Bipolaartransistor

npn-transistori tingmärk

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

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. Reeglina on sisendsuuruseks siiski baasi ja emitteri vaheline pinge või selle muutused. Emitterit läbib kollektorivoolu ja baasivoolu summa. Bipolaartransistori pooljuhtstruktuur koosneb enamasti ränist, harvemini germaaniumist või muudest pooljuhtmaterjalidest ja neisse viidud lisanditest.

npn-transistori struktuur ja laengukandjate liikumine pingestatud transistoris

Bipolaartransistori tööpõhimõte

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, st 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 R_L. 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, st 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
u_I – sisendpinge; u_O – väljundpinge; R_L – koormustakistus

Ühendusviisid

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 bipolaartransistori kasutusviis on ÜE-ühenduses, sest see annab suure pinge- ja vooluvõimenduse ning võimendusastme sisend- ja väljundtakistused ei erine üksteisest palju, mistõttu on võimalik järjestikku ühendatud võimendusastmeid hõlpsamalt sidestada.

ÜB-ühenduses transistoriga võimendusastme pingevõimendus on sama suur kui ÜE korral, vooluvõimendus veidi alla 1, kuid sisendtakistus on väga madal (ligikaudu 25/I_E, oomides mA voolu kohta). Seetõttu kasutatakse ÜB-lülitust kõrgetel sagedustel sobitatud koormuste olukorras (näiteks 50-oomisest antennist saadava raadiosignaali võimendamiseks). Lisaks nõrgeneb selles lülituses oluliselt kollektorsiirde mahtuvuse parasiitne mõju astme parameetritele.

ÜK-ühenduses astme ehk emitterjärguri vooluvõimendus on sama mis ÜE korral, pingevõimendus aga veidi alla 1. Emitterjärgur on suhteliselt suure sisendtakistuse ja väikese väljundtakistuse tõttu kasutatav madalaoomilise koormuse ühendamiseks suure sisetakistusega signaaliallikaga.

Töörežiimid ja karakteristikud

Bipolaartransistor võib töötada kolmes põhirežiimis.

1. Aktiivrežiimis on emittersiire pingestatud pärisuunas (takistus väike) ja kollektorsiire suletud (takistus suur). Aktiivrežiimis on transistor kasutatav võimenduselemendina.
2. Sulgerežiimis on peale kollektorsiirde suletud ka emittersiire, st mõlemal siirdel on vastupinge.
3. Küllastusrežiimis on mõlemad siirded avatud. Siis injekteeruvad laengukandjad 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.

Kuigi bipolaartransistori nimetatakse vooluga tüüritavaks on teaalselt tegemist baasi ja emitteri vahelise pingega tüüritava seadmega, mida iseloomustab läbivkarakteristik I_C=f(U_BE), mis oma iseloomu poolest on eksponentsiaalne ja ligilähedaselt samane baas-emitter p-n-ülemineku (siirde) volt-amper-karakteristikule I_E=f(U_BE).

Bipolaarse transistori sisendkarakteristik I_B=f(U_BE)on samuti eksponentsiaalne funktsioon, mis vastab emittersiirde volt-amper-karakteristikule, kuid on transistori vooluvõimendusteguri B kordselt väiksema voolu(skaala)ga, ning on ligilähedaselt kollektorsiirde vastuvoolu võrra nihutatud allapoole. Selle asjaolu tõttu ei teki emittersiirdes pärisuunalist voolu enne kui pärisuunaline baasipinge jõuab teatava läviväärtuseni.

Emittersiirde avamiseks transitori tööpunkti jaoks valitud töövooluni tuleb rakendada transistori baasi ja emitteri vahele selleks vajalik pärisuunaline pinge. Võimendusrežiimis on see Ge-transistoridel tavaliselt suurusjärgus 0,2–0,3 V, Si-transistoridel 0,6–0,7 V ja GaAs-transistoridel 1,4–1,5 V. Transistori töötamisel mikrovoolude režiimis (väikesemüralised sisendastmed) ja suurte töövoolude korral võivad aga olla toodutest oluliselt (kordades) vastavalt kas väiksemad või suuremad.

Transistori väljundkarakteristikud näitavad, kuidas sõltub kollektorivool I_C kollektoripingest U_CE ja baasivoolust I_B selle erinevate disktreetsete väärtuste juures. Graafiku horisontaalteljel on kollektori ja emitteri vaheline pinge U_CE ning vertikaalteljel kollektorivool I_C. Väljundkarakteristikud antakse baasivoolu I_B erinevate diskreetsete väärtuste jaoks samas teljestikus eraldi välja joonistatud tunnusjoontena.

Põhimõtteliselt võib väljundkarakteristik olla antud ka kollektorvoolu I_C sõltuvusena kollektorpingest U_CE baas-emitter pinge U_BE erinevatel diskreetsetel väärtustel, aga seda tehakse harva (kuigi selline esitus tagaks parema võrreldavuse elektronlampide ja väljatransistoriga).

Transistoride tunnusjooned sõltuvad ka temperatuurist. Neist kõige olulisem on U_BE nihkumine ligikaudu 2 mV võrra kraadi kohta.

Transistori kasutamisel võimendusastmes nõrga signaali võimendamiseks fikseeritakse transistori töövool (bias) tunnusjoonte suhteliselt lineaarseks peetavas osas aktiivpiirkonnas. Suure signaali ja samuti suure amplituudiga impulss-signaali võimendamisel toimib transistor aga nii aktiiv- kui ka sulgepiirkonnas.

Loogilise lülitina (loogikalülides) kasutamisel töötab transistor kõigis kolmes piirkonnas, kusjuures tööpunkt püsib kestvamalt sulge- või küllastuspiirkonnas (asendites loogiline 1 ja loogiline 0) ja ainult üleminekul ühest piirkonnast teise läbib lühiajaliselt aktiivpiirkonda. Sama kehtib ka transistori kasutamisel analooglülitina, kuigi siin selle iseärasusega, et signaal võib olla ka kahepolaarne.

Ajalugu

Bipolaartransistori leiutasid 1947. aasta detsembris John Bardeen ja Walter Brattain William Schockley juhtimisel ettevõttes Bell Telephone Laboratories. Reaalselt kasutatava transistorini jõudsid nad 1948. aastal. Selle leiutise eest pälvisid kõik kolm meest 1956. aasta Nobeli füüsikaauhinna.

Bardeen on ainus inimene, kes on pälvinud Nobeli füüsikaauhinna kahel korral: teist korda sai ta selle 1972 ülijuhtivust käsitleva BCS-teooria väljatöötamise eest.

Vaata ka

• pn-siire
• Transistor

Kirjandus

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

Välislingid

• Bipolar junction transistors
• Transistorid