Как прозвонить биполярный транзистор мультиметром: Проверить транзистор мультиметром прозвонкой на исправность: биполярный, полевой, составной

Проверить транзистор мультиметром прозвонкой на исправность: биполярный, полевой, составной

Любая электронная схема состоит из полупроводниковых элементов. Наиболее распространённые из них транзисторы. Хотя в последнее время выпускаемые элементы отличаются надёжностью, но всё же нарушения в работе электронных устройств могут привести к повреждению полупроводника.

Перед тем как проверить транзистор мультиметром, необязательно выпаивать его из схемы, но для получения точных результатов лучше это сделать.

Принцип работы и виды транзисторов

Транзисторы — это полупроводниковые приборы, служащий для преобразования электрических величин. Основное их применение заключается в усилении сигнала и способность работать в режиме ключа. Они выпускаются с тремя и более выводами. Существует три вида приборов:

• биполярные;
• полевые;
• биполярные транзисторы с изолированным затвором.

Бывает ещё составной транзистор. Он подразумевает электрическое объединение в одном корпусе нескольких приборов одного типа. Такие сборки называются парой Дарлингтона и Шиклаи, также имеют три вывода.

Биполярное устройство

Разделяются по своему типу. Выпускаются как электронного, так и дырочного типа проводимости. В своей конструкции используют n-p или p-n переход. Дырочного типа транзисторы состоят из двух крайних областей p проводимости, и средней n проводимости. Электронного типа наоборот. Средняя зона называется базой, а примыкающие к ней области коллектором и эмиттером. Каждая зона имеет свой вывод.

Промежуток между граничащими переходами очень мал, не превышает микрометры. При этом содержание примесей в базе меньше, чем их количество в других зонах прибора. Графически биполярный прибор обозначается для PNP стрелкой внутрь, а NPN стрелкой наружу, что показывает направление тока.

Перед тем как проверить биполярный транзистор мультиметром, нужно понимать, какие физические процессы происходят в приборе. Основа работы устройства лежит в способности p-n перехода пропускать ток в одном направлении. При подаче питания на одном переходе возникает прямое напряжение, а на другом обратное. Область перехода с прямым напряжением имеет малое сопротивление, а с обратным — большое.

Принцип работы заключается в том, что прямой сигнал влияет на токи эмиттера и коллектора. При увеличении величины прямого сигнала возрастает ток в области прямого подключения. Носители заряда перемещаются в зону базы, что приводит к увеличению тока и в обратной области подключения. Возникает объёмный заряд и электрическое поле, способствующее втягиванию в зону обратного подключения заряда другого знака. В базе происходит частичное уничтожение зарядов противоположного знака, процесс рекомбинации. Благодаря чему и возникает ток базы.

Эмиттером называется область прибора, служащая для передачи носителей заряда в базу. Коллектором называют зону, предназначенную для извлечения носителей заряда из базы.

А база — это область для передачи эмиттером противоположной величины заряда. Основной характеристикой прибора является вольт-амперная характеристика. На схеме элемент обозначается латинскими буквами VT или Q.

Полевой прибор

Полевые транзисторы были изобретены в 1952 году. Основное их достоинство в высоком входном сопротивлении по сравнению с биполярными приборами. Такие элементы часто называются униполярными или мосфетами. Разделяют их по способу управления, на транзисторы с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором.

Полевой транзистор выпускается с тремя выводами, один из них управляющий, называемый затвор. Другой исток, соответствующий эмиттерному выводу в биполярном приборе, и третий сток, вывод с которого снимается сигнал. В каждом типе устройства есть транзисторы с n-каналом и p-каналом.

Работа прибора с

Как проверить транзистор мультиметром

Опытные электрики и электронщики знают, что для полной проверки транзисторов существуют специальные пробники.

С помощью них можно не только проверить исправность последнего, но и его коэффициент усиления —

h31э.

Необходимость наличия пробника

Пробник действительно нужный прибор, но, если вам необходимо просто проверить транзистор на исправность вполне подойдет и мультиметр.

Устройство транзистора

Прежде, чем приступить к проверке, необходимо разобраться что из себя представляет транзистор.

Он имеет три вывода, которые формируют между собой диоды (полупроводники).

Каждый вывод имеет свое название: коллектор, эмиттер и база. Первые два вывода p-n переходами соединяются в базе.

Один p-n переход между базой и коллектором образует один диод, второй p-n переход между базой и эмиттером образует второй диод.

Оба диода подсоединены в схему встречно через базу, и вся эта схема представляет собой транзистор.

Ищем базу, эмиттер и коллектор на транзисторе

Как сразу найти коллектор.

Чтобы сразу найти коллектор нужно выяснить, какой мощности перед вами транзистор, а они бывают средней мощности, маломощные и мощные.

Транзисторы средней мощности и мощные сильно греются, поэтому от них нужно отводить тепло.

Делается это с помощью специального радиатора охлаждения, а отвод тепла происходит через вывод коллектора, который в этих типах транзисторов расположен посередине и подсоединен напрямую к корпусу.

Получается такая схема передачи тепла: вывод коллектора – корпус – радиатор охлаждения.

Если коллектор определен, то определить другие выводы уже будет не сложно.

Бывают случаи, которые значительно упрощают поиск, это когда на устройстве уже есть нужные обозначения, как показано ниже.

Производим нужные замеры прямого и обратного сопротивления.

Однако все равно торчащие три ножки в транзисторе могу многих начинающих электронщиков ввести в ступор.

Как же тут найти базу, эмиттер и коллектор?

Без мультиметра или просто омметра тут не обойтись.

Итак, приступаем к поиску. Сначала нам нужно найти базу.

Берем прибор и производим необходимые замеры сопротивления на ножках транзистора.

Берем плюсовой щуп и подсоединяем его к правому выводу. Поочередно минусовой щуп подводим к среднему, а затем к левому выводам.

Между правым и среднем у нас, к примеру, показало 1 (бесконечность), а между правым и левым 816 Ом.

Эти показания пока ничего нам не дают. Делаем замеры дальше.

Теперь сдвигаемся влево, плюсовой щуп подводим к среднему выводу, а минусовым последовательно касаемся к левому и правому выводам.

Опять средний – правый показывает бесконечность (1), а средний левый 807

Ом.

Это тоже нам ничего не говорить. Замеряем дальше.

Теперь сдвигаемся еще левее, плюсовой щуп подводим к крайнему левому выводу, а минусовой последовательно к правому и среднему.

Если в обоих случаях сопротивление будет показывать бесконечность (1), то это значит, что базой является левый вывод.

А вот где эмиттер и коллектор (средний и правый выводы) нужно будет еще найти.

Теперь нужно сделать замер прямого сопротивления. Для этого теперь делаем все наоборот, минусовой щуп к базе (левый вывод), а плюсовой поочередно подсоединяем к правому и среднему выводам.

Запомните один важный момент, сопротивление p-n перехода база – эмиттер всегда больше, чем p-n перехода база – коллектор.

В результате замеров было выяснено, что сопротивление база (левый вывод) – правый вывод равно 816 Ом, а сопротивление база – средний вывод 807 Ом.

Значит правый вывод — это эмиттер, а средний вывод – это коллектор.

Итак, поиск базы, эмиттера и коллектора завершен.

Как проверить транзистор на исправность

Чтобы проверить транзистор мультиметром на исправность достаточным будет измерить обратное и прямое сопротивление двух полупроводников (диодов), чем мы сейчас и займемся.

В транзисторе обычно существуют две структуру перехода p-n-p и n-p-n.

P-n-p – это эмиттерный переход, определить это можно по стрелке, которая указывает на базу.

Стрелка, которая идет от базы указывает на то, что это n-p-n переход.

P-n-p переход можно открыть с помощью минусовое напряжения, которое подается на базу.

Выставляем переключатель режимов работы мультиметра в положение измерение сопротивления на отметку «200».

Черный минусовой провод подсоединяем к выводу базы, а красный плюсовой по очереди подсоединяем к выводам эмиттера и коллектора.

Т.е. мы проверяем на работоспособность эмиттерный и коллекторный переходы.

Показатели мультиметра в пределах от 0,5 до 1,2 кОм скажут вам, что диоды целые.

Теперь меняем местами контакты, плюсовой провод подводим к базе, а минусовой поочередно подключаем к выводам эмиттера и коллектора.

Настройки мультиметра менять не нужно.

Последние показания должны быть на много больше, чем предыдущие. Если все нормально, то вы увидите цифру «1» на дисплее прибора.

Это говорит о том, что сопротивление очень большое, прибор не может отобразить данные выше 2000 Ом, а диодные переходы целые.

Преимущество данного способа в том, что транзистор можно проверить прямо на устройстве, не выпаивая его оттуда.

Хотя еще встречаются транзисторы где в p-n переходы впаяны низкоомные резисторы, наличие которых может не позволить правильно провести измерения сопротивления, оно может быть маленьким, как на эмиттерном, так и на коллекторном переходах.

В данном случае выводы нужно будет выпаять и проводить замеры снова.

Признаки неисправности транзистора

Как уже отмечалось выше если замеры прямого сопротивления (черный минус на базе, а плюс поочередно на коллекторе и эмиттере) и обратного (красный плюс на базе, а черный минус поочередно на коллекторе и эмиттере) не соответствуют указанным выше показателям, то транзистор вышел из строя.

Другой признак неисправности, это когда сопротивление p-n переходов хотя бы в одном замере равно или приближено к нулю.

Это указывает на то, что диод пробит, а сам транзистор вышел из строя. Используя данные выше рекомендации, вы легко сможете проверить транзистор мультиметром на исправность.

Как проверить транзистор мультиметром

Поделиться ссылкой:

Во время ремонта или сборки радиоэлектронных устройств у всех радиолюбителей возникает необходимость проверить транзистор мультиметром. И для этого есть очень простой и самый распространенный способ. В основном эта статья предназначена для начинающих радиолюбителей, поэтому я более доступно для понимания расскажу, как это сделать. Для начала нужно представить, что собой представляет биполярный транзистор (о том, как проверить полевой транзистор будет написано в отдельной статье). Это 2 p-n перехода. Как мы уже знаем диод имеет один переход. Поэтому представим, что транзистор состоит из двух диодов, как на рисунках ниже. N-p-n и p-n-p структур. n-p-n транзистор p-n-p транзистор Получается, что транзистор это два встречно включенных диода с отводом от средней точки, который является базой. Но на самом деле его структура намного сложнее. Наша задача заключается в том, чтобы проверить диоды на исправность. Как проверить диод есть уже отдельная статья. Т.е. сначала проверяем диоды в одну сторону, а потом в другую сторону. Как это сделать видно на рисунках ниже. Для примера взят n-p-n транзистор кт315. Мультиметр включается в режим проверки диодов. Напомню, что при проверке диодов при прямом включении, кода плюс (+) мультиметра подсоединен к аноду, а минус (-) к катоду падение напряжения при исправном диоде будет составлять от 0,1 до 0,8 вольта. А при обратном включении, когда полярность щупов мультиметра поменяна, будет максимальным около 3 вольт, потому что сопротивление диода будет стремиться к бесконечности (т.к. не проводит ток в обратном включении). На фото обозначена полярность щупов, цоколевка транзистора и выделен режим мультиметра. Ножки транзистора я удлиннил для наглядности. База — коллектор База — эмиттер Проверка при прямом включении переходов   База — коллектор База — эмиттер Проверка при обратном включении переходов Если хотя бы один переход пропускает ток в обоих направлениях или не пропускает в обе стороны, то такой транзистор является неисправным. И еще одним этапом проверки транзистора является проверка проводимости между коллектором и эмиттером. Ток не должен проходить ни в одном направлении. Бывает, что пробивает транзистор между коллектором и эмиттером по подложке. Если хотя бы в одном направлении проводит, значит, транзистор не исправен. Как это сделать видно на фото ниже. Коллектор — эмиттер Эмиттер — коллектор Проверка перехода между коллектором и эмиттером Кратко весь процесс можно описать следующим образом. Сначала проверяются переходы «база-коллектор» «база-эмиттер» в одном направлении, потом в обратном. Далее проверяется переход «коллектор-эмиттер» в одном направлении и в другом. По результатам проверки делаются выводы о исправности транзистора. Вся проверка занимает не более 1 минуты. Проверив несколько десятков транзисторов, вы будете делать это уже на «автомате», и за более короткое время. И в заключение хочу сказать, что транзисторы необходимо проверять не только при ремонте радиотехники, но и при создании каких либо радиоэлектронных устройств. Часто бывает так, что купленный в магазине или выпаянный из вторичной платы транзистор оказывается неисправным. Кроме простых биполярных транзисторов существует множество других видов. Это однопереходные, составные и так далее. Которые могут содержать в себе дополнительно резисторы, диоды и предохранители. Методика их проверки иная. Поэтому перед проверкой сначала узнайте характеристики транзисторов.   Анекдот: Открыли супермагазин в котором есть ВСЕ:  Приходит мужик:  — Взвесьте мне полкило крокодильего хвоста.  — Пожалуйста…  Приходит другой:  — Дайте мене 2 десятка яиц бурундука.   — Нет проблем.  Приходит третий:  — Дай мене 2 кг ни%уя.  Продавец немного растерялся — решил позвать директора, тот пришел и  говорит:  — Я сам обслужу этого покупателя.  Приглашает мужика пройти с ним. Заходят они в подвал, свет выключен.  Директор спрашивает:  — Что вы видите???  Тот:  — Ни%уя…  Директор:  — Здесь как раз 2 кило. Берите и пройдем в кассу!!!

Как проверить транзистор не выпаивая из схемы. Как проверить биполярный транзистор мультиметром

Блин, какое страшное слово! Думаю, у всех чайников транзистор ассоциируется с чем-то очень трудным и непонятным. Но, уверяю вас, мои дорогие чайники, ничего трудного нету в транзисторе. Давайте же для начала разберемся, что он вообще из себя представляет и как его можно проверить на работоспособность.

Сразу оговорюсь, в нашей статье мы будет проверять биполярные транзисторы. Что это значит? А значит это то, что эти транзисторы состоят из двух P-N переходов. P-N переходы, дырки, электроны бла бла бла… Ну нафиг! Нам это не надо знать, как там ведут себя электроны, а как дырки и тд и тп. Просто знайте, если ток будет течь через P-N переход, то он сможет течь только в одном направлении. Из P-N перехода сделаны все диоды. А как вы знаете, диод пропускает ток тольков в одном направлении, и не пропускает в другом направлении. То есть другими словами, в одном направлении сопротивление диода маленькое, а в другом — очень большое. Это мы с вами видели в статье как проверить диод мультиметром .

Биполярный транзистор, как я уже сказал, состоит из двух P-N переходов. А в зависимости, как расставлены материалы P и N, так и называется транзистор. На рисунке ниже схематическое обозначение P-N-P транзистора:

Его выводы обозначаются, как эммитер, база и коллектор. Материал, который посередине, между двумя другими материалами, называется в транзисторе базой. Эммитер и коллектор находятся по краям и состоят из одного какого либо одинакового материала. В P-N-P транзисторе ток втекает в эммитер и собирается в коллекторе. А ток базы регулирует ток в коллекторе. Все просто:-). Схематическое обозначение P-N-P транзистора в схеме выглядит так:

где Э — это эмиттер, Б — база, К — коллектор.

Существует также другая разновидность биполярного транзистора — N-P-N. Здесь уже материал P заключен между двумя материалами N.

Принцип его действия схож с P-N-P транзистором, просто здесь ток течет уже в другом направлении.

Вот его схематическое изображение на схемах

Так как диод состоит из одного P-N перехода, а транзистор из двух, то значит можно представить транзистор, как два диода! Эврика!

Теперь же мы с вами можем проверить транзистор, проверяя эти два диода, из которых, грубо говоря, состоит транзистор.

Ну чтоже, давайте на практике определим работоспособность нашего транзистора. А вот и наш пациент:

Внимательно читаем, что нам написали на транзисторе: С4106. Теперь залезаем в интернет и ищем документ-описание на этот транзистор. По-английски он называется datasheet. Прямо так и вбиваем в поисковике «C4106 datasheet». Имейте ввиду, что импортные транзисторы пишутся с английскими буквами. А вот я и даташит на него нарыл:

Нас больше всего интересует распиновка контактов. То есть нам нужно узнать, какой вывод что из себя представляет. Для этого транзистора нам нужно узнать, где у него база, где эмиттер, а где коллектор. В этом и вся прелесть даташита.

А вот и схемка распиновки:

Теперь нам понятно, что первый вывод — это база, второй вывод — это коллектор, ну а третий — эмиттер.

Возвращаемся к нашему рисуночку

Наш подопечный — это N-P-N транзистор. Получается, если он здоров, то у нас будет маленькое падение напряжения в миллиВольтах, если мы приложим «плюс» к базе, а «минус» к коллектору или эммитеру. А если мы приложим «минус» к базе, а «плюс» к коллектору или эмиттеру, то увидим единичку на мультике. Начинаем проверять диоды транзистора, как мы это делали при проверке диодов в статье Как проверить диод мультиметром .

Ставим на прозвонку и начинаем мусолить наш транзистор. Для начала ставим «плюс» к базе, а «минус» к коллектору

Все ок, прямой P-N переход должен обладать небольшим падением напряжения для кремниевых транзисторов 0,5-0,7 Вольт, а для германиевых 0,3-0,4 Вольта. На фото 543 милиВольта или 0,54 Вольта.

Проверяем переход база-эммитер, поставив на базу «плюс» , а на эммитер «минус».

Видим снова падение напряжения прямого P-N перехода. Все ок.

Меняем щупы местами. Ставим «минус» на базу, а «плюс» на коллектор. Сейчас мы замеряем обратное падение напряжения на P-N переходе.

Все ОК, так как видим единичку.

Проверяем теперь обратное падение напряжения перехода база-эммитер.

Здесь у нас мультик также показывает единичку. Значит можно дать диагноз транзистору — здоров.

Давайте проверим еще один транзистор. Он подобен транзистору, который мы с Вами рассмотрели. Его распиновка (то есть положение и значение выводов) такая же, как у нашего первого героя. Также став

Виды, типы, характеристики, принцип работы

Транзистор… По-моему самая сложная и очень любопытная тема во всей электронике. Ничего нигде  про них толком не написано.  Ну что же, дорогие читатели, попробуем пролить свет истины на самое величайшее изобретение XX века, с которого началась Великая Эра цифровой электрон ики.

Что такое транзистор?

Транзистор  (от англ. transfer — переносить и resistor — сопротивление) радиоэлектронный компонент, способный усиливать слабые электрические сигналы. Все, пока на этом хватит… Дальше интереснее.

Из чего состоит транзистор?

Как вы знаете, все мы из чего-то состоим. Люди состоят из мяса, воды и костей. А некоторые состоят вообще из другого материала, поэтому не тонут в воде ))). Так и наш транзистор – он тоже из чего-то состоит. Но из чего? 

Как вы все знаете, материалы делятся на  проводники и диэле ктрики, а между ними находятся полупроводники. Еще раз напомню вам, что проводники прекрасно проводят электрический ток, диэлектрики не проводят электрический ток, а вот полупроводники проводят электрический ток, но очень плохо.

“И зачем нам нужен этот полупроводниковый материал?” – спросите вы. Сам по себе материал полупроводник с практической точки зрения не представляет никакого интереса, но вот когда в него добавить малюсенькую долю некоторых элементов из таблицы Менделеева, по-научному “пролегировать”, то мы получим полупроводниковый материал, но с очень странными свойствами.

Самым знаменитым полупроводником является кремний

и германий

Как вы видите, они  мало чем отличаются.

Кремний составляет почти 30% (!) земной коры, германий 1.5х10^-4% . Может быть поэтому полупроводниковые радиоэлементы очень дешевые, особенно из кремния?

P и N полупроводники

Когда в кремний добавляют мышьяк, получается так, что в кремнии стает очень много свободных электронов. А материалы, в которых очень много свободных электронов, мы уже называем проводниками. Следовательно, кремний, после легирования (смешивания) с мышьяком превращается из полупроводника в очень хороший проводник. Электроны обладают отрицательным зарядом, и их в полупроводнике как песчинок в пустыне, значит такой полупроводник будем называть полупроводником N-типа. N – от англ. Negative – отрицательный. 

А вот если пролегировать кремний с индием, то мы получим очень забавную вещь… В первом случае у нас появились лишние электроны, которые превратили полупроводник в проводник. Но здесь ситуация абсолютно противоположная. Представьте себе, как это бы странно не звучало, электрон с положительным зарядом. Да да, именно так. Но самое-самое интересное знаете что? Его не существует! Он как бы есть, но его как бы нет))). 

Это все равно, что магнитное, электрическое или гравитационное поле. Оно существует, но мы его не видим.

Такой “электрон” мы будем называть дыркой. Так как дырка обладает положительным зарядом,  то полупроводниковый материал в котором очень-очень много этих дырок, мы будем называть полупроводником P-типа. P – от англ. Positive  – положительный.

По отдельности полупроводники P и N типа не представляют никакого интереса. Все самое интересное начинается тогда, когда они спаиваются с друг другом и образуется PN-переход.

PN-переход

В настоящее время PN-переход спаивается по специальной технологии, что, конечно же, увеличивает проводимость для электрического тока. Ширина этой спайки очень мала и достигает  одну тысячную миллиметра.

Свойство PN-перехода

Думаю, будет излишним рассказывать как на физическом уровне работает PN переход. Это долго, муторно и непонятно. Да и вам это точно не пригодится). Самое главное свойство P-N перехода – это односторонняя проводимость! Односторонняя ЧТО? ОДНОСТОРОННЯЯ ПРОВОДИМОСТЬ. Но что означает это словосочетание?

Давайте представим себе воронку, наподобие этой:

С какой стороны нам будет удобней наливать жидкость?  Думаю, что сверху, не так ли?  Тем самым мы переливаем нашу жидкость далее в какой-либо сосуд.

Ну а что будет, если мы перевернем нашу воронку и будем  наливать жидкость через узенькую трубочку таким же напором? Совсем малюсенькая часть жидкости попадет через узкую трубочку и окажется по ту сторону воронки. Остальная же часть тупо прольется мимо воронки.

А давайте теперь на секундочку представим, что вместо жидкости мы будем “наливать” электрический ток. С широкой стороны воронки ток прекрасно зайдет и потечет дальше через узенькую трубочку, а если перевернуть воронку совсем малюсенькая часть электрического тока протиснется на другой конец воронки, остальная же часть электрического тока “прольется” мимо воронки.

Так вот, дорогие мои читатели, P-N переход работает точно таким же способом, как и эта воронка! P – это широкая часть воронки, N – узкая часть воронки, ну то есть та самая тонкая трубочка.

Таким образом, подавая на “воронку” полупроводника P, плюс от источника питания (это может быть батарейка или блок питания ) , а к N-полупроводнику, к узкой трубочке воронки, минус, то у нас ток течет как ни в чем не бывало.  Но как только мы поменяем полярность, то есть подадим на P  минус, а на N плюс, то у нас ток никуда не потечет. То есть цепь будет находиться в обрыве.

Диод, как самый простой PN-переход

А вам знаком вот такой радиоэлемент? Да, это самый простой диод.

а вот его схематическое изображение

А знаете ли вы, что диод состоит из самого обычного PN-перехода? Можем даже вот так нарисовать диод:

Проведем опыт. Возьмем простой советский диод марки Д226:

Интересно, что же внутри у него?  На наждаке стачиваем одну треть корпуса диода, чтобы не повредить внутренности:

Интересно, где же этот PN-переход? С помощью цифрового микроскопа Prima Expert M100 увеличиваем  наш парированный диод и видим кристалл кремния.

Судя по книге Шишкова “Первые шаги в радиоэлектронике”,  PN-переход находится где-то здесь:

Хотя я увидел там только одну пластинку кремния. Видать полупроводники P и N сплавлены  в один бутербродик.

Итак, классика жанра… Как вы видите на этой картинке, диод имеет анод и катод. Анод – это P полупроводник, катод – это N полупроводник.   Все элементарно и просто.

Односторонняя проводимость PN-перехода

Далее проведем классический опыт, который описывается во всех учебниках физики. Собираем цепь из блока питания, лампочки и нашего диода вот по такой схеме (снизу перечеркнутый кружочек – это лампочка).

Теперь собираем эту схемку в реале. Красный щуп – это плюс от блока питания, черный щуп – это минус от блока питания.

Видим, что лампочка загорелась. Это означает, что электрический ток течет через диод как ни в чем не бывало.

Теперь меняем щупы местами и собираем вот по такой схеме:

 

Лампочка не горит. Ну ладно, не переживайте, ведь мы для себя сейчас открыли важнейшее свойство диода, а следовательно и PN-перехода! Диод пропускает электрический ток, если подать на его анод плюс, а на катод минус. Такое включение называют прямым включением диода. А если подать на анод минус, а на катод плюс – диод не будет пропускать электрический ток.

Как проверить целостность PN-перехода

Как проверить целостность PN-перехода, а соответственно и диода? Для этого ставим крутилку на мультиметре в режим прозвонки вот на этот значок :

В этом режиме измеряется падение напряжения. Прямое падение напряжения для кремниевых диодов составляет значение от 0,5 Вольт  и до 0,7 Вольт,  а для германиевых 0,3-0,4 Вольта.

Цепляем анод у диода к положительному щупу мультиметра (красный щуп), а катод цепляем к отрицательному щупу (черный щуп):

Итак, на дисплее мультиметра мы видим так называемое прямое падение напряжения PN-перехода. В данном случае оно равно 554 милливольта или 0,55 Вольт.

Если поменять щупы местами, то на дисплее мультиметра высветится единичка. Это значит, что падение напряжения в данном случае не влазит в диапазон измерения мультиметра в функции прозвонки. При функции “прозвонка” можно наблюдать падение напряжения только  в диапазоне от 0  и до 1999 милливольт.   Мультиметр же выдает 2,8-3 Вольта в этом режиме.

Зависимость падения напряжения на PN-переходе от температуры

Также у PN-перехода есть очень интересное свойство. Его прямое падение напряжения зависит от температуры.

Вот прямое падение напряжения на диоде при обычной комнатной температуре: 554 милливольта.

Начинаем жарить паяльным феном при 200 градусах по Цельсию и смотрим на дисплей мультиметра:

Опа-на, 392 милливольт, а было 554 …

А давайте охладим наш диод. Для этого используем морозильную камеру холодильника:

615 милливольт…

При повышении температуры, прямое падение напряжения на PN-переходе понижается, а при понижении температуры – повышается.  Из Закона Ома вы знаете, что чем меньше сопротивление (а следовательно и падение напряжение на нем), тем лучше течет электрический ток. Может быть, именно поэтому вся современная электроника очень плохо работает на холоде, но прекрасно работает в жаре, потому как почти полностью построена на полупроводниках.

Зависимость сопротивления прямого перехода от температуры радиолюбители используют даже в своих схемах, например в схеме умного вентилятора.

Биполярный транзистор

История возникновения

На дворе стоял послевоенный 1947 год. Декабрь. Холодно, голодно, жутко…  но только не в лаборатории Bell Labs!  Трое ученых: Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн, бились над радиоэлементом, который перевернул весь мир с ног на голову! 16 декабря 1947 года  можно назвать днем второго рождения электроники! Да, черт побери! В этот день впервые миру был продемонстрирован биполярный транзистор.

Именно биполярный транзистор сделал революцию в электронике. Обладая усилительными свойствами, он заменил собой электронные лампы, что сделало электронику намного надежнее, мобильнее и компактнее. Без такого изобретения, как транзистор, мы с вами до сих пор бы жили без компьютеров, мобильных телефонов, планшетов и других различных электронных гаджетов.

Внутреннее строение биполярного транзистора

Помните, о чем мы беседовали выше? Да-да, о полупроводниках P и N типа, а также об их совместном воздействии. В итоге у нас получился диод.

А почему бы нам не добавить еще один полупроводник с такой же проводимостью, как слева? Сказано – сделано! Ну что же, прошу любить и жаловать! Получился БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР!

Если читать слева-направо или справа-налево, из каких полупроводников он состоит, то можно узнать какой он проводимости. Значит, транзистор на рисуночке выше у нас проводимости PNP, или, как у нас говорят, прямой проводимости.

А вот у этого транзистора проводимость NPN или обратной проводимости.

Вывод со среднего полупроводникового материала называется базой, а по краям эмиттер и коллектор. Откуда такие названия? Так как транзистор придумали американцы, то и названия они дали соответствующие:

Эмиттер –  на буржуйском Emitter – источник, излучатель, генератор. То есть вывод, на который что-то подается. В данном случае электрический ток.

База – Base – основа. Cамый главный вывод.

Коллектор – Collector – сборщик, собиратель, токоприемник. Он  как-бы “собирает” электрический ток.

Обозначение на схеме биполярного транзистора

Как же на схемах обозначаются биполярные транзисторы? Мы разобрали, что  существуют транзисторы прямой и обратной проводимости, значит и на схемах они будут обозначатся совсем по-другому.

Схемотехническое обозначение P-N-P транзистора, то есть транзистора прямой проводимости

будет выглядеть вот так:

А схемотехническое обозначение транзистора обратной проводимости или N-P-N транзистора

будет выглядеть вот так:

В  старинных советских схемах транзисторы обозначались буквой T, в  современных схемах они уже обозначаются буквами VT. Как нетрудно догадаться, вывод со стрелочкой – это эмиттер.

Как не путаться в проводимостях транзистора и в их схемотехнических изображениях? Тут все просто. Как вы помните, в полупроводнике P-типа у нас очень много дырок, а дырки обладают положительным зарядом, то есть они со знаком “плюс”.

Полупроводник N-типа содержит большое количество электронов, а электроны – это отрицательные частицы со знаком “минус”. Как вы помните, электрический ток течет от “плюса” к “минусу”. Стрелка эмиттера показывает направление движения электрического тока. То есть, если у нас база состоит из полупроводника P-типа, то значит ток течет от базы, следовательно, стрелка эмиттера направлена от базы, если же база из N-полупроводника, то стрелка эмиттера направлена в базу. Все просто как дважды два.

Как выглядят биполярные транзисторы

Как же в реале выглядят транзисторы? Уууу…. тут фантазиям разработчиков нет предела. Ниже фоты самых распространенных корпусов транзисторов:

Но! Имейте ввиду! Если вам попался радиоэлемент в таком корпусе – это  не обязательно транзистор! Это может быть и тиристор, и  диодная сборка или даже стабилизатор напряжения, или вообще что угодно. Как же тогда распознать транзистор? Читаем ниже).

Эквивалентная схема биполярного транзистора

Итак, как же нам распознать биполярный транзистор среди кучи радиоэлементов, имеющих схожий корпус? Давайте рассмотрим еще раз его внутреннюю структуру. Для транзистора прямой проводимости она будет выглядеть так:

а для транзистора обратной проводимости вот так:

А знаете что? Давайте-ка резанём серединный слой пополам… Предположим, мы взяли тонкий-тонкий ножик и разделили полупроводник базы на две части.

Итак, рисуночки у нас становятся такими:

для транзистора прямой проводимости

для транзистора обратной проводимости

Вот этот или вот этот участок транзистора вам ничего не напоминает?

Едрить-колотить! Так ведь это же  диод!

Так что тогда  получается? Что транзистор тупо состоит из двух диодов? Грубо говоря, так оно и есть.

Значит, схематически мы можем транзистор нарисовать как два диода. Итак, что у нас тогда получиться? Для транзистора прямой проводимости:

схема будет выглядеть вот так:

а для транзистора обратной проводимости

вот так:

Все элементарно и просто, господа! Итак, мы с вами узнали, что схематически (не физически) транзистор можно заменить как два диода, которые соединены катодами или анодами. А проверять диоды мы с вами умеем без проблем, не так ли? Кто подзабыл, читаем статью как проверить диод мультиметром.

Как проверить транзистор с помощью мультиметра

У нас имеются два транзистора. Стоп! А с чего мы взяли что это вообще транзисторы?

Внимательно смотрим на них и видим какие то буквы и цифры. КТ815Б и КТ814Б. Блин, снизу еще какие-то цифры. Во дела! Ладно, ничего страшного. Для этого открываем яндекс или гугл и вбиваем первую строчку названия транзистора. Вбиваем “КТ815Б” и рядышком пишем незамысловатое слово “даташит” или на буржуйский манер “datasheet”.

Качаем документацию на этот радиоэлемент и узнаем что это такое и что он из себя представляет. Теперь я знаю, что это транзистор NPN структуры, а также знаю расположение его выводов.

Вон сколько сразу можно узнать!

А вот и вторая страничка даташита:

Здесь мы видим уже тот же самый транзистор, но уже в другом корпусе.  У нас на фото транзистор в корпусе КТ-27. Видите цифры на выводах транзистора? Смотрим в табличку и узнаем, где какой вывод. Значит, на фото у нас выводы идут таким образом:

Теперь рассмотрим другой транзистор.

Из даташита транзистора КТ815Б мы узнали, что у него есть комплиментарная пара: транзистор КТ814

Комплиментарная пара для кого-либо транзистора – это транзистор точно с такими же характеристиками и параметрами, НО у него просто-напросто другая проводимость. Это значит, что транзистор КТ815 у нас обратной проводимости, то есть NPN, а КТ814 прямой проводимости, то есть PNP .

Справедливо также и обратное: для транзистора КТ814 комплиментарной парой является транзистор КТ815 ! Короче говоря, зеркальные братья-близнецы. Также самой популярной комплиментарной парой транзисторов в Советском Союзе были транзисторы КТ315 и КТ361.

 

Проверка NPN-транзистора с помощью мультиметра

Берем наш знаменитый мультиметр, цепляем щупы-крокодилы  и ставим на значок “прозвонка”

Будем проверять транзистор КТ815. Так как он структуры NPN, следовательно, его можно схематически заменить вот на такую диодную схему:

Вспоминаем распиновку нашего транзистора:

Как мы помним, диод пропускает постоянный ток только в одном направлении. Проверяем первый диод транзистора. Для этого ставим на базу плюс, на эмиттер  – минус.

Видим падение напряжения при прямом включении на PN-переходе в милливольтах.

Меняем щупы местами. То есть на базу подаем минус, а на эмиттер – плюс:

Единичка, значит первый диод транзистора исправен.

 

Проверяем второй диод транзистора. Ставим на базу плюс, а на коллектор – минус:

Видим падение напряжения на PN-переходе. Все гуд.

 

Меняем щупы местами:

Мультиметр показывает единичку. Все в порядке. Второй диод тоже в полном здравии. Значит, транзистор в полной боевой готовности!

Проверка PNP-транзистора с помощью мультиметра

Ну что, теперь проверим комплиментарный транзистор – КТ814 ;-). Его эквивалентная схема будет выглядеть уже по другому, так как он прямой проводимости.

Здесь так же проверяем два диода. Для этого ставим минус на базу, а на эмиттер – плюс.

Падение напряжения на PN-переходе. Все ОК.

Меняем так же местами щупы:

Единичка – все ОК.

Проверяем второй диод транзистора точно так же. Для этого на базу также ставим минус, а на коллектор – плюс.

Опять видим падение напряжения при прямом включении на PN-переходе.

Меняем щупы местами.

Единичка – гуд!

КТ814 у нас тоже полностью жив и здоров!

Проверка неисправного транзистора

Также ставим мультиметр на прозвонку и цепляемся к нашему подопечному.

Нолики… Это не есть хорошо. Это говорит о том, что PN-переход пробит.  Можно смело выкидывать такой транзистор в мусорку.

Как проверить транзистор с помощью транзисторметра

Очень удобно проверять транзисторы, имея прибор RLC-транзисторметр

Для этого всего лишь достаточно поместить выводы транзистора в разные отверстия и нажать зеленую кнопку. Как вы видите, прибор полностью нам показал цоколевку (расположение выводов) транзистора, его коэффициент усиления в схеме с общим эмиттером (об этом ниже), а также напряжение открытия, то есть напряжение, при котором он начинает открываться и пропускать ток через коллектор-эмиттер (об этом также ниже).

Принцип работы транзистора

Что такое усиление

Давайте для начала разберем, что мы вообще подразумеваем под словом “усиление”? Ну… усиление это когда мы производим какое-то действие, чтобы было лучше, качественнее, комфортнее, удобнее, безопаснее. По-моему как-то так. Усиливаем подвеску на машине, чтобы езда была комфортнее. Усиливаем фундамент под дом, загоняя туда железную арматуру, чтобы дом стоял долго и не трещал. Усиливаем армию военной техникой, чтобы обеспечить себе и своему народу безопасность, усиливаем свое тело, чтобы выглядеть уверенно и дать отпор гопникам.

Но какое слово идет рядом в паре со словом “усиление”? Мне кажется – это слово “мощность”. 

Усиливаем подвеску на машине, то есть делаем ее мощнее. Усиливаем фундамент – делаем его мощнее. Усиливаем армию танками и самолетами – делаем ее мощнее :-), усиливаем свою тушку – значит делаем ее опять же мощнее.

Давайте рассмотрим на примере человека. Как же его усилить? Здесь я вижу два варианта:

Увеличить человека в размерах

Либо усилить его с помощью экзоскелета:

Тут уже даже и ежу понятно, что мощности каждого из этих персонажей хватит для того, чтобы размотать целую роту вояк в рукопашном бою. В первом случае их проще будет давить либо пяточкой, а если попадется воспитанный великан с хорошими манерами – то пальчиками :-). Во втором случае, с экзоскелетом, хуком справа и слева.

Значит, для того, чтобы сделать сигнал мощнее, мы должны либо увеличить его амплитуду, либо увеличить его… Хм… Зачем наш Тони Старк сделал себе костюм? Чтобы он защищал его тело, то есть чтобы оказывать сопротивление ударам, пулям и тд. Какая-бы пулька или удар не влетали в него, он бы стоял колом (разумеется в разумных пределах) То есть его экзоскелет защищает его от разного рода сопротивления.

Получается,  для нашего сигнала какое бы сопротивление он не встретил на своем пути, он будет таким же “бодрым и энергичным”, каким был и до встречи с нагрузкой. Если Тони Старк брал энергию из своего реактора на груди, то сигнал должен брать энергию от какого-либо мощного источника. Сравнение, конечно, так себе, но думаю, суть вы уловили.

Как усиливает транзистор

Итак, представим себе нашу сборную России по футболу. Ну да, ребята частенько лажают), но суть не в этом. Для того, чтобы наши футболисты играли хорошо, надо к каждому футболисту приставить хорошего тренера, установить нормальный график труда и отдыха, кормить самой лучшей спортивной едой, пичкать допингами и тд. Как результат – команда может быть дотянет до полуфинала на чемпионате мира.

Но… есть и другой вариант. Почему бы в команду не пригласить таких футболистов, как Месси, Рональдо, Роналду, Бекхэма и других знаменитостей? То есть в этом варианте мы полностью заменили всю команду. Но для нас ведь главное  – победа, и не волнует, кто играет в нашей команде. Главное, чтобы наша команда порвала всех на чемпионате.

И там и там мы усилили эти команды. Но как вы думаете, какой вариант будет лучше? Ну тут уже и ежу понятно, что второй вариант – стопроцентный! Если провести параллельную грань с электроникой, то можно сказать, что транзистор использует именно второй вариант. В нем нет ничего такого, чтобы он сам бы усиливал сигнал. Он его полностью заменяет другим сигналом. То есть усиливаемый сигнал, который выходит из транзистора, является копией входного слабенького сигнала, но это не тот же самый слабенький сигнал.

Тяжко для понимания? Ну давайте приведем тогда еще один пример.

Вернемся в детство. Вам купили маленького хомячка. Вы за ним ухаживаете, меняете водичку, убираете какашки, покупаете колесико, чтобы он бегал и радовался жизни. Через год из маленького хомячка вырастает здоровый пушистый хомяк. Вы очень рады, что у вас вырос такой здоровый хомячок. Но…  как-то летом вы решили съездить в деревню к бабушке, за хомяком никто не ухаживал и он сдох. Ваши родители, конечно же, ничего вам не сказали. Они быстренько сбегали в зоомагазин и купили точно такого же хомяка! Один в один! Вы приезжаете к себе домой и продолжаете радоваться своему хомяку, даже не догадываясь, что это вообще не он))). Именно точно также ведет себя транзистор).

Транзистор не усиливает сигнал, а просто выводит усиленную копию на выходе.

Откуда берется энергия для усиления

Вспомните  также в своей жизни моменты, когда вы или кто-то другой прилагали очень малую силушку, но наворотили делов.

Получается, какое-то слабенькое движение хвостиком привело к нехорошим последствиям, но энергия использовалась извне. Для мышки-норушки это будет гравитационная сила.

Тот же самый принцип заложен и в транзисторе. Он не может сам по себе усиливать. Он использует энергию извне. А для энергии извне используется источник постоянного тока.

Можно сказать, транзистор представляет из себя именно такую же систему – слабенький управляющий базовый ток управляет огромным током коллектор-эмиттер. Справа это все показано на бачке с водой. То есть чуток открыв краник, чтобы из трубки “База”(Б) полилась водичка, мы открываем клапан, который держит закрытым бачок “Коллектор” (К). Вода сразу же из бачка “Коллектор” стремится в тазик “Эмиттер” (Э). Если же мы закрываем краник “База”, то пружинка возвращает клапан и закрывает прохождение водички из бачка “Коллектор”.

Из всего выше рассказанного и показанного можно сделать некоторые выводы:

– выходной сигнал с транзистора – это усиленная копия входного сигнала

– транзистор для усиления сигнала использует энергию извне, а точнее, источник постоянного тока.

– малый управляющий базовый ток управляет намного большим коллекторным током (рисунок выше)

– независимо от схемы включения управляющий PN переход – эмиттерный, а управляемая цепь – эмиттер-коллектор

Усиление в электронике

Увеличивая амплитуду сигнала, мы меняем его напряжение, а делая сигнал “неуязвимым”, мы добавляем ему силу. Силу тока. Поэтому, увеличивая или напряжение, или силу тока, либо сразу два этих параметра, мы делаем сигнал мощнее.

Для тех, кто позабыл:

P=IU

где

P – это мощность, измеряется в Ваттах

I – сила тока, в Амперах

U – напряжение, в Вольтах

В своих электронных разработках вы должны точно решить для себя, что именно собираетесь делать с сигналом:

– увеличить его амплитуду напряжения, при этом силу тока оставить неизменной

– оставить амплитуду напряжение такой же, но прибавить мощности с помощью силы тока

– увеличить и напряжение и силу тока

В основном применяют усиление сразу по обоим параметрам.  Поэтому, в электронике чаще всего используется схема с ОЭ (Общим Эмиттером), которая увеличивает сигнал и по силе тока, и по напряжению одновременно.

Для транзистора PNP проводимости подключение транзистора  с ОЭ выглядит так:

А для NPN транзистора вот так:

Но вы также должны иметь ввиду, что в электронике нам не просто надо усилить сигнал, а усилить его правильно, чтобы он не потерял свой первозданный вид. Мощная копия сигнала должна пропорционально усиливаться по амплитуде. По времени мы не должны ее трогать, иначе изменится частота сигнала. Тогда это уже будет совсем другой сигнал.

На рисунке ниже мы можем увидеть входной слабенький сигнал, а на выходе усиленный сигнал после транзисторного каскада.

Как мы видим, сигнал по амплитуде изменился линейно и пропорционально, но период сигнала не изменился. То есть T1=T2. Это пример идеального усилителя.

Принцип усиления

Усилители в электронике в большинстве случаев усиливают именно напряжение. То есть на вход загоняем какой-либо маленький сигнал напряжения, а на выходе получаем точную копию сигнала, но уже бОльшего напряжения. Но как это сделать на практике?

А почему бы нам не использовать делитель напряжения, у которого один резистор будет постоянным, а другой – переменным:

Что будет, если мы на переменном резисторе будем менять сопротивление? Правильно! Будем меняться напряжение на выходе U. А теперь представьте, что мы не ручками меняли бы сопротивление, а за нас это бы делало напряжение? Чем больше меняем напряжение, тем больше меняется сопротивление. То есть сопротивление переменного резистора менялось бы прямо пропорционально напряжению. Было бы круто, так ведь?

Транзистор можно сравнить с краником? Открываем чуток – напор воды слабый, открываем больше – сильнее. Открываем полностью – вода бежит полным потоком.

В биполярном транзисторе происходят похожие процессы. Меняя значение напряжения на базе, а следовательно силу тока в цепи база-эмиттер, мы тем самым меняем сопротивление между коллектором и эмиттером 😉 Следовательно, наша схема из такого вида:

примет вот такой вид

Выглядеть должно все приблизительно так, но не совсем так… и далее вы поймете почему.

Режимы работы транзистора

Режим отсечки

Режим отсечки – это когда транзистор полностью закрытый, то есть нет напряжения смещения на базе-эмиттере 0,6-0,7. Вольт. В этом случае у нас сопротивление между коллектором и эмиттером очень большое.

Режим насыщения

Режим насыщения – это когда транзистор полностью открытый. В этом режиме смещение на базе-эмиттере более, чем 0,6-0,7 Вольт и сопротивление между коллектором и эмиттером равняется почти нулю.

В режиме отсечки и насыщения работает транзисторный ключ.

Активный режим

В активном режиме напряжение смещения более, чем 0,6-0,7 Вольт, но у нас сопротивление между коллектором и эмиттером не равняется ни нулю, ни бесконечности. В этом режиме мы можем регулировать сопротивление с помощью силы тока, проходящего между базой и эмиттером. А чтобы регулировать эту силу тока , мы можем подавать большее или меньшее напряжение на базу.

Если все объяснить заумной фразой получается так: небольшое изменение силы тока в цепи базы-эмиттер приводит к пропорциональному изменению силы тока в цепи коллектор-эмиттер.

Коэффициент, показывающий, во сколько раз увеличивается сила тока коллектор-эмиттер от силы тока базы-эмиттер называется коэффициентом усиления по току в схеме с ОЭ. Этот коэффициент часто называют h_21э или просто  β.

Думаю, большинство из вас сидело за рулем авто. Может быть, вы когда-нибудь даже пользовались педалью газа)

Допустим, мы поставили первую скорость и решили проехаться по трассе. Топим педаль в пол и едем на всей первой скорости, не переключая коробку скоростей. По аналогии с транзистором – это и есть режим насыщения.

Вообще убираем ногу от педали – машина встает колом. Это режим отсечки (о понятии отсечки в самом авто мы с вами сейчас не говорим). В этом режиме мы вообще не касаемся педали.

Ну а в активном режиме мы нажимаем педаль с такой силой, которая нам нужна 😉 В этом режиме мы сами регулируем скорость. Хотим – едем быстрее, а хотим медленнее 😉  То есть мы управляем автомобилем между режимами отсечки и насыщения. Именно в этом режиме работает транзистор в режиме усиления сигналов.

Основные схемы включения транзистора

Итак, существуют три основные схемы соединения биполярного транзистора:

 

– с Общей Базой (ОБ)

Эта схема усиливает по напряжению. Схема с общей базой используется редко.

 

– с Общим Эмиттером (ОЭ)

Эта схема усиливает и по напряжению, и по току, и на практике используется наиболее часто.

 

– с Общим Коллектором (ОК)

Эта схема усиливает по току. Ее часто называют эмиттерный повторитель.

Здесь все просто: какой вывод является общим для входного и выходного сигнала, такая и схема включения транзистора.

Обозначение напряжений выводов транзистора

А теперь давайте поговорим об условностях, которые применяются в схемотехническом жаргоне транзистора.

Итак, если вы слышите, что напряжение на базе равно 1 Вольт, то это означает, что это напряжение между базой и общим проводником. На общий в основном садят “минус” и обозначается общий проводник вот таким значком:

Например, U_Б  (напряжение на базе)  транзистора VT1 замеряется как-то вот так:

Напряжение между выводами обозначается двумя индексами. Например, напряжение между базой и эмиттером обозначается как U_БЭ . Также на схемах часто можно увидеть обозначения типа U_КК (в буржуйском варианте V_CC ) – это напряжение питания коллектора, обычно положительное. Также есть и U_ЭЭ (в буржуйском варианте V_EE) – напряжение питания эмиттера, обычно отрицательное. Короче говоря, это в основном напряжение питания схемы.

Также имейте ввиду, что каждый транзистор характеризуется основными максимальными параметрами такими как:

1) I_к – ток коллектора

2) U_КЭ – напряжение между коллектором и эмиттером

3) P – мощность, которая рассеивается на транзисторе. Р = I_К U_КЭ 

4) U_БЭ – напряжение между базой и эмиттером

Attention!

Превышение какого-либо параметра из списка выше приведет к неминуемой гибели транзистора!

Как усиливает транзистор?

Для того, чтобы понять принцип работы транзистора, давайте рассмотрим вот такое фото:

Условимся считать, что это самая простая модель транзистора. Направление потока воды – это направление электрического тока. Пусть у нашего “транзистора” будет проводимость NPN, то есть он будет выглядеть вот так:

С помощью краника (Базы) мы уменьшаем или увеличиваем скорость потока воды через трубу. В нашем случае вода бежит с жёлтой трубы к чёрной трубе, или по аналогии с транзистором: от коллектора к эмиттеру, потому что стрелочка эмиттера показывает направление электрического тока.

Итак, в таком положении краник полностью закрыт, следовательно поток воды не проходит через трубу:

А вот так краник полностью открыт и поток воды бежит на полной мощности через трубу:

Краник открыли, вода через трубу побежала на полной мощности:

Краник закрыли, вода не бежит:

С помощью одного только пальчика, я включал и выключал ОГРОМНЫЙ поток воды, который бы мог смыть все какашки на вашей тельняшке). То есть поток воды из трубы обладает огромнейшей силой, по сравнению с силой пальчика, которую я прикладывал к рычагу краника.

Транзистор работает аналогичным образом! Прикладывая небольшое напряжение к базе, я могу управлять огромнейшим током проходящим через коллектор и эмиттер. В данном случае я показал только два положения, краник полностью включен, или краник полностью выключен. Режим, при котором я включал и отключал краник до упора, в транзисторе называется “ключевым режимом” (о нем ниже). Не от слова “ключевой” – типа главный, важный, а от слова “ключ”. А что у нас делает ключ? Что-то отпирает и закрывает, да хотя бы те же самые двери или бабушкин комод.

Режим, когда я ЗАКРЫВАЛ краник полностью, называется в транзисторе закрытый или в простонародье “зАпертый”. В этом случае на базу ток не идет и транзистор не пропускает электрический ток между коллектором и эмиттером.

Режим, когда я полностью ОТКРЫВАЛ краник, называется в транзисторе режимом “насыщения”. В этом случае через эмиттер и коллектор ток бежит по полной. Хочу сказать, что дальнейшее открывание краника бессмысленно, так как от этого ток не увеличится между коллектором и эмиттером, то есть нет резона подавать еще большее напряжение на базу, если транзистор уже работает в режиме насыщения.

Как работает биполярный транзистор на практике

Ну что же, надо теперь все это дело проверить на реальном транзисторе. У нас в гостях всеми вами любимый транзистор КТ815Б:

Его проводимость NPN, то есть он выглядит вот так:

Мы с вами разобрали, что краник – это база, а большой поток воды должен течь с коллектора на эмиттер. Направление стрелки на эмиттере показывает направление движения электрического тока.

В транзисторе все то же самое. Давайте используем его в деле. Для этого собираем вот такую схемку:

Ну что, вроде бы все элементарно и просто. Есть батарея, есть лампочка. Электрический ток должен бежать от “плюса” к “минусу” и лампа должна гореть. Собираем схему в реале. Щупы-крокодилы идут от блока питания. Красный – плюс, черный – минус. Напряжение на них около 13,5  Вольт, лампа на такое же напряжение. Лампа  не горит… В чем же дело?

Помните эту картинку?

Елки-палки, нам базу-то надо “повернуть” так, чтобы электрический ток мог бежать от коллектора к эмиттеру!  Но как “повернуть” базу? Да все просто! Для этого нам надо всего-то подать на нее напряжение.

Теперь наша схема будет выглядеть вот так:

Собираем схему. Крокодилы с синими проводами идут от блока питания Bat1.

Но теперь вопрос. Какое минимальное напряжение должно быть на Bat1, чтобы “краник начал открываться”?

Помните мы с вами разбирали статью, что на PN переходе у кремниевых транзисторов (а у нас как раз кремниевый) “падает” напряжение где-то 0,5-0,7 В. А давайте выставим на Bat1 где-то 0,5 В.

Нет… лампочка не зажигается.

Кручу крутилку и выставляю 0,6 Вольт и вуаля! В простонародье говорят, что транзистор “открылся”.

Отсюда делаем вывод: для того, чтобы через коллектор-эмиттер побежал электрический ток, мы должны на базу подать напряжение более чем 0,5-0,7 В, то есть  больше падения напряжения на PN-переходе данного транзистора.

Но как много мы можем подать напряжения в базу? Давайте крутанем крутилку на уровень 0,7 В.

При 0,7 В базовый ток составляет уже 20 мА.

Давайте еще чуток добавим:

При 0,8 В уже 140 мА.

А при 0,9 Вольтах:

чуть меньше пол-Ампера! Дальнейшее увеличение напряжения может привести … к полному выходу транзистора из строя!

Максимальные параметры транзистора

Каждый транзистор характеризуется основными максимальными параметрами такими как:

1) I_к – ток коллектора

2) U_КЭ – напряжение между коллектором и эмиттером

3) P – мощность, которая рассеивается на транзисторе. Р = I_КЭ х U_КЭ

4) U_БЭ – напряжение между базой и эмиттером

Коэффициент бета транзистора

Итак, давайте заранее договоримся, что в своих примерах мы будем использовать схему с ОЭ (Общим Эмиттером):

Плюсы этой схемы таковы, что эта схема усиливает и по напряжению, и по току. Поэтому, это схема чаще всего используется в электронике.

Ну что же, начнем изучение усилительных свойств транзистора именно с этой схемы. Есть у этой схемки очень интересный параметр. Называется он коэффициент усиления по току  в схеме с Общим Эмиттером и обозначается буквой β (бета). Этот коэффициент показывает во сколько раз коллекторный ток превышает базовый в активном режиме работы транзистора

Также частенько, особенно на мультиметрах,  его обозначают как h31э или Hfe.

Находим бету на практике

Давайте соберем схемку,  с помощью которой, думаю, все встанет на свои места. С помощью этой схемы мы будет приблизительно замерять коэффициент β.

Для NPN транзистора схема будет выглядеть следующим образом:

Для PNP транзистора  вот так:

Так как его проводимость NPN, следовательно, будем использовать вот эту схему:

Итак, что мы тут видим? Есть транзистор, два блока питания и два амперметра. Один амперметр ставим на измерение микроампер (мкА), а второй на измерение миллиампер (мА). На блоке питания Bat 2 выставим напряжение в 9 Вольт. Блок питания Bat 1 у нас со стрелочкой. Значит его значение будем менять от 0 и до 1-ого Вольта.

Схема у нас с ОЭ. Через базу-эмиттер и далее по контуру у нас протекает базовый ток I_Б , а через коллектор-эмиттер и далее по контуру несется коллекторный ток I_К.  Для того, чтобы замерить этот ток (силу тока), мы в разрыв цепи цепанули по амперметру. Остается дело за малым. Замерить базовый ток (I_Б), замерить коллекторный ток (I_К) и потом тупо разделить ток коллектора на ток базы. И из этого отношения мы приблизительно найдем коэффициент β. Все просто).

Вот два блока питания:

Как работает биполярный транзистор?

Биполярный транзистор — трехконтактный (три электрода), управляемый током полупроводниковый электронный компонент, который имеет возможность усиливать сигналы постоянного и переменного тока, поэтому каждый транзистор относится к семейству усилителей . Усилитель — это устройство, которое может управлять большей мощностью при меньшем потреблении энергии.

Существует два типа биполярных транзисторов: N-P-N транзисторов и P-N-P транзисторов.Электроды биполярного транзистора имеют следующие наименования: — C, — коллектор, B, — база, E — эмиттер. Чаще всего используются кремниевые кремниевые транзисторы (Threshold Voltage V _T = 0,6 — 0,7 В), реже — германиевые Ge (V _T = 0,2 — 0,3 В). Транзисторы используются практически везде: от усилителей, генераторов, систем переключения питания до компьютеров и более совершенных систем.

---

Транзистор биполярный — Задания для студентов

Если вы студент или просто хотите научиться решать задачи с биполярными транзисторами, посетите этот раздел нашего веб-сайта, где вы можете найти широкий спектр электронных задач.

---

Биполярный транзистор — конструкция

Биполярный транзистор состоит из трех полупроводниковых областей с разными типами проводимости: N-P-N или P-N-P. В этом примере две формы p-n-перехода ( диодов ): база-эмиттер (BE) и база-коллектор (BC).

Рис. 1. Обозначение биполярного транзистора NPN и конструкция его переходов 2. Обозначение биполярного транзистора PNP и конструкция его переходов Рис.3. Модель диодной замены NPN-транзистора Рис. 4. Модель диодной замены транзистора PNP Рис. 5. Распределение токов в NPN-транзисторе

Биполярный транзистор — Принцип действия

Основной особенностью биполярных транзисторов является возможность управления большим током с использованием малого . В зависимости от рабочей точки транзистор может находиться в четырех режимах работы:

• Режим отсечки — переход база-эмиттер вообще не смещен или имеет обратное смещение.Значения тока коллектора очень маленькие,
• Прямой активный режим (чаще всего называется активным режимом ) — переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении. Здесь стоит отметить, что не следует превышать напряжение на переходе (кремниевые или германиевые диоды), что может привести к протеканию большого тока базы и возможному повреждению транзистора. Ток коллектора принимает значение, в β раз превышающее значение базового тока.Напряжение база-эмиттер вводит основные носители от эмиттера через переход к базе (в N-P-N электронах и в P-N-P дырках). Носители вводятся из эмиттера в базовую область (поплавок) (явление диффузии) в область перехода база-коллектор, где их концентрация ниже). Здесь под действием электрического поля в области обеднения они притягиваются к коллектору. В результате этих операций между базой и эмиттером должен протекать небольшой ток, позволяющий протекать большему току между электродами коллектора и эмиттера.
• Обратно-активный режим (инвертированный режим) — Переход база-эмиттер смещен в обратном направлении, а база-коллектор смещен в прямом направлении. Усиление тока небольшое,
• Режим насыщения — Напряжение коллектор-эмиттер падает до небольшой величины. Базовый ток настолько велик, что коллекторная цепь не может усилить его в β раз больше.

Транзистор биполярный — вольт-амперные характеристики

Рис. 6. Семейство вольт-амперных характеристик биполярного транзистора (ОЭ) Рис.7. Семейство вольт-амперных характеристик биполярного транзистора (OB)

Эти области транзистора обычно используются в соответствии с потребностями, например:

• Транзистор как усилитель — транзистор, работающий в прямой активной области, может быть использован для создания системы, которая будет усиливать электрический ток.
• В качестве переключателя (клапана) — здесь используется переход между областью насыщения (вкл.) И отсечкой (выкл.). Используется в цифровых и импульсных схемах.

Биполярный транзистор — Предельные параметры

• В _{EB0max —} максимально допустимое обратное смещение база-эмиттер,
• В _CB0max — максимально допустимое обратное смещение база-коллектор,
• В _CE0max — максимально допустимое прямое смещение база-эмиттер,
• I _Cmax — максимальный ток коллектора,
• I _Bmax — максимальный базовый ток.

Биполярный транзистор — Операционные системы

Система общего коллектора

Усиленное напряжение входного сигнала подается между базой и коллектором транзистора, тогда как сигнал после усиления принимается между коллектором и эмиттером. Усиление напряжения этой схемы близко к единице, поэтому на выходе усилителя появляется «повторяющееся» напряжение со входа, отсюда и второе общепринятое название этих усилителей — эмиттер.

Рис. 8. Схема напряжения переменного тока усилительной системы с общим эмиттером (ОЭ)

Система общей базы

Усиленное напряжение входного сигнала подается между базой и эмиттером транзистора, тогда как сигнал принимается между базой и коллектором после усиления.

Рис. 9. Схема напряжения переменного тока усилительной системы с общей базой (ОБ)

Система общего коллектора

Усиленное напряжение входного сигнала подается между базой и эмиттером транзистора, тогда как сигнал после усиления принимается между коллектором и эмиттером.Таким образом, эмиттерный электрод является довольно «обычным» для входных и выходных сигналов — отсюда и название системы.

Рис. 10. Схема общего коллектора ОС

Транзистор биполярный как переключатель

Биполярный транзистор подходит для работы в качестве переключателя. Принцип его работы основан на двух рабочих состояниях транзистора: отсечка и насыщение. Под действием сигнала (напряжения) транзистор активируется и переходит из состояния отсечки через активное состояние в насыщение.Когда нет больше управляющего напряжения, транзистор возвращается в состояние отсечки. В отключенном состоянии транзистор имеет очень высокое сопротивление, поэтому он не пропускает никакой сигнал (это можно рассматривать как разрыв цепи). Однако, когда транзистор насыщен, он имеет низкое сопротивление, и ситуация обратная.

Идеальный транзисторный ключ должен менять состояния почти сразу и иметь очень крутой (вертикальный) переходный процесс, а время переключения должно быть равным нулю.

Есть способы значительно ускорить работу процесса переключения транзисторов:

• Уменьшить номинал резистора базы транзистора,
• Добавьте параллельную емкость резистору базы транзистора. Это устраняет эффект интеграции и сокращает время включения транзистора,
• Соединяют базу и коллектор транзистора через германиевый диод (такой переключатель становится квазинасыщенным), который характеризуется более высоким значением насыщения и меньшим временем переключения.Недостатком этой системы является более высокое значение напряжения в низком состоянии, поскольку транзистор не насыщается.
• Подключение блока питания к базе транзистора.

Биполярный транзистор — системы поляризации

Наиболее часто встречающиеся системы смещения транзисторов представлены ниже:

Рис. 11. Система с потенциометрическим базовым питанием Рис. 12. Система с принудительным базовым током Рис. 13. Система со сцепным коллектором Рис.14. Система с потенциометрической базой питания и эмиттером связи

Как выбрать замену биполярному транзистору || AllTransistors.com

Биполярных транзисторов много, и большинство из них имеет множество аналогов, близких по своим параметрам, так что поиск замены обычно не вызывает никаких затруднений. Конечно, лучший вариант — заменить перегоревший транзистор на такой же, но если достать не получится, то с выбором аналога не возникнет.Вот что нужно сделать для этого:

1. Чтобы узнать название транзистора. Если это SMD устройство — его код нужно расшифровать в разделе SMD-кодов 🔗.
2. Проанализировать схему транзистора (связка).
3. Найдите техническое описание неисправного транзистора и введите его основные параметры в аналоговую форму поиска.
4. Просматривая паспорта предлагаемых транзисторов, выберите наиболее подходящий по параметрам аналог, учитывая режимы его работы в устройстве.

На что обратить внимание?

Открыв PDF-Datasheet, в первую очередь выясним тип транзистора — биполярный или полевой, p-n-p или n-p-n, тип корпуса, расположение распиновок.

Из числовых параметров, в первую очередь, это максимальные ток и напряжение. Максимальный ток и напряжение при замене транзистора должны быть больше или равны исходному.

Для биполярного транзистора важным параметром является коэффициент передачи тока hFE.Если транзистор находится в ключевых цепях (требует включения-выключения) hFE должен быть больше или равен требуемому коэффициенту. Если он есть в аналоговых усилителях или аналогичных устройствах, он должен быть близок к hFE. В импульсных источниках питания аналоговые транзисторы следует выбирать с близким hFE (необходимо будет заменить еще и рабочий транзистор, стоящий в паре).

Необходимо проверить температурный режим (нагрев) транзистора после включения прибора. Если транзистор чрезмерно горячий, проблема может быть как в транзисторе, так и в нерабочих элементах его связки.

Основные параметры декодирования биполярных транзисторов

Полупроводниковый материал: большинство транзисторов будет из германия или кремния. Другие типы не используются в обычных устройствах. С учетом этого параметра будет создана связка транзисторов.

Полярность: при установке транзистора другой полярности выходит из строя.

Pc — Максимальная мощность: необходимо убедиться, что выбранный транзистор может рассеивать достаточную мощность.Этот параметр зависит от максимальной рабочей температуры транзистора — при повышении температуры максимальная мощность снижается. Если рассеиваемая мощность недостаточна — ухудшаются другие характеристики транзистора, например, резкое увеличение тока коллектора, что приводит к еще большему нагреву и выходу транзистора из строя.

Ucb — Максимально допустимое напряжение коллектор-база, определяемое значением напряжения пробоя p-n перехода. Это зависит от тока коллектора и температуры транзистора.

Uce — Максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер. Для Uce необходимо на треть больше напряжения коллекторной цепи. Если в схеме требуется катушка реле, необходимо предусмотреть защиту от перенапряжения транзистора, например диодную.

Ic — Максимальный постоянный ток коллектора. Ток транзистора также берется с запасом не менее 30%. Его значение зависит от температуры транзистора или окружающей среды.

Tj — максимальная температура PN-перехода.Этот параметр важно учитывать, если транзистор работает в экстремальных условиях, например в автомобиле, где его температура может достигать 100 градусов.

ft — Граничная частота коэффициента передачи тока — частота, при которой модуль коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером стремится к единице. Этот параметр важен, потому что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления уменьшается.

Cc — емкость коллекторного перехода.От этого параметра зависит скорость транзистора (поэтому чем ниже, тем лучше).

hfe — Статический коэффициент передачи тока — отношение тока коллектора Iс к току базы Ib.

Выше описаны только самые важные параметры транзистора. Производитель указывает в паспортах множество дополнительных параметров: напряжение насыщения коллектор-эмиттер, максимально допустимый импульсный ток коллектора, обратный ток эмиттера, максимально допустимый базовый ток и т. Д.

Глава 8: Транзисторы [Analog Devices Wiki]

В этой главе мы рассмотрим наши первые активные устройства.

8.1 Основные принципы

Активное устройство — это любой тип компонента с возможностью электрического управления потоком тока (управление одним электрическим сигналом другим электрическим сигналом).Чтобы схема называлась электронной, она должна содержать хотя бы одно активное устройство. Все активные устройства контролируют прохождение тока через них. Один тип активного устройства использует напряжение для управления током, в то время как другой тип активных устройств использует другой ток в качестве управляющего сигнала. Устройства, использующие напряжение в качестве управляющего сигнала, неудивительно, называются устройствами, управляемыми напряжением. Устройства, работающие по принципу контроля одного тока другим током, известны как устройства с регулируемым током.Первым успешно продемонстрированным типом транзисторов стало устройство с регулируемым током.

В качестве примечания: происхождение термина «транзистор» — это сокращение от «варистор крутизны», поскольку предложенный Bell Telephone Laboratories. Иногда это ошибочно приписывают сокращению транс-сопротивления.

Простой и общий вид такого устройства показан на рисунке 8.1.1. Имеет три терминала; назовем их пока X, Y и Z. Предположим также, что управляемый ток течет на клемму X и выходит обратно на клемму Y.Третий вывод Z — это контрольный вывод. Чтобы описать функцию этого блока, нам сначала необходимо определить токи на клеммах IX _{, IY и IZ , и напряжения на клеммах VXY и VZY , как показано на рисунке. Поскольку ток протекает на клемму X, мы обычно предполагаем, что напряжение на клемме X больше, чем на клемме Y, а напряжение VXY является положительным числом. То же самое можно сказать о напряжении, наблюдаемом на выводе Z относительно вывода Y, и о напряжении VZY является положительным числом.}

Рисунок 8.1.1 Общая модель

В случае устройства, управляемого током, предположим, что управляющий ток IZ, _{протекает на клемму Z и выводит обратно на клемму Y. Сохранение заряда говорит нам, что сумма токов, протекающих в коробке, должна равняться сумме текущие токи. Таким образом, IY = IX + IZ . Чтобы сделать устройство полезным, было бы желательно, чтобы управляющий ток IZ был очень мал по сравнению с гораздо большим управляемым током IX .Отношение IX к IZ является коэффициентом усиления устройства, и для обозначения этого коэффициента используется греческая буква β (бета). Отношение IX к IY , которое всегда меньше единицы, также является мерой усиления устройства и чаще всего обозначается греческой буквой α (альфа).}

Для устройства, управляемого напряжением, предположим, как мы делали раньше, что ток течет на клемму X и выходит на клемму Y. Напряжение на клемме Z теперь управляет величиной тока на клеммах X и Y.Это напряжение теперь необходимо привязать к одной из двух других клемм, и мы будем использовать клемму Y для наших целей. Кроме того, поскольку в этом случае управляющим сигналом является напряжение, мы будем предполагать, что ток не течет на клемму Z (или не выходит из нее). Сравнивая это с устройством, управляемым током, мы можем сказать, что α = 1 и β бесконечно. Отношение выходного тока к управляющему напряжению, выраженное в амперах / вольт, является размерно проводимостью, и буква g чаще всего используется для обозначения проводимости.Этот параметр транзистора называется крутизной, и обычно используется gm .

Мы также можем описать дополнительные устройства, изменив направление токов на обратное, так что теперь управляемый ток течет из клеммы X в клемму Y, как показано на рисунке 8.1.2. Поскольку направление тока теперь меняется на противоположное, мы обычно предполагаем, что напряжение на Y больше, чем на клемме X, а напряжение VXY является отрицательным числом. То же самое можно сказать и о напряжении на выводе Z относительно вывода Y, а напряжение VZY — отрицательное число.Для случая с управлением по току мы также меняем направление управляющего тока I _Z , который теперь вытекает из клеммы Z.

Рисунок 8.1.2 Дополнительная модель

Подводя итог, мы описали четыре типа активных устройств: источник тока, управляемый положительным током, и его дополнительную отрицательную форму, а также источник тока, управляемый положительным напряжением, и его дополнительную отрицательную форму.

8.1.1 Характеристики простой модели

Теперь мы рассмотрим передаточные характеристики этих простых моделей транзисторов и то, как их можно модифицировать или расширять, чтобы сделать их более реалистичными.Сначала мы исследуем зависимость выходного тока от выходного напряжения простого (идеального) источника тока, управляемого напряжением, при ступенчатом изменении напряжения на управляющем входе. Результаты для управляемого источника с крутизной 1 мА / В показаны на рисунке 8.1.3, поскольку В _XY изменяется от 0 до 5 В, а управляющее напряжение В _ZY ступенчато с шагом 0,4 В от 0,1 В до 2,1 В . Идеальный источник тока с регулируемым током должен иметь практически те же характеристики, за исключением того, что каждая горизонтальная линия будет представлять другой управляющий ток (на клемме Z), а не другое управляющее напряжение.

Рисунок 8.1.3 Характеристики источника тока с идеальным управлением напряжением (или током)

Из этих характеристических кривых мы можем узнать следующее: во-первых, ток действительно не зависит от напряжения на клеммах X и Y. Во-вторых, ток I _XY равен 1 мА на вольт, приложенный к клемме Z по отношению к клемме X (рисунок 8.1.1). Однако очевидна одна вещь, которая не может произойти в реальном устройстве, и это то, что I _XY будет отличаться от нуля, когда напряжение V _XY равно нулю.Это означает, что устройство содержит источник энергии, и мы знаем, что это невозможно. В противном случае у нас было бы решение мирового энергетического кризиса. Более реалистичный набор характеристик больше похож на показанный на рисунке 8.1.4.

Кривые, подобные приведенным на рисунке 8.1.4, имеют больше физического смысла, но все же обладают некоторыми свойствами, которых не могут иметь реальные устройства. На графике видны резкие изломы кривых, где наклонная линия, проходящая через начало координат, пересекает горизонтальную линию при постоянном контролируемом значении тока.Этот переход никогда не может быть таким резким и должен каким-то образом плавно переходить от одной линии к другой.

Еще одним свойством этих простых кривых является идеально горизонтальный характер линий тока и напряжения. Реальное устройство покажет некоторое изменение, обычно увеличение из-за конечного реального сопротивления с напряжением на X и Y.

Рисунок 8.1.4 Ток VCCS должен быть равен нулю, когда В _XY = 0

Более полная сложная математическая модель реального физического транзистора показана на рисунке 8.1.5. Мы исследуем эту более полную модель в следующих разделах этой главы.

Рисунок 8.1.5 Сложная математическая модель устройства

8.2 Обозначения транзисторов

Этим основным моделям активных устройств соответствуют четыре типа транзисторов. Их схематические символы показаны на рисунке 8.2.1. Управляемым током устройством n-типа является биполярный транзистор NPN (BJT). Управляемым по току устройством p-типа является PNP BJT.Управляемым напряжением устройством n-типа является NMOS FET (металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор). И, наконец, управляемое напряжением устройство p-типа — PMOS FET. Вместо того, чтобы давать клеммам устройства общие имена, такие как X, Y и Z, установленное соглашение для BJT — Коллектор и Эмиттер для клемм источника тока и База для клеммы управления током. Точно так же соглашение для MOS-устройства — сток и источник для клемм источника тока и затвор для клеммы управления напряжением,

Рисунок 8.2.1 символы транзисторов

Примечание. Если читатель не занимается производством устройства, обычно менее важно понимать внутреннюю работу транзисторов. Описания, которые можно получить, углубляясь в внутренние свойства, не особенно подходят для схемотехники и могут быть трудными для понимания. Скорее для анализа и проектирования схем обычно достаточно понять внешние свойства транзисторов, рассматривая их более или менее как черный ящик. Добавление некоторого обсуждения тонкостей, которые возникают из-за физики, происходящей внутри черного ящика, конечно, необходимо для надежного проектирования схем.

8.3 Основные сведения о биполярных переходных транзисторах

Транзистор с биполярным переходом (BJT) представляет собой электронное устройство с тремя выводами, построенное из легированного полупроводникового материала, и может использоваться в приложениях для усиления или переключения. Биполярные транзисторы названы так потому, что в их работе участвуют как электроны, так и дырки. Поток заряда в BJT обусловлен двунаправленной диффузией носителей заряда через соединение между двумя областями с разной концентрацией заряда. По конструкции большая часть коллекторного тока БЮТ обусловлена ​​потоком зарядов, вводимых от эмиттера с высокой концентрацией в базу, где они являются неосновными носителями, которые диффундируют к коллектору, и поэтому БЮТ классифицируются как устройства с неосновными носителями. Этот режим работы отличается от транзисторов с большинством носителей, таких как полевые транзисторы, в которых только основные носители участвуют в протекании тока из-за дрейфа.

Типичное поперечное сечение планарного NPN-транзистора показано на рисунке 8.3.1. NPN-транзистор можно рассматривать как два диода с PN-переходом с очень тонким общим анодом, P-слоем. При типичной работе переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор — в обратном направлении. В NPN-транзисторе, например, когда к переходу база-эмиттер прикладывается положительное напряжение, равновесие между термически генерируемыми носителями и отталкивающим электрическим полем обедненной области становится несбалансированным, позволяя термически возбужденным электронам инжектироваться в базовую область.Эти электроны блуждают (или «диффундируют») через очень тонкое основание из области высокой концентрации рядом с эмиттером в сторону области низкой концентрации возле коллектора. Электроны в базе называются неосновными носителями, потому что база легирована p-типом, что делает дырки основными носителями в базе.

Рисунок 8.3.1 Поперечное сечение планарного NPN-транзистора

Чтобы свести к минимуму процент носителей, которые рекомбинируют до достижения слоя истощения коллекторно-базового перехода, базовая область транзистора должна быть достаточно тонкой, чтобы носители могли диффундировать по ней за гораздо меньшее время, чем время жизни неосновных носителей полупроводника.В частности, толщина основания должна быть намного меньше диффузионной длины электронов. Коллектор-база-переход смещен в обратном направлении, поэтому инжекция электронов от коллектора к базе происходит незначительно, но электроны, которые диффундируют через базу к коллектору, уносятся в коллектор электрическим полем в обедненной области коллектор-база. соединение. Тонкая общая база и асимметричное легирование коллектор-эмиттер — это то, что отличает биполярный транзистор от двух отдельных диодов с противоположным смещением, установленных последовательно.

8.3.1 Контроль напряжения, тока и заряда

Ток коллектора-эмиттера можно рассматривать как управляемый током база-эмиттер (контроль тока) или напряжением база-эмиттер (регулирование напряжения). Эти представления связаны между собой соотношением тока и напряжения в переходе база-эмиттер, которое представляет собой обычную экспоненциальную кривую вольт-амперной характеристики PN-перехода (диода).

Физическое объяснение тока коллектора — это количество заряда неосновных носителей заряда в базовой области.

Подробные модели действия транзисторов, такие как модель Гаммеля-Пуна, явно объясняют распределение этого заряда, чтобы более точно объяснить поведение транзистора. Представление управления зарядом легко обрабатывает фототранзисторы, где неосновные носители в базовой области создаются за счет поглощения фотонов, и управляет динамикой выключения или временем восстановления, которое зависит от заряда в рекомбинации базовой области. Однако, поскольку базовый заряд не является сигналом, видимым на выводах, при проектировании и анализе схем обычно используются режимы управления током и напряжением.

При проектировании аналоговых схем иногда используется представление управления током, поскольку оно приблизительно линейно. То есть ток коллектора примерно? _F раз больше базового тока. Некоторые базовые схемы могут быть спроектированы, исходя из предположения, что напряжение эмиттер-база приблизительно постоянное, а ток коллектора в бета умножает на ток базы. Однако для точного и надежного проектирования надежных цепей BJT чаще используется модель управления напряжением (например, Ebers-Moll).Модель управления напряжением требует учета экспоненциальной функции. Следующее уравнение для тока коллектора I _C показывает экспоненциальную зависимость от V _BE .

Достаточно стандартный транзистор, работающий при токе около 100 мкА, может иметь В _BE около 650 мВ при комнатной температуре, где q / kT составляет около 0,039 / мВ (или тепловое напряжение kT / q составляет 25 мВ). Экспоненциальный множитель в уравнении будет порядка 10 ¹¹ .В этом случае мы можем без серьезной ошибки опустить член -1 в уравнении. Взяв натуральный логарифм, мы получим уравнение для V _BE .

Когда эта экспонента линеаризуется так, что транзистор может быть смоделирован как крутизна, как в модели Эберса-Молла, проектирование таких схем, как усилители, снова становится в основном линейной проблемой, поэтому часто предпочтение отдается управлению напряжением. Для транслинейных цепей, в которых экспоненциальная кривая I- V является ключевой для работы, транзисторы обычно моделируются как управляемые по напряжению с крутизной, пропорциональной току коллектора.Как правило, проектирование схем на уровне транзисторов выполняется с использованием SPICE или аналогичного имитатора аналоговых схем, поэтому математическая сложность модели обычно не имеет большого значения для разработчика.

8.3.2 Транзистор альфа и бета

Доля электронов, способных пересечь базу и достигнуть коллектора, является мерой эффективности БЮТ. Асимметричное сильное легирование эмиттерной области и легкое легирование базовой области вызывает инжекцию гораздо большего количества электронов из эмиттера в базу, чем дырок, инжектируемых из базы в эмиттер.Общий эмиттер — ток Коэффициент усиления представлен как ß _F или h _fe и представляет собой приблизительно отношение постоянного тока коллектора к постоянному току базы в прямой активной области. Обычно оно больше 100 для малосигнальных транзисторов, но может быть меньше в транзисторах, предназначенных для мощных приложений. Другой важный параметр — коэффициент усиления по току общей базы, _F . Коэффициент усиления по току с общей базой приблизительно равен коэффициенту усиления по току от эмиттера к коллектору в прямой активной области.Это отношение обычно имеет значение, близкое к единице; от 0,98 до 0,998. Альфа и бета более точно связаны следующими тождествами (транзистор NPN):

Биполярный транзистор состоит из трех областей полупроводника с различным легированием: области эмиттера, области базы и области коллектора. Этими областями являются, соответственно, тип p , тип n и тип p в PNP и тип n , тип p и тип n в транзисторе NPN.Каждая полупроводниковая область подключена к клемме, обозначенной соответствующим образом: эмиттер (E), база (B) и коллектор (C).

База физически расположена между эмиттером и коллектором и изготовлена ​​из слегка легированного материала с высоким сопротивлением. Коллектор окружает эмиттерную и базовую области (рисунок 8.3.1), что делает практически невозможным выход электронов, инжектированных в базовую область из эмиттерной области, что делает результирующее значение очень близким к единице, и поэтому , давая транзистору большое ß.Вид в разрезе BJT, рисунок 8.3.1, показывает, что переход коллектор-база имеет гораздо большую площадь, чем переход эмиттер-база.

Транзистор с биполярным переходом, в отличие от полевого МОП-транзистора, который мы вскоре подробно обсудим, обычно не является симметричным устройством. Это означает, что перестановка коллектора и эмиттера заставляет транзистор выйти из прямого активного режима и начать работать в так называемом обратном активном режиме.

Поскольку внутренняя структура транзистора обычно оптимизирована для работы в прямом режиме, перестановка коллектора и эмиттера делает значения a и ß в обратном режиме намного меньше, чем в прямом режиме; часто а обратного режима ниже 0.5. Отсутствие симметрии в первую очередь связано с относительными степенями легирования эмиттера и коллектора. Эмиттер сильно легирован, а коллектор слегка легирован, что позволяет приложить большое обратное напряжение смещения до того, как разомкнется переход коллектор-база. Коллектор-база при нормальной работе имеет обратное смещение. Причина, по которой эмиттер сильно легирован, состоит в том, чтобы увеличить эффективность инжекции эмиттера: соотношение носителей, введенных эмиттером, к тем, которые введены базой.Для высокого коэффициента усиления по току большая часть носителей, вводимых в переход эмиттер-база, должна исходить от эмиттера.

Низкопроизводительные «боковые» биполярные транзисторы, которые иногда используются в КМОП-процессах, иногда проектируются симметрично, то есть без разницы между прямым и обратным режимом работы, рисунок 8.3.2. Однако, поскольку ширина основания часто намного больше, чем у вертикальной структуры на рисунке 8.3.1, ß и а не так высоки. Метод компоновки для повышения эффективности сбора состоит в том, чтобы полностью окружить эмиттерную область со всех четырех сторон областью коллектора в форме кольца или пончика.Конечно, эта структура больше не симметрична.

Рисунок 8.3.2 Боковое сечение NPN

Небольшие изменения напряжения, приложенного к клеммам база-эмиттер, приводят к значительному изменению тока, протекающего между эмиттером и коллектором. Этот эффект можно использовать для усиления входного напряжения или тока. BJT можно рассматривать как источники тока с управлением по напряжению, но их проще охарактеризовать как источники тока с управлением по току или усилители тока из-за относительно низкого импеданса, наблюдаемого на базе.

Ранние транзисторы были сделаны из германия, но большинство современных BJT сделаны из кремния. Устройства специального назначения также изготавливаются из полупроводниковых соединений элементов III- V , таких как арсенид галлия, особенно для приложений с очень высокими частотами.

8.3.3 НПН

NPN — это один из двух типов биполярных транзисторов, в которых буквы «N» (отрицательный) и «P» (положительный) относятся к основным носителям заряда внутри различных областей транзистора.Производимые сегодня биполярные транзисторы с более высокими эксплуатационными характеристиками — это NPN-транзисторы, поскольку подвижность электронов выше подвижности дырок в полупроводниках, что обеспечивает более высокие токи и более быструю работу.

Транзисторы NPN состоят из слоя полупроводника с примесью фосфора («основа»), помещенного между двумя слоями с примесью азота. Небольшой ток, поступающий в базу в режиме общего эмиттера, усиливается на выходе коллектора. Другими словами, NPN-транзистор «включен», когда его база поднята высоко относительно эмиттера.Стрелка в символе транзистора NPN находится на плече эмиттера и указывает направление обычного тока, когда устройство находится в прямом активном рабочем режиме.

Одно мнемоническое устройство для идентификации символа для NPN-транзистора: « n ot p ointing i n , или« n ot p ointing, n o »».

8.3.4 PNP

Другой тип BJT — это PNP с буквами «P» и «N», обозначающими основные носители заряда внутри различных областей транзистора.Транзисторы PNP состоят из слоя полупроводника с примесью азота, расположенного между двумя слоями материала с примесью фосфора. Небольшой ток, выходящий из базы в режиме общего эмиттера, усиливается на выходе коллектора. Другими словами, PNP-транзистор включен, когда его база опущена относительно эмиттера.

Стрелка в символе транзистора PNP находится на плече эмиттера и указывает в направлении обычного тока, когда устройство находится в прямом активном режиме.

8.3.5 BJT Регионы работы

Биполярные транзисторы имеют пять различных областей работы, определяемых способом смещения переходов. Чтобы наглядно представить себе режимы работы, нарисуйте NPN-транзистор с коллектором вверху, базой в середине и эмиттером внизу. Теперь есть две разницы напряжения: между коллектором и базой и между базой и эмиттером. Обратите внимание на два момента: V _CB = — V _BC , а «соединение база-коллектор с обратным смещением» означает V _BC <0 или V _CB > 0.Проще говоря, это означает, что коллектор имеет более высокое напряжение, чем база (если зондировать). Механическим аналогом может быть труба и вентиль.

Клапан является базовым, а две стороны трубы — коллекторным и эмиттерным. Теперь количество протекающей воды (тока) зависит от того, насколько открыт клапан (напряжение от базы к эмиттеру) и сколько воды у вас наверху трубы (напряжение от коллектора до базы). Если вы запишете смещения в терминах приложенных напряжений ( V _CB , V _BE ) вместо смещения перехода, режимы работы можно описать как:

1. Активный в прямом направлении: база выше эмиттера, коллектор выше базы (в этом режиме ток коллектора пропорционален току базы на β _F ).
   

2. Насыщенность: База выше эмиттера, но коллектор не выше базы.
   

3. Cut-Off: База ниже эмиттера, но коллектор выше базы. Это означает, что транзистор не пропускает обычный ток через коллектор к эмиттеру.
   

4. Reverse Active: база ниже эмиттера, коллектор ниже базы: обратный условный ток проходит через транзистор.

Что касается смещения перехода: («соединение база-коллектор с обратным смещением» означает В _BC <0 или В _CB > 0)

1. Прямой — активный (или просто активный): переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении.Большинство биполярных транзисторов спроектированы так, чтобы обеспечить максимальное усиление по току с общим эмиттером, β _F , в прямом активном режиме. В этом случае ток коллектор-эмиттер приблизительно пропорционален току базы, но во много раз больше при небольших изменениях тока базы.
   

2. Реверс – активен (или инверсный – активен или инвертирован): реверсируя условия смещения в прямой активной области, биполярный транзистор переходит в обратно-активный режим.В этом режиме области эмиттера и коллектора меняются ролями. Поскольку большинство биполярных транзисторов предназначены для максимального увеличения тока в прямом активном режиме, β _F в инвертированном режиме в несколько (2-3 для обычного германиевого транзистора) раз меньше. Этот транзисторный режим используется редко, обычно рассматривается только для условий отказоустойчивости и некоторых типов биполярной логики. Напряжение пробоя обратного смещения к базе может быть на порядок ниже в этой области.
   

3. Насыщение: с обоими переходами, смещенными в прямом направлении, BJT находится в режиме насыщения и обеспечивает проведение сильного тока от эмиттера к коллектору.Этот режим соответствует логическому «включению» или замкнутому переключателю.
   

4. Отсечка: В отсечке присутствуют условия смещения, противоположные насыщению (оба перехода смещены в обратном направлении). Ток очень слабый, что соответствует логическому «выключению» или разомкнутому переключателю.

5. Лавина обрыв регион

Хотя эти области хорошо определены для достаточно большого приложенного напряжения, они частично перекрываются при малых (менее нескольких сотен милливольт) смещениях.Например, в типичной конфигурации с заземленным эмиттером NPN BJT, используемого в качестве понижающего переключателя в цифровой логике, состояние «выключено» никогда не включает в себя переход с обратным смещением, поскольку базовое напряжение никогда не опускается ниже земли; тем не менее, прямое смещение достаточно близко к нулю, чтобы ток практически не протекал, поэтому этот край прямой активной области можно рассматривать как область отсечки.

8.4.1 Биполярный переходной транзистор большого сигнала Модель

Как мы только что узнали, биполярный переходный транзистор (BJT) может работать в одной из трех областей:

1. Область отсечки: транзистор выключен и ток между коллектором и эмиттером не течет ( i.е. , сопротивление коллектор-эмиттер бесконечно).
   

2. Активная область: Транзистор действует как источник тока с регулируемым током между коллектором и эмиттером, как в базовой модели.
   

3. Область насыщения: когда напряжение между коллектором и эмиттером падает ниже определенного уровня (обычно, когда напряжение коллектора и базы равно нулю или меньше), базовый ток увеличивается, и отношение I _C к I _B , или β намного меньше, чем в активной области.

В активной области транзистор регулирует ток коллектора на? умножить на базовый ток. Если базовый ток I _B падает до 0, транзистор входит в область отсечки и закрывается. Когда напряжение коллектора становится меньше или равным базовому напряжению, ток базы увеличивается, а β падает. В этом случае транзистор переходит в область насыщения. Чтобы не допустить попадания транзистора в область насыщения, общее практическое правило состоит в том, что напряжение на коллекторе должно быть более положительным, чем напряжение на базе.То есть переход коллектор-база всегда имеет обратное смещение.

Простая модель работы NPN и PNP BJT транзисторов в активной области показана на рисунке 8.4.1. Это требует знания коэффициента усиления по току β, чтобы спроектировать схему. В обеих этих моделях

I _C = βI _B , I _E = (β + 1) I _B и

Эмиттер отделен от базы диодом. Для того, чтобы этот диод проводил ток, в случае устройства на основе кремния он должен быть смещен в прямом направлении на ~ 0.65В.

Рисунок 8.4.1 (a) Активная область NPN (b) Активная область PNP

Диод база-эмиттер: всегда помните о рисунке 8.4.1. Модель Эберса-Молла BJT рассматривает соотношение тока и напряжения в переходе база-эмиттер точно так же, как идеальный диод Шокли, ток которого отражается в коллекторе с усилением. Когда V _B и V _E неочевидны, помните о диоде база-эмиттер.

8.4.2 Ранний эффект (модуляция базовой ширины)

Ранний эффект был впервые обнаружен и объяснен Джеймсом Эрли, когда он работал в Bell Labs. В нашем идеальном устройстве ток коллектора должен быть равен току базы, умноженному на постоянный коэффициент усиления β. Но, как мы видели выше, каждый p-n-переход имеет два обедненных слоя. Для перехода коллектор-база один истощающий слой проходит в коллектор, а другой — в основание. База почти всегда более сильно легирована, чем коллектор, поэтому ее обедненный слой довольно неглубокий.Однако основание также очень тонкое, поэтому даже неглубокий обедненный слой занимает значительную часть ширины основания. С увеличением напряжения на коллекторе обедненные слои расширяются. В области коллектора это имеет небольшой эффект (до тех пор, пока он не попадает в другую сторону коллектора), но в области основания он сужает ширину основания. Поскольку коэффициент усиления биполярного транзистора очень сильно зависит от ширины базы, коэффициент усиления просто увеличивается при уменьшении эффективной ширины базы. Если вы проведете прямую линию, увеличивающую наклон в передней активной области (от 0.От 4 до 15 вольт, например) в отрицательный квадрант и дайте ему пересечься с линией нулевого тока, вы получите раннее напряжение В _A . В преувеличенном случае, показанном на рисунке 8.4.2, раннее напряжение будет -15 В (но обычно выражается как 15 В). В зависимости от ширины основания, предусмотренной в производственном процессе, она может быть больше или меньше указанной, с соответственно меньшим или большим уклоном.

Рисунок 8.4.2 Раннее напряжение

8.5.1 Основная структура и принцип работы

Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник n-типа (MOSFET) состоит из истока и стока, двух высокопроводящих полупроводниковых областей n-типа, которые изолированы от подложки p-типа PN-диодами с обратным смещением. Затвор из поликристаллического кремния покрывает область между истоком и стоком, но отделен от полупроводника изолирующим слоем оксида. Базовая структура полевого МОП-транзистора n-типа и соответствующее обозначение схемы показаны на рисунке 8.5.1.

Рисунок 8.5.1 Поперечное сечение и условное обозначение схемы металл-оксид-полупроводник-полевой транзистор n-типа (MOSFET)

Как видно на рисунке, области истока и стока идентичны. Именно приложенные напряжения определяют, какая область n-типа обеспечивает электроны и становится источником, в то время как другая область n-типа собирает электроны и становится стоком. Напряжения, приложенные к электроду стока и затвора, а также к подложке посредством обратного контакта, относятся к потенциалу истока, как также показано на рисунке.

На рисунке показан вид сверху того же полевого МОП-транзистора. 8.5.2, где указаны длина ворот L и ширина ворот W. Обратите внимание, что длина затвора не равна физическому размеру затвора, а скорее равна расстоянию между областями истока и стока под затвором. Перекрытие между затвором и областью истока и стока требуется, чтобы гарантировать, что инверсионный слой образует непрерывный проводящий путь между областью истока и стока. Обычно это перекрытие делается как можно меньше, чтобы свести к минимуму его паразитную емкость.

Рисунок 8.5.2 Вид сверху на полевой транзистор металл-оксид-полупроводник n-типа (MOSFET)

Поток электронов от истока к стоку контролируется напряжением, приложенным к затвору. Положительное напряжение, приложенное к затвору, притягивает электроны к границе раздела между диэлектриком затвора и полупроводником. Эти электроны образуют проводящий канал между истоком и стоком, называемый инверсионным слоем. Ток затвора не требуется для поддержания инверсионного слоя на границе раздела, поскольку оксид затвора блокирует любой поток носителей.В результате ток между стоком и истоком регулируется напряжением, приложенным к затвору.

Типичные характеристики тока в зависимости от напряжения (I- V ) полевого МОП-транзистора показаны на рисунке ниже. Реализована квадратичная модель полевого МОП-транзистора.

8,6 МОП-транзистор Модель большого сигнала

8.6.1 Режимы работы

Работа полевого МОП-транзистора может быть разделена на три различных режима в зависимости от напряжений на клеммах.В следующем обсуждении используется упрощенная алгебраическая модель, точная только для старых технологий. Характеристики современных MOSFET требуют компьютерных моделей, которые имеют более сложное поведение.

Для расширения — режим , n-канальный MOSFET, три рабочих режима:

Режим отсечки, подпорога или слабой инверсии
Когда:
Где В _th — пороговое напряжение устройства.

Согласно базовой пороговой модели, транзистор выключен, и между стоком и истоком нет проводимости.В действительности, распределение энергии электронов Больцмана позволяет некоторым более энергичным электронам в источнике проникать в канал и течь в сток, в результате чего возникает подпороговый ток, который является экспоненциальной функцией напряжения затвор-исток. В то время как ток между стоком и истоком в идеале должен быть равен нулю, когда транзистор используется в качестве выключателя, существует слабый ток инверсии, иногда называемый подпороговой утечкой. При слабой инверсии ток изменяется экспоненциально в зависимости от смещения затвор-исток В _GS , что приблизительно равно:

Где:
I _D0 = ток при В _GS = В _th

а коэффициент наклона n равен

С участием:

C _D = емкость обедненного слоя

А также

C _OX = емкость оксидного слоя.

В устройстве с длинным каналом отсутствует зависимость тока от напряжения стока В _DS » В _T , но по мере уменьшения длины канала уменьшение барьера, вызванного стоком, вызывает зависимость напряжения стока, которая зависит от сложным образом от геометрии устройства (например, легирование канала, легирование перехода и т. д.). Часто пороговое напряжение В _th для этого режима определяется как напряжение затвора, при котором возникает выбранное значение тока I _D0 , например, I _D0 = 1 мкА, что может быть не таким же V _th — значение, используемое в уравнениях для следующих режимов.

Некоторые аналоговые схемы микромощностей предназначены для использования преимущества подпороговой проводимости. Работая в области слабой инверсии, полевые МОП-транзисторы в этих схемах обеспечивают максимально возможное отношение крутизны к току, а именно:

Что почти то же самое, что и биполярный транзистор.

Подпороговая кривая I- V экспоненциально зависит от порогового напряжения, вводя сильную зависимость от любых производственных изменений, которые влияют на пороговое напряжение; например: изменения толщины оксида, глубины перехода или легирования тела, которые изменяют степень снижения барьера, вызванного стоком.Возникающая в результате чувствительность к вариациям изготовления усложняет оптимизацию утечек и производительности.

Триодный режим или линейная область (также известный как резистивный режим)

когда

а также

Транзистор включается, и создается канал, который позволяет току течь между стоком и истоком. МОП-транзистор работает как резистор, управляемый напряжением затвора относительно напряжений истока и стока.Ток от стока к истоку моделируется как:

Где:
μ _n — эффективная подвижность носителей заряда,
W — ширина затвора,
L — длина затвора,
C _ox — емкость оксида затвора на единицу площади.

Переход от экспоненциальной подпороговой области к триодной области не такой резкий, как предполагают уравнения.

Насыщенность или активный режим,

когда

а также

Переключатель включен, и был создан канал, который позволяет току течь между стоком и истоком.Поскольку напряжение стока выше, чем напряжение затвора, электроны распространяются, и проводимость происходит не через узкий канал, а через более широкое, двух- или трехмерное распределение тока, простирающееся от границы раздела в глубину подложки. Начало этой области также известно как pinch- off, чтобы указать на отсутствие области канала около стока. Ток стока теперь слабо зависит от напряжения стока и регулируется в основном напряжением затвор-исток и моделируется очень приблизительно как:

Дополнительный фактор, включающий λ, параметр модуляции длины канала, моделирует зависимость тока от напряжения стока из-за эффекта Раннего или модуляции длины канала.Согласно этому уравнению, ключевым параметром конструкции, крутизной MOSFET является:

Комбинация называется напряжением перегрузки. Другим ключевым параметром конструкции является выходное сопротивление полевого МОП-транзистора r _O , которое определяется по формуле:

r _out является обратной величиной g _ds , где

V _DS — выражение в области насыщения.

Если ? принимается равным нулю, результатом является бесконечное выходное сопротивление устройства, что приводит к нереалистичным предсказаниям схемы, особенно в аналоговых схемах.Поскольку длина канала становится очень короткой, эти уравнения становятся неточными. Возникают новые физические эффекты. Например, перенос носителей в активном режиме может быть ограничен насыщением скорости. Когда преобладает насыщение по скорости, ток стока насыщения более близок к линейному, чем к квадратичному в V _GS . На еще меньших длинах носители транспортируются с почти нулевым рассеянием, известным как квазибаллистический транспорт. Кроме того, на выходной ток влияет снижение порогового напряжения на барьере стока.

8.7 Малосигнальные модели Hybrid-pi

Модель гибридного Пи — это популярная модель схемы, используемая для анализа поведения слабого сигнала биполярных переходных и полевых транзисторов. Модель может быть достаточно точной для низкочастотных цепей и может быть легко адаптирована для более высокочастотных цепей с добавлением соответствующих межэлектродных емкостей и других паразитных элементов.

8.7.1 Параметры биполярного перехода (BJT)

Модель hybrid-pi представляет собой приближение линеаризованной двухпортовой сети к BJT с использованием напряжения база-эмиттер слабого сигнала v _быть и напряжения коллектор-эмиттер v _ce в качестве независимых переменных и тока базы слабого сигнала i. _b и ток коллектора i _c в качестве зависимых переменных.Базовая низкочастотная гибридная пи-модель биполярного транзистора (NPN) показана на рисунке 8.7.1.

Рисунок 8.7.1 Модель BJT Hybrid-pi

Вот различные параметры:

Крутизна, г _м , в сименсах, определяется следующим уравнением:

где:

I _C — ток покоя коллектора (также называемый током смещения коллектора или постоянным током коллектора) — тепловое напряжение, рассчитанное из постоянной Больцмана k , заряда электрона q и температуры транзистора в кельвинах T .При 300 K (приблизительно комнатная температура) V _T составляет около 26 мВ .

где:
— текущий коэффициент усиления на низких частотах (также обозначается как h _FE ).

Здесь I _B — базовый ток точки покоя. Это параметр, специфичный для каждого транзистора, его можно найти в таблице данных; ß — это функция выбора тока коллектора.

Выходное сопротивление из-за раннего эффекта ( В _A — раннее напряжение).

Связанные термины:

Величина, обратная выходному сопротивлению, называется выходной проводимостью.

Величина, обратная величине г _м , называется внутренним сопротивлением r _E

8.7.2 Параметры MOSFET

Базовая низкочастотная гибридная пи-модель MOSFET (n-типа) показана на рисунке 8.7.2.

Рисунок 8.7.2 Модель MOSFET Hybrid-pi

Вот различные параметры:

gm — крутизна в сименсах, оцениваемая по току стока I _D . где:

I _D — это ток покоя стока (также называемый смещением стока или постоянным током стока) В _th = пороговое напряжение и В _GS = напряжение затвор-исток.

Комбинация: часто называется напряжением перегрузки.

r _o — выходное сопротивление из-за модуляции длины канала с использованием приближения для параметра модуляции длины канала λ.

Здесь V _E — параметр, связанный с технологией (около 4 V / мкм для технологического узла 65 нм), а L — длина разнесения истока и стока.

Величина, обратная выходному сопротивлению, называется проводимостью стока.

8.8 Модель T

Модель hybrid-pi, безусловно, является самой популярной моделью слабого сигнала для транзисторов BJT и MOS. Альтернативой является T-модель, которая полезна в определенных ситуациях. Модель T также имеет две версии:

Т-модели слабого сигнала для транзисторов PNP BJT и PMOS идентичны показанным здесь для транзисторов NPN и NMOS. Важно отметить, что нет никаких изменений полярностей (напряжения или тока) для моделей p-типа по сравнению с моделями n-типа.Опять же, эти модели слабого сигнала идентичны. Модель может быть достаточно точной для низкочастотных цепей и может быть легко адаптирована для более высокочастотных цепей с добавлением соответствующих межэлектродных емкостей и других паразитных элементов.

Базовая низкочастотная Т-модель для MOSFET и BJT показана на рисунке 8.8.1.

Рисунок 8.8.1 Модель MOSFET и BJT T

Некоторые важные МОП-уравнения.

Некоторые важные уравнения БЮТ.

Лабораторная деятельность

университет / курсы / электроника / текст / chapter-8.txt · Последнее изменение: 06 июня 2017 г. 17:13, автор: dmercer

PPT — Презентация PowerPoint для согласованных биполярных транзисторов, бесплатная загрузка

Соответствующие биполярные транзисторы Younghoon Song Nghia Nguyen Hanna Kim Eyad Fanous Стивен Хсу Кей Вонг

Введение • Matching — это статистическое исследование различий в электрических параметрах компонентов идентичной конструкции, размещенных на небольшом расстоянии в идентичной среде и используемых с одинаковым смещением условия • Причина исследования свойств согласования транзисторов • — Несоответствие может серьезно повлиять на характеристики аналоговых и цифровых интегральных схем КМОП • — Согласование определяет однородность отклика одинаково расположенных схем

Согласованные биполярные транзисторы • Биполярный транзистор Иногда бывает сложно подобрать соответствие, когда речь идет о разных размерах и формах.• В большинстве схем биполярных транзисторов используются простые целочисленные отношения.

Соответствующие биполярные транзисторы • Транзисторы одинаковых размеров и работающие при одинаковых плотностях тока не работают при одинаковых напряжениях базы-эмиттера. • Разница в напряжении базового эмиттера называется напряжением смещения.

Согласующиеся биполярные транзисторы Напряжение смещения обозначается как VBE VBE = VT ln (Is1 / Is2) • VT — это пороговое напряжение, которое составляет 26 мВ при 300 ° K • Is1 и Is2 — это токи насыщения эмиттера два транзистора.• Изменение площади эмиттера на 1% дает смещение 0,25 мВ.

Источники рассогласования • Случайные эффекты — все стохастические эффекты, такие как флуктуации примеси, локальные колебания подвижности, зернистость поликремниевого затвора, оксидные заряды и колебания состояний границ раздела • Систематические и Влияние окружающей среды — все технологические и геометрические эффекты, которые могут привести к систематическим различиям между двумя транзисторами в согласованной паре

Случайные вариации Отношение площади к периферии • Rap = Kr (Ae ^.5) • Rap имеет размеры области эмиттера • Ae — площадь эмиттера • Kr — безразмерная константа • 0,250 для квадратов • 0,274 для восьмиугольников • 0,282 для кругов.

Случайные изменения Согласованные биполярные транзисторы имеют три типичных геометрии эмиттера. Квадраты, восьмиугольники, круги. Рисунок 1 Примеры NPN-транзисторов

Случайные варианты Преимущество круговых излучателей • наибольшее отношение площади к периферии Недостаток • Круги аппроксимируются как многосторонние многоугольники

Случайные варианты Квадратные излучатели Преимущество • Точная визуализация Недостаток фотошаблона • Меньшее отношение площади к периферии

Случайные вариации Преимущество восьмиугольного излучателя • Отсутствие приближений при визуализации фотошаблона • Большая площадь к периферии, чем квадраты Недостаток • Более низкая площадь к периферии, чем окружности

Случайные варианты • s — стандартное отклонение между парой транзисторов из-за периферийных и площадных колебаний.• Forumla s:

Emitter Degeneration • Используется, когда биполярные транзисторы плохо сочетаются друг с другом • Этот метод переносит нагрузку согласующего транзистора на набор резисторов

Emitter Degeneration • Улучшает общее согласование схемы • Увеличивает выходное сопротивление биполярных транзисторов

Вырождение эмиттера • Несоответствие между токами коллектора двух согласованных биполярных транзисторов, работающих при разных напряжениях базовых коллекторов, можно найти по этой формуле ~ ~

NBL Shadow • NBL Shadow — это неоднородности поверхности, вызванные окислением во время отжига NBL, распространяющиеся вверх во время эпитаксиального осаждения.

NBL Shadow • NBL Shadow вызывает рассогласование между двумя транзисторами, когда она пересекает эмиттер вертикального NPN-транзистора.

NBL Shadow • Несколько способов предотвратить несоответствие смещения шаблона. 1. Замена транзистора с несколькими эмиттерами QA двумя транзисторами с одним эмиттером, которые идентичны QB. — Проблема: искажение узора также может приводить к случайным изменениям в тени NBL.

NBL Shadow 2.Размещение транзисторов в матрице CEB, в которой главная ось симметрии расположена параллельно направлению сдвига шаблона, если направление сдвига шаблона известно.

NBL Shadow 3. Увеличение размера NBL для предотвращения пересечения NBL и эмиттера, если направление смещения шаблона неизвестно.

NBL Shadow • Боковые PNP-транзисторы обычно не страдают от рассогласования, вызванного NBL-тенью. Ширина коллектора обычно достаточна, чтобы тень не попала в базовую область.

Температурные градиенты • Биполярные резисторы чрезвычайно чувствительны к температурным градиентам. • Согласованные биполярные транзисторы часто используются для построения • Дифференциальных пар • Передаточных пар • Передаточных квадратов

Температурные градиенты • Дифференциальная пара • Расположена и сконструирована для входных каскадов усилителей и компараторов, чтобы минимизировать их чувствительность к тепловым изменениям.

Температурные градиенты • Обычно используется двумерная схема с общим центроидом.Четырехбиполярные транзисторы с перекрестной связью

Температурные градиенты • Передаточная пара • Делает напряжение пропорциональным абсолютной температуре (VPTAT) линейно с температурой и независимым от тока в широком диапазоне рабочих условий. Vbe = Vt ln (A1) A2 A1 и A2 — эмиттерные области транзисторов Q1 и Q2

Температурные градиенты • Ratioed quad (вариация пропорциональной пары).• Компоновки пропорциональных пар и пропорциональных четырехугольников должны обеспечивать высокую степень симметрии при компактной компоновке. VBE = VT ln (A1A2) A3A4 от A1 до A4 — эмиттерные области транзисторов от Q1 до Q4

Температурные градиенты • Две схемы общих центроидов часто используются для построения пропорциональных пар.

Градиенты напряжения • Собранные ИС испытывают напряжение • Механическое напряжение • Изменение напряжений база-эмиттер • Изменяются в зависимости от напряжения в запрещенной зоне и напряжения • Снижение бета-значений • Более низкий бета-коэффициент из-за изменений подвижности, вызванных пьезорезистивностью • Остаточные напряжения после формования Процесс вызывает смещение напряжений база-эмиттер биполярных транзисторов и вызывает смещения между согласованными парами устройств

Градиенты напряжения • Схема с общим центроидом • Методы снижения напряжения • Перемещение согласованных транзисторов ближе друг к другу • Выравнивание напряжения • Соответствие Транзисторы должны находиться в областях кристалла с низким напряжением • Образцы показаны ниже:

Правила согласования биполярных транзисторов • Минимальное согласование • Напряжение смещения трех сигм + -1 мВ или рассогласование тока коллектора + -4% • Умеренное согласование. • Напряжение смещения трех сигм + -0.25 мВ или рассогласование по току коллектора + -1% • Точное согласование • Напряжение смещения трех сигм + -0,1 мВ или несоответствие тока коллектора + -0,5%

Правила согласования транзисторов NPN • Используйте идентичную геометрию эмиттера • Диаметр эмиттера должен быть в 2-10 раз больше минимально допустимого диаметра • Максимально увеличьте отношение площади эмиттера к периферии • Поместите согласованные транзисторы в непосредственной близости

Правила согласования транзисторов NPN • Сохраняйте компоновку согласованных транзисторов как компактную по возможности • Постройте пары и квадраты с передаточными отношениями, используя четные целочисленные отношения от 4: 1 до 16: 1 • Разместите согласованные транзисторы подальше от силовых устройств • Разместите согласованные транзисторы в областях с низким уровнем напряжения

Правила согласования транзисторов NPN • Разместите умеренно или точно согласованные транзисторы на осях симметрии кристалла • Не позволяйте тени NBL пересекать согласованные эмиттеры • Разместите эмиттеры подальше Достаточно, чтобы избежать взаимодействий

Правила согласования NPN-транзисторов • Увеличьте базовое перекрытие умеренно или точно согласованных эмиттеров • Используйте согласованные транзисторы на плоской части бета-кривой • Геометрия контактов должна соответствовать геометрии эмиттера • Примите во внимание Использование вырождения эмиттера

Правила согласования боковых PNP-транзисторов • Используйте идентичную геометрию эмиттера и коллектора • Используйте эмиттеры минимального размера для согласованных транзисторов • Установите полевую пластину в базовую область согласованных боковых PNP-транзисторов • Боковые PNP-транзисторы с разделенным коллектором Может достичь умеренного согласования

Правила согласования боковых PNP-транзисторов • Размещайте согласованные транзисторы в непосредственной близости • По возможности избегайте построения схем VPTAT из согласованных боковых PNP-транзисторов • Размещайте согласованные транзисторы подальше от силовых устройств

Правила подбора боковых сторон Транзисторы PNP • Разместите согласованные транзисторы в областях с низким уровнем напряжений • Разместите умеренно или точно согласованные транзисторы на осях симметрии кристалла • Не позволяйте тени NBL пересекать базовую область бокового PNP

Правила согласования Боковые PNP-транзисторы • Используйте согласованные боковые PNP-транзисторы, близкие к пиковому бета • Геометрия контактов должна соответствовать геометрии эмиттера • Рассмотрите возможность использования вырождения эмиттера

Общие сведения о биполярных транзисторных переключателях

Plate 1

by Lewis Loflin

Это представляет собой широкое представление о коммутирующих транзисторах PNP и NPN, ориентированных на общие 5-вольтовые микроконтроллеры.Биполярные транзисторы состоят из двух полупроводниковых переходов (таким образом, биполярных), которые служат широкому кругу электронных применений от аудиоусилителей до цифровых схем.

Здесь нас интересует только их использование в качестве электронных переключателей для управления нагрузками, такими как реле, лампы, двигатели и т. Д. Они бывают в различных упаковках и стилях корпусов.

Табличка 2

На табличке 2 выше мы видим электронные символы как для NPN, так и для NPN. Они работают точно так же, за исключением противоположных электрических полярностей.Если набор транзисторов имеет точные электрические свойства, но противоположные полярности, они называются дополнительной парой .

Другой тип транзисторов известен как полевые МОП-транзисторы или металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы , которые будут рассмотрены отдельно.

Пластина 3

На Таблице 3 показаны типичные электрические соединения для биполярных транзисторов PNP и NPN в системе микроконтроллера с отрицательным заземлением. Обратите внимание, что ток на этих рисунках изменяется от отрицательного к положительному.

Обратите внимание на стрелки, обозначающие ток — с PNP ток коллектора (Ic) проходит от коллектора (C) к эмиттеру (E), а NPN Ic — от эмиттера к коллектору.

Обратите внимание на положение транзисторов относительно GND, +12 В и нагрузки в этом случае двигателей постоянного тока. Работая как переключатель для включения-выключения двигателя, транзистор PNP расположен на стороне + Vcc нагрузки и будет источником тока.

С NPN-транзистором справа переключатель находится на стороне заземления нагрузки и, как говорят, принимает ток.

Приемник и источник важны при подключении программируемых логических контроллеров (ПЛК), используемых для управления оборудованием в промышленности.

Нажимной переключатель Sw1 течет от GND через R1, а смещает базу (B) в прямом направлении относительно эмиттера. Это объединяется с током коллектора, чтобы вернуть ток эмиттера к источнику питания 12 В.

Push Sw2, это позволяет току от GND через эмиттер, который выплескивается, чтобы сформировать Ib и Ic для транзистора NPN.Это слишком прямое смещение перехода база-эмиттер. Отношения для обоих следующие:

 
Т.е. = Ic + Ib;
hfe = Ic / Ib.
  

Значения hfe представляют усиление по постоянному току — небольшой ток база-эмиттер создает больший ток эмиттер-коллектор.

При использовании в качестве переключателей транзисторы используются в режиме насыщения , где дополнительный ток база-эмиттер не создает дополнительного тока коллектор-эмиттер.

Пластина 4

На четвертой пластине показано, как проверить PN-переход полупроводников.Диод — это самый простой полупроводниковый переход, в котором ток течет только в одном направлении. Цифровой вольтметр (DVM) должен выполнять функцию проверки диода, которая подает достаточно напряжения для прямого смещения диода, когда катодная сторона является отрицательной, а анодная сторона — положительной.

Если провода DVM перевернуты, ток не протекает. Падение напряжения на PN-переходе с прямым смещением составляет приблизительно 0,6 В

Пластина 5

На пластине 5 показано, как два PN перехода в биполярных транзисторах действуют как встречные диоды.(Обратите внимание на противоположную полярность!) Ток не может течь от эмиттера-коллектора или коллектора-эмиттера. Когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, ток течет через смещенный в обратном направлении переход база-коллектор.

Пластина 6

На пластине 6 мы используем транзистор TIP41 NPN, рассчитанный на 6 ампер с минимальным значением hfe 20. Всегда принимайте наименьшее значение hfe из спецификаций транзистора!

Наша нагрузка (светодиод) требует 100 мА, чтобы найти необходимый ток база-эмиттер Ib = Ic / hfe = 0.1 А / 20 = 5 мА. Я предполагаю, что Ib равен 10 мА, чтобы убедиться, что TIP41 полностью отключается (насыщение).

При вводе 5 В от Arduino, PIC и т. Д. Вычтите 0,6 В для напряжения база-эмиттер, а затем разделите 4,4 В / 10 мА = 440 Ом.

Обратите внимание, что напряжение эмиттер-коллектор на транзисторе при насыщении составляет 0,5 В.

Пластина 7

2N3055 — это транзистор очень большой мощности, предназначенный для подачи сильного тока. В этом случае мы управляем двигателем на 10 ампер. Разделите 10 ампер на 20, нам понадобится не менее 500 мА.Это никак не сработает, потому что вывод Arduino, PIC и т. Д. Просто не может обеспечить такой уровень тока привода.

Пластина 8

На пластине 8 представлена ​​так называемая конфигурация Дарлингтона, в которой ток коллектора-эмиттера одного транзистора обеспечивает ток база-эмиттер второго транзистора. Значения hfe для каждого транзистора равны , умноженному на вместе, чтобы получить значительное усиление по току в этом примере 2000.

Q2 также будет известен как предварительный драйвер.

Пластина 9

На пластине 9 показано, как подключить транзистор PNP к Arduino или аналогичному микроконтроллеру. Поскольку высокое напряжение в 11 В на базе Q1 разрушит вывод ввода / вывода (ограничено 5 В), мы должны использовать транзисторный переключатель NPN (Q2) в качестве предварительного драйвера.

Пластина 10

На пластине 10 мы используем высокомощный Mj2955 (дополнение к более раннему 2N3055) с транзистором TIP42 PNP, чтобы сформировать транзистор Дарлингтона. Мы снова используем предварительный драйвер NPN для защиты вывода ввода / вывода микроконтроллера от высокого базового напряжения Q2.

Надеюсь, серия была полезной. Любые исправления, предложения и т. Д. Пишите мне по адресу [email protected].

.

No related posts.