Einführung in Bipolar-Junction-Transistoren (BJT)

Die Erfindung des Bipolartransistors im Jahr 1948 leitete eine Revolution in der Elektronik ein. Technische Meisterleistungen, die früher relativ große, mechanisch zerbrechliche und energiehungrige Vakuumröhren erforderten, waren plötzlich mit winzigen, mechanisch robusten, energiesparenden Flecken aus kristallinem Silizium erreichbar. Diese Revolution ermöglichte die Entwicklung und Herstellung leichter, kostengünstiger elektronischer Geräte, die heute selbstverständlich sind. Das Verständnis der Funktionsweise von Transistoren ist für jeden, der sich für moderne Elektronik interessiert, von größter Bedeutung.

Funktion und Anwendungen für bipolare Sperrschichttransistoren

Meine Absicht hier ist es, mich möglichst ausschließlich auf die praktische Funktion und Anwendung von Bipolartransistoren zu konzentrieren, anstatt die Quantenwelt der Halbleitertheorie zu erforschen. Diskussionen über Löcher und Elektronen sollten meiner Meinung nach besser einem anderen Kapitel überlassen werden. Hier möchte ich erkunden, wie man verwendet diese Komponenten, analysieren nicht ihre intimen internen Details. Ich möchte nicht die Bedeutung des Verständnisses der Halbleiterphysik herunterspielen, aber manchmal beeinträchtigt ein intensiver Fokus auf die Festkörperphysik das Verständnis der Funktionen dieser Geräte auf Komponentenebene. Bei diesem Ansatz gehe ich jedoch davon aus, dass der Leser ein gewisses Mindestwissen über Halbleiter besitzt:den Unterschied zwischen „P“- und „N“-dotierten Halbleitern, die funktionellen Eigenschaften eines PN (Dioden)-Übergangs und die Bedeutung der Begriffe „reverse-biased“ und „forward-biased“. Wenn Ihnen diese Konzepte unklar sind, schlagen Sie am besten in früheren Kapiteln in diesem Buch nach, bevor Sie mit diesem fortfahren.

BJT-Ebenen

Ein Bipolartransistor besteht aus einem dreischichtigen „Sandwich“ aus dotierten (extrinsischen) Halbleitermaterialien, (a und c) entweder P-N-P oder N-P-N (b und c). Jede den Transistor bildende Schicht hat einen bestimmten Namen, und jede Schicht ist mit einem Drahtkontakt zum Anschluss an eine Schaltung versehen. Die schematischen Symbole sind in den Abbildungen (a) und (c) dargestellt.

BJT-Transistor:(a) schematisches PNP-Symbol, (b) Layout (c) schematisches NPN-Symbol, (d) Layout.

Der funktionale Unterschied zwischen einem PNP-Transistor und einem NPN-Transistor ist die richtige Vorspannung (Polarität) der Übergänge im Betrieb.

Bipolartransistoren arbeiten als stromgesteuerte Stromregler . Mit anderen Worten, Transistoren begrenzen die durchgelassene Strommenge entsprechend einem kleineren Steuerstrom. Der Hauptstrom, der gesteuert wird geht von Kollektor zu Emitter oder von Emitter zu Kollektor, je nach Art des Transistors (NPN bzw. PNP). Der kleine Strom, der kontrolliert der Hauptstrom fließt von Basis zu Emitter oder von Emitter zu Basis, wiederum abhängig von der Art des Transistors (NPN bzw. PNP). Gemäß den Standards der Halbleitersymbologie zeigt der Pfeil immer in Stromflussrichtung.

Die Richtung des kleinen Steuerstroms und des großen gesteuerten Stroms für (a) einen PNP- und (b) einen NPN-Transistor.

Bipolartransistoren enthalten zwei Arten von Halbleitermaterial

Bipolartransistoren heißen bi polar, weil der Hauptstrom durch sie in zwei stattfindet Arten von Halbleitermaterial:P und N, da der Hauptstrom vom Emitter zum Kollektor (oder umgekehrt) fließt. Mit anderen Worten, zwei Arten von Ladungsträgern – Elektronen und Löcher – umfassen diesen Hauptstrom durch den Transistor.

Wie Sie sehen, ist die Kontrolle aktuellen und gesteuerten Ströme greifen immer durch den Emitterdraht ineinander, und ihre Ströme fließen in Pfeilrichtung des Transistors. Dies ist die erste und wichtigste Regel bei der Verwendung von Transistoren:Alle Ströme müssen in die richtige Richtung fließen, damit das Gerät als Stromregler funktioniert. Der kleine, steuernde Strom wird normalerweise einfach als Basisstrom bezeichnet weil es der einzige Strom ist, der durch den Basisdraht des Transistors fließt. Umgekehrt wird der große, geregelte Strom als Kollektorstrom bezeichnet weil es der einzige Strom ist, der durch den Kollektordraht fließt. Der Emitterstrom ist die Summe aus Basis- und Kollektorstrom gemäß dem Kirchhoffschen Stromgesetz.

Kein Strom durch die Basis des Transistors schaltet den Transistor wie ein offener Schalter aus und verhindert einen Strom durch den Kollektor. Ein Basisstrom schaltet den Transistor wie einen geschlossenen Schalter ein und lässt einen proportionalen Strom durch den Kollektor. Der Kollektorstrom wird hauptsächlich durch den Basisstrom begrenzt, unabhängig von der verfügbaren Spannung, um ihn zu drücken. Im nächsten Abschnitt wird die Verwendung von Bipolartransistoren als Schaltelemente genauer untersucht.

RÜCKBLICK:

• Bipolartransistoren werden so genannt, weil der gesteuerte Strom durch zwei fließen muss Arten von Halbleitermaterial:P und N. Der Strom besteht aus Elektronen- und Lochfluss in verschiedenen Teilen des Transistors.
• Bipolartransistoren bestehen entweder aus einer P-N-P- oder einer N-P-N-Halbleiter-Sandwich-Struktur.
• Die drei Leitungen eines Bipolartransistors werden als Emitter bezeichnet , Basis , und Sammler .
• Transistoren fungieren als Stromregler, indem sie einen kleinen Strom steuern einen größeren Strom. Die zwischen Kollektor und Emitter zulässige Strommenge wird hauptsächlich durch die Strommenge bestimmt, die sich zwischen Basis und Emitter bewegt.
• Damit ein Transistor richtig als Stromregler funktioniert, müssen der steuernde (Basis-)Strom und die gesteuerten (Kollektor-)Ströme in die richtigen Richtungen verlaufen:additiv am Emitter ineinandergreifen und in Richtung des Emitters gehen Pfeilsymbol.

VERWANDTES ARBEITSBLATT:

• Arbeitsblatt zur Theorie des bipolaren Übergangstransistors (BJT)