Elektronika: Bipolārie tranzistori

Pirmie reāli darbotiesspējīgie bipolārie tranzistori parādījās 1947. gadā. To izgudrotāji ir "Bell Laboratories" fiziķi William B. Shockley, John Bardeen un Walter Brattain. Par šo izgudrojumu kolektīvs 1956. gadā saņēma Nobela prēmiju fizikā.
Lai arī mūsdienās CMOS lauktranzistori ir pamatīgi izkonkurējuši bipolāros, tomēr analogajā elektronikā tiem joprojām ir stabilas pozīcijas. Neviens televizors, radiouztvērējs vai pastiprinātājs neiztiek bez bipolārajiem tranzistoriem, turpretī digitālajā tehnikā vadībā stabili atrodas lauktranzistori. Tas izskaidrojams ar to, ka pēdējie labāk veic elektronisko slēdžu funkciju, bet pirmie - labāk pastiprina analogos signālus.

Tranzistora uzbūve

Tāpat kā pusvadītāju diodēs pamatmateriāls tranzistoru izgatavošanā ir monokristālisks silīcijs (Si). Vēl lieto germāniju (Ge) un gallija arsenīdu (GaAs). Pēdējo lieto galvenokārt tranzistoros, kuri paredzēti sevišķi augstu frekvenču pastiprināšanai un ģenerēšanai, piem. satelītuztvērēju galviņās.
Izgatavošanā visbiežāk lieto epitaksiāli - planāro tehnoloģiju, ar kuras palīdzību Si kristālā izveido p un n struktūras (līdzīgi kā diodēm). Atšķiras tikai konstrukcija un tas, ka atšķirībā no diodes anoda un katoda šeit ir 3 izvadi: emiters, kolektors un bāze. Kontaktu un izvadu izgatavošanā plaši pielieto dārgmetālus.
Attēlā: n-p-n tranzistors griezumā un tā shematiskais apzīmējums.

Kā tranzistors pastiprina signālu?

Piezīme: šī shēma domāta tikai darbības principa paskaidrošanai. Lai tā reāli strādātu - vajadzēs vēl vairākas nozīmīgas detaļas tranzistora darba režīma iestādīšanai!

Kā redzam attēlā, signāla avots (mikrofons) ir ieslēgts bāzes ķēdē, bet slodze (skaļrunis) - kolektora ķēdē. Emitera ķēde ir kopīgais vads ieejai un izejai. Šajā gadījumā mums ir n-p-n tranzistors. Ja vēlamies lietot p-n-p struktūras, pietiek nomainīt strāvas avota polaritāti un vārda "elektroni" vietā aprakstā lietot "caurumi" (un otrādi). Emitera un kolektora apgabalos, kuri izgatavoti no n-tipa pusvadītāja, ir elektronu pārpalikums, bet bāzes p apgabalā - to iztrūkums.

Kamēr ieejas ķēdē strāva neplūst, elektroni no emitera un kolektora caur p-n pārejām brīvi ieplūst bāzes zonā un rekombinējas ar tur esošajiem caurumiem (tieši tāpat kā pusvadītāju diodē):

Šā procesa rezultātā izveidojas sprostslāņi. Tie neļauj strāvai plūst caur slodzi.

Pievadīsim ieejā spriegumu no signāla avota (runājam mikrofonā). Spriegums uz bāzes paaugstinās, sprostslāņu biezums samazinās, un elektroni no emitera cauri bāzei plūst uz kolektoru. Rezultātā cauri slodzei plūst strāva. Jo lielāks spriegums tiek pievadīts bāzei - jo stiprāka strāva plūst cauri tranzistoram.
Izejas un ieejas strāvu attiecību shēmā ar kopēju emiteru sauc par tranzistora pastiprinājuma koeficientu un apzīmē ar burtu β [beta]. Šis ir galvenais tranzistora kā pastiprinātāja parametrs un parasti svārstās robežās no dažiem desmitiem līdz 1000 un vairāk.

Tranzistoru veidi

Pasaulē ražo tūkstošiem dažādu veidu un pielietojumu tranzistoru. Apskatīsim tikai galvenās grupas.

1. Iedalījums pēc struktūras: n-p-n un p-n-p
2. Iedalījums pēc jaudas: mazjaudas un lieljaudas. Pēdējiem konstrukcijā parasti paredzēta stiprināšana uz radiatora un kristāls pielodēts vara (Cu) plāksnei labākai dzesēšanai. Pēc konstrukcijas jāatzīmē vēl arī bezkorpusa SMD jeb chip - tranzistorus.
Attēlā - tranzistoru ārējais noformējums populārākajos standarta korpusos:

3. Iedalījums pēc darba frekvences: zemfrekvences un augstfrekvences. Pirmos lieto galvenokārt sprieguma stabilizatoros. Lai gan arī audio pastiprinātājos principā varētu tādus lietot - praksē lieto tranzistorus ar visai augstu robežfrekvenci ātrāku pārejas procesu un rezultātā mazāku skaņas kropļojumu dēļ.
4. Iedalījums pēc darba sprieguma: zemsprieguma un augstsprieguma. Pēdējie tiek plaši lietoti impulsu barošanas blokos un televizoru attēla izvēršanas sistēmās.

Pēdējā laikā plaši lieto arī t.s. Darlingtona tranzistorus. Tie ir 2 tranzistori vienā korpusā, saslēgti shēmā "saliktais tranzistors" un to pastiprinājums β sasniedz desmitiem tūkstošu.

Kā mājas apstākļos pārbaudīt tranzistoru?

Bieži tiek uzdoti jautājumi par audio pastiprinātāju remontu, kuriem sadeguši izejas tranzistori. Populārākie bojājumi - vienas vai abu p-n pāreju caursite vai arī pārrāvums. Pārbaudīt tranzistoru veselumu var pavisam vienkārši - ar multimetru (ieslēgtu pretestību mērīšanas režīmā) vai pat ar 3-5 V bateriju un kabatas lukturīša spuldzīti. Apskatām tranzistora ekvivalento shēmu un redzam, ka tas principā sastāv no 2 diodēm, kurām kopīgi anodi vai katodi.
"Izzvanām" katru no tām - ja abas vada strāvu un tikai vienā virzienā, viss kārtībā. Pēc tam pārbaudām vadītspēju starp izvadiem emiters-kolektors. Kolektoram pieslēdzam multimetra vai baterijas (+), ja tas ir n-p-n tranzistors un (-), ja p-n-p. Ja strāvu nevada, par 95% varam uzskatīt, ka mūsu tranzistors ir derīgs lietošanai.

Papildinformācija: piem. vikipēdijā
Pirmie soļi ar tranzistoru iesācējiem.

Saistītie raksti

• ELFA maina nosaukumu uz Elfa Distrelec
• Slēdzis sienas lielumā
• Elektronika: kondensatori
• Elektronika: Pusvadītāju struktūras. Diode.
• Uzlādē akumulatoru bez vadiem!
• Elektronika: barošanas bloks
• Elektronika: pastāvīgie rezistori
• Elektronikas jaunumi Lasvegasas izstādē
• IBM iepazīstina ar zibatmiņas alternatīvu
• Ballistiskais tranzistors paātrinās mikroshēmu darbību
• Ar prātu vadīt lietas - tā vairs nav zinātniskā fantastika
• Automātiskais PC restartētājs
• Toshiba uzlādē akumulatorus vienā minūtē
• UPS? kas tas ir un kā izvēlēties
• Klusāks PC ar ventilatoru RPM kontrolieri

Komentāri

#2 jancis1 WWW @ 2007.09.10 11:21

Paldies par rakstu, vairāk šāda veida rakstus :)

#3 samurajs WWW @ 2007.09.10 11:26

d_l: nu protams, ka lauktranzistorus ļoti labi var izmantot analogās ķēdēs, un lieto jau arī - sevišķi operācijpastiprinātāju ieejās. Bet par to būs vēlāk cits raksts, mhhhh...:)
Par Šotki tranzistoriem nemaz nerakstīju - diez vai jaunajiem elektroniķiem tādus sākumā nāksies lietot. Šis tomēr  ir populārzinātnisks raksts, nevis doktora disertācija. Tāpēc centos tēmu pasniegt maksimāli vienkāršoti un saprotami. Pie tam šis nav kautkāds tulkojums, bet no galvas rakstīts raksts.
Es uz tevi nebūt nedusmojos, ķirzacēn, tu jau gandrīz kā radinieks.... mhhhh... :)))

#4 samurajs WWW @ 2007.09.10 12:09

d_l: paldies, interesantas shēmas! ;)

#5 msh @ 2007.09.10 22:14

Kur tad izpalikuši klasiskie padomju ražojuma tranzistori? :P

#6 samurajs WWW @ 2007.09.11 06:42

#6 Ar ko atšķiras padomju (Krievijas) tranzistori no jebkuriem citiem? Ne ar ko!

#10 WildGun @ 2007.09.11 21:06

D_L forever!!

#11 kirils WWW @ 2007.09.12 22:20

dzilshs raksts, prieks lasiit, paldies!

#12 katevijupis @ 2007.09.13 12:29

cepums par rakstu, varbūt arī divi:))

vēl tikai maaaaazlietiņ vieglāku valodu un droši varētu dot skolā par mācību materiālu.

Tā turēt!

#16 aivok @ 2007.10.15 23:13

par tiem krievu tranzistoriem - muļķības...
cilvēki ieciklējušies uz visa krieviskā nonicināšanu....

#17 WildGun @ 2007.10.16 16:33

#19 ++

#18 kilowats @ 2009.12.01 18:18

kur var dabus shemu no pastiprinataja viktorija003