Транзистор npn как работает: простым языком для чайников, схемы

Режимы работы биполярного транзистора | Основы электроакустики

Биполярный транзистор – полупроводниковый элемент с двумя p-n переходами и тремя выводами, который служит для усиления или переключения сигналов. Они бывают p-n-p и n-p-n типа. На рис.7.1, а и б показаны их условные обозначения.

 Рис.7.1. Биполярные  транзисторы  и  их  диодные  эквивалентные   схемы:  а) p-n-p, б) n-p-n транзистор

Транзистор состоит из двух противоположно включенных диодов, которые обладают одним общим p- или n- слоем. Электрод, связанный с ним, называется базой Б. Два других электрода называются эмиттером Э и коллектором К. Диодная эквивалентная схема, приведенная рядом с условным обозначением, поясняет структуру включения переходов транзистора. Хотя эта схема не характеризует полностью функции транзистора, она дает возможность представить действующие в нем обратные и прямые напряжения. Обычно переход эмиттер – база смещен в прямом направлении (открыт), а переход база – коллектор – в обратном (заперт).

Поэтому источники напряжения должны быть включены, как показано на рис.7.2.

Рис.7.2. Полярность включения: а) n-p-n, б) p-n-p транзистора 

Транзисторы n-p-n типа подчиняются следующим правилам (для транзисторов p-n-p типа правила сохраняются, но следует учесть, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные):

1. Коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер.

2. Цепи база-эмиттер и база-коллектор работают как диоды (рис.7.1). Обычно переход база-эмиттер открыт, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении, т.е. приложенное напряжение препятствует протеканию тока через него. Из этого правила следует, что напряжение между базой и эмиттером нельзя увеличивать неограниченно, так как потенциал базы будет превышать потенциал эмиттера более чем на 0,6 – 0,8 В (прямое напряжение диода), при этом возникает очень большой ток. Следовательно, в работающем транзисторе напряжение на базе и эмиттере связаны следующим соотношением: UБ ≈ UЭ+0,6В; (UБ = UЭ + UБЭ).

   

3. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями IК, IБ, UКЭ. В случае превышения этих параметров необходимо использовать еще один транзистор. Следует помнить и о предельных значениях других параметров, например рассеиваемой мощности РК, температуры, UБЭ и др.

4. Если правила 1-3 соблюдены, то ток коллектора прямо пропорционален току базы. Соотношение токов коллектора и эмиттера приблизительно равно 

IК = αIЭ,    где α=0,95…0,99 – коэффициент передачи тока эмиттера. Разность между эмиттерным и коллекторным токами в соответствии с первым законом Кирхгофа (и как видно из рис. 7.2, а) представляет собой базовый ток IБ = IЭ – IК.    Ток коллектора зависит от тока базы в соответствии с выражением: IК = βIБ,   где β=α/(1-α) – коэффициент передачи тока базы, β >>1.

Правило 4 определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Режимы работы транзистора. Каждый переход биполярного транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают следующие четыре режима работы транзистора.

Усилительный или активный режим – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Именно этот режим работы транзистора соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока эмиттера. Ток коллектора пропорционален току базы, обеспечиваются минимальные искажения усиливаемого сигнала.

Инверсный режим – к коллекторному переходу подведено прямое напряжение, а к эмиттерному – обратное. Инверсный режим приводит к значительному уменьшению коэффициента передачи тока базы транзистора по сравнению с работой транзистора в активном режиме и поэтому на практике используется только в ключевых схемах.

Режим насыщения – оба перехода (эмиттерный и коллекторный) находятся под прямым напряжением. Выходной ток в этом случае не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузки. Из-за малого напряжения между выводами коллектора и эмиттера режим насыщения используется для замыкания цепей передачи сигнала.

Режим отсечки

– к обоим переходам подведены обратные напряжения. Так как выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулю, этот режим используется для размыкания цепей передачи сигналов.

Основным режимом работы биполярных транзисторов в аналоговых устройствах является активный режим. В цифровых схемах транзистор работает в ключевом режиме, т.е. он находится только в режиме отсечки или насыщения, минуя активный режим.

 

 

Транзистор биполярный, описание транзисторов, функция транзистора, npn-транзистор, pnp-транзистор, типы транзисторов

Описание транзисторов

Описание транзисторов удобно начать с описания функции, которую они выполняют. Основная функция биполярного транзистора — усиливать ток и напряжение. Например, они могут усиливать слаботочные выходные сигналы интегральных микросхем таким образом, чтобы ими можно было управлять лампой, реле и т.д. Во многих схемах транзистор служит для преобразования изменяющегося тока в изменяющееся напряжение.

Т.е. транзистор работает как усилитель напряжения.

Транзистор может работать как ключ (либо полностью открыт и через него может течь максимально возожный ток, либо полностью закрыт и ток через него не течёт) или как усилитель (всегда частично открыт)

npn-транзистор, pnp-транзистор

Существуют следующие типы транзисторов: npn и pnp с различным обозначением на схемах. Буквы, обозначающие выводы транзистора, относятся к слоям полупроводника, из которого сделан транзистор. Большинство биполярных транзисторов, используемых сегодня, являются

npn-транзисторами потому, что они самые простые в производстве из кремния. Если Вы новичок в электронике, лучше всего начинать изучение с npn-транзисторов.

Пожалуй, одним из самых известных отечественных транзисторов структуры npn является транзистор КТ315, а структуры pnp — транзистор КТ361.

Выводы биполярного транзистора обозначаются следующими буквами: B — (база), C — (коллектор), E — (эмиттер), в русском варианте, соответсвенно Б, К и Э.

Эти термины относятся к внутренней организации транзистора, но не помогают понять, как транзистор работает. Поэтому, просто запомните их.

В добавление к pnp-транзисторам и npn-транзисторам (имеющим общее название — транзисторы биполярные) существуют полевые транзисторы, часто называемые FETs. Они имеют другое схематическое обозначение и характеристики.

Установка режимов работы транзисторов

Для хорошей работы устройства, собранного на транзисторах, необходимо чтобы на их электроды было подано определенной величины и полярности постоянное напряжение. Примерные значения напряжений подаваемых на коллектор, базу и эмиттер для транзисторов прямой проводимости (p-n-p) приведен на рис. 1, а обратной (n-p-n) проводимости — на рис. 2.

При этом надо также придерживаться нескольких правил:

•  Рабочие напряжения, токи и мощности рассеивания применяемых транзисторов должны быть меньше предельных значений.
• Нельзя подавать напряжение на транзистор, если у него отключена база.
• Базовый вывод следует подключать в схему в первую очередь и отключать в последнюю.

В современных конструкциях радиолюбителей широко используются полевые транзисторы. Примерные значения величин напряжений смещения для полевых транзисторов с каналом типа р и с каналом типа п даны на рис. 3.

Рис. 1. Примерные значения напряжений, подаваемых на коллектор, базу и эмиттер для транзисторов прямой проводимости p-n-p.

 

Рис. 2. Примерные значения напряжений, подаваемых на коллектор, базу и эмиттер для транзисторов обратной проводимости n-p-n.

 

Рис. 3. Примерные значения величин напряжений смещения для полевых транзисторов с к&налом типа рис каналом типа А.

При налаживании радиоприемников и других радиоэлектронных конструкций в первую очередь нужно замерить потребляемый ток в режиме покоя. Если его значение близко к требуемому, то тогда переходят к установлению необходимых токов коллекторов транзисторов. На. схемах место установки тока показывают крестиком («х»), а резистор, которым это делают — звездочкой («*»). Опыт показывает, что для транзисторов безопаснее измерять напряжение, а не ток. В большинстве схем эти величины взаимосвязаны. Достаточно знать одну из величин, а другую можно определить расчетным путем.

Настройку устройства производят по каскадам. В каскадах транзисторных устройств в основном используется три основных способа подачи напряжения смещения к базе транзистора.

Рассмотрим работу транзисторного каскада с резисторной нагрузкой без стабилизации режима (рис. 4). При отсутствии входного сигнала начальные напряжения на электродах транзисторов следующие:

 

Рис. 4. Принципиальная схема транзисторного каскада с резисторной нагрузкой без стабилизации режима.

В приведенных формулах напряжения смещения Uбэ для германиевых и кремниевых транзисторов должны иметь значения в соответствии с рис. 1, 2. Из этих выражений видно, что от величины сопротивления резистора Rб зависит величина напряжения смещения Uбэ, а следовательно, и начальное положение рабочей точки на характеристике транзистора.

На хорошую работу такого каскада большое влияние имеет точность, с какой для данного транзистора, имеющего коэффициент усиления по току р, подобраны сопротивления резисторов Rб и Rк. Работу каскада при этом можно проконтролировать по напряжению на резисторе Rк или по напряжению между коллектором и эмиттером транзистора. Зная Un и β, можно вычислить величину управляющего тока коллектора транзистора по формуле:

Если величина сопротивления резистора Rк = 500…600 Ом, то напряжение на нем удобнее определить, как разницу между питающим напряжением и напряжением коллектор — эмиттер. Для маломощных низкочастотных и высокочастотных транзисторов напряжение коллек-тор-эмиттер принимают 2…2,5 В, а ток коллектора — 0,5 мА. Транзисторы МП39…МП41 имеют максимальное усиление по току, когда ток коллектора 1…2 мА.

У транзисторов П401…П403, П416 и т.п. усиление растет с ростом тока коллектора до 5…8 мА. От напряжения на коллекторе усиление по току существенно не зависит, при его повышении улучшается устойчивость высокочастотных каскадов. При замене в рассматриваемом каскаде транзистора с одним значение β на транзистор с отличным значением β, приходится снова подбирать значения Rб и Rк. На усиление транзистора с такой простой схемой смещения оказывает влияние помимо разброса параметров транзисторов еще и изменение температуры окружающей среды.

Более стабилен в работе каскад, имеющий термостабилизацию по схеме, представленной на рис. 5. В этом случае к напряжению, измеренному между коллектором и плюсом питания, добавляется напряжение на резисторе R3, которое составляет приблизительно 1 В.

Если считать, что напряжение между коллектором и эмиттером может быть снижено до 1,5 В, так как каскад стабилизирован, то общее напряжение между коллектором и «землей», как и первом случае, должно быть не менее 2,5 В. Указанные режимы являются ориентировочными, средними в случае работоспособных транзисторов. В каскадах, где режимы отличаются от рекомендованных на 20…30%, подстраивание их режимов на первой стадии налаживания можно не проводить.

Установку режима работы транзистора можно производить резистором Rб1, который соединен с базой транзистора. Для увеличения тока коллектора необходимо сопротивление резистора Rб1 уменьшить, а для уменьшения, наоборот, увеличить. Для удобства настройки каскада резистор Rб1 составляют из двух резисторов: одного переменного и одного постоянного с сопротивлением 10…30кОм.

Изменяя сопротивление переменного резистора, добиваются необходимого тока коллектора. Омметром измеряют получившееся сопротивление двух резисторов и затем вместо них впаивают один резистор, величина сопротивления которого равна измеренному значению двух сопротивлений.

Ток коллектора в схеме со стабилизацией можно оценить, измерив напряжение на резисторе Rэ. Если разделить величину падения напряжения (в вольтах) на величину Rэ (в килоомах), то получим ток эмиттера в миллиамперах.

Рис. 5. Принципиальная схема транзисторного каскада с резисторной нагрузкой с термостабилизацией режима

Ток коллектора меньше тока эмиттера на величину базового тока, а последний не превышает 5% Іэ. Поэтому можно считать, что I = Іб. В каскадах с индуктивной нагрузкой без стабилизации режима работы напряжение на коллекторе равняется напряжению источника питания и здесь необходим контроль тока коллектора (рис. 6). Регулировку такого каскада также производят подбором величины сопротивления резистора Rб.

Рис. 6. Принципиальная схема каскада с индуктивной нагрузкой без стабилизации режима работы.

Включение в цепи n-p-n и p-n-p транзисторов отличается только полярностью напряжения на коллекторе и смещением. Кремниевые и германиевые транзисторы одной и той же структуры отличаются между собой только значением напряжения смещения. У кремниевых оно приблизительно на 0,45 В больше, чем у германиевых.

На рис. 1 и 2 показаны условные графические обозначения биполярных транзисторов той и другой структур, произведенных на основе германия и кремния, а также типовое напряжение смещения. Электроды транзисторов, обозначенных первыми буквами слов, расшифровываются:

• Э — эмиттер,
• Б — база,
• К — коллектор.

Напряжения смещения показаны относительно эмиттера, но на практике напряжение на электродах транзисторов показывают относительно общего провода устройства.

В радиоэлектронных устройствах радиолюбители используют также полевые транзисторы, в которых управление током между двумя электродами, образованными направленным движением носителей заряда дырок или электронов, производится электрическим полем, образованным напряжением на электроде. Электроды, между которыми протекает регулируемый ток, носят название исток (И) и сток (С), причем исток есть тот электрод, с которого выходят носители зарядов. Третий, управляющий электрод, называют затвором (3) (см. рис. 3).

Существуют полевые транзисторы с изолированным затвором. Эти транзисторы имеют очень большое входное сопротивление и работают на очень больших частотах. Транзисторы этого типа имеют очень низкую электрическую прочность изолированного затвора. Для его пробоя и выхода из строя достаточно слабого статического электричества, которое всегда присутствует на теле человека, одежде и инструменте.

В связи с этим выводы полевых транзисторов с изолированным затвором при хранении нужно скручивать вместе голым проводом. При монтаже транзисторов руки и инструмент необходимо «заземлять». Преимущество полевых транзисторов по сравнению с биполярными состоит в том, что они имеют высокое входное сопротивление. Это сопротивление на низкой частоте достигает несколько мегаом, а на средних и высоких частотах — несколько десятков или сотен кило-ом в зависимости от серии. Для сравнения, биполярные транзисторы имеют входное сопротивление приблизительно до 1…2 кОм.

Литература: В.М. Пестриков. Энциклопедия радиолюбителя.

Устройство и работа биполярного транзистора

Биполярный транзистор — электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.

Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки.

Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов.

У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока — основной «большой» ток, и управляющий «маленький» ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего.

У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля. В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей. Это похоже на два диода, соединенных лицом к лицу или наоборот.

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector и emitter).

Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера.

Это необходимо для правильной работы транзистора.

Работа биполярного транзистора

Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного транзистора. Для примера возьмем модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет противоположной.

Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках, в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы — дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает концентрацию дырок в области P.

Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером VКЭ (VCE). Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора. Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера. Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.

Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером VBE, но значительно ниже чем VCE (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое VBE — 0.6V).

Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения подключенного к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе. Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать).

Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.

В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами. Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше. Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая, все равно потечет в сторону плюса базы.

В итоге мы получаем два тока: маленький — от базы к эмиттеру IBE, и большой — от коллектора к эмиттеру ICE.

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P соберется еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом изменении тока базы IB, сильно меняется ток коллектора IС.

Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе. Cоотношение тока коллектора IС к току базы IB называется коэффициентом усиления по току.

Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

β = IC / IB

Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы. Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная.

Никто не подключает источник постоянного напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора.

Так же, сама техника расчетов в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.

1.Описание основных элементов цепи

Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление.

Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить.

Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.

2. Расчет входного тока базы Ib

Теперь посчитаем ток базы Ib. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (Vmax) и минимальном (Vmin). Назовем эти значения тока соответственно — Ibmax и Ibmin.

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер VBE. Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить — около 0.6V.

Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером VBE = 0.6V.

А поскольку эмиттер подключен к земле (VE = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (VB = 0.6V).

Посчитаем Ibmax и Ibmin с помощью закона Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора IС

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно с легкостью посчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора ( Icmax и Icmin).

3. Расчет выходного напряжения Vout

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя Vout. В данной цепи — это напряжение на коллекторе VC.

Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали. Осталось подставить значения:

4. Анализ результатов

Как видно из результатов, VCmax получился меньше чем VCmin. Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе VRc отнимается от напряжения питания VCC.

Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились.

Конечно же, соотношение Vout/Vin в десять раз — далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.

Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток Ib, несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся».

Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β.

В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

Таким образом, на вывод Vout поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

Режимы работы биполярного транзистора

В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:

• Режим отсечки (cut off mode).
• Активный режим (active mode).
• Режим насыщения (saturation mode).
• Инверсный ражим (reverse mode ).

Режим отсечки

Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V — 0.7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

Активный режим

В активном режиме напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся. В этом состоянии у транзистора присутствуют токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

Режим насыщения

Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора, которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора.

В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы.

В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.

В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».

Инверсный режим

В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В результате ток из базы течет в коллектор.

Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру, и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме.

Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме. Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.

Основные параметры биполярного транзистора

Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора IС к току базы IB. Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

β — величина постоянная для одного транзистора, и зависит от физического строения прибора. Высокий коэффициент усиления исчисляется в сотнях единиц, низкий — в десятках.

Для двух отдельных транзисторов одного типа, даже если во время производства они были “соседями по конвейеру”, β может немного отличаться. Эта характеристика биполярного транзистора является, пожалуй, самой важной.

Если другими параметрами прибора довольно часто можно пренебречь в расчетах, то коэффициентом усиления по току практически невозможно.

Входное сопротивление – сопротивление в транзисторе, которое «встречает» ток базы. Обозначается Rin (Rвх). Чем оно больше — тем лучше для усилительных характеристик прибора, поскольку со стороны базы обычно находиться источник слабого сигнала, у которого нужно потреблять как можно меньше тока. Идеальный вариант – это когда входное сопротивление равняется бесконечность.

Rвх для среднестатистического биполярного транзистора составляет несколько сотен КΩ (килоом). Здесь биполярный транзистор очень сильно проигрывает полевому транзистору, где входное сопротивление доходит до сотен ГΩ (гигаом).

Выходная проводимость — проводимость транзистора между коллектором и эмиттером. Чем больше выходная проводимость, тем больше тока коллектор-эмиттер сможет проходить через транзистор при меньшей мощности.

Также с увеличением выходной проводимости (или уменьшением выходного сопротивления) увеличивается максимальная нагрузка, которую может выдержать усилитель при незначительных потерях общего коэффициента усиления.

Например, если транзистор с низкой выходной проводимостью усиливает сигнал в 100 раз без нагрузки, то при подсоединении нагрузки в 1 КΩ, он уже будет усиливать всего в 50 раз. У транзистора, с таким же коэффициентом усиления, но с большей выходной проводимостью, падение усиления будет меньше.

Идеальный вариант – это когда выходная проводимость равняется бесконечность (или выходное сопротивление Rout = 0 (Rвых = 0)).

Частотная характеристика – зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты входящего сигнала. С повышением частоты, способность транзистора усиливать сигнал постепенно падает. Причиной тому являются паразитные емкости, образовавшиеся в PN-переходах.

На изменения входного сигнала в базе транзистор реагирует не мгновенно, а с определенным замедлением, обусловленным затратой времени на наполнение зарядом этих емкостей. Поэтому, при очень высоких частотах, транзистор просто не успевает среагировать и полностью усилить сигнал.

Биполярные транзисторы. For dummies

Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.

Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru) Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs.

И это была, без преувеличения, революция в электронике. Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры.

И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам. Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу. Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему? Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор. Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h31.

Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току.

Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений.

Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц.

Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается.

Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е.

транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.

Также параметрами биполярного транзистора являются:

• обратный ток коллектор-эмиттер
• время включения
• обратный ток колектора
• максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.

1. Инверсный активный режим. Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт.

   Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.

2. Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями.

   Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.

3. Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е.

   ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.

4. Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением.

   Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников.

И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки.

Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов. Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом. В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц. В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода. Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов. Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.

Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей.

Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала.

Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Маркировка

Поскольку статья уже разрослась до неприлично большого объема, то в этом пункте я просто дам две хорошие ссылки, по которым подробно расписаны основные системы маркировки полупроводниковых приборов (в том числе и транзисторов): http://kazus.ru/guide/transistors/mark_all.html и файл .xls (35 кб) .

Список источников:

http://ru.wikipedia.org http://www.physics.ru http://radiocon-net.narod.ru http://radio.cybernet.name http://dvo.sut.ru

Полезные комментарии:

Принцип работы биполярного транзистора

В свое время транзисторы пришли на смену электронным лампах. Это произошло благодаря тому, что они имеют меньшие габариты, высокую надежность и менее затратную стоимость производства. Сейчас, биполярные транзисторы являются основными элементами во всех усилительных схемах.

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый элемент, имеющий трехслойную структуру, которая образует два электронно-дырочных перехода. Поэтому транзистор можно представить в виде двух встречно включенных диода. В зависимости от того, что будет являться основными носителями заряда, различают p-n-p и n-p-n транзисторы.  

•  
• База – слой полупроводника, который является основой конструкции транзистора.
• Эмиттером называется слой полупроводника, функция которого инжектирование носителей заряда в слой базы.
• Коллектором называется слой полупроводника, функция которого собирать носители заряда прошедшие через базовый слой.

Как правило, эмиттер содержит намного большее количество основных зарядов, чем база.

Это основное условие работы транзистора, потому что в этом случае, при прямом смещении эмиттерного перехода, ток будет обуславливаться основными носителями эмиттера. Эмиттер сможет осуществлять свою главную функцию – впрыск носителей в слой базы.

Обратный ток эмиттера обычно стараются сделать как можно меньше. Увеличение основных носителей эмиттера достигается с помощью высокой концентрации примеси.

Базу делают как можно более тонкой. Это связано с временем жизни зарядов. Носители зарядов должны пересекать базу и как можно меньше рекомбинировать с основными носителями базы, для того чтобы достигнуть коллектора.

Для того чтобы коллектор мог наиболее полнее собирать носители прошедшие через базу его стараются сделать шире.

Принцип работы транзистора

Рассмотрим на примере p-n-p транзистора.

 

В отсутствие внешних напряжений, между слоями устанавливается разность потенциалов. На переходах устанавливаются потенциальные барьеры. Причем, если количество дырок в эмиттере и коллекторе одинаковое, тогда и потенциальные барьеры будут одинаковой ширины.

Для того чтобы транзистор работал правильно, эмиттерный переход должен быть смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном. Это будет соответствовать активному режиму работы транзистора.

Для того чтобы осуществить такое подключение, необходимы два источника. Источник с напряжением Uэ подключается положительным полюсом  к эмиттеру, а отрицательным к базе.

Источник с напряжением Uк подключается отрицательным полюсом к коллектору, а положительным к базе. Причем Uэ

Под действием напряжения Uэ, эмиттерный переход смещается в прямом направлении.

Как известно, при прямом смещении электронно-дырочного перехода, внешнее поле направлено противоположно полю перехода и поэтому уменьшает его.

  Через переход начинают проходить основные носители, в эмиттере это дырки 1-5, а в базе электроны 7-8. А так как количество дырок в эмиттере больше, чем электронов в базе, то эмиттерный ток обусловлен в основном ими.

Эмиттерный ток представляет собой сумму дырочной составляющей эмиттерного тока и электронной составляющей базы. 

Так как полезной является только дырочная составляющая, то электронную стараются сделать как можно меньше. Качественной характеристикой эмиттерного перехода является коэффициент инжекции. 

Коэффициент инжекции стараются приблизить к 1.

Дырки 1-5 перешедшие в базу скапливаются на границе эмиттерного перехода.

Таким образом, создается высокая концентрация дырок возле эмиттерного и низкая концентрация возле коллекторного перехода, в следствии чего начинается диффузионное движение дырок от эмиттерного к коллекторному переходу.

Но вблизи коллекторного перехода концентрация дырок остается равной нулю, потому что как только дырки достигают перехода, они ускоряются его внутренним полем и экстрагируются (втягиваются) в коллектор. Электроны же, отталкиваются этим полем.

Пока дырки пересекают базовый слой они рекомбинируют с электронами находящимися там, например, как дырка 5 и электрон 6.

А так как дырки  поступают постоянно, они создают избыточный положительный заряд, поэтому, должны поступать и электроны, которые втягиваются через вывод базы и образуют базовый ток Iбр.

Это важное условие работы транзистора – концентрация дырок в базе должна быть приблизительно равна концентрации электронов. Другими словами должна обеспечиваться электронейтральность базы.

Количество дырок дошедших до коллектора, меньше количество дырок вышедших из эмиттера на величину рекомбинировавших дырок в базе. То есть, ток коллектора отличается от тока эмиттера на величину тока базы. 

2. Отсюда появляется коэффициент переноса носителей, который также стараются приблизить к 1. 
3. Коллекторный ток транзистора состоит из дырочной составляющей Iкр и обратного тока коллектора. 

Обратный ток коллектора возникает в результате  обратного смещения коллекторного перехода, поэтому он состоит из неосновных носителей дырки 9 и электрона 10. Именно потому, что обратный ток образован неосновными носителями, он зависит только от процесса термогенерации, то есть от температуры. Поэтому его часто называют тепловым током.

• От величины теплового тока зависит качество транзистора, чем он меньше, тем транзистор качественнее.
• Коллекторный ток связан с эмиттерным коэффициентом передачи тока. 
• Токи в транзисторе можно представить следующим образом
•  
• Основное соотношение для токов транзистора 
• Ток коллектора можно выразить как 

Из вышесказанного можно сделать вывод, что изменяя ток в цепи база – эмиттер, мы можем управлять выходным током коллектора. Причем незначительное изменение тока базы, вызывает значительное изменение тока коллектора.

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3.33 (9 Голоса)

Биполярный транзистор: принцип работы

В этой статье постараемся описать принцип работы самого распространенного типа транзистора — биполярного. Биполярный транзистор является одним из главных активных элементов радиоэлектронных устройств.

Предназначение его – работа по усилению мощности электрического сигнал поступающего на его вход. Усиление мощности осуществляется посредством внешнего источника энергии.

 Транзистор — это радиоэлектронный компонент, обладающий тремя выводами

Конструкционная особенность биполярного транзистора

Для производства биполярного транзистора нужен полупроводник дырочного или электронного типа проводимости, который получают методом диффузии либо сплавления акцепторными примесями. В результате этого с обоих сторон базы образуются области с полярными видами проводимостей.

Биполярные транзисторы  по проводимости бывают двух видов: n-p-n и p-n-p. Правила работы, которым подчинен биполярный транзистор, имеющий n-p-n проводимость (для p-n-p необходимо поменять полярность приложенного напряжения):

1.  Положительный потенциал на коллекторе имеет большее значение по сравнению с эмиттером.
2. Любой транзистор имеет свои максимально допустимые параметры Iб, Iк и Uкэ, превышение которых в принципе недопустимо, так как это может привести к разрушению полупроводника.
3. Выводы  база — эмиттер и база — коллектор функционируют наподобие диодов.  Как правило, диод по направлению база — эмиттер открыт, а по направлению база — коллектор смещен в противоположном  направлении, то есть поступающее напряжение мешает протеканию электрического тока через него.
4. Если пункты с 1 по 3 выполнены, то ток Iк прямо пропорционален току Iб и  имеет вид: Iк = hэ21*Iб, где hэ21 является коэффициентом усиления по току. Данное правило характеризует главное качество транзистора, а именно то, что малый ток базы оказывает управление мощным током коллектора.

Для разных биполярных транзисторов одной серии показатель  hэ21 может принципиально разниться от 50 до 250. Его величина так же зависит от протекающего тока коллектора, напряжения между эмиттером  и коллектором, и от температуры окружающей среды.

Изучим правило №3. Из него вытекает, что напряжение, приложенное между эмиттером и базой не следует значительно увеличивать, поскольку, если напряжение базы будет больше эмиттера на 0,6…0,8 В (прямое напряжение диода), то появится крайне большой ток. Таким образом, в работающем транзисторе напряжения на эмиттере и базе взаимосвязаны по формуле: Uб =Uэ + 0,6В (Uб=Uэ+Uбэ)

Еще раз напомним, что все указанные моменты относятся к транзисторам, имеющим n-p-n проводимость. Для типа p-n-p все следует изменить на противоположное.

Еще следует обратить внимание на то, что ток коллектора не имеет связи с проводимостью диода, поскольку, как правило, к диоду коллектор — база поступает обратное напряжение. В добавок , ток протекающий через коллектор весьма мало зависит от потенциала на коллекторе (данный диод аналогичен малому источнику тока)

Биполярный транзистор  принцип работы

При включении транзистора в режиме усиления, эмиттерный переход получается открытым, а переход коллектора закрыт. Это получается путем подключения источников питания.

Поскольку эмиттерный переход открыт, то через него будет проходить эмиттерный ток, возникающий из-за перехода дырок из базы в эмиттер, а так же электронов из эмиттера в базу.

Таким образом, ток эмиттера содержит две составляющие – дырочную и электронную. Коэффициент инжекции определяет эффективность эмиттера.

 Инжекцией зарядов именуют перенос носителей зарядов из зоны, где они были основными в зону, где они делаются неосновными.

В базе электроны рекомбинируют, а их концентрация в базе восполняется от плюса источника ЕЭ. В результате этого в электрической цепи базы будет течь довольно слабый ток.

Оставшиеся электроны, не успевшие рекомбинировать в базе, под разгоняющим воздействием поля запертого коллекторного перехода, как неосновные носители, будут перемещаться в коллектор, создавая коллекторный ток.

Перенос носителей зарядов из зоны, где они были неосновными, в зону, где они становятся основными, именуется экстракцией электрических зарядов.

Устройство и основные физические процессы биполярных транзисторов

Биполярный транзистор в своей основе содержит три слоя полупроводника (p-n-p или n-p-n) и соответственно два p-n-перехода. Каждый слой полупроводника через невыпрямляющий контакт металл-полупроводник подсоединен к внешнему выводу.

Средний слой и соответствующий вывод называют базой (Б), один из крайних слоев и соответствующий вывод называют эмиттером (Э), а другой крайний слой и соответствующий вывод — коллектором (К).

Дадим схематическое, упрощенное изображение структуры транзистора типа n-p-n

(рис. 1.51, а) и два допустимых варианта условного графического обозначения (рис. 1.51, б).

Транзистор типа p-n-p устроен аналогично, упрощенное изображение его структуры дано на рис. 1.52, а, более простой вариант условного графического обозначения — на рис. 1.52, б.

Транзистор называют биполярным, так как в процессе протекания электрического тока участвуют носители электричества двух знаков — электроны и дырки. Но в различных типах транзисторов роль электронов и дырок различна.

Транзисторы типа n-p-n более распространены в сравнении с транзисторами типа p-n-p, так как обычно имеют лучшие параметры. Это объясняется следующим образом: основную роль в электрических процессах в транзисторах типа n-p-n играют электроны, а в транзисторах типа p-n-p— дырки. Электроны же обладают подвижностью в два-три раза большей, чем дырки.

Важно отметить, что реально площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного перехода, так как такая несимметрия значительно улучшает свойства транзистора.

Количественное своеобразие структуры транзистора

Для определенности обратимся к транзистору типа n-p-n. В основе работы биполярного транзистора лежат не какие-либо новые физические процессы, еще не рассмотренные при изучении полупроводникового диода: своеобразие транзистора определяется особенностями его конструкции.

Основными элементами транзистора являются два соединенных p-n-перехода. Это позволяет дать формальное представление структуры транзистора, представленное на рис. 1.53.

Для понимания принципа работы транзистора исключительно важно учитывать, что p-n-переходы транзистора сильно взаимодействуют. Это означает, что ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот. Именно это взаимодействие радикально отличает транзистор от схемы с двумя диодами (рис. 1.54).

В схеме с диодами ток каждого диода зависит только от напряжения на нем самом и никак не зависит от тока другого диода.

Указанное взаимодействие имеет исключительно простую главную причину, а именно: очень малое расстояние между переходами транзистора (от 20 — 30 мкм до 1 мкм и менее). Это расстояние называют толщиной базы. Именно эта количественная особенность структуры создает качественное своеобразие транзистора.

Вообще полезно отметить, что в электронике достаточно часто реализуется следующий способ получения устройства, обладающего новым качеством: особым образом соединяют два одинаковых, уже хорошо изученных элемента. При изучении дифференциального усилителя станет ясно, что новое качество можно получить при использовании в роли таких элементов уже самих двух транзисторов.

Основные физические процессы в транзисторе

Концентрация атомов примеси (и свободных электронов) в эмиттере сравнительно велика, поэтому этот слой низкоомный. Концентрация атомов примеси (и дырок) в базе сравнительно низка, поэтому этот слой высокоомный. Концентрация атомов примеси (и свободных электронов) в коллекторе может быть как больше концентрации атомов примеси в базе, так и меньше ее.

С помощью источников напряжения сместим эмиттерный переход в прямом, а коллекторный — в обратном направлении (рис. 1.55).

Тогда через эмиттерный переход потечет ток iэ, который будет обеспечиваться главным образом инжекцией электронов из эмиттера в базу. Инжекция дырок из базы в эмиттер будет незначительной вследствие указанного выше различия в концентрациях атомов примесей.

Из-за малой толщины базы почти все электроны, пройдя базу, через так называемое время пролета достигают коллектора. Только малая доля электронов рекомбинирует в базе с дырками. Убыль этих дырок компенсируется протеканием тока базы iб. Из изложенного следует, что iб

Как работает транзистор: принцип и устройство

Транзистор – прибор, предназначенный для управления током в электрической цепи. Применяется практически во всех моделях видео- и аудио аппаратуры.

Полупроводниковые транзисторы пришли на смену морально устаревшим ламповым, которые устанавливались в старые телевизоры.

Для изготовления полупроводниковых моделей ранее использовался германий, но сферы его применения ограничены из-за чувствительности к температурным колебаниям. На смену германию пришел кремний, т.к.

кремниевые детали стоят дешевле германиевых и более устойчивы к скачкам температуры. Транзисторы небольшой мощности изготавливают в прямоугольных корпусах из полимерных материалов или в металлических цилиндрических. В этой статье мы постараемся простыми словами изложить, что такое транзистор, как он устроен и что делает.

Транзисторы

Устройство транзисторов

Наиболее популярный вид полупроводникового транзистора – биполярный. В устройство транзистора этого типа входит монокристалл, разделенный на 3 зоны: база (Б), коллектор (К) и эмиттер (Э), каждая из которых имеет свой вывод.

• Б – база, очень тонкий внутренний слой;
• Э – эмиттер, предназначается для переноса заряженных частиц в базу;
• К – коллектор, составляющая, которая имеет тип проводимости, одинаковый с эмиттером, предназначена для сбора зарядов, поступивших с эмиттера.

Типы проводимости:

• n-типа — носителями зарядов являются электроны.
• p-типа — носители зарядов – положительно заряженные «дырки».

Требуемый тип проводимости достигается путем легирования различных частей кремниевого монокристалла. Легирование – это добавление в состав материала различных примесей для улучшения физических и химических свойств этого материала. Транзисторы по типу проводимости раздаются на два типа: n-p-n и p-n-p.

Принцип работы транзистора

Транзистор работает в режимах «Открыто» и «Закрыто». Рассмотрим, как работает транзистор биполярного типа на уровне «чайников», и на каких физических процессах основано его функционирование. В таком транзисторе коллектор и эмиттер сильно легированы, база тонкая, содержит малое количество примесей.

Простое изложение принципа работы биполярного транзистора:

• Подключение к зажимам одноименного напряжения к эмиттеру и базе (p подсоединяется к «+», а n – к «-») приводит к появлению тока между эмиттером и базой. В базе образуются носители зарядов. Чем выше напряжение, тем больше количество носителей зарядов появляется в базе. Ток, подаваемый на базу, называется управляющим.
• Если к коллектору подключить обратное напряжение (n-коллектор подключается к плюсу, p-коллектор – к минусу), то между эмиттером и коллектором появится разница потенциалов, и между ними потечет ток. Чем больше носителей заряда скапливается в базе, тем сильнее будет ток между коллектором и эмиттером.
• При увеличении управляющего напряжения на базе растет ток «эмиттер-коллектор». Причем несущественный рост напряжения приводит к значительному усилению тока «эмиттер-коллектор». Этот принцип используется при производстве усилителей.

Если к эмиттеру и базе подключают напряжение, противоположное по знаку, ток прекращается, и транзистор переходит в закрытое состояние.

Кратко принцип работы полупроводникового транзистора можно изложить так: при подключении к зажимам эмиттера и базы напряжения одноименного заряда прибор переходит в открытое состояние, при подключении к этим выводам обратных зарядов транзистор закрывается.

Как работает транзистор — видео

Другие материалы по теме

Анатолий Мельник

Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.

Биполярный транзистор -устройство, принцип работы, технические характеристики, схемы включения, область применения. Сравнение с лампой.

Раздел Техническая информация → Транзисторы

 

Сырьем для транзисторов может служить обычный песок. Не вериться? Песок представляет собой окись кремния SiO₂.
Кремний является основой для производства подавляющего большинства полупроводниковых элементов электроники. Разумеется, нужны и другие материалы: пластмасса, керамика, алюминий, серебро и даже золото. Разрезать аккуратно и точно кремниевую пластинку лучше всего алмазной пилой.
Но вернемся к окиси кремния. Кремний из окиси можно восстановить химической переработкой. Чистый кремний относится к классу полупроводников. Кратко вспомним, что такое полупроводник и чем он отличается от проводника или диэлектрика.
Электрический проводник-это вещество, оказывающее малое сопротивление протекающему через него току. Электрический ток, в свою очередь, есть направленное движение электрических зарядов. Значит, в проводнике должны быть свободные заряды, которые могут легко передвигаться в любом направлении. Все металлы -хорошие проводники. В металлах внешние электроны атомов становятся свободными, когда атомы объединяются в кристаллическую решетку.

 

Свободные электроны образуют так называемый электронный газ, заполняющий весь объем металла. Если в проводнике течет ток, электроны перемещаются преимущественно в одном направлении. Если же тока нет, электроны все равно движутся, но это движение хаотическое, тепловое. Оно создает шум-небольшое, случайным образом изменяющееся напряжение на выводах проводника или полупроводникового элемента.
Из самого названия «полупроводник» ясно, что он еще «не дорос» до настоящего проводника и, следовательно, проводит ток гораздо хуже. Свободных электронов в полупроводнике мало, поскольку почта все электроны как бы привязаны к своим атомам. Правда, при сильном нагреве тепловое движение становится интенсивнее и некоторые из электронов отрываются от своих атомов, становясь свободными. Проводимость вещества при этом увеличивается. Вот почему полупроводниковые приборы очень боятся перегрева-проводимость может возрасти настолько, что ток в полупроводнике резко увеличится и наступит так называемый тепловой пробой. Чтобы не углубляться, посмотрим лишь несколько цифр.
Удельное сопротивление вещества-величина, обратная проводимости,-измеряется в омах на метр (Ом-м). Это сопротивление бруска вещества сечением 1 м² и длиной 1 м. Вот это брусочек! Но что поделаешь, в международной системе единиц СИ единицей длины служит метр. Ну так вот: сопротивление медного бруска составляет всего 0,017·10^-6 Ом. А сопротивление бруска тех же размеров, изготовленного из такого типичного диэлектрика, как стекло, равно 5·10¹³Ом, т.е. на двадцать один порядок (10²¹) больше! Удельное сопротивление полупроводников находится где-то между этими крайними значениями. Дать конкретные величины трудно, они зависят от вида вещества, его чистоты и других факторов.
Чем чище полупроводник, тем ближе его свойства к свойствам диэлектрика. Но если в полупроводник введена примесь, то проводимость резко возрастает.

Различают два вида примесей: акцепторные и донорные.
Валентность вещества акцепторной примеси меньше, чем валентность самого полупроводника. Это значит, что во внешнем электронном слое атомов примеси меньше электронов, чем у атомов полупроводника. В этом случае примесь по отношению к электронам атомов полупроводника ведет себя как агрессор: она захватывает их. В результате в кристаллической решетке вещества появляются атомы, которым не хватает одного электрона.

Заряд этих атомов положителен. Они притягивают отрицательно заряженные электроны, и при первой же возможности атом, у которого не хватает электрона, захватывает его у соседнего атома. Положительный заряд при этом перемещается к соседнему атому. Тот, в свою очередь, захватывает электрон у соседа. Таким образом, положительный заряд перемещается еще дальше. Теперь оказалось, что в толще полупроводника с акцепторной примесью «гуляет сам по себе» положительный заряд, обусловленный нехваткой одного электрона. Заряд этот очень образно называют «дыркой».
Иное дело, если в полупроводник введена донорная примесь.
Валентность вещества примеси на единицу больше валентности самого полупроводника. Это значит, что во внешней электронной оболочке атомов вещества примеси на один электрон больше, чем у атомов полупроводника. Объединяясь в кристаллы, атомы примеси используют для валентных связей все внешние электроны, кроме одного. В образовавшемся кристалле «лишние» электроны атомов примеси оказываются без работы. «Безработные» электроны свободно перемещаются по всему кристаллу, но все рабочие места-валентные связи-заняты. Эти электроны легко устремляются по направлению даже слабого электрического поля, создавая электрический ток.

Таким образом, вводя различные примеси, мы можем получить полупроводник с дырочной проводимостью (р-типа) и с электронной проводимостью (n-типа). Сами названия р и n произошли от начальных букв английских слов positive и negative, обозначающих знак свободных зарядов (положительный — «дырочный» или отрицательный — «электронный»). Чем выше концентрация примеси в полупроводнике, тем выше и его проводимость. Как только физики и инженеры научились получать полупроводники с различными типами проводимости, тут же появились и приборы, выполненные на их основе.

Биполярный транзистор

Значение «Би» означает, что имеется два основными носителями которыми являются электроны и дырки. По способу чередования областей различают npn и pnp транзисторы.
Обозначение биполярного транзистора на схеме.

Принцип работы биполярного транзистора можно объяснить, опираясь на те же явления, которые наблюдаются в рп-выпрямителе. У npn-транзистора одна n-область находится в контакте с р-областью, а та в свою очередь контактирует со второй n-областью (рис.).

Главным здесь, как мы сейчас видим, является то, что средняя р-область очень узка и относительно слабо легирована, рпр-транзистор получается заменой в npn-транзисторе р и n областей. На практике применяются транзисторы обоих видов; функции их схожи, но в pnp-транзисторе носителями заряда в основном являются дырки, а в npn-транзисторе — электроны. Так как в кремнии электроны обладают большей подвижностью, чем дырки, то в большинстве случаев кремниевые pnp-транзисторы превосходят pnp-транзисторы. Чтобы рассмотреть принцип действия прп-транзистора, обратимся еще раз к рис.

В таком транзисторе есть два p-n-перехода, т.е. n-p-переход слева и p-n-переход справа. Приложим положительное высокое напряжение Uк к правой n-области и отрицательное напряжение UЕ к левой n-области. Пусть на p-область действует напряжение Vв, которое больше Ue, но меньше Uk. В результате на левом n-p -переходе мы имеем прямое смещение (пропускное направление), а на правом p-n-переходе -обратное смещение (запирающее направление). Электроны из инжектирующей левой n-области, называемой эмиттером, диффундируют в р-область, где в нормальном случае они бы рекомбиннровали, если бы p-область, т. е. так называемая база, не была настолько узкой, что электроны успевают проскочить через нее не рекомбинируя. Таким образом удается добиться того, чтобы электроны попали в правую n-область и там поступали на электрод. Поэтому правую n-область называют коллектором. Он собирает инжектированные из левой n-области — эмиттера — электроны.
Различные роли обеих n-областей, которые без приложенного к ним напряжения совершенно равноправны, конечно же, являются следствием того, что к правой n-области приложено положительное напряжение, а к левой — отрицательное. Соединим теперь базу через источник напряжения и проводник с эмиттером, как это показано на рис. Мы получим две цепи тока -базовую и коллекторную. В базовой цепи в ток вносят вклад лишь те электроны, которые, как мы видели в случае с прямосмещенным переходом (в пропускном направлении), рекомбинируют в p-области. Но из-за узости p-области их очень мало. Следовательно, выходящий из базы поток электронов очень невелик. Большая часть тока, поступающего с эмиттера, течет через коллектор (рис.).

Однако мы знаем, что в ток через р-n-переход вносят вклад не только электроны, но и дырки. В нашем конкретном случае это означает, что из базы в эмиттер поступает поток дырок.
Он существенно превысил бы сравнительно слабый поток электронов и стал бы причиной появления в целом относительно сильного тока в базовой цепи, если бы его не удалось уменьшить каким-либо способом. В биполярном транзисторе с этой целью слабо легируют базу. В результате концентрация дырок в базе является низкой и из базы может поступить лишь небольшой поток дырок. Вывод, сделанный выше в отношении потока электронов, остается справедливым и для суммарного потока электронов и дырок: большая часть тока течет по коллекторной и меньшая-по базовой цепи.
Какую же пользу можно извлечь из всего этого? Если изменить напряжение между эмиттером и базой при постоянном напряжении между базой и коллектором, то изменится ток, идущий от эмиттера. Это изменение в большей мере затронет коллекторную цепь и в меньшей -базовую. Таким образом, путем небольшого изменения тока в базовой цепи можно получить значительное изменение тока в коллекторной цепи. В данном случае транзистор работает как усилитель тока. Но так как сопротивление базовой цепи значительно меньше (прямосмещенный р-n-переход) сопротивления коллекторной цепи (обратносмещенный p-n -переход), то и потребляемая в базовой цепи электрическая мощность значительно меньше, чем в коллекторной. В итоге с помощью небольшой электрической мощности в базовой цепи можно управлять величиной мощности в коллекторной цепи.

Сравнение с электронной лампой

Ту же функцию в вакуумной электронике выполняют трех электродные электронные лампы. Эмиттер транзистора соответствует катоду электронной лампы, коллектор-аноду и база-сетке.

Схема включения транзистора, показанная на рис., где эмиттер соединен с базой и коллектором, а база и коллектор-соответственно только с эмиттером, называется схемой с общим эмиттером.

Она является одной из трех возможных схем включения транзистора. Если транзистор включен по схеме с общим коллектором, то коллектор является общей областью для обеих цепей тока, а при включении по схеме с общей базой такой областью становится база.

Схема с питанием входных и выходных цепей транзистора от одного источника постоянного напряжения.

В микроэлектронике применяются также транзисторы, обладающие двумя и более изолированными друг от друга эмиттерными областями. В результате появляются разнообразные варианты схем включения. Существует также возможность получения транзисторов с несколькими коллекторами.
Рис. npn-транзистор с базой, общей для двух цепей. Здесь показаны потоки электронов и дырок, т.е. потоки основных носителей заряда.
С помощью транзисторов можно осуществлять увеличение или преобразование электрической мощности. В микроэлектронике транзисторы являются прежде всего усилительными приборами с различными принципами усиления сигналов электрической природы и используются в ключевых схемах. Важной характеристикой такого транзисторного ключа является время, необходимое для одного переключения из положения «включено» в положение «выключено» или наоборот, короче говоря, время задержки. Чтобы получить представление о величине времени задержки биполярного транзистора, рассмотрим следующий пример. Пусть к эмиттеру, базе и коллектору npn -транзистора приложены определенные электрические напряжения Ue, Ub и Uk. В коллекторной цепи появится ток определенной силы. Если напряжение, приложенное к базе, возрастает до Ub + ΔUb, то сопротивление как левого n-p- перехода, так и правого p-n -перехода уменьшается и в результате ток в коллекторной цепи увеличивается. Но при этом мы полагаем, что во время пролета электронов через базу напряжение на ней остается неизменным и равным UB + ΔUb. Ситуация изменяется, если за это время приложенное к базе напряжение меняется. Когда оно, например, снова уменьшается до UB, а электроны еще не успели проскочить через базу, то вызванное ΔUb возрастание тока в коллекторной цепи не так велико, как при неизменном напряжении Ub + ΔUb. Отсюда можно сделать вывод о том, что эффективность переключения транзистора падает, если команды на переключение в форме более высоких или низких напряжений поступают на базу с интервалами, которые меньше времени, затрачиваемого электронами на пролет через базу. Время задержки Т транзистора представляет собой, таким образом, время, необходимое для пролета электронов через базу. Поэтому становится ясно: чем тоньше база, тем меньше время задержки. Делается понятным и стремление сделать как можно тоньше прежде всего базу. Тем самым мы также доказали высказанное в гл. 2 утверждение, что с уменьшением размеров полупроводниковых электронных элементов их быстродействие возрастает. Ориентировочно время пролета Т сквозь базу инжектированных эмиттером носителей заряда легко определить, зная коэффициент диффузии электронов D и ширину базы Ь. В общем случае справедливо выражение Т ≈ b2/D. Если для кремния ширину базы принять равной 0,7 мкм и коэффициент диффузии электронов 50 см2/с, то время задержки для pnp-транзистора составит Т ≈ 10^-10 с. Коэффициент диффузии менее подвижных по сравнению с электронами дырок в кремнии почти в 3 раза меньше. Поэтому и время задержки pnp-транзистора в 3 раза больше, чем у npn-транзистора. Еще более высокой подвижностью по сравнению с электронами кремния обладают электроны арсенида галлия (GaAs). Поэтому из арсенида галлия n-типа можно изготавливать сверхбыстродействующие рпр-транзисторы.
Итак, теперь мы в состоянии рассчитать требуемую энергию для выполнения одной операции переключения в npn-транзисторе. Необходимое на одно переключение время Т следует умножить на израсходованную при этом электрическую мощность Р. В биполярном транзисторе преобразование электрической мощности осуществляется в базовой цепи. Вообще мощность равна произведению напряжения на силу тока. В нашем конкретном примере сила тока зависит от величины транзистора. Чем меньше транзистор, тем слабее возникающие в нем токи. В интегральных микросхемах транзисторы размещаются на площади 1000 мкм2 и менее. Сила тока в базовой цепи составляет всего несколько микроампер, а напряжение — около 1 В. Следовательно, мощность, необходимая для переключения, равна произведению одного вольта на несколько микроампер, т. е. нескольким микроваттам. При Р=10^-5 Вт и Т = 10″10 с получаем энергию переключения, равную 10^-5 х 10^-10 Вт.с=10^-15 Дж. Это очень малая энергия, которая, однако, не имеет ничего общего с действительным энергопотреблением транзистора. Энергозатраты в коллекторной цепи гораздо выше.

Мне все равно, как работает транзистор, как мне заставить его работать?

Я бы предложил начать шаг за шагом с чего-то осязаемого. Жуйте по одному делу за раз.

Вы можете начать с простого случая переключателя, и я уверен, что вы можете найти очень простые примеры, посмотрев. Не погружайтесь в старую книгу о смещении биполярного усилителя CE с полудюжиной резисторов, компенсацией и параметрами h, пролистанными на первой странице, написанной кем-то, кто не помнит, каково это — не знать все эти вещи в первую очередь. 🙂

Если вы оглянетесь вокруг, должно быть легко найти некоторые учебники с BJT , JFET , MOSFET … Возможно, сначала пропустите устройства P и истощения. В основном P (PNP) выглядит как зеркальное отображение, как только вы поймете, как работает N-часть, вам будет легко соотнести ее с P-частью. Таким образом, у вас не будет большого шанса быть сбитым с толку отрицательными напряжениями, токами и цепями, проведенными вверх ногами (они действительно все это делают).

Тогда вам действительно нужно взглянуть на параметры таблицы данных, такие как то, сколько тока и напряжения он может выдержать безопасно, каково отношение базового тока (напряжения затвора), необходимого / взятого для данного тока коллектора, общей рассеиваемой мощности (потеря напряжения * ток) и т.п.

Как только вы закончите с переключателями, вы можете посмотреть на включение / выключение только частично (усилитель, управление током). Все три типа ведут себя немного по-разному. Тогда, возможно, увидите разные типовые схемы: регуляторы, источники тока и зеркала, таймеры, логические вентили, усилители мощности B и AB.

Немного теории (умножение, закон Ома, диод …) необходимы, больше поможет вам понять, что происходит, и предсказать вещи. Но вы должны быть в состоянии перейти с приблизительными значениями в первую очередь. Используйте некоторые дешевые детали (с таблицей данных, по крайней мере, для распиновки и типа) и, возможно, симулятор, чтобы попробовать.

Транзистор — принцип работы.Основные параметры.

Как устроен транзистор.

Вне зависимости от принципа работы, полупроводниковый транзистор содержит в себе монокристалл из основного полупроводникового материала, чаще всего это — кремний, германий, арсенид галлия. В основной материал добавлены, легирующие добавки для формирования p-n перехода(переходов), металлические выводы.

Кристалл помещается в металлический, пластиковый или керамический корпус, для защиты от внешних воздействий. Однако, существуют также и бескорпусные транзисторы.

Принцип работы биполярного транзистора.

Биполярный транзистор может быть либо p-n-p, либо n-p-n в зависимости от чередования слоев полупроводника в кристалле. В любом случае выводы называются — база, коллектор и эмиттер. Слой полупроводника, соответствующий базе заключен между слоями эмиттера и коллектора. Он имеет принципиально очень малую ширину. Носители заряда движутся от эмиттера через базу — к коллектору. Условием возникновения тока между коллектором и эмиттером является наличие свободных носителей в области базы. Эти носители проникают туда при возникновении тока эмиттер-база. причиной которого может являться разность напряжения между этими электродами.

Т.е. — для нормальной работы биполярного транзистора в качестве усилителя сигнала всегда необходимо присутствие напряжения некого минимального уровня, для смещения перехода эмиттер-база в прямом направлении. Прямое смещение перехода база-эмиттер приоткрывая транзистор, задает так называемую — рабочую точку режима. Для гармоничного усиления сигнала по напряжению и току используют режим — А. В этом режиме напряжение между коллектором и нагрузкой, примерно равно половине питающего напряжения — т. е выходное сопротивление транзистора и нагрузки примерно равны . Если подавать теперь на переход база — эмиттер сигнал переменного тока, СОПРОТИВЛЕНИЕ эмиттер — коллектор будет изменяться, графически повторяя форму входного сигнала. Соответственно, то же будет происходить и с током через эмиттер к коллектору протекающим. Причем амплитуда тока будет большей, нежели амплитуда входного сигнала — будет происходить усиление сигнала.

Если увеличивать напряжение смещения база — эмиттер дальше, это приведет к росту тока в этой цепи, и как результат — еще большему росту тока эмиттер — коллектор. В конце, концов ток перестает расти — транзистор переходит в полностью открытое состояние(насыщения). Если затем убрать напряжение смещения — транзистор закроется, ток эмиттер — коллектор уменьшится, почти исчезнет. Так транзистор может работать в качестве электронного ключа. Этот режим наиболее эффективен в отношении управления мощностями, при протекании тока через полностью открытый транзистор величина падения напряжения минимальна. Соответственно малы потери тока и нагрев переходов транзистора.

Существует три вида подключения биполярного транзистора. С общим эмиттером (ОЭ) — осуществляется усиление как по току, так и по напряжению — наиболее часто применяемая схема.
Усилительные каскады построенные подобным образом, легче согласуются между собой, так как значения их входного и выходного сопротивления относительно близки, если сравнивать с двумя остальными видами включения (хотя иногда и отличаются в десятки раз).

С общим коллектором (ОК) осуществляется усиление только по току — применяется для согласования источников сигнала с высоким внутренним сопротивлением(импендансом) и низкоомными сопротивлениями нагрузок. Например, в выходных каскадах усилителей и контроллеров.

С общей базой (ОБ) осуществляется усиление только по напряжению. Имеет низкое входное и высокое выходное сопротивление и более широкий частотный диапазон. Это позволяет использовать подобное включение для согласования источников сигнала с низким внутренним сопротивлением(импендансом) с последующим каскадом усиления. Например — в входных цепях радиоприемных устройств.

Принцип работы полевого транзистора.

Полевой транзистор, как и биполярный имеет три электрода. Они носят названия — сток, исток и затвор. Если на затворе отсутствует напряжение, а на сток подано положительное напряжение относительно истока, то между истоком и стоком через канал течет максимальный ток.

Т. е. — транзистор полностью открыт. Для того, что бы его изменить, на затвор подают отрицательное напряжение, относительно истока. Под действием электрического поля (отсюда и название транзистора) канал сужается, его сопротивление растет, а ток через него уменьшается. При определенном значении напряжения канал сужается до такой степени, что ток практически исчезает — транзистор закрывается.

На рисунке изображено устройство полевого транзистора с изолированным затвором(МДП).

Если на затвор этого прибора не подано положительное напряжение, то канал между истоком и стоком отсутствует и ток равен нулю. Транзистор полностью закрыт. Канал возникает при некотором минимальном напряжении на затворе(напряжение порога). Затем сопротивление канала уменьшается, до полного открывания транзистора.

Полевые транзисторы, как с p-n переходом (канальные), так и МОП (МДП) имеют следующие схемы включения: с общим истоком (ОИ) — аналог ОЭ биполярного транзистора; с общим стоком (ОС) — аналог ОК биполярного транзистора; с общим затвором (ОЗ) — аналог ОБ биполярного транзистора.

По рассеиваемой в виде тепла мощности различают:
маломощные транзисторы — до 100 мВт ;
транзисторы средней мощности — от 0,1 до 1 Вт;
мощные транзисторы — больше 1 Вт.

Важные параметры биполярных транзисторов.

1. Коэффициент передачи тока(коэффициент усиления) — от 1 до 1000 при постоянном токе. С увеличением частоты постепенно снижается.
2. Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером(при разомкнутой базе) У специальных высоковольтных транзисторов, достигает десятков тысяч вольт.
3.Предельная частота, до которой коэффициент передачи тока выше 1. До 100000 гц. у низкочастотных транзисторов, свыше 100000 гц. — у высокочастотных.
4.Напряжение насыщения эмиттер-коллектор — величина падения напряжения между этими электродами у полностью открытого транзистора.

Важные параметры полевых транзисторов.

Усилительные свойства полевого транзистора определяются отношением приращения тока стока к вызвавшему его приращению напряжения затвор — исток, т. е.

ΔI_d /ΔU_GS

Это отношение принято называть крутизной прибора, а по сути дела оно является передаточной проводимостью и измеряется в миллиамперах на вольт(мА /В).

Другие важнейшие параметры полевых транзисторов приведены ниже:
1. I_Dmax — максимальный ток стока.

2.U_DSmax — максимальное напряжение сток-исток.

3.U_GSmax — максимальное напряжение затвор-исток.

4.Р_Dmax — максимальна мощность, которая может выделяться на приборе.

5.t_on — типовое время нарастания тока стока при идеально прямоугольной форме входного сигнала.

6.t_off — типовое время спада тока стока при идеально прямоугольной форме входного сигнала.

7.R_DS(on)max — максимальное значение сопротивления исток — сток в включенном(открытом) состоянии.

На главную страницу

Использование каких — либо материалов этой страницы, допускается при наличии ссылки на сайт «Электрика это просто».

Схема работы транзистора

NPN, характеристики, применение

Введение

Транзистор NPN является одним из типов биполярных переходных транзисторов (BJT). Транзистор NPN состоит из двух полупроводниковых материалов n-типа, разделенных тонким слоем полупроводника p-типа. Здесь основными носителями заряда являются электроны. Течение этих электронов от эмиттера к коллектору формирует ток в транзисторе. Как правило, NPN-транзистор является наиболее часто используемым типом биполярных транзисторов, поскольку подвижность электронов выше подвижности дырок.Транзистор NPN имеет три вывода — эмиттер, базу и коллектор. Транзистор NPN в основном используется для усиления и переключения сигналов.

На рисунке выше показаны символ и структура транзистора NPN. В этой структуре мы можем наблюдать три вывода транзистора, токи цепи и значения напряжения. Теперь давайте посмотрим на работу транзистора NPN с объяснением.

НАЗАД

Цепь транзистора NPN

На рисунке выше показана схема транзистора NPN с напряжениями питания и резистивными нагрузками.Здесь клемма коллектора всегда подключена к положительному напряжению, клемма эмиттера подключена к отрицательному источнику питания, а клемма базы управляет состояниями ВКЛ / ВЫКЛ транзистора в зависимости от приложенного к нему напряжения.

НАЗАД В начало

Работа транзистора NPN

Работа транзистора NPN довольно сложна. В приведенных выше схемах подключения мы заметили, что напряжение питания VB подается на клемму базы через нагрузку RB.Вывод коллектора подключен к напряжению VCC через нагрузку RL. Здесь обе нагрузки RB и RL могут ограничивать ток, протекающий через соответствующие клеммы. Здесь клеммы базы и коллектора всегда содержат положительное напряжение по отношению к клемме эмиттера.

Если напряжение базы равно напряжению эмиттера, то транзистор находится в выключенном состоянии. Если базовое напряжение увеличивается по сравнению с напряжением эмиттера, тогда транзистор становится более переключаемым, пока не перейдет в полностью открытое состояние.Если на клемму базы подается достаточное положительное напряжение, то есть в полностью включенном состоянии, то генерируются потоки электронов, и ток (IC) течет от эмиттера к коллектору. Здесь базовый вывод действует как вход, а область коллектор-эмиттер действует как выход.

Для правильного протекания тока между эмиттером и коллектором необходимо, чтобы напряжение на коллекторе было положительным, а также превышало напряжение эмиттера транзистора. Некоторое падение напряжения между базой и эмиттером, например 0.7В. Таким образом, базовое напряжение должно быть больше падения напряжения 0,7 В, иначе транзистор не будет работать. Уравнение для тока базы биполярного NPN-транзистора определяется следующим образом:

I _B = (V _B -V _BE ) / R _B

Где,

I _B = базовый ток
В _B = Напряжение смещения базы
В _BE = Входное напряжение база-эмиттер = 0,7 В
R _B = Сопротивление базы

Выходной ток коллектора в NPN-транзисторе с общим эмиттером можно рассчитать, применив закон Кирхгофа для напряжения (КВЛ).

Уравнение для напряжения питания коллектора определяется как

В _CC = I _C R _L + V _CE ………… (1)

Из приведенного выше уравнения ток коллектора для NPN-транзистор с общим эмиттером имеет вид

I _C = (V _CC -V _CE ) / R _L

В NPN-транзисторе с общим эмиттером соотношение между током коллектора и током эмиттера определяется как

I _C = β I _B

В активной области NPN-транзистор действует как хороший усилитель.В NPN-транзисторе с общим эмиттером полный ток, протекающий через транзистор, определяется как отношение тока коллектора к току базы IC / IB. Это соотношение также называется «усилением постоянного тока» и не имеет единиц измерения. Это отношение обычно обозначается β, а максимальное значение β составляет около 200. В NPN-транзисторе с общей базой общий коэффициент усиления по току выражается отношением тока коллектора к току эмиттера IC / IE. Это отношение обозначается символом α, и это значение обычно равно единице.

НАЗАД

Взаимосвязь α, β и γ в NPN-транзисторе

Теперь давайте посмотрим на взаимосвязь между двумя параметрами отношения α и β.

α = усиление постоянного тока для схемы с общей базой = Выходной ток / Входной ток

В общей базе NPN-транзисторный выходной ток равен току коллектора (IC), а входной ток — току эмиттера (IE).

α = I _C / I _E ……… .. (2)

Это значение усиления по току (α) очень близко к единице, но меньше единицы.
Мы знаем, что ток эмиттера складывается из малого тока базы и большого тока коллектора.

I _E = I _C + I _B

I _B = I _E — I _C

из уравнения 2, коллектор

I _C = αI _E

I _B = I _E — αI _E

I _B = I _E (1-α)

β = усиление постоянного тока для цепи с общим эмиттером = выходной ток / входной ток

Здесь выходной ток — это ток коллектора, а входной ток — ток базы.

β = I _C / I _B

β = I _C / I _E (1-α)

β = α / (1-α)

Из приведенных выше уравнений связь между α и β можно выразить как

α = β (1-α) = β / (β + 1)

β = α (1 + β) = α / (1-α)

Значение β может варьируются от 20 до 1000 для транзисторов малой мощности, работающих на высоких частотах. Но в целом это значение β может иметь значения в диапазоне от 50 до 200.

Теперь мы увидим взаимосвязь между факторами α, β и γ.

В NPN-транзисторе с общим коллектором коэффициент усиления по току определяется как отношение тока эмиттера IE к базовому току IB. Этот коэффициент усиления по току представлен как γ.

γ = I _E / I _B

Мы знаем, что ток эмиттера

I _E = I _C + I _B

γ = (I _C + I _B ) / I _B

γ = (I _C / I _B ) + 1

γ = β +1

Следовательно, отношения между α, β и γ приведены ниже

α = β / (β + 1), β = α / (1-α), γ = β +1

НАЗАД В НАЧАЛО

Примеры транзисторов NPN

1.Вычислите базовый ток IB для переключения резистивной нагрузки 4 мА биполярного NPN-транзистора, имеющего коэффициент усиления по току (β) 100.

I _B = I _C / β = (4 * 10 ^-3 ) / 100 = 40 мкА

2. Рассчитайте ток базы биполярного NPN-транзистора с напряжением смещения 10 В и входным сопротивлением базы 200 кОм.

Мы знаем, что уравнение для базового тока IB:

I _B = (V _B -V _BE ) / R _B

Мы знаем значения,

V _BE = 0 .7 В,

В _B = 10 В,

R _B = 200 Ом.

Теперь мы подставляем эти значения в приведенное выше уравнение,

Получаем,

I _B = (V _B -V _BE ) / R _B = (10-0,7) / 200 кОм = 46,5 uA.

Базовый ток NPN-транзистора 46,5 мкА.

НАЗАД

Конфигурация общего эмиттера

Схема конфигурации общего эмиттера является одной из трех конфигураций BJT.Эти схемы с общей конфигурацией эмиттера используются в качестве усилителей напряжения. Обычно биполярные транзисторы имеют три вывода, но при подключении к схеме нам нужно использовать любую одну клемму как общую. Таким образом, мы используем одну из трех клемм в качестве общей клеммы как для входных, так и для выходных действий. В этой конфигурации мы используем терминал эмиттера в качестве общего терминала, поэтому он называется конфигурацией с общим эмиттером.

Эта конфигурация используется как одноступенчатая схема усилителя с общим эмиттером.В этой конфигурации основание действует как входной терминал, коллектор действует как выходной терминал, а эмиттер — как общий терминал. Работа этой схемы начинается с смещения клеммы базы, так что прямое смещение перехода база-эмиттер. Небольшой ток в базе управляет током, протекающим в транзисторе. Эта конфигурация всегда работает в линейной области для усиления сигналов на выходной стороне.

Этот усилитель с общим эмиттером дает инвертированный выходной сигнал и может иметь очень высокое усиление.На это значение усиления влияют температура и ток смещения. Схема усилителя с общим эмиттером чаще всего используется в конфигурации, чем другие конфигурации BJT из-за ее высокого входного сопротивления и низкого выходного сопротивления, а также эта конфигурация усилителя обеспечивает высокий коэффициент усиления по напряжению и по мощности.

Коэффициент усиления по току для этой конфигурации всегда больше единицы, обычно типичное значение составляет около 50. Эти усилители конфигурации в основном используются в приложениях, где требуются усилители низкой частоты и радиочастотные цепи.Принципиальная схема усилителя с общим эмиттером показана ниже.

НАЗАД В начало

Выходные характеристики NPN-транзистора

Семейство кривых выходных характеристик биполярного транзистора приведено ниже. Кривые показывают взаимосвязь между током коллектора (IC) и напряжением коллектор-эмиттер (VCE) при изменении тока базы (IB). Мы знаем, что транзистор находится в состоянии «ВКЛ», только когда к его базовому выводу относительно эмиттера приложен хотя бы небольшой ток и небольшое количество напряжения, в противном случае транзистор находится в состоянии «ВЫКЛ».

На ток коллектора (IC) в основном влияет напряжение коллектора (VCE) на уровне 1,0 В, но это значение IC не сильно влияет выше этого значения. Мы уже знаем, что ток эмиттера — это сумма токов базы и коллектора. т.е. IE = IC + IB. Ток, протекающий через резистивную нагрузку (RL), равен току коллектора транзистора. Уравнение для тока коллектора:

I _C = (V _CC -V _CE ) / R _L

Прямая линия указывает на «линию динамической нагрузки», которая соединяет точки A (где V _CE = 0) и B (где I _C = 0).Область вдоль этой линии нагрузки представляет собой «активную область» транзистора.

Кривые характеристик конфигурации общего эмиттера используются для расчета тока коллектора, когда заданы напряжение коллектора и ток базы. Линия нагрузки (красная линия) используется для определения точки Q на графике. Наклон линии нагрузки равен сопротивлению нагрузки, обратному сопротивлению. то есть -1 / RL.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Применение транзисторов NPN

• Транзисторы NPN в основном используются в коммутационных устройствах.
• Используется в схемах усиления.
• Используется в парных схемах Дарлингтона для усиления слабых сигналов.
• NPN-транзисторы используются в приложениях, где требуется отвод тока.
• Используется в некоторых классических схемах усилителя, например, в двухтактных схемах усилителя.
• В датчиках температуры.
• Применения с очень высокой частотой.
• Используется в логарифмических преобразователях.

НАЗАД

ПРЕДЫДУЩИЙ — ТИПЫ ТРАНЗИСТОРОВ

СЛЕДУЮЩИЙ — ТРАНЗИСТОР PNP

В чем разница между PNP и NPN?

Существует два основных типа транзисторов: транзисторы с биполярным переходом (BJT) и полевые транзисторы (FET).BJT изготовлены из легированных материалов и могут быть сконфигурированы как NPN и PNP. Транзистор — это активное устройство с тремя выводами, и эти три вывода известны как эмиттер (E), база (B) и коллектор (C) ( рис. 1 ). База отвечает за управление транзистором, в то время как коллектор является положительным выводом, а эмиттер — отрицательным выводом.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275f3f6d5f267ee212b71» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = »Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузка файлов 2017 03 0417 Pn Pvs Npn F1 «data-embed-src =» https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2017/04/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2017_03_0417_PNPvsNPN_F1.png?auto=format&fit=max&w=1440} «data-embed000»

1. Символ транзистора указывает на три клеммы. (Предоставлено Quora)

Физика полупроводников БЯТ здесь не обсуждается, но стоит упомянуть, что БЯТ изготавливается с тремя отдельно легированными областями с двумя переходами.Транзистор PNP имеет одну область N между двумя областями P ( рис. 2 ), а транзистор NPN имеет одну область P между двумя областями N ( рис. 3 ). Переходы между областями N и P аналогичны переходам в диодах, и они также могут быть смещенными в прямом или обратном направлении. БЮТ могут работать в разных режимах в зависимости от смещения перехода:

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275f3f6d5f267ee212b73» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = »Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузка файлов 2017 03 0417 Pn Pvs Npn F2 «data-embed-src =» https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2017/04/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2017_03_0417_PNPvsNPN_F2.png?auto=format&fit=max&w=1440} «data-embed000»

2. PNP-транзистор имеет слой полупроводника с примесью азота между двумя слоями материала с примесью фосфора (любезно предоставлено Wikibooks)

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275f3f6d5f267ee212b75» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузка файлов 2017 03 0417 Pn Pvs Npn F3 «data-embed-src =» https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2017/04/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2017_03_0417_PNPvsNPN_F3.png?auto=format&fit=max&w=1440} «data-embed000»

3. NPN-транзистор имеет слой полупроводника с примесью фосфора между двумя слоями с примесью азота (любезно предоставлено Wikibooks)

• Отсечка: BJT работает в этой зоне при коммутационных операциях. В отсечке транзистор неактивен.
• Активный: BJT работает в этой зоне для схем усилителя, потому что транзистор может действовать как довольно линейный усилитель.
• Насыщенность: BJT работает в этой зоне при переключениях. Транзистор выглядит как короткое замыкание между выводами коллектора и эмиттера.
• Reverse Active: Как и в активном режиме, ток пропорционален базовому току, но течет в обратном направлении. Этот режим используется редко.

В транзисторе NPN положительное напряжение подается на вывод коллектора для создания тока, протекающего от коллектора к эмиттеру. В транзисторе PNP на вывод эмиттера подается положительное напряжение для создания тока, протекающего от эмиттера к коллектору.В транзисторе NPN ток течет от коллектора (C) к эмиттеру (E) ( Рис. 4 ). Однако в транзисторе PNP ток течет от эмиттера к коллектору ( Рис. 5 ).

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275f3f6d5f267ee212b77» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузка файлов 2017 03 0417 Pn Pvs Npn F4 «data-embed-src =» https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2017/04/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2017_03_0417_PNPvsNPN_F4.png? auto = format & fit = max & w = 1440 «data-embed-caption =» «]}%

4. Стрелка показывает направление тока и то, как он всегда находится на эмиттере.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275f3f6d5f267ee212b79» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Electronicdesign Com Сайты Electronicdesign com Файлы Загрузки 2017 03 0417 Pn Pvs Npn F5 «data-embed-src =» https: //img.electronicdesign.com / files / base / ebm / electronicdesign / image / 2017/04 / electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2017_03_0417_PNPvsNPN_F5.png? auto = format & fit = max & w = 1440 «data-embed-caption =» «]}%

5. На NPN-транзисторе всегда указывается стрелка.

Очевидно, что направления тока и полярности напряжения в PNP и NPN всегда противоположны друг другу. Для транзисторов NPN требуется источник питания с положительной полярностью по отношению к общим клеммам, но для транзисторов PNP требуется источник питания с отрицательной полярностью.

PNP и NPN работают примерно одинаково, но их режимы различаются из-за полярности тока. Например, чтобы перевести NPN в режим насыщения, VB должен быть выше, чем VC и VE. Вот краткое описание режимов работы в зависимости от их напряжения:

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275f3f6d5f267ee212b7b» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузка файлов 2017 03 0417 Np Nvs Pnp Table1 «data-embed-src =» https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2017/04/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2017_03_0417_NPNvsPNP_Table1.png?auto=format&fit=max&w=1440} «data -000»

Вот список некоторых классических универсальных БЮТ:

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275f3f6d5f267ee212b7d» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузка файлов 2017 03 0417 Np Nvs Pnp Table2 «data-embed-src =» https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2017/04/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2017_03_0417_NPNvsPNP_Table2.png?auto=format&fit=max&w=1440} «data -000»

Основной принцип любого BJT — управлять током третьей клеммы с помощью напряжения между двумя другими клеммами. Принцип работы NPN и PNP абсолютно одинаков. Единственное отличие заключается в их смещении и полярности питания для каждого типа.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275f3f6d5f267ee212b7f» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузка файлов 2017 г. 03 Источник Esb Lookin For Parts Banner 0 «data-embed-src =» https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2017/04/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2017_electronicdesign.com_files_uploads_2017_Response_Look_Sook_Support_03_Art_Part ? auto = format & fit = max & w = 1440 «data-embed-caption =» «]}%

Принцип работы и применения транзистора NPN

Транзистор

NPN — это трехконтактное устройство, содержащее полупроводник p-типа, зажатый между двумя полупроводниками n-типа.Это наиболее полезный из двух устройств с биполярным соединением. Другой — транзистор PNP. Он имеет различные приложения и используется в основном для усиления и переключения.

Что ж, прежде чем перейти к концепции транзисторов NPN, давайте немного разберемся с основами транзисторов.

Транзисторы

По сути, транзистор — это электронное устройство, используемое для усиления и электронного переключения. Это трехконтактное устройство. Когда мы прикладываем ток или напряжение к одной паре клемм, ток другой пары клемм управляет им.

Транзисторы

Поскольку мы говорим, что он работает как усилитель, я надеюсь, вы можете предсказать, будет ли значение на выходе выше или ниже, чем на входе.

Итак, каков ответ ??

Да, было бы выше.

Различные типы транзисторов классифицируются по структуре, электрической полярности, максимальной мощности и т. Д. В зависимости от структуры это могут быть MOSFET, BJT, JFET, IGBT и другие.

Но в данной статье мы сосредоточимся на биполярном переходном транзисторе, т.е.е., BJT.

Биполярный переходной транзистор

BJT — это полупроводниковый прибор, имеющий три вывода: эмиттер, базу и коллектор. Он снова разделен на две части: транзисторы NPN и PNP. Оба транзистора имеют прослоенный слой одного типа между другими с обеих сторон.

В NPN направление тока — от базы к эмиттеру, а в PNP — прямо противоположное, то есть от эмиттера к базе.

Биполярный переходной транзистор

Среди них NPN чаще всего используется в приложениях.Вы спросите, почему?

Итак, ответ в том, что подвижность электронов больше подвижности дырок.

Конструкция и обозначение транзистора NPN

Обозначение НПН

Глядя на рис, мы можем сказать, что транзистор NPN представляет собой комбинацию двух диодов, соединенных вместе. На основе клеммного соединения два диода являются диодами эмиттер-база и коллектор-база соответственно. Кроме того, направление тока в транзисторе NPN — от эмиттера к области базы.

Конструкция NPN транзистора

Три вывода, эмиттер, база и коллектор, легированы по-разному. Эмиттер умеренно легирован с наименьшим легированием в базовой области (слаболегированный p-полупроводник). Коллекторная область сильно легирована.

Здесь базовая область имеет управление включением / выключением транзистора в зависимости от входного сигнала, подаваемого на него. Область эмиттера всегда подключена к отрицательному питанию, а коллектор — к положительному.

Работа транзистора NPN

Как показано на рисунке, переход база-эмиттер выполнен с прямым смещением с питающим напряжением V _CC .Кроме того, соединение коллектор-база имеет обратное смещение, и V _EE является источником питания для этой области.

Теперь мы должны понять, как сделать переход смещенным вперед или назад?

Поскольку полупроводники n-типа на первом месте, когда речь идет об области эмиттер-база, отрицательный источник напряжения подключается к нему, создавая прямое смещение. Точно так же для области коллектор-база положительный источник питания V _CC подключен к полупроводнику n-типа и, таким образом, имеет обратное смещение.

Область истощения области эмиттер-база меньше по сравнению с областью коллектор-база. Обратите внимание, что область истощения ведет себя как противодействие потоку тока, поэтому, чем тоньше слой, тем сильнее ток течет в этой области.

В полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны и, таким образом, они начинают двигаться к базовому переходу, отсюда и название ток эмиттера I _E .

Базовая область очень слабо легирована и представляет собой полупроводник p-типа, поэтому имеет несколько дырок в качестве носителей заряда.Немногочисленные электроны, выходящие из эмиттера, рекомбинируются с дырками, но максимальное количество электронов пересекает базовую область и попадает в область коллектора.

Ток, возникающий в результате рекомбинации электронов и дырки, известен как базовый ток, I _B . Этот ток довольно мал. Ток, протекающий в области коллектора из-за потока оставшихся электронов, является током коллектора I _C . Он имеет более высокое значение, чем базовый ток.

Основные формулы NPN-транзистора

• Из приведенного выше анализа мы можем сказать, что

I _E = I _B + IC

• Ток в транзисторе NPN определяется отношением тока коллектора к току базы.Это называется усилением постоянного тока и обозначается как
.

Следовательно, β = I _C / I _B

• Этот коэффициент-бета заставляет транзистор работать как усилитель. Таким образом, это значение достигает 200 для стандартных транзисторов. Это безразмерная величина, как и отношение двух токов.
• Альфа — другой фактор, который представляет собой коэффициент усиления транзистора по току от коллектора до вывода эмиттера. Следовательно, альфа может быть определена как:

α = I _C / I _E

Это тоже безразмерная величина.

Итак, у меня к вам вопрос.

Какое может быть значение альфа? «Низкий» или «Высокий»?

Нужна подсказка? Хорошо, позволь мне помочь тебе.

База слегка легирована, поэтому ток базы очень низкий. Точно так же с оставшимися электронами ток коллектора довольно высок, а ток эмиттера является суммой обоих токов.

А теперь задумайтесь.

Да, это значение близко к единице, и для типичного транзистора малой мощности это значение находится в диапазоне от 0.95 до 0,99.

Взаимосвязь между α и β

Коэффициент усиления постоянного тока, β = I _C / I _B

Также: I _E = I _B + I _C

А, α = I _C / I _E

значение I _C из приведенного выше уравнения,

I _C = α * I _E

I _B = I _E — (α * I _E )

= I _E (1- α)

Следовательно, β = I _C / I _B = I _C / I _E (1 — α) = α / ( 1 — α)

Аналогично α = β / (β + 1)

Числовой пример на NPN-транзисторе

Теперь давайте попробуем решить эти проблемы и конкретизировать наши концепции.

1. Транзистор NPN имеет значение β, равное 100. Рассчитайте a) базовый ток b) ток эмиттера c) значение для переключения резистивной нагрузки 40 мА.

Здесь нам даны бета-значение и ток коллектора.

1. а) β = 100, I _C = 40 мА

Итак, какова формула, которая связывает данное количество с тем, которое нам нужно найти?

β = I _C / I _B

Следовательно, I _B = 40 мА / 100 = 400 мкА

1. б) Ток эмиттера определяется суммой двух токов, базы и коллектора.

I _E = I _B + I _C = 400 + 40000 = 40400 мкА.

1. в) α = β / (β + 1)

Подставляя значения, = 100 / (100 + 1) = 0,99

Давайте посмотрим еще на один пример и разберемся с концепцией более тщательно.

2. Предположим, что NPN-транзистор имеет базовое напряжение 15 В, а входной резистор базы имеет значение 90 кОм. Рассчитайте значение тока базы транзистора.

Прежде чем решать этот вопрос, мы должны прояснить одну вещь. Напряжение коллектора должно быть положительным и превышать напряжение эмиттера. Это потому, что тогда через переход коллектор-эмиттер будет протекать только ток.

Также будет падение напряжения между выводами коллектора и эмиттера. Это падение будет равно значению 0,7 В в случае кремниевого диода (так как он находится в режиме прямого смещения). Следовательно, чтобы транзистор проводил, базовое напряжение должно быть больше 0.7 вольт.

Теперь вернемся к проблеме. V _BE = 0,7 В, V _B = 15 В и R _B = 90 кОм

I _B = (V _B — V _BE ) / R _B

= (15 — 0,7) / 90 тыс.

= 158 мкА

Режимы работы NPN транзистора

В зависимости от смещения переходов NPN-транзистор имеет четыре режима работы.

• Насыщенность
• Область отсечения
• Активный
• Реверс активен

Режимы работы NPN транзистора

Поскольку транзисторы являются нелинейными устройствами, вольт-амперная кривая имеет различные характеристики в разные моменты времени.Рассмотрим все эти регионы поподробнее.

Область насыщенности

Это происходит, когда напряжение эмиттера меньше напряжения базы, а также напряжение коллектора меньше напряжения базы.

В _E B

В _C B

Оба диода находятся в прямом смещении в этой области, и, следовательно, вышеупомянутые условия преобладают. Также этот режим известен как режим включения транзистора. Следовательно, он действует как короткое замыкание, и ток легко течет от коллектора к эмиттеру.

Режим отключения

Этот случай прямо противоположен предыдущему. Здесь условия обратные, т.е. базовое напряжение меньше, чем ток эмиттера и коллектора.

В _В <В _E

В _В <В _С

Этот режим относится к выключенному режиму транзистора и, следовательно, между эмиттером и коллектором отсутствует токопроводимость. Обратите внимание, что в режиме отсечки транзистор ведет себя как разомкнутая цепь.

Активный режим

Это наиболее важный режим работы транзистора. Здесь только транзистор становится усилителем и усиливает входной сигнал. Условие напряжения здесь состоит в том, что базовое напряжение меньше, чем напряжение коллектора, но больше, чем напряжение эмиттера.

V _C > V _B > V _E

Чем больше усиление постоянного тока, тем больше усиление. Мы можем видеть это из следующей формулы:

I _C = β * I _B

Следовательно, если бета имеет значение 200, то базовый ток будет усилен в 200 раз.

Аналогичным образом, с помощью отношения альфа, бета и приведенной ниже формулы можно вычислить IE:

I _C = α * I _E

Реверс активен

Хотя это не очень полезно, все же иметь знания — это хорошо. Это полная противоположность активной области. Следовательно, условия напряжения такие:

В _E > V _B > V _C

Здесь также транзистор усиливается, но разница в том, что ток направлен от эмиттера к коллектору, т.е.е., в обратном направлении.

NPN по сравнению с NPN

Что ж, есть несколько общих черт. Оба являются транзисторами с биполярным переходом и устройством с регулируемым током. Оба используются для усиления и переключения цепей. Основные моменты следующие:

• PNP означает «положительный отрицательный положительный». NPN означает «отрицательный положительный отрицательный».
• Проводимость NPN высокая, а проводимость PNP низкая. Это связано с тем, что в NPN проводимость происходит с электронами, а в PNP — через дырки, но очевидно, что скорость электрона больше и, следовательно, проводимость.

NPN по сравнению с PNP

• В NPN подаем положительный ток на базу, ток через коллектор течет к эмиттеру. Принимая во внимание, что когда отрицательный ток применяется на базовом выводе PNP, тогда ток течет от эмиттера к коллектору.
• Направление тока в NPN — от коллектора к эмиттеру, а в PNP — от эмиттера к коллектору.
• Время переключения быстрее в NPN и медленнее в PNP.
• NPN включается, когда электрон входит в базовую область.Принимая во внимание, что транзистор PNP включается, когда отверстия входят в клемму базы.
• В обоих транзисторах переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении.
• Уровень сигнала заземления высокий для PNP и низкий для NPN.
• Стрелка эмиттера указывает на транзистор PNP, тогда как она указана в случае транзистора NPN.

Приложения

• В приложениях с очень высокой частотой
• Преобразователи логарифмические
• Как усилитель
• В парных цепях Дарлингтона
• Датчики температуры
• Используется как коммутатор

NPN-транзистор как переключатель

Это обычное применение для транзисторов NPN.Как мы уже видели режимы работы транзисторов, это помогает ему стать переключателем. Он находится либо в режиме ON, когда находится в области насыщения, либо в режиме OFF, когда в области отсечки. Эти устройства используются в цепях большой мощности, например, в двигателях и т. Д.

Транзистор NPN в качестве усилителя

Это еще одно очень распространенное применение этого транзистора. Здесь меньшее значение на входе усиливается и снимается с выхода усилителя. Обычно на выходе усиливается меньшее значение напряжения.

Практически все наши мобильные телефоны используют транзисторы для усиления звука.

Согласование транзисторов BJT

Согласование транзисторов NPN

Это еще одна важная концепция транзистора. Здесь мы соединяем транзисторы NPN и PNP в одну схему, чтобы получить большее усиление. Это достигается за счет того, что NPN проводит в положительном полупериоде, а PNP — в отрицательном полупериоде любого сигнала (как двухполупериодный мостовой выпрямитель), и мы можем непрерывно генерировать больше энергии.Эта пара составляет полезную схему в робототехнике, приложениях для усилителей мощности и управлении двигателями.

Аджай Дирадж

(Разработчик технического контента)

Нравится:

Нравится Загрузка …

Вы также можете увидеть

Как работают транзисторы ?. На самом деле почти как унитаз со смывом… | Джованни Органтини | The Startup

Действительно почти как унитаз со смывом…

Транзисторы — это строительные блоки наших электронных гаджетов: от смартфонов до компьютеров, игрушек, устройств для приготовления пищи, инструментов для уборки и т. Д.

Несмотря на их повсеместное распространение, лишь немногие люди знают, как они работают. На самом деле понять их принципы работы не так уж и сложно.

Чтобы понять, как работает транзистор, нам нужно понять, что такое диод . Фактически, транзистор на практике представляет собой не что иное, как два диода.

Диод, по сути, работает как вентиль для электрического тока. Он позволяет потоку электронов течь только в одном направлении, противодействуя движению электронов в противоположном направлении, точно так же, как водяной клапан позволяет потоку воды течь только в одном направлении.

Водяной клапан позволяет воде течь только в одном направлении. Точно так же диод позволяет току течь в одном направлении только

Диоды состоят из двух полупроводниковых кристаллов, легированных разными атомными частицами, так что на их стыке они создают электрическое поле, которое не позволяет зарядам течь в одном направлении, при этом ускоряя движущиеся в одном направлении. противоположное направление. Подобные диоды называются диодами p-n , потому что они сделаны из полупроводникового кристалла типа p , соединенного с кристаллом типа n . p и n относятся к знаку (положительному или отрицательному) их носителя заряда.

Диод состоит из полупроводникового кристалла p-типа, соединенного с кристаллом n-типа. Его символ в цепи — стрелка, потому что ток может течь только в ее направлении. Он работает очень похоже на гидравлический клапан (изображение слева взято из Wikimedia Common, сделано Раффамайденом; изображение справа принадлежит мне).

Представьте себе гидравлический клапан в виде трубы со стенкой, на которой есть отверстие, закрытое заглушкой, удерживаемой пружиной.Если вода находится справа от пробки, она просто прижимает ее к стене и не может проникнуть на другую сторону. Если вода находится слева и ее давления достаточно, она толкает пробку вправо, и клапан открывается, позволяя воде течь.

Чтобы сделать транзистор, нам нужно соединить три кристалла. Кристаллы могут быть типа p или n , в зависимости от знака их носителей заряда; Таким образом, транзисторы представляют собой схему кристаллов типа p-n-p или n-p-n.

Транзисторы имеют три вывода, называемых эмиттером , базой и коллектором , каждый из которых подключен к одному из кристаллов, из которых состоит. Давайте сосредоточимся на транзисторе p-n-p (тип n-p-n работает почти так же, но с обратными токами)

Рассмотрим затем нашу простую модель диода как клапана: транзистор представлен последовательностью двух ламп, установленных друг напротив друга. Поместим два клапана в вертикальную трубку и наполним верхнюю часть водой.Верхний клапан закрыт, поэтому вода остается вверху, как показано ниже, слева.

Транзистор похож на пару ламп. Когда оба клапана закрыты, вода остается наверху. Открытие верхнего клапана заставляет воду течь в средней секции. Когда давление, оказываемое на нижний клапан, достаточно, вода протекает через него.

Если нам удалось открыть верхний клапан, вода начнет течь в средней секции и в конечном итоге откроет нижний клапан, когда давление достигнет необходимого значения.Таким образом, для того, чтобы вода потекла, достаточно найти способ подтолкнуть верхний клапан вверх.

Например, немного воды можно ввести в середину, чтобы ее давление было достаточным для открытия верхнего клапана, но недостаточным для открытия нижнего. Таким образом, система позволяет воде течь только тогда, когда достаточное количество воды падает сверху вниз.

По нашему аналогию, верхняя часть этого двойного клапана представляет собой эмиттер транзистора .Пространство в середине — это его основание , а нижняя часть клапана представляет собой его коллектор .

В базовой схеме усилителя эмиттер подключен к источнику напряжения, например к батарее, а коллектор подключен к земле через резистор. Подавая небольшой ток в базу (обозначенную «B»), наблюдается большой ток, протекающий между эмиттером (обозначенным «E») и коллектором (обозначенным «C»), так что выходное напряжение справа велико. тоже (см. картинку ниже слева).

Сравнение схемы усилителя и унитаза со смывом (собственная работа)

Конечный результат состоит в том, что вы вводите небольшой ток в базу транзистора, и вы видите большой ток, вытекающий из коллектора, как если бы входной ток был умноженный на некоторый коэффициент. Фактически, ток, наблюдаемый на выходе транзистора, является не усиленным входным током, а другим током, пропорциональным входному току, извлекаемым из источника напряжения. Транзистор действует как переключатель, позволяя току течь от источника напряжения к земле через резистор.

Можно провести интересную аналогию между транзисторным усилителем и туалетом (см. Правую часть рисунка выше). Эмиттер — это сливной бачок, а коллектор — унитаз. Представьте, что к рычагу смыва, который представляет собой основание, прикреплено небольшое ведро. Налейте немного воды в ведро — это все равно, что пропустить ток через базу транзистора. Вес воды, налитой в ведро, приводит в действие рычаг, и клапан унитаза открывается, позволяя воде, содержащейся в эмиттере / цистерне (аналог зарядов, содержащихся в источнике напряжения, прикрепленном к эмиттеру транзистора), обильно течь в коллектор / чаша, как будто прибор умножает воду, налитую в ведро, и пускает ее в трубу (аналог резистора).

На самом деле схемы с транзисторами n-p-n встречаются чаще, чем схемы с транзисторами p-n-p. На это есть несколько причин. Основная причина в том, что поляризовать транзистор n-p-n проще. В каждой цепи есть общая земля, к которой относятся напряжения. В конфигурации, подобной той, что мы показали, то, что определяет входной ток, — это падение напряжения между источником напряжения и напряжением базы. Если бы мы использовали транзистор n-p-n, входной ток зависел бы от напряжения между базой и землей, и это намного удобнее.Есть и другие причины, связанные с их скоростью и стоимостью.

Транзистор типа n-p-n работает, по существу, как транзистор p-n-p, с обратными ролями коллектора и эмиттера. Мы решили проиллюстрировать работу p-n-p транзистора, потому что названия его выводов казались более подходящими для понимания их значения.

Транзисторы также могут использоваться как электронные переключатели. Для этого приложения часто используются транзисторы n-p-n, как показано ниже.

Транзистор n-p-n в качестве переключателя (собственная работа).

Усиление транзистора можно регулировать в соответствии с его характеристиками. В частности, говорят, что транзистор находится в области отсечки , когда ток, текущий к его базе, равен нулю, в то время как говорят, что он находится в области насыщения , когда ток достаточно большой протекает в его базу, так что выходной ток больше не пропорционален последнему, но достигает максимального значения.

Когда транзистор находится в области отсечки (ток базы равен нулю), ток не течет от коллектора к эмиттеру.Транзистор работает как открытый переключатель. Как следствие, выходное напряжение источника равно Vcc .

Подавая достаточный ток в базу, ток течет от Vcc к земле, а выходное напряжение такое же, как у земли, то есть транзистор работает как замкнутый переключатель.

Резистор между Vcc и коллектором транзистора может быть заменен любой нагрузкой. В частности, это может быть любой исполнительный механизм, например, двигатель, светодиод, громкоговоритель и т. Д.Такое решение полезно, когда мощность, необходимая для привода исполнительного механизма, не может быть обеспечена схемой управления.

Например, представьте, что вы хотите управлять двигателем постоянного тока, используя один из цифровых выходов платы Arduino. При установке цифрового вывода на ВЫСОКИЙ уровень на нем появляется 5 В. Вы не можете использовать эти 5 В для питания двигателя, потому что Arduino не может обеспечить достаточный ток через свои цифровые контакты. Однако вы можете подключить к нему базу npn-транзистора так, чтобы, когда вывод находится в НИЗКОМ состоянии, транзистор действует как открытый переключатель, в то время как он ведет себя как закрытый переключатель, когда вывод Arduino находится в ВЫСОКОМ состоянии. государственный.При использовании батареи 9 В в качестве Vcc через двигатель протекает достаточно высокий ток, когда транзистор работает как замкнутый переключатель, то есть когда он находится в области насыщения.

Как работают транзисторы npn и pnp? | Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation

Биполярный транзистор (транзистор с биполярным переходом: BJT) состоит из областей коллектора, базы и эмиттера, причем очень тонкая область базы расположена между областями коллектора и эмиттера. Базовая область имеет два общих pn-перехода, каждый с коллектором и эмиттером.Чтобы получить высокий коэффициент усиления по току, эмиттерная область на несколько порядков более легирована, чем базовая область. Таким образом, биполярный транзистор образован двумя встречными диодами.

Когда каждая клемма находится под определенным напряжением, коллектор потребляет ток, который в _FE раз превышает ток, приложенный к базе.

Давайте рассмотрим npn-транзистор, у которого потенциал коллектора выше, чем потенциал эмиттера, а потенциал базы примерно равен 0.На 7 В выше потенциала эмиттера. Другими словами, переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, тогда как переход база-коллектор имеет обратное смещение.

Когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, небольшой ток течет в базу, вводя дырки в область базы, легированную p-примесью. В результате эти дырки притягивают электроны из эмиттера в базовую область через смещенный в прямом направлении переход база-эмиттер. Поскольку эмиттерная область очень сильно легирована, в базовую область попадает гораздо больше электронов, чем дырок, и некоторые из электронов рекомбинируют с дырками.Большинство оставшихся электронов проходят через очень тонкую базовую область и вносят вклад в ток коллектора.

Теперь рассмотрим pnp-транзистор. Предположим, что потенциал коллектора ниже, чем потенциал эмиттера, а базовый потенциал примерно на 0,7 В ниже, чем потенциал эмиттера. В случае pnp-транзистора электроны инжектируются в область n-легированной базы. Следовательно, дырки притягиваются из эмиттера в базовую область. Некоторые из этих дырок рекомбинируют с электронами, инжектированными в базовую область.Остальные отверстия диффундируют по области основания, достигая коллектора.

NPN и PNP транзистор: различия и их характеристики

Транзисторы PNP и NPN являются BJT и являются основным электрическим компонентом, используемым в различных электрических и электронных схемах для создания проектов. В работе транзисторов PNP и NPN в основном используются дырки и электроны. Эти транзисторы можно использовать как усилители, переключатели и генераторы. В транзисторе PNP большинство носителей заряда представляют собой дырки, а большинство носителей заряда NPN — электроны.За исключением того, что полевые транзисторы имеют только один вид носителя заряда. Основное различие между транзисторами NPN и PNP заключается в том, что транзистор NPN получает питание, когда ток проходит через базовый вывод транзистора. В транзисторе NPN ток проходит от вывода коллектора к выводу эмиттера. Транзистор PNP включается, когда нет тока на клемме базы транзистора. В транзисторе PNP ток проходит от вывода эмиттера к выводу коллектора.В результате транзистор PNP включается сигналом низкого уровня, а транзистор NPN включается сигналом высокого уровня.

Разница между транзисторами NPN и PNP

Основное различие между транзисторами NPN и PNP заключается в том, что такое транзисторы PNP и NPN, их конструкция, работа и их применение.

Что такое транзистор PNP?

Термин «PNP» означает «положительный», «отрицательный», «положительный» и также известен как поиск источников. Транзистор PNP представляет собой BJT; в этом транзисторе буква «P» указывает полярность напряжения, необходимого для вывода эмиттера.Вторая буква «N» указывает полярность клеммы базы. В транзисторах такого типа большинство носителей заряда представляют собой дырки. В основном этот транзистор работает так же, как транзистор NPN.

Материалы, необходимые для изготовления выводов эмиттера (E), базы (B) и коллектора (C) в этом транзисторе, отличаются от материалов, используемых в транзисторе NPN. Выводы BC этого транзистора постоянно смещены в обратном направлении, тогда для вывода коллектора следует использовать напряжение –Ve.Следовательно, клемма базы PNP-транзистора должна быть -Ve по отношению к клемме эмиттера, а клемма коллектора должна быть -Ve, чем клемма базы

Конструкция

Конструкция PNP-транзистора показана ниже. Основные характеристики обоих транзисторов схожи, за исключением того, что смещение направлений тока и напряжения инвертируется для любой из достижимых трех конфигураций, а именно с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором.

Конструкция транзистора PNP

Напряжение между VBE (базой и выводом эмиттера) составляет –Ve на выводе базы и + Ve на выводе эмиттера. Так как для этого транзистора вывод базы постоянно смещен на -Ve относительно вывода эмиттера. Также VBE положительный по отношению к коллектору VCE.

Источники напряжения, подключенные к этому транзистору, показаны на рисунке выше. Вывод эмиттера соединен с «Vcc» нагрузочным резистором «RL». Этот резистор останавливает прохождение тока через устройство, которое связано с выводом коллектора.

Базовое напряжение «VB» подключено к базовому резистору «RB», который смещен отрицательно по отношению к выводу эмиттера. Чтобы базовый ток протекал через PNP-транзистор, вывод базы транзистора должен быть более отрицательным, чем вывод базы, примерно на 0,7 В (или) a-Si.

Основное различие между PNP и NPN транзисторами заключается в правильном смещении стыков транзисторов. Направления тока и полярности напряжения постоянно противоположны друг другу.

Что такое транзистор NPN?

Термин «NPN» означает отрицательный, положительный, отрицательный, также известный как опускание. NPN-транзистор — это BJT , в этом транзисторе начальная буква «N» обозначает отрицательно заряженное покрытие материала. Где «P» указывает полностью заряженный слой. Два транзистора имеют положительный слой, расположенный посередине двух отрицательных слоев. Как правило, транзистор NPN используется в различных электрических цепях для переключения и усиления сигналов, которые проходят через них.

Транзистор NPN имеет три клеммы, такие как база, эмиттер и коллектор. Эти три клеммы можно использовать для подключения транзистора к печатной плате. Когда через этот транзистор протекает ток, на базовый вывод транзистора поступает электрический сигнал. Вывод коллектора создает на более сильный электрический ток , а вывод эмиттера превышает этот более сильный ток в цепи. В транзисторе PNP ток проходит через коллектор к выводу эмиттера.

Обычно используется транзистор NPN, потому что его очень просто сгенерировать. Для правильной работы NPN-транзистора он должен быть создан из полупроводникового объекта, который держит некоторый ток. Но не такое максимальное количество, как чрезвычайно проводящие материалы, такие как металл. Кремний — один из наиболее часто используемых в полупроводниках. Эти транзисторы — простые транзисторы, которые можно построить из кремния.

Транзистор NPN используется на печатной плате компьютера для преобразования информации в двоичный код, и эта процедура выполняется с помощью множества крошечных переключателей, включаемых и выключаемых на платах.Мощный электрический сигнал поворачивает выключатель, а отсутствие сигнала — выключение.

Конструкция

Конструкция NPN-транзистора показана ниже. Напряжение на базе транзистора составляет + Ve и –Ve на выводе эмиттера транзистора. Вывод базы транзистора всегда положительный по отношению к эмиттеру, а также напряжение на коллекторе + Ve по отношению к выводу эмиттера транзистора. В этом транзисторе клемма коллектора связана с VCC через RL

NPN Конструкция транзистора

Этот резистор ограничивает ток, протекающий через самый высокий базовый ток.В транзисторе NPN поток электронов через базу представляет собой действие транзистора. Основная характеристика этого транзисторного действия — соединение между цепями i / p и o / p. Потому что усилительные свойства транзистора проистекают из результирующего управления, которое база использует на коллекторе для эмиттерного тока.

Транзистор NPN — это устройство, активируемое током. Когда транзистор включен, большой ток IC подается между выводами коллектора и эмиттера в транзисторе.Но это происходит только тогда, когда крошечный ток смещения «Ib» протекает через вывод базы транзистора. Это биполярный транзистор; ток — это отношение двух токов (Ic / Ib), называемое усилением постоянного тока устройства.

Указывается с помощью «hfe» или в наши дни beta. Значение бета может достигать 200 для типичных транзисторов. Когда NPN-транзистор используется в активной области, тогда базовый ток «Ib» обеспечивает i / p, а ток коллектора «IC» дает o / p. Текущее усиление NPN-транзистора от C до E называется альфа (Ic / Ie), и это предназначение самого транзистора.Поскольку Ie (ток эмиттера) является суммой крошечного тока базы и огромного тока коллектора. Значение альфа очень близко к единице, а для типичного маломощного сигнального транзистора значение находится в диапазоне от 0,950 до 0,999.

Обозначения транзисторов

Схематические обозначения NPN и PNP транзисторов очень похожи. Основное отличие — это путь стрелки над выводом эмиттера. В транзисторе NPN символ стрелки указывает наружу, тогда как в транзисторе PNP символ стрелки указывает внутрь.

Символ транзистора PNP показан на рисунках выше, где стрелка показывает, что поток тока будет от вывода эмиттера к коллектору, тогда как в транзисторе NPN поток тока будет от коллектора к выводу эмиттера.

Транзисторы PNP и NPN

Что лучше NPN или PNP?

Оба транзистора, такие как NPN и PNP, являются BJT. Это устройства управления током, особенно используемые для усиления и переключения. Как правило, транзистор NPN в основном используется в схеме, так как в транзисторе NPN проводимость тока обусловлена ​​электронами, тогда как в PNP проводимость тока обеспечивается отверстиями.Когда электроны более подвижны, тогда проводимость NPN-транзистора высока.

Термины NPN и PNP показывают напряжение, необходимое для трех выводов переходной транзисторной базы, эмиттера и коллектора. Эти два транзистора спроектированы из разных материалов, потому что текущая разработка в них также меняется. В некоторых случаях, когда на эмиттер подается напряжение, электроны будут течь через базу и, наконец, достигнут клеммы коллектора. Это происходит из-за того, что клеммы базы этих транзисторов очень тонкие, а также слегка легированы.

Транзистор NPN более предпочтителен по сравнению с PNP, потому что мы знаем, что в PNP дырки являются основными носителями заряда, тогда как в NPN электроны являются основными носителями заряда. Таким образом, подвижность дырок не ускоряется по сравнению с подвижностью электронов. В разных приложениях используются разные типы транзисторов, такие как PNP и NPN. Таким образом, дырки подвижны не так быстро, как электроны, поэтому NPN-транзистор более предпочтителен.

Разница между NPN и PNP транзистором

Одно из основных различий между этими двумя транзисторами состоит в том, что в NPN-транзисторе ток будет проходить между коллектором и выводом эмиттера, как только положительное питание подается на вывод базы. транзистор.В транзисторе PNP носитель заряда подает ток от вывода эмиттера к коллектору, как только отрицательное питание подается на вывод базы. Различия между NPN и PNP транзисторами в табличной форме различаются по разным факторам.

Разница между транзисторами NPN и PNP заключается в следующем.

Транзистор NPN	Транзистор PNP
В транзисторе NPN P-слой разделяет два слоя N-типа	In PNP-транзистор, N-слой слои
NPN обозначает отрицательно-положительный и отрицательный	PNP обозначает положительный отрицательный и положительный
Протекание тока в транзисторе NPN идет от клеммы коллектора к эмиттеру	Протекание тока в транзисторе PNP от вывод эмиттера на коллектор
Этот транзистор активируется, когда основные носители заряда, такие как электроны, входят в вывод базы	Этот транзистор активируется, когда основные носители заряда, такие как дыры, входят в вывод базы
Внутренний ток этого транзистора будет развиваться из-за изменения расположения электронов.	Внутренний ток этого транзистора будет развиваться из-за изменения расположения отверстий.
В этом транзисторе внешний ток может развиваться из-за потока дырок	В этом транзисторе внешний ток может возникать из-за потока электронов
Основными носителями заряда в транзисторе NPN являются электроны тогда как неосновные носители заряда — дырки.	Большинство носителей заряда в транзисторе PNP представляют собой дырки, тогда как неосновные носители заряда — электроны.
Низкий сигнал заземления	Высокий уровень сигнала заземления
Слабые источники тока от вывода эмиттера к базе	Слабые источники тока от вывода базы к эмиттеру
В этом транзисторе, переход коллектор-база имеет обратное смещение	В этом транзисторе переход коллектор-база имеет обратное смещение
В этом транзисторе переход эмиттер-база смещен в прямом направлении	В этом транзисторе переход эмиттер-база смещен в прямом направлении
В этом транзисторе вывод коллектора является выводом положительного напряжения	В этом транзисторе выводом эмиттера является вывод положительного напряжения
Время переключения этого транзистора больше	Время переключения этого транзистора меньше
Когда ток в базовом выводе уменьшается, этот переход r не работает через вывод коллектора и выключается	Как только на выводе базы присутствует ток, этот транзистор выключается.

Ключевое различие между транзисторами NPN и PNP

Транзисторы PNP и NPN представляют собой трехконтактные устройства, которые состоят из легированных материалов, часто используемых в устройствах переключения и усиления. В каждом биполярном транзисторе есть комбинация диодов с PN переходом. Когда соединяется пара диодов, получается бутерброд. Это своего рода полупроводник посреди двух похожих типов.

Итак, есть только два вида биполярных сэндвичей, а именно PNP и NPN.В полупроводниковых устройствах NPN-транзистор обычно имеет высокую подвижность электронов, которая оценивается как подвижность дырки. Таким образом, он пропускает огромное количество тока и работает очень быстро. К тому же конструкция этого транзистора проста из кремния.

• Оба транзистора собраны из специальных материалов, и ток в этих транзисторах также разный.
• В транзисторе NPN текущий ток проходит от вывода коллектора к выводу эмиттера, тогда как в PNP поток тока проходит от вывода эмиттера к выводу коллектора.
• PNP-транзистор состоит из двух слоев материала P-типа со слоем между слоями N-типа. Транзистор NPN состоит из двух слоев материала N-типа со слоем, зажатым слоем P-типа.
• В NPN-транзисторе положительное напряжение устанавливается на клемму коллектора, чтобы генерировать ток от коллектора. Для транзистора PNP на выводе эмиттера устанавливается положительное напряжение, чтобы генерировать поток тока от вывода эмиттера к коллектору.
• Основной принцип работы NPN-транзистора заключается в том, что когда ток увеличивается до клеммы базы, затем транзистор включается, и он полностью работает от клеммы коллектора до клеммы эмиттера.
• Когда вы уменьшаете ток на базу, транзистор включается, и ток становится настолько низким. Транзистор больше не работает через вывод коллектора к выводу эмиттера и выключается.
• Основной принцип работы транзистора PNP — это когда ток существует на базе транзистора PNP, а затем транзистор выключается. Когда нет тока на базе транзистора, транзистор включается.

Характеристики транзисторов PNP и NPN

O / p характеристики транзисторов PNP и NPN аналогичны.Основное отличие состоит в том, что характеристическая кривая PNP-транзистора поворачивается на 180 градусов для измерения напряжений обратной полярности, а также значений тока. На характеристической кривой будет существовать линия динамической нагрузки для измерения значения точки Q. Подобно NPN, транзистор PNP также используется в схемах усиления и переключения.

Как идентифицировать транзисторы PNP и NPN

Идентификация транзисторов PNP и NPN включает разные этапы.

Для транзистора NPN

• В мультиметре выберите режим измерения на диоде.
• Поместите положительный щуп измерителя к выводу базы транзистора
• Поместите отрицательный щуп к выводу эмиттера вывода так, чтобы напряжение можно было заметить внутри прибора
• Таким же образом поместите отрицательный щуп клемму коллектора относительно контакта 2, тогда вы можете наблюдать напряжение внутри мультиметра.
• Итак, это известно как транзистор NPN
• Вывод эмиттера — это материал n-типа, который равен катодному выводу диода
• Базовый вывод — это материал p-типа, который равен анодному выводу диода
• Коллекторный вывод выполнен из материала n-типа, который равен катодному выводу диода.
• Если положительный и отрицательный щуп мультиметра подключен к клеммам анода и катода, то он будет отображать напряжение. Если этими соединениями поменяться местами, на нем не будет отображаться никакого значения.

Для транзистора PNP

• В мультиметре выберите режим измерения на диоде.
• Поместите положительный щуп на вывод эмиттера транзистора.
• Поместите отрицательный щуп на клемму базы, тогда вы сможете заметить некоторое напряжение внутри мультиметра.
• Таким же образом поместите отрицательный щуп к основанию относительно клеммы коллектора, тогда вы сможете наблюдать некоторое напряжение внутри мультиметра.
• Таким образом, он удостоверится, что это транзистор PNP, и основная логика этого в основном включает в себя следующее.
• Вывод эмиттера — это материал P-типа, который равен анодному выводу диода
• Базовый вывод — материал N-типа, который равен катодному выводу диода
• Вывод коллектора — P -типа материала, который соответствует анодному выводу диода

Если положительный зонд этого мультиметра может быть подключен к анодному выводу, а отрицательный зонд может быть подключен к катодному выводу, после этого он будет отображать некоторое напряжение.Если оба соединения поменяны местами, значение не будет отображаться.

В этом заключается основная разница между транзисторами NPN и PNP, которые используются для проектирования электрических и электронных схем и различных приложений. Кроме того, любые сомнения относительно этой концепции или чтобы узнать больше о различных типах конфигураций транзисторов, вы можете дать свой совет, прокомментировав в разделе комментариев ниже. Вот вам вопрос, , какой транзистор имеет более высокую подвижность электронов?

Вопросы и ответы

с TJ Byers

Полупроводник, объяснение пола

Вопрос:

Можно ли подключить NPN-транзистор как PNP-транзистор? Дело в том, чтобы поменять местами соединения?

Леонард Мэри Томас

Ответ:

Транзисторы

NPN и PNP взаимозаменяемы, если вы помните одно простое правило: биполярный транзистор — это, по сути, два встречных диода с базой, являющейся общим соединением.Чтобы транзистор работал, один диод смещен в прямом направлении, а другой — в обратном. Возьмем, к примеру, усилитель с общим эмиттером, как показано ниже. Слева находится транзистор NPN (отрицательно-положительно-отрицательный), а справа — транзистор PNP (положительно-отрицательно-положительный). Обратите внимание, что обе схемы идентичны, за исключением одного. Обратная полярность источника питания.

В конфигурации NPN эмиттер (вывод, который выглядит как стрелка диода, обозначенный (E) , идет на минус (земля).База (B) подключается к + V через резистор Rb. Это смещает в прямом направлении диод база-эмиттер, который демонстрирует характерное падение напряжения 0,7 В. Коллектор (C) , с другой стороны, переходит на + V — фактически, смещая этот диод в обратном направлении.

Напряжение переключения этого диода является параметром VCE, указанным в спецификации, и варьируется от одного типа транзистора к другому. Ток через коллектор-эмиттер контролируется током, протекающим через переход база-эмиттер.Величина влияния называется усилением транзистора или hFE.

Замена PNP в цепи меняет местами ток, протекающий через диод база-эмиттер, и напряжение на коллекторе. В итоге, большинство усилителей слабого сигнала будут работать одинаково хорошо, если вы замените NPN на PNP и измените полярность источника питания. А это означает, что если у вас смешанный пол, каждый транзистор должен иметь смену пола. Обратите внимание, я сказал, что большинство — не все — усилители будут работать с этой АТС.(Подвижность электронов и дырок не равны, особенно на более высоких частотах.)

Если ваше приложение предназначено для логической коммутации, все, что вам нужно сделать, это поменять местами эмиттер и коллектор в вашей конструкции, чтобы соблюдались правила прямого / обратного смещения, как показано на двух нижних схемах. Загвоздка в том, что когда вы меняете пол, вы меняете и логику. В конфигурации NPN транзистор включается логическим ВЫСОКИМ уровнем. В версии PNP транзистор включается логическим значением LOW. Убедитесь, что вы настроили соответствующим образом.

---

Историческая справка. Когда я был новичком и новичком в транзисторах — нарезав себе зубы на электронных лампах с регулируемым напряжением — я слышал об этой аналогии с транзисторами, соединенными спина к спине, — и попытался построить сам, используя диоды 1N34A. Угадай, что? Не сработало.

Секрет крутизны транзистора — это крошечный зазор между коллектором и эмиттером, называемый базой, который управляет током, протекающим через транзистор.