Конструкция биполярного транзистора. Биполярный транзистор: устройство, принцип работы и применение

Что такое биполярный транзистор и как он работает. Каковы основные характеристики и схемы включения биполярных транзисторов. Где применяются биполярные транзисторы в электронике и технике. Какие режимы работы существуют у биполярных транзисторов.

Что такое биполярный транзистор и его устройство

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

• Эмиттер (Э) — сильно легированная область, инжектирующая носители заряда
• База (Б) — тонкая слаболегированная область, управляющая током транзистора
• Коллектор (К) — область, собирающая инжектированные носители заряда

Между этими областями образуются два p-n перехода: эмиттерный (Э-Б) и коллекторный (К-Б). В зависимости от типа проводимости областей различают транзисторы структуры n-p-n и p-n-p.

Принцип работы биполярного транзистора

Принцип работы биполярного транзистора основан на управлении током коллектора с помощью тока базы. Как это происходит?

1. При подаче прямого напряжения на переход эмиттер-база происходит инжекция носителей заряда из эмиттера в базу.
2. Большая часть этих носителей проходит через тонкую базу и достигает коллекторного перехода.
3. Обратно смещенный коллекторный переход «втягивает» носители заряда в коллектор.
4. В результате малое изменение тока базы вызывает значительное изменение тока коллектора.

Таким образом, биполярный транзистор усиливает входной сигнал. Коэффициент усиления по току β = I_к / I_б может достигать значений 100-300.

Основные характеристики биполярных транзисторов

К важнейшим параметрам биполярных транзисторов относятся:

• Коэффициент усиления по току β
• Максимально допустимый ток коллектора I_{к max}
• Максимальное напряжение коллектор-эмиттер U
  кэ max
• Предельная частота усиления f_T
• Входное и выходное сопротивление
• Обратный ток коллектора I_к0

Эти характеристики определяют возможности применения транзистора в различных электронных схемах.

Режимы работы биполярного транзистора

Существует четыре основных режима работы биполярного транзистора:

1. Активный режим — основной режим усиления сигналов. Переход эмиттер-база открыт, переход коллектор-база закрыт.
2. Режим насыщения — оба перехода открыты, транзистор полностью открыт.
3. Режим отсечки — оба перехода закрыты, транзистор полностью закрыт.
4. Инверсный активный режим — переход эмиттер-база закрыт, переход коллектор-база открыт.

Режимы насыщения и отсечки используются при работе транзистора в ключевом режиме. В активном режиме транзистор работает как усилитель.

Схемы включения биполярных транзисторов

Для биполярных транзисторов используются три основные схемы включения:

Схема с общим эмиттером (ОЭ)

Самая распространенная схема, обеспечивающая усиление как по току, так и по напряжению. Входной сигнал подается между базой и эмиттером, выходной снимается с коллектора и эмиттера.

Схема с общей базой (ОБ)

Обеспечивает хорошие частотные свойства, но имеет низкое входное сопротивление. Входной сигнал подается между эмиттером и базой, выходной снимается с коллектора и базы.

Схема с общим коллектором (ОК)

Имеет высокое входное и низкое выходное сопротивление. Используется как эмиттерный повторитель. Входной сигнал подается между базой и коллектором, выходной снимается с эмиттера и коллектора.

Применение биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы широко применяются в электронике и технике:

• В усилителях сигналов различного назначения
• В генераторах электрических колебаний
• В импульсных схемах и цифровых устройствах
• В стабилизаторах напряжения и тока
• В переключающих и коммутационных устройствах
• В схемах управления двигателями
• В источниках питания

Они используются как дискретные компоненты и в составе интегральных микросхем.

Преимущества и недостатки биполярных транзисторов

К основным достоинствам биполярных транзисторов можно отнести:

• Высокий коэффициент усиления по току
• Способность работать на высоких частотах
• Низкий уровень шумов
• Хорошая температурная стабильность

Среди недостатков стоит отметить:

• Необходимость подачи входного тока для управления
• Относительно низкое входное сопротивление
• Сложность параллельного соединения

Однако, несмотря на недостатки, биполярные транзисторы остаются одними из самых распространенных активных компонентов в электронике.

Заключение: роль биполярных транзисторов в современной электронике

Биполярные транзисторы произвели революцию в электронике, позволив создавать компактные и эффективные устройства. Несмотря на конкуренцию со стороны полевых транзисторов, они по-прежнему широко используются благодаря своим уникальным свойствам.

Понимание принципов работы и характеристик биполярных транзисторов необходимо для проектирования современных электронных схем. Это базовый компонент, без которого невозможно представить развитие электроники и техники в целом.

Устройство и принцип работы биполярного транзистора.

Всем доброго времени суток! В сегодняшней статье мы положим начало обсуждению очень важной и обширной темы, а именно транзисторам 🙂 Разберем теоретические аспекты работы, устройство, виды, рассмотрим принцип работы на практических примерах, методику расчета схем, в общем, постараемся затронуть абсолютно все!

Чтобы обсуждение было максимально структурированным и понятным, материал будет разбит на четкие разделы и разные статьи. А, поскольку транзисторы сразу же можно разделить на два крупных класса, а именно – биполярные и полевые, то так и поступим – начнем с подробного разбора биполярных и, изучив их полностью, перейдем к полевым.

Устройство биполярного транзистора.

И, первым делом, мы рассмотрим устройство биполярного транзистора и химические процессы, протекающие в нем. И в этом нам очень поможет статья о p-n переходе (ссылка), поскольку ключевые понятия мы будем использовать те же самые. Ведь транзистор есть ни что иное как три полупроводниковые области, которые формируют между собой два p-n перехода.

Кстати транзистор называется биполярным, потому что в переносе заряда участвуют и дырки, и электроны.

Итак, биполярный транзистор состоит из 3-х полупроводниковых областей. Причем тип примесной проводимости у этих областей чередуется:

То есть мы получаем два вида биполярных транзисторов – n-p-n и p-n-p. Давайте дальше все обсуждение строить на примере n-p-n транзисторов, суть для p-n-p будет такой же:

Называются эти три полупроводниковые области:

• эмиттер
• база
• коллектор

Тип проводимости эмиттера и коллектора одинаковый, но технологически они отличаются довольно значительно. Во-первых, общая область перехода база-эмиттер намного меньше общей области перехода база-коллектор. Зачем так сделано мы разберемся чуть позже. И, во-вторых, область коллектора содержит намного меньше примесей, чем область эмиттера.

Принцип работы биполярного транзистора.

Итак, транзистор содержит два p-n перехода (эмиттер-база и база-коллектор). Если не прикладывать к выводам транзистора никаких внешних напряжений, то на каждом из p-n переходов формируются области, обедненные свободными носителями заряда. Все в точности так же как здесь 🙂

В активном же режиме переход эмиттер-база (эмиттерный переход) имеет прямое смещение, а коллекторный переход – обратное.

Так как переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, то внешнее электрическое поле будет перемещать электроны из области эмиттера в область базы. Там они частично будут вступать во взаимодействие с дырками и рекомбинировать.

Но большая часть электронов доберется до перехода

база-коллектор (это связано с тем, что область базы конструктивно выполняется очень тонкой и содержит небольшой количество примесей), который смещен уже в обратном направлении. И в этом случае внешнее электрическое поле снова будет содействовать электронам, а именно помогать им проскочить в область коллектора.

В результате получается, что ток коллектора приблизительно равен току эмиттера:

I_к = \alpha I_э

Коэффициент \alpha численно равен 0.9…0.99. В то же время:

I_э = I_б + I_к

А что произойдет, если мы увеличим ток базы? Это приведет к тому, что переход эмиттер-база откроется еще сильнее, и большее количество электронов смогут попасть в область коллектора (все по тому же маршруту, который мы обсудили 🙂 ). Давайте выразим ток эмиттера из первой формулы, подставим во вторую и получим:

I_э = \frac{I_к}{\alpha}

\frac{I_к}{\alpha} = I_б + I_к

Выражаем ток коллектора через ток базы:

I_к = \frac{\alpha}{1 – \alpha} I_б = \beta I_б

Коэффициент \beta обычно составляет 100-500. Таким образом, незначительный ток базы управляет гораздо большим током коллектора. В этом и заключается принцип работы биполярного транзистора!

Коэффициент, связывающий величину тока коллектора с величиной тока базы называют коэффициентом увеличения по току и обозначают h_{21}. Этот коэффициент является одной из основных характеристик биполярного транзистора. В следующих статьях мы будем рассматривать схемы включения транзисторов и подробнее разберем этот параметр и его зависимость от условий эксплуатации.

Режимы работы биполярного транзистора.

Итак, мы рассмотрели активный режим работы транзистора (переход эмиттер-база открыт, переход коллектор-база закрыт), не обойдем вниманием и другие 🙂

Режим отсечки. Оба p-n перехода закрыты. Причем важно отметить, что переход эмиттер-база открывается начиная с некоторого значения приложенного прямого напряжения (не с нуля). Это напряжение обычно составляет около 0.6 В. То есть в режиме отсечки либо оба перехода смещены в обратном направлении, либо коллекторный переход – в обратном, а эмиттерный – в прямом, но величина напряжения не превышает 0.6 В.

В данном режиме переходы сильно обеднены свободными носителями заряда и протекание тока практически полностью прекращается. Исключение составляют только малые побочные токи переходов. В идеальном случае (без токов утечки) транзистор в режиме отсечки эквивалентен обрыву цепи.

Режим насыщения. Оба перехода открыты, и в результате основные носители заряда активно перемещаются из коллектора и эмиттера в базу. В базе возникает избыток носителей заряда, ее сопротивление и сопротивление p-n переходов уменьшается и между эмиттером и коллектором начинает течь ток. В идеальном случае транзистор в таком режиме эквивалентен замыканию цепи.

Барьерный режим. Его мы обязательно еще разберем подробнее, вкратце, идея заключается в том, что база напрямую или через небольшое сопротивление соединена с коллектором. Это эквивалентно использованию диода с последовательно подключенным сопротивлением.

Вот и все самые основные режимы работы биполярного транзистора!

Еще очень многое нам предстоит обсудить в рамках изучения транзисторов, а на сегодня, заканчиваем статью! Спасибо за внимание и ждем вас на нашем сайте снова!

Биполярные транзисторы.Виды и характеристики.Работа и устройство

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

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

Разновидности биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы разделяют по различным признакам на виды по:

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

Устройство и работа

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

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

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

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

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

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

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

Характеристики

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

Режимы работ и схемы

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

Схема с общим коллектором

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

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

Схема с общей базой

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

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

Схема с общим эмиттером

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

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

В цепи коллектора напряжение транзистора и сопротивления равны значению ЭДС: E= Ik Rk+Vke.

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

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

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

Биполярные транзисторы в различных режимах

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

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

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

Отсечка

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

Активный режим

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

Режим насыщения

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

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

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

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

Режим переключения

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

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

Похожие темы:

что это такое, как работает, схемы включения, режимы работы

Применение полупроводниковых приборов (ПП) широко распространено в радиоэлектронике. Благодаря этому уменьшились габариты различных устройств. Широкое применение получил биполярный транзистор, благодаря некоторым особенностям его функционал шире, чем у простого полевого транзистора. Чтобы понять, для чего он нужен и в при каких условиях применяется, необходимо рассмотреть его принцип действия, способы подключения и классификацию.

Устройство и принцип действия

Транзистор — электронный полупроводник, состоящий из 3 электродов, одним из которых является управляющий. Транзистор биполярного типа отличается от полярного наличием 2 типов носителей заряда (отрицательного и положительного).

Отрицательные заряды представляют собой электроны, которые высвобождаются из внешней оболочки кристаллической решетки. Положительный тип заряда, или дырки, образуются на месте высвобожденного электрона.

Устройство биполярного транзистора (БТ) достаточно простое, несмотря на его универсальность. Он состоит из 3 слоев проводникового типа: эмиттера (Э), базы (Б) и коллектора (К).

Эмиттер (от латинского «выпускать») — тип полупроводникового перехода, основной функцией которого является инжекция зарядов в базу. Коллектор (от латинского «собиратель») служит для получения зарядов эмиттера. База является управляющим электродом.

Слои эмиттерный и коллекторный почти одинаковые, однако отличаются степенью добавления примесей для улучшения характеристик ПП. Добавление примесей называется легированием. Для коллекторного слоя (КС) легирование выражено слабо для повышения коллекторного напряжения (Uк). Эмиттерный полупроводниковый слой легируется сильно для того, чтобы повысить обратное допустимое U пробоя и улучшить инжекцию носителей в базовый слой (увеличивается коэффициент передачи по току — Kт). Слой базы легируется слабо для обеспечения большего сопротивления (R).

Переход между базой и эмиттером меньший по площади, чем К-Б. Благодаря разнице в площадях и происходит улучшение Кт. При работе ПП переход К-Б включается со смещением обратного типа для выделения основной доли количества теплоты Q, которое рассеивается и обеспечивает лучшее охлаждение кристалла.

Быстродействие БТ зависит от толщины базового слоя (БС). Эта зависимость является величиной, изменяющейся по обратно пропорциональному соотношению. При меньшей толщине — большее быстродействие. Эта зависимость связана с временем пролета носителей заряда. Однако при этом снижается Uк.

Между эмиттером и К протекает сильный ток, называемый током К (Iк). Между Э и Б протекает ток маленькой величины — ток Б (Iб), который используется для управления. При изменении Iб произойдет изменение Iк.

У транзистора два p-n перехода: Э-Б и К-Б. При активном режиме Э-Б подключается со смещением прямого типа, а подключение К-Б происходит с обратным смещением. Так как переход Э-Б находится в открытом состоянии, то отрицательные заряды (электроны) перетекают в Б. После этого происходит их частичная рекомбинация с дырками. Однако большая часть электронов достигает К-Б из-за малой легитивности и толщины Б.

В БС электроны являются неосновными носителями заряда, и электромагнитное поле помогает им преодолеть переход К-Б. При увеличении Iб произойдет расширение открытия Э-Б и между Э и К пробежит больше электронов. При этом произойдет существенное усиление сигнала низкой амплитуды, т. к. Iк больше, чем Iб.

Для того чтобы проще понять физический смысл работы транзистора биполярного типа, нужно ассоциировать его с наглядным примером. Нужно предположить, что насос для закачки воды является источником питания, водопроводный кран — транзистором, вода — Iк, степень поворота ручки крана — Iб. Для увеличения напора нужно немного повернуть кран — совершить управляющее действие. Исходя из примера можно сделать вывод о простом принципе работы ПП.

Однако при существенном увеличении U на переходе К-Б может произойти ударная ионизация, следствием которой является лавинное размножение заряда. При комбинации с тоннельным эффектом этот процесс дает электрический, а с увеличением времени и тепловой пробой, что выводит ПП из строя. Иногда тепловой пробой наступает без электрического в результате существенного увеличения тока через выход коллектора.

Кроме того, при изменении U на К-Б и Э-Б меняется толщина этих слоев, если Б тонкая, то происходит эффект смыкания (его еще называют проколом Б), при котором происходит соединение переходов К-Б и Э-Б. В результате этого явления ПП перестает выполнять свои функции.

Режимы работы

Транзистор биполярного типа может работать в 4 режимах:

1. Активный.
2. Отсечки (РО).
3. Насыщения (РН).
4. Барьерный (РБ).

Активный режим БТ бывает нормальным (НАР) и инверсным (ИАР).

Нормальный активный режим

При этом режиме на переходе Э-Б протекает U, которое является прямым и называется напряжением Э-Б (Uэ-б). Режим считается оптимальным и используется в большинстве схем. Переход Э осуществляет инжекцию зарядов в базовую область, которые перемещаются к коллектору. Последний ускоряет заряды, создавая эффект усиления.

Инверсный активный режим

В этом режиме переход К-Б открыт. БТ работает в обратном направлении, т. е. из К идет инжекция дырочных носителей заряда, проходящих через Б. Они собираются переходом Э. Свойства ПП к усилению слабые, и редко БТ применяются в этом режиме.

Режим насыщения

При РН оба перехода открыты. При подключении Э-Б и К-Б к внешним источникам в прямом направлении БТ будет работать в РН. Диффузионное электромагнитное поле Э и К переходов ослабляется электрическим полем, которое создается внешними источниками. В результате этого произойдет уменьшение барьерной способности и ограничение диффузной способности основных носителей заряда. Начнется инжекция дырок из Э и К в Б. Этот режим применяется в основном в аналоговой технике, однако в некоторых случаях возможны исключения.

Режим отсечки

При этом режиме БТ закрывается полностью и не способен проводить ток. Однако в БТ присутствуют незначительные потоки неосновных носителей зарядов, создающих тепловые токи с малыми значениями. Применяется этот режим в различных видах защиты от перегрузок и коротких замыканий.

Барьерный режим

База БТ соединяется через резистор с К. В цепь К или Э включается резистор, который задает величину тока (I) через БТ. БР часто применяется в схемах, т. к. позволяет работать БТ на любой частоте и в большем диапазоне температур.

Схемы включения

Для корректного применения и подключения БТ нужно знать их классификацию и тип. Классификация биполярных транзисторов:

1. Материал изготовления: германий, кремний и арсенидогаллий.
2. Особенности изготовления.
3. Рассеиваемая мощность: маломощные (до 0,25 Вт), средние (0,25-1,6 Вт), мощные (выше 1,6 Вт).
4. Предельная частота: низкочастотные (до 2,7 МГц), среднечастотные (2,7-32 МГц), высокочастотные (32-310 МГц), сверхвысокочастотные (более 310 МГц).
5. Функциональное назначение.

Функциональное назначение БТ делится на следующие виды:

1. Усилительные низкочастотные с нормированным и ненормированным коэффициентом шума (НиННКШ).
2. Усилительные высокочастотные с НиННКШ.
3. Усилительные сверхвысокочастотные с НиННКШ.
4. Усилительные мощные высоковольтные.
5. Генераторные с высокими и сверхвысокими частотами.
6. Маломощные и мощные высоковольтные переключающие.
7. Импульсные мощные для работы с высокими значениями U.

Кроме того, существуют такие типы биполярных транзисторов:

1. Р-n-p.
2. N-p-n.

Существует 3 схемы включения биполярного транзистора, каждая из которых обладает своими достоинствами и недостатками:

1. Общая Б.
2. Общий Э.
3. Общий К.

Включение с общей базой (ОБ)

Схема применяется на высоких частотах, позволяя оптимально использовать частотную характеристику. При подключении одного БТ по схеме с ОЭ, а потом с ОБ его частота работы усилится. Эту схему подключения применяют в усилителях антенного типа. Уровень шумов на высоких частотах снижается.

Достоинства:

1. Оптимальные значения температуры и широкий диапазон частот (f).
2. Высокое значение Uк.

Недостатки:

1. Низкое усиление по I.
2. Низкое входное R.

Включение с общим эмиттером (ОЭ)

При подключении по этой схеме происходит усиление по U и I. Схему можно запитать от одного источника. Часто применяется в усилителях мощности (P).

Достоинства:

1. Высокие коэффициенты усиления по I, U, P.
2. Один источник питания.
3. Происходит инвертирование выходного переменного U относительно входного.

Обладает существенными недостатками: наименьшая температурная стабильность и частотные характеристики хуже, чем при подключении с ОБ.

Включение с общим коллектором (ОК)

Входное U полностью передается обратно на вход, и Кi аналогичен при подключении с ОЭ, но по U он низкий.

Этот тип включения применяют для согласования каскадов, выполненных на транзисторах, или при источнике входного сигнала, который имеет высокое выходное R (микрофон конденсаторного типа или звукосниматель). К достоинствам можно отнести следующие: большое значение входного и малого выходного R. Недостатком является низкий коэффициент усиления по U.

Основные характеристики биполярных транзисторов

Основные характеристики БТ:

1. Коэффициент усиления по I.
2. Входное и выходное R.
3. Обратный Iк-э.
4. Время включения.
5. Частота передачи Iб.
6. Обратный Iк.
7. Максимальное значение I.

Сферы применения

Применение биполярных транзисторов широко распространено во всех областях человеческой деятельности. Основное применение устройства получили в приборах для усиления, генерации электрических сигналов, а также выполняют роль коммутируемого элемента. Их применяют в различных усилителях мощности, в обыкновенных и импульсных блоках питания с возможностью регулирования значений U и I, в компьютерной технике.

Кроме того, их часто используют для построения различной защиты потребителей от перегрузок, скачков U, короткого замыкания. Широкое применение получили в горнодобывающей, металлургической сферах.

Биполярный транзистор, принцип работы для чайников

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

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

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

Рисунок 1 – Биполярный транзистор

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

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

Рисунок 2 – Разновидность биполярных аппаратов

Устройство биполярного транзистора

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

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

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

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

Принцип работы биполярного транзистора

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

Рисунок 3 — Принцип работы P→N→P транзистора

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

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

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

Рисунок 4 — Принципиальная схема подключения транзистора

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

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

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

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

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

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

Рисунок 5 — Направление токов в биполярном транзисторе

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

Режим работы биполярных устройств

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

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

Достоинства и недостатки биполярных транзисторов

К достоинствам биполярных транзисторов в сравнении с аналогами относятся:

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

К недостаткам можно отнести:

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

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

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

Как работает биполярный транзистор | Volt-info

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

Устройство биполярного транзистора

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

 Рисунок 1.

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

 Рисунок 2.

Принцип действия биполярного транзистора

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

Режимы работы

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

 Рисунок 3.

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

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

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

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

Рисунок 4.

Режим отсечки

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

Таким образом, для режима отсечки необходимым условием являются тождества:

U_БЭ<0,6 В

или

I_Б=0

Активный режим

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

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

I_Э=I_К+I_Б

Ток коллектора можно выразить соотношением:

I_К=αI_Э

где α – коэффициент передачи тока эмиттера

Из приведённых равенств можно получить следующее:

где β – коэффициент усиления тока базы.

Режим насыщения

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

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

 

Отличие в принципе работы транзисторов с различными структурами

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

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

 

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

Устройство и принцип работы транзистора биполярного

Транзистор (полупроводниковый триод) — это радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала (обычно с тремя выводами), способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет использовать его для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов.

Биполярные транзисторы являются более распространенным типом. К его базе подается небольшой ток, а он в свою очередь, управляет количеством тока, протекающего между коллектором и эмиттером. В данном обзоре будет подробно рассмотрены принцип работы и устройство такого транзистора. Детально разобравшись, как работает полупроводниковый триод, вы без труда разберетесь в терминологии и поймете всю суть процессов.

Устройство биполярного транзистора

Транзисторы — это довольно сложные устройства. Для лучшего понимания рассмотрим только наиболее простой тип радиоэлектронного компонента, с которыми радиолюбителям приходится сталкиваться чаще всего.

В устройство биполярного транзистора входит монокристалл, разделенный на три зоны, имеющие свой вывод:

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

Расшифруем все эти определения и более детально погрузимся в мир транзисторов, изготовленных из полупроводника кремния (Si):

Каждый атом кремния образует связи с четырьмя соседними атомами кремния. Кремний имеет 4 электрона в своей валентной оболочке. И каждый электрон становится общим с соседним атомом кремния. Рассмотренная связь называется ковалентной.

Чистый кремний характеризуется низкой электропроводностью. И чтобы кремний смог проводить электричество, электроны должны поглотить некоторое количество энергии и стать свободными электронами.

Легирование кремниевой пластины

Метод легирования применяется для улучшения электропроводности полупроводников. Например вводится пяти валентный фосфор (P) или сурьма (Sb) — один электрон окажется свободным и сможет перемещаться в системе. Данный метод называется легирование донорной примесью или примесью n типа. Если ввести трех валентный бор (B), образуется свободное место (дырка), которое может занять электрон. Соседний электрон может занять дырку в любой момент. Такое движение электронов может быть представлено в виде движения дыр в противоположном направлении. Это называется легированием акцепторной примесью или примесью p типа.

Выполнив легирование кремниевой пластины данными способами получается транзистор, у которого имеются следующие типы проводимости:

• n тип — носителями зарядов являются электроны.
• p тип — носителями зарядов являются положительно заряженные дыры.

Транзисторы по типу проводимости раздаются на два типа: n-p-n и p-n-p:

Разобравшись с легированием кремниевой пластины и определившись с типами проводимости, можно переходить к рассмотрению принципа работы транзистора.

Принцип работы транзистора

Чтобы понять, как работает транзистор, нужно разобраться в том, что происходит с электронами его базового элемента (диода). Диод образуется если легировать одну часть кремния примесью p типа, а другую примесью n типа. На границе этих частей будет происходить следующее:

Зная вышеописанный принцип работы, можно легко понять как работает транзистор. Ведь фактически транзистор — это два зеркально соединенных диода с очень тонким и слаболегированным p слоем. Поэтому, как бы не был подключен источник питания, один диод будет всегда обратно смещенным и будет препятствовать прохождению тока. Это означает, что транзистор находится в закрытом состоянии. Посмотрим как это выглядит на схеме:

Транзистор находится в закрытом состоянии

Подключим второй источник энергии (смотреть схему). Напряжение его должно быть достаточным, чтобы преодолеть потенциальный барьер. Получаем обычный диод с прямым смещением, и большое количество электронов будет перемещаться из n области. Некоторые электроны займут свободные дырки и перемещаясь по соседним свободным дыркам будут двигаться к базе. Но электронов, перемещающихся в p область гораздо больше. И оставшиеся электроны будут притягиваться к положительному полюсу первого источника энергии и станут перемещаться далее.

Схема подключения второго источника энергии:

Принцип работы транзистора

Стоит обратить внимание на то, что p область транзистора очень узкая, и гарантирует отсутствие потока оставшихся электронов к положительному полюсу второго источника энергии. То есть слабый базовый ток усиливается к коллектору. Если увеличить базовый ток, то коллекторный ток увеличится пропорционально. Это простой пример усиления тока при помощи биполярного транзистора (β = Ic ⁄ Ib).

Материалы корпуса транзисторов

Транзисторы небольшой мощности изготавливают в прямоугольных корпусах из полимерных материалов или в металлических (цилиндрической формы). Можно найти десятки разных типов транзисторных корпусов совершенно отличных форм и размеров.

Сам полупроводник, основа транзистора, имеет размер песчинки или даже меньший. К нему практически невозможно подпаять провода, поэтому кристалл помещают в более просторный корпус из металла или пластика.

Рассмотрев принцип работы транзистора, можно отметить что несмотря на довольно простое устройство, данный полупроводниковый компонент играет важную роль в схемотехнике.

Конструкция биполярных транзисторов

В полупроводниковых ИМС биполярный n-р-nтранзистор яв­ляется основным схемным элементом. Уn-р-nтранзисторов быстро­действие при прочих равных условиях лучше, чем ур-п-ртранзисто­ров. Это объясняется тем, что подвижность электронов выше, чем ды­рок.

Начнем анализ с простейшей конструкции биполярного транзи­стора п⁺-р-п( рис. 4 ). Эмиттер транзистора сильно легируют до получения максимального коэффициента инжекции. Базу транзистора для повышения коэффициента переноса делают тонкой и низколеги­рованной, так, чтобы толщина базы (w_б ) была намного меньше диф­фузионной длины инжектированных в базу электронов. Под коллек­тором располагают низкоомный слойп⁺( скрытый слой ) для умень­шения сопротивления коллектора при работе последнего в режиме на­сыщения. В тех случаях, когда транзистор не переходит в режим на­сыщения, скрытый слой не делают. При контакте полупроводника п-типа с трехвалентным алюминием, который является акцептором, последний может диффундировать в коллектор с образованием областир-типа и паразитногор-п-перехода. Для предотвращения образования паразитного перехода область кол­лекторного контакта легируют доп⁺

Транзисторы средней и большой мощности работают в режимах высоких плотностей тока (230 мА / мм²). Конструкции мощных транзисторов разрабатывают с учетом эффекта оттеснения эмиттерного тока. Этот эффект заключается в том, что плотность тока в центре эмиттерной области существенно ниже плотности тока на ее перифе­рии, и падение напряжения на эмиттерном переходе будет расти при смещении от центра эмиттера. Поэтому для повышения мощности транзистора необходимо увеличивать не общую площадь эмиттера 5э. а отношение периметра Р эмиттера к его площади. На рис. 5 показаны различные конструкции эмиттеров мощных транзисторов с большим отношением Р/S_Э.

б)

г)

д)

Рис. 2. Конструкция МДП конденсатора.

Рис. 3. Диодное включение транзисторов: а) БК-Э; б) БЭ-К;

в) Б-КЭ; г) Б-Э; д) Б-К.

Рис. 4. Конструкция биполярного транзистора: 1-эмиттер; 2-база;

3-коллектор; 4-скрытый слой;

5-приконтактная область кол­лектора.

Рис. 5. Форма эмиттеров би­полярных транзисторов повышенной мощности: а) П-образная; б) гребен­чатая; в) древовидная.

В цифровых схемах транзисторно-транзисторной логики ( ТТЛ ) используются многоэмиттерные транзисторы, которые содержат несколько эмиттеров, работающих в одной базовой области. На рис. 6 показан четырехэмиттерный транзистор. Из рисунка видно, что эмит­теры находятся на разных расстояниях от базового контакта, что при­водит к существенному различию в сопротивлениях эмиттер-базовых цепей. Для выравнивания этих сопротивлений по области базы про­кладывают проводник, а форма базовой области имеет отросток, ко­торый является базовым резистором с коэффициентом формы 34. В аналоговых ПИМС находят применение ир-п-р транзисторы, со­вместимые с планарно-эпитаксиальной технологией. Конструкция та­кого транзистора приведена на рис. 7. Их изготавливают одновремен­но сп⁺-р-птранзисторами по обычной технологии. Эмиттерный и коллекторные слои получают на этапе базовой диффузии, причем кол­лекторный слой охватывает эмиттер со всех сторон. Базовая область формируется на основе эпитаксиального слоя с подлегированием кон­тактной области во время эмиттерной диффузии. Перенос носителей в такомр-п-ртранзисторе протекает в горизонтальном направлении. Инжектированные из боковых частей эмиттера в базу дырки диффун­дируют к коллекторной области в приповерхностном слое. Ширина базы равна расстоянию междур-слоями (34 мкм ). Из-за сравни­тельно большой ширины базы частотные свойствар-п-р транзисторов хуже, а усиление меньше. Такие транзисторы применяют в аналоговых схемах, где необходимо использовать транзисторы двух типов прово­димости.

а) б)

Рис. 6. Конструкция многоэмиттерного транзистора: БП — базовый про­водник, БК — базовый контакт.

Рис. 7. Конструкция горизонтального Рис. 9. Конструкция полевого р-п-р транзистора: w_б — ширина базы. транзистора.

Общие сведения о конструкции схем транзисторов »Электроника

Разработка электронной схемы с использованием биполярных транзисторов довольно проста, используя простые принципы проектирования и несколько уравнений.

---

Учебное пособие по проектированию схем транзисторов Включает:
Проектирование схем транзисторов Конфигурации схемы Общий эмиттер Общая схема эмиттера Эмиттер-повторитель Общая база

См. Также: Типы транзисторных схем

---

Транзисторные схемы лежат в самом центре современных технологий проектирования электронных схем.Хотя в наши дни интегральные схемы используются во многих схемах, базовая конструкция транзисторной схемы часто требуется в самых разных областях.

Хотя при использовании дискретных электронных компонентов с транзисторами используется больше компонентов, можно настроить схему для обеспечения именно той функциональности, которая требуется. Соответственно, схемы, использующие дискретные транзисторы и несколько дополнительных электронных компонентов, до сих пор составляют основу проектирования электронных схем.

Это означает, что понимание конструкции транзисторной схемы по-прежнему важно, поскольку оно не только позволяет проектировать базовые транзисторные схемы, но также обеспечивает лучшее понимание работы интегральных схем, основанных на технологии биполярных транзисторов.

BC547 Транзистор с пластиковыми выводами

Основы биполярного транзистора

Очевидно, что ключевым электронным компонентом в любой транзисторной схеме является сам транзистор. Эти электронные компоненты могут быть получены в дискретной форме или могут находиться в интегральной схеме.

Транзисторы производятся в различных форматах, и их можно получить для выполнения различных функций — от слабого сигнала до высокой мощности, от аудио до ВЧ и коммутации.

Они также бывают как PNP-транзисторы и NPN-транзисторы — из этих NPN-транзисторов используются более широко, поскольку они подходят для широко используемой системы отрицательного заземления, а также их характеристики лучше с точки зрения скорости.

Хотя транзисторы NPN более широко используются, это не означает, что транзисторы PNP не используются. Они часто находят применение в качестве дополнения к транзисторам NPN и некоторым другим схемам.

Базовая структура транзистора и графические образы схем

Примечание о биполярном транзисторе:

Биполярный транзистор представляет собой трехконтактное устройство, которое обеспечивает усиление по току, когда ток коллектора в Β раз больше тока базы. Биполярный транзистор широко доступен, и его характеристики оптимизируются в течение многих лет.

Подробнее о Устройство на биполярных транзисторах и принцип его работы

Биполярный транзистор существует уже более семидесяти лет — его технология очень хорошо отработана, и хотя технология полевых транзисторов, вероятно, более широко используется в интегральных схемах, биполярные транзисторы все еще используются в огромных количествах в различных аналоговых и цифровых схемах, как в интегральных схемах и как дискретные электронные компоненты.

Биполярный транзистор был впервые изобретен в 1949 году группой ученых, работающих в Bell Labs в США. Его открытие представляет собой интересное чтение.

Примечание к истории транзисторов:

Биполярный транзистор был изобретен тремя исследователями, работающими в Bell Labroratories: Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли. Они работали над идеей, в которой для управления током в полупроводнике использовался эффект поля, но они не смогли реализовать эту идею.Они обратили свое внимание на другую возможность и сделали трехконтактное устройство, используя два близко расположенных точечных контакта на пластине из германия. Эта идея сработала, и они смогли продемонстрировать, что она принесла прибыль в конце 1949 года.

Подробнее о История биполярных транзисторов

Расчетные параметры схемы транзистора

Перед тем как приступить к проектированию электронной схемы для транзисторной схемы, необходимо определить требования к схемам: некоторые из основных параметров, связанных с транзисторными схемами.

Требования к конструкции схемы транзистора могут содержать ряд параметров:

• Коэффициент усиления по напряжению: Коэффициент усиления по напряжению часто является ключевым требованием при проектировании электронных схем. Коэффициент усиления схемы — это увеличение напряжения от входа к выходу схемы. С точки зрения математики, коэффициент усиления по напряжению A _v — это выходное напряжение, деленное на входное.

  Коэффициент усиления по напряжению — одна из ключевых целей многих схем, поскольку она обеспечивает «размер»

• Коэффициент усиления по току: Коэффициент усиления схемы по току часто важен при проектировании электронных схем, особенно там, где схема управляет нагрузкой с низким сопротивлением.Часто требуется схема без усиления по напряжению, и требуется только усиление по току, чтобы схема с относительно высоким выходным импедансом могла управлять другой схемой с более низким импедансом.

  Есть много примеров этого: ВЧ-генератору часто требуется буферный каскад, чтобы гарантировать, что сам контур генератора не загружен чрезмерно, но выход необходим для управления другими цепями. Текущая прибыль также используется в схемах питания, где ряд проходящего элемента нужд регулятора напряжения, чтобы обеспечить значительные уровни тока, но при использовании опорного тока низкого напряжения.Есть много других примеров того, где требуется усиление тока.

  Как и при измерении напряжения, коэффициент усиления схемы по току сравнивает входной и выходной уровни, но с точки зрения тока. Коэффициент усиления по току равен выходному току, деленному на входной ток.

• Входное сопротивление: Входное сопротивление транзисторной схемы всегда важно. Он определяет нагрузку на предыдущем этапе, а также важен в ВЧ схемах, где согласование импеданса является важным параметром.

  Во многих конструкциях электронных схем желателен высокий входной импеданс, поскольку это означает, что предыдущий каскад не нагружен чрезмерно. Если входной импеданс транзисторной схемы слишком низок, она будет загружать предыдущую, уменьшая уровень сигнала и, возможно, вызывая искажения в некоторых случаях. Настройка транзисторного каскада для обеспечения правильного входного импеданса является ключевым элементом процесса проектирования электронной схемы.

• Выходное сопротивление: Выходное сопротивление также важно.Если транзисторная схема управляет схемой с низким импедансом, то ее выход должен иметь низкий импеданс, в противном случае на выходном каскаде транзистора произойдет большое падение напряжения, а в некоторых случаях может возникнуть искажение сигнала.

  Если полное сопротивление нагрузки низкое, то обычно требуется схема с высоким коэффициентом усиления по току, и подходящий формат схемы может быть выбран в процессе проектирования электронной схемы. Если допускается более высокий выходной импеданс, то часто более подходящей является схема с более высоким коэффициентом усиления по напряжению.

• Частотная характеристика: Частотная характеристика — еще один важный фактор, который влияет на конструкцию схемы транзистора. Конструкции схем низкочастотных или звуковых транзисторов сильно отличаются от схем, используемых в ВЧ-приложениях. Также выбор электронных компонентов в схеме определяет отклик: транзисторы, а также номиналы конденсаторов и резисторов в конструкции электронной схемы — все влияют на частотную характеристику.

  На ранней стадии проектирования схемы необходимо иметь определенные требования к необходимой частотной характеристике, а затем схема может быть спроектирована в соответствии с требованиями.

• Напряжение и ток питания: Одним из ключевых параметров любой цепи является требуемая мощность с точки зрения требуемого напряжения и тока. Таким образом, на этапе проектирования электронных схем можно гарантировать, что правильное напряжение будет обеспечено с требуемой допустимой нагрузкой по току.

• Рассеиваемая мощность: Еще одним параметром, очень связанным с напряжением и током, подаваемым в схему, является рассеиваемая мощность.Если рассеиваемая мощность высока, то может потребоваться устройство для охлаждения и общего отвода тепла от цепи, и в частности любых электронных компонентов, которые могут рассеивать большое количество тепла. Обычно это транзистор, но другие компоненты тоже могут рассеивать тепло.

Функция цепи транзистора

Транзисторные схемы могут выполнять множество различных функций. Обычно существуют стандартные блоки для общих функций, таких как усилитель, генератор, фильтр, источник тока, дифференциальный усилитель и множество других.

Эти стандартные форматы схем широко используются и могут быть приняты, а значения электронных компонентов определены в процессе проектирования электронных схем.

Схемы часто соответствуют проверенным схемам, которые использовались в течение многих лет. Эти схемы часто использовались со старой технологией вакуумных ламп или термоэмиссионных клапанов и одинаково хорошо работают с биполярными транзисторами, а также с полевыми транзисторами, полевыми транзисторами и иногда даже с операционными усилителями.

Принимается основной формат и определяются значения для электронных компонентов, обеспечивающие требуемые характеристики.

Часто для этого требуются небольшие эксперименты, но в наши дни программное обеспечение для моделирования схем способно точно воспроизвести работу схемы, так что значения электронных компонентов могут быть оптимизированы для достижения требуемых характеристик и функциональности.

Конфигурация или топология схемы транзистора

Какими бы ни были общие функции схемы, необходимо также учитывать топологию в начале процесса проектирования электронной схемы.

Цепи транзисторов

могут быть спроектированы с использованием различных топологий, каждая из которых имеет разные характеристики, особенно с точки зрения входного и выходного сопротивления.

Эти топологии конфигураций выбираются в соответствии с требованиями проектирования электронных схем и включают общий эмиттер, общий коллектор или эмиттерный повторитель и общую базу.

Процесс проектирования схемы транзистора

Процесс проектирования транзистора состоит из нескольких этапов. Обычно они выполняются в логическом порядке, но часто приходится пересматривать различные этапы, чтобы оптимизировать значения различных электронных компонентов для обеспечения требуемой общей производительности.

• Определите требования: Определение реальных требований является важным этапом, и его правильное выполнение будет означать, что концепция схемы не изменится в будущем.

• Определите функцию и топологию схемы: После того, как общие требования для всего электронного устройства определены, необходимо выбрать фактическую схему транзистора. Например, существует множество схем генераторов, фильтров, усилителей и т. Д.для транзисторов и оптимальный тип может быть выбран для конкретных требований. Это часто также определяет фактическую топологию схемы, то есть использование общего эмиттера, общего коллектора, общей базы, но в противном случае это может быть частью общего процесса принятия решения в настоящее время, поскольку нагрузка на генераторы, усиление, выходное сопротивление и т. можно рассматривать в это время.

• Настройка условий смещения: В любой схеме одной из ключевых особенностей конструкции электронной схемы является обеспечение уровней смещения для активных устройств: в этом случае биполярные транзисторы настроены правильно.Если смещение неправильное, схема транзистора не будет работать. Определение значений электронных компонентов (в основном резисторов), которые задают смещение, является одним из ключевых этапов проектирования.

• Определите функциональные значения электронных компонентов: Наряду с установкой условий смещения, необходимо определить значения для других электронных компонентов, чтобы обеспечить функциональность схемы. Эта часть процесса проектирования электронной схемы продолжается вместе с установкой условий смещения, поскольку значения для одного будут влиять на другое, и наоборот.

• Пересмотрите значения электронных компонентов на предмет смещения и функции: После установки значений схемы всегда требуется небольшая итерация, чтобы сбалансировать требования к смещению и общей функциональности схемы. Скорее всего, этот процесс будет повторяться.

• Тестовая цепь: Тестирование цепи — ключевой элемент любой конструкции. Часто во многих лабораториях есть программное обеспечение для моделирования схем, и поэтому схема может быть смоделирована до того, как она будет построена, чтобы устранить большинство проблем.Однако заключительный тест — построить и запустить схему в условиях, максимально приближенных к рабочим условиям.

• Доработка и модификация: Часто бывает необходимо изменить электронную схему. Если это необходимо, то его переделывают и тестируют с новыми значениями электронных компонентов, компоновкой и т. Д.

Представляют собой некоторые из основных параметров схемы, требуемых для конструкции транзисторной схемы. Знание этих параметров может повлиять на выбор конфигурации схемы, и, безусловно, будет определять параметры компонентов и многие другие факторы.

Соответственно, необходимо знать параметры, управляющие работой транзисторной схемы, прежде чем можно будет приступить к проектированию.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы». . .

.Обозначения схем биполярного транзистора

»Примечания по электронике

Обозначения схем для различных форм биполярных транзисторов: NPN, PNP, Дарлингтона, светочувствительный транзистор или фототранзистор. .

---

Схемы, схемы и символы Включает:
Обзор схемных символов Резисторы Конденсаторы Индукторы, катушки, дроссели и трансформаторы Диоды Биполярные транзисторы Полевые транзисторы Провода, переключатели и соединители Блоки аналоговых и функциональных схем Логика

---

Для биполярных транзисторов не так много условных обозначений схем.Конечно, существуют разные символы схем для обозначения транзисторов NPN и PNP.

В дополнение к этому, некоторые символы схем транзисторов имеют окружность, а другие — нет. Те, у которых нет, широко используются в схемах, детализирующих внутреннюю схему ИС, поскольку легче включить несколько эмиттеров и другие варианты базового транзистора, если круг не включен.

Прочие обозначения схем биполярных транзисторов включают символы фототранзисторов, транзисторов Дарлингтона и т. Д.

Обозначения цепи биполярного транзистора
Описание транзистора	Обозначение цепи
Транзистор биполярный NPN
Транзистор биполярный PNP
Биполярный NPN-транзистор с маркированными электродами.
Биполярный NPN-транзистор без внешнего круга
Фототранзистор биполярный NPN
Биполярный фототранзистор NPN без подключения к базе
Фототранзистор биполярный NPN
NPN фотодарлингтон
Обозначение схемы транзисторной оптопары

Предыдущая страница Следующая страница

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы».. .

.

Биполярный транзистор — Wikipedia, den фри encyklopædi

Символ скематиска для BJT npn-типа.

Символ скематиска для типа pnp BJT.

Сделайте проверку кремниевых транзисторных микросхем (примерно 1 * 1 мм) в одном месте, в другом месте, в чипе и в синлиже. Husnavnet er enten TO39 eller TO5. Stregerne foroven er en millimeterskala. Nutidige siliciumbaserede bipolare transistorer.

En биполярный транзистор ( BJT , Bipolar Junction Transistor ) или другой транзисторный тип, какой-то электрический компонент, который наполовину быстро формирует какой-либо чип и упаковывает индексы с типами или машинами Бен).Формируйте электронику и создавайте электрические сигналы (аналоговый стиль), а также обменивайтесь электронными контактами (цифровой стиль).

Den Bipolare Transistor var den fremherskende ind til midten af ​​1970’erne, da den er væsentligt mindre krvende and fremstille end felteffekttransistoren, some dog and dag antalsmssigt er simple udbredt end den den bipolare transistor undtagen tel.

Hvordan работает на биполярном транзисторе и работает [redigér | redigér wikikode]

Herunder предлагает новый эксперимент, работающий с биполярным транзистором.Трековый электродер и почвообрабатывающий агрегат калдет эмиттер , базис и коллектор .

Нет изготовителя на биполярном транзисторе, который может использоваться в качестве эмиттера, на основе одного эмиттера, на основе коллектора, а также на выходе из него. Nogle kvantemekaniskeffekter i den tynde baseregion.

Transistoren kan grundlæggende anvendes på tre måder kaldet jordet emitter-, jordet kollektor- и jordet base-kobling i fagsprog.

Efter en del forsøg har man fundet ud af, at den måde at forbinde transistoren, der er mest generelt anvendelig, er at benytte emitteren bandet til 0 V (‘jord’), jordet-emitter-kobling.Ее роботы сигнализируют об основах и коллекциях брюгге.

Så er spørgsmålet, om man skal anvende spændinger eller strømme som indgangs- og udgangssignaler. Selvfølgelig vil de fysiske størrelser strøm og spænding beginge være tilstede, men hensigten er at finde et воспроизводящий эксперимент, som kan forstærke (eller styre) signalaler.

Polaritet [передатчик | redigér wikikode]

En Преобразователь биполярного транзистора в поляритетр; NPN и PNP :

• En Набор NPN-транзисторов обеспечивает постоянную работу (больше нет), когда эмиттер удерживается на нескольких основаниях.Базовый уровень имеет индифферентную мощность или установленную позитивную трату, которую я оставляю до эмиттера, так как в зависимости от стиля коллектора до эмиттера пропорциональной силы.
• En PNP-транзисторы, состоящие из нескольких элементов, имеют отрицательный результат (больше нуля), чем эмиттер для многократного стайлинга через базис. Базовый уровень имеет отрицательный расход или ограниченный расход, который я должен удерживать до эмиттера, так как на кунне стир коллектора до эмиттера пропорциональный расход.

BC550: fysiske grænser [redigér | redigér wikikode]

Двухполюсный NPN-транзистор, заменяемый на стандартный компонент, имеющий тип «BC550».Fabrikanterne af denne transistor har sizesioneret den således, at der maksimalt må løbe følgende strømme:

Ic <100 мА

Ie <100 мА

Ib <50 мА

Udover strømgrænserne er der følgende spændingsgrænser, der skal overholdes:

Vce <45 В

Вэб <5 В

Vcb <50 В

Og så den sidste vigtige grænse: температура не зависит от транзисторного чипа не должна превышать 150 ° C.

Bliver nogen af ​​духовка gnser højere end det opgivne, vil fabrikantens tekniske data, opgivet for transistoren, ndre sig constant. Det er som regel til det dårligere.

Fabrikanten har målt, at der er en varmemodstand mellem chippen og den omgivende luft på 250 K / W. K står для кельвина (enhed для temperaturforskellen). W står for watt (enhed forffekten).

Er den omgivende lufttemperatur 25 ° C, må der maksimalt afsættes følgendeffekt i chippen:
Tmaxchip − TluftModstandchiptilluft = 150−25250 = 0,5 Вт {\ displaystyle {\ frac {T {maxchip} -T_ {luft}} {Modstand_ {chiptilluft}}} = {\ frac {150-25} {250}} = 0,5 Вт}

Forsøg 1: spændingsstyring [redigér | redigér wikikode]

— Напряжение питания: Vce = 5 В для шелушителя при напряжении на 100 мА.После того, как будет произведена подача данных на входе (Vbe), поиск будет произведен с учетом температуры микросхемы для измерения напряжения 0,6… 0,8 В (макс. 50 мА). Det er smart til termometerbrug, men ikke til forstærkerbrug. Hvad skete der med Ib og Ic — определите измеряемую температуру: Ved Vbe = 0,6 В (0 ° C

Forsøg 2: strømstyring [redigér | redigér wikikode]

— Источник напряжения питания: Vce = 5 В для шелушителя при напряжении на 100 мА.Следите за строкой ввода (Ib), ищите man ud af, at strømmen Ic er næsten en konstant faktor af Ib. Fordi Ic / Ib næsten er konstant for varierende Ib, har man givet den et navn: Strømforstærkningsfaktoren og benævnelsen beta, Hfe eller hFE. Дефицит постоянного тока для чипа-cendringer и Vce> 1 В. Типичный интервал Hfe и følgende интервал: 10

Hvorfor er det interessant med strømforstærkning? [Redigér | redigér wikikode]

Det er det fordi vi er interesseret i at forstærke signalaler. Det at forstærke vil sige, at gange med en fast faktor, uafhængig af input-signalets styrke. F.eks. Он настроен на соединение и мощность радиоканала 7,5 мкВ и 75 мВ на радиоантенны, подаваемые и передаваемые на 75 Ом. Через сопротивление через сопротивление, равное 0,1 мкА или 1 мА.Skal vi lytte til lyden fra en radiokanal, skal vi strømforstærke mellem 1.000.000 или 100 gange, для того, чтобы иметь возможность смотреть радиоканалы и højttaleren. Её forudsættes en strøm på 100 mA i en højttaler på f.eks. 8 Ом.

Чтобы использовать транзистор и использовать эмиттер-коблинг, он должен быть оснащен всем вместе с генератором.

Данные для современного типа [редактирование | redigér wikikode]

.