Bipolaartransistor

Allikas: Vikipeedia
npn-transistori tingmärk

Bipolaartransistor on vooluga juhitav transistor, mis koosneb kolmest erineva juhtivusega (auk- ja elektronjuhtivusega) kihist ning kahest nendevahelisest pn-siirdest.[1]

Transistori seda siiret, millele antakse päripinge, nimetatakse emittersiirdeks, ja sellega külgnevat ala emitteriks (ladina k emittere väljutama); vastupingestatavat siiret nimetatakse kollektorsiirdeks ja sellega külgnevat ala kollektoriks (lad. collector koguja). Keskmine ala ‒ baas ‒ võib olla p- või n-juhtivusega, millele vastavalt on npn- ja pnp-struktuuriga transistore. Baasivool on üldjuhul tüüriv vool ja kollektorivool tüüritav vool. Emitterit läbib kollektorivoolu ja baasivoolu summa. Bipolaartransistori pooljuhtstruktuur koosneb enamasti ränist,harvemini germaaniumist.[1]

npn-transistori struktuur ja laengukandjate liikumine pingestatud transistoris

Bipolaartransistori tööpõhimõte[muuda | redigeeri lähteteksti]

Vaatleme npn-transistoris toimuvaid protsesse. Läbi päripingestatud emittersiirde injekteerub (siseneb) emitterist baasi suurel hulgal elektrone, mis osutuvad siin vähemuslaengukandjaiks (vt Pooljuhid elektroonikas). Seetõttu kasvab elektronide kontsentratsioon baasis emittersiirde juures tugevasti. Vastupingestatud kollektorsiirde lähedal on seevastu elektrone väga vähe. Suure kontsentratsioonivahe tõttu difundeeruvad (valguvad) vähemuslaengukandjad emittersiirde juurest kiiresti kollektorsiirde poole ja siirduvad kiirenevalt kollektorisse, sest vähemuslaengukandjaile (npn-transistoris elektronidele) annab vastupingestatud siirde ruumlaengute väli energiat juurde. Kollektori kaudu liiguvad need elektronid kollektorivooluna välisahelasse.

Kollektoriahelasse saabuvad peaaegu kõik baasi sisenenud elektronid, üksnes väike osa neist jõuab rekombineeruda baasi aukudega, s.t. positiivsetest ioonidest moodustuvad elektronidega liitumisel neutraalsed aatomid. Nende elektronide liikumine moodustab baasivoolu ühe komponendi. Selle voolu teise komponendi põhjustavad augud, mis injekteeruvad baasist emitterisse.

Transistori talitluse seisukohast on tähtis, et baasivool oleks võimalikult nõrk. Selle saavutamiseks tehakse baas hästi õhuke, et elektronid ei jõuaks seal kuigivõrd rekombineeruda. Peale selle legeeritakse p-juhtivusega baasi tunduvalt vähem kui emitterit; selle tulemusena on baasist emitterisse siirduvate aukude voog palju nõrgem kui vastassuunaline elektronide voog.

Kontsentratsioonide ühtlustamiseks difundeerub osa auke baasis kollektori poole, nii et emittersiirde juures moodustavad negatiivsed aktseptoriioonid negatiivse laengu ja kollektorsiirde juures augud positiivse laengu. Nende laengute elektriväli kutsub pingestatud transistori baasis esile baasi injekteeruvate elektronide triivi kollektori poole, mistõttu kiirenebki nende liikumine kollektori suunas.

Transistori kasutamisel elektrisignaali võimendamiseks rakendatakse sisendsignaal emittersiirdele, s.o. baasi ja emitteri vahele, ja väljundsignaal võetakse kollektoriahelasse ühendatud koormuselt RL. Et kollektorsiire on vastupingestatud, avaldab ta voolumuutusele suurt takistust (harilikult kümned kilo-oomid). Seepärast võib ka koormustakistuse valida suure (nagu teada, on energia ülekanne suurim energiaallika takistuse ja tarbija koormustakistuse võrdsuse korral). Seega on suur ka pingelang koormusel ja väljundsignaali võimsus (alalisvoolu-toiteallika arvel). Samal ajal on sisendsignaali võimsus (emittersiirde pinge ja baasivoolu korrutis) väike ja seejuures seda väiksem, mida väiksema osa emitterivoolust moodustab baasivool. Niisiis osutub elektrisignaali võimsus transistori väljundis palju suuremaks sisendsignaali võimsusest, s.t. toimub võimsuse võimendus.

Samalaadselt kulgeb signaali võimendamine ka pnp-transistoris, ainult elektronide ja aukude osad on vahetunud ning toitepingete polaarsused ja seetõttu ka voolude suund vastupidine.

Transistoride ühendusviisid
uI ‒ sisendpinge; uO ‒ väljundpinge; RL ‒ koormustakistus

Ühendusviisid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Et transistoril on kolm väljaviiku, peab tema neliklemmina ühendamisel olema üks viik sisend- ja väljundahelale ühine. Sellele vastavalt on võimalik ühise baasiga (ÜB), ühise emitteriga (ÜE) ja ühise kollektoriga (ÜK) ühendus. Toiteallikad pole skeemidel näidatud, need on signaaliahelate suhtes lühiseks.

Levinuim on ÜE-ühendus, sest annab suure pinge- ja vooluvõimenduse ning sisend- ja väljundtakistused ei ole teineteisest väga erinevad; see võimaldab võimendusastmeid hõlpsalt sidestada.

ÜB-ühenduses astme pingevõimendus on niisama suur kui ÜE korral, vooluvõimendus veidi alla 1; rakendatakse kõrgetel sagedustel.

. ÜK-ühenduses astme vooluvõimendus on sama mis ÜE korral, pingevõimendus alla 1; see ühendus on tuntud emitterjärgurina ning kasutatav suure sisend- ja väikese väljundtakistuse tõttu takistuste sobitamiseks.

Töörežiimid ja karakteristikud[muuda | redigeeri lähteteksti]

Bipolaartransistor võib töötada kolmes põhirežiimis.

  1. Aktiivrežiimis on emittersiire avatud (takistus väike) ja kollektorsiire suletud (takistus suur). Aktiivrežiimis töötab transistor võimendina.
  2. Sulgerežiimis on peale kollektorsiirde ka emittersiire suletud, s.t. mõlemal siirdel on vastupinge.
  3. Küllastusrežiįimis on mõlemad siirded avatud. Siis injekteeruvad laengukandiad baasi nii emitterist kui kollektorist. Baasivool võib tugevuselt muutuda võrreldavaks emitterivooluga. Küllastus tekib, kui pinge kollektoril muutub npn-transistoris baasi suhtes negatiivseks; seejuures emitteri suhtes võib ta olla veel positiivne.

Bipolaarse transistori sisendkarakteristikult on näha, et emittersiire jääb suletuks ka niisugusell päripingel, mis on allpool teatavat läviväärtust. Seepärast tuleb emittersiirde avamiseks rakendada npn-transistori baasi ja emitteri vahele positiivne pinge, mis on Ge-transistoril vähemalt 0,2‒0,3 V, Si-transistoris 0,6‒0,7 V ja GaAs-transistoris 1,4‒1,5 V.

Transostori väljundkarakteristikud näitavad, kuidas sõltub kollektorivool IC kollektoripingest UCE ja baasivoolust IB. Graafiku horisontaalteljel on kollektori ja emitteri vaheline pinge UCE ning vertikaalteljel kollektorivool IC, kusjuures baasivoolu IB mõju kujutavad jooned on iga juhu jaoks eraldi joonistatud. Tunnusjoonte asend teljestikus oleneb ka temperatuurist.

Nõrga signaali võimendamisel asub transistori tööpunkt tunnusjoonte lineaarses osas, s.o. aktiivpiirkonnas, tugeva signaali, samuti impulss-signaali võimendamisel aktiiv- ja ka sulgepiirkonnas.

Lülitina kasutamisel töötab transistor kõigis kolmes piirkonnas, kusjuures tööpunkt püsib kestvamalt sulge- või küllastuspiirkonnas ja ainult üleminekul ühest piirkonnast teise läbib aktiivpiirkonna.

Ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

Bipolaartransistori leiutasid 1947. aasta detsembris John Bardeen ja Walter Brattain William Schockley juhtimisel ettevõttes Bell Telephone Laboratories. Selle leiutise eest pälvisid kõik kolm meest 1956. aasta Nobeli füüsikapreemia. Bardeen on ainus, kes pälvinud Nobeli füüsikapreemia kahel korral: teist korda sai ta selle 1972 ülijuhtivust käsitleva BCS teooria väljatöötamise eest.

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. 1,0 1,1 Tehnikaleksikon, lk. 525

Kasutatud kirjandus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Lembit Abo. Elektroonikakomponendid. 1997, lk 37‒41.

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Välislingid[muuda | redigeeri lähteteksti]