Pnp транзистор в ключевом режиме: Включение pnp транзистора в ключевом режиме

Содержание

Включение pnp транзистора в ключевом режиме

Для упрощения рассказа можно представить транзистор в виде переменного резистора. Вывод базы это есть как раз та самая ручка, которую можно покрутить. При этом изменяется сопротивление участка коллектор — эмиттер. Крутить базу, конечно, не надо, может оторваться. А вот подать на нее некоторое напряжение относительно эмиттера, конечно, можно.

Если напряжение не подавать вовсе, а просто взять и замкнуть выводы базы и эмиттера пусть даже и не накоротко, а через резистор в несколько КОм. Получается, что напряжение база — эмиттер (Uбэ) равно нулю. Следовательно, нет и тока базы. Транзистор закрыт, коллекторный ток пренебрежительно мал, как раз тот самый начальный ток. Примерно такой же, как у диода в обратном направлении! В этом случае говорят, что транзистор находится в состоянии ОТСЕЧКИ, что на обычном языке значит, закрыт или заперт.

Противоположное состояние называется НАСЫЩЕНИЕ. Это когда транзистор открыт полностью, так, что дальше открываться уже некуда.

При такой степени открытия сопротивление участка коллектор эмиттер настолько мало, что включать транзистор без нагрузки в коллекторной цепи просто нельзя, сгорит моментально. При этом остаточное напряжение на коллекторе может составить всего 0,3…0,5В.

Чтобы довести транзистор до такого состояния, надо обеспечить достаточно большой ток базы, подав на нее относительно эмиттера большое напряжение Uбэ, — порядка 0,6…0,7В. Да, для перехода база-эмиттер такое напряжение без ограничительного резистора очень велико. Ведь входная характеристика транзистора, показанная на рисунке 1, очень похожа на прямую ветвь характеристики диода.

Рисунок 1. Входная характеристика транзистора

Эти два состояния — насыщение и отсечка, используются в том случае, когда транзистор работает в ключевом режиме наподобие обычного контакта реле. Основной смысл такого режима в том, что малый ток базы управляет большим током коллектора, который в несколько десятков раз больше тока базы. Большой ток коллектора получается за счет внешнего источника энергии, но все равно усиление по току, что называется, налицо.

Простой пример: маленькая микросхема включает большую лампочку!

Чтобы определить величину такого усиления транзистора в ключевом режиме используется «коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала». В справочниках от обозначается греческой буквой β «бетта». Практически для всех современных транзисторов при работе в ключевом режиме этот коэффициент никак не меньше 10…20 Определяется β как соотношение максимально возможного тока коллектора к минимально возможному току базы. Величина безразмерная, просто «во сколько раз».

Даже если ток базы будет больше, чем требуется, беды особой нет: транзистор все равно не сможет открыться больше. На то он и режим насыщения. Кроме обычных транзисторов для работы в ключевом режиме используются «дарлингтоновские» или составные транзисторы. Их «супер — бетта» может достигать 1000 и более раз.

Как рассчитать режим работы ключевого каскада

Чтобы не быть совсем голословным, попробуем рассчитать режим работы ключевого каскада, схема которого показана на рисунке 2.

Задача такого каскада очень простая: включить и выключить лампочку. Конечно, нагрузка может быть любой, — обмотка реле, электромотор, просто резистор, да мало ли что. Лампочка взята просто для наглядности эксперимента, для его упрощения. Наша задача чуть посложнее. Требуется рассчитать величину резистора Rб в цепи базы, чтобы лампочка горела в полный накал.

Такие лампочки применяются для подсветки приборной доски в отечественных авто, поэтому найти ее несложно. Транзистор КТ815 с током коллектора 1,5А для такого опыта вполне подойдет.

Самое интересное во всей этой истории, что напряжения в расчетах участия не принимают, лишь бы соблюдалось условие β ≥ Iк/Iб. Поэтому лампочка может быть на рабочее напряжение 200В, а базовая цепь управляться от микросхем с напряжением питания 5В. Если транзистор рассчитан на работу с таким напряжением на коллекторе, то лампочка будет мигать без проблем.

Но в нашем примере микросхем никаких не предвидится, базовая цепь управляется просто контактом, на который просто подается напряжение 5В. Лампочка на напряжение 12В, ток потребления 100мА. Предполагается, что наш транзистор имеет β ровно 10. Падение напряжения на переходе база — эмиттер Uбэ = 0,6В. См. входную характеристику на рисунке 1.

При таких данных ток в базе должен быть Iб = Iк / β = 100 / 10 = 10(мА).

Напряжение на базовом резисторе Rб составит (за вычетом напряжения на переходе база — эмиттер) 5В — Uбэ = 5В — 0,6В = 4,4В.

Вспоминаем закон Ома: R = U / I = 4,4В / 0,01А = 440Ом. Согласно системе СИ подставляем напряжение в вольтах, ток в амперах, результат получаем в Омах. Из стандартного ряда выбираем резистор сопротивлением 430Ом. На этом расчет можно считать законченным.

Но, кто внимательно посмотрит на схему, может спросить: «А почему ничего не было сказано о резисторе между базой и эмиттером Rбэ? Про него просто забыли, или он не так и нужен?»

Назначение этого резистора — надежно закрыть транзистор в тот момент, когда кнопка разомкнута. Дело в том, что если база будет «висеть в воздухе», воздействие всяческих помех на нее просто гарантировано, особенно, если провод до кнопки достаточно длинный. Чем не антенна? Почти, как у детекторного приемника.

Чтобы надежно закрыть транзистор, ввести его в режим отсечки необходимо, чтобы потенциалы эмиттера и базы были равны. Проще всего было бы в нашей «учебной схеме» использовать переключающий контакт. Надо включить лампочку перекинули контакт на +5В, а когда потребовалось выключить — просто замкнули вход всего каскада на «землю».

Но не всегда и не везде можно позволить такую роскошь, как лишний контакт. Поэтому проще выровнять потенциалы базы и эмиттера при помощи резистора Rбэ. Номинал этого резистора рассчитывать не надо. Обычно его принимают равным десяти Rб. Согласно практическим данным его величина должна быть 5…10КОм.

Рассмотренная схема является разновидностью схемы с общим эмиттером. Тут можно отметить две особенности. Во-первых, это использование в качестве управляющего напряжения 5В. Именно такое напряжение используется, когда ключевой каскад подключается к цифровым микросхемам или, что теперь более вероятно, к микроконтроллерам.

Во-вторых, сигнал на коллекторе инвертирован по отношению к сигналу на базе. Если на базе присутствует напряжение, контакт замкнут на +5В, то на коллекторе оно падает практически до нуля. Ну, не до нуля, конечно, а до напряжения указанного в справочнике. При этом лампочка визуально не инвертируется, — сигнал на базе есть, есть и свет.

Инвертирование входного сигнала происходит не только в ключевом режиме работы транзистора, но и в режиме усиления. Но об этом будет рассказано в следующей части статьи.

Если напряжение не подавать вовсе, а просто взять и замкнуть выводы базы и эмиттера пусть даже и не накоротко, а через резистор в несколько КОм.

Получается, что напряжение база — эмиттер (Uбэ) равно нулю. Следовательно, нет и тока базы. Транзистор закрыт, коллекторный ток пренебрежительно мал, как раз тот самый начальный ток. Примерно такой же, как у диода в обратном направлении! В этом случае говорят, что транзистор находится в состоянии ОТСЕЧКИ, что на обычном языке значит, закрыт или заперт.

Противоположное состояние называется НАСЫЩЕНИЕ. Это когда транзистор открыт полностью, так, что дальше открываться уже некуда. При такой степени открытия сопротивление участка коллектор эмиттер настолько мало, что включать транзистор без нагрузки в коллекторной цепи просто нельзя, сгорит моментально. При этом остаточное напряжение на коллекторе может составить всего 0,3…0,5В.

Ведь входная характеристика транзистора, показанная на рисунке 1, очень похожа на прямую ветвь характеристики диода.

Рисунок 1. Входная характеристика транзистора

Как рассчитать режим работы ключевого каскада

При таких данных ток в базе должен быть Iб = Iк / β = 100 / 10 = 10(мА).

Ключевой режим работы транзистора, наверное, один из самых простых (с точки зрения поддержания параметров) и в тоже время очень часто встречающихся из режимов работы транзистора. По своей сути транзистор большую часть времени находится лишь в двух состояниях: отсечки и насыщения.Ниже показана схема включения транзистора

Использование транзистора в ключевом режиме

но прежде чем начинать описывать работу этой схемы, необходимо задекларировать несколько простых правил, при которых транзистор работает. Правила приведены для транзистора p-n-p-типа, но и для транзистора n-p-n-типа они сохраняются, но с учётом того, что полярность напряжения должна быть изменена на противоположную:

Принцип работы трназистора

1. Эммитер должен иметь более положительный потенциал, чем коллектор, для n-p-n-транзистора потенциал коллектора должен быть выше.
2. Цепи база — эммитер и база — коллектор работают как диоды. Обычно диод база — коллектор открыт, а диод база — эммитер смещён в обратном направлении, то есть приложенное напряжение препятствует протеканию через него тока.
3. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями токов и напряжений. В случае превышения значений транзистор выходит из строя.
4. В случае соблюдений правил 1 — 3 ток протекающий через коллектор I_К прямо пропорционален току базы I_Б и соблюдается следующее соотношение:

данное правило определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Из правила 2 следует, что между базой и эммитером напряжение не должно превышать 0,6…0,8 В (падение напряжения на диоде), иначе возникает очень большой ток.

Учитывая выше изложенные правила можно понять, как с помощью небольшого тока создать ток большей величины. В случае, когда контакт разомкнут через базу ток не течёт и согласно правилу 4 отсутствует коллекторный ток, следовательно, лампочка не светится. Как только замыкается контакт напряжение между базой и эммитером составит 0,6…0,8 В. Падение напряжения на сопротивлении базы R_б составит примерно 9,3 В, а ток, протекающий через базу 9,3 мА. Казалось бы, с учётом правила 4, что через лампочку должен протекать ток порядка 930 мА (примем значение h_21Э = 100), но это не так. Как говорилось ранее, правило 4 действует лишь с учётом правил 1 — 3. В нашем случае, когда ток через лампочку, а следовательно и ток коллектора достигнет значения 0,1 А падение напряжения на лампочке будет равно 10 В. Далее, согласно правила 1, роста тока не будет, так как потенциал коллектора и эммитера сравняется (в реальности падение напряжения на лампочке никогда не будет равно напряжению питания, потому что на транзисторе будет падение напряжения равное напряжению насыщения транзистора). Когда напряжение на коллекторе будет приближаться к напряжению на эммитере, транзистор переходит в режим насыщения и изменение напряжения на коллекторе прекращаются.

Расчёт ключевой схемы

Как же рассчитать элементы «обвязки» транзистора? Во-первых, необходимо, как и в случае любой другой схемы понять, что необходимо получить и что приходит на вход.

1. Рассчитывают ток протекающий через коллектор:

, где

U_pit — напряжение питания,

R_К — сопротивление в коллекторной цепи.

2. Рассчитывают базовый ток:

3. Рассчитывают сопротивление базового резистора R_б:

U_вх — напряжение на входе ключевого каскада.

Казалось бы, на этом можно закончить рассматривать ключевой каскад, он настолько простой, что и говорить не о чем. Но есть ещё одно дополнение, как было сказано выше, ключевой каскад характеризуется использованием транзистора в двух состояниях: насыщения и отсечки. С состоянием насыщения всё понятно транзистор жестко включён в цепь и на него внешние факторы не влияют. Что же происходит в состоянии отсечки транзистора, когда его база отключена от схемы, говорят, что она «повисла в воздухе». Так как мы окружены постоянно электричеством, то на базовый вывод могут быть наводки в виде блуждающих токов, да и в транзисторе в результате его работы могут быть внутренние токи. В таком случае транзистор не будет закрыт полностью, поэтому на всякий случай между базой и эммитером транзистора включают сопротивление R_БЭ, которое выбирается таким, чтобы при работе падение напряжения на нём не составило меньше, чем 0,6 В. Он берётся примерно раз в 10 больше базового сопротивления.

Ниже приведён пример, который часто используют при подключении ключевого каскада к выводу микросхем, где стандартное выходно напряжение составляет +5 В.

Пример использования транзистора в ключевом режиме

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

НАШ САЙТ РЕКОМЕНДУЕТ:

Метки:

Npn транзистор в ключевом режиме

Для упрощения рассказа можно представить транзистор в виде переменного резистора. Вывод базы это есть как раз та самая ручка, которую можно покрутить. При этом изменяется сопротивление участка коллектор – эмиттер. Крутить базу, конечно, не надо, может оторваться. А вот подать на нее некоторое напряжение относительно эмиттера, конечно, можно.

Если напряжение не подавать вовсе, а просто взять и замкнуть выводы базы и эмиттера пусть даже и не накоротко, а через резистор в несколько КОм. Получается, что напряжение база – эмиттер (Uбэ) равно нулю. Следовательно, нет и тока базы. Транзистор закрыт, коллекторный ток пренебрежительно мал, как раз тот самый начальный ток. Примерно такой же, как у диода в обратном направлении! В этом случае говорят, что транзистор находится в состоянии ОТСЕЧКИ, что на обычном языке значит, закрыт или заперт.

Чтобы довести транзистор до такого состояния, надо обеспечить достаточно большой ток базы, подав на нее относительно эмиттера большое напряжение Uбэ,- порядка 0,6…0,7В. Да, для перехода база-эмиттер такое напряжение без ограничительного резистора очень велико. Ведь входная характеристика транзистора, показанная на рисунке 1, очень похожа на прямую ветвь характеристики диода.

Рисунок 1. Входная характеристика транзистора

Эти два состояния – насыщение и отсечка, используются в том случае, когда транзистор работает в ключевом режиме наподобие обычного контакта реле. Основной смысл такого режима в том, что малый ток базы управляет большим током коллектора, который в несколько десятков раз больше тока базы. Большой ток коллектора получается за счет внешнего источника энергии, но все равно усиление по току, что называется, налицо. Простой пример: маленькая микросхема включает большую лампочку!

Даже если ток базы будет больше, чем требуется, беды особой нет: транзистор все равно не сможет открыться больше. На то он и режим насыщения. Кроме обычных транзисторов для работы в ключевом режиме используются «дарлингтоновские» или составные транзисторы. Их «супер – бетта» может достигать 1000 и более раз.

Как рассчитать режим работы ключевого каскада

Задача такого каскада очень простая: включить и выключить лампочку. Конечно, нагрузка может быть любой, – обмотка реле, электромотор, просто резистор, да мало ли что. Лампочка взята просто для наглядности эксперимента, для его упрощения. Наша задача чуть посложнее. Требуется рассчитать величину резистора Rб в цепи базы, чтобы лампочка горела в полный накал.

Но в нашем примере микросхем никаких не предвидится, базовая цепь управляется просто контактом, на который просто подается напряжение 5В. Лампочка на напряжение 12В, ток потребления 100мА. Предполагается, что наш транзистор имеет β ровно 10. Падение напряжения на переходе база – эмиттер Uбэ = 0,6В. См. входную характеристику на рисунке 1.

При таких данных ток в базе должен быть Iб = Iк / β = 100 / 10 = 10(мА).

Напряжение на базовом резисторе Rб составит (за вычетом напряжения на переходе база – эмиттер) 5В – Uбэ = 5В – 0,6В = 4,4В.

Назначение этого резистора – надежно закрыть транзистор в тот момент, когда кнопка разомкнута. Дело в том, что если база будет «висеть в воздухе», воздействие всяческих помех на нее просто гарантировано, особенно, если провод до кнопки достаточно длинный. Чем не антенна? Почти, как у детекторного приемника.

Чтобы надежно закрыть транзистор, ввести его в режим отсечки необходимо, чтобы потенциалы эмиттера и базы были равны. Проще всего было бы в нашей «учебной схеме» использовать переключающий контакт. Надо включить лампочку перекинули контакт на +5В, а когда потребовалось выключить – просто замкнули вход всего каскада на «землю».

Во-вторых, сигнал на коллекторе инвертирован по отношению к сигналу на базе. Если на базе присутствует напряжение, контакт замкнут на +5В, то на коллекторе оно падает практически до нуля. Ну, не до нуля, конечно, а до напряжения указанного в справочнике. При этом лампочка визуально не инвертируется,- сигнал на базе есть, есть и свет.

Для упрощения рассказа можно представить транзистор в виде переменного резистора. Вывод базы это есть как раз та самая ручка, которую можно покрутить. При этом изменяется сопротивление участка коллектор – эмиттер. Крутить базу, конечно, не надо, может оторваться. А вот подать на нее некоторое напряжение относительно эмиттера, конечно, можно.

Рисунок 1. Входная характеристика транзистора

Даже если ток базы будет больше, чем требуется, беды особой нет: транзистор все равно не сможет открыться больше. На то он и режим насыщения. Кроме обычных транзисторов для работы в ключевом режиме используются «дарлингтоновские» или составные транзисторы. Их «супер – бетта» может достигать 1000 и более раз.

Как рассчитать режим работы ключевого каскада

Но в нашем примере микросхем никаких не предвидится, базовая цепь управляется просто контактом, на который просто подается напряжение 5В. Лампочка на напряжение 12В, ток потребления 100мА. Предполагается, что наш транзистор имеет β ровно 10. Падение напряжения на переходе база – эмиттер Uбэ = 0,6В. См. входную характеристику на рисунке 1.

При таких данных ток в базе должен быть Iб = Iк / β = 100 / 10 = 10(мА).

Чтобы надежно закрыть транзистор, ввести его в режим отсечки необходимо, чтобы потенциалы эмиттера и базы были равны. Проще всего было бы в нашей «учебной схеме» использовать переключающий контакт. Надо включить лампочку перекинули контакт на +5В, а когда потребовалось выключить – просто замкнули вход всего каскада на «землю».

Во-вторых, сигнал на коллекторе инвертирован по отношению к сигналу на базе. Если на базе присутствует напряжение, контакт замкнут на +5В, то на коллекторе оно падает практически до нуля. Ну, не до нуля, конечно, а до напряжения указанного в справочнике. При этом лампочка визуально не инвертируется,- сигнал на базе есть, есть и свет.

Биполярный транзистор является одним из старейших, но самым известным типом транзисторов, и до сих пор находит применение в современной электронике. Транзистор незаменим, когда требуется управлять достаточно мощной нагрузкой, для которой устройство управления не может обеспечить достаточный ток. Они бывают разного типа и мощности, в зависимости от исполняемых задач. Базовые знания и формулы о транзисторах вы можете найти в этой статье.

Введение

Прежде чем начать урок, давайте договоримся, что мы обсуждаем только один тип способ включения транзистора. Транзистор может быть использован в усилителе или приемнике, и, как правило, каждая модель транзисторов производится с определенными характеристиками, чтобы сделать его более узкоспециализированым для лучшей работы в определённом включении.

Транзистор имеет 3 вывода: база, коллектор и эмиттер. Нельзя однозначно сказать какой из них вход, а какой выход, так как все они связаны и влияют друг на друга так или иначе. При включении транзистора в режиме коммутатора (управление нагрузкой) он действует так: ток базы контролирует ток от коллектора к эмиттеру или наоборот, в зависимости от типа транзистора.

Есть два основных типа транзисторов: NPN и PNP. Чтобы это понять, можно сказать, что основное различие между этими двумя типами это направления электрического тока. Это можно видеть на рисунке 1.А, где указано направление тока. В транзисторе NPN, один ток течет от основания внутрь транзистора, а другой ток течет от коллектора к эмиттеру, а в PNP транзисторе всё наоборот. С функциональной точки зрения, разница между этими двумя типами транзисторов это напряжение на нагрузке. Как вы можете видеть на рисунке, транзистор NPN обеспечивает 0В когда он открыт, а PNP обеспечивает 12В. Вы позже поймете, почему это влияет на выбор транзистора.

Для простоты мы будем изучать только NPN транзисторы, но всё это применимо к PNP, принимая во внимание, что все токи меняются на противоположные.

Рисунок ниже показывает аналогию между переключателем (S1) и транзисторным ключом, где видно, что ток базы закрывает или открывает путь для тока от коллектора к эмиттеру:

Точно зная характеристики транзистора, от него можно получить максимальную отдачу. Основным параметром является коэффициент усиления транзистора по постоянному току, который обычно обозначается H_fe или β. Также важно знать максимальный ток, мощность и напряжение транзистора. Эти параметры можно найти в документации на транзистор, и они помогут нам определить значение резистора на базе, о чем рассказано дальше.

Использование NPN транзистора как коммутатора

На рисунке показано включение NPN транзистора в качестве коммутатора. Вы встретите это включение очень часто при анализе различных электронных схем. Мы будем изучать, как запустить транзистор в выбранном режиме, рассчитать резистор базы, коэффициент усиления транзистора по току и сопротивление нагрузки. Я предлагаю самый простой и самый точный способ для этого.

1. Предположим, что транзистор находится в режиме насыщения: При этом математическая модель транзистора становится очень простой, и нам известно напряжение на точке V_c. Мы найдем значение резистора базы, при котором всё будет правильно.

2. Определение тока насыщения коллектора: Напряжение между коллектором и эмиттером (V_ce) взято из документации транзистора. Эмиттер подключен к GND, соответственно V_ce= V_c – 0 = V_c. Когда мы узнали эту величину, мы можем рассчитать ток насыщения коллектора по формуле:

Иногда, сопротивления нагрузки R_L неизвестно или не может быть точным, как сопротивление обмотки реле; В таком случае, достаточно знать, необходимый для запуска реле ток.
Убедитесь, что ток нагрузки не превышает максимальный ток коллектора транзистора.

3. Расчет необходимого тока базы: Зная ток коллектора, можно вычислить минимально необходимый ток базы для достижения этого тока коллектора, используя следующую формулу:

Из неё следует что:

4. Превышение допустимых значений: После того как вы рассчитали ток базы, и если он оказался ниже указанного в документации, то можно перегрузить транзистор, путем умножения расчетного тока базы например в 10 раз. Таким образом, транзисторный ключ будет намного более устойчивым. Другими словами, производительность транзистора уменьшится, если нагрузка увеличится. Будьте осторожны, старайтесь не превышать максимальный ток базы, указанный в документации.

5. Расчёт необходимого значения R_b: Учитывая перегрузку в 10 раз, сопротивление R_b может быть рассчитано по следующей формуле:

где V₁ является напряжением управления транзистором (см. рис 2.а)

Но если эмиттер подключен к земле, и напряжение база-эмиттер известно (около 0,7В у большинстве транзисторов), а также предполагая, что V₁ = 5V, формула может быть упрощена до следующего вида:

Видно, что ток базы умножается на 10 с учётом перегрузки.
Когда значение R_b известно, транзистор “настроен” на работу в качестве переключателя, что также называется “режим насыщения и отсечки “, где “насыщение” – когда транзистор полностью открыт и проводит ток, а “отсечение” – когда закрыт и ток не проводит.

Примечание: Когда мы говорим , мы не говорим, что ток коллектора должен быть равным . Это просто означает, что ток коллектора транзистора может подниматься до этого уровня. Ток будет следовать законам Ома, как и любой электрический ток.

Расчет нагрузки

Когда мы считали, что транзистор находится в режиме насыщения, мы предполагали что некоторые его параметры не менялись. Это не совсем так. На самом деле эти параметры менялись в основном за счет увеличения тока коллектора, и поэтому он является более безопасным для перегрузки. В документации указано изменение параметров транзистора при перегрузке. Например, в таблице на рисунке 2.В показано два параметра которые значительно меняются:

H_FE (β) меняется в зависимости от тока коллектора и напряжения V_CEsat. Но V_CEsat само меняется в зависимости от тока коллектора и базы, что показано в таблице дальше.

Расчет может быть очень сложным, так как все параметры тесно и сложно взаимосвязаны, поэтому лучше взять худшие значения. Т.е. наименьший H_FE, крупнейший V_CEsat и V_CEsat.

Типичное применение транзисторного ключа

1. Управление реле

В современной электронике транзисторный ключ используется для контроля электромагнитных реле, которое потребляют до 200 мА. Если вы хотите управлять реле логической микросхемой или микроконтроллером то транзистор незаменим. На рисунке 3.A, сопротивления резистора базы рассчитывается в зависимости от необходимого для реле тока. Диод D1 защищает транзистор от импульсов, которые катушка генерирует при выключении.

2. Подключение транзистора с открытым коллектором:

Многие устройства, такие как семейство микроконтроллеров 8051 имеют порты с открытым коллектором. Сопротивление резистора базы внешнего транзистора рассчитывается, как описано в этой статье. Заметим, что порты могут быть более сложными, и часто используют полевые транзисторы вместо биполярных и называются выходами с открытым стоком, но всё остаётся точно таким же как на рисунке 3. B

3. Создание логического элемента ИЛИ-НЕ (NOR):

Иногда в схеме необходимо использовать один логический элемент, и вы не хотите использовать 14-контактную микросхему с 4 элементами либо из-за стоимости или местом на плате. Её можно заменить парой транзисторов. Отметим, что частотные характеристики таких элементов зависят от характеристик и типа транзисторов, но обычно ниже 100 кГц. Уменьшение выходного сопротивления (Ro) приведет к увеличению потребления энергии, но увеличит выходной ток.
Вам надо найти компромисс между этими параметрами.

На рисунке выше показан логический элемент ИЛИ-НЕ построенный с использованием 2х транзисторов 2N2222. Это может быть сделано на транзисторах PNP 2N2907, с незначительными изменениями. Вы просто должны учитывать, что все электрические токи тогда текут в противоположном направлении.

Поиск ошибок в транзисторных схемах

При возникновении проблемы в цепях, содержащих много транзисторов, может быть весьма проблематично узнать, какой из них неисправен, особенно когда они все впаяны. Я даю вам несколько советов, которые помогут вам найти проблему в такой схеме достаточно быстро:

1. Температура: Если транзистор сильно греется, вероятно, где-то есть проблема. Необязательно что проблема в горячем транзисторе. Обычно дефектный транзистор даже не нагревается. Это повышение температуры может быть вызвано другим транзистором, подключенным к нему.

2. Измерение V_CE транзисторов: Если они все одного типа и все работают, то они должны иметь приблизительно одинаковое VCE. Поиск транзисторов, имеющих различные V_CE это быстрый способ обнаружения дефектных транзисторов.

3. Измерение напряжения на резисторе базы: Напряжение на резисторе базы достаточно важно (если транзистор включен). Для 5 В устройства управления транзистором NPN, падения напряжения на резисторе должно быть более 3В. Если нет падения напряжения на резисторе, то либо транзистор, либо устройство управления транзистора имеют дефект. В обоих случаях ток базы равен 0.

Расчет биполярного транзистора в ключевом режиме с резистивной нагрузкой

Упрощенный расчет транзистора для работы в ключевом режиме на резистивную нагрузку.

Ключевой режим работы характеризуется тем, что транзистор находится в одном из двух состояний: в полностью открытом (режим насыщения), или полностью закрытом (состояние отсечки).

Рассмотрим пример, где в качестве нагрузки выступает контактор типа КНЕ030 на напряжение 27В с катушкой сопротивлением 150 Ом. Индуктивным характером катушки в данном примере пренебрежем, считая, что реле будет включено раз и надолго.

Рассчитываем ток коллектора:

Ik=(Ucc–Uкэнас)/Rн , где

Ik –ток коллектора

Ucc- напряжение питания (27В)

Uкэнас- напряжение насыщения биполярного транзистора (типично от 0. 2 до 0.8В, хотя и может прилично различаться для разных транзисторов), в нашем случае примем 0.4В

Rн- сопротивление нагрузки (150 Ом)

Итак,

Ik= (27-0.4)/150 = 0.18A = 180мА

На практике из соображений надежности элементы всегда необходимо выбирать с запасом. Возьмем коэффициент 1.5

Таким образом, нужен транзистор с допустимым током коллектора не менее 1.5*0.18=0.27А и максимальным напряжением коллектор-эмиттер не менее 1.5*27=40В.

Открываем справочник по биполярным транзисторам . По заданным параметрам подходит КТ815А (Ikмакс=1.5А Uкэ=40В)

Следующим этапом рассчитываем ток базы, который нужно создать, чтобы обеспечить ток коллектора 0.18А.

Как известно, ток коллектора связан с током базы соотношением

Ik=Iб*h21э,

где h31э – статический коэффициент передачи тока.

При отсутствии дополнительных данных можно взять табличное гарантированное минимальное значение для КТ815А (40). Но для КТ815 есть график зависимости h31э от тока эмиттера. В нашем случае ток эмиттера 180мА, этому значению соответствует h31э=60. Разница невелика, но для чистоты эксперимента возьмем графические данные.

Итак,

Iб=180/60=3мА

Для расчета базового резистора R1 смотрим второй график, где приведена зависимость напряжения насыщения база-эмиттер (Uбэнас) от тока коллектора. При токе коллектора 180мА напряжение насыщения базы будет 0.78В (При отсутствии такого графика можно использовать допущение, что ВАХ перехода база-эмиттер подобна ВАХ диода и в диапазоне рабочих токов напряжение база-эмиттер находится в пределах 0.6-0.8 В)

Следовательно, сопротивление резистора R1 должно быть равно:

R1=(Uвх-Uбэнас)/Iб = (5-0.78)/0.003 = 1407 Ом = 1.407 кОм.

Из стандартного ряда сопротивлений выбираем ближайшее в меньшую сторону (1. 3 кОм)

Если к базе подключен шунтирующий резистор (вводится для более быстрого выключения транзистора или для повышения помехоустойчивости) нужно учитывать, что часть входного тока уйдет в этот резистор, и тогда формула примет вид:

R1= (Uвх-Uбэнас)/(Iб+I_R₂) = (Uвх-Uбэнас)/(Iб+ Uбэнас/R2)

Так, если R2=1 кОм, то

R1= (5-0.78)/(0.003+0.78/1000) = 1116 Ом = 1.1 кОм

Рассчитываем потери мощности на транзисторе:

P=Ik*Uкэнас

Uкэнас берем из графика: при 180мА оно составляет 0. 07В

P= 0.07*0.18= 0.013 Вт

Мощность смешная, радиатора не потребуется.

Режимы работы биполярного транзистора | Основы электроакустики

Биполярный транзистор – полупроводниковый элемент с двумя p-n переходами и тремя выводами, который служит для усиления или переключения сигналов. Они бывают p-n-p и n-p-n типа. На рис.7.1, а и б показаны их условные обозначения.

Рис.7.1. Биполярные транзисторы и их диодные эквивалентные схемы: а) p-n-p, б) n-p-n транзистор

Транзистор состоит из двух противоположно включенных диодов, которые обладают одним общим p- или n- слоем. Электрод, связанный с ним, называется базой Б. Два других электрода называются эмиттером Э и коллектором К. Диодная эквивалентная схема, приведенная рядом с условным обозначением, поясняет структуру включения переходов транзистора. Хотя эта схема не характеризует полностью функции транзистора, она дает возможность представить действующие в нем обратные и прямые напряжения. Обычно переход эмиттер – база смещен в прямом направлении (открыт), а переход база – коллектор – в обратном (заперт). Поэтому источники напряжения должны быть включены, как показано на рис.7.2.

Рис.7.2. Полярность включения: а) n-p-n, б) p-n-p транзистора

Транзисторы n-p-n типа подчиняются следующим правилам (для транзисторов p-n-p типа правила сохраняются, но следует учесть, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные):

1. Коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер.

2. Цепи база-эмиттер и база-коллектор работают как диоды (рис.7.1). Обычно переход база-эмиттер открыт, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении, т.е. приложенное напряжение препятствует протеканию тока через него. Из этого правила следует, что напряжение между базой и эмиттером нельзя увеличивать неограниченно, так как потенциал базы будет превышать потенциал эмиттера более чем на 0,6 – 0,8 В (прямое напряжение диода), при этом возникает очень большой ток. Следовательно, в работающем транзисторе напряжение на базе и эмиттере связаны следующим соотношением: UБ ≈ UЭ+0,6В; (UБ = UЭ + UБЭ).

3. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями IК, IБ, UКЭ. В случае превышения этих параметров необходимо использовать еще один транзистор. Следует помнить и о предельных значениях других параметров, например рассеиваемой мощности РК, температуры, UБЭ и др.

4. Если правила 1-3 соблюдены, то ток коллектора прямо пропорционален току базы. Соотношение токов коллектора и эмиттера приблизительно равно

IК = αIЭ, где α=0,95…0,99 – коэффициент передачи тока эмиттера. Разность между эмиттерным и коллекторным токами в соответствии с первым законом Кирхгофа (и как видно из рис. 7.2, а) представляет собой базовый ток IБ = IЭ – IК. Ток коллектора зависит от тока базы в соответствии с выражением: IК = βIБ, где β=α/(1-α) – коэффициент передачи тока базы, β >>1.

Правило 4 определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Режимы работы транзистора. Каждый переход биполярного транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают следующие четыре режима работы транзистора.

Усилительный или активный режим – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Именно этот режим работы транзистора соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока эмиттера. Ток коллектора пропорционален току базы, обеспечиваются минимальные искажения усиливаемого сигнала.

Инверсный режим – к коллекторному переходу подведено прямое напряжение, а к эмиттерному – обратное. Инверсный режим приводит к значительному уменьшению коэффициента передачи тока базы транзистора по сравнению с работой транзистора в активном режиме и поэтому на практике используется только в ключевых схемах.

Режим насыщения – оба перехода (эмиттерный и коллекторный) находятся под прямым напряжением. Выходной ток в этом случае не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузки. Из-за малого напряжения между выводами коллектора и эмиттера режим насыщения используется для замыкания цепей передачи сигнала.

Режим отсечки – к обоим переходам подведены обратные напряжения. Так как выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулю, этот режим используется для размыкания цепей передачи сигналов.

Основным режимом работы биполярных транзисторов в аналоговых устройствах является активный режим. В цифровых схемах транзистор работает в ключевом режиме, т.е. он находится только в режиме отсечки или насыщения, минуя активный режим.

Биполярные транзисторы, их схемы включения

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов.

Транзистором называется полупроводниковый прибор, который может усиливать, преобразовывать и генерировать электрические сигналы. Первый работоспособный биполярный транзистор был изобретен в 1947 году. Материалом для его изготовления служил германий. А уже в 1956 году на свет появился кремниевый транзистор.

В биполярном транзисторе используются два типа носителей заряда – электроны и дырки, отчего такие транзисторы и называются биполярными. Кроме биполярных существуют униполярные (полевые) транзисторы, у которых используется лишь один тип носителей – электроны или дырки. В этой статье будут рассмотрены биполярные транзисторы.

Долгое время транзисторы в основном были германиевыми, и имели структуру p-n-p, что объяснялось возможностями технологий того времени. Но параметры германиевых транзисторов были нестабильны, их самым большим недостатком следует считать низкую рабочую температуру, – не более 60..70 градусов Цельсия. При более высоких температурах транзисторы становились неуправляемыми, а затем и вовсе выходили из строя.

Со временем кремниевые транзисторы начали вытеснять германиевых собратьев. В настоящее время в основном они, кремниевые, и применяются, и в этом нет ничего удивительного. Ведь кремниевые транзисторы и диоды (практически все типы) сохраняют работоспособность до 150…170 градусов. Кремниевые транзисторы также являются «начинкой» всех интегральных микросхем.

Транзисторы по праву считаются одним из великих открытий человечества. Придя на смену электронным лампам, они не просто заменили их, а совершили переворот в электронике, удивили и потрясли мир. Если бы не было транзисторов, то многие современные приборы и устройства, такие привычные и близкие, просто не появились на свет: представьте себе, например, мобильный телефон на электронных лампах!

Большинство кремниевых транзисторов имеют структуру n-p-n, что также объясняется технологией производства, хотя существуют и кремниевые транзисторы типа p-n-p, но их несколько меньше, нежели структуры n-p-n. Такие транзисторы используются в составе комплементарных пар (транзисторы разной проводимости с одинаковыми электрическими параметрами). Например, КТ315 и КТ361, КТ815 и КТ814, а в выходных каскадах транзисторных УМЗЧ КТ819 и КТ818. В импортных усилителях очень часто применяется мощная комплементарная пара 2SA1943 и 2SC5200.

Часто транзисторы структуры p-n-p называют транзисторами прямой проводимости, а структуры n-p-n обратной. В литературе такое название почему-то почти не встречается, а вот в кругу радиоинженеров и радиолюбителей используется повсеместно, всем сразу понятно, о чем идет речь. На рисунке 1 показано схематичное устройство транзисторов и их условные графические обозначения.

Рисунок 1.

Кроме различия по типу проводимости и материалу, биполярные транзисторы классифицируются по мощности и рабочей частоте. Если мощность рассеивания на транзисторе не превышает 0,3 Вт, такой транзистор считается маломощным. При мощности 0,3…3 Вт транзистор называют транзистором средней мощности, а при мощности свыше 3 Вт мощность считается большой. Современные транзисторы в состоянии рассеивать мощность в несколько десятков и даже сотен ватт.

Транзисторы усиливают электрические сигналы не одинаково хорошо: с увеличением частоты усиление транзисторного каскада падает, и на определенной частоте прекращается вовсе. Поэтому для работы в широком диапазоне частот транзисторы выпускаются с разными частотными свойствами.

По рабочей частоте транзисторы делятся на низкочастотные, – рабочая частота не свыше 3 МГц, среднечастотные – 3…30 МГц, высокочастотные – свыше 30 МГц. Если же рабочая частота превышает 300 МГц, то это уже сверхвысокочастотные транзисторы.

Вообще, в серьезных толстых справочниках приводится свыше 100 различных параметров транзисторов, что также говорит об огромном числе моделей. А количество современных транзисторов таково, что в полном объеме их уже невозможно поместить ни в один справочник. И модельный ряд постоянно увеличивается, позволяя решать практически все задачи, поставленные разработчиками.

Существует множество транзисторных схем (достаточно вспомнить количество хотя бы бытовой аппаратуры) для усиления и преобразования электрических сигналов, но, при всем разнообразии, схемы эти состоят из отдельных каскадов, основой которых служат транзисторы. Для достижения необходимого усиления сигнала, приходится использовать несколько каскадов усиления, включенных последовательно. Чтобы понять, как работают усилительные каскады, надо более подробно познакомиться со схемами включения транзисторов.

Сам по себе транзистор усилить ничего не сможет. Его усилительные свойства заключаются в том, что малые изменения входного сигнала (тока или напряжения) приводят к значительным изменениям напряжения или тока на выходе каскада за счет расходования энергии от внешнего источника. Именно это свойство широко используется в аналоговых схемах, – усилители, телевидение, радио, связь и т.д.

Для упрощения изложения здесь будут рассматриваться схемы на транзисторах структуры n-p-n. Все что будет сказано об этих транзисторах, в равной степени относится и к транзисторам p-n-p. Достаточно только поменять полярность источников питания, электролитических конденсаторов и диодов, если таковые имеются, чтобы получить работающую схему.

Схемы включения транзисторов

Всего таких схем применяется три: схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общим коллектором (ОК) и схема с общей базой (ОБ). Все эти схемы показаны на рисунке 2.

Рисунок 2.

Но прежде, чем перейти к рассмотрению этих схем, следует познакомиться с тем, как работает транзистор в ключевом режиме. Это знакомство должно упростить понимание работы транзистора в режиме усиления. В известном смысле ключевую схему можно рассматривать как разновидность схемы с ОЭ.

Работа транзистора в ключевом режиме

Прежде, чем изучать работу транзистора в режиме усиления сигнала, стоит вспомнить, что транзисторы часто используются в ключевом режиме.

Такой режим работы транзистора рассматривался уже давно. В августовском номере журнала «Радио» 1959 года была опубликована статья Г. Лаврова «Полупроводниковый триод в режиме ключа». Автор статьи предлагал регулировать частоту вращения коллекторного двигателя изменением длительности импульсов в обмотке управления (ОУ). Теперь подобный способ регулирования называется ШИМ и применяется достаточно часто. Схема из журнала того времени показана на рисунке 3.

Рисунок 3.

Но ключевой режим используется не только в системах ШИМ. Часто транзистор просто что-то включает и выключает.

В этом случае в качестве нагрузки можно использовать реле: подали входной сигнал – реле включилось, нет – сигнала реле выключилось. Вместо реле в ключевом режиме часто используются лампочки. Обычно это делается для индикации: лампочка либо светит, либо погашена. Схема такого ключевого каскада показана на рисунке 4. Ключевые каскады также применяются для работы со светодиодами или с оптронами.

Рисунок 4.

На рисунке каскад управляется обычным контактом, хотя вместо него может быть цифровая микросхема или микроконтроллер. Лампочка автомобильная, такая применяется для подсветки приборной доски в «Жигулях». Следует обратить внимание на тот факт, что для управления используется напряжение 5В, а коммутируемое коллекторное напряжение 12В.

Ничего странного в этом нет, поскольку напряжения в данной схеме никакой роли не играют, значение имеют только токи. Поэтому лампочка может быть хоть на 220В, если транзистор предназначен для работы на таких напряжениях. Напряжение коллекторного источника также должно соответствовать рабочему напряжению нагрузки. С помощью подобных каскадов выполняется подключение нагрузки к цифровым микросхемам или микроконтроллерам.

В этой схеме ток базы управляет током коллектора, который, за счет энергии источника питания, больше в несколько десятков, а то и сотен раз (зависит от коллекторной нагрузки), чем ток базы. Нетрудно заметить, что происходит усиление по току. При работе транзистора в ключевом режиме обычно для расчета каскада пользуются величиной, называемой в справочниках «коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала», – в справочниках обозначается буквой β. Это есть отношение тока коллектора, определяемого нагрузкой, к минимально возможному току базы. В виде математической формулы это выглядит вот так: β = Iк/Iб.

Для большинства современных транзисторов коэффициент β достаточно велик, как правило, от 50 и выше, поэтому при расчете ключевого каскада его можно принять равным всего 10. Даже, если ток базы и получится больше расчетного, то транзистор от этого сильнее не откроется, на то он и ключевой режим.

Чтобы зажечь лампочку, показанную на рисунке 3, Iб = Iк/β = 100мА/10 = 10мА, это как минимум. При управляющем напряжении 5В на базовом резисторе Rб за вычетом падения напряжения на участке Б-Э останется 5В – 0,6В = 4,4В. Сопротивление базового резистора получится: 4,4В / 10мА = 440 Ом. Из стандартного ряда выбирается резистор с сопротивлением 430 Ом. Напряжение 0,6В это напряжение на переходе Б–Э, и при расчетах о нем не следует забывать!

Для того, чтобы база транзистора при размыкании управляющего контакта не осталась «висеть в воздухе», переход Б–Э обычно шунтируется резистором Rбэ, который надежно закрывает транзистор. Об этом резисторе не следует забывать, хотя в некоторых схемах его почему-то нет, что может привести к ложному срабатыванию каскада от помех. Собственно, все про этот резистор знали, но почему-то забыли, и лишний раз наступили на «грабли».

Номинал этого резистора должен быть таким, чтобы при размыкании контакта напряжение на базе не оказалось бы меньше 0,6В, иначе каскад будет неуправляемым, как будто участок Б–Э просто замкнули накоротко. Практически резистор Rбэ ставят номиналом примерно в десять раз больше, нежели Rб. Но даже если номинал Rб составит 10Ком, схема будет работать достаточно надежно: потенциалы базы и эмиттера будут равны, что приведет к закрыванию транзистора.

Такой ключевой каскад, если он исправен, может включить лампочку в полный накал, или выключить совсем. В этом случае транзистор может быть полностью открыт (состояние насыщения) или полностью закрыт (состояние отсечки). Тут же, сам собой, напрашивается вывод, что между этими «граничными» состояниями существует такое, когда лампочка светит вполнакала. В этом случае транзистор наполовину открыт или наполовину закрыт? Это как в задаче о наполнении стакана: оптимист видит стакан, наполовину налитый, в то время, как пессимист считает его наполовину пустым. Такой режим работы транзистора называется усилительным или линейным.

Работа транзистора в режиме усиления сигнала

Практически вся современная электронная аппаратура состоит из микросхем, в которых «спрятаны» транзисторы. Достаточно просто подобрать режим работы операционного усилителя, чтобы получить требуемый коэффициент усиления или полосу пропускания. Но, несмотря на это, достаточно часто применяются каскады на дискретных («рассыпных») транзисторах, и поэтому понимание работы усилительного каскада просто необходимо.

Самым распространенным включением транзистора по сравнению с ОК и ОБ является схема с общим эмиттером (ОЭ). Причина такой распространенности, прежде всего, высокий коэффициент усиления по напряжению и по току. Наиболее высокий коэффициент усиления каскада ОЭ обеспечивается когда на коллекторной нагрузке падает половина напряжения источника питания Eпит/2. Соответственно, вторая половина падает на участке К-Э транзистора. Это достигается настройкой каскада, о чем будет рассказано чуть ниже. Такой режим усиления называется классом А.

При включении транзистора с ОЭ выходной сигнал на коллекторе находится в противофазе с входным. Как недостатки можно отметить то, что входное сопротивление ОЭ невелико (не более нескольких сотен Ом), а выходное в пределах десятков КОм.

Если в ключевом режиме транзистор характеризуется коэффициентом усиления по току в режиме большого сигнала β, то в режиме усиления используется «коэффициент усиления по току в режиме малого сигнала», обозначаемый, в справочниках h31э. Такое обозначение пришло из представления транзистора в виде четырехполюсника. Буква «э» говорит о том, что измерения производились при включении транзистора с общим эмиттером.

Коэффициент h31э, как правило, несколько больше, чем β, хотя при расчетах в первом приближении можно пользоваться и им. Все равно разброс параметров β и h31э настолько велик даже для одного типа транзистора, что расчеты получаются лишь приблизительными. После таких расчетов, как правило, требуется настройка схемы.

Коэффициент усиления транзистора зависит от толщины базы, поэтому изменить его нельзя. Отсюда и большой разброс коэффициента усиления у транзисторов взятых даже из одной коробки (читай одной партии). Для маломощных транзисторов этот коэффициент колеблется в пределах 100…1000, а у мощных 5…200. Чем тоньше база, тем выше коэффициент.

Простейшая схема включения транзистора ОЭ показана на рисунке 5. Это просто небольшой кусочек из рисунка 2, показанного во второй части статьи. Такая схема называется схемой с фиксированным током базы.

Рисунок 5.

Схема исключительно проста. Входной сигнал подается в базу транзистора через разделительный конденсатор C1, и, будучи усиленным, снимается с коллектора транзистора через конденсатор C2. Назначение конденсаторов, – защитить входные цепи от постоянной составляющей входного сигнала (достаточно вспомнить угольный или электретный микрофон) и обеспечить необходимую полосу пропускания каскада.

Резистор R2 является коллекторной нагрузкой каскада, а R1 подает постоянное смещение в базу. С помощью этого резистора стараются сделать так, чтобы напряжение на коллекторе было бы Eпит/2. Такое состояние называют рабочей точкой транзистора, в этом случае коэффициент усиления каскада максимален.

Приблизительно сопротивление резистора R1 можно определить по простой формуле R1 ≈ R2 * h31э / 1,5…1,8. Коэффициент 1,5…1,8 подставляется в зависимости от напряжения питания: при низком напряжении (не более 9В) значение коэффициента не более 1,5, а начиная с 50В, приближается к 1,8…2,0. Но, действительно, формула настолько приблизительна, что резистор R1 чаще всего приходится подбирать, иначе требуемая величина Eпит/2 на коллекторе получена не будет.

Коллекторный резистор R2 задается как условие задачи, поскольку от его величины зависит коллекторный ток и усиление каскада в целом: чем больше сопротивление резистора R2, тем выше усиление. Но с этим резистором надо быть осторожным, коллекторный ток должен быть меньше предельно допустимого для данного типа транзистора.

Схема очень проста, но эта простота придает ей и отрицательные свойства, и за эту простоту приходится расплачиваться. Во – первых усиление каскада зависит от конкретного экземпляра транзистора: заменил транзистор при ремонте, – подбирай заново смещение, выводи на рабочую точку.

Во-вторых, от температуры окружающей среды, – с повышением температуры возрастает обратный ток коллектора Iко, что приводит к увеличению тока коллектора. И где же тогда половина напряжения питания на коллекторе Eпит/2, та самая рабочая точка? В результате транзистор греется еще сильнее, после чего выходит из строя. Чтобы избавиться от этой зависимости, или, по крайней мере, свести ее к минимуму, в транзисторный каскад вводят дополнительные элементы отрицательной обратной связи – ООС.

На рисунке 6 показана схема с фиксированным напряжением смещения.

Рисунок 6.

Казалось бы, что делитель напряжения Rб-к, Rб-э обеспечит требуемое начальное смещение каскада, но на самом деле такому каскаду присущи все недостатки схемы с фиксированным током. Таким образом, приведенная схема является всего лишь разновидностью схемы с фиксированным током, показанной на рисунке 5.

Схемы с термостабилизацией

Несколько лучше обстоит дело в случае применения схем, показанных на рисунке 7.

Рисунок 7.

В схеме с коллекторной стабилизацией резистор смещения R1 подключен не к источнику питания, а к коллектору транзистора. В этом случае, если при увеличении температуры происходит увеличение обратного тока, транзистор открывается сильнее, напряжение на коллекторе уменьшается. Это уменьшение приводит к уменьшению напряжения смещения, подаваемого на базу через R1. Транзистор начинает закрываться, коллекторный ток уменьшается до приемлемой величины, положение рабочей точки восстанавливается.

Совершенно очевидно, что такая мера стабилизации приводит к некоторому снижению усиления каскада, но это не беда. Недостающее усиление, как правило, добавляют наращиванием количества усилительных каскадов. Зато подобная ООС позволяет значительно расширить диапазон рабочих температур каскада.

Несколько сложней схемотехника каскада с эмиттерной стабилизацией. Усилительные свойства подобных каскадов остаются неизменными в еще более широком диапазоне температур, чем у схемы с коллекторной стабилизацией. И еще одно неоспоримое преимущество, – при замене транзистора не приходится заново подбирать режимы работы каскада.

Эмиттерный резистор R4, обеспечивая температурную стабилизацию, также снижает усиление каскада. Это для постоянного тока. Для того, чтобы исключить влияние резистора R4 на усиление переменного тока, резистор R4 шунтирован конденсатором Cэ, который для переменного тока представляет незначительное сопротивление. Его величина определяется диапазоном частот усилителя. Если эти частоты лежат в звуковом диапазоне, то емкость конденсатора может быть от единиц до десятков и даже сотен микрофарад. Для радиочастот это уже сотые или тысячные доли, но в некоторых случаях схема прекрасно работает и без этого конденсатора.

Для того, чтобы лучше понять, как работает эмиттерная стабилизация, надо рассмотреть схему включения транзистора с общим коллектором ОК.

Схема с общим коллектором (ОК) Показана на рисунке 8. Эта схема является кусочком рисунка 2, из второй части статьи, где показаны все три схемы включения транзисторов.

Рисунок 8.

Нагрузкой каскада является эмиттерный резистор R2, входной сигнал подается через конденсатор C1, а выходной снимается через конденсатор C2. Вот тут можно спросить, почему же эта схема называется ОК? Ведь, если вспомнить схему ОЭ, то там явно видно, что эмиттер соединен с общим проводом схемы, относительно которого подается входной и снимается выходной сигнал.

В схеме же ОК коллектор просто соединен с источником питания, и на первый взгляд кажется, что к входному и выходному сигналу отношения не имеет. Но на самом деле источник ЭДС (батарея питания) имеет очень маленькое внутреннее сопротивление, для сигнала это практически одна точка, один и тот же контакт.

Более подробно работу схемы ОК можно рассмотреть на рисунке 9.

Рисунок 9.

Известно, что для кремниевых транзисторов напряжение перехода б-э находится в пределах 0,5…0,7В, поэтому можно принять его в среднем 0,6В, если не задаваться целью проводить расчеты с точностью до десятых долей процента. Поэтому, как видно на рисунке 9, выходное напряжение всегда будет меньше входного на величину Uб-э, а именно на те самые 0,6В. В отличие от схемы ОЭ эта схема не инвертирует входной сигнал, она просто повторяет его, да еще и снижает на 0,6В. Такую схему еще называют эмиттерным повторителем. Зачем же такая схема нужна, в чем ее польза?

Схема ОК усиливает сигнал по току в h31э раз, что говорит о том, что входное сопротивление схемы в h31э раз больше, чем сопротивление в цепи эмиттера. Другими словами можно не опасаясь спалить транзистор подавать непосредственно на базу (без ограничительного резистора) напряжение. Просто взять вывод базы и соединить его с шиной питания +U.

Высокое входное сопротивление позволяет подключать источник входного сигнала с высоким импедансом (комплексное сопротивление), например, пьезоэлектрический звукосниматель. Если такой звукосниматель подключить к каскаду по схеме ОЭ, то низкое входное сопротивление этого каскада просто «посадит» сигнал звукоснимателя, – «радио играть не будет».

Отличительной особенностью схемы ОК является то, что ее коллекторный ток Iк зависит только от сопротивления нагрузки и напряжения источника входного сигнала. При этом параметры транзистора тут вообще никакой роли не играют. Про такие схемы говорят, что они охвачены стопроцентной обратной связью по напряжению.

Как показано на рисунке 9 ток в эмиттерной нагрузке (он же ток эмиттера) Iн = Iк + Iб. Принимая во внимание, что ток базы Iб ничтожно мал по сравнению с током коллектора Iк, можно полагать, что ток нагрузки равен току коллектора Iн = Iк. Ток в нагрузке будет (Uвх – Uбэ)/Rн. При этом будем считать, что Uбэ известен и всегда равен 0,6В.

Отсюда следует, что ток коллектора Iк = (Uвх – Uбэ)/Rн зависит лишь от входного напряжения и сопротивления нагрузки. Сопротивление нагрузки можно изменять в широких пределах, правда, при этом особо усердствовать не надо. Ведь если вместо Rн поставить гвоздь – сотку, то никакой транзистор не выдержит!

Схема ОК позволяет достаточно легко измерить статический коэффициент передачи тока h31э. Как это сделать, показано на рисунке 10.

Рисунок 10.

Сначала следует измерить ток нагрузки, как показано на рисунке 10а. При этом базу транзистора никуда подключать не надо, как показано на рисунке. После этого измеряется ток базы в соответствии с рисунком 10б. Измерения должны в обоих случаях производиться в одних величинах: либо в амперах, либо в миллиамперах. Напряжение источника питания и нагрузка должны оставаться неизменными при обоих измерениях. Чтобы узнать статический коэффициент передачи тока достаточно ток нагрузки разделить на ток базы: h31э ≈ Iн/Iб.

Следует отметить, что при увеличении тока нагрузки h31э несколько уменьшается, а при увеличении напряжения питания увеличивается. Эмиттерные повторители часто строятся по двухтактной схеме с применением комплементарных пар транзисторов, что позволяет увеличить выходную мощность устройства. Такой эмиттерный повторитель показан на рисунке 11.

Рисунок 11.

Рисунок 12.

Включение транзисторов по схеме с общей базой ОБ

Такая схема дает только усиление по напряжению, но обладает лучшими частотными свойствами по сравнению со схемой ОЭ: те же транзисторы могут работать на более высоких частотах. Основное применение схемы ОБ это антенные усилители диапазонов ДМВ. Схема антенного усилителя показана на рисунке 12.

Ранее ЭлектроВести писали, что дожди могут стать новым источником возобновляемой и предельно дешевой энергии: ученые из Гонконга придумали новый тип электрогенератора с высоким КПД и удельной мощностью в тысячу раз большей, чем у существовавших до сих пор других подобных устройств. Их изобретение позволяет получать из падения одной капли воды с высоты 15 см напряжение свыше 140 вольт, а энергии этого падения хватит для питания 100 небольших светодиодных ламп.

По материалам: electrik.info.

3. Биполярные транзисторы. Физические основы электроники. Курс лекций

3.1. Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы

3.1.1. Общие сведения

3.1.2. Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе

3.2. Статические характеристики биполярных транзисторов

3.2.1. Схема с общей базой

3.2.2. Схема с общим эмиттером

3.2.3. Влияние температуры на статические характеристики БТ

3.3. Дифференциальные параметры биполярного транзистора в статическом режиме

3.4. Линейная (малосигнальная) модель биполярного транзистора

3.5. Частотные свойства биполярного транзистора

3.6. Способы улучшения частотных свойств биполярных транзисторов

3.7. Работа транзистора в усилительном режиме

3.8. Особенности работы транзистора в импульсном режиме

3.8.1. Работа транзистора в режиме усиления импульсов малой амплитуды

3.8.2. Работа транзистора в режиме переключения

3.8.3. Переходные процессы при переключении транзистора

3.1. Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы

3.1.1. Общие сведения

Биполярным транзистором (БТ) называется трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами, предназначенный для усиления электрических колебаний по току, напряжению или мощности. Слово “биполярный” означает, что физические процессы в БТ определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Взаимодействие переходов обеспечивается тем, что они располагаются достаточно близко – на расстоянии, меньшем диффузионной длины. Два p-n-перехода образуются в результате чередования областей с разным типом электропроводности. В зависимости от порядка чередования различают БТ типа n-p-n (или со структурой n-p-n) и типа p-n-p (или со структурой p-n-p), условные изображения которых показаны на рисунке 3.1.

а)	б)
Рисунок 3.1.

Структура реального транзистора типа n-p-n изображена на рисунке 3.2. В этой структуре существуют два перехода с неодинаковой площадью: площадь левого перехода n₁⁺-p меньше, чем у перехода n₂-p. Кроме того, у большинства БТ одна из крайних областей (n₁ с меньшей площадью) сечения легирована гораздо сильнее, чем другая крайняя область (n₂).

Рисунок 3.2

Сильнолегированная область обозначена верхним индексом “+” (n⁺). Поэтому БТ является асимметричным прибором. Асимметрия отражается и в названиях крайних областей: сильнолегированная область с меньшей площадью (n₁⁺) называется эмиттером, а область n₂ – коллектором. Соответственно переход n₁⁺-р называют эмиттерным, а n₂-pколлекторным.Средняя область (p) называется базовой (или базой). Правая область n⁺служит для снижения сопротивления коллектора. Контакты с областями БТ обозначены на рисунках 3.1 и 3.2 буквами: Э – эмиттер; Б – база; К- коллектор.

Основные свойства БТ определяются процессами в базовой области, которая обеспечивает взаимодействие эмиттерного и коллекторного переходов. Поэтому ширина базовой области должна быть малой (обычно меньше 1 мкм). Если распределение примеси в базе от эмиттера к коллектору однородное (равномерное), то в ней отсутствует электрическое поле и носители совершают в базе только диффузионное движение. В случае неравномерного распределения примеси (неоднородная база) в базе существует “внутреннее” электрическое поле, вызывающее появление дрейфового движения носителей: результирующее движение определяется как диффузией, так и дрейфом. БТ с однородной базой называют бездрейфовыми, а с неоднородной базой – дрейфовыми.

Биполярный транзистор, являющийся трехполюсным прибором, можно использовать в трех схемах включения: с общей базой (ОБ) (рисунок 3.3,а), общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 3.3,б), и общим коллектором (ОК) (рисунок 3.3,в). Стрелки на условных изображениях БТ указывают (как и на рисунке 3.1) направление прямого тока эмиттерного перехода. В обозначениях напряжений вторая буква индекса обозначает общий электрод для двух источников питания.

В общем случае возможно четыре варианта полярностей напряжения переходов, определяющих четыре режима работы транзистора. Они получили названия: нормальный активный режим, инверсный активный режим, режим насыщения (или режим двухсторонней инжекции) и режим отсечки.

а)	б)	в)
Рисунок 3.3.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение (напряжение эмиттер – база U_ЭБ), а на коллекторном переходе – обратное (напряжение коллектор – база U_КБ). Этому режиму соответствуют полярности источников питания на рисунке 3.4 и направления токов для p-n-p транзистора. В случае n-p-n транзистора полярности напряжения и направления токов изменяются на противоположные.

Рисунок 3.4.

Этот режим работы (НАР) является основным и определяет назначение и название элементов транзистора. Эмиттерный переход осуществляет инжекцию носителей в узкую базовую область, которая обеспечивает практически без потерь перемещение инжектированных носителей до коллекторного перехода. Коллекторный переход не создает потенциального барьера для подошедших носителей, ставших неосновными носителями заряда в базовой области, а, наоборот, ускоряет их и поэтому переводит эти носители в коллекторную область. “Собирательная” способность этого перехода и обусловила название “коллектор”. Коллектор и эмиттер могут поменяться ролями, если на коллекторный переход подать прямое напряжение U_КБ, а на эмиттерный – обратное U_ЭБ. Такой режим работы называется инверсным активным режимом (ИАР). В этом случае транзистор “работает” в обратном направлении: из коллектора идет инжекция дырок, которые проходят через базу и собираются эмиттерным переходом, но при этом его параметры отличаются от первоначальных.

Режим работы, когда напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах являются прямыми одновременно, называют режимом двухсторонней инжекции (РДИ) или менее удачно режимом насыщения (РН). В этом случае и эмиттер, и коллектор инжектируют носители заряда в базу навстречу друг другу и одновременно каждый из переходов собирает носители, приходящие к нему от другого перехода.

Наконец, режим, когда на обоих переходах одновременно действуют обратные напряжения, называют режимом отсечки (РО), так как в этом случае через переходы протекают малые обратные токи.

Следует подчеркнуть, что классификация режимов производится по комбинации напряжений переходов, В схеме включения с общей базой (ОБ) они равны напряжениям источников питания U_ЭБ и U_КБ. В схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) напряжение на эмиттерном переходе определяется напряжением первого источника (U_ЭБ = -U_БЭ), а напряжение коллекторного перехода зависит от напряжений обоих источников и по общему правилу определения разности потенциалов U_КБ = U_КЭ + U_ЭБ. Так как U_ЭБ = -U_БЭ, тo U_КБ = U_КЭ – U_БЭ; при этом напряжение источников питания надо брать со своим знаком: положительным, если к электроду присоединен положительный полюс источника, и отрицательным – в другом случае. В схеме включения с общим коллектором (ОК) напряжение на коллекторном переходе определяется одним источником: U_КБ = -U_БК. Напряжение на эмиттерном переходе зависит от обоих источников: U_ЭБ = U_ЭК + U_КБ = U_ЭК – U_БК, при этом правило знаков прежнее.

3.1.2. Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе

Основные физические процессы в идеализированном БТ удобно рассматривать на примере схемы с общей базой (рисунок 3.4), так как напряжения на переходах совпадают с напряжениями источников питания. Выбор p-n-p транзистора связан с тем, что направление движения инжектируемых из эмиттера носителей (дырок) совпадает с направлением тока.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение U_ЭБ. Поэтому прямой ток перехода

, (3.1)

где I_{э р}, I_{э n} – инжекционные токи дырок (из эмиттера в базу) и электронов (из базы в эмиттер), а I_э_рек – составляющая тока, вызванная рекомбинацией в переходе тех дырок и электронов, энергия которых недостаточна для преодоления потенциального барьера. Относительный вклад этой составляющей в ток перехода I_э в (3.1) тем заметнее, чем меньше инжекционные составляющие I_эр и I_эn, определяющие прямой ток в случае идеализированного р-n перехода. Если вклад I_{э рек} незначителен, то вместо (3.1) можно записать

. (3.2)

Полезным в сумме токов выражения (3.1) является только ток I_{э р}, так как он будет участвовать в создании тока коллекторного перехода. “Вредные” составляющие тока эмиттера I_{э n} и I_{э рек} протекают через вывод базы и являются составляющими тока базы, а не коллектора. Поэтому вредные компоненты I_{э n}, I_{э рек} должны быть уменьшены.

Эффективность работы эмиттерного перехода учитывается коэффициентом инжекции эмиттера

, (3.3)

который показывает, какую долю в полном токе эмиттера составляет полезный компонент. В случае пренебрежения током I_{э рек}

. (3.4)

Коэффициент инжекции g _Э “тем выше (ближе к единице), чем меньше отношение I_{э n}/ I_{э р}. Величина I_{э n}/ I_{э р}<< 1, если концентрация акцепторов в эмиттерной области p-n-p транзистора N_АЭ на несколько порядков выше концентрации доноров N_ДБ в базе (N_АЭ >> N_ДБ). Это условие обычно и выполняется в транзисторах.

Какова же судьба дырок, инжектированных в базу из эмиттера, определяющих полезный ток I_Эр? Очевидно, что инжектированные дырки повышают концентрацию дырок в базе около границы с эмиттерным переходом, т.е. вызывают появление градиента концентрации дырок – неосновных носителей базы. Этот градиент обусловливает диффузионное движение дырок через базу к коллекторному переходу. Очевидно, что это движение должно сопровождаться рекомбинацией части потока дырок. Потерю дырок в базе можно учесть введением тока рекомбинации дырок I_{Б рек}, так что ток подходящих к коллекторному переходу дырок

. (3.5)

Относительные потери на рекомбинацию в базе учитывают коэффициентом переноса:

. (3.6)

Коэффициент переноса показывает, какая часть потока дырок, инжектированных из эмиттера в базу, подходит к коллекторному переходу. Значение c _Б тем ближе к единице, чем меньшее число инжектированных дырок рекомбинирует с электронами – основными носителями базовой области. Ток I_Б_рек одновременно характеризует одинаковую потерю количества дырок и электронов. Так как убыль электронов в базе вследствие рекомбинации в конце концов покрывается за счет прихода электронов через вывод базы из внешней цепи, то ток I_Б_рек следует рассматривать как составляющую тока базы наряду с инжекционной составляющей I_{Э n}.

Чтобы уменьшить потери на рекомбинацию, т.е. увеличить c _Б, необходимо уменьшить концентрацию электронов в базе и ширину базовой области. Первое достигается снижением концентрации доноров N_{д Б}. Это совпадает с требованием N_АЭ/N_ДБ, необходимым для увеличения коэффициента инжекции. Потери на рекомбинацию будут тем меньше, чем меньше отношение ширины базы W_Б и диффузионной длины дырок в базовой области L_{p Б}. Доказано, что имеется приближенное соотношение

. (3.7)

Например, при W_Б/L_{p Б} = 0,1 c _Б = 0,995, что очень мало отличается от предельного значения, равного единице.

Если при обратном напряжении в коллекторном переходе нет лавинного размножения проходящих через него носителей, то ток за коллекторным переходом с учетом (3.5)

(3.8)

С учетом (3.6) и (3.3) получим

, (3.9)

где

. (3.10)

Это отношение дырочной составляющей коллекторного тока к полному току эмиттера называет статическим коэффициентом передачи тока эмиттера.

Ток коллектора имеет еще составляющую I_КБО, которая протекает в цепи коллектор – база при I_Э = 0 (холостой ход, “обрыв” цепи эмиттера), и не зависит от тока эмиттера. Это обратный ток перехода, создаваемый неосновными носителями областей базы и коллектора, как в обычном p-n переходе (диоде).

Таким образом, полный ток коллектора с учетом (3.8) и (3.10)

. (3.11)

Из (3.11) получим обычно используемое выражение для статического коэффициента передачи тока:

, (3.12)

числитель которого (I_К – I_КБО) представляет собой управляемую (зависимую от тока эмиттера) часть тока коллектора, I_Кр. Обычно рабочие токи коллектора I_К значительно I_КБО, поэтому

. (3.13)

С помощью рисунка 3.4 можно представить ток базы через компоненты:

. (3.14)

По первому закону Кирхгофа для общей точки

. (3.15)

Как следует из предыдущего рассмотрения, I_К и I_Б принципиально меньше тока I_Э; при этом наименьшим является ток базы

. (3.16)

Используя (3.16) и (3.11), получаем связь тока базы с током эмиттера

. (3.17)

Если в цепи эмиттера нет тока (I_Э = 0, холостой ход), то I_Б = -I_КБО, т. е. ток базы отрицателен и по величине равен обратному току коллекторного перехода. При значении I^*_Э = I_КБО /(1-a ) ток I_Б = 0, а при дальнейшем увеличении I_Э (I_Э>I^*_Э) ток базы оказывается положительным.

Подобно (3.11) можно установить связь I_К с I_Б. Используя (3.11) и (3.15), получаем

, (3.18)

где

(3.19)

– статический коэффициент передачи тока базы. Так как значение a обычно близко к единице, то b может быть очень большим (b >>1). Например, при a = 0,99 b = 99. Из (3.18) можно получить соотношение

. (3.20)

Очевидно, что коэффициент b есть отношение управляемой (изменяемой) части коллекторного тока (I_К – I_КБО) к управляемой части базового тока (I_Б + I_КБО). Действительно, используя (3.14), получаем

Все составляющие последнего выражения зависят от I_Э и обращаются в нуль при I_Э = 0. Введя обозначение

, (3.21)

можно вместо (3.18) записать

. (3.22)

Отсюда очевиден смысл введенного обозначения I_КЭО это значение тока коллектора при нулевом токе базы (I_Б = 0) или при “обрыве” базы. При I_Б = 0

I_К = I_Э, поэтому ток I_КЭО проходит через все области транзистора и является “сквозным” током, что и отражается индексами “К” и “Э” (индекс “О” указывает на условие I_Б = 0).

3.2. Статические характеристики биполярных транзисторов

Обычно анализируют входные и выходные характеристики БТ в схемах с общей базой и общим эмиттером. Для определенности и преемственности изложения будем рассматривать p-n-p-транзистор.

3.2.1. Схема с общей базой

Семейство входных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимость I_Э = f(U_ЭБ) при фиксированных значениях параметра U_КБ – напряжения на коллекторном переходе (рисунок 3.5,а).

а)	б)
Рисунок 3.5

При U_КБ = 0 характеристика подобна ВАХ p-n-перехода. С ростом обратного напряжения U_КБ (U_КБ < 0 для p-n-p-транзистора) вследствие уменьшения ширины базовой области (эффект Эрли) происходит смещение характеристики вверх: I_Э растет при выбранном значении U_ЭБ. Если поддерживается постоянным ток эмиттера (I_Э= const), т.е. градиент концентрации дырок в базовой области остается прежним, то необходимо понизить напряжение U_ЭБ, (характеристика сдвигается влево). Следует заметить, что при U_КБ < 0 и U_ЭБ = 0 существует небольшой ток эмиттера I_Э0, который становится равным нулю только при некотором обратном напряжении U_ЭБ0.

Семейство выходных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимости I_К = f(U_КБ) при заданных значениях параметра I_Э (рисунок 3.5,б).

Выходная характеристика p-n-p-транзистора при I_Э = 0 и обратном напряжении |U_КБ < 0| подобна обратной ветви p-n-перехода (диода). При этом в соответствии с (3.11) I_К = I_КБО, т. е. характеристика представляет собой обратный ток коллекторного перехода, протекающий в цепи коллектор – база.

При I_Э > 0 основная часть инжектированных в базу носителей (дырок в p-n-p транзисторе) доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток при U_КБ = 0 в результате ускоряющего действия контактной разности потенциалов. Ток можно уменьшить до нуля путем подачи на коллекторный переход прямого напряжения определенной величины. Этот случай соответствует режиму насыщения, когда существуют встречные потоки инжектированных дырок из эмиттера в базу и из коллектора в базу. Результирующий ток станет равен нулю, когда оба тока одинаковы по величине (например, точка А’ на рисунок 3.5,б). Чем больше заданный ток I_Э, тем большее прямое напряжение U_КБ требуется для получения I_К = 0.

Область в первом квадранте на рис. 3.5,б, где U_КБ < 0 (обратное) и параметр I_Э > 0 (что означает прямое напряжение U_ЭБ) соответствует нормальному активному режиму (НАР). Значение коллекторного тока в НАР определяется формулой (3.11) I_К = a I_Э + I_КБО. Выходные характеристики смещаются вверх при увеличении параметра I_Э. В идеализированном транзисторе не учитывается эффект Эрли, поэтому интегральный коэффициент передачи тока a можно считать постоянным, не зависящим от значения |U_КБ|. Следовательно, в идеализированном БТ выходные характеристики оказываются горизонтальными (I_К = const). Реально же эффект Эрли при росте |U_КБ| приводит к уменьшению потерь на рекомбинацию и росту a . Так как значение a близко к единице, то относительное увеличение а очень мало и может быть обнаружено только измерениями. Поэтому отклонение выходных характеристик от горизонтальных линий вверх “на глаз” не заметно (на рисунке 3.5,б не соблюден масштаб).

3.2.2. Схема с общим эмиттером

Семейство входных характеристик схемы с ОЭ представляет собой зависимости I_Б = f(U_БЭ), причем параметром является напряжение U_КЭ (рисунок 3.6,а). Для p-n-p транзистора отрицательное напряжение U_БЭ(U_БЭ < 0) означает прямое включение эмиттерного перехода, так как U_ЭБ = -U_БЭ > 0. Если при этом U_КЭ = 0 (потенциалы коллектора и эмиттера одинаковы), то и коллекторный переход будет включен в прямом направлении: U_КБ = U_КЭ + U_ЭБ = U_ЭБ > 0. Поэтому входная характеристика при U_КЭ = 0 будет соответствовать режиму насыщения (РН), а ток базы равным сумме базовых токов из-за одновременной инжекции дырок из эмиттера и коллектора. Этот ток, естественно, увеличивается с ростом прямого напряжения U_ЭБ, так как оно приводит к усилению инжекции в обоих переходах (U_КБ = U_ЭБ) и соответствующему возрастанию потерь на рекомбинацию, определяющих базовый ток.

а)	б)
Рисунок 3.6

Вторая характеристика на рисунке 3.6,а (U_{КЭ á}0) относится к нормальному активному режиму, для получения которого напряжение U_КЭ должно быть в p-n-p транзисторе отрицательным и по модулю превышать напряжение U_ЭБ. В этом случае (U_КБ = U_КЭ + U_ЭБ = U_КЭ – U_БЭ < 0. Формально ход входной характеристики в НАР можно объяснить с помощью выражения (3.14) или (3.17): I_Б =(1 – a )I_Э– I_КБО. При малом напряжении U_БЭ инжекция носителей практически отсутствует (I_Э = 0) и ток

I_Б = -I_КБО, т.е. отрицателен. Увеличение прямого напряжения на эмиттерном переходе U_ЭБ = -U_БЭ вызывает рост I_Э и величины (1 – a ) I_Э. Когда (1 – a ) I_Э = I_КБО, ток I_Б = 0. При дальнейшем роете U_БЭ (1 – a ) I_Э > I_КБО и I_Б меняет направление и становится положительным (I_Б > 0) и сильно зависящим от напряжения перехода.

Влияние U_КЭ на I_Б в НАР можно объяснить тем, что рост |U_КЭ| означает рост |U_КБ| и, следовательно, уменьшение ширины базовой области (эффект Эрли). Последнее будет сопровождаться снижением потерь на рекомбинацию, т.е. уменьшением тока базы (смещение характеристики незначительно вниз).

Семейство выходных характеристик схемы с ОЭ представляет собой зависимости I_К = f(U_КЭ) при заданном параметре I_Б (рисунок 3.6,б).

Крутые начальные участки характеристик относятся к режиму насыщения, а участки с малым наклоном – к нормальному активному режиму. Переход от первого режима ко второму, как уже отмечалось, происходит при значениях |U_КЭ|, превышающих |U_БЭ|. На характеристиках в качестве параметра берется не напряжение U_БЭ, а входной ток I_Б. Поэтому о включении эмиттерного перехода приходится судить по значению тока I_Б, который связан с входной характеристикой на рисунке 3.6,а. Для увеличения I_Б необходимо увеличивать |U_БЭ|, следовательно, и граница между режимом насыщения и нормальным активным режимом должна сдвигаться в сторону больших значений.

Если параметр I_Б = 0 (“обрыв” базы), то в соответствии с (3.22) I_К = I_КЭО = (b + 1 ) I_КБО. В схеме с ОЭ можно получить (как и в схеме с ОБ) I = I_КБО, если задать отрицательный ток I_Б = -I_КБО. Выходная характеристика с параметром I_Б = -I_КБО может быть принята за границу между НАР и режимом отсечки (РО). Однако часто за эту границу условно принимают характеристику с параметром I_Б = 0.

Наклон выходных характеристик в нормальном активном режиме в схеме с общим эмиттером во много раз больше, чем в схеме с общей базой (h_22Э » b h_22Б) Объясняется это различным проявлением эффекта Эрли. В схеме с общим эмиттером увеличение U_КЭ, а следовательно и U_КБ сопровождается уменьшением тока базы, а он по определению выходной характеристики должен быть неизменным. Для восстановления тока базы приходится регулировкой напряжения U_БЭ увеличивать ток эмиттера, а это вызывает прирост тока коллектора D I_К, т.е. увеличение выходной проводимости (в схеме с ОБ ток I_Э при снятии выходной характеристики поддерживается неизменным).

3.2.3. Влияние температуры на статические характеристики БТ

Влияние температуры на положение входной характеристики схемы с ОБ при поддержании неизменным ее параметра аналогично ее влиянию на ВАХ полупроводникового диода. В нормальном активном режиме ток эмиттерного перехода можно представить формулой

С ростом температуры тепловой ток I_ЭО растет быстрее, чем убывает экспонента из-за увеличения j _Т = kT/q. В результате противоположного влияния двух факторов входные характеристики схемы с ОБ смещаются влево при выбранном токе I_Э на величину D U » (1…2) мВ/°С (рисунок 3.7,а).

Начало входной характеристики в схеме с ОЭ определяется тепловым током коллекторного перехода I_КБО который сильно зависит от температуры, так что начало характеристики при увеличении температуры опускается (рисунок 3.7, б).

а)	б)
Рисунок 3.7

Влияние температуры на выходные характеристики схем с ОБ и ОЭ в НАР удобно анализировать по формулам (3.11) и (3.22):

и .

Снятие выходных характеристик при различных температурах должно проводиться при поддержании постоянства параметров (I_Э = const в схеме с ОБ и I_Б = const в схеме с ОЭ). Поэтому в схеме с ОБ при I_Э = const рост I_К будет определяться только увеличением I_КБО (рисунок 3.8, а).

а)	б)
Рисунок 3.8

Однако обычно I_КБО значительно меньше a I_Э, изменение I_К составляет доли процента и его можно не учитывать.

В схеме с ОЭ положение иное. Здесь параметром является I_Б и его надо поддерживать неизменным при изменении температуры. Будем считать в первом приближении, что коэффициент передачи b не зависит от температуры. Постоянство b I_Б означает, что температурная зависимость I_К будет определяться слагаемым (b + 1)I_КБО. Ток I_КБО (как тепловой ток перехода) примерно удваивается при увеличении температуры на 10°С, и при b >> 1 прирост тока (b + 1)I_КБО может оказаться сравнимым с исходным значением коллекторного тока и даже превысить его.

На рисунке 3.8,б показано большое смещение выходных характеристик вверх. Сильное влияние температуры на выходные характеристики в схеме с ОЭ может привести к потере работоспособности конкретных устройств, если не принять схемотехнические меры для стабилизации тока или термостатирование.

3.3. Дифференциальные параметры биполярного транзистора в статическом режиме

Статические характеристики и их семейства наглядно связывают постоянные токи электродов с постоянными напряжениями на них. Однако часто возникает задача установить количественные связи между небольшими изменениями (дифференциалами) этих величин от их исходных значений. Эти связи характеризуют коэффициентами пропорциональности -дифференциальными параметрами.

Рассмотрим процедуру введения дифференциальных параметров БТ на примере наиболее распространенных h-параметров, приводимых в справочниках по транзисторам. Для введения этой системы параметров в качестве независимых переменных при описании статического режима берут входной ток I_ВХ (I_Э или I_Б) и выходное напряжение U_ВЫХ(U_KБили (U_КЭ):

U₁= f (I₁,U₂) (3.23)

I₂= f (I₁,U₂)

В этом случае полные дифференциалы

(3.24)

Частные производные в выражениях (3.24) и являются дифференциальными h-napaметрами, т.е.

dU₁=h₁₁ d I₁ +h₁₂ dU₂(3.25)

dI₂=h₂₁ dI₁+ h₂₂ dU₂

(h₁₁-входное сопротивление, h₁₂-коэффициент обратной передачи, h₂₁-коэффициент передачи входного тока и h₂₂-выходная проводимость). Названия и обозначения этих параметров взяты из теории четырехполюсников для переменного тока.

Приращения статических величин в нашем случае имитируют переменные токи и напряжения.

Для схемы с общей базой

dU_ЭБ=h_11Б d I_Э +h_12Б dU_КБ (3.26)

dI_К=h_21Б dI_Э+ h_22Б dU_КБ

Эти уравнения устанавливают и способ нахождения по статическим характеристикам, и метод измерения h-параметров. Полагая dU_КБ= 0, т.е. U_КБ = const, можно найти h_11Б и h_21Б, а считая dI_Э = 0, т. е. I_Э = const. определить h_12Б и h_22Б.

Аналогично для схемы с общим эмиттером можно переписать (3.26) в виде

dU_БЭ=h_11Э d I_Б +h_12Э dU_КЭ(3.27)

dI_К=h_21Э dI_Б+ h_22Э dU_КЭ

Связь h-параметров со статическими характеристиками схем с ОБ и ОЭ и их определение по ним рассмотрены в.

3.4. Линейная (малосигнальная) модель биполярного транзистора

В качестве малосигнальных моделей могут быть использованы эквивалентные схемы с дифференциальными h-, у- и z-параметрами, которые имеют формальный характер и в которых отсутствуют непосредственная связь с физической структурой транзистора. Например, эквивалентная схема для системы Н-параметров приведена на рисунке.

Рисунок 3.9

Широкое распространение нашли эквивалентные схемы с так называемыми физическими параметрами, которые опираются на нелинейную динамическую модель Эберса – Молла, т.е. тесно связаны с физической структурой биполярного транзистора.

Малосигнальную схему БТ легко получить из нелинейной динамической модели заменой эмиттерного и коллекторного диодов их дифференциальными сопротивлениями, устанавливающими связь между малыми приращениями напряжения и тока. Кроме того, в усилительных схемах используется либо нормальный активный, либо инверсный активный режим, а режим насыщения недопустим. Поэтому при переходе к малосигнальной схеме можно ограничиться рассмотрением наиболее распространенного нормального активного режима, так как результаты легко перенести и на инверсный активный режим. В этом случае можно исключить генератор тока и малосигнальную модель БТ для схемы включения с ОБ изобразить, как на рисунке 3.10.

Рисунок 3.10

Поясним смысл элементов модели. Резистор R_Э представляет дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода. В первом приближении его можно определить по формуле для идеализированного р-n перехода:

R_Э=dU/dI» j _T/I_Э, (3.28)

где I_Э– постоянная составляющая тока эмиттера. Так как при комнатной температуре j _т = 0,026 В, то при I_Э = 1 мА R_Э = 26 Ом.

Величина R_К называется дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода. Оно обусловлено эффектом Эрли и может быть определено по наклону выходной характеристики:

. (3.29)

Величина R_К обратно пропорциональна значению параметра h₂₂_Б. Дифференциальное сопротивление коллектора может составлять сотни килоом и мегаомы, тем не менее его следует учитывать.

Реактивные элементы модели (Сэ, Ск) оказались теперь присоединенными параллельно резисторам R_Э и R_К. Сопротивление базы r½ _ББ, которое может превышать сотни ом, всегда остается в модели.

r½ _ББ=h₁₂/h₂₂ . (3.30)

Приведенная эквивалентная малосигнальная модель БТ формально относится к схеме включения с ОБ. Однако она применима и для схемы с ОЭ. Для этого достаточно поменять местами плечи этой схемы, называемой Т-образной схемой с физическими параметрами. Электрод “Б” следует изобразить входным, а “Э” – общим, как показано на рисунке 3.11.

Рисунок 3.11

Значения всех элементов остаются прежними. Однако при таком изображении появляется некоторое неудобство, связанное с тем, что зависимый генератор тока в коллекторной цепи выражается не через входной ток (ток базы). Этот недостаток легко устранить преобразованием схемы к виду, изображенному на рисунке 3.11. Чтобы обе схемы были равноценными четырехполюсниками, они должны иметь одинаковые параметры в режимах холостого хода и короткого замыкания. Это требует перехода от тока H_21БI_Э к току Н_21ЭI_Б и замены R_К и C_К на R_К^* и C_К^* соответственно. Связи этих величин определяются формулами

R_К^*=Н_21БR_К/ Н_21Э=R_К /( Н_21Э+1) , ( 3.31 )

С_К*= С_К( Н_21Э+1) . ( 3.32 )

Легко убедиться, что R_К^*характеризует наклон выходной характеристики (эффект Эрли) в схеме с ОЭ и связан с выходной проводимостью в этой схеме соотношением (5.43). Во сколько раз уменьшается R_К^*по сравнению с R_К, во столько же раз возрастает емкость С_K^* по сравнению с С_K, т.е. R_KC_K=R_K^*C_K^*.

3.5. Частотные свойства биполярного транзистора

Частотные свойства определяют диапазон частот синусоидального сигнала, в пределах которого прибор может выполнять характерную для него функцию преобразования сигнала. Принято частотные свойства приборов характеризовать зависимостью величин его параметров от частоты. Для биполярных транзисторов используется зависимость от частоты коэффициента передачи входного тока в схемах ОБ и ОЭ Н_21Б и Н_21Э. Обычно рассматривается нормальный активный режим при малых амплитудах сигнала в схемах включения с ОБ и ОЭ.

В динамическом режиме вместо приращения токов необходимо брать комплексные амплитуды, поэтому и коэффициенты передачи заменяются комплексными (частотно зависимыми) величинами: Н_21Б и Н_21Э.

Величины Н_21Б и Н_21Э могут быть найдены двумя способами:

• решением дифференциальных уравнений физических процессов и определением из них токов;

• анализом Т-образной эквивалентной схемы по законам теории электрических цепей.

Во втором случае Н_21Б и Н_21Э будут выражены через величины электрических элементов схемы. Мы проведем анализ частотных свойств коэффициентов передачи, используя Т-образную линейную модель (эквивалентную схему) n-р-n транзистора (рисунки 3.10 и 3.11).

На частотные свойства БТ влияют С_Э, С_К и r½ _ББ, а также время пролета носителей через базу t _Б.

Нет надобности рассматривать влияние на частотные свойства транзистора каждого элемента в отдельности. Совместно все эти факторы влияют на коэффициент передачи тока эмиттера Н_21Б, который становится комплексным, следующим образом:

_,(3.33 )

где Н_21Б0– коэффициент передачи тока эмиттера на низкой частоте, f – текущая частота, f_Н21Б– предельная частота. Модуль коэффициента передачи тока эмиттера равен

( 3.34 ).

Не трудно заметить, что модуль коэффициента передачи ½ Н_21Б½на предельной частоте f_Н21Б снижается в раз. Сдвиг по фазе между входным и выходным токами определяется формулой

. ( 3.35 )

Для схемы с ОЭ известно соотношение

( 3.36 ).

Подставляя (3.33) в (3.36) получим

(3.37),

где . Модуль коэффициента передачи тока базы будет равен

(3.38).

Как видно, частотные свойства БТ в схеме ОЭ значительно уступают транзистору, включенному по схеме с ОБ.

Граничная частота f_ГР – это такая частота, на которой модуль коэффициента передачи ½ Н_21Э½=1. В итоге получим, что f_ГР»f_Н21Э×Н_21Э0.

Транзистор можно использовать в качестве генератора или усилителя только в том случае, если его коэффициент усиления по мощности К_P>1. Поэтому обобщающим частотным параметром является максимальная частота генерирования или максимальная частота усиления по мощности, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице. Связь этой частоты с высокочастотными параметрами определяется выражением

, ( 3.39 ).

где f_Н21Б– предельная частота в мегагерцах; r¹_ББ– объемное сопротивление в омах; C_К – емкость коллекторного перехода в пикофарадах; f_МАКС – в мегагерцах.

3.6. Способы улучшения частотных свойств биполярных транзисторов

Рассмотренное выше позволяет сделать следующие выводы. Для улучшения частотных свойств (повышение предельной частоты) рекомендуется следующее.

1. Уменьшать время пролета инжектированных носителей в базовой области, т.е.

а) уменьшать ширину базовой области W_Б; б) создавать n-р-n транзисторы, так как подвижность электронов выше, чем у дырок, примерно в 2 раза; в) использовать германиевые БТ, так как в германии подвижность носителей выше. Еще большие возможности открывает использование арсенида галлия.

2. Создавать ускоряющее поле в базовой области для инжектированных из эмиттера носителей. Последнее возникает при неравномерном распределении примесей в базе по направлению от эмиттера к коллектору (рис. 5.31,б). Концентрацию около эмиттера делают примерно в 100 раз больше, чем около коллектора.

Рисунок 3.12

Появление поля объясняется просто. Так как концентрация основных носителей в любой точке базы (дырок n-р-n транзистора) приблизительно равна концентрации примесей в этой точке, то распределение примесей N_a(х) одновременно будет и распределением дырок p(х). Под влиянием градиента концентрации дырок будет происходить их диффузионное движение к коллектору, приводящее к нарушению условия электрической нейтральности: около эмиттера будет избыток отрицательного заряда ионов акцепторов, а около коллектора – избыток положительного заряда дырок, которые приходят к коллекторному переходу, но не проходят через него.

Нарушение электрической нейтральности приводит к появлению внутреннего электрического поля в базовой области (минус у эмиттера, плюс у коллектора). Появляющееся поле, в свою очередь, вызовет встречное дрейфовое движение дырок. Нарастание поля и дрейфового потока будет происходить до того момента, когда дрейфовый и диффузионный токи дырок уравняются. Легко видеть, что установившееся (равновесное) значение поля будет ускоряющим для электронов, которые входят в рабочем режиме из эмиттера в базу и будут уменьшать их время пролета, т.е. повышать предельную частоту БТ.

Биполярные транзисторы с неравномерным распределением примесей в базе, приводящим к появлению ускоряющего поля, называются дрейфовыми, а обычные – бездрейфовыми. Практически все современные высокочастотные и сверхвысокочастотные БТ являются дрейфовыми.

Уменьшение времени пролета в базовой области n-р-n транзистора при экспоненциальном законе убывания концентрации акцепторов от N_а(0) до N_а(W_Б) учитывается коэффициентом неоднородности базы:

h =0,5ln[ N_А(0)/N_А(W_Б)]

Поэтому можно написать

Для бездрейфовых транзисторовh =0 , а типичные значения для дрейфовых транзисторов .

3. Уменьшать барьерные емкости эмиттерного и коллекторного переходов путем уменьшения сечения областей транзистора и увеличения ширины переходов (выбором концентрации примесей и рабочего напряжения).

4. Уменьшать омическое сопротивление областей базы r½ _ББ.

5. Уменьшать время пролета носителей в области коллекторного перехода.

Следует отметить, что ряд требований несовместимы и необходимо при создании транзисторов применять компромиссные решения.

3.7. Работа транзистора в усилительном режиме

При работе транзистора в различных радиотехнических устройствах в его входную цепь поступают сигналы, например переменные напряжения. Под действием входного переменного напряжения изменяются входной и выходной токи транзистора.

Для выделения полезного сигнала в выходную цепь транзистора включают элементы нагрузки. В простейшем случае нагрузкой может служить резистор R_к. На резисторе нагрузки за счет прохождения выходного тока выделяется, кроме постоянного, переменное напряжение. Амплитуда этого напряжения зависит от амплитуды переменной составляющей выходного тока и сопротивления резистора R_к и может быть больше входного напряжения. Процесс усиления сигнала удобно рассмотреть на примере простейших усилителей.

Простейшая схема усилителя на транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, показана на рисунке 3.13.

Рисунок 3.13

Коллекторная цепь состоит из резистора R_ки источника Е_к, а цепь базы – из источников тока I_Б0и I_Бm Источник I_Б0обеспечивает положение исходной рабочей точке на участке характеристик с наименьшей нелинейностью. Источник I_Бm– источник сигнала. В качестве выходного используется переменное напряжение, выделяемое на резисторе нагрузки R_к(на коллекторе транзистора).

Работа такого усилителя поясняется временными диаграммами токов и напряжений, изображенными на рис. 3..

При I_Бm =0 токи базы и коллектора будут определяться токами в рабочей точке (I_{Б 0,}I_{К 0})и напряжением на коллекторе U_К0= Е_К-I_{К0 ×} R_к

Рисунок 3.14

Во время положительного полупериода входного тока (рис. 3.14.,а) прямое напряжение эмиттерного перехода увеличивается, что вызывает рост тока коллектора (рис. 3.14,б) и уменьшение напряжения U_КЭза счет увеличения падения напряжения на сопротивлении коллектора (рисунок 3.14,в). Если работа происходит на линейных участках характеристик транзистора, то формы переменных составляющих токов базы и коллектора совпадают с формой входного напряжения, а переменное напряжение на коллекторе, обусловленной переменной составляющей коллекторного тока, оказывается сдвинутым относительно входного напряжения на 180⁰. При соответствующем выборе сопротивления нагрузки R_камплитуда переменного напряжения на выходе такого усилителя U_mвых=I_КmR_к может значительно превышать амплитуду входного напряжения.

3.8. Особенности работы транзистора в импульсном режиме

3.8.1. Работа транзистора в режиме усиления импульсов малой амплитуды

Если транзистор работает в режиме усиления импульсных сигналов малой амплитуды, то такой режим работы в принципе не отличается от линейного усиления малых синусоидальных сигналов. Импульс в этом случае может быть представлен в виде суммы ряда гармонических составляющих. Зная частотные свойства транзистора, можно определить искажения формы импульсов, возникающие при усилении.

Схема импульсного усилителя не отличается от схемы усилителя гармонических сигналов (рисунок 3.13).

3.8.2. Работа транзистора в режиме переключения

Биполярный транзистор широко используется в электронных устройствах в качестве ключа – функцией которого является замыкание и размыкание электрической цепи. Имея малое сопротивление во включенном состоянии и большое – в выключенном, биполярный транзистор достаточно полно удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ключевым элементам.

Схема транзисторного ключа показана на рисунке 3.15. Во входной цепи действуют источник смещения Е_БЭ, создающий обратное напряжение на эмиттерном переходе, источник управляющих импульсов прямого напряжения U_ВХ и ограничительный резистор R_Б. Обычно R_{Б> >}Н_11Э. В выходной цепи включены сопротивление нагрузки R_К и источник питания Е_КЭ.

Рисунок 3.15

Когда нет импульса на входе, транзистор находится в режиме отсечки и ток коллектора практически отсутствует I_К»I_КБ0(точка А на выходных характеристиках (рисунок 3.16,б). Напряжение на выходе транзистора u_КЭ= Е_КЭ-I_К× R_К » Е_КЭ.

При подаче на вход транзистора импульсов прямого тока i_Б=(U_ВХ– E_БЭ)/R_Б=I_{Б НАС}, транзистор открывается, рабочая точка перемещается в точку Б (режим насыщения) и напряжение на коллекторе падает до значения u_КЭ= Е_КЭ-I_{К НАС,} R_К=U_{КЭ ОСТ}. При дальнейшем увеличении тока базы ток коллектора не увеличивается (рисунок 3.16,а) и напряжение на коллекторе не изменяется (рисунок 3.16,б).

а)	б)
Рисунок 3.16

3.8.3. Переходные процессы при переключении транзистора

При практическом использовании транзистора большое значение имеет скорость переключения, обуславливающая быстродействие аппаратуры. Скорость переключения определяется процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе и коллекторе транзистора, эмиттерном и коллекторном переходах.

В эмиттерном и коллекторном переходах находятся нескомпенсированные заряды неподвижных ионизированных атомов примеси – доноров и акцепторов; неравновесный заряд отсечки в базе можно считать равным нулю.

При переходе к режиму насыщения эмиттерный переход открывается, толщина перехода и его нескомпенсированный заряд уменьшаются, происходит как бы разряд ёмкости эмиттерного перехода. В следствии понижения напряжения на коллекторе, уменьшается его толщина и заряд в нем, т.е. происходит разряд ёмкости коллекторного перехода, открывается коллекторный переход и в области базы за счет инжекции электронов из эмиттерного и коллекторного переходах накапливается большой неравновесный заряд насыщения. В транзисторах, имеющих высокоомный коллектор носители заряда инжектируют и в область коллектора, где так же накапливается неравновесный заряд.

Графики напряжений и токов транзистора при переключении даны на рисунке 3.17. На базу транзистора подается прямоугольный импульс напряжения U_ВХ-E_БЭ(рисунок 3.17,а).

График входного тока показан на рисунке 3.17,б. Величина импульса прямого тока базы I_{Б ПР} определяется в основном сопротивлением ограничительного резистора R_Б.

После переключения эмиттерного перехода на обратное направление ток перехода, как и в диоде, имеет первоначально большую величину, ограниченную лишь сопротивлением R_Б: I_{Б ОБР}= E_Б/ R_Б, так как сопротивление эмиттерного перехода в первый момент после переключения очень мало вследствие насыщения базы неравновесными носителями заряда (рисунок 3.17,г).

При прямоугольной форме импульса входного тока импульс выходного тока i_К(рисунок 3.17,в) появляется с задержкой t_З, которая определяется главным образом скоростью нарастания напряжения эмиттерного перехода, зависящей от величин ёмкости перехода и прямого тока базы, т.е. скоростью разряда эмиттерного перехода.

После того как транзистор перейдет из режима отсечки в активный режим, коллекторный ток начинает постепенно нарастать, достигая установившегося значения а время t_н. Это время определяется скоростью накопления неравновесного заряда в базе и скоростью разряда емкости коллектора. Таким образом, полное время включения транзистора состоит из времени задержки и времени нарастания:

Практически оно может иметь величину от нескольких наносекунд до нескольких микросекунд в зависимости от параметров транзистора.

После подачи в цепь базы запирающего тока I_{Б ОБР}=E_БЭ/R_Б выходной коллекторный ток прекращается не сразу. На протяжении некоторого времени рассасывания t_pон практически сохраняет свою величину, так как концентрация носителей заряда в базе у коллекторного перехода еще остается выше равновесной и коллекторный переход благодаря этому оказывается открытым.

Лишь после того как неравновесный заряд у коллекторного перехода рассосется за счет ухода электронов из базы и рекомбинации, ток коллектора начинает постепенно спадать, достигая время спада t_С установившегося значения I_KЭ0. В течении этого времени продолжается рассасывание неравновесного заряда базы и происходит перезаряд емкости коллекторного перехода. Заметим, что эмиттерный переход при этом может закрыться раньше или позже коллекторного в зависимости от скорости рассасывания неравновесного заряда, сосредоточенного поблизости от него.

Процесс накопления и рассасывания неравновесного заряда q_Б при переключении транзистора поясняется на рисунке 3.17,г. Накопление неравновесного заряда в базе начинается спустя время задержки t_з, и заряд за время нарастания t_ндостигает установившегося значения q_Б=Q_акт. Далее вследствие падения коллекторного напряжения до величины U_{КЭ ОСТ<} U_БЭ коллекторный переход открывается и начинает инжектировать неравновесные носители заряда в базу. Заряд базы снова возрастает, достигая к концу входного импульса значения q_Б=Q_нас. После переключения напряжения эмиттерного перехода на обратное происходит рассасывание неравновесного заряда базы, за время t_Р+t_С он достигает нулевого значения.

Транзисторы работающие как реле в ключевом режиме

Если нужно использовать транзистор в качестве «реле», то есть чтоб он или был полностью открыт, или полностью закрыт (не проводил ток совсем), лучше всего подключить его в конфигурации с общим эмиттером (если это биполярный транзистор) или с общим истоком, если используем полевой МОП-транзистор. В зависимости от того как требуется управлять нагрузкой и надо выбрать соответствующий транзистор:

NPN (биполярный) или с каналом N-типа (MOSFET), если отрицательный кабель должен быть отключен, а положительный – подключен постоянно,
PNP (биполярный) или с каналом P-типа (MOSFET), если положительный кабель должен быть отключен, а отрицательный подключен постоянно.

Все четыре варианта включения показаны на схемах ниже:

Чтобы включить такой транзистор, на его базу или затвор должно подаваться напряжение:

выше, чем на эмиттер или исток (для транзисторов NPN или с каналом N)
ниже, чем на эмиттер или исток (для транзисторов PNP или с каналом P).

Напряжение может поступать от микроконтроллера, оптрона или другой схемы управления, например компаратора. Вот как это делается на практике.

В случае биполярных транзисторов надо установить соответствующий высокий базовый ток. Только тогда транзистор может насыщаться и нормально функционировать как реле. А двухпозиционное транзисторное управление ограничит потери рассеиваемой мощности.

Если нужно использовать MOSFET, значение этого управляющего напряжения должно превышать пороговое напряжение UGSth транзистора в несколько раз. Затвор полевого МОП-транзистора не потребляет ток, когда он полностью открыт. Для перезарядки пропускной способности затвора требуется протекание тока. Также обратите внимание на максимальное напряжение затвор-исток, которое обычно составляет 12 – 20 В – подробности в даташите для данного транзистора. Превышение этого значения может привести к выходу из строя радиоэлемента.

Транзистор выключается путем приведения его напряжения база-эмиттер (или затвор-исток) к нулю. Самый простой способ сделать это – подключить управляющий вход к линии, к которой подключен эмиттер (или исток). Остерегайтесь PNP или P-канальных транзисторов – если схема управления запитана от напряжения ниже чем транзистор, его нельзя будет выключить. Тут необходимо использовать дополнительную схему управления или брать транзистор типа NPN (или с каналом N).

Резисторы R1 в каждом из решений отключают транзистор, когда управляющий сигнал не подан. Его сопротивление не критично, обычно принимают в пределах 10 – 100 кОм. Резисторы R2 ограничивают ток, протекающий через базы биполярных транзисторов, и их сопротивление можно рассчитать по формуле:

R2 = ((USTER – UBE) · bMIN) / (Icmax · k)

Icmax – максимальный ток, который может потреблять нагрузка.
bMIN – минимальное значение коэффициента усиления по току данного транзистора.
USTER – базовое управляющее напряжение от цепи управления.
UBE – напряжение в открытом состоянии база-эмиттер (около 0,7 В для обычных биполярных транзисторов, около 1,5 В для транзисторов Дарлингтона).
k – коэффициент ограничения, определяющий степень насыщения транзистора. Предполагается, что должен быть 2 и более.

Резисторы R3 играют аналогичную роль – ограничивают ток затвора. Однако их значение не так критично, потому что они ограничивают ток только при переключении транзистора. Обычно можно использовать тоже 10 – 100 Ом.

Биполярный транзистор или полевой

Когда следует выбирать биполярный транзистор, а когда – полевой МОП-транзистор? В подавляющем большинстве устройств MOSFET победит – у него низкие потери мощности. Биполярный же транзистор стоит рассмотреть при низком управляющем напряжении (например, 1,8 В).

В схемах с биполярными транзисторами резисторы R1 подключались непосредственно рядом с управляющим выходом, а в случае полевых МОП-транзисторов – между затвором и истоком. В связи с этим они не принимают базовый ток биполярных транзисторов, необходимый для их надлежащего насыщения. С другой стороны, в случае полевых МОП-транзисторов резисторы R1 не оказывают такого большого влияния на их работу, потому что сопротивления R1 и R3 существенно различаются, R1 больше R3.

Далее приведены 4 примера управления Arduino нагрузкой, потребляющей ток до 0,5 А. Все питаются от 5 В.

Если данная нагрузка включает в себя катушку или двигатель, соответствующий защитный диод должен быть обязательно подключен параллельно к ней. Это защитит транзистор от повреждения во время его выключения при возникновении перенапряжения на индуктивности.

Управление полевым транзистором от микроконтроллера

При управлении полевыми МОП-транзисторами непосредственно с выхода микроконтроллера следует помнить о нескольких вещах: пороговое напряжение транзистора UGSth, входная емкость транзистора, уровень напряжения, если стоит P-канальный.

Резистор R2 (схема выше) удерживает транзистор закрытым при выключении микроконтроллера. Его сопротивление не критично, обычно его принимают в пределах 10 кОм – 100 кОм. С другой стороны, резистор R1 снижает ток потребляемый с выхода микроконтроллера, при изменении логического состояния. Точное значение определить сложно, поэтому оно может быть в диапазоне от 10 Ом до 100 Ом. Схема для MOSFET-P будет работать только тогда, когда напряжение питания микроконтроллера и схемы, управляемой транзистором, одинаковы.

Для полного открытия полевого МОП-транзистора требуется напряжение затвор-исток, в 2 – 3 раза превышающее пороговое напряжение. Если производитель указывает, что например у BUZ11, пороговое напряжение UGSth не более 4 В, то полное открытие произойдет при UGS = 8 – 12 В. Так что управление им с микроконтроллера на 5 В точно будет некорректным. Понадобится использовать транзистор с более низким пороговым напряжением, например IRLML0030, где максимальное UGSth = 2,3 В.

Входная емкость полевого МОП-транзистора составляет от нескольких сотен пикофарад до нескольких нанофарад. Выход микроконтроллера может проводить ток в несколько десятков миллиампер. Это означает, что время перезарядки затвора значительно. Например, току 20 мА требуется 1 мкс, чтобы перезарядить емкость 4 нФ на 5 В.

Ещё одна проблема возникнет только с транзисторами с каналом P-типа. Для их выключения необходимо довести напряжение затвор-исток до нуля, что предполагает уравнивание потенциала затвора с потенциалом истока. Следовательно, в такой схеме транзисторный исток может быть подключен к тому же напряжению, от которого запитан микроконтроллер, то есть 5 В. Управление транзистором (отключение) будет некорректным, если напряжение затвор-исток слишком сильно отличается от нуля.

Так что если: транзистор с высоким пороговым напряжением UGSth должен быть активирован, напряжение питания микроконтроллера очень низкое (например 1,8 В), сигнал ШИМ имеет высокую частоту, или транзистор с каналом P подключен к гораздо более высокому напряжение (например, 24 В), тогда необходимо использовать драйвер MOSFET. На рынке есть множество таких типов микросхем. Они обеспечат соответствующую скорость переключения и регулируют уровни напряжения. Пример – TC4426. Он работает с напряжением до 18 В и хорошо поддерживает выходы микроконтроллеров даже от 3,3 В.

Различия между транзисторами NPN и PNP и их создание

Как p-n-p, так и n-p-n транзисторы являются основными транзисторами, которые подпадают под категорию транзисторов с биполярным переходом. Они используются в различных схемах усиления и схемах модуляции. Наиболее частым из его применений является режим полного включения и выключения, называемый переключателем.

Транзисторы NPN и PNP представляют собой транзисторы с биполярным переходом и являются основным электрическим и электронным компонентом, который используется для создания многих электрических и электронных проектов.В работе этих транзисторов участвуют как электроны, так и дырки. Транзисторы PNP и NPN допускают усиление тока. Эти транзисторы используются как переключатели, усилители или генераторы. Транзисторы с биполярным переходом можно найти в большом количестве в виде частей интегральных схем или в виде дискретных компонентов. В транзисторах PNP основными носителями заряда являются дырки, тогда как в транзисторах NPN электроны являются основными носителями заряда. Но полевые транзисторы имеют только один тип носителя заряда.

В основе формирования этих транзисторов лежат диоды с p-n переходом. Как и в транзисторах n-p-n, n-типы являются в большинстве своем, поэтому они включают избыточное количество электронов в качестве носителей заряда. В p-n-p транзисторах есть два p-типа, в результате чего большинство носителей заряда представляют собой дырки.

Основное различие между транзисторами NPN и PNP заключается в том, что транзистор NPN включается, когда ток течет через базу транзистора. В этом типе транзистора ток течет от коллектора (C) к эмиттеру (E).Транзистор PNP включается, когда на базе транзистора нет тока. В этом транзисторе ток течет от эмиттера (E) к коллектору (C). Таким образом, зная это, транзистор PNP включается низким сигналом (земля), а транзистор NPN включается высоким сигналом (током). .

Разница между транзисторами NPN и PNP и их изготовление

Транзистор PNP

Транзистор PNP представляет собой биполярный переходной транзистор; В транзисторе PNP первая буква P указывает полярность напряжения, необходимого для эмиттера; вторая буква N указывает полярность цоколя.Работа транзистора PNP прямо противоположна работе транзистора NPN. В транзисторах этого типа большинство носителей заряда – дырки. По сути, этот транзистор работает так же, как транзистор NPN. Материалы, которые используются для изготовления выводов эмиттера, базы и коллектора в транзисторе PNP, отличаются от материалов, используемых в транзисторе NPN. Схема смещения транзистора PNP показана на рисунке ниже. Клеммы база-коллектор PNP-транзистора всегда имеют обратное смещение, поэтому для коллектора необходимо использовать отрицательное напряжение.Следовательно, вывод базы PNP-транзистора должен быть отрицательным по отношению к выводу эмиттера, а коллектор должен быть отрицательным, чем база.

Изготовление транзистора PNP

Конфигурация транзистора PNP показана ниже. Характеристики транзисторов PNP и NPN аналогичны, за исключением того, что смещение направления напряжения и тока меняются местами для любой из трех возможных конфигураций, таких как общая база (CB), общий эмиттер (CE) и общий коллектор (CC). .Напряжение между базой и выводом эмиттера VBE отрицательное на выводе базы и положительное на выводе эмиттера, потому что для транзистора PNP вывод базы всегда смещен отрицательно по отношению к эмиттеру. Кроме того, напряжение эмиттера положительно по отношению к коллектору (VCE).

Источники напряжения подключены к транзистору PNP, который показан на рисунке. Эмиттер подключен к Vcc с помощью RL, этот резистор ограничивает максимальный ток, протекающий через устройство, которое подключено к клемме коллектора.Базовое напряжение VB подключено к базовому резистору RB, который смещен отрицательно по отношению к эмиттеру. Чтобы ток базы протекал через PNP-транзистор, клемма базы должна быть более отрицательной, чем клемма эмиттера, примерно на 2,8%. 0,7 В или устройство Si.

Основное различие между PNP и PN-транзисторами заключается в правильном смещении переходов транзистора; направления тока и полярности напряжения всегда противоположны друг другу.

Основы P-N-P

Транзисторы p-n-p сформированы с n-типом, присутствующим между p-типами.Большинство носителей, ответственных за генерацию тока, в этом транзисторе являются дырками. Рабочая операция аналогична работе n-p-n. Но приложения напряжений или токов с точки зрения полярности различаются.

Транзистор NPN

Транзистор NPN представляет собой транзистор с биполярным переходом. В транзисторе NPN первая буква N указывает на отрицательно заряженный слой материала, а P указывает на положительно заряженный слой. Эти транзисторы имеют положительный слой, расположенный между двумя отрицательными слоями.Транзисторы NPN обычно используются в схемах для переключения, усиления электрических сигналов, которые проходят через них. Эти транзисторы содержат три вывода, а именно базу, коллектор и эмиттер, и эти выводы соединяют транзистор с печатной платой. Когда ток протекает через NPN-транзистор, клемма базы транзистора принимает электрический сигнал, коллектор создает более сильный электрический ток, чем тот, который проходит через базу, а эмиттер передает этот более сильный ток на остальную часть схемы.В этом транзисторе ток течет через вывод коллектора к эмиттеру.

Обычно этот транзистор используется потому, что его очень легко изготовить. Чтобы NPN-транзистор работал должным образом, он должен быть сформирован из полупроводникового материала, который пропускает некоторый электрический ток, но не в максимальном количестве, как у очень проводящих материалов, таких как металл. «Si» – один из наиболее часто используемых полупроводников, а транзисторы NPN – самые простые транзисторы, которые можно сделать из кремния. Применение транзистора NPN находится на печатной плате компьютера.Компьютеры нуждаются в том, чтобы вся их информация была переведена в двоичный код, и этот процесс достигается с помощью множества маленьких переключателей на печатных платах компьютеров. Для этих переключателей можно использовать транзисторы NPN. Мощный электрический сигнал включает переключатель, а отсутствие сигнала выключает его.

Изготовление NPN-транзистора

Конструкция NPN-транзистора показана ниже. Напряжение на выводе базы положительное, а на выводе эмиттера – отрицательное из-за транзистора NPN.Вывод базы всегда положительный по отношению к выводу эмиттера, а также напряжение питания коллектора положительно относительно вывода эмиттера. В NPN-транзисторе коллектор подключен к VCC через нагрузочный резистор RL. Этот нагрузочный резистор ограничивает ток, протекающий через максимальный ток базы. В этом транзисторе движение электронов через вывод базы, составляющее действие транзистора. Основная особенность действия транзистора – связь между входной и выходной цепями.Потому что усилительные свойства транзистора проистекают из последующего управления, которое база применяет к коллектору для эмиттерного тока.

Транзистор – это устройство, работающее от тока. Когда транзистор включен, большой ток IC протекает между коллектором и эмиттером внутри транзистора. Однако это происходит только тогда, когда через базовый вывод транзистора протекает небольшой ток смещения Ib. Это биполярный транзистор NPN; ток – это отношение этих двух токов (Ic / Ib), которое называется усилением постоянного тока устройства и обозначается символом «hfe» или в настоящее время beta.Значение бета может быть большим, вплоть до 200 для стандартных транзисторов, и именно это соотношение между Ic и Ib делает транзистор полезным усилителем. Когда этот транзистор используется в активной области, то Ib обеспечивает вход, а Ic обеспечивает выход. Бета не имеет единиц, так как это соотношение.

Коэффициент усиления транзистора по току от коллектора до эмиттера называется альфа, то есть Ic / Ie, и это функция самого транзистора. Поскольку ток эмиттера Ie является суммой небольшого тока базы и большого тока коллектора, значение альфа очень близко к единице, а для типичного сигнального транзистора малой мощности это значение находится в диапазоне примерно от 0.950 до 0,999.

Разница между NPN и PNP транзисторами:

Транзисторы с биполярным переходом представляют собой трехконтактные устройства, изготовленные из легированных материалов, часто используемых в приложениях для усиления и переключения. По сути, в каждом BJT есть пара диодов с PN переходом. Когда пара диодов соединяется, она образует сэндвич, который помещает полупроводник между двумя одинаковыми типами. Таким образом, существует только два типа биполярных сэндвичей, а именно PNP и NPN.В полупроводниках NPN имеют характерно более высокую подвижность электронов по сравнению с подвижностью дырок. Следовательно, он пропускает большой ток и работает очень быстро. Кроме того, этот транзистор легко сделать из кремния.

Транзисторы PNP и NPN состоят из разных материалов, и ток в этих транзисторах также отличается.
В транзисторе NPN ток течет от коллектора (C) к эмиттеру (E), тогда как в транзисторе PNP ток течет от эмиттера к коллектору.
Транзисторы PNP состоят из двух слоев материала P с прослоенным слоем из N. Транзисторы NPN состоят из двух слоев материала N и зажаты одним слоем материала P.
В транзисторе NPN положительное напряжение подается на вывод коллектора для создания потока тока от коллектора к транзистору PNP положительное напряжение подается на вывод эмиттера для создания потока тока от эмиттера к коллектору.
Принцип работы NPN-транзистора таков, что когда вы увеличиваете ток на выводе базы, тогда транзистор включается, и он полностью проводит от коллектора к эмиттеру.Когда вы уменьшаете ток на клемме базы, транзистор включается меньше, и пока ток не станет настолько низким, транзистор больше не будет проводить через коллектор к эмиттеру и выключится.
Принцип работы PNP-транзистора таков, что при наличии тока на базовом выводе транзистора транзистор закрывается. Когда на клемме базы транзистора PNP нет тока, транзистор включается.

Это все о разнице между транзисторами NPN и PNP, которые используются для создания многих электрических и электронных проектов.Кроме того, любые вопросы, касающиеся этой темы или проектов в области электротехники и электроники, вы можете оставить, оставив комментарий в разделе комментариев ниже.

Сравнение транзисторов N-P-N и P-N-P

1). В этом присутствует большинство n-типов.
1). В нем присутствует большинство материалов p-типа.

2). Большинство концентраций носителей – электроны.
2). Большинство концентраций носителей в транзисторах этого типа – дырочные.

3). В этом случае, если на клеммную базу подается повышенный ток, транзистор переключается в режим ВКЛ.
3). В этом случае при малых значениях токов транзистор включен. В противном случае при больших значениях токов транзисторы выключены.

4). Символьное представление транзистора n-p-n:

Символ транзистора N-P-N

4). Символьное представление транзистора p-n-p:

Символ транзистора P-N-P

5).В транзисторе n-p-n протекание тока очевидно от коллектора к выводам эмиттера.
5). В p-n-p транзисторе можно увидеть течение тока от выводов эмиттера к коллектору.

6). В этом транзисторе стрелка указывает.
6). В этом транзисторе стрелка всегда указывает внутрь.

Стрелки на транзисторах n-p-n и p-n-p показывают основные различия между транзисторами. Стрелка в n-p-n направлена в сторону эмиттера, тогда как для p-n-p стрелка направлена в обратном направлении.В обоих случаях стрелка указывает направление потока тока.

Следовательно, конструкция n-p-n и p-n-p проста. Управление будет таким же, но полярности смещения будут разными. Теперь, после обсуждения основ n-p-n и p-n-p, можете ли вы сказать, какой из них предпочтительнее во время амплификации и почему?

Фото:

Транзистор NPN и PNP от ggpht
Транзистор PNP от wikimedia
Изготовление транзистора PNP с помощью руководств по электронике

Его рабочие режимы и его работа

Домен электроники – это регулируемый клапан, который позволяет слабым сигналом регулировать больший поток, аналогично соплу, которое регулирует поток воды из насосов, трубок и других устройств.Когда-то этот регулируемый клапан, который применялся в области электричества, представлял собой вакуумные лампы. Внедрение и использование электронных ламп были хорошими, но сложность с этим была большой, и потреблялась огромная электрическая мощность, которая передавалась в виде тепла, что сокращало срок службы лампы. В качестве компенсации этой проблемы транзистор был устройством, которое обеспечило хорошее решение, удовлетворяющее требованиям всей электротехнической и электронной промышленности. Это устройство было изобретено «Уильямом Шокли» в 1947 году.Чтобы обсудить больше, давайте углубимся в подробную тему о том, что такое транзистор, реализации транзистора в качестве переключателя и многих характеристик.

Что такое транзистор?

Транзистор – это трехконтактное полупроводниковое устройство, которое может использоваться для коммутации приложений, усиления слабых сигналов, а тысячи и миллионы транзисторов соединены между собой и встроены в крошечную интегральную схему / микросхему, которая создает компьютерную память.Переключатель транзистора, который используется для размыкания или замыкания цепи, что означает, что транзистор обычно используется в качестве переключателя в электронных устройствах только для приложений с низким напряжением из-за его низкого энергопотребления. Транзистор работает как переключатель, когда он находится в областях отсечки и насыщения.

Типы биполярных транзисторов

По сути, транзистор состоит из двух PN-переходов, эти переходы формируются путем размещения полупроводникового материала N-типа или P-типа между парой полупроводниковых материалов противоположного типа.

Транзисторы с биполярным переходом подразделяются на типы

Транзистор имеет три вывода, а именно базу, эмиттер и коллектор. Эмиттер – это сильно легированный вывод, и он испускает электроны в базовую область. Клемма базы слегка легирована и пропускает электроны, инжектированные эмиттером, на коллектор. Коллекторный вывод промежуточно легирован и собирает электроны с базы.

Транзистор типа NPN представляет собой композицию из двух легированных полупроводниковых материалов N-типа между легированным полупроводниковым слоем P-типа, как показано выше.Точно так же транзисторы типа PNP представляют собой композицию из двух легированных полупроводниковых материалов P-типа между легированным полупроводниковым слоем N-типа, как показано выше. Функционирование транзисторов NPN и PNP одинаково, но они различаются по смещению и полярности источника питания.

Транзистор как переключатель

Если в схеме используется BJT-транзистор в качестве переключателя, то смещение транзистора, NPN или PNP, настраивается для работы транзистора с обеих сторон кривых ВАХ, показанных ниже.Транзистор может работать в трех режимах: в активной области, в области насыщения и в области отсечки. В активной области транзистор работает как усилитель. Как транзисторный ключ, он работает в двух областях: Saturation Region (полностью включен) и Cutoff Region (полностью выключен). Транзистор как схема переключателя – транзистор

как переключатель

Транзисторы обоих типов NPN и PNP могут работать как переключатели. В некоторых приложениях силовой транзистор используется в качестве коммутационного инструмента.В этом состоянии может не потребоваться использование другого сигнального транзистора для управления этим транзистором.

Рабочие режимы транзисторов

Из приведенных выше характеристик видно, что розовая заштрихованная область в нижней части кривых представляет область отсечки, а синяя область слева представляет область насыщения транзистора. эти области транзистора определены как

Область отсечки

Условиями работы транзистора являются нулевой входной базовый ток (IB = 0), нулевой выходной ток коллектора (Ic = 0) и максимальное напряжение коллектора (VCE), что приводит к в большом слое истощения и отсутствие тока, протекающего через устройство.

Таким образом, транзистор переключен в положение «Полностью выключен». Таким образом, мы можем определить область отсечки при использовании биполярного транзистора в качестве переключателя, поскольку переходы NPN-транзисторов имеют обратное смещение, VB <0,7 В и Ic = 0. Точно так же для транзисторов PNP потенциал эмиттера должен быть –ve по отношению к базе транзистора.

Cut-Off Mode

Затем мы можем определить «область отсечки» или «режим OFF» при использовании биполярного транзистора в качестве переключателя, как если бы оба перехода были смещены в обратном направлении, IC = 0 и VB <0.7v. Для транзистора PNP потенциал эмиттера должен быть отрицательным по отношению к клемме базы.

Характеристики области отсечки

Характеристики области отсечки следующие:

Как база, так и входные клеммы заземлены, что означает «0» в
Уровень напряжения на переходе база-эмиттер ниже 0,7 В
Переход база-эмиттер находится в обратном смещении
Здесь транзистор функционирует как ОТКРЫТЫЙ переключатель
Когда транзистор полностью выключен, он перемещается в область отсечки
Переход база-коллектор находится в в состоянии обратного смещения
На клемме коллектора не будет протекания тока, что означает Ic = 0
Значение напряжения на переходе эмиттер-коллектор и на выходных клеммах равно «1»

Область насыщения

В В этой области транзистор будет смещен так, что будет приложена максимальная величина базового тока (IB), что приведет к максимальному току коллектора (IC = VCC / RL), а затем к минимальному значению коллектор-эмиттер. падение напряжения (VCE ~ 0).В этом состоянии обедненный слой становится настолько маленьким, насколько возможно и максимальным током, протекающим через транзистор. Поэтому транзистор включен «полностью».

Saturation Mode

Определение «области насыщения» или «режима включения» при использовании биполярного NPN-транзистора в качестве переключателя как если бы оба перехода были смещены в прямом направлении, IC = максимум, и VB> 0,7v. Для транзистора PNP потенциал эмиттера должен быть + ve по отношению к базе. Это , работающий транзистора как переключатель .

Характеристики области насыщения

Характеристики насыщения следующие:

И база, и входные клеммы подключены к Vcc = 5 В
Уровень напряжения на переходе база-эмиттер более 0,7 В
База- эмиттерный переход находится в состоянии прямого смещения
Здесь транзистор функционирует как ЗАКРЫТЫЙ переключатель
Когда транзистор полностью выключен, он перемещается в область насыщения
Переход база-коллектор находится в состоянии прямого смещения
Текущий ток на клемме коллектора Ic = (Vcc / RL)
Значение напряжения на переходе эмиттер-коллектор и на выходных клеммах равно «0».
Когда напряжение на переходе коллектор-эмиттер равно «0», это означает идеальное условие насыщения

Кроме того, работу транзистора как переключателя можно подробно объяснить следующим образом:

Транзистор как переключатель – NPN

В зависимости от значения приложенного напряжения на краю базы транзистора выполняется переключение.Когда имеется хорошее напряжение, которое составляет ~ 0,7 В между эмиттером и краями базы, то поток напряжения на коллекторе к краю эмиттера равен нулю. Таким образом, транзистор в этом состоянии работает как переключатель, а ток, протекающий через коллектор, считается током транзистора.

Таким же образом, когда на входной вывод не подается напряжение, транзистор работает в области отсечки и работает как разомкнутая цепь. В этом методе переключения подключенная нагрузка контактирует с точкой переключения, где она действует как контрольная точка.Таким образом, когда транзистор переходит в состояние «ВКЛ», ток будет протекать от вывода источника к земле через нагрузку.

NPN-транзистор в качестве переключателя

Чтобы прояснить этот метод переключения, давайте рассмотрим пример.

Предположим, что транзистор имеет значение сопротивления базы 50 кОм, сопротивление на краю коллектора составляет 0,7 кОм, а приложенное напряжение равно 5 В и принимает значение бета как 150. На краю базы сигнал, который изменяется от 0 до 5 В. применены. Это соответствует тому, что выход коллектора наблюдается путем изменения значений входного напряжения, которые составляют 0 и 5 В.Рассмотрим следующую диаграмму.

Когда V _CE = 0, тогда I _C = V _CC / R _C

IC = 5 / 0,7

Итак, ток на клемме коллектора составляет 7,1 мА

При значении бета 150 , тогда Ib = Ic / β

Ib = 7,1 / 150 = 47,3 мкА

Таким образом, базовый ток составляет 47,3 мкА

При указанных выше значениях максимальное значение тока на клемме коллектора составляет 7,1 мА в напряжение между коллектором и эмиттером равно нулю, а значение тока базы равно 47.3 мкА. Таким образом, было доказано, что когда значение тока на краю базы увеличивается выше 47,3 мкА, то транзистор NPN переходит в область насыщения.

Предположим, что транзистор имеет входное напряжение 0 В. Это означает, что ток базы равен «0», и когда эмиттерный переход заземлен, эмиттер и базовый переход не будут находиться в состоянии прямого смещения. Итак, транзистор находится в выключенном состоянии, а значение напряжения на краю коллектора равно 5 В.

Vc = Vcc – (IcRc)

= 5-0

Vc = 5V

Предположим, что транзистор имеет входное напряжение 5V.Здесь значение тока на краю базы можно узнать, используя принцип напряжения Кирхгофа.

Ib = (Vi – Vbe) / Rb

Когда рассматривается кремниевый транзистор, он имеет Vbe = 0,7 В

Итак, Ib = (5-0,7) / 50

Ib = 56,8 мкА

Таким образом , было доказано, что когда значение тока на краю базы увеличивается выше 56,8 мкА, то транзистор NPN переходит в область насыщения при условии на входе 5 В.

Транзистор как переключатель – PNP

Функциональные возможности переключения для транзисторов PNP и NPN аналогичны, но отличие состоит в том, что в транзисторе PNP ток протекает от клеммы базы.Эта конфигурация переключения используется для отрицательного заземления. Здесь базовая кромка имеет соединение с отрицательным смещением в соответствии с эмиттерной кромкой. Когда напряжение на клемме базы больше -ve, будет протекать базовый ток. Чтобы было ясно, что, когда существуют клапаны с очень минимальным или отрицательным напряжением, это делает транзистор закороченным, если не разомкнутым, либо высоким импедансом.

В этом типе подключения нагрузка связана с коммутационным выходом вместе с контрольной точкой.Когда транзистор PNP находится во включенном состоянии, ток будет течь от источника к нагрузке, а затем к земле через транзистор.

Транзистор PNP в качестве переключателя

Как и при переключении транзистора NPN, вход транзистора PNP также находится на краю базы, в то время как вывод эмиттера соединен с фиксированным напряжением, а вывод коллектора соединен с землей через нагрузку. На рисунке ниже поясняется схема.

Здесь клемма базы всегда находится в состоянии отрицательного смещения в соответствии с фронтом эмиттера и базой, которую он подключил на отрицательной стороне, а эмиттер на положительной стороне входного напряжения.Это означает, что напряжение от базы к эмиттеру отрицательное, а напряжение от эмиттера к коллектору положительное. Таким образом, проводимость транзистора будет, когда напряжение эмиттера будет более положительным, чем напряжение на выводах базы и коллектора. Таким образом, напряжение на базе должно быть более отрицательным, чем на других клеммах.

Чтобы узнать значения токов коллектора и базы, нам понадобятся следующие выражения.

Ic = Ie – Ib

Ic = β. Ib

Где Ub = Ic / β

Чтобы прояснить этот метод переключения, давайте рассмотрим пример.

Предположим, что цепи нагрузки требуется 120 мА, а бета-значение транзистора равно 120. Тогда значение тока, необходимое для перехода транзистора в режим насыщения, равно

Ib = Ic / β

= 120 мА / 100

Ib = 1 мАмп

Итак, когда ток базы составляет 1 мАмп, тогда транзистор полностью находится в состоянии ВКЛ. В то время как в практических сценариях для правильного насыщения транзистора требуется примерно 30-40 процентов большего тока.Это означает, что базовый ток, необходимый для устройства, составляет 1,3 мА / с.

Операция переключения транзистора Дарлингтона

В некоторых случаях коэффициент усиления постоянного тока в устройстве BJT очень минимален для прямого переключения напряжения или тока нагрузки. Из-за этого используются переключающие транзисторы. В этом состоянии небольшое транзисторное устройство включено для включения и выключения переключателя и повышенного значения тока для регулирования выходного транзистора.

Чтобы увеличить усиление сигнала, два транзистора соединены способом «комплементарной конфигурации сложения усиления».В этой конфигурации коэффициент усиления является результатом работы двух транзисторов.

Транзистор Дарлингтона

Транзисторы Дарлингтона обычно входят в состав двух биполярных транзисторов типа PNP и NPN, где они соединены таким образом, что значение усиления исходного транзистора умножается на значение усиления второго транзисторного устройства.

Это дает результат, в котором устройство работает как одиночный транзистор с максимальным усилением по току даже для минимального значения базового тока.Полный коэффициент усиления по току устройства переключения Дарлингтона является произведением значений коэффициента усиления по току как PNP, так и NPN транзисторов, и это представлено как:

β = β1 × β2

С учетом вышеупомянутых пунктов, транзисторы Дарлингтона, имеющие максимальное β и коллектор текущие значения потенциально связаны с переключением одного транзистора.

Например, когда входной транзистор имеет значение усиления по току 100, а второй имеет значение усиления 50, тогда общий коэффициент усиления по току равен

β = 100 × 50 = 5000

Итак, когда нагрузка ток составляет 200 мА, тогда значение тока в транзисторе Дарлингтона на клемме базы составляет 200 мА / 5000 = 40 мкА, что является большим уменьшением по сравнению с прошлым 1 мА для одного устройства.

Конфигурации Дарлингтона

В транзисторе Дарлингтона есть в основном два типа конфигурации, а именно:

Конфигурация переключателя транзистора Дарлингтона демонстрирует, что выводы коллектора двух устройств соединены с выводом эмиттера исходного транзистора, который имеет соединение с базовым краем второго транзисторного устройства. Таким образом, значение тока на выводе эмиттера первого транзистора будет формироваться, поскольку входной ток второго транзистора, таким образом, переводит его в состояние «Включено».

Входной транзистор, который является первым, получает свой входной сигнал на клемме базы. Входной транзистор обычно усиливается и используется для управления следующими выходными транзисторами. Второе устройство усиливает сигнал, что приводит к максимальному значению усиления по току. Одной из важнейших особенностей транзистора Дарлингтона является его максимальное усиление по току по сравнению с одним устройством BJT.

В дополнение к возможности максимальных характеристик переключения напряжения и тока, другим дополнительным преимуществом является максимальная скорость переключения.Эта операция переключения позволяет использовать устройство специально для цепей инвертора, двигателя постоянного тока, цепей освещения и регулирования шагового двигателя.

Разница, которую следует учитывать при использовании транзисторов Дарлингтона по сравнению с обычными одинарными типами BJT при реализации транзистора в качестве переключателя, заключается в том, что входное напряжение на переходе базы и эмиттера должно быть больше, что составляет почти 1,4 В для кремниевого типа. устройство, так как из-за последовательного соединения двух PN-переходов.

Некоторые из общих практических применений транзистора в качестве переключателя

В транзисторе, если ток не течет в цепи базы, ток не может течь в цепи коллектора. Это свойство позволит использовать транзистор в качестве переключателя. Транзистор можно включать и выключать, меняя базу. Есть несколько применений схем переключения, работающих на транзисторах. Здесь я рассмотрел транзистор NPN, чтобы объяснить несколько приложений, в которых используется транзисторный переключатель.

Световой выключатель

Схема разработана с использованием транзистора в качестве переключателя для зажигания лампы при ярком освещении и выключения ее в темноте и светозависимого резистора (LDR) в делителе потенциала. Когда в окружающей среде темнота, сопротивление LDR становится высоким. Затем транзистор выключается. Когда LDR подвергается воздействию яркого света, его сопротивление падает до меньшего значения, что приводит к увеличению напряжения питания и увеличению тока базы транзистора. Теперь транзистор включен, коллекторный ток течет и лампочка загорается.

Тепловой выключатель

Одним из важных компонентов цепи теплового выключателя является термистор. Термистор – это тип резистора, который реагирует в зависимости от окружающей температуры. Его сопротивление увеличивается при низкой температуре и наоборот. Когда термистор нагревается, его сопротивление падает, а базовый ток увеличивается, после чего увеличивается ток коллектора, и срабатывает сирена. Эта конкретная схема подходит как система пожарной сигнализации.

Переключатель с подогревом

Управление двигателем постоянного тока (драйвер) в случае высоких напряжений

Учтите, что на транзистор не подается напряжение, тогда транзистор отключается и ток через него не течет. Следовательно, реле остается в выключенном состоянии. Питание на двигатель постоянного тока подается с нормально замкнутой (NC) клеммы реле, поэтому двигатель будет вращаться, когда реле находится в состоянии ВЫКЛ. Подача высокого напряжения на базу транзистора BC548 вызывает включение транзистора и включение катушки реле.

Практический пример

Здесь мы узнаем значение базового тока, необходимого для полного перевода транзистора в состояние ВКЛ, когда нагрузке требуется ток 200 мА, когда входное значение увеличивается до 5 В. Также знайте стоимость руб.

Значение базового тока транзистора составляет

Ib = Ic / β с учетом β = 200

Ib = 200 мА / 200 = 1 мА

Значение сопротивления базы транзистора Rb = (Vin – Vbe) / Ib

Руб = (5-0.7) / 1 × 10 ^-3

Rb = 4,3 кОм

Транзисторные переключатели широко используются в различных приложениях, таких как взаимодействие оборудования с большим током или высоким напряжением, такого как двигатели, реле или освещение, до минимума. значение напряжения, цифровые ИС или используемые в логических элементах, таких как элементы И или ИЛИ. Кроме того, когда выходной сигнал логического элемента составляет + 5 В, тогда как устройству, которое необходимо регулировать, может потребоваться напряжение питания 12 или даже 24 В.

Или такой нагрузке, как двигатель постоянного тока, может потребоваться контроль скорости с помощью нескольких непрерывных импульсов. Транзисторные переключатели позволяют выполнять эту операцию быстрее и проще по сравнению с традиционными механическими переключателями.

Зачем использовать транзистор вместо переключателя?

При использовании транзистора вместо переключателя даже минимальная величина базового тока регулирует более высокий ток нагрузки на выводе коллектора. Используя транзисторы вместо переключателя, эти устройства поддерживаются реле и соленоидами.Тогда как в случае, когда необходимо регулировать более высокие уровни токов или напряжений, используются транзисторы Дарлингтона.

В целом, вкратце, некоторые из условий, которые применяются при работе транзистора в качестве переключателя, следующие:

При использовании BJT в качестве переключателя, тогда необходимо использовать либо неполное, либо полное состояние ВКЛ.
При использовании транзистора в качестве переключателя минимальное значение тока базы регулирует повышенный ток нагрузки коллектора.
При реализации транзисторов для переключения как реле и соленоидов, то лучше использовать диоды маховика.
Для регулирования больших значений напряжения или тока лучше всего подходят транзисторы Дарлингтона.

И эта статья предоставила исчерпывающую и ясную информацию о транзисторе, рабочих областях, работе как коммутатор, характеристиках, практических применениях. Другая важная и связанная с этим тема, которую необходимо знать, это что такое цифровой логический транзисторный переключатель и его рабочая принципиальная схема?

Как работают транзисторы? – Объясни, что материал

Криса Вудфорда.Последнее изменение: 21 сентября 2020 г.

Ваш мозг содержит около 100 миллиардов клеток, называемых нейронами – крошечные переключатели, которые позволяют вам думать и запоминать вещи. Компьютеры содержат миллиарды миниатюрных «клеток мозга». Их называют транзисторами и они сделаны из кремния, химического элемента, обычно встречающегося в песке. Транзисторы произвели революцию в электронике с момента их появления изобретен более полувека назад Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильям Шокли. Но что это такое и как они работают?

Фото: Насекомое с тремя ногами? Нет, типичный транзистор на электронной плате.Хотя простые схемы содержат отдельные транзисторы, подобные этому, сложные схемы внутри компьютеров также содержат микрочипы, каждый из которых может иметь тысячи, миллионы или сотни миллионов транзисторов, упакованных внутри. (Технически, если вас интересуют более интересные элементы, это кремниевый транзистор усилителя PNP 5401B. Я объясню, что все это означает сейчас.)

Что на самом деле делает транзистор?

Фото: Компактные слуховые аппараты были одними из первых применений транзисторов, а этот датируется концом 1950-х или 1960-х годов.Он был размером с колоду игральных карт, поэтому его можно было носить в кармане пиджака или на нем. С другой стороны корпуса есть микрофон, который улавливает окружающие звуки. Вы можете ясно видеть четыре маленьких черных транзистора внутри, усиливающих эти звуки, а затем выстреливающих их в маленький громкоговоритель, который находится у вас в ухе.

Транзистор действительно прост – и действительно сложен. Давайте начнем с простая часть. Транзистор – это миниатюрный электронный компонент, который может выполнять две разные работы.Может работать как усилитель или как переключатель:

Когда работает как усилитель, нужно в крошечном электрическом токе на одном конце ( входной ток) и производит гораздо больший электрический ток (выходной ток) на другом. Другими словами, это своего рода усилитель тока. Это входит действительно полезно в таких вещах, как слуховые аппараты, одна из первых вещей люди использовали транзисторы для. В слуховом аппарате есть крошечный микрофон. который улавливает звуки из окружающего вас мира и превращает их в колеблющиеся электрические токи.Они подаются на транзистор, который усиливает их и приводит в действие крошечный громкоговоритель, так что вы слышите гораздо более громкую версию окружающих вас звуков. Уильям Шокли, один из изобретателей транзистора, однажды объяснил студенту транзисторные усилители в более подробном виде. юмористический способ: «Если взять тюк сена и привязать его к хвост мула, а затем чиркнуть спичкой и поджечь тюк сена, и если вы затем сравните энергию, израсходованную вскоре после этого, мул с энергией, затраченной вами на зажигание спички, вы поймете концепцию усиления.«
также могут работать как переключатели. А крошечный электрический ток, протекающий через одну часть транзистора, может значительно увеличить ток течет через другую его часть. Другими словами, маленький ток переключается на больший. По сути, так работают все компьютерные микросхемы. Для например, микросхема памяти содержит сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов, каждый из которых можно включать или выключать индивидуально. Поскольку каждый транзистор может находиться в двух различных состояниях, он может хранить два разных числа, ноль и единицу.С миллиардами транзисторов микросхема может хранить миллиарды нулей и единиц, и почти столько же обычных цифр и букв (или символов, как мы их называем). Подробнее об этом чуть позже.

Самое замечательное в машинах старого образца было то, что вы могли их отдельно, чтобы понять, как они работают. Это никогда не было слишком сложно, с немного толкать и тыкать, чтобы узнать, какой бит сделал что и как один вещь привела к другому. Но электроника совсем другая. Это все об использовании электронов для управления электричеством.Электрон – это минута частица внутри атома. Он такой маленький, весит чуть меньше 0.000000000000000000000000000001 кг! Самые современные транзисторы работают контролируя движения отдельных электронов, чтобы вы могли представьте, насколько они маленькие. В современном компьютерном чипе размер ноготь, вы, вероятно, найдете от 500 миллионов и два миллиарда отдельных транзисторов. Нет шанса разобрать транзистор, чтобы узнать, как он работает, поэтому мы должны понять это с помощью теории и воображения.Во-первых, это помогает, если мы знаем, из чего сделан транзистор.

Как делается транзистор?

Фото: Кремниевая пластина. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Транзисторы изготовлены из кремния, химического элемента, содержащегося в песке, который обычно не проводит электричество (оно не позволяет электронам легко проходить через него). Кремний – полупроводник, а это значит, что он ни на самом деле проводник (что-то вроде металла, по которому течет электричество), ни изолятор (что-то вроде пластика, не пропускающего электричество).Если мы обрабатываем кремний примесями (процесс, известный как легирование), мы можем заставить его вести себя по-другому способ. Если мы добавим в кремний химические элементы мышьяк, фосфор, или сурьмы, кремний получает дополнительные «свободные» электроны – те, которые может проводить электрический ток, поэтому электроны будут вытекать об этом более естественно. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, кремний обработанный таким образом, называется n-типом (отрицательный тип). Мы также можем легировать кремний другими примесями, такими как бор, галлий и алюминий.Кремний, обработанный таким образом, имеет меньше “свободные” электроны, поэтому электроны в соседних материалах будут стремиться втекать в него. Мы называем этот кремний p-типом (положительным типом).

Вкратце, мимоходом, важно отметить, что ни кремний n-типа, ни p-типа на самом деле не имеет заряда сам по себе : оба электрически нейтральны. Это правда, что кремний n-типа имеет дополнительные «свободные» электроны, которые увеличивают его проводимость, в то время как кремний p-типа имеет меньше этих свободных электронов, что помогает увеличить его проводимость противоположным образом.В каждом случае дополнительная проводимость возникает из-за добавления нейтральных (незаряженных) атомов примесей к кремнию, что изначально было нейтральными – и мы не можем создавать электрические заряды из воздуха! Для более подробного объяснения мне потребуется представить идею под названием ленточная теория, что немного выходит за рамки данной статьи. Все, что нам нужно помнить, это то, что «лишние электроны» означают лишние свободных электронов – те, которые могут свободно перемещаться и помогать переносить электрический ток.

Кремниевые бутерброды

Теперь у нас есть два разных типа кремния. Если мы сложим их вместе слоями, делая бутерброды из материала p-типа и n-типа, мы можем сделать различные виды электронных компонентов, которые работают во всех видах способами.

Предположим, мы соединяем кусок кремния n-типа с частью p-типа кремний и поместите электрические контакты с обеих сторон. Увлекательно и полезно вещи начинают происходить на стыке двух материалы. Если мы обратимся по току, мы можем заставить электроны течь через переход от сторона n-типа к стороне p-типа и наружу через цепь.Этот происходит из-за отсутствия электронов на стороне p-типа переход притягивает электроны со стороны n-типа и наоборот. Но если мы меняем направление тока, электроны вообще не текут. Что мы сделанное здесь называется диодом (или выпрямителем). Это электронный компонент, который позволяет току течь через него только в одном направлении. Это полезно, если вы хотите превратить переменный (двусторонний) электрический ток в постоянный (односторонний) ток. Диоды тоже можно сделать так, чтобы они испускали светится, когда через них проходит электричество.Вы могли видеть эти светодиоды на карманных калькуляторах и электронных дисплеи на стереооборудовании Hi-Fi.

Как работает переходной транзистор

Фотография: Типичный кремниевый PNP-транзистор (A1048, разработанный как усилитель звуковой частоты).

Теперь предположим, что вместо этого мы используем три слоя кремния в нашем сэндвиче. из двух. Мы можем сделать бутерброд p-n-p (с ломтиком n-типа кремний в качестве заполнения между двумя пластинами p-типа) или n-p-n сэндвич (с p-типом между двумя плитами n-типа).Если мы присоединить электрические контакты ко всем трем слоям сэндвича, мы можем сделать компонент, который будет либо усиливать ток, либо включать его, либо выключен – другими словами, транзистор. Посмотрим, как это работает в случае n-p-n транзистор.

Итак, мы знаем, о чем говорим, давайте дадим имена трем электрические контакты. Мы назовем два контакта, соединенных с двумя кусочки кремния n-типа эмиттер и коллектор, и контакт соединенный с кремнием p-типа, который мы будем называть базой.Когда нет ток протекает в транзисторе, мы знаем, что кремний p-типа не хватает электроны (показаны здесь маленькими знаками плюс, обозначающими положительные зарядов) и два куска кремния n-типа имеют лишние электроны (показаны маленькими знаками минус, обозначающими отрицательные заряды).

Другой способ взглянуть на это – сказать, что в то время как n-тип имеет избыток электронов, p-тип имеет дырки, где электроны должно быть. Обычно отверстия в основании действуют как барьер, предотвращающий любые значительный ток от эмиттера к коллектору при транзистор находится в выключенном состоянии.

Транзистор работает, когда электроны и дырки начинают двигаться через два перехода между кремнием n-типа и p-типа.

Давай подключить транзистор к некоторой мощности. Допустим, мы прикрепляем небольшой положительное напряжение на базу, сделать эмиттер отрицательно заряженным и сделать коллектор положительно заряженным. Электроны вытягиваются из эмиттер в базу, а затем из базы в коллектор. А также транзистор переходит в состояние «включено»:

Малый ток, который мы включаем на базе, создает большой ток. поток между эмиттером и коллектором.Повернув небольшой вход ток в большой выходной ток, транзистор действует как усилитель. Но в то же время он действует как переключатель. Когда нет тока база, между коллектором и эмиттер. Включите базовый ток, и течет большой ток. Итак, база ток включает и выключает весь транзистор. Технически это тип транзистора называется биполярным, потому что два разных вида (или “полярностей”) электрического заряда (отрицательные электроны и положительные отверстия) участвуют в протекании тока.

Мы также можем понять транзистор, представив его как пару диодов. С база положительная, а эмиттер отрицательная, переход база-эмиттер похож на прямое смещение диод, с электронами, движущимися в одном направлении через переход (слева направо в диаграмму) и отверстия, идущие в противоположную сторону (справа налево). База-коллектор переход похож на диод с обратным смещением. Положительное напряжение коллектора тянет большая часть электронов проходит через внешнюю цепь (хотя некоторые электроны рекомбинируют с дырками в основании).

Как работает полевой транзистор (FET)

Все транзисторы работают, управляя движением электронов, но не все из них делают это одинаково. Подобно переходному транзистору, полевой транзистор (полевой транзистор) имеет три разных контакта, но они иметь названия источник (аналог эмиттера), сток (аналогично коллектор), и затвор (аналог цоколя). В полевом транзисторе слои Кремний n-типа и p-типа устроен несколько иначе и покрытый слоями металла и оксида.Это дает нам устройство под названием MOSFET (Металлооксидное полупроводниковое поле) Эффектный транзистор).

Хотя в истоке и стоке n-типа есть лишние электроны, они не могут перетекать от одного к другому из-за дыр в ворота p-типа между ними. Однако если приложить положительный напряжение на затвор, там создается электрическое поле, позволяющее электроны перетекают по тонкому каналу от истока к стоку. Этот «полевой эффект» позволяет току течь и включает транзистор:

Для полноты картины отметим, что полевой МОП-транзистор является униполярным. транзистор потому что только один («полярность») электрического заряда участвует в его работе.

Как работают транзисторы в калькуляторах и компьютерах?

На практике вам не нужно ничего знать об этом электроны и дыры, если вы не собираетесь разрабатывать компьютерные чипы для заработка! Все, что вам нужно знать, это то, что транзистор работает как усилитель или переключатель, используя небольшой ток включить более крупный. Но есть еще одна вещь, которую стоит знать: как все это помогает компьютерам хранить информацию и принимать решения?

Мы можем соединить несколько транзисторных ключей, чтобы что-то сделать. называется логическим вентилем, который сравнивает несколько входные токи и в результате дает другой выход.Логические ворота позволяют компьютерам создавать очень простые решения с использованием математической техники, называемой булевой алгеброй. Точно так же и ваш мозг принимает решения. Например, используя “входные данные” (то, что вы знаете) о погоде и о том, что у вас свой коридор, вы можете принять такое решение: “Если идет дождь И я есть зонтик, я пойду в магазины “. Это пример булевой алгебры, в которой используется так называемое И “оператор” (слово “оператор” – это всего лишь небольшой математический жаргон, заставляют вещи казаться более сложными, чем они есть на самом деле).Ты можешь сделать аналогичные решения с другими операторами. “Если ветрено ИЛИ идет снег, тогда я надену пальто “- это пример использования оператора ИЛИ. Или как насчет «Если идет дождь, И я есть зонтик ИЛИ у меня есть пальто, тогда можно выйти на улицу “. Используя AND, ИЛИ и другие операторы, вызываемые Компьютеры NOR, XOR, NOT и NAND могут складывать или сравнивать двоичные числа. Эта идея является краеугольным камнем компьютерных программ: логическая серия инструкций, которые заставляют компьютеры действовать.

Обычно переходной транзистор выключен, когда нет базы. ток и переключается в положение «включено», когда течет базовый ток.Это значит требует электрического тока для включения или выключения транзистора. Но такие транзисторы могут быть подключены к логическим элементам, чтобы их выход соединения возвращаются на свои входы. Транзистор затем остается включенным, даже если базовый ток отключен. Каждый раз новый база ток течет, транзистор «переключается» или выключается. Остается в одном из эти стабильные состояния (включены или выключены) до тех пор, пока не появится другой ток приходит и переворачивает его в другую сторону. Такая аранжировка известен как триггер, и это превращает транзистор в простой запоминающее устройство, в котором хранится ноль (когда он выключен) или один (когда он на).Шлепанцы – это основная технология, лежащая в основе компьютерных микросхем памяти.

Кто изобрел транзистор?

Изображение: Оригинальный дизайн точечного транзистора, как изложено в Патент Джона Бардина и Уолтера Браттейна в США (2 524 035), поданный в июне 1948 г. (примерно через шесть месяцев после оригинальное открытие) и награжден 3 октября 1950 года. Это простой PN-транзистор с тонкий верхний слой германия P-типа (желтый) на нижнем слое германия N-типа (оранжевый).Три контакта: эмиттер (E, красный), коллектор (C, синий) и база (G, зеленый). Вы можете прочитать больше в оригинальном патентном документе, который указан в ссылках ниже. Изображение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

транзисторов были изобретены в Bell Laboratories в Нью-Джерси в 1947 году. трех блестящих физиков США: Джона Бардина (1908–1991), Уолтера Браттейн (1902–1987) и Уильям Шокли (1910–1989).

Команда, возглавляемая Шокли, пыталась разработать новый тип усилителя для телефонной системы США – но что собственно изобретенные они оказались гораздо более распространенными Приложения.Бардин и Браттейн создали первый практический транзистор (известный как точечный транзистор) во вторник, 16 декабря 1947 г. Хотя Шокли сыграл большую роль в этом проекте, он был в ярости и волнении из-за того, что его оставили в стороне Вскоре после этого во время остановиться в отеле на конференции по физике, единолично выяснил он теория переходного транзистора – устройство гораздо лучше, чем точечный транзистор.

В то время как Бардин ушел из Bell Labs, чтобы стать академиком (он продолжил пользуются еще большим успехом при изучении сверхпроводников в Университете Иллинойса), Браттейн остался на некоторое время, прежде чем уйти на пенсию, чтобы стать учителем.Шокли основал собственную компанию по производству транзисторов и помог вдохновить современный феномен «Силиконовая долина» (процветающий район вокруг Пало-Альто, Калифорния, где корпорации электроники собраны). Двое его сотрудников, Роберт Нойс и Гордон Мур, ушли чтобы основать Intel, крупнейшего в мире производителя микрочипов.

Бардин, Браттейн и Шокли ненадолго воссоединились несколько лет спустя, когда они поделились ведущей мировой наукой награда, Нобелевская премия по физике 1956 г., за их открытие.Их история захватывающий рассказ о интеллектуальный талант борется с мелкой ревностью, и это хорошо стоит прочтения больше о. Вы можете найти отличные отчеты об этом среди книг и веб-сайты, перечисленные ниже.

Как переключать большие нагрузки с помощью микроконтроллера с помощью транзисторов

Микроконтроллеры

отлично подходят для реализации интеллектуальных функций данного продукта. В этой статье вы узнаете, как обойти некоторые из их основных ограничений.

Опубликовано 12 февраля 2020 г. Джон Тил

Микроконтроллеры не могут напрямую управлять чем-либо, кроме, может быть, одного светодиода.Это связано с тем, что выходной ток большинства микроконтроллеров может напрямую подавать или потреблять только около 10 мА.

Давайте рассмотрим несколько способов переключения более тяжелых нагрузок на низкую нагрузку с типичного выхода микроконтроллера. Для определения типичных значений компонентов требуется несколько простых математических вычислений, которые будут представлены в легко доступных форматах. Однако такой подход означает, что были приняты некоторые вольности с техническими требованиями.

Одним из простейших подходов к управлению большими нагрузками, работающими от постоянного тока, является переключатель насыщения.Фактический электронный переключающий элемент поставляется в двух вариантах: биполярные переходные транзисторы, или BJT, и MOSFET.

Прежде чем перейти к собственно самому переключателю, давайте определим, что означает переключение нижнего уровня . На рисунке 1 показан этот тип переключения нагрузки.

Рисунок 1 – Реле нагрузки нижней стороны

Переключатель контролирует отрицательную сторону нагрузки. Это означает, что когда переключатель разомкнут, нагрузка по существу плавающая по отношению к минусу источника питания, который обычно является опорным заземлением в большинстве конструкций.

Если этот тип коммутационного устройства приемлем, то переключатель нижнего уровня обычно является самым дешевым способом переключения нагрузки.

Переключатель низкого уровня BJT

BJT может использоваться в качестве переключателя нагрузки и бывает двух видов: NPN и PNP. Для переключения на стороне низкого напряжения используются транзисторы NPN, а для переключения на стороне высокого уровня используется PNP.

Прежде чем перейти к реальным методам, давайте определим некоторую номенклатуру, которая используется при работе с NPN-транзисторами.

На рис. 2 показаны соответствующие соглашения об именах напряжения и тока.Начиная с тока, I _B – это базовый ток, и он показан входящим в базу NPN. Те же аргументы применимы к I _C и I _E, при этом показано, что I _E выходит из транзистора.

Видно, что: I _E = I _C + I _B

Для напряжений V _CE – это напряжение между коллектором и эмиттером и обычно является положительным значением для NPN-транзисторов. Другими словами, для NPN-транзистора напряжение коллектора обычно выше, чем напряжение эмиттера.

Согласно тому же соглашению, V _BE – это напряжение между базой и эмиттером. В целом это положительно для NPN.

Рисунок 2 – Напряжение и ток NPN BJT

Ключом к пониманию того, как транзистор может управлять большой нагрузкой, является следующее уравнение:

I _C = βI _B,, где β – коэффициент усиления постоянного тока, который может составлять от 20 до 300 или более.

Это говорит о том, что ток коллектора равен значению β, умноженному на ток базы.Таким образом, если β = 100, то ток коллектора будет в 100 раз больше базового тока.

Значение β указано в техническом описании данного транзистора как h _FE. Для целей данной статьи они означают одно и то же. Обратите внимание, что это не фиксированное значение для данного транзистора, но несколько зависит от значения тока коллектора и температуры, но это не имеет большого значения для целей данной статьи.

Когда BJT используются в качестве переключателей нагрузки, они используются в двух режимах: Cutoff и Saturation.Рассмотрим рисунок 3 ниже. Как было сказано ранее, I _C = βI _B. Итак, если I _B = 0, то I _C также должен быть 0. В этом состоянии транзистор находится в режиме отсечки. Обратите внимание, что, поскольку в транзисторе не течет ток, он не рассеивает мощность; также в этом случае V _C совпадает с V _CC.

Для следующей части предположим, что V _CC = 10 В, R = 10 Ом и β = 100. Давайте посмотрим, что произойдет, когда I _B = 1 мА.В данном случае I _C = 100 мА, поскольку β = 100. Напряжение на резисторе I _C x R _L, или 1 В. Это означает, что тогда V _C должен быть 9 В, поскольку V _CC составляет 10 В, а падение напряжения на R _L составляет 1 В. Тот же аргумент применим, если I _B = 2 мА и так далее.

А что будет, если I _B = 20 мА. По расчетам это означает, что I _C = 2000мА, или 2А. Однако этого не может быть.Поскольку V _CC = 10 В и R _L = 10 Ом, максимальный ток, который может протекать через R _L, составляет 1 А.

Другими словами, максимальное значение I _C также равно 1A. Это происходит, когда V _C = 0, что означает, что транзистор полностью замкнут на землю.

В этом состоянии транзистор находится в режиме насыщения. В этом режиме ток коллектора транзистора является максимальным, который позволяют условия схемы, и увеличение тока базы не приведет к его увеличению.

Итак, уравнение I _C = βI _B выполняется только до насыщения транзистора. Обратите внимание, что если в только что описанном примере V _CC теперь увеличивается, скажем, до 25 В или R _L изменяется на 1 Ом, транзистор больше не будет насыщаться. Таким образом, насыщение определяется в зависимости от условий внешней цепи.

Наконец, обратите внимание, что настоящие транзисторы не могут полностью замыкать свои коллекторы и эмиттеры, если они не неисправны.Когда реальный транзистор насыщен, его V _CE будет иметь значение V _CEsat. Это значение указано в таблице данных транзистора и обычно составляет от 0,2 В для небольшого транзистора до более 1 В для большого.

В _CEsat также зависит от тока коллектора и температуры. Эта зависимость обычно приводится в виде набора кривых в таблице данных.

В режиме насыщения транзистор рассеивает некоторую мощность, заданную параметром

Рассеиваемая мощность = I _C x V _CEsat

Однако, поскольку V _CEsat обычно довольно низок, рассеиваемая мощность также будет низкой.Таким образом, отсечка и насыщение – это два состояния, при которых транзистор будет рассеивать наименьшую мощность.

Сфокусируясь теперь на базе транзистора, быстрый способ установить I _B – это предположить, что V _BE составляет 0,7 В. Это значение подходит для большинства транзисторов.

Итак, в данном случае по закону Ома

I _B = (V _BB – 0,7) / R _B

Если необходимо заданное значение I _B, то R _B можно рассчитать как:

R _B = (V _BB – 0.7) / Я _В

Для насыщения транзистора необходимо минимальное значение I _B, которое вызовет максимальное значение I _C, учитывая значение β транзистора и условия схемы.

На практике это значение I _B должно быть больше этого минимума примерно на 10–15%, чтобы учесть изменения значения β от устройства к устройству.

Рисунок 3 – Работа транзистора

Управление BJT от микроконтроллера

То, что было только что описано, на самом деле является переключателем NPN BJT нижнего уровня.Если бы V _BB был выходным контактом микроконтроллера, то, зная его высокое логическое значение, требуемый ток нагрузки и значение β транзистора, можно легко вычислить значение R _B.

Еще несколько вещей, которые нужно проверить, это убедиться, что:

Расчетное значение I _B не превышает допустимый ток возбуждения микроконтроллера.

Ток нагрузки не превышает максимального тока коллектора транзистора.

Рассеиваемая мощность в режиме насыщения не превышает максимальной рассеиваемой мощности транзистора.

Напряжение V _CC не превышает максимального V _CE транзистора.

Для обеспечения надежной работы в приведенный выше пример также должны быть включены некоторые запасы безопасности и снижения номинальных характеристик. Около 20% – это разумно.

Перемещение тяжелых грузов с использованием Darlington

Поскольку ток возбуждения вывода GPIO микроконтроллера редко превышает 10 мА, а минимальное значение β транзистора обычно не превышает около 50 для силового транзистора, то максимальный ток, которым можно управлять, составляет около 500 мА.

ПРИМЕЧАНИЕ: Обязательно загрузите бесплатное руководство в формате PDF 15 шагов для разработки вашего нового электронного оборудования .

Для управления более высокими токами можно использовать схему Дарлингтона. Есть Дарлингтоны, доступные в одном корпусе, или он может быть собран с использованием двух транзисторов, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4 – NPN Darlington

В этой схеме Q1 обычно представляет собой транзистор малой мощности с высоким коэффициентом усиления, а Q2 – транзистор большой мощности.Если предположить, что резистор R на данный момент отсутствует, то видно, что весь ток эмиттера Q1 течет в базу Q2.

Как указывалось ранее, ток эмиттера – это сумма тока коллектора и тока базы.

Итак, I _E = I _C + I _B

Таким образом, I _E = β x I _B + I _B, или I _E = (β + 1) I _B

Поскольку β довольно велико, (β + 1) близко к β.

Это означает:

I _E ≈ I _C

Теперь, поскольку I _E Q1 течет непосредственно в базу Q2, это означает, что I _C2, ток коллектора Q2 определяется как:

I _C2 = β1 x β2 x I _B1.

Итак, небольшой входной базовый ток может вызвать большой выходной ток коллектора. Однако следует отметить несколько моментов. Во-первых, V _BE этого составного транзистора теперь является суммой V _BE двух транзисторов.Это необходимо учитывать при расчете номинального сопротивления базового резистора, как описано ранее.

Что касается резистора R, то он влияет на время выключения Q2. Когда Q2 проводит, в его базу текут заряды. Теперь, когда на входе Q1 становится низкий уровень, Q1 отключается, и заряд, хранящийся в Базе Q2, некуда деваться.

В конечном итоге он исчезнет в результате внутреннего процесса, называемого рекомбинацией носителей, но до тех пор, пока это не произойдет, Q2 останется в проводящем состоянии. Это может длиться от нескольких микросекунд до десятков микросекунд в зависимости от транзистора.

По сути, микроконтроллер отключает свой выход, но после этого нагрузка остается включенной еще некоторое время. R используется для ускорения выключения Q2 путем стравливания сохраненного базового заряда.

Для таких приложений, как ШИМ, рекомендуется использовать этот резистор. Для большинства встроенных приложений подходят значения от 1 кОм до 5 кОм.

R также шунтирует часть базового тока Q2 при нормальной работе. Этот ток равен (V _BE2 / R) или приблизительно 0.7 / Р. Чтобы компенсировать этот ток, просто увеличьте базовый ток Q1. Поскольку этот базовый ток x β1 должен быть равен 0,7 / R, из этого следует, что базовый ток в Q1 должен быть увеличен на (0,7 / (β1 x R)).

Переключатель нижнего уровня на полевом МОП-транзисторе

Как и BJT, MOSFET поставляется в двух основных вариантах: N-канал и P-канал. N-канальный MOSFET похож на NPN и используется для переключения нижнего уровня. Аналогичным образом, полевой МОП-транзистор с P-каналом похож на PNP BJT и используется для переключения высокого уровня.

N-канальный MOSFET-транзистор относительно легко подключается к выходному выводу GPIO микроконтроллера при соблюдении определенных условий.

На рисунке 5 показан этот тип полевого МОП-транзистора вместе с некоторыми из его наиболее важных аспектов, когда это устройство рассматривается как переключатель низкого уровня.

Рисунок 5 – MOSFET расширения с N-каналом

Когда напряжение подается между затвором и источником, ток начинает течь между стоком и источником, если напряжение выше порогового напряжения, V _th, которое указано в его техническом описании.

Выше этого порогового значения, чем выше V _GS, тем больше ток стока I _D, пока V _GS не достигнет V _GSMax, что опять же указано в таблице данных.I _D vs V _GS определяется набором кривых в таблице данных, и, как и в случае BJT, полевой МОП-транзистор насыщается, когда ток стока является максимальным, что позволяют условия схемы.

Поскольку полевой МОП-транзистор является устройством, управляемым напряжением, для его включения почти не требуется ток. Таким образом, GPIO от микроконтроллера может управлять полевым МОП-транзистором, который затем может управлять очень большими токами. Нет необходимости в аранжировках Дарлингтона. Доступны полевые МОП-транзисторы с низким напряжением V _и, которые полностью усилены приводом затвора 5 В, которые, в свою очередь, могут управлять несколькими усилителями.

Еще одним преимуществом полевого МОП-транзистора перед биполярным транзистором является отсутствие V _DS sat. Вместо этого, когда полевой МОП-транзистор является проводящим, соединение сток-исток ведет себя как резистор со значением R _DS, которое является функцией V _GS и может быть очень низким значением для силового полевого МОП-транзистора.

Таким образом, рассеиваемая мощность полевого МОП-транзистора, когда он является проводящим или увеличенным, представляет собой просто значение (I _D) ², где I _D – ток стока, умноженный на R _DS, То же, что и мощность, рассеиваемая в резисторе R, пропускающем ток I, определяется выражением P = I ² R.

Таким образом, во многих случаях мощность, рассеиваемая насыщенным MOSFET, будет меньше, чем мощность эквивалентного BJT. Это особенно актуально, если у меня _D довольно высокий.

Следует отметить, что все N-канальные МОП-транзисторы имеют встроенные диоды-подложки, как показано на рисунке 5. Это заложено в конструкции МОП-транзистора. На практике это означает, что Утечка должна быть более положительной, чем Источник; в противном случае этот диод будет проводить.

Наконец, одна большая проблема с полевыми МОП-транзисторами – это емкость затвор-исток.Он может быть довольно большим для мощного полевого МОП-транзистора – 3 нФ и более не редкость. На практике это означает, что перед тем, как МОП-транзистор сможет начать проводить, эта емкость затвора должна сначала зарядиться. Учитывая, что большинство микроконтроллеров могут подавать ограниченный ток, для зарядки этого конденсатора потребуется время.

Итак, при непосредственном управлении выходом микроконтроллера MOSFET просто не может переключаться очень быстро. Таким образом, использование MOSFET для быстрой ШИМ, вероятно, не сработает.

В таких ситуациях драйвер полевого МОП-транзистора, такой как TI UCC27511, должен использоваться между выводом GPIO и затвором полевого МОП-транзистора.Это, конечно, добавляет еще больше стоимости к и без того более высокой стоимости MOSFET по сравнению с BJT.

Наконец, не забудьте загрузить бесплатно PDF : Окончательное руководство по разработке и продаже нового электронного оборудования . Вы также будете получать мой еженедельный информационный бюллетень, в котором я делюсь премиальным контентом, недоступным в моем блоге.

Другой контент, который может вам понравиться:

4.2 5 голоса

Рейтинг статьи

Symbol, конструкция, работа, характеристики и применение

Транзисторы – один из очень важных компонентов, используемых в конструкциях электронных схем.Эти скромные компоненты можно найти почти везде; Транзисторы доказывают свое присутствие от простых схем релейных драйверов до сложных схем материнской платы. Фактически, ваши микроконтроллеры и микропроцессоры представляют собой не что иное, как набор большого количества транзисторов, синтезированных для выполнения коллективной операции. Помните, что многие переключающие устройства, такие как BJT, MOSFET, IGBT, SCR, TRIAC, DIAC и т. Д., Могут вместе называться транзисторами. Но самым основным (самым старым) транзистором является транзистор BJT, поэтому в этой статье мы подробно рассмотрим это, вы можете использовать ссылки, чтобы узнать больше о других переключателях питания.

BJT – это короткая форма биполярного переходного транзистора , это твердотельное устройство, управляемое током, которое можно использовать для электронного переключения цепи, вы можете думать об этом как о своем обычном переключателе вентилятора или света, но вместо вас включив его вручную, можно управлять электроникой. С технической точки зрения, BJT – это трехконтактное устройство с эмиттером, коллектором и выводом базы, ток, протекающий через эмиттер и коллектор, регулируется величиной тока, приложенного к базе.Опять же, вы можете рассматривать эмиттер и коллектор как два конца вашего переключателя, и вместо нажатия переключателя у нас есть базовый штифт, который может принимать управляющий сигнал. Но как именно это работает? А как с помощью транзистора построить интересные схемы? Это именно то, на что мы ответим в этом уроке.

Обозначение биполярных транзисторов

Начнем с символа транзисторов , чтобы вы могли идентифицировать их в цепи.На приведенной ниже диаграмме показаны символы двух типов транзисторов . Слева – это символ транзистора PNP, а справа – символ транзистора NPN. Как я уже сказал, вы сможете увидеть три клеммы: эмиттер, коллектор и базу для обоих типов транзисторов.

Отличие между транзисторами PNP и NPN заключается в том, что стрелка на конце эмиттера, если вы заметили, стрелка в транзисторе PNP упоминается как движущаяся от эмиттера к базе, тогда как в транзисторе NPN стрелка будет переход от базы к эмиттеру.Направление стрелки представляет направление тока в транзисторе, в PNP ток будет течь от эмиттера к базе, аналогично в транзисторе NPN ток будет течь от базы к эмиттеру.

Еще одно важное отличие состоит в том, что транзистор NPN остается открытым до тех пор, пока он не получит сигнал на выводе базы, в то время как транзистор PNP остается закрытым до тех пор, пока на вывод базы не будет подан управляющий сигнал, как показано в приведенном выше файле GIF.

Конструкция биполярного переходного транзистора

BJT образован тремя слоями полупроводниковых материалов, если это транзистор PNP, он будет иметь две области P-типа и одну область N-типа; аналогично, если это транзистор NPN, он будет иметь две области N-типа. области и одна область P-типа.Два внешних слоя – это места, где фиксируются выводы коллектора и эмиттера, а вывод базы фиксируется на центральном слое.

Конструкция может быть просто объяснена аналогией с двумя диодами для транзистора , как показано на изображении выше. Если вы хотите узнать больше о диодах, вы можете прочитать его статью. Рассмотрим два диода, соединенных друг с другом с помощью катода, тогда точка встречи может быть расширена, чтобы сформировать базовый вывод, а два конца анода действуют как коллектор и эмиттер PNP-транзистора.Точно так же, если вы подключаете анодные концы диода, то точка встречи анодов может быть расширена до клеммы базы, а два катодных конца действуют как коллектор и эмиттер NPN-транзистора.

Работа транзистора (BJT)

Практически транзистор работает очень просто, его можно использовать как переключатель или как усилитель. Но для базового понимания давайте начнем с того, как транзистор в качестве переключателя работает в цепи.

Когда управляющее напряжение подается на базовый вывод, требуемый базовый ток (I _B) течет в базовый вывод, который управляется базовым резистором . Этот ток включает транзистор (переключатель закрыт) и позволяет току течь от коллектора к эмиттеру. Этот ток называется током коллектора (I _C) , а напряжение на коллекторе и эмиттере называется V _BE. Как вы можете видеть на изображении, мы используем напряжение низкого уровня, например 5 В, для управления нагрузкой с более высоким напряжением 12 В с помощью этого транзистора.

Теперь для теории, рассмотрим транзистор NPN, переход BE – это с прямым смещением , а переход CB – это с обратным смещением . Ширина области истощения в соединении CB выше по сравнению с областью истощения в соединении BE. Когда BE-переход смещен в прямом направлении, он уменьшает барьерный потенциал, следовательно, электроны начинают течь от эмиттера к базе. Базовая область очень тонкая и слабо легирована по сравнению с другими областями, следовательно, она состоит из очень небольшого количества дырок, электроны, которые текут из эмиттера, будут рекомбинировать с дырками, присутствующими в базовой области, и начнут течь. вне базовой области в виде базового тока.Большое количество оставшихся электронов будет перемещаться через коллекторный переход обратного смещения в форме коллекторного тока.

Основываясь на текущем законе Кирхгофа , мы можем сформулировать текущее уравнение как

  I _E = I _B + I _C

Где, I _E, I _B, и I _C – ток эмиттера, базы и коллектора соответственно. Здесь базовый ток будет очень мал по сравнению с током эмиттера и коллектора, поэтому I _E ~ I _C

Точно так же, когда вы рассматриваете транзистор PNP, они работают так же, как транзистор NPN, но в транзисторах NPN основными носителями заряда являются дырки (положительно заряженная частица), но в транзисторе NPN носителями заряда являются электроны (отрицательно заряженные частица).

Характеристики БЮТ

BJT можно подключить в трех различных конфигурациях, оставив одну общую клемму и используя две другие клеммы для входа и выхода. Эти три типа конфигураций по-разному реагируют на входной сигнал, подаваемый на схему, из-за статических характеристик , BJT. Три различных конфигурации BJT перечислены ниже.

Конфигурация Common Base (CB)
Конфигурация с общим эмиттером (CE)
Общий коллектор (CC) Конфигурация

Среди них конфигурации с общей базой будут иметь усиление по напряжению, но без усиления по току, тогда как конфигурация с общим коллектором имеет усиление по току, но без усиления по напряжению, а конфигурация с общим эмиттером будет иметь усиление как по току, так и по напряжению.

Конфигурация Common Base (CB)

Конфигурация общей базы также называется конфигурацией с заземленной базой , где база BJT соединена как общая между входным и выходным сигналами. Входной сигнал BJT подается через клеммы базы и эмиттера, а выходной сигнал от BJT поступает через клеммы базы и коллектора. Входной ток (I _E), протекающий через эмиттер, будет значительно выше по сравнению с током базы (I _B) и током коллектора (I _C), поскольку ток эмиттера является суммой обоих Базовый ток и ток коллектора.Поскольку выходной ток коллектора меньше входного тока эмиттера, коэффициент усиления по току для этой конфигурации будет равен единице (1) или меньше .

Входные характеристики

Кривая входной характеристики для конфигураций с общей базой проведена между током эмиттера I _E и напряжением между базой и эмиттером V _EB. Во время конфигурации с общей базой транзистор смещается в прямом направлении, поэтому он будет показывать характеристики, аналогичные характеристикам прямого действия p-n диода, где I _E увеличивается для фиксированного V _EB, когда увеличивается V _CB.

Выходные характеристики

Выходные характеристики конфигурации с общей базой даны между током коллектора I _C и напряжением между коллектором и базой V _CB, здесь ток эмиттера I _E является параметром измерения. В зависимости от операции на кривой есть три разных участка, сначала активная область , , здесь BJT будет работать нормально, а эмиттерный переход смещен в обратном направлении.Затем идет область насыщения , где и эмиттерный, и коллекторный переходы смещены в прямом направлении. Наконец, область отсечки , где и эмиттерный, и коллекторный переходы смещены в обратном направлении.

Конфигурация с общим эмиттером (CE)

Конфигурация общего эмиттера также называется конфигурацией заземленного эмиттера, где эмиттер действует как общий вывод между входом, применяемым между базой и эмиттером, и выходом, полученным между коллектором и эмиттером.Эта конфигурация обеспечивает максимальный ток и усиление мощности по сравнению с двумя другими типами конфигураций, это связано с тем, что входной импеданс низкий, поскольку он подключен к прямому смещенному PN-переходу, тогда как выходное сопротивление высокое. как это получается для PN-перехода с обратным смещением.

Входные характеристики

Характеристики входа конфигурации с общим эмиттером рисуются между базовым током I _B и напряжением между базой и эмиттером V _BE.Здесь наиболее распространенным параметром является напряжение между коллектором и эмиттером. Если бы вы могли видеть, не будет большой разницы между характеристической кривой предыдущей конфигурации, за исключением изменения параметров.

Выходные характеристики

Выходные характеристики показаны между током коллектора I _C и напряжением между коллектором и эмиттером V _CE. Конфигурация CE также имеет три разные области: в активной области , , , коллекторный переход смещен в обратном направлении, а эмиттерный переход смещен в прямом направлении, в области отсечки , эмиттерный переход слегка смещен в обратном направлении и коллекторный ток не отключается полностью, и, наконец, в области насыщения и коллекторный, и эмиттерный переходы смещены в прямом направлении.

Общий коллектор (CC) Конфигурация

Конфигурация общего коллектора также называется конфигурацией заземленного коллектора, в которой клемма коллектора остается общей клеммой между входным сигналом, подаваемым на базу и эмиттер, и выходным сигналом, полученным на коллекторе и эмиттере. Эта конфигурация обычно называется повторителем напряжения или схемой эмиттерного повторителя.Эта конфигурация будет полезна для приложений согласования импеданса , поскольку она имеет очень высокий входной импеданс, порядка сотен тысяч Ом, при относительно низком выходном импедансе.

Применение биполярных переходных транзисторов (BJT)
BJT может использоваться в различных приложениях, таких как логические схемы, схемы усиления, колебательные схемы, схемы с несколькими вибраторами, схемы ограничения, схемы таймера, схемы задержки времени, схемы переключения и т. Д.

Виды упаковки
Для лучшего использования в различных приложениях, BJT доступны в различных пакетах, таких как TO-3, TO-5, TO-8, TO-18, TO-36, TO-39, TO-46, TO-52. , ТО-66, ТО-72, ТО-92, ТО-126, ТО-202, ТО-218, ТО-220, ТО-226, ТО-254, ТО-257, ТО-258, ТО-259, ТО -264 и ТО-267. Вы также можете ознакомиться с нашими статьями о различных типах пакетов IC, чтобы узнать о популярных типах и их названиях.
Глава 8: Транзисторы [Analog Devices Wiki]
В этой главе мы рассмотрим наши первые активные устройства.
8.1 Основные принципы
Активное устройство – это компонент любого типа, способный электрически управлять потоком тока (управлять одним электрическим сигналом другим электрическим сигналом). Чтобы схему можно было назвать электронной, она должна содержать хотя бы одно активное устройство. Все активные устройства контролируют прохождение тока через них. Один тип активного устройства использует напряжение для управления током, в то время как другой тип активных устройств использует другой ток в качестве управляющего сигнала.Устройства, использующие напряжение в качестве управляющего сигнала, неудивительно, называются устройствами, управляемыми напряжением. Устройства, работающие по принципу контроля одного тока другим током, известны как устройства с регулируемым током. Первым успешно продемонстрированным типом транзисторов стало устройство с регулируемым током.
В качестве примечания: происхождение термина «транзистор» – это сокращение от «варистор крутизны», поскольку предложенный Bell Telephone Laboratories. Иногда это ошибочно приписывают сокращению трансрезистентности.
Простой и общий вид такого устройства показан на рисунке 8.1.1. Имеет три терминала; назовем их пока X, Y и Z. Предположим также, что управляемый ток течет на клемму X и выводит ее обратно на клемму Y. Третья клемма, Z, является клеммой управления. Чтобы описать функцию этого блока, нам сначала нужно определить токи на клеммах IX _{, IY и IZ _, и напряжения на клеммах VXY и VZY , как показано на рисунке.Поскольку ток течет на клемму X, мы обычно предполагаем, что напряжение на клемме X больше, чем на клемме Y, а напряжение VXY является положительным числом. То же самое можно сказать и о напряжении на клемме Z относительно клеммы Y, а напряжение VZY является положительным числом.}
Рисунок 8.1.1 Общая модель
В случае устройства, управляемого током, предположим, что управляющий ток IZ, _{протекает на клемму Z и выходит обратно на клемму Y.Сохранение заряда говорит нам, что сумма токов, текущих в коробку, должна равняться сумме текущих токов. Таким образом, IY _{= IX + IZ . Чтобы сделать устройство полезным, было бы желательно, чтобы управляющий ток IZ был очень мал по сравнению с гораздо большим контролируемым током IX . Отношение IX к IZ является коэффициентом усиления устройства, и для обозначения этого коэффициента используется греческая буква β (бета).Отношение IX _{к IY , которое всегда меньше единицы, также является мерой усиления устройства и чаще всего обозначается греческой буквой α (альфа).}}}
Для устройства, управляемого напряжением, давайте предположим, как мы делали раньше, что ток течет на клемму X и выходит на клемму Y. Напряжение на клемме Z теперь управляет величиной тока на клеммах X и Y. относительно одного из двух других терминалов, и здесь мы будем использовать терминал Y для наших целей.Кроме того, поскольку в этом случае управляющим сигналом является напряжение, мы будем предполагать, что ток не течет на клемму Z (или не выходит из нее). Сравнивая это с устройством, управляемым током, мы можем сказать, что α = 1 и β бесконечно. Отношение выходного тока к управляющему напряжению, выраженное в амперах / вольт, является размерно проводимостью, и буква g чаще всего используется для обозначения проводимости. Этот параметр транзистора называется крутизной, и обычно используется gm .
Мы также можем описать дополнительные устройства, изменив направление токов на обратное, так что теперь управляемый ток течет из клеммы X в клемму Y, как показано на рисунке 8.1.2. Поскольку направление тока теперь меняется на противоположное, мы обычно предполагаем, что напряжение на Y больше, чем на клемме X, а напряжение VXY является отрицательным числом. То же самое можно сказать и о напряжении на клемме Z относительно клеммы Y, а напряжение VZY – отрицательное число.Для случая с управлением по току мы также меняем направление управляющего тока I _Z, который теперь вытекает из клеммы Z.
Рисунок 8.1.2 Дополнительная модель
Подводя итог, мы описали четыре типа активных устройств: источник тока, управляемый положительным током, и его дополнительную отрицательную форму, а также источник тока, управляемый положительным напряжением, и его дополнительную отрицательную форму.
8.1.1 Характеристики простой модели
Теперь мы рассмотрим передаточные характеристики этих простых моделей транзисторов и то, как их можно модифицировать или расширять, чтобы сделать их более реалистичными.Сначала мы рассмотрим характеристики выходного тока в зависимости от выходного напряжения простого (идеального) источника тока, управляемого напряжением, при ступенчатом изменении напряжения на управляющем входе. Результаты для управляемого источника с крутизной 1 мА / В показаны на рисунке 8.1.3, поскольку В _XY изменяется от 0 до 5 В, а управляющее напряжение В _ZY ступенчато. с шагом 0,4 В от 0,1 В до 2,1 В . Идеальный источник тока с регулируемым током должен иметь практически те же характеристики, за исключением того, что каждая горизонтальная линия будет представлять другой управляющий ток (на клемме Z), а не другое управляющее напряжение.
Рисунок 8.1.3 Характеристики источника тока с идеальным управлением напряжением (или током)
Из этих характеристических кривых мы можем узнать следующее; во-первых, ток действительно не зависит от напряжения на клеммах X и Y. Во-вторых, ток I _XY равен 1 мА на вольт, приложенный к клемме Z по отношению к клемме X (рисунок 8.1.1). Однако очевидна одна вещь, которая не может произойти в реальном устройстве, и это то, что I _XY имеет значение, отличное от нуля, когда напряжение В _XY равно нулю.Это означает, что устройство содержит источник энергии, и мы знаем, что это невозможно. В противном случае у нас было бы решение мирового энергетического кризиса. Более реалистичный набор характеристик больше похож на показанный на рисунке 8.1.4.
Кривые, подобные приведенным на рисунке 8.1.4, имеют больше физического смысла, но все же обладают некоторыми свойствами, которых не могут иметь реальные устройства. На графике видны резкие изломы кривых, где наклонная линия, проходящая через начало координат, пересекает горизонтальную линию при постоянном контролируемом значении тока.Этот переход никогда не может быть таким резким и должен каким-то образом плавно переходить от одной линии к другой.
Еще одним свойством этих простых кривых является идеально горизонтальный характер линий тока и напряжения. Реальное устройство покажет некоторое изменение, обычно увеличение из-за конечного реального сопротивления, с напряжением на X и Y.
Рисунок 8.1.4 Ток VCCS должен быть равен нулю, если В _XY = 0
Более полная сложная математическая модель реального физического транзистора показана на рисунке 8.1.5. Мы рассмотрим эту более полную модель в следующих разделах этой главы.
Рисунок 8.1.5 Сложная математическая модель устройства
8.2 Обозначения транзисторов
Этим базовым моделям активных устройств соответствуют четыре типа транзисторов. Их схематические символы показаны на рисунке 8.2.1. Управляемым током устройством n-типа является биполярный транзистор NPN (BJT). Управляемым по току устройством p-типа является PNP BJT.Управляемым напряжением устройством n-типа является NMOS FET (металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор). И, наконец, управляемое напряжением устройство p-типа – PMOS FET. Вместо того, чтобы давать клеммам устройства общие имена, такие как X, Y и Z, установленное соглашение для BJT – коллектор и эмиттер для клемм источника тока и база для клеммы управления током. Точно так же условное обозначение для устройства MOS – сток и источник для клемм источника тока и затвор для клеммы управления напряжением,
Рисунок 8.2.1 символы транзисторов
Примечание. Если читатель не занимается производством устройства, обычно менее важно понимать внутреннюю работу транзисторов. Описания, которые можно получить, углубляясь в внутренние свойства, не особенно подходят для схемотехники и могут быть трудными для полного понимания. Скорее для анализа и проектирования схем обычно достаточно понять внешние свойства транзисторов, рассматривая их более или менее как черный ящик. Добавление некоторого обсуждения тонкостей, которые возникают из-за физики, происходящей внутри черного ящика, конечно, необходимо для надежного проектирования схем.
8.3 Основные сведения о биполярных переходных транзисторах
Транзистор с биполярным переходом (BJT) представляет собой электронное устройство с тремя выводами, построенное из легированного полупроводникового материала, и может использоваться в приложениях для усиления или переключения. Биполярные транзисторы названы так потому, что в их работе участвуют как электроны, так и дырки. Поток заряда в BJT возникает из-за двунаправленной диффузии носителей заряда через соединение между двумя областями с разной концентрацией заряда. По своей конструкции большая часть тока коллектора БЮТ связана с потоком зарядов, вводимых от эмиттера с высокой концентрацией в базу, где они являются неосновными носителями, которые диффундируют к коллектору, и поэтому БЮТ классифицируются как устройства с неосновными носителями. в отличие от транзисторов с большинством носителей, таких как полевые транзисторы, в которых только основные носители участвуют в протекании тока из-за дрейфа.
Типичное поперечное сечение планарного NPN-транзистора показано на рисунке 8.3.1. NPN-транзистор можно рассматривать как два диода с PN-переходом с очень тонким общим анодом, P-слоем. При обычной работе переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор – в обратном направлении. В NPN-транзисторе, например, когда положительное напряжение прикладывается к переходу база-эмиттер, равновесие между термически генерируемыми носителями и отталкивающим электрическим полем обедненной области становится несбалансированным, позволяя термически возбужденным электронам инжектироваться в базовую область.Эти электроны блуждают (или «диффундируют») через очень тонкую базу из области высокой концентрации рядом с эмиттером в сторону области низкой концентрации возле коллектора. Электроны в базе называются неосновными носителями, потому что база легирована p-типом, что делает дырки основными носителями в базе.
Рисунок 8.3.1 Поперечное сечение планарного NPN-транзистора
Чтобы свести к минимуму процент носителей, которые рекомбинируют до достижения слоя истощения коллекторно-базового перехода, базовая область транзистора должна быть достаточно тонкой, чтобы носители могли диффундировать по ней за гораздо меньшее время, чем время жизни неосновных носителей полупроводника.В частности, толщина основания должна быть намного меньше диффузионной длины электронов. Коллектор-база-переход имеет обратное смещение, и поэтому инжекция электронов от коллектора к базе происходит незначительно, но электроны, которые диффундируют через базу к коллектору, уносятся в коллектор электрическим полем в обедненной области коллектор-база. соединение. Тонкая общая база и асимметричное легирование коллектор-эмиттер – это то, что отличает биполярный транзистор от двух отдельных диодов с противоположным смещением, установленных последовательно.
8.3.1 Контроль напряжения, тока и заряда
Ток коллектора-эмиттера можно рассматривать как управляемый током база-эмиттер (управление током) или напряжением база-эмиттер (управление напряжением). Эти представления связаны между собой соотношением тока и напряжения в переходе база-эмиттер, которое представляет собой обычную экспоненциальную кривую вольт-амперной характеристики PN-перехода (диода).
Физическое объяснение тока коллектора – это количество заряда неосновных носителей заряда в базовой области.
Подробные модели действия транзисторов, такие как модель Гаммеля-Пуна, явно объясняют распределение этого заряда, чтобы более точно объяснить поведение транзистора. Представление управления зарядом легко обрабатывает фототранзисторы, где неосновные носители в базовой области создаются за счет поглощения фотонов, и управляет динамикой выключения или временем восстановления, которое зависит от заряда в рекомбинации базовой области. Однако, поскольку базовый заряд не является сигналом, видимым на клеммах, при проектировании и анализе схем обычно используются режимы управления током и напряжением.
При проектировании аналоговых схем иногда используется представление управления током, поскольку оно приблизительно линейно. То есть ток коллектора примерно? _F раз больше тока базы. Некоторые базовые схемы могут быть спроектированы, исходя из предположения, что напряжение эмиттер-база приблизительно постоянно, а ток коллектора в бета умножен на ток базы. Однако для точного и надежного проектирования надежных цепей BJT чаще используется модель управления напряжением (например, Ebers-Moll).Модель управления напряжением требует учета экспоненциальной функции. Следующее уравнение для тока коллектора I _C показывает экспоненциальную зависимость от V _BE.
Достаточно стандартный транзистор, работающий на токе около 100 мкА, может иметь напряжение В _BE около 650 мВ при комнатной температуре, где q / kT составляет около 0,039 / мВ (или тепловое напряжение kT / q составляет 25 мВ). Экспоненциальный множитель в уравнении будет порядка 10 ¹¹.В этом случае мы можем безопасно опустить член -1 в уравнении без серьезной ошибки. Взяв натуральный логарифм, мы получим уравнение для V _BE.
Когда эта экспонента линеаризуется так, что транзистор может быть смоделирован как крутизна, как в модели Эберса-Молла, проектирование таких схем, как усилители, снова становится в основном линейной проблемой, поэтому часто предпочтительнее рассматривать управление напряжением. Для транслинейных схем, в которых экспоненциальная кривая I- V является ключевой для работы, транзисторы обычно моделируются как управляемые по напряжению с крутизной, пропорциональной току коллектора.Как правило, проектирование схем на уровне транзисторов выполняется с использованием SPICE или аналогичного имитатора аналоговых схем, поэтому математическая сложность модели обычно не имеет большого значения для разработчика.
8.3.2 Транзистор альфа и бета
Доля электронов, способных пересечь базу и достигнуть коллектора, является мерой эффективности BJT. Асимметричное сильное легирование эмиттерной области и легкое легирование базовой области вызывает инжекцию гораздо большего количества электронов из эмиттера в базу, чем дырок, инжектируемых из базы в эмиттер.Общий эмиттер – ток Коэффициент усиления представлен как ß _F или h _fe и является приблизительно отношением постоянного тока коллектора к постоянному току базы в прямой активной области. Обычно оно больше 100 для малосигнальных транзисторов, но может быть меньше для транзисторов, предназначенных для мощных приложений. Другой важный параметр – коэффициент усиления по току общей базы, _F. Коэффициент усиления по току с общей базой приблизительно равен коэффициенту усиления по току от эмиттера к коллектору в прямой активной области.Это отношение обычно имеет значение, близкое к единице; между 0,98 и 0,998. Альфа и бета более точно связаны следующими тождествами (транзистор NPN):
Биполярный транзистор состоит из трех областей полупроводника с различным легированием: области эмиттера, области базы и области коллектора. Этими областями являются, соответственно, тип p , тип n и тип p в PNP и тип n , тип p и тип n в транзисторе NPN.Каждая полупроводниковая область подключена к клемме, обозначенной соответствующим образом: эмиттер (E), база (B) и коллектор (C).
База физически расположена между эмиттером и коллектором и изготовлена из слегка легированного материала с высоким сопротивлением. Коллектор окружает эмиттерную и базовую области (рисунок 8.3.1), что делает практически невозможным выход электронов, инжектированных в базовую область из эмиттерной области, что делает результирующее значение очень близким к единице, и поэтому , придавая транзистору большую ß.Вид в разрезе BJT, рисунок 8.3.1, показывает, что переход коллектор-база имеет гораздо большую площадь, чем переход эмиттер-база.
Биполярный переходный транзистор, в отличие от полевого МОП-транзистора, который мы вскоре подробно обсудим, обычно не является симметричным устройством. Это означает, что перестановка коллектора и эмиттера заставляет транзистор выйти из прямого активного режима и начать работать в так называемом обратном активном режиме.
Поскольку внутренняя структура транзистора обычно оптимизирована для работы в прямом режиме, перестановка коллектора и эмиттера делает значения a и ß при работе в обратном направлении намного меньше, чем при работе в прямом направлении; часто а обратного режима ниже 0.5. Отсутствие симметрии в первую очередь связано с относительными степенями легирования эмиттера и коллектора. Эмиттер сильно легирован, в то время как коллектор слегка легирован, что позволяет приложить большое обратное напряжение смещения до того, как произойдет пробой перехода коллектор-база. Коллектор-база при нормальной работе имеет обратное смещение. Причина, по которой эмиттер сильно легирован, состоит в том, чтобы увеличить эффективность инжекции эмиттера: отношение носителей, введенных эмиттером, к тем, которые введены базой.Для высокого усиления по току большая часть носителей, вводимых в переход эмиттер-база, должна исходить от эмиттера.
Низкопроизводительные «боковые» биполярные транзисторы, которые иногда используются в процессах CMOS, иногда проектируются симметрично, то есть без разницы между прямым и обратным режимом работы, рисунок 8.3.2. Однако, поскольку ширина основания часто намного больше, чем у вертикальной конструкции на рисунке 8.3.1, ß и а не так высоки. Метод компоновки для повышения эффективности сбора состоит в том, чтобы полностью окружить эмиттерную область со всех четырех сторон кольцевой или кольцевой областью коллектора.Конечно, эта структура больше не симметрична.
Рисунок 8.3.2 Боковое сечение NPN
Небольшие изменения напряжения, приложенного к клеммам база-эмиттер, приводят к значительному изменению тока, протекающего между эмиттером и коллектором. Этот эффект можно использовать для усиления входного напряжения или тока. BJT можно рассматривать как источники тока с управлением по напряжению, но их проще охарактеризовать как источники тока с управлением по току или усилители тока из-за относительно низкого импеданса, наблюдаемого на базе.
Ранние транзисторы были сделаны из германия, но большинство современных BJT сделаны из кремния. Устройства специального назначения также изготавливаются из полупроводниковых соединений элементов III- V , таких как арсенид галлия, особенно для приложений с очень высокими частотами.
8.3.3 НПН
NPN – это один из двух типов биполярных транзисторов, в которых буквы «N» (отрицательный) и «P» (положительный) относятся к основным носителям заряда внутри различных областей транзистора.Производимые сегодня биполярные транзисторы с более высокими эксплуатационными характеристиками – это NPN-транзисторы, поскольку подвижность электронов выше подвижности дырок в полупроводниках, что обеспечивает более высокие токи и более быструю работу.
Транзисторы NPN состоят из слоя полупроводника с примесью фосфора («основа»), помещенного между двумя слоями с примесью азота. Небольшой ток, поступающий в базу в режиме с общим эмиттером, усиливается на выходе коллектора. Другими словами, NPN-транзистор включен, когда его база поднята высоко относительно эмиттера.Стрелка в символе транзистора NPN находится на плече эмиттера и указывает направление обычного тока, когда устройство находится в прямом активном рабочем режиме.
Одно мнемоническое устройство для идентификации символа для NPN-транзистора: « n ot p ointing i n или« n ot p ointing, n ointing »
8.3.4 PNP
Другой тип BJT – это PNP с буквами «P» и «N», обозначающими основные носители заряда внутри различных областей транзистора.Транзисторы PNP состоят из слоя полупроводника с примесью азота, расположенного между двумя слоями материала с примесью фосфора. Небольшой ток, покидающий базу в режиме общего эмиттера, усиливается на выходе коллектора. Другими словами, транзистор PNP включен, когда его база опущена относительно эмиттера.
Стрелка в символе транзистора PNP находится на плече эмиттера и указывает направление обычного тока, когда устройство находится в прямом активном режиме.
8.3.5 BJT Регионы работы
Биполярные транзисторы имеют пять различных областей работы, определяемых способом смещения переходов. Чтобы наглядно представить режимы работы, нарисуйте NPN-транзистор с коллектором вверху, базой посередине и эмиттером внизу. Теперь есть две разницы напряжения: между коллектором и базой и между базой и эмиттером. Обратите внимание на два момента: V _CB = – V _BC, а “ соединение база-коллектор с обратным смещением ” означает V _BC <0 или V _CB> 0.Проще говоря, это означает, что коллектор имеет более высокое напряжение, чем база (если зондировать). Механическим аналогом может быть труба и вентиль.
Клапан базовый, а две стороны трубы – коллектор и эмиттер. Теперь количество воды (тока), проходящего через него, зависит от того, насколько открыт клапан (напряжение от базы к эмиттеру) и сколько воды у вас наверху трубы (напряжение от коллектора до базы). Если вы запишете смещения в терминах приложенных напряжений ( V _CB, V _BE) вместо смещения перехода, режимы работы можно описать как:
Активный в прямом направлении: база выше эмиттера, коллектор выше базы (в этом режиме ток коллектора пропорционален току базы на β _F).
Насыщенность: База выше эмиттера, но коллектор не выше базы.
Cut-Off: база ниже эмиттера, но коллектор выше базы. Это означает, что транзистор не пропускает обычный ток через коллектор к эмиттеру.
Reverse Active: база ниже эмиттера, коллектор ниже базы: обратный условный ток проходит через транзистор.
Что касается смещения перехода: («соединение база-коллектор с обратным смещением» означает В _BC <0 или В _CB> 0)
Вперед – активный (или просто активный): переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении.Большинство биполярных транзисторов спроектированы так, чтобы обеспечить максимальное усиление по току с общим эмиттером, β _F, в прямом активном режиме. В этом случае ток коллектор-эмиттер приблизительно пропорционален току базы, но во много раз больше при небольших изменениях тока базы.
Обратный – активный (или обратный – активный или инвертированный): реверсируя условия смещения прямой активной области, биполярный транзистор переходит в обратный активный режим.В этом режиме области эмиттера и коллектора меняются ролями. Поскольку большинство биполярных транзисторов предназначены для максимального увеличения коэффициента усиления по току в прямом активном режиме, β _F в инвертированном режиме в несколько (2-3 для обычного германиевого транзистора) раз меньше. Этот транзисторный режим используется редко, обычно рассматривается только для условий отказоустойчивости и некоторых типов биполярной логики. Напряжение пробоя обратного смещения к базе может быть на порядок ниже в этой области.
Насыщение: с обоими переходами, смещенными в прямом направлении, BJT находится в режиме насыщения и обеспечивает проведение сильного тока от эмиттера к коллектору.Этот режим соответствует логическому «включению» или замкнутому переключателю.
Отсечка: В отсечке присутствуют условия смещения, противоположные насыщению (оба перехода смещены в обратном направлении). Ток очень слабый, что соответствует логическому «выключению» или разомкнутому переключателю.
Лавина поломка район
Хотя эти области хорошо определены для достаточно большого приложенного напряжения, они частично перекрываются при малых (менее нескольких сотен милливольт) смещениях.Например, в типичной конфигурации с заземленным эмиттером NPN BJT, используемого в качестве понижающего переключателя в цифровой логике, состояние «выключено» никогда не включает в себя переход с обратным смещением, потому что базовое напряжение никогда не опускается ниже земли; тем не менее, прямое смещение достаточно близко к нулю, чтобы ток практически не протекал, поэтому этот крайний предел прямой активной области можно рассматривать как область отсечки.
8.4.1 Биполярный переходной транзистор с большим сигналом Модель
Как мы только что узнали, транзистор с биполярным переходом (BJT) может работать в одной из трех областей:
Область отсечки: транзистор выключен, и ток между коллектором и эмиттером не течет ( i.е. , сопротивление коллектор-эмиттер бесконечно).
Активная область: Транзистор действует как источник тока с регулируемым током между коллектором и эмиттером, как в базовой модели.
Область насыщения: когда напряжение между коллектором и эмиттером падает ниже определенного уровня (обычно, когда напряжение коллектора и базы равно нулю или меньше), ток базы увеличивается и соотношение I _C к I _B , или β намного меньше, чем в активной области.
В активной области транзистор регулирует ток коллектора на? умножить на базовый ток. Если базовый ток I _B, падает до 0, транзистор входит в область отсечки и закрывается. Когда напряжение коллектора становится меньше или равным базовому напряжению, базовый ток увеличивается, а β падает. В этом случае транзистор переходит в область насыщения. Чтобы не допустить попадания транзистора в область насыщения, общее практическое правило состоит в том, что напряжение на коллекторе должно быть более положительным, чем напряжение на базе.То есть переход коллектор-база всегда имеет обратное смещение.
Простая модель работы NPN и PNP BJT транзисторов в активной области показана на рисунке 8.4.1. Требуется знать коэффициент усиления по току β, чтобы спроектировать схему. В обеих этих моделях
I _C = βI _B, I _E = (β + 1) I _B и
Эмиттер отделен от базы диодом. Чтобы этот диод проводил ток, в случае устройства на основе кремния он должен быть смещен в прямом направлении на ~ 0.65В.
Рисунок 8.4.1 (a) Активная область NPN (b) Активная область PNP
Диод база-эмиттер: всегда помните о рисунке 8.4.1. Модель Эберса-Молла BJT рассматривает соотношение тока и напряжения в переходе база-эмиттер точно так же, как идеальный диод Шокли, ток которого отражается в коллекторе с усилением. Когда V _B и V _E неочевидны, вспомните о диоде база-эмиттер.
8.4.2 Ранний эффект (модуляция базовой ширины)
Ранний эффект был впервые обнаружен и объяснен Джеймсом Эрли, когда он работал в Bell Labs. В нашем идеальном устройстве ток коллектора должен быть равен току базы, умноженному на постоянный коэффициент усиления β. Но, как мы видели выше, каждый p-n-переход имеет два обедненных слоя. Для перехода коллектор-база один истощающий слой простирается в коллектор, другой – в основание. База почти всегда более сильно легирована, чем коллектор, поэтому ее обедненный слой довольно неглубокий.Однако основание также очень тонкое, поэтому даже неглубокий обедненный слой занимает значительную часть ширины основания. С увеличением напряжения на коллекторе обедненные слои расширяются. В области коллектора это имеет небольшой эффект (пока он не попадает в другую сторону коллектора), но в области основания это сужает ширину основания. Поскольку коэффициент усиления биполярного транзистора очень сильно зависит от ширины базы, коэффициент усиления просто увеличивается при уменьшении эффективной ширины базы. Если вы проведете прямую линию, увеличивая наклон в передней активной области (от 0.От 4 до 15 вольт, например) в отрицательный квадрант и дайте ему пересечься с линией нулевого тока, вы получите раннее напряжение В _A. В преувеличенном случае, показанном на рисунке 8.4.2, раннее напряжение будет -15 В (но обычно выражается как 15 В). В зависимости от ширины основания, предусмотренной в производственном процессе, она может быть больше или меньше, чем показанная, с соответственно меньшим или более крутым уклоном.
Рисунок 8.4.2 Раннее напряжение
8.5.1 Базовая конструкция и принцип работы
Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник n-типа (MOSFET) состоит из истока и стока, двух высокопроводящих полупроводниковых областей n-типа, которые изолированы от подложки p-типа PN-диодами с обратным смещением. Затвор из поликристаллического кремния покрывает область между истоком и стоком, но отделен от полупроводника изолирующим слоем оксида. Базовая структура полевого МОП-транзистора n-типа и соответствующий символ схемы показаны на рисунке 8.5.1.
Рисунок 8.5.1 Поперечное сечение и условное обозначение схемы металл-оксид-полупроводник-полевой транзистор n-типа (MOSFET)
Как видно на рисунке, области истока и стока идентичны. Именно приложенные напряжения определяют, какая область n-типа обеспечивает электроны и становится источником, в то время как другая область n-типа собирает электроны и становится стоком. Напряжения, приложенные к электроду стока и затвора, а также к подложке посредством заднего контакта, относятся к потенциалу истока, как также показано на рисунке.
Вид сверху того же полевого МОП-транзистора показан на рисунке. 8.5.2, где указаны длина ворот L и ширина ворот W. Обратите внимание, что длина затвора не равна физическому размеру затвора, а скорее расстоянию между областями истока и стока под затвором. Перекрытие между затвором и областью истока и стока требуется, чтобы гарантировать, что инверсионный слой образует непрерывный проводящий путь между областью истока и стока. Обычно это перекрытие делается как можно меньше, чтобы свести к минимуму его паразитную емкость.
Рисунок 8.5.2 Вид сверху металл-оксид-полупроводник-полевой транзистор n-типа (MOSFET)
Поток электронов от истока к стоку контролируется напряжением, приложенным к затвору. Положительное напряжение, приложенное к затвору, притягивает электроны к границе раздела между диэлектриком затвора и полупроводником. Эти электроны образуют проводящий канал между истоком и стоком, называемый инверсионным слоем. Ток затвора не требуется для поддержания инверсионного слоя на границе раздела, поскольку оксид затвора блокирует любой поток носителей.В итоге ток между стоком и истоком регулируется напряжением, приложенным к затвору.
Типичные характеристики тока в зависимости от напряжения (I- В ) полевого МОП-транзистора показаны на рисунке ниже. Реализована квадратичная модель полевого МОП-транзистора.
8,6 МОП-транзистор, большой сигнал, модель
8.6.1 Режимы работы
Работа полевого МОП-транзистора может быть разделена на три различных режима в зависимости от напряжений на клеммах.В следующем обсуждении используется упрощенная алгебраическая модель, которая верна только для старых технологий. Характеристики современных полевых МОП-транзисторов требуют компьютерных моделей, которые имеют более сложное поведение.
Для расширения – режим , n-канальный MOSFET, три рабочих режима:
Режим отсечки, подпорога или слабой инверсии
Когда:
Где В _th – пороговое напряжение устройства.
Согласно базовой пороговой модели транзистор выключен, и между стоком и истоком нет проводимости.В действительности, распределение энергии электронов Больцмана позволяет некоторым из более энергичных электронов в источнике проникать в канал и течь в сток, что приводит к подпороговому току, который является экспоненциальной функцией напряжения затвор-исток. В то время как ток между стоком и истоком в идеале должен быть равен нулю, когда транзистор используется в качестве выключенного ключа, существует слабый ток инверсии, иногда называемый подпороговой утечкой. При слабой инверсии ток изменяется экспоненциально в зависимости от смещения затвор-исток В _GS, что приблизительно равно:
Где:
I _D0 = ток при В _GS = В _th
а коэффициент наклона n определяется выражением
С участием:
C _D = емкость обедненного слоя
А также
C _OX = емкость оксидного слоя.
В устройстве с длинным каналом отсутствует зависимость тока от напряжения стока В _DS » В _T, но по мере уменьшения длины канала уменьшение индуцированного стоком барьера приводит к зависимости напряжения стока, которая зависит от сложным образом от геометрии устройства (например, легирование канала, легирование перехода и т. д.). Часто пороговое напряжение В _th для этого режима определяется как напряжение затвора, при котором возникает выбранное значение тока I _D0, например, I _D0 = 1 мкА, что может не совпадать с V _th – значение, используемое в уравнениях для следующих режимов.
Некоторые аналоговые схемы микромощностей предназначены для использования преимущества подпороговой проводимости. Работая в области слабой инверсии, полевые МОП-транзисторы в этих схемах обеспечивают максимально возможное отношение крутизны к току, а именно:
Что почти то же самое, что и биполярный транзистор.
Подпороговая кривая I- V экспоненциально зависит от порогового напряжения, вводя сильную зависимость от любых производственных изменений, которые влияют на пороговое напряжение; например: изменения толщины оксида, глубины перехода или легирования тела, которые изменяют степень снижения барьера, вызванного стоком.Возникающая в результате чувствительность к вариациям изготовления усложняет оптимизацию утечки и производительности.
Триодный режим или линейная область (также известный как резистивный режим)
Когда
а также
Транзистор включается, и создается канал, который позволяет току течь между стоком и истоком. МОП-транзистор работает как резистор, управляемый напряжением затвора относительно напряжений истока и стока.Ток от стока к истоку моделируется следующим образом:
Где:
μ _n – эффективная подвижность носителей заряда,
W – ширина затвора,
L – длина затвора,
C _ox – емкость оксида затвора на единицу площади.
Переход от экспоненциальной подпороговой области к триодной области не такой резкий, как предполагают уравнения.
Насыщенность или активный режим,
Когда
а также
Переключатель включен, и был создан канал, который позволяет току течь между стоком и истоком.Поскольку напряжение стока выше, чем напряжение затвора, электроны распространяются, и проводимость осуществляется не через узкий канал, а через более широкое, двумерное или трехмерное распределение тока, простирающееся от границы раздела и глубже в подложку. Начало этой области также известно как pinch- off, чтобы указать на отсутствие области канала около стока. Ток стока теперь слабо зависит от напряжения стока и контролируется в основном напряжением затвор-исток и моделируется очень приблизительно как:
Дополнительный фактор, включающий λ, параметр модуляции длины канала, моделирует зависимость тока от напряжения стока из-за эффекта Early или модуляции длины канала.Согласно этому уравнению, ключевым параметром конструкции крутизна полевого МОП-транзистора является:
Комбинация называется напряжением перегрузки. Другим ключевым параметром конструкции является выходное сопротивление полевого МОП-транзистора r _O, определяемое по формуле:
r _out – это обратное значение g _ds, где
V _DS – выражение в области насыщения.
Если ? принимается равным нулю, в результате получается бесконечное выходное сопротивление устройства, что приводит к нереалистичным предсказаниям схемы, особенно в аналоговых схемах.Поскольку длина канала становится очень короткой, эти уравнения становятся неточными. Возникают новые физические эффекты. Например, перенос носителей в активном режиме может быть ограничен насыщением скорости. Когда преобладает насыщение по скорости, ток стока насыщения более близок к линейному, чем к квадратичному в V _GS. На еще меньших длинах носители транспортируются с почти нулевым рассеянием, известным как квазибаллистический транспорт. Кроме того, на выходной ток влияет снижение порогового напряжения, вызванное стоком.
8.7 Малосигнальные модели Hybrid-pi
Модель Hybrid-Pi – это популярная схемная модель, используемая для анализа поведения слабого сигнала биполярных переходных и полевых транзисторов. Модель может быть достаточно точной для низкочастотных цепей и может быть легко адаптирована для более высокочастотных цепей с добавлением соответствующих межэлектродных емкостей и других паразитных элементов.
8.7.1 Параметры биполярного перехода (BJT)
Модель hybrid-pi представляет собой приближение линеаризованной двухпортовой сети к BJT с использованием напряжения база-эмиттер слабого сигнала v _быть и напряжения коллектор-эмиттер v _ce в качестве независимых переменных, а базовый ток слабого сигнала i _b и ток коллектора i _c в качестве зависимых переменных.Базовая низкочастотная гибридная пи-модель биполярного транзистора (NPN) показана на рисунке 8.7.1.
Рисунок 8.7.1 Модель BJT Hybrid-pi
Различные параметры следующие:
Крутизна, г _м, в сименсах, определяется следующим уравнением:
где:
I _C – это ток покоя коллектора (также называемый током смещения коллектора или постоянным током коллектора) – тепловое напряжение, рассчитанное из постоянной Больцмана k , заряда электрона q и температуры транзистора в кельвинах T .При 300 K (приблизительно комнатная температура) V _T составляет около 26 мВ .
где:
– текущий коэффициент усиления на низких частотах (также обозначается как h _FE ).
Здесь I _B – базовый ток точки покоя. Это параметр, специфичный для каждого транзистора, его можно найти в таблице данных; ß – это функция выбора тока коллектора.
Выходное сопротивление связано с ранним эффектом ( В _А – раннее напряжение).
Связанные термины:
Величина, обратная выходному сопротивлению, называется выходной проводимостью.
Величина г _м называется внутренним сопротивлением r _E
8.7.2 Параметры MOSFET
Базовая низкочастотная гибридная пи-модель для полевого МОП-транзистора (n-типа) показана на рисунке 8.7.2.
Рисунок 8.7.2 Модель MOSFET Hybrid-pi
Различные параметры следующие:
gm – крутизна в сименсах, рассчитанная по току стока I _D. где:
I _D – это ток стока покоя (также называемый смещением стока или постоянным током стока) В _th = пороговое напряжение и В _GS = напряжение затвор-исток.
Комбинация: часто называется напряжением перегрузки.
r _o – выходное сопротивление из-за модуляции длины канала с использованием аппроксимации для параметра модуляции длины канала λ.
Здесь В _E – это параметр, связанный с технологией (около 4 В, / мкм для технологического узла 65 нм), а L – длина разноса между истоком и стоком.
Величина, обратная выходному сопротивлению, называется проводимостью стока.
8.8 Модель T
Модель hybrid-pi, безусловно, является самой популярной моделью слабого сигнала для транзисторов BJT и MOS. Альтернативой является T-модель, которая полезна в определенных ситуациях. Модель T также имеет две версии:
Т-модели слабого сигнала для транзисторов PNP BJT и PMOS идентичны показанным здесь для транзисторов NPN и NMOS. Важно отметить, что нет никаких изменений полярностей (напряжения или тока) для моделей p-типа по сравнению с моделями n-типа.Опять же, эти модели слабого сигнала идентичны. Модель может быть достаточно точной для низкочастотных цепей и может быть легко адаптирована для более высокочастотных цепей с добавлением соответствующих межэлектродных емкостей и других паразитных элементов.
Базовая низкочастотная Т-модель для MOSFET и BJT показана на рисунке 8.8.1.
Рисунок 8.8.1 Модель MOSFET и BJT T
Некоторые важные МОП-уравнения.
Некоторые важные уравнения БЮТ.
Лабораторная деятельность
Транзистор
– Energy Education
Рис. 1. ^[1] Схематическое изображение NPN-транзистора с обозначенными токами коллектора, базы и эмиттера.
Транзисторы – это компоненты электрических цепей, которые могут действовать как усилители и переключатели. Транзисторы являются неотъемлемой частью современных схем, сотни миллионов из которых используются в современных интегральных схемах для вычислений.Они являются основой цифровой логики и вычислений, и они стали катализатором революции в электронике. ^[2] Самым основным типом транзисторов является транзистор с биполярным переходом (см. Рисунок 1).
Типы и функции
Транзисторы с биполярным переходом (BJT) состоят из трех легированных полупроводников. NPN-транзисторы имеют тонкую p-легированную область между двумя n-легированными секциями, в то время как PNP-транзисторы имеют тонкую n-легированную область между двумя p-легированными секциями. Единственное функциональное различие между транзисторами PNP и NPN заключается в смещении каждого PN-диода, необходимого для работы транзистора.^[3] Все три области транзистора имеют четкое соединение с внешней схемой (см. Рисунок 2). Концевые области называются коллектором и эмиттером, так что обычный ток течет от коллектора к эмиттеру через NPN-транзистор. ^[4]
Рисунок 2. ^[3] a) Схема PNP b) Схема PNP c) Схема NPN d) Схема NPN
Биполярные транзисторы работают как регуляторы тока или электронные переключатели. В зависимости от напряжения небольшого тока через базу, гораздо больший ток коллектора-эмиттера может строго контролироваться или отключаться.
Большинство современных транзисторов известны как металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы (МОП-транзисторы), которые работают по тем же принципам, что и биполярные транзисторы, но устроены и работают совершенно по-другому. Однако и BJT, и MOSFET имеют одинаковую фундаментальную способность управлять большим током с помощью небольшого. ^[5]
Для получения дополнительной информации о том, как работают транзисторы, посетите All About Circuits and the Simulation at Learn About Electronics.
Использует
Транзисторы повсеместно используются в современной электронике, но наиболее фундаментальное применение транзистора – это электронный переключатель.В режиме отсечки транзистор не пропускает ток между коллектором и эмиттером. В режиме насыщения транзистор допускает неограниченный ток. Эти два различных состояния создают бинарный эффект, который можно использовать для создания логических вентилей, микроконтроллеров, микропроцессоров и других интегральных схем. ^[6] Таким образом, транзистор является фундаментальным компонентом всех цифровых вычислений.
Транзисторы также широко используются в качестве усилителей, поскольку они потребляют небольшой входной ток через базу для создания большего, пропорционального тока между коллектором и эмиттером.Усиление играет ключевую роль во многих схемах, особенно в микрофонах, громкоговорителях, радио, телевизорах, телефонах и слуховых аппаратах.