Bipolar Junction Transistor (BJT) - รายละเอียดการก่อสร้างและการใช้งาน

ทรานซิสเตอร์สองขั้วหรือ BJT เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ 3 เทอร์มินัลซึ่งสามารถขยายหรือเปลี่ยนแรงดันและกระแสอินพุตสัญญาณขนาดเล็กให้เป็นแรงดันและกระแสของสัญญาณเอาต์พุตที่ใหญ่กว่าอย่างมีนัยสำคัญ

Bipolar Junction Transistor BJTs วิวัฒนาการมาอย่างไร

ในช่วงปีพ. ศ. 2447-2490 หลอดสุญญากาศเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความอยากรู้อยากเห็นและเติบโตอย่างมาก ในปีพ. ศ. 2447 ไดโอดหลอดสุญญากาศเปิดตัวโดย J. A. หลังจากนั้นไม่นานในปี 1906 ลีเดอฟอเรสต์ได้ปรับปรุงอุปกรณ์ด้วยคุณสมบัติที่สามซึ่งเรียกว่ากริดควบคุมผลิตแอมพลิฟายเออร์ตัวแรกและตั้งชื่อว่าไตรโอด

ในทศวรรษต่อ ๆ มาวิทยุและโทรทัศน์ก่อให้เกิดแรงบันดาลใจอย่างมากต่อธุรกิจหลอด การผลิตเพิ่มขึ้นจากประมาณ 1 ล้านหลอดในปี 1922 เป็น 100 ล้านหลอดในปี 1937 ในช่วงต้นปี 1930 เทโทรด 4 ธาตุและเพนโทด 5 องค์ประกอบได้รับความนิยมในธุรกิจหลอดอิเล็กตรอน

ในช่วงหลายปีต่อจากนั้นภาคการผลิตได้พัฒนาเป็นหนึ่งในภาคส่วนที่สำคัญที่สุดและมีการปรับปรุงอย่างรวดเร็วสำหรับรุ่นเหล่านี้ในวิธีการผลิตในการใช้งานที่มีกำลังสูงและความถี่สูงและในทิศทางของการย่อขนาด

อย่างไรก็ตามในวันที่ 23 ธันวาคม พ.ศ. 2490 อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์กำลังจะได้เห็นการมาถึงของ 'ทิศทางความสนใจ' และการปรับปรุงใหม่ล่าสุด ปรากฎว่าในช่วงกลางวันที่ Walter H. Brattain และ John Bardeen ได้จัดแสดงและพิสูจน์ฟังก์ชั่นการขยายสัญญาณของทรานซิสเตอร์ตัวแรกที่ Bell Telephone Laboratories

ทรานซิสเตอร์ตัวแรก (ซึ่งอยู่ในรูปของทรานซิสเตอร์แบบจุดสัมผัส) แสดงในรูปที่ 3.1

เอื้อเฟื้อภาพ: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Replica-of-first-transistor.jpg

ด้านบวกของยูนิตโซลิดสเตต 3 พินนี้ตรงกันข้ามกับหลอดนั้นเห็นได้ชัดในทันที: มันมีขนาดเล็กลงมากสามารถทำงานได้โดยไม่ต้องใช้ 'ฮีตเตอร์' หรือการสูญเสียความร้อนไม่แตกหักและแข็งแรงมีประสิทธิภาพมากกว่าในแง่ของ การใช้พลังงานสามารถจัดเก็บและเข้าถึงได้อย่างง่ายดายไม่จำเป็นต้องเริ่มการอุ่นเครื่องครั้งแรกและทำงานด้วยแรงดันไฟฟ้าในการทำงานที่ต่ำกว่ามาก

การก่อสร้างทรานซิสเตอร์

โดยพื้นฐานแล้วทรานซิสเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่สร้างขึ้นด้วยวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ 3 ชั้นซึ่งใช้วัสดุ 2 ชนิดและชนิดพีชั้นเดียวหรือชนิดพี 2 ชั้นและใช้วัสดุชนิด n ชั้นเดียว ประเภทแรกเรียกว่าทรานซิสเตอร์ NPN ในขณะที่ตัวแปรที่สองมีชื่อว่าทรานซิสเตอร์ชนิด PNP

ทั้งสองประเภทนี้สามารถมองเห็นได้ในรูปที่ 3.2 ด้วยการให้น้ำหนัก DC ที่เหมาะสม

เราได้เรียนรู้วิธีการแล้ว การให้น้ำหนัก BJTs DC เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการสร้างพื้นที่ปฏิบัติการที่จำเป็นและสำหรับการขยาย AC สำหรับสิ่งนี้ชั้นด้านข้างของตัวปล่อยจะถูกเจือลงอย่างมีนัยสำคัญมากกว่าเมื่อเทียบกับด้านฐานซึ่งมีการเจือน้อยกว่าอย่างมีนัยสำคัญ

ชั้นนอกถูกสร้างขึ้นด้วยชั้นที่มีความหนามากกว่ามากเมื่อเทียบกับวัสดุแซนวิชชนิด p หรือ n ในรูปที่ 3.2 ด้านบนเราจะพบว่าสำหรับประเภทนี้สัดส่วนของความกว้างทั้งหมดเมื่อเทียบกับเลเยอร์กลางอยู่ที่ประมาณ 0.150 / 0.001: 150: 1 การใช้ยาสลบบนชั้นที่ถูกแซนวิชยังค่อนข้างต่ำกว่าชั้นนอกซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 10: 1 หรือน้อยกว่าด้วยซ้ำ

ระดับยาสลบที่ลดลงนี้จะช่วยลดความสามารถในการนำของวัสดุและเพิ่มลักษณะความต้านทานโดยการ จำกัด ปริมาณของ อิเล็กตรอนเคลื่อนที่อิสระหรือพาหะ 'อิสระ'

ในแผนภาพการให้น้ำหนักเราจะเห็นว่าขั้วของอุปกรณ์แสดงโดยใช้ตัวพิมพ์ใหญ่ E สำหรับตัวปล่อย C สำหรับตัวสะสมและ B สำหรับฐานในการอภิปรายในอนาคตของเราฉันจะอธิบายว่าเหตุใดจึงให้ความสำคัญนี้กับเทอร์มินัลเหล่านี้

นอกจากนี้คำว่า BJT ยังใช้สำหรับการย่อทรานซิสเตอร์สองขั้วและกำหนดให้กับอุปกรณ์ปลายทางทั้ง 3 นี้ วลี 'สองขั้ว' บ่งบอกถึงความเกี่ยวข้องของหลุมและอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องในระหว่างกระบวนการเติมสารที่เกี่ยวข้องกับสารที่มีขั้วตรงข้ามกัน

การทำงานของทรานซิสเตอร์

ตอนนี้เรามาทำความเข้าใจการทำงานพื้นฐานของ BJT ด้วยความช่วยเหลือของเวอร์ชัน PNP ของรูปที่ 3.2 หลักการดำเนินงานของคู่ NPN จะคล้ายกันทุกประการหากการมีส่วนร่วมของอิเล็กตรอนและหลุมมีการเปลี่ยนแปลงเพียงอย่างเดียว

ดังที่เห็นในรูปที่ 3.3 ทรานซิสเตอร์ PNP ได้รับการวาดใหม่โดยขจัดฐานไปยังการให้น้ำหนักตัวสะสม เราสามารถเห็นภาพว่าพื้นที่การสูญเสียมีความกว้างแคบลงเนื่องจากการให้น้ำหนักที่เกิดขึ้นซึ่งทำให้เกิดการไหลของ ผู้ให้บริการส่วนใหญ่ ข้าม p- ไปยังวัสดุประเภท n

ในกรณีที่อคติฐานต่อตัวปล่อยของทรานซิสเตอร์ pnp ถูกลบออกตามที่แสดงในรูปที่ 3.4 การไหลของพาหะส่วนใหญ่จะกลายเป็นศูนย์ทำให้การไหลของผู้ให้บริการชนกลุ่มน้อยเท่านั้น

สั้น ๆ เราสามารถเข้าใจได้ในสถานการณ์ที่ลำเอียง ทางแยก p-n หนึ่งตัวของ BJT จะกลายเป็นเอนเอียงแบบย้อนกลับในขณะที่ทางแยกอื่นจะเอนเอียง

ในรูปที่ 3.5 เราจะเห็นทั้งแรงดันการให้น้ำหนักที่ใช้กับทรานซิสเตอร์ pnp ซึ่งทำให้เกิดการไหลของผู้ให้บริการส่วนใหญ่และส่วนน้อยที่ระบุ จากความกว้างของพื้นที่พร่องเราสามารถเห็นภาพได้อย่างชัดเจนว่าทางแยกใดทำงานกับเงื่อนไขที่มีอคติไปข้างหน้าและมีความเอนเอียงแบบย้อนกลับ

ดังที่แสดงในภาพผู้ให้บริการส่วนใหญ่จำนวนมากจะถูกกระจายผ่านทางแยก p-n ที่เอนเอียงไปข้างหน้าไปยังวัสดุประเภท n สิ่งนี้ทำให้เกิดคำถามในใจของเราผู้ให้บริการเหล่านี้จะมีบทบาทสำคัญในการส่งเสริม IB ปัจจุบันพื้นฐานหรือทำให้สามารถไหลเข้าสู่วัสดุประเภท p ได้โดยตรงหรือไม่?

เมื่อพิจารณาว่าเนื้อหาประเภท n แบบแซนวิชนั้นบางอย่างไม่น่าเชื่อและมีการนำไฟฟ้าน้อยที่สุดผู้ให้บริการเหล่านี้เพียงไม่กี่รายจะใช้เส้นทางที่มีความต้านทานสูงโดยเฉพาะนี้ข้ามขั้วฐาน

โดยปกติระดับของกระแสไฟฟ้าพื้นฐานจะอยู่ที่ประมาณไมโครแอมแปร์แทนที่จะเป็นมิลลิแอมป์สำหรับกระแสตัวปล่อยและตัวเก็บรวบรวม

สายการบินส่วนใหญ่ที่ใหญ่กว่าเหล่านี้จะกระจายไปตามทางแยกที่มีอคติย้อนกลับไปยังวัสดุประเภท p ที่ติดอยู่กับเทอร์มินัลตัวเก็บรวบรวมตามที่ระบุไว้ในรูปที่ 3.5

สาเหตุที่แท้จริงที่อยู่เบื้องหลังความง่ายสัมพัทธ์นี้ซึ่งผู้ให้บริการส่วนใหญ่ได้รับอนุญาตให้ข้ามทางแยกแบบย้อนกลับได้รับการตระหนักอย่างรวดเร็วจากตัวอย่างของไดโอดแบบย้อนกลับที่ผู้ให้บริการส่วนใหญ่ที่ถูกเหนี่ยวนำกลายเป็นพาหะส่วนน้อยในวัสดุประเภท n

เพื่อให้แตกต่างออกไปเราจะพบการนำผู้ให้บริการชนกลุ่มน้อยมาใช้ในวัสดุรองพื้นที่ฐานประเภท n ด้วยความรู้นี้และพร้อมกับข้อเท็จจริงที่ว่าสำหรับไดโอดพาหะของชนกลุ่มน้อยทั้งหมดในบริเวณพร่องจะข้ามจุดเชื่อมต่อแบบย้อนกลับทำให้เกิดการไหลของอิเล็กตรอนตามที่ระบุในรูปที่ 3.5

สมมติว่าทรานซิสเตอร์ในรูปที่ 3.5 เป็นโหนดเดียวเราสามารถใช้กฎปัจจุบันของ Kirchhoff เพื่อให้ได้สมการต่อไปนี้:

ซึ่งแสดงให้เห็นว่ากระแสของอีซีแอลเท่ากับผลรวมของฐานและกระแสของตัวสะสม

อย่างไรก็ตามกระแสสะสมประกอบด้วยองค์ประกอบสองสามอย่างซึ่ง ได้แก่ ส่วนใหญ่และผู้ให้บริการรายย่อยตามที่พิสูจน์แล้วในรูปที่ 3.5

องค์ประกอบของผู้ให้บริการกระแสไฟฟ้าส่วนน้อยในที่นี้ประกอบด้วยกระแสไฟฟ้ารั่วและมีสัญลักษณ์เป็น ICO (IC ปัจจุบันที่มีเทอร์มินัลตัวปล่อยแบบเปิด)

ดังนั้นกระแสตัวสะสมสุทธิจึงถูกกำหนดตามที่ระบุในสมการต่อไปนี้ 3.2:

IC ปัจจุบันของนักสะสมวัดเป็น mA สำหรับทรานซิสเตอร์เอนกประสงค์ทั้งหมดในขณะที่ ICO คำนวณเป็น uA หรือ nA

ICO จะทำงานเหมือนไดโอดแบบย้อนกลับดังนั้นจึงอาจเสี่ยงต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิดังนั้นจึงต้องได้รับการดูแลอย่างเหมาะสมในขณะทดสอบโดยเฉพาะอย่างยิ่งในวงจรที่ออกแบบมาเพื่อทำงานในสถานการณ์ช่วงอุณหภูมิที่แตกต่างกันอย่างกว้างขวางมิฉะนั้นผลลัพธ์ที่ได้อาจจะมหาศาล ได้รับผลกระทบเนื่องจากปัจจัยด้านอุณหภูมิ

ที่กล่าวว่าเนื่องจากการปรับปรุงขั้นสูงจำนวนมากในรูปแบบการก่อสร้างของทรานซิสเตอร์สมัยใหม่ ICO จึงลดลงอย่างมากและสามารถละเลยได้อย่างสมบูรณ์สำหรับ BJT ในปัจจุบันทั้งหมด

ในบทถัดไปเราจะเรียนรู้วิธีกำหนดค่า BJT ในโหมดพื้นฐานทั่วไป

อ้างอิง: https://en.wikipedia.org/wiki/John_Bardeen