Wikipedija

Bipolarni tranzistor – razlika između verzija

Interaktivna pretraga historije
← Starija izmjenaNovija izmjena →
Uklonjeni sadržaj Dodani sadržaj
VizualnoWikitekst
Nema sažetka izmjene
Nema sažetka izmjene
Red 1:
'''Bipolarni tranzistor''' je elektronska komponenta sa pojačavačkim i prekidačkim osobinama, vrsta [[tranzistor]]a. UređajOvaj uređaj je aktivna elektronska komponenta i imasa tri kontaktaizvoda, a napravljen je od dopiranog [[poluprovodnik|poluprovodnog]] materijala i, može da pojačavapojača ili prekida električne signale kola. Bipolarni tranzistori su dobili svoje ime zato što su glavni nosioci naelektrisanja i [[elektron]]i i šupljine, za razliku od unipolarnih ([[Tranzistor sa efektom polja|tranzistora sa efektom polja]]) kod koga su nosioci naelektrisanja elektroni ili šupljine.
 
== Istorija i današnja primena ==
[[Datoteka:Transistor-die-KSY34.jpg|thumb200p|200pxmini|Presek KSY34 NPN tranzistora za visoke učestanosti.]]
Bipolarni tranzistori su prvi put napravljeni u Belovim laboratorijama i tridesetak godina su bili najbolje komponente za pravljenje diskretnih ili [[integrisano kolo|integrisanih kola]]. Danas, upotreba bipolarnih tranzistora je potisnuta u korist [[CMOS]] tehnologije u dizajnu integrisanih kola. Ipak, bipolarni tranzistori ostaju uređaj koji je bolji u nekim kolima, kao što su diskretna kola, zbog velikog izbora tipova bipolarnih tranzistora i znanja o njihovim karakteristikama. Oni su takođe koriste za analogna kola, bilo diskretna ili integrisana. Ovo se posebno odnosi na primene na visokim [[učestanostfrekvencija|učestanostima]]ima, kao što su kola na radio-učestanostima za bežične mreže. Bipolarni tranzistori se mogu kombinovati sa [[MOSFET]] tranzistorima u integrisano kolo koristeći BiCMOS proces da se dobije novo kolo koje će uzeti najbolje karakteristike oba tipa tranzistora.▼
 
▲Bipolarni tranzistori su prvi put napravljeni u Belovim laboratorijama i tridesetak godina su bili najbolje komponente za pravljenje diskretnih ili [[integrisano kolo|integrisanih kola]]. Danas, upotreba bipolarnih tranzistora je potisnuta u korist [[CMOS]] tehnologije u dizajnu integrisanih kola. Ipak, bipolarni tranzistori ostaju uređaj koji je bolji u nekim kolima, kao što su diskretna kola, zbog velikog izbora tipova bipolarnih tranzistora i znanja o njihovim karakteristikama. Oni su takođe koriste za analogna kola, bilo diskretna ili integrisana. Ovo se posebno odnosi na primene na visokim [[učestanost]]ima, kao što su kola na radio-učestanostima za bežične mreže. Bipolarni tranzistori se mogu kombinovati sa [[MOSFET]] tranzistorima u integrisano kolo koristeći BiCMOS proces da se dobije novo kolo koje će uzeti najbolje karakteristike oba tipa tranzistora.
 
== Struktura ==
[[Datoteka:NPN BJT Basic Operation (Active).svg|NPN tranzistor sa direktno polarisanim spojem baza-emiter i inverzno polarisanim spojem baza-kolektor|mini|300p]]
Bipolarni tranzistor se sastoji iz tri različito dopiranih poluprovodničkih delova: emiterskog, baznog i kolektorskog. Ovi deli su, redom, pP tipa, nN tipa i pP tipa u [[PNP tranzistor|PNP]] tranzistorima i nN tipa, pP tipa i nN tipa u [[NPN tranzistor|NPN]]. Svaki poluprovodni deo je priključen na izvod, propisno označen: emiter (E), baza (B) i kolektor(C).
 
Baza je fizički smeštena između emitera i kolektora i napravljena je od slabo dopiranog, visokootpornog materijala. Kolektor okružuje emiterski deo, činećii skoro nemogućeonemogućava injektovanimda elektronimaelektroni ili šupljinamašupljine injektovani u bazu da izbegnu da budu skupljeni, čineći timetako da rezultantna vrednost odnosa struja emitera i kolektora <math>\alpha\,</math> bude vrlo blizu jedinici i tako dajući tranzistoru veliko strujno pojačanje <math>\beta\,</math>. Poprečni presek kroz bipolarni tranzistor pokazuje da je spoj kolektor-baza veći od spoja emiter-baza.
 
Bipolarni tranzistor, za razliku od ostalih tranzistora, nije simetričan uređaj. Ovo znači da zamena između kolektora i emitera dovodi da tranzistor počinje da radi u inverznom režimu. Zbog toga što je unutrašnja struktura tranzistora obično optimizovana za rad u direktnom režimu, zamena emitera i kolektora čini vrednosti <math>\alpha\,</math> i <math>\beta\,</math> manjim u inverznom režimu nego u direktnom režimu. Obično, <math>\alpha\,</math> u inverzom modu je manje od 0,5.
 
Male promene u [[električniElektrični napon|naponu]] priključenim na spoj emiter-baza izaziva da se struja koja teče između kolektora i emitera značajno promeni. Ovaj efekat se može koristiti da se poveća ulazna struja. Bipolarni tranzistori se mogu smatrati kao naponki kontrolisanim strujnim izvorima, ali se obično karakterišu kao strujni pojačavači zbog male impedanse u bazi. RaniPrvi tranzistori su bili napravljeni od [[germanijum]]a, ali su moderni bipolarni trantistori napravljeni od [[silicijsilicijum]]umaa.
 
== Osetljivost tranzistora ==
Izlaganje tranzistora [[jonizacija|jonizujućem zračenju]] izaziva razaranje zbog radijacije. Radijacija izaziva nastanak defekata u bazi koji se ponašaju kao centri za rekombinaciju. Ovo izaziva postepeni pad funkcionalnog rada tranzistora.
 
== Osnove rada bipolarnih tranzistora ==
[[Datoteka:Npn-structure.png|thumb200p|200pxmini|Vezivanje u kolu]]
Bipolarni tranzistor se može posmatrati kao dve diode povezne anoda na anodu. U normalnom radu, spoj emiter-baza je direktno polarisan, a spoj baza-kolektor je inverzno polarisan. Na primeru NPN tranzistora, kada je pozitivan napon doveden na spoje baza-emiter, ravnoteža između termički stvorenih nosioca i odbojnog [[električno polje|električnog polja]] [[zona prostornog naelektrisanja|zone prostornog naelektrisanja]] postaje narušena, dozvoljavajući termički pobuđenim elektronima da se injektuju u bazu. Ovi elektroni se kreću ([[difuzija|difunduju]]) kroz bazu od dela visoke koncentracije blizu emitera prema delu manje koncentracije blizu kolektora. Ovi elektroni u bazi se zovu [[manjinski nosioci]] jer je baza pozitivno dotirana što čini šupljine [[većinski nosioci|većinskim nosiocima]] u bazi (ovo se ne bi trebalo shvatiti da je broj injektovanih elektrona mali). Ključna osobina dizajna bipolarnih tranzistora je da se baza napravi vrlo tanka tako da elektroni provode malo vremena u bazi; većina elektrona se difunduje do kolektora pre nego što se [[rekombinacija (elektronika)|rekombinuju]] sa šupljinama u bazi. Spoj baza-kolektor je inverzno polarisan tako da se ne vrši injektovanje elektrona iz kolektora u bazu, ali elektroni koji se difundiju iz baze prema kolektoru su ubačeni u kolektor posredstvom električnog polja u zoni prostornog naelektrisanja spoja baza-kolektor. Odnos elektrona koji mogu da prođu kroz bazu i stignu do kolektora je mera efikasnosti bipolarnih tranzistora. Visko dopiran emiterski region i slabo dopiran bazni region izaziva da mnogo više elektrona pređe iz emitera u bazu nego šupljina iz baze u emiter. Struja baze je suma šupljina ubačenih u emiter i elektrona koji se rekombinuju u bazi – obe su u maloj srazmeri u odnosu na struje emitera i kolektora. Otuda mala promena struje baze može da utiče na veliku promenu toka elektrona između emitera i kolektora. Odnos ovih struja -<nowiki/>{I<sub>c</sub>/I<sub>b</sub>}- se naziva ''strujno pojačanje'' i označava se sa β<math>\beta\,</math> ili -<nowiki/big>{h<sub>fe</sub>}-</big> i obično je 100 ili više.
 
== Tranzistori u kolima ==
[[Datoteka:BJT symbol NPN.svg|mini|60p|Simbol NPN tranzistora]]
Gornja slika je šematski prikaz NPN tranzistora priključenog na dva izvora napona. Da bi tranzistor provodio osetljivu struju (redamiliampera) od kolektor do emitera, -<nowiki/>{<math>V_\mathrm{BE}</math>}- mora biti jednako ili malo veće od [[napon praga|napona praga]]. Napon praga je obično između 0,6 i 0,7 volti za silicijumske NPN tranzistore. Ovaj doveden napon izaziva da se na donjem P-N spoju dozvoli protok elektrona iz emitera u bazu. Zbog električnog polja koje postoji između baze i kolektora (koji je izazvao -<nowiki/>{<math>V_\mathrm{CE}</math>}-), većina tih elektrona prelazi preko gornjeg P-N spoja u kolektor čineći struju kolektora -<nowiki/>{<math>i_\mathrm{C}</math>}- . Ostatak elektrona izlazi iz priključka baze da bi stvorio struju baze -<nowiki/>{<math>i_\mathrm{B}</math>}-. Kako je pokazano na slici, struja emitera -<nowiki/>{<math>i_\mathrm{E}</math>}- je ukupna struja tranzistora koje je suma druge dve struje. To je:▼
[[Datoteka:BJT symbol PNP.svg|mini|60p|Simbol PNP tranzistora]]
▲Gornja slika je šematski prikaz NPN tranzistora priključenog na dva izvora napona. Da bi tranzistor provodio osetljivu struju (redamiliamperareda miliampera) od kolektorkolektora do emitera, -<nowiki/>{<math>V_\mathrm{BE}</math>}- mora biti jednakojednak ili malo većeveći od [[napon praga|napona praga]]. Napon praga je obično između 0,6 i 0,7 voltiV za silicijumske NPN tranzistore. Ovaj dovedendovedeni napon izaziva da se na donjem P-N spoju dozvoli protok elektrona iz emitera u bazu. Zbog električnog polja koje postoji između baze i kolektora (kojikoje je izazvao -<nowiki/>{<math>V_\mathrm{CE}</math>}-), većina tih elektrona prelazi preko gornjeg P-N spoja u kolektor čineći struju kolektora -<nowiki/>{<math>i_\mathrm{C}I_C</math>}- . OstatakDrugi deo elektrona izlazise izrekombinuje, priključkadok bazese daostatak bielektrona stvorioizlazi baze i čini struju baze -<nowiki/>{<math>i_\mathrm{B}I_B</math>}-. Kako je pokazano na slici, struja emitera -<nowiki/>{<math>i_\mathrm{E}I_E</math>}- je ukupna struja tranzistora koje je suma druge dve struje. To je:
 
:<math>I_E = I_B + I_C\,</math>
 
(Nota: na ovoj slici strelice prikazuju smer struje koji je je saglasan sa konvencionalnim smerom struje - tok elektrona je suprotan smeru strelica pošto elektroni nose negativno [[naelektrisanje]]). Odnos struje kolektora i struje baze se naziva strujno pojačanje. Ovo pojačanje je obično vrlo veliko i često je 100 ili više. Trebalo bi i napomenuti da je struja baze u eksponencijalnoj zavisnosti od -<nowiki/>{<math>V_\mathrm{BE}</math>}-. Za tipičan tranzistor, povećanje -<nowiki/>{<math>V_\mathrm{BE}</math>}- od samo 60 -<nowiki/>{mV}- povećava struju baze 10 puta.
 
Tranzistori imaju različite režime rada. U linearnom režimu, struja kolektora (emitera) je približno proporcionalna struji baze, ali nekoliko puta veća, čineći ovo idealnim modelom za [[pojačalopojačavač|pojačanje]] struje. Bipolarni tranzistor ulazi u zasićenje kada se struja baze poveća do tačke kada spoljašnje kolo sprečava struju kolektora da dalje raste. U toj tački, spoj baza-kolektor postaje takođe direktno polarisan. Zaostali napon opada 100 do 300 mV (u zavisnosti od količine bazne struje).
 
Znatno ređe, bipolarni tranzistori rada sa zamenjenim kolektorom i emiterem, tako da struja baza-kolektor može da kontroliše struju emiter-kolektor. Pojačanje struje u ovom režimu je mnogo manje (na primer 2 umesto 100).
Linija 35 ⟶ 37:
Tranzistor radi u režimu zakočenja kada je napon baza-kolektor premali da bi proticala neka značajnija struja. Za tipični silicijumski tranzistor, to je za slučaj kada je napon manji od 0,7 V. Bipolarni tranzisto koji radi samo u režimimi zakočenja i zasićenja se može posmatrati kao elektronski prekidač.
 
== Primena ==
Zbog svoje temperaturne osetljivosti, bipolarni tranzistor se može koristiti za merenje temperature. Njegova nelinearna karakteristika se takođe može iskoristiti da računa [[logaritam|logaritme]]. Germanijumski tranzistori su bili često korišćeni [[1950-e1950e|pedesetih]] i [[1960-e1960e|šezdesetih]], i dokiako poseduju manji napon praga, činećišto ih čini podesnijim za neke primene, takođe ima veliku sklonost prema termalnom proboju.
 
== Teorija i modelovanje ==
=== Ebers-Molov model ===
Struje emiteraemitora i kolektora su normalnom radu date Ebers-Molovim modelom:
 
[[Datoteka:Ebers-Moll Model NPN.PNG|mini|250p|Ebers-Molov model za NPN tranzistor]]
[[Datoteka:Ebers-Moll Model PNP.PNG|mini|250p|Ebers-Molov model za PNP tranzistor]]
 
: <math>I_\mathrm{E} = I_\mathrm{ES} (e^{\frac{V_\mathrm{BE}}{V_\mathrm{T}}} - 1)</math>
: <math>I_\mathrm{C} = \alpha_F I_\mathrm{ES} (e^{\frac{V_\mathrm{BE}}{V_\mathrm{T}}} - 1)</math>
Struja baze uglavnom nastaje zbofzbog difuzije
: <math>J_p(Base) = \frac{q D_p p_{bo}}{W} \left[exp \left(\frac{V_{EB}}{V_T}\right)\right]</math>
 
Gde je
* -<nowiki/>{<math>I_\mathrm{E}</math>} - struja emitera
* -<nowiki/>{<math>I_\mathrm{C}</math>} - struja kolektora
* <math>\alpha_F</math> - faktor strujnog pojačanja od emitera do kolektora (0.98 do 0.998)
* -<nowiki/>{<math>I_\mathrm{ES}</math>} - inverzna struja zasićenja spoja baza-emiter (u rasponu od 10<sup>−15</sup> do 10<sup>−12</sup> ampera)
* -<nowiki/>{<math>V_\mathrm{T}</math>} - je termički napon (približno 26-<nowiki/>{mV}-26mV na sobnoj temperaturi ≈ 300 -<nowiki/>{K}-).
* <math>V_\mathrm{-<nowiki/>{BE}-}</math> napon baza-emiter
* ''-<nowiki/>{W}-'' širina baze
 
Struja kolektora je neznatno manja od struje emitera, pošto je vrednost <math>\alpha_F</math> vrlo bliska 1.0. U bipolarnim tranzistorima mala struja kroz bazu izaziva veliku struju u kolektoru. Odnos dozvoljene kolektorske struje i bazne struje se zove ”strujno„strujno pojačanje”pojačanje“, β ili <math>h_\mathrm{FE}</math>. A β vrednost 100 je tipična vrednost za male bipolarne tranzistore. U tipičnoj konfiguraciji, vrlo mala signalna struja teče kroz spoj baza-emiter zbog kontrolisanja kolektorske struje. β je povezano sa α preko sledećih jednačina:
 
: <math>\alpha_F = \frac{I_\mathrm{C}}{I_\mathrm{E}}</math>
Linija 71 ⟶ 78:
 
Gde je
* -<nowiki/>{<math>i_\mathrm{C}</math>} - kolektorska struja
* -<nowiki/>{<math>i_\mathrm{B}</math>} - bazna struja
* -<nowiki/>{<math>i_\mathrm{E}</math>} - struja emitera
* <math>\beta_\mathrm{F}</math> pojačanje emiterske struje u direktnoj polarizaciji (20 do 50)
* <math>\beta_\mathrm{R}</math> pojačanje emiterske struje u inverznoj polarizaciji (0 do 20)
* -<nowiki/>{<math>I_\mathrm{S}</math> - inverzna struja zasićenja (u rasponu od 10<sup>−15</sup> do 10<sup>−12</sup> ampera)
* -<nowiki/>{<math>V_\mathrm{T}</math>} - je termički napon (približno 26-<nowiki/>{mV}-26mV na sobnoj temperaturi ≈ 300 -<nowiki/>{K}-).
* -<nowiki/>{<math>V_\mathrm{BE}</math>} - napon baza-emiter
* -<nowiki/>{<math>V_\mathrm{BC}</math>} - napon baza-kolektor
 
==== Promena širine baze ====
Ako dovedeni napon baza-kolektor (-<nowiki/>{<math>V_{BC}</math>}-) varira, širina zone prostornog naelektrisanja između baze i kolektora se menja. Ova promena izaziva da se promeni pojačanje tranzistora, pošto pojačanje zavisi od širine baze. Ovo se često naziva Erlijev efekat.
U direktnom režimu Erlijev efekat utuče na struju kolektora (-<nowiki/>{<math>i_\mathrm{C}</math>}-) i pojačanje emiterske struje u direktnoj polarizaciji (-<nowiki/>{<math>\beta_\mathrm{F}</math>}-) prema sledećim jednačinama:
 
<math> i_\mathrm{C} = I_\mathrm{S} (e^{\frac{V_\mathrm{BE}}{V_\mathrm{T}}}) (1 + \frac{V_\mathrm{CE}}{V_\mathrm{A}})</math>
Linija 91 ⟶ 98:
 
Gde je
* <math>V_\mathrm{CE}</math> - napon kolektor-emiter
* <math>V_\mathrm{A}</math> Erlijev- Ejrijev napon (15 -<nowiki/>{V}- do 150 -<nowiki/>{V}-)
* <math>\beta_\mathrm{F0}</math> pojačanje emiterske struje na nultom prednaponu
 
==== Proboj ====
Kada napon baza-kolektor dostigne određenu (u zavisnosti od tranzistora) vrednost, granica zone prostornog naelektrisanja spoja baza-kolektor se spoji sa granicom zone prostornog naelektrisanja spoja baza-emiter. Kada je u ovom stanju, tranzistor nema bazu. Tranzistor onda izgubi svosve pojačanje kada je u ovom stanju.
 
{{Commonscat|Bipolar junction transistors}}▼
=== Model sa h -parametrima ===
[[Datoteka:H-parameters.gif|mini|300p|Uobičajen model NPN tranzistora sa h-parametrima.<br />''zameniti '''x''' sa '''e''', '''b''' ili '''c''' u zavisnosti da li se radi o CE, CB ili CC toplogijama.'']]
 
Drugi model koji se često koristi u analizi kola sa bipolarnim tranzistorima je model sa h-parametrima. Ovaj model je dvopristupna mreža izuzetno pogodna za bipolarne tranzistore pošto pruža laku analizu ponašanja kola, a može se koristiti da se dobiju još precizniji modeli. Na slici ''„x“'' predstavlja bazu, kolektor ili emiter u zavisnosti od topologije koju koristimo (stepeni sa zajedničkim emiterom, bazom ili kolektorom). Za najčešće korišćen stepen sa zajedničkim emiterom, simboli sa slike uzimaju sledeće vrednosti:
 
* U ovoj topologiji x je 'e' (označava emiter)
* Priključak 1 = baza
* Priključak 2 = kolektor
* Priključak 3 = emiter
* ''i''<sub>in</sub> = struja baze (''i''<sub>b</sub>)
* ''i''<sub>o</sub> = struja kolektora (''i''<sub>c</sub>)
* ''V''<sub>in</sub> = napon baza-emiter (''V''<sub>BE</sub>)
* ''V''<sub>o</sub> = napon kolektor-emiter (''V''<sub>CE</sub>)
a h-parametri predstavljeni sa:
 
* ''h''<sub>ix</sub> = ''h''<sub>ie</sub> - ulazna impedansa tranzistora (odgovara otpornosti emitera ''r''<sub>e</sub>).
* ''h''<sub>rx</sub> = ''h''<sub>re</sub> - zavisnost krive ''I''<sub>B</sub>-''V''<sub>BE</sub> od vrednosti ''V''<sub>CE</sub>. Ona je obično vrlo mala i često se zanemrauje.
* ''h''<sub>fx</sub> = ''h''<sub>fe</sub> - Strujno pojačanje tranzistora. Ovaj parametar se često navodi kao ''h''<sub>FE</sub> ili parametar (''β''<sub>DC</sub>) u specifikacijama.
* ''h''<sub>ox</sub> = ''h''<sub>oe</sub> - Izlazna impedansa tranzistora. Ovaj parametar se najčešće navodi kao admitansa, recipročna vrednost impedanse.
 
Malim slovima su označeni indeksi h-parametara pri AC, velikim pri DC analizi. Model ove topologije pri analizi kola može biti dodatno uprošćen, tako što se neki od parametara ignorišu (''h''<sub>oe</sub> i ''h''<sub>re</sub>), uzimaju se kao vrednosti nula (kratka spoj) i beskonačno (prekid kola). Treba još primetiti da se ovaj model isto tako može primeniti pri analizi kola sa signalima niskih frekvencija, i kola sa malim signalima.
Pri analizi rada kola sa signalima velikih frekvencija ovaj model se ne koristi, s`obzirom da se kod h-parametara radi o parametrima tipa otpornosti i provodnosti, a pri ovoj analizi je potrebno koristiti i parametre kapacitivnosti koji imaju dominantan efekat pri visokim frekvencijama.
 
== Vidi još ==
* [[Tranzistor sa efektom polja]]
* [[Tiristor]]
* [[Dioda]]
 
== Spoljašnje veze ==
▲{{Commonscat|Bipolar junction transistors|Bipolar junction transistor}}
* [http://www.faqs.org/docs/electric/Semi/SEMI_4.html Lessons In Electric Circuits - Bipolar Junction Transistors] (Note: this site shows current as a flow of electrons, rather than the [[conventional current|convention of showing it as a flow of holes]], so the arrows may appear the other way around)
* [http://www.st-and.ac.uk/~www_pa/Scots_Guide/info/comp/active/BiPolar/bpcur.html Characteristic curves]
* [https://web.archive.org/web/20071102061701/http://www.play-hookey.com/semiconductors/transistor.html The transistor] at play-hookey.com
* [http://amasci.com/amateur/transis.html How Do Transistors Work?] by William Beaty
* [https://web.archive.org/web/20070630130740/http://www.brookdale.cc.nj.us/fac/engtech/aandersen/engi242/bjt_models.pdf www.brookdale.cc.nj.us/fac/engtech/aandersen/engi242/bjt_models.pdf]
* [http://semiconductormuseum.com/HistoricTransistorTimeline_Index.htm TRANSISTOR MUSEUM™ Historic Transistor Timeline]
 
[[Kategorija:Tipovi tranzistora]]
[[Kategorija:Elektronika]]
[[Kategorija:Elektrotehnika]]
Izvor: https://sh.wikipedia.org/wiki/Bipolarni_tranzistor