Биполярлы транзистор

Кіріспе.

 

Қазіргі кезде өнеркәсіптік электроникада негізінен жартылай өткізгіштен жасалған  құрылғылар қолданылады. Мұның себебі вакуумдық құрылғыларға қарағанда жартылай өткізгіштерден жасалған құрылғылардың тиімділігі жоғары десе болады. Жартылай өткізгішті приборлардың түрлері өте көп. Мысалы: варисторлар,терморезисторлар, фоторезисторлар, тензо-резисторлар.транзисторлар, теристорлар, тиринисторлар т.б. Енді осы құрылғыларға тоқталып көрейік. Кернеуі өскен сайын кедергісі азаятын жартылай өткізгіштен жасалған резисторда варистор деп атайды.Варисторлар ұнтақ силиций карбидін байланыстырушы ретінде саз қосып,жоғары температурада күйдіру арқылы жасайды.Олардың конструкциясы негізінен шыбық не диск түрінде болады. Варисторлар электр тізбектерін немесе әр түрлі элементтерді асқын кернеуден сақтау үшін қолданылады. Кедергісі температурадан тәуелі өзгеріп тұратын жартылай өткізгішті материалдан жасалған резисторды терморезистор деп атайды. Терморезистор екі түрлі болады: термистор және позистор. Температурасы өскенде кедергісі азаятын  терморезисторды термистр деп атайды да, ал температурасы өскенде кедергісі де өсетін терморезисторды позистор деп атайды. Кедергісі жарықталынуынан тәуелді жартылай өткізгіштен  жасалған резисторды фоторезистор деп атайды. Фоторезисторларды ішкі фотоэффект құбылысы байқалатын камдийдің, висмуттың, германийдің, силицийдің сульфиттерінен жасайды.Кедергісі механикалық деформациясына байланысты өзгеріп отыратын жартылай өткізгіштен жасалған резистрды тензорезистор деп атайды. Енді транзисторлар жайлы айтатын болсақ, ең алғаш электронды және кемтікті өтпелерге сәл тоқталу керек. Электронды және кемтікті екі түрлі жартылай өткізгішті кристаллдың беттері тегістеліп бір-бірімен түйістірілген деп алайық. Түйісу аймағында диффузияның салдарынан диффузиялық ток жүріп кемтіктер мен электрондар рекомбинацияға түседі. Электрондар кемтіктерді толтырады да түйісу аймағында заряд тасымалдаушылар таусылып, төршілттер түйіндерінде орналасқан иондар ғана қалады. Жалпы алғанда түйісу аймағында жартылай өткізгіш оң зарядты да теріс зарядты да болып шығады. Осындай р-п өтпесінен тұратын екі немесе бірнеше шықпасы бар көптеген жартылай өткізгішті аспаптар бар. Екі шықпасы бар аспаптар жартылай өткізгішті диодтар деп аталады. Жұмыс істеу тәртібіне қарай жартылай өткізгішті диодтардың әр түрлері белгілі. Осы екі р-п өтпеден тұратын үш шықпасы бар аспапты жартылай өткізгішті транзисторлар деп атайды. Транзисторлар электрониканың ең көп тараған элементі. Транзисторларды гермнийден немесе силицийден жасайды. Электр өткізгіштігі электронды және кемтікті заряд тасушылардан түзілетіндіктен мұндай транзисторларды биполяр транзисторлар деп атайды. Транзисторлардың жалғану сұлбасының түрі оның атқаратын қызметіне және параметрлеріне байланысты анықталады.

 

Транзисторлардың кіріс  және шығыс кедергілері кернеуді, токты және қуатты күшейту коэффиценттері оның негізгі параметрлері болып есептеледі. Транзисторда эмиттер - база және коллектор - база өтпелерінің сыйымдылығы болатындықтан жоғары жиіліктерде электрондар эмиттерден коллекторға өтіп үлгере алмайды. Ендеше жиіліктің өсуі коллетордың тогының азаюына әкеліп соғады. Ал температура өскен кезде негізгі емес заряд тасымалдаушылардың саны көбейеді де коллектордың бастапқы тогы артады. Бұл жайлы егжей - тегжейлі төменде қарастыратын боламыз Бұл жұмыста транзисторларға сипаттама беріліп, биполяр транзисторлардың техника мен электроникада алатын орны көрсетіліп, транзисторлардың әртүрлі өтпелердегі жалғану сұлбасы көрсетіледі. Биполяр транзисторлардың тасымалдайтын тогының шамасын есептеу және статикалық сипаттама-ларының графигін тұрғызу көзделіп отыр

 

І. Негізгі бөлім.

 

1.1. Биполяр транзисторлардың  атқаратын қызметі.

 

Екі р-п өтпеден тұратын, яғни р-п-р немесе п-р-п құрылымды  үш шықпасы бар жартылай өткізгішті аспапты транзистр деп атайды, Транзисторлар элетрониканың ең кең тараған элементі. Олар кернеу, ток немесе қуат күшейткіштерінде, логикалық немесе тағы басқа құрылғыларда қолданылады. Транзисторларды электронды немесе кемтікті электр өткізгішті гермений немесе силицийден жасайды. Электр өткізгішьігі элетронды және кемтікті заряд тасымалдаушылармен түзілетіндіктен мұндай транзисторларды биполярлы деп атайды. Әдетте, транзисторларды жұмыс жасай алатын жиіліктері аралығына және қуатына қарай әртүрлі топтарға бөледі:төменгі және жоғарғы жиілікті, әлсіз немесе қуатты т.с.с. деп. Транзисторда екі р-п өтпенің біріне кернеу тура бағытта,ал екіншісіне кері бағытта беріледі.

1.1.1-сурет.а) р-п-р транзисторының сұлбалық көрінісі.

Ортаңғы қабат база деп  аталады. Өткізгіштігі берілген кернеудің полярлығы-мен сәйкес келетін сыртқы қабат эмиттер деп аталады, ал өткізгіштігі кернеу көзінің полярлығына сәйкес келмейтін сыртқы қабат коллектор деп аталады. Осы себепті эмиттер - база өтпесі әр уақытта ашық,яғни кедергісі өте аз болады, ал коллектор өтпесі жабық,яғни кедергісі өте үлкен болады. Сондықтан эмиттер-база өтпесінің кернеуі аз да, ал коллектор - база өтпесінің кернеуі үлкен болады.

Транзистордың екі өтпесіне екі түрлі кернеу берілетіндіктен  және ол көбіне әлсіз сигналдарды  күшейту үшін қолданатындықтан оның кірмелік және шықпалық қосқыштары болуы  керек. Транзистордың үш шықпасының бірі әдетте кірмелік және шықпалық тізбектері үшін ортақ болады. Осы себепті транзистордың үш түрлі жалғану сұлбасы болады

 

а)                                   б)                               с)

 

1.1.2-сурет. р-п-р құрылымды транзистордың жалғану сұлбасы:

а-базасы ортақ; б-эмиттері ортақ; с- коллекторы ортақ.

 

Транзистордың жалғану сұлбасының түрі оның атқаратын қызметіне және параметрлеріне байланысты анықталады. Транзистордың кірмелік және шықпалық кедергілері,кернеуді, токты және қуатты күшейту коэффиценттері оның негізгі параметрлері болып есептелінеді. Транзистордың әр түрлі сұлбадағы параметрлері келтірілген. Кестеден көрініп тұрғандай, эмиттері ортақ жалғанған транзистордың параметрлері басқа жалғану сұлбаларындағы параметрлеріне қарағанда жақсырақ. Сондықтан транзистордың эмиттері ортақ жалғану сұлбасы көбірек қолданылады. п-р-п  құрылымды транзистордың эмиттер-база өтпесіне тура кернеу бергенде, кернеу көзі тудырған электрондар эмиттер базаға қарай қозғалысқа келеді. База акцепторлық қоспасы аз жартылай өткізгіштен жасалатындықтан электрондардың азғана бөлігі кемтіктермен рекомбинацияға түсіп, базаның тогын құрайды. Қалған негізгі бөлігі, электрондардың диффузиялық еркін жүріп өту аралығының ұзындығы базаның енінен артық болғандықтан, коллектор-база өтпесіне жетеді. Бұл жерде олар коллетор - эмиттер кернеуі тудыратын электр өрісінің әсерінен одан әрі қозғалып коллектордың тогын түзеді. Егер эмиттер-база өтпесіне берілетін кереуді көбейтсе, онда өтпенің кедергісі азаяды да коллекторға жететін электрондардың саны көбейеді, яғни коллектордың тогы артады. Ендеше эмиттер-база өтпесінің кернеуін өзгерте отырып, коллектордың тогын азайтуға не көбейтуге болады, яғни коллектордың тогын реттеп отыруға болады.

 

Сұлбадан көрініп тұрғандай, эмиттердің тогы база мен коллектордың токтарының қосындысына тең:

 

Іэ=Іб+Ік. (1.1.1)

 

Мұндағы:Іэ-эмиттердің ток  күші;

Іб-базаның ток күші;

Ік-коллектордың ток күші.

Базаның тогы өте аз болғандықтан (эмиттердің тогының 3-8 пайызындай ғана), эмиттер мен коллектордың токтары  шамалас болады, яғни

 

Ік~ Іэ.

 

Егер транзисторды төрт полюсті деп қарастырса, онда оның электрлік күйін кірмелік және шықпалық токтары мен кернеулері арқылы, яғни базаның тогы І_б мен кернеуі және коллектордың тогы І_к мен кернеуі арқылы сипаттауға болады. Базаның тогының өсімшесі мен коллектор кернеуінің өсімшесін тәуелсіз шамалар деп алса, онда төрт полюстіктің теңдеулері бойынша базаның кернеуінің өсімшесі мен коллектордың тогының өсімшесі үшін мынандай теңдіктер жазуға болады:

 

∆Uб=h11∆Iб+h12∆Uк.

 

∆Ik=h12 ∆Iб+h22∆Uк.

 

Бұл теңдіктердегі һ11, һ12, һ21, һ22 коэфиценттері транзистордың  һ-параметрлері деп аталады.

Егер коллектордың кернеуінің өсімшесін нөлге тең деп алса, яғни коллектордың кернеуі тұрақты болса, онда жоғарыдағы теңдіктен һ11 параметрінің транзистордың кірмелік кедергісі екені анықталады:

 

һ11=∆Uб/∆Uk.

 

һ12 параметрі транзистордың  кірмелік кернеуінің өсімшесінің оның шығыс кернеуінің өсімшесіне қатынасын  көрсететіндіктен, оны кері байланыс коэффиценті деп атайды. Бұл шама кіріс кернеудің өзгерісіне шығыс  кернеудің қаншалықты өзгерісі сәйкес келетіндігін көрсететін салыстырмалы шама.Транзистордың шығыс кернеуінің өсімшесінің қатынасын кернеудің  беріліс коэффиценті деп атайды:

 

К=∆Uк/∆Uб.

 

Ендеше транзистордың һ12 параметрі кернеудің беріліс коэффицентіне кері шама, яғни

 

һ12=I/∆Uk/∆Uб=I/Ku.

 

Транзистордың шығыс тогының  өсімшесінің, кіріс тогының өсімшесіне қатынасын токтың беріліс коэффиценті  деп атайды.

 

β=∆Ik/∆Iб.

 

Биполяр транзисторларда токтың беріліс коэффиценті шамамен 50-100 аралығында жатады.

Егер коллектордың кернеуінің өсімшесін нөлге тең деп алса, яғни коллектордың кернеуі тұрақты  болса, онда жоғарыдағы теңдіктен һ21 параметрінің токтың беріліс коэффиценті  екенін көруге болады:

 

һ21=∆Ik∆/Iб=β.

 

ал базаның тогының  өсімшесін нөлге тең деп алса, онда һ22 параметрі

 

һ22=∆Ik/∆Uk=1/∆Uk/∆Ikб1/Rш.

 

Транзистордың шықпалық кедергісінің кері шамасы, яғни транзистордың шығыс өткізгіштігі болып табылады.

Транзистордың һ-параметрлері оның кіріс және шығыс сипаттама-ларынан анықталады.

Базаның тогының эмиттер-база өтпесінің кернеуінен тәуелділігі, яғни кіріс немесе базалық сипаттама  деп аталады.

Бірақ базаның тогы коллектордың кернеуіне де байланысты өзгеретіндіктен  кіріс сипаттаманы түсіргенде коллектордың кернеуі тұрақты болып қалуы  керек.

Коллектордың кернеуі тұрақты болғанда базаның кернеуінің өсуі эмиттер-база өтпесінің кедергісін азайтады да базаға келетін электрондар мен олардың кемтіктерімен рекомбинациясын көбейтеді, яғни базаның тогын арттырады.

Коллектордың кернеуінің көбейюі коллектор-база өтпесіне керісінше  әсер етеді: өтпенің кедергісін көбейтеді  және рекомбинация санын азайтады. Сондықтан коллектордың кернеуі өскенде базаның тогы азаяды. Бұл құбылысты түсіну үшін келесі кестеге назар аударайық, бұл кестеде әртүрлі өтпеде жалғанған транзисторлардың параметрлері көрсетілген. Осы параметрлерді пайдалану арқылы есептеу кезінде транзистордың бойындағы ток күшінің шамасын, кернеуін, кедергісін есептеп шығуға болады.

Бұл есептеулер келесі, яғни екінші есептеу бөлімінде көрсетіледі  және сипаттама беріледі

 

 

 

 

 

1.1.1-кесте. Әртүрлі өтпеде жалғанған транзисторлардың параметрлері.

Параметрлері	Транзисторлардың жалғану  сұлбасы
	Базасы ортақ	Эмиттері ортақ	Коллекторы ортақ
Кірмелік кедергісі, Ом	50....100	200...2000	10 ...5∙10
Шықпалық кедергісі, Ом	10 ...5∙10	3∙10 ...7∙10	50...100
Кернеуді күшейту коэффиценті	30...400	30...1000	≈1
Токты күшейту коэффиценті	≈1	10...200	10...200
Қуатты күшейту коэффиценті	30...400	3000...3∙10	10...200

 

Коллектордың тогының  коллектор - эмиттер өтпесінің кернеуінен тәуелдігі, яғни шығыс немесе коллекторлық сипаттама деп аталады. Бірақ коллектордың тогы базаның тогына да байланысты өзгеретіндіктен шығыс сипаттаманы түсіргенде базаның тогы тұрақты болып қалуы керек. Коллектордың кернеуі өскен сайын оның электр өрісінің әсерінен оған келіп жететін электрондардың саны көбейеді, яғни коллектордың тогы да өседі. Ал базаның тогының көбеюі рекомбинацияланатын электрондардың санын көбейтеді, сондықтан эмиттер мен коллектордың да тогы көбейеді. Коллектордың кернеуі одан әрі өскенде коллекторға келіп жететін электрондар түгелдей дерлік әкетіліп отырады, бірақ эмиттерде пайда болатын электрондар саны одан әрі көбеймейді. Сондықтан коллектордың кернеуі әжептеуір өседе коллектордың тогы өте аз өседі, яғни қанығу процесі басталады. Транзисторда эмиттер-база және коллектор-база өтпелерінің сыйымдылығы болатындықтан жоғары жиіліктерде электрондар эмиттерден коллекторға өтіп үлгере алмайды.

Ендеше жиіліктің өсуі коллектордың тогының азаюына әкеліп соғады. Ал температура өскен кезде негізгі емес заряд тасымалдаушылардың саны көбейеді де коллектордың бастапқы тогы артады. Сондықтан транзисторларды олардың құжатында көрсетілген жиілік пен температураның мәндерінде ғана пайдалану керек.