Как устроен транзистор кратко: Ошибка 404 — документ не найден

Содержание

Как устроен транзистор кратко

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

Общие сведения

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

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

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

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

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

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

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

Электронно-дырочный переход

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

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

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

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

Классификация устройств

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

  1. Канальность. В зависимости от того, какие носители зарядов являются основными бывают p-типа и n-типа.
  2. Технологии изготовления. Выпускаются биполярными, полевыми, комбинированными.
  3. По типу полупроводника. В качестве материала для изготовления применяется кремний, германий и арсенид-галлия. В последнее время начали выпускаться транзисторы, использующие в качестве основы прозрачные полупроводники. Например, для построения дисплейных матриц. А также использующие в качестве материалов полимеры и углеродные нанотрубки.
  4. По рассеиваемой мощности. Разделяются на три типа: маломощные, средней мощности и мощные. Первые не превышают значения 0,1 Вт, вторые находятся в диапазоне 0,1−1 Вт, а к мощным относят все те, что превышают 1 Вт.
  5. По виду исполнению. Выделяют дискретные транзисторы, которые могут быть как корпусными, так и нет, и транзисторы, входящие в состав интегральных схем.

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

Биполярный прибор

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

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

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

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

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

Полевой транзистор

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

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

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

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

  1. Со встроенным каналом. Работают в двух режимах: обеднения и обогащения. В первом режиме величина потенциала на затворе превышает значение на истоке, что приводит к снижению значения тока на нём. Если приложенный потенциал больше напряжения отсечки, то ток между выводами стока и истока отсутствует. При обогащении, наоборот, чем больше величина потенциала между выводами затвор-исток, тем больше ток стока.
  2. С индуцированным (наведённым) каналом. Для p-канального устройства при отсутствии потенциала на выводе затвор-исток ток стока близок к нулю. Такой тип работает только в режиме обогащения. При этом напряжение на выводах исток-затвор должно быть больше нуля. Когда это напряжение превысит значение порогового, то между стоком и истоком возникнет проводимость p-типа. Связано это с тем, что количество дырок под затвором увеличится. Это явление называется инверсией.

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

Принцип действия для чайников

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

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

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

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

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

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

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

Быполярные транзисторы

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 1

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

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

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

Статический коэффициент передачи тока базы h21Э показывает, во сколько раз ток коллектора биполярного транзистора больше тока его базы, вызвавшего этот ток. У большинства типов транзисторов численное значение этого коэффициента от экземпляра к экземпляру может изменяться от 20 до 200. Есть транзисторы и с меньшим значением — 10. 15, и с большим — до 50. 800 (такие называют транзисторами со сверхусилением).

Нередко считают, что хорошие результаты можно получить только с транзисторами, имеющими большое значение h21э. Однако практика показывает, что при умелом конструировании аппаратуры вполне можно обойтись транзисторами, имеющими h2lЭ, равный всего 12. 20. Примером этого может служить большинство конструкций, описанных в этой книге.

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

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

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

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

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

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

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

Что такое полевой транзистор

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

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

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

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

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

Основные параметры полевых транзисторов

Крутизна входной характеристики S или проводимость прямой передачи тока Y21 указывает, на сколько миллиампер изменяется ток канала при изменении входного напряжения между затвором и истоком на 1 В. Поэтому значение крутизны входной характеристики определяется в мА/В, так же как и крутизна характеристики радиоламп.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Что такое транзистор?

Транзистор – полупроводниковый прибор, предназначенный для управления электрическим током.

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

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

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

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

Транзисторы

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

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

Как работает транзистор?

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

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

Биполярный транзистор

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

Транзисторы

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

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

Физические процессы в транзисторе

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

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

Транзистор закрыт

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

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

Транзистор открыт

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

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

Как устроен Транзистор (физический аспект) | ScArtproject

Купить транзисторы вы можете на Aliexpress оптом

Доброго времени суток. В своем блоге я перешел к рассмотрению транзистора по одной причине. В дальнейшем мы часто будем затрагивать радиоэлектронику, включая пайку схем. И знать как устроен транзистор, я считаю — это необходимо. Тем более в наше время транзисторы везде, во всех электронных приборах. На работе транзистора основаны процессоры, микросхемы и многое другое.

P.S. Также в скором будущем мы будем делать свой полноценный процессор, а точнее Битовый Сумматор, который без знания работы транзистора не представляет интереса.

Начнем..

Вот так выглядят транзистор

Состав транзистора — это кремниевые, реже германиевые пластины. Также производят из  нитрида галлия(высокое качество, дорого в производстве). Полный список можете найти в интернете.

Основной принцип работы транзистора прост: в одном случае транзистор пропускает ток, когда на Базу подается напряжение, в другом не пропускает, когда База остается нетронутой.

Схематичное представление транзистора

Сейчас все разберем по порядку. Транзисторы бывают полевыми (от слова поле) и Биполярными (Би — значит «2»). На рисунке выше изображен Биполярный транзистор. (Полярный разберем чуть позднее, но смысл у него тот же).

Биполярные транзисторы бывают n-p-n и p-n-p переходы (n — negative[электронный], p — positive [дырочный]). Для определенности рассмотрим n-p-n переход.

n-p-n

1.Из Базиса (области «p») электроны диффундируют (Диффузия)  в области «n» слева и справа. Т.е. дырки в электронную, а электроны в дырочную. На границе между переходами образуется поле, создаваемое зарядами «+» и «-«. Таким образом, процесс диффузии останавливается и создается баланс между электронами и дырками.

2.Если к n и n частям подвести ток, то каким бы не было направление тока, он течь не будет(точнее будет, так как ничего идеального нет, но он будет ничтожно мал). Рассмотрим почему:

При подключении к ЭДС таким образом, как на рисунке  (рассмотрим левую часть) ток начнет течь от «+» к «-«, т.е. дырки в левой «n» зоне начнут заполнятся электронами, следовательно в левой части «p» зоны появятся положительные ионы, которые создадут запирающее напряжение, из-за которого ток не пойдет. Т.е. наш ток от батареи пытается течь по часовой стрелки, а транзистор против часовой.

Конечно, если подать достаточно большое напряжение, то произойдет пробой, в результате чего ток потечет, но транзистор станет непригодным. Чтобы этого не произошло, надо читать инструкцию к транзистору, в котором написано максимальное работоспособное напряжение.

Аналогичная ситуация, если подсоединить батарею наоборот. Только тогда ток, создаваемый ЭДС потечет против ч.стрелки, а в транзисторе поле будет направлено в др сторону.

3. Теперь подключим к третьей ножке (Базе) ток.

В таком случае между n — p переходом исчезнет барьер и потечет ток, отсюда следует, что и у p — n перехода уйдет сдерживающее поле, тогда и по большой цепи, и по малой потекут электроны.

Полевой транзистор

Быстренька пройдемся по полевому транзистору.

1.У полевого транзистора также 3 части: Исток(откуда идут электроны), Сток(куда текут электроны), Затвор(пластина с электронными дырками).

Когда затвор не замкнут в цепи, то электроны могу спокойно течь против тока и никто им не мешает. (против , потому что ток течет от «+» к «-«, а электроны от «-» к «+»)<почему так, читайте внизу>

2. Если замкнуть затвор

На пластине затвора образуются избытки электронов. (Пластины обрамлены диэлектриком) Отсюда на нижней пластине  — излишки положительных ионов, что препятствует протеканию тока. И только некоторым электронам это удается. Аналогично с биполярными транзисторами (БТ).

Надеюсь я понятным языком объяснил устройство-работу транзисторов. Как и всегда вы можете писать свои предложения и вопросы в комментариях.

П.С. Почему электроны, частицы несущие заряд, при протекании тока, идут от «-» к «+», а ток течет от «+» к «-» ?

Отв: Благодаря Лейденским ученым, Вольту и др. мы узнали о существовании тока, и когда его открыли, то предписали, что он течет от + к — (условно). Но электрон открыли гораздо позднее (1897г). А к моменту открытии тока не было известно  о частице несущей заряд.

Источники:

— Школа

— ScArtProject.ru

Биполярные транзисторы

И вновь мы продолжаем изучать с вами полупроводники. Пришло время узнать о транзисторах, без которых электротехнический мир выглядел бы иначе.

В этой статье обсудим основные параметры транзисторов и посмотрим, как эти элементы используются, например, в сочетании с платой Arduino.

Многие ищут в Интернете информацию о том, как работает транзистор на практике. И если вы пришли на наш сайт именно за этим, то, мы надеемся, что эта статья ответит на многие ваши вопросы.

Что такое транзистор?

Резистор ограничивает ток, конденсатор накапливает заряд, а светодиод светится. Это понятно. Но что делает транзистор? Транзистор, очень популярный элемент, но описать его работу вкратце, непросто. Одно можно сказать наверняка: транзисторы произвели революцию в современной электронике.

Транзисторы повсюду, а интегральные схемы состоят из миллионов крошечных транзисторов!

Про работу транзистора можно сказать так, транзистор контролирует поток тока или усиливает его. Если сказать по-другому, то, транзистор является электронным переключателем. Благодаря ему мы можем безопасно (с низким током) включить поток с более высоким током.

Представьте себе электронное устройство, такое как Arduino , которое можно программировать, и с которым можно создавать чрезвычайно интересные проекты. Однако эта плата не может контролировать поток сильного тока. Вы можете, конечно, подключить к цепи светодиод, который будет потреблять небольшой ток, и все будет работать, но если вы подключите, например, мотор, то он будет потреблять такой большой ток, что вся система или плата просто сгорит.

Повреждение платы Arduino из-за слишком большого тока

Чтобы этого не произошло, мы должны будем поставить в схему транзистор. Благодаря такому решению, наша ардуиновская плата «скажет» транзистору «включиться» и принять большой ток, необходимый для питания мощного устройства, например, мотора. Таким образом, наша плата не повредится.

Основная информация о транзисторах

Транзисторы — это полупроводниковые устройства, которые обычно имеют три вывода. Корпуса различаются в зависимости от параметров и назначения компонентов. Самые популярные из них, которые вы найдете в любом комплекте с Arduino, это тип TO92. Как можно видеть на картинке, они очень маленькие:

BC556 транзистор BC546 транзистор

Кстати, один и тот же транзистор может выпускаться в разных корпусах. Обратите на это внимание!

Транзисторы характеризуются множеством параметров, но на корпусах транзисторов они не написаны. Производители используют маркировку в виде букв и цифр (например, BC546 и BC556), а подробные сведения нужно смотреть в каталогах производителя. Информацию легко найти — достаточно ввести символ элемента в поисковике любого браузера.

Пример фрагмента такого документа для одного из наших транзисторов:

Выдержка из документации Выдержка из документации

Детальное обсуждение конструкции или строения транзисторов выходит далеко за рамки данной статьи. Эти знания вам не нужны, даже для применения их на практике. Отнеситесь к этой информации как к интересным фактам, к которым вы сможете вернуться, когда познакомитесь с транзисторами на практике.

Биполярные транзисторы состоят из трех полупроводниковых слоев, к каждому из которых прикреплен один вывод. Эти слои накладываются друг на друга, образуя систему из двух так называемых разъемов (диодов). Обозначения NPN и PNP нужны для определения точки контакта полупроводников.

В биполярных транзисторах все три контакта имеют свои названия:

  • эмиттер (обозначается на схемах буквой E),
  • база (обозначается буквой B),
  • коллектор (обозначается буквой K).

Если мы приложим небольшое напряжение к базе (по отношению к эмиттеру), электроны от эмиттера начнут двигаться к нему. Однако область базы очень тонкая, поэтому большая часть электронов попутно уйдет в область коллектора.

Если бы этот механизм был идеальным, база не могла бы захватывать электроны и через нее не протекал бы ток. К сожалению, часть электронов попадает в область базы, откуда их нужно забирать. Это вызывает небольшой нежелательный ток, протекающий через основание. Однако полезным является ток коллектора, который достигает подавляющего большинства электронов от эмиттера.

Исходя из этого уже можно сделать вывод, что транзистор является управляемым элементом: изменяя базовый ток, то есть количество разряженных электронов, мы регулируем ток коллектора. Отношение этих двух токов и есть коэффициент усиления по току, обозначаемый греческой буквой β (бета) — эта величина не имеет единицы измерения:

β = ток коллектора / ток базы ,
записывается как: β = I C / I B

В ходе экспериментов мы рассчитаем это значение усиления, и тогда, вам будет проще все это понять и запомнить.

Типы биполярных транзисторов

Есть два типа биполярных транзисторов: NPN и PNP. Как уже упоминалось — это информация нам должна говорить о том, какой проводимости данный транзистор: прямой или обратной.

Объясняем на практике и очень упрощенно для новичков:

  • Тип NPN начнет проводить ток при подаче на базу положительного напряжения по отношению к эмиттеру, т.е. при стандартном подключении к базе, мы дадим высокий потенциал (плюс от АКБ),
  • Тип PNP начнет проводить ток, когда мы подадим на базу отрицательное напряжение по отношению к эмиттеру, т.е. при стандартном подключении к базе мы даем низкий потенциал (земля, минус от батареи).
Запомните! Использование транзисторов PNP, активизируют поток тока низкого потенциала.

Все это станет ясно после завершения практического упражнения. Прежде чем мы перейдем к упражнению, стоит упомянуть, что каждый тип транзистора имеет свой символ на схемах. В транзисторах NPN стрелка на эмиттере указывает за пределы системы, в то время как в PNP, стрелка указывает внутрь символа. Эта стрелка показывает направление, в котором ток течет между эмиттером и базой.

Условные обозначения транзисторов NPN и PNP

Проверка NPN-транзисторов на практике

Итак, теория позади. Пришло время проверить, как это работает на практике. О транзисторах можно очень много и долго рассказывать, но мы обсудим только их основные принципы работы. Мы начнем со схемы, которая будет использовать транзистор в качестве ключа, управляющего освещением светодиода. Таким образом, контролируя ток базы, мы сможем включать и выключать диод, подключенный к транзистору.

Для сборки схемы потребуются следующие комплектующие:

  • Транзистор BC546B,
  • Резисторы 1 кОм и 10 кОм,
  • Светодиод,
  • Аккумулятор 9 В с проводами,
  • Макетная плата,
  • Мультиметр.

Схема подключения представлена ​​ниже. На точки, обозначенные как амперметры и вольтметры, можете пока не обращать внимание. Вам просто нужно собрать схему таким образом, чтобы можно было щупами мультиметра прикоснуться к этим четырем отмеченным местам.

Схема с NPN транзистором

Описание выводов транзистора следует проверять в его документации. Вы также можете использовать наши схемы, вам просто нужно помнить, что всегда лучше проверять описание контактов в примечании к каталогу на наличие новых элементов (не всегда все контакты расположены в одном порядке):

Описание выводов транзистора BC546 (слева вид снизу, т.е. со стороны выводов)

Эта схема может быть собрана на макетной плате, например, следующим образом:

Сборка схемы с транзистором

На практике это может выглядеть следующим образом. В результате этого подключения загорается светодиод, в этом нет ничего необычного, правда? Однако давайте проверим, что именно происходит в цепи.

После подключения АКБ загорается светодиод. Ток течет через базу (ограничивается резистором 10 кОм), что позволяет току протекать через коллектор последовательно с включенным диодом. Резистор (1 кОм) ограничивает ток, протекающий через этот диод, чтобы светодиод не сгорел. Если кабель от положительной шины питания к базе отсоединен, светодиод гаснет.

Если схема работает, на ней можно сделать несколько измерений. Сначала измеряем напряжения, показанные на диаграмме. Речь идет о напряжении между базой и эмиттером (так называемая база-эмиттер) и между коллектором и эмиттером (т.е. коллектор-эмиттер).

Измерение напряжения база-эмиттер Измерение напряжения коллектор-эмиттер

Теперь пришло время для более интересного измерения, то есть измерения силы тока. Не забудьте переместить ручку мультиметра в правильное положение и проверить базовый ток (подключив мультиметр последовательно с резистором 10 кОм ), и ток коллектора (подключив мультиметр последовательно с резистором 1 кОм). Т.к. мы ожидаем небольших значений, значит устанавливаем диапазон 20 мА.

Измерение базового тока Измерение тока коллектора

Стоит собрать результаты измерений в таблицу:

Интерпретация измерений: напряжение коллектор-эмиттер невелико, порядка нескольких десятков милливольт. Это означает, что транзистор вошел в состояние насыщения. Такое происходит, когда через коллектор протекает ток меньший, чем можно было бы судить по коэффициенту β . Давайте проверим, так ли это: согласно документации на этот транзистор, коэффициент находится в диапазоне от 200 до 450. Об этом свидетельствует буква B в конце маркировки, которая также есть на нашем транзисторе. Фрагмент документации:

Давайте проведем простой расчет: мы знаем ток базы, мы знаем коэффициент усиления по току. Так какой ток должен протекать через коллектор, чтобы он стал ненасыщенным? Преобразуем формулу β = I c / I B к следующему виду: I c = β * I B , затем подставляем в нее крайние значения коэффициента, т.е. 200 и 450. И вычисляем диапазон ожидаемого тока коллектора:

  • минимум: I c1 = β * I B = 200 * 0,86 мА = 172 мА
  • максимум: I c2 = β * I B = 450 * 0,86 мА = 387 мА

Между тем, через коллектор протекает всего 7 мА. Это потому, что он ограничен резистором 1 кОм. Если бы его не было, через коллектор мог бы протекать гораздо больший ток, но это привело бы к разрушению светодиода, транзистора и (возможно) к повреждению батареи.

Транзистор здесь работает как переключатель: включив базовый ток низкой интенсивности, мы можем включить поток более высокого тока через коллектор. В свою очередь, после отключения тока базы, почти сразу пропадает и коллекторный ток.

Когда ток течет через коллектор, транзистор считается открытым. Тогда напряжение на его основе примерно на 0,7 В выше, чем на эмиттере. В свою очередь, чтобы закрыть транзистор (то есть предотвратить протекание тока коллектора), напряжение база-эмиттер должно быть уменьшено (желательно до нуля).

Использование транзисторов NPN и PNP

Пришло время объяснить практические различия между транзисторами NPN и PNP. Независимо от типа транзистора, который мы используем для пропускания большого тока (эмиттер-коллектор), нам нужно «замкнуть» схему база-эмиттер, чтобы он работал.

  • В транзисторах NPN, эмиттер соединен с землей системы (GND), поэтому база должна быть подключена (через токоограничивающий резистор) к плюсу батареи (VCC).
  • Однако в случае PNP, эмиттер подключен к VCC, поэтому база должна быть подключена (через резистор) к земле системы (GND).
В таких системах, ток, протекающий через базу, чаще всего ограничивают резистором 10 кОм!

Другими словами, протекание сильного тока можно «активировать» через резистор:

  • масса системы (GND) в случае PNP,
  • положительная подача (VCC) в случае NPN.

На практике, схемы, управляющие светодиодом через транзистор, могут выглядеть так, как на картинке ниже. Светодиод является здесь лишь примером, используемым для легкой демонстрации. Обычно вместо светодиодов подключаются элементы, потребляющие большой ток (например, двигатели или реле).

Обязательно запомните эти схемы. Лучше всего сейчас собрать обе схемы и протестировать их! Главное — запомнить разницу между вышеперечисленными транзисторами. Один из них позволяет току протекать по «положительной силовой шине», а другой, по «отрицательной силовой шине».

Практическое применение транзисторов

Ниже приведена схема, на которой микроконтроллер управляет зуммером (звуковым датчиком), потребляющим около 50 мА . Чаще всего с одного выхода на плате Arduino можно получить до 20 мА , поэтому прямое подключение зуммера может повредить плату. Использование транзистора, который действует как переключатель, позволяет безопасно управлять зуммером.

Управление зуммером с помощью транзистора

В этой схеме, через вывод микроконтроллера протекает только небольшой ток, порядка 0,8 мА, а питание зуммера осуществляется от транзистора. Состояние High на выходе платы Arduino включает звук.

Чтобы не вдаваться в детали расчета, можно предположить, что использование резистора 10 кОм позволяет, в таких случаях, управлять нагрузками, потребляющими не более 60 мА, а резистор 1 кОм подойдет в ситуациях, когда нагрузка потребляет до 500 мА, но тогда вам нужно будет использовать другой транзистор, например BC337 , который способен управлять таким током.

Подключение нагрузки к эмиттеру

Многие новички задаются вопросом, что будет, если мы подключим к эмиттеру «нагрузку», или к коллектору. Схема также будет работать, но здесь мы входим в довольно запутанную тему различных схем транзисторов (общий коллектор, общий эмиттер, общая база).

Пример подключения нагрузки к коллектору и к эмиттеру

Будет намного лучше, если нагрузка все же будет подключена к коллектору, а не к эмиттеру.

Практические проекты с транзисторами

Конечно, у транзисторов гораздо больше применений. И в следующих статьях, мы попробуем реализовать интересные проекты, которые помогут вам лучше понять работу транзисторов. Одним из примеров будет конструкция вышеупомянутой системы мигания, только с двумя светодиодами, которая может, например, имитировать работу полицейской мигалки на крыше машины.

Пример проекта, собранного с помощью транзисторов

Вывод

Мы кратко обсудили, что такое транзисторы, как они устроены, и как работают. Мы также доказали, что транзистор можно использовать в качестве переключателя с управляемым состоянием на выходе микроконтроллера. Вы обязательно поймете всю ценность этого элемента, когда начнете программировать собственные проекты на Arduino, что мы настоятельно рекомендуем.

С Уважением, МониторБанк

4.8 Перечислите основные элементы полупроводниковой техники и кратко объясните их назначение

Здесь привела примеры(основные элементы это предыдщий вопрос(коллектор ,эмиттер , базадругих вариантов не нашла)).

Первый транзистор был создан в 1947 году

Это было открытие полупроводниковой эры, родившей огромное количество типов диодов и транзисторов, а позднее- интегральных микросхем.

Светодио́д или светоизлучающий диод — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом или контактом металл-полупроводник, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его спектральные характеристики зависят в том числе от химического состава использованных в нём полупроводников.

При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).

Транзи́стор (англ. transistor) — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.).

Транзисторы изготавливаются в рамках интегральной технологии на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» для построения микросхем логики, памяти, процессора и т. п. В настоящее время на одном современном кристалле площадью 1—2 см² могут разместиться несколько (пока единицы) миллиардов МОПТ.

Вне зависимости от типа транзистора, принцип применения его един:

Источник питания питает электрической энергией нагрузку, которой может быть громкоговоритель, реле, лампа накаливания, вход другого, более мощного транзистора, электронной лампы и т. п.

Транзистор применяется в:

Усилительных схемах. Работает, как правило, в усилительном режиме.

Электронных ключах. Транзисторы работают в ключевом режиме. Ключевые схемы можно условно назвать усилителями (регенераторами) цифровых сигналов.

4.9. Высокочастотные hemt транзисторы

Транзистор с высокой подвижностью электронов (ТВПЭ) — полевой транзистор, в котором для создания канала вместо легированной области, в отличие от обычных МОП-транзисторов, используется контакт двух полупроводниковых материалов с различной шириной запрещенной зоны (т. н. гетеропереход). Другие названия этих транзисторов: полевые транзисторы с управляющим переходом металл — полупроводник и гетеропереходом, ГМеП транзисторы, полевые транзисторы с модулированным легированием, селективно-легированные гетероструктурные транзисторы (СЛГТ). В зарубежной литературе их обозначают HEMT — High Electron Mobility Transistor.

Принцип действия

Зонная диаграмма HEMT-транзистора

В общем случае для создания проводимости в полупроводниках, в них добавляются легирующие примеси для генерации подвижных электронов. Однако эти электроны замедляются в первую очередь при столкновении с примесями, используемыми для их генерации. В ТВПЭ этого удается избежать за счет того, что электроны с высокой подвижностью генерируются на гетеропереходе в области контакта высоколегированного донорного слоя N-типа с широкой запрещенной зоной (в нашем примере AlGaAs) и нелегированного канального слоя с узкой запрещенной зоной без каких-либо легирующих примесей (в данном случае GaAs).

Электроны, образующиеся в тонком слое n-типа, полностью перемещаются в слой GaAs, тем самым создавая обеднение AlGaAs. Обеднение происходит из-за того, что в гетеропереходе между материалами с разной шириной ЗЗ образуется квантовая яма (крутой провал) в зоне проводимости со стороны нелегированного слоя GaAs, где электроны способны быстро передвигаться без столкновений с примесями. В результате того, что электроны не в состоянии покинуть квантовую яму, образуется очень тонкая прослойка с большой концентрацией высокоподвижных электронов, поэтому сопротивление канала очень низкое (или, по другому, подвижность носителей высока). Эта прослойка называется двумерным электронным газом. Также как в других типах полевых транзисторов, приложенное к затвору ТВПЭ напряжение изменяет проводимость этого слоя.

Принцип действия ТВПЭ — транзистора аналогичен принципу действия МеП-транзистора. Между металлическим затвором и расположенным под ним слоем из AlxGa1-xAs, образуется управляющий переход Металл — Полупроводник (далее по тексту Ме — п/п). Обедненная область этого перехода располагается, в основном, в слоях AlxGa1-xAs. Канал нормально открытого транзистора при Ugs < 0 формируется в слое нелегированного GaAs на границе гетероперехода в области накопления двумерного электронного газа. Под действием управляющего напряжения Ugs изменяется толщина обедненной области перехода Ме — п/п, концентрация е− в 2D электронном газе и ток стока. Электроны поступают в область накопления из истока. При достаточно большом (по модулю) отрицательном Ugs = Uf обедненная область расширяется настолько, что перекрывает область насыщения электронов. Ток стока при этом прекращается.

В нормально закрытом транзисторе вследствие меньшей толщины верхнего слоя AlxGa1-xAs при Ugs = 0 проводящий канал отсутствует, так как область насыщения двумерного электронного газа перекрыта обедненной областью управляющего перехода. Канал возникает при некотором положительном Ugs = Uf, когда обедненная область управляющего перехода сужается настолько, что ее нижняя граница попадает в область накопления электронов.

Применение

Область применения ТВПЭ, как и металл-полупроводниковых полевых транзисторов (MESFET) — связь в микроволновом и миллиметровом диапазоне длин волн, радары и радиоастрономия, — то есть любые устройства, в которых требуется высокая степень усиления сигнала и низкий шум на больших частотах. ТВПЭ способны производить усиление по току при частотах выше 600 ГГц и по мощности при частотах более чем 1 ТГц. В апреле 2005 г. были продемонстрированы биполярные транзисторы на гетеропереходе (HBT) с усилением по току на частотах более 600 ГГц. В январе 2010 г. группа ученых из Японии и Европы представила терагерцовый ТВПЭ с рабочей частотой (при полной ширине половины пика FWHM) 2,5 ТГЦ [3]

Несколько компаний во всем мире разрабатывают и производят приборы на основе ТВПЭ. Это могут быть отдельные транзисторы, но чаще приборы выпускаются в форме ‘монолитной микроволновой интегральной схемы’ (MMIC). ТВПЭ нашли свое применение во многих видах оборудования от мобильных телефонов и широкополосных спутниковых ресиверов до систем электронного обнаружения, таких как радары и радиотелескопы.

Транзистор IGBT-принцип работы, структура, основные характеристики

Силовой транзистор IGBT управляется с помощью напряжения, подаваемого на управляемый электрод-«затвор», который изолирован от силовой цепи. Полное название прибора: биполярный транзистор с изолированным затвором.

Характерная черта для этого транзистора – очень малое значение управляющей мощности, использованной для коммутационных операций существенных токовых значений силовых цепей.

Рис. №1. Эффективность использования технологий на основе мощных IGBT-транзисторов

Преобладающее значение приобрело его использование в цепях силового предназначения для частотных преобразователей, для двигателей переменного тока, мощность, которых может доходить до 1 МВт. По своим вольтамперным характеристикам он считается аналогом биполярному транзистору, однако качественные энергетические показатели и чистота коммутационных действий намного выше, чем качество работы других полупроводниковых элементов.

Постоянно совершенствующиеся технологии позволяют улучшить качественные характеристики транзисторов. Созданы элементы, рассчитанные на большую величину напряжения, выше 3 кВ и большие значения тока до нескольких сотен ампер.

Основные характеристики мощных IGBT-транзисторов

 

  • Напряжение управления – это разрешенная проводимость, которая отпирает или запирает прибор.
  • Открытое проводящее состояние характеризуется падением напряжения, определяемым пороговым напряжением и внутренним сопротивлением, величина максимально допустимого тока.

Для применения в конструкции регуляторов скорости используются транзисторы, рассчитанные на рабочие частоты в пределах до нескольких десятков килогерц.

Преимущества IGBT транзисторов

  • Высокая плотность тока.
  • Практически отсутствие потерь статического и динамического типа.
  • Отсутствие управляющего тока позволяет не прибегать к использованию гальванически изолированных схем для работы и управления с применением дискретных элементов и предоставляет возможность создания интегральных схем – драйверов.
  • Стойкость к воздействию короткого замыкания.
  • Относительная простота параллельного соединения.

При разработке схем включения с транзисторами IGBT необходимо обращать внимание на ограничение значения максимального тока. Для этой цели используются следующие методы – это: правильный выбор параметров тока защиты и подбор резистора затвора Rg, а также применение цепей, которые формируют траекторию переключения.

Структура IGBT

Закрытое состояние прибора характеризуется напряжением, приложенным к области n-, она находится между коллектором и эмиттером. Проводящий канал появляется при воздействии на затвор положительно заряженного потенциала в p-области, он обозначается как пунктирная линия. Ток из балласта идет из области n- (с минусом) в область n+. При этом происходит открытие МОП-транзистора, что делает возможным открытие биполярного транзистора с p-n-p перехода транзистора.

Рис. №2. Структура транзистора IGBT.

Эквивалентом структуре транзистора IGBT можно считать схему подключения транзистора, где n-канальный полевой транзистор выполнит роль промежуточного звена (динамического сопротивления), уменьшаемого в открытом состоянии IGBT. Он пропускает через базовую область биполярного транзистора с p-n-p-переходом, при этом происходит уменьшение остаточного напряжения в области n-. Опасность для схемы может представлять так называемый «паразитный биполярный транзистор», он может перейти в открытое состояние, называемое эффектом защелкивания, что влечет потерю управляемости.

Рис. №3. Схема включения транзистора IGBT эквивалентная структуре транзистора.

Применение IGBT-транзистора

Одной из важных сфер использования солового транзистора – это использование в сетях с напряжением 6,5 кВ для создания безопасной и гарантированно надежной работы электроустановок в режиме короткого замыкания.

Для ограничения токов к. з. и приближению их к величине, которая не приведет к повреждениям оборудования. Они выполняют ограничение напряжения на затворе до уровня, не превышающем U = 15,3В. Это достигается с помощью применения следующих мер:

  1. Ограничение величины напряжения на затворе с помощью привязки к фиксированному уровню напряжения. Это возможно в том случае, если драйвер затвора обладает источником стабильного напряжения. Основной способ -добавление в схему диода с малым падением напряжения, например, диод Шотки. Высокая эффективность меры достигается снижением индуктивности цепи между клеммами источника и затвора.
  2. Ограничение значения напряжения на затворе с помощью присоединения в цепь между эмиттером и затвором — стабилитрона. Эффективность метода достигается максимально приближенным монтажом диодов к вспомогательным клеммам модуля. Для этой цели должны использоваться диоды с очень маленьким температурным дрейфом и разбросом, примером могут служить диоды ограничивающие переходные напряжения (диоды типа: 1,5КЕ6,8Са и 1,5КЕ7,5СА двунаправленные).
  3. Включение в схему отрицательной эмиттерной обратной связи. Этот метод возможен после подключения эмиттера драйвера затвора к основным клеммам эмиттера модуля. Эмиттерная связь обратного действия способствует эффективному ограничению напряжения на затворе.

Примеры расчета IGBT-транзистора

Выбор транзистора производится по следующим условиям, например, для преобразователей напряжения с резонансным контуром.

  • Транзистор должен переключался при значении нулевого тока.
  • Форма токовой синусоиды относительно силовых ключей должна быть аналогична к собственной частоте контура и составляет 100 кГц.
  • Амплитуда тока должна соответствовать средней мощности, например, как 40 А к 2000 Вт.
  • Определение максимального значения напряжения и максимальной частоты переключения транзисторов при условии, что плечи транзисторов должны работать в противофазе.

Для подбора драйвера IGBT транзистора руководствуются параметрами управления затвора, необходимого для коммутирования отпиранием и запиранием силового полупроводника. Для определения мощности управления нужно знать величину заряда затвора Q gate, частоту коммутации (fin) и реальный замеренный размах напряжения на выходе драйвера ΔVgate

 

Формула заряда затвора:

где время интегрирования должно не превышать время на управление выходных напряжений драйвера до их окончательных показателей, или при достижении выходного токового значения драйвера близкого к нулю.

Выбор максимальной величины тока управления  затвором определяется по упрощенной формуле:

Зависит от осцилляции величины тока на выходе. Если осцилляция тока управления затвором есть, то значение пикового тока должно быть очень большим, а его величина должна определяться исключительно с помощью измерения.

Не менее важны условия учета размаха выходного напряжения. Наихудший случай – это максимальное значение размаха на затворе, измеряется по реально существующей схеме.

Необходим учет максимальной рабочей температуры, руководствуются значением характерным для условия естественной конверсии без использования принудительного охлаждения.

Максимальная частота коммутации, она должна быть максимально-допустимая. На выбор оказывает влияние результирующая выходная мощность и рассеиваемая мощность резистора, используемого в цепи затвора.

Максимальный ток управления зависит от величины пикового тока, который может протекать через реальный контур управления затвором без появления осцилляций.

Проверка мощных IGBT-транзисторов

Проверка силового транзистора возникает при необходимости ревизии сгоревшего транзистора, например, при ремонте сгоревшего сварочного аппарата или с целью подбора пары для устройства, с тем, чтобы убедится, что это не «перемаркер». Проверку осуществляем с помощью мультиметра: прозваниваем вывода коллектора и эмиттера в обоих направлениях, так мы убедимся в отсутствии короткого замыкания. Входную емкость затвор-эмиттер заряжаем отрицательным напряжением. Осуществляется с помощью кратковременного и одновременного прикосновения щупом «СОМ» мультиметра затвора и щупом от гнезда «V/Ω/f» — эмиттера.

Рис. №4. Проверка транзистора IGBT.

Для проверки необходимо убедиться в рабочей функциональности транзистора. Заряжаем емкость на входе затвор-эмитер положительным напряжением. Это можно сделать, коротко прикоснувшись щупом мультиметра «V/Ω/f» — затвора, к щупу«СОМ» — эмиттера. Проверяем напряжение между коллектором и змиттером, оно должно быть не больше 1,5В, меньшая величина напряжения характерна для низковольтных транзисторов. Если напряжения мультиметра не хватает для открытия и проверки транзистора, входная емкость может заряжаться от источника постоянного напряжения со значением до 15 в.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Похожее

Устройство контактно транзисторной системы зажигания

Работа контактно транзисторной системы основана на использовании полупроводниковых приборов. Преимущества контактно транзисторной системы по сравнению с батарейной системой зажигания следующие:

  • через контакты прерывателя проходит небольшой ток управления транзистора, а не ток (до 8 А) первичной обмотки катушки зажигания (исключается эрозия и износ контактов).
  • Возрастает ток высокого напряжения и энергия искрового разряда (это позволяет увеличить зазор между электродами свечи зажигания, приводит к облегчению пуска двигателя, делает двигатель экономичнее).

Для начала давайте разберемся,

Что такое транзистор

Транзистор — это трехэлектродный прибор, изменяющий сопротивление от нескольких сот омов (транзистор закрыт) до нескольких долей ома (транзистор открыт).

Имея малое сопротивление во включенном состоянии и очень большое сопротивление в выключенном состоянии, транзистор вполне удовлетворяет требованиям предъявляемым к переключающим элементам. В контактно-транзисторной системе зажигания транзистор работает в режиме переключения (режим ключа).

Устройство контактно транзисторной системы ЗИЛ-130

Схема устройства контактно-транзисторной системы зажигания двигателя ЗИЛ-130 (стрелками указана цепь высокого напряжения):

а – расположение выводов на транзисторном коммутаторе; б – общая схема системы зажигания; 1 – транзисторный коммутатор ТК 102; 2 — резисторы; 3 – блок защиты транзистора; 4 – первичная обмотка; 5 – катушка зажигания; 6 – вторичная обмотка; 7 – свечи зажигания; 8 — крышка; 9 – ротор с электродом; 10 – распределитель зажигания; 11 –подвижный контакт; 12 – неподвижный контакт; 13 – кулачок прерывателя; 14 – добавочные резисторы СЭ 117; 15 – выключатель добавочного резистора; 16 — АКБ; 17 – выключатель зажигания; 18 — стабилитрон; 19 — диод; 20 – импульсный трансформатор; 21 – германиевый транзистор; К, Б, Э – электроды транзистора (коллектор, база, эмиттер).

Контактно транзисторная система ЗИЛ-130 состоит из транзисторного коммутатора1, катушки зажигания 5, свечей зажигания 7, распределителя 10, добавочных резисторов 14, выключателя 15 добавочного резистора, АКБ 16 и выключателя зажигания 17.

Катушка зажигания Б114 – маслонаполненная, выполнена по трансформаторной схеме, т.е. ее первичная и вторичная обмотки не соединены между собой и между ними существует только магнитная связь. Первичная обмотка катушки зажигания имеет два вывода, расположенные на карболитовой крышке. Один вывод обозначен буквой К, другой не имеет обозначения. Один вывод вторичной обмотки присоединен к корпусу, а другой соединен с проводом высокого напряжения, укрепленным в центральном отверстии крышки катушки зажигания. При установке катушки зажигания ее надежно соединяют с массой так, чтобы не было зазоров.

Добавочные резисторы СЭ 107, выполненные в виде двух спиралей, установлены в отдельном кожухе и имеют три вывода: ВК-Б, ВК и К. Спирали изготовлены из константановой проволоки, сопротивление которой при нагреве не изменяется, и в первичной обмотке катушки зажигания поддерживается постоянное напряжение.

Транзисторный коммутатор ТК 102 состоит из транзистора 21, импульсного трансформатора 20 и блока 3 защиты транзистора. В блок защиты входят резисторы 2, диод 19, стабилитрон 18 и конденсатор.

Все приборы коммутатора размещены в алюминиевом корпусе, имеющем ребра для лучшего отвода теплоты. У транзисторного коммутатора есть четыре вывода, обозначенные М, К, Р, и один без обозначения. Вывод М надежно соединяют с массой автомобиля многожильным неизолированным проводом, вывод К с концом первичной обмотки катушки зажигания, вывод без обозначения – со вторым концом первичной обмотки катушки зажигания, Р с подвижным контактом прерывателя.

Как работает контактно-транзисторная система зажигания?

Если выключатель зажигания 17 включен, а контакты прерывателя разомкнуты, то транзистор 21 заперт, так как нет тока в его цепи управления, т.е. в переходе эмиттер – база. Ток не проходит и между эмиттером и коллектором на массу, так как сопротивление этого перехода очень большое. При замыкании контактов прерывателя в цепи управления транзистора (эмиттер-база) проходит ток, в результате транзистор открывается. Сила тока управления невелика около (0,8 А) и уменьшается до 0,3 А с увеличением частоты вращения кулачка прерывателя. В контактно-транзисторной системе зажигания имеются две цепи низкого напряжения: цепь управления транзистора и цепь рабочего тока.

Цепь управления транзистора: положительный вывод АКБ 16 – выключатель зажигания 17 – выводы ВК-Б и К добавочных резисторов 14 – первичная обмотка 4 катушки зажигания 5 – вывод транзисторного коммутатора 1 – электроды перехода эмиттер – база транзистора 21 – первичная обмотка импульсного трансформатора 20 – вывод Р – контакты 11 и 12 прерывателя – масса – отрицательный вывод АКБ. При прохождении тока управления транзистора через переход эмиттер-база значительно уменьшается сопротивление эмиттер-коллектор, и транзистор открывается, включая цепь рабочего тока (7-8 А).

Цепь рабочего тока низкого напряжения

Положительный вывод АКБ 16 – выключатель зажигания 17 – выводы ВК-Б и К добавочных резисторов 14 – первичная обмотка 4 катушки зажигания 5 – вывод транзисторного коммутатора 1 – электроды перехода эмиттер-коллектор транзистора 21 – вывод М – масса – отрицательный вывод АКБ. При размыкании контактов прерывателя прекращается ток в цепи управления транзистора и значительно возрастает его сопротивление. Транзистор закрывается, выключая цепь рабочего тока низкого напряжения. Магнитный поток изменяющегося поля пересекает витки катушки зажигания, индуктируя во вторичной обмотке ЭДС, в результате чего возникает высокое напряжение (около 30000 В), а в первичной обмотке ЭДС самоиндукции (около 80-100 В).

Цепь высокого напряжения

Вторичная обмотка 6 катушки зажигания 5 ротор 9 распределителя 10 – свечи зажигания 7 ( в соответствии с порядком работы двигателя) – масса – вторичная обмотка 6 катушки зажигания 5.

Импульсный трансформатор необходим для быстрого запирания транзистора. При размыкании контактов прерывателя во вторичной обмотке импульсного трансформатора индуктируется ЭДС самоиндукции, направление которой противоположно направлению рабочего тока на переходе база-эмиттер. Благодаря этому быстро исчезает магнитное поле и ток в первичной обмотке 4 катушки зажигания 5. Диод 19 и стабилитрон 18 в прямом направлении – мимо первичной обмотки катушки зажигания.

Необходимо помнить, что контакты прерывателя пропускают и прерывают только силу тока управления транзистора 0,3-0,8 А. Если на них попало масло, образовалась масляная пленка или слой окиси, то ток управления транзистора не сможет пройти через контакты. Поэтому контакты прерывателя промывают бензином и следят за тем, чтобы они всегда были чистыми.

Задачи и примеры Транзисторы, усилители кратко Электроника,…

Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про задачи транзисторы, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое задачи транзисторы, задачи усилители , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

Задачи на биполярный транзистор

Задача №1 на полевой транзистор

Условие

У полевого транзистора с управляющим р-n переходом максимальный ток стока равен 1мА, а напряжение отсечки – 4В. Какой ток будет протекать при обратном напряжении смещения затвор-исток, равном 2В? Чему равна крутизна и максимальная крутизна в этом случае?

Решение

Ток стока можно найти из выражения:

Выражение для крутизны характеристики полевого транзистора:

Максимальная крутизна:

Ответ: 0,25А; 0,25 мА/В; 0,5 мА/В.

Задача №2 на усилитель на транзисторах

Условие

В усилительном каскаде с общим истоком сопротивление нагрузки равно 20 кОм. Эффективное входное сопротивление полевого транзистора составляет 20 кОм, а рабочая крутизна – 2 мА/В. Определите коэффициент усиления каскада.

Решение

Вычислим сначала результирующее сопротивление нагрузки:

Коэффициент усиления каскада:

Ответ: 20.

Задача №3 на усилитель на транзисторе

Условие

В усилителе, показанном на схеме, при напряжении затвор-исток, равном 2В, ток стока равен 1 мА. Определите сопротивление резистора Rи, если падением напряжение IзRз можно пренебречь. Найдите напряжение Ec, если Rи=10 кОм, Uси=4 В.

Решение

Сопротивление Rи можно найти по закону Ома:

Напряжение источника питания равно:

Ответ: 2 кОм; 16 В.

Задача №4 на полевой транзистор

Условие

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом имеет следующие характеристики при температуре 25оС: начальный ток стока IСн = 10 мА, напряжение отсечки U0 = -2 В . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Оценить, на сколько процентов изменится (увеличится или уменьшится) ток стока в пологой области выходной ВАХ, если между затвором и истоком поддерживать напряжение Uзи = -0,5 В, а температуру поднять до 85 градусов Цельсия.

Решение

Изменение начального тока стока ПТ с управляющим р-n переходом может быть оценено по приближенной формуле:

Smax следует подставлять в мА/В, а Iсн – в мА, чтобы результат получился в мА. В относительных величинах:

С ростом температуры напряжение отсечки всегда возрастает по модулю, а начальный ток стока убывает при Uо > 0,6 В и возрастает при Uо < 0,6 В.

Так как в рассматриваемом случае напряжение отсечки более 0,6, то начальный ток стока должен уменьшаться при росте температуры.

Максимальная крутизна при заданном напряжении затвор-исток:

Таким образом, уменьшение тока стока составит:

Ответ: ток уменьшиться на 31%.

Задача №5 на полевой транзистор

Условие

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, имеющим ICmax = 2 мА и Smax=2 мА/В, включен в усилительный каскад по схеме с общим истоком. Сопротивление резистора нагрузки Rн=10 кОм. Определить коэффициент усиления по напряжению, если UЗИ = — 1 В.

Решение

Найдем напряжение отсечки:

Определим крутизну транзистора при напряжении затвор-исток, равном -1В:

Коэффициент усиления по напряжению равен:

Ответ: 10

Вопросы на тему транзисторы

Вопрос 1. Что такое p-n переход ?

Ответ. Электронно дырочный переход (или p-n переход) представляет собой область соприкосновения двух разных проводников с разными типами проводимости: электронной и дырочной.

В одной области носителями заряда являются электроны, а в другой – дырки. На границе соединения двух полупроводников создается запирающий слой. Электрические процессы, происходящие в p-n переходе, лежат в основе работы многих полупроводниковых приборов.

Вопрос 2. Что такое транзистор

Ответ. Транзистор – полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и изменения электрических колебаний. Обычно транзистор имеет три вывода и представляет из себя триод .

Вопрос 3. Какие есть виды транзиторов?

Ответ. По принципу действия транзисторы делятся на:

  • полевые;
  • биполярные.

Наиболее широкое применение в электронике находят биполярные транзисторы .

Вопрос 4. Как устроены биполярный и полевой транзисторы?

Ответ. Биполярный транзистор включает в себя два p-n перехода и состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора. Эмиттер и коллектор имеют одинаковый тип проводимости, а проводимость базы противоположная.

В полевом транзисторе используется один тип проводимости. Такой транзистор представляет собой классический триод и состоит из трех элементов: истока (катода), стока (анода) и затвора (управляющего электрода).

Вопрос 5. Какие есть способы включения биполярного транзистора в схему?

Ответ. Транзистор может быть включен по схемам с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором.

Транзисторы, усилители

1. Определить ток базы и коэффициент передачи h31э БПТ, включенного по схеме с общим эмиттером, если приращение тока коллектора равно 17 мА, а тока эмиттера 18 мА. Определить токи транзистора IБ , IК , IЭ и напряжения на его зажимах относительно общей шины UБ , UК , UЭ для схемы.

2. Определить коэффициент усиления по постоянному току транзистора для
схемы.

3. Определить коэффициент усиления по постоянному току транзистора для
схемы.

4. Определить ток IЭ в схеме с биполярным транзистором.

5. Определить ток IЭ и напряжение UК для схемы.

6. Определить ток IЭ и напряжение UК для схемы.

7. Определить мощность на выходе усилителя напряжения, если Rн = 40 Ом, коэффициент усиления по напряжению 200, напряжение на входе 0,01, В.

8. Определить напряжение на входе усилителя, если сопротивление
Rн = 100 Ом, Рвых = 2,5 Вт, КU = 50.

9. Определить напряжение на входе усилителя, если сопротивление
Rн = 100 Ом, Рвых = 2,5 Вт, КU = 50.

10. Определить ток базы Iб и падение напряжения на транзисторе Uкэ в усилителе напряжения, если Rб = 150 кОм, Rк = 1,25 кОм, Ек = 9 В, h31 = 40, Uбэ = 0

11. Определить коэффициент усиления двухкаскадного усилителя по току KI и напряжению KU, если сопротивление нагрузки 10 Ом, напряжение на входе усилителя 0,1 В, мощность, отдаваемая в нагрузку 0,45 Вт, входное сопротивление первого каскада 100 Ом.

12. Определить сопротивление Rк усилителя напряжения , если Ек = 10 В, Uкэп=4 В, Iкп = 5 мА

13. Найти в усилителе напряжения значение Кус, Rвых, если h21 = 900, Ом, h31 = 50, h32 = 0.00016 Сим, Rк = 3 кОм. При расчете использовать схему замещения усилителя.

14. Чему равно Ек в усилителе напряжения, если Uкэп = 7,5 В, Iкп = 1 мА, Rвых=2,5 кОм?

15. В усилителе напряжения на БПТ, с нагрузкой Rн =250 Ом , Uвх = 0.1 В, Iн = 20 мА, Rб = 50 кОм и параметрами транзистора h21 = 400, h31 = 40, h32 = 0, нужно определить коэффициент усиления по напряжению Кu и выходное напряжение. При расчете использовать схему замещения усилителя.

16. Параметры транзистора, включенного по схеме с ОЭ в однокаскадном усилителе, следующие: h21 = 250 Ом, h32 = 0.63•10‾³, h31 = 50, внутреннее сопротивление источника усиливаемых сигналов Rвн = 250 Ом, Евх = 10 мВ, сопротивление коллекторной цепи Rк = 2 кОм, Rн = 200 Ом.
Найти коэффициент усиления по току, коэффициент усиления по напряжению, коэффициент усиления по мощности, Rвых, Rвх усилителя. При расчете использовать схему замещения усилителя.

17. В режиме покоя ток коллектора IKП = 2 мА, напряжение на коллекторе равно половине напряжения источника питания. Значения резисторов в цепях, коллектора R3 = 5 кOм и эмиттера R4 = 1 кOм. Определите напряжение на базе в режиме покоя и сопротивления резисторов делителя в цепи базы. Параметр h31 принять равным 40.

18. В режиме покоя ток коллектора IKП = 100 мкА, напряжение на базе Uбп = 2 B. Определите значения резисторов в цепях коллектора и эмиттера, при которых коэффициент усиления по напряжению равен 5. Параметр h31 = 40.

19. Определите значения R1, R2, R3, R4 в схеме каскада усиления с ОЭ, если напряжение источника питания U = 5 В, коэффициент усиления каскада равен 10. При расчете принять Uкп=0,4•E B, h31> 30, Iкп = 200 мкА.

20. Определите напряжение на коллекторе транзистора для схемы каскада усиления с ОЭ, если напряжение источника питания E=10 В, h31 = 50, R1 = 50 кОм, R2 = 5 кОм, R3 = 3 кОм, R4 = 0.5 кОм

См. также

А как ты думаешь, при улучшении задачи транзисторы, будет лучше нам? Надеюсь, что теперь ты понял что такое задачи транзисторы, задачи усилители и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.

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

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

История

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

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

Что такое BJT — Bipolar Junction Transistor?

Биполярный переходной транзистор (BJT) — это двунаправленное устройство, которое использует как электронов , так и дырок в качестве носителей заряда.В то время как униполярный транзистор, т.е. полевой транзистор , использует только один тип носителя заряда. BJT — это устройство, управляемое током. Ток течет от эмиттера к коллектору или от коллектора к эмиттеру в зависимости от типа подключения. Этот основной ток контролируется очень небольшим током на клемме базы.

Конструкция

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

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

Транзисторы в основном состоят из трех частей и двух переходов. Эти три части называются Emitter , Collector, и Base . Эмиттер и коллектор помещают основание между ними. Средняя часть (основание) образует два перехода с эмиттером и коллектором. Соединение базы с эмиттером известно как соединение эмиттер-база , а соединение базы с коллектором известно как соединение коллектор-база .

Терминалы BJT

Есть три терминала BJT. Эти терминалы известны как коллектор , эмиттер и база . Эти терминалы кратко описаны здесь.

Эмиттер

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

Коллектор

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

База

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

Тип BJT

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

Конструкция PNP

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

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

Конструкция NPN

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

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

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

Работа BJT

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

Активная область:

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

i c = β x I b

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

Область насыщения:

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

i c = i sat

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

Область отсечки:

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

i c = 0

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

V be <0,7

Принцип работы BJT

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

i e = i b + i c

Где i e приблизительно равно i c , потому что I b составляет почти 2% от I C .

Конфигурация BJT

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

Конфигурации Коэффициент усиления по напряжению Коэффициент усиления по току Коэффициент усиления по мощности Входное сопротивление Выходное сопротивление Фазовый сдвиг
Конфигурация с общей базой Низкий Высокий Очень высокий 0 градусов
Общая конфигурация излучателя Средняя Средняя Высокая Средняя Высокая 180 градусов
Низкая Общая конфигурация коллектора Низкая Низкая Высокий Низкий 0 градусов
Общая базовая конфигурация:

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

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

Он имеет неинвертирующий выход, что означает, что и входные, и выходные сигналы синфазны . Этот тип конфигурации обычно не используется из-за высокого коэффициента усиления по напряжению.

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

Коэффициент усиления общей базовой конфигурации

Коэффициент усиления по напряжению
Коэффициент усиления по току I c / i e

L / R в

Конфигурация общего эмиттера

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

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

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

I e = i c + i b

Где i e — ток эмиттера

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

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

Конфигурация с общим коллектором

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

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

BJT Biasing

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

Для сохранения выходного сигнала без потерь после усиления необходимо правильное смещение. Работа в установившемся режиме в основном зависит от тока коллектора ( i c ), тока базы ( i b ) и напряжения коллектор-эмиттер ( V ce ). Если транзистор предназначен для правильной работы в качестве усилителя.Затем эти параметры должны быть выбраны правильно, что известно как смещение транзистора . Целью смещения транзистора является достижение известной рабочей точки покоя или точки Q для BJT для получения неискаженного выходного сигнала. Q2 , приведенное на приведенном выше графике, не является правильной точкой q и приводит к ограничению верхней части выходного сигнала.

Типы смещения

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

Фиксированное смещение

Один источник питания используется как для коллектора, так и для базы. В конфигурации с фиксированным смещением базовый ток BJT остается постоянным независимо от входного постоянного напряжения (V cc ). Это зависит от выбора резистора, чтобы поддерживать точку Q фиксированной и, следовательно, известной как конфигурация с фиксированным смещением .Значение резистора смещения можно найти по

(V cc -V be ) / I b .

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

I b = I c / β .

Преимущества фиксированного смещения

Обсуждаются некоторые преимущества этой схемы.

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

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

Напряжение смещения В BB -V BE = I B R B + I E R E R E должно появиться поперек RE установить I E ≈I c .

Цепь фиксированного смещения с сопротивлением эмиттера

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

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

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

Если есть изменение бета из-за изменения детали или повышения температуры в бета и I , то ток коллектора пытается еще больше увеличиться, из-за чего падение напряжения на R c увеличивается.В результате уменьшается V ce и I b . Следовательно, окончательное значение коллектора I c поддерживается стабильным с помощью схемы, которая поддерживает точку Q на фиксированном уровне.

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

Делитель напряжения смещения или делитель потенциала

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

R b = R 1 || R 2

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

Цепь смещения делителя напряжения:

Преимущество смещения делителя напряжения

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

Ограничения BJT

Вот некоторые ограничения биполярного переходного транзистора;

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

Уязвимость

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

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

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

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

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

Применение BJT

Вот некоторые из применений биполярного переходного транзистора;

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

Похожие сообщения:

Краткое изложение истории транзистора

«Транзистор был, наверное, самым важное изобретение 20-го века и история этого изобретения это одно из противоречивых эго и совершенно секретных исследований…. «

Этот краткое введение описывает вовлеченных лиц и организаций в истории транзистора. Для более насыщенного изображения, пожалуйста, следуйте ссылки на этом веб-сайте.

Колокол Laboratories, одна из крупнейших промышленных лабораторий в мире, был исследовательским подразделением гигантской телефонной компании American Telephone и Телеграф (AT&T).В 1945 году Bell Labs начал искать решение давней проблемы.

1907 — Проблема

AT&T привела своего бывшего президента Теодора Вейла, выйти на пенсию, чтобы помочь ему бороться с конкуренцией, возникающей из истечение срока действия Александра Грэма Белла телефонные патенты. Решение Вейла: трансконтинентальная телефонная связь.

В 1906 году эксцентричный американский изобретатель Ли Де Форест разработал триод в электронной лампе.Это было устройство, которое могло усиливать сигналы, включая, как предполагалось, сигналы на телефонных линиях по мере их передачи по всей стране от одной распределительной коробки к другой. AT&T купила De Патент Фореста и значительно улучшил трубку. Это позволило сигнал регулярно усиливаться по линии, что означает, что телефонный разговор может идти на любое расстояние, пока есть усилители путь.

Но вакуумные лампы, которые сделали это усиление возможным были крайне ненадежны, использовали слишком много энергии и производили слишком много нагревать. В 1930-х годах директор по исследованиям Bell Lab Мервин Келли признал, что необходимо устройство получше. чтобы телефонный бизнес продолжал расти. Он чувствовал, что ответ может находиться в странном классе материалов, называемых полупроводниками.

1945 г. — Решение

После окончания Второй мировой войны Келли собрала команду ученых разработать твердотельный полупроводниковый переключатель, который заменит проблемная вакуумная трубка.Команда использовала некоторые достижения в исследованиях полупроводников во время война, которая сделала возможным радар. Молодой блестящий теоретик, Билл Шокли был выбран в команду лидер. (См. Шокли, Браттейн и Бардин — команда и товарищи по команде)

Шокли подготовил Уолтера Браттейна из Bell Lab, физика-экспериментатора. кто мог построить или исправить что угодно, и нанял физика-теоретика Джон Бардин из Университета Миннесоты.Шокли пополнил свою команду эклектичный микс физиков, химиков и инженеров. Группа была разнообразные, но сплоченные. Уолтер Браун, физик, который присоединился к группе в 1951 году, вспоминает, что слышал об обильном вечеринки и хорошие обеды. Бетти Спаркс, Секретарь Шокли напомнила о приподнятом настроении группы на ее свадьбе. в Морган Спаркс. Они позвонили в свою лабораторию «Адский Лаборатория колоколов.»

Весной 1945 года Шокли разработал то, что он надеялся будет первым полупроводниковым усилителем, основанным на так называемом «эффект поля». Его устройство представлял собой небольшой цилиндр, тонко покрытый кремнием, установленный рядом с небольшая, металлическая пластина. Это было, как сказал инженер-электрик Иллинойсского университета. Ник Холоняк сказал, безумная идея. Действительно, устройство не работало, и Шокли поручил Бардину и Браттейну узнать почему.По словам автора Джоэля Шуркина, двое в основном работали без присмотра; Шокли большую часть времени проводил работаю дома в одиночестве.

Расположен в помещениях Bell Labs в Мюррей-Хилл, Бардин и Браттейн начали отличное партнерство. Теоретик Бардин предложил экспериментировал и интерпретировал результаты, в то время как Браттейн строил и запускал эксперименты. Вспоминает техник Фил Фой что время шло безуспешно, внутри начала нарастать напряженность. лабораторная группа.

Осенью 1947 года, автор Лилиан Ходдсон говорит, что Браттейн решил попробовать окунуть весь аппарат в воду. в ванну с водой. Удивительно, но это сработало … немного.

Браттейн начал экспериментировать с золотом на германии, исключив слой жидкости по теории, что он замедляет работу устройства. Это не сработало, но команда продолжала экспериментировать, используя этот дизайн в качестве отправная точка.

Незадолго до Рождества Бардин получил историческое прозрение. Все думали, что знают, как электроны ведут себя в кристаллах, но Бардин обнаружил, что они ошибались. Электроны образовывали барьер на поверхности. Его прорыв был тем, что им было нужно. Не рассказывая Шокли о изменения, которые они внесли в расследование, Бардин и Браттейн работал над. 16 декабря 1947 года они построили точечный транзистор, сделаны из полосок золотой фольги на пластиковом треугольнике, вставленном в контакт с пластиной германия.

Когда Бардин и Браттейн позвонили Шокли, чтобы сказать ему изобретения, Шокли был доволен результатами группы и в ярости, что он не принимал непосредственного участия. Он решил, что сохранить с его положением, он должен был бы сделать Бардина и Браттейна лучше.

Его устройство, переходной (сэндвич) транзистор, было развился в порыве творчества и гнева, в основном в гостиничном номере в Чикаго.В общей сложности ему потребовалось четыре недели работы пером на бумаге, хотя потребовалось еще два года, прежде чем он смог его построить. Его устройство было более прочным и практичным, чем устройство Бардина и Браттейна. точечный транзистор, и намного проще для производства. Он стал центральным артефактом электронной возраст. Автор Майкл Риордан говорит, что Бардина и Браттейна «оттолкнули». Это оскорбление раскололо команду, превратив некогда кооперативную среду в ту, которая была высококонкурентной.Проблемы, чьи имена должны быть зарегистрированным в патенте на устройство, и кто должен быть представлен в гласности фотографии, еще больше усилили напряженность.

Bell Labs решила представить изобретение 30 июня, 1948. С помощью инженера Джона Пирса, писавший научную фантастику в свободное время, Bell Labs остановилась на название «транзистор» — объединение идей «транс-сопротивления» с названиями других устройств, таких как термисторы.

В то время этому изобретению уделялось мало внимания. в популярной прессе или в индустрии. Но Шокли увидел его потенциал. Он покинул Bell Labs и основал Shockley Semiconductor в Пало-Альто, Калифорния. Он нанял превосходных инженеров и физиков, но, если верить физическим химик Гарри Селло, личность Шокли выгнал восьмерку своих лучших и умнейших. Эти «предательские» восемь »основали новую компанию под названием Fairchild Полупроводник.Боб Нойс и Гордон Мур, двое из восьми сформировали корпорацию Intel. Они (и другие в Техасе Instruments) является соавтором интегральной схемы. Сегодня, Intel ежедневно производит миллиарды транзисторов на своих интегральных схемах, однако Бардин, Браттейн и Шокли зарабатывали очень мало денег на своих исследовать. Тем не менее, компания Шокли положила начало Silicon Долина.

Бардин покинул Bell Labs в Иллинойском университете, где он получил вторую Нобелевскую премию.Браттейн оставался там несколько лет, а потом уехал преподавать. Шокли потерял компанию и преподавал в Стэнфорде. какое-то время, а затем ввязались в печально известный спор по поводу расы, генетика и интеллект, разрушившие его репутацию.

В 1950-х и 1960-х годах большинство американских компаний предпочитали их внимание на военном рынке при производстве транзисторной продукции. Это оставило дверь открытой для японских инженеров, таких как Масару. Ибука и Акио Морита, который основал новую компанию под названием Sony Electronics. что массовое производство крошечных транзисторных радиоприемников.Президент Bell Labs Заслуженный Ян Росс сказал, что часть их успеха заключалась в развитии способности для быстрого серийного производства транзисторов.

Транзисторное радио изменило мир, открыв информационный век. Информация могла быть быстро разрознена до конца Земли, до такой степени, что историк Чарльз Стюарт слышал о убийство Мартина Лютера Кинга младшегоот бедуинских племен в Сахара вскоре после этого.

Первые трое встречались несколько раз после разрыва: однажды в Стокгольме, Швеция, чтобы получить Нобелевскую премию 1956 г. за их вклад в физику, и еще раз в Bell Labs в 1972 году в ознаменование 25 -й годовщины их изобретений. Они праздновали то, чего не могли знать, когда впервые начали работать над транзистором — что собирались менять Мир.

Вернуться к началу

__________________
Для дополнительного чтения
см. Майкл Риордан и Лилиан. Кристалл Ходдесона Огонь: изобретение транзистора и рождение информационного века, Нью-Йорк, У. В. Нортон (1998)

Ресурсы: Видеоклип на эту страницу произведено Bell Labs, авторское право AT&T Bell Labs.


Авторские права 1999 г., ScienCentral, Inc. и Американский институт физики. Нет часть этого веб-сайта может быть воспроизведена без письменного разрешения. NavKnob является товарным знаком ScienCentral, Inc. Все права защищены.

Транзистор — работа, конструкция, применение, типы

Транзистор представляет собой трехслойное полупроводниковое устройство PNP или NPN с двумя переходами.Транзистор изготовлен из полупроводниковых материалов, то есть кремния, германия и т. Д. Транзисторы имеют два основных типа применения: усиление и переключение. В силовой электронике, где главной целью является эффективное управление мощностью, транзисторы неизменно работают как переключатели. В основном они используются в прерывателях и инверторах.

Диоды — это неуправляемые переключатели, имеющие всего два вывода. Они реагируют только на переключение напряжения на них. С другой стороны, транзисторы имеют три вывода.две клеммы действуют как контакты переключателя, а третья используется для включения и выключения переключателя. Таким образом, схема управления может быть независимой от управляемой схемы.

Транзисторы

усиливают ток, например, их можно использовать для усиления небольшого выходного тока от логической микросхемы, чтобы она могла управлять лампой, реле или другим сильноточным устройством. Во многих схемах резистор используется для преобразования изменяющегося тока в изменяющееся напряжение, поэтому транзистор используется для усиления напряжения.

Транзистор может использоваться в качестве переключателя (либо полностью включен с максимальным током, либо полностью выключен при отсутствии тока) и как усилитель (всегда частично включен).

Величина усиления тока называется усилением тока, символ hFE.

Типы транзисторов

Есть два типа стандартных транзисторов, NPN и PNP , с разными обозначениями схем. Буквы относятся к слоям полупроводникового материала, из которых изготовлен транзистор.Большинство используемых сегодня транзисторов являются NPN-транзисторами, потому что их проще всего сделать из кремния. Если вы новичок в электронике, лучше всего начать с изучения того, как использовать транзисторы NPN.

Цепь транзистора Sybols NPN PNP

Выводы помечены как база (B), коллектор (C) и эмиттер (E). Эти термины относятся к внутренней работе транзистора, но они не очень помогают понять, как используется транзистор, поэтому просто относитесь к ним как к ярлыкам! Помимо стандартных (биполярных) транзисторов, существуют полевые транзисторы, которые обычно называют полевыми транзисторами.У них разные символы схем и свойства, и они (пока) не рассматриваются на этой странице.

Соединительный транзистор

Транзисторы

имеют три вывода, которые должны быть подключены правильно. Пожалуйста, будьте осторожны с этим, потому что неправильно подключенный транзистор может быть немедленно поврежден при включении. Если вам повезет, ориентация транзистора будет ясна из схемы компоновки печатной платы или стрипборда, в противном случае вам нужно будет обратиться к каталогу поставщика, чтобы определить выводы.На рисунках справа показаны отведения для некоторых из наиболее распространенных стилей корпусов.

Обратите внимание, что схемы выводов транзисторов показывают вид снизу с выводами к вам. Это противоположно схемам выводов микросхем (микросхем), которые показывают вид сверху.

Выводы транзисторов для некоторых распространенных стилей

Паяльные транзисторы

Транзисторы

могут быть повреждены нагреванием при пайке, поэтому, если вы не являетесь экспертом, разумно использовать радиатор, закрепленный на проводе между соединением и корпусом транзистора.В качестве радиатора можно использовать стандартный зажим типа «крокодил».

Crocodile Clip

Не путайте этот временный радиатор с постоянным радиатором (описанным ниже), который может потребоваться для силового транзистора, чтобы предотвратить его перегрев во время работы.

.

Радиаторы

Радиатор

В транзисторах выделяется избыточное тепло из-за протекающего через них тока. Радиаторы необходимы силовым транзисторам, потому что они пропускают большие токи.Если вы обнаружите, что транзистор становится слишком горячим, чтобы дотронуться до него, безусловно, потребуется радиатор! Радиатор помогает рассеивать (отводить) тепло, передавая его в окружающий воздух.

Проверка транзистора

Транзисторы

могут быть повреждены нагреванием при пайке или неправильным использованием в цепи. Если вы подозреваете, что транзистор может быть поврежден, есть два простых способа его проверить:

Тестирование транзистора NPN

1. Тестирование с помощью мультиметра

Используйте мультиметр или простой тестер (аккумулятор, резистор и светодиод), чтобы проверить каждую пару проводов на проводимость.Установите цифровой мультиметр для проверки диодов, а аналоговый мультиметр — на диапазон низкого сопротивления.
Проверить каждую пару проводов в обе стороны (всего шесть тестов):

  • Переход база-эмиттер (BE) должен вести себя как диод и проводить только в одном направлении.
  • Переход база-коллектор (BC) должен вести себя как диод и проводить только в одном направлении.
  • Коллектор-эмиттер (CE) не должен проводить ни в коем случае.

На схеме показано, как ведут себя переходы в NPN-транзисторе.В транзисторе PNP диоды перевернуты, но можно использовать ту же процедуру тестирования.

Устройство

Мощность (макс.)

Vds (макс.)

Id (макс.)

IRF710 36 Вт 400 Вольт 2 Ампер
IRF510 40 Вт 100 Вольт 5 Ампер
BUZ80A 75 Вт 800 Вольт 3 Ампер
IRF540 150 Вт 100 Вольт 30 Ампер
IRFP260N 300 Вт 200 Вольт 50 Ампер
STE180NE10 360 Вт 100 Вольт 180 Ампер

2.Тестирование в простой коммутационной схеме

Подключите транзистор к схеме, показанной справа, которая использует транзистор в качестве переключателя. Напряжение питания не критично, подходит от 5 до 12 В. Эту схему можно быстро построить, например, на макете. Позаботьтесь о том, чтобы резистор 10 кОм был подключен к базе, иначе вы повредите транзистор при его проверке!

Если транзистор в порядке, светодиод должен загораться при нажатии переключателя и не загораться при отпускании переключателя.Для проверки транзистора PNP используйте ту же схему, но поменяйте местами светодиод и напряжение питания.

Схема переключения для проверки транзистора NPN

Работа транзистора NPN — Inst Tools

Переход эмиттер-база транзистора смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база — в обратном направлении. Если на мгновение проигнорировать наличие перехода эмиттер-база, то практически (Примечание 1) не будет протекать ток в цепи коллектора из-за обратного смещения.Однако, если переход эмиттер-база также присутствует, то прямое смещение на нем вызывает протекание эмиттерного тока. Видно, что этот эмиттерный ток почти полностью протекает в цепи коллектора. Следовательно, ток в цепи коллектора зависит от тока эмиттера. Если ток эмиттера равен нулю, то ток коллектора почти равен нулю. Однако, если ток эмиттера составляет 1 мА, то ток коллектора также составляет около 1 мА. Именно это и происходит с транзистором. Теперь мы обсудим это действие транзистора для транзисторов npn и pnp .

Работа npn транзистора

На рисунке ниже показан транзистор npn с прямым смещением к переходу эмиттер-база и обратным смещением к переходу коллектор-база. Прямое смещение заставляет электроны в эмиттере типа n течь к базе. Это составляет ток эмиттера I E . Когда эти электроны проходят через основание типа p , они имеют тенденцию объединяться с дырками. Поскольку основание слегка легировано и очень тонкое, только несколько электронов (менее 5%) объединяются с дырками, образуя ток базы (примечание 2) I B .Остальная часть ((Примечание 3) более 95%) переходит в коллекторную область и составляет ток коллектора I C . Таким образом, почти весь ток эмиттера протекает в цепи коллектора. Понятно, что ток эмиттера складывается из токов коллектора и базы , т.е.

I E = I B + I C

Примечание:

  1. На практике в цепи коллектора будет протекать очень небольшой ток (несколько мкА).Это называется током отключения коллектора и происходит из-за неосновных носителей заряда.
  2. Электроны, которые соединяются с дырками, становятся валентными электронами. Затем, как валентные электроны, они стекают через отверстия во внешний базовый вывод. Это составляет базовый ток I B .
  3. Причины, по которым большая часть электронов от эмиттера продолжает свой путь через базу к коллектору, чтобы сформировать ток коллектора: ( i ) База слегка легирована и очень тонкая.Следовательно, есть несколько дырок, которые успевают соединиться с электронами. ( ii ) Обратное смещение коллектора довольно велико и оказывает на эти электроны силы притяжения.

Работа транзистора PNP

На рисунке ниже показано базовое подключение транзистора pnp . Прямое смещение заставляет отверстия в эмиттере типа p течь к основанию. Это составляет ток эмиттера I E .Когда эти дырки переходят в основание типа n , они стремятся объединиться с электронами. Поскольку основание слегка легировано и очень тонкое, с электронами объединяются только несколько дырок (менее 5%). Остальная часть (более 95%) проходит в область коллектора, образуя ток коллектора I C . Таким образом, почти весь ток эмиттера протекает в цепи коллектора. Можно отметить, что токопроводимость внутри транзистора pnp осуществляется по дыркам.Однако во внешних соединительных проводах ток по-прежнему идет электронами.

Важность работы транзистора

Входная цепь (, т.е. переход эмиттер-база ) имеет низкое сопротивление из-за прямого смещения, тогда как выходная цепь (, т.е. переход коллектор-база ) имеет высокое сопротивление из-за обратного смещения. Как мы видели, ток входного эмиттера почти полностью протекает в цепи коллектора. Таким образом, транзистор передает ток входного сигнала от цепи с низким сопротивлением к цепи с высоким сопротивлением.Это ключевой фактор, отвечающий за усилительную способность транзистора.

В чем разница между PNP и NPN?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

5. На NPN-транзисторе всегда указывается стрелка.

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

PNP и NPN

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

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275f3f6d5f267ee212b7b» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузка файлов 2017 03 0417 Np Nvs Pnp Table1 «data-embed-src =» https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2017/04/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2017_03_0417_NPNvsPNP_Table1.png?auto=format&fit=max&w=1440} «data-900»

Вот список некоторых классических универсальных БЮТ:

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275f3f6d5f267ee212b7d» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузка файлов 2017 03 0417 Np Nvs Pnp Table2 «data-embed-src =» https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2017/04/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2017_03_0417_NPNvsPNP_Table2.png?auto=format&fit=max&w=1440} «данные-900»

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

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

Что такое транзистор? Подробно опишите действие транзистора.Объясните работу транзистора как усилителя.

Что такое транзистор

Когда третий легированный элемент добавляется к кристаллическому диоду таким образом, что образуются два pn перехода, полученное устройство называется транзистором.

Транзистор состоит из двух pn-переходов и образован путем размещения полупроводника p-типа или n-типа между парой полупроводников n-типа или p-типа соответственно.

Транзисторы бывают двух типов, а именно:

(i) транзистор n-p-n (ii) транзистор p-n-p

В транзисторе n-p-n два полупроводника n-типа разделены тонким слоем полупроводника p-типа, как показано на рис.1 (i). А в транзисторе p-n-p два полупроводника p-типа разделены тонким слоем n-типа, как показано на рисунке 1 (ii).

Рис.1 (i)

Рис.1 (ii)

В каждом типе транзисторов можно отметить следующие моменты:

(i) Это два pn перехода. Таким образом, транзистор можно рассматривать как комбинацию двух диодов, соединенных друг с другом.

(ii) Есть три вывода, по одному от каждого типа полупроводника.

(iii) Средний слой очень тонкий. Это наиболее важный фактор в работе транзистора.

Транзистор (npn или pnp) имеет три секции легированных полупроводников. Секция на одной стороне называется эмиттером, а секция на противоположной стороне — коллектором. Средняя часть называется базой и образует два соединения между эмиттером и коллектором.

(i) Эмиттер: Секция на одной стороне, которая снабжает носители заряда (электроны или дырки), называется эмиттером.Эмиттер всегда смещен в прямом направлении относительно база, так что она может поставлять большое количество основных перевозчиков. На рис.2 (i) эмиттер (p-типа) pnp-транзистора смещен в прямом направлении и снабжает отверстиями его соединение с базой. Аналогично на рис. 2 (ii) эмиттер (n-типа) npn-транзистора имеет прямое смещение и подает свободные электроны на его соединение с базой.

Рис.2 (i)

Рис.2 (ii)

(ii) Сборщик: Секция на другой стороне, которая собирает заряды, называется сборщиком.Коллектор всегда имеет обратное смещение. Его функция заключается в удалении зарядов из места соединения с основанием. На рис. 2 (i) коллектор (p-типа) pnp-транзистора имеет обратное смещение и принимает дырочные заряды, которые текут в выходной цепи. Аналогично на рис.2 (ii) коллектор (n-типа) npn-транзистора имеет обратное смещение и принимает электроны.

(iii) База: Средняя часть, которая образует два pn перехода между эмиттером и коллектором, называется базой. Переход база-эмиттер смещен в прямом направлении и обеспечивает низкое сопротивление цепи эмиттера.Переход база-коллектор имеет обратное смещение и обеспечивает высокое сопротивление в цепи коллектора.

Действие транзистора

Прежде чем обсуждать действие транзистора, важно иметь в виду следующие факты о транзисторе:

(i) Транзистор имеет три области: эмиттер, базу и коллектор. База намного тоньше эмиттера, а коллектор шире обоих. Однако для удобства эмиттер и коллектор обычно показаны одинакового размера.

(ii) Эмиттер сильно легирован, поэтому он может инжектировать большое количество носителей заряда в базу.

(iii) Основание слегка легировано и очень тонкое. Таким образом, менее 5% носителей заряда, выходящих из эмиттера, могут рекомбинировать в базе. И он может передавать большую часть инжектированных эмиттером носителей заряда на коллектор.

(iv) Коллектор умеренно легирован.

(v) Транзистор имеет два pn перехода, что означает, что он похож на два диода. Переход между эмиттером и базой может называться эмиттерно-базовым диодом или просто эмиттерным диодом.Переход между базой и коллектором можно назвать коллекторно-базовым диодом или просто коллекторным диодом.

(vi) Эмиттерный диод всегда смещен в прямом направлении, а коллекторный диод всегда смещен в обратном направлении.

(vii) Сопротивление эмиттерного диода очень мало по сравнению с коллекторным диодом. Следовательно, прямое смещение, приложенное к эмиттерному диоду, обычно очень мало, тогда как обратное смещение на коллекторном диоде намного выше.

Работа npn транзистора

Рис.3 показан npn-транзистор с прямым смещением к переходу эмиттер-база и обратным смещением к переходу коллектор-база.

Рис.3

Прямое смещение заставляет электроны в эмиттере n-типа течь к базе. Это составляет ток эмиттера I E .

Когда эти электроны проходят через базу p-типа, они стремятся объединиться с дырками. Поскольку основание слегка легировано и очень тонкое, только несколько электронов, то есть менее 5%, объединяются с дырками, образуя базовый ток I B .

Остальное, то есть более 95%, переходит в область коллектора и составляет ток коллектора I C .

Таким образом, почти весь ток эмиттера протекает в цепи коллектора.

Ток эмиттера складывается из тока коллектора и базы.

I E = I B + I C

Работа pnp транзистора:

На рис.4 показано базовое подключение pnp-транзистора.

Рис.4

Прямое смещение заставляет отверстия в эмиттере p-типа течь к базе, что составляет ток эмиттера I E .

Когда эти дырки переходят в основание n-типа, они стремятся объединиться с электронами. Поскольку основание слегка легировано и очень тонкое, с электронами объединяется только несколько дырок, то есть менее 5%. Это составляет базовый ток I B .

Остальные отверстия, то есть более 95%, пересекают область коллектора и составляют ток коллектора I C .

Важность работы транзистора

Транзистор передает ток входного сигнала от цепи с низким сопротивлением к цепи с высоким сопротивлением. Это ключевой фактор, отвечающий за усилительную способность транзистора.

Обозначения транзисторов

Обозначения, используемые для транзисторов npn и pnp, показаны ниже на рис.5 (i) и рис.5 (ii).

Рис.5 (i)

Рис. 5 (ii)

Можно отметить, что эмиттер показан стрелкой, которая указывает направление обычного протекания тока с прямым смещением.

Для npn-соединения обычный ток течет из эмиттера, как показано исходящей стрелкой на рис. 5 (i).

Аналогично, для pnp-соединения обычный ток течет в эмиттер, как показано направленной внутрь стрелкой на рис. 5 (ii).

Схема транзистора как усилитель

Транзистор увеличивает силу слабого сигнала и, таким образом, действует как усилитель.

На рис.6 показана принципиальная схема транзисторного усилителя.

Рис.6

Между эмиттером и базой подан слабый сигнал. Выходной сигнал берется через нагрузку R C , подключенную между коллектором и базой.

Для достижения точного усиления входная цепь всегда должна быть смещена в прямом направлении. Для этого d.c. Напряжение V EE подается во входную цепь в дополнение к сигналу, который необходимо усилить.

Это постоянный ток. Напряжение известно как напряжение смещения, и его величина такова, что оно всегда поддерживает прямое смещение входной цепи независимо от полярности сигнала.

Поскольку входная цепь смещена в прямом направлении, она имеет низкое сопротивление, поэтому небольшое изменение напряжения сигнала вызывает заметное изменение тока эмиттера. Это вызывает почти такое же изменение тока коллектора из-за действия транзистора.

Коллекторный ток, протекающий через резистор R C с высоким сопротивлением, создает на нем большое напряжение.

Таким образом, слабый сигнал, подаваемый во входную цепь, появляется в усиленной форме в цепи коллектора.

Таким образом, транзистор действует как усилитель.

Пожалуйста, помогите мне развить этот сайт, подписавшись на меня в Google Plus. Вы можете подписаться на меня, нажав кнопку ниже.

Вам могут понравиться следующие статьи

  1. Что такое транзистор? Подробно опишите действие транзистора. Объясните работу транзистора как усилителя
  2. Объясните устройство и работу JFET. В чем разница между JFET и BJT
  3. Опишите выходные характеристики и передаточные характеристики JFET.Объясните различные методы смещения JFET
  4. .
  5. Объясните устройство и работу MOSFET
  6. Однопереходный транзистор
  7. Обсудите основы транзисторного генератора. Объясните действие настроенного коллекторного генератора, генератора Колпитта и генератора Хартли
  8. .

Что такое транзистор? Типы, использование, принцип работы

Транзистор определяется как полупроводниковое устройство, которое в основном состоит из трех выводов для усиления или переключения электронных сигналов и электрических целей.Эти устройства, обычно классифицируемые на биполярные переходные транзисторы (BJT) и полевые транзисторы (FET), позволяют использовать радиоприемники, компьютеры, калькуляторы и т. Д., Которые вы используете сегодня.

Что ж, учитывая, что современные транзисторы, такие как BC547, 2n2222, 2n3904 и т. Д., Используются в микроконтроллерах (например, Arduino) или в приложениях для построения электрических схем, важно, чтобы мы более подробно рассмотрели транзисторы в сегодняшнем блоге.

Типы транзисторов и условные обозначения их схем

Ранее мы упоминали, что существует два типа транзисторов; Биполярные и полевые транзисторы.В этом разделе мы углубимся в каждый тип транзистора и объясним, как он работает.

Что такое BJT (NPN и PNP) и как это работает? Типичный BJT

Во-первых, для BJT существует две итерации или версии; NPN и PNP BJT с обозначениями схем, показанными ниже:

BJT: символы цепей NPN и PNP

Как видите, и в итерациях NPN и PNP контакты помечены; Коллектор (C), база (B) и эмиттер (E). Разницу между ними можно заметить по направлению стрелки; где для NPN стрелка выходит из базы, а для PNP стрелка входит в базу.

Как работает BJT?

Теперь, когда мы определили, что такое BJT, мы посмотрим, как BJT работают, на простой иллюстрации ниже:

Ref

Для NPN-транзистора он состоит из слоя полупроводника, легированного P, между двумя слоями материала, легированного азотом, где электроны проходят от эмиттера к коллектору. Затем эмиттер «испускает» электроны в базу, при этом база управляет номером. электронов испускает эмиттер. Выброшенные электроны, наконец, собираются коллектором и отправляются в следующую часть цепи.

В то время как для транзистора PNP он состоит из слоя полупроводника с примесью азота между двумя слоями материала с примесью фосфора, где ток базы, поступающий в коллектор, усиливается. По сути, ток по-прежнему контролируется базой, но течет в противоположном направлении. Кроме того, вместо испускания электронов эмиттер в PNP испускает «дырки» (концептуальное отсутствие электронов), которые затем собираются коллектором.

Что такое полевой транзистор и как он работает? Полевой транзистор

, другой тип транзистора, чаще всего классифицируется как MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) и состоит из контактов; Ворота, исток, сток.Благодаря другой конструкции выводов он работает несколько иначе, чем BJT.

Как работает полевой транзистор

Чтобы понять, как работает полевой транзистор, мы рассмотрим типичную принципиальную схему:

Схема полевого МОП-транзистора
  • Блок, также известный как подложка полупроводника p-типа, действует как основа для полевого МОП-транзистора
  • Две стороны этой подложки p-типа сделаны с высокой степенью легирования примесью n-типа (обозначена как n +)
    • Выводы стока (исток и сток) затем выводятся из этих двух концевых областей
  • Вся поверхность подложки покрыта слоем диоксида кремния
    • Диоксид кремния действует как изоляция
  • Тонкая Затем поверх диоксида кремния помещается изолированная металлическая пластина, действующая как пластина конденсатора.
    • Вывод затвора затем выводится из тонкой металлической пластины
  • Затем формируется цепь постоянного тока путем подключения источника напряжения между этими двумя Области n-типа (отмечены красным)

Когда напряжение подается на затвор, он генерирует электрическое поле, которое изменяет ширину области канала, где e лектроны текут.Чем шире область канала, тем лучше будет проводимость устройства.

BJT против MOSFET транзистора

Теперь, когда мы рассмотрели оба типа транзисторов; BJT и FET (широко известные MOSFET), давайте посмотрим на их различия, показанные в таблице ниже:

Конструкция затвора , сток с более сложной структурой
МОП-транзистор BJT
Определение Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор Биполярный аппаратный переходной транзистор 3
3 клеммы:
Эмиттер, база и коллектор
Принцип работы Для работы MOSFET требуется напряжение на электроде затвора с оксидной изоляцией Для работы BJT , он зависит от тока на базовом выводе
Пригодность для использования Высокомощные приложения для регулирования тока
Аналоговые и цифровые схемы
Слаботочные приложения

Какой транзистор выбрать?

Хотя MOSFET имеет преимущества перед BJT, такие как контроль напряжения, выбор любого из них зависит от целей вашего приложения.Вот для чего подходит каждый транзистор:

  • Если вы хотите регулировать поток сильного тока узкими импульсами или для любых приложений с большой мощностью, MOSFET — это то, что вам нужно. достаточно для выполнения работы

Применения транзистора

Транзистор чаще всего используется в качестве электронных переключателей в цифровых схемах или в качестве усилителя.Давайте объясним, как работает каждое приложение.

Транзисторы как переключатели

Переключатели включаются и выключаются, тогда как для транзисторов он действует как таковой, создавая двоичный эффект включения / выключения переключателя, поэтому для его переключения не требуется привод, а вместо этого требуется напряжение. Такое приложение используется для управления потоком энергии к другой части цепи. Другими словами, небольшой ток, протекающий через одну часть транзистора, позволяет протекать гораздо большему току через другую часть транзистора.

Транзисторы

как переключатели можно увидеть в микросхемах памяти, где присутствуют миллионы транзисторов, которые включаются и выключаются.

Транзисторы в качестве усилителя

Транзисторы работают не только как переключатели, но и как усилители, принимая крошечные электрические токи и производя гораздо более высокий выходной ток на другом конце. Такие транзисторы обычно используются в таких продуктах, как слуховые аппараты, радио и т. Д., И в любых изделиях в диапазоне мкВ.

Рекомендуемые транзисторы для использования

Ранее мы установили, что MOSFET является частью семейства полевых транзисторов, что делает его отличным вариантом для управления большим током.Но знаете ли вы, что это первый компактный транзистор, который можно миниатюризировать для широкого спектра применений?

Да! с революцией в электронных технологиях, он постепенно превратился в миниатюрные модули для использования в микроконтроллерах (например, Arduino)

Ниже мы даем рекомендации по MOSFET-транзисторам, идеально подходящим для такого использования!

Grove — МОП-транзистор Grove — MOSFET

Как следует из названия, Grove — MOSFET представляет собой миниатюрный МОП-транзистор, который помогает вам легко управлять проектом высокого напряжения с помощью вашей платы Arduino!

Особенности:

  • Две винтовые клеммы на плате; один для внешнего источника питания, а другой для устройства, которым вы хотите управлять с помощью
  • управления напряжением 5–15 В

Благодаря нашей системе Grove вы также сможете использовать наши кабели Grove в режиме Plug and Play, легко добавить или удалить этот транзистор в свой электронный проект!

Хотите узнать больше о Grove — MOSFET? Вы можете посетить страницу продукта здесь, чтобы увидеть его техническое описание, схему и многое другое!

Сводка

Это все на сегодняшний день руководства по транзисторам.Я надеюсь, что благодаря этому вы получите общее представление о том, что такое транзистор, типы транзисторов (BJT, FET), как они работают и их применение!

Если вы ищете простое взаимодействие Arduino с MOSFET, обратите внимание на наш Grove — MOSFET!

Следите за нами и ставьте лайки:

Теги: bc547, bjt, bjt транзистор, fet, как работает транзистор, mosfet, mosfet транзистор, npn, pnp, транзистор, схема транзистора, функция транзистора, символ транзистора, символы транзистора, типы транзисторов, что такое транзистор

Продолжить чтение

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *