Transitor lưỡng cực: mạch, chế độ, mô hình

Bóng bán dẫn xuất hiện vào năm 1948 (1947), nhờ vào công việc của ba kỹ sư và Shockley, Bradstein, Bardin. Trong những ngày đó, sự phát triển và phổ biến nhanh chóng của họ vẫn chưa được dự đoán. Tại Liên Xô vào năm 1949, nguyên mẫu của bóng bán dẫn đã được trình bày cho thế giới khoa học bởi phòng thí nghiệm Krasnilov, đó là triode C1-C4 (gecmani). Thuật ngữ bóng bán dẫn xuất hiện sau đó, trong những năm 50 hoặc 60.

Tuy nhiên, họ đã tìm thấy việc sử dụng rộng rãi vào cuối những năm 60 và đầu thập niên 70, khi radio cầm tay ra đời. Nhân tiện, từ lâu họ đã được gọi là "bóng bán dẫn". Tên này bị mắc kẹt do thực tế là họ đã thay thế các ống điện tử bằng các yếu tố bán dẫn, gây ra một cuộc cách mạng trong kỹ thuật vô tuyến.

Chất bán dẫn là gì?

Các bóng bán dẫn được làm bằng vật liệu bán dẫn, ví dụ như silicon, gecmani trước đây rất phổ biến, nhưng bây giờ nó hiếm khi được tìm thấy, do chi phí cao và các thông số tồi tệ hơn, về nhiệt độ và những thứ khác.

Chất bán dẫn là vật liệu chiếm một vị trí giữa chất dẫn và chất điện môi trong độ dẫn. Điện trở của chúng lớn hơn một triệu lần so với dây dẫn và ít hơn hàng trăm triệu lần so với điện môi. Ngoài ra, để dòng điện chạy qua chúng, cần phải đặt một điện áp vượt quá khoảng cách dải để các hạt mang điện chuyển từ dải hóa trị sang dải dẫn.

Các dây dẫn của khu vực cấm không có mặt như vậy. Một hạt mang điện (electron) có thể di chuyển vào dải dẫn không chỉ dưới tác động của điện áp bên ngoài, mà còn từ nhiệt - đây được gọi là dòng nhiệt. Dòng điện gây ra bởi sự chiếu xạ của dòng ánh sáng của chất bán dẫn được gọi là dòng quang. Chất phát quang, photodiod và các yếu tố nhạy sáng khác hoạt động theo nguyên tắc này.

Để so sánh, hãy nhìn vào những người trong điện môi và dây dẫn:

Khá rõ ràng. Các sơ đồ cho thấy rằng điện môi vẫn có thể dẫn dòng điện, nhưng điều này xảy ra sau khi vượt qua vùng cấm. Trong thực tế, đây được gọi là điện áp đánh thủng điện môi.

Vì vậy, sự khác biệt giữa cấu trúc gecmani và silic là đối với gecmani, khoảng cách dải là 0,3 eV (vôn điện tử) và của silic là hơn 0,6 eV. Một mặt, điều này gây ra nhiều tổn thất hơn, nhưng việc sử dụng silicon là do các yếu tố công nghệ và kinh tế.

Do pha tạp, một chất bán dẫn nhận thêm các hạt mang điện tích dương (lỗ trống) hoặc âm (electron), đây được gọi là chất bán dẫn loại p hoặc n. Có thể bạn đã nghe thấy cụm từ ngã ba. Vì vậy, đây là ranh giới giữa các chất bán dẫn thuộc các loại khác nhau. Do sự dịch chuyển của các điện tích, sự hình thành các hạt ion hóa của từng loại tạp chất đối với chất bán dẫn chính, một dạng rào cản tiềm năng, nó không cho phép dòng điện chạy theo cả hai hướng, thông tin thêm về điều này được mô tả trong cuốn sách "Các bóng bán dẫn là dễ dàng.".

Sự ra đời của các chất mang điện tích bổ sung (pha tạp chất bán dẫn) cho phép tạo ra các thiết bị bán dẫn: điốt, bóng bán dẫn, thyristor, v.v. Ví dụ đơn giản nhất là một diode, hoạt động mà chúng tôi đã kiểm tra trong bài viết trước.

Nếu bạn áp dụng một điện áp theo xu hướng thuận, tức là Illll chảy tích cực vào khu vực p và một dòng âm sẽ chảy đến khu vực n, và nếu điều ngược lại là đúng, dòng điện sẽ không chảy. Thực tế là với sự thiên vị trực tiếp, các hạt mang điện chính của vùng p (lỗ) là dương và đẩy lùi tiềm năng tích cực của nguồn điện, có xu hướng đến vùng có tiềm năng âm hơn.

Đồng thời, các sóng mang âm của vùng n đẩy lùi khỏi cực âm của nguồn điện. Cả hai hãng đều có xu hướng giao diện (ngã ba pn).Quá trình chuyển đổi trở nên hẹp hơn và các tàu sân bay vượt qua rào cản tiềm năng, di chuyển trong các khu vực có điện tích trái dấu, nơi chúng kết hợp lại với chúng ...

Nếu một điện áp phân cực ngược được đặt vào, thì các sóng mang dương của vùng p di chuyển về phía điện cực âm của nguồn điện và các electron từ vùng n di chuyển về phía điện cực dương. Quá trình chuyển đổi mở rộng, hiện tại không chảy.

Nếu bạn không đi sâu vào chi tiết, điều này là đủ để hiểu các quá trình diễn ra trong một chất bán dẫn.

Chỉ định đồ họa có điều kiện của bóng bán dẫn

Tại Liên bang Nga, một chỉ định bóng bán dẫn như vậy được thông qua như bạn thấy trong hình dưới đây. Bộ sưu tập không có mũi tên, bộ phát có mũi tên và đế vuông góc với đường thẳng giữa bộ phát và bộ thu. Mũi tên trên bộ phát cho biết hướng của dòng chảy (từ cộng đến trừ). Đối với cấu trúc NPN, mũi tên bộ phát được hướng từ cơ sở và đối với PNP, nó được hướng đến cơ sở.

Hơn nữa, cùng một chỉ định thường được tìm thấy trong các sơ đồ, nhưng không có một vòng tròn. Ký hiệu chữ cái tiêu chuẩn là chữ VT VT và số theo thứ tự trên sơ đồ, đôi khi họ chỉ đơn giản viết chữ Tiết.

 

Hình ảnh các bóng bán dẫn không có hình tròn

Một bóng bán dẫn là gì?

Transitor là một thiết bị bán dẫn hoạt động được thiết kế để khuếch đại tín hiệu và tạo ra dao động. Ông đã thay thế các ống chân không - triodes. Các bóng bán dẫn thường có ba chân - một bộ thu, bộ phát và cơ sở. Cơ sở là điện cực điều khiển, cung cấp dòng điện cho nó, chúng tôi điều khiển dòng thu. Do đó, với sự trợ giúp của dòng điện cơ sở nhỏ, chúng ta điều chỉnh dòng điện lớn trong mạch công suất và tín hiệu được khuếch đại.

Các bóng bán dẫn lưỡng cực là chuyển tiếp trực tiếp (PNP) và độ dẫn ngược (NPN). Cấu trúc của chúng được mô tả dưới đây. Thông thường, cơ sở chiếm một thể tích nhỏ hơn của tinh thể bán dẫn.

Đặc điểm

Các đặc điểm chính của bóng bán dẫn lưỡng cực:

• Ic - dòng thu tối đa (không thể cao hơn - nó sẽ cháy);

• Ucemax - điện áp tối đa có thể được áp dụng giữa bộ thu và bộ phát (không thể ở trên - nó sẽ bị hỏng);

• Ucesat là điện áp bão hòa của bóng bán dẫn. Giảm điện áp ở chế độ bão hòa (càng nhỏ, càng ít tổn thất ở trạng thái mở và gia nhiệt);

• Hoặc H21E - mức tăng của bóng bán dẫn, bằng với Ik / Ib. Phụ thuộc vào mô hình bóng bán dẫn. Ví dụ, ở mức tăng 100, tại dòng điện qua cơ sở 1 mA, dòng điện 100 mA sẽ chảy qua bộ thu, v.v.

Điều đáng nói về các dòng bóng bán dẫn, có ba trong số chúng:

1. Dòng điện cơ sở.

2. Bộ sưu tập hiện tại.

3. Dòng phát - chứa dòng cơ sở và dòng phát.

Thông thường, dòng phát ra giảm vì nó gần như không khác biệt với cường độ dòng thu. Sự khác biệt duy nhất là dòng collector nhỏ hơn dòng phát theo giá trị của dòng cơ sở và kể từ đó bóng bán dẫn có mức tăng cao (giả sử 100), sau đó tại dòng điện 1A qua bộ phát, 10mA sẽ chảy qua cơ sở và 990mA qua bộ thu. Đồng ý, đây là một sự khác biệt đủ nhỏ để dành thời gian cho nó khi nghiên cứu điện tử. Do đó, trong các đặc điểm và chỉ định Icmax.

Chế độ hoạt động

Các bóng bán dẫn có thể làm việc trong các chế độ khác nhau:

1. Chế độ bão hòa. Nói một cách đơn giản, đây là chế độ trong đó bóng bán dẫn ở trạng thái mở tối đa (cả hai quá trình chuyển đổi đều bị lệch theo hướng thuận).

2. Chế độ cắt là khi dòng điện không chảy và bóng bán dẫn bị đóng (cả hai quá trình chuyển đổi đều bị lệch theo hướng ngược lại).

3. Chế độ hoạt động (collector-base bị sai lệch theo hướng ngược lại và cơ sở emitter bị sai lệch theo hướng thuận).

4. Chế độ hoạt động nghịch đảo (collector-base bị sai lệch theo hướng thuận và cơ sở emitter bị sai lệch theo hướng ngược lại), nhưng nó hiếm khi được sử dụng.

Mạch chuyển mạch bóng bán dẫn điển hình

Có ba mạch chuyển đổi bóng bán dẫn điển hình:

1. Cơ sở chung.

2. Tổng phát.

3. Người sưu tầm chung.

Mạch đầu vào được coi là cơ sở phát và mạch đầu ra là bộ thu-phát. Trong đó dòng điện đầu vào là dòng cơ sở và đầu ra là dòng thu tương ứng.

Tùy thuộc vào mạch chuyển mạch, chúng tôi khuếch đại dòng điện hoặc điện áp.Trong sách giáo khoa, người ta thường chỉ xem xét các kế hoạch đưa vào như vậy, nhưng trong thực tế, chúng không có vẻ quá rõ ràng.

Điều đáng chú ý là khi kết nối với một mạch có bộ thu chung, chúng ta khuếch đại dòng điện và có điện áp cùng pha (giống như đầu vào ở cực) ở đầu vào và đầu ra, và trong mạch có bộ phát chung, chúng ta có được điện áp và mức tăng điện áp nghịch đảo đầu vào). Cuối bài viết, chúng tôi sẽ mô phỏng các mạch như vậy và thấy rõ điều này.

Mô hình khóa Transitor

Mô hình đầu tiên chúng ta sẽ xem xét là bóng bán dẫn chế độ chính. Để làm điều này, bạn cần xây dựng một mạch như trong hình dưới đây. Giả sử rằng chúng ta sẽ bao gồm một tải có dòng điện 0,1A, vai trò của nó sẽ được chơi bởi điện trở R3 được cài đặt trong mạch collector.

Kết quả của các thí nghiệm, tôi thấy rằng h21E của mô hình bóng bán dẫn được chọn là khoảng 20, nhân tiện, trong bảng dữ liệu trên MJE13007, nó nói từ 8 đến 40.

Dòng cơ sở nên ở khoảng 5mA. Bộ chia được tính toán sao cho dòng cơ sở có ảnh hưởng tối thiểu đến dòng chia. Vì vậy, điện áp được chỉ định không nổi khi bóng bán dẫn được bật. Do đó, bộ chia hiện tại đặt 100mA.

Rbrosch = (12V - 0,6v) / 0,00 = 2280 Ohm

Đây là một giá trị được tính toán, các dòng điện là kết quả của điều này xuất hiện như sau:

Với dòng điện cơ sở là 5mA, dòng điện trong tải khoảng 100mA, điện áp giảm xuống 0,27V tại bóng bán dẫn. Các tính toán là chính xác.

Chúng ta đã nhận được gì?

Chúng ta có thể điều khiển một tải có dòng điện gấp 20 lần dòng điều khiển. Để khuếch đại hơn nữa, bạn có thể nhân đôi tầng, giảm dòng điều khiển. Hoặc sử dụng một bóng bán dẫn khác.

Dòng thu được giới hạn bởi điện trở tải, vì thử nghiệm tôi đã quyết định tạo ra điện trở tải 0 Ohm, sau đó dòng điện qua bóng bán dẫn được đặt bởi dòng cơ sở và mức tăng. Kết quả là, các dòng thực tế không khác nhau, như bạn có thể thấy.

Để theo dõi tác động của loại bóng bán dẫn và mức tăng của nó đối với dòng điện, chúng tôi thay thế nó mà không thay đổi các tham số mạch.

Sau khi thay thế bóng bán dẫn từ MJE13007 thành MJE18006, mạch tiếp tục hoạt động, nhưng 0,14 V giảm trên bóng bán dẫn, điều đó có nghĩa là tại cùng một dòng bóng bán dẫn này sẽ nóng lên ít hơn, bởi vì sẽ nổi bật trong nhiệt

Bình = 0,14V * 0,1A = 0,011W,

Và trong trường hợp trước:

Potpreingly = 0,27V * 0,1A = 0,027W

Sự khác biệt gần như gấp đôi, nếu nó không quá đáng kể ở mức mười watt, hãy tưởng tượng điều gì sẽ xảy ra ở dòng điện của hàng chục ampe, thì sức mạnh tổn thất sẽ tăng gấp 100 lần. Điều này dẫn đến thực tế là các phím quá nóng và thất bại.

Nhiệt được giải phóng trong quá trình sưởi ấm lan tỏa qua thiết bị và có thể gây ra vấn đề trong hoạt động của các bộ phận lân cận. Đối với điều này, tất cả các yếu tố năng lượng được cài đặt trên bộ tản nhiệt, và đôi khi các hệ thống làm mát hoạt động (làm mát, chất lỏng, v.v.) được sử dụng.

Ngoài ra, với nhiệt độ tăng, độ dẫn của chất bán dẫn tăng, cũng như dòng điện chạy qua chúng, một lần nữa gây ra sự gia tăng nhiệt độ. Quá trình tăng dòng điện và nhiệt độ giống như tuyết lở cuối cùng sẽ giết chết chìa khóa.

Kết luận là thế này: Điện áp rơi trên bóng bán dẫn ở trạng thái mở càng nhỏ thì khả năng làm nóng của nó càng thấp và hiệu suất của toàn bộ mạch càng cao.

Sự sụt giảm điện áp trên phím trở nên nhỏ hơn do thực tế là chúng ta đặt một phím mạnh hơn, với mức tăng cao hơn, để đảm bảo điều này, chúng tôi loại bỏ tải khỏi mạch. Để làm điều này, tôi lại đặt R3 = 0 Ohms. Dòng collector trở thành 219mA, trên MJE13003 trong cùng một mạch, nó có kích thước khoảng 130mA, điều đó có nghĩa là H21E trong mô hình của bóng bán dẫn này lớn gấp đôi.

Điều đáng chú ý là mức tăng của một mô hình, tùy thuộc vào một trường hợp cụ thể, có thể thay đổi hàng chục hoặc hàng trăm lần. Điều này đòi hỏi phải điều chỉnh và điều chỉnh các mạch tương tự. Trong chương trình này, các hệ số cố định được sử dụng trong các mô hình bóng bán dẫn, tôi biết logic của sự lựa chọn của chúng. Trên MJE18006 trong biểu dữ liệu, tỷ lệ H21E tối đa là 36.

Mô phỏng khuếch đại AC

Mô hình đã cho hiển thị hành vi của khóa nếu tín hiệu xen kẽ và mạch đơn giản để đưa nó vào mạch được áp dụng cho nó. Nó giống như một mạch khuếch đại công suất âm nhạc.

Thông thường họ sử dụng một số thác kết nối loạt như vậy. Số lượng và sơ đồ của các tầng, mạch công suất của chúng phụ thuộc vào lớp mà bộ khuếch đại hoạt động (A, B, v.v.). Tôi sẽ mô phỏng bộ khuếch đại Class A đơn giản nhất, hoạt động ở chế độ tuyến tính, cũng như lấy dạng sóng của điện áp đầu vào và đầu ra.

Điện trở R1 đặt điểm hoạt động của bóng bán dẫn. Trong sách giáo khoa họ viết rằng bạn cần tìm một điểm như vậy trên một đoạn thẳng CVC của bóng bán dẫn. Nếu điện áp phân cực quá thấp, nửa sóng dưới của tín hiệu sẽ bị méo.

Rpit = (Upit-Ub) / Ib

Ub≈0.7V

Ib = IK / H21E

Tụ điện là cần thiết để tách thành phần biến từ hằng số. Các điện trở R2 được cài đặt để đặt chế độ hoạt động của phím và đặt dòng hoạt động. Hãy nhìn vào các dạng sóng. Chúng tôi đưa ra tín hiệu có biên độ 10mV và tần số 10.000 Hz. Biên độ đầu ra gần 2V.

Magenta biểu thị dạng sóng đầu ra, màu đỏ biểu thị dạng sóng đầu vào.

Xin lưu ý rằng tín hiệu bị đảo ngược, tức là tín hiệu đầu ra được đảo ngược so với đầu vào. Đây là một tính năng của một mạch phát phổ biến. Theo sơ đồ, tín hiệu được loại bỏ khỏi bộ thu. Do đó, khi bóng bán dẫn được mở (khi tín hiệu đầu vào tăng), điện áp trên nó sẽ giảm. Khi tín hiệu đầu vào giảm, bóng bán dẫn bắt đầu đóng và điện áp bắt đầu tăng.

Sơ đồ này được coi là chất lượng cao nhất về chất lượng truyền tín hiệu, nhưng bạn phải trả tiền cho nó với công suất tổn thất. Thực tế là trong trạng thái không có tín hiệu đầu vào, bóng bán dẫn luôn mở và dẫn dòng điện. Sau đó nhiệt được giải phóng:

Ppot = (UKE) / Ik

UKE là một sự sụt giảm trên một bóng bán dẫn trong trường hợp không có tín hiệu đầu vào.

Đây là mạch khuếch đại đơn giản nhất, trong khi bất kỳ mạch nào khác hoạt động theo cách này, chỉ có kết nối của các phần tử và sự kết hợp của chúng là khác nhau. Ví dụ, bộ khuếch đại bóng bán dẫn Class B bao gồm hai bóng bán dẫn, mỗi bóng bán dẫn hoạt động cho nửa sóng riêng của nó.

Các bóng bán dẫn có độ dẫn khác nhau được sử dụng ở đây:

• VT1 là NPN;

• VT2 - PNP.

Phần dương của tín hiệu đầu vào biến đổi mở ra bóng bán dẫn trên và âm - phần dưới.

Sơ đồ này cho hiệu quả cao hơn do thực tế là các bóng bán dẫn mở và đóng hoàn toàn. Do thực tế là khi tín hiệu vắng mặt - cả hai bóng bán dẫn đều đóng, mạch không tiêu thụ dòng điện, do đó không có tổn thất.

Kết luận

Hiểu hoạt động của bóng bán dẫn là rất quan trọng nếu bạn sẽ làm điện tử. Trong lĩnh vực này, điều quan trọng không chỉ là học cách lắp ráp các sơ đồ, mà còn để phân tích chúng. Đối với một nghiên cứu có hệ thống và hiểu biết về các thiết bị, bạn cần hiểu dòng điện sẽ chảy ở đâu và như thế nào. Điều này sẽ giúp cả trong việc lắp ráp và điều chỉnh và sửa chữa các mạch.

Điều đáng chú ý là tôi cố tình bỏ qua nhiều sắc thái và yếu tố để không làm quá tải bài viết. Trong trường hợp này, sau khi tính toán nhặt điện trở. Trong mô hình, điều này là dễ dàng để làm. Nhưng trong thực tế đo dòng điện và điện áp bằng một vạn năngvà lý tưởng là cần máy hiện sóngđể kiểm tra xem dạng sóng đầu vào và đầu ra có khớp hay không, nếu không bạn sẽ bị biến dạng.