Транзистор принцип действия. Принцип работы транзистора: устройство, типы и применение

Как устроен транзистор и как он работает. Какие бывают типы транзисторов. Для чего используются транзисторы в электронике. Как транзистор усиливает сигнал. Чем отличаются биполярные и полевые транзисторы.

Что такое транзистор и для чего он нужен

Транзистор — это полупроводниковый прибор, способный усиливать и переключать электрические сигналы. Он является одним из ключевых компонентов современной электроники. Основные функции транзистора:

• Усиление слабых электрических сигналов
• Переключение электрических цепей
• Генерация электрических колебаний
• Преобразование сигналов

Транзисторы позволили создать компактные и энергоэффективные электронные устройства, заменив громоздкие вакуумные лампы. Благодаря транзисторам стало возможным появление персональных компьютеров, мобильных телефонов и другой современной электроники.

Устройство и принцип работы биполярного транзистора

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводникового материала, образующих два p-n перехода. В зависимости от чередования слоев различают транзисторы структуры:

• n-p-n
• p-n-p

Три вывода транзистора называются:

• Эмиттер
• База
• Коллектор

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

Как транзистор усиливает ток?

При подаче небольшого тока на базу транзистора открывается переход база-эмиттер. Это позволяет основным носителям заряда (электронам или дыркам) из эмиттера проникнуть в область базы. Поскольку база очень тонкая, большая часть носителей достигает перехода база-коллектор и попадает в коллектор под действием электрического поля. В результате малый ток базы управляет значительно большим током коллектора.

Коэффициент усиления транзистора по току определяется как отношение тока коллектора к току базы:

β = I_к / I_б

Для современных биполярных транзисторов β может достигать значений 100-500. То есть слабый входной сигнал на базе усиливается в сотни раз на выходе в цепи коллектора.

Основные типы транзисторов

По принципу работы транзисторы делятся на два основных типа:

Биполярные транзисторы

В биполярных транзисторах используются носители заряда обоих знаков — электроны и дырки. Управление током осуществляется изменением тока базы. Различают:

• n-p-n транзисторы
• p-n-p транзисторы

Полевые транзисторы

В полевых транзисторах ток управляется электрическим полем. Они бывают:

• С управляющим p-n переходом
• С изолированным затвором

Чем отличаются биполярные и полевые транзисторы?

Параметр	Биполярные транзисторы	Полевые транзисторы
Управление	Током базы	Напряжением на затворе
Входное сопротивление	Низкое (кОм)	Очень высокое (МОм)
Быстродействие	Высокое	Очень высокое

Режимы работы транзистора

Транзистор может работать в нескольких режимах в зависимости от напряжений на его выводах:

Активный режим

Переход эмиттер-база открыт, база-коллектор закрыт. Используется для усиления сигналов.

Режим отсечки

Оба перехода закрыты. Транзистор не проводит ток.

Режим насыщения

Оба перехода открыты. Транзистор максимально проводит ток.

Инверсный режим

Переход эмиттер-база закрыт, база-коллектор открыт. Используется редко.

В каких режимах может работать транзистор в цифровых схемах?

В цифровых схемах транзистор обычно работает в режимах отсечки (закрыт) и насыщения (открыт), что соответствует логическим уровням 0 и 1.

Применение транзисторов

Благодаря своим свойствам транзисторы нашли широчайшее применение в электронике:

• Усилители сигналов
• Генераторы колебаний
• Стабилизаторы напряжения
• Переключатели и коммутаторы
• Логические элементы
• Датчики

Без транзисторов невозможно представить современную электронику — от простейших радиоприемников до сложнейших процессоров и микросхем памяти.

Ключевые параметры транзисторов

При выборе транзистора для конкретного применения учитывают следующие параметры:

• Коэффициент усиления по току (β)
• Максимально допустимые токи и напряжения
• Частотные свойства
• Мощность рассеивания
• Температурный диапазон
• Корпус

Как определить коэффициент усиления транзистора?

Коэффициент усиления β можно измерить, подав на базу небольшой ток и измерив ток коллектора. Отношение тока коллектора к току базы даст значение β.

Как правильно включить транзистор в схему

Существует три основные схемы включения биполярного транзистора:

С общим эмиттером (ОЭ)

Эмиттер общий для входа и выхода. Обеспечивает усиление по току и напряжению.

С общей базой (ОБ)

База общая. Усиливает только по напряжению.

С общим коллектором (ОК)

Коллектор общий. Обеспечивает согласование высокого выходного сопротивления с низким входным.

Какая схема включения транзистора обеспечивает наибольшее усиление?

Наибольшее усиление как по току, так и по напряжению обеспечивает схема с общим эмиттером. Поэтому она наиболее часто используется в усилительных каскадах.

Принцип действия транзистора, внутреннее устройство и основные характеристики транзисторов

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

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

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

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

Быполярные транзисторы

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 1. Напряжения смещения базы для кремниевых и германиевых транзисторов.

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

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

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

Статический коэффициент передачи тока базы h_21Э показывает, во сколько раз ток коллектора биполярного транзистора больше тока его базы, вызвавшего этот ток. У большинства типов транзисторов численное значение этого коэффициента от экземпляра к экземпляру может изменяться от 20 до 200. Есть транзисторы и с меньшим значением — 10…15, и с большим — до 50…800 (такие называют транзисторами со сверхусилением).

Нередко считают, что хорошие результаты можно получить только с транзисторами, имеющими большое значение h_21э. Однако практика показывает, что при умелом конструировании аппаратуры вполне можно обойтись транзисторами, имеющими h_2lЭ, равный всего 12. ..20. Примером этого может служить большинство конструкций, описанных в этой книге.

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

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

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

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

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

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

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

Что такое полевой транзистор

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

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

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

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

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

Основные параметры полевых транзисторов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 2. Напряжения питания для полевых транзисторов.

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

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

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

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

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

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

Устройство и принцип работы биполярного транзистора.

Aveal

14.07.2020

Всем доброго времени суток, в сегодняшней статье мы положим начало обсуждению очень важной и обширной темы, посвященной транзисторам. Разберем теоретические аспекты, устройство, виды, рассмотрим принцип работы на практических примерах, методику расчета схем, в общем, постараемся затронуть по максимуму.

Чтобы обсуждение было максимально структурированным и понятным, материал будет разбит на четкие разделы и разные статьи. А, поскольку транзисторы сразу же можно разделить на два крупных класса, а именно —

биполярные и полевые, то так и поступим — начнем с подробного разбора биполярных и, изучив их полностью, перейдем к полевым.

Устройство биполярного транзистора.

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

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

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

• p-n-p или
• n-p-n

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

Называются эти три полупроводниковые области:

• эмиттер
• база
• коллектор

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

Принцип работы биполярного транзистора.

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

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

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

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

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

I_к = \alpha I_э

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

I_э = I_б + I_к

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

I_э = \frac{I_к}{\alpha}

\frac{I_к}{\alpha} = I_б + I_к

Выражаем ток коллектора через ток базы:

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

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

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

Режимы работы.

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

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

В данном режиме переходы сильно обеднены свободными носителями заряда и протекание тока практически полностью прекращается.

Исключение составляют только малые побочные токи переходов. В идеальном случае (без токов утечки) транзистор в режиме отсечки эквивалентен обрыву цепи.

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

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

Вот и все основные режимы работы биполярного транзистора. Еще очень многое предстоит обсудить в рамках изучения транзисторов, а на сегодня заканчиваем статью. Спасибо за внимание и ждем вас на нашем сайте снова 🤝

Принцип работы транзистора

NPN | Электротехническая Академия

Хотите создать сайт? Найдите бесплатные темы и плагины WordPress.

Ученые Джон Бардин и Уолтер Браттейн изобрели транзистор с точечным контактом. У него было два провода, тщательно сплавленных на кристалле германия. Уильям Шокли последовал этим изобретениям, создав биполярный транзистор. Эти изобретения положили начало микроэлектронике.

Транзистор обеспечивает мгновенную работу схемы и исключает время прогрева, необходимое для ламповой схемы.

Кроме того, для транзистора не требовалось большого количества энергии. Транзистор был и остается известным благодаря своим небольшим размерам, долгому сроку службы и легкому весу.

Транзисторы являются ключевыми устройствами в электронике по нескольким причинам :

• Они способны усиливать ток.
• Они могут создавать сигналы переменного тока на желаемых частотах. №
• Их также можно использовать в качестве коммутационных устройств. Это делает их важными в компьютерных схемах.

Биполярный переходной транзистор (BJT) состоит из трех слоев нечистых полупроводниковых кристаллов. Этот транзистор имеет два перехода. Есть два типа биполярных транзисторов, NPN и PNP. Блоки и схематические 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, помещенный между двумя кристаллами N-типа, Рисунок 2a . Биполярный транзистор PNP имеет тонкий слой кристаллов N-типа, помещенных между двумя кристаллами P-типа, Рисунок 2b .

В обоих типах первый кристалл называется излучателем . Центральная часть называется 9.0011 база . Третий кристалл называется коллектором .

Рисунок 2а. Транзистор NPN.

Рисунок 2б. Транзистор NPN.

Обозначения транзисторов NPN и PNP

На схематических обозначениях на рис. 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 к цепи. Направление, в котором указывает стрелка эмиттера для NPN-транзистора, можно легко вспомнить, произнеся «Never Points iN».

Смещение транзистора

На рис. 3 показаны диаграммы смещения для пяти транзисторов. Обратите особое внимание на тот факт, что база не всегда совпадает с расположением выводов на транзисторах. Никогда не предполагайте правильные соединения. Всегда будьте уверены, сначала проверив номер детали транзистора в каталоге или листе спецификаций продукта.

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

Рабочий транзистор NPN

Теория работы транзистора NPN показана на рис. 4.

• Для упрощения теории работы используются две батареи. Для большинства приложений требуется один источник напряжения. Отрицательная клемма батареи подключена к N-эмиттеру.
• Положительная клемма той же батареи подключена к основанию P-типа. Следовательно, цепь эмиттер-база смещена в прямом направлении.

Рис. 4. Ток в NPN-транзисторе

• В коллекторной цепи N-коллектор подключен к плюсовой клемме аккумуляторной батареи. База P подключена к отрицательной клемме.
• Цепь коллектор-база смещена в обратном направлении.
• Электроны входят в эмиттер из источника отрицательной 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 тонкую секцию, 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 идет от эмиттера к коллектору. Между эмиттером и базой проходит от двух до пяти процентов тока.

Небольшое изменение напряжения смещения эмиттер-база вызывает несколько большее изменение тока эмиттер-коллектор. Именно это 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. рис. 5.

Источник питания или батарея должны быть подключены в обратном порядке, как NPN-транзистор. Подобно NPN-транзистору, схема эмиттер-база имеет прямое смещение, а схема коллектор-база — обратное. В транзисторе PNP большинство носителей на участке эмиттер-коллектор представляют собой дырки.

Рис. 5. Ток в транзисторе PNP.

Вы нашли apk для андроида? Вы можете найти новые бесплатные игры и приложения для Android.

Транзистор | Принцип работы | Свойства

Хотите создать сайт? Найдите бесплатные темы и плагины WordPress.

Работа транзистора подобна закрытому устройству для электрического тока. Если ворота открыты, поток есть, а если ворота закрыты, потока нет. Роль входного сигнала транзистора заключается в открытии и закрытии затвора по желанию. Выход, таким образом, контролируется входом.

Когда ворота открыты, энергия подается на выход (например, на нагрузку). С точки зрения мощности важным фактом в работе транзистора является то, что входная мощность намного меньше, чем выходная мощность.

На рис. 1 показана транзисторная схема. Коллектор подключен к положительной стороне батареи 12 В через резистор R

2 , а эмиттер к отрицательной стороне.

При этом между базой и эмиттером через резистор подключается батарея меньшего размера (1,5 В) R ₁ и переключатель. Полярность этой батареи такова, что переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, то есть плюсовой стороной к базе.

  В этом смысле для электрического потока образуются два контура: один между коллектором и эмиттером, а другой между эмиттером и базой (эмиттер — общий вывод).

Рисунок 1  Подключение транзистора к источнику питания.

Пока петля коллектор-эмиттер замкнута (и нет переключателя), ток от коллектора (положительная сторона) к эмиттеру не течет. Также в цепи база-эмиттер ток отсутствует при разомкнутом ключе.

Теперь, если переключатель замкнут, через R ₁

 от базы к эмиттер. Этот ток от базы к эмиттеру может вызвать проводимость в транзисторе между коллектором и эмиттером (второй контур). Его функция аналогична открытию затвора, в результате чего от коллектора к эмиттеру течет ток около 240 мА (т. е. 12 В/50 Ом). Другими словами, замыкание переключателя в первом контуре вызывает ток во втором контуре.

Теперь рассмотрим мощность в двух контурах, умножив ток контура на его напряжение. Видно, что мощность во втором контуре (12 В × 0,240 А = 2,88 Вт) значительно больше, чем в первом контуре (1,5 В × 0,0008 А = 0,00120 Вт).

Приведенное выше объяснение показывает, как работает транзистор. Другими словами, работа транзистора основана на токах в двух контурах, а не на напряжениях. Это означает, что транзистор представляет собой устройство, управляемое током .

Обратите внимание, что в этом простом анализе мы не учитывали внутренние сопротивления в переходах между тремя элементами (базой, коллектором и эмиттером) транзистора.

На самом деле между этими элементами всегда есть некоторое сопротивление. Также необходимо отметить, что транзистор сам по себе не генерирует мощность. Вся мощность, необходимая для усиления, поступает от аккумулятора (блока питания).

Когда ток между базой и эмиттером в транзисторе отсутствует, транзистор закрыт. Когда ток течет между базой и эмиттером, ток также течет между коллектором и эмиттером.

Рисунок 2  Определение напряжения и тока в транзисторе.

На рис. 2 показаны определения различных напряжений и токов в транзисторе.

• Напряжение между базой и эмиттером обозначается В _BE .
• Напряжение между коллектором и эмиттером обозначается В _CE, и аналогично, напряжение между коллектором и базой обозначается В _СВ .
• Аналогично, токи, протекающие через базу, коллектор и эмиттер, соответственно представлены I _B , I _C и I _E .
• Кроме того, как указано в Рисунок 2 , полное напряжение питания коллектора обозначается как В _CC , а соответствующее базе обозначается как В _BB .
• Аналогичным образом в других конфигурациях транзисторов для эмиттера может использоваться напряжение питания. В таком случае это напряжение представлено В _ЕЕ .

Если В _ВЕ , меньше 0,7 В (при условии кремниевого транзистора), независимо от того, насколько велико напряжение между коллектором и эмиттером (при условии, что оно находится в пределах номинала транзистора и не превышает вызвать пробой), ток от коллектора к эмиттеру не течет. В таком случае говорят, что транзистор находится в состоянии отсечки .

Отсечка:  Статус транзистора, когда он не работает из-за очень низкого (незначительного) тока.

Как только V _BE становится больше 0,7 В, ток ( I _B ) течет от B к E. Это ток через базу. Этот ток включает транзистор и вызывает проводимость между коллектором и эмиттером. Таким образом, ток I _C течет через коллектор к эмиттеру. Ток в эмиттере I _E представляет собой сумму I _B и I _С .

Ток в эмиттере представляет собой сумму тока в базе и тока в коллекторе.

Важно понимать рабочие характеристики транзистора. В дополнение к тому факту, что он ведет себя как вентильное устройство, мы также должны знать, что транзистор ведет себя как переменный резистор . Это касается напряжения  В _CE  и тока от коллектора к эмиттеру ( I _C ).

Когда транзистор находится в состоянии проводимости, основной интерес представляет ток, протекающий от коллектора к эмиттеру. Это выходной ток . Когда этот ток существует, между коллектором и эмиттером возникает падение напряжения.

Тем не менее , это падение напряжения не может быть определено исходя из предположения, что внутри транзистора существует постоянное сопротивление между выводами коллектора и эмиттера. Величина такого сопротивления непостоянна.

Транзистор ведет себя как переменный резистор в том, что касается соотношения между напряжением коллектор-эмиттер и током коллектора.

Как показано на Рисунок 1 , примечательной характеристикой транзистора является то, что I _C намного больше, чем I _B × (может быть в 200 раз больше или в 100 раз больше).

При этом отношение I _C / I _B , являющееся почти постоянным для транзистора в данной схеме, обозначается греческой буквой β (бета) и может быть использовано для расчета I _C , когда известен I _B , или наоборот.

β зависит от особенностей схемы, свойств транзистора и температуры (под особенностями схемы мы понимаем компоненты, их номиналы и схему).

Минимальные и максимальные значения параметров транзистора обычно указываются в его паспорте.

$\begin{matrix}   {{I}_{C}}=\beta {{I}_{B}} & {} & \left( 1 \right)  \\\end{matrix}$

Более того, поскольку β обычно велико (обычно 50 < β < 300), то

$\begin{matrix}   {{I}_{E}}={{I}_{B}}+{{ I}_{C}}=\beta {{I}_{B}}+{{I}_{B}}=\left( \beta +1 \right){{I}_{B}}\ приблизительно \beta {{I}_{B}}={{I}_{C}} & {} & \left( 2 \right)  \\\end{matrix}$

Уравнение 2  подразумевает, что для упрощения во многих расчетах I _B  задается равным I _C .

Обратите внимание, что электрические параметры должны соответствовать действительности; на практике всегда существуют максимальные значения тока и мощности, с которыми может работать устройство, в зависимости от его внутренней структуры и номинальных характеристик.

Другими словами, нельзя полагаться только на математические соотношения для устройства, которое ограничено своими физическими свойствами, таким образом демонстрируя предельные значения тока, напряжения и мощности, с которыми оно может работать.

Транзистор Пример 1

Рассмотрим транзистор в схеме Рисунок 1 . Если значение β для этого транзистора равно 100 и R _C = 50 Ом, каково напряжение В _CE ?

Решение

Ток базы равен

${{I}_{B}}=\left( 1,5-0,7 \right)\div 1000=0,0008A$

Ток коллектора равен β раз (100× ) ток базы

${{I}_{C}}=100*0,0008=0,08A=80 мА$

и падение напряжения в R _C  составляет

${{V}_{RC }}=50*0,080=4В$

В _CE  разность между напряжением питания и падением напряжения в R _C

${{V}_{CE}}=12-4=8V$

Транзистор Пример 2

Для транзистора в  Пример 1 , каково внутреннее сопротивление между коллектором и эмиттером для заданного состояния?

Раствор

Исходя из напряжения В _CE  = 8 В и тока I _C  = 0,08 А, внутреннее сопротивление между коллектором и эмиттером равно

0,080=100\Омега $

Обратите внимание, что это значение сопротивления не является постоянным и меняется в зависимости от других условий эксплуатации.