Как работает биполярный транзистор для чайников. Биполярный транзистор: устройство, принцип работы и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое биполярный транзистор. Как устроен биполярный транзистор. Как работает биполярный транзистор. Какие бывают типы биполярных транзисторов. Где применяются биполярные транзисторы. Каковы преимущества и недостатки биполярных транзисторов.

Содержание

Что такое биполярный транзистор и как он устроен

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор с тремя выводами, способный усиливать и переключать электрические сигналы. Он состоит из трех областей полупроводника с чередующимся типом проводимости:

Эмиттер (Э) — сильно легированная область, являющаяся источником носителей заряда
База (Б) — тонкий слой с противоположным типом проводимости
Коллектор (К) — область, собирающая носители заряда

Между этими областями образуются два p-n перехода: эмиттерный и коллекторный. В зависимости от последовательности областей различают два типа биполярных транзисторов:

n-p-n — с n-типом эмиттера и коллектора и p-типом базы
p-n-p — с p-типом эмиттера и коллектора и n-типом базы

Принцип работы биполярного транзистора

Принцип работы биполярного транзистора основан на управлении током коллектора с помощью тока базы. Рассмотрим это на примере n-p-n транзистора:

При подаче положительного напряжения на базу открывается эмиттерный переход
Электроны из эмиттера инжектируются в базу
Большая часть электронов проходит через тонкую базу в коллектор
Небольшое изменение тока базы вызывает значительное изменение тока коллектора

Таким образом, транзистор усиливает входной сигнал. Коэффициент усиления по току β показывает, во сколько раз ток коллектора больше тока базы:

β = Iк / Iб

Для современных транзисторов β может достигать 100-1000.

Режимы работы биполярного транзистора

Биполярный транзистор может работать в трех основных режимах:

Активный режим — транзистор усиливает сигнал, используется в аналоговых схемах

Режим насыщения — транзистор полностью открыт, используется в ключевых схемах
Режим отсечки — транзистор полностью закрыт, также используется в ключевых схемах

Режимы работы определяются напряжениями на переходах транзистора. При этом эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный — в обратном.

Применение биполярных транзисторов

Благодаря своим свойствам биполярные транзисторы широко применяются в электронике:

Усилители аналоговых сигналов
Генераторы электрических колебаний
Ключевые и импульсные схемы
Стабилизаторы напряжения и тока
Преобразователи уровней сигналов
Логические элементы цифровых схем

Транзисторы используются практически во всех современных электронных устройствах — от бытовой техники до промышленного оборудования.

Преимущества и недостатки биполярных транзисторов

Основные преимущества биполярных транзисторов:

Высокий коэффициент усиления по току
Малые размеры
Низкая стоимость
Высокая надежность
Широкий диапазон рабочих частот

К недостаткам можно отнести:

Относительно низкое входное сопротивление
Зависимость параметров от температуры
Наличие шумов
Чувствительность к статическому электричеству

Несмотря на некоторые недостатки, биполярные транзисторы остаются одними из самых распространенных электронных компонентов.

Типы корпусов биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы выпускаются в различных типах корпусов:

TO-92 — пластиковый корпус для маломощных транзисторов
TO-220 — пластиковый корпус с металлическим радиатором для средней мощности
TO-3 — металлический корпус для мощных транзисторов
SOT-23 — миниатюрный пластиковый корпус для поверхностного монтажа
TO-126 — пластиковый корпус с возможностью установки на радиатор

Выбор корпуса зависит от мощности транзистора, способа монтажа и требований по теплоотводу. Корпуса TO-92 и SOT-23 наиболее распространены для сигнальных транзисторов.

Как выбрать биполярный транзистор

При выборе биполярного транзистора следует учитывать следующие параметры:

Структура (n-p-n или p-n-p)
Максимальный ток коллектора
Максимальное напряжение коллектор-эмиттер
Коэффициент усиления по току
Граничная частота усиления
Мощность рассеивания
Тип корпуса

Важно также учитывать назначение схемы — для усиления, ключа или генератора. Выбор конкретной модели транзистора производится по справочным данным с учетом требований схемы.

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.

|Как работает биполярный транзистор|

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 5 чел.
Средний рейтинг: 3.6 из 5.

Биполярные транзисторы для чайников — Мастер Фломастер

Предлагаю тебе, мой уважаемый начинающий электронщик, прочесть эту статью, в которой я описал, пожалуй, самый основной из существующих электронных компонентов — транзистор.

Изобретение транзистора в ХХ веке по праву является одним из значимых событий, транзистор как электронный компонент пришел на смену электронным лампам. Электронные лампы на тот период времени, безраздельно служили во всех радиоэлектронных устройствах, при этом электронные лампы имели множество недостатков. Одним из самых значительных недостатков была их большая потребляемая мощность, так – же лампы имели очень большой вес и габариты, но при этом не отличались механической прочностью. Электронная аппаратура становилась все сложнее, большое количество электронных ламп требовало большего потребления энергии, возросло количество отказов техники — к примеру вычислительные машины (компьютеры того времени) собранные на лампах, могли работать без поломок лишь считанные минуты, а габариты этих “компьютеров” были таковы, что занимали целый многоэтажный дом.

Полупроводниковый транзистор лишен всех тех недостатков которые присущи электронным лампам и во многом превосходит их. Низкое энергопотребление, малый вес и размер, а механическая прочность такова, что если сбросить современный транзистор с высоты 10го этажа с ним ничего не случится.

Первый транзистор разработали ученые – физики У. Шокли, Д. Бардин и У. Брайтен, в 1956 году они были удостоены нобелевской премии. Теперь эти имена известны всему миру.

И так, давай поближе познакомимся с этим замечательным электронным компонентом.

Биполярный транзистор

Устройство биполярного транзистора.

Транзистор это — электронный прибор, корпус которого выполнен из металла или пластика. В корпусе находится кристалл кремния, который обработан специальным образом. Этот кристалл состоит из трех частей — коллектор, эмиттер, база, к ним подключены электроды которые выведены из корпуса транзистора. Рассмотрим условное обозначение транзистора, очень напоминает диод, (особенно выделенная часть). В принципе, транзистор, с натяжкой можно назвать диодом, так как транзистор тоже является полупроводником, но у транзистора есть дополнительный элемент – “база”.

База расположена между коллектором и эмиттером и является преградой для прохождения напряжения. Для того чтобы транзистор мог выполнять возложенные на него обязанности необходимо “активировать” базу, после чего транзистор будет работать как ключевой элемент, как усилитель тока, или напряжения.

Принцип работы транзистора.

Обычно в специальной литературе и интернет сайтах, описание работы транзистора сводится к разжевыванию теории электронно — дырочного перехода, диффузии и прочей нудной теории. Думаю, если бы мне, когда я только начинал увлекаться радиоэлектроникой, таким образом объяснили принцип работы транзистора, забросил бы я это дело и пошел с пацанами делать самопалы и пугачи, ну или в худшем случае в авиомодельный кружок). Но к счастью для меня в радиокружках того времени работали люди которые умели так преподать теорию, что было понятно и не напряжно. Постараюсь и я, все объяснить в простой и доступной форме.

И так, биполярные транзисторы бывают двух типов PNP транзистор и NPN транзистор еще их называют — “прямой” и “обратный” транзистор. P-N-P – это прямой транзистор (легко запомнить, первая буква Р -соответственно прямой), N-Р-N – обратный.

На схеме обозначаются:

Рассмотрим схему работы транзистора в ключевом режиме.

Транзистор типа N-P-N, на коллектор транзистора подан (+V) напряжение для питания лампочки накаливания, лампочка не будет светиться так как напряжение через транзистор не проходит в таком случае говорят транзистор “закрыт”. Для того чтобы транзистор “открылся” на базу транзистора так же необходимо подать напряжение (+Vбазы). Напряжение +Vбазы (зеленые стрелки), пройдет через выключатель К1, резистор R1, через базу на эмиттер и с эмиттера на минус источника питания. Транзистор откроется, напряжение +V (красные стрелки), пройдет через лампочку, коллектор и базу на эмиттер транзистора и с эмиттера на –V источника питания, цепь “замкнется” и лампочка будет светиться.

В этом примере транзистор работает как ключ, открывает и закрывает прохождение электрического тока.

Теперь рассмотрим работу в ключевом режиме транзистора типа P-N-P.

В этом случае, наша схема будет отличаться тем что, отрицательное напряжение питания подается через лампочку на коллектор, а плюс источника подключен к эмиттеру транзистора, на базу нужно подавать отрицательное напряжение –Vб. Отпирающее напряжение (зеленые стрелки) плюса источника питания через эмиттер через базу VT, резистор R1, выключатель пройдет на минус источника питания и транзистор откроется. Плюс источника питания (красные стрелки) через эмиттер, базу проходит на коллектор и через лапочку накаливания на минус питания, лампочка будет светиться.

Запомни простую истину – обратный транзистор открывается подачей положительного напряжения на базу, прямой отрицательного. Еще проще – обратный транзистор открывается плюсом, прямой минусом. Плюс питания у обратного транзистора подается на коллектор а минус на эмиттер, у прямого наоборот, минус на коллекторе плюс на эмиттере. Соответственно ток в обратном транзисторе течет от коллектора к эмиттеру в прямом транзисторе от эмиттера к коллектору.

Где можно применить работу транзистора в ключевом режиме?

Главное достоинство транзистора заключается еще и в том, что подавая на базу совсем небольшое напряжение всего в несколько десятков вольта, можно коммутировать мощные исполнительные устройства, например, вместо лампочки можно поставить реле, и оно будет своими контактами включать мощный электромотор тем самым используя низкое напряжение управления мы обеспечиваем безопасность человека.

Еще один пример.

На схеме изображен N-P-N транзистор в базу которого включен переменный резистор R1, при помощи этого резистора можно плавно изменять величину напряжения приложенного к базе транзистора. Перемещая ползунок резистора (вывод со стрелочкой) ближе к плюсу источника питания (в верх по схеме) мы тем самым будем увеличивать сопротивление резистора R1, соответственно величина напряжения на базе транзистора уменьшится, транзистор закроется, если ползунок перемещать в противоположную сторону, напряжение на базе увеличится. Ты догадался, что будет происходить с лампочкой? Очень надеюсь, что догадался, зря я что ли уже столько букв написал). Да, лампочка будет изменять интенсивность свечения. Чем больше напряжение на базе транзистора, тем ярче будет светиться лампочка. Эту схему можно с успехом применить, для регулировки свечения лампочки ручного фонарика).

Теперь разберемся с работой транзистора в режиме усиления.

Транзистор может работать не только как ключевой элемент, но и как усилитель тока, напряжения или того и другого одновременно. Существует несколько способов включения транзистора – это с общим коллектором, общей базой, и общим эмиттером. Схема с общим эмиттером получила наибольшее применение поэтому ее и рассмотрим.

Схема с транзистором работающем в режиме усиления, более сложная чем ключевая, но тем не менее разобраться с принципом ее работы не так сложно.

В ключевом режиме транзистор находится в режиме отсечки (закрыт) или в режиме насыщения (открыт) для того чтобы транзистор работал как усилитель его нужно заставить работать в “пограничном” режиме между отсечкой и насыщением. Помнишь, мы регулировали свечение лампочки, изменяя напряжение на базе транзистора при помощи переменного сопротивления (потенциометра). Когда лампочка горела в пол накала это и был “пограничный” режим, или если говорить другими (умными словами), мы задавали смещение на базу транзистора. Идем дальше. Допустим ты решил услышать, о чем говорят твои рыбки в аквариуме :), нашел подводный микрофон и поместил его к рыбкам, но микрофон выдает очень слабый сигнал и если подключить к нему наушники ничего не услышишь. Значит нужно усилить сигнал чтобы он был достаточной силы.

Схема усилителя. На этой схеме, различных электронных компонентов значительно больше чем в схеме где транзистор работает как ключ, но если ты читал мои предыдущие статьи в рубрике электроника для начинающих , ты знаешь, что такое электролитический конденсатор.

В схеме усилителя резистор R1 является самым главным, он задает ток смещения на базе Т1 чтобы отпереть транзистор, вывести его из режима отсечки в активный режим, или иными словами задать базовый ток. От того, какой номинал (величину сопротивления) резистора мы будем использовать, будет зависеть сила тока, который потечет через цепь +Uпит – R1 — база — эмиттер и на минус источника питания. Задавая нужный базовый ток резистором R1, мы выбираем режим работы нашего усилителя, при котором сигнал с микрофона не будет больше режима насыщения и отсечки, а будет примерно в середине активного режима транзистора. Микрофон выдает сигнала который представляет собой переменный ток, надеюсь ты уже знаешь, что переменный ток имеет как положительную, так и отрицательную полярность, соответственно на базу транзистора будет подаваться либо (+) либо (–) в зависимости от этого транзистор будет больше открываться или наоборот закрываться. Следовательно, напряжение на коллекторе в точке подключения конденсатора С2 так же будет меняться и на входе конденсатора С2 ты получишь копию входного микрофонного сигнала, только многократно усиленную.

Ведь на вход усилителя, мы подаем с микрофона очень маленькое напряжение, измеряемое в микровольтах, а на коллекторе транзистора, пульсация напряжения будет в несколько Вольт, теперь можно подключить наушники и услышать рыбок :).

Конечно, эту схему усилителя собирать не стоит, так как она имеет некоторые недостатки, но, как пример работы транзистора в качестве усилителя, очень даже годится. Теперь ты знаешь, как работает транзистор – это НЕ сложно!

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»).

Коллектор имеет более положительный потенциал , чем эмиттер
Как я уже говорил цепи база — коллектор и база -эмиттер работают как диоды
Каждый транзистор характеризуется предельными значениями, такими как ток коллектора, ток базы и напряжение коллектор-эмиттер.
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:

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.
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.
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.
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!

Биполярные транзисторы это полупроводниковые приборы с тремя электродами, подключенными к трем последовательно находящимся слоям, с различной проводимости. В отличие от других транзисторов, которые переносят один тип заряда, он способен переносить сразу два типа.

Схемы подключения, использующие биполярные транзисторы, зависят от производимой работы и типа проводимости. Проводимость может быть электронной, дырочной.

Разновидности биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы разделяют по различным признакам на виды по:

Материалу изготовления: кремний или арсенид галлия.
Величине частоты: до 3 МГц – низкая, до 30 МГц – средняя, до 300 МГц – высокая, более 300 МГц – сверхвысокая.
Наибольшей рассеиваемой мощности: 0-0,3 Вт, 0,3-3 Вт, свыше 3 Вт.
Типу прибора: 3 слоя полупроводника с последовательной очередностью типа проводимости.

Устройство и работа

Слои транзистора, как внутренний, так и наружный, объединены с встроенными электродами, которые имеют свои названия в виде базы, эмиттера и коллектора.

Особых отличий по видам проводимости у коллектора и эмиттера не наблюдается, однако процент включения примесей у коллектора намного меньше, что позволяет повысить допустимое напряжение на выходе.

Средний слой полупроводника (база) имеет большую величину сопротивления, так как выполнена из слаболегированного материала. Она контактирует с коллектором на значительной площади. Это позволяет повысить теплоотвод, который необходим вследствие выделения тепла от смещения перехода в другую сторону. Хороший контакт базы с коллектором дает возможность легко проходить электронам, которые являются неосновными носителями.

Слои перехода выполнены по одному принципу. Однако биполярные транзисторы считаются несимметричными приборами. При чередовании крайних слоев местами с одной проводимостью нельзя образовать подобные параметры полупроводника.

Схемы подключения транзисторов выполнены таким образом, что могут обеспечить ему как закрытое, так и открытое состояние. При активной работе, когда полупроводник открыт, смещение эмиттера выполнено в прямом направлении. Для полного понимания этой конструкции, нужно подключить напряжение питания по изображенной схеме.

При этом граница на 2-м переходе коллектора закрыта, ток через нее не идет. Практически возникает обратное явление ввиду рядом расположенных переходов, их влияния друг на друга. Так как к эмиттеру подсоединен минусовой полюс батареи, то переход открытого вида дает возможность электронам проходить на базу, в которой осуществляется их рекомбинация с дырками, являющимися главными носителями. Появляется ток базы I_б. Чем выше базовый ток, тем больше выходной ток. В этом заключается принцип действия усилителей.

По базе протекает только диффузионное движение электронов, так как нет работы электрического поля. Из-за малой толщины этого слоя и значительном градиенте частиц, практически все они поступают на коллектор, хотя база имеет большое сопротивление. На переходе имеется электрическое поле, которое способствует переносу и втягивает их. Токи эмиттера и коллектора одинаковые, если не считать малой потери заряда от перераспределения на базе: I _э = I _б + I _к.

Характеристики

Коэффициент усиления тока β = I_к / I_б.
Коэффициент усиления напряжения U_эк / U_бэ.
Сопротивление на входе.
Характеристика частоты – возможность работы транзистора до определенной частоты, при выходе за границы которой процессы перехода опаздывают за изменением сигнала.

Режимы работ и схемы

Вид схемы влияет на режим действия биполярного транзистора. Сигнал может сниматься и отдаваться в двух местах для разных случаев, а электродов имеется три штуки. Следовательно, что один произвольный электрод должен быть сразу выходом и входом. По такому принципу подключаются все биполярные транзисторы, и имеют три вида схем, которые мы рассмотрим ниже.

Схема с общим коллектором

Сигнал проходит на сопротивление R_L, которое также включено в цепь коллектора.

Такая схема подключения дает возможность создать всего лишь усилитель по току. Достоинством такого эмиттерного повторителя можно назвать образование значительного сопротивления на входе. Это дает возможность для согласования каскадов усиления.

Схема с общей базой

Сигнал входа проходит через С₁, далее снимается в цепи выхода коллектора, где базовый электрод общий. В итоге образуется усиление напряжения по подобию с общим эмиттером.

В схеме можно найти недостаток в виде малого входного сопротивления. Схема с общей базой используется чаще всего в качестве генератора колебаний.

Схема с общим эмиттером

Чаще всего при использовании биполярных транзисторов выполняют схему с общим эмиттером. Напряжение проходит по сопротивлению нагрузки R_L, к эмиттеру питание подключается отрицательным полюсом.

Сигнал переменного значения приходит на базу и эмиттер. В цепи коллектора он становится по значению больше. Главными элементами схемы являются резистор, транзистор и выходная цепь усилителя с источником питания. Дополнительными элементами стали: емкость С₁, которая не дает пройти току на вход, сопротивление R₁, благодаря которому открывается транзистор.

В цепи коллектора напряжение транзистора и сопротивления равны значению ЭДС: E= Ik R k +Vk e .

Отсюда следует, что малым сигналом Ec определяется правило изменения разности потенциалов в переменное выходное транзисторного преобразователя. Такая схема дает возможность увеличению тока входа во много раз, так же, как напряжению и мощности.

Из недостатков такой схемы можно назвать малое сопротивление на входе (до 1 кОм). Как следствие, возникают проблемы в образовании каскадов. Сопротивление выхода равно от 2 до 20 кОм.

Рассмотренные схемы показывают действие биполярного транзистора. На его работу влияет частота сигнала и перегрев. Для решения этого вопроса применяют дополнительные отдельные меры. Эмиттерное заземление образует на выходе искажения. Для создания надежности схемы, выполняют подключение фильтров, обратных связей и т.д. После таких мер, схема работает лучше, но уменьшается усиление.

Режимы работы

На быстродействие транзистора оказывает влияние величина подключаемого напряжения. Рассмотрим разные режимы работы на примере схемы, в которой биполярные транзисторы подключаются с общим эмиттером.

Отсечка

Этот режим образуется при снижении напряжения V_БЭ до 0,7 вольта. В таком случае переход эмиттера закрывается, и ток на коллекторе отсутствует, так как в базе отсутствуют электроны, и транзистор остается закрытым.

Активный режим

При подаче напряжения, достаточного для открытия транзистора, на базу, возникает малый ток входа и большой выходной ток. Это зависит от размера коэффициента усиления. В этом случае транзистор работает усилителем.

Режим насыщения

Эта работа имеет свои отличия от активного режима. Полупроводник открывается до конца, коллекторный ток достигает наибольшего значения. Его повышения можно добиться только путем изменения нагрузки, либо ЭДС выходной схемы. При корректировке тока базы ток коллектора не изменяется. Режим насыщения имеет особенности в том, что транзистор открыт полностью и работает переключателем. Если объединить режимы насыщения и отсечки биполярных транзисторов, то можно создать ключи.

Свойства характеристик выхода влияют на режимы. Это изображено на графике.

При отложении на осях координат отрезков, соответствующих наибольшему току коллектора и размеру напряжения, и далее, объединения концов друг с другом, образуется красная линия нагрузки. По графику видно: точка тока и напряжения сместится по линии нагрузки вверх при повышении базового тока.

Участок между заштрихованной характеристикой выхода и осью V ke является работа отсечки. В этом случае транзистор закрыт, а обратная величина тока мала. Характеристика в точке А вверху пересекается с нагрузкой, после которой при последующем повышении I_В ток коллектора уже не меняется. На графике участком насыщения является закрашенная часть между осью I k и наиболее крутым графиком.

Биполярные транзисторы в различных режимах

Транзистор взаимодействует с сигналами разных видов во входной цепи. В основном транзистор применяется в усилителях. Входной переменный сигнал изменяет ток на выходе. В этом случае используются схемы с общим эмиттером или коллектором. В цепи выхода для сигнала необходима нагрузка.

Чаще всего для этого применяют сопротивление, установленное в цепи выхода коллектора. При его правильном выборе, значение напряжения на выходе будет намного больше, чем на входе.

Во время преобразования сигнала импульсов режим сохраняется таким же, как для синусоидальных сигналов. Качество изменения гармоник определяется характеристиками частоты полупроводников.

Режим переключения

Транзисторные ключи служат для бесконтактных переключений в электрических цепях. Эта работа заключается в прерывистой регулировке величины сопротивления полупроводника. Биполярные транзисторы наиболее применимы в устройствах переключения.

Полупроводники применяются в схемах изменения сигналов. Их универсальная работа и широкая классификация дает возможность использовать транзисторы в различных цепях, которые определяют их возможности работы. Основными применяемыми схемами являются усиливающие, а также переключающие цепи.

Транзисторы принцип работы для чайников. Схемы включения биполярных транзисторов

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

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

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

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

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

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора ), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы ). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

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

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

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.

Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h31 . Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току . Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

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

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению . Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику , которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной .

Также параметрами биполярного транзистора являются:

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

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

Режимы работы биполярного транзистора

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

Инверсный активный режим . Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
Режим насыщения . Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.
Режим отсечки . Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

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

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

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.

Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

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

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Маркировка

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

Полезные комментарии:
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133136/#comment_4419173

Теги:

транзисторы
биполярные транзисторы
электроника

Добавить метки

Первое, что приходит в голову, когда слышишь подобный вопрос, это рассказать об устройстве транзистора: p-n переходах, их объединении в трехслойную конструкцию и т.д. Физика полупроводников, если подходить к вопросу серьезно, достаточно сложна и требует хотя бы начальных знаний о квантовой физике. И это касается только вопроса методичности изложения, тогда как и сама квантовая физика, как, впрочем, и классическая теория электричества, порою не в состоянии ответить на все возникающие вопросы. В итоге, чаще приходится просить принять что-то на веру после обширных математических выкладок и многочисленных поясняющих рисунков, а это никак не способствует пониманию существа вопроса.

Но действительно ли спрашивающего интересует физика полупроводников? Кого-то, может быть, и интересует, но большая часть вопрошающих, как мне кажется, больше склонна получить ответ на другой вопрос: как осмысленно использовать транзистор в схемах?

Транзистор — один из наиболее употребительных активных элементов электронных схем. В последнее время схемы часто строятся с использованием микросхем, а подход к их созданию требует только знания свойств и функциональных возможностей микросхемы, но следует забывать, что и свойства и функциональные возможности микросхемы обусловлены свойствами скрытых в ней компонент, где транзисторы продолжают играть значительную роль. Так что вопрос о работе транзистора не утратил актуальности. Но с учетом «микросхемного» подхода к созданию устройств рассмотрение свойств и функциональных возможностей транзисторов мне кажется более актуальным, чем физических принципов, лежащих в основе их работы, особенно для любителей.

Чаще всего транзистор используется для усиления сигнала. И хотя сигналы бывают разные, наиболее простые эксперименты можно осуществить с усилением синусоидального сигнала. А Proteus предоставляет все необходимое для этого.

В одном из весьма аргументированных сообщений, встреченных мною на форуме, где обсуждалась работа с Proteus, говорилось, что эта среда разработки предназначена для работы с цифровой техникой и микроконтроллерами, поэтому аналоговые схемы в ней исследовать нет резона. Меня заинтересовало, можно ли рассказать о применении транзисторов с помощью программы Proteus? Попробую это сделать.

Итак. Усиление сигнала можно рассматривать как усиление сигнала по току, усиление по напряжению и усиление по мощности. Усиление сигнала по току у транзистора обусловлено его свойством — ток коллектора и ток базы связаны соотношением Iк = К*Iб . При этом, если ток базы изменяется по какому-то закону, то ток коллектора изменяется по тому же закону, то есть, соотношение выше можно рассматривать для каждого момента времени. Вот, собственно, что я посчитал бы необходимым ответить на вопрос о том, как работает транзистор.

При работе с симметричными сигналами транзистор, как правило, включают так, чтобы напряжение на коллекторе было равно половине напряжения питания. В простейшем случае это достигается подбором резистора в цепи базы.

Рис. 3.1. Задание рабочего режима транзистора

Если в такой схеме менять величину сопротивления R1, что в Proteus достигается щелчком правой клавиши мышки по этому компоненту с последующим выбором из выпадающего меню пункта Edit Properties , открывающего, в свою очередь, диалоговое окно свойств резистора, где и задается величина сопротивления, так вот, если менять R1 то можно получить разное напряжение на коллекторе транзистора.

Однако гораздо полезнее подключить к схеме предыдущего рисунка генератор синусоидального напряжения, используя клавишу Generator Mode (иконка на левой инструментальной панели в виде кружка с синусоидой). Если теперь с помощью клавишиGraph Mode нарисовать график, можно выбратьANALOGUE из представленных возможностей, добавить пробник напряжения, обозначив его метку какoutput , то после настройки графика, в его свойствах я задаю время 10 мС (10m), так как я задал для генератора синусоиды 10 мВ (10m RMS) и частоту 1 кГц (1k), добавить кривую для графика, используя пункт выпадающего менюAdd Traces… , то теперь можно наблюдать выходной сигнал после запуска симуляции в пункте выпадающего менюSimulate Graph при разных значениях сопротивления, чтобы оценить, как влияет выбор рабочей точки на получающийся результат.

Рис. 3.2. Наблюдение синусоидального сигнала на коллекторе транзистора

Зачем на входе транзистора конденсатор? Чтобы сопротивление генератора, а генератор имеет некоторое внутреннее сопротивление, не меняло заданный режим. Конденсатор не пропускает постоянный ток, значит не изменит наших настроек. Можно включать разные источники сигнала, можно менять сопротивление в цепи коллектора, можно наблюдать многое в программе Proteus, и можно проверить, действительно ли между током базы и током коллектора есть соотношение, о котором было сказано в самом начале, и можно проверить, действительно ли ток (ток, а не напряжение, как у меня) коллектора повторяет закон изменения тока базы. Кстати, можно проверить и фазовые соотношения между напряжениями на базе транзистора и напряжением на его коллекторе. Это удобно сделать добавив второй график для сигнала input на рис.3.2.

Я же хочу проделать другие испытания. Если верить рассказам о Proteus, которые я нашел

в Интернете, то работа усилителя не зависит от того, какой транзистор вы используете. Выбирая разные транзисторы из библиотеки компонентов, я хочу посмотреть на амплитудночастотные характеристики получающихся усилителей. Для этой цели я использую ту же схему, добавлю в свой набор некоторое количество транзисторов, затем, меняя транзисторы, посмотрю, действительно ли их АЧХ одинаковы?

Рис. 3.3. Испытания разных транзисторов в Proteus

Для транзистора AC127, как это видно из графика, частота среза примерно 5 МГц. Похоже ли это на правду? Не хочу заниматься расчетами, но если современные транзисторы малой мощности имеют граничную частоту при включении с общей базой порядка 300 МГц, а усиление около 100, то граничная частота должна получиться около 3 МГц.

Когда рассказывают о строении биполярного транзистора, то обязательно упоминают о том, что он имеет две пограничные области на стыке полупроводников разных типов проводимости, очень напоминающие по свойствам заряженные конденсаторы. Этому свойству транзистор обязан своим поведением при усилении сигналов разных частот. Его поведение можно моделировать используя RC цепь. Амплитудно-частотная характеристика интегрирующей RC цепи и однокаскадного усилителя на транзисторе будут обладать одинаковыми свойствами. Можно сравнить графики рис. 1.14 и предыдущего, чтобы увидеть наличие верхней граничной частоты в обоих случаях и спада амплитудно-частотной характеристики со скоростью 20 дБ на декаду. Величина эквивалентного конденсатора зависит от конкретной модели транзистора. Если заменить одну модель транзистора другой, то можно ожидать, что амплитудно-частотная характеристика каскада изменится, если, конечно, у них различается такой параметр, как граничная частота усиления.

Поэтому я хочу заменить транзистор на TIP31.

Рис. 3.4. Амплитудно-частотная характеристика после замены транзистора

Не знаю, как у вас, а у меня верхняя граничная частота «улетела» за 10 МГц. Не уверен я теперь, что Proteus не годится для аналогового симулирования схем. Чтобы развеять свои сомнения я верну транзистор AC127, а в цепь эмиттера включу резистор. Этот резистор, удобнее рассмотреть его работу в схеме рис.3.1, приведет к тому, что напряжение базаэмиттер транзистора изменится. На нем будет падать напряжение, которое нужно вычесть из напряжения между базой и общим проводом, чтобы получить напряжение база-эмиттер. Входным напряжением для транзистора служит именно напряжение база-эмиттер. Таким образом, резистор в цепи эмиттера уменьшает входной сигнал для транзистора. Он, резистор, является резистором обратной связи — мы часть выходного сигнала (а на резисторе в цепи эмиттера в значительной мере сказывается именно выходной сигнал) сложили с учетом фазы со входным сигналом, дополнение «с учетом фазы» в данном случае указывает на то, что обратная связь будет отрицательной. А, насколько я знаю, отрицательная обратная связь должна расширить диапазон рабочих частот каскада усиления, то есть, верхняя граничная частота должна увеличится. Проверим, так ли это?

Рис. 3.5. Амплитудно-частотная характеристика с отрицательной обратной связью

Нисколько я не развеял сомнения, верхняя частота среза каскада вновь оказывается за 10 МГц, как и предписывает ей теория и практика. Видимо профессионалов не устраивает точность моделирования сравнительно с расчетами или практическим выполнением схем, но в любительской практике, если проверять результаты моделирования на макетной плате, программа окажется достойным помощником.

Проведем еще один эксперимент, который отчасти отвечает на вопрос о применимости Proteus к аналоговым схемам, отчасти на вопрос о том, как работает транзистор?

В самом начале я говорил, что ток базы и ток коллектора связаны соотношением, но никак не назвал это соотношение. Коэффициент «К» — это статический коэффициент усиления по току. Можно встретить его в виде Вст и в виде h31 . Это связь между постоянным током базы и коллектора. Но при работе транзистора в схеме нас больше может заинтересовать динамическая связь этих токов. Посмотрим, может ли Proteus помочь нам в этом.

Но предварительно, поскольку мы этого не сделали, найдем этот самый статический коэффициент усиления по току, как отношение постоянного тока коллектора к току базы в выбранном режиме. В схеме рис.3.1 я добавлю два измерителя тока, амперметра, один в цепь базы, другой в цепь коллектора. В свойствах этих амперметров (правый щелчок, в выпадающем меню свойства, затем окошко Display Range ) я заменю тот, что в цепи базы на микроамперметр, а в цепи коллектора на миллиамперметр.

Рис. 3.6. Измерение статического коэффициента усиления по току

Теперь можно разделить 5.67 мА на 22.6 мкА, что даст значение коэффициента, примерно, 250.

Мне хотелось бы проделать нечто подобное со входным и выходным током схемы на рис. 3.4. Токовый пробник к входной цепи добавляется и графика работает, а вот графика, если добавить токовый пробник в коллекторную цепь, работать не хочет. Но это не слишком огорчает меня, поскольку токовый пробник в общей цепи вполне меня устроит, ток в общей цепи — сумма токов базы и коллектора, но ток базы много меньше тока коллектора, так что для ориентировочных расчетов можно взять их сумму.

Можно, конечно, попытаться разобраться, отчего не хочет симулироваться график, если токовый пробник устанавливать в цепь коллектора. К этой проблеме можно вернуться позже, либо не рассматривать это в качестве проблемы до того момента, когда в таком измерении возникнет жестокая необходимость. Пока можно обойтись тем, что есть.

В общем рабочем поле графики немного маловаты, и если это, как мне в данном случае, мешает определить величины, можно выбрать из выпадающего меню после щелчка правой клавиши мышки по графику пункт Maximize (Show Window) , что приведет к появлению окна просмотра с большим графиком.

Рис. 3.7. Токи во входной и выходной цепях усилителя

Самый верхний график показывает напряжение сигнала на коллекторе транзистора. В окне просмотра легко выясняется, что двойная амплитуда сигнала около 8.5 — 3.5 = 5 В. Соответственно амплитуда должна быть 2.5 В. Прав я или нет, но при сопротивлении нагрузки равном 1 кОм ток через это сопротивление должен быть 2.5 мА.

Следующий график показывает токовый сигнал базы транзистора, двойная амплитуда которого 24 мкА, а амплитуда 12 мкА.

Последний график — это общий токовый сигнал, как алгебраическая сумма базового и коллекторного токов, который я, ничтоже сумняшеся, принимаю за выходной ток с амплитудой 2.5 мА. В этом случае усиление по току, как простое отношение выходного тока ко входному, будет около 208. Это близко к статическому коэффициенту усиления по току. Кроме того, зная, что входной сигнал равен 10 мВ (RSM) эффективного значения или 14 мВ амплитудного, а выходной сигнал 2.5 В, можно получить усиление по напряжению около 178. Это значение, выраженное в децибелах, дает величину 45 дБ. Это же значение присутствует на амплитудно-частотной характеристике этой схемы. Расчетное значение усиления по напряжению получается около 200. Пока похоже.

В одном из справочников приводится расчетное значение усиления по напряжению как отношение величины сопротивления в коллекторной и эмиттерной цепи для рис. 3.5. В данном случае это будет 1000/300 = 3.3 или в децибелах 20log(3.3) = 10.4. Это значение присутствует на амплитудно-частотной характеристике.

Что ж, был бы рад сказать, что убедился, с аналоговыми схемами работать нельзя, но не убедился пока. Увы!

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

Виды транзисторов

Биполярный транзистор

Триоды за редким исключением применяют в аппаратуре для меломанов.

Биполярные транзисторы выглядеть могут 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.

Обычно где какой вывод определяют по справочнику, но можно просто . 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

Для транзисторов можно отметить правила, которые призваны помочь облегчить понимание. (Эти правила взяты из книги ).

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

Коэффициент усиления по току.

Его также обозначают как

Исходы из выше сказанного транзистор может работать в четырех режимах:

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.
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.
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.
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.

Транзистор в ключевом режиме

На рисунке изображена схема работы транзистора в ключевом режиме.

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

В результате мы вполне можем найти сопротивление резистора

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

Все дело в том, что здесь есть небольшой нюанс.

Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель является частным случаем транзисторных схем с общим коллектором.

«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.

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, и так сказать вдохнуть в старый радиокомпонет новую жизнь.

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

Желаю вам удачи, успехов и солнечного настроения!

С н/п Владимир Васильев

P.S. Друзья, обязательно подписывайтесь на обновления! Подписавшись вы будете получать новые материалы себе прямо на почту! И кстати каждый подписавшийся получит полезный подарок!

Радиоэлектронный элемент из полупроводникового материала с помощью входного сигнала создает, усиливает, изменяет импульсы в интегральных микросхемах и системах для хранения, обработки и передачи информации. Транзистор – это сопротивление, функции которого регулируются напряжением между эмиттером и базой или истоком и затвором в зависимости от типа модуля.

Виды транзисторов

Преобразователи широко применяются в производстве цифровых и аналоговых микросхем для обнуления статического потребительского тока и получения улучшенной линейности. Типы транзисторов различаются тем, что одни управляются изменением напряжения, вторые регулируются отклонением тока.

Полевые модули работают при повышенном сопротивлении постоянного тока, трансформация на высокой частоте не увеличивает энергетические затраты. Если говорить, что такое транзистор простыми словами, то это модуль с высокой границей усиления. Эта характеристика у полевых видов больше, чем у биполярных типов. У первых нет рассасывания носителей заряда, что ускоряет работу.

Полевые полупроводники применяются чаще из-за преимуществ перед биполярными видами:

мощного сопротивления на входе при постоянном токе и высокой частоте, это уменьшает потери энергии на управление;
отсутствия накопления неосновных электронов, из-за чего ускоряется работа транзистора;
переноса подвижных частиц;
стабильности при отклонениях температуры;
небольших шумов из-за отсутствия инжекции;
потребления малой мощности при работе.

Виды транзисторов и их свойства определяют назначение. Нагревание преобразователя биполярного типа увеличивает ток по пути от коллектора к эмиттеру. У них коэффициент сопротивления отрицательный, а подвижные носители текут к собирающему устройству от эмиттера. Тонкая база отделена p-n-переходами, а ток возникает только при накоплении подвижных частиц и их инжекции в базу. Некоторые носители заряда захватываются соседним p-n-переходом и ускоряются, так рассчитаны параметры транзисторов.

Полевые транзисторы имеют еще один вид преимущества, о котором нужно упомянуть для чайников. Их соединяют параллельно без выравнивания сопротивления. Резисторы для этой цели не применяются, так как показатель растет автоматически при изменении нагрузки. Для получения высокого значения коммутационного тока набирается комплекс модулей, что используется в инверторах или других устройствах.

Нельзя соединять параллельно , определение функциональных параметров ведет к тому, что выявляется тепловой пробой необратимого характера. Эти свойства связаны с техническими качествами простых p-n каналов. Модули соединяются параллельно с применением резисторов для выравнивания тока в эмиттерных цепях. В зависимости от функциональных черт и индивидуальной специфики в классификации транзисторов выделяют биполярные и полевые виды.

Биполярные транзисторы

Биполярные конструкции производятся в виде полупроводниковых приборов с тремя проводниками. В каждом из электродов предусмотрены слои с дырочной p-проводимостью или примесной n-проводимостью. Выбор комплектации слоев определяет выпуск p-n-p или n-p-n типов приборов. В момент включения устройства разнотипные заряды одновременно переносятся дырками и электронами, задействуется 2 вида частиц.

Носители движутся за счет механизма диффузии. Атомы и молекулы вещества проникают в межмолекулярную решетку соседнего материала, после чего их концентрация выравнивается по всему объему. Перенос совершается из областей с высоким уплотнением в места с низким содержанием.

Электроны распространяются и под действием силового поля вокруг частиц при неравномерном включении легирующих добавок в массе базы. Чтобы ускорить действие прибора, электрод, соединенный со средним слоем, делают тонким. Крайние проводники называют эмиттером и коллектором. Обратное напряжение, характерное для перехода, неважно.

Полевые транзисторы

Полевой транзистор управляет сопротивлением с помощью электрического поперечного поля, возникающего от приложенного напряжения. Место, из которого электроны движутся в канал, называется истоком, а сток выглядит как конечная точка вхождения зарядов. Управляющее напряжение проходит по проводнику, именуемому затвором. Устройства делят на 2 вида:

с управляющим p-n-переходом;
транзисторы МДП с изолированным затвором.

Приборы первого типа содержат в конструкции полупроводниковую пластину, подключаемую в управляемую схему с помощью электродов на противоположных сторонах (сток и исток). Место с другим видом проводимости возникает после подсоединения пластины к затвору. Вставленный во входной контур источник постоянного смещения продуцирует на переходе запирающее напряжение.

Источник усиливаемого импульса также находится во входной цепи. После перемены напряжения на входе трансформируется соответствующий показатель на p-n-переходе. Модифицируется толщина слоя и площадь поперечного сечения канального перехода в кристалле, пропускающем поток заряженных электронов. Ширина канала зависит от пространства между обедненной областью (под затвором) и подложкой. Управляющий ток в начальной и конечной точках регулируется изменением ширины обедненной области.

Транзистор МДП характеризуется тем, что его затвор отделен изоляцией от канального слоя. В полупроводниковом кристалле, называемом подложкой, создаются легированные места с противоположным знаком. На них установлены проводники – сток и исток, между которыми на расстоянии меньше микрона расположен диэлектрик. На изоляторе нанесен электрод из металла – затвор. Из-за полученной структуры, содержащей металл, диэлектрический слой и полупроводник транзисторам присвоена аббревиатура МДП.

Устройство и принцип работы для начинающих

Технологии оперируют не только зарядом электричества, но и магнитным полем, световыми квантами и фотонами. Принцип действия транзистора заключается в состояниях, между которыми переключается устройство. Противоположный малый и большой сигнал, открытое и закрытое состояние – в этом заключается двойная работа приборов.

Вместе с полупроводниковым материалом в составе, используемого в виде монокристалла, легированного в некоторых местах, транзистор имеет в конструкции:

выводы из металла;
диэлектрические изоляторы;
корпус транзисторов из стекла, металла, пластика, металлокерамики.

До изобретения биполярных или полярных устройств использовались электронные вакуумные лампы в виде активных элементов. Схемы, разработанные для них, после модификации применяются при производстве полупроводниковых устройств. Их можно было подключить как транзистор и применять, т. к. многие функциональные характеристики ламп годятся при описании работы полевых видов.

Преимущества и недостатки замены ламп транзисторами

Изобретение транзисторов является стимулирующим фактором для внедрения инновационных технологий в электронике. В сети используются современные полупроводниковые элементы, по сравнению со старыми ламповыми схемами такие разработки имеют преимущества:

небольшие габариты и малый вес, что важно для миниатюрной электроники;
возможность применить автоматизированные процессы в производстве приборов и сгруппировать этапы, что снижает себестоимость;
использование малогабаритных источников тока из-за потребности в низком напряжении;
мгновенное включение, разогревание катода не требуется;
повышенная энергетическая эффективность из-за снижения рассеиваемой мощности;
прочность и надежность;
слаженное взаимодействие с дополнительными элементами в сети;
стойкость к вибрации и ударам.

Недостатки проявляются в следующих положениях:

кремниевые транзисторы не функционируют при напряжении больше 1 кВт, лампы эффективны при показателях свыше 1-2 кВт;
при использовании транзисторов в мощных сетях радиовещания или передатчиках СВЧ требуется согласование маломощных усилителей, подключенных параллельно;
уязвимость полупроводниковых элементов к воздействию электромагнитного сигнала;
чувствительная реакция на космические лучи и радиацию, требующая разработки стойких в этом плане радиационных микросхем.

Схемы включения

Чтобы работать в единой цепи транзистору требуется 2 вывода на входе и выходе. Почти все виды полупроводниковых приборов имеют только 3 места подсоединения. Чтобы выйти из трудного положения, один из концов назначается общим. Отсюда вытекают 3 распространенные схемы подключения:

для биполярного транзистора;
полярного устройства;
с открытым стоком (коллектором).

Биполярный модуль подключается с общим эмиттером для усиления как по напряжению, так и по току (ОЭ). В других случаях он согласовывает выводы цифровой микросхемы, когда существует большой вольтаж между внешним контуром и внутренним планом подключения. Так работает подсоединение с общим коллектором, и наблюдается только рост тока (ОК). Если нужно повышение напряжения, то элемент вводится с общей базой (ОБ). Вариант хорошо работает в составных каскадных схемах, но в однотранзисторных проектах ставится редко.

Полевые полупроводниковые приборы разновидностей МДП и с использованием p-n-перехода включаются в контур:

с общим эмиттером (ОИ) – соединение, аналогичное ОЭ модуля биполярного типа
с единым выходом (ОС) – план по типу ОК;
с совместным затвором (ОЗ) – похожее описание ОБ.

В планах с открытым стоком транзистор включается с общим эмиттером в составе микросхемы. Коллекторный вывод не подсоединяется к другим деталям модуля, а нагрузка уходит на наружный разъем. Выбор интенсивности вольтажа и силы тока коллектора производится после монтажа проекта. Приборы с открытым стоком работают в контурах с мощными выходными каскадами, шинных драйверах, логических схемах ТТЛ.

Для чего нужны транзисторы?

Область применение разграничена в зависимости от типа прибора – биполярный модуль или полевой. Зачем нужны транзисторы? Если необходима малая сила тока, например, в цифровых планах, используют полевые виды. Аналоговые схемы достигают показателей высокой линейности усиления при различном диапазоне питающего вольтажа и выходных параметров.

Областями установки биполярных транзисторов являются усилители, их сочетания, детекторы, модуляторы, схемы транзисторной логистики и инверторы логического типа.

Места применения транзисторов зависят от их характеристик. Они работают в 2 режимах:

в усилительном порядке, изменяя выходной импульс при небольших отклонениях управляющего сигнала;
в ключевом регламенте, управляя питанием нагрузок при слабом входном токе, транзистор полностью закрыт или открыт.

Вид полупроводникового модуля не изменяет условия его работы. Источник подсоединяется к нагрузке, например, переключатель, усилитель звука, осветительный прибор, это может быть электронный датчик или мощный соседний транзистор. С помощью тока начинается работа нагрузочного прибора, а транзистор подсоединяется в цепь между установкой и источником. Полупроводниковый модуль ограничивает силу энергии, поступающей к агрегату.

Сопротивление на выходе транзистора трансформируется в зависимости от вольтажа на управляющем проводнике. Сила тока и напряжение в начале и конечной точке цепи изменяются и увеличиваются или уменьшаются и зависят от типа транзистора и способа его подсоединения. Контроль управляемого источника питания ведет к усилению тока, импульса мощности или увеличению напряжения.

Транзисторы обоих видов используются в следующих случаях:

В цифровом регламенте. Разработаны экспериментальные проекты цифровых усилительных схем на основе цифроаналоговых преобразователей (ЦАП).
В генераторах импульсов. В зависимости от типа агрегата транзистор работает в ключевом или линейном порядке для воспроизведения прямоугольных или произвольных сигналов, соответственно.
В электронных аппаратных приборах. Для защиты сведений и программ от воровства, нелегального взлома и использования. Работа проходит в ключевом режиме, сила тока управляется в аналоговом виде и регулируется с помощью ширины импульса. Транзисторы ставят в приводы электрических двигателей, импульсные стабилизаторы напряжения.

Монокристаллические полупроводники и модули для размыкания и замыкания контура увеличивают мощность, но функционируют только как переключатели. В цифровых устройствах применяют транзисторы полевого типа в качестве экономичных модулей. Технологии изготовления в концепции интегральных экспериментов предусматривают производство транзисторов на едином чипе из кремния.

Миниатюризация кристаллов ведет к ускорению действия компьютеров, снижению количества энергии и уменьшению выделения тепла.

Транзистором называется полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления и генерирования электрических колебаний. Так что же такое транзистор ? — Он представляет собой кристалл, помещенный в корпус, снабженный выводами. Кристалл изготовляют из полупроводникового материала. По своим электрическим свойствам полупроводники занимают некоторое промежуточное положение между проводниками и непроводниками тока (изоляторами).

Небольшой кристалл полупроводникового материала (полупроводника) после соответствующей технологической обработки становится способным менять свою электропроводность в очень широких пределах при подведении к нему слабых электрических колебаний и постоянного напряжения смещения.

Кристалл помещают в металлический или пластмассовый корпус и снабжают тремя выводами, жесткими или мягкими, присоединенными к соответствующим зонам кристалла. Металлический корпус иногда имеет собственный вывод, но чаща с корпусом соединяют один из трех электродов транзистора.

В настоящее время находят применение транзисторы двух видов — биполярные и полевые . Биполярные транзисторы появились первыми и получили наибольшее распространение. Поэтому обычно их называют просто транзисторами. Полевые транзисторы появились позже и пока используются реже биполярных.

Быполярные транзисторы

Биполярными транзисторы называют потому, что электрический ток в них образуют электрические заряды положительной и отрицательной полярности. Носители положительных зарядов принято называть дырками, отрицательные заряды переносятся электронами. В биполярном транзисторе используют кристалл из германия или кремния — основных полупроводниковых материалов, применяемых для изготовления транзисторов и диодов.

Поэтому и транзисторы называют одни кремниевыми , другие — германиевыми . Для обоих разновидностей биполярных транзисторов характерны свои особенности, которые обычно учитывают при проектировании устройств.

Для изготовления кристалла используют сверхчистый материал, в который добавляют специальные строго дозированные; примеси. Они и определяют появление в кристалле проводимости, обусловленной дырками (р-проводимость) или электронами (n-проводимость). Таким образом формируют один из электродов транзистора, называемый базой.

Если теперь в поверхность кристалла базы ввести тем или иным технологическим способом специальные примеси, изменяющие тип проводимости базы на обратную так, чтобы образовались близколежащие зоны n-р-n или р-n-р, и к каждой зоне подключить выводы, образуется транзистор.

Одну из крайних зон называют эмиттером, т. е. источником носителей заряда, а вторую — коллектором, собирателем этих носителей. Зона между эмиттером и коллектором называется базой. Выводам транзистора обычно присваивают названия, аналогичные его электродам.

Усилительные свойства транзистора проявляются в том, что если теперь к эмиттеру и базе приложить малое электрическое напряжение — входной сигнал, то в цепи коллектор — эмиттер потечет ток, по форме повторяющий входной ток входного сигнала между базой и эмиттером, но во много раз больший по значению.

Для нормальной работы транзистора в первую очередь необходимо подать на его электроды напряжение питания. При этом напряжение на базе относительно эмиттера (это напряжение часто называют напряжением смещения) должно быть равно нескольким десятым долям вольта, а на коллекторе относительно эмиттера — несколько вольт.

Включение в цепь n-р-n и р-n-р транзисторов отличается только полярностью напряжения на коллекторе и смещения. Кремниевые и германиевые транзисторы одной и той же структуры отличаются между собой лишь значением напряжения смещения. У кремниевых оно примерно на 0,45 В больше, чем у герма ниевых.

Рис. 1

На рис. 1 показаны условные графические обозначения транзисторов той и другой структуры, выполненных на основе германия и кремния, и типовое напряжение смещения. Электроды транзисторов обозначены первыми буквами слов: эмиттер — Э, база — Б, коллектор — К.

Напряжение смещения (или, как принято говорить, режим) показано относительно эмиттера, но на практике напряжение на электродах транзистора указывают относительно общего провода устройства. Общим проводом в устройстве и на схеме называют провод, гальванически соединенный с входом, выходом и часто с источником питания, т. е. общий для входа, выхода и источника питания.

Усилительные и другие свойства транзисторов характеризуются рядом электрических параметров, наиболее важные из которых рассмотрены ниже.

Статический коэффициент передачи тока базы h 21Э показывает, во сколько раз ток коллектора биполярного транзистора больше тока его базы, вызвавшего этот ток. У большинства типов транзисторов численное значение этого коэффициента от экземпляра к экземпляру может изменяться от 20 до 200. Есть транзисторы и с меньшим значением — 10…15, и с большим — до 50…800 (такие называют транзисторами со сверхусилением).

Нередко считают, что хорошие результаты можно получить только с транзисторами, имеющими большое значение h 21э. Однако практика показывает, что при умелом конструировании аппаратуры вполне можно обойтись транзисторами, имеющими h 2 l Э, равный всего 12…20. Примером этого может служить большинство конструкций, описанных в этой книге.

Частотными свойствами транзистора учитывается тот факт, что транзистор способен усиливать электрические сигналы с частотой, не превышающей определенного для каждого транзистора предела. Частоту, на которой транзистор теряет свои усилительные свойства, называют предельной частотой усиления транзистора.

Для того, чтобы транзистор мог обеспечить значительное усиление сигнала, необходимо, чтобы максимальная рабочая частота сигнала была по крайней мере в 10…20 раз меньше предельной частоты f т транзистора. Например, для эффективного усиления сигналов низкой частоты (до 20 кГц) применяют низкочастотные транзисторы, предельная частота которых не менее 0,2…0,4 МГц.

Для усиления сигналов радиостанций длинноволнового и средневолнового диапазонов волн (частота сигнала не выше 1,6 МГц) пригодны лишь высокочастотные транзисторы с предельной частотой не ниже 16…30 МГц.

Максимальная допустимая рассеиваемая мощность — это наибольшая мощность, которую может рассеивать транзистор в течение длительного времени без опасности выхода из строя. В справочниках по транзисторам обычно указывают максимальную допустимую мощность коллектора Яктах, поскольку именно в цепи коллектор — эмиттер выделяется наибольшая мощность и действуют наибольшие ток и напряжение.

Базовый и коллекторный токи, протекая по кристаллу транзистора, разогревают его. Германиевый кристалл может нормально работать при температуре не более 80, а кремниевый — не более 120°С. Тепло, которое выделяется в кристалле, отводится в окружающую, среду через корпус транзистора, а также и через дополнительный теплоотвод (радиатор), которым дополнительно снабжают транзисторы большой мощности.

В зависимости от назначения выпускают транзисторы малой, средней и большой мощности. Маломощные используют главным образом для усиления и преобразования слабых сигналов низкой и высокой частот, мощные — в оконечных ступенях усиления и генерации электрических колебаний низкой и высокой частот.

Усилительные возможности ступени на биполярном транзисторе зависят не только от того, какой он мощности, а сколько от того, какой конкретно выбран транзистор, в каком режиме работы по переменному и постоянному току он работает (в частности, каковы ток коллектора и напряжение между коллектором и эмиттером), каково соотношение рабочей частоты сигнала и предельной частоты транзистора.

Что такое полевой транзистор

Полевой транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, в котором управление током между двумя электродами, образованным направленным движением носителей заряда дырок или электронов, осуществляется электрическим полем, создаваемым напряжением на третьем электроде.

Электроды, между Которыми протекает управляемый ток, иоСят название истока и стока, причем истоком считают тот электрод, из которого выходят (истекают) носители заряда.

Третий, управляющий, электрод называют затвором. Токопроводящий участок полупроводникового материала между истоком и стоком принято называть каналом, отсюда еще одно название этих транзисторов — канальные. Под действием напряжения на затворе» относительно истока меняется сопротивление канала» а значит, и ток через него.

В зависимости от типа носителей заряда различают транзисторы с n-каналом или р-каналом . В n-канальных ток канала обусловлен направленным движением электронов, а р-канальных — дырок. В связи с этой особенностью полевых транзисторов их иногда называют также униполярными. Это название подчеркивает, что ток в них образуют носители только одного знака, что и отличает полевые транзисторы от биполярных.

Для изготовления полевых транзисторов используют главным образом кремний, что связано с особенностями технологии их производства.

Основные параметры полевых транзисторов

Крутизна входной характеристики S или проводимость прямой передачи тока Y 21 указывает, на сколько миллиампер изменяется ток канала при изменении входного напряжения между затвором и истоком на 1 В. Поэтому значение крутизны входной характеристики определяется в мА/В, так же как и крутизна характеристики радиоламп.

Современные полевые транзисторы имеют крутизну от десятых долей до десятков и даже сотен миллиампер на вольт. Очевидно, что чем больше крутизна, тем большее усиление может дать полевой транзистор. Но большим значениям крутизны соответствует большой ток канала.

Поэтому-на практике обычно выбирают такой ток канала, при котором, о одной стороны, достигается требуемое усиление, а с другой — обеспечивается необходимая экономичность в расходе тока.

Частотные свойства полевого транзистора, так же как и биполярного, характеризуются значением предельной частоты. Полевые транзисторы тоже делят на низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные, и также для получения большого усиления максимальная частота сигнала должна быть по крайней мере в 10…20 раз меньше предельной частоты транзистора.

Максимальная допустимая постоянная рассеиваемая мощность полевого транзистора определяется точно так же, как и для биполярного. Промышленность выпускает полевые транзисторы малой, средней и большой мощности.

Для нормальной работы полевого транзистора на его электродах должно действовать постоянное напряжение начального смещения. Полярность напряжения смещения определяется типом канала (n или р), а значение этого напряжения — конкретным типом транзистора.

Здесь следует указать, что среди полевых транзисторов значительно больше разнообразие конструкций кристалла, чем среди биполярных. Наибольшее распространение в любительских конструкциях и в изделиях промышленного производства получили полевые транзисторы с так называемым встроенным каналом и р-n переходом.

Они неприхотливы в эксплуатации, работают в широких частотных пределах, обладают высоким входным сопротивлением, достигающим на низкой частоте нескольких мегаом, а на средней и высокой частотах — нескольких десятков или сотен килоом в зависимости от серии.

Для сравнения укажем, что биполярные транзисторы имеют значительно меньшее входное сопротивление, обычно близкое к 1…2 кОм, и лишь ступени на составном транзисторе могут иметь большее входное сопротивление. В этом со-состоит большое преимущество полевых транзисторов перед биполярными.

На рис. 2 показаны условные обозначения полевых транзисторов со встроенным каналом и р-n переходом, а также указаны и типовые значения напряжения смещения. Выводы обозначены в соответствии с первыми буквами названий электродов.

Характерно, что для транзисторов с р-каналом напряжение на стоке относительно истока должно быть отрицательным, а на затворе относительно истока — положительным, а для транзистора с n-каналом — наоборот.

В промышленной аппаратуре и реже в радиолюбительской находят также применение полевые транзисторы с изолированным затвором. Такие транзисторы имеют еще более высокое входное сопротивление, могут работать на очень высоких частотах. Но у них есть существенный недостаток — низкая электрическая прочность изолированного затвора.

Для его пробоя и выхода транзистора из строя вполне достаточно даже слабого заряда статического электричества, который всегда есть на теле человека, на одежде, на инструменте.

По этой причине выводы полевых транзисторов с изолированным затвором при хранении следует связывать вместе мягкой голой проволокой, при монтаже транзисторов руки и инструменты нужно «заземлять», используют и другие защитные мероприятия.

Литература: Васильев В.А. Приемники начинающего радиолюбителя (МРБ 1072).

Как работает транзистор?

Подробности: Категория: Начинающим; Опубликовано 29.11.2013 14:41; Автор: Admin; Просмотров: 35516

Транзисторы – это радиоэлектронные компоненты из полупроводникового материала, которые предназначены для преобразований, усилений и генерации электрических колебаний.

Но всё же, как работает транзистор? Говоря простым языком с помощью транзистора можно управлять током. Транзисторами называются любые устройства, которое способно имитировать главные его свойства, а именно – изменять сигнал между двумя разными типами состояний при изменениях сигнала на управляющем электроде.

Транзисторы бывают двух типов:

полевые;
биполярные.

Материалами изготовления служат германий и кремний, но при добавлении примесей способность проводить ток возрастает. Нужно рассмотреть оба типа транзисторов, для того чтобы понять как работает транзистор? На рисунке представлены три области p-n-p или n-p-n из которых состоит любой биполярный транзистор.

Структура транзистора

В биполярных транзисторах носители зарядов двигаются от эмиттера к коллектору. База отделяется от коллектора и эмиттера p-n переходами. Протекает ток через транзистор лишь при инжектировании носителей заряда через p-n переход из эмиттера в базу. Находясь в базе, они начинают становиться неосновными носителями заряда и достаточно легко проникают через p-n переходы. Управление током между коллектором и эмиттером осуществляется за счет изменения напряжения между базой и эмиттером.

Конструкция транзистора

Как работает транзистор в цепи электрического тока?

Основной принцип работы транзистора заключается в управлении электрическим током с помощью незначительного тока являющегося своего рода управляющим током. В полевых транзисторах носители зарядов движутся к коллектору от эмиттера через базу. Существует канал, в легированном проводнике находясь в промежутке между нелегированной подложкой и затвором. В подложке отсутствует заряд, и она не проводит ток. Перед затвором есть область обеднения с отсутствием носителей заряда.

Таким образом, вся ширина канала ограничивается пространством между областью обеднения и пространством между подложкой. Напряжение, прикладываемое к затвору, уменьшает или увеличивает область обеднения, и тем самым ширину самого канала, контролируя при этом ток.

Многие начинающие радиолюбители не так представляют себе принцип работы транзистора. Они думают, что транзистор способен усилить мощность источника питания, но это далеко не так. Важно понимать, что транзистор управляет большим током коллектора с помощью маленького тока протекающего через базу. Здесь речь идет скорее всего об управлении чем об усилении.

Схема подключение транзистора

Схема состоит из двух электрических цепей :

цепь эмиттера;
цепь коллектора;

В цепи эмиттера протекает незначительный ток, который управляет током коллектора. На выходе мы получаем «копию» тока эммитера но усиленного в несколько раз.

Интересное видео о принципе действия транзистора

< Назад
Вперёд >

Добавить комментарий

Биполярный транзистор принцип работы для чайников

Биполярный транзистор

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

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

Виды транзисторов

Биполярный транзистор

Триоды за редким исключением применяют в аппаратуре для меломанов.

Биполярные транзисторы выглядеть могут 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.

Принцип работы биполярного транзистора

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

-коэффициент усиления по току.

Его также обозначают как

Исходы из выше сказанного транзистор может работать в четырех режимах:

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.
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.
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.
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.

Транзистор в ключевом режиме

На рисунке изображена схема работы транзистора в ключевом режиме.

Чтож, теперь давайте попробуем рассчитать значение базового резистора.

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

В результате мы вполне можем найти сопротивление резистора

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

Все дело в том, что здесь есть небольшой нюанс.

Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель является частным случаем транзисторных схем с общим коллектором.

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.

Где транзисторы купить?

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

Рисунок 1 – Биполярный транзистор

Рисунок 2 – Разновидность биполярных аппаратов

Устройство биполярного транзистора

Принцип работы биполярного транзистора

Рисунок 3 — Принцип работы P→N→P транзистора

Рисунок 4 — Принципиальная схема подключения транзистора

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

Рисунок 5 — Направление токов в биполярном транзисторе

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:

Эммитер – это один из слоёв полупроводника, его задача заключается в инжектировании носителей заряда в базу (её слой).
База – это один из слоёв полупроводника, считается главным в транзисторе.
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:

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.
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.
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.
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:

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.
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.

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).
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.
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.

что такое транзистор и как он работает

Транзистор (transistor) – полупроводниковый элемент с тремя выводами (обычно), на один из которых (коллектор ) подаётся сильный ток, а на другой (база ) подаётся слабый (управляющий ток ). При определённой силе управляющего тока,как бы «открывается клапан» и ток с коллектора начинает течь на третий вывод (эмиттер ).

То есть транзистор – это своеобразный клапан , который при определённой силе тока, резко уменьшает сопротивление и пускает ток дальше (с коллектора на эмиттер).Происходит это потому, что при определенных условиях, дырки имеющие электрон, теряют его принимая новый и так по кругу. Если к базе не прилагать электрический ток, то транзистор будет находиться в уравновешенном состоянии и не пропускать ток на эмиттер.

В современных электронных чипах, количество транзисторов исчисляется миллиардами . Используются они преимущественно для вычислений и состоят из сложных связей.

Полупроводниковые материалы, преимущественно применяемые в транзисторах это: кремний , арсенид галлия и германий . Также существуют транзисторы на углеродных нанотрубках , прозрачные для дисплеев LCD и полимерные (наиболее перспективные).

Разновидности транзисторов:

Биполярные – транзисторы в которых носителями зарядов могут быть как электроны, так и «дырки». Ток может течь, как в сторону эмиттера , так и в сторону коллектора . Для управления потоком применяются определённые токи управления.

– распротранёные устройства в которых управление электрическим потоком происходит посредством электрического поля. То есть когда образуется большее поле – больше электронов захватываются им и не могут передать заряды дальше. То есть это своеобразный вентиль, который может менять количество передаваемого заряда (если полевой транзисторс управляемым p — n — переходом). Отличительной особенностью данных транзисторов являются высокое входное напряжение и высокий коэффициент усиления по напряжению.

Комбинированные – транзисторы с совмещёнными резисторами, либо другими транзисторами в одном корпусе. Служат для различных целей, но в основном для повышения коэффициента усиления по току.

Подтипы:

Био-транзисторы – основаны на биологических полимерах, которые можно использовать в медицине, биотехнике без вреда для живых организмов. Проводились исследования на основе металлопротеинов, хлорофилла А (полученного из шпината), вируса табачной мозаики.

Одноэлектронные транзисторы – впервые были созданы российскими учёными в 1996 году . Могли работать при комнатной температуре в отличии от предшественников. Принцип работы схож с полевым транзистором, но более тонкий. Передатчиком сигнала является один или несколько электронов. Данный транзистор также называют нано- и квантовый транзистор. С помощью данной технологии, в будущем рассчитывают создавать транзисторы с размером меньше 10 нм , на основе графена .

Для чего используются транзисторы?

Используются транзисторы в усилительных схемах , лампах , электродвигателях и других приборах где необходимо быстрое изменение силы тока или положение вкл выкл . Транзистор умеет ограничивать силу тока либо плавно , либо методом импульс —пауза . Второй чаще используется для -управления. Используя мощный источник питания, он проводит его через себя, регулируя слабым током.

Если силы тока недостаточно для включения цепи транзистора, то используются несколько транзисторов с большей чувствительностью, соединённые каскадным способом.

Мощные транзисторы соединённые в один или несколько корпусов, используются в полностью цифровых усилителях на основе . Часто им требуется дополнительное охлаждение . В большинстве схем, они работают в режиме ключа (в режиме переключателя).

Применяются транзисторы также в системах питания , как цифровых, так и аналоговых (материнские платы , видеокарты , блоки питания & etc ).

Центральные процессоры , тоже состоят из миллионов и миллиардов транзисторов, соединённых в определённом порядке для специализированных вычислений .

Каждая группа транзисторов, определённым образом кодирует сигнал и передаёт его дальше на обработку. Все виды и ПЗУ памяти, тоже состоят из транзисторов.

Все достижения микроэлектроники были бы практически невозможны без изобретения и использования транзисторов. Трудно представить хоть один электронный прибор без хотя бы одного транзистора.

Мы узнали как устроен транзистор, в общих чертах рассмотрели технологии изготовления германиевых и кремниевых транзисторов и разобрались как они маркируются .

Сегодня мы проведем несколько опытов и убедимся, что биполярный транзистор действительно состоит из двух диодов , включенных встречно, и что транзистор является усилителем сигнала .

Нам понадобится маломощный германиевый транзистор структуры p-n-p из серии МП39 – МП42, лампа накаливания, рассчитанная на напряжение 2,5 Вольта и источник питания на 4 – 5 Вольт. Вообще, для начинающих радиолюбителей я рекомендую собрать небольшой регулируемый , с помощью которого Вы будете питать свои конструкции.

1. Транзистор состоит из двух диодов.

Чтобы убедиться в этом, соберем небольшую схему: базу транзистора VT1 соединим с минусом источника питания, а вывод коллектора с одним из выводов лампы накаливания EL . Теперь если второй вывод лампы соединить с плюсом источника питания, то лампочка загорится.

Лампочка загорелась потому, что на коллекторный переход транзистора мы подали прямое — пропускное напряжение, которое открыло коллекторный переход и через него потек прямой ток коллектора Iк . Величина этого тока зависит от сопротивления нити накала лампы и внутреннего сопротивления источника питания.

А теперь рассмотрим эту же схему, но транзистор изобразим в виде пластины полупроводника.

Основные носители заряда в базе электроны , преодолевая p-n переход, попадают в дырочную область коллектора и становятся неосновными. Ставшие неосновными, электроны базы поглощаются основными носителями в дырочной области коллектора дырками . Таким же образом дырки из области коллектора, попадая в электронную область базы, становятся неосновными и поглощаются основными носителями заряда в базе электронами .

На контакт базы, соединенный с отрицательным полюсом источника питания, будет поступать практически неограниченное количество электронов , пополняя убывание электронов из области базы. А контакт коллектора, соединенный с положительным полюсом источника питания через нить накала лампы, способен принять такое же количество электронов, благодаря чему будет восстанавливаться концентрация дырок в области базы .

Таким образом, проводимость p-n перехода станет большой и сопротивление току будет мало, а значит, через коллекторный переход будет течь ток коллектора Iк . И чем больший будет этот ток, тем ярче будет гореть лампа.

Лампочка будет гореть и в случае, если ее включить в цепь эмиттерного перехода. На рисунке ниже показан именно этот вариант схемы.

А теперь немного изменим схему и базу транзистора VT1 подключим к плюсу источника питания. В этом случае лампа гореть не будет, так как p-n переход транзистора мы включили в обратном направлении. А это значит, что сопротивление p-n перехода стало велико и через него течет лишь очень малый обратный ток коллектора Iкбо не способный раскалить нить накала лампы EL . В большинстве случаев этот ток не превышает нескольких микроампер.

А чтобы окончательно убедиться в этом, опять рассмотрим схему с транзистором, изображенным в виде пластины полупроводника.

Электроны, находящиеся в области базы , переместятся к плюсу источника питания, отдаляясь от p-n перехода. Дырки, находящиеся в области коллектора , также будут отдаляться от p-n перехода, перемещаясь к отрицательному полюсу источника питания. В результате граница областей как бы расширится , отчего образуется зона обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току большое сопротивление.

Но, так как в каждой из областей базы и коллектора присутствуют неосновные носители заряда, то небольшой обмен электронами и дырками между областями происходить все же будет. Поэтому через коллекторный переход будет протекать ток во много раз меньший, чем прямой, и этого тока не будет хватать, чтобы зажечь нить накала лампы.

2. Работа транзистора в режиме переключения.

Сделаем еще один опыт, показывающий один из режимов работы транзистора.
Между коллектором и эмиттером транзистора включим последовательно соединенные источник питания и ту же лампу накаливания. Плюс источника питания соединим с эмиттером, а минус через нить накала лампы с коллектором. Лампа не горит. Почему?

Все очень просто: если приложить напряжение питания между эмиттером и коллектором, то при любой полярности один из переходов окажется в прямом, а другой в обратном направлении и будет мешать прохождению тока. В этом не трудно убедиться, если взглянуть на следующий рисунок.

На рисунке видно, что эмиттерный переход база-эмиттер включен в прямом направлении и находится в открытом состоянии и готов принять неограниченное количество электронов. Коллекторный переход база-коллектор, наоборот, включен в обратном направлении и препятствует прохождению электронов к базе.

Отсюда следует, что основные носители заряда в области эмиттера дырки , отталкиваемые плюсом источника питания, устремляются в область базы и там взаимопоглощаются (рекомбинируют) с основными носителями заряда в базе электронами . В момент насыщения, когда с той и с другой стороны свободных носителей заряда не останется, их движение прекратится, а значит, перестает течь ток. Почему? Потому что со стороны коллектора не будет подпитки электронами.

Получается, что основные носители заряда в коллекторе дырки притянулись отрицательным полюсом источника питания, а некоторые из них взаимно поглотились электронами , поступающими со стороны минуса источника питания. А в момент насыщения, когда с обеих сторон не останется свободных носителей заряда, дырки, за счет своего преобладания в области коллектора, заблокируют дальнейший проход электронам к базе.

Таким-образом между коллектором и базой образуется зона обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току большое сопротивление.

Конечно, благодаря магнитному полю и тепловому воздействию мизерный ток все же протекать будет, но сила этого тока так мала, что не способна раскалить нить накала лампы.

Теперь в схему добавим проволочную перемычку и ей замкнем базу с эмиттером. Лампочка, включенная в коллекторную цепь транзистора, опять не будет гореть. Почему?

Потому что при замыкании базы и эмиттера перемычкой коллекторный переход становится просто диодом, на который подается обратное напряжение. Транзистор находится в закрытом состоянии и через него идет лишь незначительный обратный ток коллектора Iкбо .

А теперь схему еще немного изменим и добавим резистор Rб сопротивлением 200 – 300 Ом, и еще один источник напряжения Gб в виде пальчиковой батарейки.
Минус батарейки соедините через резистор Rб с базой транзистора, а плюс батарейки с эмиттером. Лампа загорелась.

Лампа загорелась потому, что мы подключили батарейку между базой и эмиттером, и тем самым подали на эмиттерный переход прямое отпирающее напряжение. Эмиттерный переход открылся и через него пошел прямой ток, который открыл коллекторный переход транзистора. Транзистор открылся и по цепи эмиттер-база-коллектор потек коллекторный ток Iк , во много раз больший тока цепи эмиттер-база . И благодаря этому току лампочка загорелась.

Если же мы поменяем полярность батарейки и на базу подадим плюс, то эмиттерный переход закроется, а вместе с ним закроется и коллекторный переход. Через транзистор потечет обратный коллекторный ток Iкбо и лампочка потухнет.

Резистор Rб ограничивает ток в базовой цепи. Если ток не ограничивать и на базу подать все 1,5 вольта, то через эмиттерный переход потечет слишком большой ток, в результате которого может произойти тепловой пробой перехода и транзистор выйдет из строя. Как правило, для германиевых транзисторов отпирающее напряжение составляет не более 0,2 вольта, а для кремниевых не более 0,7 вольта.

И опять разберем эту же схему, но транзистор представим в виде пластины полупроводника.

При подаче отпирающего напряжения на базу транзистора открывается эмиттерный переход и свободные дырки из эмиттера начинают взаимопоглощаться с электронами базы , создавая небольшой прямой базовый ток Iб .

Но не все дырки, вводимые из эмиттера в базу, рекомбинируют с ее электронами. Как правило, область базы делается тонкой , а при изготовлении транзисторов структуры p-n-p концентрацию дырок в эмиттере и коллекторе делают во много раз большей, чем концентрацию электронов в базе , поэтому лишь малая часть дырок поглощается электронами базы.

Основная же масса дырок эмиттера проходит базу и попадает под действие более высокого отрицательного напряжения действующего в коллекторе, и уже вместе с дырками коллектора перемещается к его отрицательному контакту, где и взаимопоглощается вводимыми электронами отрицательным полюсом источника питания GB .

В результате этого сопротивление коллекторной цепи эмиттер-база-коллектор уменьшится и в ней течет прямой коллекторный ток Iк во много раз превышающий базовый ток Iб цепи эмиттер-база .

Чем больше больше дырок вводится из эмиттера в базу, тем значительнее ток в коллекторной цепи. И, наоборот, чем меньше отпирающее напряжение на базе, тем меньший ток в коллекторной цепи.

Если в момент работы транзистора в базовую и коллекторную цепи включить миллиамперметр, то при закрытом транзисторе токов в этих цепях практически не было бы.

При открытом же транзисторе ток базы Iб составлял бы 2-3 mA, а ток коллектора Iк был бы около 60 – 80 mA. Все это говорит о том, что транзистор может быть усилителем тока .

В этих опытах транзистор находился в одном из двух состояний: открытом или закрытом. Переключение транзистора из одного состояния в другое происходило под действием отпирающего напряжения на базе Uб . Такой режим транзистора называют режимом переключения или ключевым . Такой режим работы транзистора используют в приборах и устройствах автоматики.

На этом закончим, а в следующей части разберем работу транзистора в на примере простого усилителя звуковой частоты, собранного на одном транзисторе.
Удачи!

Литература:

1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Е. Айсберг — Транзистор?.. Это очень просто! 1964г.

Что такое транзистор?

Транзистор – полупроводниковый прибор, предназначенный для управления электрическим током.

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.

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).

(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

Физические процессы в транзисторе

Если рассматривать механические аналоги, то работа транзисторов напоминает принцип действия гидравлического усилителя руля в автомобиле. Но, сходство справедливо только при первом приближении, поскольку в транзисторах нет клапанов. В этой статье мы отдельно рассмотрим работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора

Основой устройства биполярного транзистора является полупроводниковый материал. Первые полупроводниковые кристаллы для транзисторов изготавливали из германия, сегодня чаще используется кремний и арсенид галлия. Сначала производят чистый полупроводниковый материал с хорошо упорядоченной кристаллической решеткой. Затем придают необходимую форму кристаллу и вводят в его состав специальную примесь (легируют материал), которая придаёт ему определённые свойства электрической проводимости. Если проводимость обуславливается движением избыточных электронов, она определяется как донорная (электронная) n-типа. Если проводимость полупроводника обусловлена последовательным замещением электронами вакантных мест, так называемых дырок, то такая проводимость называется акцепторной (дырочной) и обозначается проводимостью p-типа.

Рисунок 1.

Кристалл транзистора состоит из трёх частей (слоёв) с последовательным чередованием типа проводимости (n-p-n или p-n-p). Переходы одного слоя в другой образуют потенциальные барьеры. Переход от базы к эмиттеру называется эмиттерным (ЭП), к коллектору – коллекторным (КП). На рисунке 1 структура транзистора показана симметричной, идеализированной. На практике при производстве размеры областей значительно ассиметричны, примерно как показано на рисунке 2. Площадь коллекторного перехода значительно превышает эмиттерный. Слой базы очень тонкий, порядка нескольких микрон.

Рисунок 2.

Принцип действия биполярного транзистора

Любой p-n переход транзистора работает аналогично . При приложении к его полюсам разности потенциалов происходит его «смещение». Если приложенная разность потенциалов условно положительна, при этом p-n переход открывается, говорят, что переход смещён в прямом направлении. При приложении условно отрицательной разности потенциалов происходит обратное смещение перехода, при котором он запирается. Особенностью работы транзистора является то, что при положительном смещении хотя бы одного перехода, общая область, называемая базой, насыщается электронами, или электронными вакансиями (в зависимости от типа проводимости материала базы), что обуславливает значительное снижение потенциального барьера второго перехода и как следствие, его проводимость при обратном смещении.

Режимы работы

Все схемы включения транзистора можно разделить на два вида: нормальную и инверсную .

Рисунок 3.

Нормальная схема включения транзистора предполагает изменение электрической проводимости коллекторного перехода путём управления смещением эмиттерного перехода.

Инверсная схема , в противоположность нормальной, позволяет управлять проводимостью эмиттерного перехода посредством управления смещением коллекторного. Инверсная схема является симметричным аналогом нормальной, но в виду конструктивной асимметрии биполярного транзистора малоэффективна для применения, имеет более жёсткие ограничения по максимально допустимым параметрам и практически не используется.

При любой схеме включения транзистор может работать в трёх режимах: Режим отсечки , активный режим и режим насыщения .

Для описания работы направление электрического тока в данной статье условно принято за направление электронов, т.е. от отрицательного полюса источника питания к положительному. Воспользуемся для этого схемой на рисунке 4.

Рисунок 4.

Режим отсечки

Для p-n перехода существует значение минимального напряжения прямого смещения, при котором электроны способны преодолеть потенциальный барьер этого перехода. То есть, при напряжении прямого смещения до этой пороговой величины через переход не может протекать ток. Для кремниевых транзисторов величина такого порога равна примерно 0,6 В. Таким образом, при нормальной схеме включения, когда прямое смещение эмиттерного перехода не превышает 0,6 В (для кремниевых транзисторов), ток через базу не протекает, она не насыщается электронами, и как следствие отсутствует эмиссия электронов базы в область коллектора, т.е. ток коллектора отсутствует (равен нулю).

Таким образом, для режима отсечки необходимым условием являются тождества:

U БЭ

I Б =0

Активный режим

В активном режиме эмиттерный переход смещается в прямом направлении до момента отпирания (начала протекания тока) напряжением больше 0,6 В (для кремниевых транзисторов), а коллекторный – в обратном. Если база обладает проводимостью p-типа, происходит перенос (инжекция) электронов из эмиттера в базу, которые моментально распределяются в тонком слое базы и почти все достигают границы коллектора. Насыщение базы электронами приводит к значительному уменьшению размеров коллекторного перехода, через который электроны под действием отрицательного потенциала со стороны эмиттера и базы вытесняются в область коллектора, стекая через вывод коллектора, обуславливая тем самым ток коллектора. Очень тонкий слой базы ограничивает её максимальный ток, проходящий через очень малое сечение поперечного разреза в направлении вывода базы. Но эта малая толщина базы обуславливает её быстрое насыщение электронами. Площадь переходов имеет значительные размеры, что создаёт условия для протекания значительного тока эмиттер-коллектор, в десятки и сотни раз превышающий ток базы. Таким образом, пропуская через базу незначительные токи, мы можем создавать условия для прохождения через коллектор токов гораздо большей величины. Чем больше ток базы, тем больше её насыщение, и тем больше ток коллектора. Такой режим позволяет плавно управлять (регулировать) проводимостью коллекторного перехода соответствующим изменением (регулированием) тока базы. Это свойство активного режима транзистора используется в схемах различных усилителей.

В активном режиме ток эмиттера транзистора складывается из тока базы и коллектора:

I Э = I К + I Б

Ток коллектора можно выразить соотношением:

I К = α I Э

где α – коэффициент передачи тока эмиттера

Из приведённых равенств можно получить следующее:

где β – коэффициент усиления тока базы.

Режим насыщения

Предел увеличения тока базы до момента, когда ток коллектора остаётся неизменным определяет точку максимального насыщения базы электронами. Дальнейшее увеличение тока базы не будет изменять степень её насыщения, и ни как не будет влиять на ток коллектора, может привести к перегреву материала в области контакта базы и выходу транзистора из строя. В справочных данных на транзисторы могут быть указаны величины тока насыщения и максимально допустимого тока базы, либо напряжения насыщения эмиттер-база и максимально допустимого напряжения эмиттер-база. Эти пределы определяют режим насыщения транзистора при нормальных условиях его работы.

Режим отсечки и режим насыщения эффективны при работе транзисторов в качестве электронных ключей для коммутации сигнальных и силовых цепей.

Отличие в принципе работы транзисторов с различными структурами

Выше был рассмотрен случай работы транзистора n-p-n структуры. Транзисторы p-n-p структуры работают аналогично, но есть принципиальные отличия, которые следует знать. Полупроводниковый материал с акцепторной проводимостью p-типа обладает сравнительно низкой пропускной способностью электронов, так как основан на принципе перехода электрона от одного вакантного места (дырки) к другому. Когда все вакансии замещены электронами, то их движение возможно только по мере появления вакансий со стороны направления движения. При значительной протяжённости участка такого материала он будет обладать значительным электрическим сопротивлением, что приводит к большим проблемам при его использовании в качестве наиболее массивных коллекторе и эмиттере биполярных транзисторов p-n-p типа, чем при использовании в очень тонком слое базы транзисторов n-p-n типа. Полупроводниковый материал с донорной проводимостью n-типа обладает электрическими свойствами проводящих металлов, что делает его более выгодным для использования в качестве эмиттера и коллектора, как в транзисторах n-p-n типа.

Эта отличительная особенность различных структур биполярных транзисторов приводит к большим затруднениям при производстве пар компонент с различными структурами и аналогичными друг другу электрическими характеристиками. Если обратить внимание на справочные данные характеристик пар транзисторов, можно заметить, что при достижении одинаковых характеристик двух транзисторов различных типов, например КТ315А и КТ361А, несмотря на их одинаковую мощность коллектора (150 мВт) и примерно одинаковый коэффициент усиления по току (20-90), у них отличаются максимально допустимые токи коллектора, напряжения эмиттер-база и пр.

P.S. Данное описание принципа действия транзистора было интерпретировано с позиции Русской Теории , поэтому здесь нет описания действия электрических полей на вымышленные положительные и отрицательные заряды. Русская Физика даёт возможность пользоваться более простыми, понятными механическими моделями, наиболее приближенными к действительности, чем абстракции в виде электрических и магнитных полей, положительных и электрических зарядов, которые вероломно подсовывает нам традиционная школа. По этой причине не рекомендую без предварительного анализа и осмысления пользоваться изложенной теорией при подготовке к сдаче контрольных, курсовых и иных видов работ, Ваши преподаватели могут просто не принять инакомыслие, даже конкурентоспособное и вполне состоятельное с точки зрения здравого смысла и логики. Кроме того, с моей стороны это первая попытка описания работы полупроводникового прибора с позиции Русской Физики, может уточняться и дополняться в дальнейшем.

Любое электронное устройство состоит из радиоэлементов. Они могут быть пассивными, не требующими источника питания, и активными, работа которых возможна только при подаче напряжения. Активными элементами называют полупроводники. Одним из важнейших полупроводниковых приборов является транзистор. Этот радиоэлемент пришёл на смену ламповым приборам и полностью изменил схемотехнику устройств. Вся микроэлектроника и работа любой микросхемы базируется именно на нём.

Название «транзистор» произошло от слияния двух английских слов: transfer — переносимый, и resistor — сопротивление. В общепринятом понятии это полупроводниковый элемент с тремя выводами. В нём величина тока на двух выводах зависит от третьего, при изменении на котором тока или напряжения происходит управление значением тока выходной цепи. Вариацией тока управляются биполярные приборы, а напряжением — полевые.

Первые разработки транзистора были начаты в XX веке. В Германии учёный Юлий Эдгар Лилиенфельд описал принцип работы транзистора, а уже в 1934 году физиком Оскаром Хейл был зарегистрирован прибор, названный позже транзистором. Такое устройство работало на электростатическом эффекте поля.

Физики Уильям Шокли, Уолтер Браттейн вместе с учёным Джоном Бардином в конце 40-х годов изготовили первый макет точечного транзистора. С открытием n-p перехода выпуск точечного транзистора прекратился, а вместо него начались разработки плоскостных устройств из германия. Официально представлен был действующий прототип транзистора в декабре 1947 года. В этот день появился первый биполярный транзистор. Летом 1948 года начались продаваться устройства, выполненные на транзисторной основе. С этого момента распространённые на тот момент электронные лампы (триоды) начали уходить в прошлое.

В середине 50-х годов первый плоскостной транзистор был выпущен в серию компанией Texas Instruments, в качестве материала для его изготовления послужил кремний. На тот момент при производстве радиоэлемента выходило много брака, но это не помешало технологическому развитию прибора. В 1953 году на транзисторах была изготовлена схема, использующаяся в слуховых аппаратах, а годом позже американские физики получили за своё открытие Нобелевскую премию.

Март 1959 года ознаменовался созданием первого кремниевого планарного прибора, его разработчиком был физик из Швейцарии Жан Эрни. Пара транзисторов была успешно размещена на одном кристалле кремния. С этого момента и началось развитие интегральной схемотехники. На сегодняшний день в одном кристалле размещается более миллиарда транзисторов. Например, на популярном 8-ядерном компьютерном процессоре Core i7−5960X их количество составляет 2,6 миллиарда штук.

Параллельно с усовершенствованиями биполярного транзистора в 60-х годах начались разработки прибора на основе соединения металла с полупроводником. Такой радиоэлемент получил название МОП (металл-оксид-полупроводник) транзистор, сегодня более известный под обозначением «мосфет».

Изначально понятие «транзистор» относилось к сопротивлению, величина которого управлялась напряжением, поскольку транзистор можно представить как некий резистор, регулируемый приложенным потенциалом на одном выводе. Для полевых транзисторов, сравнение с которыми более верно, — потенциалом на затворе, а для биполярных транзисторов — потенциалом на базе или током базы.

Основа работы прибора заключается в способности n-p перехода пропускать ток в одну сторону. При подаче напряжения на одном переходе возникает его прямое падение, а на другом обратное. Зона перехода с прямым напряжением обладает малым сопротивлением, а с обратным — большим. Между базой и эмиттером протекает небольшой ток управления. От значения этого тока изменяется сопротивление между коллектором и эмиттером. Биполярный прибор бывает двух типов:

Отличие заключается лишь в основных носителях заряда, т. е. направлении тока.

Если соединить два полупроводника разного типа между собой, то на границе соединения возникает область или, как принято называть, p-n переход. Тип проводимости зависит от атомного строения материала, а именно насколько прочны связи в материале. Атомы в полупроводнике располагаются в виде решётки, и сам по себе такой материал не является проводником. Но если в решётку добавить атомы другого материала, то физические свойства полупроводника изменяются. Примешанные атомы образовывают, в зависимости от своей природы, свободные электроны или дырки.

Образованные свободные электроны формируют отрицательный заряд, а дырки — положительный. В области перехода существует потенциальный барьер. Он образуется контактной разностью потенциалов, и его высота не превышает десятые доли вольта, препятствуя протеканию носителей заряда вглубь материала. Если переход находится под прямым напряжением, то величина потенциального барьера уменьшается, а величина проходящего через него тока увеличивается. При прикладывании обратного напряжения, величина барьера увеличивается и сопротивление барьера прохождению тока возрастает. Понимая работу p-n перехода, можно разобраться, как устроен транзистор.

В первую очередь такие приборы разделяются на одиночные и составные. Существуют и так называемые комплексные радиоэлементы. Они имеют три вывода и выполненны, как единое целое. Такие сборки содержат как однотипные, так и разные по своему типу транзисторы. Основное разделение приборов происходит по следующим признакам:

Общее определение для радиоэлемента можно сформулировать следующим образом: транзистор — это полупроводниковый элемент, предназначенный для преобразования электрических величин. Основное его применение заключается в усилении сигнала или работе в ключевом режиме.

Принцип работы транзистора для «чайника» проще описать по аналогии с водопроводом. Сам элемент можно представить в виде вентиля. Кран небольшим поворотом позволяет регулировать поток воды (силу тока). Если немного повернуть рукоятку, вода потечёт по трубе (проводнику), если приоткрыть кран ещё сильнее, поток воды также увеличится. Таким образом, выход потока воды пропорционален её входу, умноженному на определённую величину. Этой величиной называется коэффициент усиления.

Биполярный транзистор имеет три вывода: эмиттер, база, коллектор. Эмиттер и коллектор имеют одинаковый тип проводимости, который отличный от базы. Дырочного типа транзисторы состоят из двух областей p -типа проводимости, и одной n -типа. Электронного типа наоборот. Каждая область имеет свой вывод.

При подаче на эмиттер сигнала нужной проводимости ток в области базы увеличивается. Основные носители заряда перемещаются в зону базы, что приводит к возрастанию тока и в обратной области подключения. Возникает объёмный заряд. Электрическое поле начинает втягивать в зону обратного подключения носители другого знака. В базе происходит частичная рекомбинация (уничтожение) зарядов противоположного знака, благодаря чему и возникает ток базы.

Эмиттером называют область прибора, служащую для передачи носителей заряда в базу. Коллектором называют зону, предназначенную для извлечения носителей заряда из базы. А база — это область для передачи эмиттером противоположной величины заряда. Основной характеристикой прибора является вольт-амперная характеристика, функция которой описывает зависимость между током и напряжением.

На схеме устройство подписывается латинскими буквами VT или Q. Выглядит как круг со стрелкой внутри, где стрелка указывает направление протекания тока. Для PNP (прямая проводимость) — стрелка внутрь, а NPN (обратная проводимость) — стрелка наружу. Для того чтобы сделать транзистор, используется германий или кремний. Отличаются эти материалы рабочей областью напряжения базового перехода. Для германиевых он лежит в диапазоне 0,1−0,4 В, а для кремниевых от 0,4 до 1,2 В. Обычно используется кремний.

Отличие полевого транзистора от биполярного в том, что в нём за прохождение тока отвечает величина напряжения, приложенная к управляемому контакту.

Основное назначение мосфетов связывают с их хорошей скоростью переключения при весьма небольшой мощности, приложенной к выводу управления. Полевой элемент имеет три вывода: затвор, сток, исток. При работе мосфета с управляющим n-p переходом потенциал на затворе либо равен нулю (прибор открыт), или имеет определённое значение, превышающее ноль (прибор закрыт). Когда обратное напряжения достигает определённого уровня, то открывается запирающий слой, и устройство переходит в режим отсечки.

В мосфете с p-n переходом управляющим электродом (затвором) служит слой полупроводника, имеющий проводимость р-типа, а противоположной проводимости — канал n-типа.

Изображение его на схеме сходно биполярному устройству, только все линии выполняются прямыми, а стрелка внутри подчёркивает разновидность прибора. В основе принципа действия МОП приборов лежит эффект изменения проводимости полупроводника на границе области с диэлектриком при воздействии электрического поля. Полевые устройства в зависимости от управляемого p-n перехода могут быть:

Каждый вид может иметь проводимость как p-типа, так и n-типа. В общем понимании принцип работы не зависит от проводимости, меняется только полярность источника напряжения.

Транзистор — это сложный прибор, физические процессы проходящие в котором сложны для понимания начинающим радиолюбителям (чайникам). Как работает транзистор, можно объяснить следующим образом: транзистор — это электронный ключ, степень открывания которого зависит от уровня тока или напряжения, приложенного к его управляемому выводу (база или затвор).

Зачем нужен транзистор, можно описать в обобщённой форме. Например, база (затвор) прибора — это дверь. Она открывается внешним воздействием, т. е. напряжением той же полярности, что и коллектор (исток). Чем больше напряжение, тем дверь больше откроется. Перед дверью стоит очередь людей (носители заряда), которые хотят пробежать через неё (коллектор-эмиттер или исток-сток). Чем больше воздействие на дверь, тем больше она открыта, а значит, и больше пробежит людей.

Поэтому, представляя дверь в виде сопротивления перехода, можно сделать вывод: чем больше воздействие на базу (затвор), тем меньше сопротивление основным носителям заряда (людям) в случае прямой полярности. Если полярность поменяется (дверь закроется на замок), то никакого движения зарядов (людей) не будет.

Что такое транзистор? (принцип действия, назначение и применение, как выглядит)

Транзисторами (transistors, англ.) называют полупроводниковые триоды у которых расположено три выхода. Их основным свойством является возможность посредством сравнительно низких входных сигналов осуществлять управление высоким током на выходах цепи.

Для радиодеталей, которые используются в современных сложных электроприборах, применяются полевые транзисторы. Благодаря свойствам этих элементов выполняется включение или выключение тока в электрических цепях печатных плат, или его усиление.

Что представляет собой полевой транзистор

Полевые транзисторы — это трех или четырех контактные устройства, в которых ток, идущий на два контакта может регулироваться посредством напряжения электрополя третьего контакта. на двух контактах регулируется напряжением электрического поля на третьем. В результате этого подобные транзисторы называются полевыми.

Название расположенных на устройстве контактов и их функции:

Истоки – контакты с входящим электрическим током, которые находится на участке n;
Стоки – контакты с исходящим, обработанным током, которые находятся на участке n;
Затворы – контакты, находящиеся на участке р, посредством изменения напряжения на котором, выполняется регулировка пропускной способности на устройстве.

Полевые транзисторы с n-p переходами – особые виды, позволяющие управлять током. От простых они, как правило, отличаются тем, через них протекает ток, без пересечения участка р-n переходов, участка который образуется на границах этих двух зон. Размеры р-n участка являются регулируемыми.

Что такое транзистор?

В современном значении транзистором называют полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им. У обычного полупроводникового триода имеется три вывода: база, на которую подаются сигналы управления, эмиттер и коллектор. Существуют также составные транзисторы большой мощности.

Поражает шкала размеров полупроводниковых устройств – от нескольких нанометров (бескорпусные элементы, используемые в микросхемах), до сантиметров в диаметре мощных транзисторов, предназначенных для энергетических установок и промышленного оборудования. Обратные напряжения промышленных триодов могут достигать до 1000 В.

Устройство

Конструктивно триод состоит из полупроводниковых слоев, заключённых в корпусе. Полупроводниками служат материалы на основе кремния, германия, арсенида галлия и других химических элементов. Сегодня проводятся исследования, готовящие на роль полупроводниковых материалов некоторые виды полимеров, и даже углеродных нанотрубок. Видимо в скором будущем мы узнаем о новых свойствах графеновых полевых транзисторов.

Раньше кристаллы полупроводника располагались в металлических корпусах в виде шляпок с тремя ножками. Такая конструкция была характерна для точечных транзисторов.

Сегодня конструкции большинства плоских, в т. ч. кремниевых полупроводниковых приборов выполнены на основе легированного в определённых частях монокристалла. Они впрессованы в пластмассовые, металлостеклянные или металлокерамические корпуса. У некоторых из них имеются выступающие металлические пластины для отвода тепла, которые крепятся на радиаторы.

Электроды современных транзисторов расположены в один ряд. Такое расположение ножек удобно для автоматической сборки плат. Выводы не маркируются на корпусах. Тип электрода определяется по справочникам или путём измерений.

Для транзисторов используют кристаллы полупроводников с разными структурами, типа p-n-p либо n-p-n. Они отличаются полярностью напряжения на электродах.

Схематически строение транзистора можно представить в виде двух полупроводниковых диодов, разделённых дополнительным слоем. (Смотри рисунок 1). Именно наличие этого слоя позволяет управлять проводимостью полупроводникового триода.

Рис. 1. Строение транзисторов

На рисунке 1 схематически изображено строение биполярных триодов. Существуют ещё класс полевых транзисторов, о которых речь пойдёт ниже.

Базовый принцип работы

В состоянии покоя между коллектором и эмиттером биполярного триода ток не протекает. Электрическому току препятствует сопротивление эмиттерного перехода, которое возникает в результате взаимодействия слоёв. Для включения транзистора требуется подать незначительное напряжение на его базу.

На рисунке 2 показана схема, объясняющая принцип работы триода.

Рис. 2. Принцип работы

Управляя токами базы можно включать и выключать устройство. Если на базу подать аналоговый сигнал, то он изменит амплитуду выходных токов. При этом выходной сигнал точно повторит частоту колебаний на базовом электроде. Другими словами, произойдёт усиление поступившего на вход электрического сигнала.

Таким образом, полупроводниковые триоды могут работать в режиме электронных ключей или в режиме усиления входных сигналов.

Работу устройства в режиме электронного ключа можно понять из рисунка 3.

Рис. 3. Триод в режиме ключа

Обозначение на схемах

Общепринятое обозначение: «VT» или «Q», после которых указывается позиционный индекс. Например, VT 3. На более ранних схемах можно встретить вышедшие из употребления обозначения: «Т», «ПП» или «ПТ». Транзистор изображается в виде символических линий обозначающих соответствующие электроды, обведённые кружком или без такового. Направление тока в эмиттере указывает стрелка.

На рисунке 4 показана схема УНЧ, на которой транзисторы обозначены новым способом, а на рисунке 5 – схематические изображения разных типов полевых транзисторов.

Рис. 4. Пример схемы УНЧ на триодах

Виды полевых транзисторов

Полевой транзистор с n-р переходами подразделяется на несколько классов в зависимости:

От типа каналов проводников: n или р. Каналы воздействую на знаки, полярности, сигналы управления. Они должны быть противоположны по знакам n-участку.
От структуры приборов: диффузных, сплавных по р -n — переходам, с затворами Шоттки, тонкопленочными.
От общего числа контактов: могут быть трех или четырех контактными. Для четырех контактных приборов, подложки также являются затворами.
От используемых материалов: германия, кремния, арсенид галлия.

В свою очередь разделение классов происходит в зависимости от принципа работы транзистора:

устройства под управлениями р-n переходов;
устройства с изолированными затворами или с барьерами Шоттки.

Принцип работы прибора

Транзистор — полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления электрического сигнала. Благодаря особому строению кристаллических решёток и полупроводниковым свойствам, этот прибор способен увеличивать амплитуду протекающего тока.

Полупроводники — вещества, которые способны проводить ток, а также препятствовать его прохождению. Самыми яркими их представителями являются кремний и германий. Существует два вида полупроводников:

Электронные.
Дырочные.

В полупроводниках электрический ток возникает из-за недостатка или переизбытка свободных электронов. Например, кристаллическая решётка атома состоит из трёх электронов. Однако если ввести в это вещество атом, состоящий из четырёх электронов, один будет лишним. Он является свободным электроном. Соответственно, чем больше таких электронов, тем ближе это вещество по своим свойствам к металлу. А значит, и проводимость тока больше. Такие полупроводники называются электронными.

Теперь поговорим о дырочных. Для их создания в вещество вводятся атомы другого вещества, кристаллическая решётка которого содержит больше атомов. Соответственно, в нашем полупроводнике становится меньше электронов. Образуются вакантные места для электронов. Валентные связи будут разрушаться, так как электроны будут стремиться занять эти вакантные места. Далее, мы будем называть их дырками.

Электроны постоянно стремятся занять дырку и, начиная движение, образуют новую дырку. Таким поведением обладают абсолютно все электроны. В полупроводнике происходит их движение, а значит, начинает проводиться ток. Такие полупроводники называются дырочными.

Таким образом, вводя недостаток или избыток электронов в кремний или германий, мы способствуем их движению. Получается ток. Транзисторы состоят из соединений этих полупроводников по определённому принципу. С их помощью можно управлять протекающими токами и другими параметрами электрических сигналов.

Принцип работы полевого транзистора

Говоря простыми словами о том, как работает полевой транзистор для чайников с управляющими p-n переходами, стоит отметить: радиодетали состоят из двух участков: p-переходов и n-переходов. По участку n проходит электроток. Участок р является перекрывающей зоной, неким вентилем. Если оказывать определенное давление на нее, то она будет перекрывать участок и препятствовать прохождению тока. Либо, же наоборот, при снижении давления количество проходящего тока возрастет. В результате такого давления осуществляется увеличение напряжения на контактах затворов, находящихся на участке р.

Приборы с управляющими p-n канальными переходами — это полупроводниковые пластины, имеющие электропроводность с одним из данных типов. К торцевым сторонам пластин выполняется подсоединение контактов: стока и истока, в середину — контакты затвора. Принцип работы прибора основан на изменении пространственных толщин p-n переходов. Так как в запирающих областях практически отсутствуют подвижные носители заряда, их проводимость равняется нулю. В полупроводниковых пластинах, на участках которых не воздействует запирающий слой, создаются проводящие ток каналы. Если подается отрицательное напряжение в отношении истока, на затворе образуется поток, через который протекают носителя заряда.

Для изолированных затворов, характерно расположение на них тонкого слоя диэлектрика. Такое устройство работает по принципу электрических полей. Для его разрушения понадобится всего лишь небольшое электричество. В связи с этим, чтобы предотвратить статическое напряжение, которое может превышать 1000 В, необходимо создание специальных корпусов для приборов, которые минимизируют эффект от воздействия вирусных типов электричества.

PNP-транзистор

Впервые биполярный транзистор изготовили, вплавляя в кристалл германия (материал n-типа) капли индия. Индий (In) – трехвалентный металл, материал p-типа. Поэтому такой транзистор назвали диффузным (сплавным), имеющим структуру p-n-p (или pnp). Биполярный транзистор на рисунке ниже изготовлен в 1965 году.

Его корпус обрезан для наглядности. Кристалл германия в центре называется базой, а вплавленные в него капли индия – эмиттером и коллектором. Можно рассматривать переходы ЭБ (эмиттерный) и КБ (коллекторный) как обычные диоды, но переход КЭ (коллектор-эмиттерный) имеет особое свойство. Поэтому невозможно изготовить биполярный транзистор из двух отдельных диодов.

Интересно почитать: инструкция как прозвонить транзистор.

Если в транзисторе типа pnp приложить между коллектором (-) и эмиттером (+) напряжение в несколько вольт, в цепи пойдет очень слабый ток, несколько мкА. Если затем приложить небольшое (открывающее) напряжение между базой (-) и эмиттером (+) – для германия оно составляет около 0,3 В (а для кремния 0,6 В) – то ток некоторой величины потечет из эмиттера в базу.

Но так как база сделана очень тонкой, то она быстро насытится дырками (“растеряет” свой избыток электронов, которые уйдут в эмиттер). Поскольку эмиттер сильно легирован дырочной проводимостью, а в слабо легированной базе рекомбинация электронов немного запаздывает, то существенно большая часть тока пойдет из эмиттера в коллектор.

Коллектор сделан больше эмиттера и слабо легирован, что позволяет иметь на нем большее пробивное напряжение (Uпроб.КЭ > Uпроб.ЭБ). Также, поскольку основная часть дырок рекомбинирует в коллекторе, то он и греется сильнее остальных электродов прибора. Обычно α лежит в пределах 0,85-0,999 и обратно зависит от толщины базы.

Эта величина называется коэффициент передачи тока эмиттера. Это коэффициент передачи тока базы, один из самых важных параметров биполярного транзистора. Он чаще определяет усилительные свойства на практике. Транзистор pnp называют транзистором прямой проводимости. Но бывает и другой тип транзистора, структура которого отлично дополняет pnp в схемотехнике.

Двухполярные транзисторы

Для чего нужен полевой транзистор

При рассмотрении работы сложных видов электротехники, стоит рассмотреть работу такого важного компонента интегральной схемы, как полевой транзистор. Основная задача от использования данного элемента заключается в пяти ключевых направлениях, в связи с чем транзистор применяется для:

Усиления высокой частоты.
Усиления низкой частоты.
Модуляции.
Усиления постоянного тока.
Ключевых устройств (выключателей).

В качестве простого примера работа транзистора-выключателя, может быть представлена как микрофон и лампочка в одной компановке. Благодаря микрофону улавливаются звуковые колебания, что влияет на появление электрического тока, поступающего на участок запертого устройства. Присутствие тока влияет на включение устройства и включение электрической цепи, к которой подключаются лампочки. Последние загораются после того как микрофон уловил звук, но горят они за счет источников питания не связанных с микрофоном и более мощных.

Модуляцию применяют с целью управления информационными сигналами. Сигналы управляют частотами колебаний. Модуляцию применяют для качественных звуковых радиосигналов, для передачи звуковых частот в телевизионные передачи, для трансляции цветовых изображений и телевизионных сигналов с высоким качеством. Модуляцию применяют повсеместно, где нужно проводить работу с высококачественными материалами.

Как усилители полевые транзисторы в упрощенном виде работают по такому принципу: графически любые сигналы, в частности, звукового ряда, могут быть представлены как ломаная линия, где ее длиной является временной промежуток, а высотой изломов – звуковая частотность. Чтобы усилить звук к радиодетали подается поток мощного напряжения, приобретаемого нужную частотность, но с более большим значением, из-за подачи слабых сигналов на управляющие контакты. Иначе говоря, благодаря устройству происходит пропорциональная перерисовка изначальной линии, но с более высоким пиковым значением.

Биполярный транзистор

Триоды за редким исключением применяют в аппаратуре для меломанов.

Биполярные транзисторы выглядеть могут 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.

Как применять полевой транзистор для чайников

Первыми приборами, которые поступили на рынок для реализации, и в которых были использованы полевые транзисторы с управляющими p-n переходами, были слуховые аппараты. Их изобретение состоялось еще в пятидесятые годы XX века. В более крупным масштабах они применялись, как элементы для телефонных станций.

В наше время, применение подобных устройств можно увидеть во многих видах электротехники. При наличии маленьких размеров и большому перечню характеристик, полевые транзисторы встречаются в кухонных приборах (тостерах, чайниках, микроволновках), в устройстве компьютерной, аудио и видео техники и прочих электроприборах. Они используются для сигнализационных систем охраны пожарной безопасности.

На промышленных предприятиях транзисторное оборудование применяют для регуляции мощности на станках. В сфере транспорта их устанавливают в поезда и локомотивы, в системы впрыскивания топлива на личных авто. В жилищно-коммунальной сфере транзисторы позволяют следить за диспетчеризацией и системами управления уличного освещения.

Также самая востребованная область, в которой применяются транзисторы – изготовление комплектующих, используемых в процессорах. Устройство каждого процессора предусматривает множественные миниатюрные радиодетали, которые при повышении частоты более чем на 1,5 ГГц, нуждаются в усиленном потреблении энергии. В связи с этими разработчики процессорной техники решил создавать многоядерные оборудования, а не увеличивать тактовую частоту.

Достоинства и недостатки полевых транзисторов

Использование полевых транзисторов благодаря их универсальным характеристикам позволило обойти другие виды транзисторов. Они широко применяются для интегральной схемы в качестве выключателя.

Достоинства:

каскады детали расходуют малое количество энергии;
показатели усиления превышают, значения других аналогичных устройств;
достижение высокой помехоустойчивости осуществляется за счет того, что отсутствует ток в затворе;
обладают более высокой скоростью включения и выключения, работают с недоступными для других транзисторов частотами.

Недостатки:

менее устойчивы к высоким температурам, которые приводят к разрушению;
на частотах более 1,5 ГГц, количество потребляемой энергии стремительно увеличивается;
чувствительны к статическим видам электричества.

Благодаря характеристикам, которыми обладают полупроводниковые материалы, взятые в качестве основы для полевого транзистора, позволяют использовать устройство в бытовой и производственной сфере. Полевыми транзисторами оснащается различная бытовая техника, которая используется современным человеком.

Схемы включения транзисторов

Обычно биполярный транзистор всегда используется в прямом включении – обратная полярность на КЭ переходе ничего интересного не дает. Для прямой схемы подключения есть три схемы включения: общий эмиттер (ОЭ), общий коллектор (ОК), и общая база (ОБ). Все три включения показаны ниже.

Они поясняют только сам принцип работы – если предположить, что рабочая точка каким-то образом, с помощью дополнительного источника питания или вспомогательной цепи установлена. Для открывания кремниевого транзистора (Si) необходимо иметь потенциал ~0,6 В между эмиттером и базой, а для германиевого хватит ~0,3 В.

Общий эмиттер

Напряжение U1 вызывает ток Iб, ток коллектора Iк равен базовому току, умноженному на β. При этом напряжение +E должно быть достаточно большим: 5 В-15 В. Эта схема хорошо усиливает ток и напряжение, следовательно, и мощность. Выходной сигнал противоположен по фазе входному (инвертируется). Это используется в цифровой технике как функция НЕ.

Если транзистор работает не в ключевом режиме, а как усилитель малых сигналов (активный или линейный режим), то при помощи подбора базового тока устанавливают напряжение U2 равным E/2, чтобы выходной сигнал не искажался. Такое применение используется, например, при усилении аудиосигналов в усилителях высокого класса, с низкими искажениям и, как следствие, низким КПД.

Общий коллектор

По напряжению схема ОК не усиливает, здесь коэффициент усиления равен α ~ 1. Поэтому эта схема называется эмиттерный повторитель. Ток в цепи эмиттера получается в β+1 раз больше, чем в цепи базы. Эта схема хорошо усиливает ток и имеет низкое выходное и очень высокое входное сопротивление.

Тут самое время вспомнить о том, что транзистор называется трансформатором сопротивления. Эмиттерный повторитель имеет свойства и рабочие параметры, очень подходящие для пробников осциллографов. Здесь используют его огромное входное сопротивление и низкое выходное, что хорошо для согласования с низкоомным кабелем.

Полезный материал: что такое полупроводниковый диод.

Общая база

Эта схема отличается наиболее низким входным сопротивлением, но усиление по току у нее равно α. Схема с общей базой хорошо усиливает по напряжению, но не по мощности. Ее особенностью является устранение влияния обратной связи по емкости (эфф. Миллера). Каскады с ОБ идеально подходят в качестве входных каскадов усилителей в радиочастотных трактах, согласованных на низких сопротивлениях 50 и 75 Ом. Каскады с общей базой очень широко используются в технике СВЧ и их применение в радиоэлектронике с каскадом эмиттерного повторителя очень распространено.

биполярных транзисторов. Для чайников / Sudo Null IT News

Предисловие

Поскольку тема транзисторов очень и очень обширна, им будет посвящено две статьи: отдельно по биполярным и отдельно по полевым транзисторам.

Транзистор, как и диод, основан на явлении pn перехода. Желающие могут освежить в памяти физику происходящих в нем процессов здесь или здесь.

Даны необходимые пояснения, переходим к делу.

Описание и история транзисторов

Транзистор — это электронное полупроводниковое устройство, в котором ток в цепи из двух электродов регулируется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Полевые транзисторы были впервые изобретены (1928 г.), а биполярные появились в 1947 г. в лаборатории Bell Labs. И это была без преувеличения революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили электронные лампы в различных электронных устройствах.В связи с этим повысилась надежность таких устройств и значительно уменьшились их размеры. И по сей день, какой бы «сложной» ни была микросхема, она все еще содержит множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и т. Д.). Только очень маленький.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять по величине приложенного напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить в виде сопротивления, в зависимости от подаваемого на него сигнала.

В чем разница между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ кроется в самих их именах. В биполярном транзисторе и электронов, и дырок участвуют в переносе заряда (бис — дважды). А в поле (он же униполярный) — или электронов, или дырок.

Кроме того, эти типы транзисторов различаются по применению. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

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

Транзистор биполярный. Принцип действия. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих участков различают транзисторы npn и pnp. Обычно площадь коллектора шире эмиттера. Основание выполнено из слаболегированного полупроводника (из-за чего имеет большое сопротивление) и выполнено очень тонким. Поскольку площадь контакта эмиттер-база намного меньше площади контакта база-коллектор, невозможно поменять местами эмиттер и коллектор путем изменения полярности соединения.Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Прежде чем рассматривать физику работы транзистора, очертим общую проблему.

Состоит в следующем: между эмиттером и коллектором протекает сильный ток ( коллекторный ток ), а между эмиттером и базой слабый управляющий ток ( базовый ток ). Ток коллектора будет изменяться в зависимости от тока базы. Почему?
Рассмотрим pn-переходы транзистора.Их два: эмиттер-база (EB) и коллектор-база (BC). В активном режиме транзистора первый подключен с прямым, а второй с обратным смещением. Что происходит в pn переходах? Для определенности рассмотрим транзистор npn. Для pnp все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭП открытый, электроны легко «наезжают» на базу. Там частично рекомбинируют с дырками, но использовали вместо . Большинство из них, из-за малой толщины основы и ее слабого легирования, успевают дойти до перехода база-коллектор.Что, как мы помним, включено с обратным смещением. А поскольку в основе электроны являются неосновными носителями заряда, электрическое поле перехода помогает им его преодолеть. Таким образом, ток коллектора лишь немного меньше тока эмиттера. Теперь следи за своими руками. Если вы увеличите ток базы, переход EB будет открываться сильнее, и больше электронов может проскользнуть между эмиттером и коллектором. А поскольку ток коллектора изначально больше, чем ток базы, это изменение будет очень и очень заметно.Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступающего на базу . Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, одноклассник объяснил принцип работы биполярного транзистора на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а ток управления базы — это то, на сколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы увеличить поток воды из крана.

Помимо рассмотренных процессов, на pn переходах транзистора может происходить ряд явлений. Например, при сильном повышении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное умножение заряда из-за ударной ионизации. И вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с увеличением тока) и тепловой пробой. Однако тепловой пробой в транзисторе может происходить и без электрического тока (то есть без повышения напряжения коллектора до пробоя).Для этого хватит одного избыточного тока через коллектор.

Еще одно явление связано с тем, что при изменении напряжений на переходах коллектора и эмиттера изменяется их толщина. А если база будет слишком тонкой, то может возникнуть эффект замыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным переходом. В этом случае область базы пропадает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме транзистора в определенное количество раз превышает ток базы.Это число называется усилением по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается х31 . Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току . Он может составлять десятки и сотни единиц, но стоит учесть тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент ниже из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Второй важный параметр — это входное сопротивление транзистора . По закону Ома это отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем он больше, тем ниже базовый ток и выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению . Он равен отношению амплитудных или текущих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений.Поскольку первое значение обычно очень велико (единицы и десятки вольт), а второе очень мало (десятые доли вольта), этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый базовый управляющий сигнал имеет собственное усиление по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику , которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления уменьшается.Это связано с тем, что ход основных физических процессов (время перехода носителей заряда от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится сравнимым с периодом входного сигнала. Те. транзистор просто не успевает отреагировать на изменение входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, с которой это происходит, называется границей .

Также параметры биполярного транзистора:

обратный ток коллектор-эмиттер
по времени
обратный ток коллектора
максимальный ток

Символы npn и pnp транзисторов различаются только направлением стрелки обозначение эмиттера.Он показывает, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы биполярного транзистора

Рассмотренный выше вариант — это нормальный активный режим работы транзистора. Однако существует еще несколько комбинаций открытых / закрытых pn-переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.

Обратный активный режим . Переход BC здесь открыт, а EB закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, конечно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
Режим насыщения . Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» к базе, где они активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда снижается сопротивление базы и pn-переходов. Поэтому схему, содержащую транзистор в режиме насыщения, можно считать закороченным, а сам этот радиоэлемент можно представить как эквипотенциальную точку.
Режим отсечки .Оба перехода транзистора закрыты, т.е. прекращается ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором. Потоки неосновных носителей заряда создают лишь небольшие неконтролируемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями заряда значительно увеличивается их сопротивление. Поэтому часто считается, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разомкнутую цепь.
Барьерный режим В этом режиме база замыкается напрямую или через низкое сопротивление на коллектор.Также в схему коллектора или эмиттера входит резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалентная диодная схема с последовательным сопротивлением. Этот режим очень полезен, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Коммутационные схемы биполярного транзистора

Поскольку транзистор имеет три контакта, в общем случае необходимо питать его от двух источников, которые вместе имеют четыре выхода.Следовательно, на один из контактов транзистора должно подаваться напряжение одного знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, есть три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (OE), общим коллектором (OK) и общей базой (OB). У каждого из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними осуществляется в зависимости от того, какие параметры важны для нас, а какие могут быть скомпрометированы.

Схема переключения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольший выигрыш по напряжению и току (а значит, и по мощности — до десятков тысяч единиц), поэтому является наиболее распространенной.Здесь переход эмиттер-база включается напрямую, а переход база-коллектор снова включается. А поскольку напряжение одного знака приложено и к базе, и к коллектору, схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения изменяется на 180 градусов относительно фазы входного переменного напряжения.

Но ко всем плюшкам у оригинальной схемы есть существенный недостаток. Он заключается в том, что повышение частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора.Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему переключения. Например, с общей базой.

Цепь переключения общей базы

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, но хороша на высоких частотах, так как позволяет более полно использовать АЧХ транзистора. Если включить один и тот же транзистор сначала по схеме с общим эмиттером, а затем с общей базой, то во втором случае произойдет существенное увеличение его предельной частоты усиления.Поскольку при таком подключении входное сопротивление невелико, а выходное сопротивление не очень велико, транзисторные каскады, собранные по схеме с ОВ, используются в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой фаза сигнала не инвертируется, а уровень шума на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, ее текущий выигрыш всегда чуть меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером.К недостаткам общей базовой схемы можно отнести необходимость использования двух блоков питания.

Цепь переключения общего коллектора

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

Напомню, что отрицательной называется обратная связь, при которой выходной сигнал поступает обратно на вход, что снижает уровень входного сигнала. Таким образом, происходит автоматическая коррекция при случайном изменении параметров входного сигнала.

Коэффициент усиления по току почти такой же, как в схеме с общим эмиттером. Но прирост по напряжению небольшой (главный недостаток этой схемы). Он приближается к единству, но всегда меньше его. Таким образом, прирост мощности составляет всего несколько десятков единиц.

В схеме с общим коллектором нет сдвига фаз между входным и выходным напряжением. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает с входным, т.е. повторяет его. Поэтому такую схему называют эмиттерным повторителем.Эмиттер — потому что с эмиттера снимается выходное напряжение относительно общего провода.

Это включение используется для согласования транзисторных каскадов или когда входной источник имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический датчик или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить ток коллектора). В этом случае используется параллельное соединение необходимого количества транзисторов.

Естественно, по характеристикам они должны быть примерно одинаковыми. Но необходимо помнить, что максимальный общий ток коллектора не должен превышать 1,6-1,7 максимального тока коллектора любого из транзисторов в каскаде.
Однако (спасибо за замечание wrewolfper) в случае биполярных транзисторов это не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типа — это хоть немного, но они отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном соединении через них будут протекать токи разной величины.Для выравнивания этих токов в эмиттерных цепях транзисторов помещают симметричные резисторы. Величина их сопротивления рассчитывается так, чтобы падение напряжения на них в диапазоне рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Также может потребоваться транзистор с хорошей чувствительностью и в то же время с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используется каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (VT1 на рисунке), который регулирует мощность более мощного аналога (VT2 на рисунке).

Другие применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно использовать не только в схемах усиления сигналов. Например, из-за того, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, они используются как электронные ключи. Также возможно использование транзисторов в схемах генератора сигналов. Если они работают в ключевом режиме, будет формироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления, то сигнал произвольной формы, в зависимости от управляющего воздействия.

Маркировка

Поскольку статья уже разрослась до неприлично большого объема, то в этом абзаце я просто дам две хорошие ссылки, подробно подробно описывающие базовые системы маркировки полупроводниковых устройств (в том числе транзисторов): http: // kazus.ru / guide / transistors / mark_all .html и .xls файлы (35 кб).

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

Полезные комментарии:
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133136/#comment_4419173

Знакомство с биполярным переходным транзистором (BJT)

ОСНОВНЫЕ ЗНАНИЯ — БИПОЛЯРНЫЙ ПЕРЕХОДНЫЙ ТРАНЗИСТОР Знакомство с биполярным переходным транзистором (BJT)

07.04.2020 Редактор: Эрика Гранат

Изобретенный в начале 1950-х годов биполярный транзистор (BJT) произвел революцию в области электроники. Транзистор является основой компьютерной памяти, микропроцессоров и других интегральных схем.

Связанные компании

Биполярный транзистор (биполярный транзистор или BJT) — это тип транзистора, который использует как электроны, так и дырки в качестве носителей заряда.

(Источник: © tilialucida — stock.adobe.com)

Биполярный переходной транзистор, также называемый биполярными транзисторами, представляет собой трехконтактное устройство, которое может функционировать как электронные переключатели или усилители сигналов. В этой статье мы рассмотрим основы этого типа транзисторов.

Что такое биполярный переходной транзистор (BJT)?

Проще говоря, BJT — это полупроводниковый прибор с тремя выводами. Название «биполярный» происходит от того факта, что этот тип транзистора содержит два типа полупроводникового материала — один положительный тип (p-тип) и один отрицательный тип (n-тип), через которые протекает ток.Транзисторы с биполярным переходом обычно содержат кремний. Более того, примеси обычно добавляются к кремнию путем легирования, чтобы слои вели себя желаемым образом.

Это слои p-типа в BJT, которые привлекают электроны, которые входят в транзистор через его входную цепь. С другой стороны, слои n-типа должны побуждать электроны выходить из транзистора. Этот двухтактный эффект между слоями позволяет усиливать и контролировать электрический ток.

Конфигурация слоев в BJT определяет поток электрического тока и гарантирует, что заряд не может вернуться в том же направлении, что и пришел.Такая установка защищает систему от перегрева или повреждения.

Трехслойный сэндвич

BJT создаются путем наслоения кремния p-типа и n-типа для образования трехслойного «сэндвича»:

База, на которую подается небольшой пусковой ток.

Эмиттер, излучающий электроны

Коллектор, который собирает электроны, которые были усилены. Электроны проходят от эмиттера к базе.

Работа биполярного переходного транзистора (BJP).

(Источник: Electronics Tutorials)

Есть два типа бутербродов: NPN (отрицательный-положительный-отрицательный) и PNP (положительный-отрицательный-положительный). Первый включается, когда ток течет через базу, а второй включается только тогда, когда в базе нет тока. Когда электрические контакты размещены на всех трех слоях кремния и включен ток, электроны в токе будут течь между слоями кремния n-типа и p-типа.

В сэндвиче NPN усиление происходит, когда небольшой положительный ток присоединяется к слою p-типа (основанию). Здесь один из слоев n-типа (эмиттер) заряжен отрицательно, а другой (коллектор) — положительно. В NPN-сэндвиче электроны притягиваются к базе от эмиттера. Затем электроны переходят от эмиттера к коллектору; это движение создает более сильный ток между двумя слоями n-типа.

Основной доклад на PCIM Digital Days 2021

Не пропустите основной доклад «Концепции трехфазных инверторов с регулируемой скоростью SiC / GaN нового поколения» от Иоганна Вальтера Колара, профессора и директора лаборатории силовых электронных систем, ETH Zurich , CH на PCIM Digital Days с 3 по 7 мая 2021 года.

Откройте для себя всю программу!

Разработка БЮТ

БЮТ, изобретенный физиком Уильямом Шокли в 1947 году, за годы претерпел ряд итераций. До 1960-х годов в слоях использовался германий. К концу века германий был заменен кремнием — материалом, который показал более высокую термическую стабильность. Скорость биполярного транзистора постепенно увеличивалась в процессе легирования, что привело к изобретению таких вариантов биполярного транзистора, как:

диффузный транзистор, который, как следует из названия, работает путем диффузии примесей в полупроводник, и

планарный транзистор, который позволил массовое производство интегральных схем, тем самым положив начало буму бытовой электроники.

Базовые приложения

BJT часто комбинируются с MOSFET-транзисторами для обеспечения высокоскоростной цифровой логики, которая необходима для работы радиочастотных технологий и высокопроизводительных микропроцессорных микросхем. Более того, BJT в сочетании с MOSFET позволяет повысить радиационную стойкость чипов для использования в спутниках, ядерных реакторах и ускорителях частиц.

BJT также служат основой для имеющихся в продаже электронных усилителей и датчиков температуры.Наконец, BJT могут использоваться в качестве логарифмических преобразователей, которые сжимают динамический диапазон сигнала, чтобы сделать его более управляемым для других схем.

Следуйте за нами в LinkedIn

Вам понравилось читать эту статью? Тогда подпишитесь на нас в LinkedIn и будьте в курсе последних событий в отрасли, продуктов и приложений, инструментов и программного обеспечения, а также исследований и разработок.

Следуйте за нами здесь!

(ID: 46388102)

Как работают биполярные переходные транзисторы.

Изучив этот раздел, вы должны уметь:
• Опишите основную работу кремниевого планарного транзистора.
• Понять работу переходов база / эмиттер и база / коллектор.
• Опишите влияние легирования на материалы транзисторов.

Рис. 3.3.1 Как легируется транзистор BJP.

Все дело в допинге

Принцип работы транзистора может быть описан со ссылкой на рис. 3.3.1, на котором показано основное легирование переходного транзистора, и на рис. 3.3.2, показывающий, как работает BJT.

Работа транзистора очень зависит от степени легирования различных частей полупроводникового кристалла. Эмиттер N-типа очень сильно легирован, чтобы обеспечить много свободных электронов в качестве основных носителей заряда.Слаболегированная базовая область P-типа чрезвычайно тонкая, а коллектор N-типа очень сильно легирован, чтобы придать ему низкое удельное сопротивление, за исключением слоя менее сильно легированного материала рядом с базовой областью. Это изменение удельного сопротивления коллектора гарантирует, что в материале коллектора рядом с основанием присутствует большой потенциал. Важность этого станет очевидной из следующего описания.

Рис. 3.3.2. Как транзистор усиливает ток.

Во время нормальной работы на переход база / эмиттер прикладывается потенциал, так что база примерно на 0,6 В положительнее, чем эмиттер, это делает переход база / эмиттер смещенным вперед.

К переходу база / коллектор прикладывается гораздо более высокий потенциал с относительно высоким положительным напряжением, приложенным к коллектору, так что переход база / коллектор сильно смещен в обратном направлении. Это делает слой истощения между базой и коллектором довольно широким после подачи питания.

Как упоминалось выше, коллектор состоит в основном из сильно легированного материала с низким удельным сопротивлением и тонкого слоя легированного материала с высоким сопротивлением рядом с переходом база / коллектор. Это означает, что большая часть напряжения между коллектором и базой вырабатывается через этот тонкий слой с высоким удельным сопротивлением, создавая высокий градиент напряжения рядом с переходом коллектор-база.

Когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, в базу будет течь небольшой ток.Поэтому в материале P-типа вводятся отверстия. Эти дырки притягивают электроны через смещенный вперед переход база / эмиттер для объединения с дырками. Однако, поскольку эмиттерная область очень сильно легирована, в базовую область P-типа пересекает гораздо больше электронов, чем может объединиться с доступными дырками. Это означает, что в области базы имеется большая концентрация электронов, и большая часть этих электронов проходит прямо через очень тонкую базу и попадает в обедненный слой база / коллектор.Оказавшись здесь, они попадают под влияние сильного электрического поля на переходе база / коллектор. Это поле настолько сильное из-за большого градиента потенциала в материале коллектора, упомянутого ранее, что электроны перемещаются через обедненный слой в материал коллектора и, таким образом, в сторону вывода коллектора.

Изменение тока, протекающего в базе, влияет на количество электронов, притягиваемых эмиттером. Таким образом, очень небольшие изменения тока базы вызывают очень большие изменения тока, протекающего от эмиттера к коллектору, поэтому происходит усиление тока.

Посмотрите наше видео о том, как делаются биполярные транзисторы и как они работают.

Начало страницы

Биполярный переходной транзистор (BJT) — Работа, типы и применение

BJT — Биполярный переходный транзистор — Конструкция, работа, типы и применение

История

Биполярный переходный транзистор (BJT) был изобретен Уильямом Шокли и Джон Бардин. Первый транзистор был изобретен 70 лет назад, но до сих пор он изменил мир с загадочных больших компьютеров на маленькие смартфоны.Изобретение транзистора изменило представление об электрических цепях до интегральных схем (ИС). В настоящее время использование BJT сокращается, поскольку технология CMOS использовалась при разработке цифровых ИС.

Полезно знать: Название Transistor происходит от комбинации двух слов, например, Transfer и Resistance = Transistor . Другими словами, транзистор передает сопротивление от одного конца к другому. Короче говоря, транзистор имеет высокое сопротивление на входе и низкое сопротивление на выходе.

Что такое BJT — Bipolar Junction Transistor?

Транзистор с биполярным соединением (BJT) — это двунаправленное устройство, которое использует электрона и дырки в качестве носителей заряда. В то время как униполярный транзистор, то есть полевой транзистор , использует только один тип носителя заряда. BJT — это устройство, управляемое током. Ток течет от эмиттера к коллектору или от коллектора к эмиттеру в зависимости от типа подключения. Этот основной ток контролируется очень небольшим током на клемме базы.

Конструкция

Транзистор с биполярным переходом образован комбинацией двух взаимно допированных полупроводниковых материалов. Другими словами, BJT сформирован «сэндвичем» из двух сторонних полупроводниковых материалов. Эти внешние полупроводники представляют собой диоды с PN переходом. Два диода PN-перехода соединены вместе, образуя трехконтактное устройство, известное как BJT-транзистор . BJT — трехполюсное устройство с двумя переходами.

После легирования собственного полупроводника трехвалентными или пятивалентными примесями получается полупроводник P-типа или полупроводник N-типа соответственно. Если количество электронов больше, чем количество отверстий (положительные носители), то это известно как полупроводниковый материал N-типа. В то время как в полупроводнике P-типа количество дырок больше, чем количество электронов. Когда материал P-типа и N-типа соединяются вместе, он становится диодом с PN-переходом .Биполярные транзисторы образуются после соединения двух PN-переходов спина к спине. Эти транзисторы известны как биполярные переходные транзисторы PNP или NPN , в зависимости от того, размещены ли они между P или N-типом.

В основном транзисторы имеют три части и два перехода. Эти три части называются эмиттер , коллектор, и база . Эмиттер и коллектор помещают основание между ними. Средняя часть (основание) образует два перехода с эмиттером и коллектором.Соединение базы с эмиттером известно как соединение эмиттер-база , в то время как соединение базы с коллектором известно как соединение коллектор-база .

Клеммы BJT

Есть три клеммы BJT. Эти клеммы известны как коллектор , эмиттер и база . Эти терминалы кратко обсуждаются здесь.

Эмиттер

Эмиттер — это часть на одной стороне транзистора, которая испускает электроны или дырки в две другие части.База всегда имеет обратное смещение относительно эмиттера, так что она может излучать большое количество основных несущих . Это наиболее сильно легированная область БЮТ. Переход эмиттер-база всегда должен иметь прямое смещение в транзисторах PNP и NPN. Эмиттер подает электроны к переходу эмиттер-база в NPN, в то время как он подает дырки в тот же переход в транзисторе PNP.

Коллектор

Часть на противоположной стороне эмиттера, которая собирает эмитированные носители заряда (т.е.е. электронов или дырок) известен как коллектор . Коллектор сильно легирован, но уровень легирования коллектора находится между слабым легированным уровнем базы и сильнолегированным уровнем эмиттера. Коллектор-база всегда должен иметь обратное смещение в транзисторах PNP и NPN. Причиной обратного смещения является удаление носителей заряда (электронов или дырок) из перехода коллектор-база. Коллектор NPN-транзистора собирает электроны, испускаемые эмиттером. Находясь в транзисторе PNP, он собирает дыры, испускаемые эмиттером.

База

База представляет собой среднюю часть между коллектором и эмиттером и образует между ними два PN перехода. Основание — это наиболее слаболегированная часть БЮТ. Средняя часть БЮТ позволяет ему управлять потоком носителей заряда между эмиттером и коллектором. Переход база-коллектор показывает высокое сопротивление, потому что это соединение с обратным смещением.

Тип BJT

Это трехуровневое устройство, образованное встречным соединением, имеет определенные имена.Это может быть погода PNP или NPN . Оба соединения здесь ненадолго не используются.

Конструкция PNP

В биполярном транзисторе PNP полупроводник N-типа зажат между двумя полупроводниками P-типа. Транзисторы PNP могут быть сформированы путем соединения катодов двух диодов. Катоды диодов соединены вместе в общей точке, известной как база . В то время как аноды диодов, которые находятся на противоположных сторонах, известны как коллектор и эмиттер .

Переход эмиттер-база имеет прямое смещение, а переход коллектор-база — обратное смещение. Итак, в типе PNP ток течет от эмиттера к коллектору. Эмиттер в этом случае имеет высокий потенциал как по отношению к коллектору, так и по отношению к базе.

Конструкция NPN

Тип NPN прямо противоположен типу PNP. В биполярном транзисторе NPN полупроводник P-типа зажат между двумя полупроводниками N-типа. Когда аноды двух диодов соединены вместе, он образует NPN-транзистор.Ток будет течь от коллектора к эмиттеру, потому что вывод коллектора более положительный, чем эмиттер в NPN-соединении.

Разница между символами PNP и NPN — это стрелка на эмиттере, которая показывает направление протекания тока. Ток будет течь либо от эмиттера к коллектору, либо от коллектора к эмиттеру. Стрелка на PNP-транзисторе направлена внутрь, что показывает протекание тока от эмиттера к коллектору. В случае коллектора NPN стрелка направлена наружу, что показывает поток тока от коллектора к эмиттеру.

Связанное сообщение: Что такое транзистор NPN? Конструкция, работа и применение BJT

Работа BJT

Слово «транзистор» — это комбинация двух слов: «Trans» (преобразование) и «istor» (варистор). Значит, транзистор может изменять свое сопротивление. Сопротивление изменяется таким образом, что оно может действовать как изолятор или проводник, подавая небольшое напряжение сигнала. Эта изменяющаяся способность позволяет ему работать как «усилитель » или «коммутатор ».Его можно использовать либо как переключатель, либо как усилитель одновременно. Следовательно, для выполнения указанной операции BJT может работать в трех разных регионах.

Активная область:

В активной области один из переходов находится в прямом смещении, а другой — в обратном. Здесь базовый ток I _b может использоваться для управления величиной тока коллектора I _c . Следовательно, активная область используется для целей усиления, где BJT действует как усилитель с коэффициентом усиления β , используя уравнение;

i _c = β x I _b

Он также известен как линейная область .Эта область находится между областью отсечки и областью насыщения . В этой области происходит нормальная работа БЮТ.

Область насыщения:

В области насыщения оба перехода BJT находятся в прямом смещении. Эта область используется для включенного состояния переключателя, где;

i _c = i _sat

I _sat — это ток насыщения, и это максимальная величина тока, протекающего между эмиттером и коллектором, когда BJT находится в области насыщения.Поскольку оба перехода находятся в прямом смещении, BJT действует как короткое замыкание.

Область отсечки:

В области отсечки оба соединения BJT имеют обратное смещение. Здесь BJT работает как выключенное состояние переключателя, где

i _c = 0

Работа в этой области полностью противоположна области насыщения. Внешние источники питания не подключены. Нет тока коллектора и, следовательно, нет тока эмиттера. В этом режиме транзистор действует как выключенное состояние переключателя . Этот режим достигается за счет уменьшения базового напряжения ниже напряжения эмиттера и коллектора.

V _be <0,7

Принцип работы BJT

BJT имеет два соединения, образованных комбинацией двух стыковых PN-переходов. переход база-эмиттер (BE) — прямое смещение, а переход коллектор-эмиттер (CE) — обратное смещение. В BE-переходе потенциальный барьер уменьшается при прямом смещении. Итак, электроны начинают течь от вывода эмиттера к выводу базы.Поскольку база является слабо легированной клеммой, очень небольшое количество электронов из клеммы эмиттера объединяется с отверстиями на клемме базы. Из-за комбинации электронов и дырок начнет течь ток от клеммы базы, известный как Базовый ток (i _b) . Базовый ток составляет только 2% от тока эмиттера I _e , в то время как оставшиеся электроны будут течь из коллекторного перехода обратного смещения, известного как Коллекторный ток ( i _c ).Полный ток эмиттера будет комбинацией тока базы и тока коллектора, заданной формулой;

i _e = i _b + i _c

Где i _e приблизительно равно i _c, потому что I _b составляет почти 2% от I _C.

Конфигурация BJT

BJT — это трехконтактное устройство, поэтому существует три возможных способа подключения BJT в цепи, при этом одна клемма является общей среди других.Другими словами, один терминал является общим для входа и выхода. Каждое соединение по-разному реагирует на входной сигнал, как показано в таблице ниже.

Конфигурации	Усиление напряжения	Усиление тока	Усиление мощности	Входное сопротивление	Выходное сопротивление	Фазовый сдвиг
Конфигурация с общей базой Низкий 9097		Высокий			Очень высокий	0 градусов
Общая конфигурация эмиттера	Средняя	Средняя	Высокая	Средняя	Высокая	180 градусов
Низкая	Конфигурация с общим коллектором	Низкая	Конфигурация с общим коллектором	Низкая	Конфигурация с общим коллектором		Высокий	Низкий	0 градусов

Общая базовая конфигурация:

В общей базовой конфигурации базовая клемма является общей между входными и выходными сигналами.Входной сигнал подается между базой и выводом эмиттера, а выходной сигнал — между базой и выводом коллектора.

Выходной сигнал на стороне коллектора меньше входного сигнала на эмиттере. Таким образом, его коэффициент усиления меньше 1. Другими словами, он «ослабляет» сигнал.

Имеет неинвертирующий выход, что означает, что входной и выходной сигналы синфазны . Этот тип конфигурации обычно не используется из-за высокого коэффициента усиления по напряжению.

Из-за очень высокочастотной характеристики эта конфигурация используется для одноступенчатого усилителя. Эти одноступенчатые усилители можно использовать как усилитель радиочастоты, микрофонный предусилитель.

Коэффициент усиления общей базовой конфигурации

L / R _в

Коэффициент усиления напряжения
Коэффициент усиления по току	I _c / i _e

Общая конфигурация эмиттера

Как следует из названия, в общем эмиттере эмиттер является общим между входом и выходом.Входной сигнал применяется между базой и эмиттером, а выходной — между коллектором и эмиттером. Это можно просто распознать, взглянув на схему. Если эмиттер заземлен, а вход и выход снимаются с базы и коллектора соответственно.

Эта конфигурация имеет наивысшего тока и прирост мощности среди всех трех конфигураций. Причина в том, что вход находится в переходе с прямым смещением, поэтому его входное сопротивление очень низкое ().В то время как выход берется из перехода обратного смещения, поэтому его выходное сопротивление очень высокое.

Ток эмиттера в этой конфигурации равен сумме токов базы и коллектора. Задано в уравнении как;

I _e = i _c + i _b

Где i _e — ток эмиттера

Эта конфигурация имеет высокий коэффициент усиления по току, который составляет i _c / i _b. Причина такого огромного увеличения тока в том, что сопротивление нагрузки последовательно соединено с коллектором. Из уравнения видно, что незначительное увеличение базового тока приведет к чрезвычайно высокому току на выходной стороне.

Эта конфигурация действует как инвертирующий усилитель, в котором выходной сигнал полностью противоположен по полярности входному сигналу. Следовательно, он сдвигает выходной сигнал на 180 ° по отношению к входному сигналу.

Конфигурация с общим коллектором

Конфигурация с общим коллектором, известная как повторитель напряжения или эмиттерный повторитель , имеет заземленный коллектор.В конфигурации с общим коллектором клемма коллектора заземлена на источник питания. Таким образом, клемма коллектора является общей как для входа, так и для выхода. Выходной сигнал берется с клеммы эмиттера с нагрузкой, подключенной последовательно, в то время как вход подается напрямую на базовую клемму.

Обладает высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением. Это позволяет ему работать как согласователь импеданса. Таким образом, эта конфигурация очень полезна в технике согласования импеданса.

BJT Biasing

Процесс установки уровней напряжения или тока постоянного тока транзистора таким образом, чтобы обеспечить надлежащее усиление подаваемого входного сигнала переменного тока.При дальнейшем уточнении, смещение — это метод, используемый для предотвращения работы транзистора либо в режиме отсечки, либо в режиме насыщения.

Чтобы сохранить выходной сигнал без потерь после усиления, необходимо правильное смещение. Работа в установившемся режиме в основном зависит от тока коллектора ( i _c ), тока базы ( i _b ) и напряжения между коллектором и эмиттером ( V _ce ). Если транзистор предназначен для правильной работы в качестве усилителя.Затем эти параметры должны быть выбраны правильно, что известно как смещение транзистора . Целью смещения транзистора является достижение известной рабочей точки покоя или Q-точки для BJT для получения неискаженного выходного сигнала. Q2 , приведенный на приведенном выше графике, не является правильной точкой q и приводит к ограничению верхней части выходного сигнала.

Типы смещения

Без смещения транзистор будет работать как изолятор или проводник.Итак, для правильной цели усиления BJT смещается с помощью различных методов. Хотя существует множество различных техник, но вкратце обсуждаются лишь некоторые из наиболее распространенных.

Фиксированное смещение

Один источник питания используется как для коллектора, так и для базы. В конфигурации с фиксированным смещением базовый ток BJT остается постоянным независимо от входного постоянного напряжения (V _cc). Это зависит от выбора резистора таким образом, чтобы точка Q-точка оставалась фиксированной и, следовательно, известна как конфигурация с фиксированным смещением .Значение резистора смещения можно найти по номеру

(V _cc -V _be) / I _b .

, где В _будет = 0,7 В для стандартных транзисторов и

I _b = I _c/ β .

Преимущества фиксированного смещения

Обсуждаются некоторые преимущества этой схемы.

Нет эффекта нагрузки: Нет эффекта нагрузки.Где эффект нагрузки можно определить как воздействие нагрузки на источник. Используя эту схему для смещения, мы можем избавиться от понижающего уровня напряжения источника напряжения.
Простая схема: Схема очень проста, поскольку требует только одного постоянного резистора RB.
Простой расчет: Метод расчета очень прост.

Фиксированное смещение с сопротивлением эмиттера

Это модифицированная форма фиксированного смещения цепи, в которой внешнее сопротивление подключено к выводу эмиттера.Эта схема требует дополнительного резистора для эмиттера, обеспечивающего отрицательную обратную связь.

Напряжение смещения В _BB -V _BE = I _B R _B + I _E E R поперек RE установить I _E ≈I _c .

Цепь фиксированного смещения с эмиттерным сопротивлением

Преимущества фиксированного смещения с конфигурацией эмиттера

Отсутствие теплового разгона: Недостаток теплового разноса при фиксированном смещении можно преодолеть с помощью фиксированного смещения с эмиттером конфигурация сопротивления.Термический разгон можно определить как увеличение тока коллектора при повышении температуры. Это вызывает самоуничтожение из-за перегрева, вызванного перегрузкой по току.
Проблема с этой конфигурацией заключается в том, что она снижает коэффициент усиления усилителя BJT. Эту проблему очень легко решить, обойдя сопротивление эмиттера.

Смещение коллектора к базе

Резистор базы подключается к клемме коллектора в этом типе смещения. Эта конфигурация стабилизирует рабочую точку и предотвращает тепловой пробой за счет использования отрицательной обратной связи.Эта конфигурация также является улучшенной версией конфигурации с фиксированным смещением. Сопротивление смещения подключено между коллектором и базой, которые обеспечивают путь обратной связи. Смещение от коллектора к основанию — это улучшенный метод по сравнению с методом фиксированного смещения.

Эта конфигурация также известна как схема обратной связи со смещением напряжения . Потому что Rb напрямую появляется на выходе и входе. Другими словами, часть вывода возвращается на вход. Значит, в цепи существует отрицательная обратная связь.

Если есть изменение бета из-за изменения от детали к детали или повышения температуры бета и I _—, то ток коллектора пытается увеличиваться дальше, из-за чего падение напряжения на R _c увеличивается.В результате уменьшается V _ce и I _b. Следовательно, окончательное значение коллектора I _c поддерживается стабильным с помощью схемы, которая поддерживает точку Q на фиксированном уровне.

Эта схема также известна как цепь смещения обратной связи по напряжению , потому что R _b появляется непосредственно на входе и выходе в этой цепи. увеличение тока коллектора уменьшает ток базы.

Делитель напряжения смещения или делитель потенциала

Для этого типа используются два внешних резистора R ₁ и R ₂.Напряжение на R ₂ смещает в прямом направлении эмиттерный переход. При правильном выборе R ₁ и R ₂ рабочая точка транзистора может быть сделана независимой от Beta. Смещение потенциального делителя — самый популярный и используемый метод смещения транзистора. Эмиттерный диод смещен в прямом направлении, контролируя падение напряжения на R ₂.

R _b = R ₁ || R ₂

В цепи смещения делителя напряжения значение R _b равно параллельной комбинации R ₁ и R ₂.

Схема смещения делителя напряжения:

Преимущество смещения делителя напряжения

Независимо от бета-версии: Основным преимуществом схемы смещения делителя напряжения является то, что транзистор больше не будет зависеть от бета-тестирования. Причина в том, что напряжения на клеммах транзистора, то есть напряжения коллектора, эмиттера и базы, будут зависеть от внешней цепи. Сопротивление эмиттера R _и обеспечивает стабильность усиления, несмотря на колебания бета.

Ограничения BJT

Вот некоторые ограничения биполярного переходного транзистора;

Громоздкий: BJT громоздки, требуют больше места и, следовательно, очень редко используются в производстве интегральных схем (ИС).
Низкая частота переключения: его время переключения очень низкое, что является еще одной причиной того, что оно редко используется в IC По сравнению с полевыми МОП-транзисторами частота очень низкая
Ток утечки: токов утечки с BJT достаточно, чтобы они не может использоваться для высокой частоты.
Температурная стабильность BJT: по сравнению с другими транзисторами, термическая стабильность BJT очень низкая, и это устройство шумно.
Температурный разгон: BJT страдает проблемой теплового разноса, которая приводит к выделению избыточного тепла. Другими словами, это вызывает самоуничтожение. Поскольку выделяемое тепло равно I ² Таким образом, избыточный ток вызовет чрезмерное нагревание, которое сожжет BJT.
Ранний эффект: Ток от эмиттера к коллектору управляется током базы.Если ширина основания сдвинута к нулю, известному как пробой , , то стык коллектора и эмиттера соприкасается друг с другом. После этого от эмиттера к коллектору начинает течь огромный ток, который не может контролироваться током базы. Этот выход из-под контроля известен как ранний эффект и является одним из основных ограничений среди ограничений BJT.

Уязвимость

Радиационное повреждение вызывает транзистор, когда транзисторы подвергаются воздействию ионизирующего излучения.Срок службы неосновного носителя уменьшается после воздействия излучения, что приводит к постепенной потере усиления транзистора.

Транзистор имеет номинальную мощность и напряжение обратного пробоя , при превышении которого BJT может не работать. Когда BJT работают за пределами своей номинальной мощности или напряжения обратного пробоя, BJT не будет работать должным образом или может выйти из строя.

В случае обратного смещения переход эмиттер-база вызовет лавинный пробой , который необратимо повредит коэффициент усиления по току биполярного переходного транзистора.

Преимущества BJT

Ширина полосы большого усиления: Ширина полосы усиления — это разница между максимальной и минимальной частотой среза. Коэффициент усиления на частоте среза составляет 0,7. При дальнейшем увеличении или уменьшении частоты от максимальной и минимальной частоты среза соответственно, усиление уменьшается, что неприменимо. Таким образом, BJT предлагает широкий диапазон частот, предлагая большее усиление, чем 0,7. Таким образом, BJT имеет широкую полосу пропускания .
Низкое прямое падение напряжения: BJT имеют 0,6 В прямого падения напряжения, что является очень низким и довольно важным моментом. Этот момент имеет большое значение, потому что большее прямое напряжение вызовет ненужные потери мощности согласно P = VI . Это означает, что для того же типа нагрузки устройство с высоким прямым падением напряжения вызовет ненужные потери мощности.
Пара Дарлингтона: Благодаря низкому выходному сопротивлению и высокому входному сопротивлению, BJT может обеспечить достойное усиление по току .
Длительный срок службы: BJT имеют относительно долгий срок службы. Устройство нагноивается, потому что ток насыщения увеличивается с течением времени. Хотя для решения этой проблемы и дальнейшего увеличения срока службы устройства могут использоваться различные методы смещения.

Связанные сообщения: В чем разница между транзистором и тиристором (SCR)?

Применение BJT

Вот некоторые из приложений биполярного переходного транзистора;

Преобразователи: BJT могут использоваться в подавляющем большинстве преобразователей.Эти преобразователи могут быть разных типов, например, инверторы, понижающие преобразователи, повышающие преобразователи или любые DC-DC , DC-AC , AC-DC или AC-AC
Датчики температуры: Определение температуры это одно из других приложений BJT. Если это может быть найдено по двум напряжениям на двух разных уровнях в известном соотношении, вычитаются
Высокая управляемость : Высокая управляемость. Для работы с высоким напряжением или током устройства подключаются последовательно и параллельно.Но всегда учитываются возможности управления отдельными устройствами.
Высокочастотный режим: BJT могут работать на очень высокой частоте. Частота BJT для слабого сигнала намного выше, чем его частота переключения, в основном из-за задержки сохранения. Время хранения 2N2222 составляет 310 нс, таким образом, максимальная частота переключения составляет около 3 МГц.
Цифровой переключатель : Семейство цифровых логических схем включает логику с эмиттерной связью, используемую в BJT в качестве цифрового переключателя.
Колебательный контур : Они предпочтительны в колебательных контурах.
Машинки для стрижки: BJT можно использовать в схемах отсечения для изменения формы волн. Его можно использовать как простой диод для ограничения, но проблема с диодом заключается в том, что диод не управляется.
Демодулятор и модулятор: BJT могут использоваться в схемах демодуляции и модуляции. BJT все еще используются в очень старой известной методике модуляции, известной как « амплитудная модуляция ».
Цепи обнаружения : BJT могут использоваться в схемах обнаружения. BJT может быть новым типом полупроводникового датчика для измерения дозы ионизирующего излучения.
Усилители: Одним из наиболее важных применений BJT является усиление, когда он используется в схеме усилителя для усиления слабых сигналов. например, в усилителях звука, эти крошечные компоненты усиливают очень слабый аудиосигнал до слышимого диапазона.
Электронные переключатели: Может использоваться как электронный переключатель.BJTS используются в инверторе для изменения направления постоянного тока на переменный ток.
Автоматический выключатель: Может использоваться вместо ручного выключателя в электрической цепи. выходной сигнал датчиков иногда бесполезен в электрических цепях, потому что эти сигналы очень низкие. Однако эти сигналы станут полезными, если они управляют BJT. Поскольку BJT работает на слабых сигналах. Тогда эти переключатели BJT могут работать с большими нагрузками, включая двигатели.

Похожие сообщения:

Строительство, типы и их применение

BJT был изобретен в 1948 году Уильямом Шокли, Браттейном и Джоном Бардином, который изменил не только мир электроники, но и нашу повседневную жизнь.Транзистор с биполярным переходом использует как носители заряда, так и электроны, и дырки. Безразлично, униполярные транзисторы, такие как полевые транзисторы, используют только один вид носителей заряда. Для рабочих целей BJT использует два типа полупроводников n-типа и p-типа между двумя переходами. Основная основная функция BJT — усиление тока, что позволит использовать BJT в качестве усилителей или переключателей для широкого применения в электронном оборудовании, включая мобильные телефоны, промышленное управление, телевидение и радиопередатчики.Доступны два разных типа BJT: NPN и PNP.

Что такое биполярный переходной транзистор (BJT)?

Биполярный переходной транзистор — это твердотельное устройство, и в этих транзисторах ток в двух выводах является эмиттерным и коллекторным, а поток тока, управляемый третьим выводом, является выводом базы. Он отличается от транзистора другого типа, т.е. Полевой транзистор, выходной ток которого регулируется входным напряжением.Базовый символ БЮТ n-типа и p-типа показан ниже.

BJT или символ биполярного переходного транзистора

Почему BJT называется биполярным?

BJT — это 3-контактное полупроводниковое устройство, как следует из названия, термин биполярный взят из того факта, что этот тип транзистора включает два типа полупроводниковых материалов, таких как P-тип (положительный тип) и n-тип (отрицательный тип). ), где ток течет из этих областей. Обычно эти транзисторы содержат кремний.

Конструкция биполярного переходного транзистора

От конструкции БЮТ будут зависеть его рабочие характеристики.Таким образом, конструкция BJT может быть выполнена с помощью трех легированных полупроводниковых секций, разделенных двумя PN-переходами. Этот транзистор состоит из трех слоев: базы, эмиттера и коллектора. Эти транзисторы доступны в двух типах, а именно PNP и NPN, и их физическая структура показана ниже.

Конструкция биполярного переходного транзистора

В NPN он включает две N-области, разделенные одной P-областью, тогда как в PNP она включает две P-области и разделяется одной N-областью.В BJT термин биполярный относится к использованию как носителей заряда, таких как электроны, так и дырки, внутри структуры.

Когда PN-переход соединяет базу и эмиттерную область, это называется BE-переходом. Точно так же, как только pn-переход соединяет основание и коллектор, он известен как BC-переход. Проволочный вывод соединяется с каждой областью, и эти выводы имеют маркировку C, B и E для коллектора, базы и эмиттера соответственно.

База (B) — область слегка легирована и очень тонкая по сравнению с выводом эмиттера, который сильно легирован, и несколько легированной областью коллектора.Схематические символы NPN и PNP BJT включают следующее.

Клеммы БЮТ

BJT включает в себя три терминала, такие как база, эмиттер и коллектор, которые описаны вкратце. Символьное представление транзисторов NPN и PNP может быть выполнено следующим образом. Символ стрелки на выводе эмиттера всегда присутствует, а направление стрелки будет представлять ток, протекающий из-за носителей заряда.

Терминал эмиттера

Вывод эмиттера испускает носители заряда, такие как дырки или электроны, на два других вывода.Базовый терминал всегда смещен в обратном направлении по отношению к другим терминалам, таким как эмиттер, так что он может производить огромное количество несущих. В БЮТ эмиттер — это наиболее сильно легированная область.

Переход эмиттер-база должен быть подключен с прямым смещением в обоих транзисторах, таких как PNP и NPN. Вывод эмиттера подает электроны к EB-переходу внутри NPN-транзистора, в то время как он подает носители заряда, такие как дырки, к тому же переходу внутри PNP-транзистора.

Коллекторный терминал

Деталь на обратной стороне терминала эмиттера будет собирать излучаемые носители заряда, называемые коллектором.Таким образом, этот вывод сильно легирован, однако уровень легирования этого вывода находится среди выводов базы, которые являются слабо легированными и сильно легированными выводами эмиттера. CB-переход должен иметь обратное смещение в обоих транзисторах.

Основной причиной этого смещения является устранение носителей заряда из CB-перехода. Коллекторный вывод NPN-транзистора предназначен для сбора электронов, которые испускаются через вывод эмиттера, тогда как в транзисторе PNP он собирает отверстия, которые испускаются через вывод эмиттера.

Базовый терминал

Базовый вывод — это центральная часть среди выводов коллектора и эмиттера, которая образует между ними два PN перехода. Вывод базы — это сегмент транзистора с наиболее легким легированием. Таким образом, будучи центральной частью BJT, он сможет управлять потоком носителей заряда между выводами эмиттера и коллектора. Переход BE показывает высокое сопротивление, так как этот переход может быть подключен с обратным смещением.

Работа BJT

Биполярный переходной транзистор подразделяется на два типа, а именно PNP и NPN, в зависимости от типа легирования выводов.В NPN-транзисторе есть два полупроводниковых перехода, которые имеют тонкую анодную область, легированную «P», тогда как PNP-транзистор включает в себя два полупроводниковых перехода, которые включают в себя тонкую катодную область, легированную «N».

Поток заряда внутри транзистора происходит из-за диффузии носителей заряда между двумя секциями, которые принадлежат разным концентрациям носителей заряда. Эмиттерная секция сильно легирована по сравнению с остальными слоями.

Оба слоя, такие как база и коллектор, содержат одинаковые концентрации носителей заряда.Таким образом, между этими тремя переходами соединение BE может быть подключено с прямым смещением, а соединение BC — с обратным смещением. BJT может работать в трех различных областях, таких как активная, насыщенная и отсеченная.

Активная область

В этой области один переход подключен с прямым смещением, а другой — с обратным смещением. Здесь базовый ток (Ib) используется для управления величиной Ic (ток коллектора). Таким образом, активная область может в основном использоваться для усиления везде, где этот транзистор работает как усилитель за счет коэффициента усиления «β» со следующим уравнением;

Ic = β x Ib

Активная область также называется линейной областью, которая находится между двумя областями, такими как отсечка и насыщение.Типичная работа этого транзистора происходит в этой области.

Область насыщенности

В этой области транзисторы оба перехода соединены с прямым смещением. Таким образом, эта область в основном используется для включенного состояния переключателя, где бы он ни находился;

Ic = Isat

Здесь «Isat» — это ток насыщения, и это наибольшая величина тока, протекающего между двумя выводами, такими как эмиттер, а также коллектор, когда этот транзистор подключен в области насыщения.Поскольку эти переходы соединены прямым смещением, транзистор работает как короткое замыкание.

Обрезка

В этой области оба перехода транзистора соединены с обратным смещением. Здесь этот транзистор работает как выключенный переключатель везде, где

Ic = 0

В области отсечки операция полностью обратная по сравнению с областью насыщения. Таким образом, внешние источники питания не подключены. Если нет тока коллектора, значит нет тока эмиттера.
В этом методе транзистор работает как выключенное состояние переключателя, и этот режим может быть достигнут путем уменьшения базового напряжения до уровня ниже напряжения как эмиттера, так и коллектора.
Vbe <0,7

Типы биполярных переходных транзисторов

Как мы видели, полупроводник обеспечивает меньшее сопротивление течению тока в одном направлении, а высокое сопротивление — в другом направлении, и мы можем назвать транзистор режимом устройства полупроводника. Биполярный переходной транзистор состоит из двух типов транзисторов.Которая, дав нам

Контактное лицо
Соединительный транзистор

При сравнении двух транзисторов используется больше переходных транзисторов, чем точечных транзисторов. Кроме того, переходные транзисторы подразделяются на два типа, которые приведены ниже. На каждый переходный транзистор по три электрода: эмиттер, коллектор и база

PNP транзисторы соединительные
NPN переходные транзисторы

PNP переходной транзистор

В транзисторах PNP эмиттер более положительный по отношению к базе, а также по отношению к коллектору.Транзистор PNP представляет собой трехконтактное устройство, изготовленное из полупроводникового материала. Три клеммы — это коллектор, база и эмиттер, а транзистор используется для коммутации и усиления. Ниже показана работа транзистора PNP.

Обычно клемма коллектора подключается к положительной клемме, а эмиттер — к отрицательной клемме питания с помощью резистора либо схемы эмиттера, либо коллектора. К клемме базы подается напряжение, и транзистор работает в состоянии ВКЛ / ВЫКЛ.Транзистор находится в выключенном состоянии, когда базовое напряжение совпадает с напряжением эмиттера. Режим транзистора находится в состоянии ВКЛ, когда напряжение базы уменьшается относительно эмиттера. Используя это свойство, транзистор может работать как с переключателем, так и с усилителем. Базовая схема транзистора PNP показана ниже.

Соединительный транзистор NPN

Транзистор NPN прямо противоположен транзистору PNP. Транзистор NPN содержит три вывода, которые идентичны транзистору PNP: эмиттер, коллектор и база.Срабатывание транзистора NPN —

Как правило, положительное питание подается на вывод коллектора, а отрицательное питание — на вывод эмиттера с помощью резистора в цепи эмиттера, коллектора или эмиттера. К клемме базы подается напряжение, и она работает как состояние ВКЛ / ВЫКЛ транзистора. Транзистор находится в выключенном состоянии, когда напряжение базы такое же, как и на эмиттере. Если напряжение базы увеличивается относительно эмиттера, то режим транзистора находится в состоянии ВКЛ.Используя это условие, транзистор может работать как в усилителе, так и в переключателе. Базовый символ и диаграмма конфигурации NPN, как показано ниже.

Биполярный переходный транзистор PNP и NPN

Гетеро-биполярный переход

Гетеро-биполярный переходной транзистор также является типом биполярного переходного транзистора. Он использует различные полупроводниковые материалы для эмиттерной и базовой области и создает гетеропереход. HBT может обрабатывать одиночные сигналы очень высоких частот в несколько сотен ГГц, как правило, он используется в сверхбыстрых цепях и в основном используется в радиочастотах.Его приложения используются в сотовых телефонах и усилителях мощности RF.

Принцип работы BJT

Соединение BE имеет прямое смещение, а CB — соединение обратного смещения. Ширина обедненной области CB-перехода больше, чем BE-перехода. Прямое смещение в BE-переходе снижает потенциал барьера и заставляет электроны течь от эмиттера к базе.

База тонкая и слегка легированная, в ней очень мало дырок и меньше электронов из эмиттера, около 2% она рекомбинирует в области базы с дырками, а из клеммы базы будет вытекать.Это инициирует ток в базе из-за комбинации электронов и дырок. Оставшееся большое количество электронов пройдет через коллекторный переход обратного смещения, чтобы инициировать ток коллектора. Используя KCL, мы можем наблюдать математическое уравнение

I _E = I _B + I _C

Базовый ток намного меньше по сравнению с током эмиттера и коллектора

I _E ~ I _C

Здесь PNP-транзистор работает так же, как и NPN-транзистор, разница только в дырках вместо электронов.На приведенной ниже диаграмме показан PNP-транзистор области активного режима.

Принцип работы BJT

Конфигурация BJT

Биполярный переходной транзистор включает в себя устройство с тремя выводами, поэтому его можно подключать к цепи тремя возможными способами: один вывод является общим между другими, что означает, что один вывод между входом и выходом являются общими. Каждое соединение просто по-разному реагирует на входной сигнал.

Общая базовая конфигурация

В конфигурации CB транзистора клемма базы является общей для входных и выходных сигналов.Здесь входной сигнал может быть подан между двумя терминалами, такими как база и эмиттер, тогда как выходной сигнал может быть получен между двумя терминалами, такими как база и коллектор. На выводе коллектора выходной сигнал низкий по сравнению с входным сигналом на выводе эмиттера.

Конфигурация CB

Таким образом, его коэффициент усиления меньше 1, поэтому он ослабляет сигнал. Этот выход этой конфигурации не инвертирующий, поэтому оба входа, а также выходные сигналы будут синфазными. Эта общая базовая конфигурация обычно не используется из-за высокого коэффициента усиления по напряжению.Из-за чрезвычайно высокочастотной характеристики такая конфигурация используется только для однофазного усилителя. Эти однофазные усилители могут использоваться в качестве ВЧ-усилителей и микрофонных предусилителей.

Коэффициенты усиления конфигурации CB

Коэффициент усиления напряжения = Av = Vout / Vin = Ic x RL / IE X RIN

Коэффициент усиления по току = Ic / ie

Усиление сопротивления = RL / Rin

Конфигурация общего эмиттера

В этой конфигурации клемма эмиттера является общей для входа и выхода.Вход подается между двумя клеммами, такими как база и эмиттер, тогда как выход может быть получен между клеммами коллектора и эмиттера.

Его можно легко идентифицировать, наблюдая за схемой. Когда клемма эмиттера подключена к GND, тогда вход и выход получаются от клемм базы и коллектора соответственно. Конфигурация CE включает максимальный ток и усиление мощности между всеми типами конфигураций.

Конфигурация CE

Основная причина заключается в том, что вход на переходе прямого смещения, поэтому его входное сопротивление чрезвычайно мало, тогда как выход может быть получен от перехода обратного смещения.Таким образом, его выходной импеданс чрезвычайно высок. В конфигурации CE ток эмиттера эквивалентен сумме токов базы и коллектора. Итак, уравнение

Ie = Ic + Ib

Из приведенного выше уравнения «Ie» — это ток эмиттера. Таким образом, эта конфигурация имеет максимальное усиление по току, такое как Ic / Ib, потому что сопротивление нагрузки может быть подключено последовательно через клемму коллектора.
Из приведенного выше уравнения можно заметить, что небольшое увеличение в пределах базового тока приведет к очень высокому току в выходной области.

Эта конфигурация CE работает как инвертирующий усилитель, где выходной сигнал полностью противоположен по полярности входному сигналу. Таким образом, выходной сигнал может быть сдвинут на 180 ° по отношению к входному сигналу.

Конфигурация общего коллектора

Конфигурация CC также называется эмиттерным повторителем или повторителем напряжения, который включает в себя заземленный коллектор. В конфигурации CC соединение клеммы коллектора может быть выполнено с заземлением по направлению к источнику питания.

Конфигурация CC

Для входа и выхода клемма коллектора является общей. Выходной сигнал поступает от эмиттера через нагрузку, которая подключена последовательно, тогда как вход направляется непосредственно к клемме базы. Эта конфигурация включает в себя высокое входное и выходное сопротивление.

Это позволяет ему работать как устройство согласования импеданса. Таким образом, такая конфигурация чрезвычайно полезна в методе согласования импеданса.

BJT Характеристики

Поведение биполярного транзистора в каждой конфигурации схемы сильно различается и приводит к разным характеристикам схемы в отношении входного и выходного импедансов и коэффициентов усиления, таких как напряжение, мощность и ток.Фиксированные характеристики BJT можно разделить на три основные группы, которые упомянуты ниже.

Входные характеристики

Общая база (CB) = ΔVEB / ΔIE
Общий эмиттер (CE) = ΔVBE / ΔIB

Выходные характеристики

Общая база (CB) = ΔVC / ΔIC
Общий эмиттер (CE) = ΔVC / ΔIC

Передаточные характеристики

Общая база (CB) = ΔIC / ΔIE
Общий эмиттер (CE) = ΔIC / ΔIB

Характеристики различных конфигураций транзисторов приведены ниже.

Характеристики	CB	CE	CC
Входное сопротивление	Низкий	Средний	Высокая
Выходное сопротивление	Очень высокий	Низкий	Низкий
Фазовый угол	0 ^или	180 ^или	0 ^или
Коэффициент усиления напряжения	Высокая	Средний	Низкий
Коэффициент усиления по току	Низкий	Средний	Высокая
Коэффициент усиления	Низкий	Очень высокий	Средний

Преимущества BJT

К основным преимуществам биполярных переходных транзисторов можно отнести следующие.

Высокая управляемость
Высокочастотный режим
Семейство цифровых логических схем имеет логику с эмиттерной связью, используемую в BJT в качестве цифрового переключателя.
Имеет полосу пропускания с высоким коэффициентом усиления
Дает хорошие характеристики на высоких частотах
Хорошее усиление по напряжению
Он работает в приложениях с низким или высоким энергопотреблением.
Включает максимальную плотность тока.
Низкое падение напряжения в прямом направлении

Недостатки

К основным недостаткам биполярных переходных транзисторов можно отнести следующие.

Термостойкость менее
Издает больше шума
БЮТ — это больше эффект излучения.
Меньше частота коммутации
Базовый контроль сложен, поэтому требует умелого обращения.
Время переключения невелико по сравнению с высокой частотой мигания напряжения и тока.

Приложения BJT

Ниже приведены два разных типа приложений в BJT, это

Переключение
Усиление
Преобразователи
Выключатель автоматический
Датчики температуры
Электронные переключатели
Усилители
Высокая управляемость
Цепи обнаружения
Высокочастотный режим
Демодулятор и модулятор
Цифровой переключатель
Машинки для стрижки
Колебательный контур

В этой статье дается информация о том, что такое транзисторы с биполярным переходом, их типах, преимуществах, применении и характеристиках транзисторов с биполярным переходом.Таким образом, это все о биполярном переходном транзисторе. Это наиболее широко используемые устройства для усиления всех видов электрических сигналов в дискретных схемах, которые разработаны с отдельными компонентами вместо микросхем. Они доступны в нескольких типах и различных формах, например, BUH515, 2N3055, 2N2219, 2N6487, BD135, BD136 и 2N222. Вот вам вопрос, какие типы транзисторов доступны на рынке?

Я надеюсь, что данная информация в статье будет полезна для получения хорошей информации и понимания проекта.Кроме того, если у вас есть какие-либо вопросы относительно этой статьи или проектов в области электротехники и электроники, вы можете прокомментировать их в разделе ниже. Вот вам вопрос, если транзисторы используются в цифровых схемах, они вообще работают в каком регионе?

Bipolar Junction Transistor (BJT) — Базовая структура…

Транзистор — это электронное устройство, которое может использоваться как усилитель или как электронный переключатель. Его способность усиливать сигнал или переключать нагрузки большой мощности с помощью слабого сигнала делает его очень полезным в области электроники.Существует два основных типа транзисторов: биполярный переходной транзистор, или BJT, и полевой транзистор, или FET. В этом руководстве мы сосредоточимся только на биполярном переходном транзисторе и обсудим его основную структуру и работу.

Термин биполярный относится к использованию дырок и электронов в качестве носителей тока в структуре транзистора.

Структура биполярного переходного транзистора (BJT)

Биполярный переходный транзистор (BJT) изготавливается с тремя полупроводниковыми областями, которые имеют различное легирование.Если мы уже потеряли вас с этим последним предложением, пожалуйста, ознакомьтесь с некоторыми из наших других руководств по основам полупроводников, так как они сделают это намного проще для понимания. Эти три области, которые легированы по-разному, известны как база, коллектор и эмиттер. Базовая область слегка легирована и очень тонкая по сравнению с областями коллектора и эмиттера. Коллекторная область умеренно легирована, а эмиттерная — сильно легирована.

NPN и PNP BJT Физическое представление

Транзисторы с биполярным переходом могут быть типа npn или pnp.Тип npn состоит из двух n областей, разделенных p областью. Базовая область — это материал p-типа, а области коллектора и эмиттера — материалы n-типа. В pnp-типе транзистор состоит из двух областей p-типа, коллектора и эмиттера, разделенных базовой областью n-типа. Независимо от типа, BJT имеет два pn перехода, которые должны быть правильно смещены внешним напряжением постоянного тока для правильной работы. Один из этих переходов называется переходом база-эмиттер, соединяющим области базы и эмиттера, а другой — переходом база-коллектор, соединяющим области базы и коллектора.

Базовая работа BJT

Чтобы биполярный переходный транзистор работал в качестве усилителя, его переход база-эмиттер должен быть смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор — в обратном направлении — обратите внимание, что это означает, что npn-транзистор и pnp-транзистор расположены наоборот. И, как упоминалось ранее, эмиттерная область сильно легирована. Таким образом, в транзисторе npn эмиттерная область n-типа имеет очень высокую плотность свободных электронов, в то время как в транзисторе pnp эмиттерная область p-типа имеет очень высокую плотность дырок.

NPN BJT Bias Arrangement

Здесь я хотел бы напомнить вам, что ток и поток электронов идут в обратном направлении, что может вызвать путаницу. Поскольку переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, свободные электроны из области эмиттера легко пересекают переход база-эмиттер и попадают в очень тонкую и слегка легированную область базы p-типа. Базовая область p-типа слегка легирована, что означает, что в ней не так много дырок. В этом случае только небольшой процент свободных электронов из эмиттерной области может рекомбинировать с дырками в базовой области.

Небольшое количество свободных электронов из области эмиттера, которые рекомбинируются с дырками в базовой области, перемещаются через базовую область как валентные электроны. Но когда они покидают базовую область и движутся через металлический базовый вывод, они становятся свободными электронами и производят внешний базовый ток, который затем выходит через металлический вывод во внешнюю цепь, а затем, в конечном итоге, возвращается в эмиттерную область. .

NPN BJT Electron Flow Operation

Свободные электроны, которые вошли в базовую область, но не рекомбинировали с дырками, движутся к переходу база-коллектор с обратным смещением.Поскольку область коллектора подключена к положительной стороне внешнего напряжения смещения, свободные электроны притягиваются к положительной стороне и перемещаются в область коллектора. Они выходят из области коллектора, а также проходят через металлический вывод коллектора в цепь и возвращаются в область эмиттера. Итак, в этом случае мы знаем, что ток эмиттера — это сумма токов базы и коллектора. Следовательно, ток эмиттера немного больше, чем ток коллектора.

Работа внутри pnp-транзистора очень похожа на работу npn-транзистора. Но роли электронов и дырок поменялись местами. Напряжения внешнего смещения и направления тока меняются местами.

PNP BJT Bias Arrangement

Если вы попытаетесь понять это, реверсирование внешних напряжений смещения приведет к прямому смещению перехода база-эмиттер PNP-транзистора и обратному смещению перехода база-коллектор. Поскольку переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, отверстия в области эмиттера могут перемещаться через переход база-эмиттер и входить в базовую область.В то же время электроны в базовой области также могут перемещаться в эмиттерную область. Внутри PNP-транзистора ток эмиттера возникает из-за перемещения отверстий от эмиттера к области базы. Но внешне эмиттерный ток связан с движением электронов из области эмиттера к положительной клемме внешнего напряжения смещения. Базовый ток, создаваемый в транзисторе PNP, возникает из-за движения электронов от внешнего напряжения смещения в базовую область.

Поскольку базовая область слегка легирована, только небольшое количество электронов в базовой области рекомбинирует с дырками из эмиттерной области, а остальные дырки перемещаются в коллекторную область.Внутри это движение отверстий в область коллектора создает ток коллектора, но снаружи ток коллектора — это поток электронов от внешнего напряжения смещения в область коллектора.

Направление токов в транзисторе NPN

Если мы сравним направление токов транзистора npn и pnp с использованием обычного потока тока, мы увидим, что течение токов в транзисторе pnp прямо противоположно потоку токи в npn-транзисторе.

Направления токов в транзисторе PNP

Резюме

В этом руководстве мы обсудили базовую структуру и основные операции транзистора с биполярным переходом. Мы узнали, что транзистор с биполярным переходом состоит из трех легированных полупроводниковых областей, имеет два основных типа — npn и pnp, и оба типа имеют два pn перехода. Мы также узнали, как смещать биполярный переходной транзистор, чтобы он работал как усилитель, и обсудили, что происходит внутри npn-транзистора.Если у вас есть какие-либо вопросы, оставьте их в комментариях ниже, и если вы нашли это интересным или полезным, поставьте лайк и подпишитесь на наш канал!

Как работает BJT. Работа с биполярными транзисторами

Давайте более подробно рассмотрим, как работает биполярный транзистор.

Последняя статья о транзисторах (Введение в транзисторы) началась с небольшой истории об устройствах и о том, что использовалось до них. Затем были замалчены два основных типа, с которыми вы будете работать: BJT и MOSFET.Наконец, были кратко обсуждены два режима работы транзистора.

На этот раз мы подробнее остановимся на БЮТ. В этой статье мы более подробно рассмотрим, как работает биполярный транзистор, и некоторые основы их использования в ваших творениях.

Краткий обзор основ BJT

Давайте начнем с краткого обзора основ того, как работает BJT.

Я не буду повторять каждое слово о BJT из прошлой статьи, но для удобства представлю краткий обзор основ.

Однако, если вы только изучаете транзисторы, я предлагаю вам сначала прочитать «Как работают диоды — Введение», потому что в нем рассказывается об основных принципах работы с полупроводниками, а затем прочитать «Введение в транзисторы».

Напомним, что существует два основных типа BJT и что BJT представляет собой трехконтактное устройство, как мы можем видеть на рисунке 1. Три терминала — это основание , коллектор , и эмиттер .

Рис. 1. Двумя основными типами транзисторов с биполярным переходом являются NPN и PNP.

NPN BJT помещает полупроводниковый материал P-типа между двумя слоями полупроводникового материала N-типа. И наоборот, PNP BJT помещает материал N-типа между двумя слоями материала P-типа.

Рисунок 2: концептуальная структура PNP и NPN BJT.

Наконец, BJT может найти применение в качестве переключателя или усилителя.

Как работает BJT: более пристальный взгляд на структуру

Название биполярный переходной транзистор может наводить на мысль, что устройство имеет неприятную проблему с психическим здоровьем.Конечно, это не так.

Термин биполярный означает, что устройство изготовлено из полупроводникового материала, в котором проводимость зависит как от положительных, так и от отрицательных носителей заряда. Этими «носителями заряда» являются соответственно дырки и электроны.

На рисунке 2 показано, что три кремниевых области BJT являются сегментами стержня, которые накладываются друг на друга (если повернуть рис на 90 градусов). В то время как некоторые из первых транзисторов конца 1940-х — начала 1950-х годов были сделаны таким образом, современные транзисторы — нет.

На рисунке 3 изображена структура современного BJT.

Рисунок 3: структура современного БЮТ.

Как мы видим, слои не накладываются друг на друга. Вместо этого производители полупроводников используют процесс диффузии, который плавит основание в области коллектора, а затем плавит область эмиттера в области базы (для NPN BJT). Тысячи транзисторов рассеиваются на кремниевой пластине, из которой затем вырезаются индукционные транзисторы, прежде чем они будут запечатаны в пластике или металле.

И последнее, что следует отметить в отношении структуры BJT, это то, что базовая область слабо легирована и очень тонка по сравнению с сильно легированными эмиттерными и умеренно легированными областями коллектора. Причина этого станет очевидной в ближайшее время.

Как работает BJT: работа на низком уровне

Пришло время подробнее остановиться на том, как работают BJT. Во-первых, мы начнем с некоторых базовых операций низкого уровня, прежде чем переходить к более практическим операциям высокого уровня.

Чтобы проиллюстрировать, как работает BJT, давайте посмотрим, что происходит внутри NPN-транзистора.Будет полезно рассматривать переходы база-эмиттер (BE) и база-коллектор (BC) как диоды, как показано на рисунке 4.

Рис. 4. Полезно визуализировать переходы в BJT в виде диодов. Если бы это был PNP BJT, каждый диод был бы повернут на 180 градусов.

Во-первых, давайте поговорим о том, что происходит, когда транзистор выключен.

Помните, что типичному кремниевому диоду требуется около 0,7 В для включения и проведения. Итак, меньше 0.7 В на базе транзистор выключен, потому что низкое напряжение не смещает в прямом направлении BE-диод. Если мы подадим отрицательное напряжение на NPN BJT на рисунке 4, ситуация ухудшится; p-n-переход между базой и эмиттером расширяется.

При подаче напряжения минимум 0,7 В на диод BE происходит прямое смещение, и транзистор начинает включаться. По мере увеличения напряжения зона обеднения сужается, и электроны устремляются к положительному основанию. Помните, что эмиттер сильно легирован и содержит избыток свободных электронов.

Некоторые из них будут выходить через основание, но поскольку оно очень тонкое с легким легированием, большинство из них (например, более 97%), выходящие из эмиттера, подойдут достаточно близко к стороне коллектора, и они начнут прыгать в коллектор. Увеличение базового напряжения усиливает этот эффект. В это время BC-диод фактически смещен в обратном направлении, но электрическое поле, создаваемое напряжением питания коллектора, тянет электроны через него. Именно это заставляет BJT действовать как переменный резистор; чем шире область истощения BC-диода, тем большее сопротивление предлагает устройство.

Фактически, любой должным образом смещенный NPN BJT для использования в усилении будет иметь смещенный в прямом направлении переход BE (эмиттерный диод включен) и переход с обратным смещением BC (коллекторный диод выключен).

Станьте Создателем, которым вы были рождены. Попробуйте Arduino Academy БЕСПЛАТНО!

На рисунке 5 ниже показано графическое представление этого процесса.

Рисунок 5: как BJT работает на низком уровне. Вот как электроны движутся через NPN BJT. Обратите внимание, что на рисунке используется поток электронов, а не обычный ток.Маленькие белые кружочки в основании — это дырочки. Некоторые электроны соединятся с отверстиями в основании.

Обратите внимание, что, поскольку основание является материалом p-типа, оно содержит отверстия.

Вот еще один способ думать о работе NPN BJT: для каждой дыры, заполненной электроном в основании, небольшой отрицательный заряд захватывается клеммой базы. Единственный способ избавиться от заряда — это оттянуть электроны от базы. Итак, чтобы поддерживать ток коллектора, все электроны, попадающие в дырки, должны быть отведены.Вот почему ток базы контролирует ток коллектора.

Как работает BJT: практическая сторона или работа высокого уровня

Теперь, когда мы кое-что знаем о работе BJT низкого уровня, давайте поговорим о более практичной работе с устройством более высокого уровня.

BJT использует небольшой ток на своей базе для управления гораздо большим током коллектора.

Прежде чем мы пойдем дальше, может быть полезно определить некоторые важные термины, относящиеся к работе транзистора с биполярным переходом.

Насыщение относится к области работы, в которой протекает максимальный ток коллектора, а BJT действует как замкнутый переключатель от коллектора к эмиттеру. В этом режиме переход BC смещается в прямом направлении и протекает максимальный ток. Коллекторный ток больше не может увеличиваться даже при увеличении тока базы.

Отсечка относится к области работы, в которой BJT действует как разомкнутый переключатель, хотя очень небольшой ток утечки (которым мы обычно можем пренебречь) все еще течет.

Наконец, активный режим или активная область описывает работу, в которой соединение BE смещено в прямом направлении, а соединение BC — смещено в обратном направлении. В этом режиме BJT эквивалентен переменному резистору между эмиттером и коллектором. Если мы хотим использовать транзистор с биполярным переходом для усиления, нам нужно использовать его в этом режиме или в этом регионе.

Рисунок 6 графически изображает эти режимы работы с набором характеристических кривых коллектора.Здесь несколько значений I _B используются для построения графика зависимости I _C от V _CE. Область отсечения лежит по горизонтальной оси. Область насыщения — это область слева от почти вертикальной линии. Прямые горизонтальные линии представляют активную область. Другими словами, эти кривые описывают влияние тока базы и напряжения эмиттер-коллектор на токи эмиттера / коллектора.

Рисунок 6: Характеристики коллектора BJT показывают, как BJT работает для трех режимов работы.

Уравнение 1 дает полный ток, протекающий в эмиттере BJT. Поскольку базовый ток I _B очень мал по сравнению с током коллектора I _C, им обычно пренебрегают, и для большинства приложений достаточно уравнения 2.

I _E = I _C + I _B (уравнение 1)

I _E ≈ I _C (уравнение 2)

Мы уже знаем, что небольшой базовый ток вызывает большее ток коллектора течет.Транзисторы с биполярным переходом связывают ток, протекающий в базу, и ток коллектора через постоянное значение бета (). Бета также иногда обозначается как h _FE. Каждый биполярный транзистор имеет собственное уникальное значение бета в диапазоне от 20 до 500. Это коэффициент усиления транзистора по току. Уравнение 3 дает формулу для усиления по току, поскольку оно относится к общему бета-коэффициенту и общему току коллектора.

I _C = ẞI _B (уравнение 3)

Есть несколько важных моментов, на которые следует обратить внимание в отношении уравнения 3.

Во-первых, для его применения BJT должен находиться в активной области работы. Для этого нужно соблюдать два правила.

Правило 1: Напряжение на коллекторе должно быть как минимум на несколько десятых вольта выше, чем напряжение на эмиттере. Это относится к NPN BJT. Для PNP BJT напряжение эмиттера должно превышать напряжение коллектора на аналогичную величину. Если это условие не выполняется, ток через устройство не течет независимо от базового напряжения.

Правило 2: Падение напряжения около 0,7 В от базы к эмиттеру в NPN BJT и повышение на 0,7 В от базы к эмиттеру для устройства PNP. Используя в качестве примера NPN-транзистор, это означает, что базовое напряжение должно быть как минимум на 0,7 В выше, чем напряжение эмиттера, чтобы преодолеть падение диода. В противном случае транзистор не включится. Уравнение 4 математически выражает это правило.

V _BE = V _B — V _E = 0.7 В (или -0,7 В для устройства PNP) (уравнение 4)

Другой менее часто используемой константой, относящейся к BJT, является альфа устройства (α). Альфа описывает отношение постоянного тока коллектора к постоянному току эмиттера.

α = I _C / I _E (уравнение 5)

Также:

α = ẞ / (ẞ + 1) (уравнение 6)

Типичные значения альфа-диапазона от 0,95 до 0,99 или больше, но всегда меньше 1.

Прежде чем мы продолжим, простой пример поможет нам проанализировать схемы BJT на постоянном токе.

Ex 1:

См. Рисунок ниже. Предположим, что бета равна 150 и что R _C = 100 Ом и R _B = 10 кОм. Найдите I _B, I _C, I _E, V _BE и V _CB. V _BB = 5 В и V _CC = 10 В.

Решение:

Мы знаем, что V _BE составляет около 0,7 В. Мы будем использовать эту информацию, чтобы получить I _B следующим образом:

I _B = (V _BB — V _BE) / 10k = (5-0.7) / 10k = 430 мкА

Приведенное выше уравнение может быть трудным для понимания новичком в электронике, но это всего лишь базовое применение закона Ома. Поскольку V _BB составляет 5 В, а V _BE составляет 0,7 В, на базовом резисторе должно падать напряжение 4,3 В. Как только мы это узнаем, найти базовый ток будет несложно. Если это все еще сбивает с толку, может помочь чтение «Простые методы анализа цепей, которые вы должны знать».

На I _C…

I _C = ẞI _B = (150) (430 мкА) = 64.5 мА

Давайте возьмем I _E далее…

Для большинства целей может быть неудобно приблизиться и сказать, что I _E = I _C = 64,5 мА.

Если мы хотим быть точными, мы можем сказать I _E = I _B + I _C = 430 мкА + 64,5 мА = 64,9 мА. Заметьте, особой разницы нет.

Теперь для V _CE:

Применяя закон Ома, мы получаем V _CE = V _CC — I _C R _C = 10 В — (64.5 мА) (100) = 10 В — 6,45 В = 3,55 В

Наконец, давайте получим V _CB:

В _CB = V _CE — V _BE = 3,55 В — 0,7 В = 2,85 V

Помните, что соотношение I _C = ẞI _B действительно только для транзисторов в активной области и не работает для транзисторов в насыщении.

Давайте рассмотрим еще один немного другой пример, чтобы проиллюстрировать, как работает BJT.

Пример 2:

Посмотрите на схему ниже.Beta равно 100. Определите все узловые напряжения и токи ответвлений.

База на 4 В и эмиттер на земле, поэтому можно с уверенностью предположить, что переход BE смещен в прямом направлении.

V _E = 4 — V _BE = 4 — 0,7 = 3,3 В

Теперь давайте получим I _E:

I _E = (V _E — 0) / R _E = 3,3 / 3,3 кОм = 1 мА

Мы еще не знаем базовый ток, но мы можем изменить уравнение 5, умножив обе части на I _E:

I _C = αI _E

Далее давайте воспользуемся уравнением 6, чтобы найти альфа:

α = ẞ / (ẞ + 1) = 100/101 = 0.99

Теперь мы можем получить I _C:

I _C = (0,99) (1 мА) = 0,99 мА

Используя закон Ома, мы можем получить напряжение коллектора:

В _C = 10 — I _C R _C = 10 — ((0,99 мА) (4,7k)) = 5,3 В

Наконец, нам нужен базовый ток:

I _B = I _E / (ẞ + 1) = 1 мА / 101 = 0,01 мА

BJT в насыщении: транзистор как переключатель

Если вы не разрабатываете усилители и аналоговые схемы, вы, вероятно, будете использовать BJT в качестве переключателя в большинстве случаев. время.

Кто-то может спросить, зачем использовать транзистор в качестве переключателя, если мы можем просто использовать механический переключатель. Для этого есть несколько веских причин. Во-первых, транзисторы могут включаться и выключаться очень быстро, обычно за доли микросекунды или меньше. Во-вторых, они могут управляться другими цепями (например, микроконтроллером), тогда как механический переключатель не может. Механические переключатели изнашиваются, и контакты дергаются, а транзисторы — нет. Есть и другие причины. Если вы до сих пор не уверены, что из транзисторов получаются хорошие переключатели, поверьте мне на слово.

При использовании биполярного переходного транзистора в качестве переключателя вы будете работать с ним в режимах отсечки и насыщения.

Режим отключения говорит сам за себя — устройство выключено и не проводит никакого тока (за исключением незначительного тока утечки).

При отсечении выполняется уравнение 7.

В _CE = V _CC (уравнение 7)

Когда переход BE смещен в прямом направлении и ток базы достаточен для создания максимального тока коллектора, транзистор насыщается.Уравнение 8 дает формулу для тока коллектора при насыщении устройства.

I _{C (насыщенный)} = (V _CC — V _{CE (насыщенный)}) / R _C (уравнение 8)

Обычно V _{CE (насыщенный)} очень мал по сравнению с V _CC (BJT действует как замкнутый переключатель, и в идеале на замкнутом переключателе есть 0 В, потому что это короткое замыкание), и мы можем пренебречь этим. Минимальный базовый ток, необходимый BJT для насыщения, составляет:

I _{B (мин)} = I _{C (насыщ.)} / (экв.9)

Обратите внимание, что I _B должен быть значительно больше, чем I _{B (мин)}, чтобы гарантировать, что BJT остается в состоянии насыщения.

Наконец, некоторые любознательные читатели могут спросить, существует ли формула для V _{CE (sat)}. Действительно, есть, но, как мы уже упоминали, этой величиной обычно можно пренебречь, а формула имеет некоторую сложность, выходящую за рамки данной статьи.

Давайте быстро проведем практический пример того, как BJT работает в режиме насыщения как переключатель.

Ex 3:

Для светодиода на рисунке ниже требуется 30 мА, чтобы излучать эстетически приятный уровень света. Итак, ток коллектора должен быть около 30 мА. Определите амплитуду сигнала постоянного тока, необходимого транзистору для насыщения и зажигания светодиода. Используйте удвоенный минимальный базовый ток в качестве запаса прочности, потому что из-за того, что испорченное освещение (отключение светодиода) заставит ее захотеть уйти. Vcc = 9 В, V _{CE (насыщ.)} = 0,3 В, Rc = 270 Ом, R _B = 3.3 кОм и = 50.

Получим Ic:

Ic = (Vcc — V _{CE (sat)}) / Rc = (9 В — 0,3 В) / 270 Ом = 32,2 мА

I _{B (мин)} = I _{C (насыщ.)} / ẞ = 32,2 мА / 50 = 644 мкА

Затем давайте удвоим минимум, чтобы обеспечить насыщение, чтобы наша дата оставалась неизменной. Это дает нам около 1,29 мА.

Сейчас:

I _B = V _RB / R _B = (V _in — V _BE)) / R _B = (V _in — 0.7 В) / 3,3 кОм

Расчет для V _в

В _в — 0,7 В = 2I _{B (мин)} * R _B = 1,29 мА * 3,3 кОм

В _в = ( 1,29 мА) (3,3 кОм) + 0,7 В = 4,96 В

Некоторые последние мысли о BJT

Давайте завершим это несколькими заключительными советами и мыслями о BJT.

Мы знаем, что бета любого случайного BJT сильно варьируется. Поскольку бета-версия в некоторой степени непредсказуема, вам следует избегать проектирования и построения схем, которые для правильной работы зависят конкретно от значений бета-версии.Другими словами, схема, которая зависит от определенного значения бета, является плохой схемой.

Кроме того, все транзисторы имеют максимальный номинальный ток коллектора, а также максимальное напряжение пробоя коллектор-база, эмиттер-база и коллектор-эмиттер. Вам также необходимо знать максимальный рейтинг рассеиваемой мощности. Игнорирование этих спецификаций может убить ваш BJT.

Транзисторы с биполярным переходом выпускаются в различных типах корпусов. Некоторые выпускаются в пластиковых, другие — в металлических упаковках, похожих на банки.Посмотрите на упаковку, есть ли на ней распиновка. В противном случае может помочь хорошая перекрестная ссылка (например, NTE) в Интернете. Если все остальное не помогает, вам, возможно, придется использовать тестер транзисторов в вашем измерителе или «Ой, да ладно», если его нет.

Тестирование BJT

Говоря о мультиметрах, ваш может пригодиться для тестирования транзисторов, которые, по вашему мнению, могут быть плохими.

Вспомните, как работает BJT — это как два диода.

Хороший диод показывает высокое сопротивление при обратном смещении и низкое сопротивление при прямом смещении.Открытый диод будет иметь высокое сопротивление в обоих направлениях. Закороченный диод будет иметь низкое сопротивление в обоих направлениях. Многие современные цифровые мультиметры имеют функцию проверки диодов и / или транзисторов, чтобы упростить эту задачу.

На этом завершается наше вступление к BJT. В следующий раз, когда мы поговорим о них, мы рассмотрим некоторые основные приемы смещения.

А пока оставьте комментарий и расскажите мне о своем последнем начинании с использованием дискретных BJT. Что ты водишь? Светодиод? Оратор? Мотор? Что-то другое?

Поделитесь!

Что такое биполярный транзистор и как он устроен

Принцип работы биполярного транзистора

Режимы работы биполярного транзистора

Применение биполярных транзисторов

Преимущества и недостатки биполярных транзисторов

Типы корпусов биполярных транзисторов

Как выбрать биполярный транзистор

Биполярный транзистор, принцип работы для чайников

Устройство биполярного транзистора

Принцип работы биполярного транзистора

Режим работы биполярных устройств

Достоинства и недостатки биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы для чайников — Мастер Фломастер

Биполярный транзистор

Виды транзисторов

Биполярный транзистор

Принцип работы биполярного транзистора

Транзистор в ключевом режиме

Эмиттерный повторитель

Где транзисторы купить?

Биполярные транзисторы разделяют по различным признакам на виды по:

Транзисторы принцип работы для чайников. Схемы включения биполярных транзисторов

Транзисторы. Определение и история

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Режимы работы биполярного транзистора

Схемы включения биполярных транзисторов

Схема включения с общим эмиттером

Схема включения с общей базой

Схема включения с общим коллектором

Два слова о каскадах

Другие области применения биполярных транзисторов

Маркировка

Виды транзисторов

Биполярный транзистор

Принцип работы биполярного транзистора

Транзистор в ключевом режиме

Эмиттерный повторитель

Где транзисторы купить?

Виды транзисторов

Биполярные транзисторы

Полевые транзисторы

Устройство и принцип работы для начинающих

Преимущества и недостатки замены ламп транзисторами

Схемы включения

Для чего нужны транзисторы?

Быполярные транзисторы

Что такое полевой транзистор

Основные параметры полевых транзисторов

Как работает транзистор?

Структура транзистора

Конструкция транзистора

Схема подключение транзистора

Интересное видео о принципе действия транзистора

Добавить комментарий

Биполярный транзистор принцип работы для чайников

Биполярный транзистор

Виды транзисторов

Биполярный транзистор

Принцип работы биполярного транзистора

Транзистор в ключевом режиме

Эмиттерный повторитель

Где транзисторы купить?

Биполярный транзистор, принцип работы для чайников

Устройство биполярного транзистора

Принцип работы биполярного транзистора

Режим работы биполярных устройств

Достоинства и недостатки биполярных транзисторов

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

Что такое транзистор?

Как работает транзистор?

Физические процессы в транзисторе

Принцип работы биполярного транзистора

Составные части устройства

Биполярный транзистор — принцип работы

Режимы функционирования устройства

Схемы включения транзисторов биполярного типа

Схема включения с общим эммитерным слоем

Схема включения с общим базовым слоем

Схема включения с общим коллекторным слоем

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

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