Транзисторы на схеме. Биполярные транзисторы: устройство, принцип работы и схемы включения

Как устроен биполярный транзистор. Какие бывают типы биполярных транзисторов. Как работает биполярный транзистор. Какие существуют схемы включения биполярных транзисторов. Чем отличаются схемы с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором.

Устройство и принцип работы биполярного транзистора

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами и тремя выводами. Он состоит из трех областей полупроводника с чередующимся типом проводимости:

• Эмиттер — сильно легированная область, являющаяся источником основных носителей заряда
• База — тонкая слаболегированная область
• Коллектор — область, собирающая носители заряда, прошедшие через базу

В зависимости от типа проводимости областей различают:

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

Принцип работы биполярного транзистора основан на инжекции носителей заряда из эмиттера в базу и их дальнейшем прохождении в коллектор. При этом небольшое изменение тока базы вызывает значительное изменение тока коллектора.

Схемы включения биполярных транзисторов

Существует три основные схемы включения биполярных транзисторов:

1. С общей базой (ОБ)
2. С общим эмиттером (ОЭ)
3. С общим коллектором (ОК)

Рассмотрим особенности каждой из этих схем.

Схема включения с общей базой

При включении транзистора по схеме с общей базой:

• Входной сигнал подается между эмиттером и базой
• Выходной сигнал снимается между коллектором и базой
• База является общим электродом для входной и выходной цепей

Основные характеристики схемы с ОБ:

• Низкое входное сопротивление (единицы-десятки Ом)
• Высокое выходное сопротивление (сотни кОм — единицы МОм)
• Коэффициент усиления по току близок к единице
• Коэффициент усиления по напряжению может достигать нескольких сотен

Схема включения с общим эмиттером

При включении транзистора по схеме с общим эмиттером:

• Входной сигнал подается между базой и эмиттером
• Выходной сигнал снимается между коллектором и эмиттером
• Эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей

Основные характеристики схемы с ОЭ:

• Среднее входное сопротивление (единицы-десятки кОм)
• Среднее выходное сопротивление (десятки-сотни кОм)
• Высокий коэффициент усиления по току (20-200)
• Высокий коэффициент усиления по напряжению (до нескольких сотен)

Схема включения с общим коллектором

При включении транзистора по схеме с общим коллектором:

• Входной сигнал подается между базой и коллектором
• Выходной сигнал снимается между эмиттером и коллектором
• Коллектор является общим электродом для входной и выходной цепей

Основные характеристики схемы с ОК:

• Высокое входное сопротивление (сотни кОм — единицы МОм)
• Низкое выходное сопротивление (десятки-сотни Ом)
• Коэффициент усиления по току больше единицы
• Коэффициент усиления по напряжению чуть меньше единицы

Сравнение схем включения биполярных транзисторов

Сравним основные параметры трех схем включения биполярных транзисторов:

Параметр	ОБ	ОЭ	ОК
Входное сопротивление	Низкое	Среднее	Высокое
Выходное сопротивление	Высокое	Среднее	Низкое
Усиление по току	< 1	20-200	> 1
Усиление по напряжению	Высокое	Высокое	< 1

Применение различных схем включения транзисторов

Выбор схемы включения транзистора зависит от конкретного применения:

• Схема ОБ используется в высокочастотных усилителях из-за хороших частотных свойств
• Схема ОЭ наиболее распространена в усилителях тока и напряжения благодаря высокому усилению
• Схема ОК применяется в эмиттерных повторителях и согласующих каскадах из-за высокого входного и низкого выходного сопротивления

Основные параметры биполярных транзисторов

К ключевым параметрам биполярных транзисторов относятся:

• Коэффициент усиления по току (β или h21э)
• Максимально допустимый ток коллектора
• Максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер
• Граничная частота усиления
• Мощность рассеяния

Эти параметры необходимо учитывать при выборе транзистора для конкретной схемы.

Режимы работы биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы могут работать в следующих основных режимах:

1. Активный режим — используется в усилителях
2. Режим насыщения — используется в ключевых схемах
3. Режим отсечки — также используется в ключевых схемах
4. Инверсный режим — используется редко

Выбор режима работы зависит от назначения схемы и требуемых характеристик.

Применение биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы широко применяются в электронике для решения различных задач:

• Усиление аналоговых сигналов
• Генерация колебаний
• Коммутация токов и напряжений
• Стабилизация напряжения
• Преобразование сигналов

Они являются одним из основных активных компонентов в аналоговых и цифровых схемах.

Параметры и эквивалентная схема биполярного транзистора

Схемы ОБ, ОЭ, ОК. Свойства, характеристики усилительных каскадов
в зависимости от схемы включения.

Одной из основных функций, реализуемых аналоговыми устройствами, является усиление сигнала.
Усилительным устройством является любое устройство, предназначенное для повышения мощности входного сигнала, а в качестве активных элементов чаще всего применяются полупроводниковые элементы — транзисторы.

Занимаясь проектированием электронных устройств, желательно выбирать транзисторы с такими расчётом, чтобы частотные характеристики позволяли им работать на частотах, не превышающих значений (0,2…0,3), а лучше 0,1 от граничной (единичной) частоты усиления fт.

При выполнении этого простого правила, появляется возможность воспользоваться упрощённой моделью, а другими словами — малосигнальной эквивалентной схемой транзистора, изображённой на Рис. 1.
Схема приведена для npn полупроводников, для транзисторов pnp структуры — всё остаётся без изменений, меняется лишь направление источника тока.

Параметры элементов эквивалентной схемы можно определить на основе справочных данных на транзистор либо, при их отсутствии, некоторого набора незамысловатых формул.

Рис.1

Итак:
r_б = τ_ос / C_к — объёмное сопротивление базы, где τ_ос — постоянная времени внутренней обратной связи транзистора, а C_к — ёмкость коллектор-база транзистора.
Причём, если параметр Ск фигурирует практически в любом справочнике, то «постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте» указывается отнюдь не везде и не для каждого транзистора.
Однако, тут важно понимать то, что величина объёмного сопротивления базы БТ определяется чисто геометрическими особенностями конструкции транзистора и находится в обратной пропорции к объёму переходов (а соответственно и мощности) полупроводника.

А покопавшись по справочникам и систематизировав поученную информацию, появляется возможность сформулировать формулу, позволяющую приблизительно оценить величину объёмного сопротивления базы любого транзистора:
r_б(Ом) ≈ 10 / Р_макс(Вт), где Р_макс — максимальная рассеиваемая мощность транзистора.

Едем дальше:
r_э(Ом) = 25,6 / I_э(мА) — активное сопротивление эмиттера , где I_э — ток эмиттера.

r_к = ∆U_кэ / ∆I_к (при I_б = const) — дифференциальное сопротивление обратно
смещённого коллекторного перехода.
Наличие данного сопротивления не позволяет транзистору являться идеальным источником тока и обуславливает наличие пресловутого эффекта Эрли — эффекта зависимости тока коллектора (при постоянном токе базы) от напряжения Uкэ.

Величина сопротивления коллекторного перехода гк обратна пропорциональна току эмиттера, определяется экспериментально и иногда приводится производителями полупроводников в виде статической характеристики зависимости тока коллектора Iк от изменения напряжения Uкэ.

На Рис.2 приведён пример такой зависимости для npn транзистора BC546.

Что мы видим? При токе базы, равном 50мкА, а соответственно при токе коллектора Iк = h31э х Iб ≈ 260 х 50 = 13мА, график кривой практически не имеет наклона, что даёт нам возможность считать сопротивление rк очень большим (не менее десятка мегаом).

При Iб = 100мкА (Iэ ≈ 26мА), rк = ∆Uкэ/∆Iк ≈ (14В — 3В)/(30мА-26мА) = 2,75мОМ.

Ну и т.д. и т.п. Чем больше ток транзистора, тем ниже значение сопротивления rк.

Рис.2

На эквивалентной схеме у нас фигурирует два конденсатора:
С_к — ёмкость обратно смещённого коллекторного перехода и С_э — диффузионная ёмкость эмиттера являются справочными характеристиками, повсеместно фигурируют в Datasheet-ах производителей и являются важной неотъемлемой частью, определяющей частотные свойства полупроводников.

Далее на повестке — источник тока, который описан в эквивалентной схеме величиной I_к = α x I_э , где α = β / (1 + β) .
А для того, чтобы понять чему равен ток эмиттера Iэ, и как он зависит от входного сигнала, необходимо рассмотреть различные схемы включения транзистора. Всего таких схем применяется три: схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общей базой (ОБ) и схема с общим коллектором (ОК). Все эти схемы показаны на Рис.3.

Рис.3

Для схемы с общей базой (Рис.3 слева) входным сигналом является напряжение, поданное между эмиттером и базой транзистора, поэтому:
R_вх ≈ r_э ;
I_э = U_вх / (R_ист + r_э), где Rист — выходное сопротивление источника сигнала ;
I_к = α x I_э = I_э x β / (1 + β) ;
R_вых = (r_к + r_э) ll R_к ;
K_u = α x R_к / (r_э + R_ист) ≈ R_к / (r_э + R_ист) ;
K_i = β / (1 + β) .
Схема с ОБ применяется в основном в высокочастотных приложениях, так как по своим частотным свойствам она имеет преимущества перед схемой ОЭ.
Недостатками данной схемы являются отсутствие усиления по току и существенно меньшее входное сопротивление, чем в схеме ОЭ.

Для схемы с общим эмиттером (Рис.3 в центре):
R_вх = r_э x (1 + β) ;
I_б = U_вх / R_вх ;
I_э = I_б + I_к = I_б x (1 + β) ;
I_к = α x I_э = I_э x β / (1 + β) = I_б x β ;
R_вых = R_к ll [r_э + r_к / (1 + β)] ;
K_u = — β x R_к / [(β + 1) x r_э] ≈ R_к / r_э ;
K_i = β .
Каскады с общим эмиттером (ОЭ) являются наиболее распространёнными, т.к. обеспечивают усиление входного сигнала как по напряжению, так и по току. При этом они имеют значительно большее значение входного сопротивления, чем схемы с ОБ.
Схема ОЭ инвертирует сигнал, т. е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°.
Недостатками данной схемы являются худшие по сравнению со схемой ОБ частотные свойства. Объясняется это явление тем, что в схеме с ОЭ ёмкость Ск образует частотозависимую обратную связь с выхода на вход так, что возникает интегрирующая цепь, ограничивающая усиление на высоких частотах.
Внутреннее сопротивление rк в схеме с ОЭ также является резистором обратной связи, ответвляющим часть сигнала с выхода на вход. Это, в свою очередь, является причиной снижения выходного сопротивления усилителя по сравнению с ОБ.

И, наконец, схема с общим коллектором (Рис. 3 справа), она же эмиттерный повторитель:
R_вх = (r_э + R_э) x (1 + β) ;
I_б = U_вх / R_вх ;
I_э = (β + 1) x I_б ;
I_к = α x I_э = I_э x β / (1 + β) = I_б x β ;
R_вых = r_э + R_ист / (1 + β) ;
K_u = R_э / [R_э + r_э + R_ист / (1 + β)] ;
K_i = β + 1 .

Как уже было сказано — данные формулы расчёта малосигнальных схем являются приблизительными, не учитывают частотных свойств транзисторов и могут обеспечить приемлемую точность вычислений только в случае выбора полупроводников с большим запасом по максимальной частоте.
К тому же практически все параметры, представленные в справочных источниках, приводятся для определённых (тестовых) начальных токов транзисторов и могут иметь значительные расхождения при переводе полупроводника в другой, сильно отличающийся от тестового, режим.

А на следующих страницах рассмотрим практические схемы транзисторных каскадов ОБ, ОЭ и ОК, а также приведём методики по расчёту сопутствующих им элементов.

 

Pnp транзистор схема подключения

Транзисторами называют полупроводниковые приборы, которые располагают не менее чем тремя выводами и в определённых обстоятельствах могут усиливать мощность, преобразовывать сигнал, или генерировать колебания. Различных видов транзисторов много — это полевые униполярные и биполярные транзисторы, биполярные транзисторы с изолированным затвором и однопереходные двухбазовые транзисторы, фототранзисторы и другие. Усилительные каскады, выполненные на транзисторах, требуют небольшого напряжения питания величиной всего в несколько вольт, а КПД может достигать нескольких десятков процентов. Транзисторы по сравнению с электронными лампами обладают большей экономичностью, низким энергопотреблением, длительным временем наработки на отказ, малой массой и габаритами, высокой механической прочностью. Транзисторы классифицируют по материалу полупроводника, подразделяя на германиевые, кремниевые, из арсенида галлия и прочие.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• Как работает PNP транзистор
• Схемы включения транзистора
• Что такое транзистор и как он работает?
• Транзисторы: схема, принцип работы,​ чем отличаются биполярные и полевые
• Немного о транзисторах…
• Биполярные транзисторы и схема их включения
• Биполярный транзистор
• pnp транзистор

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Мотор на транзисторе с управляющей катушкой. Схема подключения.

Как работает PNP транзистор

Транзисторы в основном классифицируются по своей структуре. Существует два основных вида проводимости этих устройств — донорная и акцепторная. Донорная производится транзисторами npn типа, так как в ней преобладают негативные заряды электронов. В акцепторной преобладают позитивные заряды, которые еще называются дырками.

Эти транзисторы pnp типа. Биполярный транзистор pnp типа состоит из проводника дырочной проводимости. Его база легируется акцепторными примесями, таким образом, что бы две стороны, которые находятся напротив базы, носили противоположный заряд.

Полупроводниковый кристалл, который образует базу транзистора, механически прикрепляется к металлической пластине. Толщина базы составляет несколько микрон. Область эмиттера занимает меньшую площадь, чем коллектора. Коллекторный переход находится между базой и коллектором, а эмиттерный — между эмиттером и базой.

Концентрация носителей в области базы довольно низка, поэтому, ее проводимость очень маленькая. В коллекторной области проводимость на много выше, так как концентрация носителей здесь весьма высока. Так что в разных областях, которые имеет биполярный транзистор pnp типа, могут сильно отличаться между собой. Включение pnp транзистора в схему может быть нескольких видов.

В основном это включение с общей базой, коллектором и эмиттером. При общей базе можно получить минимальное входное и максимальное выходное сопротивление.

Коэффициент усиления тока в таком случае составляет около единицы, а вот коэффициент усиления напряжения довольно высокий. При такой схеме подключения нельзя инвертировать схему сигнала. Схема с общей базой имеет входное сопротивление до Ом при использовании маломощных транзисторов, потому что его входная цепь является открытым эмиттерным переходом.

В такой схеме довольно хорошие частотные и температурные свойства и очень большое допустимое напряжение. В качестве недостатков можно отметить маленькое входное сопротивление и усиление тока. Так же он требует два различных источника для питания. При подключении транзистора в схему с общим эмиттером, можно отметить, что здесь наблюдается высокий коэффициент усиления тока и напряжения.

Среди всех остальных схем, усиление мощности здесь является самым большим. Также для его питания требуется всего один источник и инвертирование выходного напряжения зависит от входного. Но он уступает по частотным и температурным свойствам. При подключении схемы с общим коллектором можно получить небольшое выходное сопротивление и большое входное, но коэффициент усиления напряжения будет меньше единицы.

Полевой транзистор представляет собой устройство полупроводников, предназначенных для преобразования электрического тока с целью получения необходимого напряжения концентрирующегося в районе затвор. Один из наиболее распространенных типов полевых транзисторов — транзисторы с изолированным затвором русское сокращенное название МОП металл — оксид — полупроводник , английское MOSFET metal-oxid.

Перейти к основному содержанию. Предыдущая Следующая pnp транзистор. Версия для печати. Полевой транзистор принцип работы Комплекс уроков «Электричество». Преобразователь напряжения своими руками. Усилитель на tda Принцип действия и применение. Диод Шоттки. Достоинства, диагностика и применение. Классификация и система обозначений. Принцип работы и область применения. Это интересно. Супрессор: для чего нужен, как работает.

Транзистор принцип работы. Транзистор кт Марка вашего мобильного устройства? Ответы Apple.

Схемы включения транзистора

Транзисторы в основном классифицируются по своей структуре. Существует два основных вида проводимости этих устройств — донорная и акцепторная. Донорная производится транзисторами npn типа, так как в ней преобладают негативные заряды электронов. В акцепторной преобладают позитивные заряды, которые еще называются дырками. Эти транзисторы pnp типа. Биполярный транзистор pnp типа состоит из проводника дырочной проводимости. Его база легируется акцепторными примесями, таким образом, что бы две стороны, которые находятся напротив базы, носили противоположный заряд.

Транзисторы: схема, принцип работы,​ чем отличаются PNP-транзисторы при обозначении отличаются направлением стрелки. Стрелка Подключение транзисторов для управления мощными компонентами.

Что такое транзистор и как он работает?

Для усиления электрических импульсов используются полупроводниковые триоды. Так как работает транзистор за счет изменения напряжения в сети, он может регулировать силу тока в определенном электрическом устройстве. Транзистор — это полупроводниковый активный радиоэлемент, который необходим для генерирования, преобразования и усиления электрического сигнала его частоты и силы. Его еще называют полупроводниковым триодом. Этот элемент схемы необходим для работы практически всех известных электрических устройств коммутатор зажигания, диодный мост, блок питания, переключатель нагрузки, датчик и т. Он был запатентован в начале го века при участии известного ученого-физика Юлия Эдгара Лилиенфельда, но его совершенствование произошло только на базе уже существующего биполярного в х. Только спустя 20 лет Шокли, Бардином и Браттейном были созданы первые биполярные триоды. Конструктивно транзистор состоит из трех электродов: база, эмиттер, коллектор. Здесь эмиттером и коллектором представлены основные детали устройства, база выполняет функции управления сетью, усиления тока и его преобразования.

Транзисторы: схема, принцип работы,​ чем отличаются биполярные и полевые

Принцип полупроводникового управления электрическим током был известен ещё в начале ХХ века. Несмотря на то, что инженеры, работающие в областях радиоэлектроники, знали как работает транзистор, они продолжали конструировать устройства на основе вакуумных ламп. Причиной такого недоверия к полупроводниковым триодам было несовершенство первых точечных транзисторов. Семейство германиевых транзисторов не отличались стабильностью характеристик и сильно зависели от температурных режимов.

Биполярные транзисторы управляются током, а не напряжением. По рассеиваемой мощности различают маломощные до мВт, средней мощности от 0,1 до 1 Вт и мощные транзисторы больше 1 Вт.

Немного о транзисторах…

Приветствую вас дорогие друзья! Сегодня речь пойдет о биполярных транзисторах и информация будет полезна прежде всего новичкам. Транзисторы бывают в основном двух видов: биполярные транзисторы и полевые транзисторы. Поэтому в этой статье мы рассмотрим исключительно биполярные транзисторы а о полевых транзисторах я расскажу в одной из следующих статей. Биполярный транзистор это потомок ламповых триодов, тех что стояли в телевизорах 20 -го века.

Биполярные транзисторы и схема их включения

Транзистор — повсеместный и важный компонент в современной микроэлектронике. Его назначение простое: он позволяет с помощью слабого сигнала управлять гораздо более сильным. Иными словами: это кнопка, которая нажимается не пальцем, а подачей напряжения. В цифровой электронике такое применение наиболее распространено. Транзисторы выпускаются в различных корпусах: один и тот же транзистор может внешне выглядеть совершенно по разному. В прототипировании чаще остальных встречаются корпусы:.

транзисторы: устройство, принцип и режимы работы, схема включения, эмиттера, коллектора и базы различают PNP- и NPN-транзисторы. При подключении эмиттера и коллектора к источнику питания создаются почти.

Биполярный транзистор

В данной статье расскажем про транзистор. Покажем схемы его подключения и расчёт транзисторного каскада с общим эмиттером. Изобретён в американцами У.

pnp транзистор

ВИДЕО ПО ТЕМЕ: КАК РАБОТАЕТ ТРАНЗИСТОР — ОБЪЯСНЯЮ НА ПАЛЬЦАХ

Усилитель представляет собой четырехполюсник, два вывода которого предназначены для подключения входного сигнала и два оставшихся вывода служат для снятия с них усиленного сигнала напряжения или тока. У транзистора же есть только три вывода, поэтому для реализации четырехполюсника приходится один из выводов подключать как ко входу, так и к выходу усилителя. В зависимости от того, какой вывод транзистора является общим как для входа, так и для выхода усилителя, схемы включения транзистора называются:. Следует отметить, что данные схемы включения применяются не только для биполярных транзисторах, но и для всех типов полевых транзисторов. В них эти схемы будут называться схемами с общим истоком, общим затвором и общим стоком соответственно.

Для изготовления транзисторов применяют те же полупроводниковые материалы, что и для диодов.

Если рассматривать механические аналоги, то работа транзисторов напоминает принцип действия гидравлического усилителя руля в автомобиле. Но, сходство справедливо только при первом приближении, поскольку в транзисторах нет клапанов. В этой статье мы отдельно рассмотрим работу биполярного транзистора. Основой устройства биполярного транзистора является полупроводниковый материал. Первые полупроводниковые кристаллы для транзисторов изготавливали из германия, сегодня чаще используется кремний и арсенид галлия. Сначала производят чистый полупроводниковый материал с хорошо упорядоченной кристаллической решеткой. Затем придают необходимую форму кристаллу и вводят в его состав специальную примесь легируют материал , которая придаёт ему определённые свойства электрической проводимости.

Транзистор — повсеместный и важный компонент в современной микроэлектронике. Его назначение простое: он позволяет с помощью слабого сигнала управлять гораздо более сильным. Иными словами: это кнопка, которая нажимается не пальцем, а подачей напряжения.

1. Биполярный транзистор и схемы его включения

Биполярный транзистор содержит два p—n перехода, которые образуются тремя слоями полупроводниковых материалов с чередующимися типами проводимостей, как условно показано на рис.1.7. Каждый из слоев снабжен электродом, необходимым для подключения к внешней цепи, и которые называются эмиттер, база и коллектор. P—n переход на границе эмиттерного слоя называется эмиттерным, а p—n переход на границе коллекторного слоя называют коллекторным. Возможны два типа транзисторов (p—n—p и n—p—n) в соответствии с основными носителями заряда в полупроводниковых материалах, используемых в крайних слоях, эмиттерном и коллекторном, а также в среднем, базовом слое. На рис.1.7 также представлены схемные обозначения обоих типов транзисторов.

Назначением эмиттерного слоя является формирование рабочих носителей заряда транзистора. Тип этих носителей определяется проводимостью материала эмиттерного слоя. Следовательно, в транзисторе типа p—n—p рабочими носителями заряда являются дырки, а в транзисторе типа n—p—n – электроны.

Рисунок 1.7. Схемы структуры биполярных транзисторов

типа n—p—n и p—n—p и их схемные обозначения

В коллекторном слое осуществляется сбор рабочих носителей заряда, которые при переносе от эмиттера к коллектору проходят базовый слой. В базовом слое часть рабочих носителей заряда нейтрализуется основными зарядами материала этого слоя (процесс рекомбинации), что схематически представлено на рис.1.8 для транзистора типа n—p—n. Биполярные транзисторы изготовляются так, что концентрация основных носителей заряда в эмиттерном слое много больше концентрации основных носителей заряда базового слоя. Кроме того, базовый слой делается тонким. В результате в этом слое нейтрализуется лишь малая часть носителей заряда, поступающая из эмиттера, а основная часть рабочих носителей заряда проходит до коллектора.

Рисунок 1.8. Распределение токов в транзисторе n—p—n

Для обеспечения описанного процесса переноса рабочих носителей заряда в биполярном транзисторе необходимо между его электродами подать напряжения соответствующей полярности от источников ЭДС. Одна из схем включения транзистора приведена на рис. 1.8. Чтобы рабочие носители заряда (электроны) из эмиттерного слоя поступали в базовый, эмиттерный переход должен быть открыт, т.е. к эмиттерному электроду должен быть подан “минус”, а к базовому – “плюс”. Чтобы эти носители заряда из базового слоя достигли коллектора, к коллектору должен быть подан “плюс” относительно базы. Таким образом, для основных носителей заряда базового и коллекторного слоев коллекторный переход оказывается закрытым.

Перенос рабочих носителей заряда в транзисторе обусловливает протекание тока во внешней цепи. Поскольку техническое направление тока соответствует направлению переноса положительного заряда, то эмиттерный ток для транзистора типа n—p—n направлен от эмиттера, а коллекторный ток – к коллектору (см. рис.1.8).

Основную часть коллекторного тока составляет поток рабочих носителей заряда. Однако следует учитывать перенос через закрытый коллекторный переход неосновных носителей заряда базового и коллекторного слоев и связанное с этим протекание в коллекторной цепи обратного тока коллекторного перехода I (см. рис.1.8). Таким образом, если ввести в рассмотрение коэффициент передачи тока , показывающий, какая часть рабочих носителей заряда прошла к коллектору, то величина коллекторного тока транзистора может быть определена как

I = I + I. (1.1)

При низких температурах величина обратного тока коллекторного перехода мала. Однако при работе температура транзистора повышается, из-за чего возрастает концентрация неосновных носителей заряда в базовом и коллекторном слоях и существенно увеличивается обратный ток, значение которого удваивается через каждые 8 — 10 С.

Восполнение дырок в базовом слое, с которыми рекомбинируются электроны, поступающие из эмиттерного слоя, осуществляется за счет источников ЭДС внешней цепи. Это обусловливает протекание базового тока, величина которого значительно меньше тока эмиттера, вследствие малой доли рабочих носителей заряда, которые рекомбинируются в базовом слое. В транзисторе типа n—p—n ток базы направлен к этому электроду. Функция базового электрода – управление потоком рабочих носителей заряда. Поскольку величина базового тока мала, то и уровень мощности, потребляемой транзистором на управление, невелик, в результате чего достигается эффективное управление током базы, протекающего через транзистор тока.

Токи транзистора должны удовлетворять первому закону Кирхгофа

I= I + I. (1.2)

Поскольку ток базы мал, часто при расчетах полагают, что I≈ I.

На рис.1.8 представлено включение транзистора по схеме с общей базой (ОБ). Наряду с такой схемой на рис.1.9 представлены еще две возможные схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Как видно из этого рисунка, схемы содержат две внешние цепи с соответствующими источниками ЭДС: входная (левые части схем) и выходная (правые части). Наименование схемы включения определяется по электроду, который является общим для двух этих цепей. Во всех трех схемах базовый электрод входит в состав входной цепи, поскольку по базе осуществляется управление работой транзистора. Нагрузка включается в выходную цепь.

Рисунок 1.9. Схемы включения биполярного транзистора типа n—p—n

а — с общей базой, б — с общим эмиттером, в — с общим коллектором

Полярность напряжений источников ЭДС и направления токов, показанные на рис. 1.9, приведены для транзистора типа n—p—n. В случае транзистора типа p—n—p, в связи с изменением типа рабочего носителя заряда, полярности напряжений источников ЭДС и направления токов должны быть изменены на противоположные.

Входные и выходные токи в трех схемах включения транзистора, а также напряжения между его электродами, определяемые источниками ЭДС, различны и перечислены в табл. -n-транзистора (а), его схематическое изображение (б) и схема замещения (в) Устройство />-/г-/>-транзистора (г), его схематическое изображение (д) и схема замещения (е)

электрод базы располагается ближе к эмиттеру, а ширина базы зависит от частот­ного диапазона транзистора и с повышением частоты уменьшается. В зависимос­ти от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, различа­ют следущие режимы его работы: линейный (усилительный), насыщения, отсечки и инверсный.

В линейном режиме работы транзистора эмиттерный переход смещен в пря­мом направлении, а коллекторный — в обратном. В режиме насыщения оба пере­хода смещены в прямом направлении, а в режиме отсечки — в обратном. И, наконец, в инверсном режиме коллекторный переход смещен в прямом направле­нии, а эмиттерный — в обратном Кроме рассмотренных режимов возможен еще один режим, который является не рабочим, а аварийным — это режим пробоя.

Работа транзистора основана на управлении токами электродов в зависимо­сти от приложенных к его переходам напряжений В линейном режиме, когда переход база-эмиттер открыт благодаря приложенному к нему напряжению E^Us,, через него протекает ток базы ц Протекание тока базы приводит к ин-жекции зарядов из области коллектора в область базы, причем ток коллектора определяется как i^Bi » , где В — коэффициент передачи тока базы. Лкбо). Выходные вольт-амперные характеристики транзи­стора приведены на рис. 4.2 а. Линейная область на этих характеристиках отмече­на штриховой линией. Транзистор будет находиться в линейной области, если напряжение на коллекторе достаточно большое и выходит за границу штриховой линии.

Отметим некоторые особенности характеристик транзистора в линейной об­ласти. Во-первых, приращение тока коллектора пропорционально изменению тока базы. Во-вторых, ток коллектора почти не зависит от напряжения на коллек­торе (в соответствии с уравнением (4.1) такой зависимости вообще нет). В-треть­их, напряжение на базе не зависит от напряжения на коллекторе и слабо зависит

Рис. 4.2. Выходные характеристики биполярного транзистора (а) и его входная характеристика (б) оттока базь1. Из сказанного следует, что в линейном режиме транзистор для малых приращений тока базы можно заменить источником тока коллектора, уп­равляемого током базы. При этом, если пренебречь падением напряжения между базой и эмиттером, то можно считать этот переход коротким замыканием. В ре­зультате для линейного режима можно использовать простейшую модель транзи­стора, приведенную на рис. 4.3 а.

Пользуясь этой моделью, можно легко рассчитать коэффициент усиления кас­када, изображенного на рис. 4.3 6. Заменяя транзистор его моделью, получим эквивалентную схему, изображенную на рис. 4.3 в. Для этой схемы находим

откуда

«U                                                                       «

Если необходимо сделать расчет более точным, то модель транзистора можно усложнить введением других параметров, которые не учитывались при составле­нии схемы, изображенной на рис. 4.3 а. Уточненная схема замещения биполярного транзистора приведена на рис. 4.4. Этой схеме замещения соответствуют уравне­ния, которые называются уравнениями транзистора в Я-параметрах

Физический смысл параметров, приведенных в системе уравнений (4.4), мож­но легко установить, если воспользоваться режимами холостого хода на входе

Рис. кбо На вольт-амперных характеристиках транзисто­ра, приведенных на рис. 4.2 а, режиму отсечки соответствует горизонтальная ли­ния при г’8=0.

В справочных данных на транзисторы для режима отсечки обычно приводит­ся обратный ток коллектор — эмиттер /„я при заданном напряжении на коллек­торе и при заданном сопротивлении R, включенном между базой и эмиттером. Таким образом, два ключевых режима транзистора — режимы насыщения и от­сечки — позволяют использовать транзистор как замкнутый или разомкнутый ключ S. Остальные элементы на схемах замещения, приведенных на рис. 4.5, соот­ветствуют неидеальности транзисторного ключа.

Транзисторные ключи находят широкое применение в различных электрон­ных устройствах: измерительных усилителях для коммутации сигналов, в силовых преобразователях частоты и др. Во всех этих применениях транзистор поперемен­но переводится из режима насыщения в режим отсечки и обратно. В связи с этим очень важным является скорость переключения такого ключа, которая обычно характеризуется временем переключения или максимальной частотой коммутации. лин)

Наиболее часто инверсный режим транзистора используется в двунаправлен­ных ключах. В этом случае транзистор делается симметричным и его усиление практически не изменяется при замене коллектора и эмиттера. В таких транзисто­рах области коллектора и эмиттера имеют одинаковые свойства и геометрические размеры, поэтому любая из них может работать как эмиттер или коллектор. Для симметричных транзисторов характеристики в инверсном режиме подобны харак­теристикам в линейном режиме.

Динамические характеристики биполярного транзистора. Динамические харак­теристики транзистора по-разному описывают его поведение в линейном или ключевом режимах. Для ключевых режимов очень важным является время пере­ключения транзистора из одного состояния в другое. В то же время для усили­тельного режима транзистора более важными являются его свойства, которые показывают возможность транзистора усиливать сигналы различных частот

Процессы включения и выключения транзисторного ключа показаны на рис. 4.6 При включении транзистора (рис. 4.6 а) в его базу подается прямоуголь­ный импульс тока с крутым фронтоном Ток коллектора достигает установивше­гося значения не сразу после подачи тока в базу. Имеется некоторое время задер­жки ?зад> спустя которое появляется ток в коллекторе. Затем ток в коллекторе плавно нарастает и после времени /дар достигает установившегося значения /к „кл> таким образом

где 1акл — время включения транзистора.

Рис 4 б Процессы при включении транзистора (а) и выключении (б)

При выключении транзистора на его базу подается обратное напряжение, i результате чего ток базы меняет свое направление и становится равным /g „ых Покг происходит рассасывание неосновных носителей заряда в базе, этот ток не меняе1 своего значения. Это время называется временем рассасывания ?рас. После оконча­ния процесса рассасывания происходит спад тока базы, который продолжается i течение времени ten— Таким образом, время выключения транзистора равно

Следует особо отметить, что при выключении транзистора, несмотря на из­менение направления тока базы, транзистор в течение времени ?p„c остается вклю­ченным и коллекторный ток не меняет своего значения. Спад тока коллектора начинается одновременно со спадом тока базы и заканчиваются они практически одновременно

Время рассасывания сильно зависит от степени насыщения транзистора перед его выключением. Минимальное время выключения получается при граничном режиме насыщения Для ускорения процесса рассасывания в базу пропускают об­ратный ток, который зависит от обратного напряжения на базе Однако прикла­дывать к базе большое обратное напряжение нельзя, так как может произойти пробой перехода база-эмиттер Максимальное обратное напряжение на базе обычно не превышает 5 7В

Если к базе транзистора в процессе запирания не прикладывается обратное напряжение (например, база замыкается на эмиттер), то такое запирание транзи­стора называется пассивным При пассивном запирании время рассасывания зна­чительно увеличивается, а обратный ток базы уменьшается Форма тока коллек­тора при подаче в базу прямоугольного импульса тока показана на рис 4 7 Из этого рисунка видно, что форма импульса тока коллектора не только изменяется за счет растягивания длительности фронтов, но и сам импульс увеличивается по длительности на время t^c— В справочных данных обычно приводят времена вклю­

чения, спада и рассасывания Для наибо­лее быстрых транзисторов время рассасы­вания имеет значение 0,1. 0,5 мкс, однако для многих силовых транзисторов оно до­стигает 10 мкс

Динамические свойства транзистора в усилительном режиме принято характери­зовать не временем включения или вы­ключения, а его частотными характерис­тиками. Имеется много различных моде­лей транзисторов, работающих на высоких частотах, однако наиболее распростра­ненными являются модели, основанные на схеме замещения Джиаколетто и аппрок­симации зависимости коэффициента пере­дачи тока базы (или эмиттера) на высо­кой частоте.

Гис 4 / Изменение формы импульса при работе транзисторного ключа

Рассмотрим вначале схему замещения транзистора, предложенную Джиако-летто. Эта схема приведена на рис 4 8 я и представляет собой П-образную схему, в которой усилительные свойства транзистора учтены крутизной S его вольт-амперной характеристики (т е. проводимостью прямой передачи), а частотная зависимость усилительных свойств определяется учетом емкостей между базой и коллектором — Сц и базой и эмиттером — Су Достоинство этой схемы замещения заключается в том, что она с достаточной для практических расчетов точностью отражает реальное свойство транзисторов на высоких частотах Кроме того, все параметры элементов этой схемы замещения можно легко измерить или рассчи­тать

На схеме замещения (рис. ie, приведен­ному в схеме замещения рис. 4.4, однако в отличие от последнего он управляется не током базы ц, а напряжением щ,

Эта схема объясняет причины, приводящие к уменьшению усиления транзис­тора с повышением частоты Во-первых, с ростом частоты уменьшается полная

Рис 4 8 Схема замещения транзистора на высокой частоте (а) и частотная зависимость коэффициента передачи тока базы (б)

проводимость эмиттерного перехода, что приводит к увеличению тока ig и увели­чению падения напряжения на Гц Таким образом, управляющее напряжение щ, для источника тока уменьшается с ростом частоты и, следовательно, уменьшается усиление транзистора

Дополнительное снижение усиления обусловлено влиянием коллекторной проводимости, которая тоже уменьшается с ростом частоты В результате ток базы еще больше увеличивается, что приводит к дополнительному снижению на­пряжения Mg,

Другим способом учета влияния частоты на усилительные свойства транзис­тора является аппроксимация зависимости коэффициента передачи тока базы от частоты, т е. вместо постоянного значения коэффициента передачи тока базы В используется частотно-зависимый коэффициент

где ро=Д — коэффициент передачи тока базы на низкой частоте, < » р — предель­ная частота коэффициента передачи тока базы

Модуль частотной зависимости коэффициента передачи тока базы определя­ется по формуле

На частоте со=Юр модуль коэффициента передачи уменьшается по сравнению с ро в /2= 1,41 раза Если со>3(Вр, то частотная зависимость коэффициента переда­чи тока базы принимает вид

где (07-=Ро<Вр граничная частота коэффициента передачи тока базы, на которой коэффициент передачи тока снижается до единицы

Рассмотренная частотная зависимость коэффициента передачи тока базы приведена на рис 486. Следует учесть, что помимо падения усиления с ростом частоты имеет место фазовый сдвиг выходного сигнала по сравнению с входным, определяемый формулой

Поскольку фазовый сдвиг зависит от частоты, то сигналы с широким спект­ром частот будут дополнительно искажаться за счет фазового сдвига гармоникЛекция 5. Униполярные транзисторы

Устройство и принцип действия униполярного транзистора. Униполярными, ил) полевыми, транзисторами называются полупроводниковые приборы, в которы:

регулирование тока производится изменением проводимости проводящего канал;

с помощью электрического поля, перпендикулярного направлению тока Оба на звания этих транзисторов достаточно точно отражают их основные особенности прохождение тока в канале обусловлено только одним типом зарядов, и управле ние током канала осуществляется при помощи электрического поля

Электроды, подключенные к каналу, называются стоком (Drain) и истоков (Source), а управляющий электрод называется затвором (Gate) Напряжен » управления, которое создает поле в канале, прикладывается между затвором i истоком В зависимости от выполнения затвора униполярные транзисторы делят ся на две группы с управляющим ^-и-переходом и с изолированным затвором

Устройство полевого транзистора с изолированным затвором (ПТИЗ) приве дено на рис 5. 1 а, а полевого транзистора с управляющим переходом (ПТУП) — на рис. 516.

В полевых транзисторах с изолированным затвором электрод затвора изоли рован от полупроводникового канала с помощью слоя диэлектрика из двуокис! кремния SiOz. Электроды стока и истока располагаются по обе стороны затвор. и имеют контакт с полупроводниковым каналом Ток утечки затвора пренебрежи мо мал даже при повышенных температурах Полупроводниковый канал може» быть обеднен носителями зарядов или обогащен ими При обеденном канале элек трическое поле затвора повышает его проводимость, поэтому канал называете) индуцированньш. Если канал обогащен носителями зарядов, то он называете? встроенным Электрическое поле затвора в этом случае приводит к обеднении канала носителями зарядов.

Проводимость канала может быть электронной или дырочной Если кана;

имеет электронную проводимость, то он называется и-каналом Каналы с дыроч’ ной проводимостью называются ^-каналами В результате полевые транзисторы с изолированным затвором могут быть четырех типов с каналом и- или ^-типов,

Рис 5 1 Устройство униполярного транзистора с изолированным затвором (а) и с управляющим р-п-переходом (б)

каждый из которых может иметь индуцированный или встроенный канал Услов­ные схематичные изображения этих типов транзисторов приведены на рис. 5.2. Графическое обозначение транзисторов содержит максимальную информацию о его устройстве Канал транзистора изображается вертикально штриховой или сплошной линией. Штриховая линия обозначает индуцированный канал, а сплошная — встроенный Исток и сток действуют как невыпрямляющие контак­ты, поэтому изображаются под прямым углом к каналу. Подложка изображается как электрод со стрелкой, направление которой указывает тип проводимости ка­нала. Затвор изображается вертикальной линией, параллельной каналу Вывод затвора обращен к электроду истока.

Условное обозначение полевых транзисторов состоит из ряда букв и цифр. Первая буква указывает материал, из которого изготовлен прибор (К — кремний, А — арсенид галлия) Вторая буква, П, указывает на принадлежность к группе полевых транзисторов. Первая цифра указывает на допустимую рассеиваемую мощность и максимальную рабочую частоту. Далее идет двухзначньш номер раз­работки транзистора. Пятая буква соотвествует разбраковке по параметрам. На­пример, транзистор КП302А — кремниевый, полевой, малой мощности, высоко­частотный. -типа.

Рассмотрим некоторые особенности этих характеристик. Все характеристики полевых транзисторов с каналом п-типа расположены в верхней половине графи­ка и, следовательно, имеют положительный ток, что соответствует положительно­му напряжению на стоке. Наоборот, все характеристики приборов с каналом / » -типа расположены в нижней половине графика и, следовательно, имеют отрица­тельное значение тока и отрицательное напряжение на стоке. Характеристики

ПТУП при нулевом напряжении на затворе имеют максимальное значение тока, которое называется начальным /<:нач- При увеличении запирающего напряжения ток стока уменьшается и при напряжении отсечки t/отс становится близким к нулю.

Характеристики ПТИЗ с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют нулевой ток. Появление тока стока в таких транзисторах про­исходит при напряжении на затворе больше порогового значения t/пор. Увеличе­ние напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока.

Характеристики ПТИЗ со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют начальное значение тока /с нач. Такие транзисторы могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения. При увеличении напряжения на затворе канал обогащается и ток стока растет, а при уменьшении напряжения на затворе канал обедняется и ток стока снижается.

На рис. 5.5 приведены выходные вольт-амперные характеристики ПТУП с каналом л-типа. Характеристики других типов транзисторов имеют аналогичный вид, но отличаются напряжением на затворе и полярностью приложенных напря­жений. На этих вольт-амперных характеристиках можно выделить две области:

линейную и насыщения.

В линейной области вольт-амперные характеристики вплоть до точки пере­гиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряже­ния на затворе. В области насыщения вольт-амперные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет говорить о назависимости тока сто­ка от напряжения на стоке. В этой области выходные характеристики полевых транзисторов всех типов сходны с характеристиками электровакуумных пен- тодов. —’-Uy, то сопротивление канала возрастает до бесконечности: 7?с—’-⁰⁰. График зависимости сопротивления канала от управляющего напряжения на зат­воре приведен на рис. 5.6 а.

При приближении к точке перегиба вольт-амперных характеристик сопротив­ление канала начинает увеличиваться, так как сказывается второй член в выраже­нии (5.1). В этом случае можно определить дифференциальную проводимость канала, пользуясь формулой (5.1):

откуда получаем значение дифференциального сопротивления канала

Зависимость сопротивления канала от напряжения на стоке С/с„ нарушает | линейность сопротивления, однако при малом уровне сигнала этой зависимостью можно пренебречь. Таким образом, основное применение полевых транзисторов в линейной области определяется их способностью изменять сопротивление при изменении напряжения на затворе. Это сопротивление для мощных полевых тран­зисторов с изолированным затвором достигает долей ома (0,5… 2,0 Ома), что позволяет использовать их в качестве замкнутого ключа с весьма малым соб­ственным сопротивлением канала. -*Uy, то сопротивление канала возрастает до бесконечности. Re-*⁰⁰. График зависимости сопротивления канала от управляющего напряжения на зат­воре приведен на рис. 5.6 а.

При приближении к точке перегиба вольт-амперных характеристик сопротив­ление канала начинает увеличиваться, так как сказывается второй член в выраже­нии (5.1). В этом случае можно определить дифференциальную проводимость канала, пользуясь формулой (5.1):

откуда получаем значение дифференциального сопротивления канала

Зависимость сопротивления канала от напряжения на стоке Uy, нарушает линейность сопротивления, однако при малом уровне сигнала этой зависимостью можно пренебречь. Таким образом, основное применение полевых транзисторов в линейной области определяется их способностью изменять сопротивление при изменении напряжения на затворе. Это сопротивление для мощных полевых тран­зисторов с изолированным затвором достигает долей ома (0,5. .. 2,0 Ома), что позволяет использовать их в качестве замкнутого ключа с весьма малым соб­ственным сопротивлением канала.

С другой стороны, если напряжение на затворе сделать равным пороговому значению (или больше его), то сопротивление канала транзистора увеличивается,

что соответствует разомкнутому ключу с весьма малой собственной проводи­мостью. Таким образом, полевой транзистор можно использовать как ключ, управляемый напряжением на затворе. Такой ключ способен пропускать доста­точно большой ток (до 10 А и выше) Уменьшить сопротивление канала можно параллельным включением транзисторов с общим управляющим напряжением, чем обычно и пользуются при создании силовых ключей. Схема замещения ключа на полевом транзисторе приведена на рис. 5.6 б.

Область насыщения В области насыщения ток стока полевого транзистора определяется уравнением

из которого следует его полная независимость от напряжения на стоке. Практи­чески такая зависимость есть, но в большинстве случаев она слабо выражена. тах=2&{/п, уравнение (5.8) можно записать в виде

Схему замещения полевого транзистора для области насыщения можно пред­ставить в виде источника тока стока, управляемого напряжением на затворе U, » . При этом для большого сигнала нужно пользоваться уравнением (5.5), а для ма­лого сигнала, используя (5.8), получим

где крутизну S в выбранной рабочей точке можно считать величиной постоянной и не зависящей от напряжения на затворе. Схема замещения полевого транзистора приведена на рис. 5.7 а. В этой схеме цепь затвора представлена как разомкнутая, поскольку ток затвора очень мал и его можно не учитывать. Пользуясь этой схе­мой замещения, легко найти усиление простейшего усилительного каскада на по­левом транзисторе, изображенного на рис. 5.7 б. Заменив полевой транзистор его эквивалентной схемой, получим схему замещения усилительного каскада, при­веденную на рис. 5.7 в, для которой можно найти напряжение на нагрузке:

откуда

¥w 5. тах=2&{/п, уравнение (5.8) можно записать в виде

Схему замещения полевого транзистора для области насыщения можно пред­ставить в виде источника тока стока, управляемого напряжением на затворе U, » . При этом для большого сигнала нужно пользоваться уравнением (5.5), а для ма­лого сигнала, используя (5.8), получим

где крутизну S в выбранной рабочей точке можно считать величиной постоянной и не зависящей от напряжения на затворе. Схема замещения полевого транзистора приведена на рис. 5.7 а. В этой схеме цепь затвора представлена как разомкнутая, поскольку ток затвора очень мал и его можно не учитывать. Пользуясь этой схе­мой замещения, легко найти усиление простейшего усилительного каскада на по­левом транзисторе, изображенного на рис. 5.7 б. Заменив полевой транзистор его эквивалентной схемой, получим схему замещения усилительного каскада, при­веденную на рис. 5.7 в, для которой можно найти напряжение на нагрузке:

откуда

¥w 5. ‘=S — это крутизна полевого транзистора (или проводи­мость прямой передачи). Из схемы замещения, приведенной на рис. 5.5 г, можно получить простейшую схему замещения, изображенную на рис. 5.7 а, если поло­жить Уп=Уи=У22=0-

Отметим, что в справочниках по полевым транзисторам обычно приводятся не все, а только некоторые из рассмотренных характеристик. Всегда приводится значение крутизны S, вместо входной проводимости иногда приводятся ток утеч­ки затвора и входная емкость, а вместо проводимости обратной передачи в боль­шинстве случаев приводится так называемая проходная емкость Сэс, т. е. емкость с затвора на сток (или на канал). Для мощных полевых транзисторов, работаю­щих в ключевом режиме, обычно приводится значение сопротивления открытого канала, максимальный ток стока и предельное напряжение на стоке.

Динамические характеристики полевых транзисторов. Динамические характе­ристики полевых транзисторов по-разному описывают их поведение в ключевом и линейном (усилительном) режимах работы. , выходная проводимость gem ^{a также объемные сопротивления /•с и г,, участков канала, примыкающих к электродам стока и истока. Если пре­небречь небольшими объемными сопротивлениями контактов стока и истока, а также утечками с затвора на канал, то комплексные проводимости схемы замеще­ния будут иметь значения}

Из выражения (5.14) следует, что с повышением частоты уменьшается входное сопротивление 1/у,х полевого транзистора и сопротивление обратной связи со стока на затвор /уг- В результате возрастает емкостной ток с затвора на канал и напряжение на затворе уменьшается. При этом снижается усиление транзистора на высокой частоте. Следует, однако, отметить, что многие из параметров схемы замещения, при­веденной на рис. 5 8 а, зависят от режима работы транзистора, т е от постоянные напряжений на его электродах Так, например, крутизна S зависит от напряжение на затворе U,u (см формулу 5 9) Для транзисторов с/ » -и-переходом емкости затво­ра Сэи и Сзи являются барьерными и с увеличением обратного напряжения на затворе уменьшаются

Переходные процессы при ключевом режиме работы рассмотрим на при­мере процессов включения и выключения полевого транзистора с индуциро­ванным каналом и-типа, пользуясь схемой, изображенной на рис 586. задвык. время выключения Гцых; в течение которого спадает импульс тока стока, и время ty, установления исходного

Урок-8. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Вот мы и подошли к уроку, с которого начинается старт во «взрослую жизнь» т. к. именно с этого урока вы сможете полноценно и с пониманием предметной области начинать паять простейшие конструкции. И для успешной сборки и наладки этих конструкций, очень важно четко понимать какую функцию в этой схеме выполняет тот, или иной радиоэлемент, какие параметры нужно проконтролировать и т. д. Практическая работа в этом уроке будет не менее интересна, и сводится к выполнению предложенных опытов с биполярным транзистором. Думаю что после этой практической работы, вопросы по поводу принципов работы транзистора отпадут сами собой. Если все — таки, вопросы будут, это говорит только о вашей целеустремленности и желании познать глубже суть происходящего.

В большую «семью» полупроводниковых приборов, называемых транзисторами, входят два вида: биполярные и полевые. Первые из них, чтобы как — то отличить их от вторых, часто называют обычными транзисторами. Биполярные транзисторы используются наиболее широко. Именно с них мы пожалуй и начнем. Термин «транзистор» образован из двух английских слов: transfer — преобразователь и resistor — сопротивление. В упрощенном виде биполярный транзистор представляет собой пластину полупроводника с тремя (как в слоеном пироге) чередующимися областями разной электропроводности (рис. 1), которые образуют два р — n перехода. Две крайние области обладают электропроводностью одного типа, средняя — электропроводностью другого типа. У каждой области свой контактный вывод. Если в крайних областях преобладает дырочная электропроводность, а в средней электронная (рис. 1, а), то такой прибор называют транзистором структуры p — n — р. У транзистора структуры n — p — n, наоборот, по краям расположены области с электронной электропроводностью, а между ними — область с дырочной электропроводностью (рис. 1, б).

Рис. 1 Схематическое устройство и графическое обозначение на схемах транзисторов структуры p — n — p и n — p — n.

Если мысленно прикрыть любую из крайних областей транзисторов, изображенных схематически на (рис.1). Что получилось? Оставшиеся две области есть не что иное, как плоскостной диод. Если прикрыть другую крайнюю область, то тоже получится диод. Значит, транзистор можно представить себе как два плоскостных диода с одной общей областью, включенных навстречу друг другу. Общую (среднюю) область транзистора называют базой, одну крайнюю область — эмиттером, вторую крайнюю область — коллектором. Это три электрода транзистора. Во время работы транзистора его эмиттер вводит (эмитирует) в базу дырки (в транзисторе структуры p — n — р) или электроны (в транзисторе структуры n — p — n), коллектор собирает эти электрические заряды, вводимые в базу эмиттером. Различие в обозначениях транзисторов разных структур на схемах заключается лишь в направлении стрелки эмиттера: в p — n — р транзисторах она обращена в сторону базы, а в n — p — n транзисторах — от базы. Электронно — дырочные переходы в транзисторе могут быть получены так же, как в плоскостных диодах. Например, чтобы изготовить транзистор структуры p — n — р, берут тонкую пластину германия с электронной электропроводностью и наплавляют на ее поверхность кусочки индия. Атомы индия диффундируют (проникают) в тело пластины, образуя в ней две области типа р — э миттер и коллектор, а между ними остается очень тонкая (несколько микрон) прослойка полупроводника типа n — база. Транзисторы, изготовляемые по такой технологии, называют сплавными. Запомни наименования р — n переходов транзистора: между коллектором и базой — коллекторный, между эмиттером и базой — эмиттерный. Схематическое устройство и конструкция сплавного транзистора показаны на (рис. 2). Прибор собран на металлическом диске диаметром менее 10 мм. Сверху к этому диску приварен кристаллодержатель, являющийся внутренним выводом базы, а снизу — ее наружный проволочный вывод. Внутренние выводы коллектора и эмиттера приварены к проволочкам, которые впаяны в стеклянные изоляторы и служат внешними выводами этих электродов. Цельнометаллический колпак защищает прибор от механических повреждений и влияния света. Так устроены наиболее распространенные маломощные низкочастотные транзисторы серий МП39, МП40, МП41, МП42 и их разновидности. Буква (М) в обозначении говорит о том, что корпус транзистора холодносварной, буква (П)- первоначальная буква слов «плоскостной», а цифры — порядковые заводские номера приборов. В конце обозначения могут быть буквы А, Б, В (например, МП39Б), указывающие разницу в параметрах транзистора данной серии. Существуют другие способы изготовления транзисторов, например, диффузионно — сплавной (рис. 3). Коллектором транзистора, изготовленного по такой технологии, служит пластина исходного полупроводника. На поверхность пластины наплавляют очень близко один от другого два маленьких шарика примесных элементов. Во время нагрева до строго определенной температуры происходит диффузия примесных элементов в пластинку полупроводника. При этом один шарик (на рис. 3 — правый) образует в коллекторе тонкую базовую область, а второй (на рис. 3 — левый) эмиттерную область.

Рис. 2 Устройство и конструкция сплавного транзистора структуры p — n — p.

Рис. 3 Устройство и конструкция диффузионно — сплавного транзистора структуры p — n — p.

В результате в пластине исходного полупроводника получаются два р — n перехода, образующие транзистор структуры р — n — р. По такой технологии изготовляют, в частности, наиболее массовые маломощные высокочастотные транзисторы серий П401-П403, П422, П423, ГТ308. В настоящее время действует система обозначения транзисторов, по которой выпускаемые серийно приборы имеют обозначения, состоящие из четырех элементов, например: ГТ109А, КТ315В, ГТ403И.

• Первый элемент этой системы обозначения — буква Г, К или А (или цифра 1, 2 и 3) — характеризует полупроводниковый материал транзистора и температурные условия работы прибора. Буква Г (или цифра 1) присваивается германиевым транзисторам, буква К (или цифра 2) — кремниевым транзисторам, буква А (или цифра 3) — транзисторам, полупроводниковым материалом которых служит арсенид галлия. Цифра, стоящая вместо буквы, указывает на то, что данный транзистор может работать при повышенных температурах (германиевый — выше 4- 60°С, кремниевый — выше +85°С).
• Второй элемент — буква Т — начальная буква слова «транзистор».
• Третий элемент — трехзначное число от 101 до 999 — указывает порядковый номер разработки и назначение прибора. Это число присваивается транзистору по признакам, приведенным в таблице.
• Четвертый элемент обозначения — буква, указывающая разновидность транзисторов данной серии.

Вот некоторые примеры расшифровки обозначений транзисторов по этой системе : ГТ109А — германиевый маломощный низкочастотный транзистор, разновидность А; ГТ404Г — германиевый средней мощности низкочастотный транзистор, разновидность Г; КТЗ15В — кремниевый маломощный высокочастотный транзистор, разновидность В. Наряду с такой системой продолжает действовать и прежняя система обозначения транзисторов, например П27, П401, П213, МП39 и т.д. Объясняется это тем, что такие или подобные транзисторы были разработаны до введения современной маркировки полупроводниковых приборов. Внешний вид некоторых биполярных транзисторов, наиболее широко используемых радиолюбителями, показан на (рис. 4). Маломощный низкочастотный транзистор ГТ109 (структуры р — n — р) имеет в диаметре всего 3, 4 мм. Транзисторы этой серии предназначены для миниатюрных радиовещательных приемников. Их используют также в слуховых аппаратах, в электронных медицинских приборах т.д. Диаметр транзисторов ГТ309 (р — n — р) 7,4 мм. Такие транзисторы применяют в различных малогабаритных электронных устройствах для усиления и генерирования колебаний высокой частоты. Транзисторы КТЗ15 (n — p — n) выпускают в пластмассовых корпусах. Эти маломощные транзисторы предназначены для усиления и генерирования колебаний высокой частоты. Транзисторы МП39 — МП42 (р — n — р) — самые массовые среди маломощных низкочастотных транзисторов. Точно так выглядят и аналогичные им, но структуры n — p — n, транзисторы МП35 — МП38. Диаметр корпуса любого из этих транзисторов 11,5 мм. Наиболее широко их используют в усилителях звуковой частоты. Так выглядят и маломощные высокочастотные р — n — р транзисторы серий П401 — П403, П416, П423, используемые для усиления высокочастотных сигналов как в промышленных, так и любительских радиовещательных приемниках. Транзистор ГТ402 (р — n — р) — представитель низкочастотных транзисторов средней мощности. Такую же конструкцию имеет его «близнец» ГТ404, но он структуры (n — p — n). Их, обычно используют в паре, в каскадах усиления мощности колебаний звуковой частоты. Транзистор П213 (германиевый структуры р — n — р) — один из мощных низкочастотных транзисторов, широко используемых в оконечных каскадах усилителей звуковой частоты. Диаметр этого, а также аналогичных ему транзисторов П214 — П216 и некоторых других, 24 мм. Такие транзисторы крепят на шасси или панелях при помощи фланцев. Во время работы они нагреваются, поэтому их обычно ставят на специальные теплоотводящие радиаторы, увеличивающие поверхности охлаждения. КТ904 — сверхвысокочастотный кремниевый n — p — n транзистор большой мощности. Корпус металлокерамический с жесткими выводами и винтом М5, с помощью которого транзистор крепят на теплопроводящем радиаторе. Функцию радиатора может выполнять массивная металлическая пластина или металлическое шасси радиотехнического устройства. Высота транзистора вместе с выводами и крепежным винтом чуть больше 20 мм. Транзисторы этой серии предназначаются для генераторов и усилителей мощности радиоаппаратуры, работающей на частотах выше 100 МГц, например диапазона УКВ.

Рис. 4 Внешний вид некоторых транзисторов.

Схемы включения и основные параметры биполярных транзисторов

Итак, биполярный транзистор, независимо от его структуры, является трехэлектродным прибором. Его электроды — эмиттер, коллектор и база. Для использования транзистора в качестве усилителя напряжения, тока или мощности входной сигнал, который надо усилить, можно подавать на два каких — либо электрода и с двух электродов снимать усиленный сигнал. При этом один из электродов обязательно будет общим. Он — то и определяет название способа включения транзистора: по схеме общего эмиттера (ОЭ), по схеме общего коллектора (ОК), по схеме общей базы (ОБ).

Чаще всего как я уже говорил применяются схемы с включением транзистора с ОЭ, реже с ОК. Но это только способы включения. А режим работы транзистора как усилителя определяется напряжениями на его электродах, токами в его цепях и, конечно, параметрами самого транзистора. Качество и усилительные свойства биполярных транзисторов оценивают по нескольким электрическим параметрам, которые измеряют с помощью специальных приборов. Вас же, с практической точки зрения, в первую очередь должны интересовать три основных параметра: обратный ток коллектора Iкбо, статический коэффициент передачи тока h313 (читают так: аш два один э) и граничная частота коэффициента передачи тока Fгр.

• Обратный ток коллектора Iкбо — это неуправляемый ток через коллекторный р — n переход, создающийся неосновными носителями тока транзистора. Он характеризует качество транзистора: чем численное значение параметра Iкбо меньше, тем выше качество транзистора. У маломощных низкочастотных транзисторов, например, серий МП39 — МП42, Iкбо не должен превышать 30 мкА, а у маломощных высокочастотных 5 мкА. Транзисторы с большими значениями Iкбо в работе неустойчивы.
• Статический коэффициент передачи тока h31э характеризует усилительные свойства транзистора. Статическим его называют потому, что этот параметр измеряют при неизменных напряжениях на его электродах и неизменных токах в его цепях. Буква «Э» в этом выражении указывает на то, что при измерении транзистор включают по схеме ОЭ. Коэффициент h31э характеризуется отношением постоянного тока коллектора к постоянному току базы при заданных постоянном обратном напряжении коллектор — эмиттер и токе эмиттера. Чем больше численное значение коэффициента h31э, тем большее усиление сигнала может обеспечить данный транзистор.
• Граничная частота коэффициента передачи тока Fгр, выраженная в килогерцах или мегагерцах, позволяет судить о возможности использования транзистора для усиления колебаний тех или иных частот. Граничная частота Fгр транзистора МП39, например, 500 кГц, а транзисторов П401 — П403 — больше 30 МГц. Практически транзисторы используют для усиления частот значительно меньше граничных, так как с повышением частоты коэффициент h31э транзистора уменьшается.

При конструировании радиотехнических устройств надо учитывать и такие параметры транзисторов, как максимально допустимое напряжение коллектор — эмиттер Uкэ max, максимально допустимый ток коллектора Iк.max а также максимально допустимую рассеиваемую мощность коллектора транзистора Рк.max — мощность, превращающуюся внутри транзистора в тепло.

Коротко о полевом транзисторе

В этом полупроводниковом приборе управление рабочим током осуществляется не током во входной (базовой) цепи, как в биполярном транзисторе, а воздействием на носители тока электрического поля. Отсюда и название транзистора «полевой». Схематическое устройство и конструкция полевого транзистора с р — n переходом показаны на (рис. 6). Основой такого транзистора служит пластина кремния с электропроводностью типа n, в которой имеется тонкая область с электропроводностью типа р. Пластину прибора называют затвором, а область типа р в ней — каналом. С одной стороны канал заканчивается истоком, с другой стоком — тоже областью типа р, но с повышенной концентрацией дырок. Между затвором и каналом создается р — n переход. От затвора, истока и стока сделаны контактные выводы. Если к истоку подключить положительный, а к стоку — отрицательный полюсы батареи питания (на рис. 6 — батарея GB), то в канале появится ток, создающийся движением дырок от истока к стоку. Этот ток, называемый током стока Iс, зависит не только от напряжения этой батареи, но и от напряжения, действующего между источником и затвором (на рис. 6 — элемент G). И вот почему. Когда на затворе относительно истока действует положительное закрывающее напряжение, обедненная область р — n перехода расширяется (на рис. 6 показано штриховыми линиями). От этого канал сужается, его сопротивление увеличивается, из — за чего ток стока уменьшается. С уменьшением положительного напряжения на затворе обедненная область р — n перехода, наоборот, сужается, канал расширяется, и ток снова увеличивается. Если на затвор вместе с положительным напряжением смещения подавать низкочастотный или высокочастотный сигнал, в цепи стока возникнет пульсирующий ток, а на нагрузке, включенной в эту цепь, — напряжение усиленного сигнала. Так, в упрощенном виде устроены и работают полевые транзисторы с каналом типа р, например транзисторы КП102, КП103 (буквы К и П означают «кремниевый полевой»). Принципиально так же устроен и работает полевой транзистор с каналом типа n. Затвор транзистора такой структуры обладает дырочной электропроводностью, поэтому на него относительно истока должно подаваться отрицательное напряжение смещения, а на сток (тоже относительно истока) — положительное напряжение источника питания. На условном графическом изображении полевого транзистора с каналом типа n стрелка на линии затвора направлена в сторону истока, а не от истока, как в обозначении транзистора с каналом типа р. Полевой транзистор — тоже трехэлектродный прибор. Поэтому его, как и биполярный транзистор, включать в усилительный каскад можно тремя способами: по схеме общего стока (ОС), по схеме общего истока (ОИ) и по схеме общего затвора (ОЗ). В радиолюбительской практике применяют в основном только первые два способа включения, позволяющие с наибольшей эффективностью использовать полевые транзисторы. Усилительный каскад на полевом транзисторе обладает очень большим, исчисляемым мегаомами, входным сопротивлением. Это позволяет подавать на его вход высокочастотные и низкочастотные сигналы от источников с большим внутренним сопротивлением, например от пьезокерамическрго звукоснимателя, не опасаясь искажения или ухудшения усиления входного сигнала. В этом главное преимущество полевых транзисторов по сравнению с биполярными. Усилительные свойства полевого транзистора характеризуют крутизной характеристики S — отношением изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора, включенного по схеме ОИ. Численное значение параметра S выражают в миллиамперах на вольт; для различных транзисторов оно может составлять от 0,1 — 0,2 до 10 — 15 мА/В и больше. Чем больше крутизна, тем большее усиление сигнала может дать транзистор.

Рис. 6 Конструкция и графическое изображение полевого транзистора с каналом типа (p).

Другой параметр полевого транзистора — напряжение отсечки Uзи.отс. — Это обратное напряжение на р — n переходе затвор — канал, при котором ток через этот переход уменьшается до нуля. У различных транзисторов напряжение отсечки может составлять от 0,5 до 10 В. О полевых транзисторах и их уникальных свойствах можно говорить еще много, я попытался рассказать о наиболее существенных. Полевым транзисторам посвящены целые учебники, поэтому для более детального изучения их свойств и области применения, нужно будет самостоятельно разыскать литературу и детально изучить.

Опыты с транзистором

В этого урока я сказал, что биполярный транзистор можно представить себе как два включенных встречно плоскостных диода, совмещенных в одной пластине полупроводника. В этом нетрудно убедиться на опытах, для которых потребуется любой бывший в употреблении, но не испорченный германиевый низкочастотный транзистор структуры р — n — р, например МП39 или подобные ему транзисторы МП40 — МП42 (коих сейчас великое множество в старых бросовых телевизорах, транзисторных радиоприемниках и т.д., т.е. покупать как правило ничего не нужно, а если и прийдется, то за копейки). Между коллектором и базой транзистора включите последовательно соединенные батарею 3336Л или другой источник питания на 4,5 В и лампочку от карманного фонаря, рассчитанную на напряжение 2,5 В и ток 0,075 или 0,15 А (рис. 1). Если положительный полюс батареи (GB окажется соединенным (через лампочку) с коллектором, а отрицательный — с базой (рис. 1, а), то лампочка должна гореть. При другой полярности включения батареи (рис. 1, б) лампочка гореть не будет. Как объяснить эти явления?

Рис. 1 Опыты с биполярным транзистором.

Сначала на коллекторный р — n переход вы подавали прямое, т. е. пропускное напряжение. В этом случае коллекторный р — n переход открыт, его сопротивление мало и через него течет прямой ток коллектора Iк. Значение этого тока в данном случае определяется в основном сопротивлением нити накала лампочки и внутренним сопротивлением батареи. При другом включении батареи ее напряжение подавалось на коллекторный переход в обратном, непропускном направлении. В этом случае переход закрыт, его сопротивление велико и через него течет лишь небольшой обратный ток коллектора Iкбо У исправных маломощных низкочастотных транзисторов обратный ток коллектора не превышает 30 мкА. Такой ток, естественно, не мог накалить нить лампочки, поэтому она и не горела. Проведите аналогичный опыт с эмиттерным р — n переходом. Результат будет таким же: при обратном напряжении переход будет закрыт — лампочка не горит, а при прямом напряжении он будет открыт — лампочка горит.

Следующий опыт, иллюстрирующий один из режимов работы транзистора, проводите по схеме, показанной на (рис. 2). Между эмиттером и коллектором транзистора включите последовательно соединенные батарею 3336Л и ту же лампочку накаливания. Положительный полюс батареи должен соединяться с эмиттером, а отрицательный — с коллектором (через нить накала). Горит лампочка? Нет, не горит. Соедините про — волочной перемычкой базу с эмиттером, как показано на схеме штриховой линией. Лампочка, включенная в коллекторную цепь транзистора, тоже не будет гореть. Удалите перемычку, а вместо нее подключите к этим электродам последовательно соединенные резистор Rб сопротивлением 200-300 Ом и один гальванический элемент Gб, например, типа миниатюрной пальчиковой батарейки от китайского карманного приемника, но так, чтобы минус элемента был на базе, а плюс — на эмиттере. Теперь лампочка должна гореть. Поменяйте местами полярность подключения элемента к этим электродам транзистора. В этом случае лампочка гореть не должна. Повторите несколько раз этот опыт и вы убедитесь в том, что лампочка в коллекторной цепи будет гореть только тогда, когда на базе транзистора относительно эмиттера действует отрицательное напряжение. Разберемся в этих опытах. В первом из них, когда вы, соединив перемычкой базу с эмиттером, замкнули накоротко эмиттерный переход, коллекторный переход стал просто диодом, на который подавалось обратное напряжение. Через транзистор шел лишь незначительный обратный ток коллекторного перехода, который не мог накалить нить лампочки. В это время транзистор находился в закрытом состоянии. Затем, удалив перемычку, вы восстановили эмиттерный переход. Первым включением элемента между базой и эмиттером вы подали на эмиттерный переход прямое напряжение. Эмиттерный переход открылся, и через него пошел прямой ток, который открыл второй переход транзистора — коллекторный. Транзистор оказался открытым и по цепи эмиттер — база — коллектор пошел коллекторный ток транзистора Iк, который во много раз больше тока цепи эмиттер — база. Он — то и накалил нить лампочки. Когда же вы изменили полярность включения элемента на обратную, то его напряжение закрыло эмиттерный переход, а вместе с тем закрылся и коллекторный переход. При этом ток транзистора почти прекратился (присутствовал только обратный ток коллектора) и лампочка не горела.

Рис. 2 Опыт, иллюстрирующий работу транзистора в режиме переключения.

Какова роль резистора Rб? В принципе этого резистора может и не быть. Я же рекомендовал включить его исключительно для того, чтобы ограничить ток в базовой цепи. Иначе через эмиттерный переход пойдет слишком большой прямой ток, в результате чего может произойти тепловой пробой перехода и транзистор выйдет из строя (по аналогии со стабилитроном, этим резистором можно задавать режимы работы транзистора, выводя его на линейный участок ВАХ, но об этом позже). Если бы при проведении этих опытов в базовую и коллекторную цепи были включены измерительные приборы, то при закрытом транзисторе токов в его цепях почти не было бы, При открытом же транзисторе ток базы Iб был бы не более 2 — 3 мА, а ток коллектора Iк составлял 60 — 75 мА. Это означает, что транзистор может быть усилителем тока. В этих опытах транзистор был в одном из двух состояний: открытом или закрытом. Переключение транзистора из одного состояния в другое происходило под действием напряжения на базе Uб. Такой режим работы транзистора, проиллюстрированный графиками на (рис. 2), называют режимом переключения или, что то же самое, ключевым. Такой режим работы транзисторов используют в основном в приборах и устройствах электронной автоматики. В радиовещательных приемниках и усилителях транзисторы работают в режиме усиления. Отличается он от режима переключения тем, что, используя малые токи в базовой цепи, мы можем управлять значительно большими токами в коллекторной цепи транзистора.

Иллюстрировать работу транзистора в режиме усиления можно следующим опытом (рис.3). В коллекторную цепь транзистора V включим электромагнитный телефон В1, а между базой и минусом источника питания GB (батарея 3336Л) — резистор Rб сопротивлением 200 — 250 кОм. Второй телефон В2 подключим к участку база — эмиттер транзистора, но через конденсатор Ссв. емкостью 0,1 — 0,5 мкФ. У вас получится простейший усилитель, который может выполнять, например, роль одностороннего телефонного аппарата. Если ваш приятель будет негромко говорить перед телефоном В2, включенным на входе усилителя, его разговор вы будете слышать в телефоне В1, включенном на выходе усилителя. На вход усилителя вместо телефона В2 можно подать любой другой слабый электрический сигнал. Тогда в телефоне В1 он будет хорошо и достаточно громко прослушиваться. В качестве В1, В2, можно использовать телефоны от старых телефонных аппаратов, с маркировкой (ТОН-1, ТОН-2 и др.). Для наших опытов желательно парочку разыскать, чтобы они были в вашем арсенале. Каковы здесь функции резистора Rб и конденсатора Ссв.? Через резистор Rб на базу транзистора от батареи питания GB подается небольшое отрицательное напряжение, называемое напряжением смещения, которое открывает транзистор и тем самым обеспечивает ему работу в режиме усиления. Без начального напряжения смещения эмиттерный р — n переход транзистора будет закрыт и, подобно диоду, будет «срезать» положительные полупериоды входного напряжения, отчего усиление будет сопровождаться искажениями. А конденсатор Ссв. выполняет функцию связующего элемента между телефоном В2 и базой транзистора. Он беспрепятственно пропускает колебания звуковой частоты и преграждает путь постоянному току из базовой цепи к телефону. Без такого разделительного конденсатора база транзистора по постоянному току оказалась бы соединенной с эмиттером и режим усиления был бы нарушен (этот конденсатор так и называют конденсатором связи, среди радиолюбителей можно еще услышать такое понятие как проходной).

Рис. 3 Опыт иллюстрирующий транзистор в режиме усиления.

В этом опыте на вход усилителя подавалось переменное напряжение звуковой частоты, источником которого был телефон, преобразующий, как микрофон, звуковые колебания в электрические (на рис. 3 — график а). Это напряжение создавало в цепи эмиттер — база колебания постоянного тока (график б), которые управляли значительно большим током в коллекторной цепи (график в). Происходило усиление входного сигнала. Усиленный же транзистором сигнал преобразовывался телефонами В1, включенными в цепь коллектора, в звуковые колебания с помощью мембраны. Транзистор работал в режиме усиления. Процесс усиления в общих чертах происходит следующим образом. При отсутствии напряжения входного сигнала в цепях базы и коллектора текут небольшие токи (на рис. 3 — левые участки графиков б и в), определяемые напряжением источника питания, напряжением смещения на базе и усилительными свойствами транзистора. Как только в цепи базы появляется сигнал, соответственно ему начинают изменяться и токи в цепях транзистора: во время отрицательных полупериодов, когда суммарное отрицательное напряжение на базе возрастает, токи цепей увеличиваются, а во время положительных полупериодов, когда напряжения сигнала и смешения противоположны и, следовательно, отрицательное напряжение на базе уменьшается, токи в обеих цепях тоже уменьшаются. Происходит усиление по напряжению и току. Если нагрузкой транзистора будут не телефоны, а резистор, то создающееся на нем напряжение переменной составляющей усиленного сигнала можно будет подать во входную цепь второго транзистора для дополнительного усиления. Один транзистор может усилить сигнал в 30 — 50 раз. Точно так работают и транзисторы структуры n — p — n. Но для них полярность включения батареи, питающей цепи базы и коллектора, должна быть не такой, как у p — n — р транзиторов, а обратной поэтому n — p — n транзисторы еще называют обратными. Нужно запомнить: для работы транзистора в режиме усиления на его базу (относительно эмиттера) вместе с напряжением усиливаемого сигнала обязательно должно подаваться постоянное напряжение смещения, открывающее транзистор и устраняющее искажение типа ступенька, к этому типу искажений сигнала мы еще вернемся. Для германиевых транзисторов оно должно составлять 0,1-0,2 В, а для кремниевых транзисторов 0,5-0,7 В. Напряжение смещения на базу не подают лишь в тех случаях, когда эмиттерный переход транзистора используют для детектирования радиочастотного модулированного сигнала.

 

Переходим к следующему уроку !

Биполярные транзисторы. Характеристики и схемы соединений

Открытие полупроводников позволило создать не только диоды и тиристоры, но и тоже не менее популярные усилительные устройства – транзисторы. Они активно применяются в электронике и схемотехнике, а также современный прогресс позволил применять их и в силовой электронике. Более подробно мы рассмотрим биполярные транзисторы в этой статье.

Содержание:

• Структура и принцип работы транзистора
• Схемы соединения транзисторов
• Общая база
• Схема с общим эмиттером
• Схема с общим коллектором
• Мощность транзисторов
• Конструктивные особенности биполярных транзисторов

Структура и принцип работы транзистора

В отличии от тиристоров и диодов, транзистор имеет двух переходную структуру. Она может быть двух видов – p-n-p проводимость, в которой по средине расположен полупроводник с электронной проводимостью, а по бокам с дырочной. Схема ниже:

Или же n-p-n:

Каждый из этих переходов имеет особенности обычных диодов. Если к левому переходу приложить напряжение в прямом направлении (положительный потенциал к р-полупроводнику, а негативный к n-полупроводнику), то в левом переходе появится прямой ток. Основные носители начнут переходить с левого полупроводника в средний, где они станут уже не основными. Если же к правому переходу приложить напряжение обратной полярности, то основные носители не будут создавать ток. При этом будет существовать только ток, который создается неосновными носителями. Но если в средней зоне появится значительное количество неосновных носителей за счет диффузии через левый переход, то и в правом переходе ток возрастет. Таким образом можно регулировать ток правого перехода, изменением его в левом переходе. Средний полупроводник зовут базой (на схеме Б), тот, к которому напряжение приложено в прямом направлении – эмиттером (на схеме Е), а в обратном – коллектором (К). На рисунках выше показаны обозначение транзисторов на принципиальных схемах. Вывод эмиттера показан стрелкой. Поскольку в работе транзистора принимают участия носители обеих знаков – его называют биполярным.

Основные носители эмиттера, что проникают в базу, создают ток коллектора I_к, но некоторая их часть (примерно 1-2%) отправляется в базу. Все три тока подчиняются первому закону Кирхгофа I_E =I_б+I_к. если такое выражение справедливо для токов, то оно будет справедливо и для его приращений  ∆I_E =∆I_б+∆I_к.

Схемы соединения транзисторов

Существует три схемы соединения транзистора: с общей базой, с общим эмиттером и коллектором соответственно. Рассмотрим детальней каждую из них.

Общая база

Схема будет выглядеть так:

В данном случае входным током будет I_Е, а выходным I_К. Коэффициентом усиления называют зависимость приращения тока коллектора от тока эмиттера и он имеет вид h_21б=  ∆I_к/∆I_E. Поскольку ∆I_E =∆I_б+∆I_к, то h_21б<1. Обычно h_21б= 0,98÷0,99, поскольку I_б составляет 1-2% от I_E.

Вольт-амперная характеристика транзистора при отсутствии тока эмиттера представляет собой обратную характеристику диода (между коллектором и базой напряжение обратной полярности). Если создать ток между эмиттером и базой, возрастет ток (будем обозначать далее как I) коллектора. При различных значениях I_Е будут различные значения вольт-амперных характеристик транзистора, которые создают, так называемое семейство характеристик транзистора, которые приведены ниже:

Зависимость I от приложенного между ним и базой напряжения (входная характеристика транзистора) представляет собой ничто иное  как прямую ветку характеристику диода. Также на I эмиттера оказывает влияние и напряжение между коллектором и базой и чем оно выше, тем сильнее характеристика смещается влево, как показано на рисунке ниже:

Но данное смещение наблюдается только в промежутке от 0 до 10 В, при увеличении напряжений характеристики смещаться не будут. Поскольку большинство транзисторов работают при U_К>10 В, то входную характеристику считают независимой от входного напряжения.

Схема с общим эмиттером

Такая схема включения дает реальное усиление выходного тока I. Схема ниже:

Коэффициент усиления это как и раньше отношение выходного I к входному, но теперь входным будет I_Б, так что получим:

Если учесть что h_21б= 0,98÷0,99; имеем h_21Е= 50÷98, что значительно выше единицы. Это главное преимущество этой схемы.

Вольтамперные характеристики схемы с общим эмиттером ОЭ напоминают те, что соответствуют схеме с общей базой ОБ, но расположены в первом квадранте и показаны ниже:

Здесь имеем два p-n перехода с потенциальным барьером, электрические поля в которых направлены встречно и взаимно компенсируются, поэтому при U_К=0, коллекторный I не возникает. Характеристики будут смещаться относительно I_Б, который в данном случае будет входным.

Входная характеристика практически такая же, как и для схемы с ОБ, так как соответствует одному и тому же переходу, но из-за того, что полярность входного напряжения относительно коллекторного в этой схеме противоположная, характеристика при росте U_К смещается вправо и показана ниже:

И здесь она при U_К>10 В от дальнейшего возрастания U_К не зависит.

Для расчета и анализа усилителей необходимо использовать эквивалентную схему транзистора. Ее можно создать исходя из эквивалентной схемы диода. Поскольку транзистор являет собой два диода, совмещенных в одном корпусе, то эмиттерный переход будет находится под прямым напряжением. Чтоб учесть смещение входной характеристики в зависимости от входного напряжения коллектора, источник Е выразим как h_12БU_К, пропорциональным U_K. Сопротивление эмиттерного перехода обозначим как h_11Б. схема будет иметь следующий вид:

Схема с общим коллектором

Эта схема практически ничем не отличается от эмиттерной и ее эквивалентная схема может быть такой же. Но тому, что выходные (вольтамперные) характеристики практически горизонтальные, их пересечения с горизонтальной осью найти практически невозможно. Как известно из курса электротехники последовательное включение резистора с источником напряжения можно заменить на параллельное соединение резистора с источником тока, величина которого найдется как ордината точки пересечения характеристики с осью токов. Поскольку выходная характеристика будет смещаться относительно I_Е, учтем это путем введения источника тока h_21БI_Е, пропорционально входному I_Е. Наклон выходной характеристики определит нам проводимость коллекторного перехода, которая имеет обозначение h_22Б. Построенная таким образом схема будет полностью соответствовать эквивалентной схеме транзистора:

Буква Б в данном случае указывает на то, что данная схема соответствует соединению с общей базой ОБ.

Применив к левой части второй закон Кирхгофа, а к правой первый, получим:

Оба эти уравнения создают так называемую систему гибридных параметров, чем и обосновывается буква h. Если выписать все коэффициенты уравнений (параметры) в таблицу (определитель), то первый цифровой  индекс будет указывать на номер строки, а второй на номер столбца. При этом двое из этих параметров – коэффициент усиления тока h_21Б и коэффициент обратной связи по напряжению h_21Б размерности не имеют. Входное сопротивление h_11Б, измеряется в омах, а выходная проводимость h_22Б в сименсах.

Также для схемы с ОЭ существует такая  же система параметров и подобная эквивалентная схема:

Различие между схемами состоит в том, что вместо буквы Б использована буква Е. Уравнения для этой системы будут иметь вид:

На практике считается что h_12Б= h_12Э=0, поскольку при U_К>10 В смена коллекторного напряжения на выходную характеристику не влияет. Между параметрами различных схем соединений существуют следующие зависимости:

Мощность транзисторов

Все изготовляемые транзисторы разделяют на три основных группы по мощности, которая может быть выделена на коллекторе и равна произведению тока на напряжение, что приложено к коллектору:

• Транзисторы малой мощности, их мощность лежит в пределах 0<P_K<0,3 Вт;
• Транзисторы средней мощности – их пределы 0,3 Вт< P_K< 1,5 Вт;
• Мощные транзисторы Р_К больше 1,5 В.

Мощность ограничивается граничной температурой, при превышении которой может произойти тепловой пробой.

Конструктивные особенности биполярных транзисторов

На самом деле конструктивное оформление биполярных транзисторов довольно разнообразно. Давайте рассмотрим конструкцию этих элементов на примере транзистора, показанного ниже:

На массивном металлическом основании 4 размещают кристалл полупроводника 1, который имеет, к примеру, электронную проводимость. На противоположной стороне кристалла относительно грани сделаны две напайки 2 и 3 например с индию, под которым будут создаваться зоны с дырочной проводимостью. Один из этих элементов будет коллектором, а второй эмиттером – сам кристалл базой. Для всех элементов реализованы выводы, а вся конструкция накрыта корпусом во избежание механических повреждений и попадания влажности. Металлическая основа 4 отводит тепло от устройства. В более мощных устройствах могут применять радиаторы, для более высокой теплоотдачи.

Конфигурации транзисторных схем

» Примечания по электронике

В схемах транзисторов

используется одна из трех конфигураций транзисторов: общая база, общий коллектор (эмиттерный повторитель) и общий эмиттер — одна из них выбирается в процессе проектирования электронной схемы.

---

Учебное пособие по проектированию схем транзисторов Включает:
Расчет схем транзисторов Конфигурации цепи Общий эмиттер Схема с общим эмиттером Повторитель эмиттера Общая база

См. также: Типы транзисторных схем

---

При рассмотрении конструкции электронной схемы для транзисторной схемы можно использовать три различные базовые конфигурации схемы.

Три различные конфигурации схемы транзистора: общий эмиттер, общая база и общий коллектор (эмиттерный повторитель). Эти три конфигурации схемы имеют разные характеристики, и для схемы будет выбран один тип в зависимости от того, что требуется.

Каждый из них имеет различные свойства с точки зрения коэффициента усиления, входного и выходного импеданса и т. д., и в результате в процессе проектирования электронной схемы будет выбрана конкретная конфигурация.

Каждая из различных топологий транзисторов имеет входы и выходы, применяемые к разным точкам, с одной общей клеммой для входа и выхода.

В дополнение к выбору правильной конфигурации схемы или топологии на этапе проектирования электронной схемы, чтобы обеспечить требуемую базовую производительность, вокруг транзистора размещаются дополнительные электронные компоненты: обычно это резисторы и конденсаторы, а значения рассчитываются для получения точной требуемой производительности. .

Как выбор топологии, так и расчет номиналов электронных компонентов являются ключевыми элементами процесса проектирования электронных схем.

Конфигурации транзисторных цепей

Название трех основных конфигураций транзисторов указывает на клемму транзистора, которая является общей как для входных, так и для выходных цепей. Это приводит к трем терминам: общая база, общий коллектор и общий эмиттер.

Транзистор 2N3553 в металлическом корпусе ТО39

Термин «заземленный», то есть заземленная база, заземленный коллектор и заземленный эмиттер, также может использоваться в некоторых случаях, поскольку сигнал общего элемента обычно заземлен.

Существуют конфигурации эквивалентных схем для полевых транзисторов, а также термоэлектронных клапанов/вакуумных ламп. Эти конфигурации имеют одинаковые типы свойств, хотя и немного модифицированные для типа используемого электронного устройства.

Для полевых транзисторов используются такие термины, как общий сток, общий исток и общий затвор, а для клапанов/трубок терминология включает общий катод, общий анод и общую сетку.

Конфигурация транзистора с общей базой

В алфавитном порядке это первая конфигурация транзистора, но, вероятно, она используется реже всего.

Эта конфигурация транзистора обеспечивает низкий входной импеданс при высоком выходном импедансе. Несмотря на высокое напряжение, коэффициент усиления по току низкий, а общий коэффициент усиления по мощности также невелик по сравнению с другими доступными конфигурациями транзисторов. Другая существенная особенность этой конфигурации заключается в том, что вход и выход находятся в фазе.

Эта конфигурация транзистора, вероятно, используется реже всего, но она дает преимущества, заключающиеся в том, что база, общая для входа и выхода, заземлена, и это дает преимущества в уменьшении нежелательной обратной связи между выходом и входом для различных приложений проектирования радиочастотных схем. Это происходит потому, что база, которая физически является электродом между эмиттером и коллектором, заземлена, тем самым обеспечивая барьер между ними.

В результате конфигурация с общей базой обычно используется для ВЧ-усилителей, где повышенная изоляция между входом и выходом обеспечивает более высокий уровень стабильности и снижает вероятность нежелательных колебаний. Как подтвердит любой, кто занимается радиочастотным проектированием, это очень полезный атрибут.

Кроме того, низкий входной импеданс часто может обеспечить хорошее согласование с 50 Ом, что является полезным атрибутом для многих сценариев проектирования ВЧ.

Схема общей базы транзисторов

Подробнее о . . . . Транзисторный усилитель с общей базой.

Общий коллектор (эмиттерный повторитель)

Конфигурация схемы с общим коллектором, возможно, более широко известна как эмиттерный повторитель, поскольку напряжение эмиттера следует за напряжением базы, хотя оно ниже по напряжению на величину, равную напряжению включения перехода база-эмиттер.

Повторитель с общим коллектором и эмиттером обеспечивает высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление. Коэффициент усиления по напряжению равен единице, хотя коэффициент усиления по току высок. Входной и выходной сигналы совпадают по фазе.

Ввиду этих характеристик конфигурация эмиттерного повторителя широко используется в качестве буферной схемы, обеспечивающей высокий входной импеданс для предотвращения нагрузки предыдущего каскада и низкий выходной импеданс для управления последующими каскадами.

Конфигурация цепи транзистора с общим коллектором

Как видно из схемы, в этой конфигурации транзистора электрод коллектора является общим как для входной, так и для выходной цепи. Несколько дополнительных электронных компонентов используются с резистором для эмиттера, возможно, конденсаторами на входе и выходе и резисторами смещения на базе, если это необходимо. В некоторых случаях эмиттерный повторитель может быть напрямую соединен с предыдущим каскадом, поскольку выходное постоянное напряжение может подходить для схемы повторителя. Это означает, что требуется очень мало дополнительных электронных компонентов.

Подробнее о . . . . Усилитель на транзисторах с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

Конфигурация транзистора с общим эмиттером

Эта конфигурация транзистора, вероятно, наиболее широко используется. Схема обеспечивает средний уровень входного и выходного импеданса. Усиление как по току, так и по напряжению можно охарактеризовать как среднее, но выходной сигнал является обратным входному, то есть изменение фазы на 180°. Это обеспечивает хорошую общую производительность и часто является наиболее широко используемой конфигурацией.

Конфигурация схемы транзистора с общим эмиттером

Как видно из схемы, в этой конфигурации транзистора эмиттерный электрод является общим как для входной, так и для выходной цепи.

Подробнее о . . . . Усилитель на транзисторах с общим эмиттером.

Сводная таблица конфигурации схемы транзистора

В таблице ниже приведены основные характеристики различных конфигураций транзисторов. При проектировании транзисторной схемы важным аспектом является не только коэффициент усиления, но и такие параметры, как входное и выходное сопротивление.

Сводная таблица конфигурации транзисторов
Конфигурация транзистора	Общая база	Общий коллектор (эмиттерный повторитель)	Общий эмиттер
Коэффициент усиления по напряжению	Высокий	Низкий	Средний
Коэффициент усиления по току	Низкий	Высокий	Средний
Прирост мощности	Низкий	Средний	Высокий
Отношение фазы ввода/вывода	0&градус	0°	180°
Входное сопротивление	Низкий	Высокий	Средний
Выходное сопротивление	Высокий	Низкий	Средний

Дополнительные электронные компоненты

Какая бы форма подтверждения транзистора ни была выбрана на этапе проектирования электронной схемы, вокруг транзистора потребуются дополнительные компоненты: резисторы для установки точек смещения и конденсаторы для обеспечения связи и развязки.

Схема транзистора с общим эмиттером, показывающая дополнительные компоненты, необходимые для обеспечения смещения, связи и развязки и т. д.

В этой схеме усилителя с общим эмиттером базовая конфигурация устанавливает базовые условия схемы: средний входной импеданс, средний выходной импеданс, приемлемое напряжение выигрыш и тому подобное. Затем рассчитываются дополнительные электронные компоненты, чтобы обеспечить требуемые рабочие условия помимо этого.

Каждый из электронных компонентов должен быть рассчитан на этапе проектирования электронной схемы, чтобы обеспечить требуемую производительность.

Хотя общий эмиттер, вероятно, чаще всего будет встречаться с электронными компонентами, такими как резисторы и конденсаторы, при использовании для проектирования радиочастотных цепей такие компоненты, как катушки индуктивности и трансформаторы, также могут быть включены в схему. То же самое верно и для других конфигураций транзисторных схем.

Наиболее часто используемой схемой является схема с общим эмиттером, которая используется во многих каскадах усилителя, обеспечивающих усиление по напряжению. Также широко используется эмиттерный повторитель или общий коллектор. Обеспечивая высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс, он действует как буфер и обеспечивает только усиление по току — его усиление по напряжению равно единице. Общая база используется в более специализированных приложениях и встречается значительно реже.

Дополнительные схемы и схемы:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Транзисторная конструкция Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы схемы полевых транзисторов Символы цепи
    Вернитесь в меню проектирования схем . . .

Понимание конструкции схемы транзистора » Электроника Notes

Разработка электронной схемы с использованием биполярных транзисторов довольно проста с использованием простых принципов проектирования и нескольких уравнений.

---

Учебное пособие по проектированию схем транзисторов Включает:
Расчет схем транзисторов Конфигурации цепи Общий эмиттер Схема с общим эмиттером Повторитель эмиттера Общая база

См. также: Типы транзисторных схем

---

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

Хотя при использовании дискретных электронных компонентов с транзисторами используется больше компонентов, можно адаптировать схему для обеспечения именно той функциональности, которая требуется. Соответственно схемы с использованием дискретных транзисторов и нескольких дополнительных электронных компонентов до сих пор лежат в основе проектирования электронных схем.

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

BC547 Транзистор с пластиковыми выводами

Основы биполярного транзистора

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

Транзисторы производятся в различных форматах и ​​могут быть получены для выполнения различных функций от слабого сигнала до высокой мощности, от аудио до ВЧ и коммутации.

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

Хотя транзисторы NPN более широко используются, это не означает, что транзисторы PNP не используются. Они часто находят применение, дополняя NPN-транзисторы и некоторые другие схемы.

Базовая структура транзистора и символы схемы

Примечание по устройству биполярного транзистора:

Биполярный транзистор представляет собой устройство с тремя выводами, обеспечивающее усиление по току, когда ток коллектора в В раз превышает ток базы. Биполярный транзистор широко доступен, и его производительность оптимизируется в течение многих лет.

Подробнее о Биполярный транзистор и принцип его работы

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

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

Заметка об истории транзисторов:

Биполярный транзистор был изобретен тремя исследователями, работающими в Bell Laboratories: Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли. Они работали над идеей использования эффекта поля для управления током в полупроводнике, но не смогли воплотить эту идею в жизнь. Они обратили внимание на другую возможность и сделали трехконтактное устройство, используя два близко расположенных точечных контакта на германиевой пластине. Эта идея сработала, и они смогли продемонстрировать, что в конце 1949.

Подробнее о Биполярный транзистор История

Расчетные параметры схемы транзистора

Прежде чем приступить к разработке электронной схемы для транзисторной схемы, необходимо определить требования к схемам: некоторые основные параметры, связанные с транзисторными схемами.

В требованиях к конструкции транзисторной схемы может быть указан ряд параметров:

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

  Коэффициент усиления по напряжению является одной из ключевых целей многих схем, поскольку он обеспечивает «размер»

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

  Есть много примеров этого: ВЧ-генератору часто требуется буферный каскад, чтобы гарантировать, что сама схема генератора не будет чрезмерно нагружена, но выход необходим для управления другими схемами. Коэффициент усиления по току также используется в цепях питания, где элемент последовательного прохода регулятора напряжения должен обеспечивать значительные уровни тока, но с использованием опорного напряжения с низким током. Есть много других примеров, где требуется усиление по току.

  Как и усилитель напряжения, коэффициент усиления по току схемы сравнивает входной и выходной уровни, но по току. Коэффициент усиления по току равен выходному току, деленному на входной ток.

• Входное сопротивление: Входное сопротивление транзисторной схемы всегда важно. Он определяет нагрузку на предыдущий каскад, а также важен в радиочастотных цепях, где важным параметром является согласование импеданса.

  Во многих электронных схемах желателен высокий входной импеданс, поскольку это означает, что предыдущий каскад не слишком нагружен. Если входное сопротивление транзисторной схемы слишком низкое, то она будет нагружать предыдущую, снижая уровень сигнала и, возможно, в некоторых случаях вызывая искажения. Настройка транзисторного каскада для обеспечения правильного входного импеданса является ключевым элементом процесса проектирования электронной схемы.

• Выходное сопротивление:   Также важно выходное сопротивление. Если транзисторная схема управляет схемой с низким импедансом, то ее выход должен иметь низкий импеданс, в противном случае в транзисторном выходном каскаде возникнет большое падение напряжения, а в некоторых случаях может произойти искажение сигнала.

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

• Частотная характеристика:  Частотная характеристика — еще один важный фактор, влияющий на конструкцию транзисторной схемы. Конструкции низкочастотных или звуковых транзисторных схем сильно отличаются от тех, которые используются для радиочастотных приложений. Также выбор электронных компонентов в схеме определяет характеристику: транзисторы, а также номиналы конденсаторов и резисторов в конструкции электронной схемы влияют на частотную характеристику.

  На начальном этапе проектирования схемы необходимо иметь определенные требования к требуемой частотной характеристике, а затем схема может быть спроектирована с учетом этого требования.

• Напряжение и ток питания:  Одним из ключевых параметров любой цепи являются требования к питанию с точки зрения необходимого напряжения и тока. Таким образом, можно гарантировать, что правильное напряжение будет обеспечено с требуемой способностью по току на этапе проектирования электронной схемы.

• Рассеиваемая мощность: Другим параметром, тесно связанным с напряжением и током, подаваемым в цепь, является рассеиваемая мощность. Если рассеиваемая мощность высока, то могут потребоваться меры для охлаждения и общего отвода тепла от схемы и, в частности, от любых электронных компонентов, которые могут рассеивать большое количество тепла. Обычно это транзистор, но другие компоненты тоже могут рассеивать тепло.

Функция цепи транзистора

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

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

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

Принят базовый формат и определены значения электронных компонентов для обеспечения требуемой производительности.

Часто это требует небольшого экспериментирования, но в наши дни программное обеспечение для моделирования цепей способно точно воспроизвести операцию для схемы, так что значения электронных компонентов могут быть оптимизированы для требуемой производительности и функциональности.

Конфигурация или топология схемы транзистора

Какой бы ни была общая функция схемы, в начале процесса проектирования электронной схемы также необходимо учитывать топологию.

Схемы транзисторов

могут быть разработаны с использованием различных топологий, каждая из которых предлагает различные характеристики, особенно с точки зрения входного и выходного импеданса.

Эти топологии конфигураций выбираются в соответствии с требованиями к конструкции электронной схемы и включают общий эмиттер, общий коллектор или эмиттерный повторитель и общую базу.

Подробнее о . . . . Конфигурации / топологии транзисторных цепей.

Процесс проектирования схемы транзистора

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

• Определение требований: Определение реальных требований является важным этапом, правильное выполнение которого будет означать, что концепция схемы не изменится в дальнейшем.

• Определение функции и топологии схемы:  После того, как общие требования к электронному устройству будут установлены, необходимо определиться с фактической схемой транзистора. Например, существует множество схем генератора, фильтров, усилителей и т. д. для транзисторов, и можно выбрать оптимальный тип для конкретных требований. Это часто также определяет реальную топологию схемы, т. е. использование общего эмиттера, общего коллектора, общей базы, но в противном случае это может стать частью общего принятия решений в настоящее время, поскольку нагрузка на генераторы, усиление, выходное сопротивление и т.п. можно рассмотреть в это время.

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

• Определение функциональных значений электронных компонентов:   Наряду с установкой условий смещения необходимо определить значения для других электронных компонентов, обеспечивающих функциональность схемы. Эта часть процесса проектирования электронной схемы продолжается вместе с настройкой условий смещения, поскольку значения одного будут влиять на другое, и наоборот.

• Пересмотрите значения электронных компонентов для смещения и функции:   При заданных значениях схемы всегда требуется небольшая итерация, чтобы сбалансировать требования к смещению и общей функциональности схемы. Скорее всего, в этом процессе будет какая-то итерация.

• Тестовая схема:   Проверка схемы является ключевым элементом любой конструкции. Часто во многих лабораториях есть программное обеспечение для моделирования цепей, поэтому схему можно смоделировать до того, как она будет построена, чтобы устранить большинство проблем. Однако окончательный тест состоит в том, чтобы построить и запустить схему в условиях, максимально приближенных к условиям эксплуатации.

• Доработка и модификация:   Часто возникает необходимость модифицировать электронную схему. Если это требуется, то он дорабатывается и тестируется с новыми номиналами электронных компонентов, компоновкой и т.д.

Они представляют собой некоторые из основных параметров схемы, необходимых для проектирования транзисторной схемы. Знание этих параметров может повлиять на выбор конфигурации схемы и, безусловно, на определение номиналов компонентов и многих других факторов.

Соответственно, необходимо знать параметры, определяющие работу транзисторной схемы, прежде чем можно будет приступить к разработке.

Больше схем и схемотехники:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Транзисторная конструкция Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы схемы полевых транзисторов Символы цепи
    Вернитесь в меню проектирования схем . . .

Некоторые простые схемы транзисторов и интегральных схем

---

» Перейти к дополнительным материалам

Эта статья началась как попытка ответить на два вопроса, заданных на Техническом форуме здесь, в Гайки и болты . Вопросы были следующими:

06192 — LED Fader, Cindi Carrillo
Мне нужен простой метод медленного плавного уменьшения яркости светодиода от яркого до тусклого, затем снова до яркого примерно за две секунды, затем продолжайте повторять. У кого-нибудь есть схема, которая не требует IC?

и

06193 — Путаница с транзисторами, Дональд Бодин, Миддлхэм, Великобритания
Что определяет, какой тип транзистора использовать в данной схеме? Являются ли они взаимозаменяемыми с другими типами, которые у меня уже есть?

Единственная связь между этими двумя вопросами — транзистор.

Я начну с демонстрации двух схем, которые я собрал вместе, которые демонстрируют, что — по крайней мере иногда — можно использовать транзисторы NPN и PNP для одной и той же задачи. Я начал с самых простых схем транзисторов, которые нашел на https://www.electronics-tutorials.ws для двух типов биполярных транзисторов.

Конкретно для NPN было https://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_2.html ; для PNP это был https://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_3.html .

Я решил использовать эту информацию для создания двух схем — одной для транзистора NPN и другой для транзистора PNP — чтобы просто управлять сверхъярким белым светодиодом. Я придумал тестовые схемы, показанные на схемах 1 и 2 .

СХЕМА 1. Базовая схема драйвера светодиода PNP .

• R1 ~ 1 кОм Переменный, вкл./выкл. ~ 287 Ом/133 Ом
• V1 ~ Вкл/Выкл – 0,73 В/0,02 В
• R2 ~ 1,6 кОм
• V2 Вкл. /Выкл. ~ 0,67 В/-2,4 В или -4,3 В
• R3 ~ 510 Ом
• Блок питания ~ 4,5 В (не 9 В)

---

ФОТО 1. Драйвер светодиода PNP.

---

СХЕМА 2. Базовая схема драйвера светодиода NPN.

• R1 ~ 1 кОм Переменный, вкл./выкл. ~ 96 Ом/7,0 кОм
• V1 ~ Вкл/Выкл – 0,70 В/0,40 В
• R2 ~ 1,6 кОм, В
• V2 ~ Вкл./Выкл. ~ Не измерено
• R3 ~ 510 Ом
• Блок питания ~ 4,5 В (не 9 В)

---

ФОТО 2. Драйвер светодиода NPN.

---

Они оба работали нормально, хотя значения, которые лучше всего работали для резисторов, были немного разными для каждого. Первоначально я использовал 4,5 вольта в качестве источника и не менял номиналы резисторов, когда использовал девять вольт. Я установил стандарт на девять вольт из-за двух схем, которые я нашел для создания прямоугольной и синусоидальной волн:

• Q1 PNP = 2N3906 (сначала я попробовал транзистор RadioShack Red PNP, других маркировок нет).
• Q1 для NPN представлял собой биполярный транзистор SI BC549CTA NPN; Я также тестировал 2N4401 и 2N3904.

ПРИМЕЧАНИЕ: Друг сказал мне, что было бы лучше поставить переменный резистор в положение R2 от основания к земле, а не в положение R1. Вы можете понять, почему? Вот Подсказка 1: в данном случае это действительно не имеет значения, но в некоторых других случаях определенно может. Если вам это нужно, вот Подсказка 2: Думайте о текущем моменте.

Если вы используете разные транзисторы, вам, возможно, придется использовать разные значения резисторов R1 и R2. Для некоторых транзисторов я использовал переменный резистор на 100 кОм. Цель состоит в том, чтобы получить 0,7 В, необходимые для включения транзистора. Ваш опыт может отличаться от моего. Для более сложных работ я нашел сайт, который помогает понять, какой транзистор следует использовать и почему по адресу https://www.controldesign.com/articles/2016/how-to-decide-between-pnp-and-npn. .

Работая над двумя вышеприведенными схемами, я узнал, что сверхъяркий белый светодиод можно заставить плавно включаться и выключаться при различных значениях сопротивления R1. Это привело меня к выводу, что можно сделать простую транзисторную схему для схемы плавного включения/выключения. Тем не менее, первая схема, которую я собрал, возникла из идеи, вдохновленной классом для начинающих, который проводил Ойвинд Даль (его бесплатный курс для начинающих находится в https://www.build-electronic-circuits.com ). Я подписался на него, чтобы посмотреть, подойдет ли он для моих внуков. В этом классе он дал очень интересное использование инвертора. Еще один сайт, о котором он говорил и работает, — https://ohmify.com . Это членский сайт, который стоит денег каждый год, если вы не присоединитесь к нему в качестве пожизненного члена за ~ 500 долларов.

Схема инвертора триггера Шмитта

Схема этого класса привела меня к использованию одного инвертора шестигранного инвертора триггера Шмитта (SN74LS14/CD40106BE) для генерации прямоугольной волны. Затем я использовал простую схему резисторно-конденсаторного фильтра, чтобы получить что-то вроде синусоиды. В конце концов, я не стал возиться с синусоидой, когда сделал ее похожей на треугольную. Это работало нормально для затухания светодиода.

Конденсаторы были выбраны путем тестирования различных значений, а затем работы с ними для увеличения значений до тех пор, пока на выходе не будет достаточно хорошей треугольной волны, чтобы управлять светодиодом приблизительно с требуемым периодом/частотой. Желаемое время должно было исчезнуть, а затем исчезнуть через две секунды. Я указал значение конденсатора C1, которое я использовал, чтобы приблизиться к этому в Схема 3 .

СХЕМА 3. Триггер Шмитта, управляемый инвертором включения-выключения.

ФОТО 3. Триггерный инверторный фейдер Шмитта.
ВИДЕО 1. SimpleLED_Fader.MPG.

---

Следующая схема использует микросхему таймера 555 для прямоугольной волны. Небольшое замечание о микросхеме 555: у меня всегда возникают проблемы с этой микросхемой, когда я использую полоску для тестирования схемы. Я никогда не смогу получить время выключения прямоугольной волны близко к тому же времени, что и время включения. Если я создаю схему и подключаю только конденсатор, она работает так, как хотелось бы, с почти одинаковым временем включения и выключения (1 и 0). Нам нужно примерно одно и то же время для включения и выключения, чтобы у нас было время, чтобы светодиод включался и выключался примерно за одинаковое количество времени (одна секунда на каждое затухание), чтобы он выглядел хорошо. Используемая схема показана на Схема 4 с емкостью конденсатора, необходимой для приближения к двухсекундному времени включения и выключения.

СХЕМА 4. Схема 555 для прямоугольной волны.

---

ФОТО 4. Таймер-фейдер 555.
ВИДЕО 2. Simple555LED_Fader.MPG.

---

Эта схема имела период около двух секунд. Под этим я подразумеваю, что потребовалось около двух секунд, чтобы переключиться от полного включения к выключению. Для схемы формирования волны я использовал ту же общую схему, что и для схемы триггера Шмитта, но с другими значениями конденсаторов. Это показано в Схема 5 .

СХЕМА 5. Общая схема формирования волны.

---

Для схемы 555 использовались следующие значения для схемы формирования волны:

R2, R3 и R4 = 1 кОм
R5 = 220 Ом
C2 = 100 мкФ
C3 = 150 мкФ
C4 = 100 мкФ

Одна транзисторная схема

Последняя схема была запрошенной: простая схема транзисторного генератора. В этой схеме использовался NPN-транзистор 2N3904 и, опять же, несколько резисторов и конденсаторов, чтобы получить время, близкое к требуемым двум секундам. Обратите внимание, что светодиодная часть этой схемы сильно отличается от двух других схем. Это связано с тем, что если вы попытаетесь управлять светодиодом непосредственно от транзисторного генератора, светодиод в конечном итоге поглотит сигнал, необходимый транзистору для синусоиды.

Я мог бы добавить вторую транзисторную схему драйвера светодиода, но я хотел посмотреть, смогу ли я придумать схему с одним транзистором для формирования синусоидальной волны, управления светодиодом и не останавливать работу генератора.

С этой целью я добавил небольшой колпачок и резистор гораздо большего размера параллельно, чтобы управлять светодиодом и не затухать колебания, а также управлять светодиодом почти до его полной яркости. Первоначально я начал с резистора 100 кОм, который был довольно тусклым, и уменьшил его до резистора 10 кОм. Это вернуло его к полной яркости, по крайней мере, насколько я мог судить. взгляните на Схема 6 .

СХЕМА 6. Простая схема плавного включения/выключения транзистора.

---

ФОТО 5. Однотранзисторный фейдер.
ВИДЕО 3. 1TransistorFader.MPG.

---

One More Thing

Схемы преобразователя синусоидальной волны и прямоугольной формы в синусоидальную можно найти в схемах фейдеров. Оба они были найдены в Интернете и использованы для создания окончательных схем фейдеров по мере необходимости. Я имею в виду, что если вы посмотрите на простую схему фейдера с одним транзистором, вы сможете увидеть синусоидальную схему в этой схеме.

Затем я добавил части для преобразования в более треугольное нарастание вверх/вниз, чтобы получить лучший эффект фейдера. Вы можете найти эти две схемы в Схемы 7 и 8 .

СХЕМА 7. Синусоидальная цепь.

---

СХЕМА 8. Схема преобразователя прямоугольной формы в синусоидальную.

---

Ни одна из этих цепей не должна рассматриваться как конечный продукт. Они делают то, что я хотел, но вы можете поиграть со значениями и/или добавить больше частей, чтобы увидеть, сможете ли вы получить желаемый эффект от светодиода.

Заключение

Я надеюсь, что это поможет другим, кто может подумать: «Я не могу этого сделать», когда ищет в Nuts & Volts прошлые статьи, которые могут помочь. Кроме того, не забывайте искать в Интернете, как делать основные вещи, которые вам нужны. Затем поэкспериментируйте и создайте базовую схему, которую вы нашли, чтобы увидеть, сможете ли вы заставить свою модифицированную схему делать то, что вы хотите.

Не сдавайся! То, что вы хотите сделать, вероятно, проще, чем вы думаете. Может потребоваться некоторое время, чтобы понять достаточно, чтобы понять, как это сделать.

Вопросы на Техническом форуме побудили меня снова узнать о биполярных транзисторах. Не забывайте, что существуют также полевые транзисторы и их разновидности.

Вместо того, чтобы просматривать многочисленные книги по электронике, которые у меня есть, я отправился в Интернет. Найденная информация помогла освежить память об основных схемах транзисторов и тестировании. Мои эксперименты привели меня к ответу на первый вопрос. После использования цифровых схем и таких вещей, как процессоры Arduino или Raspberry Pi, чтобы просто программировать для заданного результата, мне потребовалось немного времени, чтобы вспомнить и заново изучить схемы аналоговых транзисторов. Так что, если такая старая собака, как я, может это сделать, я уверен, что и вы тоже сможете.

Я хочу, чтобы у тебя получилось лучше, чем у меня. Я заставил эти вещи работать к моему удовлетворению, но эти схемы, вероятно, не самые лучшие для этой работы. Итак, примите вызов и сделайте их лучше! Сообщите мне об этом. Удачных экспериментов! NV

---

Вы можете связаться со мной через мой сайт http://cs.yrex.com/ke3fl .

---

Загрузки

202004-Karras.zip

Что в архиве?
Видео

Транзисторы: более пристальный взгляд — Основы схемотехники

В этой статье мы рассмотрим внутреннюю физику транзисторов.

На известной диаграмме, показывающей, как работает транзистор (рис. 1), «транзисторный человек» наблюдает за датчиком, измеряющим базовый ток (I _B ), поступающий в транзистор. Затем он умножает ток базы на hFE транзистора и поворачивает потенциометр, чтобы установить ток коллектора (I _C ) в соответствии со значением, определяемым I _C = hFE * I _B .

Рисунок 1

Принцип работы транзисторов

Кремний — это полупроводниковый материал с четырьмя электронами на внешней электронной оболочке. Полупроводниковые свойства кремния можно улучшить, добавляя примеси, такие как фосфор или бор, в процессе, называемом легированием.

На рис. 2 ниже показан чистый кремний, четко связанный в кристаллической решетке. Точки — это электроны. На рис. 3 показана решетка при легировании кремния фосфором.

Атом фосфора имеет пять электронов, поэтому один электрон смещен. Этот электрон может свободно перемещаться в материале. Так изготавливаются полупроводниковые материалы N-типа. Приложение напряжения к материалу стимулирует поток электронов.

Рисунок 2	Рисунок 3	Рисунок 4

5. Рисунок 4. Отсутствие электрона создает электронную дырку. Электронные дырки могут свободно перемещаться по решетке. Так изготавливаются полупроводниковые материалы P-типа.

В транзисторах эти полупроводниковые материалы N- и P-типа соединены вместе, что позволяет контролировать направление и протекание электрического тока.

Биполярный NPN-транзистор, показанный ниже, использует как электроны, так и электронные дырки в качестве носителей заряда:

Нижние P- и N-переходы расположены вместе. Верхняя секция N-типа имеет сильнолегированную и слаболегированную области. Сильно легированная секция подключена к выводу коллектора, секция P подключена к базе, а нижняя секция N подключена к эмиттеру.

Когда слои N- и P-типа соединены вместе таким образом, все свободные электроны в материале N-типа пересекают соединение и собираются на дне материала P-типа, заполняя электронные дыры:

Электронные дыры также образуются в нижнем N-слое, образуя так называемую обедненную область. Точно так же в верхнем слое N-типа также появляется обедненная область, что эффективно делает его высокоустойчивым.

Как показано на диаграмме ниже, поскольку у нас небольшой ток в базе и большой ток в коллекторе, мы фактически имеем усиление по току. Так работает BJT или биполярный транзистор. Версии NPN и PNP точно такие же, за исключением того, что все слои и приложенные напряжения меняются местами:

Предположим, что к базе приложено медленно возрастающее положительное напряжение. В этом случае ток не течет, но область истощения становится все тоньше и тоньше, пока примерно при 0,6 В барьер не будет преодолен и он не начнет проводить ток. Это позволяет электронам течь от эмиттера к базе:

Приложение положительного напряжения к коллектору также притянет электроны из нижней области N и начнет течь ток (синяя стрелка). Высоколегированная область формирует более низкое «сопротивление», чем слаболегированная область. Это создает разность потенциалов, которая концентрирует заряд вблизи перехода. Более высокий положительный заряд в слабо легированной области притягивает все свободные электроны в области с более низким N, которые устремляются к коллектору.

Полевые и МОП-транзисторы

Ниже показан типичный полевой транзистор JFET или Junction Field Effect Transistor. Хотя конструкция сильно отличается от биполярного транзистора, принцип работы очень похож.

Junction Field Effect Transistor (JFET)

P- и N-переход, как и прежде, образует обедненную область, поэтому носители заряда недоступны для проведения. Следовательно, сток (D) и исток (S) имеют большое сопротивление между собой. Полевые транзисторы разрушают обедненный слой, прикладывая положительное напряжение к затвору (G), позволяя току течь между стоком и истоком (красная стрелка на схеме выше).

Полевые транзисторы на основе оксида металла или МОП-транзисторы имеют тонкий изолирующий слой из оксида металла, отделяющий затвор от материала P-типа. Приложение положительного напряжения к затвору создает поле в материале P-типа, которое снова очищает обедненную область, создавая канал проводимости. Это позволяет току течь между стоком и истоком.

Металлооксидный полевой транзистор (MOSFET)

Обозначения полевых транзисторов

Ниже приведены различные схематические обозначения для N-канальных и P-канальных JFET (слева) и MOSFET (справа):

Обратите внимание на направление стрелок. Они указывают, является ли транзистор P-типа или N-типа. Также обратите внимание на затвор, символически показанный отдельно от канала сток-исток в МОП-транзисторе.

Надеюсь, эта статья помогла вам понять, как работают транзисторы! Оставьте комментарий ниже, если у вас есть вопросы о чем-либо.

Руководство по использованию транзисторов

В наши дни с электроникой можно многое сделать, не обладая знаниями уровня EE. Но некоторые концепции могут быть сложными, например, выбор транзистора для сильноточной или высоковольтной схемы. В этой статье Джефф рассказывает об истории транзистора как устройства. Затем он расскажет вам, как выбрать и использовать транзистор в качестве переключателя или для других функций.

Многие из сегодняшних молодых хакеров не знакомы со многими основами, доступными тем, кто получает высшее образование в области электроники. Они могут исследовать использование микроконтроллеров (MCU) без этих знаний из-за низкой стоимости входа. С бесплатными инструментами и печатными платами стоимостью менее 20 долларов базовая программа «hello world» или «blinky» не требует никаких знаний, кроме подключения нескольких кабелей к их ПК. Я думаю, это здорово. Будем надеяться, что это дает искру воображения, которая вызовет идеи о том, как они могут использовать эту вновь обретенную силу.

Действительно, это правда. Эти живые умы могут легко подключать периферийные устройства, такие как моторы, динамики, кнопки, фонари и другие вкусности, не задумываясь о напряжении, токе, сопротивлении, мощности и других параметрах, составляющих схему нашего воображения. Пока они могут следовать рецептам ведущих, новички могут воспроизводить тысячи экспериментов других. И благодаря сообществу обмена этот список продолжает расти. Для тех, кто полностью на крючке, это может в конечном итоге завести в тупик, где их воображение, наконец, упрется в пресловутую каменную стену. Они захотят управлять чем-то, что не является «подключи и работай», или просто захотят сделать это сами.

Например, хотя большинство микроконтроллеров могут управлять светодиодом с током 10 мА, для более высоких токов требуется несколько внешних компонентов. Управление устройствами с более высокими токами или напряжениями требует использования транзистора того или иного типа. Но какой? С тысячами вариантов, с чего начать? Небольшая предыстория может помочь вам понять выбор, который вы должны сделать.

ТЕРМОЭЛЕКТРОННЫЕ КЛАПАНЫ

В начале 1900-х годов английский физик Джон Амброуз Флеминг обнаружил, что нагретая нить накала испускает электроны. В сочетании с отдельным контактом или пластиной в вакуумированной стеклянной колбе эти испускаемые электроны притягивались через зазор, когда пластина или анод были положительно заряжены по отношению к нити накала или катоду. Ток протекал только в одном направлении, и была создана первая диодная лампа (9).0449 Рисунок 1 ). Это было не самое эффективное устройство, так как требовался один источник питания для нити накала и дополнительный для смещения.

Несколько лет спустя американский изобретатель Ли де Форест добавил в смесь третий электрод, создав первую триодную лампу. Третий электрод или «управляющая сетка» или «сетка» позволяли использовать вакуумную лампу не только как выпрямитель, но и как переключатель или усилитель электрического тока. Это стало возможным за счет регулировки отдельного смещения на сетке, расположенной между катодом и анодом. Электроны будут предотвращены или им будет позволено течь через сетку к аноду.

В конечном итоге это привело к созданию двух самых технологически невероятных машин в нашей истории — радио и компьютера. Хотя многие ранние радиоустройства были портативными, они были довольно большими и тяжелыми, поскольку требовалось несколько батарей (, рис. 2, ). Ранние вычислительные машины были массивными, занимали много места и выделяли тысячи ватт тепла ( рис. 3 ).

— РЕКЛАМА—

—Реклама здесь—

• Рисунок 1
• Рисунок 2
• Рисунок 3

Рисунок 1
В 1904 году Амброуз Флеминг изобрел и запатентовал устройство, которое он назвал колебательным клапаном или термоэмиссионным диодом. Сегодня в США устройство Флеминга более известно как вакуумная трубка, а в Великобритании оно по-прежнему известно как термоэмиссионный клапан или вентиль. Мы думаем о диоде как о двух выводах. Но электровакуумная лампа должна иметь накаленную нить накала для испускания электронов, таким образом, три вывода — два для нити (катод) и один для пластины (анод) [1]. Рисунок 2
Радиоприемники 1930-х годов на батарейках в основном продавались для использования в сельской местности, где электричество еще не было. Эти радиостанции обычно назывались «фермерскими радиостанциями» и питались от так называемого «аккумуляторного блока», который содержал все батареи, необходимые для работы радиостанции [2]. Рисунок 3
Во время Второй мировой войны для взлома немецких и японских шифров использовались специальные цифровые компьютеры на электронных лампах, такие как Colossus. Военная разведка, собранная этими системами, была необходима для военных действий союзников. Каждый Колосс использовал от 1600 до 2400 электронных ламп [3].

Начало эры полупроводников наступило только в 1960-х годах. Отличительным отличием полупроводников от предыдущих ламповых или газообразных устройств была новая технология, основанная на полупроводнике и известная как твердотельные устройства. Полупроводниковое устройство работает, управляя электрическим током внутри твердого кристаллического куска полупроводникового материала, такого как кремний.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МАТЕРИАЛ

Все элементы (например, кислород, углерод и алюминий) состоят из атомов. Атом — это наименьшая частица материи, которая сохраняет свойства, необходимые для определения элемента. Он состоит из двух основных частей. Центр или «ядро» состоит из двух частиц, протона и нейтрона, а «оболочка» содержит вращающиеся по орбите частицы, называемые электронами. Существуют и другие субатомные частицы, но для обсуждения нам нужно рассмотреть только эти три.

Каждый элемент идентифицируется по его «атомному номеру», который представляет собой число протонов в его ядре, например, 8 для кислорода (O), 6 для углерода (C) и 13 для алюминия (Al). Элемент наиболее стабилен или «счастлив», когда количество его протонов (с положительным зарядом) и электронов (с отрицательным зарядом) равно, потому что заряды компенсируют друг друга. Элемент с зарядом называется ионом. Анионы лишены электронов и имеют положительный заряд. Катионы имеют дополнительные электроны и имеют отрицательный заряд. Любой элемент может иметь заряд, если число электронов не равно числу протонов в атоме.

Электроны, вращающиеся вокруг ядра, обычно вращаются в нескольких оболочках и подоболочках, каждая из которых может содержать максимальное количество электронов. Если у элемента более 2 электронов (что-то тяжелее водорода или гелия), дополнительные электроны не поместятся в ближайшую к ядру оболочку. Эта самая внутренняя оболочка, обозначенная «К», имеет единственную подоболочку «s», которая может содержать максимум 2 электрона.

Вторая оболочка, обозначенная «L», имеет две подоболочки: подоболочку «s» с 2 электронами и подоболочку «p» с 6 электронами. Третья оболочка, «M», имеет три подоболочки, подоболочку s» с 2 электронами, подоболочку «p» с 6 и подоболочку «d» с 10. Независимо от того, о каком элементе мы говорим, каждая оболочка (K, L, M и т. д.) содержит одинаковое максимальное количество электронов, а каждая подоболочка (s, p, d и т. д.) содержит одинаковое максимальное количество электронов. Однако распределение оболочек, подоболочек и электронов зависит от атомного номера (числа протонов) элемента.

Электроны в каждой подоболочке имеют некоторый энергетический уровень, зависящий от расстояния подоболочки от ядра: более низкая энергия для внутренних подоболочек и более высокая энергия для внешних подоболочек. Самые внутренние подоболочки заполняются до того, как какие-либо дополнительные электроны вынуждены перемещаться во внешнюю подоболочку или следующую оболочку. Следовательно, самая внешняя оболочка — единственная, которая может иметь меньше, чем максимальное количество электронов в подоболочке. Их называют «валентными электронами», и именно здесь происходит волшебство. Давайте посмотрим на некоторые примеры. В дальнейших обсуждениях в скобках указано количество электронов в соответствующих оболочках, от ближайшего к самому дальнему от ядра.

Медь (Cu) широко используется в качестве проводника. Его атомный вес равен 29, и у него 29 электронов на 4 оболочках (2-8-18-1). Единственный электрон в его самой внешней оболочке делает его нестабильным. Следовательно, это хороший проводник, поскольку его единственный валентный электрон может свободно перемещаться среди других атомов меди, стремящихся заполнить свои внешние оболочки. Когда больше электронов заполняет внешнюю оболочку, свободных валентных электронов становится меньше, и элемент становится более стабильным и хорошим изолятором. Нас интересуют элементы с обоими этими аспектами.

Углерод (C, 2-4), кремний (Si, 2-8-4), германий (Ge, 2-8-18-4) и олово (Sn, 2-8-18-18-4) четыре таких элемента. Атомы каждого из них имеют по 4 валентных электрона на своих внешних оболочках. Их ковалентная связь (обмен электронами) создает полную структуру решетки, что не обязательно является хорошим проводником.

ДОПИРОВАНИЕ И ДРУГИЕ

Начнем с хорошего изолятора, кремния, атомный номер 14 (Si, 2-8-4). Атом Si был бы счастлив иметь 8 электронов на своей внешней оболочке, поэтому он разделит свои 4 валентных электрона с 4 другими атомами Si, образуя кристаллическую структуру ковалентной связи (9).0449 Рисунок 4 ).

— РЕКЛАМА—

—Реклама здесь—

Для превращения Si в материал, который может проводить электричество, требуются свободные электроны, которые могут двигаться внутри кристалла. Процесс, известный как «легирование», может увеличить проводимость полупроводникового кремния. Существует два различных типа легирования: N-легирование и P-легирование. При обоих видах легирования в кристалл Si добавляется примесь (вещество, не являющееся кремнием).

P-легирование происходит, когда к кремнию добавляют такой элемент, как бор (B) с 3 валентными электронами ( Рисунок 5 ). Обратите внимание, что кристаллическая структура не завершена; атом B связывается только с 3 атомами Si, оставляя «дырку» (отсутствующий электрон), которая ищет дополнительный электрон. Если электрон кремния заполняет эту дырку, создается другая дырка, и дырка блуждает в поисках нового дома.

Легирование N происходит, когда фосфор (P) с 5 валентными электронами добавляется к Si, как показано на  Рисунок 6 . Обратите внимание, что кристаллическая структура завершена, но каждый атом фосфора добавил дополнительный электрон, которому не с чем связываться. Этот электрон бродит вокруг в поисках нового дома.

• Рисунок 4
• Рисунок 5
• Рисунок 6

Рисунок 4
Когда 4 валентных электрона атома кремния имеют ковалентные связи с другими атомами кремния, структура решетки завершена и все в порядке. электроны атома бора связаны ковалентными связями с 3 атомами кремния, и структура решетки не завершена. Дополнительная «дырка» или отсутствие электрона создает слегка положительно заряженный материал P-типа [4]. Рисунок 6
Когда атом фосфора вводится в решетку посредством легирования, 5 валентных электронов атома фосфора имеют общие ковалентные связи с 4 другими атомами кремния, и структура решетки не завершена. Дополнительный электрон создает слегка отрицательно заряженный материал N-типа [4].

Теперь магия. Когда материал, легированный фосфором, и материал, легированный азотом, соединяются, мы получаем «PN-переход» или «диод» (, рис. 7, ). Контакт двух легированных материалов создает область, в которой свободные электроны в материале, легированном N, диффундируют через переход, чтобы заполнить дырки в материале, легированном P, а дырки в материале, легированном P, диффундируют через переход, чтобы рекомбинировать с свободные электроны, как показано на Рисунок 8 .

• Рисунок 7
• Рисунок 8

Рисунок 7
Изображение PN-перехода вместе со схематическим символом и фактическим диодом, чтобы показать их взаимосвязь [5] Рисунок 8
Вверху: Изображение материала N-типа и P-типа. Внизу: в PN-переходе лишние электроны и дырки мигрируют в переходе, вызывая обедненную область, которая препятствует дальнейшему движению. [4].

Эта миграция создает электрическое поле в небольшой области вокруг перехода, называемой «областью обеднения», и блокирует любую дальнейшую диффузию электронов в область, легированную фосфором. Приложенное внешнее смещение может либо усиливать, либо противодействовать, в зависимости от полярности. Приложение внешнего положительного потенциала к аноду (обратное смещение) усиливает область истощения, создавая лучший изолятор и предотвращая протекание тока. Однако приложение внешнего положительного потенциала к аноду (прямое смещение) ослабляет обедненную область, создавая лучший проводник, по которому может течь ток. Для PN-перехода в кремнии область обеднения устраняется, когда потенциал превышает 0,7 В. Диод сам по себе является простым и чрезвычайно полезным полупроводниковым устройством, но он также является основой для других устройств.

ТРАНЗИСТОРЫ NPN И PNP

Мы можем сделать диод еще дальше, добавив в устройство второй переход, создав транзистор. Если мы добавим материал N-типа на P-сторону диода, мы получим NPN-транзистор. Если мы добавим материал P-типа к N-стороне диода, мы получим PNP-транзистор. Эти устройства добавляют контроль к току, протекающему через них. Концы каждого устройства (эмиттер и коллектор) одного типа, но имеют различное количество легирования. Эмиттеры более сильно легированы, и у N-типа (NPN) или «донора» больше свободных электронов, тогда как у P-типа или «акцептора» больше дырок.

Центральный и противоположный тип («база») имеют наименьшее количество легирования и позволяют контролировать поток тока. При отсутствии (или обратном) смещении базы по отношению к эмиттеру потенциал перехода может только усиливаться, а ток не течет. Когда мы помещаем небольшое прямое смещение на базу по отношению к эмиттеру, мы позволяем смещению база-эмиттер преодолевать потенциал перехода и усиливать ток через переход. Если коллектор также смещен в прямом направлении по отношению к эмиттеру, ток коллектора будет протекать через переход коллектор-база к эмиттеру. Размер базы определяет отношение базы (I _B ) к току коллектора (I _C ). Эти два тока равны току в эмиттере (I _E ). На рис. 9 показано соединение, схематический и физический вид каждого из этих двух устройств.

Рисунок 9
BJT доступен как в вариантах PNP, так и в вариантах NPN, чтобы удовлетворить все ваши потребности в коммутации. Показаны оба типа вместе с их схемами и реальными корпусами TO-92, чтобы показать, как они связаны.

На рисунке 9 направление стрелки каждого излучателя определяет тип устройства. В устройстве NPN ток течет из эмиттера, а в устройстве PNP ток течет в эмиттер. Для простоты давайте использовать источник питания 5В. Большинство цепей имеют заземление (или V _SS ) подключается к отрицательной стороне источника питания , а положительная сторона подключается к V _CC .

Три вывода транзистора можно рассматривать как вход, выход и общий вывод. Таким образом, они могут быть подключены одним из трех способов — с общим эмиттером, общим коллектором и общей базой. Конфигурация с общим эмиттером является наиболее распространенной и будет использоваться в этом обсуждении. Пожалуйста, не стесняйтесь исследовать другие форматы самостоятельно, если вам интересно. Эта конфигурация позволит нам управлять некоторым током, протекающим через нагрузку, с лишь частью этого тока на базе. Нагрузкой может быть светодиод, реле или любое другое устройство на 5В. Чуть позже мы обсудим высоковольтные устройства.

Простейшей нагрузкой может быть светодиод, так что давайте начнем с него. В этой конфигурации база является входом, коллектор — выходом, а эмиттер — общим для обоих. Эмиттер почти всегда подключается напрямую к источнику питания. Для устройства NPN эмиттер соединен с землей, и ток течет из эмиттера (обратите внимание на схематическую стрелку, указывающую на рис. 9). Для устройства PNP эмиттер подключается к V _CC  , и ток течет через эмиттер (обратите внимание на стрелку, указывающую внутрь).

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРА

На рис. 10 показано, как можно использовать два типа транзисторов для управления светодиодом. В схеме слева эмиттер транзистора 2N3906 (PNP) подключен к V _CC . Без драйвера на базе (или R1, подключенного к V _CC ), транзистор закрыт (высокий импеданс), и ток не может течь к светодиоду через R2. Когда R1 подключен к земле, ток может течь через базу, открывая транзистор и позволяя 10-кратному току течь через коллектор, через R2 и светодиод.

Рисунок 10
Минимальные расчеты, необходимые для определения номинальных резисторов, которые вам потребуются для обеспечения управления светодиодом, работающим при токе 10 мА. Попробуйте изменить ток на 100 мА, чтобы увидеть, как изменяются значения резисторов базы и коллектора. Помните, что большинство светодиодов выйдут из строя при токе 100 мА, если только вы не используете их с малым рабочим циклом.

В схеме справа эмиттер транзистора 2N3904 (NPN) подключен к GND. Без драйвера на базе (или R3, подключенного к GND) транзистор выключен (высокий импеданс), и ток не может течь к светодиоду через R4. Когда резистор R3 поднят вверх, ток может течь в базу, открывая транзистор и позволяя 10-кратному току проходить через светодиод и R2 в коллектор. Оба типа транзисторов можно приобрести у различных дистрибьюторов электроники, включая Digi-Key и Mouser Electronics.

Эти два транзистора симметричны и имеют схожие параметры. В таблице 1 показаны параметры, которые необходимо проверить перед использованием в вашей схеме. Обратите внимание, что при использовании с питанием логики 5 В мы не превысим параметры максимального напряжения. Максимальный ток 200 мА. Мне нравится держать максимум 100 мА, чтобы избежать «горячих» устройств. Коэффициент усиления важен для определения минимальных токов смещения для требуемых токов нагрузки. Есть некоторые частотные параметры, которые вам нужно учитывать только при работе на радиочастотах. Вы можете игнорировать их при работе на частоте менее 1 МГц.

Таблица 1
Здесь показаны параметры, которые необходимо проверить перед использованием в вашей схеме.

Как видите, они также подходят для источников питания 12 В и 24 В, которые, скорее всего, покроют большинство устройств, которыми вы хотите управлять. Сегодня многие микроконтроллеры могут подавать или потреблять 20 мА, что достаточно для простого светодиода. Но когда вам нужен больший ток — скажем, для короткого рабочего цикла, потребляющего ток 100 мА, — вам нужно будет использовать транзистор.

ВЫСОКАЯ МОЩНОСТЬ

Что произойдет, если вам потребуется ток больше 100 мА? Можно выбрать более мощный транзистор. Сидней Дарлингтон изобрел составной транзистор, известный нам как Дарлингтон (пара). Два однотипных транзистора включены по схеме эмиттерный повторитель. Первый транзистор подает большой ток на базу второго транзистора. Коэффициенты усиления многократно увеличиваются и могут быть довольно высокими вместе с током через второй транзистор. Небольшой пластиковый корпус ТО-2 больше не может выдерживать более высокие токи, потому что мощность, рассеиваемая на устройстве, может быть довольно высокой. Корпуса размеров T0-220 и T0-3 распространены и могут потребовать соответствующего теплоотвода. Использование двойных транзисторов повышает V _BE  примерно до 1,4 В, а при силе тока в диапазоне ампер рассеяние является значительным.

— РЕКЛАМА—

—Реклама здесь—

Как и наш BJT (транзистор с биполярным переходом), транзистор Дарлингтона (DT) доступен как в PNP, так и в NPN. Хотя у него есть преимущества в управлении током, у него также есть недостатки, такие как более медленное время выключения, что ограничивает использование на высокой скорости. Но для многих приложений этим можно пренебречь.

Сегодня можно рассматривать другие полупроводниковые устройства для более высоких токов, но они также имеют свои недостатки. Полевой транзистор, например, имеет гораздо более низкий импеданс перехода (сопротивление в открытом состоянии), и хотя это создает гораздо меньшее рассеивание, его также сложнее использовать. Оставим это на другой раз. Эта колонка посвящена использованию этих двух простых устройств — BJT и DT. Они помогут вам справиться с большинством проектов, не заморачиваясь математикой. Вам остается только принять два решения.

ДВА РЕШЕНИЯ

Должен ли я включить свое устройство с активным высоким сигналом (логический высокий уровень), а затем выбрать устройство NPN? Или мне нужно включить мое устройство с активным низким сигналом (логический низкий уровень), а затем выбрать устройство PNP? Если вы можете выбрать полярность, выберите маршрут NPN. Они не только немного дешевле, но и их проще использовать с устройствами с более высоким напряжением. Требуется ли моему устройству менее 100 мА (BJT) или больше (DT)? Здесь самым большим вопросом будет: нужен ли теплоотвод для устройства DT?

Хотя речь идет об использовании транзистора в качестве цифрового переключателя, на самом деле транзистор является аналоговым устройством. Существует область между отсутствием тока (ВЫКЛ.) и насыщением или максимальным протеканием тока (ВКЛ.), при этом доля базового тока будет давать долю максимального тока. Это довольно линейно, как только начинается проведение, вплоть до точки насыщения. Таким образом, транзистор можно использовать как усилитель для аналоговых целей. Поскольку смещение имеет решающее значение, оно требует немного больше математики и вспомогательной схемы. Как только вы освоите использование транзистора в качестве переключателя, вы можете исследовать его использование в качестве усилителя сигнала.

А пока позвольте мне оставить вас с несколькими примерами того, как вы можете исследовать использование транзисторов для управления устройствами. На рис. 11 показано несколько различных нагрузок, которыми вы, возможно, захотите управлять. Слева направо — простая резистивная нагрузка, светодиод, реле, пьезопреобразователь, пьезозуммер и двигатель постоянного тока. +V может быть любым напряжением до V _CE  max транзистора. Ток ограничен примерно 100 мА для 2N3904/6 NPN/PNP или многими амперами, в зависимости от DT, такого как TIP3x.

Пьезоустройства бывают двух видов: 1) преобразователь, которым можно управлять с помощью частоты; и 2) бипер, который имеет внутренний драйвер и будет звучать на заданной частоте, просто подав напряжение. Пьезопреобразователь представляет собой емкостную нагрузку и требует параллельного резистора, тогда как реле и двигатели являются индуктивными и требуют обратного диода для защиты транзистора от индуктивных пиков при выключении.

Шаговые двигатели можно запустить, подав последовательность импульсов, активирующих катушки шагового двигателя. Последовательность позволяет контролировать направление вала двигателя. Скорость последовательности определяет число оборотов в минуту. На рис. 12 показан униполярный шаговый двигатель, для которого требуется одинаковая полярность на каждой катушке, но катушки с отводом от центра. Биполярный шаговый двигатель имеет одиночные катушки, но требует, чтобы схема изменяла полярность на каждой катушке. Для этого требуются устройства NPN и PNP, подключенные к каждому концу каждой катушки. Он похож на Рисунок 13 , на котором показан полный мост для управления направлением вращения двигателя постоянного тока. Там, где двигатель постоянного тока имеет одно соединение, для биполярного шагового двигателя требуется в два раза больше транзисторов — по две пары на каждую катушку.

• Рисунок 11
• Рисунок 12
• Рисунок 13

Рисунок 11
Этот NPN-транзистор может управлять рядом различных устройств. Слева — простая резистивная нагрузка, за которой следуют светодиод, реле, пьезопреобразователь, пьезоизлучатель и двигатель постоянного тока. Рисунок 12
Хотя униполярный шаговый двигатель немного сложнее в изготовлении, вы можете легко управлять направлением вращения и скоростью, используя всего четыре транзистора, импульсы которых подаются в правильной последовательности. Рисунок 13
Как показано на рис. 11, двигатель постоянного тока можно включать и выключать с помощью одного транзистора. Однако, если вы хотите управлять направлением вращения двигателя, вам необходимо контролировать полярность соединений двигателя. Это делается с помощью полной мостовой схемы, состоящей из двух транзисторов NPN и двух транзисторов PNP. Применение логических уровней к каждому управляющему входу гарантирует, что один транзистор на каждой стороне подключения двигателя всегда будет выключен, что позволяет избежать короткого замыкания между VDD и VSS.

ЭЛЕКТРОН ПРОТИВ. CURRENT FLOW

По соглашению, направление тока на диаграммах всегда показано как направление движения положительного заряда. Сегодняшние знания говорят нам, что поток электронов на самом деле противоположен обычному потоку тока. Хотя это может показаться неправильным, некоторые вещи лучше не исправлять, и поэтому мы можем более точно определить текущий поток как «дырочный» поток.

Теперь вам не нужно думать, что использование транзистора — это безумно сложно.

• Если нагрузка находится на земле, используйте PNP. И если ваша нагрузка находится на высокой стороне, используйте NPN.
• Если ваша нагрузка составляет 10 мА при 5 В (или 3,3 В), ваш MCU может обрабатывать ее напрямую. Если устройство, которым вы хотите управлять, требует более высокого напряжения или тока, используйте транзистор. Большинство BJT хороши до 100 мА.
• Для больших токов используйте транзистор Дарлингтона. Просто помните, что вам, вероятно, понадобится радиатор, если вам нужно избавиться от тепла из-за высокого рассеяния перехода!

Для многих проектов вам понадобятся только транзисторы 2N3904 и 2N3906. Для большего тока используйте стандартные транзисторы Дарлингтона TIP33 и TIP34. Не бойтесь заменять, в зависимости от ваших требований или доступности! Тогда расширьте свой мир и рассмотрите возможность изучения полевых транзисторов (FET). Слишком многому нужно научиться, слишком мало времени.

РЕСУРСЫ

Ссылки:
[1] Рисунок 1 en.wikipedia.org/wiki/Vacuum_tube
[2] Рисунок 2 www.radiolaguy.com/images/tubePortables/Silvertone30sBatterySet.jpg0008 [3] Рис. 3 en.wikipedia.org/wiki/Colossus_computer
[4] Рис. 5, 6 и 8 www.schoolsobservatory.org/learn/tech/instruments/inst_ccd/semiconductors
[5] Рис. 7 www.allaboutcircuits. com/uploads/articles/diode-representations.jpg

Digi-Key | www.digikey.com
Mouser Electronics | www.mouser.com

ОПУБЛИКОВАН В ЖУРНАЛЕ CIRCUIT CELLAR • МАЙ 2021 г. № 370 – Получите номер в формате PDF

Будьте в курсе наших БЕСПЛАТНЫХ еженедельных информационных бюллетеней!	Не пропустите новые выпуски Circuit Cellar. Подписка на журнал Circuit Cellar Примечание. Мы сделали выпуск Circuit Cellar за май 2020 г. бесплатным образцом. В нем вы найдете большое разнообразие статей и информации, иллюстрирующих типичный номер текущего журнала.
Хотите написать для Circuit Cellar ? Мы всегда принимаем статьи/сообщения от технического сообщества. Свяжитесь с нами и давайте обсудим ваши идеи.

Спонсор этой статьи

Джефф Бачиочи

Веб-сайт | + сообщения

Джефф Бачиочи (произносится как BAH-key-AH-key) пишет для Circuit Cellar с 1988 года. Его опыт включает дизайн и производство продуктов. Вы можете связаться с ним по адресу: [email protected] или по адресу: www.imaginethatnow.com.

Растягиваемые транзисторы и функциональные схемы для электроники, интегрированной в человека

• Обзорная статья
• Опубликовано: 11 января 2021 г.

• Yahao Dai ^{1 na1} ,
• Huawei Hu ORCID: orcid.org/0000-0002-9790-8837 ^{1 na1} ,
• Марита Ван ¹ ,
• Цзе Сюй ORCID: orcid.org/0000-0001-7842-5496 ² и
• …
• Сихонг Ван ORCID: orcid.org/0000-0002-3611-0004 ¹  

Природная электроника том 4 , страницы 17–29 (2021)Процитировать эту статью

• 5787 доступов

• 54 Цитаты

• 57 Альтметрический

• Сведения о показателях

Предметы

• Электротехника и электроника
• Электроника, фотоника и физика устройств
• Материалы для устройств
• Наноматериалы
• Мягкие материалы

Abstract

Электроника с механическими свойствами кожи или ткани, включая низкую жесткость и высокую растяжимость, может использоваться для создания интеллектуальных технологий для применения в таких областях, как мониторинг состояния здоровья и взаимодействие человека и машины. Растягивающиеся транзисторы, которые обеспечивают обработку сигналов и вычислительные функции, будут играть центральную роль в развитии этой технологии. Здесь мы рассмотрим разработку растягиваемых транзисторов и функциональных схем, изучая прогресс с точки зрения материалов и разработки устройств. Мы рассматриваем три общепризнанных подхода к созданию растягиваемых транзисторов: инженерия потери устойчивости, инженерия жесткости и инженерия собственной способности к растяжению. Мы также изучаем текущие возможности растягиваемых транзисторов и схем в электронике, интегрированной с человеком, и рассматриваем проблемы, связанные с созданием передовых приложений.

Это предварительный просмотр содержимого подписки, доступ через ваше учреждение

Соответствующие статьи

Статьи открытого доступа со ссылками на эту статью.

• Высокоэффективные, высокоэластичные, долговечные и пригодные для вторичной переработки полностью полимерные электрохимические транзисторы с трехмерными микроинженерными интерфейсами

  • Вэньцзинь Ван
  • , Чжаосянь Ли
  •  … Чжуан Се

  Нано-микробуквы Открытый доступ 12 сентября 2022 г.

• Высокая плотность интеграции растяжимых неорганических тонкопленочных транзисторов с превосходными характеристиками и надежностью

  • Химчан О
  • , Джи-Ён О
  •  … Чи-Сун Хван

  Связь с природой Открытый доступ 24 августа 2022 г.

• Гибкие унимодальные датчики деформации для обнаружения и дифференциации движений человека

  • Лу Джин
  • , Чжэньхун Ли
  •  … И Ли

  npj Гибкая электроника Открытый доступ 17 августа 2022 г.

Варианты доступа

Подписка на журнал

Получить полный доступ к журналу на 1 год

118,99 €

всего 9,92 € за выпуск

Подписаться

Расчет налогов будет завершен во время оформления заказа.

Купить статью

Получите ограниченный по времени или полный доступ к статье на ReadCube.

32,00 $

Купить

Все цены указаны без учета стоимости.

Рис. 1: Эволюция растягиваемых транзисторов и функциональных схем. Рис. 2: Схематическое изображение структур транзисторов и кривых передаточных и выходных характеристик. Рис. 3: Растягиваемые транзисторы и схемы, разработанные с учетом технологии деформирования. Рис. 4. Растяжимые транзисторы и схемы, разработанные с учетом технологии жесткости. Рис. 5: Транзисторы и схемы с возможностью растяжения. Рис. 6: Применение растягиваемых транзисторов и схем.

Ссылки

1. Лю, Ю., Фарр, М. и Сальваторе, Г. А. Лаборатория на коже: обзор гибкой и растягиваемой электроники для носимого мониторинга состояния здоровья. ACS Nano 11 , 9614–9635 (2017).

   Google ученый

2. Лю, Ю. и др. Электроника эпидермального механоакустического зондирования для сердечно-сосудистой диагностики и человеко-машинных интерфейсов. Науч. Доп. 2 , e1601185 (2016).

   Google ученый

3. Dagdeviren, C. et al. Недавний прогресс в области гибких и растягиваемых пьезоэлектрических устройств для сбора, измерения и приведения в действие механической энергии. Экстремальный мех. лат. 9 , 269–281 (2016).

   Google ученый

4. Роджерс Дж. А., Сомея Т. и Хуанг Ю. Материалы и механика для растягиваемой электроники. Наука 327 , 1603–1607 (2010).

   Google ученый

5. Ван, С., О, Дж. Ю., Сюй, Дж., Тран, Х. и Бао, З. Электроника, вдохновленная кожей: новая парадигма. Согл. хим. Рез. 51 , 1033–1045 (2018).

   Google ученый

6. Ким, Д. Х. и Роджерс, Дж. А. Растягиваемая электроника: стратегии материалов и устройства. Доп. Матер. 20 , 4887–4892 (2008 г.).

   Google ученый

7. Ван К., Ван К., Хуанг З. и Сюй С. Материалы и конструкции для мягкой электроники. Доп. Матер. 30 , e1801368 (2018).

   Google ученый

8. Zolper, J.C. et al. Полевой транзистор GaN с ионно-имплантированным переходом. Заяв. физ. лат. 68 , 2273–2275 (1996).

   Google ученый

9. Натори, К. Баллистический полевой транзистор металл-оксид-полупроводник. Дж. Заявл. физ. 76 , 4879–4890 (1994).

   Google ученый

10. Ян, Р., Урмазд, А. и Ли, К. Ф. Масштабирование кремниевых полевых МОП-транзисторов: от объемного к КНИ и далее к объемному. IEEE Trans. Электронные устройства 39 , 1704–1710 (1992).

    Google ученый

11. Ван, Б. и др. Высококачественные диэлектрики под затвором κ для новой гибкой и растяжимой электроники. Хим. Рев. 118 , 5690–5754 (2018).

    Google ученый

12. Асиф Хан М., Кузния Дж. Н., Бхаттараи А. Р. и Олсон Д. Т. Металло-полупроводниковый полевой транзистор на основе монокристалла GaN. Заяв. физ. лат. 62 , 1786–1787 (1993).

    Google ученый

13. Зан, Х.-В., Йе, К.-К., Мэн, Х.-Ф., Цай, К.-К. и Чен, Л.-Х. Достижение высокой полевой подвижности в аморфном оксиде индия-галлия-цинка за счет покрытия сильным восстановительным слоем. Доп. Матер. 24 , 3509–3514 (2012).

    Google ученый

14. Сунь, Д. М., Лю, К., Рен, В. К. и Ченг, Х. М. Обзор гибких тонкопленочных транзисторов на основе углеродных нанотрубок и графена. Малый 9 , 1188–1205 (2013).

    Google ученый

15. Чжан Ю. , Муртаза И. и Мэн Х. Разработка фуллеренов и их производных в качестве полупроводников в полевых транзисторах: исследование молекулярного дизайна. Дж. Матер. хим. C 6 , 3514–3537 (2018).

    Google ученый

16. Джаривала, Д., Сангван, В.К., Лаухон, Л.Дж., Маркс, Т.Дж. и Херсам, М.С. Новые приложения для полупроводниковых двумерных дихалькогенидов переходных металлов. ACS Nano 8 , 1102–1120 (2014).

    Google ученый

17. Ян Дж., Чжао З., Ван С., Го Ю. и Лю Ю. Взгляд на высокоэффективные сопряженные полимеры для органических полевых транзисторов. Chem 4 , 2748–2785 (2018).

    Google ученый

18. Тран, Х., Фейг, В. Р., Лю, К., Чжэн, Ю. и Бао, З. Химия полимеров, лежащая в основе материалов для электроники, напоминающей кожу. Макромолекулы 52 , 3965–3974 (2019).

    Google ученый

19. Ван, Г.-Дж. Н., Гасперини А. и Бао З. Растяжимые полимерные полупроводники для пластиковой электроники. Доп. Электрон. Матер. 4 , 1700429 (2018).

    Google ученый

20. Лампорт, З. А., Ханиф, Х. Ф., Ананд, С., Уолдрип, М. и Юрческу, О. Д. Учебное пособие: органические полевые транзисторы: материалы, структура и работа. Дж. Заявл. физ. 124 , 071101 (2018).

    Google ученый

21. Sun, Y. & Rogers, J. A. Неорганические полупроводники для гибкой электроники. Доп. Матер. 19 , 1897–1916 (2007).

    Google ученый

22. Ким, Д.-Х. и другие. Растягивающиеся и складные кремниевые интегральные схемы. Наука 320 , 507–511 (2008).

    Google ученый

23. Kaltenbrunner, M. et al. Сверхлегкая конструкция для незаметной пластиковой электроники. Природа 499 , 458–463 (2013).

    Google ученый

24. Kim, B.S. et al. Двухосная растяжимость и прозрачность 2D-сетей из нанопроволоки Ag, изготовленных плавающим сжатием. Приложение ACS Матер. Интерфейсы 9 , 10865–10873 (2017 г.).

    Google ученый

25. Chae, S.H. et al. Перенесенный морщинистый Al ₂ O ₃ для сильно растяжимых и прозрачных транзисторов из графена и углеродных нанотрубок. Нац. Матер. 12 , 403–409 (2013).

    Google ученый

26. Чой, Дж. и др. Растяжимые органические тонкопленочные транзисторы, изготовленные на волнообразных эластомерных подложках с использованием структур с жесткими островками. IEEE Электронное письмо об устройстве. 35 , 762–764 (2014).

    Google ученый

27. Гао, Н., Чжан, X., Ляо, С., Цзя, Х. и Ван, Ю. Набухание полимера, вызывающее проводящие морщины для сверхчувствительного датчика давления. Макрописьма ACS. 5 , 823–827 (2016).

    Google ученый

28. Park, S.-J., Kim, J., Chu, M. & Khine, M. Гибкий пьезорезистивный датчик давления с использованием тонких пленок морщинистых углеродных нанотрубок для физиологических сигналов человека. Доп. Матер. Технол. 3 , 1700158 (2018).

    Google ученый

29. Kim, J. T. et al. Трехмерное письмо сильно растяжимых органических нанопроволок. Макрописьма ACS. 1 , 375–379 (2012).

    Google ученый

30. Кханг, Д.-Ю., Цзян, Х., Хуанг, Ю. и Роджерс, Дж. А. Растяжимая форма монокристаллического кремния для высокопроизводительной электроники на резиновых подложках. Наука 311 , 208–212 (2006).

    Google ученый

31. Сюй, Ф. и др. Транзисторы из углеродных нанотрубок с высокой эластичностью и ионно-гелевыми затворными диэлектриками. Нано Летт. 14 , 682–686 (2014).

    Google ученый

32. Ван, С. и др. Экспериментальное исследование кумулятивного распространения потери устойчивости тонких пленок при циклической нагрузке. Науч. Китайская технология. науч. 54 , 1371–1375 (2011).

    Google ученый

33. «>

    Лакур, С.П., Вагнер, С., Нараян, Р.Дж., Ли, Т. и Суо, З. Жесткие подсхемные островки из алмазоподобного углерода для растягиваемой электроники. J. Appl. физ. 100 , 014913 (2006).

    Google ученый

34. Дики, доктор медицинских наук Растяжимая и мягкая электроника с использованием жидких металлов. Доп. Матер. 29 , 1606425 (2017).

    Google ученый

35. Ким, Д.-Х. и другие. Материалы и некомпланарные сетчатые конструкции для интегральных схем с линейной упругой реакцией на экстремальные механические деформации. Проц. Натл акад. науч. США 105 , 18675–18680 (2008 г.).

    Google ученый

36. Калленс, С. Дж. П. и Задпур, А. А. От плоских листов к изогнутой геометрии: подходы к оригами и киригами. Матер. Сегодня 21 , 241–264 (2018).

    Google ученый

37. Лакур С.П., Чан Д., Вагнер С., Ли Т. и Суо З. Механизмы обратимого растяжения тонких металлических пленок на эластомерных подложках. Заявл. физ. лат. 88 , 204103 (2006).

    Google ученый

38. Lee, S. et al. Ag нанопроволока, армированная сильно растяжимыми проводящими волокнами для носимой электроники. Доп. Функц. Матер. 25 , 3114–3121 (2015).

    Google ученый

39. Мацухиса, Н. и др. Эластичные проводники для печати путем формирования на месте наночастиц серебра из чешуек серебра. Нац. Матер. 16 , 834–840 (2017).

    Google ученый

40. Секитани Т. и др. Растягивающийся дисплей на органических светодиодах с активной матрицей и эластичными проводниками, пригодными для печати. Нац. Матер. 8 , 494–499 (2009).

    Google ученый

41. Wang, Y. et al. Высокоэластичный, прозрачный и проводящий полимер. Науч. Доп. 3 , e1602076 (2017).

    Google ученый

42. О, Дж. Ю., Ким С., Байк Х. К. и Чон У. Проводящая полимерная масса для деформируемой электроники. Доп. Матер. 28 , 4455–4461 (2016).

    Google ученый

43. Лу, Б. и др. Чистые гидрогели PEDOT:PSS. Нац. коммун. 10 , 1043 (2019).

    Google ученый

44. Яо С. и Чжу Ю. Растяжимые проводники на основе наноматериалов: стратегии, материалы и устройства. Доп. Матер. 27 , 1480–1511 (2015).

    Google ученый

45. «>

    Мацухиса, Н. и др. Печатные эластичные проводники с высокой проводимостью для электронного текстиля. Нац. коммун. 6 , 7461 (2015).

    Google ученый

46. Лакур, С.П., Джонс, Дж., Вагнер, С., Тенг, Л. и Жиган, С. Растяжимые межсоединения для эластичных электронных поверхностей. Проц. IEEE 93 , 1459–1467 (2005).

    Google ученый

47. Секитани, Т. и др. Резиноподобная растяжимая активная матрица с использованием эластичных проводников. Наука 321 , 1468–1472 (2008).

    Google ученый

48. Meitl, M. A. et al. Трансферная печать путем кинетического контроля прилипания к эластомерному штампу. Нац. Матер. 5 , 33–38 (2005).

    Google ученый

49. «>

    Сюй, С. и др. Мягкие микрожидкостные сборки датчиков, цепей и радио для кожи. Наука 344 , 70–74 (2014).

    Google ученый

50. Jang, K.I. et al. Самособирающиеся трехмерные сетевые конструкции для мягкой электроники. Нац. коммун. 8 , 15894 (2017).

    Google ученый

51. Huang, Z. et al. Трехмерная интегрированная растягиваемая электроника. Нац. Электрон. 1 , 473–480 (2018).

    Google ученый

52. Рут С.Э., Савагатруп С., Принц А.Д., Родрикес Д. и Липоми Д.Дж. Механические свойства органических полупроводников для растяжимой, очень гибкой и механически прочной электроники. Хим. Ред. 117 , 6467–6499 (2017).

    Google ученый

53. «>

    Lipomi, D. J. et al. Кожноподобные датчики давления и деформации на основе прозрачных эластичных пленок углеродных нанотрубок. Нац. нанотехнологии. 6 , 788–792 (2011).

    Google ученый

54. Чортос А. и др. Механически прочные и легко растягивающиеся транзисторы, в которых используются полупроводники и электроды из углеродных нанотрубок. Доп. Матер. 28 , 4441–4448 (2016).

    Google ученый

55. Smith, Z.C. et al. Повышенная ударная вязкость и отличные электронные свойства региорегулярных статистических сополимеров 3-алкилтиофенов и тиофена. Доп. Электрон. Матер. 3 , 1600316 (2017).

    Google ученый

56. Мюллер, К. и др. Прочные полупроводниковые диблок-сополимеры полиэтилена и поли(3-гексилтиофена). Доп. Функц. Матер. 17 , 2674–2679 (2007).

    Google ученый

57. Мун, Дж. и др. Влияние несопряженных спейсеров на механические свойства полупроводниковых полимеров для растягиваемых транзисторов. Доп. Функц. Матер. 28 , 1804222 (2018).

    Google ученый

58. Лу, К. и др. Влияние молекулярной структуры и порядка упаковки на растяжимость полукристаллических сопряженных полимеров поли(тетратиеноацен-дикетопирролопиррола). Доп. Электрон. Матер. 3 , 1600311 (2017).

    Google ученый

59. О, Дж. Ю. и др. Растяжимый и восстанавливаемый полупроводниковый полимер для органических транзисторов. Природа 539 , 411–415 (2016).

    Google ученый

60. «>

    Чан, Ю.-К. и другие. Адаптация карбосилановых боковых цепей к внутренне растяжимым полупроводниковым полимерам. Макромолекулы 52 , 4396–4404 (2019).

    Google ученый

61. Ван, Г.-Дж. Н. и др. Повышение эластичности за счет олигосилоксановых поперечных связей для внутренне растяжимых полупроводниковых полимеров. Доп. Функц. Матер. 26 , 7254–7262 (2016).

    Google ученый

62. Сюй, Дж. и др. Полимерно-полупроводниковые пленки с высокой эластичностью благодаря эффекту наноограничения. Наука 355 , 59–64 (2017).

    Google ученый

63. Мун, Дж. и др. Сопряженные углеродные циклические нанокольца как добавки к растяжимым полупроводниковым полимерам. Доп. Матер. 31 , e12 (2019).

    Google ученый

64. «>

    Scott, J. I. et al. Значительное повышение пластичности высокоэффективных полимерных полупроводников за счет смешивания полимеров. Приложение ACS Матер. Интерфейсы 8 , 14037–14045 (2016 г.).

    Google ученый

65. Шин, М. и др. Пучки политиофеновых нанофибрилл, встроенные в эластомер: путь к сильно растяжимому слою активного канала. Доп. Матер. 27 , 1255–1261 (2015).

    Google ученый

66. Сюй, Дж. и др. Многомасштабное упорядочение в сильно растяжимых полимерных полупроводниковых пленках. Нац. Матер. 18 , 594–601 (2019).

    Google ученый

67. Ку, Дж. Х., Сонг, Дж. К. и Ким, Д. Х. Обработанные раствором тонкие пленки полупроводниковых углеродных нанотрубок и их применение в мягкой электронике. Нанотехнологии 30 , 132001 (2019).

    Google ученый

68. Helbling, T. et al. Долгосрочные исследования транзисторов из углеродных нанотрубок, инкапсулированных Al 9 с осаждением атомарного слоя0273 2 O ₃ для датчиков. Нанотехнологии 20 , 434010 (2009).

    Google ученый

69. Kong, D. et al. Емкостные характеристики эластомерных диэлектриков для применения в тонкопленочных транзисторах с внутренней способностью растягиваться. Доп. Функц. Матер. 26 , 4680–4686 (2016).

    Google ученый

70. Bartlett, M.D. et al. Эластомеры с высокой диэлектрической проницаемостью k , растяжимые через жидкометаллические включения. Доп. Матер. 28 , 3726–3731 (2016).

    Google ученый

71. «>

    Wang, C. et al. Значение эффекта двухслойного конденсатора в полярных резиноподобных диэлектриках и исключительно стабильных низковольтных органических транзисторах с высокой крутизной. Науч. Респ. 5 , 17849(2015).

    Google ученый

72. Wang, H. et al. Ионные гели и их применение в растяжимой электронике. Макромоль. Быстрое общение. 39 , e1800246 (2018).

    Google ученый

73. He, Y., Boswell, P.G., Buhlmann, P. & Lodge, T.P. Ионные гели путем самосборки триблок-сополимера в ионной жидкости. J. Phys. хим. Б 111 , 4645–4652 (2007).

    Google ученый

74. Ван, С. и др. Электроника кожи из масштабируемого изготовления массива транзисторов с возможностью растяжения. Природа 555 , 83–88 (2018).

    Google ученый

75. Сим, К. и др. Полностью резиновая интегрированная электроника из высокоэффективных подвижных растяжимых полупроводников. Науч. Доп. 5 , eaav5749 (2019).

    Google ученый

76. Уолдрип, М., Юрческу, О. Д., Гундлах, Д. Дж. и Биттл, Э. Г. Контактное сопротивление в органических полевых транзисторах: преодоление барьера. Доп. Функц. Матер. 30 , 16 (2020).

    Google ученый

77. Лю, К., Сюй, Ю. и Но, Ю.-Ю. Контактная техника в органических полевых транзисторах. Матер. Сегодня 18 , 79–96 (2015).

    Google ученый

78. Liu, S. & Guo, X. Биосенсоры на основе полевых транзисторов на основе углеродных наноматериалов. NPG Азия Матер. 4 , e23 (2012).

    Google ученый

79. Элкингтон Д., Кулинг Н., Белчер В., Дастоор П. и Чжоу X. Датчики на основе органических тонкопленочных транзисторов (OTFT). Электроника 3 , 234–254 (2014).

    Google ученый

80. Trung, T. Q., Ramasundaram, S., Hwang, B. U. & Lee, N. E. Полностью эластомерный прозрачный и эластичный датчик температуры для носимой электроники, прикрепляемой к телу. Доп. Матер. 28 , 502–509 (2016).

    Google ученый

81. Zhu, C. et al. Растягивающиеся термочувствительные схемы с подавлением деформации на основе транзисторов из углеродных нанотрубок. Нац. Электрон. 1 , 183–190 (2018).

    Google ученый

82. «>

    Biswas, S. et al. Интегрированные многослойные растяжимые печатные платы прокладывают путь для деформируемой активной матрицы. Нац. коммун. 10 , 4909 (2019).

    Google ученый

83. Чой, М. и др. Растягивающийся неорганический светодиодный дисплей с активной матрицей, обеспечиваемый наложением рулонной трансферной печати. Доп. Функц. Матер. 27 , 1606005 (2017).

    Google ученый

84. Чен Дж., Крэнтон В. и Фин М. (ред.) Справочник по технологии визуального отображения 1821–1841 (Springer, 2016).

85. Цай, Л., Чжан, С., Мяо, Дж., Ю, З. и Ван, К. Полностью напечатанные растяжимые тонкопленочные транзисторы и интегральные логические схемы. ACS Nano 10 , 11459–11468 (2016).

    Google ученый

86. «>

    Ким, Д.-Х. и другие. Эпидермальная электроника. Наука 333 , 838–843 (2011).

    Google ученый

87. Zhu, S. et al. Сверхрастяжимые волокна с металлической проводимостью с сердцевиной из жидкометаллического сплава. Доп. Функц. Матер. 23 , 2308–2314 (2013).

    Google ученый

Скачать ссылки

Благодарности

Эта работа поддерживается стартовым фондом Чикагского университета. JX признает поддержку со стороны Центра наноразмерных материалов, Учреждения научных пользователей Министерства энергетики США и Управления науки Министерства энергетики США по контракту №. DE-AC02-06Ch21357.

Информация об авторе

Примечания автора

1. Эти авторы внесли равный вклад: Yahao Dai, Huawei Hu.

Авторы и филиалы

1. Притцкеровская школа молекулярной инженерии, Чикагский университет, Чикаго, Иллинойс, США

   Яхао Дай, Хуавэй Ху, Марита Ван и Сихонг Ван

2. 8 Отдел науки и технологий, Нагон Национальная лаборатория, Лемонт, Иллинойс, США

   Jie Xu

Авторы

1. Yahao Dai

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия

2. Huawei Hu

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

3. Maritha Wang

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

4. Jie Xu

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

5. Sihong Wang

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Contributions

YD, HH и SW исследовал данные и написал рукопись.