Транзистор биполярный принцип работы. Биполярный транзистор: принцип работы, характеристики и применение

Что такое биполярный транзистор. Как устроен и работает биполярный транзистор. Какие бывают схемы включения биполярных транзисторов. Какие параметры важны при выборе биполярного транзистора. Где применяются биполярные транзисторы.

Что такое биполярный транзистор и как он устроен

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

• Эмиттер (Э) — сильно легированная область, служит источником носителей заряда
• База (Б) — тонкая слаболегированная область
• Коллектор (К) — умеренно легированная область, собирает носители заряда

В зависимости от типа проводимости областей различают транзисторы:

• n-p-n типа
• p-n-p типа

Название «биполярный» означает, что в работе транзистора участвуют носители заряда обоих знаков — электроны и дырки.

Принцип работы биполярного транзистора

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

1. На эмиттерный переход подается прямое напряжение. Это вызывает инжекцию (впрыскивание) электронов из эмиттера в базу.
2. Поскольку база очень тонкая, большинство электронов проходит через нее, не рекомбинируя с дырками.
3. Коллекторный переход смещен в обратном направлении. Его электрическое поле «вытягивает» электроны из базы в коллектор.
4. Таким образом, изменение тока базы управляет током коллектора.

Небольшое изменение тока базы вызывает значительное изменение тока коллектора. В этом и заключается усилительный эффект транзистора.

Основные схемы включения биполярных транзисторов

Существует три основные схемы включения биполярных транзисторов:

1. Схема с общим эмиттером (ОЭ)

Эмиттер является общим для входной и выходной цепи. Это самая распространенная схема, обеспечивающая усиление и по току, и по напряжению.

2. Схема с общей базой (ОБ)

База является общей для входной и выходной цепи. Эта схема обеспечивает хорошие частотные свойства, но не дает усиления по току.

3. Схема с общим коллектором (ОК)

Коллектор является общим для входной и выходной цепи. Эта схема обеспечивает высокое входное и низкое выходное сопротивление.

Важные параметры биполярных транзисторов

При выборе биполярного транзистора учитывают следующие ключевые параметры:

• Коэффициент усиления по току (h21э) — отношение изменения тока коллектора к вызвавшему его изменению тока базы
• Максимально допустимый ток коллектора (Iк max)
• Максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер (Uкэ max)
• Граничная частота коэффициента передачи тока (fгр) — частота, на которой коэффициент усиления уменьшается в √2 раз
• Максимальная рассеиваемая мощность коллектора (Pк max)

Эти параметры определяют возможности транзистора по усилению сигналов, коммутации токов и напряжений, а также частотный диапазон его работы.

Применение биполярных транзисторов

Благодаря своим свойствам биполярные транзисторы широко применяются в электронике:

• В усилителях сигналов
• В генераторах колебаний
• В импульсных схемах
• В ключевых схемах
• В стабилизаторах напряжения
• В преобразователях уровня сигналов

Они являются основой многих аналоговых и цифровых электронных устройств.

Режимы работы биполярного транзистора

В зависимости от напряжений на p-n переходах различают три основных режима работы биполярного транзистора:

1. Активный режим

В этом режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. Это основной режим работы транзистора как усилителя.

2. Режим насыщения

Оба перехода смещены в прямом направлении. Транзистор полностью открыт и может использоваться как ключ.

3. Режим отсечки

Оба перехода смещены в обратном направлении. Транзистор закрыт и также может использоваться как ключ.

Понимание этих режимов важно для правильного применения транзистора в электронных схемах.

Как проверить исправность биполярного транзистора

Простейшую проверку биполярного транзистора можно выполнить с помощью мультиметра:

1. Переведите мультиметр в режим «прозвонки» диодов
2. Проверьте переходы база-эмиттер и база-коллектор в прямом и обратном направлении
3. Исправный транзистор должен показывать:
   • Низкое сопротивление при прямом включении переходов
   • Высокое сопротивление при обратном включении переходов
   • Высокое сопротивление между коллектором и эмиттером

Более точную проверку параметров транзистора можно выполнить с помощью специальных приборов — транзистор-тестеров.

Принцип работы биполярного транзистора.

ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА.

Назначение работы

Целью настоящей работы является изучение принципа функционирования и основных характеристик биполярного транзистора. В данной работе снимаются статические характеристики биполярного транзистора в схемах с ОБ и ОЭ, по полученным характеристикам определяются его h-параметры.

Теоретические сведения

Биполярным транзистором называют трёхэлектродный полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих p-n перехода, прохождение тока в котором обусловлено движением заряда обоих знаков – электронов и дырок.

Биполярный транзистор содержит три полупроводниковые области с чередующимися типами проводимости (рис.2.1) p-n-p (a) или n-p-n (б). Одна из крайних областей всегда легируется сильнее, её называют эмиттером, назначение её – инжекция носителей в среднюю область структуры, называемую базой.

Другую крайнюю область называют коллектором, он менее легирован, чем эмиттер, и предназначен для экстракции носителей из базовой области.

Электронно – дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным. Переход на границе база – коллектор называют коллекторным. Он собирает инжектированные в базу носители и передаёт их в коллекторную область.

Рис 2.1 Cтруктуры и условные графические обозначения транзисторов p-n-p (а) и n-p-n (б) типа.

Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков, различие заключается лишь в том, что в транзисторе n-p-n в образовании коллекторного тока принимают участие электроны, инжектированные эмиттером, а в транзисторе p-n-p типа – дырки.

На рис. 2.2, а показана структура транзистора n-p-n типа. С помощью внешних источников напряжения эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Таким образом, транзистор функционирует в активном режиме, когда проявляются его усилительные свойства.

φ φк+Ек х φк-Еэ a) б)

Рис. 2.2. Токи в транзисторе n-p-n типа (а), распределение потенциала в областях транзистора (б).

Принцип действия биполярного транзистора основан на использовании трёх явлений:

• инжекции носителей из эмиттера в базу;

• переноса инжектированных в базу носителей к коллекторному переходу;

• экстракции инжектированных в базу и дошедших до коллекторного перехода неосновных носителей из базы в коллектор(рис. 2.2,б).

Рассмотрим эти явления подробнее. При подключении к эмиттерному переходу прямого напряжения противоположно направленное внешнее поле компенсирует внутреннее поле перехода и уменьшает контактную разность потенциалов на величину Е_э (рис. 2.2, б). Это приводит к возникновению инжекции электронов из эмиттера в базу и дырок из базы в эмиттер. Таким образом, в цепи эмиттера протекает эмиттерный ток I

э, который представляет собой диффузионный ток основных носителей и содержит две составляющих – дырочную и электронную.

Поскольку дырочная составляющая эмиттерного тока замыкается исключительно в цепи эмиттер – база, она не участвует в образовании коллекторного тока, а значит является бесполезной, и её следует уменьшать. Поэтому при создании транзисторов область базы всегда легируют намного слабее, чем эмиттерную область(n_э>>p_б). При этом из эмиттера в базу инжектируется гораздо большая часть носителей, чем из базы в эмиттер.

Количественно процесс инжекции характеризуется величиной коэффициента инжекции, которая показывает, какую часть от полного тока эмиттера составляет её полезная часть I

э_n.

Поскольку абсолютно исключить поток дырок из базы в эмиттер невозможно, то следует полагать, что <1 всегда и в лучшем случае 0.9995

В результате инжекции электронов в базу у эмиттерного перехода их становится больше. Коллекторный же переход включён в обратном направлении и работает в режиме экстракции. Он втягивает все электроны, подошедшие к нему и перебрасывает их в коллектор. Таким образом, концентрация электронов в базе у коллекторного перехода значительно меньше, чем у эмиттерного. В базе возникает градиент концентрации, под действием которого электроны диффундируют к коллекторному переходу (рис. 2.2, б). Распределение концентрации электронов в базе показано на рис. 2.3. Поскольку толщина базового слоя мала (W

б<<L_n), то закон распределения близок к линейному . Градиент концентрации электронов в базе определяет диффузионный ток электронов в направлении к коллекторному переходу.

Описанный характер движения электронов в базе возможен только при условии электрической нейтральности базы, когда количество находящихся в объёме базы электронов равно количеству дырок.

Рис. 2.3. Распределение неосновных носителей в базе транзистора в активном режиме.

В процессе диффузии через базу часть электронов рекомбинирует с дырками базы. В результате актов рекомбинации количество электронов, дошедших до коллектора не будет равно количеству электронов, поступивших из эмиттера, следовательно, электронная составляющая тока коллектора I_кn будет меньше электронной составляющей эмиттерного тока I_эn.

Акты рекомбинации электронов с дырками создают недостаток дырок, требующихся для компенсации электронов, входящих в базу из эмиттера. Необходимые дырки поступают по цепи базы, создавая базовый ток транзистора I_брек. Таким образом, разность между электронными составляющими эмиттерного и коллекторного токов представляет собой базовый ток рекомбинации:

Процесс рекомбинации дырок в базе численно определяется коэффициентом переноса носителей через базу, который показывает, какая часть носителей из эмиттерного перехода достигла коллекторного перехода.

Из выражения видно, что <1 всегда. Максимальное значение   0,95 – 0,99. Чтобы увеличить коэффициент переноса ( приблизить к единице) и увеличить тем самым электронную составляющую коллекторного тока, необходимо уменьшить I_брек. Для этого при изготовлении транзисторной структуры необходимо обеспечить следующие условия:

1. базу необходимо выполнить настолько тонкой, чтобы её ширина была бы гораздо меньше диффузионной длины носителей в базе (W_б<<L_n), тогда большая часть носителей, в данном случае электронов, успеет дойти до коллекторного перехода, не успев рекомбинировать с дырками базы;

2. базу следует легировать слабо, чтобы опять же уменьшить число актов рекомбинации электронов с дырками базы;

3. площадь коллекторного перехода должна быть больше площади эмиттерного перехода (S_кп>>S_эп), чтобы уменьшить вероятность рекомбинации в краевых областях базы.

Таким образом, электроны, достигшие обратно смещённого коллекторного перехода, будут втянуты полем и примут участие в образовании коллекторного тока.

При отсутствии инжекции из эмиттера в цепи коллекторного перехода протекает тепловой ток I_кбо, состоящий из двух дрейфовых токов неосновных носителей: тока дырок из коллектора в базу и тока электронов из базы в коллектор. Обратный ток коллектора I_кбо при оборванном эмиттере подобен обратному току в диоде. Он сильно зависит от температуры и является одним из важных параметров транзистора.

Если из эмиттера в базу происходит инжекция, то ток коллектора возрастает на величину I_кn:

Если учесть связь I_кn с полным током эмиттера I_кn = I_эn = I_э, то получим уравнение:

(2.1)

Где  =  — коэффициент передачи тока эмиттера, он характеризует усилительные свойства транзистора в схеме с общей базой. Так как  и  — величины меньше единицы, то и  < 1.

Ток в цепи базы обусловлен изменением заряда базы, определяемым концентрацией основных носителей в базе – дырок в n-p-n транзисторе.

Изменение концентрации дырок в базе происходит по трём причинам: диффузии дырок из базы в эмиттер навстречу основному потоку электронов, рекомбинации с электронами в базе, а также дрейфа электронов и дырок через коллекторный переход. Таким образом, в цепи базы будут протекать три составляющих тока базы:

Ток базы связан с другими токами электродов транзистора соотношением

(2.2)

Подставив в него (2.1), получим выражение для тока базы через полный ток эмиттера:

Мы рассмотрели структуру транзистора, где базовый вывод связан с корпусом. Такое включение транзистора называется включением с общей базой (ОБ). Уравнение (2.1) является уравнением работы биполярного транзистора в схеме с ОБ. Из него следует, что биполярный транзистор – это прибор, управляемый током. В данной схеме входной ток эмиттера управляет выходным током коллектора.

Учитывая, что коэффициент <1, можно сделать вывод: схема с ОБ не даёт усиления по току: I_к  I_э. Однако, сам транзистор обладает усилительным эффектом, который заключается в том, что ток эмиттера I_э, создаваемый источником Е_э, а также его приращения I_э, практически целиком передаются в коллекторную цепь, где этот ток с соответствующими приращениями течёт уже под действием ЭДС источника Е_к, которая выбирается значительно больше Е_э.

Таким образом, обеспечивается управление большей мощностью в коллекторной цепи при небольшой затрате мощности в эмиттерной.

Хорошее усиление по току даёт схема на рис. 2.4, где общим электродом является эмиттер, входным током – ток базы, а выходным – коллекторный ток.

+ — — +

Рис. 2.4. Схема включения с общим эмиттером.

С учётом выражений (2.1) и (2.2) можно получить уравнение для тока коллектора в схеме с ОЭ.

Отсюда

(2.3)

Если обозначить , то выражение (2.3) можно преобразовать к виду

(2. 4)

Выражение (2.4) называется основным уравнением транзистора в схеме с ОЭ, а коэффициент  — коэффициентом передачи тока базы. Поскольку   1 и (1 — ) мало, то значение  велико и обычно находится в пределах от десятков до сотен. В некоторых типах транзисторов он достигает нескольких тысяч.

Кроме схем с ОЭ и ОБ существует ещё схема включения с общим коллектором (ОК). Для неё входной является цепь базы, а выходной – цепь эмиттера.

принцип работы, характеристики и параметры

Автор Vic На чтение 18 мин Просмотров 374 Опубликовано 25.04.2021

Содержание

1. Виды транзисторов
2. Полевые
3. Биполярные
4. Комбинированные
5. Что такое электронный ключ?
6. Физические процессы
7. Биполярный транзистор
8. Схема с общей базой
9. Схемы включения биполярных транзисторов
10. С общим эмиттером
11. С общей базой
12. С общим коллектором
13. Какие параметры учитывают при выборе биполярного транзистора?
14. Принцип работы биполярного транзистора
15. Транзистор в ключевом режиме
16. Эмиттерный повторитель
17. Где транзисторы купить?

Виды транзисторов

Транзисторы бывают в основном двух видов: биполярные транзисторы и полевые транзисторы.  Конечно можно было рассмотреть все виды транзисторов в одной статье, но мне не хочется варить кашу  у вас в голове. Поэтому в этой статье мы рассмотрим исключительно биполярные транзисторы а о полевых транзисторах я расскажу в одной из следующих статей. Не будем все мешать в одну кучу  а уделим внимание каждому, индивидуально.

Полевые

Данный вид триодов ещё называют униполярным, из-за электрических свойств – у них протекает ток только одной полярности. По строению и типу управления эти устройства подразделяются на 3 вида:

1. Транзисторы с управляющим p-n переходом (рис. 6).
2. С изолированным затвором (бывают со встроенным либо с индуцированным каналом).
3. МДП, со структурой: металл-диэлектрик-проводник.

Отличительная черта изолированного затвора – наличие диэлектрика между ним и каналом.

Детали очень чувствительны к статическому электричеству.

Схемы полевых триодов показано на рисунке 5.

Рис. 5. Полевые транзисторы

Рис. 6. Фото реального полевого триода

Обратите внимание на название электродов: сток, исток и затвор.

Полевые транзисторы потребляют очень мало энергии. Они могут работать больше года от небольшой батарейки или аккумулятора. Поэтому они нашли широкое применение в современных электронных устройствах, таких как пульты дистанционного управления, мобильные гаджеты и т.п.

Биполярные

Об этом виде транзисторов много сказано в подразделе «Базовый принцип работы». Отметим лишь, что название «Биполярный» устройство получило из-за способности пропускать заряды противоположных знаков через один канал. Их особенностью является низкое выходное сопротивление.

Транзисторы усиливают сигналы, работают как коммутационные устройства. В цепь коллектора можно включать достаточно мощную нагрузку. Благодаря большому току коллектора можно понизить сопротивление нагрузки.

Более детально о строении и принципе работы рассмотрим ниже.

Комбинированные

С целью достижения определённых электрических параметров от применения одного дискретного элемента разработчики транзисторов изобретают комбинированные конструкции. Среди них можно выделить:

• биполярные транзисторы с внедрёнными и их схему резисторами;
• комбинации из двух триодов (одинаковых или разных структур) в одном корпусе;
• лямбда-диоды – сочетание двух полевых триодов, образующих участок с отрицательным сопротивлением;
• конструкции, в которых полевой триод с изолированным затвором управляет биполярным триодом (применяются для управления электромоторами).

Комбинированные транзисторы – это, по сути, элементарная микросхема в одном корпусе.

Что такое электронный ключ?

Ключ – это, если упростить, обыкновенный выключатель. С его помощью замыкается и размыкается электрическая цепь. У биполярного транзистора имеется три вывода:

• Коллектор.
• Эмиттер.
• База.

На биполярных полупроводниках строятся электронные ключи – конструкция простая, не требует наличия большого количества элементов. При помощи переключателя осуществляется замыкание и размыкание участка цепи. Происходит это с помощью сигнала управления (который вырабатывает микроконтроллер), подаваемого на базу транзистора.

Физические процессы

Возьмем транзистор типа n-p-n в режиме без нагрузки, когда подключены только два источника постоянных питающих напряжений E1 и E2. На эмиттерном переходе напряжение прямое, на коллекторном – обратное. Соответственно, сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока достаточно напряжения E1 в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико и напряжение E2 составляет обычно десятки вольт.

Соответственно, как и раньше, темные маленькие кружки со стрелками – электроны, красные – дырки, большие кружки – положительно и отрицательно заряженные атомы доноров и акцепторов. Вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода представляет собой характеристику полупроводникового диода при прямом токе, а вольт-амперная характеристика коллекторного перехода подобна ВАХ диода при обратном токе.

Принцип работы транзистора заключается в следующем. Прямое напряжение эмиттерного перехода uб-э влияет на токи эмиттера и коллектора и чем оно выше, тем эти токи больше. Изменения тока коллектора при этом лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Получается, что напряжение на переходе база-эмиттер, т. е. входное напряжение, управляет током коллектора. На этом явлении основано усиление электрических колебаний с помощью транзистора. Основные биполярные транзисторы приведены в таблице ниже.

Таблица характеристик биполярных транзисторов.

При увеличении прямого входного напряжения uб-э понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и, соответственно, возрастает ток через этот переход iэ. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора.Поскольку коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды (на рисунке большие кружки). Между ними возникает электрическое поле, которое способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т. е. втягивают электроны в область коллекторного перехода.

Схема работы и устройства биполярного транзистора.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате этого возникает ток базы.

Ток база является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Именно поэтому базовую область делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать с дырками и, повторюсь, ток базы будет незначительным.

Когда к эмиттерному переходу не приложено напряжение, можно считать, что в этом переходе тока нет. Тогда область коллекторного перехода имеет значительное сопротивление постоянному току, поскольку основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе границы создаются области, обедненные этими носителями. Через коллекторный переход протекает очень небольшой обратный ток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей.

Если же под действием входного напряжения возникает значительный ток эмиттера, то в базу со стороны эмиттера инжектируются электроны, для данной области являющиеся неосновными носителями. Они доходят до коллекторного перехода не успевая рекомбинировать с дырками при прохождении через базу.

Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллектору, тем меньше становится его сопротивление, следовательно, ток коллектора увеличивается. Аналогичные явления происходят в транзисторе типа p-n-p, надо только местами поменять электроны и дырки, а также полярность источников E1 и E2.

Как устроен транзистор.

Помимо рассмотренных процессов существует еще ряд явлений. Рассмотрим модуляцию толщины базы.При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение заряда, обусловленное в основном ударной ионизацией.

Это явление и туннельный эффект могут вызвать электрический пробой, который при возрастании тока может перейти в тепловой пробой. Все происходит также, как у диодов, но в транзисторе при чрезмерном коллекторном токе тепловой пробой может наступить без предварительного электрического пробоя.

Тепловой пробой может наступить без повышения коллекторного напряжения до пробивного. При изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах изменяется их толщина, в результате чего изменяется толщина базы.

Особенно важно учитывать напряжение коллектор-база, поскольку при этом толщина коллектора возрастает, толщина базы уменьшается. При очень тонкой базе может возникнуть эффект смыкания (так называемый “прокол” базы) – соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает и транзистор перестает нормально работать.

При увеличении инжекции носителей из эмиттера в базу происходит накопление неосновных носителей заряда в базе, т. е. увеличение концентрации и суммарного заряда этих носителей. А вот при уменьшении инжекции происходит уменьшение концентрации и суммарного заряда этих самых носителей в базе и сей процесс обозвали рассасыванием неосновных носителей зарядов в базе.

И напоследок одно правило: при эксплуатации транзисторов запрещается разрывать цепь базы, если не включено питание цепи коллектора. Надо также включать питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но не наоборот.

Схема устройства транзистора.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор это потомок ламповых триодов, тех что стояли в телевизорах 20 -го века. Триоды ушли в небытие и уступили дорогу более функциональным собратьям — транзисторам, а точнее биполярным транзисторам.

Триоды за редким исключением применяют в аппаратуре для меломанов.

Биполярные транзисторы выглядеть могут  так.

Как вы можете видеть биполярные транзисторы имеют три вывода и конструктивно они могут выглядеть совершенно по разному. Но на электрических схемах они выглядят простенько и всегда одинаково. И все это графическое великолепие,  выглядит как-то так.

Это изображение транзисторов еще называют УГО (Условное графическое обозначение).

Причем биполярные транзисторы могут иметь различный тип проводимости. Есть транзисторы NPN типа и PNP типа.

Отличие n-p-n транзистора от p-n-p транзистора состоит лишь в том что является «переносчиком» электрического заряда (электроны или «дырки» ). Т.е. для p-n-p транзистора электроны перемещаются от эмиттера к коллектору и управляются базой. Для n-p-n транзистора электроны идут уже от коллектора к эмиттеру и управляются базой.    В итоге приходим к тому, что для того чтобы в схеме заменить транзистор одного типа проводимости на другой достаточно изменить полярность приложенного напряжения. Или тупо поменять полярность источника питания.

У биполярных транзисторов есть три вывода: коллектор, эмиттер и база. Думаю, что по УГО будет сложно запутаться, а вот в реальном транзисторе запутаться проще простого.

Обычно где какой вывод определяют по справочнику, но можно просто  прозвонить транзистор мультиметром. Выводы транзистора звонятся как два диода, соединенные в общей точке (в области базы транзистора).

Слева изображена картинка для транзистора p-n-p типа,  при прозвонке  создается ощущение (посредством показаний мультиметра ), что перед вами два диода которые соединены в одной точке своими катодами. Для транзистора  n-p-n типа  диоды в точке базы соединены своими анодами. Думаю после экспериментов с мультиметром будет более понятно.

Схема с общей базой

Схема включения транзистора с общей базой (ОБ) показана на рис. 1.10. Входным сигналом для схемы с ОБ является напряжение, поданное между эмиттером и базой UBX = = UЭБ; выходным – напряжение, выделяемое на нагрузке Uвых = IкRн; входным током – ток эмиттера Iвх = IЭ; выходным током – ток коллектора Iвых = Iк.

Входное напряжение UЭБ является управляющим для транзистора, поэтому небольшое его изменение (па доли вольт) приводит к изменению тока эмиттера в очень широких пределах – практически от нуля до максимального. Максимальный ток определяется назначением транзистора (маломощные, средней мощности и большой мощности) и соответствующей конструкцией.

Так как напряжение UΚБ является обратным, величина напряжения внешнего источника Ек может в десятки раз превышать значение напряжения UЭБ. Падение напряжения, выделяемого на нагрузке, будет тем больше, чем больше ток коллектора, при этом на самом транзисторе будет падать лишь небольшое напряжение UКБ, которое будет тем меньше, чем больше ток коллектора.

Таким образом, изменение на доли вольт входного напряжения приводит к изменению напряжения на нагрузке, чуть меньшего, чем напряжение Ек. Это положение определяет усилительные свойства транзистора.

Для оценки работы транзистора и его усилительных свойств в различных схемах включения рассматривают приращения входных и вызванные ими приращения выходных величин. Рассматривая транзистор как усилитель, принято характеризовать его свойства коэффициентами усиления и значением входного сопротивления. Различают три вида коэффициентов усиления:

• коэффициент усиления по току КI = ΔIвых /ΔIвх;
• коэффициент усиления по напряжению КU = ΔUвых/ΔUвх;
• коэффициент усиления по мощности КР = КI • КU.

Отношение изменения входного напряжения к изменению входного тока: Rвх = ΔUвх/ΔIвх. Входное сопротивление любого усилителя приводит к искажению входного сигнала. Любой реальный источник сигнала обладает некоторым внутренним сопротивлением, и при подключении его к усилителю образуется делитель напряжения, состоящий из внутреннего сопротивления источника и входного сопротивления усилителя.

Поэтому чем выше входное сопротивление усилителя, тем большая часть сигнала будет выделяться на этом сопротивлении и усиливаться и тем меньшая его часть будет падать на внутреннем сопротивлении самого источника. Таким образом, КРБ тоже определяется соотношением сопротивлений. Так как коэффициент усиления схемы с ОБ по току КIБ оказывается меньше единицы, она применения не нашла.

Размеры биполярного транзистора.

Схемы включения биполярных транзисторов

В зависимости от контакта, на который подается источник питания, различают 3 схемы включения приборов.

С общим эмиттером

Эта схема включения биполярных транзисторов обеспечивает наибольшее увеличение вольтамперных характеристик (ВАХ), поэтому является самой востребованной. Минус такого варианта – ухудшение усилительных свойств прибора при повышении частоты и температуры. Это означает, что для высокочастотных транзисторов рекомендуется подобрать другую схему.

С общей базой

Применяется для работы на высоких частотах. Уровень шумов снижен, усиление не очень велико. Каскады приборов, собранные по такой схеме, востребованы в антенных усилителях. Недостаток варианта – необходимость в двух источниках питания.

С общим коллектором

Для такого варианта характерна передача входного сигнала обратно на вход, что существенно уменьшает его уровень. Коэффициент усиления по току – высокий, по напряжению – небольшой, что является минусом этого способа. Схема приемлема для каскадов приборов в случаях, если источник входного сигнала обладает высоким входным сопротивлением.

Какие параметры учитывают при выборе биполярного транзистора?

• Материал, из которого он изготовлен, – арсенид галлия или кремний.
• Частоту. Она может быть – сверхвысокая (более 300 МГц), высокая (30-300 МГц), средняя – (3-30 МГц), низкая (менее 3 МГц).
• Максимальную рассеиваемую мощность.

Принцип работы биполярного транзистора

А сейчас мы попробуем разобраться как работает транзистор. Я не буду вдаваться в подробности внутреннего устройства транзисторов так как эта информация только запутывает. Лучше взгляните на этот рисунок.

Это изображение лучше всего объясняет принцип работы  транзистора. На этом изображении человек посредством реостата управляет током коллектора. Он смотрит на ток базы, если ток базы растет то человек так же увеличивает ток коллектора с учетом коэффициента усиления транзистора h31Э. Если ток базы падает, то ток коллектора также будет снижаться — человек подкорректирует его посредством реостата.

Эта аналогия не имеет ничего общего с реальной работой транзистора, но она облегчает понимание принципов его работы.

Для транзисторов можно отметить правила, которые призваны помочь облегчить понимание. (Эти правила взяты из книги П. Хоровица У.Хилла «Искусство схемотехники»).

1. Коллектор имеет более положительный потенциал , чем эмиттер
2. Как я уже говорил цепи база — коллектор и база -эмиттер работают как диоды
3. Каждый транзистор характеризуется предельными значениями, такими как ток коллектора, ток базы и напряжение коллектор-эмиттер.
4. В том случае если правила 1-3 соблюдены то ток коллектора Iк прямо пропорционален току базы Iб. Такое соотношение можно записать в виде формулы.

Из этой формулы можно выразить основное свойство транзистора — небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Исходы из выше сказанного транзистор может работать в четырех режимах:

1. Режим отсечки транзистора — в этом режиме переход база-эмиттер закрыт, такое может произойти когда напряжение база-эмиттер недостаточное. В результате  ток базы  отсутствует и следовательно ток коллектора тоже будет отсутствовать.
2. Активный режим транзистора — это нормальный режим работы транзистора.  В этом режиме напряжение база-эмиттер достаточное для того, чтобы переход база-эмиттер открылся. Ток базы достаточен и ток коллектора тоже имеется. Ток коллектора равняется току базы умноженному на коэффициент усиления.
3. Режим насыщения транзистора — в этот режим транзистор переходит тогда, когда ток базы становится настолько большим, что мощности источника питания просто не хватает для дальнейшего увеличения тока коллектора. В этом режиме ток коллектора не может увеличиваться вслед за увеличением тока базы.
4. Инверсный режим транзистора — этот режим используется крайне редко. В этом режиме коллектор и эмиттер транзистора меняют местами. В результате таких манипуляций коэффициент усиления транзистора очень сильно страдает. Транзистор изначально проектировался не для того, чтобы он работал в таком особенном режиме.

Для понимания того как работает транзистор нужно рассматривать конкретные схемные примеры, поэтому давайте рассмотрим некоторые из них.

Транзистор в ключевом режиме

Транзистор в ключевом режиме это один из случаев транзисторных схем с общим эмиттером. Схема транзистора в ключевом режиме применяется очень часто. К этой транзисторной схеме прибегают к примеру когда нужно управлять мощной нагрузкой посредством микроконтроллера. Ножка контроллера не способна тянуть мощную нагрузку, а транзистор может. Получается контроллер управляет транзистором, а транзистор мощной нагрузкой. Ну а обо всем по порядку.

Основная суть этого режима заключается в том, что ток базы управляет током коллектора. Причем ток коллектора гораздо больше тока базы. Здесь невооруженным взглядом видно, что происходит усиление сигнала по току. Это усиление осуществляется за счет энергии источника питания.

На рисунке изображена схема работы транзистора в ключевом режиме.

Для транзисторных схем напряжения не играют большой роли, важны лишь токи.  Поэтому, если отношение тока коллектора к току базы меньше коэффициента усиления транзистора то все окей.

В этом случае даже если к базе у нас приложено напряжение в 5 вольт а в цепи коллектора 500 вольт, то ничего страшного не произойдет, транзистор будет покорно переключать высоковольтную нагрузку.

Главное чтобы  эти напряжения не превышали предельные значения для конкретного транзистора (задается в характеристиках транзистора).

Что ж, теперь давайте попробуем рассчитать значение базового резистора.

На сколько мы знаем, что значение тока это характеристика нагрузки.

Т.е. I=U/R

Мы не знаем сопротивления лампочки, но мы знаем рабочий ток лампочки 100 мА. Чтобы транзистор открылся и обеспечил протекание такого тока, нужно подобрать соответствующий ток базы. Ток базы мы можем корректировать меняя номинал базового резистора.

Так как минимальное значение коэффициента усиления транзистора равно 10, то для открытия транзистора ток базы должен стать 10 мА.

Ток который нам нужен известен. Напряжение на базовом резисторе будет Такое значение напряжения на резисторе получилось из-зи  того, что на переходе база-эмиттер высаживается 0,6В-0,7В и это надо не забывать учитывать.

В результате  мы вполне можем найти сопротивление резистора

Осталось выбрать из ряда резисторов конкретное значение и дело в шляпе.

Теперь вы наверное думаете, что транзисторный ключ будет работать так как нужно? Что когда базовый резистор подключается к +5 В лампочка загорается, когда отключается — лампочка гаснет? Ответ может быть да а может и нет.

Все дело в том, что здесь есть небольшой нюанс.

Лампочка в том случае погаснет, когда потенциал резистора будет равен потенциалу земли. Если же резистор просто отключен от источника напряжения, то здесь не все так однозначно. Напряжение на базовом резисторе  может возникнуть чудесным образом в результате наводок или еще какой потусторонней нечисти

Чтобы такого эффекта не происходило делают следующее. Между базой и эмиттером подключают еще один резистор  Rбэ. Этот резистор выбирают номиналом как минимум в 10 раз больше базового резистора Rб (В нашем случае  мы взяли резистор 4,3кОм).

Когда база подключена к какому-либо напряжению, то транзистор работает как надо, резистор Rбэ ему не мешает. На этот резистор расходуется лишь малая часть базового тока.

В случае, когда напряжение к базе не приложено, происходит подтяжка базы к потенциалу земли, что избавляет нас от всяческих наводок.

Вот в принципе мы разобрались с работой транзистора в ключевом режиме, причем как вы могли убедиться ключевой режим работы это своего рода усиление сигнала по напряжению. Ведь мы с помощью малого напряжения в 5В управляли напряжением в 12 В.

Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель является частным случаем транзисторных схем с общим коллектором.

Отличительной чертой схемы с общим коллектором от схемы с общим эмиттером (вариант с транзисторным ключем) является то, что эта схема не усиливает сигнал по напряжению. Что вошло через базу, то и вышло через эмиттер, с тем же самым напряжением.

Действительно допустим приложили к базе мы 10 вольт, при этом мы знаем что на переходе база-эмиттер высаживается где-то 0,6-0,7В. Выходит что на выходе (на эмиттере, на нагрузке Rн) будет напряжение базы минус 0,6В.

Получилось 9,4В, одним словом почти сколько вошло столько и вышло. Убедились, что по напряжению эта схема нам сигнал не увеличит.

«В чем же смысл тогда таком включении транзистора?»- спросите вы. А вот оказывается эта схема обладает другим очень важным свойством.  Схема включения транзистора с общим коллектором усиливает сигнал по мощности. Мощность это произведение тока на напряжение, но так как напряжение не меняется то мощность увеличивается только за счет тока! Ток в нагрузке складывается из тока базы плюс ток коллектора. Но если сравнивать ток базы и ток коллектора то ток базы очень мал по сравнению с током коллектора. Получается ток нагрузки равен току коллектора.  И в результате получилась вот такая формула.

Теперь я думаю понятно в чем суть  схемы эмиттерного повторителя, только это еще не все.

Эмиттерный повторитель обладает еще одним очень ценным качеством — высоким входным сопротивлением. Это означает, что эта транзисторная схема почти не потребляет ток входного сигнала и не создает нагрузки для схемы -источника сигнала.

Для понимания принципа работы транзистора этих двух транзисторных схем будет вполне достаточно. А если вы еще поэкспериментируете с паяльником в руках то прозрение просто не заставит себя ждать, ведь теория теорией а практика и личный опыт ценнее в сотни раз!

Где транзисторы купить?

Как и все другие радиокомпоненты транзисторы можно купить в  любом ближайшем  магазине радиодеталей. Если вы живете где-нибудь на окраине и о подобных магазинах не слышали (как я раньше) то остается последний вариант — заказать транзисторы в интернет- магазине. Я сам частенько заказываю радиодетали через интернет-магазины ведь в обычном оффлайн магазине может чего-нибудь просто не оказаться.

Впрочем если вы собираете устройство чисто для себя то можно не париться а добыть из старой, отслужившей свое техники и так сказать вдохнуть в старый радиокомпонет новую жизнь.

Что ж друзья, а на этом у меня все. Все, что планировал я сегодня вам рассказал. Если остались какие-либо вопросы, то задавайте их в комментариях, если вопросов нет то все равно пишите комментарии, мне всегда важно ваше мнение. Кстати не забывайте, что каждый кто впервые оставит комментарий получит подарок.

Источники

• http://popayaem.ru/bipolyarnyj-tranzistor-princip-raboty-dlya-chajnikov.html
• https://www.asutpp.ru/kak-rabotaet-tranzistor.html
• https://www.syl.ru/article/348974/tranzistornyie-klyuchi-shema-printsip-rabotyi-i-osobennosti
• https://ElectroInfo.net/poluprovodniki/chto-takoe-bipoljarnyj-tranzistor.html
• https://www.RadioElementy.ru/articles/bipolyarnye-tranzistory/

Теория транзисторов с биполярным переходом

» Electronics Notes

Теория работы транзистора с биполярным переходом (BJT) включает в себя множество элементов.

Мы стремились упростить его, но дать правильное резюме.

---

Учебное пособие по транзисторам Включает:
Основы транзисторов Усиление: Hfe, hfe и бета Технические характеристики транзистора Коды нумерации транзисторов и диодов Выбор транзисторов на замену

---

Существует несколько различных элементов, которые определяют теорию и понимание того, как работает транзистор с биполярным переходом (BJT).

Поняв, как работает биполярный транзистор, можно лучше использовать его в схемотехнике, понимая принцип его работы, ограничения и преимущества.

Хотя некоторые математические операции могут усложниться, нет необходимости описывать их все, чтобы получить хорошее представление о том, как работает биполярный транзистор.

Теория работы транзистора

Биполярный транзистор может работать в одном из четырех различных режимов в зависимости от уровней смещения на двух диодах в транзисторе.

Из четырех режимов наиболее важным является активный или нормальный режим, в котором эмиттерно-базовый переход смещен в прямом направлении, а коллекторно-базовый переход смещен в обратном направлении. Именно в таком режиме работы транзистор способен обеспечить усиление по току.

Режимы работы биполярного транзистора
Рабочий режим	Базовый переход эмиттера	Основание коллектора
Активный/нормальный	Вперед	Реверс
Отсечка	Реверс	Реверс
Насыщенность	Вперед	Вперед
Обратный	Реверс	Вперед

Теория транзисторов и диаграмма энергетических зон

Диаграмма энергетических зон раскрывает важный аспект теории работы транзистора.

Диаграмма энергетического диапазона транзистора для нормального рабочего режима

На диаграмме показаны некоторые основные компоненты тока. Эмиттерно-базовый переход прямой ток состоит из токов диффузии электронов и дырок I _nE и I _p , а также рекомбинационных токов в области обеднения I _rD и в базе I _rB .

Транзисторные области — в активном режиме работы

Можно рассчитать компоненты тока, если предположить, что уровни легирования однородны.

InE=q A Dn ni 2NA xB exp(q Vbe kT)

Ip=q A Dp ni 2NDE xE exp(q Vbe kT)

IrD=Ir exp(q VBE2 k T)

Где:
    N _DE = концентрация доноров в эмиттере
    x _B = нейтральная база
    x _E = нейтральная диффузия = стандартный ток 1 p 9n I _{n E n0008     I p = стандартный диффузионный ток перехода}

Важные параметры теории транзисторов

Некоторые важные уравнения теории транзисторов приведены ниже:

Эффективность инжекции излучателя:

γ=InEIE

Базовый транспортный фактор:

α =InCInE

Другие электронные компоненты:
Батарейки конденсаторы Соединители Диоды полевой транзистор Индукторы Типы памяти Фототранзистор Кристаллы кварца Реле Резисторы ВЧ-разъемы Переключатели Технология поверхностного монтажа Тиристор Трансформеры Транзистор Клапаны/трубки
    Вернуться в меню «Компоненты». . .

Биполярный транзистор (BJT) в качестве усилителя

Биполярный транзистор – Def…

Пожалуйста, включите JavaScript с использованием биполярного транзистора (BJT) , который работает как усилитель, т.е. BJT как усилитель .

Что такое биполярный транзистор?

Прежде всего, давайте обсудим, что такое биполярные транзисторы или BJT. BJT или транзистор с биполярным переходом представляет собой полупроводниковый прибор с тремя выводами и двумя переходами, который может работать как статический переключатель или усилитель в зависимости от приложенного к нему смещения.

Биполярный переходной транзистор состоит из слоя полупроводника n-типа (или p-типа) между двумя полупроводниковыми слоями p-типа (или n-типа). Таким образом, исходя из конструкции биполярный переходной транзистор может быть двух типов, а именно, NPN Биполярный транзистор и PNP Биполярный транзистор . Однако в практических приложениях NPN BJT наиболее широко используется из-за его высокой скорости переключения.

Что такое усилитель BJT?

Электронная схема, состоящая из биполярного переходного транзистора и выполняющая усиление сигналов, называется усилителем BJT .

Усилитель BJT играет жизненно важную роль в ряде электронных приложений. Усилитель BJT в основном представляет собой биполярный транзистор, работающий в активной области. Он увеличивает силу входного сигнала и производит усиленный выходной сигнал. В зависимости от величины, усиливаемой схемой, BJT-усилитель может быть усилителем напряжения, тока или мощности.

Типы усилителей BJT

В зависимости от конфигурации BJT, используемых в схеме усилителя, они могут быть следующих трех типов, а именно:

• Усилитель с общей базой (CB)
• Усилитель с общим эмиттером (CE)
• Усилитель с общим коллектором (CC)

Теперь мы обсудим все эти усилители один за другим, чтобы понять их поведение.

1. Усилитель с общей базой (CB)

Как следует из названия, схема усилителя BJT, в которой базовая клемма является общей для входной и выходной цепей, называется усилитель с общей базой (CB) . Принципиальная схема усилителя с общей базой показана на рисунке-1.

В усилителе BJT этого типа входной сигнал подается на эмиттер, а усиленный выходной сигнал поступает на клемму коллектора. Усилитель с общей базой не вносит фазового сдвига между входом и выходом, т. е. входной и выходной сигналы остаются в фазе друг с другом.

Ниже приведены некоторые важные характеристики усилителя с общей базой:

• Усилитель с общей базой имеет высокий коэффициент усиления по напряжению.
• Низкое входное сопротивление усилителя с общей базой.
• Высокое выходное сопротивление усилителя с общей базой.
• Усилитель с общей базой имеет усиление по току, приблизительно равное 1.

2. Усилитель с общим эмиттером (CE)

Как следует из названия, усилитель BJT, в котором эмиттерный вывод биполярного транзистора является общим как к входной цепи, так и к выходной цепи, известен как усилитель с общим эмиттером (CE) .

В усилителе с общим эмиттером входной сигнал подается на клемму базы, а выходной сигнал поступает на клемму коллектора. На рис. 2 показана принципиальная схема BJT-усилителя с общим эмиттером.

Усилитель с общим эмиттером принимает слабый сигнал на клемме базы и создает усиленный сигнал на клемме коллектора. Но он вводит разность фаз 180° между входным и выходным сигналами.

Ниже приведены важные характеристики усилителя с общим эмиттером:

• Усилитель с общим эмиттером имеет среднее входное сопротивление.
• Выходное сопротивление усилителя с общим эмиттером также среднее.
• Имеет средний коэффициент усиления по току и напряжению.

3. Усилитель с общим коллектором (CC)

Усилитель BJT, в котором вывод коллектора биполярного транзистора является общим как для входной, так и для выходной цепи, известен как Усилитель с общим коллектором (СС) .

В усилителе с общим коллектором входной сигнал подается на вывод базы, а выходной сигнал поступает на вывод эмиттера. На рис. 3 показана принципиальная схема усилителя BJT с общим коллектором.

Усилитель с общим коллектором принимает слабый сигнал через клемму базы и создает усиленный выходной сигнал на клемме эмиттера. Наиболее важным моментом, который следует отметить в отношении усилителя с общим коллектором, является то, что это усилитель BJT с самым низким выходным сопротивлением. Усилитель с общим коллектором не вносит фазового сдвига между входным и выходным сигналами.

Ниже приведены важные характеристики усилителя с общим коллектором (CC):

• Он имеет высокое входное сопротивление.
• Имеет низкое выходное сопротивление.
• Это высокий коэффициент усиления по току.
• Коэффициент усиления по напряжению усилителя с общим коллектором примерно равен 1.

Сравнение различных типов усилителей BJT 0041

Коэффициент 92	CE Amplifier	CC Amplifier
Input Impedance	Low	Medium	High
Output Impedance	High	Medium	Low
Voltage Gain	Высокий	Высокий	Низкий
Коэффициент усиления по току	Низкий	Высокий	Высокий
Коэффициент усиления по мощности	Средний	Высокий	Низкий

Заключение

В этой статье мы обсудили усилитель BJT и его различные типы.