3. Bipolyar tranzistorların quruluşu və iş prinsipi

3. Bipolyar tranzistorlar

3.1. Bipolyar tranzistorların quruluşu və iş prinsipi

Tranzistorlar, elektrik siqnalların generasiyası, çevrilməsi və gücləndirilməsi üçün nəzərdə tutulmuş yarımkeçirici cihaz olub iki növə bölünürlər: bipolyar tranzistorlar və unipolyar tranzistorlar. Bipolyar tranzistorlarda cərəyan keçirilməsində hər iki növ daşıyıcı: elektronlar və deşiklər iştirak edir. Unipolyar tranzistorlarda isə yalnız bir növ daşıyıcı ya elektronlar, ya da deşiklər iştirak edir. Bipolyar tranzistorlarda çıxış keçiriciliyi onun girişindəki cərəyanla idarə olunur.

Bipoolyar tranzistor 1948-ci ildə amerika fizikləri Con Bardin və Volter Bratteyn tərəfindən icad olunmuşdur. Onlar amerikalı fizik Uilyam Şokli ilə birlikdə yarımkeçiricilərin tədqiqinə və tranzistor effektinin kəşfinə görə Nobel mükafatına layiq görülmüşlər.

İlk bipolyar tranzistorun konstruksiyası şək.3.1.1, a-da göstərilmişdir. n-tip monokristallik qermanium lövhəciyinə (1) təzyiq altında plsatik üçbucaq (2) sıxılır. Bu üçbucaq qızıl folqa ilə (3) örtülmüş olur. Üçbucağın təpə nöqtəsində qızıl folqanın səthində nazik kəsik açılır. Folqanın lövhəciklə toxunma sahəsində p-tip oblastlar formalaşır: emitter (4) və kollektor (5). Onların arasında isə baza oblastı (5) yerləşir. Şək.3.1.1., b-də isə ilk sənaye tranzistorunun strukturu göstərilmişdir. Burada 1- emitter kontaktı, 2- kollektor kontaktı, 3- gövdə (korpus), 4- izoləedici altlıq, 5- kontakt naqili, 6- germanium kristallı, 7- baza kontaktı. Emitter və kollektor keçidləri nazik naqillərin germanium kristalına əridilərək yeridilməsi nəticəsində alınır. Belə tranzistorun diametri 1 sm, hündürlüyü 4 sm təşkil edirdi.

Şək.3.1.1.

Bipolyar tranzistorun iş prinsipi elektron-deşik keçidinin xassələrinə əsaslanmışdır. Strukturuna görə iki qrupa bölünürlər: p-n-p (şək.1.3.2, a) və n-p-n (şək.1.3.2, b). p-n-p – tip tranzistorlarda iki kənar oblast p keçiriciliyinə, orta oblast isə n keçiriciliyinə malikdir, n-p-n – tip tranzistorda isə əksinə. Kənar oblastları uyğun olaraq E – emitter və K –kollektor, orta oblastı isə B - baza adlandırırlar.

Normal halda tranzistorun keçidlərindən biri düz, o biri isə əks istiqamətdə qoşulur. Düz istiqamətdə qoşulan keçid emitter keçidi, uyğun kənar hissə və oradan götürülən çıxış (elektrod) emitter adlanır. Əks istiqamətə qoşulan keçid kollektor keçidi, uyğun kənar hissə və onun çıxışı kollektor adlanır. n-p-n- tipli tranzistorda emitter və kollektor cərəyanları (I_e və I_k) elektronlar, baza cərəyanı (I_b) isə deşiklər hesabına yaranır; p-n-p- tipli tranzistorda əksinədir.

Şək.1.3.2.

Şək.1.3.3.

Tranzistorun iş prinsipini ümumi baza sxemi üzrə qoşulmuş n-p-n tipli tranzistora əsasən araşdıraq (şək.1.3.3). Emitter dövrəsinə U_e gərginlik mənbəyi qoşulduqda p-n emitter keçidində əsas yükdaşıyıcıların qarşılıqlı hərəkəti başlanır. Belə ki, n- oblastından p-oblastına elektronlar, p-oblastından n-oblastına isə deşiklər injeksiya olunurlar. n-oblastında elektronların konsentrasiyası p-oblastındakı deşiklərin konsentrasiyasından xeyli çox olduğundan, elektronların az bir hissəsi keçiddə deşiklərlə rekombinasiya olunur, əksər hissəsi isə bazaya keçir və bazada qeyri-əsas yükdaşıyıcılar rolunu oynayırlar. Bazanın qalınlığı kiçik (4-5 mkm) olduğundan, elektronların çox hissəsi deşiklərlə rekombinasiya olunmağa imkan tapmır və kollektor keçidinin sürətləndirici sahəsinə düşür. Bu sahə bazanın əsas yükdaşıyıcıları üçün bağlı, ondakı qeyri-əsas yükdaşıyıcılar olan elektronlar üçün isə açıq istiqamətdə yönəlmiş olur. Kollektor keçidində elektronların konsentrasiyası artır, buna uyğun olaraq keçidin müqaviməti azalır və nəticədə, kollektor cərəyanının qiyməti artaraq emitter cərəyanına çox yaxınlaşır. Baza dövrəsinin cərəyanı isə çox kiçik olur.

Bipolyar tranzistorlar aktiv elementlər olub elektrik siqnallarının çox geniş tezlik və güc diapazonunda gücləndirməyə, generasiya etməyə və çevirməyə imkan verir. Ona görə də tranzistorlar aşağı tezlikli (3 MHs-ə qədər), orta tezlikli (3-30 MHs), yüksəktezlikli (30- 300 MHs), ifrat yüksəktezlikli (300 MHs-dən yuxarı) kimi qruplara bölünür. Gücünə görə tranzistorlar azgüclü (0,3 Vt- dan az), orta güclü (0,3- 1,5 Vt) və böyük güclü (1,5 Vt- dan yuxarı) kimi qruplara bölünür.

3.2. Bipolyar tranzistorların qoşulma sxemləri və əsas parametrləri
Bipolyar tranzistorun üç çıxışı olmağına baxmayaraq tranzistorlü sxemlərdə onlar adətən 2 dövrəyə: giriş və çıxış dövrələrinə qoşulur. Hər dövrəyə tranzistorun 2 çıxışı (elektrodu) birləşdirildiyindən, çıxışlardan biri həm giriş, həm də çıxış dövrəsi üçün eyni (ümumi) olur. Bu baxımdan tranzistor dövrəyə qoşulmasının 3 növü fərqləndirilir: ümumi bazalı (ÜB), ümumi emitterli (ÜE) və ümumi kollektorlu (ÜK) p-n-p tipli tranzistor üçün hər üç qoşulma sxemi şək.3.2.1 -də göstərilmişdir.


a) b) c)
Şəkil 3.2.1. Bipolyar tranzistorların ÜB (a), ÜE (b) və ÜK (c)
ÜB sxemində emitter dövrəsi giriş, kollektor dövrəsi çıxış dövrəsidir. ÜE sxemində baza dövrəsi giriş, kollektolr dövrəsi çıxış dövrəsi sayılır. ÜK sxemində baza giriş, emitter isə çıxış dövrələridir. Çıxış dövrəsində yük müqaviməti olduqda ÜB sxemində gücə və gərginliyə görə gücləndirmə almaq olur; bu halda cərəyana görə güclənmə yoxdur. ÜE sxemində hər üç parametrə görə güclənmə var. ÜK sxemində gücə və cərəyana görə güclənmə mövcuddur. Texnikada ən çox ÜE qoşulma sxemindən istifadə olunur.

Ümumi bazalı sxem. ÜB sxemi xarakterizə edən əsas parametrləri alaq:

1. Cərəyan üzrə ötürmə əmsalı (cərəyan üzrə gücləndirmə əmsalı):

. (3.1)

2. Giriş müqaviməti:

. (3.2)

Buradan görünür ki, ÜB sxemdə giriş müqaviməti çox kiçik olur və əsasən düzünə qoşulmuş emitter p-n- keçidinin müqaviməti ilə təyin olunur. Praktikada bu rəqəm onlarla Oma qədər olur. Bu ÜB sxemi çatışmamazlığıdır, çünki giriş siqnalı mənbəyinin yüklənməsinə səbəb olur.

3. Gərginlik üzrə ötürmə əmsalı (gərginlik üzrə gücləndirmə əmsalı):

. (3.3)

Bu parmetr kifayət qədər böyük ola bilər (onlarla və yüzlərlə), çünki əsasən yük və giriş müqavimətlərinin nisbətləri ilə xarakterizə olunur.

4. Güc üzrə ötürmə əmsalı (güc üzrə gücləndirmə əmsalı).

. (3.4)

Praktikada bu rəqəm onlarla- yüzlərlə vahidə bərabər olur.

Ümumi emitterli sxem. ÜE sxemi xarakterizə edən əsas parametrləri alaq. Qoşulma sxemindən göründüyü kimi emitter cərəyanı kollektor və baza cərəyanlarının cəminə bərabər olur:

. (3.5)

1. Cərəyan üzrə ötürmə əmsalı :

. (3.6)

Bu ifadənin surət və məxrəcini emitter cərəyanın bölərək alırıq:

. (3.7)

(3.7) ifadəsindən görünür ki, vıhidə çox yaxın kəmiyyət olduğu üçün, ÜE sxemdə cərəyan üzrə güclənmə kifayət qədər böyükdür və onlarla- yüzlərlə vahid təşkil edir.

2. Giriş müqaviməti:

. (3.8)

Bu ifadənin surət və məxrəcini emitter cərəyanın bölərək alırıq:

. (3.9)

(3.9) ifadəsindən belə bir nəticəyə gəlmək olar ki, , yəni giriş müqavimətinə görə ÜE sxemdən istifadə etmək ÜB sxemdən daha məqsədəuyğundur. ÜE sxem üçün giriş müqaviməti bir neçə yüz omdan bir neçə kilooma qədər təşkil edir.

3. Gərginlik üzrə ötürmə əmsalı :

. (3.10)

(3.10)- da (3.9) ifadəsini nəzərə alsaq:

. (3.11)

Yəni, ÜE sxemin gərginlik üzrə güclənmə əmsalı ÜB sxemdə olduğu kimidir və onlarla və yüzlərlə vahid təşkil edə bilər.

4. Güc üzrə ötürmə əmsalı:

. (3.12)

Göründüyü kimi bu parametr ÜB sxemdə olduğundan çox böyükdür (yüzlərlə və on minlərlə vahid).

Ümumi kollektorlu sxem. ÜK sxemi xarakterizə edən əsas parametrləri alaq.

1. Cərəyan üzrə ötürmə əmsalı :

. (3.13)

Bu ifadənin surət və məxrəcini emitter cərəyanın bölərək alırıq:

. (3.14)

Yəni, həm ÜK həm də ÜE sxemlərdə cərəyan üzrə ötürmə əmsalları demək olar ki eynidir: .

2. Giriş müqaviməti:

. (3.15)

Nəzərə almaq lazımdır ki, ÜK sxemdə giriş gərginliyi baza- emitter gərginliyi ilə () çıxış gərginliyinin () cəminə bərabərdir. (3.15) ifadəsinin surət və məxrəcini emitter cərəyanına bölək:

(3.16)

(3.16)- dan görünür ki, ÜK sxemdə giriş müqaviməti əvvəl baxılan sxemlərdə olduğundan böyükdür (onlarla və yüzlərlə kOm).

3. Gərginlik üzrə ötürmə əmsalı :

. (3.17)

(3.14) və (3.16) ifadələrini nəzərə alsaq:

. (3.18)
çox kiçik olduğundan hesab etmək olar. Yəni ÜK sxem gərginlik üzrə güclənmə vermir.

4. Güc üzrə ötürmə əmsalı:

. (3.19)

Praktikada bu parametr onlarla- yüzlərlə vahid təşkil edir.

ÜK sxemdə yükün emitter dövrəsinə qoşulduğu və çıxış gərginliyinin qiymət və fazasının giriş gərginlinə bərabər olduğu üçün belə sxem emitter təkrərlayıcısı da adlanır. Böyük giriş müqaviməti olduğundan ÜK sxem giriş güclənmə kaskadı kimi istifadə olunur.

ÜE sxem həm gərginlik, həm də cərəyana görə güclənmə verdiyi üçün praktikada daha geniş istifadə olunur.

ÜB sxem nisbətən az güclənmə verməsinə və az giriş müqaviməti olmasına baxmayaraq, daha yaxşı temperatur xaassələrinə malikdir.


3.3. Bipolyar tranzistorun iş rejimləri
Bipolyar tranzistorun 4 iş rejimi mövcuddur: aktiv (normal) rejim, invers rejim, doyma rejimi və ayırma (kəsilmə) rejimi. Bu rejimlərdə iş zamanı tranzistorun keçidləri aşağıdakı kimi qoşulur:

– aktiv rejimdə emitter keçidi düz, kollektor keçidi əks istiqamətdə qoşulur. Bu zaman n–p–n tipli birolyar tranzistorda elektronların emitterdən bazaya injeksiyası, bazada diffuziya və dreyf nəticəsində daşınması və kollektor keçidinin sahəsinin təsirilə kollektora ekstraksiyası baş verir ki, bu hadisələr aktiv rejimdə bipolyar tranzistorun işinin əsasını təşkil edir. p–n–p tipli tranzistorlarda isə eyni proseslər deşiklərlə baş verir. Göründüyü kimi, çıxış cərəyanı giriş cərəyanı ilə idarə olunur. Bu isə elektron sxemlərində bipolyar tranzistordan aktiv element kimi istifadə etməyə imkan verir.

–invers rejimdə aktiv rejimin əksinə - emitter keçidi əks, kollektor keçidi düz istiqamətdə qoşulur. Bu halda emitter və kollektor keçidləri aktiv rejimə nəzərən funksiyalarını dəyişir: kollektor əsas yükdaşıyıcıların injeksiyasını, emitter isə onların ekstraksiyasını həyata keçirir.

–doyma rejimində hər iki keçid düz istiqamətdə qoşulur;

–ayırma rejimində hər iki keçid əks istiqamətdə qoşulur.

Gücləndirici sxemlərdə tranzistor aktiv rejimdə işləyir. İmpuls sxemlərində, o cümlədən elektron açar sxemlərində tranzistor doyma və ayırma rejimlərində, məntiq sxemlərində (rəqəmsal inteqral sxemləri) isə invers rejimdə də işləyir.

3.4. Bipolyar tranzistorların statik xarakteristikaları
Tranzistorların dörd növ xarakteristikalar ailəsi var:

1. 
   Giriş xarakteristikaları: U_çıx =const olduqda İ_gir =f(U_gir);
   
2. 
   Çıxış xarakteristikaları: U_gir =const olduqda İ_çıx =f(U_çıx);
   
3. 
   Ötürmə və ya idarəetmə xarakteristikası: U_gir. =const olduqda İ_çıx=f(İ_gir);
   
4. 
   Əks əlaqə xarakteristikası: İ_gir =const olduqda U_gir=f(U_çıx).
   

Praktikada daha geniş istifadə olunan qoşulma sxemı ümumi emitterli qoşulma sxemidir. Ona görə da bu sxemin xarkteristikalarının daha ətraflı araşdıraq. ÜE sxemda girişin baza- emitter keçidi, çıxışın ise kollektor- emitter kesidi olduğunu nəzərə alaraq tranzistorun xarakteristikalar ailəsini aşağıdakı kimi yazmaq olar (şək.3.4.1):

1. 
   Giriş xarakteristikaları: U_ke =const olduqda İ_b =f(U_be);
   
2. 
   Çıxış xarakteristikaları: U_eb =const olduqda İ_k =f(U_ke);
   
3. 
   Ötürmə və ya idarəetmə xarakteristikası: U_be =const olduqda İ_k=f(İ_b);
   
4. 
   Əks əlaqə xarakteristikası: İ_b =const olduqda U_be=f(U_ke).
   

3.5. Bipolyar tranzistorun «h» parametrləri
Bipolyar tranzistoru ixtiyari lakin sabit daxili stuktura malik olan xətti dördqütblü- «qara qutu» kimi göstərmək olar (şək.3.5.1). Bu zaman və dördqütblünün giriş parametrləri, və isə çıxış parametrləridir.

Şək.3.5.1. Şək.3.5.2.

Bu parametrlərin hansıların müstəqil, hansıların isə asılı olduğuna əsaslanarq sistemi 6 müxtəlif tənliklər sistemləri ilə təsvir etmək olar. Belə sistemlərdən biri və ən geniş istifadə ounanı və parametrlərinin müstəqil, və parametrlərinin isə asılı olduğu sistemdir. Belə tənliklər sistemi aşağıdakı kimi ifadə oulunr:

(3.20)

H- parametrlər adlanan , , və əmsallarının fiziki mahiyyətini aydınlaşdıraq. Əgər sistemin birinci tənliyiyndə qəbul etsək:

(3.21)

Bu parametr giriş müqaviməti adlanır. Əgər həmin tənlikdə qəbul etsək:

(3.22)

Bu parametr gərginliyə görə əks əlaqə əmsalı adlanır. Aanlolji olaraq (3.20) sisteminin ikinci tənliyindən alırıq:

(3.23)

Bu parametr cərəyan üzrə ötürmə əmsalı adlanır.

(3.24)

Bu parametr cərəyan üzrə ötürmə əmsalı adlanır. İndi isə h- parametrləri tranzistorun konkret qoşulma sxemi üçün araşdıraq (məsələn, ÜB). ÜB sxemdə giriş və çıxış parametrləri: , və , (şək.3.5.2). Onda aşağıdakı tənlikləri yazmaq olar:

(3.25)
3.6. Bipolyar tranzistorun iş rejiminin hesabatı (+3.12.1. Sxema gmitternoy stabilizaüii)
Tranzistorlar əksər hallarda dəyişən gərginlikli siqnalların gücləndirilməsi üçün istifadə olununr. Yəni, tranzistorun girişinə adətən dəyişən işarəli siqnal verilir. Lakin emitter p-n- keçidinin ventil xaassəsi olduğu üçün, tranzistordan giriş siqnalının yalnız müsbət yarımdalğası keçir. Mənfi yarımdalğa isə bu keçid tərəfindən kəsilir. Beləliklə, giriş siqnalı təhrif olunur. Bunun baş verməmsi üçün, tranzistorun giriş dövrəsinə sürüşmə daxil olunur. Sürüşmənin mənası şək.3.6.1- də aydınlaşdırılır. Dəyişən işarəli giriş gərginliyinin və sürüşmə gərginliyinin toplanması nəticəsində baza- emitter gərginliyi bir işarəli olur. Beləliklə siqnalın forması dəyişmir və güclənmə baş verir.

Şək.3.6.1.

Deyilənləri nəzərə alaraq, gücləndirmə kaskadının prinsipial sxemini aşağıdakı kimi göstərmək olar (şək.3.6.2). Burada siqnal və sürüşmə dövrələrini bir-birindən ayırmaq üçün bölücü kondensatordan istifadə olunur. Bu kondensator dəyişən giriş siqnalı üçün açıq, sabit təşiledici üçün isə qapalı olur. bölücü kondenstoru da bu məqsədlə istifadə olunur. O, çıxış siqnalının dəyişən təşiledicisi üçün açıq, sabit təşkiledicisi üçün isə qapalı olur. şək.3.6.2,a- da sürüşmə gərginliyi və bölücü rezistorları vasitəsi ilə təyin olunur. qida mənbəyinin təsiri altında bölücü rezistorlardan axan cərəyan () rezistorunda

(3.26)

gərginliyi yaradır. Bu gərginlik tranzistora verilən sürüşmə gərginliyinə bərabərdir. Adətən hesabat zamanı bölücüdən axan cərəyanı sürşmə cərəyanından bir neçə dəfə böyük götürürlər:

(3.27)

Qida gərginliyinin digər hissəsi isə rezistoru üzərində düşür:

(3.28)

Sürüşmənin təmin olunmasının daha bir yolu baza dövrəsində ballast rezistorundan istifadə olunmasıdır (şək.3.7,b). Bu zaman sürüşmə cərəyanı aşağıdakı kimi hesablanır:

(3.29)

Xatırladak ki, göstərilan sxemlərin binincisində fiksə olunmuş gərginlik sürüşməsindən (şək.3.7., a), ikincisində isə fiksə olunmuş cərəyan sürüşməsindən (şək.3.7., b) istifadə olunub.

a) b)

Şək.3.6.2.
Elektron avadanlıqlarda quraşdırılmış tranzistorlar iş zamanı həm onlardan cərəyanın axması nəticəsində ayrılan istilik hesabına, həm də xarici qızdırıcılar, məsələn, yaxınlıqda olan qızan detallar hesabına temperaturun təsirinə məruz qalır. Əvvəl qeyd olunduğu kimi temperetarun dəyişməsi yarımkeçirici cihazların işinə ciddi təsir göstərir. Məsələn, şək.3.6.3- də ÜE sxemdə tranzistorun çıxış xarakteristikasının temperaturdan asılı olaraq necə dəyişdiyi göstərilmişdir.

Şək.3.6.3.

Xarakteristikaların və parametrlərin belə dəyişməsi isə gücləndirici sxemlərin işinə mane olur. Bu çatışmamazlıqları aradan qaldırmaq üçün sxemlərdə temperatur stabilizasiyasından istifadə olunur. Temperatur stabilizasiyasından ilk növbədə işçi nöqtənin stabilizasiyası üçün istifadə olunur. Hal hazırda emitter və kollektor stabilizasiyası sxemləri geniş tətbiq olunur. Şək.3.6.4-də emitter stabilizasiyası dövrəsi təsvir olunmuşdur.

Şək.3.6.4.

Stabilizasiya sxemi rezistordan və şuntlayıcı kondensatordan ibarətdir. Kondensator dəyişən siqnalların işçi nöqtəni dəyişməsinə imkan vermir. Burada işçi nöqtənin gərginliyi aşağıdakı kimi təyin olunur:

Yəni, temperatur artdıqca kollektor cərəyanı vəə eləcə də emitter cərəyanı artır. Bu artım baza-emitterdə gərginlik düşgüsünün azalmasına səbəb olur. Bu isə, işçi nöqtəni stabil saxlamağa imkan verir.

3.7. Güclənmə sinifləri haqqında anlayış
Süpüşmə gərginliyinin işarəsindən və qiymətindən və eləcə də giriş isqnalının amplitudundan asılı olaraq gücləndirmə kaskadının bir neçə fərqli iş rejimi mövcuddur. Bu rejimlər toplusuna gücləndirmə sinifləri deyilir. Gücləndirmə sisnifləri böyük latın hərfləri ilə işarə olunur.

A- gücləndirmə sinfi. Əgər çıxış dövrəsində cərəyan giriş dövrəsindəki gərginliyin dəyişdiyi bütün period ərzində axarsa bu, A gücləndirmə rejimi adlanır. Bu rejimin xarakterik xüsusiyyəti sürüşmə gərginliyinin giriş gərginliyiynin maksimal amplitudundan böyük olmasıdır.