Принцип действия биполярного транзистора кратко. Принцип действия биполярного транзистора: устройство, работа и применение

Как устроен биполярный транзистор. Каковы основные типы биполярных транзисторов. Как работает биполярный транзистор. Какие режимы работы имеет биполярный транзистор. Где применяются биполярные транзисторы.

Устройство биполярного транзистора

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей с чередующимся типом проводимости. Он содержит два p-n перехода, расположенных очень близко друг к другу.

Основные типы биполярных транзисторов:

• n-p-n транзисторы — состоят из двух областей n-типа, разделенных тонким слоем p-типа
• p-n-p транзисторы — состоят из двух областей p-типа, разделенных тонким слоем n-типа

Три области транзистора называются:

• Эмиттер — сильно легированная область, являющаяся источником основных носителей заряда
• База — тонкая слаболегированная область
• Коллектор — умеренно легированная область, собирающая основные носители заряда

Принцип работы биполярного транзистора

Принцип действия биполярного транзистора основан на управлении потоком основных носителей заряда через базу. Рассмотрим работу n-p-n транзистора:

1. При подаче прямого смещения на переход эмиттер-база электроны инжектируются из эмиттера в базу
2. Так как база очень тонкая, большинство электронов проходит через нее без рекомбинации
3. Обратносмещенный переход коллектор-база создает электрическое поле, которое втягивает электроны из базы в коллектор
4. Таким образом, небольшое изменение тока базы вызывает значительное изменение тока коллектора

Для p-n-p транзистора принцип аналогичен, но носителями заряда являются дырки, а направления токов противоположны.

Режимы работы биполярного транзистора

Биполярный транзистор может работать в следующих основных режимах:

• Активный режим — используется для усиления сигналов. Переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база — в обратном.
• Режим насыщения — транзистор полностью открыт. Оба перехода смещены в прямом направлении.
• Режим отсечки — транзистор полностью закрыт. Оба перехода смещены в обратном направлении.
• Инверсный режим — переход эмиттер-база смещен в обратном направлении, а коллектор-база — в прямом. Используется редко.

Основные параметры биполярных транзисторов

Ключевыми параметрами, характеризующими работу биполярного транзистора, являются:

• Коэффициент усиления по току β — отношение изменения тока коллектора к вызвавшему его изменению тока базы
• Максимально допустимый ток коллектора I_{C max}
• Максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер U_{CE max}
• Граничная частота f_T — частота, на которой коэффициент усиления падает до единицы
• Емкости переходов C _BE и C_BC

Схемы включения биполярных транзисторов

Существует три основные схемы включения биполярных транзисторов:

• С общим эмиттером (ОЭ) — наиболее распространенная схема, обеспечивает усиление как по току, так и по напряжению
• С общей базой (ОБ) — обеспечивает высокое усиление по напряжению
• С общим коллектором (ОК) — обеспечивает усиление по току, но коэффициент усиления по напряжению меньше единицы

Применение биполярных транзисторов

Благодаря своим свойствам биполярные транзисторы нашли широкое применение в электронике:

• Усилители сигналов в аудиотехнике, радиоприемниках, передатчиках
• Генераторы электрических колебаний
• Электронные ключи в импульсных схемах
• Стабилизаторы напряжения
• Логические элементы в цифровых схемах
• Датчики температуры

Преимущества и недостатки биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы обладают рядом достоинств и ограничений:

Преимущества:

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

Недостатки:

• Относительно большой входной ток
• Нелинейность характеристик
• Чувствительность к перегреву
• Сложность создания интегральных схем с высокой степенью интеграции

Сравнение биполярных и полевых транзисторов

Биполярные и полевые транзисторы имеют ряд отличий в принципе работы и характеристиках:

Параметр	Биполярный транзистор	Полевой транзистор
Управляющий параметр	Ток базы	Напряжение на затворе
Входное сопротивление	Низкое (кОм)	Очень высокое (МОм)
Выходное сопротивление	Среднее	Высокое
Быстродействие	Высокое	Очень высокое
Линейность	Низкая	Высокая

Проверка и тестирование биполярных транзисторов

Для проверки исправности биполярного транзистора можно использовать следующие методы:

1. Проверка мультиметром в режиме прозвонки диодов:
   • Переход база-эмиттер должен проводить в прямом направлении
   • Переход база-коллектор также должен проводить в прямом направлении
   • Между коллектором и эмиттером проводимость должна отсутствовать
2. Измерение коэффициента усиления с помощью специальных приборов
3. Проверка работы транзистора в реальной схеме

При тестировании важно соблюдать меры предосторожности, чтобы не повредить транзистор статическим электричеством или превышением допустимых параметров.

Биполярный транзистор: строение и принцип действия | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Тема:

Транзисторы

Рис. 8.21. Структура транзисторов типа n-p-n и p-n-p

Действие транзистора основывается на использовании свойств p-n-переходов. При изготовлении так называемых

биполярных (с двумя переходами) транзисторов в кри­сталле полупроводника создают два p-n-пе­рехода. В противоположных участках кри­сталла создается проводимость одного типа, а в участке между ними — проводимость дру­гого типа. Таким образом, можно иметь тран­зисторы p-n-p-типа и n-p-n-типа (рис. 8.21).

Рассмотрим принцип действия транзисто­ра типа n-p-n, строение которого схемати­чески изображено на рис. 8.22. Один переход (на рисунке левый) включается в направ­лении проводимости. Он получил название эмиттерного перехода. При таком включении сопротивление перехода небольшое. Второй переход включается в обратном направле­нии; он получил название

коллекторного перехода. Этот переход имеет сопротивление намного большее, чем сопротивление эмиттерного перехода.

Электроды транзистора имеют такие на­звания: эмиттер, база, коллектор. На рис. 8.23 показаны условные обозначения транзисто­ров типа p-n-p (а) и n-p-n (б).

Эмиттер (от лат. emitto) — выпускать.

Коллектор (от лат. collektor) — сохранитель.

Источник E₁ (см. рис. 8.22) направляет свободные электроны из эмиттерной части в область базы, где они являются неоснов­ными свободными носителями заряда, по­скольку область базы в этом случае имеет проводимость р-типа. Здесь концентрация свободных носителей заряда значительно меньше, чем в областях эмиттера и коллек­тора. Кроме того, область базы изготовляют очень тонкой, поэтому электроны, попа­дающие в нее из эмиттера, лишь в незна­чительном количестве рекомбинируют (объе­диняются) с дырками или достигают базо­вого электрода. Основная часть этих элект­ронов захватывается сильным электричес­ким полем, созданным в коллекторной це­пи с помощью источника тока

E₂. Материал с сайта http://worldofschool.ru

Рис. 8.22. Эмиттерный и коллекторный переходы транзистора

Рис. 8.23. Условные обозначения тран­зисторов типа p-n-p и n-p-n

Рис. 8.24. Схема включения транзистора с общим эмиттером

Таким образом, в коллекторной цепи сила тока I_К несколько меньше, чем сила тока в эмиттерной цепи I_Э. Усиление тока при таком включении транзистора не про­исходит. Но поскольку сопротивление кол­лекторной цепи во много раз превышает сопротивление эмиттерной цепи, то имеем значительное усиление напряжения и мощ­ности. Рассмотренную схему включения тран­зистора называют схемой с общей базой.

Если необходимо усилить ток, то ис­пользуют схему с общим эмиттером (рис. 8.24). На рисунке изображена схема для транзи­сторов типа p-n-p. Если используют тран­зисторы типа n-p-n, то изменяют поляр­ность включения источника тока.

Промышленность выпускает не только биполярные транзисторы, рассмотренные выше, но и так называемые полевые тран­зисторы, которые тоже применяются ши­роко в технике.

На этой странице материал по темам:

• Транзистор принцип работы физика 8 класс

• Принцип работы транзистора типа р-п-р презентация

• Будова та принцип дії біполярного транзистора

Вопросы по этому материалу:

• Какое строение имеют биполярные транзисторы?

• Какие свойства имеют биполярные транзисторы?

• Есть несколько биполярных транзисторов. Какой способ вы могли бы предложить, чтобы разделить отдельно транзисторы типа

  р-п-р и п-р-п?

67) Нарисуйте структуру и поясните принцип работы биполярного транзистора.

Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор состоящий из трех чередующихся по типу основных носителей заряда полупроводников, которые соединены таким образом что образуют два p-n перехода, включенные на встречу друг другу.

Транзистор способен осуществлять усиление мощности электрического сигнала. Существуют два типа транзисторов n-p-n и p-n-p. Далее рассматриваются только первые.

Усилительные свойства транзистора наилучшим образом проявляются, в случае если эмиттерный переход открыт, а коллекторный переход закрыт. (Uэб>0, Uкб<0). При этом в базу инжектируются от эмиттера не основные носители заряда. Желательно соблюдение условия wб << Lб (длинна рекомбинации в базе). В таком случае большая часть большая часть инжектированных электронов достигает закрытого коллекторного перехода и отсасывается коллектором. В рассмотренном приближении Ik = Iэ. Ток Iэ зависти от напряжения на переходе, а вот ток на коллекторном переходе от напряжения не зависит, поэтому коллекторный ток можно пропустить через значительное сопротивление (в цепи коллектора), таким образом, повысив напряжение и соответственно мощность. Это называется транзисторным эффектом.

При обратных допущениях транзистор эквивалентен двум включенным встречно диодам. Транзистор возможно развернуть, поменяв коллектор и эмиттер, что не скажется на принципе его функционирования, но ухудшит характеристики.

68) Назовите типы, режимы работы и схемы включения биполярного транзистора.

В зависимости от напряжений на переходах возможны 4 режима работ транзистора:

-нормальный режим (Ueb>0;Ukb < 0)

-инверсный режим (Ueb<0;Ukb>0)

-режим насыщения (Ueb>0;Ukb>0)

-режим утечки (Ueb<0;Urd<0)

Классификация транзисторов проводится по нескольким параметрам: по типу проводимости транзисторы делятся на p-n-p и n-p-n.

Базовая область транзистора может быть легирована однородно или неоднородно. В последнем случае в базе существует встроенное электрическое поле, компенсирующие диффузионные токи носителей заряда в состоянии равновесия. Это электрическое поле действует на не основные носители, инжектированные в базу из эмиттера, создавая в базе дрейфовый ток. Поэтому транзисторы с неоднородным распределением называют дрейфовыми, а с однородным бездейфовыми.

В дискретных транзисторах, предназначенных для монтажа в корпусе, контакты к областям эмиттера, базы и коллектора могут быть расположены в различных плоскостях полупроводникового кристалла. Такие транзистор называю непланарными, их противоположность – планарные транзисторы. По принципу производства непланарные транзисторы делятся еще на оплавные и диффузные.

Существуют три основные схемы включения транзистора:

-общая база – ОБ

-общий эмиттер – ОЭ

-общий коллектор – ОК

69) Рассчитайте для всех схем включения коэффициенты усиления по току и напряжению.

70) Нарисуйте схему Эберса-Молла. Поясните принцип ее работы и назначение элементов схемы.

72. Нарисуйте семейства идеальных выходных и входных характеристик биполярного транзистора по схеме включения с ОБ. Нарисуйте семейства идеальных выходных и входных характеристик биполярного транзистора по схеме включения с ОЭ.

Характеристики:

72. Нарисуйте и объясните эквивалентную схему для постоянных составляющих для биполярного транзистора по схеме с ОБ.

Практическая ценность эквивалентной схемы Эберса-Молла повышается, если дополнить ее сопротивлениями слоев r_б, r_ээ, r_кк.

Тогда один или оба тока Iэ и Iк могут считаться известными

Схема для нормального активного режима

Транзистор работает в активном режиме, т.е. Iэ>0 Uкт >0

Для узлов «х» напишем первый закон Кирхгофа…

72. Поясните назначение коэффициента внутренней обратной связи для эквивалентной схемы для переменных составляющих биполярного транзистора с ОБ.

{

72. Нарисуйте структуру и поясните принцип работы МДП транзистора.

73. Назовите типы и режимы работы МДП.

74. Поясните назначение порогового напряжения. С чем связано пороговое напряжение МДП?

75. Нарисуйте выходные и передаточные характеристики МДП. Поясните физический смысл насыщения тока стока.

}

Принцип работы полевого транзистора с изолированным затвором рассмотрим на примере n-канального МДП-транзистора, сформированного на кремнии р-типа(рис. 3.5). Смысл термина«n-канальный» транзистор будет ясен из анализа физических процессов, происходящих в таком транзисторе.

При напряжении между затвором и истоком равным нулю и при положительном напряжении между стоком и истоком ток в цепи стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток стокового р-n-перехода.

При подаче на затвор положительного смещения условия в приповерхностной области полупроводника изменяются. По мере того, как на затворе накапливается положительный заряд, свободные дырки, присутствующие в полупроводнике р-типа, вытесняются из области, расположенной непосредственно под затвором, и в ней образуется обедненный слой(рис. 3.5а).

При достижении определенной степени обеднения продолжающееся увеличение смещения затвора вызывает притяжение к поверхности полупроводника подвижных отрицательно заряженных электронов. Когда в области канала накопится достаточное количество электронов, тип проводимости приповерхностной области полупроводника изменится с дырочного на электронный (рис. 3.5б), другими словами, произойдет инверсия типа проводимости. При этом

исток и сток окажутся соединенными друг с другом посредством инверсионного слоя с проводимостью n-типа, служащего каналом. Отсюда прибор такого типа называют n-канальным полевым транзистором. Существуют полевые транзисторы и с каналом р-типа. Такие приборы изготавливаются на основе полупроводника n-типа, а области истока и стока являются областями р+-типа (областями с высокой концентрацией акцепторной примеси).Подавая на затвор сигнал, можно модулировать количество носителей заряда в канале, так что затвор по существу регулирует ток, протекающий в канале. При малом значении напряжения на стоке инверсионный слой простирается на всю область канала, соединяя области истока и стока. При таких условиях ток стока зависит от потенциалов стока и затвора.

При постоянном потенциале затвора увеличение потенциала стока изменяет условия в области канала. Ток в цепи исток– сток вызывает падение напряжения вдоль канала. Это ведет к уменьшению напряжения между затвором и полупроводником, т.е. на диэлектрике, изолирующем затвор, причем наибольшее уменьшение напряжения имеет место вблизи стока. Когда падение напряжения в канале достигает такой величины, при которой поле в диэлектрике уменьшается настолько, что инверсионный слой вблизи стока исчезает, канал переходит в состояние перекрытия (рис. 3.5в), и ток стока стремится при этом к некоторой величине, не зависящей от потенциала стока. Говорят, что транзистор в этом случае находится в состоянии насыщения. При дальнейшем повышении потенциала стока точка отсечки канала движется к истоку, длина инверсионного канала уменьшается (рис. 3.5г) и МДП-транзистор переходит в состояние все более глубокого насыщения.

Правее точки отсечки (перекрытия) канала имеется область обеднения подвижными носителями заряда, простирающаяся

вплоть до стока. Токопрохождение в этой области полупроводника связано с инжекцией в данном случае электронов из канала транзистора. Это подобно процессу инжекции носителей заряда переходом эмиттер– база биполярного транзистора в обедненную область его коллекторного перехода.

Типичный вид семейства выходных вольт-амперных характеристик (зависимости тока стока от напряжения между стоком и истоком) МДП-транзистора представлен на рис. 3.6. В качестве параметра, определяющего отдельную характеристику семейства, выбрано напряжение между затвором и истоком.

На семействе вольт-амперных характеристик можно выделить две области (линейную область и область насыщения), разделенные штриховой линией. В этих точках (при конкретных, связанных между собой потенциалах затвора и стока) имеет место отсечка канала. Видно, что в линейной области(до отсечки) ток стока растет с увеличением потенциала стока, а в области насыщения (после отсечки канала) ток стока практически не зависит от потенциала стока. С увеличением потенциала затвора растет ток стока и отсечка канала наступает при бóльших потенциалах стока.

схемы включения. Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Добрый день, друзья!

Сегодня мы продолжим знакомиться с электронными «кирпичиками» компьютерного «железа». Мы уже рассматривали с вами, как устроены полевые транзисторы, которые обязательно присутствуют на каждой материнской плате компьютера.

Усаживайтесь поудобнее – сейчас мы сделаем интеллектуально усилие и попытаемся разобраться, как устроен

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор, который широко применяется в электронных изделиях, в том числе и компьютерных блоках питания.

Слово «транзистор» (transistor) образовано от двух английских слов – «translate» и «resistor», что означает «преобразователь сопротивления».

Слово «биполярный» говорит о том, что ток в приборе вызывается заряженными частицами двух полярностей – отрицательной (электронами) и положительной (так называемыми «дырками»).

«Дырка» — это не жаргон, а вполне себе научный термин. «Дырка» — это не скомпенсированный положительный заряд или, иными словами, отсутствие электрона в кристаллической решетке полупроводника.

Биполярный транзистор представляет собой трехслойную структуру с чередующимися видами полупроводников.

Так как существуют полупроводники двух видов, положительные (positive, p-типа) и отрицательные (negative, n-типа), то может быть два типа такой структуры – p-n-p и n-p-n.

Средняя область такой структуры называется базой, а крайние области – эмиттером и коллектором.

На схемах биполярные транзисторы обозначаются определенным образом (см рисунок). Видим, что транзистор представляет собой, по существу, да p-n перехода, соединенных последовательно.

Вопрос на засыпку – почему нельзя заменить транзистор двумя диодами? Ведь в каждом из них есть p-n переход, не так ли? Включил два диода последовательно – и дело в шляпе!

Нет! Дело в том, что базу в транзисторе во время изготовления делают очень тонкой, чего никак нельзя достичь при соединении двух отдельных диодов.

Принцип работы биполярного транзистора

Основной принцип работы транзистора заключается в том, что небольшой ток базы может управлять гораздо бОльшим током коллектора — в диапазоне практически от нуля до некоей максимально возможной величины.

Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления по току и может составлять величину от нескольких единиц до нескольких сотен.

Интересно отметить, что у маломощных транзисторов он чаще всего больше, чем у мощных (а не наоборот, как можно было бы подумать).

Разница в том, что в отличие от затвора ПТ, при управлении ток базы всегда присутствует, т.е. на управление всегда тратится какая-то мощность.

Чем больше напряжение между эмиттером и базой, тем больше ток базы и, соответственно, больше ток коллектора. Однако любой транзистор имеет максимально допустимые значения напряжений между эмиттером и базой и между эмиттером и коллектором. За превышение этих параметров придется расплачиваться новым транзистором.

В рабочем режиме обычно переход база-эмиттер открыт, а переход база-коллектор закрыт.

Биполярный транзистор, подобно реле, может работать и в ключевом режиме. Если подать некоторый достаточный ток в базу (замкнуть кнопку S1), транзистор будет хорошо открыт. Лампа зажжется.

При этом сопротивление между эмиттером и коллектором будет небольшим.

Падение напряжения на участке эмиттер – коллектор будет составлять величину в несколько десятых долей вольта.

Если затем прекратить подавать ток в базу (разомкнуть S1), транзистор закроется, т.е. сопротивление между эмиттером и коллектором станет очень большим.

Лампа погаснет.

Как проверить биполярный транзистор?

Так как биполярный транзистор представляет собой два p-n перехода, то проверить его цифровым тестером достаточно просто.

Надо установить переключатель работы тестера в положение , присоединив один щуп к базе, а второй – поочередно к эмиттеру и коллектору.

По сути, мы просто последовательно проверяем исправность p-n переходов.

Такой переход может быть или открыт, или закрыт.

Затем надо изменить полярность щупов и повторить измерения.

В одном случае тестер покажет падение напряжение на переходах эмиттер – база и коллектор – база 0,6 – 0,7 В (оба перехода открыты).

Во втором случае оба перехода будут закрыты, и тестер зафиксирует это.

Следует отметить, что в рабочем режиме чаще всего один из переходов транзистора открыт, а второй закрыт.

Измерение коэффициента передачи биполярного транзистора по току

Если в тестере имеется возможность измерения коэффициента передачи по току, то проверить работоспособность транзистора можно, установив выводы транзистора в соответствующие гнезда.

Коэффициент передачи по току – это отношение тока коллектора к току базы.

Чем больше коэффициент передачи, тем большим током коллектора может управлять ток базы при прочих равных условиях.

Цоколевку (наименование выводов) и другие данные можно взять из data sheets (справочных данных) на соответствующий транзистор. Data sheets можно найти в Интернете через поисковые системы.

Тестер покажет на дисплее коэффициент передачи (усиления) тока, который нужно сравнить со справочными данными.

Коэффициент передачи тока маломощных транзисторов может достигать нескольких сотен.

У мощных транзисторов он существенно меньше – несколько единиц или десятков.

Однако существуют мощные транзисторы с коэффициентом передачи в несколько сотен или тысяч. Это так называемые пары Дарлингтона.

Пара Дарлингтона представляет собой два транзистора. Выходной ток первого транзистора является входным током для второго.

Общий коэффициент передачи тока – это произведение коэффициентов первого и второго транзисторов.

Пара Дарлингтона делается в общем корпусе, но ее можно сделать и из двух отдельных транзисторов.

Встроенная диодная защита

Некоторые транзисторы (мощные и высоковольтные) могут быть защищены от обратного напряжения встроенным диодом.

Таким образом, если подключить щупы тестера к эмиттеру и коллектору в режиме проверки диодов, то он покажет те же 0,6 – 0,7 В (если диод смещен в прямом направлении) или «запертый диод» (если диод смещен в обратном направлении).

Если же тестер покажет какое-то небольшое напряжение, да еще в обоих направлениях, то транзистор однозначно пробит и подлежит замене . Закоротку можно определить и в режиме измерения сопротивления – тестер покажет малое сопротивление.

Встречается (к счастью, достаточно редко) «подлая» неисправность транзисторов. Это когда он поначалу работает, а по истечению некоторого времени (или по прогреву) меняет свои параметры или отказывает вообще.

Если выпаять такой транзистор и проверить тестером, то он успеет остыть до присоединения щупов, и тестер покажет, что он нормальный. Убедиться в этом лучше всего заменой «подозрительного» транзистора в устройстве.

В заключение скажем, что биполярный транзистор – одна из основных «железок» в электронике. Хорошо бы научиться узнавать – «живы» эти «железки» или нет. Конечно, я дал вам, уважаемые читатели, очень упрощенную картину.

В действительности, работа биполярного транзистора описывается многими формулами, существуют многие их разновидности, но это сложная наука. Желающим копнуть глубже могу порекомендовать чудесную книгу Хоровица и Хилла «Искусство схемотехники».

Транзисторы для ваших экспериментов можно купить

До встречи на блоге!

PNP-транзистор является электронным прибором, в определенном смысле обратном NPN-транзистору. В этом типе конструкции транзистора его PN-переходы открываются напряжениями обратной полярности по отношению к NPN-типу. В условном обозначении прибора стрелка, которая также определяет вывод эмиттера, на этот раз указывает внутрь символа транзистора.

Конструкция прибора

Конструктивная схема транзистора PNP-типа состоит из двух областей полупроводникового материала p-типа по обе стороны от области материала n-типа, как показано на рисунке ниже.

Стрелка определяет эмиттер и общепринятое направление его тока («внутрь» для транзистора PNP).

PNP-транзистор имеет очень схожие характеристики со своим NPN-биполярным собратом, за исключением того, что направления токов и полярности напряжений в нем обратные для любой из возможных трех схем включения: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором.

Основные отличия двух типов биполярных транзисторов

Главным различием между ними считается то, что дырки являются основными носителями тока для транзисторов PNP, NPN-транзисторы имеют в этом качестве электроны. Поэтому полярности напряжений, питающих транзистор, меняются на обратные, а его входной ток вытекает из базы. В отличие от этого, у NPN-транзистора ток базы втекает в нее, как показано ниже на схеме включения приборов обоих типов с общей базой и общим эмиттером.

Принцип работы транзистора PNP-типа основан на использовании небольшого (как и у NPN-типа) базового тока и отрицательного (в отличие от NPN-типа) базового напряжения смещения для управления гораздо большим эмиттерно-коллекторным током. Другими словами, для транзистора PNP эмиттер является более положительным по отношению к базе, а также по отношению к коллектору.

Рассмотрим отличия PNP-типа на схеме включения с общей базой

Действительно, из нее можно увидеть, что ток коллектора I C (в случае транзистора NPN) вытекает из положительного полюса батареи B2, проходит по выводу коллектора, проникает внутрь него и должен далее выйти через вывод базы, чтобы вернуться к отрицательному полюсу батареи. Таким же образом, рассматривая цепь эмиттера, можно увидеть, как его ток от положительного полюса батареи B1 входит в транзистор по выводу базы и далее проникает в эмиттер.

По выводу базы, таким образом, проходит как ток коллектора I C , так и ток эмиттера I E . Поскольку они циркулируют по своим контурам в противоположных направлениях, то результирующий ток базы равен их разности и очень мал, так как I C немного меньше, чем I E . Но так как последний все же больше, то направление протекания разностного тока (тока базы) совпадает с I E , и поэтому биполярный транзистор PNP-типа имеет вытекающий из базы ток, а NPN-типа — втекающий.

Отличия PNP-типа на примере схемы включения с общим эмиттером

В этой новой схеме PN-переход база-эмиттер открыт напряжением батареи B1, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении посредством напряжения батареи В2. Вывод эмиттера, таким образом, является общим для цепей базы и коллектора.

Полный ток эмиттера задается суммой двух токов I C и I B ; проходящих по выводу эмиттера в одном направлении. Таким образом, имеем I E = I C + I B .

В этой схеме ток базы I B просто «ответвляется» от тока эмиттера I E , также совпадая с ним по направлению. При этом транзистор PNP-типа по-прежнему имеет вытекающий из базы ток I B , а NPN-типа — втекающий.

В третьей из известных схем включения транзисторов, с общим коллектором, ситуация точно такая же. Поэтому мы ее не приводим в целях экономии места и времени читателей.

PNP-транзистор: подключение источников напряжения

Источник напряжения между базой и эмиттером (V BE) подключается отрицательным полюсом к базе и положительным к эмиттеру, потому что работа PNP-транзистора происходит при отрицательном смещении базы по отношению к эмиттеру.

Напряжение питания эмиттера также положительно по отношению к коллектору (V CE). Таким образом, у транзистора PNP-типа вывод эмиттера всегда более положителен по отношению как к базе, так и к коллектору.

Источники напряжения подключаются к PNP-транзистору, как показано на рисунке ниже.

На этот раз коллектор подключен к напряжению питания V CC через нагрузочный резистор, R L , который ограничивает максимальный ток, протекающий через прибор. Базовое напряжения V B , которое смещает ее в отрицательном направлении по отношению к эмиттеру, подано на нее через резистор R B , который снова используется для ограничения максимального тока базы.

Работа PNP-транзисторного каскада

Итак, чтобы вызвать протекание базового тока в PNP-транзисторе, база должна быть более отрицательной, чем эмиттер (ток должен покинуть базу) примерно на 0,7 вольт для кремниевого прибора или на 0,3 вольта для германиевого. Формулы, используемые для расчета базового резистора, базового тока или тока коллектора такие же, как те, которые используются для эквивалентного NPN-транзистора и представлены ниже.

Мы видим, что фундаментальным различием между NPN и PNP-транзистором является правильное смещение pn-переходов, поскольку направления токов и полярности напряжений в них всегда противоположны. Таким образом, для приведенной выше схеме: I C = I E — I B , так как ток должен вытекать из базы.

Как правило, PNP-транзистор можно заменить на NPN в большинстве электронных схем, разница лишь в полярности напряжения и направлении тока. Такие транзисторы также могут быть использованы в качестве переключающих устройств, и пример ключа на PNP-транзисторе показан ниже.

Характеристики транзистора

Выходные характеристики транзистора PNP-типа очень похожи на соответствующие кривые эквивалентного NPN-транзистора, за исключением того, что они повернуты на 180° с учетом реверса полярности напряжений и токов (токи базы и коллектора, PNP-транзистора отрицательны). Точно также, чтобы найти рабочие точки транзистора PNP-типа, его динамическая линия нагрузки может быть изображена в III-й четверти декартовой системы координат.

Типовые характеристики PNP-транзистора 2N3906 показаны на рисунке ниже.

Транзисторные пары в усилительных каскадах

Вы можете задаться вопросом, что за причина использовать PNP-транзисторы, когда есть много доступных NPN-транзисторов, которые могут быть использованы в качестве усилителей или твердотельных коммутаторов? Однако наличие двух различных типов транзисторов — NPN и PNP — дает большие преимущества при проектировании схем усилителей мощности. Такие усилители используют «комплементарные», или «согласованные” пары транзисторов (представляющие собой один PNP-транзистор и один NPN, соединенные вместе, как показано на рис. ниже) в выходном каскаде.

Два соответствующих NPN и PNP-транзистора с близкими характеристиками, идентичными друг другу, называются комплементарными. Например, TIP3055 (NPN-тип) и TIP2955 (PNP-тип) являются хорошим примером комплементарных кремниевых силовых транзисторов. Они оба имеют коэффициент усиления постоянного тока β=I C /I B согласованный в пределах 10% и большой ток коллектора около 15А, что делает их идеальными для устройств управления двигателями или роботизированных приложений.

Кроме того, усилители класса B используют согласованные пары транзисторов и в своих выходной мощных каскадах. В них NPN-транзистор проводит только положительную полуволну сигнала, а PNP-транзистор — только его отрицательную половину.

Это позволяет усилителю проводить требуемую мощность через громкоговоритель в обоих направлениях при заданной номинальной мощности и импедансе. В результате выходной ток, который обычно бывает порядка нескольких ампер, равномерно распределяется между двумя комплементарными транзисторами.

Транзисторные пары в схемах управления электродвигателями

Их применяют также в H-мостовых цепях управления реверсивными двигателями постоянного тока, позволяющих регулировать ток через двигатель равномерно в обоих направлениях его вращения.

H-мостовая цепь выше называется так потому, что базовая конфигурация ее четырех переключателей на транзисторах напоминает букву «H» с двигателем, расположенным на поперечной линии. Транзисторный H-мост, вероятно, является одним из наиболее часто используемых типов схемы управления реверсивным двигателем постоянного тока. Он использует «взаимодополняющие» пары транзисторов NPN- и PNP-типов в каждой ветви, работающих в качестве ключей при управлении двигателем.

Вход управления A обеспечивает работу мотора в одном направлении, в то время как вход B используется для обратного вращения.

Например, когда транзистор TR1 включен, а TR2 выключен, вход A подключен к напряжению питания (+ Vcc), и если транзистор TR3 выключен, а TR4 включен, то вход B подключен к 0 вольт (GND). Поэтому двигатель будет вращаться в одном направлении, соответствующем положительному потенциалу входа A и отрицательному входа B.

Если состояния ключей изменить так, чтобы TR1 был выключен, TR2 включен, TR3 включен, а TR4 выключен, ток двигателя будет протекать в противоположном направлении, что повлечет его реверсирование.

Используя противоположные уровни логической «1» или «0» на входах A и B, можно управлять направлением вращения мотора.

Определение типа транзисторов

Любые биполярные транзисторы можно представить состоящими в основном из двух диодов, соединенных вместе спина к спине.

Мы можем использовать эту аналогию, чтобы определить, относится ли транзистор к типу PNP или NPN путем тестирования его сопротивления между его тремя выводами. Тестируя каждую их пару в обоих направлениях с помощью мультиметра, после шести измерений получим следующий результат:

1. Эмиттер — База. Эти выводы должны действовать как обычный диод и проводить ток только в одном направлении.

2. Коллектор — База. Эти выводы также должны действовать как обычный диод и проводить ток только в одном направлении.

3. Эмиттер — Коллектор. Эти выводы не должен проводить в любом направлении.

Значения сопротивлений переходов транзисторов обоих типов

Тогда мы можем определить PNP-транзистор как исправный и закрытый. Небольшой выходной ток и отрицательное напряжение на его базе (B) по отношению к его эмиттеру (E) будет его открывать и позволит протекать значительно большему эмиттер-коллекторному току. Транзисторы PNP проводят при положительном потенциале эмиттера. Иными словами, биполярный PNP-транзистор будет проводить только в том случае, если выводы базы и коллектором являются отрицательным по отношению к эмиттеру.

В этой статье постараемся описать принцип работы самого распространенного типа транзистора — биполярного. Биполярный транзистор является одним из главных активных элементов радиоэлектронных устройств. Предназначение его – работа по усилению мощности электрического сигнал поступающего на его вход. Усиление мощности осуществляется посредством внешнего источника энергии. Транзистор — это радиоэлектронный компонент, обладающий тремя выводами

Конструкционная особенность биполярного транзистора

Для производства биполярного транзистора нужен полупроводник дырочного или электронного типа проводимости, который получают методом диффузии либо сплавления акцепторными примесями. В результате этого с обоих сторон базы образуются области с полярными видами проводимостей.

Биполярные транзисторы по проводимости бывают двух видов: n-p-n и p-n-p. Правила работы, которым подчинен биполярный транзистор, имеющий n-p-n проводимость (для p-n-p необходимо поменять полярность приложенного напряжения):

1. Положительный потенциал на коллекторе имеет большее значение по сравнению с эмиттером.
2. Любой транзистор имеет свои максимально допустимые параметры Iб, Iк и Uкэ, превышение которых в принципе недопустимо, так как это может привести к разрушению полупроводника.
3. Выводы база — эмиттер и база — коллектор функционируют наподобие диодов. Как правило, диод по направлению база — эмиттер открыт, а по направлению база — коллектор смещен в противоположном направлении, то есть поступающее напряжение мешает протеканию электрического тока через него.
4. Если пункты с 1 по 3 выполнены, то ток Iк прямо пропорционален току Iб и имеет вид: Iк = hэ21*Iб, где hэ21 является коэффициентом усиления по току. Данное правило характеризует главное качество транзистора, а именно то, что малый ток базы оказывает управление мощным током коллектора.

Для разных биполярных транзисторов одной серии показатель hэ21 может принципиально разниться от 50 до 250. Его величина так же зависит от протекающего тока коллектора, напряжения между эмиттером и коллектором, и от температуры окружающей среды.

Изучим правило №3. Из него вытекает, что напряжение, приложенное между эмиттером и базой не следует значительно увеличивать, поскольку, если напряжение базы будет больше эмиттера на 0,6…0,8 В (прямое напряжение диода), то появится крайне большой ток. Таким образом, в работающем транзисторе напряжения на эмиттере и базе взаимосвязаны по формуле: Uб =Uэ + 0,6В (Uб=Uэ+Uбэ)

Еще раз напомним, что все указанные моменты относятся к транзисторам, имеющим n-p-n проводимость. Для типа p-n-p все следует изменить на противоположное.

Еще следует обратить внимание на то, что ток коллектора не имеет связи с проводимостью диода, поскольку, как правило, к диоду коллектор — база поступает обратное напряжение. В добавок, ток протекающий через коллектор весьма мало зависит от потенциала на коллекторе (данный диод аналогичен малому источнику тока)

При включении транзистора в режиме усиления, эмиттерный переход получается открытым, а переход коллектора закрыт. Это получается путем подключения источников питания.

Поскольку эмиттерный переход открыт, то через него будет проходить эмиттерный ток, возникающий из-за перехода дырок из базы в эмиттер, а так же электронов из эмиттера в базу. Таки образом, ток эмиттера содержит две составляющие – дырочную и электронную. Коэффициент инжекции определяет эффективность эмиттера. Инжекцией зарядов именуют перенос носителей зарядов из зоны, где они были основными в зону, где они делаются неосновными.

В базе электроны рекомбинируют, а их концентрация в базе восполняется от плюса источника ЕЭ. В результате этого в электрической цепи базы будет течь довольно слабый ток. Оставшиеся электроны, не успевшие рекомбинировать в базе, под разгоняющим воздействием поля запертого коллекторного перехода, как неосновные носители, будут перемещаться в коллектор, создавая коллекторный ток. Перенос носителей зарядов из зоны, где они были неосновными, в зону, где они становятся основными, именуется экстракцией электрических зарядов.

Термин «биполярный транзистор» связан с тем, что в этих транзисторах используются носители зарядов двух типов: электроны и дырки. Для изготовления транзисторов применяют те же полупроводниковые материалы, что и для .

В биполярных транзисторах с помощью трехслойной полупроводниковой структуры из полупроводников создаются два p–n-перехода с чередующими типами электропроводности (p–n–p или n–p–n).

Биполярные транзисторы конструктивно могут быть беcкорпусными (рис.1,а) (для применения, например, в составе интегральных микросхем) и заключенными в типовой корпус (рис. 1,б). Три вывода биполярного транзистора называются база , коллектор и эмиттер .

Рис. 1. Биполярный транзистор: а) p–n–p-структуры без корпуса, б) n–p–n-структуры в корпусе

В зависимости от общего вывода можно получить три схемы подключения биполярного транзистора : с общей базой (ОБ), общим коллектором (ОК) и общим эмиттером (ОЭ). Рассмотрим работу транзистора в схеме с общей базой, (рис. 2).

Рис. 2. Схема работы биполярного транзистора

Эмиттер инжектирует (поставляет) в базу основные носители, в нашем примере для полупроводниковых приборов n-типа ими будут электроны. Источники выбирают так, чтобы E2 >> E1. Резистор Rэ ограничивает ток открытого p–n-перехода.

При E1 = 0 ток через коллекторный переход мал (обусловлен неосновными носителями), его называют начальным коллекторным током Iк0. Если E1 > 0, электроны преодолевают эмиттерный p–n-переход (E1 включена в прямом направлении) и попадают в область базы.

Базу выполняют с большим удельным сопротивлением (малой концентрацией примеси), поэтому концентрация дырок в базе низкая. Следовательно, немногие попавшие в базу электроны рекомбинируют с ее дырками, образуя базовый ток Iб. Одновременно в коллекторном p–n-переходе со стороны E2 действует много большее поле, чем в эмиттерном переходе, которое увлекает электроны в коллектор. Поэтому подавляющее большинство электронов достигают коллектора.

Эмиттерный и коллекторный токи связаны коэффициентом передачи тока эмиттера

при Uкб = const.

Всегда ∆ Iк ∆ Iэ, а a = 0,9 — 0,999 для современных транзисторов.

В рассмотренной схеме Iк = Iк0 + aIэ » Iэ. Следовательно, схема биполярного транзистора с общей базой обладает низким коэффициентом передачи тока. Из-за этого ее применяют редко, в основном в высокочастотных устройствах, где по усилению напряжения она предпочтительнее других.

Основной схемой включения биполярного транзистора является схема с общим эмиттером, (рис. 3).

Рис. 3. Включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером

Для нее по можно записать Iб = Iэ – Iк = (1 – a)Iэ – Iк0 .

Учитывая, что 1 – a = 0,001 — 0,1, имеем Iб

Найдем отношение тока коллектора к току базы:

Это отношение называют коэффициентом передачи тока базы . При a = 0,99 получаем b = 100. Если в цепь базы включить источник сигнала, то такой же сигнал, но усиленный по току в b раз, будет протекать в цепи коллектора, образуя на резисторе Rк напряжение много большее, чем напряжение источника сигнала.

Для оценки работы биполярного транзистора в широком диапазоне импульсных и постоянных токов, мощностей и напряжений, а также для расчета цепи смещения, стабилизации режима используются семейства входных и выходных вольтамперных характеристик (ВАХ) .

Семейство входных ВАХ устанавливают зависимость входного тока (базы или эмиттера) от входного напряжения Uбэ при Uк = const, рис. 4,а. Входные ВАХ транзистора аналогичны ВАХ диода в прямом включении.

Семейство выходных ВАХ устанавливает зависимость тока коллектора от напряжения на нем при определенном токе базы или эмиттера (в зависимости от схемы с общим эмиттером или общей базой), рис. 4, б.

Рис. 4. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора: а – входные, б – выходные

Кроме электрического перехода n–p, в быстродействующих цепях широко используется переход на основе контакта металл–полупроводник – барьер Шоттки (Schottky). В таких переходах не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе, и быстродействие транзистора зависит только от скорости перезарядки барьерной емкости.

Рис. 5. Биполярные транзисторы

Параметры биполярных транзисторов

Для оценки максимально допустимых режимов работы транзисторов используют основные параметры:

1) максимально допустимое напряжение коллектор–эмиттер (для различных транзисторов Uкэ макс = 10 — 2000 В),

2) максимально допустимая мощность рассеяния коллектора Pк макс – по ней транзисторы делят на транзисторы малой мощности (до 0,3 Вт), средней мощности (0,3 — 1,5 Вт) и большой мощности (более 1,5 Вт), транзисторы средней и большой мощности часто снабжаются специальным теплоотводящим устройством – радиатором,

3) максимально допустимый ток коллектора Iк макс – до 100 А и более,

4) граничная частота передачи тока fгр (частота, на которой h31 становится равным единице), по ней биполярные транзисторы делят:

• на низкочастотные – до 3 МГц,

• среднечастотные – от 3 до 30 МГц,

• высокочастотные – от 30 до 300 МГц,

• сверхвысокочастотные – более 300 МГц.
  

д.т.н., профессор Л. А. Потапов

Итак, третья и заключительная часть повествования о биполярных транзисторах на нашем сайте =) Сегодня мы поговорим об использовании этих замечательных устройств в качестве усилителей, рассмотрим возможные схемы включения биполярного транзистора и их основные преимущества и недостатки. Приступаем!

Эта схема очень хороша при использовании сигналов высоких частот. В принципе для этого такое включение транзистора и используется в первую очередь. Очень большими минусами являются малое входное сопротивление и, конечно же, отсутствие усиления по току. Смотрите сами, на входе у нас ток эмиттера , на выходе .

То есть ток эмиттера больше тока коллектора на небольшую величину тока базы. А это значит, что усиление по току не просто отсутствует, более того, ток на выходе немного меньше тока на входе. Хотя, с другой стороны, эта схема имеет достаточно большой коэффициент передачи по напряжению) Вот такие вот достоинства и недостатки, продолжаем….

Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором

Вот так вот выглядит схема включения биполярного транзистора с общим коллектором. Ничего не напоминает?) Если взглянуть на схему немного под другим углом, то мы узнаем тут нашего старого друга – эмиттерный повторитель. Про него была чуть ли не целая статья (), так что все, что касается этой схемы мы уже там рассмотрели. А нас тем временем ждет наиболее часто используемая схема – с общим эмиттером.

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

Эта схема заслужила популярность своими усилительными свойствами. Из всех схем она дает наибольшее усиление по току и по напряжению, соответственно, велико и увеличение сигнала по мощности. Недостатком схемы является то, что усилительные свойства сильно подвержены влиянию роста температуры и частоты сигнала.

Со всеми схемами познакомились, теперь рассмотрим подробнее последнюю (но не последнюю по значимости) схему усилителя на биполярном транзисторе (с общим эмиттером). Для начала, давайте ее немножко по-другому изобразим:

Тут есть один минус – заземленный эмиттер. При таком включении транзистора на выходе присутствуют нелинейные искажения, с которыми, конечно же, нужно бороться. Нелинейность возникает из-за влияния входного напряжения на напряжение перехода эмиттер-база. Действительно, в цепи эмиттера ничего «лишнего» нету, все входное напряжение оказывается приложенным именно к переходу база-эмиттер. Чтобы справиться с этим явлением, добавим резистор в цепь эмиттера. Таким образом, мы получим отрицательную обратную связь.

А что же это такое?

Если говорить кратко, то принцип отрицательной обратно й связи заключается в том, что какая то часть выходного напряжения передается на вход и вычитается из входного сигнала. Естественно, это приводит к уменьшению коэффициента усиления, поскольку на вход транзистора из-за влияния обратной связи поступит меньшее значение напряжение, чем в отсутствие обратной связи.

И тем не менее, отрицательная обратная связь для нас оказывается очень полезной. Давайте разберемся, каким образом она поможет уменьшить влияние входного напряжения на напряжение между базой и эмиттером.

Итак, пусть обратной связи нет, Увеличение входного сигнала на 0.5 В приводит к такому же росту . Тут все понятно 😉 А теперь добавляем обратную связь! И точно также увеличиваем напряжение на входе на 0.5 В. Вслед за этим возрастает , что приводит к росту тока эмиттера. А рост приводит к росту напряжения на резисторе обратной связи. Казалось бы, что в этом такого? Но ведь это напряжение вычитается из входного! Смотрите, что получилось:

Выросло напряжение на входе – увеличился ток эмиттера – увеличилось напряжение на резисторе отрицательной обратной связи – уменьшилось входное напряжение (из-за вычитания ) – уменьшилось напряжение .

То есть отрицательная обратная связь препятствует изменению напряжения база-эмиттер при изменении входного сигнала.

В итоге наша схема усилителя с общим эмиттером пополнилась резистором в цепи эмиттера:

Есть еще одна проблема в нашем усилителе. Если на входе появится отрицательное значение напряжения, то транзистор сразу же закроется (напряжения базы станет меньше напряжения эмиттера и диод база-эмиттер закроется), и на выходе ничего не будет. Это как то не очень хорошо) Поэтому необходимо создать смещение . Сделать это можно при помощи делителя следующим образом:

Получили такую красотищу 😉 Если резисторы и равны, то напряжение на каждом из них будет равно 6В (12В / 2). Таким образом, при отсутствии сигнала на входе потенциал базы будет равен +6В. Если на вход придет отрицательное значение, например, -4В, то потенциал базы будет равен +2В, то есть значение положительное и не мешающее нормальной работе транзистора. Вот как полезно создать смещение в цепи базы)

Чем бы еще улучшить нашу схему…

Пусть мы знаем, какой сигнал будем усиливать, то есть знаем его параметры, в частности частоту. Было бы отлично, если бы на входе ничего, кроме полезного усиливаемого сигнала не было. Как это обеспечить? Конечно, же при помощи фильтра высоких частот) Добавим конденсатор, который в сочетании с резистором смещения образует ФВЧ:

Вот так схема, в которой почти ничего не было, кроме самого транзистора, обросла дополнительными элементами 😉 Пожалуй, на этом и остановимся, скоро будет статья, посвященная практическому расчету усилителя на биполярном транзисторе. В ней мы не только составим принципиальную схему усилителя , но и рассчитаем номиналы всех элементов, а заодно и выберем транзистор, подходящий для наших целей. До скорой встречи! =)

Что такое транзистор для чайников

Ну… усиление это когда мы производим какое-то действие, чтобы было лучше, качественнее, комфортнее, удобнее, безопаснее. По-моему как-то так. Усиливаем подвеску на машине, чтобы езда была комфортнее. Усиливаем фундамент под дом, загоняя туда железную арматуру, чтобы дом стоял долго и не трещал.

Поиск данных по Вашему запросу:

Что такое транзистор для чайников

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам. ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Резистор — как это работает ?

Что такое транзистор и как он работает?

Транзистор — прибор, предназначенный для управления током в электрической цепи. Применяется практически во всех моделях видео- и аудио аппаратуры. Полупроводниковые транзисторы пришли на смену морально устаревшим ламповым, которые устанавливались в старые телевизоры. Для изготовления полупроводниковых моделей ранее использовался германий, но сферы его применения ограничены из-за чувствительности к температурным колебаниям. На смену германию пришел кремний, так как кремниевые детали стоят дешевле германиевых и более устойчивы к скачкам температуры.

Транзисторы небольшой мощности изготавливают в прямоугольных корпусах из полимерных материалов или в металлических цилиндрических.

В этой статье мы постараемся простыми словами изложить, что такое транзистор, как он устроен и что делает. Наиболее популярный вид полупроводникового транзистора — биполярный. В устройство транзистора этого типа входит монокристалл, разделенный на 3 зоны: база Б , коллектор К и эмиттер Э , каждая из которых имеет свой вывод.

Требуемый тип проводимости достигается путем легирования различных частей кремниевого монокристалла. Легирование — это добавление в состав материала различных примесей для улучшения физических и химических свойств этого материала.

Транзисторы по типу проводимости раздаются на два типа: n-p-n и p-n-p. В таком транзисторе коллектор и эмиттер сильно легированы, база тонкая, содержит малое количество примесей. Если к эмиттеру и базе подключают напряжение, противоположное по знаку, ток прекращается, и транзистор переходит в закрытое состояние.

Кратко принцип работы полупроводникового транзистора можно изложить так: при подключении к зажимам эмиттера и базы напряжения одноименного заряда прибор переходит в открытое состояние, при подключении к этим выводам обратных зарядов транзистор закрывается. Обратная связь Получить информацию о наличии товара вы можете у наших менеджеров, позвонив по телефону Электронные компоненты Статьи по радиоэлектронике Как работает транзистор: принцип и устройство.

Обновлена: 05 Июля 0. Поделиться с друзьями. Транзисторы Устройство транзисторов Наиболее популярный вид полупроводникового транзистора — биполярный. 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.

Типы проводимости: n-типа — носителями зарядов являются электроны. В базе образуются носители зарядов. Чем выше напряжение, тем больше количество носителей зарядов появляется в базе.

Ток, подаваемый на базу, называется управляющим. Если к коллектору подключить обратное напряжение n-коллектор подключается к плюсу, p-коллектор — к минусу , то между эмиттером и коллектором появится разница потенциалов, и между ними потечет ток.

Чем больше носителей заряда скапливается в базе, тем сильнее будет ток между коллектором и эмиттером. Этот принцип используется при производстве усилителей. Как работает транзистор — видео Была ли статья полезна? Оцените статью. Как определить выводы транзистора. Назначение и области применения транзисторов.

Биполярные транзисторы: принцип работы, характеристики и параметры. Анатолий Мельник. Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент. Комментарии Нет комментариев Добавить комментарий.

Да Нет Оцените статью.

Как работает транзистор?

Войдите , пожалуйста. Хабр Geektimes Тостер Мой круг Фрилансим. Войти Регистрация. Биполярные транзисторы. For dummies Электроника для начинающих Предисловие Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах. Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода.

Появление транзистора определенно стало переворотом в электронике, я бы сказал, что с транзистора она и началась. Необходимо знать что такое.

Биполярный транзистор

Биполярные транзисторы с изолированным затвором являются новым типом активного прибора, который появился сравнительно недавно. Его входные характеристики подобны входным характеристикам полевого транзистора, а выходные — выходным характеристикам биполярного. По быстродействию они значительно превосходят биполярные транзисторы. Чаще всего IGBT-транзисторы используют в качестве мощных ключей, у которых время включения 0,2 — 0,4 мкс, а время выключения 0,2 — 1,5 мкс, коммутируемые напряжения достигают 3,5 кВ, а токи А. IGBT- т ранзисторы вытесняют тиристоры из высоковольтных схем преобразования частоты и позволяют создать импульсные источники вторичного электропитания с качественно лучшими характеристиками. IGBT- т ранзисторы используются достаточно широко в инверторах для управления электродвигателями, в мощных системах бесперебойного питания с напряжениями свыше 1 кВ и токами в сотни ампер. В какой-то степени это является следствием того, что во включенном состоянии при токах в сотни ампер падение напряжения на транзисторе находится в пределах 1,5 — 3,5В. Как видно из структуры IGBT-транзистора рис.

Как работает биполярный транзистор

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

Принцип полупроводникового управления электрическим током был известен ещё в начале ХХ века.

Биполярный транзистор, принцип работы для чайников

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.

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

Транзисторы — полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. Наиболее распространены так называемые биполярные транзисторы. Их основа — пластинка монокристаллического полупроводника чаще всего кремния или германия , в которой с помощью особых технологических приемов созданы, как минимум, три области с разной электропроводностью: эмиттер, база и коллектор. Электропроводность эмиттера и коллектора всегда одинаковая р или п , базы — противоположная п или р. Иными словами, биполярный транзистор далее просто транзистор содержит два р-п перехода: один из них соединяет базу с эмиттером эмиттерный переход , другой — с коллектором коллекторный переход. На схемах транзисторы обозначают, как показано на рис. Внешний вид транзисторов, обозначение транзисторов на принципиальных схемах.

Основы электроники для чайников: что такое транзистор и как он работает. Электроника окружает нас всюду. Но практически никто не.

Принцип усиления транзистора

Что такое транзистор для чайников

Это такая хитрая фиговина, пропускающая ток только в одну сторону. Его можно сравнить с ниппелем. Применяется, например, в выпрямителях, когда из переменного тока делают постоянный.

Как работает транзистор: принцип и устройство

В современном значении транзистором называют полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им. У обычного полупроводникового триода имеется три вывода: база, на которую подаются сигналы управления, эмиттер и коллектор. Существуют также составные транзисторы большой мощности. Поражает шкала размеров полупроводниковых устройств — от нескольких нанометров бескорпусные элементы, используемые в микросхемах , до сантиметров в диаметре мощных транзисторов, предназначенных для энергетических установок и промышленного оборудования. Обратные напряжения промышленных триодов могут достигать до В. Конструктивно триод состоит из полупроводниковых слоев, заключённых в корпусе.

Транзистор — прибор, предназначенный для управления током в электрической цепи. Применяется практически во всех моделях видео- и аудио аппаратуры.

Транзистор: виды, применение и принципы работы

Транзистор transistor, англ. В радиодеталях, из которых собирают современные сложные электроприборы, используются полевые транзисторы. Их свойства позволяют решать задачи по выключению или включению тока в электрической цепи печатной платы, или его усилению. Оглавление: Что такое полевой транзистор Полевые транзисторы, их виды Полевой транзистор, принцип работы Зачем нужен полевой транзистор Применение полевых транзисторов Плюсы и минусы полевых транзисторов. Полевой транзистор — это устройство с тремя или четырьмя контактами, в котором ток на двух контактах регулируется напряжением электрического поля на третьем. Поэтому их называют полевыми. Полевой транзистор с п — р переходом — особый вид транзисторов, которые служат для управления током.

Принцип работы полевого транзистора для чайников

Условно биполярный транзистор можно нарисовать в виде пластины полупроводника с меняющимися областями разной проводимости, состоящие из двух p-n переходов. Причем крайние области пластины обладают проводимостью одного типа, а средняя область противоположного типа, каждая из областей имеет свой персональный вывод. В зависимости от чередования этих областей транзисторы бывают p-n-p и n-p-n проводимости, соответственно. А если взять и прикрыть одну любую часть транзисто, то у нас получится полупроводник с одним p-n переходом или диод.

Транзисторная история. Изобретение транзисторов и развитие полупроводниковой электроники

Ровно 50 лет назад американцам Джону Бардину, Уолтеру Браттейну и Уильяму Шокли (рис. 1) была присуждена Нобелевская премия по физике «За исследования в области полупроводников и открытие транзистора». Тем не менее, анализ истории науки однозначно свидетельствует, что открытие транзистора — это не только заслуженный успех Бардина, Браттейна и Шокли.

Рис. 1. Лауреаты Нобелевской премии по физике за 1956 год

Первые опыты

Рождение твердотельной электроники можно отнести к 1833 году. Именно тогда Майкл Фарадей (рис. 2), экспериментируя с сульфидом серебра, обнаружил, что проводимость данного вещества (а это был, как мы теперь называем, полупроводник) растет с повышением температуры, в противоположность проводимости металлов, которая в данном случае уменьшается. Почему так происходит? С чем это связано? На эти вопросы Фарадей ответить не смог.

Рис. 2. Майкл Фарадей и его лаборатория

Следующей вехой в развитии твердотельной электроники стал 1874 год. Немецкий физик Фердинанд Браун (рис. 3), будущий нобелевский лауреат (в 1909 году он получит премию «За выдающийся вклад в создание беспроволочной телеграфии») публикует статью в журнале Analen der Physik und Chemie, в которой на примере «естественных и искусственных серных металлов» описывает важнейшее свойство полупроводников — проводить электрический ток только в одном направлении. Выпрямляющее свойство контакта полупроводника с металлом противоречило закону Ома. Браун (рис. 4) пытается объяснить наблюдаемое явление и проводит дальнейшие исследования, но безрезультатно. Явление есть, объяснения нет. По этой причине современники Брауна не заинтересовались его открытием, и только пять десятилетий спустя выпрямляющие свойства полупроводников были использованы в детекторных приемниках.

Рис. 3. Фердинанд Браун

Рис. 4. Фердинанд Браун в своей лаборатории

Год 1906. Американский инженер Гринлиф Виттер Пикард (рис. 5) получает патент на кристаллический детектор (рис. 6). В своей заявке на получение патента он пишет: «Контакт между тонким металлическим проводником и поверхностью некоторых кристаллических материалов (кремний, галенит, пирит и др.) выпрямляет и демодулирует высокочастотный переменный ток, возникающий в антенне при приеме радиоволн».

Рис. 5. Гринлиф Пикард

Рис. 6. Принципиальная схема кристаллического детектора Пикарда

Тонкий металлический проводник, с помощью которого осуществлялся контакт с поверхностью кристалла, внешне очень напоминал кошачий ус.

Кристаллический детектор Пикарда так и стали называть — «кошачий ус» (cat’s whisker).

Чтобы «вдохнуть жизнь» в детектор Пикарда и заставить его устойчиво работать, требовалось найти наиболее чувствительную точку на поверхности кристалла. Сделать это было непросто. На свет появляется множество хитроумных конструкций «кошачего уса» (рис. 7), облегчающих поиск заветной точки, но стремительный выход на авансцену радиотехники электронных ламп надолго отправляет детектор Пикарда за кулисы.

Рис. 7. Вариант конструкции «кошачий ус»

И все же «кошачий ус» намного проще и меньше вакуумных диодов, к тому же намного эффективнее на высоких частотах. А что если заменить вакуумный триод, на котором была основана вся радиоэлектроника того времени, (рис. 8) на полупроводник? Возможно ли это? В начале ХХ века подобный вопрос не давал покоя многим ученым.

Рис. 8. Вакуумный триод

Лосев

Советская Россия. 1918 год. По личному распоряжению Ленина в Нижнем Новгороде создается радиотехническая лаборатория (рис. 9). Новая власть остро нуждается в «беспроволочной телеграфной» связи. К работе в лаборатории привлекаются лучшие радиоинженеры того времени — М. А. Бонч-Бруевич, В. П. Вологдин, В. К. Лебединский, В. В. Татаринов и многие другие.

Рис. 9. Нижегородская радиолаборатория

Приезжает в Нижний Новгород и Олег Лосев (рис. 10).

Рис. 10. Олег Владимирович Лосев

После окончания Тверского реального училища в 1920 году и неудачного поступления в Московский институт связи Лосев согласен на любую работу, только бы приняли в лабораторию. Его берут посыльным. Общежития посыльным не полагается.

17-летний Лосев готов жить в помещении лаборатории, на лестничной площадке перед чердаком, только бы заниматься любимым делом.

С раннего возраста он страстно увлекался радиосвязью. В годы Первой мировой войны в Твери была построена радиоприемная станция. В ее задачи входило принимать сообщения от союзников России по Антанте и далее по телеграфу передавать их в Петроград. Лосев часто бывал на радиостанции, знал многих сотрудников, помогал им и не мыслил свою дальнейшую жизнь без радиотехники. В Нижнем Новгороде у него не было ни семьи, ни нормального быта, но было главное — возможность общаться со специалистами в области радиосвязи, перенимать их опыт и знания. После выполнения необходимых работ в лаборатории ему разрешали заниматься самостоятельным экспериментированием.

В то время интерес к кристаллическим детекторам практически отсутствовал. В лаборатории никто особо не занимался этой темой. Приоритет в исследованиях был отдан радиолампам. Лосеву очень хотелось работать самостоятельно. Перспектива получить ограниченный участок работы «по лампам» его никак не вдохновляет. Может быть, именно по этой причине он выбирает для своих исследований кристаллический детектор. Его цель — усовершенствовать детектор, сделать его более чувствительным и стабильным в работе. Приступая к экспериментам, Лосев ошибочно предполагал, что «в связи с тем, что некоторые контакты между металлом и кристаллом не подчиняются закону Ома, то вполне вероятно, что в колебательном контуре, подключенном к такому контакту, могут возникнуть незатухающие колебания». В то время уже было известно, что для самовозбуждения одной лишь нелинейности вольтамперной характеристики недостаточно, должен обязательно присутствовать падающий участок. Любой грамотный специалист не стал бы ожидать усиления от детектора. Но вчерашний школьник ничего этого не знает. Он меняет кристаллы, материал иглы, аккуратно фиксирует получаемые результаты и в один прекрасный день обнаруживает искомые активные точки у кристаллов, которые обеспечивают генерацию высокочастотных сигналов.

«Все с детства знают, что то-то и то-то невозможно, но всегда находится невежда, который этого не знает, он-то и делает открытие», — шутил Эйнштейн.

Свои первые исследования генераторных кристаллов Лосев производил на простейшей схеме, представленной на рис. 11.

Рис. 11. Схема первых опытов Лосева

Испытав большое количество кристаллических детекторов, Лосев выяснил, что лучше всего генерируют колебания кристаллы цинкита, подвергнутые специальной обработке. Для получения качественных материалов он разрабатывает технологию приготовления цинкита методом сплавливания в электрической дуге естественных кристаллов. При паре цинкит — угольное острие, при подаче напряжения в10 В получался радиосигнал с длиной волны 68 м. При снижении генерации реализуется усилительный режим детектора.

Заметим, что «генерирующий» детектор был впервые продемонстрирован еще в 1910 году английским физиком Уильямом Икклзом (рис. 12).

Рис 12. Уильям Генри Икклз

Новое физическое явление не привлекает внимания специалистов, и о нем на какое-то время забывают. Икклз тоже ошибочно объяснял механизм «отрицательного» сопротивления исходя из того, что сопротивление полупроводника падает с увеличением температуры вследствие тепловых эффектов, возникающих на границе «металл–полупроводник».

В 1922 году на страницах научного журнала «Телеграфия и телефония без проводов» появляется первая статья Лосева, посвященная усиливающему и генерирующему детектору. В ней он очень подробно описывает результаты своих экспериментов, причем особое внимание уделяет обязательному присутствию падающего участка вольтамперной характеристики контакта.

В те годы Лосев активно занимается самообразованием. Его непосредственный руководитель профессор В. К. Лебединский помогает ему в изучении радиофизики. Лебединский понимает, что его молодой сотрудник сделал настоящее открытие и тоже пытается дать объяснение наблюдаемому эффекту, но тщетно. Фундаментальная наука того времени еще не знает квантовой механики. Лосев, в свою очередь, выдвигает гипотезу, что при большом токе в зоне контакта возникает некий электрический разряд наподобие вольтовой дуги, но только без разогрева. Этот разряд закорачивает высокое сопротивление контакта, обеспечивая генерацию.

Лишь через тридцать лет сумели понять, что собственно было открыто. Сегодня мы бы сказали, что прибор Лосева — это двухполюсник с N-образной вольтамперной характеристикой, или туннельный диод, за который в 1973 году японский физик Лео Исаки (рис. 13) получил Нобелевскую премию.

Рис. 13. Лео Исаки

Руководство нижегородской лаборатории понимало, что серийно воспроизвести эффект не удастся. Немного поработав, детекторы практически теряли свойства усиления и генерации. Об отказе от ламп не могло быть и речи. Тем не менее практическая значимость открытия Лосева была огромной.

В 1920-е годы во всем мире, в том числе и в Советском Союзе, радиолюбительство принимает характер эпидемии. Советские радиолюбители пользуются простейшими детекторными приемниками, собранными по схеме Шапошникова (рис. 14).

Рис. 14. Детекторный приемник Шапошникова

Для повышения громкости и дальности приема применяются высокие антенны. В городах применять такие антенны было затруднительно из-за промышленных помех. На открытой местности, где практически нет помех, хороший прием радиосигналов не всегда удавался из-за низкого качества детекторов. Введение в антенный контур приемника отрицательного сопротивления детектора с цинкитом, поставленного в режим, близкий к самовозбуждению, значительно усиливало принимаемые сигналы. Радиолюбителям удавалось услышать самые отдаленные станции. Заметно повышалась избирательность приема. И это без использования электронных ламп!

Лампы были не дешевы, причем к ним требовался специальный источник питания, а детектор Лосева мог работать от обычных батареек для карманного фонарика.

В итоге оказалось, что простые приемники конструкции Шапошникова с генерирующими кристаллами предоставляют возможность осуществлять гетеродинный прием, являвшийся в то время последним словом радиоприемной техники. В последующих статьях Лосев описывает методику быстрого поиска активных точек на поверхности цинкита и заменяет угольное острие металлическим. Он дает рекомендации, как следует обрабатывать кристаллы и приводит несколько практических схем для самостоятельной сборки радиоприемников (рис. 15).

Рис. 15. Принципиальная схема кристадина О. В. Лосева

Устройство Лосева позволяет не только принимать сигналы на больших расстояниях, но и передавать их. Радиолюбители в массовом порядке, на основе детекторов-генераторов, изготавливают радиопередатчики, поддерживающие связь в радиусе нескольких километров. Вскоре издается брошюра Лосева (рис. 16). Она расходится миллионными тиражами. Восторженные радиолюбители писали в различные научно-популярные журналы, что «при помощи цинкитного детектора в Томске, например, можно услышать Москву, Нижний и даже заграничные станции».

Рис. 16. Брошюра Лосева, издание 1924 года

На все свои технические решения Лосев получает патенты, начиная с «Детекторного приемника-гетеродина», заявленного в декабре 1923 года.

Статьи Лосева печатаются в таких журналах, как «ЖЭТФ», «Доклады АН СССР», Radio Revue, Philosophical Magazine, Physikalische Zeitschrift.

Лосев становится знаменитостью, а ведь ему еще не исполнилось и двадцати лет!

Например, в редакторском предисловии к статье Лосева «Осциллирующие кристаллы» в американском журнале The Wireless World and Radio Review за октябрь 1924 года говорится: «Автор этой статьи, господин Олег Лосев из России, за сравнительно короткий промежуток времени приобрел мировую известность в связи с его открытием осциллирующих свойств у некоторых кристаллов».

Другой американский журнал — Radio News — примерно в то же время публикует статью под заголовком «Сенсационное изобретение», в которой отмечается: «Нет необходимости доказывать, что это — революционное радиоизобретение. В скором времени мы будем говорить о схеме с тремя или шестью кристаллами, как мы говорим сейчас о схеме с тремя или шестью усилительными лампами. Потребуется несколько лет, чтобы генерирующий кристалл усовершенствовался настолько, чтобы стать лучше вакуумной лампы, но мы предсказываем, что такое время наступит».

Автор этой статьи Хьюго Гернсбек называет твердотельный приемник Лосева — кристадином (кристалл + гетеродин). Причем не только называет, но и предусмотрительно регистрирует название, как торговую марку (рис. 17). Спрос на кристадины огромен.

Рис. 17. Кристаллический детектор Лосева. Изготовлен в Radio News Laboratories. США, 1924 год

Интересно, что когда в нижегородскую лабораторию приезжают немецкие радиотехники, чтобы лично познакомиться с Лосевым, они не верят своим глазам. Они поражаются таланту и юному возрасту изобретателя. В письмах из-за границы Лосева величали не иначе как профессором. Никто и представить не мог, что профессор еще только постигает азы науки. Впрочем, очень скоро Лосев станет блестящим физиком-экспериментатором и еще раз заставит мир заговорить о себе.

В лаборатории с должности рассыльного его переводят в лаборанты, предоставляют жилье. В Нижнем Новгороде Лосев женится (правда, неудачно, как оказалось впоследствии), обустраивает свой быт и продолжает заниматься кристаллами.

В 1928 году, по решению правительства, тематика нижегородской радиолаборатории вместе с сотрудниками передается в Центральную радиолабораторию в Ленинграде, которая, в свою очередь, тоже постоянно реорганизуется. На новом месте Лосев продолжает заниматься полупроводниками, но вскоре Центральную радиолабораторию преобразовывают в Институт радиовещательного приема и акустик. В новом институте своя программа исследований, тематика работ сужается. Лаборанту Лосеву удается устроиться по совместительству в Ленинградский физико-технический институт (ЛФТИ), где у него появляется возможность продолжить исследования новых физических эффектов в полупроводниках. В конце 1920-х годов у Лосева появилась идея создать твердотельный аналог трехэлектродной вакуумной радиолампы.

В 1929–1933 гг., по предложению А. Ф. Иоффе, Лосев проводит исследования полупроводникового устройства, полностью повторяющего конструкцию точечного транзистора. Как известно, принцип действия этого прибора заключается в управлении током, текущим между двумя электродами, с помощью дополнительного электрода. Лосев действительно наблюдал данный эффект, но, к сожалению, общий коэффициент такого управления не позволял получить усиление сигнала. Для этой цели Лосев использовал только кристалл карборунда (SiC), а не кристалл цинкита (ZnO), имевшего значительно лучшие характеристики в кристаллическом усилителе (Что странно! Ему ли не знать о свойствах этого кристалла.) До недавнего времени считалось, что после вынужденного ухода из ЛФТИ Лосев не возвращался к идее полупроводниковых усилителей. Однако существует довольно любопытный документ, написанный самим Лосевым. Он датирован 12 июля 1939 года и в настоящее время хранится в Политехническом музее. В этом документе, озаглавленном «Жизнеописание Олега Владимировича Лосева», кроме интересных фактов его жизни содержится и перечень научных результатов. Особый интерес вызывают следующие строки: «Установлено, что с полупроводниками может быть построена трехэлектродная система, аналогичная триоду, как и триод, дающая характеристики, показывающие отрицательное сопротивление. Эти работы в настоящее время подготавливаются мною к печати…».

К сожалению, пока не установлена судьба этих работ, которые могли бы полностью изменить представление об истории открытия транзистора — самого революционного изобретения XX века.

Рассказывая о выдающемся вкладе Олега Владимировича Лосева в развитие современной электроники, просто невозможно не упомянуть о его открытии светоизлучающего диода.

Масштаб этого открытия нам еще только предстоит понять. Пройдет не так много времени, и в каждом доме вместо привычной лампы накаливания будут гореть «электронные генераторы света», как назвал светодиоды Лосев.

Еще в 1923 году, экспериментируя с кристадинами, Лосев обратил внимание на свечение кристаллов при пропускании через них электрического тока. Особенно ярко светились карборундовые детекторы. В 1920-е годы на Западе явление электролюминесценции одно время даже называли «свет Лосева» (Losev light, Lossew Licht). Лосев занялся изучением и объяснением полученной электролюминесценции. Он первым оценил огромные перспективы таких источников света, особо подчеркивая их высокую яркость и быстродействие. Лосев стал обладателем первого патента на изобретение светового релеприбора с электролюминесцентным источником света.

В 70-х годах ХХ века, когда светодиоды стали широко применяться, в журнале Electronic World за 1907 год была обнаружена статья англичанина Генри Роунда, в которой автор, будучи сотрудником лаборатории Маркони, сообщал, что видел свечение в контакте карборундового детектора при подаче на него внешнего электрического поля. Никаких соображений, объясняющих физику этого явления, не приводилось. Данная заметка не оказала никакого влияния на последующие исследования в области электролюминесценции, тем не менее, автор статьи сегодня официально считается первооткрывателем светодиода.

Лосев независимо открыл явление электролюминесценции и провел ряд исследований на примере кристалла карборунда. Он выделил два физически различных явления, которые наблюдаются при разной полярности напряжения на контактах. Его несомненной заслугой является обнаружение эффекта предпробойной электролюминесценции, названной им «свечение номер один», и инжекционной электролюминесценции — «свечение номер два». В наши дни эффект предпробойной люминесценции широко применяется при создании электролюминесцентных дисплеев, а инжекционная электролюминесценция является основой светодиодов и полупроводниковых лазеров. Лосеву удалось существенно продвинуться в понимании физики этих явлений задолго до создания зонной теории полупроводников. Впоследствии, в 1936 году, свечение номер один было заново обнаружено французским физиком Жоржем Дестрио. В научной литературе оно известно под названием «эффект Дестрио», хотя сам Дестрио приоритет в открытии этого явления отдавал Олегу Лосеву. Наверное, было бы несправедливо оспаривать приоритет Роунда в открытии светодиода. И все же нельзя забывать, что изобретателями радио по праву считаются Маркони и Попов, хотя всем известно, что радиоволны первым наблюдал Герц. И таких примеров в истории науки множество.

В своей статье Subhistory of Light Emitting Diode известный американский ученый в области электролюминесценции Игон Лобнер пишет о Лосеве: «Своими пионерскими исследованиями в области светодиодов и фотодетекторов он внес вклад в будущий прогресс оптической связи. Его исследования были так точны и его публикации так ясны, что без труда можно представить сейчас, что тогда происходило в его лаборатории. Его интуитивный выбор и искусство эксперимента просто изумляют».

Сегодня мы понимаем, что без квантовой теории строения полупроводников представить развитие твердотельной электроники невозможно. Поэтому талант Лосева поражает воображение. Он с самого начала видел единую физическую природу кристадина и явления инжекционной люминесценции и в этом значительно опередил свое время.

После него исследования детекторов и электролюминесценции проводились отдельно друг от друга, как самостоятельные направления. Анализ результатов показывает, что на протяжении почти двадцати лет после появления работ Лосева не было сделано ничего нового с точки зрения понимания физики этого явления. Только в 1951 году американский физик Курт Леховец (рис. 18) установил, что детектирование и электролюминесценция имеют единую природу, связанную с поведением носителей тока в p-n-переходах.

Рис. 18. Курт Леховец

Следует отметить, что в своей работе Леховец приводит в первую очередь ссылки на работы Лосева, посвященные электролюминесценции.

В 1930–31 гг. Лосев выполнил на высоком экспериментальном уровне серию опытов с косыми шлифами, растягивающими исследуемую область, и системой электродов, включаемых в компенсационную измерительную схему, для измерения потенциалов в разных точках поперечного сечения слоистой структуры. Перемещая металлический «кошачий ус» поперек шлифа, он показал с точностью до микрона, что приповерхностная часть кристалла имеет сложное строение. Он выявил активный слой толщиной приблизительно в десять микрон, в котором наблюдалось явление инжекционной люминесценции. По результатам проведенных экспериментов Лосев сделал предположение, что причиной униполярной проводимости является различие условий движения электрона по обе стороны активного слоя (или, как бы мы сказали сегодня, — разные типы проводимости). Впоследствии, экспериментируя с тремя и более зондами-электродами, расположенными в данных областях, он действительно подтвердил свое предположение. Эти исследования являются еще одним значительным достижением Лосева как ученого-физика.

В 1935 году, в результате очередной реорганизации радиовещательного института и непростых отношений с руководством, Лосев остается без работы. Лаборанту Лосеву дозволялось делать открытия, но не греться в лучах славы. И это при том, что его имя было хорошо известно сильным мира сего. В письме, датируемом 16 мая 1930 года, академик А. Ф. Иоффе пишет своему коллеге Паулю Эренфесту: «В научном отношении у меня ряд успехов. Так, Лосев получил в карборунде и других кристаллах свечение под действием электронов в 2–6 вольт. Граница свечения в спектре ограничена…».

В ЛФТИ у Лосева долгое время было свое рабочее место, но в институт его не берут, слишком независимый он человек. Все работы выполнял самостоятельно — ни в одной из них нет соавторов.

При помощи друзей Лосев устраивается ассистентом на кафедру физики Первого медицинского института. На новом месте ему намного сложнее заниматься научной работой, поскольку нет необходимого оборудования. Тем не менее, задавшись целью выбрать материал для изготовления фотоэлементов и фотосопротивлений, Лосев продолжает исследования фотоэлектрических свойств кристаллов. Он изучает более 90 веществ и особо выделяет кремний с его заметной фоточувствительностью.

В то время не было достаточно чистых материалов, чтобы добиться точного воспроизведения полученных результатов, но Лосев (в который раз!) чисто интуитивно понимает, что этому материалу принадлежит будущее. В начале 1941 года он приступает к работе над новой темой — «Метод электролитных фотосопротивлений, фоточувствительность некоторых сплавов кремния». Когда началась Великая Отечественная война, Лосев не уезжает в эвакуацию, желая завершить статью, в которой излагал результаты своих исследований по кремнию. По всей видимости, ему удалось закончить работу, так как статья была отослана в редакцию «ЖЭТФ». К тому времени редакция уже была эвакуирована из Ленинграда. К сожалению, после войны не удалось найти следы этой статьи, и теперь можно лишь догадываться о ее содержании.

22 января 1942 года Олег Владимирович Лосев умер от голода в блокадном Ленинграде. Ему было 38 лет.

В том же 1942 году в США компании Sylvania и Western Electric начали промышленное производство кремниевых (а чуть позже и германиевых) точечных диодов, которые использовались в качестве детекторовсмесителей в радиолокаторах. Смерть Лосева совпала по времени с рождением кремниевых технологий.

Военный трамплин

В 1925 году корпорация American Telephone and Telegraph (AT&T) открывает научный и опытно-конструкторский центр Bell Telephone Laboratories. В 1936 году директор Bell Telephone Laboratories Мервин Келли решает сформировать группу ученых, которая провела бы серию исследований, направленных на замену ламповых усилителей полупроводниковыми. Группу возглавил Джозеф Бекер, привлекший к работе физика-теоретика Уильяма Шокли и блестящего экспериментатора Уолтера Браттейна.

Окончив докторантуру в Массачусетском технологическом институте, знаменитом МТИ, и поступив на работу в Bell Telephone Laboratories, Шокли, будучи исключительно амбициозным и честолюбивым человеком, энергично берется за дело. В 1938 году, в рабочей тетради 26-летнего Шокли появляется первый набросок полупроводникового триода. Идея проста и не отличается оригинальностью: сделать устройство, максимально похожее на электронную лампу, с тем лишь отличием, что электроны в нем будут протекать по тонкому нитевидному полупроводнику, а не пролетать в вакууме между катодом и анодом. Для управления током полупроводника предполагалось ввести дополнительный электрод (аналог сетки) — прикладывая к нему напряжение разной полярности. Таким образом, можно будет либо уменьшать, либо увеличивать количество электронов в нити и, соответственно, изменять ее сопротивление и протекающий ток. Все как в радиолампе, только без вакуума, без громоздкого стеклянного баллона и без подогрева катода. Вытеснение электронов из нити или их приток должен был происходить под влиянием электрического поля, создаваемого между управляющим электродом и нитью, то есть благодаря полевому эффекту. Для этого нить должна быть именно полупроводниковой. В металле слишком много электронов и никакими полями их не вытеснишь, а в диэлектрике свободных электронов практически нет. Шокли приступает к теоретическим расчетам, однако все попытки построить твердотельный усилитель ни к чему не приводят.

В то же время в Европе немецкие физики Роберт Поль и Рудольф Хилш создали на основе бромида калия работающий контактный трехэлектродный кристаллический усилитель. Тем не менее, никакой практической ценности немецкий прибор не представлял. У него была очень низкая рабочая частота. Есть сведения, что в первой половине 1930-х годов трехэлектродные полупроводниковые усилители «собрали» и два радиолюбителяканадец Ларри Кайзер и новозеландский школьник Роберт Адамс. Адамс, в дальнейшем ставший радиоинженером, замечал, что ему никогда не приходило в голову оформить патент на изобретение, так как всю информацию для своего усилителя он почерпнул из радиолюбительских журналов и других открытых источников.

К 1926–1930 гг. относятся работы Юлиуса Лилиенфельда (рис. 19), профессора Лейпцигского университета, который запатентовал конструкцию полупроводникового усилителя, в наше время известного под названием полевой транзистор (рис. 20).

Рис. 19. Юлиус Лилиенфельд

Рис. 20. Патент Ю. Лилиенфельда на полевой транзистор

Лилиенфельд предполагал, что при подаче напряжения на слабо проводящий материал будет меняться его проводимость и в связи с этим возникнет усиление электрических колебаний. Несмотря на получение патента, создать работающий прибор Лилиенфельд не сумел. Причина была самая прозаическая — в 30-х годах ХХ века еще не нашлось необходимого материала, на основе которого можно было бы изготовить работающий транзистор. Именно поэтому усилия большинства ученых того времени были направлены на изобретение более сложного биполярного транзистора. Таким образом, пытались обойти трудности, возникшие при реализации полевого транзистора.

Работы по твердотельному усилителю в Bell Telephone Laboratories прерываются с началом Второй мировой войны. Уильям Шокли и многие его коллеги откомандированы в распоряжение министерства обороны, где работают до конца 1945 года.

Твердотельная электроника не представляла интереса для военных — достижения им представлялись сомнительными. За одним исключением. Детекторы. Они-то как раз и оказались в центре исторических событий.

В небе над Ла-Маншем развернулась грандиозная битва за Британию, достигшая апогея в сентябре 1940 года. После оккупации Западной Европы Англия осталась один на один с армадой немецких бомбардировщиков, разрушающих береговую оборону и подготавливающих высадку морского десанта для захвата страны — операцию «Морской лев». Трудно сказать, что спасло Англию — чудо, решительность премьера Уинстона Черчилля или радиолокационные станции. Появившиеся в конце 30-х годов радары позволяли быстро и точно обнаруживать вражеские самолеты и своевременно организовывать противодействие. Потеряв в небе над Британией более тысячи самолетов, гитлеровская Германия сильно охладела к идее захвата Англии в 1940-м и приступила к подготовке блицкрига на Востоке.

Англии были нужны радары, радарам — кристаллические детекторы, детекторам — чистые германий и кремний. Первым, и в значительных количествах, на заводах и в лабораториях появился германий. С кремнием, из-за высокой температуры его обработки, сначала возникли некоторые трудности, но вскоре проблему решили. После этого предпочтение было отдано кремнию. Кремний был дешев по сравнению с германием. Итак, трамплин для прыжка к транзистору был практически готов.

Вторая мировая стала первой войной, в которой наука, по своей значимости для победы над врагом, выступила на равных с конкретными оружейными технологиями, а в чем-то и опередила их. Вспомним атомный и ракетный проекты. В этот список можно включить и транзисторный проект, предпосылки для которого были в значительной степени заложены развитием военной радиолокации.

Открытие

В послевоенные годы в Bell Telephone Laboratories начинают форсировать работы в области глобальной связи. Аппаратура 1940-х годов использовала для усиления, преобразования и коммутации сигналов в абонентских цепях два основных элемента: электронную лампу и электромеханическое реле. Эти элементы были громоздки, срабатывали медленно, потребляли много энергии и не отличались высокой надежностью. Усовершенствовать их значило вернуться к идее использования полупроводников. В Bell Telephone Laboratories вновь создается исследовательская группа (рис. 21), научным руководителем которой становится вернувшийся «с войны» Уильям Шокли. В команду входят Уолтер Браттейн, Джон Бардин, Джон Пирсон, Берт Мур и Роберт Гибни.

Рис. 21. г. Мюррей Хилл, штат Нью-Джерси, США, Bell Laboratories. Место рождение транзистора.

В самом начале команда принимает важнейшее решение: направить усилия на изучение свойств только двух материалов — кремния и германия, как наиболее перспективных для реализации поставленной задачи. Естественно, группа начала разрабатывать предвоенную идею Шокли — усилителя с эффектом поля. Но электроны внутри полупроводника упрямо игнорировали любые изменения потенциала на управляющем электроде. От высоких напряжений и токов кристаллы взрывались, но не желали изменять свое сопротивление.

Над этим задумался теоретик Джон Бардин. Шокли, не получив быстрого результата, охладел к теме и не принимал активного участия в работе. Бардин предположил, что значительная часть электронов на самом деле не «разгуливает» свободно по кристаллу, а застревает в каких-то ловушках у самой поверхности полупроводника. Заряд этих «застрявших» электронов экранирует прикладываемое извне поле, которое не проникает в объем кристалла. Вот так в 1947 году в физику твердого тела вошла теория поверхностных состояний. Теперь, когда, казалось, причина неудач найдена, группа начала более осмысленно реализовывать идею эффекта поля. Других идей просто не было. Стали различными способами обрабатывать поверхность германия, надеясь устранить ловушки электронов. Перепробовали все — химическое травление, механическую полировку, нанесение на поверхность различных пассиваторов. Кристаллы погружали в различные жидкости, но результата не было. Тогда решили максимально локализовать зону управления, для чего один из токопроводов и управляющий электрод изготовили в виде близко расположенных подпружиненных иголочек. Экспериментатор Браттейн, за плечами которого был 15-летний опыт работы с различными полупроводниками, мог по 25 часов в сутки крутить ручки осциллографа.

Теоретик Бардин всегда был рядом, готовый сутки напролет проверять свои теоретические выкладки. Оба исследователя, как говорится, нашли друг друга. Они практически не выходили из лаборатории, но время шло, а сколько-нибудь существенных результатов по-прежнему не было.

Однажды Браттейн, издерганный от неудач, сдвинул иголки почти вплотную, более того — случайно перепутал полярности прикладываемых к ним потенциалов. Ученый не поверил своим глазам. Он был поражен, но на экране осциллографа было явно видно усиление сигнала. Теоретик Бардин отреагировал молниеносно и безошибочно: эффекта поля никакого нет, и дело не в нем. Усиление сигнала возникает по другой причине. Во всех предыдущих оценках рассматривались только электроны, как основные носители тока в германиевом кристалле, а «дырки», которых было в миллионы раз меньше, естественно игнорировались. Бардин понял, что дело именно в «дырках». Введение «дырок» через один электрод (этот процесс назвали инжекцией) вызывает неизмеримо больший ток в другом электроде. И все это на фоне неизменности состояния огромного количества электронов.

Вот так, непредсказуемым образом, 19 декабря 1947 года на свет появился точечный транзистор (рис. 22).

Рис. 22. Страница рабочей тетради Браттейна. 19 декабря 1947 г.

Сначала новое устройство назвали германиевым триодом. Бардину и Браттейну название не понравилось. Не звучало. Они хотели, чтобы название заканчивалось бы на «тор», по аналогии с резистором или термистором. Здесь им на помощь приходит инженер-электронщик Джон Пирс, который прекрасно владел словом (в дальнейшем он станет известным популяризатором науки и писателем-фантастом под псевдонимом J. J. Coupling). Пирс вспомнил, что одним из параметров вакуумного триода служит крутизна характеристики, по-английски — transconductance. Он предложил назвать аналогичный параметр твердотельного усилителя transresistance, а сам усилитель, а это слово просто вертелось на языке, — транзистором. Название всем понравилось.

Через несколько дней после замечательного открытия, в канун Рождества, 23 декабря 1947 года состоялась презентация транзистора руководству Bell Telephone Laboratories (рис. 23).

Рис. 23. Точечный транзистор Бардина-Браттейна

Уильям Шокли, который проводил отпуск в Европе, срочно возвратился в Америку. Неожиданный успех Бардина и Браттейна глубоко задевает его самолюбие. Он раньше других задумался о полупроводниковом усилителе, возглавил группу, выбрал направление исследований, но на соавторство в «звездном» патенте претендовать не мог. На фоне всеобщего ликования, блеска и звона бокалов с шампанским Шокли выглядел разочарованным и мрачным. И тут происходит нечто, что всегда будет скрыто от нас пеленой времени. За одну неделю, которую впоследствии Шокли назовет своей «страстной неделей», он создает теорию транзистора с p-n-переходами, заменившими экзотические иголочки, и в новогоднюю ночь изобретает плоскостной биполярный транзистор. (Заметим, что реально работающий биполярный транзистор был изготовлен только в 1950 году.)

Предложение принципиальной схемы более эффективного твердотельного усилителя со слоеной структурой уравняло Шокли в правах на открытие транзисторного эффекта с Бардиным и Браттейном.

Через полгода, 30 июня 1948-го, в Нью-Йорке, в штаб-квартире Bell Telephone Laboratories, после улаживания всех необходимых патентных формальностей, прошла открытая презентация транзистора. В то время уже началась холодная война между США и Советским Союзом, поэтому технические новинки прежде всего оценивались военными. К удивлению всех присутствующих, эксперты из Пентагона не заинтересовались транзистором и порекомендовали использовать его в слуховых аппаратах.

Через несколько лет новое устройство стало незаменимым компонентом в системе управления боевыми ракетами, но именно в тот день близорукость военных спасла транзистор от грифа «совершенно секретно».

Журналисты отреагировали на изобретение тоже без особых эмоций. На сорок шестой странице в разделе «Новости радио» в газете «Нью-Йорк Таймс» была напечатана краткая заметка об изобретении нового радиотехнического устройства. И только.

В Bell Telephone Laboratories не ожидали такого развития событий. Военных заказов с их щедрым финансированием не предвиделось даже в отдаленной перспективе. Срочно принимается решение о продаже всем желающим лицензий на транзистор. Сумма сделки — $25 тыс. Организовывается учебный центр, проводятся семинары для специалистов. Результаты не заставляют себя ждать (рис. 24).

Рис. 24. Серийное производство транзисторов. Одно из первых рекламных объявлений. США. Февраль 1953 года

Транзистор быстро находит применение в самых различных устройствах — от военного и компьютерного оборудования до потребительской электроники. Интересно, что первый портативный радиоприемник долгое время так и называли — транзистор.

Европейский аналог

Работы по созданию трехэлектродного полупроводникового усилителя велись и по другую сторону океана, но о них известно намного меньше.

Совсем недавно бельгийский историк Арманд Ван Дормел и профессор Стэнфордского университета Майкл Риордан обнаружили, что в конце 1940-х годов в Европе был изобретен и даже запущен в серию «родной брат транзистора» Бардина-Браттейна.

Европейских изобретателей точечного транзистора звали Герберт Франц Матаре и Генрих Иоганн Велкер (рис. 25). Матаре был физиком-экспериментатором, работал в немецкой фирме Telefunken и занимался микроволновой электроникой и радиолокацией. Велкер больше был теоретиком, долгое время преподавал в Мюнхенском университете, а в военные годы трудился на люфтваффе.

Рис. 25. Изобретатели транзитрона Герберт Матаре и Генрих Велкер

Встретились они в Париже. После разгрома фашистской Германии оба физика были приглашены в европейский филиал американской корпорации Westinghouse.

Еще в 1944 году Матаре, занимаясь полупроводниковыми выпрямителями для радаров, сконструировал прибор, который назвал дуодиодом. Это была пара работающих параллельно точечных выпрямителей, использующих одну и ту же пластинку германия. При правильном подборе параметров устройство подавляло шумы в приемном блоке радара. Тогда Матаре обнаружил, что колебания напряжения на одном электроде могут обернуться изменением силы тока, проходящего через второй электрод. Заметим, что описание подобного эффекта содержалось еще в патенте Лилиенфельда, и не исключено, что Матаре знал об этом. Но как бы там ни было, он заинтересовался наблюдаемым явлением и продолжал исследования.

Велкер пришел к идее транзистора с другой стороны, занимаясь квантовой физикой и зонной теорией твердого тела. В самом начале 1945 года он создает схему твердотельного усилителя, очень похожего на устройство Шокли. В марте Велкер успевает его собрать и испытать, но ему повезло не больше, чем американцам. Устройство не работает.

В Париже Матаре и Велкеру поручают организовать промышленное производство полупроводниковых выпрямителей для французской телефонной сети. В конце 1947 года выпрямители запускаются в серию, и у Матаре с Велкером появляется время для возобновления исследований. Они приступают к дальнейшим экспериментам с дуодиодом. Вдвоем они изготавливают пластинки из гораздо более чистого германия и получают стабильный эффект усиления. Уже в начале июня 1948 года Матаре и Велкер создают стабильно работающий точечный транзистор. Европейский транзистор появляется на полгода позже, чем устройство Бардина и Браттейна, но абсолютно независимо от него. О работе американцев Матаре и Велкер не могли ничего знать. Первое упоминание в прессе о «новом радиотехническом устройстве», вышедшем из Bell Laboratories, появилось только 1 июля.

Дальнейшая судьба европейского изобретения сложилась печально. Матаре и Велкер в августе подготовили патентную заявку на изобретение, но французское бюро патентов очень долго изучало документы. Только в марте 1952 года они получают патент на изобретение транзитрона — такое название выбрали немецкие физики своему полупроводниковому усилителю. К тому времени парижский филиал Westinghouse уже начал серийное производство транзитронов. Основным заказчиком выступало Почтовое министерство. Во Франции строилось много новых телефонных линий. Тем не менее, век транзитронов был недолог. Несмотря на то, что они работали лучше и дольше своего американского «собрата» (за счет более тщательной сборки), завоевать мировой рынок транзитроны не смогли. Впоследствии французские власти вообще отказались субсидировать исследования в области полупроводниковой электроники, переключившись на более масштабные ядерные проекты. Лаборатория Матаре и Велкера приходит в упадок. Ученые принимают решение вернуться на родину. К тому времени в Германии начинается возрождение науки и высокотехнологичной промышленности. Велкер устраивается на работу в лабораторию концерна Siemens, которую впоследствии возглавит, а Матаре переезжает в Дюссельдорф и становится президентом небольшой компании Intermetall, выпускающей полупроводниковые приборы.

Послесловие

Если проследить судьбы американцев, то Джон Бардин ушел из Bell Telephone Labora-tories в 1951 году, занялся теорией сверхпроводимости и в 1972 году вместе с двумя своими учениками был удостоен Нобелевской премии «За разработку теории сверхпроводимости», став, таким образом, единственным в истории ученым, дважды нобелевским лауреатом.

Уолтер Браттейн проработал в Bell Telephone Laboratories до выхода на пенсию в 1967 году, а затем вернулся в свой родной город и занялся преподаванием физики в местном университете.

Судьба Уильяма Шокли сложилась следующим образом. Он покидает Bell Telephone Laboratories в 1955 году и, при финансовой помощи Арнольда Бекмана, основывает фирму по производству транзисторов — Shockly Transistor Corporation. На работу в новую компанию переходят многое талантливые ученые и инженеры, но через два года большинство из них уходят от Шокли. Заносчивость, высокомерие, нежелание прислушиваться к мнению коллег и навязчивая идея не повторить ошибку, которую он допустил в работе с Бардиным и Браттейном, делают свое дело. Компания разваливается.

Его бывшие сотрудники Гордон Мур и Роберт Нойс при поддержке того же Бекмана основывают фирму Fairchild Semiconductor, а затем, в 1968 году создают собственную компанию — Intel.

Мечта Шокли построить полупроводниковую бизнес-империю была претворена в жизнь другими (рис. 26), а ему опять досталась роль стороннего наблюдателя. Ирония судьбы заключается в том, что еще в 1952 году именно Шокли предложил конструкцию полевого транзистора на основе кремния. Тем не менее, компания Shockly Transistor Corporation не выпустила ни одного полевого транзистора. Сегодня это устройство является основой всей компьютерной индустрии.

Рис. 26. Эволюция транзистора

После неудачи в бизнесе Шокли становится преподавателем в Стэндфордском университете. Он читает блестящие лекции по физике, лично занимается с аспирантами, но ему не хватает былой славы — всего того, что американцы называют емким словом publicity. Шокли включается в общественную жизнь и начинает выступать с докладами по многим социальным и демографическим вопросам. Предлагая решения острых проблем, связанных с перенаселением азиатских стран и национальными различиями, он скатывается к евгенике и расовой нетерпимости. Пресса, телевидение, научные журналы обвиняют его в экстремизме и расизме. Шокли снова «знаменит» и, похоже, испытывает удовлетворение от всего происходящего. Его репутации и карьере ученого приходит конец. Он выходит на пенсию, перестает со всеми общаться, даже с собственными детьми, и доживает жизнь затворником.

Разные люди, разные судьбы, но всех их объединяет причастность к открытию, коренным образом изменившему наш мир.

Дату 19 декабря 1947 года можно по праву считать днем рождения новой эпохи. Начался отсчет нового времени. Мир шагнул в эру цифровых технологий.

Литература

1. William F. Brinkman, Douglas E. Haggan, William W. Troutman. A History of the Invention of the Transistor and Where it will lead us // IEEE Journal of Solid-State Circuits. Vol.32, No.12. December 1997.
2. Hugo Gernsback. A Sensational Radio Invention // Radio News. September 1924.
3. Новиков М. А. Олег Владимирович Лосев — пионер полупроводниковой электроники // Физика твердого тела. 2004. Том 46, вып. 1.
4. Остроумов Б., Шляхтер И. Изобретатель кристадина О. В. Лосев. // Радио. 1952. № 5.
5. Жирнов В., Суэтин Н. Изобретение инженера Лосева // Эксперт. 2004. № 15.
6. Lee T. H., A Nonlinear History of Radio. Cambridge University Press. 1998.
7. Носов Ю. Парадоксы транзистора // Квант. 2006. № 1.
8. Andrew Emmerson. Who really invented Transistor? www.radiobygones.com
9. Michael Riordan. How Europe Missed the Transistor // IEEE Spectrum, Nov. 2005. www.spectrum.ieee.org

Принцип действия полевого транзистора кратко

Принцип работы полевого транзистора для чайников

Транзистор (transistor, англ.) – триод, из полупроводниковых материалов, с тремя выходами, основное свойство которого – сравнительно низким входным сигналом управлять значительным током на выходе цепи. В радиодеталях, из которых собирают современные сложные электроприборы, используются полевые транзисторы. Их свойства позволяют решать задачи по выключению или включению тока в электрической цепи печатной платы, или его усилению.

Что такое полевой транзистор

Полевой транзистор — это устройство с тремя или четырьмя контактами, в котором ток на двух контактах регулируется напряжением электрического поля на третьем. Поэтому их называют полевыми.

• исток – контакт входящего электрического тока, находящийся в зоне n;
• сток – контакт исходящего, обработанного тока, находящийся в зоне n;
• затвор – контакт, находящийся в зоне р, изменяя напряжение на котором, можно регулировать пропускную способность устройства.

Полевой транзистор с п – р переходом – особый вид транзисторов, которые служат для управления током.

Он отличается от простого обычного тем, что ток в нем проходит, не пересекая зоны р — n перехода, зоны, образующейся на границы этих двух зон. Размер р — n зоны регулируется.

Полевые транзисторы, их виды

Полевые транзисторы с п – р переходом делят на классы:

1. По типу канала проводника: n или р. От канала зависит знак, полярность, сигнала управления. Она должна быть противоположна по знаку n -зоне.
2. По структуре прибора: диффузные, сплавные по р – n — переходом, с затвором Шоттки, тонкопленочные.
3. По числу контактов: 3-х и 4-контактные. В случае 4-контактного прибора, подложка также исполняет роль затвора.
4. По используемым материалам: германий, кремний, арсенид галлия.

Классы делятся по принципу работы:

• устройство под управлением р — n перехода;
• устройство с изолированным затвором или с барьером Шоттки.

Полевой транзистор, принцип работы

По-простому, как работает полевой транзистор с управляющим р-п переходом, можно сказать так: радиодеталь состоит из двух зон: р — перехода и п — перехода. По зоне п течет электрический ток. Зона р – перекрывающая зона своего рода вентиль. Если на нее сильно надавить, она перекрывает зону для прохождения тока и его проходит меньше. Или, если давление снизить пройдет больше. Такое давление осуществляют увеличением напряжения на контакте затвора, находящегося в зоне р.

Прибор с управляющим р — п канальным переходом — это полупроводниковая пластина с электропроводностью одного из этих типов. К торцам пластины подсоединены контакты: сток и исток, в середине — контакт затвора. Действие устройства основано на изменяемости толщины пространства р-п перехода. Поскольку в запирающей области почти нет подвижных носителей заряда, ее проводимость равна нулю. В полупроводниковой пластине, в области не под воздействием запирающего слоя, создается проводящий ток канал. При подаче отрицательного напряжения по отношению к истоку, на затвор создается поток, по которому истекают носители заряда.

В случае изолированного затвора, на нем расположен тонкий слой диэлектрика. Этот вид устройства работает на принципе электрического поля. Чтобы разрушить его достаточно небольшого электричества. Поэтому для защиты от статического напряжения, которое может достигать тысяч вольт, создают специальные корпуса приборов — они позволяют минимизировать воздействие вирусного электричества.

Зачем нужен полевой транзистор

Рассматривая работу сложной электронной техники, как работу полевого транзистора (как одного из компонентов интегральной схемы) сложно представить, что основных направления его работы пять:

1. Усилители высоких частот.
2. Усилители низких частот.
3. Модуляция.
4. Усилители постоянного тока.
5. Ключевые устройства (выключатели).

На простом примере работу транзистора, как выключателя, можно представить как компоновку микрофона с лампочкой. Микрофон улавливает звук, от этого появляется электрический ток. Он поступает на запертый полевой транзистор. Своим присутствием ток включает устройство, включает электрическую цепь, к которой подключена лампочка. Лампочка загорается при улавливании звука микрофоном, но горит за счет источника питания, не связанного с микрофоном и более мощного.

Модуляция применяется для управления информационным сигналом. Сигнал управляет частотой колебания. Модуляция применяется для качественного звукового сигнала в радио, для передачи звукового ряда в телевизионных передачах, трансляции цвета и телевизионного сигнала высокого качества. Она применяется везде, где требуется работа с материалом высокого качества.

Как усилитель полевой транзистор упрощенно работает так: графически любой сигнал, в частности, звуковой ряд, можно представить в виде ломаной линии, где ее длина – это время, а высота изломов частота звука. Для усиления звука на радиодеталь подают мощное напряжение, которое приобретает необходимые частоты, но с более большими значениями, за счет подачи слабого сигнала на управляющий контакт. Другими словами, устройство пропорционально перерисовывает изначальную линию, но с более высокими пиковыми значениями.

Применение полевых транзисторов

Первым прибором, поступившим в продажу, где использовался полевой транзистор с управляющим p-n переходом, был слуховой аппарат. Его появление зафиксировано в пятидесятых годах прошлого века. В промышленных масштабах их применяли в телефонных станциях.

В современном мире, устройства применяют во всей электротехнике. Благодаря маленьким размерам и разнообразию характеристик полевого транзистора, встретить его можно в кухонной технике, аудио и телевизионной технике, компьютерах и электронных детских игрушках. Их применяются в системах сигнализации как охранных механизмов, так и пожарной сигнализации.

На заводах транзисторное оборудование применяется для регуляторов мощности станков. В транспорте от работы оборудования на поездах и локомотивов, до системы впрыска топлива частных автомобилей. В ЖКХ от систем диспетчеризации, до систем управления уличным освещением.

Одна из важнейших областей применения транзисторов – производство процессоров. По сути, весь процессор состоит из множества миниатюрных радиодеталей. Но при переходе на частоту работы выше 1,5 ГГц, они лавинообразно начинают потреблять энергию. Поэтому производители процессоров пошли по пути многоядерности, а не путем увеличения тактовых частот.

Плюсы и минусы полевых транзисторов

Полевые транзисторы своими характеристиками оставили далеко позади другие виды устройства. Широкое применение они нашли в интегральных схемах в роли выключателей.

• каскад деталей расходует мало энергии;
• усиление выше, чем у других видов;
• высокая помехоустойчивость достигается отсутствием прохождения тока в затворе;
• более высокая скорость включения и выключения – они могут работать на недоступных другим транзисторам частотах.

• более низкая температура разрушения, чем у других видов;
• на частоте 1,5 ггц, потребляемая энергия начинает резко возрастать;
• чувствительность к статическому электричеству.

Характеристики полупроводниковых материалов, взятых за основу полевых транзисторов, позволили применять устройства в быту и производстве. На основе плевых транзисторов создали бытовую технику в привычном для современного человека виде. Обработка высококачественных сигналов, производство процессоров и других высокоточных компонентов невозможна без достижений современной науки.

Применение полевых транзисторов

Для того чтобы быстро изменить силу тока в усилительных схемах, лампочках или электрических двигателях применяют транзисторы. Они умеют ограничивать силу тока плавно и постепенно или специальным методом «импульс-пауза». Второй способ особо часто используется при широтно-импульсной модуляции и управления. Если используется мощный источник тока, то транзистор проводит его через себя и регулирует параметр слабым значением. Если тока маловато, то используют сразу несколько транзисторов, обладающих большей чувствительностью. Соединять в таком случае их нужно каскадным образом. В этой статье будет рассмотрено, как открыть полевой транзистор, какой принцип работы полевого транзистора для чайников и какие обозначения выводов полевой транзистор имеет.

Что это такое

Полевой транзистор — это радиоэлемент полупроводникового типа. Он используется для усиления электросигнала. В любом цифровом приборе схема с полевым транзистором исполняет роль ключа, который управляет переключением логических элементов прибора. В этом случае использование ПТ является очень выгодным решением проблемы с точки зрения уменьшения размеров устройства и платы. Обусловлено это тем, что цепь управления радиокомпонентами требует не очень большой мощности, а значит, что на одном кристалле могут располагаться тысячи и десятки тысяч транзисторов.

Материалами, из которых делают полупроводниковые элементы и транзисторы в том числе, являются:

• Фосфид индия;
• Нитрид галлия;
• Арсенид галлия;
• Карбид кремния.

Важно! Полевые транзисторы также называют униполярными, так как при протекания через них электротока используется только один вид носителей.

Характеристики полевого транзистора

Основными характеристики полевого транзистора являются:

• Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность;
• Максимально допустимая рабочая частота;
• Напряжение сток-исток;
• Напряжение затвор-сток;
• Напряжение затвор-исток;
• Максимально допустимый ток стока;
• Ток утечки затвора;
• Крутизна характеристики;
• Начальный ток стока;
• Емкость затвор-исток;
• Входная ёмкость;
• Выходная ёмкость;
• Проходная ёмкость;
• Выходная мощность;
• Коэффициент шума;
• Коэффициент усиления по мощности.

Как он работает

Полевой транзистор включает нескольких составных элементов — истока (источника носителя заряда наподобие эмиттера на биполярном элементе), стока (приемника заряда по аналогии с коллектором) и затвора (управляющего электрода наподобие сетки в лампах или базы). Работа первых двух очевидна и состоит в генерации и приеме носителя электрозаряда, среди которых электроны и дырки. Затвор же нужен в первую очередь для управления электротоком, который протекает через ПТ. То есть, получается классического вида триод с катодом, анодом и электродом управляющего типа.

Когда происходит подача напряжения на затвор, возникает электрополе, которое изменяет ширину определенных переходов и влияет на параметр электротока, протекающего от истока к стоку. Если управляющее напряжение отсутствует, то ничто не будет препятствовать потоку носителей заряда в виде электронов. Когда напряжение управления повышается, то канал, по которому движутся электроны или дырки, наоборот, уменьшается, а при достижении некоего предела закрывается совсем, и полевой транзистор входит в так называемый режим отсечки. Именно эта характеристика ПТ делает возможным их применение в качестве ключей.

Свойства усиления электротока этого радиокомпонента обусловлены тем, что сильный электрический ток, который протекает от истока к стоку, повторяет все динамические характеристика напряжения, прикладываемого к затвору. Другим языком, с выхода этого усилителя берется абсолютно такой же по форме сигнал, как и на электроде управления, только более сильный.

Строение ПТ (униполярного транзистора) немного отличается от биполярного. А именно тем, что электричество в нем пере пересекает определенные переходные зоны. Электрозаряды совершают движение по участку регуляции, который называется затвором. Его пропускная способность регулируется параметром напряжения.

Важно! Пространство зон транзистора под действием электрического поля уменьшается и увеличивается. Исходя из этого изменяется количество носителей зарядов — от их полного отсутствия до переизбытка.

Для чего нужен

ПТ нужны для того, чтобы управлять выходным током с помощью создаваемого электрического поля и изменять его важнейшие параметры. Структуры, созданные на основе полевого транзистора, часто используются в интегральных схемах цифрового и аналогового вида.

Именно за счет полевого управления, эти транзисторы воздействуют на величину приложенного к их затвору напряжения. Это отличает их от биполярных транзисторов, которые управляются током, который протекает через их базу. ПТ потребляют значительно меньшее количество электроэнергии, что и определило их популярность при использовании в ждущих и следящих устройствах, а также интегральных схемах малого потребления ( при организации спящего режима).

Важно! Одними из наиболее известных устройств, основанных на действии полевых транзисторов, являются пульты управления от телевизора, наручные часы электронного типа. Эти устройства за счет своего строения и применения ПТ могут годами работать от одного крошечного источника питания в виде батарейки.

Как открыть полевой транзистор

Для того чтобы полностью открыть полевой транзистор и запустить его работы в режиме ключа, напряжение базы-эмиттера должно быть больше 0,6-0,7 Вольт. Также сила электротока, текущая через базу должна быть такой, чтобы он мог спокойно протекать через коллектор-эмиттер без каких-либо препятствий. В идеальном случае, сопротивление через коллектор-эмиттер должно быть равным нулю, в реальности же оно будет иметь сотые доли Ома. Такой режим называется «режимом насыщения транзистора».

Как видно на схеме, коллектор и эмиттер находятся в режиме насыщения и соединены накоротко, что позволяет лампочке гореть «на полную».

Схема (структура)

На схеме ниже можно увидеть примерное строение транзистора полярного типа. Его выводы соединены с металлизированными участками затвора, истока и стока. Схема изображает именно p канальное устройство, затвором которого является n-слой. Он имеет гораздо меньшее удельное сопротивление, чем канальная область p-слоя. Область же перехода n-p в большей степени находится в p-слое.

Как подключить

Все зависит от того, каким именно образом полевой транзистор будет включаться в усилительный каскад. Таких способа есть три:

• С общим истоком;
• С общим стоком;
• С общим затвором.

Их различия заключаются в том, что они используют различные электроды подаются питающим напряжением и к каким электроцепям присоединен источник сигнала и нагрузка для него.

Общий исток наиболее часто используется для достижения максимального усиления сигнала входа. Общий сток используется для устройств согласования, потому что усиление там используется небольшое, но сигналы входа и выхода аналогичны по фазе. Схема с общим затвором применяется чаще всего в усилителях высокой частоты. При таком способе подключения полоса пропускания намного шире, чем в других способах.

Таким образом, полевой транзистор это очень важный полупроводниковый радиоэлемент, который способен управлять сопротивлением канала электротока путем воздействия на него поперечного электрического поля, создаваемого напряжением затвора.

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

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

Что такое транзистор

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

Принцип действия

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

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

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

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

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

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

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

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

Биполярный транзистор

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

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

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

Такой полевой транзистор с изолированным затвором обозначается латинскими буквами MOSFET.

Существует два вида МДП-затвора:

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

Основные характеристики

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

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

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

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

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

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

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

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

Типы подключений

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

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

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

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

Виды транзисторов

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

Виды и принципы действия полевых транзисторов для чайников

В электронике и радиотехнике очень часто применяются полупроводниковые приборы, к которым относятся и транзисторы. Полевые транзисторы (ПТ) потребляют значительно меньше электрической энергии, благодаря чему они применяются в различных маломощных устройствах. Кроме того, существуют модели, работающие на больших токах при малом потреблении питающего напряжения (U).

Общие сведения

FET или ПТ — полупроводниковый прибор, который при изменении управляющего U, регулирует I (силу тока). Этот тип транзистора называется еще униполярным. Появился он позже обычного транзистора (биполярного), но с ростом технологии получил широкое распространение среди цифровых устройств благодаря низкому энергопотреблению. Основное отличие заключается в методе регулирования I. В биполярном — регулирование I происходит при помощи управляющего I, а полевом — при помощи U (Рисунок 1).

Рисунок 1 — Отличие полевого от биполярного Т.

У ПТ нет I управления, и он обладает высоким входным сопротивлением (R), которое достигает несколько сотен ГОм (ГигаОм) или ТОм (ТерраОм). Для того чтобы узнать сферы применения ПТ, нужно внимательно изучить его. Носителями заряда являются электроны или дырки, а у биполярного — электроны и дырки.

Классификация и устройство

ПТ бывают нескольких видов, обладают различными характеристиками и устройством. Они делятся на 2 типа:

1. С управляющим p-n — переходом (JFET).
2. С изолированным затвором (MOSFET).

Кроме того, каждый из типов бывает с N и P каналами. У ПТ с N-каналом носителями заряда являются электроны, а у P-канального — дырки. Принцип работы для P и N аналогичен, отличие лишь в подаче U другой полярности в качестве управляющего.

Устройство JFET ПТ (рисунок 2) простое. Область N образовывает канал между зонами P. К концам канала N подключаются электроды, которые называются условно стоком (С) и истоком (И), так как все зависит от схемы подключения. Затвор (З) — тип электрода, который образовывается при закорачивании полупроводников P. Это обусловлено электрическим соединением при воздействии U. Возле С и И находится область повышенной концентрации или легирование (N+) электронов, что приводит к улучшению проводимости канала. Наличие зоны легирования значительно понижает образование паразитных p-n — переходов, образующихся при присоединении алюминия.

Рисунок 2 — Схематическое устройство ПТ типа JFET.

MOFSET называется МОП или МДП, также делятся на типы — со встроенным и индуцируемым каналами. В каждом из этих типов есть модели с P и N каналами. Полевой транзистор, обозначение которого представлено на рисунке 3, иногда обладает 4 выводами.

Рисунок 3 — Обозначение МДП-транзистора.

Устройство довольно простое и показано на рисунке 4. Для ПТ с N-каналом подложка (покрывается SiO2) обладает электропроводимостью P-типа. Через слой диэлектрика проводятся электроды стока и истока от зон с легированием, а также вывод, который закорачивается с истоком. Слой затвора находится над диэлектриком.

Рисунок 4 — Типичное устройство ПТ с индуцированным каналом.

Принцип работы JFET

JFET работает в 2 режимах. Эта особенность связана с тем, что подается на затвор напряжение положительной и отрицательной составляющей (рис. 5). При подключении U > 0 к стоку, а земли к истоку необходимо подсоединить затвор к земле (Uзи = 0). Во время постепенного повышения U между С и И (Uис) ПТ является обыкновенным проводником. При низких значениях Uис ширина канала является максимальной.

При высоких значениях Uис через канал протекают большие значения силы тока между истоком и стоком (Iис). Это состояние получило название омической области (ОО). В полупроводнике N-типа, а именно в зонах p-n — перехода происходит снижение концентрации свободных электронов. Несимметричное разрастание слоя снижения концентрации свободных электронов называется обедненным слоем. Разрастание случается со стороны подключенного источника питания. Происходит сильное сужение канала при повышении Uис, вследствие которого Iис растет незначительно. Работа ПТ в этом режиме называется насыщением.

Рисунок 5 — Схема работы JFET (Uзи = 0).

При подаче низкого отрицательного U на затворе происходит сильное сужение канала и уменьшение Iис. При уменьшении U произойдет закрытие канала, и ПТ будет работать в режиме отсечки, а U, при котором прекращается подача Iис, называется напряжением отсечки (Uотс). На рисунке 6 изображено графическое представление работы ПТ при Uзи 0 возникает электромагнитное поле, которое будет притягивать электроны из стока, истока и подложки. В результате этого произойдет расширение канала и повышение его проводимости, а Iис увеличится. ПТ начнет работать в режиме обогащения. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 — ВАХ ПТ со встроенным каналом.

Несмотря на свою универсальность, ПТ обладают преимуществами и недостатками. Эти недостатки следуют из устройства, способа исполнения и ВАХ приборов.

Преимущества и недостатки

Преимущества и недостатки являются условными понятиями, взятыми из сравнения полевых и биполярных транзисторов. Одним из свойств ПТ является высокое сопротивление Rвх. Причем у MOFSET его значение на несколько порядков выше, чем у JFET. ПТ практически не потребляют ток у источника сигнала, который нужно усилить.

Например, если взять обыкновенную схему, генерирующую сигнал на базе микросхемы-микроконтроллера. Эта схема управляет работой электродвигателя, но обладает низким значением тока, которого недостаточно для этих целей. В этом случае необходим усилитель, потребляющий малое количества I и генерирующий на выходе ток высокой величины. В усилителе такого типа и следует применить JFET, обладающий высоким Rвх. JFET обладает низким коэффициентом усиления по U. При построении усилителя на JFET (1 шт.) максимальный коэффициент усиления будет около 20, при использовании биполярного — несколько сотен.

В усилителях высокого качества применяются оба типа транзистора. При помощи ПТ происходит усиление по I, а затем, при помощи биполярного происходит усиление сигнала по U. Однако ПТ обладают рядом преимуществ перед биполярными. Эти преимущества заключаются в следующем:

1. Высокое Rвх, благодаря которому происходит минимальное потребление I и U.
2. Высокое усиление по I.
3. Надежность работы и помехоустойчивость: при отсутствии протекания I через затвор, в результате чего управляющая цепь затвора изолирована от стока и истока.
4. Высокое быстродействие перехода из одного состояния в другое, что позволяет применять ПТ на высоких частотах.

Кроме того, несмотря на широкое применение, ПТ обладают несколькими недостатками, не позволяющими полностью вытеснить с рынка биполярные транзисторы. К недостаткам относятся следующие:

1. Повышенное падение U.
2. Температура разрушения прибора.
3. Потребление большего количества энергии на высоких частотах.
4. Возникновение паразитного транзистора биполярного типа (ПБТ).
5. Чувствительность к статическому электричеству.

Повышенное падение U возникает из-за высокого R между стоком и истоком во время открытого состояния. ПТ разрушается при превышении температуры по Цельсию 150 градусов, а биполярный — 200. ПТ обладает низким энергопотреблением только на низких частотах. При превышении частоты 1,6 ГГц энергопотребление возрастает по экспоненте. Исходя из этого, частоты микропроцессоров перестали расти, а делается упор на создании машин с большим количеством ядер.

При использовании мощного ПТ в его структуре образовывается ПБТ, при открытии которого ПТ выходит из строя. Для решения этой проблемы подложку закорачивают с И. Однако это не решает проблему полностью, так как при скачке U может произойти открытие ПБТ и выход из строя ПТ, а также цепочки из деталей, которые подключены к нему.

Существенным недостатком ПТ является чувствительность к статическому электричеству. Этот недостаток исходит от конструктивной особенности ПТ. Слой диэлектрика (изоляционный) тонкий, и его очень легко разрушить при помощи заряда статического электричества, который может достигать сотен или тысяч вольт. Для предотвращения выхода из строя при воздействии статического электричества предусмотрено заземление подложки и закорачивание ее с истоком. Кроме того, в некоторых типах ПТ между стоком и истоком стоит диод. При работе с интегральными микросхемами на ПТ следует применять антистатические меры: специальные браслеты и транспортировка в вакуумных антистатических упаковках.

Схемы подключения

ПТ подключается примерно так же, как и обыкновенный, но есть некоторые особенности. Существует 3 схемы включения полевых транзисторов: с общими истоком (ОИ), стоком (ОС) и затвором (ОЗ). Чаще всего применяется схема подключения с ОИ (схема 1). Это подключение позволяет получить значительное усиление по мощности. Однако подключение с ОИ используется в низкочастотных усилителях, а также обладает высокой входной емкостной характеристикой.

Схема 1 — Включение с ОИ.

При включении с ОС (схема 2) получается каскад с повторителем, который называется истоковым. Преимуществом является низкая входная емкость. Его применяют для изготовления буферных разделительных каскадов (например, пьезодатчик).

Схема 2 — Подключение с ОС.

При подключении с ОЗ (схема 3) не происходит значительного усиления по току, коэффициент усиления по мощности ниже, чем при подключениях с ОИ и ОС. Однако при помощи этого типа подключения возможно полностью избежать эффекта Миллера. Эта особенность позволяет увеличить максимальную частоту усиления (усиление СВЧ).

Схема 3 — Включение с ОЗ.

Таким образом, ПТ получили широкое применение в области информационных технологий. Однако не смогли вытеснить с рынка радиодеталей биполярные транзисторы. Это связано, прежде всего, с недостатками ПТ, которые кроются в принципе работы и конструктивной особенности. Главным недостатком является высокая чувствительность к полям статического электричества.

Принцип работы полевого транзистора для чайников: для чего он нужен и как работает

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

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

Что представляет собой полевой транзистор

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

Название расположенных на устройстве контактов и их функции:

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

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

Видео «Подробно о полевых транзисторах»

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

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

Принцип работы полевого транзистора

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

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

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

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

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

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

Как применять полевой транзистор для чайников

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

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

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

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

Достоинства и недостатки полевых транзисторов

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

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

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

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

Видео «Устройство и принцип работы полевого транзистора»

Рис. 12.1. Условное графическое обозначение полевых транзисторов

В 1926 году был открыт полевой эффект и указан его недостаток — поверхностные волны в металле не позволяли проникать полю затвора в канал. Однако в 1952 году Уильям Шокли исследовал влияние управляющего p-n перехода на ток в канале, а в 1959 году Джон Аталла и Дэвон Канг из Bell Labs изготовили полевой транзистор с изолированным затвором по технологии МОП металлический (Al) затвор, изолятор оксид кремния (SiO₂) и канал-полупроводник (Si).

Система обозначений транзисторов была рассмотрена в лекции 6, и для полевых транзисторов, как и для биполярных, установлена отраслевым стандартом ОСТ 11336.919 – 81 и его последующими редакциями.

12.2. Устройство и принцип действия полевых транзисторов с управляющим p-n переходом

Рассмотрим физические процессы, происходящие в полевом транзисторе с управляющим p-n переходом и каналом n-типа, схематичное изображение которого представлено на рис. 12.2.

Рис. 12.2. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом и каналом n-типа

Такая конструкция, в которой электроды расположены в одной плоскости, называется планарной. В исходном полупроводниковом материале методом диффузии создаётся легированная область n – канал. Затем на поверхности образуют сток, исток и затвор таким образом, что канал получается под затвором. Нижняя область исходного полупроводника – подложка – обычно соединяется с затвором. Исток подключают к общей точке источников питания, и напряжения на стоке и затворе измеряют относительно истока.

Изменение проводимости канала осуществляется изменением напряжения, прикладываемого к p-n переходам затвора и подложки. На рис. 12.3. представлены графики статических характеристик. Поскольку ток затвора не зависит от напряжения U_ЗИ, входная характеристика отсутствует. Вместо неё применяется сток — затворная характеристика передачи

. Выходная характеристика – это зависимость тока стока от напряжения на стоке при фиксированном напряжении на затворе .

Рис. 12.3. Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом

При U_ЗИ = 0 толщина p-n – переходов затвора и подложки минимальна, канал «широкий» и проводимость его наибольшая. Под действием напряжения U_СИ по каналу будет проходить ток, создаваемый основными носителями зарядов – электронами. На участке напряжений от 0 до U_СИ.НАС ток будет нарастать и достигнет величины I_С.нач – начального тока стока. Дальнейшее увеличение напряжения на стоке повышает напряжённость поля в запорном слое p-n переходов затвора и подложки, но не увеличивает ток стока. Когда напряжение на стоке достигнет U_{СИ.макс}, может наступить электрический пробой по цепи сток – затвор, что показывает вертикальная линия роста тока на выходной характеристике.

Если отрицательное напряжение на затворе увеличивать, то, в соответствии с эффектом Эрли, толщина p-n – переходов затвора и подложки начнёт увеличиваться за счёт канала, сечение канала будет уменьшаться. Ток стока будет ограничен на меньшем уровне. Если и дальше увеличивать отрицательное напряжение на затворе, то, при некоторой его величине, называемой напряжением отсечки U_ЗИотс, p-n переходы затвора и подложки сомкнутся и перекроют канал. Движение электронов в канале прекратится, ток стока будет равен нулю, и не будет зависеть от напряжения на стоке.

Следовательно, полевой транзистор с управляющим p-n–переходом до напряжения на стоке U_СИ.НАС работает как регулируемое сопротивление, а на горизонтальных участках выходных характеристик может использоваться для усиления сигналов в режиме нагрузки.

Отличие полевых транзисторов с изолированным затвором состоит в том, что у них между металлическим затвором и полупроводником-каналом находится слой диэлектрика, в качестве которого используется слой двуокиси кремния SiO₂, выращенный на поверхности кристалла кремния методом высокотемпературного окисления. Существуют два типа полевых транзисторов с изолированным затвором: с индуцированным каналом и с встроенным каналом.

Рассмотрим принцип действия полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа, упрощённая конструкция которого представлена на рис. 12.4.

Основой транзистора является подложка – пластина Si с проводимостью р типа и с высоким удельным сопротивлением. На поверхности подложки методом диффузии создаются две сильно легированные области с проводимостью n типа, не соединённые между собой. К ним подключают металлические контакты, которые будут выводами стока и истока. Поверхность пластины покрывают слоем SiO₂, на который между стоком и истоком наносят слой металла – затвор. Подложку обычно электрически соединяют с истоком.

При U_ЗИ = 0, даже если между стоком и истоком приложено напряжение, транзистор закрыт, и в цепи стока протекает малый обратный ток p-n перехода между стоком и подложкой (рис. 12.4, а).

Рис. 12.4. Конструкция и принцип действия полевого транзистора с индуцированным каналом:

а – при U_ЗИ = 0; б – при U_ЗИ > порогового значения

При подаче на затвор положительного относительно истока напряжения электрическое поле затвора через диэлектрик проникает на некоторую глубину в приконтактный слой полупроводника, выталкивая из него вглубь полупроводника основные носители зарядов (дырки) и притягивая электроны. При малых напряжениях U_ЗИ под затвором возникает обеднённый основными носителями зарядов слой и область объёмного заряда, состоящего из ионизированных атомов примеси.

При дальнейшем увеличении положительного напряжения на затворе в поверхностном слое полупроводника происходит инверсия электропроводности (рис. 12.4, б). Образуется тонкий инверсный слой – канал – соединяющий сток с истоком. Напряжение на затворе, при котором образуется канал, называется пороговым напряжением.

Изменение напряжения на затворе вызывает изменение толщины и электропроводности канала, а, следовательно, и ток стока.

На рис. 12.5 представлены графики статических характеристик полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа.

Рис. 12.5. Графики статических характеристик полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа

Режим работы полевого транзистора, при котором канал обогащается носителями зарядов при увеличении напряжения на затворе, называется режимом обогащения.

Отсутствие тока стока при нулевом напряжении на затворе, а также одинаковая полярность напряжений U_ЗИ и U_СИ у транзисторов с индуцированным каналом позволяет использовать их в экономичных цифровых микросхемах.

Рассмотрим теперь принцип действия полевого транзистора с встроенным каналом n-типа, упрощённая конструкция которого аналогична конструкции, представленной на рис. 12.4, б.

На стадии изготовления такого транзистора между областями стока и истока методом диффузии создаётся тонкий слаболегированный слой – канал – с таким же типом проводимости, как у стока и истока.

При U_ЗИ = 0, когда между стоком и истоком приложено напряжение, транзистор открыт, и в цепи стока протекает ток. Отрицательное напряжение, приложенное к затвору относительно истока, будет выталкивать электроны из канала и втягивать в канал дырки из подложки. Канал обедняется основными носителями зарядов, его толщина и электропроводность уменьшаются. При некотором отрицательном напряжении на затворе, называемом напряжением отсечки, канал закрывается, ток стока становится равным нулю.

Увеличение положительного напряжения на затворе вызывает приток электронов из подложки в канал. Канал обогащается носителями, ток стока возрастает.

Таким образом, транзистор с встроенным каналом может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения.

На рис. 12.6 представлены графики статических характеристик полевого транзистора с встроенным каналом n-типа.

Рис. 12.6. Графики статических характеристик полевого транзистора с встроенным каналом n-типа

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Увлечёшься девушкой-вырастут хвосты, займёшься учебой-вырастут рога 10007 —

| 7789 — или читать все.

188.64.174.65 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

С изолированным затвором и встроенным каналом
С изолированным затвором и индуцированным каналом

ECSTUFF4U для инженера-электронщика

Полная форма BJT представляет собой транзистор с биполярным переходом, в котором используются как электронные, так и дырочные носители заряда. Для своей работы BJT использует два перехода между двумя полупроводниковыми типами, такими как n-тип и p-тип.

BJT производятся двух типов, NPN и PNP, и доступны в виде отдельных компонентов или изготавливаются в виде интегральных схем в больших количествах. Функция BJT заключается в усилении тока, который можно использовать в качестве усилителей или переключателей. Эти функции предлагают широкий спектр приложений для электронного оборудования, включая компьютеры, телевизоры, мобильные телефоны, аудиоусилители, промышленные системы управления и радиопередатчики.

Значение BJT:

• Транзистор с биполярным переходом представляет собой трехслойное полупроводниковое устройство с двумя переходами NPN или PNP, в котором одна p-область заключена между двумя n-областями, а две p-области заключены в одну n-область. Он имеет три терминала, называемых коллектором (C), эмиттером (E) и базой (B).

Рисунок BJT

• Течение тока в устройстве происходит за счет движения как дырок, так и электронов.
• Эмиттер обозначен стрелкой, указывающей направление тока эмиттера. Ни одна стрелка не связана с базой или коллектором.

Символ схемы BJT:

NPN PNP

Типы BJT:
Существует два типа соединительных транзисторов:

1.Транзистор NPN 
2. Транзистор PNP 

В этой статье приведены краткие сведения о транзисторах NPN и PNP, таких как принцип работы, преимущества и применение, чтобы лучше понять эту тему.

Принцип работы транзистора NPN:  

• Эта схема представляет собой транзистор BJT типа NPN, показанный на рисунке. Существует два типа протекания тока I _C , I _E известны как ток коллектора и эмиттера, а V _CB , V _EB является коллектором -базовое напряжение и эмиттерно-базовое напряжение.
• Показанный на рисунке ток I _C , I _{E ,}  I _B ток, входящий в транзистор, равен и знак принимается за положительный, а если ток уходит, знак принимается за отрицательный.

NPN-транзистор Применение:

• Использование в качестве усилителя
• Использование в качестве пары Darling-tone
• Использование в качестве переключателя

Принцип работы транзистора PNP:

• В транзисторе с соединением P-N-P эмиттерный ток поступает через вывод эмиттера, показанный на рисунке.
• При использовании любого биполярного транзисторного транзистора переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении.

Итак, сделайте вывод, что BJT может работать в другом режиме BJT, таком как отсечка, насыщенный и активный режимы.

Применение транзистора PNP

:

• Используется в парной схеме Дарлингтона
• Используется в тяжелых двигателях для управления потоком тока
• Используется как переключатель
• Используется как роботизированная мастерская
• Используется в схеме усиления

Полная форма BJT представляет собой транзистор с биполярным переходом, в котором используются как электронные, так и дырочные носители заряда.Для своей работы BJT использует два перехода между двумя полупроводниковыми типами, такими как n-тип и p-тип.

BJT производятся двух типов, NPN и PNP, и доступны в виде отдельных компонентов или изготавливаются в виде интегральных схем в больших количествах. Функция BJT заключается в усилении тока, который можно использовать в качестве усилителей или переключателей. Эти функции предлагают широкий спектр приложений для электронного оборудования, включая компьютеры, телевизоры, мобильные телефоны, аудиоусилители, промышленные системы управления и радиопередатчики.

Значение BJT:

• Транзистор с биполярным переходом представляет собой трехслойное полупроводниковое устройство с двумя переходами NPN или PNP, в котором одна p-область заключена между двумя n-областями, а две p-области заключены в одну n-область. Он имеет три терминала, называемых коллектором (C), эмиттером (E) и базой (B).

Рисунок BJT

• Течение тока в устройстве происходит за счет движения как дырок, так и электронов.
• Эмиттер обозначен стрелкой, указывающей направление тока эмиттера. Ни одна стрелка не связана с базой или коллектором.

Символ схемы BJT:

NPN PNP

Типы BJT:
Существует два типа соединительных транзисторов:

1.Транзистор NPN 
2. Транзистор PNP 

В этой статье приведены краткие сведения о транзисторах NPN и PNP, таких как принцип работы, преимущества и применение, чтобы лучше понять эту тему.

Принцип работы транзистора NPN:  

• Эта схема представляет собой транзистор BJT типа NPN, показанный на рисунке. Существует два типа протекания тока I _C , I _E известны как ток коллектора и эмиттера, а V _CB , V _EB является коллектором -базовое напряжение и эмиттерно-базовое напряжение.
• Показанный на рисунке ток I _C , I _{E ,}  I _B ток, входящий в транзистор, равен и знак принимается за положительный, а если ток уходит, знак принимается за отрицательный.

NPN-транзистор Применение:

• Использование в качестве усилителя
• Использование в качестве пары Darling-tone
• Использование в качестве переключателя

Принцип работы транзистора PNP:

• В транзисторе с соединением P-N-P эмиттерный ток поступает через вывод эмиттера, показанный на рисунке.
• При использовании любого биполярного транзисторного транзистора переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении.

Итак, сделайте вывод, что BJT может работать в другом режиме BJT, таком как отсечка, насыщенный и активный режимы.

Применение транзистора PNP

:

• Используется в парной схеме Дарлингтона
• Используется в тяжелых двигателях для управления потоком тока
• Используется как переключатель
• Используется как роботизированная мастерская
• Используется в схеме усиления

Общие сведения о биполярных транзисторах с гетеропереходом (HBT)

Радха Сетти, технический консультант, Mini-Circuits

Введение

До изобретения транзистора телефонные станции строились с использованием громоздких электронных ламп и механических реле.Перед инженерами Bell Labs была поставлена ​​задача разработать транзистор (сочетание «передаточный резистор») как меньшую и менее громоздкую альтернативу существующей технологии. Изобретение в 1947 году ознаменовало начало полупроводниковой промышленности, навсегда изменившей мир. Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли будут удостоены Нобелевской премии по физике в 1957 году за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта. Транзисторы окажут глубокое влияние на быстрое развитие технологий от беспроводной связи к вычислениям и, в конечном счете, сформируют ландшафт информационного века.[1,2]

Самая ранняя версия устройства, которая должна была быть разработана и произведена, представляла собой однопереходный транзистор с использованием германия. Вскоре его заменил кремний, так как германий перестает работать при температуре выше 75°C [2], что делает его непрактичным для большинства применений. Постепенное улучшение характеристик, особенно рабочей частоты, побудило американского физика немецкого происхождения Герберта Кремера разработать теорию биполярного транзистора с гетеропереходом (HBT), в котором используются два или более различных полупроводниковых материала с разной шириной запрещенной зоны [3] для обеспечения работы на высоких частотах.Его работа принесла ему Нобелевскую премию в 2000 году [4]. Хотя теория была предложена еще в 1957 г. [4], производство HBT пришлось ждать до 1977 г., когда появилось оборудование, способное его производить; сначала с помощью MBE (молекулярно-лучевая эпитаксия), а затем с MOCVD (металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы) [5].

Следуя отраслевой тенденции к более широкому внедрению полупроводниковых технологий, Mini-Circuits представила широкополосные MAR- и MAV-серии усилителей MMIC, в которых использовалась технология кремниевых гомопереходов, работающих на частоте до 2 ГГц.Удобство использования, выдающаяся производительность и низкая стоимость сделали эти устройства любимцами схемотехников. Но по мере того, как технология HBT стала доступной, были разработаны усилители серии ERA, использующие технологию HBT, сначала доведя рабочую частоту до 8 ГГц, а затем до 20 ГГц. Эти усилители не только увеличили рабочую частоту и обеспечили превосходный OIP3 (точка пересечения выходного сигнала третьего порядка), но и позволили еще больше упростить использование. Большинство усилителей HBT имеют широкополосное согласование на кристалле и поэтому требуют минимального количества внешних компонентов.Кроме того, HBT обеспечивают превосходный шум 1/f по сравнению с устройствами pHEMT, и по этой причине они предпочтительны в некоторых приложениях, таких как усилители и генераторы.

В этой статье объясняется физика транзисторов с гомо- и гетеропереходом и обсуждаются преимущества конструкций усилителей HBT. Представлены результаты исследований надежности усилителей Mini-Circuits HBT, а также дана ссылка на полный портфель MMIC Mini-Circuits, разработанных с использованием технологии HBT. Настоятельно рекомендуется, чтобы читатели ознакомились с двумя предыдущими статьями этой серии по основам радиочастотных полупроводников [6] и технологии pHEMT [7], опубликованными в блоге Mini Circuits, чтобы получить наиболее полное представление об этой статье.

Конфигурации транзисторов

Прежде чем мы перейдем к преимуществам HBT по сравнению с транзисторами с гомопереходом, полезно рассмотреть основы транзисторов, символы и режимы работы.

Рис. 1. Транзисторы NPN и PNP.

Транзистор имеет три зоны; эмиттер, база и коллектор, и могут быть построены двумя разными способами, как NPN или PNP. NPN-транзистор имеет эмиттер, легированный N, базу, легированную P, за которой следует коллектор, легированный N, как показано на рисунке 1a) и представлено схематично на рисунке 1b).Неудивительно, что PNP-транзистор имеет эмиттер, легированный P, и базу, легированную N, за которой следует коллектор, легированный P, как показано на рисунке 1c) и схематично представлено на рисунке 1d). Направление стрелки на схемах 1b) и 1d) указывает на протекание тока, когда переход эмиттер-база смещен в прямом направлении.

Переходы эмиттер-база и база-коллектор могут быть смещены в прямом или обратном направлении, что приводит к четырем возможным комбинациям и вариантам использования [8], как показано в таблице 1.  В этой статье конкретно рассматривается режим прямого действия NPN, используемый в усилителях.В транзисторе NPN поток тока управляется электронами, имеющими большую подвижность, чем дырки, что приводит к более высокой рабочей частоте.

Emitter-Base	Base-Collector

9 Mode0 Revource Mias Activer Activer9 Обратная смещение Cutoff90 Forward Pias Насыщенность9 Revorment Pivias0 Active Reverse-Active

Таблица 1: Различные смещения комбинации излучателя- переходы база и база-коллектор и соответствующие режимы.

На рис. 2 показаны три возможные конфигурации NPN-транзистора: с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором. Транзистор PNP также имеет аналогичную конфигурацию.

Рис. 2. Конфигурации смещения для NPN-транзистора.

В транзисторе эмиттер «испускает» электроны или дырки, которые «собираются» коллектором. Так что же такое база? Этим вопросом задаются многие начинающие и опытные инженеры. Уильям Шокли, один из изобретателей транзистора [9] и лауреат Нобелевской премии, описывает базу как «оригинальную структуру транзистора с точечным контактом, состоящую из пластины из германия n-типа и двух линейных контактов из золота, поддерживаемых пластиковым клином.Он продолжает: «Название «база», которое произошло от этой структуры, не имеет функционального значения, как «эмиттер» и «коллектор». См. Рисунок 3а для изображения исходного точечного транзистора и 3b) для его схематического изображения [9, 10].

Рис. 3: Оригинальный транзистор с точечным контактом.

В транзисторе в режиме прямого действия малый ток базы управляет большим током коллектора, что приводит к усилению. Итак, у нас есть усилитель.В транзисторе NPN электроны из эмиттера попадают в базу путем диффузии, и их импульс переносит их к коллектору, где они собираются. Поскольку база относительно тонкая, в базе теряется очень мало электронов.

Обзор

: Compound Semiconductors

По причинам, которые мы вскоре объясним, в HBT используются составные полупроводники. Давайте рассмотрим основы составных полупроводников.

Таблица 2 показывает неполный список используемых элементов в центральной части периодической таблицы.

Таблица 2: Центральная часть периодической таблицы [4].

Два или более дискретных элемента в таблице 2 могут быть использованы для формирования составных полупроводников. В центре таблицы кремний (Si) и германий (Ge). Сплав Si и Ge, SiGe (пр. «SIGH-gee») используется в качестве одного из материалов в кремниевых ГБТ.

Согласно Крамеру [4], каждый элемент в столбце III может быть объединен с каждым элементом в столбце V с образованием так называемого соединения III-V. GaAs является одним из таких примеров.В HBT типичным примером является арсенид алюминия-галлия, AI _x Ga _1-x As, где x — доля позиций столбца III в кристалле, занятых атомами Al, а 1-x занят атомами Ga. . Следовательно, у нас есть не просто 12 отдельных соединений, а непрерывный ряд материалов в зависимости от концентрации каждого из них в кристаллической структуре. В результате становится возможным создавать гетероструктуры с плавным изменением состава, в которых состав изменяется непрерывно, а не скачкообразно по всей структуре устройства.Это было в центре внимания Нобелевской лекции Кремера об открытии HBT. См. Рисунок 4 для графического изображения некоторых соединений [7].

Рис. 4. Зависимость постоянной решетки от ширины запрещенной зоны различных полупроводниковых материалов.

Физика работы биполярного транзистора с гомо- и гетеропереходом (HBT)

Главный вопрос: что такое HBT и как структуры гетероперехода улучшают работу транзистора? Диаграмма энергетических диапазонов может помочь ответить на этот вопрос.Учебное пособие по диаграммам энергетических диапазонов см. в предыдущей статье [6] в блоге Mini Circuits. На рисунке 5 показана диаграмма энергетических зон для HBT и NPN-транзисторов с гомопереходом в прямом активном режиме. Уровень вакуума не показан для простоты.

Электроны, инжектированные из эмиттера, преодолевают энергетический барьер qV _n путем диффузии и попадают в базу. В общем, ширина базы невелика, и поэтому большая часть электронов проходит через базу из-за своего импульса и собирается коллектором.Однако небольшое количество электронов теряется из-за рекомбинации в области обеднения эмиттер-база и в области базы.

Теперь рассмотрим отверстия в основании, которых больше всего. Они попадают в эмиттер, преодолевая энергетический барьер qV _ph и qV _p в транзисторе с гомопереходом и гетеропереходом соответственно. Обратите внимание, что qV _p больше, чем qV _ph на ΔE _g , что является ключом к улучшению работы HBT, как мы увидим позже.

Рисунок 5: Диаграмма энергетического диапазона, токи; биполярный транзистор с гомопереходом и гетеропереходом.

Различные токи в транзисторе, показанном на рисунке 5b), следующие:

I _n : ток электронов от эмиттера к базе

I _p : дырочный ток от базы к эмиттеру

I _s : ток из-за рекомбинации электронов/дырок в смещенном вперед слое объемного заряда эмиттер-база

I _r : ток из-за объемной рекомбинации в базе

I _e : ток эмиттера = I _n + I _p + I _s

I _c : ток коллектора = I _n – I _r

I _b : базовый ток = I _p + I _r + I _s

Пренебрегая I _CO , обратный ток между коллектором и базой, коэффициент усиления по току с общим эмиттером определяется:

Если пренебречь I _r и I _s , максимально достижимое значение β равно [11]:

Где:

N _e и P _b — уровни легирования эмиттера и базы соответственно.

   

v _nb и v _pe   — средние скорости электронов от эмиттера к базе и дырок от базы к эмиттеру, соответственно, обычно 5 <   / 90 < 03.

k _b – постоянная Больцмана.

ΔE _g — разница ширины запрещенной зоны между эмиттерным и основным материалами.

Т — температура в К.

В транзисторе с гомопереходом ΔE _g =0 и, следовательно, уравнение (2) упрощается до:

Следовательно, чтобы получить высокое значение β _max (>100), эмиттер должен быть сильно легирован по сравнению с базой (N _e > P _b) .

Сильное легирование эмиттера расширяет более слаболегированную область истощения базы, что приводит к изменению ширины базы по сравнению с изменением напряжения база-эмиттер, что, в свою очередь, вызывает модуляцию ширины базы, снижение линейности и, в худшем случае, сквозное прохождение.

В хорошем HBT, например, с использованием AlGaAs в качестве эмиттера и GaAs в качестве базы,

ΔE _г ≈ 0,2 эВ

При комнатной температуре k _b T = 0,025 эВ и ΔE _g / k _b T = 8.

Следовательно, ΔE _g / k _b T ≈ 3000.

В типичном HBT N _e / P _b ≈ 1/10. То есть база сильно легирована по сравнению с эмиттером, что сводит к минимуму модуляцию ширины базы.

Следовательно, β _max = 5 х 0,1 х 3000 ≈ 1500, что является огромным числом.

Следовательно, I _p = I _n / β _max = I _n /(1500), что пренебрежимо мало по сравнению с I _n и им можно пренебречь.Это большое преимущество в HBT, так как он максимизирует усиление по току.

Возвращаясь к уравнению (1), пренебрегая I _p ,

Хорошо спроектированный HBT имеет β около 100.

Рис. 6: Типичное поперечное сечение HBT, толщина слоя и легирование [12].

Теперь рассмотрим практическую реализацию HBT на примере [12]. На рисунке 6 (а) показано типичное поперечное сечение HBT в его плоской реализации, а на рисунке 6 (b) — функция слоя, материал, толщина и легирование.В состав входят:

1. Полуизолирующий GaAs, на котором формируются эпитаксиальные слои.
2. Субколлектор GaAs N+, предназначенный для обеспечения интерфейса с высокой проводимостью между слаболегированным n-коллектором и металлом коллектора.
3. Основание P+GaAs, сильно легированное для уменьшения сопротивления базы, и малой глубины для уменьшения времени прохождения базы.
4. Эмиттер N, в котором эпислой AlGaAs образует гетеропереход с базой P+GaAs (обратите внимание, что эмиттер слабо легирован по сравнению с базой).
5. Колпачок N+, предназначенный для обеспечения высокопроводящего интерфейса с эмиттером N и металлом эмиттера.

Эта структура имеет максимальную частоту колебаний (f _max ) 200 ГГц [13]. Сравните это с усовершенствованными гомопереходными транзисторами с f _max 20 ГГц [5], улучшение в 10 раз.

Знаки отличия для HBT [5]

f _T коэффициент усиления по току с общим эмиттером/частота отсечки и f _max максимальная частота колебаний используются в качестве показателей качества для HBT.

Коэффициент усиления по току с общим эмиттером / частота среза определяется как:

Где:

t _ee = время зарядки эмиттер-база, пропорциональное емкости эмиттер-база. В HBT это, как правило, низкое значение.

t _b = базовое время прохождения, также низкое в HBT из-за тонкого базового слоя.

t _c = время прохождения коллектора через обедненный слой, которое пропорционально емкости коллектор-база. Это поддерживается на низком уровне благодаря низкому легированию коллектора.

t _куб.см = время прохождения коллектора.

Максимальная частота колебаний определяется как:

В котором говорится, что более низкое сопротивление базы R _B и более низкая емкость коллектора по отношению к базе C _BC увеличивает максимальную частоту колебаний.

Разработчики

Epi оптимизируют все эти параметры для достижения желаемой производительности.

Итого:

1. HBT использует полупроводниковый материал эмиттера с более широкой запрещенной зоной по сравнению с базой.
2. В HBT используется более сильное легирование базы, чем в транзисторах с гомопереходом, что приводит к уменьшению сопротивления базы.
3. Гетеропереход эмиттер-база обеспечивает высокий энергетический барьер для инжекции дырок и более низкий энергетический барьер для инжекции электронов, что обеспечивает высокую эффективность инжекции эмиттера.
4. Легирование нижнего эмиттера приводит к незначительному накоплению неосновных носителей, что снижает емкость база-эмиттер и позволяет работать на более высоких частотах.
5. Высокая подвижность электронов и меньшее время прохождения электронов из-за более тонкой основы обеспечивают работу на более высоких частотах.
6. Полуизолирующие подложки помогают снизить паразитные свойства прокладок и обеспечивают удобную интеграцию устройств.

Технология HBT дополняет pHEMT для более высокой частоты операций, но имеет несколько явных преимуществ, как показано ниже:

Преимущества HBT перед pHEMT [5].

HBT	pHEMT
Скорость электронов определяется тонкими вертикальными слоями, полученными путем эпитаксиального роста, что приводит к работе в диапазоне миллиметровых волн.Достаточно литографии размером 1-3 мкм.	Требуется литография от 0,2 до 0,5 мкм для аналогичной рабочей частоты, что делает ее более дорогой.
Уменьшенный эффект захвата и меньший шум 1/f являются результатом потока носителей в основном через активные переходы, изолированные от поверхностей и подложки, и сравнимы с кремниевыми транзисторами с гомопереходом.	В полевых транзисторах носители перемещаются между поверхностями и границами раздела активный канал-подложка, испытывая больший эффект захвата.

Шум

Шум — это нежелательные флуктуации тока, проходящего через полупроводниковые объемные материалы или устройства, или напряжения, возникающие в них [13]. Поскольку нежелательный шум накладывается на полезный сигнал, это ухудшает отношение сигнал/шум.

Мерцающий шум обратно пропорционален частоте и обычно называется 1/f-шумом, который увеличивается с уменьшением частоты. Поэтому очень важно при малых частотах смещения от несущей частоты.Фликер-шум является функцией поверхностных дефектов. В HBT ток течет перпендикулярно поверхности (см. рис. 7a), поэтому вклад шума 1/f минимален. Сравните это с pHEMT, где ток течет по поверхности (см. рис. 7b), поэтому шум 1/f обычно выше в pHEMT, чем в HBT.

Рисунок 7: Направление тока в HBT и pHEMT.

Измеренные аддитивные фазовый шум и амплитудный шум усилителей HBT (GALI-39+, ERA-39+) и усилителя pHEMT (PSA-545+) показаны на рис. 8.

Рис. 8: Аддитивный фазовый и амплитудный шум усилителей HBT и pHEMT.

На рис. 8 четко показаны превосходные характеристики усилителей HBT, выбранных для требовательных приложений усилителей и генераторов.

Надежность

Mini-Circuits проводит HTOL (испытания на срок службы при высоких температурах) своих моделей усилителей на основе HBT, чтобы продемонстрировать надежность и рассчитать среднее время до отказа (MTTF). Далее следует пример.

Модель

GVA-81+ подвергается HTOL в течение 5000 часов при температуре перехода 148 ℃ на 80 образцах.Расчетное значение MTTF на основе этих тестов показано на рисунке 9.

Рис. 9. MTTF в зависимости от температуры перехода для MMIC-усилителя GVA-81+ на основе HBT.

Обратите внимание, что при максимальной рабочей температуре и номинальном токе Tj составляет 121℃. Из рисунка 7 при 121 ℃ среднее время наработки на отказ составляет 3,6 x 10 ⁶ часов (или 415 лет) при достоверности 90%. Это чрезвычайно надежно.

Детали

Mini-Circuits спроектированы с учетом высокой надежности, что является конструктивным требованием. Конструкторы принимают во внимание тепловые аспекты и ориентируются на Tj ниже 130 ℃ при самой высокой температуре окружающей среды.Это подтверждается с помощью тепловидения, а надежность подтверждается с помощью HTOL (примечание 1). Если эти условия не выполняются, продукт перерабатывается.

Выводы

Технология

HBT совершенствовалась на протяжении многих лет, что привело к появлению высоконадежных усилителей СВЧ и миллиметрового диапазона с превосходными характеристиками в широкополосном диапазоне до 20 ГГц. Шумовые характеристики 1/f HBT сравнимы с характеристиками кремниевых транзисторов, поэтому они предпочтительнее в критических усилителях. Mini-Circuits предлагает широкий ассортимент усилителей HBT, доступных в различных пластиковых и керамических корпусах.

Ссылки

1. Нобелевская премия по физике 1956 года — Джон Бардин, Уолтер Х. Браттейн и Уильям Шокли — Nokia Bell Labs (bell-labs.com)
2. Майкл Гордон, «Утраченная история транзистора», стр. 44-49, IEEE Spectrum, май 2004 г.
3. Кремер Х., «Теория широкозонного эмиттера для транзисторов», Proc of IRE, Vol 45, no. 11, PP 1535-1537, ноябрь 1957 г.
4. Герберт Кремер — Нобелевская лекция: квазиэлектрические поля и смещения зон: обучение электронов новым трюкам (нобелевская премия.org)
5. Фазал Али и Адитья Гупта, «HEMT и HBT: устройства, изготовление и схемы», Artech House, 1991.
6. A Primer on RF Semiconductors (MMICs) — Mini-Circuits Blog (minicircuits.com)
7. MMIC Технологии: Псевдоморфный транзистор с высокой подвижностью электронов (pHEMT) – Блог мини-схем (minicircuits.com)
8. Джейкоб Милман и Арвин Грабель, «Микроэлектроника» McGraw-Hill International, 1988
9. Уильям Шокли, «Путь к концепции Junction Transistor», PP1523-1546, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol.ED-31, № 11, ноябрь 1984 г.
10. https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/bardeen-lecture.pdf
11. Кремер, Х., «Гетероструктурные биполярные транзисторы и интегральные схемы», стр. 13 -25, Proc IEEE, Vol. 70, № 1, январь 1982 г.
12. P.M.Asbeck et. др. «Биполярные транзисторы с гетеропереходом для интегральных схем микроволнового и миллиметрового диапазона» PP1462-1470, IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques, Vol. МТТ35, № 12, декабрь 1987 г.
13. С.М.Ше и др., «Физика полупроводниковых приборов», Wiley, 2021
14. М.Э. Ким и др., «Устройство на биполярных транзисторах с гетеропереходом GaAs и технология интегральных схем для высокопроизводительных аналоговых и микроволновых приложений», PP1286-1303, IEEE Transactions On Microwave Theory and Techniques, Vol. 37. № 9. Сентябрь 1989 г.
15. КРЕМЕР Х., «Гетероструктурные биполярные транзисторы и интегральные схемы», Proc IEEE, Vol 70, No1, PP 13-25
16. https://www.nobelprize.org/uploads/2018 /06/shockley-lecture.pdf
17. Мини-схемы, «Аддитивный фазовый шум в усилителях» https://blog.minicircuits.com/additive-phase-noise-in-amplifiers/

Глоссарий терминов и сокращений

MMIC: монолитная микроволновая интегральная схема

HBT: биполярный транзистор с гетеропереходом

FET: Полевой транзистор

HEMT: транзистор с высокой подвижностью электронов

pHEMT: псевдоморфный транзистор с высокой подвижностью электронов

Светодиод: Светоизлучающий диод

HBT: биполярный транзистор с гетеропереходом

Примитивная ячейка: наименьшая совокупность атомов, которая может быть воспроизведена для формирования всего кристалла

.

Постоянная решетки: Размер примитивной ячейки

Эпитаксия/эпиляция: уникальный режим роста, при котором кристаллическая структура выращенной пленки соответствует структуре подложки

Ширина запрещенной зоны: энергетическая ширина запрещенной зоны от верхней части валентной зоны до нижней части зоны проводимости в полупроводниках и изоляторах

МЛЭ: молекулярно-лучевая эпитаксия

MOCVD: Металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы

(PDF) Как работают транзисторы с биполярным соединением

Румынский журнал информационных технологий и автоматического управления, Vol.29, № 2, 113-122, 2019 г. Стр. 1 из 11

Румынский журнал информационных технологий и автоматического управления https://rria.ici.ro

КАК РАБОТАЮТ БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ.

ВКЛАД В ДЕМИФИЗАЦИЯ

БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Драгош НИКОЛАУ — ICI Bucureşti — [email protected]

https://rria.ici.ro/wp-content/uploads/7/019/2019 9_articol_NicolauDragos.pdf

Благодарность: Эта статья является результатом

плодотворных бесед автора с проф.Лутц фон Венгенхайм (Бремен, Германия), апрель-май 2019 г. Мы хотели бы выразить нашу благодарность профессору фон Вангенхайму за щедрость и оперативность по телефону

, предоставив знания, без которых этот материал никогда бы не был написан.

Резюме: Транзистор с биполярным переходом (далее BJT) остается интересной научной темой.

Объяснения, посвященные этому устройству, обычно прибегают к математическим или преждевременным моделям схем, поэтому

предлагает менее существенную информацию, основанную на физических явлениях [9], [10], [11].Стремясь исправить то, что мы считаем недостатком, эта статья предлагает поддержку для расширенного и более четкого понимания функциональных механизмов, управляющих BJT. Поэтому здесь мы предлагаем как интуитивно понятные, последовательные объяснения функциональных особенностей транзистора с биполярным переходом, так и более четкий акцент на некоторых понятиях и наименованиях, которые автор считает вводящими в заблуждение или неточными.

Ключевые слова: обучение/образование, биполярный транзистор, интуитивное объяснение, физические явления

1.Введение

Первоначальной движущей силой, которая привела к созданию этой статьи, было личное

интеллектуальное разочарование автора, которое он испытал в университетские годы при попытке разгадать то, что казалось

«загадочным» характером механизмов, управляющих понятиями. и принципы приняты во внимание

впредь. В результате, что касается принципа работы транзистора с биполярным переходом, мы считаем, что

более четкие объяснения и пояснительные подходы к тому, как работает биполярный транзистор, могут приветствоваться, по крайней мере, для любого

прилежного человека, мучающегося вопросами «как?» и почему ?».В этом духе настоящий материал

стремится не только пролить свет на то, что в основном происходит внутри БЯТ, но и исправить то, что кажется

известными заблуждениями, оставив в стороне схоластический подход обычного изобилия одного и того же бесконечно

повторяющиеся математические паттерны (предложение которых чрезвычайно велико по всему миру) и вместо этого

сосредоточены на интуитивном объяснении, основанном на цепочке причин и следствий, основанной на физике здравого смысла.

Прежде всего, теперь мы перейдем от комфорта мифологии к суровости реальности,

представляя несколько мифов, традиционно управляющих общеизвестным фактом о BJT.

Миф: биполярный транзистор — это усилитель [2], [3], [4].

Реальность: Нет, никогда. Это точно не усилитель, а вольтамперный преобразователь. Это просто элемент нелинейной схемы на основе полупроводника

, основной ток которого контролируется небольшим напряжением.

Миф: BJT является источником тока.

Реальность: Нет, как таковая, но да, в определенной конфигурации схемы. При правильном питании и смещении

BJT можно рассматривать как (конечно, неидеальный) источник тока.

Миф: биполярный транзистор — это устройство, управляемое током [5], [6], [7], [8].

Реальность: Нет, это устройство (состоящее из полупроводниковых материалов), которое может принимать управление напряжением,

не управление током.

Как правило, на вопрос «что такое BJT?» отвечают самые разные люди. говоря, что

БЮТ — это «усилитель», или «источник тока», или «что-то, чем-то управляемое», практически никогда

говоря, что БЮТ — это не что иное, как трехпортовое электронное устройство, состоящее из полупроводниковых материалов

в определенной аранжировке.Почему люди отвечают, что что-то делает, когда их спрашивают, что это такое?

Биполярный переходной транзистор Области применения

Что такое транзистор?

Транзистор представляет собой полупроводниковое устройство, используемое для усиления или переключения электронных сигналов и электроэнергии. Или Транзистор — это устройство, которое регулирует поток тока или напряжения и действует как переключатель или затвор для электронных сигналов. Транзисторы состоят из трех слоев полупроводникового материала, каждый из которых способен проводить ток.

Описание транзистора с биполярным переходом

базовая структура биполярного переходного транзистора (BJT) определяет его рабочие характеристики. В этом разделе вы увидите, как полупроводящие материалы используются для формирования BJT, и вы узнаете стандартные символы BJT.

BJT состоит из трех областей легированного полупроводника, разделенных двумя переходами PN , которые показаны в плоской эпитаксиальной структуре. Три области называются эмиттер, база, и коллектор .Физические представления двух типов BJT показаны на рис. Один тип состоит из двух областей n , разделенных областью p ( npn), , а другой тип состоит из двух областей p , разделенных областью . регион ( ПНП ). Термин биполярный относится к использованию как дырок, так и электронов в качестве носителей тока в структуре транзистора.

Соединение PN , соединяющее базовую область и область эмиттера, называется соединением база-эмиттер .Соединение PN , соединяющее область основания и область коллектора, называется соединением основание-коллектор. Показан вывод провода, который подключается к каждой из трех областей. Эти выводы помечены E, B и C для эмиттера, базы и коллектора соответственно. Базовая область слабо легирована и очень тонкая по сравнению с сильно легированной областью эмиттера и умеренно легированной областью коллектора. (Причина этого обсуждается в следующем разделе). Схематические обозначения биполярных транзисторов NPN и PNP .

                

Как работает биполярный транзистор?

Чтобы BJT правильно работал в качестве усилителя, два перехода PN должны быть правильно смещены внешними напряжениями. В этом разделе мы в основном используем транзистор NPN для иллюстрации. Работа PNP такая же, как и у NPN , за исключением того, что роли электронов и дырок, полярность напряжения смещения и направления тока меняются местами.

См. также: ОПМ

Смещение

Схема смещения для NPN и PNP BJT для работы в качестве усилителя . Обратите внимание, что в обоих случаях переход база-эмиттер (BE) смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор (BC) смещен в обратном направлении. Это состояние называется смещением вперед-назад.

Операция:

Чтобы понять, как работает транзистор, давайте рассмотрим, что происходит внутри структуры NPN .Сильнолегированная эмиттерная область типа n- имеет очень высокую плотность (свободных) электронов в зоне проводимости. Эти свободные электроны легко диффундируют через прямой BE-переход в слабо легированную и очень тонкую базовую область типа p , как показано широкой стрелкой. База имеет низкую плотность дырок, которые являются основными носителями, как показано белыми кружками.

Небольшой процент от общего числа свободных электронов, инжектированных в базовую область, рекомбинирует с дырками и перемещается в виде валентных электронов через базовую область в эмиттерную область в виде дырочного тока, обозначенного красными стрелками.

Когда электроны, рекомбинировавшие с дырками в качестве валентных электронов, покидают кристаллическую структуру базы, они становятся свободными электронами в металлическом свинце базы и производят внешний ток базы.

Большинство свободных электронов, попавших в базу, не рекомбинируют с дырками, потому что база очень тонкая. Когда свободные электроны движутся к переходу BC с обратным смещением, они уносятся в область коллектора за счет притяжения положительного напряжения питания коллектора.Свободные электроны проходят через область коллектора во внешнюю цепь, а затем возвращаются в область эмиттера вместе с током базы, как показано.

Ток эмиттера немного больше тока коллектора из-за малого тока базы, который выделяется из общего тока, инжектируемого в базовую область из эмиттера.

Посмотрите еще как работает транзистор? .

Ток транзистора

Направления токов в транзисторе NPN и его условное обозначение показаны на рис. выше; они для транзистора PNP показаны на рис.Обратите внимание, что стрелка на эмиттере внутри символов транзистора указывает направление обычного тока. На этих диаграммах видно, что ток эмиттера ( I _E ) представляет собой сумму тока коллектора ( I _C ) и тока базы ( I _B ), выраженную следующим образом:

I _E = I _C + I _B

Как упоминалось ранее, I _B очень мал по сравнению с I _E или I _C . Нижние индексы заглавными буквами указывают значения постоянного тока.

              

BJT Характеристики и параметры

Два важных параметра, β _DC (усиление постоянного тока) и α _DC , вводятся и используются для анализа схемы BJT . Кроме того, рассматриваются кривые характеристик транзистора, и вы узнаете, как по этим кривым можно определить работу биполярного транзистора. Наконец, обсуждаются максимальные рейтинги BJT.

Когда транзистор подключен к напряжениям устранения смещения для обоих типов NPN и PNP , V _BB смещает переход база-эмиттер в прямом направлении, а V _CC смещает переход база-коллектор в обратном направлении.Хотя в этой главе мы используем отдельные символы батарей для обозначения напряжения смещения, на практике напряжения часто получаются от одного источника питания.

Например, V _CC обычно берется непосредственно с выхода источника питания, а V _BB (меньшего размера) может быть получен с помощью делителя напряжения.

             

DC Beta (β

_DC ) и DC Alpha (α _DC ):

Постоянный ток усиления  транзистора представляет собой отношение тока коллектора де ( I _C ) к току уменьшения базы ( I _B ) и рассчитывается по бета (β _{DC ).}

Обычно значения β _DC находятся в диапазоне от менее 20 до 200 или выше. β _DC обычно обозначается как эквивалентный гибридный ( h ) параметр h _FE , в описаниях транзисторов. Все, что вам нужно знать сейчас, это то, что:

h _FE = β _DC

Отношение тока коллектора ( I _C ) к току деэмиттера ( I _E ) равно de   альфа 0 0 7 ( 7α ).Альфа — менее используемый параметр, чем бета, в транзисторных схемах.

Обычно значения α _DC находятся в диапазоне от 0,95 до 0,99 и выше, но α _DC всегда меньше 1. Причина в том, что I _C всегда немного меньше I _{E на} сумма I _B . Например, если I _E = 100 мА и I _B = 1 мА, то I _C = 99 мА и α _{DC = 90,07999.}

Транзистор постоянного тока Модель:

Вы можете рассматривать понимание BJT как устройства с токовым входом и зависимым источником тока в выходных цепях для NPN . Входная цепь представляет собой диод с прямым смещением, через который протекает базовый ток. Выходная цепь представляет собой зависимый источник тока (ромбовидный элемент) со значением, зависящим от тока базы, I _B, и равным β _DC I _B .Напомним, что символы независимых источников тока имеют круглую форму.

Анализ цепи BJT:

Рассмотрим базовую конфигурацию цепи смещения транзистора. Можно определить токи de транзистора и три напряжения de.

i

I _B : _B : DC Базовый ток I _E : DC Emitter Текущий3 I _C : Коллектор постоянного тока _{: постоянного тока Напряжение на базе по отношению к Emitter V CB : постоянное напряжение на коллекторе относительно базы В CE : постоянное напряжение на коллекторе относительно эмиттера.}

Источник напряжения смещения база, V _BB , «смещает в прямом направлении переход база-эмиттер, а источник напряжения смещения коллектор-смещение, V _CC , смещает переход база-коллектор в обратном направлении. Когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, он похож на диод с прямым смещением и имеет номинальное падение напряжения в прямом направлении.

В _БЭ ≅ 0,7 В

Хотя в реальном транзисторе V _BE может достигать 0,9 В и зависит от тока, мы будем использовать 0.7 V по всему тексту, чтобы упростить анализ основных понятий. Имейте в виду, что характер перехода база-эмиттер такой же, как и у нормальной диодной кривой, как на рисунке выше.

В _РБ = В _ВВ – В _ВВ

      

Кривые характеристик коллектора:

Используя схему, подобную той, что показана на рисунке выше, можно построить набор кривых характеристик коллектора, которые показывают, как ток коллектора I _C зависит от напряжения коллектор-эмиттер, В _CE , для заданные значения тока базы, I _B .Обратите внимание на принципиальную схему, что V _BB и V _CC являются регулируемыми источниками напряжения.

Предположим, что V _BB настроен на получение определенного значения I _B , а V _CC равно нулю. В этом случае и переход база-эмиттер, и переход база-коллектор смещены в прямом направлении, потому что на базе примерно 0,7 В, а на эмиттере и коллекторе 0 В. Базовый ток проходит через переход база-эмиттер, потому что пути с низким импедансом к земле и, следовательно, I _C равно нулю.Когда оба перехода смещены в прямом направлении, транзистор находится в области насыщения своей работы. Насыщение — это состояние биполярного транзистора, при котором ток коллектора достигает максимума и не зависит от тока базы.

При увеличении V _CC V _CE увеличивается при увеличении тока коллектора. На это i указывает участок характеристической кривой между точками A и B. I _C увеличивается по мере увеличения V _CC , поскольку V _CE остается меньше 0.7 В из-за перехода база-коллектор с прямым смещением.

В идеале, когда V _CE превышает 0,7 В, переход база-коллектор становится смещенным в обратном направлении, и транзистор переходит в активную или линейную область своей работы. Как только переход база-коллектор смещен в обратном направлении, I _C выравнивается и остается практически постоянным для заданного значения I _B , поскольку V _CE непрерывно увеличивается. На самом деле, I _C увеличивается очень незначительно по мере увеличения V _CE из-за расширения области истощения база-коллектор.Это приводит к меньшему количеству отверстий для рекомбинации в базовой области, что фактически вызывает небольшое увеличение β _DC . Это показано на участке характеристической кривой между точками B и C. Для этого участка характеристической кривой значение I _C определяется только соотношением, выраженным как I _{C =} β _DC I _B .

Когда V _CE достигает достаточно высокого напряжения, переход база-коллектор с обратным смещением выходит из строя; а ток коллектора быстро возрастает, на что указывает часть кривой справа от точки C.Транзистор никогда не должен работать в этой области пробоя.

Семейство кривых характеристик коллектора получается, когда I _C в сравнении с V _CE строятся для нескольких значений I _B . Когда I _B = o, транзистор находится в области отсечки, хотя ток утечки коллектора, как показано, очень мал. Отсечка   — это непроводящее состояние транзистора. Величина тока утечки коллектора для I _B = o преувеличена на графике для иллюстрации.

Отсечка:

Как упоминалось ранее, когда I _B =0, транзистор находится в области отсечки для своей работы. При разомкнутом выводе базы базовый ток равен нулю. В этом случае возникает очень небольшой ток утечки коллектора I _CEO , в основном из-за термически произведенных носителей. Поскольку I _CEO чрезвычайно мало, им обычно пренебрегают при анализе схемы, так что V _CE = V _CC .В отсечке ни переход база-эмиттер, ни переход база-коллектор не смещены в прямом направлении. Нижний индекс CEO представляет коллектор-эмиттер с открытой базой.

Насыщенность:

Когда переход база-эмиттер становится смещенным в прямом направлении и ток базы увеличивается, ток коллектора также увеличивается ( I _{C =} β _DC I _B ) и уменьшается V 8 CE 900 в результате большего падения на коллекторном резисторе (V _CE = V _CC – I _C R _C ).Когда V _CE достигает своего значения насыщения, V _{CE( sat)} , переход база-коллектор становится смещенным в прямом направлении, и I _C больше не может увеличиваться даже при постоянном увеличении I _B . В точке насыщения соотношение I _C = β _DC I _B уже не действует V _{CE( где-то ниже изгиба транзистора9 для 90 sat) кривых коллектора, и обычно составляет всего несколько десятых долей вольта.}

Линия нагрузки постоянного тока:

Отсечку и насыщение можно проиллюстрировать по отношению к характеристикам коллектора с помощью линии нагрузки. Линия разгрузки проводится на семействе кривых, соединяющих точку отсечки и точку насыщения. Нижняя часть грузовой линии находится в идеальном месте, где I _C = 0 и V _CE = V _CC . Вершина нагрузочной линии находится в состоянии насыщения, вдоль нагрузочной линии находится активная область работы транзистора.

Подробнее о β

_DC :

Важный параметр BJT, который нам необходимо изучить далее. β _DC на самом деле не является постоянной величиной, но изменяется как в зависимости от тока коллектора, так и в зависимости от температуры. Поддержание постоянной температуры перехода и увеличение I _C приводит к увеличению β _DC до максимума. Дальнейшее увеличение I _C за пределы этой максимальной точки β _DC к уменьшению.Если I _C поддерживается постоянным, а температура изменяется, β _DC изменяется непосредственно с температурой. Если температура повышается, β _DC повышается, и наоборот. Изменение β _DC с I _C и температуры перехода (T _J ) для типичного биполярного транзистора.

В технических характеристиках транзистора обычно указывается β _DC ( h _FE ) при определенных значениях I _C .Даже при фиксированных значениях I _C и температуре β _DC варьируется от одного устройства к другому для данного типа транзистора из-за несоответствий в производственном процессе, которые неизбежны. β _DC , указанное при определенном значении I _C , обычно является минимальным значением. β _DC(min) , хотя иногда также указываются максимальные и типичные значения.

Максимальные номиналы транзисторов:

BJT, как и любое другое электронное устройство, имеет ограничения по своей работе.Эти ограничения указываются в виде максимальных значений и обычно указываются в паспорте производителя. Как правило, максимальные номинальные значения даны для напряжения коллектор-база, напряжения коллектор-эмиттер, напряжения эмиттер-база, тока коллектора и рассеиваемой мощности. Производство V _CE и I _C не должно превышать максимальную рассеиваемую мощность. Оба V _CE и I _C не могут быть максимальными одновременно. Если V _CE является максимальным, I _C можно рассчитать как.

Если I _C является максимальным, V _CE можно рассчитать, перестроив предыдущее уравнение следующим образом:

Снижение номинальных характеристик P

_{D (макс.) :}

P _{D (макс.)} обычно указывается при 25°C. Для более высоких температур P _{D (max)} меньше. В спецификациях часто указываются коэффициенты снижения номинальных значений для определения P _{D (макс.)} при любой температуре выше 25°C. Например, коэффициент снижения 2 мВт/°C означает, что максимальная рассеиваемая мощность уменьшается на 2 мВт при повышении температуры на каждый градус Цельсия.

Постоянный и переменный ток Кол-во:

Прежде чем обсуждать концепцию транзисторного усиления, необходимо пояснить обозначения, которые мы будем использовать для величин тока, напряжения и сопротивления, поскольку схемы усилителя имеют как постоянные, так и переменные величины.

В этом тексте заглавные курсивные буквы используются как для постоянного, так и для переменного тока (I) и напряжения (V). Это правило применяется к среднеквадратичным, средним, пиковым и размахам переменного тока. Значения переменного тока и напряжения всегда являются среднеквадратичными, если не указано иное.Хотя в некоторых текстах строчные буквы i и v используются для переменного тока и напряжения, мы оставляем за собой использование строчных букв i и v только для мгновенных значений. В этом тексте различие между постоянным током или напряжением и переменным током или напряжением указано в нижнем индексе.

Величины постоянного тока всегда имеют нижний индекс в верхнем регистре (не курсивом). Например, I _B , I _C и I _E представляют собой постоянные токи транзистора. V _BE , V _CB и V _CE представляют собой напряжения постоянного тока от одной клеммы транзистора к другой.Напряжения с одним индексом, такие как V _B , V _C и V _E , представляют собой напряжения постоянного тока от выводов транзистора к земле.

AC и все изменяющиеся во времени величины всегда имеют строчный курсивный индекс. Например, I _b , I _c и I _e представляют собой токи транзисторов переменного тока. V _be , V _cb и V _ce представляют собой переменные напряжения от одной клеммы транзистора к другой. Напряжения с одним индексом, такие как V _b , V _c и V _e , представляют собой напряжения переменного тока от выводов транзистора к земле.

Правило другое для внутренних сопротивлений транзисторов. Как вы увидите позже, транзисторы имеют внутреннее сопротивление переменному току, которое обозначается строчными буквами r ^¿  с соответствующим нижним индексом. Например, внутреннее сопротивление эмиттера переменного тока обозначается как r ^À _e .

Сопротивление цепи, внешнее по отношению к самому транзистору, обозначается стандартной курсивной заглавной буквой R с нижним индексом, который идентифицирует сопротивление как постоянное или переменное (если применимо), точно так же, как для тока и напряжения.Например, RE — внешнее сопротивление эмиттера постоянного тока, а Re — внешнее сопротивление эмиттера переменного тока.

Усиление напряжения:

Как вы узнали, транзистор усиливает ток, потому что ток коллектора равен току базы, умноженному на коэффициент усиления по току, β . Ток базы в транзисторе очень мал по сравнению с токами коллектора и эмиттера. Из-за этого ток коллектора примерно равен току эмиттера.

Имея это в виду, давайте посмотрим на схему.Переменное напряжение V _s накладывается на постоянное напряжение смещения V _BB за счет емкостной связи, как показано. Напряжение смещения постоянного тока V _CC подключено к коллектору через коллекторный резистор R _C .

Входное напряжение переменного тока создает переменный базовый ток, что приводит к гораздо большему переменному току коллектора. Переменный ток коллектора создает переменное напряжение на резисторе R _C , тем самым создавая усиленное, но инвертированное воспроизведение входного переменного напряжения в активной области работы.

Переход база-эмиттер с прямым смещением имеет очень низкое сопротивление сигналу переменного тока. Это внутреннее сопротивление эмиттера переменного тока обозначается r ^À _e и появляется последовательно с R _B . Базовое напряжение переменного тока:

Напряжение коллектора переменного тока, В _c , равно падению напряжения переменного тока на R _C .

Поскольку I _C ≅ I _e , напряжение коллектора переменного тока составляет:

V _b можно рассматривать как входное напряжение переменного тока транзистора, где V _b = V _s – I _b R _B .V _C можно рассматривать как выходное напряжение транзистора переменного тока. Поскольку коэффициент усиления по напряжению определяется как отношение выходного напряжения к входному напряжению, отношение V _C к V _b представляет собой коэффициент усиления по переменному напряжению A _V транзистора. Замена I _e R _C на V _C и I _e r ^¿ _e на V _b дает:

Условия I _и отменяются; следовательно,

Это уравнение показывает, что транзистор обеспечивает усиление в виде усиления по напряжению, которое зависит от значений R _C и r ^À _e .

BJT как переключатель

В предыдущем разделе вы видели, как биполярный транзистор можно использовать в качестве линейного усилителя. Второй важной областью применения является переключение приложений. При использовании в качестве электронного переключателя BJT обычно работает попеременно в режимах отсечки и насыщения. Многие цифровые схемы используют биполярный транзистор в качестве переключателя.

Операция переключения:

иллюстрирует базовую работу биполярного транзистора в качестве коммутационного устройства. В части (а) транзистор находится в области отсечки, потому что переход база-эмиттер не смещен в прямом направлении.В этом состоянии, в идеале, между коллектором и эмиттером имеется разрыв, на что указывает эквивалент переключателя. В части (b) транзистор находится в области насыщения, потому что переход база-эмиттер и переход база-коллектор смещены в прямом направлении, а ток базы сделан достаточно большим, чтобы ток коллектора достиг своего значения насыщения. В этом случае в идеале должно быть короткое замыкание между коллектором и эмиттером, на что указывает эквивалент переключателя. На самом деле обычно происходит небольшое падение напряжения на транзисторе до нескольких десятых вольта, что является напряжением насыщения, V _CE(sat) .

Условия отсечки:

Как упоминалось ранее, транзистор находится в области отсечки, когда переход база-эмиттер не смещен в прямом направлении. Если пренебречь током утечки, все токи равны нулю, а V _CE равно V _CC .

В _{CE (отсечка)} = В _CC

Условия насыщения:

Как вы узнали, когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении и ток базы достаточен для создания максимального тока коллектора, транзистор насыщается.Формула для тока насыщения коллектора: Поскольку V _CE(sat) очень мала по сравнению с V _CC, , обычно им можно пренебречь. Минимальное значение тока базы, необходимое для насыщения, составляет: Обычно I _B должно быть значительно больше, чем I _B(min) , чтобы обеспечить насыщение транзистора.

Простое применение транзисторного переключателя

Транзистор используется в качестве переключателя для включения и выключения светодиода.Например, прямоугольное входное напряжение с периодом 2 с подается на вход, как указано. Когда прямоугольная волна равна 0 В, транзистор находится в отсечке; а поскольку тока коллектора нет, светодиод не излучает свет. Когда прямоугольная волна переходит на высокий уровень, транзистор насыщается. Это смещает светодиод в прямом направлении, и результирующий ток коллектора через светодиод заставляет его излучать свет. Таким образом, светодиод горит 1 секунду и выключается на 1 секунду.

Фототранзистор:

В фототранзисторе базовый ток возникает, когда свет попадает на фоточувствительную полупроводниковую базовую область.Переход коллектор-база PN освещается падающим светом через отверстие в линзе в корпусе транзистора. Когда нет падающего света, возникает только небольшой термически генерируемый ток утечки между коллектором и эмиттером, I _CEO ; этот темновой ток, I  λ, производится прямо пропорционально интенсивности света. Это действие создает ток коллектора, который увеличивается с I λ . За исключением способа генерации базового тока, фототранзистор ведет себя как обычный биполярный транзистор.Во многих случаях электрическое соединение с базой отсутствует.

Соотношение между током коллектора и генерируемым светом базовым током фототранзистора:

I _C = β _DC I _λ

Схематическое обозначение и некоторые типичные фототранзисторы показаны на рисунке выше. Поскольку реальная фотогенерация тока базы происходит в области коллектор-база, чем больше физическая площадь этой области, тем больше генерируется ток базы.Таким образом, типичный фототранзистор предназначен для обеспечения большой площади падающего света, как показано на упрощенной структурной схеме на рисунке выше:

.

             

Типовая структура фототранзистора.

Фототранзистор может быть как двух-, так и трехвыводным. В конфигурации с тремя отведениями основной вывод выведен наружу, так что устройство можно использовать как обычный BJT с дополнительной функцией светочувствительности или без нее.В конфигурации с двумя отведениями база электрически недоступна, и устройство можно использовать только со светом в качестве входа. Во многих приложениях фототранзистор используется в двухвыводном варианте.

фототранзистор со схемой смещения и типовыми коллекторными характеристиками. Обратите внимание, что каждая отдельная кривая на графике соответствует определенному значению интенсивности света (в данном случае единицами измерения являются мВт/см ² ) и что ток коллектора увеличивается с увеличением интенсивности света.

Фототранзисторы чувствительны не ко всему свету, а только к свету в определенном диапазоне длин волн. Они наиболее чувствительны к определенным длинам волн в красной и инфракрасной части спектра, как показано пиком кривой инфракрасного спектрального отклика на рисунке выше:

.

Применение фототранзистора

Фототранзисторы

используются в различных приложениях. Схема реле с управлением светом: Фототранзистор Q ₁ управляет BJT Q ₂ .Когда на Q ₁ попадает достаточное количество света, транзистор Q ₂ переходит в состояние насыщения, и ток коллектора через катушку реле включает реле. Диод, установленный на катушке реле, своим ограничивающим действием предотвращает возникновение переходного процесса высокого напряжения на коллекторе Q ₂ при выключении транзистора.

Цепь, в которой реле деактивируется падающим на фототранзистор светом. Когда света недостаточно, транзистор Q ₂ смещается, удерживая реле под напряжением.При достаточном освещении включается фототранзистор Q ₁ ; это переводит базу Q ₂ в низкий уровень, тем самым отключая Q ₂ и обесточивая реле.

            

Оптопары:

Оптопары

используют светодиод, оптически связанный с фотодиодом или фототранзистором в одном корпусе. Два основных типа — это светодиод-фотодиод и светодиод-фототранзистор, как показано на рисунке выше. Примеры типовых упаковок показаны на рисунке:

Базовые оптопары:

               

Ключевым параметром оптронов является CTR (коэффициент передачи тока).CTR показывает, насколько эффективно сигнал передается от входа к выходу, а id выражается как отношение изменения тока светодиода к соответствующему изменению тока фотодиода или фототранзистора. Обычно выражается в процентах.

 Примеры комплектов оптронов:

Ключевым параметром оптронов является CTR (коэффициент передачи тока). CTR является косвенным показателем того, насколько эффективно сигнал передается от входа к выходу, и выражается как отношение изменения тока светодиода к соответствующему изменению тока фотодиода или фототранзистора.Обычно выражается в процентах.

CTR в зависимости от ПЧ для типичной оптопары:

Типовой график зависимости CTR от прямого тока светодиода. В этом случае он варьируется от примерно 50% до примерно 110%.

Оптопары

используются для изоляции участков цепи, которые несовместимы с точки зрения требуемых уровней напряжения или тока. Например, они используются для защиты пациентов больницы от ударов током, когда они подключены к приборам для мониторинга или другим устройствам.Они также используются для изоляции слаботочных цепей управления или сигнальных цепей от шумных цепей электропитания или сильноточных цепей двигателя и машины.

Категории и упаковка транзисторов:

BJT _s доступны в различных упаковках для различных применений. Те, у кого есть монтажные шпильки или радиаторы, обычно представляют собой силовые транзисторы. Транзисторы малой и средней мощности обычно находятся в небольших металлических или пластиковых корпусах. Еще одна классификация пакетов предназначена для высокочастотных устройств.Вы должны быть знакомы с распространенными корпусами транзисторов и уметь идентифицировать клеммы эмиттера, базы и коллектора.

Транзистор Категории:

Производители обычно классифицируют транзисторы с биполярным переходом на три широкие категории: устройства общего назначения/слабого сигнала, силовые устройства и радиочастотные (радиочастотные/микроволновые) устройства. Хотя каждая из этих категорий в значительной степени имеет свои уникальные типы пакетов, вы найдете определенные типы пакетов, используемые более чем в одной категории устройств.Давайте посмотрим на корпуса транзисторов для каждой из трех категорий, чтобы вы могли распознать транзистор, когда увидите его на печатной плате, и иметь хорошее представление о том, к какой общей категории он относится.

Транзисторы общего назначения/малосигнальные:

Транзисторы общего назначения/малосигнальные обычно используются в усилителях малой или средней мощности или переключающих схемах. Упаковки бывают пластиковые или металлические. Некоторые типы корпусов содержат несколько транзисторов.два обычных пластиковых корпуса и металлическая банка. многотранзисторные пакеты. Некоторые из корпусов с несколькими транзисторами, такие как двухрядный (DIP) и малогабаритный (SO), аналогичны тем, которые используются во многих интегральных схемах. Показаны типичные соединения контактов, чтобы вы могли идентифицировать эмиттер, базу и коллектор.

Силовые транзисторы:

Силовые транзисторы

используются для работы с большими токами (обычно более 1 А) и/или большими напряжениями. Например, в финальном звуковом каскаде стереосистемы для управления динамиками используется усилитель на мощных транзисторах.Некоторые распространенные корпуса показаны на рисунке: Пластиковые и металлические корпуса для транзисторов общего назначения/малосигнальных. Конфигурации контактов могут различаться. Примеры корпусов с несколькими транзисторами: Примеры силовых транзисторов и корпусов: Значительно увеличенный вид в разрезе крошечного чипа транзистора, установленного в герметизированном корпусе. Металлический выступ или металлический корпус являются общими для коллектора и термически соединены с радиатором для отвода тепла. Обратите внимание в части (e) на то, как маленький транзисторный чип смонтирован внутри гораздо большего корпуса.

ВЧ-транзисторы:

Радиочастотные транзисторы

предназначены для работы на чрезвычайно высоких частотах и ​​обычно используются для различных целей в системах связи и других высокочастотных приложениях. Их необычная форма и конфигурация выводов предназначены для оптимизации определенных высокочастотных параметров.

Устранение неполадок:

Как вы уже знаете, критически важным навыком в работе с электроникой является способность определить неисправность цепи и, при необходимости, локализовать неисправность в одном компоненте.В этом разделе рассматриваются основы устранения неполадок в цепях смещения транзисторов и тестирования отдельных транзисторов.

Поиск и устранение неисправностей транзистора со смещением:

В простой цепи смещения транзистора может возникнуть несколько неисправностей. Возможными неисправностями являются открытые резисторы смещения, открытые или резистивные соединения, закороченные соединения, а также обрыв или короткое замыкание внутри самого транзистора. Базовая схема смещения транзистора со всеми напряжениями относительно земли. Два напряжения смещения: V _BB 3 В и V _CC 9 В.Показаны правильные измерения напряжения на базе и коллекторе. Аналитически эти напряжения проверяются следующим образом. Значение β _DC   = 200 принимается как среднее между минимальным и максимальным значениями h _FE , указанными в техническом описании для 2N3904. Различные h _FE (β _DC ), конечно, будут давать разные результаты для данной схемы.

Базовая схема смещения транзистора.

Несколько неисправностей, которые могут возникнуть в цепи и сопутствующие симптомы.Симптомы проявляются в виде неправильных измеренных напряжений. Если транзисторная схема работает неправильно, рекомендуется убедиться, что V _CC и заземление подключены и работают. Простая проверка в верхней части резистора коллектора и на самом коллекторе быстро установит, присутствует ли V _CC и нормально ли проводит транзистор, находится ли он в состоянии отсечки или насыщения. Если он в отсечке, напряжение коллектора будет равно V _CC ; если он находится в состоянии насыщения, напряжение коллектора будет близко к нулю.Еще одно неверное измерение можно увидеть, если на пути коллектора есть обрыв. Термин с плавающей запятой относится к точке в цепи, которая электрически не связана с землей или «твердым» напряжением. Обычно очень малые и иногда флуктуирующие напряжения в диапазоне от мкВ до низких мВ обычно измеряются с плавающей запятой. Неисправности типичны, но не представляют все возможные неисправности, которые могут возникнуть.

Проверка транзистора с помощью цифрового мультиметра:

Цифровой мультиметр можно использовать как быстрый и простой способ проверить транзистор на наличие открытых или короткозамкнутых переходов.Для этого теста вы можете рассматривать транзистор как два диода, подключенных к транзисторам NPN и PNP . Переход база-коллектор — это один диод, а переход база-эмиттер — другой. Примеры неисправностей и симптомов в цепи смещения базового транзистора.     Транзистор, рассматриваемый как два диода:

Напомним, что хороший диод будет показывать чрезвычайно высокое сопротивление (или обрыв) при обратном смещении и очень низкое сопротивление при прямом смещении.Неисправный открытый диод будет показывать чрезвычайно высокое сопротивление (или открытый) как для прямого, так и для обратного смещения. Неисправный закороченный или резистивный диод будет показывать нулевое или очень низкое сопротивление как для прямого, так и для обратного смещения. Обрыв диода является наиболее распространенным типом неисправности. Поскольку p-n-переходы транзистора, по сути, являются диодами, применяются те же основные характеристики.

Позиция проверки диодов цифрового мультиметра:

Многие цифровые мультиметры (DMM) имеют положение для проверки диода, которое обеспечивает удобный способ проверки транзистора.Типичный цифровой мультиметр имеет небольшой символ диода, обозначающий положение функционального переключателя. Типичный цифровой тест исправного npn-транзистора с помощью цифрового мультиметра. Выводы перепутаны для транзистора pnp.

Если транзистор исправен:

Красный (положительный) вывод измерителя подключен к базе npn-транзистора, а черный (отрицательный) вывод подключен к эмиттеру для прямого смещения перехода база-эмиттер.Если переход в порядке, вы получите показание примерно от 0,6 В до 0,8 В, при этом 0,7 В является типичным для прямого смещения.

Выводы переключаются на соединение база-эмиттер с обратным смещением, как показано. Если транзистор работает правильно, вы обычно получаете индикацию OL.

Только что описанный процесс повторяется для перехода база-коллектор. Для транзистора pnp полярность выводов измерителя меняется на противоположную для каждого теста.

Когда транзистор неисправен:

Когда транзистор вышел из строя с открытым соединением или внутренним соединением, вы получаете показания напряжения разомкнутой цепи (OL) как для условий прямого, так и для обратного смещения для этого соединения.Если соединение закорочено, счетчик показывает 0 В как при прямом, так и при обратном смещении, как указано в части (b). Некоторые цифровые мультиметры имеют на передней панели тестовое гнездо для проверки транзистора на значения h _FE (β _DC ). Если транзистор неправильно вставлен в гнездо или если он не работает должным образом из-за неисправного соединения или внутреннего соединения, типичный измеритель будет мигать 1 или отображать 0. Если значение β _DC в пределах нормального диапазона для отображается конкретный транзистор, устройство работает нормально.Нормальный диапазон β _DC можно определить из таблицы данных.

Проверка транзистора с помощью омов Функция:

Цифровые мультиметры

, не имеющие положения для проверки диода или разъема h _FE , можно использовать для проверки транзистора на наличие открытых или короткозамкнутых переходов, установив функциональный переключатель в положение Ом. Для проверки прямого смещения хорошего транзистора pn перехода вы получите значение сопротивления, которое может варьироваться в зависимости от внутренней батареи измерителя.Многие цифровые мультиметры не имеют достаточного напряжения в диапазоне омов для полного прямого смещения перехода, и вы можете получить показания от нескольких сотен до нескольких тысяч ом. При проверке обратного смещения исправного транзистора на большинстве цифровых мультиметров вы получите индикацию выхода за пределы диапазона, поскольку обратное сопротивление слишком велико для измерения. Индикацией выхода за пределы диапазона может быть мигающая 1 или отображение тире, в зависимости от конкретного цифрового мультиметра. Несмотря на то, что вы можете не получить точных показаний прямого и обратного сопротивления на цифровом мультиметре, относительных показаний достаточно, чтобы указать на правильно функционирующий переход транзистора p-n .Индикация выхода за пределы диапазона показывает, что обратное сопротивление очень велико, как и следовало ожидать. Показание от нескольких сотен до нескольких тысяч Ом для прямого смещения указывает на то, что прямое сопротивление мало по сравнению с обратным сопротивлением, как и следовало ожидать. Проверка неисправного npn-транзистора. Выводы перепутаны для pnp-транзистора.  

Тестеры транзисторов:

Отдельный транзистор можно проверить как в цепи, так и вне цепи с помощью тестера транзисторов. Например, предположим, что усилитель на определенной печатной плате (ПК) вышел из строя.Хорошая практика устранения неполадок требует, чтобы вы не отпаивали компонент от печатной платы, если только вы не уверены, что он неисправен, или вы просто не можете локализовать проблему до одного компонента. При удалении компонентов существует риск повреждения контактов и дорожек печатной платы.

Вы можете выполнить внутрисхемную проверку транзистора с помощью тестера транзисторов, аналогичного . Три зажимных вывода подключены к клеммам транзистора, и тестер показывает положительный результат, если транзистор исправен. Тестер транзисторов (предоставлено B + K Precision).

Разница между BJT и JFET (с операционным рисунком и сравнительной диаграммой)

Принципиальное различие между BJT и JFET заключается в том, что BJT является биполярным устройством, а JFET — униполярным устройством. Это так, потому что работа BJT зависит от инжекции и сбора неосновных носителей заряда, которые включают как электроны, так и дырки. В отличие от JFET, это устройство с основной несущей, поэтому его называют униполярным.

Еще одно существенное различие между BJT и JFET заключается в том, что BJT относится к категории устройств с управлением по току, тогда как JFET относится к категории устройств с управлением по напряжению.

Мы обсудим некоторые другие основные различия между BJT и JFET, но прежде чем продолжить, взгляните на содержание, которое будет обсуждаться в этой статье.

Содержание: BJT против JFET

1. Сравнительная таблица
2. Определение
3. Ключевые отличия
4. Заключение

Сравнение

Параметр	BJT	JFET
Носитель	Биполярный (большинство и меньшинство)	Однополярный (большинство)
Символ
Тип устройства	Устройство с управлением по току.	Устройство, управляемое напряжением.
Входное сопротивление	Низкий	Высокий
Усиление	Высокое усиление	Низкое — среднее усиление
Энергопотребление	Потребляет больше энергии.	Потребляет меньше энергии.
Уровень шума	Высокий	Низкий
Термостойкость	Низкая	Высокая
Размер	Большой	Маленький
Предпочтительное применение	Предпочтительно для слаботочных приложений.	Предпочтительно использовать при низком напряжении.

Определение

БДЖТ

BJT — это краткая форма, используемая для биполярного переходного транзистора . Это трехконтактное устройство, которое используется для переключения или усиления.

На рисунке ниже показана базовая конструкция биполярного транзистора, состоящего из трех выводов: эмиттера, базы и коллектора.

Образуется путем сплавления двух диодов с p-n переходом, которые имеют общий вывод.Общий терминал может быть либо p, либо n, как мы можем видеть на рисунке выше.

Это устройство регулирования тока , которое регулирует ток, протекающий через него. Существуют две разные конфигурации BJT, то есть NPN или PNP . Оба имеют один и тот же принцип работы, но разница между ними заключается в их смещении и полярности напряжения питания.

Давайте рассмотрим основные принципы работы биполярного транзистора NPN.

В нормальных рабочих условиях переход EB всегда смещен в прямом направлении, тогда как переход CB всегда смещен в обратном направлении, как показано на рисунке выше.

Из-за прямого приложенного напряжения V _EB электроны в N-области испытывают силу отталкивания и дрейфуют через слаболегированную базовую область после преодоления барьерного потенциала. Поскольку базовая область слабо легирована, только часть дрейфующих электронов рекомбинирует с дырками в базовой области.

Теперь повышенная концентрация электронов в базовой области заставляет больше электронов перемещаться через область коллектора. Поскольку эта область смещена в обратном направлении, электроны немедленно собираются этой областью.

Таким образом, наблюдается правильное протекание тока, и, следовательно, ток эмиттера является суммой токов базы и коллектора.

JFET

JFET — это сокращенная форма, используемая для полевого транзистора Junction Field Effect Transistor . Это униполярное устройство с 3 клеммами, которое управляет протеканием тока через устройство приложенным входным напряжением. Здесь 3 терминала называются истоком, затвором и стоком.

Известно так потому, что выходной ток устройства контролируется полем, связанным с обедненной областью.

Это может быть либо n-канальный JFET, либо p-канальный JFET.

Поскольку это устройство, управляемое напряжением, приложенный входной потенциал обеспечивает движение электронов, вызывая тем самым протекание тока через устройство.

На рисунке ниже показан n-канальный JFET с положительным напряжением на выводе стока.

При отсутствии какого-либо приложенного входного напряжения две обедненные области вокруг PN-переходов одинаково широки и симметричны. Однако при подаче на сток положительного потенциала относительно истока электроны начинают течь от истока к стоку.Таким образом, ток стока течет через сток к истоку.

Существует еще одно условие, когда на клемму затвора подается отрицательный потенциал, а сток смещен положительно, как мы можем видеть ниже:

Это обратное смещение p-n перехода позволяет значительно увеличить ширину обедненной области. В результате длина канала сужается, а ток стока уменьшается из-за увеличения сопротивления.

Любое дополнительное увеличение напряжения на затворе приведет к полному отключению тока стока.И наоборот, при снижении отрицательного смещения затворного вывода ширина обедненной области уменьшается.

Ключевые различия между BJT и JFET

Приведенные ниже пункты описывают разницу между BJT и JFET:

1. Ключевое различие между BJT и JFET заключается в том, что BJT — это устройство, в котором выходной ток контролируется базовым током. Напротив, JFET представляет собой устройство, выходной ток которого регулируется приложенным к нему входным напряжением.
2. BJT обладают входным сопротивлением от низкого до среднего, тогда как, когда мы говорим о JFET, они обладают высоким входным сопротивлением.
3. Всякий раз, когда требуется высокий коэффициент усиления и быстрый отклик, предпочтение отдается биполярным транзисторам, а JFET — устройствам с низким коэффициентом усиления.
4. BJT — это устройство с низкой термической стабильностью, тогда как JFET обладает высокой термической стабильностью.
5. Еще одно ключевое различие между BJT и JFET заключается в том, что BJT предпочтительнее в приложениях с низким током, а JFET предпочтительнее в приложениях с низким напряжением.

Заключение

Хотя и BJT, и JFET принадлежат к семейству транзисторов, их принцип работы различается. Больший размер BJT и большее энергопотребление по сравнению с JFET иногда оказывается его недостатком.

Страница не найдена | Институт науки и технологий Сатьябама (считается университетом)

Состояние

Выберите StateAndaman и NicobarAndhra PradeshArunachal PradeshAssamBiharChandigarhChhattisgarhDadra И Нагар HaveliDaman И DiuDelhiGoaGujaratHaryanaHimachal PradeshJammu и KashmirJharkhandKarnatakaKeralaLakshadweepMadhya PradeshMaharashtraManipurMeghalayaMizoramNagalandOdishaPuducherryPunjabRajasthanSikkimTamil NaduTelanganaTripuraUttar PradeshUttarakhandWest Бенгальский

Курсы

— Выберите — Курсы бакалавриата (UG) Инженерные курсы (B.E. / B.Tech / B.Arch / B.Des)BE — Информатика и инженерияB.E — Информатика и инженерия со специализацией в области искусственного интеллектаB.E — Информатика и инженерия со специализацией в Интернете вещейB.E — Компьютер Наука и инженерия со специализацией в области науки о данныхB.E — Информатика и инженерия со специализацией в области искусственного интеллекта и робототехникиB.E — Информатика и инженерия со специализацией в области искусственного интеллекта и машинного обученияB.E — Информатика и инженерия со специализацией в технологии блокчейн B.E — Информатика и инженерия со специализацией в области кибербезопасности — МехатроникаB.E — Авиационная техникаB.E — Гражданское строительствоB.Tech — Информационные технологииB.Tech — Химическая инженерияB.Tech — БиотехнологияB.Tech — Биомедицинская инженерияB.Arch — Бакалавр архитектурыB.Дес. — Бакалавр курсов DesignEngineering (BE / B.Tech) — неполный рабочий деньB.E — Информатика и инженерияB.E — Электротехника и электроникаB.E — Электроника и инженерия связиB.E — МашиностроениеB.E — Гражданское строительствоB.Tech — Химическая промышленность Курсы инженерного искусства и наукиB.BA — Бакалавр делового администрирования B.Com. — Бакалавр коммерцииB.Com. — Финансовый учетB.Sc. — Visual CommunicationB.Sc — Медицинская лаборатория технологийB.Sc — Клиника и питание и диетологияB.наук — ФизикаB.Sc. — ХимияB.Sc. — ИнформатикаB.Sc. — МатематикаB.Sc. — БиохимияB.Sc. — Дизайн одеждыB.Sc. — Бакалавр биотехнологий. — Бакалавр микробиологии. — ПсихологияБ.А. — АнглийскийB.Sc. — Биоинформатика и наука о данных, бакалавр наук — Информатика, специализация в области искусственного интеллекта, бакалавр наук. — Бакалавр наук в области сестринского дела B.Sc. — Курсы авиационного праваB.A. бакалавр права (с отличием) BBA бакалавр права (с отличием) B.Com.LL.B. (с отличием) Бакалавр фармацевтики Курсы фармацевтикиB.Pharm., Бакалавр фармацииD.Pharm., Диплом в области фармацевтикиПоследипломное образование (PG)Инженерные курсыM.E. Информатика и инженерияМ.Е. Прикладная электроникаМ.Е. Компьютерное проектированиеМ.Е. Строительная инженерияМ.Е. Силовая электроника и промышленные приводыM.Tech. БиотехнологияM.Tech. Медицинское оборудованиеM.Tech. Встроенные системы и IoTM.Arch. Устойчивая архитектураM.Arch. Управление зданиемПрограмма управленияMBA — Магистр делового администрированияНеполный рабочий день последипломного образованияM.E. Информатика и инженерияМ.Е. Прикладная электроникаМ.Е. Компьютерное проектированиеМ.Е. Строительная инженерияM.Tech.Медицинское оборудованиеM.Tech. БиотехнологияM.B.A. Master of Business AdministrationPG Arts & Science Courses AdmissionM.A — EnglishM.Sc — Visual CommunicationM.Sc — PhysicsM.Sc — MathematicsM.Sc — ChemistryM.Sc — BioInformatics & Data ScienceResearch Programs AdsPh.D in all Disciplines Engineering / Technology, Management и наукБакалавр стоматологической хирургии(BDS)BDS — Бакалавр стоматологической хирургииМагистр стоматологической хирургии(MDS)MDS — Ортодонтия и челюстно-лицевая ортопедияM.DS — Консервативная стоматология и эндодонтияM.D.S — Детская стоматология и профилактическая стоматология

Что такое транзистор PNP? — Определение, символ, конструкция и работа

Определение: Транзистор, в котором один материал n-типа легирован двумя материалами p-типа, такой тип транзистора известен как PNP-транзистор. Это устройство с текущим управлением. Небольшое количество тока базы контролировало как ток эмиттера, так и ток коллектора. Транзистор PNP имеет два кварцевых диода, соединенных встречно-параллельно.Левая сторона диода известна как диод эмиттер-база, а правая сторона диода известна как диод коллектор-база.

Отверстие является основным носителем транзисторов PNP, которые составляют ток в нем. Ток внутри транзистора возникает из-за изменения положения отверстий, а в выводах транзистора из-за потока электронов. Транзистор PNP включается, когда через базу протекает небольшой ток. Направление тока в транзисторе PNP — от эмиттера к коллектору.

Буква PNP-транзистора указывает на напряжение, требуемое эмиттером, коллектором и базой транзистора. База PNP-транзистора всегда была отрицательной по отношению к эмиттеру и коллектору. В транзисторе PNP электроны берутся с базовой клеммы. Ток, поступающий в базу, усиливается в концах коллектора.

Обозначение транзистора PNP

Символ транзистора PNP показан на рисунке ниже. Стрелка, направленная внутрь, показывает, что ток в PNP-транзисторе направлен от эмиттера к коллектору.

Конструкция транзистора PNP

Конструкция транзистора PNP показана на рисунке ниже. Переход эмиттер-база подключен с прямым смещением, а переход коллектор-база подключен с обратным смещением. Эмиттер, который подключен в прямом смещении, притягивает электроны к батарее и, следовательно, создает ток, протекающий от эмиттера к коллектору.

База транзистора всегда поддерживается положительной по отношению к коллектору, так что отверстие от коллекторного перехода не может войти в базу.А база-эмиттер удерживается вперед, за счет чего дырки из области эмиттера входят в базу, а затем в область коллектора, пересекая область обеднения.

Работа транзистора PNP

Переход эмиттер-база подключен с прямым смещением, из-за чего эмиттер выталкивает отверстия в области базы. Эти отверстия составляют эмиттерный ток. Когда эти электроны перемещаются в полупроводниковый материал или основу N-типа, они объединяются с электронами.База транзистора тонкая и очень слабо легированная. Следовательно, только несколько дырок объединяются с электронами, а остальные перемещаются к слою пространственного заряда коллектора.