous montre un transistor bipolaire plan (dans le cadre d'un circuit intégré à fort grossissement). Selon la technologie planaire, des transistors pnp et npn sont fabriqués, y compris des transistors puissants. L'alliage est déjà abandonné.
Le transistor bipolaire planaire dans le cadre de l'image suivante (schéma simplifié).
L'image montre à quel point la conception du transistor plan est bien arrangée - le collecteur est efficacement refroidi par le substrat cristallin. Un transistor pnp plan est également fabriqué.
Les désignations graphiques conventionnelles d'un transistor bipolaire sont illustrées dans l'image suivante.
Ces UGO sont internationaux et également valides conformément à GOST 2.730-73.
Circuits de commutation à transistors
Habituellement, un transistor bipolaire est toujours utilisé en connexion directe - la polarité inversée à la transition FE ne donne rien d'intéressant. Pour un schéma de connexion directe, il existe trois schémas de connexion: un émetteur commun (OE), un collecteur commun (OK) et une base commune (OB). Les trois inclusions sont illustrées ci-dessous. Ils expliquent uniquement le principe de fonctionnement lui-même - en supposant que le point de fonctionnement est installé d'une manière ou d'une autre en utilisant une source d'alimentation supplémentaire ou un circuit auxiliaire. Pour ouvrir un transistor au silicium (Si), il faut avoir un potentiel de ~ 0,6 V entre l'émetteur et la base, et pour un germanium c'est assez ~ 0,3 V.
Émetteur commun
La tension U1 provoque un courant Ib, le courant de collecteur Ik est égal au courant de base multiplié par β. Dans ce cas, la tension + E doit être suffisamment importante: 5 V-15 V. Ce circuit amplifie bien le courant et la tension, et donc la puissance. Le signal de sortie est opposé en phase à l'entrée (inversé). Ceci est utilisé dans la technologie numérique en fonction de NOT.
Si le transistor ne fonctionne pas en mode clé, mais en tant qu'amplificateur de petits signaux (mode actif ou linéaire), alors, en utilisant la sélection du courant de base, la tension U est réglée2 égal à E / 2 pour que le signal de sortie ne soit pas déformé. Une telle application est utilisée, par exemple, pour amplifier des signaux audio dans des amplificateurs haut de gamme avec une faible distorsion et, par conséquent, une faible efficacité.
Collectionneur commun
En termes de tension, le circuit OK n'amplifie pas, ici le gain est α ~ 1.Par conséquent, ce circuit est appelé émetteur suiveur. Le courant dans le circuit émetteur est β + 1 fois supérieur à celui du circuit de base. Ce circuit amplifie bien le courant et a une faible sortie et une impédance d'entrée très élevée. (C'est le moment de se rappeler que le transistor est appelé transformateur à résistance.)
L'émetteur suiveur a des propriétés et des paramètres de fonctionnement très adaptés aux sondes d'oscilloscope. Il utilise son énorme impédance d'entrée et sa faible sortie, ce qui est bon pour s'adapter à un câble à faible impédance.
Base commune
Ce circuit est caractérisé par la résistance d'entrée la plus faible, mais son gain de courant est égal à α. Un circuit de base commun amplifie bien en tension, mais pas en puissance. Sa caractéristique est l'élimination de l'influence de la rétroaction sur la capacité (eff. Miller). Les cascades OB conviennent parfaitement comme étages d'entrée d'amplificateurs dans des chemins RF adaptés à de faibles résistances de 50 et 75 Ohms.
Les cascades à base commune sont très largement utilisées dans la technologie des micro-ondes et leur utilisation dans l'électronique radio avec une cascade d'émetteurs suiveurs est très courante.
Deux modes de fonctionnement principaux
Distinguer les modes de fonctionnement en utilisant le "petit" et le "grand" signal. Dans le premier cas, le transistor bipolaire fonctionne dans une petite zone de ses caractéristiques et ceci est utilisé dans la technologie analogique. Dans de tels cas, la linéarité de l'amplification du signal et le faible bruit sont importants. Il s'agit d'un mode linéaire.
Dans le second cas (mode clé), le transistor bipolaire fonctionne dans toute la plage - de la saturation à la coupure, comme une clé. Cela signifie que si vous regardez les caractéristiques I - V de la jonction pn, vous devez appliquer une petite tension inverse entre la base et l'émetteur pour verrouiller complètement le transistor et pour l'ouvrir complètement lorsque le transistor passe en mode saturation, augmentez légèrement le courant de base par rapport au mode à faible signal. Ensuite, le transistor fonctionne comme un interrupteur à impulsions. Ce mode est utilisé dans les dispositifs de commutation et d'alimentation, il est utilisé pour commuter les alimentations. Dans de tels cas, ils essaient d'obtenir un temps de commutation court des transistors.
La logique numérique est caractérisée par une position intermédiaire entre les «gros» et «petits» signaux. Un niveau logique bas est limité à 10% de la tension d'alimentation et un niveau élevé à 90%. Les retards et les commutations visent à réduire à la limite. Ce mode de fonctionnement est essentiel, mais ils cherchent à minimiser la puissance ici. Tout élément logique est une clé.
Autres types de transistors
Les principaux types de transistors déjà décrits ne limitent pas leur disposition. Des transistors composites sont produits (circuit de Darlington). Leur β est très grand et égal au produit des coefficients des deux transistors, ils sont donc également appelés transistors «superbet».
Le génie électrique a déjà maîtrisé les IGBT (transistor bipolaire à grille isolée), avec une grille isolée. La grille du transistor à effet de champ est en effet isolée de son canal. Certes, il s'agit de recharger sa capacité d'entrée lors de la commutation, donc, sans courant, il ne peut pas le faire ici.
De tels transistors sont utilisés dans de puissants commutateurs de puissance: convertisseurs d'impulsions, onduleurs, etc. Les IGBT d'entrée sont très sensibles en raison de la haute résistance de grille des transistors à effet de champ. À la sortie - ils donnent la possibilité de recevoir des courants énormes et peuvent être fabriqués pour la haute tension. Par exemple, aux États-Unis, il y a une nouvelle centrale solaire, où de tels transistors dans le circuit en pont sont chargés de puissants transformateurs qui transfèrent l'énergie au réseau industriel.
En conclusion, nous notons que les transistors, en termes simples, sont le «cheval de bataille» de toute l'électronique moderne. Ils sont utilisés partout: des locomotives électriques aux téléphones portables. Tout ordinateur moderne se compose de presque tous les transistors. Les fondements physiques du fonctionnement des transistors sont bien compris et promettent de nombreuses nouvelles réalisations.
Matériaux associés:
Chargement...
