Принцип действия транзистора: Эта страница ещё не существует

Содержание

Принцип работы транзистора (биполярного) - изобретение транзистора

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

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

                                           

Она заключается в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой - слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы.

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко "перебегают" в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны - неосновные носители заряда, то электрическое перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллектора получается лишь немного меньше тока эмиттера. если увеличить ток базы, то переход Эб откроется сильнее, и между эмиттером и коллектром сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу.

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

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

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше ток базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора.

Обозначается оно h31. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектор к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот фокт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается. 

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

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

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

граничной

Также параметрами биполярного транзистора являются:

·         обратный ток коллектор-эмиттер

·         время включения

·         обратный ток коллектора

Устройство биполярного транзистора и принцип действия

Рис. 1. Устройство n-p-n транзистора и его условное обозначение.

Биполярные транзисторы, определение, вольт - амперные характеристики, принцип работы и классификация полупроводниковых приборов мы подробно рассматривали на странице http://www. xn--b1agveejs.su/radiotehnika/202-bipolyarnye-tranzistory.html. Для того чтобы усвоить материал, одной статьи мало, две хорошо, а сотни статей еще лучше.

В этой статье рассмотрим принцип действия биполярных транзисторов на простом, доступном языке.

Биполярный транзистор состоит из двух p-n переходов, образованных слоями полупроводников с примесями. На рис. 1. показана самая простая конструкция n-p-n транзистора. Тонкий слой слабо легированного полупроводника р-типа (база) расположен между двумя более толстыми слоями n-типа (эмиттер и коллектор). Толщина базы может быть меньше одного микрона.

Принцип действия биполярного транзистора

Рис. 2. Иллюстрация работы транзистора: (а) тока базы нет, (б) ток базы течет.

На рис. 2. показан транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером. В схеме, приведенной на рис. 2.(a), ток базы не течет, а в схеме на рис. 2.(б) переключатель S замкнут, позволяя току из батареи В1 течь в базу транзистора. Сначала рассмотрим схему на рис. 2.(a). Важно отметить, что переход коллектор-база смещен в обратном направлении и имеющийся потенциальный барьер препятствует потоку основных носителей. Таким образом, пренебрегая утечкой, можно считать, что при разомкнутом ключе S коллекторный ток равен нулю. Теперь рассмотрим, что произойдет, когда ключ S замкнут (рис. 2.(б)). Переход база-эмиттер становится смещенным в прямом направлении, а переход коллектор-база остается смещенным в обратном направлении. Благодаря смещению перехода база-эмиттер в прямом направлении электроны из эмиттера n-типа посредством диффузии проходят по базе р-типа по направлению к обедненному слою на переходе база-коллектор. Эти электроны, являющиеся неосновными носителями в области базы, достигнув обедненного слоя, по потенциальному барьеру «как с горки» быстро скатываются в коллектор, создавая тем самым в транзисторе коллекторный ток. Действие смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер напоминает открывание ворот и позволяет току протекать по цепи эмиттер-коллектор.

Таков принцип действия биполярного транзистора.

Следующий момент требует объяснения. Почему электроны не рекомбинируют с дырками в базе р-типа в процессе диффузии в сторону коллектора? Ответ состоит в том, что базу делают совсем слабо легированной, то есть с низкой концентрацией дырок, и очень тонкой; следовательно, имеется лишь малая вероятность того, что электрон будет перехвачен дыркой и рекомбинирует. Когда электрон рекомбинирует в области базы, происходит кратковременное нарушение равновесия, поскольку база приобретает отрицательный заряд. Равновесие восстанавливается с приходом дырки из базовой батареи В1 Батарея В1 является источником дырок для компенсации рекомбинирующих в базе, и эти дырки образуют базовый ток транзистора. Благодаря базовому току в базе не происходит накопления отрицательного заряда и переход база-эмиттер поддерживается смещенным в прямом направлении, а это, в свою очередь, обеспечивает протекание коллекторного тока. Таким образом, транзистор является прибором, управляемым током.

Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления тока (hFE). Он должен равняться числу электронов в секунду, успешно проследовавших от эмиттера к коллектору, деленному на число рекомбинировавших. В типичном маломощном кремниевом транзисторе приблизительно 1 из 100 электронов рекомбинирует в базе, так что усиление тока имеет значение порядка 100.

Фактически в работе транзистора принимают участие как электроны, так и дырки, что отличает его от униполярного или полевого транзистора.

Ранее упоминалось, что при смещении p-n перехода в прямом направлении текущий по нему ток образуют как электроны, так и дырки. Но при рассмотрении смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер мы пока учитывали только электроны, пересекающие этот переход. Такой подход оправдан практически, поскольку область эмиттера n-типа специально легируется очень сильно, чтобы обеспечить большое число свободных электронов, в то время как область базы легируется совсем слабо, и это дает настолько мало дырок, что ими можно пренебречь при рассмотрении тока через переход база-эмиттер. Эмиттер так сильно легирован, что напряжение лавинного пробоя перехода база-эмиттер обычно всего лишь 6 В. Этот факт нужно иметь в виду при работе с некоторыми переключающими схемами, где необходимо позаботиться о том, чтобы обратные смещения не были слишком большими. Но это обстоятельство может быть и полезным, поскольку переход база-эмиттер маломощного транзистора ведет себя как 6-вольтовый стабилитрон и иногда используется в этом качестве.

Эффекты второго порядка. Зависимость коллекторного тока от тока базы

Рис. 3. Типичная зависимость коллекторного тока от тока базы в маломощном кремниевом транзисторе.

На рис. 3. показан график зависимости коллекторного тока от тока базы для маломощного кремниевого транзистора: наблюдается линейная зависимость IC от IB в широком диапазоне значений коллекторного тока. Однако при малом токе базы коэффициент усиления тока несколько уменьшается. Этот эффект можно объяснить, рассматривая поведение электронов в базе: при очень малом базовом токе ничто не способствует электронам, попавшим из эмиттера в базу, достичь коллектора; только приблизившись к обедненному слою коллектор-база, они затягиваются полем. До этого электроны, совершая случайные блуждания, просто диффундируют сквозь базу, и любой из них может стать жертвой рекомбинации с какой-нибудь встретившейся дыркой. При больших значениях базового тока условия для электронов благоприятнее. Дырки, инжектируемые в виде базового тока, создают небольшое электрическое поле в базе, которое помогает электронам в их движении к обедненному слою. Таким образом, при умеренных токах коллектора (порядка 1 мА) коэффициент усиления тока будет больше, чем при малых токах коллектора (порядка 10 мкА).

При очень больших токах коллектора, когда заселенность базы дырками становится слишком большой, усиление начинает падать. База ведет себя так, как будто она легирована сильнее, чем это есть в действительности, так что значительная часть тока, текущего через эмиттерный переход, состоит из дырок, движущихся из базы в эмиттер так же, как полезные электроны, двигающиеся в другом направлении, к коллектору. Таким образом, все большая и большая часть базового тока является «пустой породой» и поэтому коэффициент усиления тока падает. Этот эффект важен в мощных усилителях, где он может приводить к искажению формы сигнала при больших токах коллектора.

В связи с тем, что зависимость коллекторного тока от тока базы является нелинейной, существуют два определения для коэффициента усиления тока транзистора в схеме с общим эмиттером. Коэффициент усиления постоянного тока получается просто делением тока коллектора на ток базы; его обозначают hFE В или β и он важен для переключающих схем. Однако в большинстве случаев, когда речь идет об усилении, мы имеем дело только с небольшими приращениями коллекторного тока, и более подходящим способом определения коэффициента усиления тока является отношение приращения коллекторного тока к приращению тока базы, которое называется коэффициентом усиления тока hfe или β в режиме малого сигнала. Из рис. 3. следует, что

hfe=ΔIC/ΔIB.

Для большинства практических целей можно считать, что hFE и hfe равны.

Ток утечки между коллектором и базой

Хотя переход коллектор-база смещен в обратном направлении, все же существует очень небольшой ток утечки из коллектора в базу, обозначаемый ICBO поскольку он измеряется с разомкнутой цепью эмиттера. В кремниевом транзисторе при комнатной температуре ICBO очень мал, обычно менее 0,01 мкА. Однако в случае, когда транзистор включен в схему с общим эмиттером и цепь базы разорвана, как показано на рис. 2.(a), ток ICBO протекающий по переходу коллектор-база, должен течь в эмиттер, для которого он неотличим от внешнего тока базы. Таким образом, ICBO усиливается транзистором, и ток утечки между коллектором и эмиттером возрастает до значения ICEO = hFE/ICBO которое может доходить до 1 мкА. Поскольку ток ICBO в значительной степени является результатом теплового нарушения связей, он увеличивается приблизительно вдвое с ростом температуры на каждые 18 градусов Цельсия. Когда ICBO становится сравнимым с нормальным током коллекторной цепи, транзистор обычно считается слишком горячим. Кремниевые p-n переходы могут работать до 200 °С, а германиевые, имеющие много больший ток утечки, только до 85 °С.

Когда кремниевый транзистор работает при комнатной температуре, токами ICBO и ICEO можно практически полностью пренебречь. В германиевом транзисторе при комнатной температуре (20 °С) ток ICBO имеет значение порядка 2 мкА, так что при hFE = 100 ток ICEO будет равен 200 мкА. Этот относительно большой ток утечки является той причиной, по которой германиевые транзисторы вышли из употребления, за исключением специальных целей, когда требуется малая разность потенциалов на германиевом p-n переходе, смещенном в прямом направлении.

n-p-n и p-n-p транзисторы

Описание работы транзистора, данное выше, относится к наиболее распространенным n-р-n транзисторам; также легко доступны р-n-р транзисторы, очень полезные для целого ряда комплементарных схем, так как они обладают характеристиками, идентичными с n-р-n транзисторами, но требуют напряжения питания противоположной полярности. Тогда как в n-р-n транзисторе ток коллектора состоит из электронов, в р-n-р транзисторе он состоит из дырок. Аналогично, ток базы является электронным током, а не дырочным. На рис. 4. показана структура р-n-р транзистора и его условное обозначение.

Рис. 4. Устройство р-n-р транзистора и его условное обозначение.

 

Материалы по теме:
Усилитель напряжения на биполярном транзисторе
Транзисторы - режим насыщения

Биполярный транзистор -устройство, принцип работы, технические характеристики, схемы включения, область применения. Сравнение с лампой.

Раздел Техническая информация → Транзисторы

 

Сырьем для транзисторов может служить обычный песок. Не вериться? Песок представляет собой окись кремния SiO2.
Кремний является основой для производства подавляющего большинства полупроводниковых элементов электроники. Разумеется, нужны и другие материалы: пластмасса, керамика, алюминий, серебро и даже золото. Разрезать аккуратно и точно кремниевую пластинку лучше всего алмазной пилой.
Но вернемся к окиси кремния. Кремний из окиси можно восстановить химической переработкой. Чистый кремний относится к классу полупроводников. Кратко вспомним, что такое полупроводник и чем он отличается от проводника или диэлектрика.
Электрический проводник-это вещество, оказывающее малое сопротивление протекающему через него току. Электрический ток, в свою очередь, есть направленное движение электрических зарядов. Значит, в проводнике должны быть свободные заряды, которые могут легко передвигаться в любом направлении. Все металлы -хорошие проводники. В металлах внешние электроны атомов становятся свободными, когда атомы объединяются в кристаллическую решетку.

 

Свободные электроны образуют так называемый электронный газ, заполняющий весь объем металла. Если в проводнике течет ток, электроны перемещаются преимущественно в одном направлении. Если же тока нет, электроны все равно движутся, но это движение хаотическое, тепловое. Оно создает шум-небольшое, случайным образом изменяющееся напряжение на выводах проводника или полупроводникового элемента.
Из самого названия «полупроводник» ясно, что он еще «не дорос» до настоящего проводника и, следовательно, проводит ток гораздо хуже. Свободных электронов в полупроводнике мало, поскольку почта все электроны как бы привязаны к своим атомам. Правда, при сильном нагреве тепловое движение становится интенсивнее и некоторые из электронов отрываются от своих атомов, становясь свободными. Проводимость вещества при этом увеличивается. Вот почему полупроводниковые приборы очень боятся перегрева-проводимость может возрасти настолько, что ток в полупроводнике резко увеличится и наступит так называемый тепловой пробой. Чтобы не углубляться, посмотрим лишь несколько цифр.
Удельное сопротивление вещества-величина, обратная проводимости,-измеряется в омах на метр (Ом-м). Это сопротивление бруска вещества сечением 1 м2 и длиной 1 м. Вот это брусочек! Но что поделаешь, в международной системе единиц СИ единицей длины служит метр. Ну так вот: сопротивление медного бруска составляет всего 0,017·10-6 Ом. А сопротивление бруска тех же размеров, изготовленного из такого типичного диэлектрика, как стекло, равно 5·1013Ом, т.е. на двадцать один порядок (1021) больше! Удельное сопротивление полупроводников находится где-то между этими крайними значениями. Дать конкретные величины трудно, они зависят от вида вещества, его чистоты и других факторов.
Чем чище полупроводник, тем ближе его свойства к свойствам диэлектрика. Но если в полупроводник введена примесь, то проводимость резко возрастает.

Различают два вида примесей: акцепторные и донорные.
Валентность вещества акцепторной примеси меньше, чем валентность самого полупроводника. Это значит, что во внешнем электронном слое атомов примеси меньше электронов, чем у атомов полупроводника. В этом случае примесь по отношению к электронам атомов полупроводника ведет себя как агрессор: она захватывает их. В результате в кристаллической решетке вещества появляются атомы, которым не хватает одного электрона.

Заряд этих атомов положителен. Они притягивают отрицательно заряженные электроны, и при первой же возможности атом, у которого не хватает электрона, захватывает его у соседнего атома. Положительный заряд при этом перемещается к соседнему атому. Тот, в свою очередь, захватывает электрон у соседа. Таким образом, положительный заряд перемещается еще дальше. Теперь оказалось, что в толще полупроводника с акцепторной примесью «гуляет сам по себе» положительный заряд, обусловленный нехваткой одного электрона. Заряд этот очень образно называют «дыркой».
Иное дело, если в полупроводник введена донорная примесь.
Валентность вещества примеси на единицу больше валентности самого полупроводника. Это значит, что во внешней электронной оболочке атомов вещества примеси на один электрон больше, чем у атомов полупроводника. Объединяясь в кристаллы, атомы примеси используют для валентных связей все внешние электроны, кроме одного. В образовавшемся кристалле «лишние» электроны атомов примеси оказываются без работы. «Безработные» электроны свободно перемещаются по всему кристаллу, но все рабочие места-валентные связи-заняты. Эти электроны легко устремляются по направлению даже слабого электрического поля, создавая электрический ток.

Таким образом, вводя различные примеси, мы можем получить полупроводник с дырочной проводимостью (р-типа) и с электронной проводимостью (n-типа). Сами названия р и n произошли от начальных букв английских слов positive и negative, обозначающих знак свободных зарядов (положительный - "дырочный" или отрицательный - "электронный"). Чем выше концентрация примеси в полупроводнике, тем выше и его проводимость. Как только физики и инженеры научились получать полупроводники с различными типами проводимости, тут же появились и приборы, выполненные на их основе.

Биполярный транзистор

Значение "Би" означает, что имеется два основными носителями которыми являются электроны и дырки. По способу чередования областей различают npn и pnp транзисторы.
Обозначение биполярного транзистора на схеме.

Принцип работы биполярного транзистора можно объяснить, опираясь на те же явления, которые наблюдаются в рп-выпрямителе. У npn-транзистора одна n-область находится в контакте с р-областью, а та в свою очередь контактирует со второй n-областью (рис.).

Главным здесь, как мы сейчас видим, является то, что средняя р-область очень узка и относительно слабо легирована, рпр-транзистор получается заменой в npn-транзисторе р и n областей. На практике применяются транзисторы обоих видов; функции их схожи, но в pnp-транзисторе носителями заряда в основном являются дырки, а в npn-транзисторе - электроны. Так как в кремнии электроны обладают большей подвижностью, чем дырки, то в большинстве случаев кремниевые pnp-транзисторы превосходят pnp-транзисторы. Чтобы рассмотреть принцип действия прп-транзистора, обратимся еще раз к рис.

В таком транзисторе есть два p-n-перехода, т.е. n-p-переход слева и p-n-переход справа. Приложим положительное высокое напряжение Uк к правой n-области и отрицательное напряжение UЕ к левой n-области. Пусть на p-область действует напряжение Vв, которое больше Ue, но меньше Uk. В результате на левом n-p -переходе мы имеем прямое смещение (пропускное направление), а на правом p-n-переходе -обратное смещение (запирающее направление). Электроны из инжектирующей левой n-области, называемой эмиттером, диффундируют в р-область, где в нормальном случае они бы рекомбиннровали, если бы p-область, т. е. так называемая база, не была настолько узкой, что электроны успевают проскочить через нее не рекомбинируя. Таким образом удается добиться того, чтобы электроны попали в правую n-область и там поступали на электрод. Поэтому правую n-область называют коллектором. Он собирает инжектированные из левой n-области - эмиттера - электроны.
Различные роли обеих n-областей, которые без приложенного к ним напряжения совершенно равноправны, конечно же, являются следствием того, что к правой n-области приложено положительное напряжение, а к левой - отрицательное. Соединим теперь базу через источник напряжения и проводник с эмиттером, как это показано на рис. Мы получим две цепи тока -базовую и коллекторную. В базовой цепи в ток вносят вклад лишь те электроны, которые, как мы видели в случае с прямосмещенным переходом (в пропускном направлении), рекомбинируют в p-области. Но из-за узости p-области их очень мало. Следовательно, выходящий из базы поток электронов очень невелик. Большая часть тока, поступающего с эмиттера, течет через коллектор (рис.).

Однако мы знаем, что в ток через р-n-переход вносят вклад не только электроны, но и дырки. В нашем конкретном случае это означает, что из базы в эмиттер поступает поток дырок.
Он существенно превысил бы сравнительно слабый поток электронов и стал бы причиной появления в целом относительно сильного тока в базовой цепи, если бы его не удалось уменьшить каким-либо способом. В биполярном транзисторе с этой целью слабо легируют базу. В результате концентрация дырок в базе является низкой и из базы может поступить лишь небольшой поток дырок. Вывод, сделанный выше в отношении потока электронов, остается справедливым и для суммарного потока электронов и дырок: большая часть тока течет по коллекторной и меньшая-по базовой цепи.
Какую же пользу можно извлечь из всего этого? Если изменить напряжение между эмиттером и базой при постоянном напряжении между базой и коллектором, то изменится ток, идущий от эмиттера. Это изменение в большей мере затронет коллекторную цепь и в меньшей -базовую. Таким образом, путем небольшого изменения тока в базовой цепи можно получить значительное изменение тока в коллекторной цепи. В данном случае транзистор работает как усилитель тока. Но так как сопротивление базовой цепи значительно меньше (прямосмещенный р-n-переход) сопротивления коллекторной цепи (обратносмещенный p-n -переход), то и потребляемая в базовой цепи электрическая мощность значительно меньше, чем в коллекторной. В итоге с помощью небольшой электрической мощности в базовой цепи можно управлять величиной мощности в коллекторной цепи.

Сравнение с электронной лампой

Ту же функцию в вакуумной электронике выполняют трех электродные электронные лампы. Эмиттер транзистора соответствует катоду электронной лампы, коллектор-аноду и база-сетке.

Схема включения транзистора, показанная на рис., где эмиттер соединен с базой и коллектором, а база и коллектор-соответственно только с эмиттером, называется схемой с общим эмиттером.

Она является одной из трех возможных схем включения транзистора. Если транзистор включен по схеме с общим коллектором, то коллектор является общей областью для обеих цепей тока, а при включении по схеме с общей базой такой областью становится база.

Схема с питанием входных и выходных цепей транзистора от одного источника постоянного напряжения.

В микроэлектронике применяются также транзисторы, обладающие двумя и более изолированными друг от друга эмиттерными областями. В результате появляются разнообразные варианты схем включения. Существует также возможность получения транзисторов с несколькими коллекторами.
Рис. npn-транзистор с базой, общей для двух цепей. Здесь показаны потоки электронов и дырок, т.е. потоки основных носителей заряда.
С помощью транзисторов можно осуществлять увеличение или преобразование электрической мощности. В микроэлектронике транзисторы являются прежде всего усилительными приборами с различными принципами усиления сигналов электрической природы и используются в ключевых схемах. Важной характеристикой такого транзисторного ключа является время, необходимое для одного переключения из положения «включено» в положение «выключено» или наоборот, короче говоря, время задержки. Чтобы получить представление о величине времени задержки биполярного транзистора, рассмотрим следующий пример. Пусть к эмиттеру, базе и коллектору npn -транзистора приложены определенные электрические напряжения Ue, Ub и Uk. В коллекторной цепи появится ток определенной силы. Если напряжение, приложенное к базе, возрастает до Ub + ΔUb, то сопротивление как левого n-p- перехода, так и правого p-n -перехода уменьшается и в результате ток в коллекторной цепи увеличивается. Но при этом мы полагаем, что во время пролета электронов через базу напряжение на ней остается неизменным и равным UB + ΔUb. Ситуация изменяется, если за это время приложенное к базе напряжение меняется. Когда оно, например, снова уменьшается до UB, а электроны еще не успели проскочить через базу, то вызванное ΔUb возрастание тока в коллекторной цепи не так велико, как при неизменном напряжении Ub + ΔUb. Отсюда можно сделать вывод о том, что эффективность переключения транзистора падает, если команды на переключение в форме более высоких или низких напряжений поступают на базу с интервалами, которые меньше времени, затрачиваемого электронами на пролет через базу. Время задержки Т транзистора представляет собой, таким образом, время, необходимое для пролета электронов через базу. Поэтому становится ясно: чем тоньше база, тем меньше время задержки. Делается понятным и стремление сделать как можно тоньше прежде всего базу. Тем самым мы также доказали высказанное в гл. 2 утверждение, что с уменьшением размеров полупроводниковых электронных элементов их быстродействие возрастает. Ориентировочно время пролета Т сквозь базу инжектированных эмиттером носителей заряда легко определить, зная коэффициент диффузии электронов D и ширину базы Ь. В общем случае справедливо выражение Т ≈ b2/D. Если для кремния ширину базы принять равной 0,7 мкм и коэффициент диффузии электронов 50 см2/с, то время задержки для pnp-транзистора составит Т ≈ 10-10 с. Коэффициент диффузии менее подвижных по сравнению с электронами дырок в кремнии почти в 3 раза меньше. Поэтому и время задержки pnp-транзистора в 3 раза больше, чем у npn-транзистора. Еще более высокой подвижностью по сравнению с электронами кремния обладают электроны арсенида галлия (GaAs). Поэтому из арсенида галлия n-типа можно изготавливать сверхбыстродействующие рпр-транзисторы.
Итак, теперь мы в состоянии рассчитать требуемую энергию для выполнения одной операции переключения в npn-транзисторе. Необходимое на одно переключение время Т следует умножить на израсходованную при этом электрическую мощность Р. В биполярном транзисторе преобразование электрической мощности осуществляется в базовой цепи. Вообще мощность равна произведению напряжения на силу тока. В нашем конкретном примере сила тока зависит от величины транзистора. Чем меньше транзистор, тем слабее возникающие в нем токи. В интегральных микросхемах транзисторы размещаются на площади 1000 мкм2 и менее. Сила тока в базовой цепи составляет всего несколько микроампер, а напряжение - около 1 В. Следовательно, мощность, необходимая для переключения, равна произведению одного вольта на несколько микроампер, т. е. нескольким микроваттам. При Р=10-5 Вт и Т = 10"10 с получаем энергию переключения, равную 10-5 х 10-10 Вт.с=10-15 Дж. Это очень малая энергия, которая, однако, не имеет ничего общего с действительным энергопотреблением транзистора. Энергозатраты в коллекторной цепи гораздо выше.

4.1.2.   Принцип действия транзистора | Электротехника

Принцип действия транзистора будет рассматриваться на примере транзистора p-n-p-типа (рис. 4.2). Если эмиттерный переход (ЭП) сместить в прямом направлении, а коллектор в обратном, то потенциальный барьер ЭП снизится и станет равным Uоэ – Uэ, а потенциальный барьер коллекторного перехода (КП) повысится и станет равным Uок + Uк. Одновременно уменьшится толщина ЭП, и увеличится толщина КП, причем увеличение толщины запирающего слоя произойдёт в основном в сторону базы, так как  проводимость ее много меньше, чем проводимость коллектора.

Снижение потенциального барьера на ЭП вызовет инжекцию дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер, появляется эмиттерный ток (Iэ), который состоит из двух составляющих:

Iэр + Iэn.

Так как рэ >> nб, то дырочная составляющая тока эмиттера оказывается много больше электронной составляющей Iэр >> Iэn, которая замыкается через цепь базы и не участвует в создании коллекторного тока. Поэтому её и стремятся сделать по возможности малой. Для цепи базы она является одной из составляющих тока базы.

В результате инжекции дырок из эмиттера концентрация их в базе у границы ЭП увеличивается и может значительно превышать равновесную, в то время как концентрация дырок и КП вследствие их экстракции практически равна нулю. Таким образом, распределение концентрации неосновных неравновесных дырок в базе имеет вид (рис. 4.2, а), т.е. возникает градиент концентрации дырок. Градиент концентрации вызывает диффузионное движение инжектированных дырок через базу от эмиттера к коллектору.

В процессе диффузии дырок к КП часть их рекомбинирует с электронами базовой области. Для сохранения нейтральности базы в неё входят электроны из внешней цепи, образуя рекомбинационный ток базы (Iб.рек).. Поскольку концентрация электронов в базе незначительна, по сравнению с концентрацией инжектированных из эмиттера дырок, и диффузионная длина дырок значительно больше толщины базы, вероятность рекомбинации мала и основная часть дырок достигает КП. Дырки, достигшие КП, попадают в его ускоряющее поле и перебрасываются в коллекторную область, создавая ток коллектора.

Чем больше дырок инжектируется эмиттером, тем больше градиент концентрации дырок в базе, тем большее их количество достигает коллектора, увеличивая его ток. Следовательно, ток коллектора пропорционален току эмиттера:

Iкр = αIэ.

Он называется управляемым током коллектора. Возможность управлять выходным током транзистора при изменении входного тока – важное свойство биполярного транзистора. Оно позволяет использовать его в качестве активного элемента различных схем.

Коэффициент пропорциональности (α) называется коэффициентом передачи тока эмиттера и составляет 0.95…0.99.

Кроме Iкр в цепи коллектора протекает небольшой собственный обратный ток КП, не зависящий от тока эмиттера. Его обозначают Iкбо.

Таким образом, полный ток коллектора равен:

Ir = α Iэ + Iкбо.

Между токами трех электродов транзистора существует зависимость, описываемая соотношением:

Iэ = Iк + Iб.

Из этих соотношений следует, что ток базы связан с током эмиттера следующим образом:

Iб = (1 – α) Iэ – Iкбо.

Транзисторы: назначение, устройство и принципы работы

Что означает название "транзистор"

Первоначально все транзисторы называли полупроводниковыми триодами. Термин «транзистор» можно разделить на две составляющие: «трансфер» - передача, преобразование; «резистор» - электрическое сопротивление. Поэтому понятие «транзистор» определяется как преобразователь сопротивления. Такое объяснение совпадает и с принципом работы транзистора: транзистор открыт – сопротивление стремится к нулю, транзистор закрыт – сопротивление большое.

Применение транзисторов

Изначально транзисторы пришли на смену электрическим лампам в схемах усиления электрических сигналов в радиотехнике. Принцип действия любого усилителя достаточно прост: маломощный входной сигнал в электрической схеме с дополнительным источником питания получает усиление по амплитуде. Другими словами, транзистор позволяет управлять маломощным входным воздействием мощными потоками энергии.

В большинстве схем усиления сигналов транзисторы используются в качестве управляемого сопротивления с маломощным входным сигналом задания. Схемы управления в радиоэлектронике строятся на базе источников постоянного напряжения. Входной управляющий сигнал изменяет внутреннее сопротивление транзистора, формируя переменный сигнал на выходе транзистора. В соответствии с этим формируется ток в цепи нагрузки транзистора.

Электропроводность и строение атома

Электропроводность любого материала определяется строением его атомов. В начале ХХ века Нильс Бор ввел понятие «планетарной модели атома», которая представлена на рисунке ниже.

Согласно этой модели атом состоит из ядра (протоны и нейтроны), вокруг которого по орбитам вращаются заряженные частицы (электроны). Ядро имеет общий положительный заряд за счет наличия протонов. Количество протонов и электронов в ядре уравновешено, что позволяет атому находиться в состоянии электрического равновесия. При потере электрона атом превращается в положительно заряженный ион; при присоединении атомом чужого электрона – атом превращается в отрицательный ион. Строение атома рассмотрим на примере кремния (Si).

По таблице Менделеева можно определить строение любого атома. Так для кремния распределение электронов по орбитам будет выглядеть как 2-8-4. В любом атоме орбиты имеют сферический характер, однако для упрощения примем все орбиты движения электронов как расположенные в одной плоскости.

Свойства материала определяют электроны, расположенные на внешней орбите (валентные электроны), которые принимают участие в образовании молекул из нескольких атомов. Валентные электроны способны отрываться от атома и создавать электрический ток. Именно эти носители заряда и определяют полупроводниковые свойства транзисторов.



Всего комментариев: 0


Транзистор: принцип работы

Транзистор относится к категории полупроводниковых приборов. В электротехнике он используется как генератор и усилитель электрических колебаний. Основой прибора является кристалл, расположенный в корпусе. Для изготовления кристалла используется специальный полупроводниковый материал, по своим свойствам находящийся в промежуточном положении между изолятором и проводником. Транзистор применяется в радио- и электронных схемах. Данные приборы могут быть биполярными и полевыми. Каждый из них обладает собственными параметрами и характеристиками.

Особенности биполярных транзисторов

Электрический ток в биполярных транзисторах образуется электрическими зарядами, имеющими положительную и отрицательную полярность. Дырки переносят положительную полярность, а электроны – отрицательную. Для данного вида устройств используются германиевые или кремниевые кристаллы, обладающие индивидуальными особенностями, которые учитываются при создании электронных схем.

Основой кристалла служат сверхчистые материалы. К ним добавляются специальные примеси в точной дозировке. Именно они оказывают влияние на возникновение в кристалле электронной или дырочной проводимости. Они обозначаются соответственно, как n- или р-проводимость. Происходит формирование базы, являющейся одним из электродов. Специальные примеси, введенные в кристаллическую поверхность, изменяют проводимость базы на противоположное значение. В результате, образуются зоны n-р-n или р-n-р, к которым подключаются выводы. Таким образом, происходит создание транзистора.

Источник носителей заряда называется эмиттером, а собиратель носителей является коллектором. Между ними располагается зона, исполняющая роль базы. Выводы прибора называются в соответствии с подключенными электродами. При поступлении на эмиттер входного сигнала в виде небольшого электрического напряжения, в цепи между ним и коллектором будет протекать ток. Форма этого тока совпадает с входным сигналом, однако его значение существенно увеличивается. Именно в этом заключаются усиливающие свойства транзистора.

Работа полевого транзистора

В полевых транзисторах направленное движение электронов или дырок образуется под воздействием электрического поля, которое создается на третьем электроде приложенным напряжением. Из одного электрода выходят носители, поэтому он называется истоком. Второй электрод, на который поступают заряды, носит название стока. Третий электрод, управляющий движением частиц, называется затвором.

Токопроводящий участок, ограниченный стоком и истоком, именуется каналом, поэтому данные устройства еще известны как канальные. Сопротивление канала изменяется под действием напряжения, образующегося на затворе. Этот фактор оказывает воздействие на протекающий по каналу электрический ток.

Тип носителей заряда влияет на характеристики полевых транзисторов. В n-канале происходит направленное движение электронов, а в р-канале перемещаются дырки. Таким образом, ток появляется под действием носителей лишь с каким-то одним знаком. В этом состоит основное отличие полевых и биполярных транзисторов.

Принцип работы каждого полевой транзистора заключается в однополярном токе, требует постоянного напряжения, чтобы обеспечить начальное смещение. Значение полярности зависит от типа канала, а напряжение связано с тем или иным типом устройства. В целом, они надежны в эксплуатации, могут работать в широком диапазоне частот, имеют большое входное сопротивление.

принцип работы, схемы и т.д.

Однопереходные транзисторы — специальные переключательные транзисторы. Обычно они используются в колебательных контурах для генерирования повторяющихся форм волны.

Схема однопереходного транзистора
Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Принцип действия однопереходного транзистора

Материал Т-типа однопереходного транзистора имеет два вывода: первую базу (В1) и вторую базу (В2). С материалом N-типа контактирует материал P-типа, который известен как эмиттер (Е). Точка физического соприкосновения материала p-типа и материала n-типа является P-N переходом однопереходного транзистора. В транзисторах этого типа P-N переход носит название «затвор».

Строение однопереходного транзистора

Проводимость между двумя выводами однопереходного транзистора регулируется путем изменения полярности напряжения смещения, подаваемого на эмиттер. Характерной особенностью однопереходного транзистора является то, что существует критическое значение напряжения смещения (разница потенциалов между эмиттером и его выводами на материале N-типа), которое вызывает очень быстрое увеличение проводимости между выводами.

Когда P-N переход однопереходного транзистора имеет обратное смещение, то обедненная область полностью распространяется по всему основному веществу и препятствует движению значительного тока от В1 к В2. В этом случае говорят, что однопереходный транзистор «выключен». В таком положении он остается даже в том случае, если на нем появляется прямое смещение, правда, до тех пор, пока это напряжение прямого смещения остается ниже критического значения.

«Выключенный» однопереходный транзистор

Когда напряжение оказывается равно или превышает критическое напряжение прямого смещения, то обедненная область очень быстро сужается, открывая тем самым путь для протекания тока от В1 до В2. Говорят, что однопереходный транзистор в этих условиях «включен». Когда на однопереходный транзистор подается напряжение смещения, полярность которого периодически изменяется, то этот прибор будет при каждом таком изменении то включаться, то выключаться, при этом он будет посылать резкие регулярные импульсы тока всякий раз, когда будет достигаться критическое напряжение для запуска.

«Включенный» однопереходный транзистор

5.2 Биполярный транзистор - Принцип работы

5.2 Биполярный транзистор - Принцип работы

Содержание - 1 2 3 4 5 6 7 8 9 R S - ®


Транзистор с биполярным переходом состоит из двух p-n-переходов, которые имеют общую тонкую область шириной w B . Контакты установлены ко всем трем областям: две внешние области, называемые эмиттером и коллектором, и средняя область, называемая базой.Структура биполярного транзистора NPN показана на рисунке 5.1 (а). Устройство называется «биполярным», поскольку в его работе задействованы оба типа мобильных носителей: электроны и дырки.

(а)

(б)

Рис. 5.1 (a) Структура и условные обозначения биполярного транзистора NPN. (b) Поток электронов и дырок при прямом активном смещении, В BE > 0 и В BC = 0.

Поскольку устройство состоит из двух встречных диодов, между квазинейтральными областями есть обедненные области. Ширина квазинейтральных областей в эмиттере, базе и коллекторе обозначена символами w E ' , w B ' и w C ' и составляет рассчитано от

(5,1)

(5.2)

(5,3)

, где ширина обедненной области определяется по формуле:

(5,4)

(5.5)

(5,6)

(5,7)

Знаки тока и напряжения показаны на Рисунке 5.1 (а). Ток базы и коллектора положительный, если положительный ток идет на контакт базы или коллектора.Ток эмиттера положительный для тока, выходящего из контакта эмиттера. Это также означает, что:

(5,8)

Напряжение база-эмиттер и напряжение база-коллектор положительные, если к контакту базы приложено более положительное напряжение.

Принцип работы устройства показан на Рисунке 5.1 (б). Мы рассматриваем режим прямого активного смещения, полученный путем прямого смещения перехода база-эмиттер и обратного смещения перехода база-коллектор.Чтобы упростить дальнейшее обсуждение, мы также устанавливаем V CE = 0. Электроны диффундируют из эмиттера в базу, а дырки диффундируют из базы в эмиттер. Эта диффузия носителей идентична диффузии в p-n-переходе. Однако отличие состоит в том, что электроны могут диффундировать как неосновные носители через квазинейтральную область в базе. Как только электроны достигают обедненной области базового коллектора, они проходят через обедненный слой из-за электрического поля.Эти электроны вносят вклад в ток коллектора. Кроме того, есть еще два тока: базовый рекомбинационный ток и рекомбинация обедненного слоя.

Таким образом, полный ток эмиттера складывается из тока диффузии электронов, I E, n , тока диффузии дырок, I E, p , и тока рекомбинации обедненного слоя, I r, d .

(5,9)

Полный ток коллектора - это ток диффузии электронов, I E, n , минус базовый рекомбинационный ток, I r, B .

Базовый ток представляет собой сумму дырочного диффузионного тока, I E, p , базового рекомбинационного тока, I r, B и тока рекомбинации обедненного слоя, I r, d .

(5,11)

Транспортный коэффициент определяется как соотношение тока коллектора и эмиттера:

Используя текущий закон Кирхгофа и знаковое соглашение, показанное на рисунке 5.1 (а), мы находим, что ток базы равен разности между токами эмиттера и коллектора. Коэффициент усиления по току определяется как отношение тока коллектора к току базы и составляет:

(5,13)

Это объясняет, как биполярный переходной транзистор может обеспечить усиление тока. Если ток коллектора почти равен току эмиттера, коэффициент переноса, a , приближается к единице.Текущее усиление, b , поэтому может стать намного больше единицы.

Чтобы облегчить дальнейший анализ, мы теперь перепишем коэффициент переноса, a , как произведение эффективности эмиттера, г E , базового коэффициента переноса, a T , и коэффициента рекомбинации слоя истощения. , д р .

(5,14)

Эффективность эмиттера, г E , определяется как отношение электронного тока в эмиттере, I E, n , к сумме электронного и дырочного тока, диффундирующего через базу. эмиттерный переход, I E, n + I E, p .

Базовый транспортный коэффициент, a T , равен отношению тока, обусловленного электронами, инжектированными в коллектор, к току, обусловленному электронами, инжектированными в базу.

Рекомбинация в обедненной области перехода база-эмиттер дополнительно снижает коэффициент усиления по току, поскольку увеличивает ток эмиттера без увеличения тока коллектора. Коэффициент рекомбинации обедненного слоя, d r , равен отношению тока, обусловленного диффузией электронов и дырок через переход база-эмиттер, к полному току эмиттера:

(5.17)


5.1 ® 5.

© Барт Дж. Ван Зегбрук, 1996, 1997, 1998


Основы транзисторов - типы, принцип работы и применение

Транзисторы также относятся к категории полупроводников. Они ответственны за революционные изменения в области электроники. Первый практический транзистор был представлен в 1927 году и известен как точечный транзистор Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли.

Сжатие размеров электронных устройств происходит только из-за изобретения транзисторов. Слово «транзистор» можно разделить на два основных слова. Самый первый «транс» называется передачей сигналов. Вторая часть слова - «истор», это свойство сопротивления, оказываемого на соответствующих переходах.

Обладает характеристиками переключателя. Он имеет возможность участвовать в процессе усиления, а также выпрямления сигналов, будь то сигналы напряжения или сигналы тока.

Что такое транзистор?

Цепь с низким сопротивлением участвует в передаче слабых сигналов в цепь с высоким сопротивлением. Этот тип схемы определяется как транзистор.

Конструкция транзистора

Транзистор формируется, в то время как два диода p-n перехода могут быть соединены таким образом, что оба задних конца соединены вместе. В середине соединенная область очень тонкая, что называется основанием.

Одна сторона называется эмиттером, а другая - коллектором.Таким образом построены транзисторы. Эмиттер находится справа от транзистора, а наличие коллектора можно наблюдать слева.

Типы транзисторов

Базовый транзистор можно разделить на два типа в зависимости от типа его конструкции. Один называется p-n-p, а другой - n-p-n. Конструкция этих p-n-p и n-p-n очень проста.

Транзистор с центром n-типа и обоими p-типами приводит к образованию p-n-p.Транзистор, сформированный с центром в виде p-типа и обоими n-типами с обеих сторон, приводит к образованию n-p-n.

Есть индикации, которые представлены стрелками, которые показывают обычные токи, протекающие в этом конкретном направлении. Это можно назвать единственной разницей между транзисторами n-p-n и p-n-p. Каждый транзистор имеет три основных вывода.

Эти три клеммы обозначены как

  1. База
  2. Излучатель
  3. Коллектор

Базовые символы транзистора вместе с его клеммами

(1) База

Центр транзистора находится в центре .Он имеет помехи с двумя цепями, одна из которых называется входной, а другая - выходной. Входной формируется за счет взаимодействия эмиттера и базы, а выходной - за счет коллектора и базы.

Более низкое сопротивление можно увидеть на входной цепи со стороны помех базы эмиттера. Более высокое сопротивление предлагается в выходной цепи базы и коллектора. Концентрация легирования у основания низкая. Размер основания тонкий.

(2) Эмиттер

Чтобы обеспечить постоянное питание большинства носителей заряда, соответствующий переход базы эмиттера должен иметь прямое смещение. Он легирован сильной консистенцией, так что большинство носителей может быть введено в основу. Размер излучателя будет умеренным.

(3) Коллектор

Как следует из названия, он действует как коллектор для большинства перевозчиков. Следовательно, это считается для сбора выходных сигналов. Это причина, по которой взаимодействующие части коллектора и базы остаются в обратном смещении.

Легирование коллектора умеренное, но его размер больше, чем у базы и эмиттера. Выше показаны выводы базового транзистора.

Принцип работы транзистора

Элемент, называемый кремнием, обычно является предпочтительным для конструкции транзистора. Кремний менее чувствителен к температуре. Он способен выдерживать высокие значения напряжения и большие диапазоны токов.

Как известно, эмиттерный базовый переход должен находиться в прямом смещении, а коллекторный базовый переход должен оставаться в обратном смещении.Из-за условия прямого смещения в переходе эмиттерной базы большая часть носителей входит в базу.

Это причина того, что базовый ток имеет тенденцию протекать через область базы. Этот ток имеет тенденцию течь к коллектору, и в ответ на это движение электронов наблюдается в области коллектора от базы.

Базовый ток также отвечает за создание вакансии на коллекторе. Но это небольшая величина.Как мы уже знаем, база транзистора всегда была слегка легированной.

Это причина того, что будет меньшее количество носителей заряда, таких как электроны, меньше по количеству по сравнению с эмиттером. Эти небольшие количества электронов взаимодействуют с дырками в основании, тогда как оставшееся количество электронов движется к коллектору.

Это открыло путь для генерации тока коллектора. Следовательно, колебания на базе могут составлять большой ток на коллекторе.

Режимы работы транзистора

Условия, которые приводят к различным режимам работы, определяются из-за переходов, сформированных на базе эмиттера и базы коллектора. Прямое смещение эмиттерного базового перехода и обратное смещение коллекторного базового перехода приводит к получению активной области этого конкретного транзистора, таким образом, основываясь на дополнительных условиях смещения в переходе, можно анализировать различные рабочие режимы.

(1) FR

Рассматривая случаи переходов эмиттер-база и коллектор-база, в этом случае эмиттерный базовый переход смещен в прямом направлении, тогда как коллекторный базовый переход находится под обратным смещением.Следовательно, эти условия приводят к тому, что транзистор работает в активной области. Когда он находится в активной области, токи на коллекторе зависят от тока на эмиттере.

(2) FF

В этом состоянии соединение базы эмиттера и базы коллектора находится под прямым смещением. Этот тип состояния приводит к тому, что транзистор находится в области насыщения. Эта область отвечает за то, чтобы ток на коллекторе не зависел от тока, генерируемого на эмиттере.

(3) RR

Следовательно, этот случай имеет дело с состоянием, когда оба перехода транзистора работают с обратным смещением. Что касается обратного смещения, то в схеме не наблюдается проводимости. Этот тип области известен как зона отсечения.

Эмиттер на этом этапе не может снабжать большинство носителей заряда, и сбор этих носителей не может быть очевиден на коллекторе. В такой ситуации транзистор действует как замкнутый переключатель.

(4) RF

Эмиттерный базовый переход транзистора подключен с обратным смещением, тогда как коллекторный базовый переход в этом состоянии имеет прямое смещение. Поскольку коллектор имеет легкую консистенцию, он не может подавать основные носители заряда на соответствующую базу этого транзистора. Следовательно, действие транзистора в этом случае плохое.

Таким образом, в зависимости от типа смещения на стыке, определяются различные типы рабочих областей.Исходя из этого, делается смещение транзистора.

Применение и использование транзистора

В современном мире электроники все где-то или так или иначе зависит от электроники. Либо это может быть схема усиления, либо схема переключения, существуют различные типы транзисторов, которые могут использоваться для различных целей.

(1) В основном транзистор используется в качестве усилителя в различных типах генераторов, модуляторов и т. Д., Далее в области цифровых схем эти транзисторы могут использоваться для механизма переключения.

(2) В случае транзистора, когда на него падает свет, замечается генерация тока, они классифицируются как фототранзисторы.

(3) Исходя из требований, когда требуется протекание большого количества тока от эмиттера к коллектору, поддерживая минимальный ток базы, требуется транзистор с именем BJT.

(4) В устройствах, где требуется регулирование напряжений, используются полевые транзисторы (FET). Это потому, что он состоит из входного импеданса при более высоком значении, что приводит к минимизации текущего значения.

(5) В тех случаях, когда коэффициент усиления по току должен быть высоким, используется специальный тип транзисторов, называемый парой транзисторов Дарлингтона. Основное его применение - это уведомления при создании чувствительных сенсорных кнопок, потому что они способны определять величину токов на коже человека.

(6) В некоторых случаях требуется отводить высокие входные токи, чтобы предотвратить попадание транзистора в область насыщения.

(7) Если предположить, что более высокие значения токов должны быть переключены за меньшее время, для этой цели полезны лавинные транзисторы.

Выше приведены некоторые области применения и применения транзисторов. Таким образом обсуждаются основы транзисторов. У всех транзисторов по три вывода? Принцип работы транзистора

NPN | Электрическая академия

Ученые Джон Бардин и Уолтер Браттейн изобрели транзистор с точечным контактом. Он состоял из двух проводов, тщательно сплавленных на кристалле германия. Уильям Шокли последовал за этими изобретениями, создав биполярный или переходной транзистор.Эти изобретения положили начало микроэлектронике.

Транзистор обеспечивает мгновенное срабатывание схемы и устраняет время прогрева, необходимое для схемы на вакуумной лампе.

Кроме того, транзистору не требовалось большого количества энергии. Транзистор был и остается известным своими небольшими размерами, долгим сроком службы и легким весом.

Транзисторы являются ключевыми устройствами в электронике по нескольким причинам :

  • Они могут усиливать ток.
  • Они могут создавать сигналы переменного тока на желаемых частотах.
  • Их также можно использовать как коммутационные устройства. Это делает их важными в компьютерных схемах.

Транзистор с биполярным переходом (BJT) состоит из трех слоев нечистых полупроводниковых кристаллов. Этот транзистор имеет два перехода. Есть два типа биполярных транзисторов: NPN и PNP. Блоки и условные обозначения для них показаны на рисунке 1.

Рисунок 1. Блок-схемы и символы для транзисторов NPN и PNP.

Биполярный транзистор NPN имеет тонкий слой кристалла P-типа, расположенный между двумя кристаллами N-типа, Рис. 2a . Биполярный транзистор PNP имеет тонкий слой кристаллов N-типа, расположенный между двумя кристаллами P-типа, Рис. 2b .

В обоих типах первый кристалл называется эмиттером . Центральная часть называется base . Третий кристалл называется коллектором .

Рисунок 2а. Транзистор NPN.

Рисунок 2б. Транзистор NPN.

Обозначения транзисторов NPN и PNP

В условных обозначениях на Рисунке 1, обратите внимание на направление стрелки . Это указывает, является ли это транзистором NPN или PNP.

Стрелка всегда указывает на материал N-типа. Это поможет вам определить правильную полярность при подключении в цепи. Направление, в котором указывает стрелка эмиттера для NPN-транзистора, можно легко вспомнить, произнеся «Never Points iN.”

Смещение транзистора

На рисунке 3 показаны диаграммы смещения для пяти транзисторов. Обратите особое внимание на тот факт, что база не всегда совпадает с местом расположения выводов транзисторов. Никогда не предполагайте правильных подключений. Всегда будьте уверены, сначала проверив номер детали транзистора в каталоге или спецификации продукта.

Рисунок 3. Диаграммы смещения для пяти транзисторов. (DIGI-KEY)

Работа транзистора NPN

Теория работы транзистора NPN показана на рисунке 4.

  • Две батареи используются для упрощения теории работы. Для большинства приложений требуется один источник напряжения. Отрицательная клемма аккумулятора подключена к эмиттеру N.
  • Положительный полюс той же батареи подключен к базе P-типа. Следовательно, схема эмиттер-база смещена в прямом направлении.

Рис. 4. Ток в NPN-транзисторе

  • В цепи коллектора коллектор N подключен к положительной клемме аккумулятора.База P подключена к отрицательной клемме.
  • Цепь коллектор-база имеет обратное смещение.
  • Электроны попадают в эмиттер от отрицательного источника батареи и текут к переходу. Прямое смещение уменьшило потенциальный барьер первого перехода.
  • Затем электроны объединяются с дырочными носителями в базе, образуя цепь эмиттер-база. Однако основание представляет собой очень тонкий срез, около 0,001 дюйма.
  • Большая часть электронов проходит через коллектор.Этому потоку электронов способствует низкий потенциальный барьер второго PN-перехода.

Приблизительно от 95 до 98 процентов тока через транзистор проходит от эмиттера к коллектору. От двух до пяти процентов тока проходит между эмиттером и базой.

Небольшое изменение напряжения смещения эмиттер-база вызывает несколько большее изменение тока эмиттер-коллектор. Это то, что позволяет использовать транзисторы в качестве усилителей . Однако изменение тока эмиттер-база довольно мало.

Транзистор PNP

Транзистор PNP имеет материал P-типа для эмиттера, материал N-типа для базы и материал P-типа для коллектора. См. Рисунок 5.

Источник питания или батарея должны быть подключены противоположным образом, как NPN-транзистор. Как и NPN-транзистор, схема эмиттер-база имеет прямое смещение, а схема коллектор-база имеет обратное смещение. В транзисторе PNP большинство носителей эмиттер-коллектор представляют собой дырки.

Рисунок 5. Ток в транзисторе PNP.

Принцип работы транзистора - MikroElektronika

4.1 Принцип работы транзистора

Транзисторы используются в аналоговых схемах для усиления сигнала. Они также используются в источниках питания в качестве регуляторов, и вы также найдете их в качестве переключателей в цифровых схемах.

Лучший способ изучить основы транзисторов - это поэкспериментировать. Ниже показана простая схема.Он использует силовой транзистор для освещения земного шара. Вам также понадобится аккумулятор, небольшая лампочка (взятая из фонарика) с характеристиками около 4,5 В / 0,3 А, линейный потенциометр (5 кОм) и резистор на 470 Ом. Эти компоненты должны быть подключены, как показано на рисунке 4.4a.

Рис. 4.4: Принцип работы транзистора: потенциометр перемещается в верхнее положение - напряжение на базе увеличивается - ток через базу увеличивается - ток через коллектор увеличивается - яркость шара увеличивается на .Резистор (R) на самом деле не нужен, но если вы его не используете, вы не должны поворачивать потенциометр (потенциометр) в его верхнее положение, потому что это разрушит транзистор - это потому, что напряжение постоянного тока UBE (напряжение между базой и эмиттером) для кремниевых транзисторов не должно превышать 0,6 В. Поверните потенциометр в крайнее нижнее положение. Это доводит напряжение на базе (или, точнее, между базой и землей) до нуля вольт (UBE = 0). Лампочка не горит, значит, через транзистор не проходит ток.Как мы уже упоминали, нижнее положение потенциометров означает, что UBE равно нулю. Когда мы поворачиваем ручку из крайнего нижнего положения, UBE постепенно увеличивается. Когда UBE достигает 0,6 В, ток начинает поступать на транзистор, и земной шар начинает светиться. При дальнейшем повороте потенциометра напряжение на базе остается на уровне 0,6 В, но ток увеличивается, и это увеличивает ток через цепь коллектор-эмиттер. Если горшок повернуть полностью, базовое напряжение немного увеличится примерно до 0.75v, но ток значительно увеличится, и земной шар будет ярко светиться. Если мы подключим амперметр между коллектором и лампочкой (для измерения IC), другой амперметр между горшком и цоколем (для измерения IB) и вольтметр между землей и цоколем и повторим весь эксперимент, мы найдем некоторые интересные данные. Когда горшок находится в низком положении, UBE равен 0 В, а также токи IC и IB. Когда горшок поворачивается, эти значения начинают расти, пока лампочка не начинает светиться, когда они: UBE = 0.6 В, IB = 0,8 мА и IB = 36 мА (если ваши значения отличаются от этих значений, это связано с тем, что используемый записывающий модуль 2N3055 не имеет тех же характеристик, что и тот, который вы используете, что является обычным при работе с транзисторами). Конечный результат, который мы получаем из этого эксперимента, заключается в том, что при изменении тока на базе изменяется ток на коллекторе. Давайте посмотрим на другой эксперимент, который расширит наши знания о транзисторе. Для этого требуется транзистор BC107 (или любой аналогичный транзистор малой мощности), источник питания (такой же, как в предыдущем эксперименте), резистор 1M, наушники и электролитический конденсатор, значение которого может находиться в диапазоне от 10u до 100 мкФ при любом рабочем напряжении.Из этих компонентов можно построить простой усилитель низкой частоты, как показано на диаграмме 4.5.

Рис. 4.5: Простой транзисторный усилитель

Следует отметить, что схема 4.5a аналогична схеме на 4.4a. Основное отличие в том, что к наушникам подключается коллектор. «Включающий» резистор - резистор на базе, 1М. Когда нет резистора, нет протекания тока IB и тока Ic. Когда резистор подключен к цепи, базовое напряжение равно 0.6В, а базовый ток IB = 4 мкА. Транзистор имеет усиление 250, а это означает, что ток коллектора будет 1 мА. Поскольку оба этих тока входят в транзистор, очевидно, что ток эмиттера равен IE = IC + IB. А поскольку ток базы в большинстве случаев незначителен по сравнению с током коллектора, считается, что:

Соотношение между током, протекающим через коллектор, и током, протекающим через базу, называется коэффициентом усиления тока транзистора и обозначается как hFE.В нашем примере этот коэффициент равен:

Наденьте наушники и приложите кончик пальца к точке 1. Вы услышите шум. Ваше тело принимает "сетевое" напряжение переменного тока 50 Гц. Шум, слышимый в наушниках, - это напряжение, которое усиливается только транзистором. Поясним эту схему еще немного. Переменное напряжение с частотой 50 Гц подается на базу транзистора через конденсатор C. Напряжение на базе теперь равно сумме постоянного напряжения (примерно 0,6) через резистор R и переменного напряжения «от пальца».Это означает, что это базовое напряжение выше 0,6 В, пятьдесят раз в секунду и в пятьдесят раз немного ниже. Из-за этого ток на коллекторе превышает 1 мА в пятьдесят раз в секунду и в пятьдесят раз ниже. Этот переменный ток используется для сдвига мембраны громкоговорителей вперед пятьдесят раз в секунду и пятьдесят раз назад, что означает, что мы можем слышать на выходе тон 50 Гц. Прослушивание шума 50 Гц не очень интересно, поэтому вы можете подключить к точкам 1 и 2 какой-нибудь источник низкочастотного сигнала (проигрыватель компакт-дисков или микрофон).Существуют буквально тысячи различных схем, использующих транзистор в качестве активного усилительного устройства. И все эти транзисторы работают так, как показано в наших экспериментах, а это означает, что, создавая этот пример, вы фактически создаете базовый строительный блок электроники. Принцип работы транзистора

| Электрические концепции

В этом посте я сосредоточусь на принципе работы биполярного переходного транзистора, предполагая, что вы уже знакомы с деталями конструкции биполярного транзистора или просто транзисторов.

Основная работа транзистора будет описана с использованием pnp-транзистора. Работа npn-транзистора точно такая же, если роли электрона и дырки поменять местами. На рисунке ниже pnp-транзистор изображен без смещения база-коллектор. Эта ситуация аналогична ситуации с диодом с прямым смещением. Ширина обедненной области уменьшилась из-за приложенного смещения, что привело к сильному потоку основных носителей из материала p- в материал n-типа.

Как видно из рисунка выше, переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, поэтому большинство носителей, то есть дыры со стороны эмиттера на сторону базы, начнут течь, и, следовательно, ток будет устанавливаться от эмиттера к базе.

Давайте теперь удалим смещение эмиттера на базу pnp-транзистора, как показано на рисунке ниже. Обратите внимание на сходство между этой ситуацией и диодом с обратным смещением. Напомним, что поток основных несущих равен нулю, что приводит к потоку только неосновных несущих в случае диода с обратным смещением.

Таким образом, для вышеупомянутой ситуации только неосновные носители, то есть дырки, текут с n-стороны на p-сторону. Подводя итог, можно сказать, что один p-n переход транзистора имеет обратное смещение, а другой - прямое смещение при нормальных рабочих условиях.

Теперь мы объединим два описанных выше сценария. На рисунке ниже оба потенциала смещения были приложены к pnp-транзистору, с указанием результирующего потока основной и неосновной несущих. Обратите внимание на ширину обедненных областей на рисунке, четко указав, какой переход смещен в прямом направлении, а какой - в обратном.

Как показано на рисунке, большое количество основных носителей, то есть отверстий, будет диффундировать через смещенный вперед p-n переход в материал n-типа. Тогда возникает вопрос, будут ли эти носители непосредственно вносить вклад в базовый ток I B или переходить непосредственно в материал p-типа.

Поскольку прослоенный материал n-типа очень тонкий и имеет низкую проводимость, очень небольшое количество этих носителей, то есть отверстий, будет проходить по этому пути с высоким сопротивлением к базовому выводу.Величина базового тока обычно составляет порядка микроампер по сравнению с миллиамперами для токов эмиттера и коллектора. Большее количество этих основных носителей, то есть отверстий, будет диффундировать через обратносмещенный переход в материал p-типа, подключенный к клемме коллектора, как показано на рисунке. Причина относительной легкости, с которой основные носители могут пересекать переход с обратным смещением, легко понять, если учесть, что для диода с обратным смещением инжектированные основные носители будут появляться как неосновные носители в материале n-типа.Другими словами, произошла инъекция неосновных носителей в материал базовой области n-типа. По этой причине отверстия, которые поступили в материале n-типа, не будут использоваться в качестве базового тока I B , а скорее будут пересекать смещенный на обратный переход np-переход, чтобы разделить ток коллектора I C .

Теперь, поняв это, мы можем получить некоторую математическую связь. Применяя к транзистору закон Кирхгофа, получаем

I E = I B + I C

Таким образом, мы видим, что ток эмиттера - это сумма токов коллектора и базы.

Коллекторный ток, в свою очередь, состоит из двух компонентов, т. Е. Основных и неосновных носителей, как показано на рисунке выше. Составляющая неосновного тока называется током утечки и обозначается символом I CO (ток I C с разомкнутой клеммой эмиттера). Таким образом, ток коллектора в целом определяется уравнением

I C = I C Большинство + I CO Меньшинство

Для транзисторов общего назначения I C измеряется в миллиамперах, а I CO измеряется в микроамперах или наноамперах.I CO , как и I s для диода с обратным смещением, чувствителен к температуре и требует тщательного изучения при рассмотрении приложений в широком диапазоне температур. При неправильном рассмотрении это может серьезно повлиять на стабильность системы при высоких температурах.

Транзистор

PNP - принцип работы, характеристики и применение

PNP-транзистор - это подтип биполярных переходных транзисторов (BJT). Это базовый транзистор, который часто используется в различных электронных схемах.Он используется для таких функций, как усиление сигнала, переключатели и генераторы. В этом посте представлена ​​подробная информация о транзисторе PNP, принципах работы транзистора PNP, его характеристиках, применении, преимуществах и недостатках.

Что такое транзистор PNP

PNP-транзистор - это тип биполярного переходного транзистора, который состоит из трех слоев, в которых слой с примесью "N" расположен между двумя слоями с примесью "P". В транзисторах PNP электроны являются неосновными носителями заряда, а дырки - основными носителями заряда.Течение тока происходит из-за движения отверстий. Имеет два PN перехода:

  • Переход эмиттер-база
  • Коллектор-база

Рис.1 - Введение в транзисторы PNP

Малый базовый ток имеет возможность управлять большим током эмиттера, так как это устройство, управляемое током. Структура противоположна транзистору NPN, но аналогична по работе.

Символ транзистора PNP показывает стрелку, направленную внутрь от эмиттера к базе, которая указывает направление обычного тока.PNP-транзистор считается включенным, когда напряжение источника, подключенного к базе, низкое, и выключается, когда оно высокое.

Рис.2 - Обозначение транзистора PNP

Как работает транзистор PNP

Чтобы понять принцип работы транзистора, необходимо знать характеристики полупроводников.

Четвертый столбец периодической таблицы содержит определенные элементы, которые в контролируемых условиях ведут себя как проводники и изоляторы.Эти элементы называются полупроводниками. Электроны движутся в полупроводнике медленно, а дырки движутся медленнее, чем электроны. Для изменения удельного сопротивления полупроводника требуется всего несколько донорных или акцепторных атомов.

PNP-транзистор работает, когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении. Говорят, что переход имеет прямое смещение, когда полупроводник P-типа подключен к положительному выводу, а полупроводник N-типа подключен к отрицательному выводу.При обратном смещении полупроводник P-типа подключается к отрицательной клемме, а полупроводник N-типа подключается к положительной клемме.

Рис. 3 - Конструкция и обозначение схемы PNP-транзистора

Область базового коллектора имеет обратное смещение, в котором используется внешний источник напряжения. Это означает, что база имеет более высокий потенциал, чем коллектор. Обратное смещение не создает диффузии, и, следовательно, между клеммами не протекает ток.

Область базового эмиттера смещена в прямом направлении, так что напряжение на эмиттере имеет более высокий потенциал, чем на базе (V BE ).Отверстия вставляются в эмиттер (P-область), пересекая область обеднения в базу от положительного вывода источника напряжения (V BE ). Поскольку эмиттер сильно легирован, он привлекает много электронов, которые диффундируют в базовую область.

В то же время электроны текут из отрицательной клеммы, толкая электроны около перехода эмиттер-база в эмиттер. Это заставляет ток (I E ) течь от эмиттера к коллектору.

Ток коллектора или ток базы можно рассчитать по формуле

База более отрицательная, чем Эмиттер примерно на 0.7 вольт для кремниевого полупроводника и 0,3 вольт для германиевого полупроводника.

Подводя итог, увеличивая напряжение прямого смещения, барьер перехода эмиттер-база уменьшается. Это позволяет большему количеству носителей достигать коллектора, что, в свою очередь, увеличивает ток от эмиттера к коллектору. Это также означает, что уменьшение напряжения прямого смещения уменьшает ток.

  Прочтите о PN-переходе, прямом смещении, обратном смещении и слое истощения  

Характеристики транзистора PNP

Взаимосвязь между постоянным током и напряжением представлена ​​графически и называется характеристиками.Две важные характеристики транзистора PNP:

  • Входные характеристики
  • Выходные характеристики

Входные характеристики для общей конфигурации

В конфигурации с общей базой для различных постоянных значений выходного напряжения (V BC ) строится кривая между входным током (I E ) и входным напряжением (V BE ).

На рисунке ниже показан приблизительный график для входных характеристик.Из этой характеристической кривой мы можем сделать вывод, что для фиксированного значения выходного напряжения (V BC ) напряжение эмиттера прямо пропорционально току эмиттера (I E ).

Рис.4 - Входные характеристики для общей базовой конфигурации

Выходные характеристики для общей конфигурации

Для различных постоянных значений входного тока (I E ) строится кривая между выходным током (I C ) и выходным напряжением (V BC ).На рисунке ниже показаны выходные характеристики с тремя интересующими областями, указанными как активная область, область отсечки и область насыщения. Транзистор действует как переключатель «ВЫКЛ» в области отсечки и переключатель «ВКЛ» в области насыщения.

Рис.5 - Выходные характеристики для общей базовой конфигурации

  • В активной области соединение база-эмиттер смещено в прямом направлении, а соединение с базой коллектора смещено в обратном направлении.
  • В области отсечки и соединение база-эмиттер, и соединение базы коллектора имеют обратное смещение.
  • В области насыщения переходы базового эмиттера и базового коллектора смещены в прямом направлении.

Применение транзистора PNP

Применения транзисторов PNP включают:

  • Они используются при разработке схем усилителя, таких как усилители класса B.
  • Они используются в общем управлении двигателем.
  • Транзисторы
  • PNP широко используются в парных схемах Дарлингтона.
  • Используются как переключатели.
  • Они используются как генераторы.

Преимущества транзистора PNP

Преимущества транзисторов PNP:

  • Транзисторы PNP используются для источника тока.
  • Упрощает конструкцию схемы, поскольку генерирует сигнал, привязанный к отрицательной шине питания.
  • Как и другие транзисторы, он меньше по размеру и может входить в состав интегральных схем.
  • Они генерируют меньше шума, чем транзисторы NPN.

Недостатки PNP транзистор

Недостатками транзисторов PNP являются:

  • Транзистор PNP сравнительно медленнее, чем транзистор NPN.
  • Они не могут работать на более высоких частотах.
  • Уровни производительности ниже по сравнению с транзисторами NPN.
  Также читают: 
  Однопереходный транзистор (UJT) - конструкция, работа, характеристики и применение 
  Твердотельный накопитель (SSD) - принцип работы, типы, применение, SSD против жесткого диска 
  Мультиплексор (Mux) - типы, каскадирование, методы мультиплексирования, приложение  

Лакшми имеет степень бакалавра в области электроники и связи и имеет опыт работы в RelQ Software в качестве инженера-испытателя и HP в качестве руководителя службы технической поддержки.Она является автором, редактором и партнером Electricalfundablog.

Принцип работы биполярного переходного транзистора

и его эквивалентной схемы

Биполярный переходной транзистор (BJT):

Биполярный транзистор (BJT) имеет три вывода, подключенных к трем легированным полупроводниковым областям. В транзисторе N-P-N тонкая и слегка легированная основа P-типа зажата между сильно легированным эмиттером N-типа и другим коллектором N-типа; в то время как в транзисторе PNP тонкая и слегка легированная основа N-типа зажата между сильно легированным P-типом эмиттером r и другим P-типом collecto r .Далее мы будем рассматривать только NPN BJT.

Рисунок 1. Биполярный переходной транзистор (BJT)

Принцип работы BJT:

Рис 2. Биполярный транзистор n-p-n (BJT)

На рисунке 2 показан транзистор n-p-n r, смещенный в активной области (см. смещение транзистора), переход BE смещен в прямом направлении, а переход CB с обратным смещением. Ширина обедненной области BE-перехода мала по сравнению с шириной CB-перехода.

Прямое смещение в BE-переходе снижает барьерный потенциал и заставляет электроны течь от эмиттера к базе.Поскольку основание тонкое и слегка легированное, оно состоит из очень небольшого количества дырок, поэтому некоторые электроны из эмиттера (около 2%) рекомбинируют с дырками, присутствующими в области базы, и вытекают из вывода базы.

Это основной ток, он течет из-за рекомбинации электронов и дырок (обратите внимание, что направление обычного тока противоположно направлению потока электронов). Оставшееся большое количество электронов пересечет коллекторный переход с обратным смещением и составит коллекторный ток.Таким образом, по KCL,

Базовый ток очень мал по сравнению с током эмиттера и коллектора.

Здесь основными носителями заряда являются электроны. Транзистор p-n-p работает так же, как и транзистор n-p-n, с той лишь разницей, что основными носителями заряда являются дырки, а не электроны. Лишь небольшая часть тока протекает из-за основных носителей заряда, а большая часть тока течет из-за неосновных носителей заряда в BJT. Следовательно, они называются устройствами неосновных носителей

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *