Транзистор принцип: Эта страница ещё не существует

Биполярный транзистор: принцип работы, характеристики, схемы

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов. В полупроводниковой структуре сформированы два p-n-перехода, перенос заряда через которые осуществляется носителями двух полярностей — электронами и дырками. Именно поэтому прибор получил название «биполярный» (от англ. bipolar), в отличие от полевого (униполярного) транзистора.

Применяется в электронных устройствах для усиления или генерации электрических колебаний, а также в качестве коммутирующего элемента (например, в схемах ТТЛ).

Внешний вид биполярного транзистора средней мощности и его цоколевка

Содержание статьи

Устройство

Биполярный транзистор состоит из трёх полупроводниковых слоёв с чередующимся типом примесной проводимости: эмиттера (обозначается «Э», англ. E), базы («Б», англ. B) и коллектора («К», англ. C). В зависимости от порядка чередования слоёв различают n-p-n (эмиттер — n-полупроводник, база — p-полупроводник, коллектор — n-полупроводник) и p-n-p транзисторы.

К каждому из слоёв подключены проводящие невыпрямляющие контакты.

Обозначение биполярных транзисторов на схемах и их структура. Направление стрелки показывает направление тока через эмиттерный переход, и служит для идентификации n-p-n и p-n-p транзисторов. Наличие окружности символизирует транзистор в индивидуальном корпусе, отсутствие — транзистор в составе микросхемы.

PNP — транзистор прямой проводимости.

NPN — транзистор обратной проводимости.

Определить структура транзистора и проверить его исправность можно при помощи мультиметра.

С точки зрения типов проводимостей эмиттерный и коллекторный слои не различимы, но при изготовлении они существенно различаются степенью легирования для улучшения электрических параметров прибора. Коллекторный слой легируется слабо, что повышает допустимое коллекторное напряжение. Эмиттерный слой — сильно легированный: величина пробойного обратного напряжения эмиттерного перехода не критична, так как обычно в электронных схемах транзисторы работают с прямосмещённым эмиттерным переходом. Кроме того, сильное легирование эмиттерного слоя обеспечивает лучшую инжекцию неосновных носителей в базовый слой, что увеличивает коэффициент передачи по току в схемах с общей базой. Слой базы легируется слабо, так как располагается между эмиттерным и коллекторным слоями и должен иметь большое электрическое сопротивление.

Упрощенная схема поперечного разреза планарного биполярного n-p-n транзистора

Общая площадь перехода база-эмиттер выполняется значительно меньше площади перехода коллектор-база, что увеличивает вероятность захвата неосновных носителей из базового слоя и улучшает коэффициент передачи. Так как в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включён с обратным смещением, в нём выделяется основная доля тепла, рассеиваемого прибором, и повышение его площади способствует лучшему охлаждению кристалла. Поэтому на практике биполярный транзистор общего применения является несимметричным устройством (то есть инверсное включение, когда меняют местами эмиттер и коллектор, нецелесообразно).

Для повышения частотных параметров (быстродействия) толщину базового слоя делают меньше, так как этим, в том числе, определяется время «пролёта» (диффузии в бездрейфовых приборах) неосновных носителей. Но при снижении толщины базы снижается предельное коллекторное напряжение, поэтому толщину базового слоя выбирают исходя из разумного компромисса.

В первых транзисторах в качестве полупроводникового материала использовался металлический германий. Полупроводниковые приборы на его основе имеют ряд недостатков, и в настоящее время биполярные транзисторы изготавливают в основном из монокристаллического кремния и монокристаллического арсенида галлия. Благодаря очень высокой подвижности носителей в арсениде галлия приборы на его основе обладают высоким быстродействием и используются в сверхбыстродействующих логических схемах и в схемах СВЧ-усилителей.

Принцип работы

В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт).

В транзисторе типа n-p-n основные носители заряда в эмиттере (электроны) проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того, что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, бо́льшая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора, так как время рекомбинации относительно велико. Сильное электрическое поле обратносмещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны) и переносит их в коллекторный слой. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк).

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ), называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α = 0,9—0,999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α/(1 − α), от 10 до 1000. Таким образом, малый ток базы управляет значительно большим током коллектора.

Режимы работы

Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении[2] (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт):

UЭБ>0; UКБ<0 (для транзистора n-p-n типа), для транзистора p-n-p типа условие будет иметь вид UЭБ<0; UКБ>0.

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход — прямое: UКБ>0; UЭБ<0 (для транзистора n-p-n типа).

Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнётся проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (IЭ. нас) и коллектора (IК. нас).

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (UКЭ. нас) — это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог RСИ. отк у полевых транзисторов). Аналогично напряжение насыщения база-эмиттер (UБЭ. нас) — это падение напряжения между базой и эмиттером на открытом транзисторе.

Режим отсечки

В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6—0,7 В).

Режим отсечки соответствует условию UЭБ<0,6—0,7 В, или IБ=0[5][6].

Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет собой своеобразный диод, включенный последовательно с токозадающим резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.

Схемы включения

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

• Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.
• Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх.

Схема включения с общей базой

• Среди всех трёх конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по

  Схема включения с общей базой

  току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Не инвертирует фазу сигнала.

• Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iэ = α [α<1].
• Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх = Uэб/Iэ.

Входное сопротивление (входной импеданс) усилительного каскада с общей базой мало зависит от тока эмиттера, при увеличении тока — снижается и не превышает единиц — сотен Ом для маломощных каскадов, так как входная цепь каскада при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Достоинства

• Хорошие температурные и широкий частотный диапазон, так как в этой схеме подавлен эффект Миллера.
• Высокое допустимое коллекторное напряжение.

Недостатки

• Малое усиление по току, равное α, так как α всегда немного менее 1.
• Малое входное сопротивление.

Схема включения с общим эмиттером

• Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iб = Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1].

  Схема включения с общим эмиттером

• Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = Uбэ/Iб.

Достоинства

Большой коэффициент усиления по току.

• Большой коэффициент усиления по напряжению.
• Наибольшее усиление мощности.
• Можно обойтись одним источником питания.
• Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Недостатки

Имеет меньшую температурную стабильность. Частотные свойства такого включения по сравнению со схемой с общей базой существенно хуже, что обусловлено эффектом Миллера.

Схема с общим коллектором

• Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iэ/Iб = Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1-α) = β+1 [β>>1].

  Схема включения с общим коллектором

• Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = (Uбэ + Uкэ)/Iб.

Достоинства

• Большое входное сопротивление.
• Малое выходное сопротивление.

Недостатки

• Коэффициент усиления по напряжению немного меньше 1.

Схему с таким включением часто называют «эмиттерным повторителем».

Основные параметры

• Коэффициент передачи по току.
• Входное сопротивление.
• Выходная проводимость.
• Обратный ток коллектор-эмиттер.
• Время включения.
• Предельная частота коэффициента передачи тока базы.
• Обратный ток коллектора.
• Максимально допустимый ток.
• Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:

• коэффициент усиления по току α;
• сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току r_э, r_к, r_б, которые представляют собой:
  • r_э — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;
  • r_к — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;
  • r_б — поперечное сопротивление базы.

Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».

Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

h₁₁ = U_m1/I_m1, при U_m2 = 0

Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

h₁₂ = U_m1/U_m2, при I_m1 = 0.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

h₂₁ = I_m2/I_m1, при U_m2 = 0.

Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

h₂₂ = I_m2/U_m2, при I_m1 = 0.

Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:

U_m1 = h₁₁I_m1 + h₁₂U_m2;

I_m2 = h₂₁I_m1 + h₂₂U_m2.

В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам h-параметров добавляются буквы: «э» — для схемы ОЭ, «б» — для схемы ОБ, «к» — для схемы ОК.

Для схемы ОЭ: I_m1 = I_mб, I_m2 = I_mк, U_m1 = U_mб-э, U_m2 = U_mк-э. Например, для данной схемы:

h_21э = I_mк/I_mб = β.

Для схемы ОБ: I_m1 = I_mэ, I_m2 = I_mк, U_m1 = U_mэ-б, U_m2 = U_mк-б.

Собственные параметры транзистора связаны с h-параметрами, например для схемы ОЭ:

;

;

;

.

С повышением частоты заметное влияние на работу транзистора начинает оказывать ёмкость коллекторного перехода C_к. Его реактивное сопротивление уменьшается, шунтируя нагрузку и, следовательно, уменьшая коэффициенты усиления α и β. Сопротивление эмиттерного перехода C_э также снижается, однако он шунтируется малым сопротивлением перехода r_э и в большинстве случаев может не учитываться. Кроме того, при повышении частоты происходит дополнительное снижение коэффициента β в результате отставания фазы тока коллектора от фазы тока эмиттера, которое вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эммитерного перехода к коллекторному и инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Частоты, на которых происходит снижение коэффициентов α и β на 3 дБ, называются граничными частотами коэффициента передачи тока для схем ОБ и ОЭ соответственно.

В импульсном режиме ток коллектора изменяется с запаздыванием на время задержки τ_з относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем пробега носителей через базу. По мере накопления носителей в базе ток коллектора нарастает в течение длительности фронта τ_ф. Временем включения транзистора называется τ_вкл = τ_з + τ_ф.

Биполярный СВЧ-транзистор

Биполярные СВЧ-транзисторы (БТ СВЧ) служат для усиления колебаний с частотой свыше 0,3 ГГЦ. Верхняя граница частот БТ СВЧ с выходной мощностью более 1 Вт составляет около 10 ГГц. Большинство мощных БТ СВЧ по структуре относится к n-p-n типу. По методу формирования переходов БТ СВЧ являются эпитакcиально-планарными. Все БТ СВЧ, кроме самых маломощных, имеют многоэмиттерную структуру (гребёнчатую, сетчатую). По мощности БТ СВЧ разделяются на маломощные (рассеиваемая мощность до 0,3 Вт), средней мощности (от 0,3 до 1,5 Вт) и мощные (свыше 1,5 Вт). Выпускается большое число узкоспециализированных типов БТ СВЧ.

Биполярный СВЧ-транзистор КТ3109А (PNP)

Технологии изготовления транзисторов

• Эпитаксиально-планарная.
• Диффузионно-сплавная.

Применение транзисторов

• Усилители, каскады усиления
• Генератор сигналов
• Модулятор
• Демодулятор (детектор)
• Инвертор (лог. элемент)
• Микросхемы на транзисторной логике (см. транзисторно-транзисторная логика, диодно-транзисторная логика, резисторно-транзисторная логика)

Полевой транзистор: определение, устройство, принцип работы

Полевой транзистор является очень широко используемым активным (т. е. способным усиливать сигналы) полупроводниковым прибором. Впервые он был предложен в 1930 г.

Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля (в биполярных транзисторах выходной ток управляется входным током). В англоязычной литературе эти транзисторы называют транзисторами типа FET (Field Effect Transistor).

Полевые транзисторы называют также униполярными, так как в процессе протекания электрического тока участвуют только основные носители.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Различают два вида полевых транзисторов: с управляющим переходом и с изолированным затвором. Для определенности вначале обратимся к так называемому полевому транзистору с управляющим p-n-переходом с каналом p-типа.

Устройство транзистора

Дадим схематическое изображение структуры полевого транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа. (рис. 1.85) и условное графическое обозначение этого транзистора (рис. 1.86, а). Стрелка указывает направление от слоя pк слою n (как и стрелка в изображении эмиттера биполярного транзистора). В интегральных микросхемах линейные размеры транзисторов могут быть меньше 1 мкм.

Удельное сопротивление слоя n(затвора) намного меньше удельного сопротивления слоя p (канала), поэтому область p-n-перехода, обедненная подвижными носителями заряда и имеющая очень большое удельное сопротивление, расположена главным образом в слое р.

Если типы проводимости слоев полупроводника в рассмотренном транзисторе изменить на противоположные, то получим полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа, его условное графическое обозначение представлено на рис. 1.86, б.

Основные физические процессы

Подадим положительное напряжение между затвором и истоком транзистора с каналом p-типа: uзи> 0. Оно сместит p-n-переход в обратном направлении.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

При увеличении обратного напряжения на p-n -переходе он расширяется в основном за счет канала (в силу указанного выше различия в удельных сопротивлениях). Увеличение ширины p-n -перехода уменьшает толщину канала и, следовательно, увеличивает его сопротивление. Это приводит к уменьшению тока между истоком и стоком. Именно это явление позволяет управлять током с помощью напряжения и соответствующего ему электрического поля. Если напряжение uзи достаточно велико и равно напряжению отсечки u зи отс, канал полностью перекрывается областью p-n-перехода.

В рабочем (не аварийном) режиме p-n-переход должен находиться под обратным или нулевым напряжением. Поэтому в рабочем режиме ток затвора примерно равен нулю (i_з ~ 0), а ток стока i_с примерно равен току истока i_и (i_и = i_с).Важно учитывать, что на ширину p-n-перехода и толщину канала прямое влияние может оказывать напряжение между истоком и стоком uис.

Пусть uиз = 0 (между истоком и затвором включена закоротка) и подано положительное напряжение uис (рис. 1.87).

Это напряжение через закоротку окажется поданным на промежуток затвор — сток, т. е. окажется, что uиз=uис и что p-n-переход находится под обратным напряжением.

Обратное напряжение в различных областях p -n-перехода различно. В областях вблизи истока это напряжение практически равно нулю, а в областях вблизи стока это напряжение равно величине uис . Поэтому p-n-переход будет шире в тех областях, которые ближе к стоку. Обычно считают, что напряжение в канале от истока к стоку увеличивается линейно.

Можно утверждать, что при u ис = u из отс канал полностью перекроется вблизи стока. При дальнейшем увеличении напряжения uис та область канала, в которой он перекрыт, будет расширяться (рис. 1.88).

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА

Транзисторы можно разделить на два класса — биполярные и униполярные. В биполярных транзисторах как положительные, так и отрицательные носители принимают участие в работе прибора, отсюда и термин «биполярный». Заряд избыточных неосновных носителей, инжектированных в базу, компенсируется равным по величине зарядом основных носителей, так что электрическая нейтральность в базе сохраняется. С другой стороны, в униполярных приборах ток обусловлен только свободными основными носителями в проводящем канале и влияние малого количества неосновных носителей несущественно, отсюда и термин «униполярный» [1].

Полевой транзистор (ПТ) является униполярным прибором, в котором количество носителей в токе через проводящую область определяется электрическим полем, приложенным к поверхности (или p-n-переходу) полупроводника. В полевом транзисторе поток электронов направлен от истока, представляющего омический контакт, через проводящий канал к стоку, также представляющему омический контакт (рис. 1). Канал имеет длину в направлении протекания тока и соответственно ширину в направлении, перпендикулярном току и поверхности.

В полевом транзисторе с p-n-переходом управляющим электродом (затвором) является слой полупроводника, тип проводимости которого (р-тип) противоположен типу проводимости канала (n-тип). Управляющий p-n-переход, обратно смещённый относительно канала, образует изолирующий обеднённый слой, который, распространяясь в проводящий канал, эффективно ограничивает его размеры. Увеличение отрицательного потенциала вызывает дальнейшее сужение канала, уменьшающее его проводимость, а уменьшение отрицательного потенциала наоборот, приводит к расширению канала, увеличивающему его проводимость. При определённом значении напряжения на затворе, называемом напряжением отсечки, проводимость канала в идеальном случае уменьшается до нуля.

Нормальная работа ПТ с каналом р-типа обеспечивается подачей положительного смещения на затвор.

Рис. 1. Схематичное изображение полевого транзистора с p-n-переходом.
1 — исток; 2 — затвор p-типа; 3 — сток; 4 — обеднённая область; 5 — канал n-типа; 6 — затвор p-типа.

Максимальный ток стока и максимальная крутизна у ПТ с управляющим р-n-переходом (как с каналом р-типа, так и с каналом n-типа) наблюдается при нулевом смещении на затворе. При подаче прямого смещения на затвор ПТ появляется прямой ток через участок затвор-исток и резко уменьшается входное сопротивление транзистора.

На сток полевого транзистора с каналом n-типа необходимо подавать напряжение положительной полярности, а с каналом p-типа — отрицательной полярности.

Рис. 2. Условные обозначения ПТ с р-n-переходом.
а — с каналом p-типа; б — с каналом n-типа.

Условные обозначения полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом приведены на рис. 2.

CONTENTS NEXT

Устройство биполярного транзистора и принцип действия

Рис. 1. Устройство n-p-n транзистора и его условное обозначение. Биполярные транзисторы, определение, вольт — амперные характеристики, принцип работы и классификация полупроводниковых приборов мы подробно рассматривали на странице http://www.xn--b1agveejs.su/radiotehnika/202-bipolyarnye-tranzistory.html. Для того чтобы усвоить материал, одной статьи мало, две хорошо, а сотни статей еще лучше. В этой статье рассмотрим принцип действия биполярных транзисторов на простом, доступном языке. Биполярный транзистор состоит из двух p-n переходов, образованных слоями полупроводников с примесями. На рис. 1. показана самая простая конструкция n-p-n транзистора. Тонкий слой слабо легированного полупроводника р-типа (база) расположен между двумя более толстыми слоями n-типа (эмиттер и коллектор). Толщина базы может быть меньше одного микрона. Принцип действия биполярного транзистора Рис. 2. Иллюстрация работы транзистора: (а) тока базы нет, (б) ток базы течет. На рис. 2. показан транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером. В схеме, приведенной на рис. 2.(a), ток базы не течет, а в схеме на рис. 2.(б) переключатель S замкнут, позволяя току из батареи В1 течь в базу транзистора. Сначала рассмотрим схему на рис. 2.(a). Важно отметить, что переход коллектор-база смещен в обратном направлении и имеющийся потенциальный барьер препятствует потоку основных носителей. Таким образом, пренебрегая утечкой, можно считать, что при разомкнутом ключе S коллекторный ток равен нулю. Теперь рассмотрим, что произойдет, когда ключ S замкнут (рис. 2.(б)). Переход база-эмиттер становится смещенным в прямом направлении, а переход коллектор-база остается смещенным в обратном направлении. Благодаря смещению перехода база-эмиттер в прямом направлении электроны из эмиттера n-типа посредством диффузии проходят по базе р-типа по направлению к обедненному слою на переходе база-коллектор. Эти электроны, являющиеся неосновными носителями в области базы, достигнув обедненного слоя, по потенциальному барьеру «как с горки» быстро скатываются в коллектор, создавая тем самым в транзисторе коллекторный ток. Действие смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер напоминает открывание ворот и позволяет току протекать по цепи эмиттер-коллектор. Таков принцип действия биполярного транзистора. Следующий момент требует объяснения. Почему электроны не рекомбинируют с дырками в базе р-типа в процессе диффузии в сторону коллектора? Ответ состоит в том, что базу делают совсем слабо легированной, то есть с низкой концентрацией дырок, и очень тонкой; следовательно, имеется лишь малая вероятность того, что электрон будет перехвачен дыркой и рекомбинирует. Когда электрон рекомбинирует в области базы, происходит кратковременное нарушение равновесия, поскольку база приобретает отрицательный заряд. Равновесие восстанавливается с приходом дырки из базовой батареи В1 Батарея В1 является источником дырок для компенсации рекомбинирующих в базе, и эти дырки образуют базовый ток транзистора. Благодаря базовому току в базе не происходит накопления отрицательного заряда и переход база-эмиттер поддерживается смещенным в прямом направлении, а это, в свою очередь, обеспечивает протекание коллекторного тока. Таким образом, транзистор является прибором, управляемым током. Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления тока (hFE). Он должен равняться числу электронов в секунду, успешно проследовавших от эмиттера к коллектору, деленному на число рекомбинировавших. В типичном маломощном кремниевом транзисторе приблизительно 1 из 100 электронов рекомбинирует в базе, так что усиление тока имеет значение порядка 100. Фактически в работе транзистора принимают участие как электроны, так и дырки, что отличает его от униполярного или полевого транзистора. Ранее упоминалось, что при смещении p-n перехода в прямом направлении текущий по нему ток образуют как электроны, так и дырки. Но при рассмотрении смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер мы пока учитывали только электроны, пересекающие этот переход. Такой подход оправдан практически, поскольку область эмиттера n-типа специально легируется очень сильно, чтобы обеспечить большое число свободных электронов, в то время как область базы легируется совсем слабо, и это дает настолько мало дырок, что ими можно пренебречь при рассмотрении тока через переход база-эмиттер. Эмиттер так сильно легирован, что напряжение лавинного пробоя перехода база-эмиттер обычно всего лишь 6 В. Этот факт нужно иметь в виду при работе с некоторыми переключающими схемами, где необходимо позаботиться о том, чтобы обратные смещения не были слишком большими. Но это обстоятельство может быть и полезным, поскольку переход база-эмиттер маломощного транзистора ведет себя как 6-вольтовый стабилитрон и иногда используется в этом качестве. Эффекты второго порядка. Зависимость коллекторного тока от тока базы Рис. 3. Типичная зависимость коллекторного тока от тока базы в маломощном кремниевом транзисторе. На рис. 3. показан график зависимости коллекторного тока от тока базы для маломощного кремниевого транзистора: наблюдается линейная зависимость IC от IB в широком диапазоне значений коллекторного тока. Однако при малом токе базы коэффициент усиления тока несколько уменьшается. Этот эффект можно объяснить, рассматривая поведение электронов в базе: при очень малом базовом токе ничто не способствует электронам, попавшим из эмиттера в базу, достичь коллектора; только приблизившись к обедненному слою коллектор-база, они затягиваются полем. До этого электроны, совершая случайные блуждания, просто диффундируют сквозь базу, и любой из них может стать жертвой рекомбинации с какой-нибудь встретившейся дыркой. При больших значениях базового тока условия для электронов благоприятнее. Дырки, инжектируемые в виде базового тока, создают небольшое электрическое поле в базе, которое помогает электронам в их движении к обедненному слою. Таким образом, при умеренных токах коллектора (порядка 1 мА) коэффициент усиления тока будет больше, чем при малых токах коллектора (порядка 10 мкА). При очень больших токах коллектора, когда заселенность базы дырками становится слишком большой, усиление начинает падать. База ведет себя так, как будто она легирована сильнее, чем это есть в действительности, так что значительная часть тока, текущего через эмиттерный переход, состоит из дырок, движущихся из базы в эмиттер так же, как полезные электроны, двигающиеся в другом направлении, к коллектору. Таким образом, все большая и большая часть базового тока является «пустой породой» и поэтому коэффициент усиления тока падает. Этот эффект важен в мощных усилителях, где он может приводить к искажению формы сигнала при больших токах коллектора. В связи с тем, что зависимость коллекторного тока от тока базы является нелинейной, существуют два определения для коэффициента усиления тока транзистора в схеме с общим эмиттером. Коэффициент усиления постоянного тока получается просто делением тока коллектора на ток базы; его обозначают hFE В или β и он важен для переключающих схем. Однако в большинстве случаев, когда речь идет об усилении, мы имеем дело только с небольшими приращениями коллекторного тока, и более подходящим способом определения коэффициента усиления тока является отношение приращения коллекторного тока к приращению тока базы, которое называется коэффициентом усиления тока hfe или β в режиме малого сигнала. Из рис. 3. следует, что hfe=ΔIC/ΔIB. Для большинства практических целей можно считать, что hFE и hfe равны. Ток утечки между коллектором и базой Хотя переход коллектор-база смещен в обратном направлении, все же существует очень небольшой ток утечки из коллектора в базу, обозначаемый ICBO поскольку он измеряется с разомкнутой цепью эмиттера. В кремниевом транзисторе при комнатной температуре ICBO очень мал, обычно менее 0,01 мкА. Однако в случае, когда транзистор включен в схему с общим эмиттером и цепь базы разорвана, как показано на рис. 2.(a), ток ICBO протекающий по переходу коллектор-база, должен течь в эмиттер, для которого он неотличим от внешнего тока базы. Таким образом, ICBO усиливается транзистором, и ток утечки между коллектором и эмиттером возрастает до значения ICEO = hFE/ICBO которое может доходить до 1 мкА. Поскольку ток ICBO в значительной степени является результатом теплового нарушения связей, он увеличивается приблизительно вдвое с ростом температуры на каждые 18 градусов Цельсия. Когда ICBO становится сравнимым с нормальным током коллекторной цепи, транзистор обычно считается слишком горячим. Кремниевые p-n переходы могут работать до 200 °С, а германиевые, имеющие много больший ток утечки, только до 85 °С. Когда кремниевый транзистор работает при комнатной температуре, токами ICBO и ICEO можно практически полностью пренебречь. В германиевом транзисторе при комнатной температуре (20 °С) ток ICBO имеет значение порядка 2 мкА, так что при hFE = 100 ток ICEO будет равен 200 мкА. Этот относительно большой ток утечки является той причиной, по которой германиевые транзисторы вышли из употребления, за исключением специальных целей, когда требуется малая разность потенциалов на германиевом p-n переходе, смещенном в прямом направлении. n-p-n и p-n-p транзисторы Описание работы транзистора, данное выше, относится к наиболее распространенным n-р-n транзисторам; также легко доступны р-n-р транзисторы, очень полезные для целого ряда комплементарных схем, так как они обладают характеристиками, идентичными с n-р-n транзисторами, но требуют напряжения питания противоположной полярности. Тогда как в n-р-n транзисторе ток коллектора состоит из электронов, в р-n-р транзисторе он состоит из дырок. Аналогично, ток базы является электронным током, а не дырочным. На рис. 4. показана структура р-n-р транзистора и его условное обозначение. Рис. 4. Устройство р-n-р транзистора и его условное обозначение.   Материалы по теме: Усилитель напряжения на биполярном транзисторе Транзисторы — режим насыщения

Биполярный транзистор принцип работы для чайников

Биполярный транзистор

Автор: Владимир Васильев · Опубликовано 9 сентября 2015 · Обновлено 29 августа 2018

Приветствую вас дорогие друзья! Сегодня речь пойдет о биполярных транзисторах и информация будет полезна прежде всего новичкам. Так что, если вам интересно что такое транзистор, его принцип работы и вообще с чем его едят, то берем стул по удобнее и подходим поближе.

Продолжим, и у нас тут есть содержание, будет удобнее ориентироваться в статье

Виды транзисторов

Транзисторы бывают в основном двух видов: биполярные транзисторы и полевые транзисторы. Конечно можно было рассмотреть все виды транзисторов в одной статье, но мне не хочется варить кашу у вас в голове. Поэтому в этой статье мы рассмотрим исключительно биполярные транзисторы а о полевых транзисторах я расскажу в одной из следующих статей. Не будем все мешать в одну кучу а уделим внимание каждому, индивидуально.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор это потомок ламповых триодов, тех что стояли в телевизорах 20 -го века. Триоды ушли в небытие и уступили дорогу более функциональным собратьям — транзисторам, а точнее биполярным транзисторам.

Триоды за редким исключением применяют в аппаратуре для меломанов.

Биполярные транзисторы выглядеть могут так.

Как вы можете видеть биполярные транзисторы имеют три вывода и конструктивно они могут выглядеть совершенно по разному. Но на электрических схемах они выглядят простенько и всегда одинаково. И все это графическое великолепие, выглядит как-то так.

Это изображение транзисторов еще называют УГО (Условное графическое обозначение).

Причем биполярные транзисторы могут иметь различный тип проводимости. Есть транзисторы NPN типа и PNP типа.

Отличие n-p-n транзистора от p-n-p транзистора состоит лишь в том что является «переносчиком» электрического заряда (электроны или «дырки» ). Т.е. для p-n-p транзистора электроны перемещаются от эмиттера к коллектору и управляются базой. Для n-p-n транзистора электроны идут уже от коллектора к эмиттеру и управляются базой. В итоге приходим к тому, что для того чтобы в схеме заменить транзистор одного типа проводимости на другой достаточно изменить полярность приложенного напряжения. Или тупо поменять полярность источника питания.

У биполярных транзисторов есть три вывода: коллектор, эмиттер и база. Думаю, что по УГО будет сложно запутаться, а вот в реальном транзисторе запутаться проще простого.

Обычно где какой вывод определяют по справочнику, но можно просто прозвонить транзистор мультиметром. Выводы транзистора звонятся как два диода, соединенные в общей точке (в области базы транзистора).

Слева изображена картинка для транзистора p-n-p типа, при прозвонке создается ощущение (посредством показаний мультиметра ), что перед вами два диода которые соединены в одной точке своими катодами. Для транзистора n-p-n типа диоды в точке базы соединены своими анодами. Думаю после экспериментов с мультиметром будет более понятно.

Принцип работы биполярного транзистора

А сейчас мы попробуем разобраться как работает транзистор. Я не буду вдаваться в подробности внутреннего устройства транзисторов так как эта информация только запутывает. Лучше взгляните на этот рисунок.

Это изображение лучше всего объясняет принцип работы транзистора. На этом изображении человек посредством реостата управляет током коллектора. Он смотрит на ток базы, если ток базы растет то человек так же увеличивает ток коллектора с учетом коэффициента усиления транзистора h31Э. Если ток базы падает, то ток коллектора также будет снижаться — человек подкорректирует его посредством реостата.

Эта аналогия не имеет ничего общего с реальной работой транзистора, но она облегчает понимание принципов его работы.

Для транзисторов можно отметить правила, которые призваны помочь облегчить понимание. (Эти правила взяты из книги П. Хоровица У.Хилла «Искусство схемотехники»).

1. Коллектор имеет более положительный потенциал , чем эмиттер
2. Как я уже говорил цепи база — коллектор и база -эмиттер работают как диоды
3. Каждый транзистор характеризуется предельными значениями, такими как ток коллектора, ток базы и напряжение коллектор-эмиттер.
4. В том случае если правила 1-3 соблюдены то ток коллектора Iк прямо пропорционален току базы Iб. Такое соотношение можно записать в виде формулы.

Из этой формулы можно выразить основное свойство транзистора — небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

-коэффициент усиления по току.

Его также обозначают как

Исходы из выше сказанного транзистор может работать в четырех режимах:

1. Режим отсечки транзистора — в этом режиме переход база-эмиттер закрыт, такое может произойти когда напряжение база-эмиттер недостаточное. В результате ток базы отсутствует и следовательно ток коллектора тоже будет отсутствовать.
2. Активный режим транзистора — это нормальный режим работы транзистора. В этом режиме напряжение база-эмиттер достаточное для того, чтобы переход база-эмиттер открылся. Ток базы достаточен и ток коллектора тоже имеется. Ток коллектора равняется току базы умноженному на коэффициент усиления.
3. Режим насыщения транзистора — в этот режим транзистор переходит тогда, когда ток базы становится настолько большим, что мощности источника питания просто не хватает для дальнейшего увеличения тока коллектора. В этом режиме ток коллектора не может увеличиваться вслед за увеличением тока базы.
4. Инверсный режим транзистора — этот режим используется крайне редко. В этом режиме коллектор и эмиттер транзистора меняют местами. В результате таких манипуляций коэффициент усиления транзистора очень сильно страдает. Транзистор изначально проектировался не для того, чтобы он работал в таком особенном режиме.

Для понимания того как работает транзистор нужно рассматривать конкретные схемные примеры, поэтому давайте рассмотрим некоторые из них.

Транзистор в ключевом режиме

Транзистор в ключевом режиме это один из случаев транзисторных схем с общим эмиттером. Схема транзистора в ключевом режиме применяется очень часто. К этой транзисторной схеме прибегают к примеру когда нужно управлять мощной нагрузкой посредством микроконтроллера. Ножка контроллера не способна тянуть мощную нагрузку, а транзистор может. Получается контроллер управляет транзистором, а транзистор мощной нагрузкой. Ну а обо всем по порядку.

Основная суть этого режима заключается в том, что ток базы управляет током коллектора. Причем ток коллектора гораздо больше тока базы. Здесь невооруженным взглядом видно, что происходит усиление сигнала по току. Это усиление осуществляется за счет энергии источника питания.

На рисунке изображена схема работы транзистора в ключевом режиме.

Для транзисторных схем напряжения не играют большой роли, важны лишь токи. Поэтому, если отношение тока коллектора к току базы меньше коэффициента усиления транзистора то все окей.

В этом случае даже если к базе у нас приложено напряжение в 5 вольт а в цепи коллектора 500 вольт, то ничего страшного не произойдет, транзистор будет покорно переключать высоковольтную нагрузку.

Главное чтобы эти напряжения не превышали предельные значения для конкретного транзистора (задается в характеристиках транзистора).

Чтож, теперь давайте попробуем рассчитать значение базового резистора.

На сколько мы знаем, что значение тока это характеристика нагрузки.

Мы не знаем сопротивления лампочки, но мы знаем рабочий ток лампочки 100 мА. Чтобы транзистор открылся и обеспечил протекание такого тока, нужно подобрать соответствующий ток базы. Ток базы мы можем корректировать меняя номинал базового резистора.

Так как минимальное значение коэффициента усиления транзистора равно 10, то для открытия транзистора ток базы должен стать 10 мА.

Ток который нам нужен известен. Напряжение на базовом резисторе будет Такое значение напряжения на резисторе получилось из-зи того, что на переходе база-эмиттер высаживается 0,6В-0,7В и это надо не забывать учитывать.

В результате мы вполне можем найти сопротивление резистора

Осталось выбрать из ряда резисторов конкретное значение и дело в шляпе.

Теперь вы наверное думаете, что транзисторный ключ будет работать так как нужно? Что когда базовый резистор подключается к +5 В лампочка загорается, когда отключается -лампочка гаснет? Ответ может быть да а может и нет.

Все дело в том, что здесь есть небольшой нюанс.

Лампочка в том случае погаснет, когда потенциал резистора будет равен потенциалу земли. Если же резистор просто отключен от источника напряжения, то здесь не все так однозначно. Напряжение на базовом резисторе может возникнуть чудесным образом в результате наводок или еще какой потусторонней нечисти ?

Чтобы такого эффекта не происходило делают следующее. Между базой и эмиттером подключают еще один резистор Rбэ. Этот резистор выбирают номиналом как минимум в 10 раз больше базового резистора Rб (В нашем случае мы взяли резистор 4,3кОм).

Когда база подключена к какому-либо напряжению, то транзистор работает как надо, резистор Rбэ ему не мешает. На этот резистор расходуется лишь малая часть базового тока.

В случае, когда напряжение к базе не приложено, происходит подтяжка базы к потенциалу земли, что избавляет нас от всяческих наводок.

Вот в принципе мы разобрались с работой транзистора в ключевом режиме, причем как вы могли убедиться ключевой режим работы это своего рода усиление сигнала по напряжению. Ведь мы с помощью малого напряжения в 5В управляли напряжением в 12 В.

Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель является частным случаем транзисторных схем с общим коллектором.

Отличительной чертой схемы с общим коллектором от схемы с общим эмиттером (вариант с транзисторным ключем) является то, что эта схема не усиливает сигнал по напряжению. Что вошло через базу, то и вышло через эмиттер, с тем же самым напряжением.

Действительно допустим приложили к базе мы 10 вольт, при этом мы знаем что на переходе база-эмиттер высаживается где-то 0,6-0,7В. Выходит что на выходе (на эмиттере, на нагрузке Rн) будет напряжение базы минус 0,6В.

Получилось 9,4В, одним словом почти сколько вошло столько и вышло. Убедились, что по напряжению эта схема нам сигнал не увеличит.

«В чем же смысл тогда таком включении транзистора?»- спросите вы. А вот оказывается эта схема обладает другим очень важным свойством. Схема включения транзистора с общим коллектором усиливает сигнал по мощности. Мощность это произведение тока на напряжение, но так как напряжение не меняется то мощность увеличивается только за счет тока!

Ток в нагрузке складывается из тока базы плюс ток коллектора. Но если сравнивать ток базы и ток коллектора то ток базы очень мал по сравнению с током коллектора. Получается ток нагрузки равен току коллектора. И в результате получилась вот такая формула.

Теперь я думаю понятно в чем суть схемы эмиттерного повторителя, только это еще не все.

Эмиттерный повторитель обладает еще одним очень ценным качеством — высоким входным сопротивлением. Это означает, что эта транзисторная схема почти не потребляет ток входного сигнала и не создает нагрузки для схемы -источника сигнала.

Для понимания принципа работы транзистора этих двух транзисторных схем будет вполне достаточно. А если вы еще поэкспериментируете с паяльником в руках то прозрение просто не заставит себя ждать, ведь теория теорией а практика и личный опыт ценнее в сотни раз!

Где транзисторы купить?

Как и все другие радиокомпоненты транзисторы можно купить в любом ближайшем магазине радиодеталей. Если вы живете где-нибудь на окраине и о подобных магазинах не слышали (как я раньше) то остается последний вариант — заказать транзисторы в интернет- магазине. Я сам частенько заказываю радиодетали через интернет-магазины ведь в обычном оффлайн магазине может чего-нибудь просто не оказаться.

Впрочем если вы собираете устройство чисто для себя то можно не париться а добыть из старой, отслужившей свое техники и так сказать вдохнуть в старый радиокомпонет новую жизнь.

Чтож друзья, а на этом у меня все. Все, что планировал я сегодня вам рассказал. Если остались какие-либо вопросы, то задавайте их в комментариях, если вопросов нет то все равно пишите комментарии, мне всегда важно ваше мнение. Кстати не забывайте, что каждый кто впервые оставит комментарий получит подарок.

Также обязательно подпишитесь на новые статьи, потому что дальше вас ждет много интересного и полезного.

Желаю вам удачи, успехов и солнечного настроения!

Биполярный транзистор, принцип работы для чайников

Что такое биполярный транзистор – элементарное полупроводниковое устройство, функциональность которого охватывает изменение либо усиление выходного сигнала от заряженных частиц.

Это один из типов транзисторов, состоящий из 3-х слоев, которые обеспечивают 2 «зарядных» или «дырочных» перехода (би — два перехода). Соответственно, данное устройство может быть представлено как два диодных элемента, включенных противоположно друг другу.

В простонародье биполярный транзистор пришел на смену морально и физически устаревшим транзисторам лампового вида, которые эксплуатировались очень длительное время в конструкциях телевизоров прошлого столетия.

Рисунок 1 – Биполярный транзистор

Как видно из изображения 1 устройства данного вида имеют 3 выхода, однако, по конструктивному исполнению внешний вид отличается друг от друга. Но в схемах электрических цепей они одинаковы во всех случаях.

В зависимости от проводимости биполярные устройства разделяются на P→N→P и N→P→N устройства, которые отличаются что переносит заряженные частицы — электроны или посредством «дырок».

Рисунок 2 – Разновидность биполярных аппаратов

Устройство биполярного транзистора

Согласно типовых схем, буквой «Б» называется «База» — внутренний слой аппарата, его фундамент, который приводит преобразование или изменение токового сигнала. Стрелка в кругу показывает движение токовых зарядов в «Э».

«Э» — «Эмиттер» — внутренняя основная составляющая транзистора, предназначенный для переноса заряженных элементарных частиц в «Б».

«К» — «Коллектор» — вторая составляющая транзисторного устройства, которая производит сбор тех же зарядов, которые проходят через «Б».

Пласт «Базы» конструктивно выполняют очень тоненьким в связи с рекомбинированием заряженных частиц, которые идут через базовый слой, с составными частицами данного пласта. В то же время пласт «Коллектора» конструируют как можно шире для качественного сбора зарядов.

Принцип работы биполярного транзистора

Принцип работы биполярного транзистора для чайников опишем на образце P→N→P транзисторного аппарата на рисунке 3. Принцип работы биполярного транзистора N→P→N вида сходен переходу в прямом направлении, только в этом случае заряды — электрические частицы движутся от «К» до «Э». Для выполнения данного условия необходимо всего на всего изменить полярность подключенного напряжения.

Рисунок 3 — Принцип работы P→N→P транзистора

При отсутствии внешних возмущений, внутри биполярника между его слоями будет существовать разность зарядов. На границах раздела будут установлены единые барьерные мосты, так как в это время доля «дырок» в коллекторе соответствует их численности в эмиттере.

Для точной работы биполярного транзистора переход в коллекторном пласте необходимо сместить в противоположном курсе, в то же время в эмиттере направленность перехода должна быть прямым. В этом случае режим функционирования будет активным.

Для выполнения вышеуказанных условий необходимо применить два питания, один из которых с положительным знаком соединяем с концом эмиттера, «минус» подключаем к базовому слою. Второй источник напряжения соединяем в следующем порядке: «плюс» к базовому концу, «минус» — к концу коллектора. Изобразим подключение на рисунке 4.

Рисунок 4 — Принципиальная схема подключения транзистора

Под воздействием напряжения Uэ, Uк через барьеры совершается переход дырок в эмиттере №1-5 и в базовом слое электрически заряженных частиц №7,8. В данном случае величина тока в эмиттере будет зависеть от количества переходов дырок, так как их больше.

Дырки, которые перешли в базовый слой собираются у барьерного перехода. Тем самым у границы с эмиттерным слоем будет собираться массовое количество дырок, в то же время у границы с «К», концентрация их существенно ниже. В связи с этим начнется диффузия дырок к «К» и близи границы произойдет их ускорение поля «Б» и переход в «К».

При перемещении через средний слой базы дырки рекомбинируют, заряженный электрон 6 замещает дырку 5. Такое перемещение будет совершаться с увеличением плюсового заряда при переходе дырок, соответственно движение зарядов в обратном направлении будет создавать ток определенной величины, а база остается электрически нейтральной.

Число дырок, которые перешли в коллектор будет меньше числа, которые покинули эмиттер. Это значит, что электрический ток «К» будет отличаться от значения тока «Э».

Обратный переход дырок из коллектора нежелателен и снижает эффективность транзистора, потому что переход осуществляется не основными, а вспомогательными носителями энергии и зависит данный переход сугубо от величины температуры. Данный ток носит название тока тепла. По значению теплового тока судят о качестве биполярного транзистора.

На рисунке 5 схематически изобразим направление движения заряженных частиц — токов транзистора.

Рисунок 5 — Направление токов в биполярном транзисторе

На основании выше изложенного напрашивается вывод: любое изменение тока в структуре слоев эмиттер — база сопровождается изменением величины тока коллектора, причем самое малое изменение «базового» тока приведет к значимой коррекции выходного коллекторного тока.

Режим работы биполярных устройств

В зависимости от величины напряжения на выводах транзистора существует 4 режима его функционирования:

• отсечка — переходов дырки — электроды не происходит;
• активный режим — приведен в описании;
• насыщение — ток базы очень велик и ток коллектора будет иметь максимальное значение и абсолютно не зависеть от тока базы, соответственно усиления сигнала не будет;
• инверсия — использование устройства с обратными ролями эмиттера и коллектора.

Достоинства и недостатки биполярных транзисторов

К достоинствам биполярных транзисторов в сравнении с аналогами относятся:

• управление электрическими зарядами;
• надежность в работе;
• устойчивость к частотным помехам;
• малые шумовые характеристики;

К недостаткам можно отнести:

• обладает малым значением входного сопротивления, из-за которого ухудшаются характеристики по усилению сигналов;
• резкая чувствительность к статике зарядов;
• схема включения предполагает присутствие 2-х питаний;
• при высоких значениях температуры возможно повреждение транзистора.

Основы электроники для чайников: что такое транзистор и как он работает

Электроника окружает нас всюду. Но практически никто не задумывается о том, как вся эта штука работает. На самом деле все довольно просто. Именно это мы и постараемся сегодня показать. А начнем с такого важного элемента, как транзистор. Расскажем, что это такое, что делает, и как работает транзистор.

Что такое транзистор?

Транзистор – полупроводниковый прибор, предназначенный для управления электрическим током.

Где применяются транзисторы? Да везде! Без транзисторов не обходится практически ни одна современная электрическая схема. Они повсеместно используются при производстве вычислительной техники, аудио- и видео-аппаратуры.

Времена, когда советские микросхемы были самыми большими в мире, прошли, и размер современных транзисторов очень мал. Так, самые маленькие из устройств имеют размер порядка нанометра!

Приставка нано- обозначает величину порядка десять в минус девятой степени.

Однако существуют и гигантские экземпляры, использующиеся преимущественно в областях энергетики и промышленности.

Транзисторы

Существуют разные типы транзисторов: биполярные и полярные, прямой и обратной проводимости. Тем не менее, в основе работы этих приборов лежит один и тот же принцип. Транзистор — прибор полупроводниковый. Как известно, в полупроводнике носителями заряда являются электроны или дырки.

Область с избытком электронов обозначается буквой n (negative), а область с дырочной проводимостью – p (positive).

Как работает транзистор?

Чтобы все было предельно ясно, рассмотрим работу биполярного транзистора (самый популярный вид).

Биполярный транзистор (далее – просто транзистор) представляет собой кристалл полупроводника (чаще всего используется кремний или германий), разделенный на три зоны с разной электропроводностью. Зоны называются соответственно коллектором, базой и эмиттером. Устройство транзистора и его схематическое изображение показаны на рисунке ни же

Биполярный транзистор

Разделяют транзисторы прямой и обратной проводимости. Транзисторы p-n-p называются транзисторами с прямой проводимостью, а транзисторы n-p-n – с обратной.

Транзисторы

Теперь о том, какие есть два режима работы транзисторов. Сама работа транзистора похожа на работу водопроводного крана или вентиля. Только вместо воды – электрический ток. Возможны два состояния транзистора – рабочее (транзистор открыт) и состояние покоя (транзистор закрыт).

Что это значит? Когда транзистор закрыт, через него не течет ток. В открытом состоянии, когда на базу подается малый управляющий ток, транзистор открывается, и большой ток начинает течь через эмиттер-коллектор.

Физические процессы в транзисторе

А теперь подробнее о том, почему все происходит именно так, то есть почему транзистор открывается и закрывается. Возьмем биполярный транзистор. Пусть это будет n-p-n транзистор.

Если подключить источник питания между коллектором и эмиттером, электроны коллектора начнут притягиваться к плюсу, однако тока между коллектором и эмиттером не будет. Этому мешает прослойка базы и сам слой эмиттера.

Транзистор закрыт

Если же подключить дополнительный источник между базой и эмиттером, электроны из n области эмиттера начнут проникать в область баз. В результате область базы обогатиться свободными электронами, часть из которых рекомбинирует с дырками, часть потечет к плюсу базы, а часть (большая часть) направится к коллектору.

Таким образом, транзистор получается открыт, и в нем течет ток эмиттер коллектор. Если напряжение на базе увеличить, увеличится и ток коллектор эмиттер. Причем, при малом изменении управляющего напряжения наблюдается значительный рост тока через коллектор-эмиттер. Именно на этом эффекте и основана работа транзисторов в усилителях.

Транзистор открыт

Вот вкратце и вся суть работы транзисторов. Нужно рассчитать усилитель мощности на биполярных транзисторах за одну ночь, или выполнить лабораторную работу по исследованию работы транзистора? Это не проблема даже для новичка, если воспользоваться помощью специалистов нашего студенческого сервиса.

Не стесняйтесь обращаться за профессиональной помощью в таких важных вопросах, как учеба! А теперь, когда у вас уже есть представление о транзисторах, предлагаем расслабиться и посмотреть клип группы Korn “Twisted transistor”! Например, вы решили купить отчет по практике, обращайтесь в Заочник.

Принцип работы биполярного транзистора

На определённом этапе времени всем привычные электронные лампы были заменены транзисторами. И это не удивительно, поскольку они имеют гораздо меньший размер, более надёжные и затрачивают гораздо меньше энергии. Такое большое количество положительных сторон привело к тому, что на сегодняшний день биполярные транзисторы являются главными элементами практически всех усилительных схем.

Составные части устройства

Биполярный транзистор разделяется на три основные части:

1. Эммитер – это один из слоёв полупроводника, его задача заключается в инжектировании носителей заряда в базу (её слой).
2. База – это один из слоёв полупроводника, считается главным в транзисторе.
3. Коллектор – слой полупроводника, задачей которого является собрать все заряды, которые прошли через базу.

Как правило, область эммитера немного уже, чем у коллектора. Поскольку изготовление базы происходит из слаболегированного полупроводника, то она является очень тонкой. В результате того, что площадь контакта между эммитером и базой гораздо уже, чем между базой и коллектором, то произвести замену коллектора и эмиттера просто невозможно, даже при большом желании. Подобная ситуация приводит к тому, что биполярный транзистор считается устройством, в котором отсутствует симметрия.

Биполярный транзистор — принцип работы

Принцип действия биполярного транзистора представлен ниже.

Когда транзистор включают в режиме усиления, открывается эммитерный переход, и закрывается переход коллектора. Это происходит в результате подключения источников питания.

Из-за того, что переход эммитера находится в открытом положении, через него происходит переход эммитерного тока, он образуется в результате перехода дырок из базового слоя транзистора в эммитер и аналогичного перехода электронов из эммитера в базовый слой.

В результате этого эммитерный ток состоит из двух основных частей – дырочной и электронной.

Чтобы определить коэффициент инжекции, следует разобраться с уровнем эффективности эммитера.

Инжекция зарядов – это перемещение элементов, содержащих в себе заряд из зоны, где они играли основную роль, в зону, где они стали неосновными.

В базовом слое транзистора происходит рекомбинация электронов, а восполнение их концентрации происходит за счёт плюса источника ЭГ. В итоге электрическая цепь базового слоя биполярного транзистора содержит в себе достаточно слабый ток.

А те электроны, которые попросту не успели поддаться процессу рекомбинации в базовом слое, с помощью разгоняющего воздействия закрытого коллекторного перехода перемещаются в него, и происходит образование коллекторного тока. В результате этого наблюдается экстракция электрических зарядов (переход элементов, которые содержат в себе заряд из зоны, где они играли второстепенную роль в зону, где они играют главную роль).

Вот и весь принцип работы биполярного транзистора.

Режимы функционирования устройства

На этом этапе времени выделяют следующие режимы работы биполярного транзистора:

1. Активный инверсный режим. В этом случае открыт переход между базовым и коллекторным слоями, а переход между базой и эммитером закрыт. Усилительные свойства в данном режиме очень плохие, поэтому в таком состоянии транзисторы используют в редчайших ситуациях.
2. Насыщение. Оба вышеуказанных перехода находятся в открытом состоянии. В результате этого элементы коллектора и эммитера, которые содержат в себе заряд, перемещаются в базовый слой, где происходит их активная рекомбинация с основными элементами базы. Из-за чрезмерного количества зарядов происходит снижение сопротивляемости базы, наблюдается уменьшение p — n переходов. В режиме насыщения, цепь транзистора имеет вид короткозамкнутой, а данный элемент представлен в роли эквипотенциальной точки.
3. Режим отсечки. Оба перехода в биполярном транзисторе закрыты, соответственно, происходит прекращение тока основных носителей заряда между коллекторным и эммитерным слоями. Потоки второстепенных зарядов способны только создавать неуправляемые и малые токи. В результате скудности базового слоя и перемещения носителей зарядов сопротивление вышеуказанных токов в значительной мере возрастает. Из-за подобной работы достаточно часто бытует мнение, что устройство, работающее в таком режиме, являет собой разрыв цепи.
4. Барьерный режим. В данном режиме базовый слой прямо или с помощью малого сопротивления замыкается с коллекторным слоем. В этом случае, в цепь коллектора или эммитера необходимо включить резистор, который через транзистор начинает задавать ток. В результате такой работы происходит образование эквивалента схемы диода, которая имеет последовательно включённое сопротивление. В подобном состоянии устройства схема способна работать при различных температурных режимах и при разнообразных параметрах транзистора.

Схемы включения транзисторов биполярного типа

Из-за того, что транзистор имеет три контакта, то питание на него следует подавать из 2 источников, сумма которых образует четыре вывода. Подобное действие приводит к тому, что в один из контактов устройства происходит подача напряжения одного знака из различных источников.

С учётом того, в какой контакт производится подача напряжения, выделяют три типа схем включения биполярных транзисторов:

• с эммитерным слоем;
• с коллекторным слоем;
• с базовым слоем.

Каждая из вышеуказанных схем имеет свои преимущества и недостатки.

Схема включения с общим эммитерным слоем

Данная схема создаёт самое большое усиление по току и напряжению. Благодаря таким её свойствам она и является самой распространённой. В данном случае присутствует прямой переход между эммитерным и базовым слоями и обратный переход между базой и коллектором. А тот факт, что на них осуществляется подача напряжения одного знака, способствует тому, что схему можно напитать с помощью одного источника.

Среди отрицательных сторон схемы можно выделить то, что возрастание частоты и температурного режима способствует значительному снижению усилительных свойств устройства. В результате этого следует отметить, что если необходима работа транзистора на высоких частотах, то от использования этой схемы желательно отказаться.

Схема включения с общим базовым слоем

Данная схема создаёт среднее усиление сигнала, но зато она прекрасно подходит для работы на высоких частотах. Если одно и то же устройство будет сначала функционировать по первой схеме, а затем по этой, то можно будет наблюдать значительный рост граничной частоты усиления. Из-за того, что в этой схеме заниженное сопротивление входа и среднее сопротивление выхода, то её лучше использовать в случае наличия антенных усилителей, в которых волновое сопротивление кабелей составляет не более ста Ом.

Среди минусов можно выделить тот момент, что для того, чтобы напитать устройство, требуется использовать 2 источника питания.

Схема включения с общим коллекторным слоем

Среди других схем выделяется тем, что наблюдается полная передача напряжения обратно на вход – это указывает на сильнейшую отрицательную обратную связь.

Уровень усиления по току практически равен значению, присутствующему в первой схеме. Но вот уровень усиления по напряжению очень маленький, что является одним из главных недостатков данной схемы.

Разобраться в особенностях работы биполярного транзистора и его схем достаточно просто, главное — постараться вникнуть.

Транзисторы: принцип работы,​ схема подключения, отличие биполярного от полевого

В свое время за открытие транзистора его создатели удостоились Нобелевской премии. Этот маленький прибор изменил человечество навсегда: начиная с простых радиоприемников и заканчивая процессорами, в которых их число достигает нескольких миллиардов. Между тем, чтобы узнать, как он работает, не нужно быть золотым медалистом или лауреатом «нобелевки».

Что такое транзистор

Транзистор – это прибор, изготовленный из полупроводниковых материалов. Выглядит как маленькая металлическая пластинка с тремя контактами. Назначений у него два: усиливать поступающий сигнал и участвовать в управлении компонентами электроприборов.

Принцип действия

Полупроводники занимают промежуточное состояние между проводниками и диэлектриками. В обычном состоянии они не проводят электрический ток, но их сопротивление падает с ростом температуры. Чем она выше, тем больше энергии, которую получает вещество.

В атомах полупроводника электроны отрываются от «родительского» атома и улетают к другому, чтобы заполнить там «дырку», которую оставил такой же электрон. Получается, что внутри такого материала одновременно происходят два процесса: полет электронов (n-проводимость, от слова negative – отрицательный), и образование «дырок» (p-проводимость от слова positive – положительный). В обычном куске кремния эти процессы уравновешены: количество дырок равно количеству свободных электронов.

Однако с помощью специальных веществ можно нарушить это равновесие, добавив «лишние» электроны (вещества – доноры) или «лишние» «дырки» (вещества акцепторы). Таким образом можно получить кристалл полупроводника с преобладающей n-проводимостью, либо p-проводимостью.

Если два таких материала приложить друг к другу, то в месте их соприкосновения образуется так называемый p-n переход. Дырки и электроны проходят через него, насыщая соседа. То есть там, где был избыток дырок, идет их заполнение электронами и наоборот.

В какой-то момент в месте соприкосновения не останется свободных носителей заряда и наступит равновесие. Это своего рода барьер, который невозможно преодолеть, этакая пустыня. Этот слой принято называть обедненным слоем.

Теперь, если приложить к такому материалу напряжение, то оно поведет себя интересным образом: при прямой его направленности обедненный слой истончится и через него пойдет электроток, а при обратном – наоборот, расширится.

Как говорится, если для чайников, то p-n переход обладает способностью пропускать ток только в одном направлении. Это своего рода «обратный клапан» для электрической сети. На этом их свойстве основана работа всех полупроводниковых приборов.

Существует две основные разновидности транзисторов: полевые (иногда их называют униполярными) и биполярными. Различаются они по устройству и принципу действия.

Биполярный транзистор

Наиболее наглядная иллюстрация в этом случае – садовый шланг, который проходит через камеру небольшого колеса. В таком случае, даже когда в него подается небольшое давление воздуха (напряжение затвор-исток), оно значительно увеличивается в размерах и начинает пережимать шланг, перекрывается просвет шланга и прекращается подача воды (увеличивается зона p-n перехода и через канал перестает идти электроток).

Описанный выше тип полупроводникового прибора является классическим и называется транзистором с управляющим p-n переходом. Часто можно встретить аббревиатуру JFET – Junction FET, что просто перевод русского названия на английский.

Другой тип полевого триода имеет небольшое различие в конструкции затвора. На слое кремния с помощью окисления образуется слой диэлектрика оксида кремния. Уже на него методом напыления металла наносят затвор. Получаются чередующиеся слои Металл -Диэлектрик – Полупроводник или МДП-затвор.

Такой полевой транзистор с изолированным затвором обозначается латинскими буквами MOSFET.

Существует два вида МДП-затвора:

1. МДП-затвор с индуцированным (или инверсным) каналом в обычном состоянии закрыт, то есть при отсутствии напряжения на затворе электроток через канал не проходит. Для того, чтобы открыть его, к затвору необходимо приложить напряжение.
2. МДП-затвор со встроенным (или собственным) каналом в обычном состоянии открыт, то есть при отсутствии напряжения на затворе электроток через канал проходит. Для того, чтобы закрыть его, к затвору необходимо приложить напряжение.

Основные характеристики

Основная особенностью всех видов транзисторов является способность управлять мощным током с помощью небольшого по силе. Их отношение показывает насколько эффективен полупроводниковый прибор.

В биполярных транзисторах этот показатель называется статическим коэффициентом передачи тока базы. Он характеризует, во сколько раз основной коллекторный ток больше вызвавшего его тока базы. Этот параметр имеет очень широкое значение и может достигать 800.

Хотя на первый взгляд кажется, что здесь важен принцип «чем больше, тем лучше», но в действительности это не так. Скорее, тут применимо изречение «лучше меньше, да лучше». В среднем биполярные транзисторы имеют коэффициент передачи тока базы в пределах 10 – 50.

Для полевых транзисторов схожий по типу параметр называется крутизной входной характеристики или проводимостью прямой передачи тока. Если вкратце, он показывает, на сколько изменится напряжение, проходящее через канал, если изменить напряжение затвора на 1 В.

Если на транзистор подать сигнал с определенной частотой, то он многократно усилит его. Это свойство полупроводниковых приборов применяется в радиоэлектронике. Однако существует предел усиления частоты, за которым триод уже не в состоянии усилить сигнал.

Поэтому оптимальным считается максимальная рабочая частота сигнала, в 10-20 раз ниже предельного усиления частоты транзистора.

Еще одной показательной характеристикой транзистора является максимальная допустимая рассеиваемая мощность. Дело в том, что при работе любого электрического прибора вырабатывается тепло. Оно тем больше, чем выше значения силы тока и напряжения в цепи.

Отводится оно несколькими способами: с помощью специальных радиаторов, принудительного обдува воздухом и другими. Таким образом, существует некий предел количества теплоты для любого триода (для каждого он разный), который он может рассеять в пространство. Поэтому при выборе прибора исходят из характеристик электрической цепи, на который предстоит установить транзистор.

Типы подключений

Основная задача транзистора – усиливать поступающий сигнал. Проблема в том, что у любого триода имеются только три контакта, в то время как сам усилитель имеет четыре полюса – два для входящего сигнала и два для выходящего, то есть усиленного. Выход из положения – использовать один из контактов транзистора дважды: и как вход, и как выход.

По этому принципу различают три вида подключения. Стоит отметить, что не имеет принципиальной разницы, какой тип прибора используется – полевой или биполярный.

1. Подключение с общим эмиттером (ОЭ) или общим истоком (ОИ). Эта схема подключения имеет наибольшие значения усиления мощности по току и напряжению. Однако из-за эффекта Миллера его частотные характеристики значительно хуже. Борются с этим негативным явлением несколькими способами: используют подключение с общей базой, применяют каскодное подключение двух транзисторов (подключённому по общему эмиттеру добавляется второй, подключенный по общей базе).
2. Подключение с общей базой (ОБ) или общим затвором (ОЗ). Здесь полностью исключено влияние эффекта Миллера. Однако за это приходиться платить: в этой схеме усиления тока практически не происходит, зато имеется широкий диапазон для изменения частоты сигнала.
3. Подключение с общим коллектором (ОК) или общим стоком (ОС). Такой тип подключения часто называют эмиттерным или истоковым повторителем. Это «золотая середина» между двумя предыдущими видами схем: частотные характеристики и мощность усиления по току и напряжению находятся где-то посередине между двумя первыми.

Все три описанных выше типа подключения применяются в зависимости от того, какие цели преследуют конструкторы.

Виды транзисторов

В первых транзисторах применялся германий, который работал не совсем стабильно. Со временем от него отказалось в пользу других материалов: кремния (самый распространённый) и арсенида галлия. Но все это традиционные полупроводники.

Устройство и принцип работы транзистора

Практическую значимость биполярного транзистора для современной электроники и электротехники невозможно переоценить. Биполярные транзисторы применяются сегодня повсюду: для генерации и усиления сигналов, в электрических преобразователях, в приемниках и передатчиках, да и много где еще, перечислять можно очень долго.

Поэтому в рамках данной статьи мы не будем касаться всевозможных сфер применения биполярных транзисторов, а только рассмотрим устройство и общий принцип действия этого замечательного полупроводникового прибора, который начиная с 1950-х годов перевернул всю электронную промышленность, а с 70-х годов сильно способствовал ускорению технического прогресса.

Биполярный транзистор — трехэлектродный полупроводниковый прибор, включающий себя в качестве основы три слоя чередующихся по типу проводимости. Таким образом, транзисторы бывают NPN и PNP-типа. Полупроводниковые материалы, из которых делают транзисторы, это в основном: кремний, германий, арсенид галлия и другие.

Кремний, германий и другие вещества изначально являются диэлектриками, но если в них добавить примеси, то они станут полупроводниками. Добавки в кремний типа фосфора (донор электронов) сделают кремний полупроводником N-типа, а если в кремний добавить бор (акцептор электронов), то кремний станет полупроводником P-типа.

В результате полупроводники N-типа обладают электронной проводимостью, а полупроводники P-типа — дырочной проводимостью. Как вы поняли, проводимость определяется по виду рабочих носителей заряда.

Так вот, трехслойный пирог из полупроводников P-типа и N-типа — это по сути и есть биполярный транзистор. К каждому слою припаяны выводы, которые называются: эмиттер, коллектор и база.

База — это управляющий проводимостью электрод. Эмиттер — это источник носителей тока в цепи. Коллектор — это то место, в направлении которого устремляются носители тока под действием приложенной к устройству ЭДС.

Условные обозначения биполярных транзисторов типов NPN и PNP на схемах различны. Данные обозначения как раз и отражают устройство и принцип действия транзистора в электрической цепи. Стрелка всегда изображается между эмиттером и базой. Направление стрелки — это направление управляющего тока, который подается в цепь база-эмиттер.

Так, у NPN-транзистора стрелка направлена от базы в сторону эмиттера, это значит что в активном режиме именно электроны из эмиттера устремятся к коллектору, при этом управляющий ток должен быть направлен от базы — к эмиттеру.

У PNP-трназистора наоборот: стрелка направлена от эмиттера в сторону базы, это значит что в активном режиме дырки из эмиттера устремляются к коллектору, при этом управляющий ток должен быть направлен от эмиттера — к базе.

Давайте разберемся, почему так происходит. При подаче постоянного положительного напряжения на базу NPN-транзистора (в районе 0,7 вольт) относительно его эмиттера, p-n-переход база-эмиттер данного NPN-транзистора (см. рисунок) смещается в прямом направлении, и потенциальный барьер между переходами коллектор-база и база-эмиттер снижается, теперь электроны могут двигаться через него под действием ЭДС в цепи коллектор-эмиттер.

При достаточном токе базы, ток коллектор-эмиттер возникнет в данной цепи и сложится с током база-эмиттер. NPN-транзистор перейдет в открытое состояние.

Соотношение между током коллектора и управляющим током (базы) называется коэффициентом усиления транзистора по току. Данный параметр приводится в документации на транзистор, и может лежать в диапазоне от единиц до нескольких сотен.

При подаче постоянного отрицательного напряжения на базу PNP-транзистора (в районе -0,7 вольт) относительно его эмиттера, n-p-переход база-эмиттер данного PNP-транзистора смещается в прямом направлении, и потенциальный барьер между переходами коллектор-база и база-эмиттер снижается, теперь дырки могут двигаться через него под действием ЭДС в цепи коллектор-эмиттер.

Обратите внимание на полярность питания коллекторной цепи. При достаточном токе базы, ток коллектор-эмиттер возникнет в данной цепи и сложится с током база-эмиттер. PNP-транзистор перейдет в открытое состояние.

Биполярные транзисторы обычно используются в различных устройствах в усилительном, барьерном или в ключевом режиме.

В усилительном режиме ток базы никогда не опускается ниже тока удержания, при котором транзистор все время пребывает в открытом проводящем состоянии. В данном режиме колебания малого тока базы инициируют соответствующие колебания значительно большего тока коллектора.

В ключевом режиме транзистор переходит из закрытого состояния в открытое, выполняя роль быстродействующего электронного коммутатора. В барьерном режиме — путем варьирования тока базы управляют током нагрузки, включенной в цепь коллектора.

Транзисторы: назначение, устройство и принципы работы

Что означает название «транзистор»

Первоначально все транзисторы называли полупроводниковыми триодами. Термин «транзистор» можно разделить на две составляющие: «трансфер» — передача, преобразование; «резистор» — электрическое сопротивление. Поэтому понятие «транзистор» определяется как преобразователь сопротивления. Такое объяснение совпадает и с принципом работы транзистора: транзистор открыт – сопротивление стремится к нулю, транзистор закрыт – сопротивление большое.

Применение транзисторов

Изначально транзисторы пришли на смену электрическим лампам в схемах усиления электрических сигналов в радиотехнике. Принцип действия любого усилителя достаточно прост: маломощный входной сигнал в электрической схеме с дополнительным источником питания получает усиление по амплитуде. Другими словами, транзистор позволяет управлять маломощным входным воздействием мощными потоками энергии.

В большинстве схем усиления сигналов транзисторы используются в качестве управляемого сопротивления с маломощным входным сигналом задания. Схемы управления в радиоэлектронике строятся на базе источников постоянного напряжения. Входной управляющий сигнал изменяет внутреннее сопротивление транзистора, формируя переменный сигнал на выходе транзистора. В соответствии с этим формируется ток в цепи нагрузки транзистора.

Электропроводность и строение атома

Электропроводность любого материала определяется строением его атомов. В начале ХХ века Нильс Бор ввел понятие «планетарной модели атома», которая представлена на рисунке ниже.

Согласно этой модели атом состоит из ядра (протоны и нейтроны), вокруг которого по орбитам вращаются заряженные частицы (электроны). Ядро имеет общий положительный заряд за счет наличия протонов. Количество протонов и электронов в ядре уравновешено, что позволяет атому находиться в состоянии электрического равновесия. При потере электрона атом превращается в положительно заряженный ион; при присоединении атомом чужого электрона – атом превращается в отрицательный ион. Строение атома рассмотрим на примере кремния (Si).

По таблице Менделеева можно определить строение любого атома. Так для кремния распределение электронов по орбитам будет выглядеть как 2-8-4. В любом атоме орбиты имеют сферический характер, однако для упрощения примем все орбиты движения электронов как расположенные в одной плоскости.

Свойства материала определяют электроны, расположенные на внешней орбите (валентные электроны), которые принимают участие в образовании молекул из нескольких атомов. Валентные электроны способны отрываться от атома и создавать электрический ток. Именно эти носители заряда и определяют полупроводниковые свойства транзисторов.

---

Всего комментариев: 0

---

Транзистор: принцип работы

Транзистор относится к категории полупроводниковых приборов. В электротехнике он используется как генератор и усилитель электрических колебаний. Основой прибора является кристалл, расположенный в корпусе. Для изготовления кристалла используется специальный полупроводниковый материал, по своим свойствам находящийся в промежуточном положении между изолятором и проводником. Транзистор применяется в радио- и электронных схемах. Данные приборы могут быть биполярными и полевыми. Каждый из них обладает собственными параметрами и характеристиками.

Особенности биполярных транзисторов

Электрический ток в биполярных транзисторах образуется электрическими зарядами, имеющими положительную и отрицательную полярность. Дырки переносят положительную полярность, а электроны – отрицательную. Для данного вида устройств используются германиевые или кремниевые кристаллы, обладающие индивидуальными особенностями, которые учитываются при создании электронных схем.

Основой кристалла служат сверхчистые материалы. К ним добавляются специальные примеси в точной дозировке. Именно они оказывают влияние на возникновение в кристалле электронной или дырочной проводимости. Они обозначаются соответственно, как n- или р-проводимость. Происходит формирование базы, являющейся одним из электродов. Специальные примеси, введенные в кристаллическую поверхность, изменяют проводимость базы на противоположное значение. В результате, образуются зоны n-р-n или р-n-р, к которым подключаются выводы. Таким образом, происходит создание транзистора.

Источник носителей заряда называется эмиттером, а собиратель носителей является коллектором. Между ними располагается зона, исполняющая роль базы. Выводы прибора называются в соответствии с подключенными электродами. При поступлении на эмиттер входного сигнала в виде небольшого электрического напряжения, в цепи между ним и коллектором будет протекать ток. Форма этого тока совпадает с входным сигналом, однако его значение существенно увеличивается. Именно в этом заключаются усиливающие свойства транзистора.

Работа полевого транзистора

В полевых транзисторах направленное движение электронов или дырок образуется под воздействием электрического поля, которое создается на третьем электроде приложенным напряжением. Из одного электрода выходят носители, поэтому он называется истоком. Второй электрод, на который поступают заряды, носит название стока. Третий электрод, управляющий движением частиц, называется затвором.

Токопроводящий участок, ограниченный стоком и истоком, именуется каналом, поэтому данные устройства еще известны как канальные. Сопротивление канала изменяется под действием напряжения, образующегося на затворе. Этот фактор оказывает воздействие на протекающий по каналу электрический ток.

Тип носителей заряда влияет на характеристики полевых транзисторов. В n-канале происходит направленное движение электронов, а в р-канале перемещаются дырки. Таким образом, ток появляется под действием носителей лишь с каким-то одним знаком. В этом состоит основное отличие полевых и биполярных транзисторов.

Принцип работы каждого полевой транзистора заключается в однополярном токе, требует постоянного напряжения, чтобы обеспечить начальное смещение. Значение полярности зависит от типа канала, а напряжение связано с тем или иным типом устройства. В целом, они надежны в эксплуатации, могут работать в широком диапазоне частот, имеют большое входное сопротивление.

Принцип работы транзистора

| Electrical4U

На рынке доступны различные типы транзисторов, но для понимания мы рассмотрим общий режим эмиттера NPN-транзистора. Для этого напомним основные конструктивные особенности биполярного npn-транзистора. Его эмиттерная область сильно легирована и шире, поэтому количество свободных электронов (основных носителей заряда) здесь велико.

Коллекторная область также шире, но умеренно легирована, поэтому количество свободных электронов меньше, чем у эмиттерной.Базовая область рассеивается между более широкой областью эмиттера и коллектора, но базовая область довольно тонкая по сравнению с внешней областью эмиттера и коллектора, а также очень слабо легирована, поэтому количество дырок (основных носителей заряда) здесь довольно мало. Теперь мы подключаем одну батарею между эмиттером и коллектором. Вывод эмиттера транзистора подключен к отрицательному выводу аккумуляторной батареи. Следовательно, переход эмиттер-база становится смещенным в прямом направлении, а переход база-коллектор становится смещенным в обратном направлении.В этом состоянии через устройство не будет протекать ток. Прежде чем перейти к реальной работе устройства, напомним детали конструкции и легирования NPN-транзистора. Здесь эмиттерная область шире и очень сильно легирована. Следовательно, концентрация основных носителей заряда (свободных электронов) в этой области транзистора очень высока.

Базовая область, с другой стороны, очень тонкая, она составляет несколько микрометров, тогда как эмиттерная и коллекторная области находятся в диапазоне миллиметров.Легирование среднего слоя p-типа очень низкое, и в результате в этой области присутствует очень небольшое количество дырок. Коллекторная область шире, как мы уже говорили, и легирование здесь представляет собой умеренное и, следовательно, умеренное количество свободных электронов, присутствующих в этой области.

Все напряжение, приложенное между эмиттером и коллектором, падает в двух местах. Один из них находится у прямого барьерного потенциала на переходе эмиттер-база, и это составляет около 0,7 В в случае кремниевых транзисторов.Остальная часть приложенного напряжения падает как обратный барьер на переходе база-коллектор.

Каким бы ни было напряжение на устройстве, прямой барьерный потенциал на переходе эмиттер-база всегда остается 0,7 В, а остальная часть напряжения источника падает на переход база-коллектор как обратный барьерный потенциал.

Это означает, что никакое напряжение коллектора не может преодолеть прямой барьерный потенциал. Следовательно, в идеале ни один из свободных электронов в области эмиттера не может пересечь потенциал прямого барьера и не может попасть в базовую область.В результате транзистор будет вести себя как выключатель.

NB: — Поскольку в этом состоянии транзистор не проводит ток идеально, на внешнем сопротивлении не будет падения напряжения, следовательно, все напряжение источника (В) будет падать на переходах, как показано на рисунке выше.

Теперь посмотрим, что произойдет, если мы подадим положительное напряжение на базовый вывод устройства. В этой ситуации переход база-эмиттер получает прямое напряжение индивидуально и, безусловно, может преодолеть прямой потенциальный барьер и, следовательно, большинство носителей, т.е.е., свободные электроны в эмиттерной области пересекают переход и попадают в базовую область, где они получают очень небольшое количество дырок для рекомбинации.

Но из-за электрического поля в переходе свободные электроны, мигрирующие из области эмиттера, получают кинетическую энергию. Базовая область настолько тонкая, что свободные электроны, выходящие из эмиттера, не получают достаточно времени для рекомбинации и, следовательно, пересекают область обеднения с обратным смещением и в конечном итоге попадают в зону коллектора. Поскольку существует обратный барьер, присутствующий на переходе база-коллектор, он не будет препятствовать потоку свободных электронов от базы к коллектору, поскольку свободные электроны в области базы являются неосновными носителями.
Таким образом, электроны текут от эмиттера к коллектору и, следовательно, начинает течь ток от коллектора к эмиттеру. Так как дырок в базовой области мало, некоторые электроны, выходящие из эмиттерной области, рекомбинируют с этими дырками и вносят вклад в ток базы. Этот базовый ток намного меньше, чем ток между коллектором и эмиттером.

Поскольку часть всех электронов, мигрирующих из области эмиттера, вносит вклад в ток базы, остальная их большая часть вносит вклад в ток через область коллектора.Ток через эмиттер называется током эмиттера, ток через коллектор называется током коллектора, а крошечный ток, протекающий через вывод базы, называется током базы. Следовательно, здесь ток эмиттера является суммой тока базы и тока коллектора.

Теперь увеличим прикладываемое базовое напряжение. В этой ситуации из-за повышенного прямого напряжения на переходе эмиттер-база пропорционально больше свободных электронов будет приходить из области эмиттера в область базы с большей кинетической энергией.Это вызывает пропорциональное увеличение тока коллектора. Таким образом, управляя сигналом небольшой базы, мы можем управлять сигналом довольно большого коллектора. Это основной принцип работы транзистора.

5.2 Биполярный транзистор — принцип работы

5.2 Биполярный транзистор — принцип работы

---

Содержание — 1 2 3 4 5 6 7 8 9 R S — ®

---

Транзистор с биполярным переходом состоит из двух соединенных друг с другом p-n-переходов, которые имеют общую тонкую область шириной w _B .Контакты сделаны со всеми тремя областями, двумя внешними областями, называемыми эмиттером и коллектором, и средней областью, называемой базой. Структура биполярного транзистора NPN показана на рисунке 5.1 (а). Устройство называется «биполярным», поскольку в его работе задействованы оба типа мобильных носителей: электроны и дырки.

(а)

(б)

Рис. 5.1 (a) Структура и соглашение о знаках биполярного переходного транзистора NPN.(b) Поток электронов и дырок при прямом активном смещении, В _BE > 0 и В _BC = 0.

Поскольку устройство состоит из двух встречных диодов, между квазинейтральными областями есть обедненные области. Ширина квазинейтральных областей в эмиттере, базе и коллекторе обозначена символами w _E ^‘ , w _B ^‘ и w _C ^‘ и составляет рассчитано от

(5.1)

(5,2)
(5,3)

, где ширина обедненной области определяется по формуле:

(5.4)
(5,5)
(5,6)
(5,7)

Знаки токов и напряжений показаны на рисунке 5.1 (а). Ток базы и коллектора положительный, если положительный ток идет на контакт базы или коллектора. Ток эмиттера положительный для тока, выходящего из контакта эмиттера. Это также означает, что:

(5,8)

Напряжение база-эмиттер и напряжение база-коллектор являются положительными, если на контакт базы подается более положительное напряжение.

Принцип работы устройства показан на Рисунке 5.1 (б). Мы рассматриваем режим прямого активного смещения, полученный путем прямого смещения перехода база-эмиттер и обратного смещения перехода база-коллектор. Чтобы упростить дальнейшее обсуждение, мы также устанавливаем V _CE = 0. Электроны диффундируют из эмиттера в основание, а дырки диффундируют из базы в эмиттер. Эта диффузия носителей идентична диффузии в p-n-переходе. Однако отличие состоит в том, что электроны могут диффундировать как неосновные носители через квазинейтральную область в базе.Как только электроны достигают обедненной области базового коллектора, они проходят через обедненный слой из-за электрического поля. Эти электроны вносят вклад в ток коллектора. Кроме того, есть еще два тока: базовый рекомбинационный ток и рекомбинация обедненного слоя.

Таким образом, полный ток эмиттера складывается из тока диффузии электронов, I _{E, n} , тока диффузии дырок, I _{E, p} , и тока рекомбинации обедненного слоя, I _{r, d} .

(5,9)

Полный ток коллектора — это ток диффузии электронов, I _{E, n} , минус базовый рекомбинационный ток, I _{r, B} .

Базовый ток представляет собой сумму тока диффузии дырок, I _{E, p} , базового рекомбинационного тока, I _{r, B} и тока рекомбинации обедненного слоя, I _{r, d} .

(5,11)

Коэффициент переноса определяется как соотношение тока коллектора и эмиттера:

Используя закон Кирхгофа и знаковое соглашение, показанное на рис. 5.1 (a), мы находим, что базовый ток равен разнице между токами эмиттера и коллектора. Коэффициент усиления по току определяется как отношение тока коллектора к току базы и составляет:

(5.13)

Это объясняет, как биполярный переходной транзистор может обеспечить усиление тока. Если ток коллектора почти равен току эмиттера, коэффициент переноса a приближается к единице. Текущее усиление, b , поэтому может стать намного больше единицы.

Чтобы облегчить дальнейший анализ, мы теперь перепишем коэффициент переноса a как произведение эффективности эмиттера g _E , базового транспортного коэффициента a _T и коэффициента рекомбинации слоя истощения. , г _г .

(5,14)

Эффективность эмиттера, г _E , определяется как отношение электронного тока в эмиттере, I _{E, n} , к сумме электронного и дырочного тока, диффундирующего через базу. эмиттерный переход, I _{E, n} + I _{E, p} .

Коэффициент переноса базы, a _T , равен отношению тока, обусловленного электронами, инжектированными в коллектор, к току, обусловленному электронами, инжектированными в базу.

Рекомбинация в обедненной области перехода база-эмиттер дополнительно снижает коэффициент усиления по току, поскольку увеличивает ток эмиттера без увеличения тока коллектора. Коэффициент рекомбинации обедненного слоя, d _r , равен отношению тока, обусловленного диффузией электронов и дырок через переход база-эмиттер, к полному току эмиттера:

(5,17)

---

5.1 ® 5.

---

© Барт Дж. Ван Зегбрук, 1996, 1997, 1998

---

Основы транзисторов — типы, принцип работы и применение

Транзисторы также относятся к категории полупроводников. Они ответственны за революционные изменения в области электроники. Первый практический транзистор был представлен в 1927 году и известен как точечный транзистор Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли.

Сжатие размеров электронных устройств происходит только из-за изобретения транзисторов.Слово транзистор можно разделить на два основных слова. Самый первый «транс» называется передачей сигналов. Вторая часть слова — «истор», это свойство сопротивления, оказываемого на соответствующих переходах.

Обладает характеристиками переключателя. Он имеет возможность участвовать в процессе усиления, а также выпрямления сигналов, будь то сигналы напряжения или сигналы тока.

Что такое транзистор?

Цепь с низким сопротивлением участвует в передаче слабых сигналов в цепь с высоким сопротивлением.Этот тип схемы определяется как транзистор.

Конструкция транзистора

Транзистор формируется, в то время как два диода p-n перехода могут быть соединены таким образом, что оба задних конца соединены вместе. В середине соединенная область очень тонкая, что называется основанием.

Одна сторона называется эмиттером, а другая — коллектором. Таким образом построены транзисторы. Эмиттер находится справа от транзистора, а наличие коллектора можно наблюдать слева.

Типы транзисторов

Базовый транзистор можно разделить на два типа в зависимости от типа его конструкции. Один называется p-n-p, а другой — n-p-n. Конструкция этих p-n-p и n-p-n очень проста.

Транзистор с центром n-типа и обоими p-типами приводит к образованию p-n-p. Транзистор, сформированный с центром в виде p-типа и обоими n-типами с обеих сторон, приводит к образованию n-p-n.

Есть индикации, которые представлены стрелками, которые показывают обычные токи, протекающие в этом конкретном направлении.Это можно назвать единственной разницей между транзисторами n-p-n и p-n-p. Каждый транзистор имеет три основных вывода.

Эти три клеммы обозначены как

1. База
2. Излучатель
3. Коллектор

Базовые символы транзистора вместе с его клеммами

(1) База

Центр транзистора находится в центре . Он имеет помехи с двумя цепями, одна из которых называется входной, а другая — выходной.Входной формируется за счет взаимодействия эмиттера и базы, а выходной — за счет коллектора и базы.

Более низкое сопротивление можно увидеть на входной цепи со стороны помех базы эмиттера. Более высокое сопротивление предлагается в выходной цепи базы и коллектора. Концентрация легирования у основания низкая. Размер основания тонкий.

(2) Эмиттер

Чтобы всегда обеспечивать питание большинства носителей заряда, соответствующий переход базы эмиттера должен иметь прямое смещение.Он легирован сильной консистенцией, так что большинство носителей может быть введено в основу. Размер излучателя будет умеренным.

(3) Коллектор

Как следует из названия, он действует как коллектор для большинства носителей. Следовательно, это считается для сбора выходных сигналов. Это причина, по которой взаимодействующие части коллектора и базы остаются в обратном смещении.

Легирование коллектора умеренное, но его размер больше, чем у базы и эмиттера.Выше представлены клеммы базового транзистора.

Принцип работы транзистора

Элемент, называемый кремнием, обычно является предпочтительным для конструкции транзистора. Кремний менее чувствителен к температуре. Он способен выдерживать высокие значения напряжения и большие диапазоны токов.

Как известно, эмиттерный базовый переход должен находиться в прямом смещении, а коллекторный базовый переход — в обратном смещении. Из-за условия прямого смещения в переходе эмиттерной базы большая часть носителей входит в базу.

Это причина того, что базовый ток имеет тенденцию протекать через область базы. Этот ток имеет тенденцию течь к коллектору, и в ответ на это движение электронов наблюдается в области коллектора от базы.

Базовый ток также отвечает за создание вакансии на коллекторе. Но это небольшая величина. Как мы уже знаем, база транзистора всегда была слегка легированной.

Это причина того, что будет меньшее количество носителей заряда, таких как электроны, меньше по количеству по сравнению с эмиттером.Эти небольшие количества электронов взаимодействуют с дырками в основании, тогда как оставшееся количество электронов движется к коллектору.

Это открыло путь для генерации тока коллектора. Следовательно, колебания на базе могут составлять большой ток на коллекторе.

Режимы работы транзистора

Условия, которые приводят к различным режимам работы, определяются из-за переходов, сформированных на базе эмиттера и базы коллектора.Прямое смещение эмиттерного базового перехода и обратное смещение коллекторного базового перехода приводит к получению активной области этого конкретного транзистора, таким образом, исходя из дополнительных условий смещения в переходе, можно анализировать различные рабочие режимы.

(1) FR

Рассматривая случаи переходов эмиттер-база и коллектор-база, в этом случае эмиттерный базовый переход смещен в прямом направлении, тогда как коллекторный базовый переход имеет обратное смещение. Следовательно, эти условия приводят к тому, что транзистор работает в активной области.Когда он находится в активной области, токи на коллекторе зависят от тока на эмиттере.

(2) FF

В этом состоянии соединение базы эмиттера и базы коллектора находится под прямым смещением. Этот тип состояния приводит к тому, что транзистор находится в области насыщения. Эта область отвечает за то, чтобы ток на коллекторе не зависел от тока, генерируемого на эмиттере.

(3) RR

Следовательно, этот случай имеет дело с состоянием, когда оба перехода транзистора работают с обратным смещением.Что касается обратного смещения, то в схеме не наблюдается проводимости. Этот тип области известен как область отсечения.

Эмиттер на этом этапе не может снабжать большинство носителей заряда, и сбор этих носителей не может быть очевиден на коллекторе. В такой ситуации транзистор действует как замкнутый переключатель.

(4) RF

Эмиттерный базовый переход транзистора подключен с обратным смещением, тогда как коллекторный базовый переход в этом состоянии имеет прямое смещение.Поскольку коллектор имеет легкую консистенцию, он не может подавать основные носители заряда на соответствующую базу этого транзистора. Следовательно, действие транзистора в этом случае плохое.

Таким образом, в зависимости от типа смещения на стыке, определяются различные типы рабочих областей. Исходя из этого, делается смещение транзистора.

Применение и использование транзистора

В современном мире электроники все где-то или так или иначе зависит от электроники.Либо это может быть схема усиления, либо схема переключения, существуют различные типы транзисторов, которые могут использоваться для различных целей.

(1) В основном транзистор используется в качестве усилителя в различных типах генераторов, модуляторов и т. Д., Далее в области цифровых схем эти транзисторы могут использоваться для механизма переключения.

(2) В случае транзистора, когда на него падает свет, замечается генерация тока, они классифицируются как фототранзисторы.

(3) Исходя из требований, когда требуется протекание большого количества тока от эмиттера к коллектору, поддерживая минимальный ток базы, требуется транзистор с именем BJT.

(4) В устройствах, где требуется регулирование напряжений, используются полевые транзисторы (FET). Это потому, что он состоит из входного импеданса при более высоком значении, что приводит к минимизации текущего значения.

(5) В тех случаях, когда коэффициент усиления по току должен быть высоким, используется специальный тип транзисторов, называемый парой транзисторов Дарлингтона.Основное его применение — это уведомления при создании чувствительных сенсорных кнопок, потому что они способны определять величину тока на коже человека.

(6) В некоторых случаях требуется отводить высокие входные токи, чтобы предотвратить попадание транзистора в область насыщения.

(7) Если предположить, что для переключения требуются более высокие значения токов за меньшее время, для этой цели подходят лавинные транзисторы.

Выше приведены некоторые области применения и применения транзисторов.Таким образом обсуждаются основы транзисторов. У всех транзисторов по три вывода? Принцип работы транзистора

NPN | Электрическая академия

Ученые Джон Бардин и Уолтер Браттейн изобрели транзистор с точечным контактом. Он состоял из двух проводов, тщательно сплавленных на кристалле германия. Уильям Шокли последовал за этими изобретениями, создав биполярный или переходной транзистор. Эти изобретения положили начало микроэлектронике.

Транзистор обеспечивает мгновенное срабатывание схемы и устраняет время прогрева, необходимое для схемы на вакуумной лампе.

Кроме того, транзистору не требовалось большого количества энергии. Транзистор был и остается известным своими небольшими размерами, долгим сроком службы и легким весом.

Транзисторы являются ключевыми устройствами в электронике по нескольким причинам :

• Они могут усиливать ток.
• Они могут создавать сигналы переменного тока на желаемых частотах.
• Их также можно использовать в качестве коммутационных устройств. Это делает их важными в компьютерных схемах.

Транзистор с биполярным переходом (BJT) состоит из трех слоев нечистых полупроводниковых кристаллов.Этот транзистор имеет два перехода. Есть два типа биполярных транзисторов: NPN и PNP. Блоки и условные обозначения для них показаны на рисунке 1.

Рисунок 1. Блок-схемы и символы для транзисторов NPN и PNP.

Биполярный транзистор NPN имеет тонкий слой кристалла P-типа, расположенный между двумя кристаллами N-типа, Рис. 2a . Биполярный транзистор PNP имеет тонкий слой кристаллов N-типа, расположенный между двумя кристаллами P-типа, Рис. 2b .

В обоих типах первый кристалл называется эмиттером . Центральная секция называется base . Третий кристалл называется коллектором .

Рисунок 2а. Транзистор NPN.

Рисунок 2б. Транзистор NPN.

Обозначения транзисторов NPN и PNP

В условных обозначениях на Рисунке 1, обратите внимание на направление стрелки . Это указывает, является ли это транзистором NPN или PNP.

Стрелка всегда указывает на материал N-типа. Это поможет вам определить правильную полярность при подключении в цепи. Направление, в котором указывает стрелка эмиттера для NPN-транзистора, можно легко вспомнить, произнеся «Never Points iN».

Смещение транзистора

На рисунке 3 показаны диаграммы смещения для пяти транзисторов. Обратите особое внимание на то, что база не всегда совпадает с местом расположения выводов транзисторов. Никогда не предполагайте правильные подключения.Всегда будьте уверены, сначала проверив номер детали транзистора в каталоге или спецификации продукта.

Рисунок 3. Диаграммы смещения для пяти транзисторов. (DIGI-KEY)

Работа транзистора NPN

Теория работы транзистора NPN показана на рисунке 4.

• Две батареи используются для упрощения теории работы. Для большинства приложений требуется один источник напряжения. Отрицательная клемма аккумулятора подключена к эмиттеру N.
• Положительный полюс той же батареи подключен к базе P-типа. Следовательно, схема эмиттер-база смещена в прямом направлении.

Рис. 4. Ток в NPN-транзисторе

• В цепи коллектора коллектор N подключен к положительной клемме батареи. База P подключена к отрицательной клемме.
• Цепь коллектор-база имеет обратное смещение.
• Электроны попадают в эмиттер от отрицательного источника батареи и текут к переходу.Прямое смещение уменьшило потенциальный барьер первого перехода.
• Затем электроны объединяются с дырочными носителями в базе, образуя цепь эмиттер-база. Однако основание представляет собой очень тонкий срез, около 0,001 дюйма.
• Большая часть электронов проходит через коллектор. Этому потоку электронов способствует низкий потенциальный барьер второго PN-перехода.

Примерно 95–98 процентов тока через транзистор проходит от эмиттера к коллектору.От двух до пяти процентов тока проходит между эмиттером и базой.

Небольшое изменение напряжения смещения эмиттер-база вызывает несколько большее изменение тока эмиттер-коллектор. Это то, что позволяет использовать транзисторы в качестве усилителей . Однако изменение тока эмиттер-база довольно мало.

Транзистор PNP

Транзистор PNP имеет материал P-типа для эмиттера, материал N-типа для базы и материал P-типа для коллектора.См. Рисунок 5.

Источник питания или батарея должны быть подключены противоположным образом, как NPN-транзистор. Как и NPN-транзистор, схема эмиттер-база имеет прямое смещение, а схема коллектор-база имеет обратное смещение. В транзисторе PNP большинство носителей эмиттер-коллектор представляют собой дырки.

Рисунок 5. Ток в транзисторе PNP.

Транзистор

PNP — принцип работы, характеристики и применение

PNP-транзистор — это подтип биполярных переходных транзисторов (BJT).Это базовый транзистор, который часто используется в различных электронных схемах. Он используется для таких функций, как усиление сигнала, переключатели и генераторы. В этом посте представлена ​​подробная информация о транзисторе PNP, принципах работы транзистора PNP, его характеристиках, применении, преимуществах и недостатках.

Что такое транзистор PNP

PNP-транзистор — это тип биполярного переходного транзистора, который состоит из трех слоев, в которых слой с примесью «N» расположен между двумя слоями с примесью «P».В транзисторах PNP электроны являются неосновными носителями заряда, а дырки — основными носителями заряда. Течение тока происходит из-за движения отверстий. Имеет два PN перехода:

• Переход эмиттер-база
• Коллектор-база

Рис.1 — Введение в транзисторы PNP

Малый базовый ток имеет возможность управлять большим током эмиттера, так как это устройство, управляемое током. Структура противоположна транзистору NPN, но аналогична по работе.

Символ транзистора PNP показывает стрелку, направленную внутрь от эмиттера к базе, которая указывает направление обычного тока. PNP-транзистор считается включенным, когда напряжение источника, подключенного к базе, низкое, и выключается, когда оно высокое.

Рис.2 — Обозначение транзистора PNP

Как работает транзистор PNP

Чтобы понять принцип работы транзистора, необходимо знать характеристики полупроводников.

Четвертый столбец периодической таблицы содержит определенные элементы, которые в контролируемых условиях ведут себя как проводники и изоляторы. Эти элементы называются полупроводниками. Электроны движутся в полупроводнике медленно, а дырки движутся медленнее, чем электроны. Для изменения удельного сопротивления полупроводника требуется всего несколько донорных или акцепторных атомов.

PNP-транзистор работает, когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении.Говорят, что переход имеет прямое смещение, когда полупроводник P-типа подключен к положительному выводу, а полупроводник N-типа подключен к отрицательному выводу. При обратном смещении полупроводник P-типа подключается к отрицательной клемме, а полупроводник N-типа подключается к положительной клемме.

Рис. 3 — Конструкция и обозначение схемы PNP-транзистора

Область базового коллектора имеет обратное смещение, в котором используется внешний источник напряжения.Это означает, что база имеет более высокий потенциал, чем коллектор. Обратное смещение не создает диффузии, и, следовательно, между клеммами не протекает ток.

Область базового эмиттера смещена в прямом направлении, так что напряжение на эмиттере имеет более высокий потенциал, чем на базе (V _BE ). Отверстия вставляются в эмиттер (P-область), пересекая область обеднения в базу от положительного вывода источника напряжения (V _BE ). Поскольку эмиттер сильно легирован, он привлекает много электронов, которые диффундируют в базовую область.

В то же время электроны текут из отрицательной клеммы, толкая электроны около перехода эмиттер-база в эмиттер. Это заставляет ток (I _E ) течь от эмиттера к коллектору.

Ток коллектора или ток базы можно рассчитать по формуле

База более отрицательна, чем эмиттер, примерно на 0,7 вольт для кремниевого полупроводника и на 0,3 вольт для германиевого полупроводника.

Подводя итог, увеличивая напряжение прямого смещения, барьер перехода эмиттер-база уменьшается.Это позволяет большему количеству носителей достигать коллектора, что, в свою очередь, увеличивает ток от эмиттера к коллектору. Это также означает, что уменьшение напряжения прямого смещения уменьшает ток.

  Прочтите о PN-переход, прямом смещении, обратном смещении и слое истощения  

Характеристики транзистора PNP

Взаимосвязь между постоянным током и напряжением представлена ​​графически и называется характеристиками. Две важные характеристики транзистора PNP:

• Входные характеристики
• Выходные характеристики

Входные характеристики для общей конфигурации

В конфигурации с общей базой для различных постоянных значений выходного напряжения (В _BC ) строится кривая между входным током (I _E ) и входным напряжением (В _BE ).

На рисунке ниже показан приблизительный график для входных характеристик. Из этой характеристической кривой мы можем сделать вывод, что для фиксированного значения выходного напряжения (V _BC ) напряжение эмиттера прямо пропорционально току эмиттера (I _E ).

Рис.4 — Входные характеристики для общей базовой конфигурации

Выходные характеристики для общей конфигурации

Для различных постоянных значений входного тока (I _E ) строится кривая между выходным током (I _C ) и выходным напряжением (V _BC ).На рисунке ниже показаны выходные характеристики с тремя интересующими областями, указанными как активная область, область отсечки и область насыщения. Транзистор действует как переключатель «ВЫКЛ» в области отсечки и переключатель «ВКЛ» в области насыщения.

Рис.5 — Выходные характеристики для общей базовой конфигурации

• В активной области соединение база-эмиттер смещено в прямом направлении, а соединение с базой-коллектором — в обратном направлении.
• В области отсечки и соединение база-эмиттер, и соединение-база коллектора имеют обратное смещение.
• В области насыщения переходы базового эмиттера и базового коллектора смещены в прямом направлении.

Применение транзистора PNP

Применения транзисторов PNP включают:

• Они используются при проектировании схем усилителей, таких как усилители класса B.
• Они используются в общем управлении двигателем.
Транзисторы
• PNP широко используются в парных схемах Дарлингтона.
• Используются как переключатели.
• Они используются как генераторы.

Преимущества транзистора PNP

Преимущества транзисторов PNP:

• Транзисторы PNP используются для источника тока.
• Упрощает конструкцию схемы, поскольку генерирует сигнал, привязанный к отрицательной шине питания.
• Как и другие транзисторы, он меньше по размеру и может входить в состав интегральных схем.
• Они генерируют меньше шума, чем транзисторы NPN.

Недостатки транзистора PNP

Недостатками транзисторов PNP являются:

• Транзистор PNP сравнительно медленнее, чем транзистор NPN.
• Они не могут работать на более высоких частотах.
• Уровни производительности ниже по сравнению с транзисторами NPN.

  Также читают: 
  Однопереходный транзистор (UJT) - конструкция, работа, характеристики и применение 
  Твердотельный накопитель (SSD) - принцип работы, типы, применение, SSD против жесткого диска 
  Мультиплексор (Mux) - типы, каскадирование, методы мультиплексирования, приложение  

Лакшми имеет степень бакалавра в области электроники и связи и имеет опыт работы в RelQ Software в качестве инженера-испытателя и HP в качестве руководителя службы технической поддержки.Она является автором, редактором и партнером Electricalfundablog.

Цифровой транзистор

＜ Принципы работы цифровых транзисторов ＞ | Основы электроники

Метод выбора

1) Отношение IC / IB, необходимое для насыщения транзистора, составляет 20/1
2) Входной резистор R1: ± 30%, резистор EB R2: R2 / R1 = ± 20%
3) VBE: от 0,55 В до 0,75 В

Уравнения, используемые для цифровых транзисторов

— Соотношение коэффициента усиления постоянного тока цифровых транзисторов

GI: усиление постоянного тока цифрового транзистора
GI = Io / Iin
hfe = Ic / IB
Io = Ic, Iin = I _B + I _R2 , I _B = I _C / hfe, I _R2 = V _BE / R2
Соотношение напряжений: Vin = V _R1 + V _BE

— Связь с током коллектора:

∴ Ic = hfe × ((Vin-V _BE ) / R1) — (V _BE / R2)) ・ ・ ・ (1)
Значение упомянутого здесь hfe не насыщается при VCE = 5V / IC = 1mA.
При использовании в качестве переключателя требуется коэффициент насыщения I _C / I _B = 20/1.
∴ Ic = 20 × ((Vin-V _BE ) / R1) — (V _BE / R2)) ・ ・ ・ (2)
Замените hfe в (1) на 20/1.

Расчеты ведутся с учетом вариаций.
Наихудшие значения для R1 (+ 30% макс.), R2 (-20% мин.) И V _BE (0,75 В макс.) Используются в уравнении (2). Выберите R1 и R2 цифрового транзистора из приведенного ниже уравнения, чтобы превысить выходной ток Iomax.

∴ Iomax ≦ 20 ((Vin-0,75) / (1,3XR1) -0,75 / (1,04XR2))

Номер детали цифрового транзистора Описание

Разница между Io и Ic

Ic: максимальный теоретический ток, который может протекать через транзистор
Io: максимальный ток, который может использоваться для цифрового транзистора

Примечания
Цифровые транзисторы серии DTA / C поддерживают ток 100 мА. Для этих продуктов Ic определяется как 100 мА.Соединение резисторов R1 и R2 делает его цифровым транзистором. Для работы Ic = 100 мА требуется высокое входное напряжение Vin, чтобы обеспечить достаточный базовый ток IB.

Однако максимальное входное напряжение Vin (max) определяется допуском мощности (мощностью корпуса) входного резистора R1, который определяется на абсолютных максимальных номиналах. Следовательно, поскольку это значение может быть превышено при Ic = 100 мА, Io определяется как значение тока, которое может проходить через цифровые транзисторы, не превышая Vin (макс.).

Как вы, возможно, знаете, абсолютные максимальные значения предполагают, что 2 или более параметров не могут быть предоставлены одновременно, поэтому нет проблем с обозначением, использующим только Ic. Однако Io также может быть указан в соответствии с фактическими условиями использования.

Исходя из вышеизложенного, с учетом схемы, Io можно считать абсолютным максимальным номиналом.

Разница между G

_I и h _FE

h _FE : усиление постоянного тока в транзисторах общего назначения
G _I : усиление постоянного тока в цифровых транзисторах

Примечания
GI и hFE представляют усиление постоянного тока в конфигурациях с общим эмиттером.Цифровые транзисторы — это обычные транзисторы, в состав которых входят 2 внутренних резистора.

Здесь, поскольку усиление постоянного тока = выходной ток / входной ток, усиление не уменьшается входным резистором R1. Следовательно, для типов, которые включают только входной резистор R1, коэффициент усиления представлен hFE и будет эквивалентен hFE сконфигурированного транзистора.

Однако при подключении резистора (R2) между эмиттером и базой входной ток отводится от базы и безопасно направляется к эмиттеру.В результате усиление снижается. Это значение представлено как GI.

Температурные характеристики цифрового транзистора

VBE, hFE, R1 и R1 будут различаться в зависимости от температуры окружающей среды.

hFE изменится на: 0,5% / ºC (прибл.)
BE изменится примерно на -2 мВ / ºC (в диапазоне от -1,8 до -2,4 мВ / ºC)

R1 изменится в соответствии с графиком ниже.

Выходное напряжение — характеристики выходного тока в области слабого тока

Характеристики выходного напряжения-выходного тока цифровых транзисторов измеряются с использованием следующего метода.

F Для DTC114EKA измерение выполняется с использованием Io / Ii = 20/1
i = IB + IR2 из (IR2 = VBE / 10k = 0,65V / 10k = 65uA)
Если IB = Ii-IR2 = Ii-65uA (если Ii становится менее 65uA) IB не будет течь, а Vo [VCE (sat)] увеличится. В этом случае Vo не может быть измерено в области слабых токов.

Если входной ток на базу слишком мал (например, он не может превысить 65 мкА в приведенном выше примере), то через базу не будет протекать ток, и, следовательно, транзистор никогда не будет проводить.Это вызовет повышение выходного напряжения Vo (VCE (sat)] в области низкого тока

.

Операция переключения цифрового транзистора

Работа транзистора

Для работы NPN-транзистора напряжение подается, как показано на схеме 1. В этой схеме область база (B) — эмиттер (E) смещена в прямом направлении, что приводит к протеканию тока через базу. Другими словами, основание залито отверстиями.

Когда это происходит, свободные электроны в эмиттере (E) притягиваются к базе.Однако, поскольку базовая область чрезвычайно узкая, свободные электроны текут через базовую область к коллектору из-за смещения напряжения от коллектора. Из-за этого ток течет от коллектора к эмиттеру.

Операция переключения

Транзистор работает как с усилением, так и с переключением. Во время усиления течет Ic, равный hFE, умноженному на базовый ток. Выходным током в активной области можно управлять, регулируя входной ток.

Операция переключения обеспечивает условия насыщения при включении (наименьшее возможное напряжение коллектор-эмиттер). В этой области насыщения имеется чрезмерное количество отверстий, которые затем выходят через базовый вывод из базовой области. Ток коллектора течет до тех пор, пока все + отверстия не выйдут из базовой области. Время, необходимое для этого, называется tstg (время выключения). Чем быстрее отверстия выходят из базовой области, тем короче время выключения.

В цифровых транзисторах R1 и R2 действуют последовательно как путь для выхода отверстий из области базы, когда транзистор выключен.R2 следует сделать как можно меньше (с заданным фиксированным R1), чтобы минимизировать время выключения.

Терминология цифровых транзисторов

• В _I (вкл.) Мин .: Минимальное входное напряжение ВКЛ.
  Прямое напряжение Vo, приложенное между выводами OUT и GND — минимальное входное напряжение, необходимое для протекания выходного тока (Io). Или минимальное входное напряжение, необходимое для включения цифрового транзистора.
  Следовательно, поскольку для переключения из ВКЛ в ВЫКЛ требуется напряжение ниже этого минимального входного напряжения, значение для фактических продуктов будет меньше этого.
• В _I (выкл.) Макс .: Максимальное входное напряжение выключения
  Максимальное входное напряжение, полученное между контактами IN и GND при подаче напряжения питания Vcc и выходного тока Io между контактами OUT и GND. Другими словами, это максимальное входное напряжение, которое будет поддерживать состояние ВЫКЛ.
  Однако, поскольку при переключении транзистора из состояния ВЫКЛ в состояние ВКЛ требуется более высокое напряжение, значение для фактических продуктов будет выше.
• В _O (вкл.): Выходное напряжение
  Выходное напряжение на клеммах при любых входных условиях, не превышающих максимальные номинальные значения.Состояние, при котором переходы IN / OUT смещены в прямом направлении, а выходное напряжение уменьшается, когда через цепь усиления GND протекает достаточный входной ток. Измеряется как целая часть Ii (обычно 10-20) в Vo, Io.
• I _I (макс.): Максимальный входной ток
  Максимально допустимый входной ток, который может непрерывно течь на вывод IN (в то время как прямое напряжение Vi подается между выводами IN и GND.
• G _I ： Коэффициент усиления постоянного тока
  he Отношение Io / Ii, указанное в Vo, Io.
• R1: Входное сопротивление
  Сопротивление, подключенное между выводом IN и базой транзистора, с допустимым диапазоном ± 30%. Это значение будет варьироваться в зависимости от температуры.
• R2 / R1: Resistance Ratio
  Отношение внутреннего резистора база-эмиттер к входному резистору.

Цифровые транзисторы Описание работы и применения транзистора PNP

PNP-транзистор — это не что иное, как транзистор с биполярным переходом (BJT).Он сделан путем размещения полупроводника n-типа между двумя полупроводниками p-типа. Этот транзистор представляет собой трехполюсное устройство. Клеммы — это эмиттер (E), база (B) и коллектор (C). Транзистор PNP действует как два диода с PN-переходом, подключенных друг за другом. Эти диоды образуют переходы, как соединенные друг за другом, и называются переходами коллектор-база и база-эмиттер.

В транзисторах PNP основными носителями заряда (тока) являются дырки, а неосновными носителями заряда являются электроны.Чтобы понять эти носители, клеммы и многое другое, нам нужно изучить основы транзисторов. Итак, давайте узнаем обо всем этом подробнее в следующих разделах.

Биполярный переходной транзистор

Широко известный как BJT, это полупроводниковое устройство с контролем тока. Это полезно при электронном переключении цепей. Он имеет три клеммы, в которых ток, подаваемый на базовую область, управляет током в эмиттере и коллекторе.

Биполярный переходной транзистор

Таким образом, это похоже на то, что мы можем управлять работой транзистора, изменяя величину приложенного тока на выводе базы.Отсюда и название «текущее управляемое устройство». Биполярный переходный транзистор бывает двух типов, а именно NPN и PNP. В NPN полупроводник P-типа зажат между двумя полупроводниками N-типа. Единственная разница в символах двух транзисторов заключается в том, что в NPN направление тока — от базы к эмиттеру, а в PNP — противоположное, то есть от эмиттера к базе.

Конструкция и обозначение транзистора PNP

В PNP две области P-типа находятся на крайних точках, а область N-типа находится между ними.Эмиттер и коллектор всегда находятся на двух крайностях. Следовательно, в случае PNP область эмиттера и коллектора соединяется с полупроводником P-типа, а база — с полупроводником N-типа.

Конструкцию можно понять, представив два диода, соединенные один за другим (см. Рисунок выше). Точка встречи двух диодов (катод) становится клеммой базы, а два крайних анода становятся эмиттером и коллектором NPN-транзистора.

Обозначение транзистора PNP такое же, как на рис.Здесь следует отметить текущее направление в транзисторах NPN и PNP. Это очень помогает при решении числовых задач.

Работа транзистора PNP

Схема подключения транзистора PNP показана ниже. Здесь эмиттерная область имеет положительное напряжение смещения относительно базы и коллектора. С другой стороны, база имеет отрицательное напряжение смещения относительно эмиттера. Направление тока и полярность напряжения прямо противоположны полярности NPN-транзистора.

Рабочий транзистор PNP

Итак, необходимое условие для работы транзистора — это то, что базовое напряжение должно быть более отрицательным, чем напряжение эмиттера. Следовательно, переход база-эмиттер здесь действует как диод. Если мы подаем небольшой ток в базовую область, то через эмиттер в область коллектора протекает большой ток. Поскольку мы в основном используем кремний и германий, базовое напряжение составляет 0,7 В и 0,3 В соответственно.

• Из рисунка мы можем легко определить, что область базы является входом, а область эмиттер-коллектор является выходом транзистора.
• Напряжение подается на клемму базы, а сопротивление нагрузки (RL) сохраняется на выходе. Это необходимо для ограничения максимального тока устройства.
• На клемму базы подается отрицательное напряжение. Кроме того, к клемме базы подключается сопротивление (RB) для ограничения максимального тока через клемму базы.
• Если мы применим закон Кирхгофа по току (KCL) в схеме транзистора, то ток коллектора всегда равен вычитанию базы из тока эмиттера, т.е.е., IC = IE — IB.
• Еще одним важным фактором здесь является текущий коэффициент усиления.

Основные формулы транзистора PNP

• I _C = I _E — I _B .
• Выходной ток / Входной ток = усиление постоянного тока

Следовательно, 𝜷 = (I _C / I _B )

• Комбинируя две приведенные выше формулы, мы можем получить следующие соотношения:

I _C = (𝜷 * I _B )

I _B = (I _C / 𝜷)

Для транзистора с общей базой коэффициент усиления по току равен отношению тока коллектора к току эмиттера.

Следовательно, 𝜶 = (I _C / I _E )

Отношение между 𝜶 и 𝜷 такое:

Уравнение выходного тока

Мы можем записать ток коллектора PNP-транзистора как

I _C = — 𝜶 * I _E + I _CBO

где, I _CBO = ток насыщения

Также, I _E = — (I _C + I _B )

I _C = — 𝜶 (- (I _C + I _B )) + I _CBO

I _C — 𝜶I _C = — 𝜶I _B + I _CBO

Следовательно, из отношения между и 𝜷, мы имеем

I _C = 𝜷I _B + (1+ 𝜷) I _CBO

Числовой пример на PNP (BJT-транзисторе)

Рассмотрим транзистор PNP, входящий в состав какой-либо электронной схемы.Заданные параметры — это базовое напряжение, напряжение эмиттера и напряжение питания. Например, примите значения 2,5 В, 3 В и + 10 В соответственно. Также имеется резистор базы, имеющий значение 100 кОм, а сопротивление нагрузки = сопротивление эмиттера = 2,5 кОм. Найдите значения коэффициента усиления по току (альфа и бета) для данного транзистора

.

Итак, примите это как задачу. Используйте приведенные выше формулы и попробуйте вычислить необходимые параметры и сделайте комментарий ниже. Это распространенный вопрос, который задают на экзамене.

Идентификация транзистора PNP

Теперь, после изучения принципа работы и других основ PNP-транзисторов, важно иметь четкое представление о правильной конфигурации всякий раз, когда предоставляется биполярный переходной транзистор. Конечно, есть некоторые различия между структурой двух BJT, но помимо этого мы также должны отметить несколько важных моментов.

PNP или NPN?

PNP включен, когда на базовом напряжении появляется отрицательное напряжение.Когда на базе присутствует положительное напряжение, она отключается. Помимо этого, у нас есть еще несколько тестов, в которых мы рассчитываем значения сопротивления. Каждую пару переходов (клемм) необходимо проверить на сопротивление в обоих направлениях. Давайте посмотрим на их операции ниже:

• Клеммы эмиттер-коллектор: эта область выглядит как диод, но она не проводит ни в одном направлении.
Выводы эмиттер-база
• : Эта область действует как диод и проводит только в одном направлении.
• Клеммы коллектор-база: это то же самое, что и клемма эмиттер-база.Действует как диод, но проводит только в одном направлении.

Теперь давайте посмотрим на значение сопротивления для определения PNP.

• Коллектор-эмиттер — высокое сопротивление
• База коллектора — низкое сопротивление
• Эмиттер-коллектор — высокое сопротивление
• База эмиттера — низкое сопротивление
• База-коллектор — высокое сопротивление
• База-эмиттер — высокое сопротивление

Еще одна, очень интересная и важная вещь, которую нужно знать, — какой транзистор лучше и почему?

Попробуем найти ответ в следующем разделе.

PNP в сравнении с NPN

Что ж, есть несколько общих черт. Оба являются биполярным переходным транзистором и устройством, управляемым 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.
• В NPN подаем на базу положительный ток, 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 — в обратном направлении.
• Сигнал заземления высокий для PNP и низкий для NPN.
• Стрелка эмиттера указывает на транзистор PNP, тогда как она указана в случае транзистора NPN.

Приложения

Хотя в большинстве электронных схем используются транзисторы NPN (предпочтительно из-за их скорости), но все же во многих схемах с ними используется PNP.Несколько приложений:

• Дополнительные усилители, такие как выходные каскады класса AB / B.
• Текущее зеркало
• Используется в драйверах, где нагрузка с одной стороны заземлена.
• В регуляторах с меньшим падением напряжения.
В паре
• Дарлингтона используется транзистор PNP.
• Используется в схемах согласованных пар для непрерывного производства электроэнергии.
• Применения тяжелых двигателей для управления током.
• Приложения для робототехники.

Некоторые другие приложения кратко обсуждаются в следующих двух разделах.

Согласование транзисторов BJT

Первый вопрос, что это за согласование транзисторов?

Во-вторых, зачем это нужно?

Согласование транзисторов PNP

Что ж, когда мы соединяем NPN и PNP в одной цепи, мы называем это согласованием транзисторов. Мы делаем это, чтобы генерировать больше энергии. NPN и PNP дополняют друг друга. Когда они подключаются к усилителям, транзисторная пара генерирует постоянную высокую мощность.

Теперь можно спросить, как эта пара работает непрерывно? Считать! Считать!

Ответ довольно прост: NPN проводит в положительном полупериоде, а PNP — в отрицательном полупериоде сигнала. Следовательно, устройство работает непрерывно (как двухполупериодный выпрямитель). Следует позаботиться о том, чтобы оба транзистора имели одинаковое значение усиления постоянного тока. Эта пара составляет полезную схему в робототехнике, приложениях для усилителей мощности и управлении двигателями.

PNP как коммутатор

На рисунке выше показано подключение PNP, работающего как коммутатор. Это электронный переключатель. Для понимания примите это как обычный выключатель, который мы выключаем и включаем вручную (например, чтобы загорелся светодиод). Здесь будет проделана такая же работа, но в электронном виде.

Транзистор как переключатель

Поскольку транзистор PNP включается, когда отрицательное напряжение появляется на выводе базы транзистора, и выключается с положительным питанием, эта характеристика транзистора используется для использования его в качестве переключателя.

Режимы работы транзисторов играют важную роль в применении этих транзисторов. В зависимости от условий смещения существует три режима работы. Это:

• Активный режим: В активном режиме транзистор обычно используется для усиления тока.
• Cutoff Mode: И эмиттер-база, и коллектор-база имеют обратное смещение и, следовательно, не позволяют току течь от коллектора к эмиттеру.

  No related posts.