Bipolar Junction Transistor (BJT) - Konstruktions- und Betriebsdetails

Bipolar Junction Transistor (BJT) - Konstruktions- und Betriebsdetails

Ein Bipolartransistor oder ein BJT ist eine Halbleitervorrichtung mit 3 Anschlüssen, die in der Lage ist, kleine Signaleingangsspannungen und -ströme zu verstärken oder auf signifikant größere Ausgangssignalspannungen und -ströme umzuschalten.

Wie sich Bipolar Junction Transistor BJTs entwickelten

In den Jahren 1904–1947 war die Vakuumröhre zweifellos das elektronische Gerät mit großer Neugier und großem Wachstum. 1904 wurde die Vakuumröhrendiode von J. A. Fleming auf den Markt gebracht. Bald darauf, 1906, erweiterte Lee De Forest das Gerät um ein drittes Merkmal, das als Steuergitter bekannt ist. Es produzierte den ersten Verstärker und wurde als Triode bezeichnet.



In den folgenden Jahrzehnten haben Radio und Fernsehen das Röhrengeschäft stark inspiriert. Die Produktion stieg von rund 1 Million Röhren im Jahr 1922 auf rund 100 Millionen im Jahr 1937. Anfang der 1930er Jahre erlangten die 4-Element-Tetrode und die 5-Element-Pentode im Elektronenröhrengeschäft Popularität.



In den folgenden Jahren entwickelte sich das verarbeitende Gewerbe zu einem der wichtigsten Sektoren, und für diese Modelle wurden rasche Verbesserungen bei den Produktionsmethoden, bei Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen sowie in Richtung Miniaturisierung erzielt.

Miterfinder des ersten Transistors in den Bell Laboratories: Dr. William Shockley (sitzend) Dr. John Bardeen (links) Dr. Walter H. Brattain. (Mit freundlicher Genehmigung von AT & T Archives.)

Am 23. Dezember 1947 erlebte die Elektronikindustrie jedoch die Ankunft einer völlig neuen 'Richtung des Interesses' und der Verbesserung. Es stellte sich am Mittag heraus, dass Walter H. Brattain und John Bardeen die Verstärkungsfunktion des allerersten Transistors in den Bell Telephone Laboratories ausstellten und bewiesen.



Der allererste Transistor (der die Form eines Punktkontakttransistors hatte) ist in Abb. 3.1 dargestellt.

das erste Transistorbild

Bild mit freundlicher Genehmigung: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Replica-of-first-transistor.jpg

Die positiven Aspekte dieser 3-poligen Festkörpereinheit im Gegensatz zur Röhre waren sofort erkennbar: Sie stellte sich als viel kleiner heraus, konnte ohne 'Heizung' oder Heizverluste arbeiten, war unzerbrechlich und stark, war effizienter in Bezug auf Der Stromverbrauch konnte problemlos gespeichert und abgerufen werden, erforderte keinen anfänglichen Start der Erwärmung und funktionierte bei viel niedrigeren Betriebsspannungen.



Vcc und Vee in BJT Common-Base-pnp und npn

TRANSISTORKONSTRUKTION

Ein Transistor ist im Grunde eine Vorrichtung, die aus 3 Schichten Halbleitermaterial aufgebaut ist, in denen entweder 2 n-Typ- und eine einzelne p-Typ-Materialschicht oder 2 p-Typ- und eine einzelne n-Typ-Materialschicht verwendet werden. Der erste Typ wird als NPN-Transistor bezeichnet, während die zweite Variante als PNP-Transistortyp bezeichnet wird.

Beide Typen könnten in Abbildung 3.2 mit entsprechender Gleichstromvorspannung dargestellt werden.

Wir haben bereits gelernt, wie in BJTs DC-Vorspannung werden wesentlich für die Festlegung des erforderlichen Betriebsbereichs und für die Wechselstromverstärkung. Hierzu ist die emitterseitige Schicht im Vergleich zur weniger signifikanten dotierten Basisseite signifikanter dotiert.

Die äußeren Schichten werden mit Schichten erzeugt, deren Dicke im Vergleich zu den Sandwichmaterialien vom p- oder n-Typ viel größer ist. In Abb. 3.2 oben können wir feststellen, dass für diesen Typ der Anteil der Gesamtbreite im Vergleich zur zentralen Schicht etwa 0,150 / 0,001: 150: 1 beträgt. Die über der Sandwichschicht implementierte Dotierung ist auch relativ geringer als die Außenschichten, die typischerweise über 10: 1 oder sogar weniger liegt.

Diese Art des verringerten Dotierungsniveaus senkt die Leitfähigkeit des Materials und erhöht den Widerstand, indem die Menge des Materials begrenzt wird frei bewegliche Elektronen oder die 'freien' Träger.

Im Vorspannungsdiagramm können wir auch sehen, dass die Anschlüsse des Geräts mit Großbuchstaben E für Emitter, C für Kollektor und B für Basis dargestellt werden. In unserer zukünftigen Diskussion werde ich erklären, warum diese Bedeutung diesen Anschlüssen beigemessen wird.

Der Begriff BJT wird auch zur Abkürzung des Bipolartransistors verwendet und diesen 3 Endgeräten zugeordnet. Der Ausdruck 'bipolar' gibt die Relevanz der während des Dotierungsprozesses beteiligten Löcher und Elektronen in Bezug auf eine entgegengesetzt polarisierte Substanz an.

TRANSISTORBETRIEB

Lassen Sie uns nun die grundlegende Funktionsweise eines BJT anhand einer PNP-Version von Abb. 3.2 verstehen. Das Funktionsprinzip eines NPN-Gegenstücks wäre genau ähnlich, wenn die Beteiligung der Elektronen und der Löcher einfach vertauscht würde.

Wie in Abbildung 3.3 zu sehen ist, wurde der PNP-Transistor neu gezeichnet, wodurch die Vorspannung von Basis zu Kollektor entfällt. Wir können uns vorstellen, wie der Verarmungsbereich aufgrund der induzierten Vorspannung, die einen massiven Fluss des Mehrheitsbetreiber über p- bis n-Typ-Materialien.

Grundlegende Funktionsweise eines BJT, von Strömungsmehrheitsträgern und einer Verarmungsregion

Wenn die Basis-Emitter-Vorspannung des pnp-Transistors entfernt wird, wie in Abb. 3.4 gezeigt, wird der Fluss der Majoritätsträger Null, so dass nur Minoritätsträger fließen können.

Kurz gesagt können wir das in einer voreingenommenen Situation verstehen Ein pn-Übergang eines BJT wird in Sperrrichtung vorgespannt, während der andere Übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist.

In Abb. 3.5 sehen wir, dass beide Vorspannungen an einen pnp-Transistor angelegt werden, wodurch der angegebene Majoritäts- und Minoritätsträgerfluss verursacht wird. Hier können wir anhand der Breiten der Verarmungsbereiche klar visualisieren, welcher Übergang mit einem vorwärts vorgespannten Zustand arbeitet und welcher rückwärts vorgespannt ist.

Wie in der Figur gezeigt, wird eine beträchtliche Menge von Majoritätsträgern über den vorwärts vorgespannten pn-Übergang in das Material vom n-Typ diffundiert. Dies wirft in unseren Köpfen die Frage auf, ob diese Träger eine wichtige Rolle bei der Förderung des Basisstroms IB spielen oder es ihm ermöglichen könnten, direkt in das Material vom p-Typ zu fließen.

In Anbetracht der Tatsache, dass der Inhalt des n-Typs zwischen Sandwiches unglaublich dünn ist und eine minimale Leitfähigkeit besitzt, werden außergewöhnlich wenige dieser Träger diesen speziellen Weg des hohen Widerstands über den Basisanschluss gehen.

Der Pegel des Basisstroms liegt normalerweise eher bei Mikroampere als bei Milliampere für die Emitter- und Kollektorströme.

Der größere Bereich dieser Majoritätsträger wird entlang des in Sperrrichtung vorgespannten Übergangs in das Material vom p-Typ diffundieren, das am Kollektoranschluss angebracht ist, wie in Abb. 3.5 dargestellt.

Die eigentliche Ursache für diese relative Leichtigkeit, mit der die Majoritätsträger über den in Sperrrichtung vorgespannten Übergang gelangen dürfen, wird am Beispiel einer in Sperrrichtung vorgespannten Diode schnell erkannt, bei der die induzierten Majoritätsträger als Minoritätsträger im Material vom n-Typ auftauchen.

Anders ausgedrückt, wir finden eine Einführung von Minoritätsträgern in das Material der n-Typ-Basisregion. Mit diesem Wissen und der Tatsache, dass bei Dioden alle Minoritätsträger im Verarmungsbereich über den in Sperrrichtung vorgespannten Übergang gelangen, entsteht ein Elektronenfluss, wie in Abb. 3.5 dargestellt.

Majoritäts- und Minoritätsträgerfluss im PNP-Transistor

Unter der Annahme, dass der Transistor in Abb. 3.5 ein einzelner Knoten ist, können wir das aktuelle Gesetz von Kirchhoff anwenden, um die folgende Gleichung zu erhalten:

Dies zeigt, dass der Emitterstrom gleich der Summe aus Basis- und Kollektorstrom ist.

Der Kollektorstrom besteht jedoch aus einigen Elementen, nämlich den Majoritäts- und den Minoritätsträgern, wie in Abb. 3.5 gezeigt.

Das Minoritätsstrom-Trägerelement bildet hier den Leckstrom und wird als ICO (Strom-IC mit offenem Emitteranschluss) symbolisiert.

Folglich wird der Nettokollektorstrom wie in der folgenden Gleichung 3.2 angegeben festgelegt:

Der Kollektorstrom IC wird für alle Allzwecktransistoren in mA gemessen, während der ICO in uA oder nA berechnet wird.

ICO verhält sich wie eine in Sperrrichtung vorgespannte Diode und kann daher anfällig für Temperaturänderungen sein. Daher muss beim Testen angemessen darauf geachtet werden, insbesondere in Schaltkreisen, die für Szenarien mit sehr unterschiedlichen Temperaturbereichen ausgelegt sind. Andernfalls kann das Ergebnis enorm sein aufgrund des Temperaturfaktors betroffen.

Aufgrund der vielen fortschrittlichen Verbesserungen im Konstruktionslayout der modernen Transistoren ist der ICO jedoch erheblich reduziert und kann für alle heutigen BJTs vollständig ignoriert werden.

Im nächsten Kapitel erfahren Sie, wie Sie BJTs im Common Base-Modus konfigurieren.

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




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