Как работает npn транзистор: NPN транзистор. Устройство и принцип работы, схема подключения

Содержание

NPN транзистор. Устройство и принцип работы, схема подключения

Итак, транзистор, в котором один полупроводник p-типа размещен между двумя полупроводниками n-типа, известен как NPN-транзистор.

Транзистор NPN усиливает сигнал, поступающий на базу, и генерирует усиленный сигнал на коллекторе. В NPN-транзисторе направление движения электрона происходит от эмиттера к коллектора, из-за чего ток и протекает через транзистор. Устройства такого типа очень часто используют в электрических схемах, потому что их основными носителями заряда являются электроны, которые имеют высокую подвижность по сравнению с дырками (положительно заряженные носители).

Конструкция NPN транзистора

Транзистор NPN, по сути, это два диода, соединенных друг с другом. Диод на левой стороне называется диод на основе перехода «эмиттер-база», а диоды на правой стороне называют диод на основе коллекторного перехода. Имена были подобраны согласно названию переходов.

Транзистор NPN имеет три клеммы, а именно эмиттер, коллектор и базу. Средняя часть NPN-транзистора слегка легирована, и это является наиболее важным фактором его работы. Эмиттер умеренно легирован, а коллектор сильно легирован.

Схема включения NPN транзистора

Принципиальная схема NPN-транзистора показана на рисунке ниже. Коллектор и база подключены в обратном смещении, а эмиттер и база подключены в прямом смещении. Коллектор и база, через которую ведется управление состоянием транзистора ВКЛ./ВЫКЛ., всегда подключены к положительному полюсу источника питания, а эмиттер подключен к отрицательному полюсу источника питания.

Как работает NPN транзистор

Принципиальная схема NPN-транзистора показана на рисунке ниже. Прямое смещение применяется через соединение эмиттер-база, а обратное смещение применяется через соединение коллектор-база. Напряжение прямого смещения VEB мало по сравнению с напряжением обратного смещения VCB.

Эмиттер NPN-транзистора сильно легирован. Когда прямое смещение прикладывается к эмиттеру, большинство носителей заряда движутся к базе. Это вызывает протекание тока эмиттера IE. Электроны входят в материал P-типа и соединяются с дырками.

База NPN-транзистора слегка легирована. Из-за чего только несколько электронов объединяются, а оставшиеся составляют ток базы I

B. Ток базы проникает в область коллектора. Обратный потенциал смещения области коллектора прикладывает высокую силу притяжения к электронам, достигающим коллектора. Таким образом, привлекают или собирают электроны на коллекторе.

Весь ток эмиттера входит в базу. Таким образом, можно сказать, что ток эмиттера является суммой токов коллектора и базы.

PNP транзистор. Устройство и принцип работы, схема подключения

Стоит отметить, что транзистор, в котором один полупроводник имеет n-тип и размещен между двумя полупроводниками p-типа, называют PNP-транзистор.

Данное устройство с управлением по току. Это означает, что ток базы контролирует ток эмиттера и коллектора. Транзистор PNP имеет два кристаллических диода, соединенных друг с другом. Левая сторона диода известна как диод на основе перехода эмиттер-база, а правая сторона диода известна как диод на основе коллекторного перехода.

Дырки являются основным носителем транзисторов PNP, которые составляют ток в нем. Ток внутри транзистора формируется изменением положения дырок, а на выводах — из-за потока электронов. Транзистор PNP включается, когда через базу протекает небольшой ток. Направление тока в PNP-транзисторе

от эмиттера к коллектору.

Буква транзистора PNP указывает на напряжение, требуемое эмиттером, коллектором и базой. База транзистора PNP всегда была отрицательной по отношению к эмиттеру и коллектору. В PNP-транзисторе электроны перемещаются с базы. Ток, который входит в базу, усиливается на выводах коллектора.

Обозначение на схеме PNP транзистора

Обозначение PNP-транзистора на электрических схемах показано на рисунке ниже. Стрелка внутрь показывает, что направление тока в устройстве PNP типа от эмиттера к коллектору.

Устройство PNP транзистора

Конструкция PNP-транзистора показана на рисунке ниже. Эмиттер-база соединены в прямом смещении, а коллектор-база соединены в обратном смещении. Эмиттер, который подключен в прямом смещении, притягивает электроны к базе и, следовательно, создается ток, протекающий по пути от эмиттера к коллектору.

База транзистора всегда остается положительной по отношению к коллектору, так что дырки не могут «мигрировать» от коллектора к базе. И переход база-эмиттер поддерживает ток, благодаря чему дырки из области эмиттера входят в базу, а затем в область коллектора, пересекая область истощения.

Принцип работы PNP транзистора

Переход эмиттер-база соединен в прямом смещении, благодаря чему эмиттер выталкивает дырки в базу. Дырки и составляют ток эмиттера. Когда носители перемещаются в полупроводниковый материал или основу N-типа, они объединяются с электронами. База транзистора тонкая и слаболегированная. Следовательно, только несколько дырок в сочетании с электронами движутся в направлении слоя пространственного заряда коллектора. Отсюда получается ток базы.

Область основания коллектора соединена в обратном смещении. Дырки, которые накапливаются вокруг области истощения p-n перехода при воздействии отрицательной полярности, собираются или притягиваются коллектором. Таким образом создается ток коллектора. Полный ток эмиттера протекает через ток коллектора IC.

Как прозвонить транзистор: подробная инструкция по прозвонке

Работоспособность любой электрической схемы зависит от исправности отдельных ее элементов а также от правильности сборки. Транзистор является крайне распространенным радиоэлементом и любой радиотехник должен знать как прозвонить транзистор. Само тестирование начинается с определения его типа, модели. Проверка может отличаться от их разновидности и иметь некоторые особенности.

В данной статье будут описаны все нюансы проверки транзистора, какие приборы и оборудование для этого потребуется. В качестве дополнения материал содержит несколько видеоматериалов с подробным практическими уроками, а также одна статья, подробно описывающая весь этот процесс.

Проверка транзистора.

Почему не работает транзистор

Наиболее вероятные причины, по мнению специалистов, выхода из строя триода в схеме следующие:

  • когда пропадает (обрывается) один из переходов;
  • пробой перехода;
  • пробой на одном из участков эмиттера или коллектора;
  • потеря мощности полупроводниковым прибором в работе;
  • визуальные повреждения выводов транзистора.

Признаки, по которым можно определить визуально поломку триода в схеме: потемнение или изменение первоначального цвета полупроводникового прибора, изменение его формы «выпуклость», наличие черного пятна.

Как проверить транзисторКак проверить транзистор? (Или как прозвонить транзистор) Такой вопрос, к сожалению, рано или поздно возникает у всех. Транзистор может быть повреждён перегревом при пайке либо неправильной эксплуатацией. Если есть подозрение на неисправность, есть два лёгких способа проверить транзистор.

Исправность любого транзистора, независимо от типа устройства, можно проверить с помощью простого мультиметра. Для этого следует четко знать тип элемента и определить маркировку его выводов. 

Проверка транзистора мультиметром (тестером) (прозвонка транзистора) производится следующим образом. Для лучшего понимания процесса на рисунке изображён “диодный аналог” npn-транзистора. Т.е. транзистор как бы состоит из двух диодов. Тестер устанавливается на прозвонку диодов и прозванивается каждая пара контактов в обоих направлениях. Всего шесть вариантов.

  • База – Эмиттер (BE): соединение должно вести себя как диод и
    проводить ток только в одном направлении.
  • База – Коллектор (BC): соединение должно вести себя как диод и
    проводить ток только в одном направлении.
  • Эмиттер – Коллектор (EC): соединение не должно проводить ток ни в каком направлении.

При прозвонке 

pnp-транзистора “диодный аналог” будет выглядеть также, но с перевёрнутыми диодами. Соответственно направление прохождения тока будет обратное, но также, только в одном направлении, а в случае “Эмиттер – Коллектор” – ни в каком направлении.

Классификация транзисторов.

Проверка простой схемой включения транзистора

Соберите схему с транзистором, как показано на рисунке. В этой схеме транзистор работает как “ключ”. Такая схема может быть быстро собрана на монтажной печатной плате, например. Обратите внимание на 10Ком резистор, который включается в базу транзистора.

Это очень важно, иначе транзистор “сгорит” во время проверки. Если транзистор исправен, то при нажатии на кнопку светодиод должен загораться и при отпускании – гаснуть. Эта схема для проверки npn-транзисторов. Если необходимо проверить pnp-транзистор, в этой схеме надо поменять местами контакты светодиода и подключить наоборот источник питания.

Проверка транзистора мультиметром более проста и удобна. К тому же, существуют мультиметры с функцией проверки транзисторов. Они показывают ток базы, ток коллектора и даже коэффициент усиления транзистора.

Как проверить мультиметром транзистор

Многие современные тестеры оснащены специализированными коннекторами, которые используются для проверки работоспособности радиодеталей, в том числе и транзисторов. Чтобы определить рабочее состояние полупроводникового прибора, необходимо протестировать каждый его элемент. Биполярный транзистор имеет два р-n перехода в виде диодов (полупроводников), которые встречно подключены к базе. Отсюда один полупроводник образовывается выводами коллектора и базы, а другой эмиттера и базы.

Используя транзистор для сборки монтажной платы необходимо четко знать назначение каждого вывода. Неправильное размещение элемента может привести к его перегоранию. При помощи тестера можно узнать назначение каждого вывода. Данная процедура возможна лишь для исправного транзистора.

Для этого прибор переводится в режим измерения сопротивления на максимальный предел. Красным щупом следует коснуться левого контакта и измерить сопротивление на правом и среднем выводах. Например, на дисплее отобразились значения 1 и 817 Ом.

Затем красный щуп следует перенести на середину, и с помощью черного измерить сопротивления на правом и левом выводах. Здесь результат может быть: бесконечность и 806 Ом. Красный щуп перевести на правый контакт и произвести замеры оставшейся комбинации. Здесь в обоих случаях на дисплее отобразится значение 1 Ом. Делая вывод из всех замеров, база располагается на правом выводе.

Теперь для определения других выводов необходимо черный щуп установить на базу. На одном выводе показалось значение 817 Ом – это эмиттерный переход, другой соответствует 806 Ом, коллекторный переход.

Как прозвонить мультиметром транзистор

Чтобы убедиться в исправном состоянии устройства достаточно узнать прямое и обратное сопротивление его полупроводников. Для этого тестер переводится в режим измерения сопротивления и устанавливается на предел 2000. Далее следует прозвонить каждую пару контактов в обоих направлениях. Так выполняется шесть измерений:

  • соединение «база-коллектор» должно проводить электрический ток в одном направлении;
  • соединение «база-эмиттер» проводит электрический ток в одном направлении;
  • соединение «эмиттер-коллектор» не проводит электрический ток в любом направлении.

Как прозванивать мультиметром транзисторы, проводимость которых p-n-p (стрелка эмиттерного перехода направлена к базе)? Для этого необходимо черным щупом прикоснуться к базе, а красным поочередно касаться эмиттерного и коллекторного переходов. Если они исправны, то на экране тестера будет отображаться прямое сопротивление 500-1200 Ом.

Для проверки обратного сопротивления красным щупом следует прикоснуться к базе, а черным поочередно к выводам эмиттера и коллектора. Теперь прибор должен показать на обоих переходах большое значение сопротивления, отобразив на экране «1». Значит, оба перехода исправны, а транзистор не поврежден.

Методы проверки различных транзисторов.

Такая методика позволяет решить вопрос: как проверить мультиметром транзистор, не выпаивая его из платы. Это возможно благодаря тому, что переходы устройства не зашунтированы низкоомными резисторами. Однако, если в ходе замеров тестер будет показывать слишком маленькие значения прямого и обратного сопротивления эммитерного и коллекторного переходов, транзистор придется выпаять из схемы.

Перед тем как проверить мультиметром n-p-n транзистор (стрелка эмиттерного перехода направлена от базы), красный щуп тестера для определения прямого сопротивления подключается к базе. Работоспособность устройства проверяется таким же методом, что и транзистор с проводимостью p-n-p.

О неисправности транзистора свидетельствует обрыв одного из переходов, где обнаружено большое значение прямого или обратного сопротивления. Если это значение равно 0, переход находится в обрыве и транзистор неисправен.

Материал в тему: все о переменном конденсаторе.

Такая методика подходит исключительно для биполярных транзисторов. Поэтому перед проверкой необходимо убедиться, не относиться ли он к составному или полевому устройству. Далее необходимо проверить между эмиттером и коллектором сопротивление. Замыканий здесь быть не должно. Если для сборки электрической схемы необходимо использовать транзистор, имеющий приближенный по величине тока коэффициент усиления, с помощью тестера можно определить необходимый элемент. Для этого тестер переводится в режим hFE.

Транзистор подключается в соответствующий для конкретного типа устройства разъем, расположенный на приборе. На экране мультиметра должна отобразиться величина параметра h31. Как проверить мультиметром тиристор? Он оснащен тремя p-n переходами, чем отличается от биполярного транзистора. Здесь структуры чередуются между собой на манер зебры.

Главных отличием его от транзистора является то, что режим после попадания управляющего импульса остается неизменным. Тиристор будет оставаться открытым до того момента, пока ток в нем не упадет до определенного значения, которое называется током удержания. Использование тиристора позволяет собирать более экономичные электросхемы.

Проверка транзистора.

Мультиметр выставляется на шкалу измерения сопротивления в диапазон 2000 Ом. Для открытия тиристора черный щуп присоединяется к катоду, а красный к аноду. Следует помнить, что тиристор может открываться положительным и отрицательным импульсом. Поэтому в обоих случаях сопротивление устройства будет меньше 1. Тиристор остается открытым, если ток управляющего сигнала превышает порог удержания. Если ток меньше, то ключ закроется.

Как проверить мультиметром транзистор IGBT

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) является трехэлектродным силовым полупроводниковым прибором, в котором по принципу каскадного включения соединены два транзистора в одной структуре: полевой и биполярный.

Первый образует канал управления, а второй – силовой канал. Чтобы проверить транзистор, мультиметр необходимо перевести в режим проверки полупроводников. После этого при помощи щупов измерить сопротивление между эмиттером и затвором в прямом и обратном направлении для выявления замыкания.

Теперь красный провод прибора соединить с эмиттером, а черным коснуться кратковременно затвора. Произойдет заряд затвора отрицательным напряжением, что позволит транзистору оставаться закрытым.

Если транзистор оснащен встроенным встречно-параллельным диодом, который анодом подключен к эмиттеру транзистора, а катодом к коллектору, то его необходимо прозвонить соответствующим образом. Теперь необходимо убедиться в функциональности транзистора.

Сначала стоит зарядить положительным напряжением входную емкость затвор-эмиттер. С этой целью одновременно и кратковременно красным щупом следует прикоснуться к затвору, а черным к эмиттеру. Теперь необходимо проверить переход коллектор-эмиттер, подключив черный щуп к эмиттеру, а красный к коллектору.

На экране мультиметра должно отобразиться незначительное падение напряжения в 0,5-1,5 В. Эта величина на протяжении нескольких секунд должна оставаться стабильной. Это свидетельствует о том, что во входной емкости транзистора утечки нет.

Интересный материал для ознакомления: что нужно знать об устройстве силового трансформатора.

Если напряжения мультиметра недостаточно для открытия IGBT транзистора, тогда для заряда его входной емкости можно использовать источник постоянного напряжения в 9-15 В.

Как проверить мультиметром полевой транзистор

Полевые транзисторы проявляют высокую чувствительность к статическому электричеству, поэтому предварительно требуется организация заземления. Перед тем как приступить к проверке полевого транзистора, следует определить его цоколевку. На импортных приборах обычно наносятся метки, которые определяют выводы устройства.

Буквой S обозначается исток прибора, буква D соответствует стоку, а буква G – затвор. Если цоколевка отсутствует, тогда необходимо воспользоваться документацией к прибору. Перед проверкой исправного состояния транзистора, стоит учесть, что современные радиодетали имеют дополнительный диод, расположенный между истоком и стоком, который обязательно нанесен на схему прибора. Полярность диода полностью зависит от вида транзистора.

Обезопасить себя от накопления статических зарядов можно при помощи антистатического заземляющего браслета, который надевается на руку, или прикоснуться рукой к батарее. Основная задача, как проверить мультиметром полевой транзистор, не выпаивая его из платы, состоит из следующих действий:

  1. Необходимо снять с транзистора статическое электричество.
  2. Переключить измерительный прибор в режим проверки полупроводников.
  3. Подключить красный щуп к разъему прибора «+», а черный «-».
  4. Коснуться красным проводом истока, а черным стока транзистора. Если устройство находится в рабочем состоянии на дисплее измерительного прибора отобразиться напряжение 0,5-0,7 В.
  5. Черный щуп подключить к истоку транзистора, а красный к стоку. На экране должна отобразиться бесконечность, что свидетельствует об исправном состоянии прибора.
  6. Открыть транзистор, подключив красный щуп к затвору, а черный – к истоку.
  7. Не меняя положение черного провода, присоединить красный щуп к стоку. Если транзистор исправен, тогда тестер покажет напряжение в диапазоне 0-800 мВ.
  8. Изменив полярность проводов, показания напряжения должны остаться неизменными.
  9. Выполнить закрытие транзистора, подключив черный щуп к затвору, а красный – к истоку транзистора.

Говорить об исправном состоянии транзистора можно исходя из того, как он при помощи постоянного напряжения с тестера имеет возможность открываться и закрываться. В связи с тем, что полевой транзистор обладает большой входной емкостью, для ее разрядки потребуется некоторое время.

Эта характеристика имеет значение, когда транзистор вначале открывается с помощью создаваемого тестером напряжения (см. п. 6), и на протяжении небольшого количества времени проводятся измерения. Проверка мультиметром рабочего состояния р-канального полевого транзистора осуществляется таким же методом, как и n-канального.

Только начинать измерения следует, подключив красный щуп к минусу, а черный – к плюсу, т. е. изменить полярность присоединения проводов тестера на обратную. Исправность любого транзистора, независимо от типа устройства, можно проверить с помощью простого мультиметра.

Для этого следует четко знать тип элемента и определить маркировку его выводов. Далее, в режиме прозвонки диодов или измерения сопротивления узнать прямое и обратное сопротивление его переходов. Исходя из полученных результатов, судить об исправном состоянии транзистора.

Подключения транзистора к тестеру

Заключение

Рейтинг автора

Автор статьи

Инженер по специальности "Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем", МИФИ, 2005–2010 гг.

Написано статей

Более подробно о способах проверки транзисторов можно узнать  из статьи Как проверить полевой транзистор. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов.

Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vк.com/electroinfonet. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:

www.katod-anod.ru

www.morflot.su

www.karpsy.ru

www.remoo.ru

Предыдущая

ПрактикаСпособы проверки транзисторов на работоспособность

Следующая

ПрактикаКак проверить полевой транзистор

Биполярные транзисторы. Назначение, виды, характеристики

Транзисторы предназначены  для решения задач усиления  и переключения электрических сигналов. Время бурного развития транзисторов –  50 –  80 годы прошлого столетия. В настоящее время следует признать, что транзисторы как отдельные компоненты используются в схемах не так часто. Массово они применяются только внутри интегральных схем.

Различают  транзисторы  двух  видов:  биполярные  и  униполярные  (полевые).

В  биполярных транзисторах  в создании токов участвуют как электроны (отрицательно  заряженные  частицы),  так  и  дырки  (положительно  заряженные частицы). Отсюда название вида транзисторов.

Биполярные транзисторы устроены сложнее полупроводниковых диодов, они имеют два pn-перехода и три вывода,  называемых  база,  эмиттер  и  коллектор.  Различают  два  вида  БТ:  NPN и PNP.

Устройство, особенности и схемотехнику  будем рассматривать на при-мере  NPN-транзисторов  –  наиболее  используемых  в  современной  практике, для  PNP-транзисторов рассуждения аналогичны и различия заключаются толь-ко в подключении питающих напряжений.

Устройство и принцип действия биполярных транзисторов

Устройство и принцип действия  NPN-транзисторов  показаны  на  рисунке 2.19.

NPN-транзистор  имеет  три  микроэлектронные  области:  две  –  с  N-проводимостью и одну  –  с  P  –  проводимостью. Каждая область имеет вывод с указанными на рисунке названиями.

Структуру  NPN-БТ можно также представить в уже более понятных обозначениях: как два диода, соединённых анодами в области базы.

На рисунке  2.20   показан наиболее распространённый способ использования биполярных транзисторов, когда на базу и коллектор подаются положительные (+) потенциалы  по отношению  к  эмиттеру.  При  этом  положительный  потенциал  коллектора выше потенциала базы!  Другими словами, коллекторный  pn-переход  смещён в обратном направлении  (смотрите,  коллекторный диод формально  закрыт), а базовый – в прямом.

При этом если в базу задать ток, то в силу структурной особенности кристалла  биполярного транзистора,  этот  базовый  ток  Iб будет  «подсасывать»  из  коллекторной  области электроны и формировать коллекторный ток

Iк= β*Iб ,  (2.7)

где β> 1 называется коэффициентом усиления тока базы.

Типовые паспортные значения β = 20÷500. Ток эмиттера, таким образом, в соответствии с первым законом Кирхгофа

Iэ = (β +1)*Iб   (2.8)

Линейный режим работы биполярных транзисторов

В линейном режиме работы биполярный транзистор усиливает входные сигналы.

Простейшие транзисторные схемы, с помощью которых можно усиливать малые напряжения  показаны на рисунке 2.21.  Схемы  такой конфигурации  принято называть схемами (каскадами) с общим эмиттером (схемы ОЭ), т.к. один из выводов БТ  –  эмиттер,  используется для  формирования как входного, так и выходного сигнала  –  является общим для них.  Поясним работу такого усилителя.

Пусть  усиливаемый  сигнал  –  переменное  синусоидальное  напряжение, которое  подаётся  на  вход  схемы  общего эмиттера.  Усиленный  сигнал  снимается  с  выхода схемы ОЭ.  Усиленный сигнал имеет ту же форму синусоиды, но следует в противофазе с входным: когда входная синусоида возрастает, выходная синусоида спадает.

Основная  характеристика  усилителя  –  коэффициент  усиления  входного напряжения, который рассчитывается как

Кус=ΔUвых/ΔUвх ≈ R2/rэ,   (2.9)

где  rэ  –  сопротивление  эмиттера.  Сопротивление  эмиттера  можно  подсчитать по формуле:

rэ= ϕт/Iэ = k*T/q*Iэ ≈ k*T/q*Iк,    (2.10)

где  k - постоянная Больцмана,

Т – температура в кельвинах,

q – заряд электрона.

При температуре +25ºС (300 К) ϕт = 26 мВ.

Примечания

  1. Существует графический  способ  оценки  rэ.  Для  этого  требуется  знание  входной вольт-амперной характеристики выбранного биполярного транзистора;
  2. Коэффициент усиления сигнала по напряжению, как видно из формулы, зависит от температуры. В том случае, когда диапазон работы усилительной схемы широк, применяют чуть более сложные модификации схемы объединенных эмиттеров, более устойчивые к изменению температуры.

Следует иметь в виду, что выражение для  Кус приблизительное и оно будет тем более справедливо, чем больше β, хорошо, если β >100.

Расчёт схемы ОЭ по постоянному току

На этом этапе нам необходимо рассчитать значения  R1и  R2, которые  задают  режим по постоянному току, а  R2кроме  того входит в выражение для Кус.

Работа биполярного транзистора описывается входными и выходными характеристиками (показано  на  рисунке  2.22).  Входная  характеристика  Iб=ʄ(Uэ),  как  и  следовало  ожидать,  аналогична  характеристике  п/п  диода.  Однако  у  транзистора  поведение этой  характеристики  зависит  (несильно)  ещё  и  от  напряжения  Uкэ.  Поэтому  в технических  описаниях  на  выбранный  транзистор  даются  семейства  входных характеристик, где параметром является  Uкэ. Выходная характеристика ‒ также семейство зависимостей типа Iк= ʄ (Uкэ), параметром для которых является базовый ток Iб.

Оба семейства имеют принципиально нелинейное поведение, однако, это не мешает их использовать для режима линейного усиления. Для этого надо построить  нагрузочную прямую  на выходном семействе,  рассчитать положение на ней рабочей точки (РТ) и определить из графика начальный ток базы.

Нагрузочная прямая строится, как и раньше для диода, между двумя аналогичными точками: 

Iк=  Eпит/R2  и  Uкэпит. В нашем расчёте  мы задались  значениями  Епит=15 В и  Iк =  Eпит/R2  =30 мА. Тогда  R2=15/0,03 = 500 Ом. Строим прямую и выбираем положение РТ  –  это середина  линейного участка    (показано  на  рисунке  2.22). Линейным участком  будем называть участок нагрузочной прямой  между  напряжением  насыщения  и  напряжением  отсечки.  Параметры РТ в нашем примере соответствуют следующим значениям (показано  на рисунке 2.23): 

Uкэ.рт  ≈ 7 В,  Iк.рт  ≈ 16 мА,  Iб.рт ≈ 0,3 мА.

Далее: выбираем из семейства входных ту характеристику, которая соответствует найденному значению Uкэ≈ 7,0 В, задаём Iб = 0,3 мА, и определяем Uбэ≈ 0,65 В. Строим актуальный участок входной нагрузочной прямой и рассчитываем R1= (15-0,65) В/ 0,3 мА = 45 кОм.

Примечание   –  На практике расчёт проводиться несколько сложнее.

Рассчитаем коэффициент усиления каскада при t°=25 °С.

Кус = Iэ R2/ ϕт = 16 мА × 500 Ом/ 26 мВ ≈ 308.

Важно  теперь  проверить:  не  превышает  ли  мощность,  рассеиваемая  на коллекторе, номинальное паспортное значение выбранного биполярного транзистора.

Расчёт ведётся в рабочей точке:  Uкэ.рт  ×Iк.рт  = 7 В×16 мА=112 мВт. Это значение постоянно и не меняется в режиме усиления входного сигнала, когда напряжения и токи коллектора меняются в широком диапазоне. Это объясняется тем, что напряжение и ток коллектора меняются в этой схеме в  противофазе: когда ток увеличивается, напряжения уменьшается, и наоборот.

Расчёт схемы ОЭ по переменному току

Пример формирования выходных сигналов схемы с ОЭ под воздействием изменения тока базы показан на рисунке 2.23. Под воздействием синусоидально изменяющегося тока базы (синусоида, изображённая пунктиром)  РТ смещается вдоль нагрузочной прямой  сначала вверх до своего максимума, а затем вниз до своего минимума.

По рисунку видим, что при изменении тока базы в диапазоне  от  0,05  до 0,55  мА  с  амплитудой  (0,55-0,05)/2  =  250  мкА,  ток  коллектора  изменяется  в диапазоне примерно от 3 мА до 29 мА с амплитудой (29-3)/2 =  13 мА. Имеем отсюда следующее значение коэффициента усиления по току:

Кi= 13 000/250 = 52

Напряжение коллектора изменяется в диапазоне примерно от 0,5 В до 13 В с амплитудой (13-0,5)/2 = 6,25 В. Ещё раз подчеркнём, что изменение напряжения коллектора осуществляется в противофазе  с изменением входного (усиливаемого) тока: при увеличении тока базы увеличивается коллекторный ток и уменьшается коллекторное напряжение!

Пока мы ничего не говорили о конденсаторах  С1и  С2.  Это  так называемые    разделительные конденсаторы. Они не пропускают  постоянные составляющие усиливаемых напряжений  и пропускают только переменные. Их значения  должны  быть  достаточно  большими:  чем  больше  значения  ёмкостей,  тем меньше  ʄн –  минимальная  усиливаемая  частота.  Обычно  эти  конденсаторы имеют значения от 1 до 100 мкФ.

Ключевой режим работы биполярных транзисторов

Смотрим на выходные характеристики БТ.  При  подаче большого тока  в базу (>0,3 мА) напряжение  Uкэ уменьшается до своего минимального значения (типовое  значение  0,2  В).  Говорят  «транзистор  переходит  в  режим  насыщения».

С  другой  стороны,  если  в  базу  ток  не  подавать  (Iб ~ 0),  то  коллекторный ток прерывается и напряжение на выходе каскада будет равно напряжению питания Епит ‒ биполярный транзистор будет находится в «режиме отсечки».

Собственно эти два состояния БТ и описывают  ключевой режим его работы:  ключ (транзистор) включён или выключен, нагрузка подключена к питанию или отключена. Простейшие  ключевые схемы  на БТ показаны на рисунке 2.24.  На  представленных  принципиальных  схемах  показано,  что  управление схемами осуществляется с помощью цифровых сигналов: логического нуля  («0»)и  логической единицы  («1»). В современной практике такие сигналы формируются чаще всего микроконтроллерами.

Обращаем внимание, что оба вида БТ используется в схемах с плюсовым (положительным) питанием (+Епит) и нагрузка  в обоих случаях расположена в коллекторной  цепи  БТ.  При  этом:  логическая  единица  в  одном  из  случаев (NPN-транзистор) замыкает ключ, а в другом (PNP-транзистор) – размыкает.

Условие замыкания ключа: Iб  *  β  >Iк.нас  ≈  Епит/Rнагр. Ток базы приближённо можно рассчитать для обоих случаев так: Iб= (Епит-0,6)/R1.

Зная  напряжение  питания,  сопротивление  нагрузки  и  коэффициент  усиления тока базы β, можно рассчитать по указанным формулам R1.

Конструктивные разновидности биполярных транзисторов

Конструктивные разновидности биполярных транзисторов показаны на рисунке 2.25.

Проверка работоспособности биполярных транзисторов

Многие  мультиметры  позволяют  измерять  коэффициент  усиления  тока базы (β; h21) транзисторов  с гибкими выводами.  На рисунке  2.26    показано типовое решение этой задачи. В специальный разъём, соблюдая указанный на лицевой панели порядок, подключается транзистор.  Значение  β  высвечивается на дисплее.

Примечания 

  1. NPN- и PNP-транзисторы имеют раздельные гнёзда для подключения.
  2. Для обоих типов транзисторов предусмотрено по два гнезда для подключения эмиттера. Это связано с возможными конструктивными различиями в цоколёвках транзисторов.

Как работает транзистор npn, pnp (полевой n-канальный и p-канальный)

 Нашу сильную зависимость от электроники в современном мире не описать. Если сказать, что без электроники мы не проживем, это не сказать ничего. Она уже сродни самому неотъемлемому, самому нужному и востребованному.  То количество мест и гаджетов, где мы с ней встречаемся, мы даже перечислять не будем, на это хватит фантазии и у вас. Мы же хотели рассказать об одном обязательной составляющей каждого электронного девайса, о транзисторе.
 Именно на транзисторах строятся все аналоговые и цифровые схемы применяемые в современных устройствах. А значит, от его работы зависит то, как эти самые гаджеты будут работать и то, как впоследствии электроника будет работать на нас. Такая неоспоримая цепочка…

Какие бывают транзисторы

 Мы не будем вводить вас в далекий экскурс с чего все начиналось, что электронные лампы были дедушками и бабушками современных транзисторов. Не будем рассказывать об электронной эмиссии. О том, что процесс в этих самых лампах схож с транзисторами. Не будем описывать и различия между ними.  Мы сразу приступим к главному. Надеясь на то, что все мы пропустили хотя и останется темным пятном, но не станет обременяющим обстоятельством препятствующим пониманию того, как же все-таки работает транзистор.
 Итак, транзисторы бывают биполярные и полевые. Суть работы тех и других одинакова, разве что их кристаллы, вернее то как сращены разные типы кристаллов, различны.

В биполярных транзисторах это своеобразный гамбургер, если хотите пирог: p-n-p или n-p-n. То есть кристаллы с различной проводимостью напаяны последовательно друг за друга. Таким образуют они образуют своеобразный «бутерброд».

 В полевых транзисторах есть также n кристалл и p кристалл, но они между спаяны не последовательно, а параллельно. При этом ток не проходит через разные типы проводимости кристаллов, а идет все время по одному типу. А запирается в этом случае проводимый кристалл с помощью электрического поля управляющего затвора. Отсюда и название полевой.

 Еще транзисторы бывают низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные.  А также могут работать  с различными токами, но это все нюансы…

Как работает транзистор (картинка с анимацией - видео)

Итак, теперь непосредственно о насущном. То есть о том, ради чего мы собственно и начали эту статью.

 Самое сложное, что нам придется вам объяснить, так это то, что как раз и скрыто от глаз человека. Ведь движение тока в проводнике, в различного рода проводимости кристаллах, не посмотришь и не увидишь. Именно поэтому необходимо иметь большую фантазию и очень наглядное пособие, чтобы довести до вас принцип работы транзистора.
 Есть и еще одно «но». Человек всегда привык строить какие-то эквивалентные системы, если непосредственно изучаемая система не дает ему полного представления, а самое главное наглядного примера  о том, как же все-таки все устроено. Так и в нашем случае, взгляните на картинку…

 

Работа транзистора представлена в виде канала с управляемой средой, даже здесь два канала. В качестве каналов выступают контакты транзистора, а управляемой средой является ток. Управляя запорным клапаном на базе или затворе (маленький канал) мы тем самым открываем и большой канал, между эмиттером и коллектором или стоком и истоком. Именно этот большой канал и является нашей целью управления. Открывая маленький канал, мы открываем и большой! Вот главное правило работы транзистора. По-другому не бывает, по крайней мере, в нормальных режимах работы транзистора без пробоев. Управляющий клапан на базе, то есть  малый канал открывается первым, тем самым провоцируя и открывание большого канала.
 Не знаем, нужны ли вам другие описания почему именно так? Если кратко, то потому что есть зоны запирания, есть сопротивления этих зон и изменения сопротивления в зависимости от потенциала, подаваемого на них. Конечно это не описывает особенностей работы транзистора полностью и подробно, но об этом мы вам и не обещали рассказать. Самое главное было рассказать о принципе срабатывания и показать это на наглядной картинке, что собственно мы и выполнили. Принцип работы в этом случае действителен для всех видов транзисторов о которых, мы упоминали в нашем предыдущем абзаце. А также, для того чтобы закрепить ваше визуально- ассоциативное мышление с реальной невидимой действительностью необходимо взглянуть и на нижний правый угол картинки.
 На нем видно как в зависимости от пропуска тока, через контакты транзистора будут происходить и коммутации вокруг его выводов.

Схема подключения транзисторов npn pnp (полевых транзистор)

Теперь о том же самом, но на примере подключения транзистора в схеме. На входе имеется сигнал достаточный для свечения лампы (светодиода) даже с учетом сопротивления транзистора. Но если подать на управляющий вывод (затвор) запирающий потенциал, то сопротивление увеличиться и лампа погаснет.

* - гиф анимация описывает работу полевого транзистора, когда есть поле, которое и управляет проводимостью в элементе.

На самом деле это лишь один из примеров подключения транзистора. Вариаций его подключений великое множество. Здесь главное донести суть работы радиоэлемента, а не саму схему подключения.

Последнее о чем хотелось сказать в статье о принципах работы транзистора, так это о том, что база должна всегда оставаться чуть «зажата», то есть ограничена сопротивлением. 

  Это позволяет разграничить управляющий малый ток и большой управляемый. Если же убрать сопротивление, то ток будет течь по пути с наименьшим сопротивлением, то есть весь или преимущественно через базу... В этом случае теряется весь смысл транзистора, так как он ничем ни будет управлять, а будет просто пропускать через себя ток. При этом "большой" ток пойдет через базу и может еще и вывести его из строя, что нам совсем не нужно!

Из особенностей надо отметить несколько разные сферы применяемости транзисторов. NPN, PNP транзисторы способны открываться как бы постепенно, и быстродействие у них ниже. То есть они более подходят для аналоговых схем, а вот полевые срабатывают быстрее.  При этом свойства статичного поля может быть использовано даже без подачи какого-либо напряжения на него, если это поле создать за счет подкладки, находящейся в зоне управления тоннелем по которому протекает ток. В итоге получается уже не транзистор, а ячейка памяти. Такие ячейки активно используются в современных SSD дисках.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Добавлено 1 сентября 2017 в 07:00

Сохранить или поделиться

Поскольку коллекторный ток транзистора пропорционально ограничен его током базы, то транзистор можно использовать как своего рода ключ с токовым управлением. Относительно небольшой поток электронов, передаваемых через базу транзистора, обладает способностью управлять намного большим потоком электронов через коллектор.

Предположим, у нас есть лампа, которую мы хотели включать и выключать с помощью ключа. Такая схема была бы предельно простой, как на рисунке ниже (a).

Для иллюстрации, давайте вставим вместо ключа транзистор, чтобы показать, как он может управлять потоком электронов через лампу. Помните, что управляемый ток через транзистор должен проходить между коллектором и эмиттером. Поскольку мы хотим контролировать ток через лампу, то мы должны подключить коллектор и эмиттер нашего транзистора на место двух контактов ключа. Мы также должны убедиться, что поток электронов через лампу будет двигаться против направления стрелки эмиттера на условном обозначении (направление электрического тока должно совпадать с направлением стрелки), чтобы убедиться, что смещение перехода транзистора будет правильным, как показано на рисунке ниже (b).

(a) механический ключ, (b) ключ на NPN транзисторе, (c) ключ на PNP транзисторе.

Для этой работы может использоваться и PNP транзистор. Схема с ним показана на рисунке выше (c).

Выбор между NPN и PNP может быть произвольным. Всё, что имеет значение, заключается в правильных направлениях токов для правильного смещения перехода (поток электронов двигается против стрелки на обозначении транзистора).

Возвращаясь к NPN транзистору на схеме нашего примера, мы сталкиваемся с необходимостью добавить что-то еще для появления тока базы. Без подключения к выводу базы транзистора ток базы будет равен нулю, и транзистор не сможет включиться, в результате чего лампа всегда будет выключена. Помните, что для NPN транзистора ток базы должен состоять из электронов, протекающих от эмиттера к базе (против обозначения стрелки эмиттера, точно так же, как и поток электронов через лампу). Возможно, проще всего было бы подключить коммутатор между выводом базы транзистора и аккумулятором, как показано на рисунке ниже (a).

Транзистор: (a) закрыт, лампа выключена; (b) открыт, лампа включена (стрелками показано направление движения потока электронов)

Если ключ разомкнут, как показано на рисунке выше (a), вывод базы транзистора остается "висеть в воздухе" (не подключенным к чему-либо), и ток через этот вывод протекать не будет. В этом состоянии говорят, что транзистор закрыт. Если ключ замкнут, как показано на рисунке выше (b), электроны смогут перемещаться от эмиттера, через базу транзистора, через ключ, назад к положительному выводу батареи. Этот ток базы позволит протекать намного большему потоку электронов от эмиттера через коллектор, что приведет к тому, что лампа загорится. В этом состоянии максимального тока говорят, что транзистор открыт/насыщен.

Конечно, может показаться бессмысленным использование транзистора для этого способа управления лампой. В конце концов, мы всё еще используем в схеме ключ, не так ли? Если мы всё еще используем ключ для управления лампой – хотя и косвенно – тогда в чем смысл ставить транзистор для управления током? Почему бы просто не вернуться к нашей первоначальной схеме и использовать ключ напрямую для управления током лампы?

На самом деле здесь можно обратить внимание на два момента. Во-первых, тот факт, что при таком способе через контакты ключа должен проходить лишь небольшой ток базы, необходимый для открытия транзистора; транзистор сам обрабатывает большой ток лампы. Это может быть важным преимуществом, если переключатель может пропускать небольшой ток: небольшой переключатель может использоваться для управления относительно мощной нагрузкой. Что еще более важно, управляемое током поведение транзистора позволяет нам использовать что-то совершенно другое для включения и выключения лампы. Рассмотрим рисунок ниже, где пара солнечных элементов обеспечивает 1В для преодоления 0,7В напряжения база-эмиттер, что позволит протекать току через базу, который, в свою очередь, управляет лампой.

Солнечный элемент служит в качестве датчика освещенности (стрелками показано направления движения потоков электронов, электрические токи направлены в противоположную сторону)

Или мы можем использовать термопару (несколько соединенных последовательно термопар), чтобы обеспечить протекание тока базы, необходимого для открывания транзистора, как показано на рисунке ниже.

Одна термопара обеспечивает напряжение менее 40 мВ. Несколько соединенных последовательно термопар могут обеспечить напряжение, превышающее 0,7 В напряжения VБЭ транзистора, что вызовет появление тока базы и, следовательно, тока коллектора через лампу (стрелками показано направления движения потоков электронов, электрические токи направлены в противоположную сторону)

Даже микрофон (рисунок ниже) с достаточным напряжением и током (от усилителя) может открыть транзистор, если сигнал на его выходе выпрямляется из переменного напряжения в постоянное так, чтобы на PN-переход эмиттер-база транзистора подавалось прямое смещение.

Усиленный сигнал микрофона выпрямляется в постоянное напряжение для смещения базы транзистора, обеспечивающего больший ток коллектора (стрелками показано направления движения потоков электронов, электрические токи направлены в противоположную сторону)

К настоящему времени должен быть очевиден следующий момент: любой достаточный источник постоянного тока может использоваться для открывания транзистора, и от этого источника требуется лишь малая часть тока, необходимого для включения лампы. Здесь мы видим, что транзистор работает не только как коммутатор, но и как настоящий усилитель: использует относительно слабый сигнал для управления относительно большой величиной мощности. Обратите внимание, что фактическое питание для зажигания лампы исходит от батареи справа на схеме. Это не малый ток сигнала от солнечного элемента, термопары или микрофона магически трансформируется в большее количество энергии. Скорее эти маломощные источники просто контролируют мощность батареи для зажигания лампы.

Подведем итоги:

  • Транзисторы могут использоваться в качестве коммутирующих элементов для управления постоянным напряжением, поступающим на нагрузку. Переключаемый (управляемый) ток проходит между эмиттером и коллектором; управляющий ток проходит между эмиттером и базой.
  • Когда через транзистор не протекает ток, говорят, что транзистор находится в закрытом состоянии (полностью не проводит ток).
  • Когда через транзистор протекает максимальный ток, говорят, что транзистор находится в открытом состоянии, состоянии насыщения (полностью проводит ток).

Оригинал статьи:

Теги

Биполярный транзисторКоммутаторКоммутацияОбучениеТранзисторный ключЭлектроника

Сохранить или поделиться

Различия между транзисторами NPN и PNP и их создание

Как p-n-p, так и n-p-n транзисторы являются основными транзисторами, которые подпадают под категорию транзисторов с биполярным переходом. Они используются в различных схемах усиления и схемах модуляции. Наиболее частым из его применений является режим полного включения и выключения, который называется переключателем.

Транзисторы NPN и PNP - это транзисторы с биполярным переходом, и это основной электрический и электронный компонент, который используется для создания многих электрических и электронных проектов.В работе этих транзисторов участвуют как электроны, так и дырки. Транзисторы PNP и NPN допускают усиление тока. Эти транзисторы используются как переключатели, усилители или генераторы. Транзисторы с биполярным переходом можно найти в большом количестве в виде частей интегральных схем или в виде дискретных компонентов. В транзисторах PNP основными носителями заряда являются дырки, тогда как в транзисторах NPN электроны являются основными носителями заряда. Но полевые транзисторы имеют только один тип носителя заряда.

В основе формирования этих транзисторов лежат диоды с p-n переходом. Как и в транзисторах n-p-n, n-типы находятся в большинстве, поэтому они включают избыточное количество электронов в качестве носителей заряда. В p-n-p транзисторах есть два p-типа, в результате чего большинство носителей заряда представляют собой дырки.

Основное различие между транзисторами NPN и PNP заключается в том, что транзистор NPN включается, когда ток течет через базу транзистора. В этом типе транзистора ток течет от коллектора (C) к эмиттеру (E).Транзистор PNP включается, когда на базе транзистора нет тока. В этом транзисторе ток течет от эмиттера (E) к коллектору (C). Таким образом, зная это, транзистор PNP включается низким сигналом (земля), а транзистор NPN включается высоким сигналом (током). .

Различия между транзисторами NPN и PNP и их изготовление

Транзистор PNP

Транзистор PNP - это биполярный переходной транзистор; В транзисторе PNP первая буква P указывает полярность напряжения, необходимого для эмиттера; вторая буква N указывает полярность цоколя.Работа транзистора PNP прямо противоположна работе транзистора NPN. В транзисторах этого типа основными носителями заряда являются дырки. По сути, этот транзистор работает так же, как транзистор NPN. Материалы, которые используются для изготовления выводов эмиттера, базы и коллектора в транзисторе PNP, отличаются от материалов, используемых в транзисторе NPN. Схема смещения транзистора PNP показана на рисунке ниже. Клеммы база-коллектор транзистора PNP всегда имеют обратное смещение, поэтому для коллектора необходимо использовать отрицательное напряжение.Следовательно, вывод базы транзистора PNP должен быть отрицательным по отношению к выводу эмиттера, а коллектор должен быть отрицательным, чем база.

Изготовление транзистора PNP

Конфигурация транзистора PNP показана ниже. Характеристики транзисторов PNP и NPN аналогичны, за исключением того, что смещение направления напряжения и тока меняются местами для любой из трех возможных конфигураций, таких как общая база (CB), общий эмиттер (CE) и общий коллектор (CC). .Напряжение между базой и выводом эмиттера VBE отрицательное на выводе базы и положительное на выводе эмиттера, потому что для транзистора PNP вывод базы всегда смещен отрицательно по отношению к эмиттеру. Кроме того, напряжение эмиттера положительно по отношению к коллектору (VCE).

Источники напряжения подключены к транзистору PNP, который показан на рисунке. Эмиттер подключен к Vcc с помощью RL, этот резистор ограничивает максимальный ток, протекающий через устройство, которое подключено к клемме коллектора.Базовое напряжение VB подключено к базовому резистору RB, который смещен отрицательно по отношению к эмиттеру. Чтобы ток базы протекал через PNP-транзистор, клемма базы должна быть более отрицательной, чем клемма эмиттера, примерно на 2,8%. 0,7 вольта или Si-устройство.

Основное различие между PNP и PN-транзисторами заключается в правильном смещении переходов транзистора; направления тока и полярности напряжения всегда противоположны друг другу.

Основы P-N-P

Транзисторы p-n-p сформированы с n-типом, присутствующим между p-типами.Большинство носителей, отвечающих за генерацию тока, в этом транзисторе являются дырками. Рабочая операция аналогична работе n-p-n. Но приложения напряжений или токов с точки зрения полярности различаются.

Транзистор NPN

Транзистор NPN представляет собой транзистор с биполярным переходом. В транзисторе NPN первая буква N указывает на отрицательно заряженный слой материала, а P указывает на положительно заряженный слой. Эти транзисторы имеют положительный слой, который расположен между двумя отрицательными слоями.Транзисторы NPN обычно используются в схемах для переключения, усиления электрических сигналов, которые проходят через них. Эти транзисторы содержат три вывода, а именно базу, коллектор и эмиттер, и эти выводы соединяют транзистор с печатной платой. Когда ток протекает через NPN-транзистор, клемма базы транзистора принимает электрический сигнал, коллектор вырабатывает более сильный электрический ток, чем тот, который проходит через базу, а эмиттер передает этот более сильный ток на остальную часть схемы.В этом транзисторе ток течет через вывод коллектора к эмиттеру.

Обычно этот транзистор используется, потому что его очень легко изготовить. Для правильной работы NPN-транзистора он должен быть сформирован из полупроводникового материала, который пропускает электрический ток, но не в максимальном количестве, как у очень проводящих материалов, таких как металл. «Si» - один из наиболее часто используемых полупроводников, а транзисторы NPN - самые простые транзисторы, которые можно сделать из кремния. Применение транзистора NPN находится на печатной плате компьютера.Компьютерам необходимо преобразовать всю свою информацию в двоичный код, и этот процесс достигается с помощью множества маленьких переключателей на печатных платах компьютеров. В этих переключателях можно использовать транзисторы NPN. Мощный электрический сигнал включает переключатель, а его отсутствие выключает.

Изготовление NPN-транзистора

Конструкция NPN-транзистора показана ниже. Напряжение на выводе базы положительное, а на выводе эмиттера отрицательное из-за транзистора NPN.Вывод базы всегда положительный по отношению к выводу эмиттера, а также напряжение питания коллектора положительно относительно вывода эмиттера. В NPN-транзисторе коллектор подключен к VCC через нагрузочный резистор RL. Этот нагрузочный резистор ограничивает ток, протекающий через максимальный ток базы. В этом транзисторе движение электронов через вывод базы составляет действие транзистора. Основная особенность действия транзистора - связь между входной и выходной цепями.Потому что усилительные свойства транзистора проистекают из последующего управления, которое база применяет к коллектору для эмиттерного тока.

Транзистор - это устройство, работающее от тока. Когда транзистор включен, большой ток IC протекает между коллектором и эмиттером внутри транзистора. Однако это происходит только тогда, когда через базовый вывод транзистора протекает небольшой ток смещения Ib. Это биполярный транзистор NPN; ток - это отношение этих двух токов (Ic / Ib), которое называется коэффициентом усиления постоянного тока устройства и обозначается символом «hfe» или в настоящее время beta.Значение бета может быть большим, до 200 для стандартных транзисторов, и именно это соотношение между Ic и Ib делает транзистор полезным усилителем. Когда этот транзистор используется в активной области, то Ib обеспечивает вход, а Ic обеспечивает выход. Бета не имеет единиц, так как это соотношение.

Коэффициент усиления транзистора по току от коллектора до эмиттера называется альфа, то есть Ic / Ie, и он является функцией самого транзистора. Поскольку ток эмиттера Ie является суммой малого тока базы и большого тока коллектора, значение альфа очень близко к единице, а для типичного сигнального транзистора малой мощности это значение находится в диапазоне примерно от 0.950 до 0,999.

Разница между NPN и PNP транзисторами:

Транзисторы с биполярным переходом представляют собой трехконтактные устройства, изготовленные из легированных материалов, часто используемых в приложениях для усиления и переключения. По сути, в каждом BJT есть пара диодов с PN переходом. Когда пара диодов соединяется, образуется сэндвич, который помещает полупроводник между двумя одинаковыми типами. Следовательно, существует только два типа биполярных сэндвичей, а именно PNP и NPN.В полупроводниках NPN имеют характерно более высокую подвижность электронов по сравнению с подвижностью дырок. Следовательно, он пропускает большой ток и работает очень быстро. Кроме того, этот транзистор легко сделать из кремния.

  • Транзисторы PNP и NPN состоят из разных материалов, и ток в этих транзисторах также отличается.
  • В транзисторе NPN ток течет от коллектора (C) к эмиттеру (E), тогда как в транзисторе PNP ток течет от эмиттера к коллектору.
  • Транзисторы PNP состоят из двух слоев материала P с прослоенным слоем из N. Транзисторы NPN состоят из двух слоев материала N и зажаты одним слоем материала P.
  • В транзисторе NPN положительное напряжение подается на вывод коллектора для создания потока тока от коллектора к транзистору PNP положительное напряжение подается на вывод эмиттера для создания потока тока от эмиттера к коллектору.
  • Принцип работы NPN-транзистора таков, что когда вы увеличиваете ток на клемме базы, транзистор включается и полностью проводит от коллектора к эмиттеру.Когда вы уменьшаете ток на клемме базы, транзистор включается реже, и, пока ток не станет настолько низким, транзистор больше не будет проводить через коллектор к эмиттеру и выключится.
  • Принцип работы PNP-транзистора таков, что при наличии тока на базовом выводе транзистора транзистор закрывается. Когда на клемме базы транзистора PNP нет тока, транзистор включается.

Это все о разнице между транзисторами NPN и PNP, которые используются для создания многих электрических и электронных проектов.Кроме того, любые вопросы, касающиеся этой темы или проектов в области электротехники и электроники, вы можете оставить, оставив комментарий в разделе комментариев ниже.

Сравнение транзисторов N-P-N и P-N-P

1). В этом присутствует большинство n-типов.
1). В нем присутствует большинство материалов p-типа.

2). Большинство концентраций носителей - электроны.
2). Большинство концентраций носителей в транзисторах этого типа - дырочные.

3). В этом случае, если на клеммную базу подается повышенный ток, то транзистор переключается в режим ВКЛ.
3). В этом случае при малых значениях токов транзистор включен. В противном случае при больших значениях токов транзисторы выключены.

4). Символьное представление транзистора n-p-n:

Символ транзистора N-P-N

4). Символьное представление транзистора p-n-p:

Символ транзистора P-N-P

5).В транзисторе n-p-n протекание тока очевидно от коллектора к выводам эмиттера.
5). В p-n-p-транзисторе можно увидеть протекание тока от выводов эмиттера к коллектору.

6). В этом транзисторе стрелка указывает.
6). В этом транзисторе стрелка всегда указывает внутрь.

Стрелки на транзисторах n-p-n и p-n-p показывают основные различия между транзисторами. Стрелка в n-p-n направлена ​​в сторону излучателя, а для p-n-p стрелка в обратном направлении.В обоих случаях стрелка указывает направление потока тока.

Следовательно, конструкция n-p-n и p-n-p проста. Работа будет такой же, но полярности смещения различаются. Теперь, после обсуждения основ n-p-n и p-n-p, можете ли вы сказать, какой из них предпочтительнее во время амплификации и почему?

Фото:

  • Транзистор NPN и PNP от ggpht
  • Транзистор PNP от wikimedia
  • Изготовление транзистора PNP с помощью электронных руководств
    PNP
    НПН

    Условные обозначения для BJT типа
    PNP и NPN
    .

    Биполярный (переходный) транзистор ( BJT ) представляет собой трехконтактное электронное устройство, изготовленное из легированного полупроводникового материала, и может использоваться в приложениях для усиления или переключения. Биполярные транзисторы названы так потому, что в их работе участвуют как электроны, так и дырки. Поток заряда в BJT обусловлен двунаправленной диффузией носителей заряда через соединение между двумя областями с разной концентрацией заряда. Этот режим работы контрастирует с униполярными транзисторами , такими как полевые транзисторы, в которых только один тип носителя участвует в потоке заряда из-за дрейфа.По конструкции большая часть коллекторного тока БЮТ обусловлена ​​потоком зарядов, вводимых от эмиттера с высокой концентрацией в базу, где они являются неосновными носителями, которые диффундируют к коллектору, и поэтому БЮТ классифицируются как устройства с неосновными носителями.

    Введение

    NPN BJT с прямым смещением E – B переходом и обратным смещением B – C переходом

    NPN-транзистор можно рассматривать как два диода с общим анодом. При обычной работе переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор - в обратном.В NPN-транзисторе, например, когда к переходу база-эмиттер прикладывается положительное напряжение, равновесие между термически генерируемыми носителями и отталкивающим электрическим полем обедненной области становится несбалансированным, позволяя термически возбужденным электронам инжектироваться в базовую область. Эти электроны блуждают (или «диффундируют») через базу из области высокой концентрации около эмиттера к области низкой концентрации около коллектора. Электроны в базе называются неосновными носителями , потому что база легирована p-типом, что делает дырки основными носителями в базе.

    Чтобы минимизировать процент носителей, которые рекомбинируют перед тем, как достичь перехода коллектор – база, базовая область транзистора должна быть достаточно тонкой, чтобы носители могли диффундировать по ней за гораздо меньшее время, чем время жизни неосновных носителей полупроводника. В частности, толщина основания должна быть намного меньше диффузионной длины электронов. Переход коллектор-база имеет обратное смещение, и поэтому инжекция электронов от коллектора к базе происходит незначительно, но электроны, которые диффундируют через базу к коллектору, уносятся в коллектор электрическим полем в обедненной области коллектора - базовый переход.Тонкая общая база и асимметричное легирование коллектор-эмиттер - это то, что отличает биполярный транзистор от двух отдельных диодов с противоположным смещением, соединенных последовательно.

    Контроль напряжения, тока и заряда

    Ток коллектор-эмиттер можно рассматривать как управляемый током база-эмиттер (контроль тока) или напряжением база-эмиттер (контроль напряжения). Эти представления связаны между собой соотношением тока и напряжения в переходе база – эмиттер, которое представляет собой обычную экспоненциальную кривую вольт-амперной характеристики p-n перехода (диода). [1]

    Физическое объяснение тока коллектора - это количество заряда неосновных носителей заряда в основной области. [1] [2] [3] Подробные модели действия транзистора, такие как модель Гаммеля – Пуна, явно объясняют распределение этого заряда, чтобы более точно объяснить поведение транзистора. [4] Вид управления зарядом легко обрабатывает фототранзисторы, где неосновные носители в базовой области создаются за счет поглощения фотонов, и управляет динамикой выключения или времени восстановления, которое зависит от заряда в базовой области. рекомбинирование.Однако, поскольку базовый заряд не является сигналом, видимым на выводах, при проектировании и анализе схем обычно используются режимы управления током и напряжением.

    При проектировании аналоговых схем иногда используется представление управления током, поскольку оно приблизительно линейно. То есть ток коллектора примерно в F раз больше тока базы. Некоторые базовые схемы могут быть спроектированы, исходя из предположения, что напряжение эмиттер-база приблизительно постоянное, а ток коллектора в бета умножен на ток базы.Однако для точного и надежного проектирования производственных цепей BJT требуется модель регулирования напряжения (например, Ebers – Moll). [1] Модель управления напряжением требует учета экспоненциальной функции, но когда она линеаризуется так, что транзистор может быть смоделирован как крутизна, как в модели Эберса – Молла, проектирование для таких схем, как дифференциальная Усилители снова становятся в основном линейной проблемой, поэтому часто предпочтение отдается управлению напряжением. Для транслинейных схем, в которых экспоненциальная ВАХ является ключевым моментом в работе, транзисторы обычно моделируются как управляемые по напряжению с крутизной, пропорциональной току коллектора.Как правило, проектирование схемы на уровне транзистора выполняется с использованием SPICE или аналогичного имитатора аналоговой схемы, поэтому сложность модели обычно не имеет большого значения для разработчика.

    Задержка включения, выключения и сохранения

    Биполярный транзистор демонстрирует некоторые характеристики задержки при включении и выключении. Большинство транзисторов, и особенно силовые транзисторы, демонстрируют длительное базовое время хранения, что ограничивает максимальную частоту работы в коммутационных приложениях. Одним из способов сокращения времени хранения является использование зажима Бейкера.

    Транзистор "альфа" и "бета"

    Доля электронов, способных пересечь базу и достигнуть коллектора, является мерой эффективности BJT. Сильное легирование эмиттерной области и легкое легирование базовой области вызывает инжекцию гораздо большего количества электронов из эмиттера в базу, чем дырок, инжектируемых из базы в эмиттер. Коэффициент усиления с общим эмиттером представлен как β F или h FE ; это приблизительно отношение постоянного тока коллектора к постоянному току базы в прямой активной области.Обычно оно больше 100 для малосигнальных транзисторов, но может быть меньше для транзисторов, предназначенных для мощных приложений. Другой важный параметр - коэффициент усиления по току общей базы , α F . Коэффициент усиления по току с общей базой приблизительно равен коэффициенту усиления по току от эмиттера к коллектору в прямой активной области. Это отношение обычно имеет значение, близкое к единице; между 0,98 и 0,998. Альфа и бета более точно связаны следующими идентичностями (транзистор NPN):

    Конструкция

    Упрощенное сечение планарного NPN транзистора с биполярным переходом

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

    База физически расположена между эмиттером и коллектором и изготовлена ​​из легированного материала с высоким сопротивлением.Коллектор окружает эмиттерную область, что делает практически невозможным для электронов, инжектированных в базовую область, ускользнуть от сбора, что делает результирующее значение α очень близким к единице и, таким образом, дает транзистору большое β. Поперечное сечение BJT показывает, что переход коллектор-база имеет гораздо большую площадь, чем переход эмиттер-база.

    Биполярный переходной транзистор, в отличие от других транзисторов, обычно не является симметричным устройством. Это означает, что перестановка коллектора и эмиттера заставляет транзистор выйти из прямого активного режима и начать работать в обратном режиме.Поскольку внутренняя структура транзистора обычно оптимизирована для работы в прямом режиме, перестановка коллектора и эмиттера делает значения α и β в обратном режиме намного меньше, чем в прямом режиме; часто α обратной моды ниже 0,5. Отсутствие симметрии в первую очередь связано с коэффициентами легирования эмиттера и коллектора. Эмиттер сильно легирован, а коллектор слегка легирован, что позволяет приложить большое обратное напряжение смещения до того, как разомкнется переход коллектор-база.Коллектор-база при нормальной работе имеет обратное смещение. Причина, по которой эмиттер сильно легирован, состоит в том, чтобы увеличить эффективность инжекции эмиттера: соотношение носителей, инжектированных эмиттером, и носителей, инжектированных базой. Для высокого коэффициента усиления по току большая часть носителей, вводимых в переход эмиттер-база, должна исходить от эмиттера.

    Матрица высокочастотного NPN-транзистора KSY34, база и эмиттер соединены связанными проводами

    Низкопроизводительные «боковые» биполярные транзисторы, иногда используемые в процессах CMOS, иногда проектируются симметрично, то есть без разницы между прямым и обратным режимом работы.

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

    Ранние транзисторы были сделаны из германия, но большинство современных BJT сделаны из кремния.Значительное меньшинство теперь также производится из арсенида галлия, особенно для приложений с очень высокой скоростью (см. HBT ниже).

    Символ NPN BJT. Обозначение: « n ot p ointing i n ».

    НПН

    NPN - это один из двух типов биполярных транзисторов, состоящий из слоя полупроводника, легированного P («база»), между двумя слоями, легированными N. Небольшой ток, поступающий в базу, усиливается, чтобы получить большой ток коллектора и эмиттера.То есть, NPN-транзистор находится в состоянии «включено», когда его база подтягивается на высокий уровень относительно эмиттера.

    Большая часть тока NPN переносится электронами, движущимися от эмиттера к коллектору в качестве неосновных носителей в базовой области P-типа. Большинство используемых сегодня биполярных транзисторов являются NPN, потому что подвижность электронов выше подвижности дырок в полупроводниках, что обеспечивает большие токи и более быструю работу.

    Мнемоническое устройство для запоминания символа для NPN-транзистора - это , не указывающее на , на основании стрелок в символе и букв в имени.То есть, NPN-транзистор - это BJT-транзистор, который «не указывает внутрь». [5]

    Символ PNP BJT. Обозначение « p oints i n p roudly».

    PNP

    Другой тип BJT - это PNP, состоящий из слоя полупроводника, легированного N, между двумя слоями материала, легированного P. Небольшой ток, выходящий из базы, усиливается на выходе коллектора. То есть PNP-транзистор находится в состоянии «включено», когда его база подтягивается на низкий уровень относительно эмиттера.

    Стрелки в символах транзисторов NPN и PNP находятся на плечах эмиттера и указывают направление обычного тока, когда устройство находится в прямом активном режиме.

    Мнемоническое устройство для запоминания символа для транзистора PNP - это , указывающий (гордо) на , исходя из стрелок в символе и букв в имени. То есть транзистор PNP - это транзистор BJT, который «указывает внутрь». [6]

    Транзистор биполярный гетеропереход

    Полосы в биполярном транзисторе NPN с градиентным гетеропереходом.Барьеры, указывающие, что электроны перемещаются от эмиттера к базе, а дырки инжектируются назад от базы к эмиттеру; Кроме того, изменение ширины запрещенной зоны в основании способствует переносу электронов в базовую область; Светлые цвета указывают на истощенные регионы

    Биполярный транзистор с гетеропереходом (HBT) является усовершенствованием BJT, который может обрабатывать сигналы очень высоких частот до нескольких сотен ГГц. Это распространено в современных сверхбыстрых цепях, в основном в радиочастотных системах. [7] [8] Транзисторы с гетеропереходом имеют разные полупроводники для элементов транзистора.Обычно эмиттер состоит из материала с большей шириной запрещенной зоны, чем база. На рисунке показано, что эта разница в ширине запрещенной зоны позволяет сделать большой барьер для дырок, вводимый в основание, обозначенный на рисунке как Δφ p , в то время как барьер для инжекции электронов в базу Δφ n выполнен низкий. Это барьерное устройство помогает уменьшить инжекцию неосновных носителей заряда из базы, когда переход эмиттер-база находится под прямым смещением, и, таким образом, снижает базовый ток и увеличивает эффективность инжекции эмиттера.

    Улучшенное введение носителей в основание позволяет основанию иметь более высокий уровень легирования, что приводит к более низкому сопротивлению доступу к основному электроду. В более традиционном BJT, также называемом BJT с гомопереходом, эффективность инжекции носителей из эмиттера в базу в первую очередь определяется соотношением легирования между эмиттером и базой, что означает, что база должна быть слегка легирована для получения высокой эффективности инжекции. , что делает его сопротивление относительно высоким. Кроме того, более высокое легирование в основе может улучшить показатели качества, такие как раннее напряжение, за счет уменьшения сужения базы.

    Сортировка состава в базе, например, путем постепенного увеличения количества германия в SiGe-транзисторе, вызывает градиент ширины запрещенной зоны в нейтральной базе, обозначенный на рисунке Δφ G , обеспечивая «встроенный «поле, которое способствует переносу электронов через базу. Этот дрейфовый компонент транспорта помогает нормальному диффузионному переносу, увеличивая частотную характеристику транзистора за счет сокращения времени прохождения через базу.

    Два обычно используемых HBT - это кремний-германий и арсенид алюминия-галлия, хотя для структуры HBT может использоваться широкий спектр полупроводников.Структуры HBT обычно выращиваются методами эпитаксии, такими как MOCVD и MBE.

    Регионы присутствия

    Прикладываемое напряжение B-E Соединение
    Смещение (NPN)
    Соединение B-C
    Смещение (NPN)
    Режим (NPN)
    E Нападающий Реверс Форвард активен
    E C Нападающий Нападающий Насыщенность
    E> B Реверс Реверс Отрезка
    E> B> C Реверс Нападающий Реверсивно-активный
    Прикладываемое напряжение Соединение B-E
    Смещение (PNP)
    Соединение B-C
    Смещение (PNP)
    Режим (PNP)
    E Реверс Нападающий Реверсивно-активный
    E C Реверс Реверс Отрезка
    E> B Нападающий Нападающий Насыщенность
    E> B> C Нападающий Реверс Форвард активен

    Биполярные транзисторы имеют пять различных областей работы, определяемых смещениями BJT-перехода.

    Режимы работы могут быть описаны в терминах приложенных напряжений (это описание относится к транзисторам NPN; полярности обратны для транзисторов PNP):

    • Активный в прямом направлении: база выше эмиттера, коллектор выше базы (в этом режиме ток коллектора пропорционален току базы β F ).
    • Насыщенность: база выше эмиттера, но коллектор не выше базы.
    • Cut-Off: база ниже эмиттера, но коллектор выше базы.Это означает, что транзистор не пропускает обычный ток через коллектор к эмиттеру.
    • Обратно-активный: база ниже эмиттера, коллектор ниже базы: обратный условный ток проходит через транзистор.

    Что касается смещения перехода: («переход база-коллектор с обратным смещением» означает Vbc <0 для NPN, напротив - для PNP)

    • Активный в прямом направлении (или просто активный ): переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении.Большинство биполярных транзисторов спроектированы так, чтобы обеспечить максимальное усиление по току с общим эмиттером β F в прямом активном режиме. В этом случае ток коллектор-эмиттер приблизительно пропорционален току базы, но во много раз больше при небольших изменениях тока базы.
    • Обратно-активный (или инверсно-активный или инвертированный ): реверсируя условия смещения прямой активной области, биполярный транзистор переходит в обратно-активный режим.В этом режиме области эмиттера и коллектора меняются ролями. Поскольку большинство биполярных транзисторов предназначены для максимального увеличения коэффициента усиления по току в прямом активном режиме, β F в инвертированном режиме в несколько (2–3 для обычного германиевого транзистора) раз меньше. Этот транзисторный режим используется редко, обычно рассматривается только для условий отказоустойчивости и некоторых типов биполярной логики. Напряжение пробоя обратного смещения к базе может быть на порядок ниже в этой области.
    • Насыщение : с обоими переходами, смещенными в прямом направлении, BJT находится в режиме насыщения и способствует передаче сильного тока от эмиттера к коллектору (или в другом направлении в случае NPN с отрицательно заряженными носителями, протекающими от эмиттера к коллектору) .Этот режим соответствует логическому «включению» или замкнутому переключателю.
    • Отсечка : В отсечке присутствуют условия смещения, противоположные насыщению (оба перехода смещены в обратном направлении). Ток очень мал, что соответствует логическому «выключению» или разомкнутому переключателю.
    • Зона схода лавины

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

    Активные NPN-транзисторы в схемах

    Устройство и применение NPN-транзистора. Стрелка по схеме.

    На противоположной диаграмме схематически изображен NPN-транзистор, подключенный к двум источникам напряжения. Чтобы транзистор проводил заметный ток (порядка 1 мА) от C до E, значение В BE должно быть выше минимального значения, которое иногда называют напряжением включения . Напряжение включения обычно составляет около 600 мВ для кремниевых биполярных транзисторов при комнатной температуре, но может быть различным в зависимости от типа транзистора и его смещения. Это приложенное напряжение заставляет нижний P-N переход «включаться», позволяя потоку электронов от эмиттера к базе.В активном режиме электрическое поле, существующее между базой и коллектором (вызванное V CE ), заставит большинство этих электронов пересечь верхний P-N переход в коллектор, чтобы сформировать ток коллектора I C . Остальные электроны рекомбинируют с дырками, основными носителями в базе, создавая ток через соединение с базой, чтобы сформировать ток базы, I B . Как показано на диаграмме, ток эмиттера I E представляет собой полный ток транзистора, который является суммой токов на других клеммах (т.е.е., I E = I B + I C ).

    На схеме стрелки, представляющие ток, указывают на направление обычного тока - поток электронов идет в направлении, противоположном стрелкам, потому что электроны несут отрицательный электрический заряд. В активном режиме отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления постоянного тока . Это усиление обычно составляет 100 или более, но надежные схемы не зависят от точного значения (например, см. Операционный усилитель).Значение этого усиления для сигналов постоянного тока обозначается как h FE , а значение этого усиления для сигналов переменного тока обозначается как h fe . Однако, когда нет конкретного интересующего диапазона частот, используется символ β [ требуется ссылка ] .

    Следует также отметить, что ток эмиттера связан с V BE экспоненциально. При комнатной температуре увеличение В BE примерно на 60 мВ увеличивает ток эмиттера в 10 раз.Поскольку ток базы приблизительно пропорционален токам коллектора и эмиттера, они меняются одинаково.

    Активные PNP-транзисторы в схемах

    Устройство и использование PNP-транзистора.

    На противоположной схеме схематически изображен PNP-транзистор, подключенный к двум источникам напряжения. Чтобы транзистор проводил значительный ток (порядка 1 мА) от E до C, В EB должно быть выше минимального значения, которое иногда называют напряжением включения .Напряжение включения обычно составляет около 600 мВ для кремниевых биполярных транзисторов при комнатной температуре, но может быть различным в зависимости от типа транзистора и его смещения. Это приложенное напряжение заставляет верхний P-N переход «включаться», позволяя перетекать дырки из эмиттера в основание. В активном режиме электрическое поле, существующее между эмиттером и коллектором (вызванное V CE ), заставляет большинство этих отверстий пересекать нижний PN переход в коллектор, чтобы сформировать ток коллектора I C .Остальные дырки рекомбинируют с электронами, основными носителями в базе, создавая ток через соединение с базой, чтобы сформировать ток базы, I B . Как показано на диаграмме, ток эмиттера, I E , представляет собой полный ток транзистора, который является суммой токов других клемм (т.е. I E = I B + Я С ).

    На схеме стрелки, представляющие ток, указывают на направление обычного тока - поток отверстий совпадает с направлением стрелок, поскольку отверстия несут положительный электрический заряд.В активном режиме отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления постоянного тока . Это усиление обычно составляет 100 или более, но надежные схемы не зависят от точного значения. Значение этого усиления для сигналов постоянного тока обозначается как h FE , а значение этого усиления для сигналов переменного тока обозначается как h fe . Однако, когда нет конкретного интересующего диапазона частот, используется символ β [ требуется ссылка ] .

    Следует также отметить, что ток эмиттера связан с V EB экспоненциально. При комнатной температуре увеличение В EB примерно на 60 мВ увеличивает ток эмиттера в 10 раз. Поскольку ток базы приблизительно пропорционален токам коллектора и эмиттера, они меняются одинаково.

    История

    Биполярный точечный транзистор был изобретен в декабре 1947 года в Bell Telephone Laboratories Джоном Бардином и Уолтером Браттейном под руководством Уильяма Шокли.Версия с переходным соединением, известная как биполярный переходный транзистор, изобретенная Шокли в 1948 году, три десятилетия использовалась как предпочтительное устройство при проектировании дискретных и интегральных схем. В настоящее время использование BJT снизилось в пользу технологии CMOS при разработке цифровых интегральных схем. Однако случайные низкоэффективные BJT, присущие КМОП-микросхемам, часто используются в качестве эталона напряжения запрещенной зоны, кремниевого датчика температуры запрещенной зоны и для обработки электростатического разряда.

    Германиевые транзисторы

    Германиевый транзистор был более распространен в 1950-х и 1960-х годах, и хотя он показывает более низкое «отсечное» напряжение, обычно около 0.2 В, что делает его более подходящим для некоторых приложений, а также имеет большую тенденцию к тепловому разгоне.

    Ранние технологии изготовления

    Разработаны различные методы изготовления транзисторов с биполярным переходом. [9]

    • Транзистор с точечным контактом - первый тип, демонстрирующий действие транзистора, ограниченное коммерческое использование из-за высокой стоимости и шума.
    • Grown junction transistor - первый тип биполярного переходного транзистора. [10] Изобретено Уильямом Шокли в Bell Labs.Изобретен 23 июня 1948 г. [11] Патент подан 26 июня 1948 г.
    • Переходный транзистор из сплава - бусины из сплава эмиттера и коллектора, сплавленные с базой. Разработан в General Electric и RCA [12] в 1951 году.
      • Микролегированный транзистор - быстродействующий переходный транзистор из сплава. Разработано в Philco. [13]
      • Микролегированный диффузионный транзистор - быстродействующий легкосплавный транзистор. Разработано в Philco.
      • Пост-сплавный диффузионный транзистор - быстродействующий сплавный транзистор.Разработано в Philips.
    • Тетрод транзистор - быстродействующий вариант транзистора с увеличенным соединением [14] или сплавного транзистора [15] с двумя подключениями к базе.
    • Транзистор с поверхностным барьером - быстродействующий металлический транзистор с барьерным переходом. Разработано в Philco [16] в 1953 году. [17]
    • Дрейфовый полевой транзистор - быстродействующий биполярный транзистор. Изобретен Гербертом Кремером [18] [19] в Центральном бюро телекоммуникационных технологий Немецкой почтовой службы в 1953 году.
    • Диффузионный транзистор - биполярный переходной транзистор современного типа. Прототипы [20] разработаны в Bell Labs в 1954 году.
      • Транзистор с диффузной базой - первая реализация диффузионного транзистора.
      • Меса-транзистор
      • - разработан в Texas Instruments в 1957 году.
      • Планарный транзистор - транзистор с биполярным переходом, который сделал возможным массовое производство монолитных интегральных схем. Разработано доктором Джин Хорни [21] в Fairchild в 1959 году.
    • Эпитаксиальный транзистор - транзистор с биполярным переходом, изготовленный методом осаждения из паровой фазы.См. Эпитаксия. Позволяет очень точно контролировать уровни и градиенты допинга.

    Теория и моделирование

    В приведенном ниже обсуждении основное внимание уделяется биполярному транзистору NPN. В NPN-транзисторе в так называемом активном режиме напряжение база-эмиттер В BE и напряжение коллектор-база В CB положительные, прямое смещение перехода эмиттер-база и обратное смещение коллектора. -базовый переход. В активном режиме работы электроны инжектируются из области эмиттера n-типа с прямым смещением в базу p-типа, где они диффундируют к коллектору n-типа с обратным смещением и уносятся электрическим полем в коллектор-база с обратным смещением. соединение.Рисунок, описывающий прямое и обратное смещение, см. В конце статьи о полупроводниковых диодах.

    Модели с большим сигналом

    В 1954 году Джуэлл Джеймс Эберс и Джон Л. Молл представили свою математическую модель транзисторных токов:

    Модель Ebers – Moll
    Модель Эберса – Молла для NPN-транзистора. [22] * I B , I C , I E : токи базы, коллектора и эмиттера * I CD , I ED и : коллектор и токи эмиттерных диодов * α F , α R : усиление прямого и обратного тока общей базы

    Модель Эберса – Молла для PNP-транзистора.

    Приближенная модель Эберса – Молла для NPN-транзистора в прямом активном режиме. Коллекторный диод имеет обратное смещение, поэтому I CD практически равен нулю. Большая часть тока эмиттерного диода ( α F составляет почти 1) отводится от коллектора, обеспечивая усиление тока базы.

    Постоянный ток эмиттера и коллектора в активном режиме хорошо моделируется приближением к модели Эберса – Молла:

    I C = α F I E

    Базовый внутренний ток в основном обусловлен диффузией (см. Закон Фика) и

    где

    • V T - тепловое напряжение k T / q (приблизительно 26 мВ при 300 K ≈ комнатной температуре).
    • I E - ток эмиттера
    • I C - ток коллектора
    • α F - коэффициент усиления прямого тока короткого замыкания с общей базой (от 0,98 до 0,998)
    • I ES - ток обратного насыщения диода база-эмиттер (порядка 10 −15 до 10 −12 ампер)
    • В BE - напряжение база-эмиттер
    • D n - константа диффузии электронов в базе p-типа
    • W - ширина основания

    Параметры α и прямого β соответствуют описанным ранее.Иногда в модель включается обратный β.

    Неприближенные уравнения Эберса – Молла, используемые для описания трех токов в любой рабочей области, приведены ниже. Эти уравнения основаны на транспортной модели биполярного переходного транзистора. [23]

    где

    • i C - ток коллектора
    • i B - базовый ток
    • i E - ток эмиттера
    • β F - усиление прямого тока общего эмиттера (от 20 до 500)
    • β R - коэффициент усиления по току обратного общего эмиттера (от 0 до 20)
    • I S - обратный ток насыщения (порядка 10 −15 до 10 −12 ампер)
    • V T - тепловое напряжение (приблизительно 26 мВ при 300 K ≈ комнатной температуре).
    • В BE - напряжение база-эмиттер
    • В BC - напряжение база – коллектор
    Модуляция ширины базы

    Верх: ширина основания NPN для низкого обратного смещения коллектор-основание; Внизу: более узкое основание NPN для большого обратного смещения коллектор-основание. Хэшированные регионы - это истощенные регионы.

    Основная статья: Ранний эффект

    При изменении приложенного напряжения коллектор – база ( В CB = В CE - В BE ) область истощения коллектор – база изменяется по размеру.Повышение напряжения коллектор-база, например, вызывает большее обратное смещение в переходе коллектор-база, увеличивая ширину обедненной области коллектор-база и уменьшая ширину базы. Это изменение ширины основания часто называют «ранним эффектом» в честь его первооткрывателя Джеймса М. Раннего.

    Сужение базовой ширины имеет два последствия:

    • Существует меньшая вероятность рекомбинации в «меньшей» базовой области.
    • Градиент заряда увеличивается по основанию, и, следовательно, ток неосновных носителей, инжектируемых через эмиттерный переход, увеличивается.

    Оба фактора увеличивают коллекторный или «выходной» ток транзистора в ответ на увеличение напряжения коллектор – база.

    В прямой активной области эффект Early изменяет ток коллектора ( i C ) и усиление прямого тока общего эмиттера (β F ), как указано в: [ необходима ссылка ]

    где:

    • В CE - напряжение коллектор-эмиттер
    • V A - это начальное напряжение (от 15 до 150 В)
    • β F 0 - усиление прямого тока с общим эмиттером при В CB = 0 В
    • r o - выходное сопротивление
    • I C - ток коллектора
    ВАХ

    При выводе идеальных вольт-амперных характеристик BJT используются следующие допущения [24]

    • Низкий уровень впрыска
    • Равномерное легирование в каждой области с резкими переходами
    • Одномерный ток
    • Пренебрежимо малая рекомбинация-генерация в областях пространственного заряда
    • Незначительные электрические поля вне областей пространственного заряда.

    Важно охарактеризовать неосновные диффузионные токи, индуцированные инжекцией носителей.

    Что касается диодов с pn-переходом, ключевым соотношением является уравнение диффузии.

    Решение этого уравнения ниже, и два граничных условия используются для решения и нахождения C 1 и C 2 .

    Следующие уравнения применяются к области эмиттера и коллектора соответственно, а начало координат 0, 0 'и 0' 'применяется к базе, коллектору и эмиттеру.

    Граничное условие излучателя ниже:

    Значения констант A 1 и B 1 равны нулю из-за следующих условий эмиттерной и коллекторной областей как и.

    Поскольку A 1 = B 1 = 0, значения Δ n E (0 '') и Δ n c (0 ') равны A 2 и B 2 соответственно.

    Выражения I E n и I C n могут быть оценены.

    Поскольку происходит незначительная рекомбинация, вторая производная от Δ p B ( x ) равна нулю. Следовательно, существует линейная зависимость между избыточной плотностью отверстий и размером x .

    Ниже приведены граничные условия Δ p B .

    Подставить в указанную выше линейную зависимость.

    .

    С этим результатом выведите значение I E p .

    Используйте выражения I E p , I E n , Δ p B (0) и Δ p B ( W ) разработать выражение тока эмиттера.

    Аналогичным образом получается выражение для тока коллектора.

    Выражение базового тока найдено с предыдущими результатами.

    Пробойник

    Когда напряжение база – коллектор достигает определенного (специфичного для устройства) значения, граница обедненной области база – коллектор пересекает границу обедненной области база – эмиттер.В этом состоянии транзистор фактически не имеет базы. Таким образом, в этом состоянии устройство теряет всякий выигрыш.

    Модель с контролем заряда Гаммеля – Пуна

    Модель Гаммеля – Пуна [25] - это подробная модель динамики BJT с контролируемым зарядом, которая была принята и разработана другими разработчиками для более подробного объяснения динамики транзисторов, чем это обычно делается в моделях на основе терминалов [2]. Эта модель также включает в себя зависимость значений β транзистора от уровней постоянного тока в транзисторе, которые считаются независимыми от тока в модели Эберса – Молла. [26]

    Слабосигнальные модели

    гибрид-пи модель
    Основная статья: модель гибридного пи
    Модель h-параметра

    Обобщенная модель h-параметра NPN BJT.
    Замените x на e , b или c для топологий CE, CB и CC соответственно.

    Другая модель, обычно используемая для анализа цепей BJT, - это модель «h-параметра», тесно связанная с гибридной моделью pi и двухпортовой моделью y-параметра, но с использованием входного тока и выходного напряжения в качестве независимых переменных, а не входных и выходное напряжение.Эта двухпортовая сеть особенно подходит для BJT, поскольку она легко поддается анализу поведения схемы и может использоваться для разработки дальнейших точных моделей. Как показано, термин "x" в модели представляет другой вывод BJT в зависимости от используемой топологии. В режиме с общим эмиттером различные символы принимают определенные значения, как:

    • x = 'e', ​​потому что это топология с общим эмиттером
    • Терминал 1 = База
    • Клемма 2 = коллектор
    • Клемма 3 = излучатель
    • i i = Базовый ток ( i b )
    • i o = Ток коллектора ( i c )
    • В дюйм = напряжение база-эмиттер ( В BE )
    • В o = Напряжение коллектор-эмиттер ( В CE )

    , а h-параметры задаются как:

    • h ix = h ie - Входное сопротивление транзистора (соответствует сопротивлению базы r pi ).
    • h rx = h re - Представляет зависимость кривой транзистора I B - V BE от значения V CE . Обычно он очень маленький, и им часто пренебрегают (предполагается, что он равен нулю).
    • h fx = h fe - коэффициент усиления транзистора по току. Этот параметр часто указывается как h FE или коэффициент усиления постоянного тока ( β DC ) в таблицах данных.
    • h ox = 1/ h oe - Выходное сопротивление транзистора. Параметр h oe обычно соответствует выходному сопротивлению биполярного транзистора и должен быть инвертирован, чтобы преобразовать его в импеданс.

    Как показано, h-параметры имеют нижние индексы и, следовательно, обозначают условия переменного тока или анализ. Для условий постоянного тока они указываются в верхнем регистре. Для топологии CE обычно используется приближенная модель h-параметра, которая дополнительно упрощает анализ схемы.Для этого игнорируются параметры h oe и h re (то есть они устанавливаются на бесконечность и ноль, соответственно). Следует также отметить, что показанная модель h-параметра подходит для низкочастотного анализа слабого сигнала. Для высокочастотного анализа необходимо добавить межэлектродные емкости, которые важны на высоких частотах.

    Этимология h FE

    'h' означает, что он является h-параметром, набором параметров, названных в соответствии с их происхождением в модели эквивалентной схемы h ybrid.«F» от f или усиление тока , также называемое усилением тока. «E» относится к транзистору, работающему в конфигурации common e mitter (CE). Заглавные буквы в нижнем индексе указывают на то, что h FE относится к цепи постоянного тока.

    Приложения

    BJT остается устройством, которое выделяется в некоторых приложениях, таких как разработка дискретных схем, благодаря очень широкому выбору доступных типов BJT, а также из-за его высокой крутизны и выходного сопротивления по сравнению с MOSFET.BJT также является выбором для требовательных аналоговых схем, особенно для высокочастотных приложений, таких как радиочастотные цепи для беспроводных систем. Биполярные транзисторы можно комбинировать с полевыми МОП-транзисторами в интегральной схеме, используя процесс изготовления полупроводниковых пластин BiCMOS для создания схем, которые используют преимущества обоих типов транзисторов.

    Датчики температуры

    Основная статья: Кремниевый датчик температуры запрещенной зоны

    Из-за известной зависимости напряжения перехода база-эмиттер от температуры и тока в прямом направлении, BJT может использоваться для измерения температуры путем вычитания двух напряжений при двух разных токах смещения в известном соотношении [3].

    Преобразователи логарифмические

    Поскольку напряжение база-эмиттер изменяется как логарифм токов база-эмиттер и коллектор-эмиттер, BJT также может использоваться для вычисления логарифмов и антилогарифмов. Диод также может выполнять эти нелинейные функции, но транзистор обеспечивает большую гибкость схемы.

    Уязвимости

    Воздействие ионизирующего излучения на транзистор вызывает радиационное повреждение. Излучение вызывает накопление «дефектов» в основной области, которые действуют как центры рекомбинации.Результирующее сокращение срока службы неосновных носителей приводит к постепенной потере усиления транзистора.

    Power BJT подвержены режиму отказа, называемому вторичным пробоем, при котором чрезмерный ток и нормальные дефекты кремниевого кристалла приводят к тому, что части кремния внутри устройства становятся непропорционально более горячими, чем другие. Легированный кремний имеет отрицательный температурный коэффициент, что означает, что он проводит больше тока при более высоких температурах. Таким образом, самая горячая часть кристалла проводит наибольший ток, вызывая увеличение его проводимости, что затем заставляет его снова становиться все более горячим, пока устройство не выйдет из строя изнутри. General Electric (1962). Transistor Manual (6-е изд.). п. 12. «Если при анализе транзистора использовать принцип нейтральности пространственного заряда, становится очевидным, что ток коллектора регулируется с помощью положительного заряда (концентрации дырок) в области базы. Паоло Антонетти и Джузеппе Массобрио (1993). A.S. Седра и К. Смит (2004). Микроэлектронные схемы (5-е изд.). Нью-Йорк: Оксфорд. п. 509. ISBN 0-19-514251-9.

  • Внешние ссылки

    Как использовать транзисторы в DCACLAB (NPN и PNP)

    В этом посте вы узнаете, как использовать транзистор в DCACLab (как NPN, так и PNP).

    BJT (Bipolar Junction Transistor), также известный как трансформатор, представляет собой активный электронный компонент, используемый либо для усиления сигнала, либо для логических переключателей при обработке сигналов.

    Транзистор представляет собой полупроводниковое устройство, похожее на диод с PN-переходом, но в отличие от него имеет два PN-перехода с разной шириной обедненных слоев.

    Как использовать транзисторы в DCACLAB и настроить их свойства

    Шаги по использованию транзистора PNP в лаборатории

    Шаг 1: Просмотрите список компонентов и щелкните транзистор PNP, как показано на снимке экрана ниже.

    Шаг 2: На плате появится PNP-транзистор, как показано на снимке экрана ниже.Вы можете легко изменить положение эмиттера, базы и коллектора в окне свойств транзистора PNP.

    Шаг 3: Теперь используйте транзистор в желаемой цепи. 🙂

    Шаги по использованию NPN-транзистора в лаборатории

    Шаг 1: Просмотрите список компонентов и щелкните транзистор NPN, как показано на снимке экрана ниже.

    Шаг 2: На плате появится NPN-транзистор, как показано на снимке экрана ниже.Вы можете легко изменить положение эмиттера, базы и коллектора в окне свойств NPN-транзистора.

    Шаг 3: Подключите эмиттер, базу и коллектор по мере необходимости в вашей цепи.

    Управление свойствами транзистора PNP и NPN

    При использовании транзистора в цепи, будь то транзистор PNP или транзистор NPN. Щелкните по нему, и рядом с транзистором появится значок шестеренки.

    Знак шестерни на транзисторе NPN

    Знак шестерни PNP транзистор

    Теперь нажмите на значок шестеренки, показанный на скриншотах выше.Окно свойств появится рядом с соответствующим транзистором, как показано на скриншотах ниже.

    Коробка свойств pnp-транзистора

    Коробка свойств npn-транзистора

    В окне свойств транзисторов вы можете поменять местами эмиттер и коллектор. Вы также можете повернуть транзистор.

    Компоненты в свойствах транзистора PNP и NPN

    Свойства pnp транзистора

    Свойства npn-транзистора

    И поле свойств для транзистора PNP, и для транзисторов NPN работают одинаково.

    1. Коэффициент усиления по току или коэффициент усиления транзистора можно контролировать из этого раздела.
    2. Установите или снимите этот флажок, чтобы поменять местами эмиттер и коллектор. В основном это переворачивает транзистор.
    3. В этом вы можете вращать аккумулятор, вы можете вращать его от 0 ° до 90 °, 180 ° и 270 °.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *