Принцип работы биполярного транзистора кратко: принцип работы и как проверить

принцип работы и как проверить

Существуют различные виды полупроводниковых приборов – тиристоры, триоды, они классифицируются по назначению и типу конструкции. Полупроводниковые биполярные транзисторы способны переносить одновременно заряды двух типов, в то время, как полевые только одного.

Конструкция и принцип работы

Ранее вместо транзисторов в электрических схемах использовались специальные малошумящие электронные лампы, но они были больших габаритов и работали за счет накаливания. Биполярный транзистор ГОСТ 18604.11-88 – это полупроводниковый электрический прибор, который является управляемым элементом и характеризуется трехслойной структурой, применяется для управления СВЧ. Может находиться в корпусе и без него. Они бывают p-n-p и n–p–n типа. В зависимости от порядка расположения слоев, базой может быть пластина p или n, на которую наплавляется определенный материал. За счет диффузии во время изготовления получается очень тонкий, но прочный слой покрытия.

Фото — мпринципиальные схемы включения

Чтобы определить, какой перед Вами транзистор, нужно найти стрелку эммитерного перехода. Если её направление идет в сторону базы, то структура pnp, если от неё – то npn. Некоторые полярные импортные аналоги (IGBT и прочие) могут иметь буквенное обозначение перехода. Помимо этого бывают еще биполярные комплементарные транзисторы. Это устройства, у которых одинаковые характеристики, но разные типы проводимости. Такая пара нашла применение в различных радиосхемах. Данную особенность нужно учитывать, если необходима замена отдельных элементов схемы.

Фото — конструкция

Область, которая находится в центре, называется базой, с двух сторон от неё располагаются эммитер и коллектор. База очень тонкая, зачастую её толщина не превышает пары 2 микрон. В теории существует такое понятие, как идеальный биполярный транзистор. Это модель, у которой расстояние между эммитерной и коллекторной областями одинаковое. Но, зачастую, эммиторный переход (область между базой и эммитером) в два раза больше коллекторного (участок между основой и коллектором).

Фото — виды биполярных триодов

По виду подключения и уровню пропускаемого питания, они делятся на:

1. Высокочастотные;
2. Низкочастотные.

По мощности на:

1. Маломощные;
2. Средней мощности;
3. Силовые (для управления необходим транзисторный драйвер).

Принцип работы биполярных транзисторов основан на том, что два срединных перехода расположены по отношению друг к другу в непосредственной близости. Это позволяет существенно усиливать проходящие через них электрические импульсы. Если приложить к разным участкам (областям) электрическую энергию разных потенциалов, то определенная область транзистора сместится. Этим они очень похожи на диоды.

Фото — пример

Например, при положительном открывается область p-n, а при отрицательном она закрывается. Главной особенностью действия транзисторов является то, что при смещении любой области база насыщается электронами или вакансиями (дырками), это позволяет снизить потенциал и увеличить проводимость элемента.

Существуют следующие ключевые виды работы:

1. Активный режим;
2. Отсечка;
3. Двойной или насыщения;
4. Инверсионный.

Перед тем, как определить режим работы в биполярных триодах, нужно разобраться, чем они отличаются друг от друга. Высоковольтные чаще всего работают в активном режиме (он же ключевой режим), здесь во время включения питания смещается переход эмиттера, а на коллекторном участке присутствует обратное напряжение. Инверсионный режим – это антипод активного, здесь все смещено прямо-пропорционально. Благодаря этому, электронные сигналы значительно усиливаются.

Во время отсечки исключены все типы напряжения, уровень тока транзистора сведен к нулю. В этом режиме размыкается транзисторный ключ или полевой триод с изолированным затвором, и устройство отключается. Есть еще также двойной режим или работа в насыщении, при таком виде работы транзистор не может выступать как усилитель. На основании такого принципа подключения работают схемы, где нужно не усиление сигналов, а размыкание и замыкание контактов.

Из-за разности уровней напряжения и тока в различных режимах, для их определения можно проверить биполярный транзистор мультиметром, так, например, в режиме усиления исправный транзистор n-p-n должен показывать изменение каскадов от 500 до 1200 Ом. Принцип измерения описан ниже.

Основное назначение транзисторов – это изменение определенных сигналов электрической сети в зависимости от показателей тока и напряжения. Их свойства позволяют управлять усилением посредством изменения частоты тока. Иными словами, это преобразователь сопротивления и усилитель сигналов. Используется в различной аудио- и видеоаппаратуре для управления маломощными потоками электроэнергии и в качестве УМЗЧ, трансформаторах, контроля двигателей станочного оборудования и т. д.

Видео: как работает биполярные транзисторы

Проверка

Самый простой способ измерить h31e мощных биполярных транзисторов – это прозвонить их мультиметром. Для открытия полупроводникового триода p-n-p подается отрицательное напряжение на базу. Для этого мультиметр переводится в режим омметра на -2000 Ом. Норма для колебания сопротивления от 500 до 1200 Ом.

Чтобы проверить другие участки, нужно на базу подать плюсовое сопротивление. При этой проверке индикатор должен показать большее сопротивление, в противном случае, триод неисправен.

Иногда выходные сигналы перебиваются резисторами, которые устанавливают для снижения сопротивления, но сейчас такая технология шунтирования редко используется. Для проверки характеристики сопротивления импульсных транзисторов n-p-n нужно подключать к базе плюс, а к выводам эммитера и коллектора — минус.

Технические характеристики и маркировка

Главными параметрами, по которым подбираются эти полупроводниковые элементы, является цоколевка и цветовая маркировка.

Фото — цоколевка маломощных биполярных триодовФото — цоколевка силовых

Также используется цветовая маркировка.

Фото — примеры цветовой маркировкиФото — таблица цветов

Многие отечественные современные транзисторы также обозначаются буквенным шифром, в который включается информация о группе (полевые, биполярные), типе (кремниевые и т. д.,) годе и месяце выпуска.

Фото — расшифровка

Основные свойства (параметры) триодов:

1. Коэффициент усиления по напряжению тока;
2. Входящее напряжение;
3. Составные частотные характеристики.

Для их выбора еще используются статические характеристики, которые включают сравнение входных и выходных ВАХ.

Необходимые параметры можно вычислить, если произвести расчет по основным характеристикам (распределение токов каскада, расчет ключевого режима). Коллекторный ток: Ik=(Ucc-Uкэнас)/Rн

• Ucc – напряжение сети;
• Uкэнас – насыщение;
• Rн – сопротивление сети.

Потери мощности при работе:

P=Ik*Uкэнас

Купить биполярные транзисторы SMD, IGBT и другие можно в любом электротехническом магазине. Их цена варьируется от нескольких центов до десятка долларов, в зависимости от назначения и характеристик.

Биполярный транзистор, принцип работы для чайников

Что такое биполярный транзистор – элементарное полупроводниковое устройство, функциональность которого охватывает изменение либо усиление выходного сигнала от заряженных частиц.

Это один из типов транзисторов, состоящий из 3-х слоев, которые обеспечивают 2 «зарядных» или «дырочных» перехода (би – два перехода). Соответственно, данное устройство может быть представлено как два диодных элемента, включенных противоположно друг другу.

В простонародье биполярный транзистор пришел на смену морально и физически устаревшим транзисторам лампового вида, которые эксплуатировались очень длительное время в конструкциях телевизоров прошлого столетия.

Рисунок 1 – Биполярный транзистор

Как видно из изображения 1 устройства данного вида имеют 3 выхода, однако, по конструктивному исполнению внешний вид отличается друг от друга. Но в схемах электрических цепей они одинаковы во всех случаях.

В зависимости от проводимости биполярные устройства разделяются на P→N→P и N→P→N устройства, которые отличаются что переносит заряженные частицы – электроны или посредством «дырок».

Рисунок 2 – Разновидность биполярных аппаратов

Устройство биполярного транзистора

Согласно типовых схем, буквой «Б» называется «База» – внутренний слой аппарата, его фундамент, который приводит преобразование или изменение токового сигнала. Стрелка в кругу показывает движение токовых зарядов в «Э».

«Э» – «Эмиттер» – внутренняя основная составляющая транзистора, предназначенный для переноса заряженных элементарных частиц в «Б».

«К» – «Коллектор» – вторая составляющая транзисторного устройства, которая производит сбор тех же зарядов, которые проходят через «Б».

Пласт «Базы» конструктивно выполняют очень тоненьким в связи с рекомбинированием заряженных частиц, которые идут через базовый слой, с составными частицами данного пласта. В то же время пласт «Коллектора» конструируют как можно шире для качественного сбора зарядов.

Принцип работы биполярного транзистора

Принцип работы биполярного транзистора для чайников опишем на образце P→N→P транзисторного аппарата на рисунке 3. Принцип работы биполярного транзистора N→P→N вида сходен переходу в прямом направлении, только в этом случае заряды – электрические частицы движутся от «К» до «Э». Для выполнения данного условия необходимо всего на всего изменить полярность подключенного напряжения.

Рисунок 3 – Принцип работы P→N→P транзистора

При отсутствии внешних возмущений, внутри биполярника между его слоями будет существовать разность зарядов. На границах раздела будут установлены единые барьерные мосты, так как в это время доля «дырок» в коллекторе соответствует их численности в эмиттере.

Для точной работы биполярного транзистора переход в коллекторном пласте необходимо сместить в противоположном курсе, в то же время в эмиттере направленность перехода должна быть прямым. В этом случае режим функционирования будет активным.

Для выполнения вышеуказанных условий необходимо применить два питания, один из которых с положительным знаком соединяем с концом эмиттера, «минус» подключаем к базовому слою. Второй источник напряжения соединяем в следующем порядке: «плюс» к базовому концу, «минус» – к концу коллектора. Изобразим подключение на рисунке 4.

Рисунок 4 – Принципиальная схема подключения транзистора

Под воздействием напряжения Uэ, Uк через барьеры совершается переход дырок в эмиттере №1-5 и в базовом слое электрически заряженных частиц №7,8. В данном случае величина тока в эмиттере будет зависеть от количества переходов дырок, так как их больше.

Дырки, которые перешли в базовый слой собираются у барьерного перехода. Тем самым у границы с эмиттерным слоем будет собираться массовое количество дырок, в то же время у границы с «К», концентрация их существенно ниже. В связи с этим начнется диффузия дырок к «К» и близи границы произойдет их ускорение поля «Б» и переход в «К».

При перемещении через средний слой базы дырки рекомбинируют, заряженный электрон 6 замещает дырку 5. Такое перемещение будет совершаться с увеличением плюсового заряда при переходе дырок, соответственно движение зарядов в обратном направлении будет создавать ток определенной величины, а база остается электрически нейтральной.

Число дырок, которые перешли в коллектор будет меньше числа, которые покинули эмиттер. Это значит, что электрический ток «К» будет отличаться от значения тока «Э».

Обратный переход дырок из коллектора нежелателен и снижает эффективность транзистора, потому что переход осуществляется не основными, а вспомогательными носителями энергии и зависит данный переход сугубо от величины температуры. Данный ток носит название тока тепла. По значению теплового тока судят о качестве биполярного транзистора.

На рисунке 5 схематически изобразим направление движения заряженных частиц – токов транзистора.

Рисунок 5 – Направление токов в биполярном транзисторе

На основании выше изложенного напрашивается вывод: любое изменение тока в структуре слоев эмиттер – база сопровождается изменением величины тока коллектора, причем самое малое изменение «базового» тока приведет к значимой коррекции выходного коллекторного тока.

Режим работы биполярных устройств

В зависимости от величины напряжения на выводах транзистора существует 4 режима его функционирования:

• отсечка – переходов дырки – электроды не происходит;
• активный режим – приведен в описании;
• насыщение – ток базы очень велик и ток коллектора будет иметь максимальное значение и абсолютно не зависеть от тока базы, соответственно усиления сигнала не будет;
• инверсия – использование устройства с обратными ролями эмиттера и коллектора.

Достоинства и недостатки биполярных транзисторов

К достоинствам биполярных транзисторов в сравнении с аналогами относятся:

• управление электрическими зарядами;
• надежность в работе;
• устойчивость к частотным помехам;
• малые шумовые характеристики;

К недостаткам можно отнести:

• обладает малым значением входного сопротивления, из-за которого ухудшаются характеристики по усилению сигналов;
• резкая чувствительность к статике зарядов;
• схема включения предполагает присутствие 2-х питаний;
• при высоких значениях температуры возможно повреждение транзистора.

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 5 чел.
Средний рейтинг: 3.6 из 5.

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

Раздел Техническая информация → Транзисторы

 

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

 

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

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

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

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

Биполярный транзистор

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

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

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

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

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

Сравнение с электронной лампой

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

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

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

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

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

устройство, классификация и работа простым языком

С каждым годом появляется все больше и больше электронных средств, а они часто ломаются. На ремонт уходит немало средств, порой, достигая до 50 процентов от стоимости аппарата. И что досадно, некоторые из этих поломок можно было устранить самому, имея начальные знания о том, как работает транзистор. Почему он? Именно транзисторы чаще всего выходят из строя.

Виды транзистора

Чтобы легче разобраться в работе транзистора, необходимо иметь представление о нем. Он является полупроводником, что указывает на его способность проводить ток в одном направлении и не пропускать в другом. Чтобы достичь таких характеристик используются разные способы изготовления. Все эти приборы по своему характеру работы делятся на две группы:

1. биполярные
2. полярные

Хотя и те и другие относятся к одному классу — транзисторы, происходящие в них процессы сильно отличаются.

Биполярный

Движение электронов по замкнутой цепи называется электрическим током. Грубо говоря, чем больше электронов, тем больше ток. Если атом отдает электроны, он становится положительно заряженным и, наоборот, притягивая лишние электроны, он становится отрицательно заряженным.

При добавлении в кремний и германий примесей они становятся необходимым материалом, из которых и изготавливаются биполярные транзисторы.

Биполярными называются электронные приборы, состоящие из двух, имеющие разные заряды слоев. Причем два крайних имеют одинаковый заряд. Тот слой, который имеет положительный заряд, называется «p», а отрицательный — «n». В связи с этим различают следующие типы:

Граница между этими слоями называется переход. Внутреннюю область, разделенную двумя переходами, называют базой. Две внешние области называют эмиттер и коллектор. Монокристалл изготовлен таким образом, что одна внешняя область передает в базу носители энергии и называется эмиттером. Другая внешняя область забирает эти носители и называется коллектором.

На электрической схеме биполярный транзистор обозначается в виде круга, внутри которого нарисована черточка, а к ней подходят три прямые. Одна подходит под углом в 90 градусов и обозначает базу, две другие под наклоном. Та из них что имеет стрелку обозначает эмиттер, другая — коллектор. Сам прибор, как правило, имеет три вывода, соответствующих этим областям.

Полевой

Другой вид называется полевой или униполярный. В отличие от биполярного p-n переход работает иначе. Его монокристалл имеет однородный состав. Канал, по которому движутся энергоносители, может быть дырочным или электронным. В дырочном носителем являются положительно заряженные неподвижные ионы, в электронном — отрицательно заряженные. Эти каналы также обозначаются буквами «p» и «n» соответственно.

Вокруг и почти по всей длине этого канала впрыскиваются, вживляются ионы противоположной полярности. Эта область называется затвором, она-то и регулирует проводимость канала. Тот край канала, через который заряженные частицы входят в кристалл, называется исток, а через который выходят — стоком.

Для улучшения электрических характеристик между металлическим каналом и затвором стали добавлять диэлектрик. Если классифицировать транзисторы по структуре, то можно выделить два семейства:

• МДП (к ним можно отнести и МОП — металл-оксид-проводник)
• JGBT

МДП расшифровывается как металл-диэлектрик-проводник. Это полевой. Новый JGBT транзистор сочетает в себе достоинства биполярного, но имеет изолированный затвор.

Принцип действия

Один из сложных радиоэлементов — транзистор. Принцип работы его сводится к следующему:

• регулировка
• усиление
• генерация

Биполярные обладают большей мощностью и могут работать с большими частотами. Однако, если нужен широкий спектр усиления, то без полевого не обойтись.

Работа полевого

Рассмотрим, как работает транзистор. Для начинающих радиолюбителей трудно разобраться во всех этих переходах. Чтобы показать принцип работы транзистора простым языком, обратим внимание на следующий пример.

Водопроводный кран вентильного типа способен очень плавно менять напор воды. Это достигается благодаря постепенному изменению пропускного отверстия. На этом же принципе основана работа и полевого транзистора.

Затвор окружает пропускной канал. При подаче на него запирающего напряжения, электрическое поле как бы сдавливает проход, тем самым уменьшая поток заряженных частиц. Как и при закрывании крана необходимо прилагать небольшое усилие, так и мощность затвора, по сравнению с основным каналом, очень мала. Сходство также и в том, что при небольших изменениях напряжения на затворе, сечение прохода также меняется незначительно.

Как работает биполярный

Работа биполярного прибора несколько отличается от работы полевого. В первую очередь отличается способ управления движением заряженных частиц. В полевом используется электрическое поле, в биполярном — ток между базой и эмиттером.

В зависимости от типа прибора стрелочка эмиттера на схеме будет либо направлена к базе, тогда это тип p-n-p, либо от базы, тогда это n-p-n. При подключении к этим зажимам одноименного напряжения («p» подключается к «+”, а «n» подключается к «-“) в цепи эмиттер — база возникает ток. В базе появляется больше носителей заряда и их становится тем больше, чем больше ток в этой цепи.

К коллектору подводится обратное напряжение, т. е. к «p» подключается «-“, а к «n» — «+”. Поскольку между эмиттером и коллектором возникает разность потенциалов, между этими выводами появляется ток. Он будет тем больше, чем больше носителей заряда имеется в базе.

Когда к эмиттеру и базе подключают источник питания противоположного знака, ток прекращается, транзистор закрывается. Что поможет лучше понять работу транзистора? Для чайников важно понять одну истину. Если открыт переход эмиттер — база (подается прямое напряжение), то открыт и сам прибор, в противном случае он закрыт.

Меры предосторожности

Полевые транзисторы очень чувствительны к повышенному напряжению. При работе с ними необходимо предотвратить возможность попадания на них статистического напряжения. Этого можно достичь надев заземленный браслет. При подборе аналога важно учитывать не только рабочее напряжение, но и допустимый ток. А если прибор работает в частотном режиме, то и его частоту.

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.Виды и характеристики.Работа и устройство

Биполярные транзисторы это полупроводниковые приборы с тремя электродами, подключенными к трем последовательно находящимся слоям, с различной проводимости. В отличие от других транзисторов, которые переносят один тип заряда, он способен переносить сразу два типа.

Схемы подключения, использующие биполярные транзисторы, зависят от производимой работы и типа проводимости. Проводимость может быть электронной, дырочной.

Разновидности биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы разделяют по различным признакам на виды по:

• Материалу изготовления: кремний или арсенид галлия.
• Величине частоты: до 3 МГц – низкая, до 30 МГц – средняя, до 300 МГц – высокая, более 300 МГц – сверхвысокая.
• Наибольшей рассеиваемой мощности: 0-0,3 Вт, 0,3-3 Вт, свыше 3 Вт.
• Типу прибора: 3 слоя полупроводника с последовательной очередностью типа проводимости.

Устройство и работа

Слои транзистора, как внутренний, так и наружный, объединены с встроенными электродами, которые имеют свои названия в виде базы, эмиттера и коллектора.

Особых отличий по видам проводимости у коллектора и эмиттера не наблюдается, однако процент включения примесей у коллектора намного меньше, что позволяет повысить допустимое напряжение на выходе.

Средний слой полупроводника (база) имеет большую величину сопротивления, так как выполнена из слаболегированного материала. Она контактирует с коллектором на значительной площади. Это позволяет повысить теплоотвод, который необходим вследствие выделения тепла от смещения перехода в другую сторону. Хороший контакт базы с коллектором дает возможность легко проходить электронам, которые являются неосновными носителями.

Слои перехода выполнены по одному принципу. Однако биполярные транзисторы считаются несимметричными приборами. При чередовании крайних слоев местами с одной проводимостью нельзя образовать подобные параметры полупроводника.

Схемы подключения транзисторов выполнены таким образом, что могут обеспечить ему как закрытое, так и открытое состояние. При активной работе, когда полупроводник открыт, смещение эмиттера выполнено в прямом направлении. Для полного понимания этой конструкции, нужно подключить напряжение питания по изображенной схеме.

При этом граница на 2-м переходе коллектора закрыта, ток через нее не идет. Практически возникает обратное явление ввиду рядом расположенных переходов, их влияния друг на друга. Так как к эмиттеру подсоединен минусовой полюс батареи, то переход открытого вида дает возможность электронам проходить на базу, в которой осуществляется их рекомбинация с дырками, являющимися главными носителями. Появляется ток базы I_б. Чем выше базовый ток, тем больше выходной ток. В этом заключается принцип действия усилителей.

По базе протекает только диффузионное движение электронов, так как нет работы электрического поля. Из-за малой толщины этого слоя и значительном градиенте частиц, практически все они поступают на коллектор, хотя база имеет большое сопротивление. На переходе имеется электрическое поле, которое способствует переносу и втягивает их. Токи эмиттера и коллектора одинаковые, если не считать малой потери заряда от перераспределения на базе: I _э = I _б + I _к.

Характеристики

• Коэффициент усиления тока β = I_к / I_б.
• Коэффициент усиления напряжения U_эк / U_бэ.
• Сопротивление на входе.
• Характеристика частоты – возможность работы транзистора до определенной частоты, при выходе за границы которой процессы перехода опаздывают за изменением сигнала.

Режимы работ и схемы

Вид схемы влияет на режим действия биполярного транзистора. Сигнал может сниматься и отдаваться в двух местах для разных случаев, а электродов имеется три штуки. Следовательно, что один произвольный электрод должен быть сразу выходом и входом. По такому принципу подключаются все биполярные транзисторы, и имеют три вида схем, которые мы рассмотрим ниже.

Схема с общим коллектором

Сигнал проходит на сопротивление R_L, которое также включено в цепь коллектора.

Такая схема подключения дает возможность создать всего лишь усилитель по току. Достоинством такого эмиттерного повторителя можно назвать образование значительного сопротивления на входе. Это дает возможность для согласования каскадов усиления.

Схема с общей базой

Сигнал входа проходит через С₁, далее снимается в цепи выхода коллектора, где базовый электрод общий. В итоге образуется усиление напряжения по подобию с общим эмиттером.

В схеме можно найти недостаток в виде малого входного сопротивления. Схема с общей базой используется чаще всего в качестве генератора колебаний.

Схема с общим эмиттером

Чаще всего при использовании биполярных транзисторов выполняют схему с общим эмиттером. Напряжение проходит по сопротивлению нагрузки R_L, к эмиттеру питание подключается отрицательным полюсом.

Сигнал переменного значения приходит на базу и эмиттер. В цепи коллектора он становится по значению больше. Главными элементами схемы являются резистор, транзистор и выходная цепь усилителя с источником питания. Дополнительными элементами стали: емкость С₁, которая не дает пройти току на вход, сопротивление R₁, благодаря которому открывается транзистор.

В цепи коллектора напряжение транзистора и сопротивления равны значению ЭДС: E= Ik Rk+Vke.

Отсюда следует, что малым сигналом Ec определяется правило изменения разности потенциалов в переменное выходное транзисторного преобразователя. Такая схема дает возможность увеличению тока входа во много раз, так же, как напряжению и мощности.

Из недостатков такой схемы можно назвать малое сопротивление на входе (до 1 кОм). Как следствие, возникают проблемы в образовании каскадов. Сопротивление выхода равно от 2 до 20 кОм.

Рассмотренные схемы показывают действие биполярного транзистора. На его работу влияет частота сигнала и перегрев. Для решения этого вопроса применяют дополнительные отдельные меры. Эмиттерное заземление образует на выходе искажения. Для создания надежности схемы, выполняют подключение фильтров, обратных связей и т.д. После таких мер, схема работает лучше, но уменьшается усиление.

Биполярные транзисторы в различных режимах

Транзистор взаимодействует с сигналами разных видов во входной цепи. В основном транзистор применяется в усилителях. Входной переменный сигнал изменяет ток на выходе. В этом случае используются схемы с общим эмиттером или коллектором. В цепи выхода для сигнала необходима нагрузка.

Чаще всего для этого применяют сопротивление, установленное в цепи выхода коллектора. При его правильном выборе, значение напряжения на выходе будет намного больше, чем на входе.

Во время преобразования сигнала импульсов режим сохраняется таким же, как для синусоидальных сигналов. Качество изменения гармоник определяется характеристиками частоты полупроводников.

Отсечка

Этот режим образуется при снижении напряжения V_БЭ до 0,7 вольта. В таком случае переход эмиттера закрывается, и ток на коллекторе отсутствует, так как в базе отсутствуют электроны, и транзистор остается закрытым.

Активный режим

При подаче напряжения, достаточного для открытия транзистора, на базу, возникает малый ток входа и большой выходной ток. Это зависит от размера коэффициента усиления. В этом случае транзистор работает усилителем.

Режим насыщения

Эта работа имеет свои отличия от активного режима. Полупроводник открывается до конца, коллекторный ток достигает наибольшего значения. Его повышения можно добиться только путем изменения нагрузки, либо ЭДС выходной схемы. При корректировке тока базы ток коллектора не изменяется. Режим насыщения имеет особенности в том, что транзистор открыт полностью и работает переключателем. Если объединить режимы насыщения и отсечки биполярных транзисторов, то можно создать ключи.

Свойства характеристик выхода влияют на режимы. Это изображено на графике.

При отложении на осях координат отрезков, соответствующих наибольшему току коллектора и размеру напряжения, и далее, объединения концов друг с другом, образуется красная линия нагрузки. По графику видно: точка тока и напряжения сместится по линии нагрузки вверх при повышении базового тока.

Участок между заштрихованной характеристикой выхода и осью Vke является работа отсечки. В этом случае транзистор закрыт, а обратная величина тока мала. Характеристика в точке А вверху пересекается с нагрузкой, после которой при последующем повышении I_В ток коллектора уже не меняется. На графике участком насыщения является закрашенная часть между осью Ik и наиболее крутым графиком.

Режим переключения

Транзисторные ключи служат для бесконтактных переключений в электрических цепях. Эта работа заключается в прерывистой регулировке величины сопротивления полупроводника. Биполярные транзисторы наиболее применимы в устройствах переключения.

Полупроводники применяются в схемах изменения сигналов. Их универсальная работа и широкая классификация дает возможность использовать транзисторы в различных цепях, которые определяют их возможности работы. Основными применяемыми схемами являются усиливающие, а также переключающие цепи.

Похожие темы:

Устройство и принцип работы биполярного транзистора.

Всем доброго времени суток! В сегодняшней статье мы положим начало обсуждению очень важной и обширной темы, а именно транзисторам 🙂 Разберем теоретические аспекты работы, устройство, виды, рассмотрим принцип работы на практических примерах, методику расчета схем, в общем, постараемся затронуть абсолютно все!

Чтобы обсуждение было максимально структурированным и понятным, материал будет разбит на четкие разделы и разные статьи. А, поскольку транзисторы сразу же можно разделить на два крупных класса, а именно – биполярные и полевые, то так и поступим – начнем с подробного разбора биполярных и, изучив их полностью, перейдем к полевым.

Устройство биполярного транзистора.

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

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

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

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

Называются эти три полупроводниковые области:

• эмиттер
• база
• коллектор

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

Принцип работы биполярного транзистора.

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

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

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

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

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

I_к = \alpha I_э

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

I_э = I_б + I_к

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

I_э = \frac{I_к}{\alpha}

\frac{I_к}{\alpha} = I_б + I_к

Выражаем ток коллектора через ток базы:

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

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

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

Режимы работы биполярного транзистора.

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

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

В данном режиме переходы сильно обеднены свободными носителями заряда и протекание тока практически полностью прекращается. Исключение составляют только малые побочные токи переходов. В идеальном случае (без токов утечки) транзистор в режиме отсечки эквивалентен обрыву цепи.

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

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

Вот и все самые основные режимы работы биполярного транзистора!

Еще очень многое нам предстоит обсудить в рамках изучения транзисторов, а на сегодня, заканчиваем статью! Спасибо за внимание и ждем вас на нашем сайте снова!

5.2 Биполярный транзистор – Принцип работы

5.2 Биполярный транзистор – Принцип работы

---

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

---

Транзистор с биполярным переходом состоит из двух p-n-переходов, которые имеют общую тонкую область шириной w _B . Контакты установлены ко всем трем областям: две внешние области, называемые эмиттером и коллектором, и средняя область, называемая базой.Структура биполярного транзистора NPN показана на рисунке 5. 1 (а). Устройство называется «биполярным», поскольку в его работе задействованы оба типа мобильных носителей: электроны и дырки.

(а)

(б)

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

Поскольку устройство состоит из двух встречных диодов, между квазинейтральными областями есть обедненные области. Ширина квазинейтральных областей в эмиттере, базе и коллекторе обозначена символами w _E ^‘ , w _B ^‘ и w _C ^‘ и составляет рассчитано от

(5,1)

(5. 2)
(5,3)

, где ширина обедненной области определяется по формуле:

(5,4)
(5.5)
(5,6)
(5,7)

Знаки тока и напряжения показаны на Рисунке 5. 1 (а). Ток базы и коллектора положительный, если положительный ток идет на контакт базы или коллектора.Ток эмиттера положительный для тока, выходящего из контакта эмиттера. Это также означает, что:

(5,8)

Напряжение база-эмиттер и напряжение база-коллектор являются положительными, если на контакт базы подается более положительное напряжение.

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

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

(5,9)

Полный ток коллектора – это ток диффузии электронов, I _{E, n} , минус базовый рекомбинационный ток, I _{r, B} .

Базовый ток представляет собой сумму тока диффузии дырок, I _{E, p} , базового рекомбинационного тока, I _{r, B} и тока рекомбинации обедненного слоя, I _{r, d} .

(5,11)

Транспортный коэффициент определяется как соотношение тока коллектора и эмиттера:

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

(5,13)

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

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

(5,14)

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

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

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

(5.17)

---

5.1 ® 5.

---

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

---

Принцип работы биполярного переходного транзистора и его эквивалентной схемы

Биполярный переходной транзистор (BJT):

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

Рисунок 1. Биполярный переходной транзистор (BJT)

Принцип работы BJT:

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

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

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

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

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

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

.

Схема, эквивалентная BJT:

Инжир.3 Эквивалентная схема BJT

p-n переход представлен диодом. Поскольку транзистор имеет два p-n перехода, он эквивалентен двум диодам, соединенным спина к спине. Это называется двухдиодной аналогией BJT.

Обратная связь важна для нас.

Биполярный переходной транзистор (BJT) – Работа, типы и применение

BJT – Биполярный переходный транзистор – Конструкция, работа, типы и применение

История

Биполярный переходный транзистор (BJT) был изобретен Уильямом Шокли и Джон Бардин.Первый транзистор был изобретен 70 лет назад, но до сих пор он изменил мир с загадочных больших компьютеров на маленькие смартфоны. Изобретение транзистора изменило представление об электрических схемах до интегральных схем (ИС). В настоящее время использование BJT сокращается, поскольку технология CMOS использовалась при разработке цифровых ИС.

Полезно знать: Название Transistor происходит от комбинации двух слов, например, Transfer и Resistance = Transistor .Другими словами, транзистор передает сопротивление от одного конца к другому. Короче говоря, транзистор имеет высокое сопротивление на входе и низкое сопротивление на выходе.

Что такое BJT – Bipolar Junction Transistor?

Транзистор с биполярным соединением (BJT) – это двунаправленное устройство, которое использует электронов и дырок в качестве носителей заряда. В то время как униполярный транзистор, то есть полевой транзистор , использует только один тип носителя заряда.BJT – это устройство, управляемое током. Ток течет от эмиттера к коллектору или от коллектора к эмиттеру в зависимости от типа подключения. Этот основной ток контролируется очень небольшим током на клемме базы.

Конструкция

Транзистор с биполярным переходом образован комбинацией двух взаимно допированных полупроводниковых материалов. Другими словами, BJT образован «сэндвичем» из двух сторонних полупроводниковых материалов.Эти внешние полупроводники представляют собой диоды с PN переходом. Два диода PN-перехода соединены вместе, образуя трехконтактное устройство, известное как BJT-транзистор . BJT – трехполюсное устройство с двумя переходами.

После легирования собственного полупроводника трехвалентными или пятивалентными примесями получается полупроводник P-типа или полупроводник N-типа соответственно. Если количество электронов больше, чем количество отверстий (положительные носители), то это известно как полупроводниковый материал N-типа.В то время как в полупроводнике P-типа количество дырок больше, чем количество электронов. Когда материал P-типа и N-типа соединяются вместе, он становится диодом с PN-переходом . Биполярные транзисторы образуются после соединения двух PN-переходов спина к спине. Эти транзисторы известны как биполярные переходные транзисторы PNP или NPN в зависимости от того, размещены ли они между собой P или N-типа.

В основном транзисторы имеют три части и два перехода.Эти три части называются эмиттер , коллектор, и база . Эмиттер и коллектор помещают основание между ними. Средняя часть (основание) образует два перехода с эмиттером и коллектором. Соединение базы с эмиттером известно как соединение эмиттер-база , а соединение базы с коллектором известно как соединение коллектор-база .

Клеммы BJT

Есть три клеммы BJT.Эти клеммы известны как коллектор , эмиттер и база . Эти терминалы кратко обсуждаются здесь.

Эмиттер

Эмиттер – это часть на одной стороне транзистора, которая испускает электроны или дырки в две другие части. База всегда имеет обратное смещение по отношению к эмиттеру, так что она может излучать большое количество основных несущих . Это наиболее сильно легированная область БЮТ. Переход эмиттер-база всегда должен иметь прямое смещение в транзисторах PNP и NPN.Эмиттер подает электроны в переход эмиттер-база в NPN, в то время как он подает дырки в тот же переход в транзисторе PNP.

Коллектор

Часть на противоположной стороне эмиттера, которая собирает эмитированные носители заряда (то есть электроны или дырки), известна как коллектор . Коллектор сильно легирован, но уровень легирования коллектора находится между низким уровнем легирования базы и сильнолегированным уровнем эмиттера. Коллектор-база всегда должен иметь обратное смещение в транзисторах PNP и NPN.Причиной обратного смещения является удаление носителей заряда (электронов или дырок) из перехода коллектор-база. Коллектор NPN-транзистора собирает электроны, испускаемые эмиттером. Находясь в транзисторе PNP, он собирает дыры, испускаемые эмиттером.

База

База представляет собой среднюю часть между коллектором и эмиттером и образует между ними два PN-перехода. Основание – это наиболее слаболегированная часть БЮТ. Средняя часть БЮТ позволяет ему управлять потоком носителей заряда между эмиттером и коллектором.Переход база-коллектор показывает высокое сопротивление, потому что это соединение с обратным смещением.

Тип BJT

Это трехуровневое устройство, образованное встречным соединением, имеет определенные имена. Это может быть погода PNP или NPN . Оба соединения здесь ненадолго не используются.

Конструкция PNP

В биполярном транзисторе PNP полупроводник N-типа зажат между двумя полупроводниками P-типа. Транзисторы PNP могут быть сформированы путем соединения катодов двух диодов.Катоды диодов соединены вместе в общей точке, известной как база . В то время как аноды диодов, которые находятся на противоположных сторонах, известны как коллектор и эмиттер .

Переход эмиттер-база имеет прямое смещение, а переход коллектор-база – обратное смещение. Итак, в типе PNP ток течет от эмиттера к коллектору. Эмиттер в этом случае имеет высокий потенциал как по отношению к коллектору, так и по отношению к базе.

Конструкция NPN

Тип NPN прямо противоположен типу PNP.В биполярном транзисторе NPN полупроводник P-типа зажат между двумя полупроводниками N-типа. Когда аноды двух диодов соединены вместе, он образует NPN-транзистор. Ток будет течь от коллектора к эмиттеру, потому что вывод коллектора более положительный, чем эмиттер в NPN-соединении.

Разница между символами PNP и NPN – это стрелка на эмиттере, которая показывает направление протекания тока. Ток будет течь либо от эмиттера к коллектору, либо от коллектора к эмиттеру.Стрелка на PNP-транзисторе направлена ​​внутрь, что показывает протекание тока от эмиттера к коллектору. В случае коллектора NPN стрелка направлена ​​наружу, что показывает поток тока от коллектора к эмиттеру.

Связанное сообщение: Что такое транзистор NPN? Конструкция, работа и применение BJT

Работа BJT

Слово «транзистор» – это комбинация двух слов: «Trans» (преобразование) и «istor» (варистор).Значит, транзистор может изменять свое сопротивление. Сопротивление изменяется таким образом, что оно может действовать как изолятор или проводник, подавая небольшое напряжение сигнала. Эта изменяющаяся способность позволяет ему работать как «усилитель » или «коммутатор ». Его можно использовать либо как переключатель, либо как усилитель одновременно. Следовательно, для выполнения указанной операции BJT может работать в трех разных регионах.

Активная область:

В активной области один из переходов находится в прямом смещении, а другой – в обратном.Здесь базовый ток I _b может использоваться для управления величиной тока коллектора I _c . Следовательно, активная область используется для целей усиления, где BJT действует как усилитель с коэффициентом усиления β , используя уравнение;

i _c = β x I _b

Он также известен как линейная область . Эта область находится между областью отсечки и областью насыщения .В этой области происходит нормальная работа БЮТ.

Область насыщения:

В области насыщения оба перехода BJT находятся в прямом смещении. Эта область используется для включенного состояния переключателя, где;

i _c = i _sat

I _sat – это ток насыщения, и это максимальная величина тока, протекающего между эмиттером и коллектором, когда BJT находится в области насыщения. Поскольку оба перехода находятся в прямом смещении, BJT действует как короткое замыкание.

Область отсечки:

В области отсечки оба соединения BJT имеют обратное смещение. Здесь BJT работает как выключенное состояние переключателя, где

i _c = 0

Работа в этой области полностью противоположна области насыщения. Внешние источники питания не подключены. Нет тока коллектора и, следовательно, нет тока эмиттера. В этом режиме транзистор действует как выключенное состояние переключателя . Этот режим достигается за счет уменьшения базового напряжения до уровня ниже напряжения эмиттера и коллектора.

В _быть <0,7

Принцип работы BJT

BJT имеет два соединения, образованных комбинацией двух стыковых PN-переходов. Переход база-эмиттер (BE) имеет прямое смещение, а переход коллектор-эмиттер (CE) – обратное смещение. В BE-переходе потенциальный барьер уменьшается при прямом смещении. Итак, электрон начинает течь от вывода эмиттера к выводу базы. Поскольку база является слабо легированной клеммой, очень небольшое количество электронов из клеммы эмиттера объединяется с отверстиями на клемме базы.Из-за комбинации электронов и дырок ток от клеммы базы начнет течь, известная как Базовый ток (i _b ) . Базовый ток составляет только 2% от тока эмиттера I _e , в то время как оставшиеся электроны будут течь из коллекторного перехода обратного смещения, известного как Collector current ( i _c ). Полный ток эмиттера будет комбинацией тока базы и тока коллектора, заданной формулой;

i _e = i _b + i _c

Где i _e приблизительно равно i _c , потому что I _b составляет почти 2% от I _C .

Конфигурация BJT

BJT – это трехконтактное устройство, поэтому существует три возможных способа подключения BJT в цепи, при этом одна клемма является общей среди других. Другими словами, один терминал является общим для входа и выхода. Каждое соединение по-разному реагирует на входной сигнал, как показано в таблице ниже.

Конфигурации	Коэффициент усиления по напряжению	Коэффициент усиления по току	Коэффициент усиления по мощности	Входное сопротивление	Выходное сопротивление	Фазовый сдвиг
Конфигурация с общей базой	Высокий	Низкий	Низкий	Низкий	Очень высокий	0 градусов
Общая конфигурация излучателя	Средняя	Средняя	Высокая	Средняя	Высокая	180 градусов
Общая конфигурация коллектора	Низкая	Высокая	Средняя	Высокий	Низкий	0 градусов

Общая базовая конфигурация:

В общей базовой конфигурации базовая клемма является общей между входными и выходными сигналами.Входной сигнал подается между базой и выводом эмиттера, а выходной сигнал – между базой и выводом коллектора.

Выходной сигнал на стороне коллектора меньше входного сигнала на эмиттере. Таким образом, его коэффициент усиления меньше 1. Другими словами, он « ослабляет» сигнал.

Имеет неинвертирующий выход, что означает, что входной и выходной сигналы синфазны . Этот тип конфигурации обычно не используется из-за высокого коэффициента усиления по напряжению.

Из-за очень высокочастотной характеристики эта конфигурация используется для одноступенчатого усилителя. Эти одноступенчатые усилители можно использовать как усилитель радиочастоты, микрофонный предусилитель.

Коэффициент усиления общей базовой конфигурации

Коэффициент усиления по напряжению
Коэффициент усиления по току	I c / i e
		Сопротивление L / R in

Общая конфигурация эмиттера

Как следует из названия, в общем эмиттере эмиттер является общим для входа и выхода.Входной сигнал применяется между базой и эмиттером, а выходной – между коллектором и эмиттером. Это можно просто распознать, посмотрев на схему. Если эмиттер заземлен, а вход и выход снимаются с базы и коллектора соответственно.

Эта конфигурация имеет максимальный ток и коэффициент усиления мощности среди всех трех конфигураций. Причина в том, что вход находится в переходе с прямым смещением, поэтому его входное сопротивление очень низкое .В то время как выход берется из перехода обратного смещения, поэтому его выходное сопротивление очень высокое.

Ток эмиттера в этой конфигурации равен сумме токов базы и коллектора. Задано в уравнении как;

I _e = i _c + i _b

Где i _e – ток эмиттера

Эта конфигурация имеет высокий коэффициент усиления по току, который составляет i _c / i _b . Причина такого огромного увеличения тока в том, что сопротивление нагрузки последовательно соединено с коллектором. Из уравнения видно, что незначительное увеличение базового тока приведет к чрезвычайно высокому току на выходной стороне.

Эта конфигурация действует как инвертирующий усилитель, в котором выходной сигнал полностью противоположен по полярности входному сигналу. Следовательно, он сдвигает выходной сигнал на 180 ° по отношению к входному сигналу.

Конфигурация общего коллектора

Конфигурация общего коллектора, известная как повторитель напряжения или эмиттерный повторитель , имеет заземленный коллектор.В конфигурации с общим коллектором клемма коллектора заземлена на источник питания. Таким образом, клемма коллектора является общей как для входа, так и для выхода. Выходной сигнал берется с клеммы эмиттера с последовательно подключенной нагрузкой, в то время как входной сигнал подается непосредственно на клемму базы.

Обладает высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением. Это позволяет ему работать как согласователь импеданса. Таким образом, эта конфигурация очень полезна в технике согласования импеданса.

BJT Biasing

Процесс установки уровней напряжения или тока постоянного тока транзистора таким образом, чтобы обеспечить надлежащее усиление подаваемого входного сигнала переменного тока.При дальнейшем уточнении, смещение – это метод, используемый для предотвращения работы транзистора в режиме отсечки или в режиме насыщения.

Чтобы сохранить выходной сигнал без потерь после усиления, необходимо правильное смещение. Работа в установившемся режиме в основном зависит от тока коллектора ( i _c ), тока базы ( i _b ) и напряжения между коллектором и эмиттером ( V _ce ). Если транзистор предназначен для правильной работы в качестве усилителя.Затем эти параметры должны быть выбраны правильно, что известно как смещение транзистора . Целью смещения транзистора является достижение известной рабочей точки покоя или Q-точки для BJT для получения неискаженного выходного сигнала. Q2 , приведенный на приведенном выше графике, не является правильной точкой q и приводит к ограничению верхней части выходного сигнала.

Типы смещения

Без смещения транзистор будет работать как изолятор или проводник.Итак, для правильной цели усиления BJT смещается с помощью различных методов. Хотя существует множество различных техник, но вкратце обсуждаются лишь некоторые из наиболее распространенных.

Фиксированное смещение

Один источник питания используется как для коллектора, так и для базы. В конфигурации с фиксированным смещением базовый ток BJT остается постоянным независимо от входного постоянного напряжения ( _{В cc} ). Это зависит от выбора резистора таким образом, чтобы точка Q оставалась фиксированной и, следовательно, известна как конфигурация с фиксированным смещением .Значение резистора смещения можно найти по номеру

(V _cc -V _be ) / I _b .

, где В _будет = 0,7 В для стандартных транзисторов и

I _b = I _c / β .

Преимущества фиксированного смещения

Обсуждаются некоторые преимущества этой схемы.

• Нет эффекта нагрузки: Нет эффекта нагрузки.Где эффект нагрузки можно определить как воздействие нагрузки на источник. Используя эту схему для смещения, мы можем избавиться от понижающего уровня напряжения источника напряжения.
• Простая схема: Схема очень проста, поскольку требует только одного постоянного резистора RB.
• Простой расчет: Метод расчета очень прост.

Фиксированное смещение с сопротивлением эмиттера

Это модифицированная форма фиксированного смещения цепи, в которой внешнее сопротивление подключено к выводу эмиттера.Эта схема требует дополнительного резистора для эмиттера, обеспечивающего отрицательную обратную связь.

Напряжение смещения В _BB -V _BE = I _B R _B + I _E 9 E R должно появиться поперек RE установить I _E ≈I _c .

Схема фиксированного смещения с сопротивлением эмиттера

Преимущества фиксированного смещения с конфигурацией эмиттера

• Отсутствие теплового разгона: Недостаток теплового отклонения при фиксированном смещении можно преодолеть с помощью фиксированного смещения с эмиттером конфигурация сопротивления.Термический разгон можно определить как увеличение тока коллектора при повышении температуры. Это вызывает самоуничтожение из-за перегрева, вызванного перегрузкой по току.
• Проблема с этой конфигурацией заключается в том, что она снижает коэффициент усиления усилителя BJT. Эту проблему очень легко решить, обойдя сопротивление эмиттера.

Смещение коллектора к базе

Резистор базы подключается к клемме коллектора при этом типе смещения. Эта конфигурация стабилизирует рабочую точку и предотвращает тепловой пробой за счет использования отрицательной обратной связи.Эта конфигурация также является улучшенной версией конфигурации с фиксированным смещением. Сопротивление смещения подключено между коллектором и базой, которые обеспечивают путь обратной связи. Смещение от коллектора к основанию – это улучшенный метод по сравнению с методом фиксированного смещения.

Эта конфигурация также известна как цепь обратной связи со смещением напряжения . Потому что Rb напрямую появляется на выходе и входе. Другими словами, часть вывода возвращается на вход. Значит, в цепи существует отрицательная обратная связь.

Если есть изменение бета из-за изменения детали или повышения температуры в бета и I _co , то ток коллектора пытается увеличиться дальше, из-за чего падение напряжения на R _c увеличивается.В результате уменьшается V _ce и I _b . Следовательно, окончательное значение коллектора I _c поддерживается стабильным с помощью схемы, которая сохраняет точку Q фиксированной.

Эта схема также известна как цепь смещения обратной связи по напряжению , потому что R _b появляется непосредственно на входе и выходе в этой цепи. увеличение тока коллектора уменьшает ток базы.

Делитель напряжения смещения или делитель потенциала

Для этого типа используются два внешних резистора R ₁ и R ₂ .Напряжение на R ₂ смещает эмиттерный переход в прямом направлении. При правильном выборе R ₁ и R ₂ рабочая точка транзистора может быть сделана независимой от Beta. Смещение потенциального делителя – самый популярный и используемый метод смещения транзистора. Эмиттерный диод смещен в прямом направлении, контролируя падение напряжения на R ₂ .

R _b = _{RR 1} || R ₂

В цепи смещения делителя напряжения значение R _b равно параллельной комбинации R ₁ и R ₂ .

Схема смещения делителя напряжения:

Преимущество смещения делителя напряжения

Независимо от бета: Основным преимуществом схемы смещения делителя напряжения является то, что транзистор больше не будет зависеть от бета-тестирования. Причина в том, что напряжения на клеммах транзистора, то есть напряжения коллектора, эмиттера и базы, будут зависеть от внешней цепи. Сопротивление эмиттера R _e обеспечивает стабильность усиления, несмотря на колебания бета.

Ограничения BJT

Вот некоторые ограничения биполярного переходного транзистора;

• Громоздкий: Биполярные транзисторы громоздки, требуют больше места и поэтому очень редко используются при изготовлении интегральных схем (ИС).
• Низкая частота переключения: время переключения очень низкое, что является еще одной причиной того, что он редко используется в IC По сравнению с полевыми МОП-транзисторами частота очень низкая
• Ток утечки: токов утечки с BJT достаточно, чтобы они не может использоваться для высокой частоты.
• Температурная стабильность BJT: по сравнению с другими транзисторами, термическая стабильность BJT очень низкая, и это шумное устройство.
• Температурный разгон: BJT страдает от проблемы теплового разноса, которая приводит к выделению избыточного тепла. Другими словами, это вызывает самоуничтожение. Поскольку выделяемое тепло равно I ² Таким образом, избыточный ток вызовет чрезмерное тепло, которое сожжет BJT.
• Ранний эффект: Ток от эмиттера к коллектору управляется током базы.Если ширина основания сдвинута к нулю, известному как пробой , , то стык коллектора и эмиттера соприкасается друг с другом. После этого от эмиттера к коллектору начинает течь огромный ток, который не может контролироваться током базы. Этот выход из-под контроля известен как ранний эффект и является одним из основных ограничений среди ограничений BJT.

Уязвимость

Радиационное повреждение вызывает транзистор, когда транзисторы подвергаются воздействию ионизирующего излучения.Срок службы неосновного носителя уменьшается после воздействия излучения, что приводит к постепенной потере усиления транзистора.

Транзистор имеет номинальную мощность и напряжение обратного пробоя , при превышении которого BJT может не работать. Когда BJT работают за пределами своей номинальной мощности или напряжения обратного пробоя, BJT не будет работать должным образом или может выйти из строя.

В случае обратного смещения переход эмиттер-база вызовет лавинный пробой , который необратимо повредит коэффициент усиления по току биполярного переходного транзистора.

Преимущества BJT

• Ширина полосы большого усиления: Ширина полосы усиления – это разница между максимальной и минимальной частотой среза. Коэффициент усиления на частоте среза составляет 0,7. При дальнейшем увеличении или уменьшении частоты от максимальной и минимальной частоты среза соответственно, усиление уменьшается, что неприменимо. Таким образом, BJT предлагает широкий диапазон частот, предлагая большее усиление, чем 0,7. Следовательно, BJT имеет огромную полосу усиления .
• Низкое прямое падение напряжения: BJT имеют 0,6 В прямого падения напряжения, что является очень низким и очень важным моментом. Это очень важно, потому что большее прямое напряжение вызовет ненужные потери мощности согласно P = VI . Это означает, что для того же типа нагрузки устройство с высоким прямым падением напряжения вызовет ненужные потери мощности.
• Пара Дарлингтона: Благодаря низкому выходному сопротивлению и высокому входному сопротивлению, BJT может обеспечить достойное усиление по току .
• Длительный срок службы: BJT имеют относительно долгий срок службы. Устройство нагноивается, потому что ток насыщения увеличивается с течением времени. Хотя для решения этой проблемы и дальнейшего увеличения срока службы устройства могут использоваться различные методы смещения.

Связанные сообщения: В чем разница между транзистором и тиристором (SCR)?

Применение BJT

Вот некоторые из приложений биполярного переходного транзистора;

• Преобразователи: BJT могут использоваться в подавляющем большинстве преобразователей.Эти преобразователи могут быть разных типов, например, инверторы, понижающие преобразователи, повышающие преобразователи или любые DC-DC , DC-AC , AC-DC или AC-AC
• Датчики температуры: Определение температуры это одно из других приложений BJT. Если это может быть найдено по двум напряжениям на двух разных уровнях в известном соотношении, вычитаются
• Высокая управляемость : Высокая управляемость. Для работы с высоким напряжением или током устройства подключаются последовательно и параллельно.Но всегда учитываются возможности управления отдельными устройствами.
• Высокочастотный режим: BJT могут работать на очень высокой частоте. Частота BJT для слабого сигнала намного выше, чем его частота переключения, в основном из-за задержки сохранения. Время хранения 2N2222 составляет 310 нс, таким образом, максимальная частота переключения составляет около 3 МГц.
• Цифровой переключатель : Семейство цифровых логических схем включает логику с эмиттерной связью, используемую в BJT в качестве цифрового переключателя.
• Колебательный контур : Они предпочтительны в колебательных контурах.
• Машинки для стрижки: BJT можно использовать в схемах отсечения для изменения формы волн. Его можно использовать как простой диод для ограничения, но проблема с диодом заключается в том, что диод не управляется.
• Демодулятор и модулятор: BJT могут использоваться в схемах демодуляции и модуляции. Биполярные транзисторы все еще используются в очень старой известной технике модуляции, известной как «амплитудная модуляция , ».
• Схемы обнаружения : BJT могут использоваться в схемах обнаружения. BJT может быть новым типом полупроводникового датчика для измерения дозы ионизирующего излучения.
• Усилители: Одним из наиболее важных применений BJT является усиление, когда он используется в схеме усилителя для усиления слабых сигналов. например, в усилителях звука, эти крошечные компоненты усиливают очень слабый аудиосигнал до слышимого диапазона.
• Электронные переключатели: Может использоваться как электронный переключатель.BJTS используются в инверторе для изменения направления постоянного тока на переменный ток.
• Автоматический выключатель: Может использоваться вместо ручного выключателя в электрической цепи. выходной сигнал датчиков иногда бесполезен в электрических цепях, потому что эти сигналы очень низкие. Однако эти сигналы станут полезными, если они управляют BJT. Поскольку BJT работает на слабых сигналах. Тогда эти переключатели BJT могут работать с большими нагрузками, включая двигатели.

Связанные сообщения:

Биполярный переходной транзистор – Engineering LibreTexts

Биполярный переходной транзистор – это полупроводниковое устройство, состоящее из двух P-N переходов, соединяющих три клеммы, называемые клеммами базы, эмиттера и коллектора.Расположение трех выводов влияет на ток и усиление транзистора. Поведение транзисторов с биполярным переходом также сильно различается для каждой конфигурации схемы. Три разные конфигурации схемы дают разные характеристики схемы в отношении входного сопротивления, выходного сопротивления и усиления. Эти характеристики влияют на то, показывает ли транзистор усиление по напряжению, усиление по току или усиление по мощности. Одна из основных операций транзистора с биполярным переходом – усиление сигнала тока.Транзисторы с биполярным переходом могут регулировать ток так, чтобы величина тока была пропорциональна напряжению смещения, приложенному к клемме базы транзистора. Применение биполярных переходных транзисторов можно найти в устройствах, использующих аналоговые схемы, таких как компьютеры, мобильные телефоны и радиопередатчики.

ВВЕДЕНИЕ

Биполярные транзисторы

имеют три полупроводниковые области. Эти три области – это область эмиттера (E), область базы (B) и область коллектора (c), и эти области по-разному легированы в зависимости от типа биполярного транзистора.Двумя типами биполярных транзисторов являются PNP-транзистор, три области которого относятся к p-типу, n-типу и p-типу соответственно, и NPN-транзистор, чьи области относятся к n-типу, p-типу и n-типу соответственно. Оба типа транзисторов имеют один P-N-переход между коллекторной областью и базой и другой P-N-переход между базовой и эмиттерной областями. Базовая область всегда является центральным соединением структуры с областями эмиттера и коллектора, соединенными с обеих сторон. Оба типа транзисторов также имеют одинаковый принцип работы с единственной разницей в полярности питания и смещении для каждого типа.

Способность биполярных транзисторов

усиливать сигнал посредством регулирования тока позволяет передавать входной сигнал от одной цепи к другой, независимо от разного уровня сопротивления в каждой цепи. Величина тока, протекающего через транзистор, пропорциональна величине напряжения смещения, приложенного к клемме базы. Это позволяет транзистору действовать как переключатель с регулируемым током. В зависимости от того, является ли биполярный транзистор PNP или NPN, регулируемый ток будет течь от коллектора к эмиттеру или от эмиттера к коллектору, в то время как меньший управляющий ток будет течь от базы к эмиттеру или от эмиттера к базе соответственно.

Транзистор содержит максимально допустимый ток, который может ограничивать величину тока, проходящего от клеммы к клемме. В зависимости от порядка клемм в транзисторе, транзистор будет действовать как проводник или как изолятор при наличии контролируемого тока. Эта способность переключаться между этими двумя состояниями, изолятором или проводником, позволяет транзистору действовать как переключатель или как усилитель сигналов малой амплитуды, подаваемых на базу, в зависимости от структуры и порядка трех полупроводниковых областей.

СТРУКТУРА

Биполярные транзисторы

содержат три легированных примесных полупроводниковых области, каждая из которых подключена к цепи. Транзистор не является симметричным из-за разной степени легирования областей эмиттера, коллектора и базы. Базовая область состоит из легированных материалов, обладающих высоким удельным сопротивлением. База расположена между областью сильнолегированного эмиттера и областью слаболегированного коллектора. Коллектор охватывает эмиттерную область, что исключает возможность для электронов, инжектированных в базовую область, покидать базовую область, не собираясь.Область эмиттера сильно легирована, чтобы увеличить коэффициент усиления транзистора по току.

Для высокого коэффициента усиления по току необходимо высокое соотношение носителей, вводимых эмиттером, и несущих, вводимых базой. Повышение эффективности инжекции эмиттера приводит к тому, что большая часть носителей, инжектируемых в переход эмиттер-база, поступает из области эмиттера. Высокая степень легирования областей эмиттера и коллектора также означает, что переход коллектор-база имеет обратное смещение. Следовательно, переход коллектор-база может иметь большое обратное напряжение смещения до того, как переход сломается.Для транзистора в целом фундаментальное различие между NPN-транзистором и PNP-транзистором заключается в направлениях тока и полярности напряжения на переходах транзистора. Убедившись, что эти два элемента всегда находятся напротив друг друга, обеспечивает правильное смещение транзисторов.

Биполярный переходной транзистор NPN

Биполярный транзистор NPN имеет базу из полупроводника, легированного P, между эмиттером, легированным азотом, и областью коллектора, легированным азотом. Биполярные транзисторы NPN являются наиболее часто используемыми биполярными транзисторами из-за легкости подвижности электронов над подвижностью электронных дырок.

Для этого типа транзисторов коллекторный и эмиттерный токи большой величины возникают за счет усиления небольшого тока, который проходит через базу. Этот небольшой ток усиливается только тогда, когда транзистор становится активным. В этом активном состоянии положительная разность потенциалов обнаруживается как между областью базы к области коллектора, так и областью эмиттера к области базы, что приводит к току, который переносится электронами между областями коллектора и эмиттера.Конструкция и напряжение на клеммах NPN-транзистора показаны на Рисунке 1 ниже.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Схема NPN транзистора.

Для биполярного NPN-транзистора, проводящего коллектор, всегда более положительно по отношению как к базе, так и к эмиттеру. Напряжение между базой и эмиттером (V _BE ) положительное на базе и отрицательное на эмиттере. Клемма базы всегда положительна по отношению к эмиттеру. Другой способ отображения NPN-транзистора показан на рисунке 2 ниже.

Рисунок 2 Схема биполярного транзистора NPN.

Ток, вытекающий из транзистора, должен быть равен токам, текущим в транзистор, поскольку ток эмиттера задан как

Ie = Ic + Ib. (1)

Примечание: «Ic» – это ток, протекающий на выводе коллектора, «Ib» – ток, протекающий на выводе базы, а «Ie» – ток, протекающий через вывод эмиттера.

Поскольку физическая конструкция транзистора определяет электрическую взаимосвязь между этими тремя токами (Ib), (Ic) и (Ie), любое небольшое изменение тока базы (Ib) приведет к гораздо большему изменению в коллекторе. ток (Ic).Отношение тока коллектора к току эмиттера называется Alpha (α).

Альфа (α) = Ic / Ie (2)

Коэффициент усиления транзистора по току от вывода коллектора до вывода эмиттера, Ic / Ie, является функцией электронов, диффундирующих через переход. Текущее усиление транзистора от клеммы коллектора до клеммы базы обозначено Beta, (β).

Бета (β) = Ic / Ib (3)

Транзисторы

NPN являются хорошими усилителями, когда значение Beta велико.Бета-значения обычно находятся в диапазоне от 20 до 200 для большинства транзисторов общего назначения. Следовательно, если бета-значение транзистора равно 50, то на каждые 50 электронов, проходящих между выводами эмиттер-коллектор, один электрон будет вытекать из вывода базы.

Комбинируя выражения для Alpha, α и Beta, β, коэффициент усиления транзистора по току может быть задан как:

Бета = (α) / (1-α) (4)

Как видно из приведенных выше уравнений, подвижность электронов между цепями коллектора и эмиттера является единственным связующим звеном между этими двумя цепями.Это звено является главной особенностью действия транзистора. Поскольку действие транзистора определяется начальным движением электронов через область базы, усилительные свойства транзистора обусловлены последующим контролем, который база оказывает на ток между коллектором и эмиттером. Пока поток тока смещения в базовый вывод является устойчивым, базовую область можно рассматривать как вход управления током.

PNP Биполярный переходной транзистор

PNP-транзистор с биполярным переходом имеет базу из полупроводника, легированного азотом, между эмиттером, легированным фосфатом, и областью коллектора, легированным фосфором.PNP-транзистор имеет очень похожие характеристики с NPN-транзистором, с той разницей, что смещение направления тока и напряжения меняются местами. Для транзисторов PNP ток поступает в транзистор через вывод эмиттера. Небольшой ток, выходящий из базы, усиливается на выходе коллектора. Область эмиттера-база смещена в прямом направлении, поэтому будут генерироваться электрическое поле и носители. Источники напряжения подключены к транзистору PNP, как показано на рисунках 3 и 4 ниже.

Рисунок 3 Схема транзистора PNP Рисунок 4 Схема транзистора PNP

Напряжение между базой и эмиттером (V _BE ) теперь отрицательное на базе и положительное на эмиттере. Клемма базы всегда смещена отрицательно по отношению к эмиттеру while. Эмиттер положительный по отношению к коллектору (V _CE ). В основной части коллектора с обратным смещением образовались отверстия. Из-за электрического поля носители или электроны притягиваются дырками.Для того чтобы транзистор PNP проводил, эмиттер всегда более положительный по отношению как к базе, так и к коллектору.

РЕГИОНЫ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Биполярные транзисторы имеют четыре различных режима работы. Эти области определяются смещениями на переходе биполярного переходного транзистора.

1. Отсечка : Область отсечки – это когда транзистор неактивен из-за минимального тока, проходящего через транзистор, из-за чего транзистор выглядит как разомкнутая цепь.И VBE, и VBC имеют обратное смещение, поэтому все края обедненной области имеют небольшую плотность неосновных носителей. Эта область имеет условия смещения, противоположные насыщению.

2. Прямая активность : Прямая активная область возникает, когда транзистор находится в активном состоянии, что позволяет транзистору усиливать колебания напряжения, присутствующие на базе. Когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор имеет обратное смещение, транзистор может усиливать напряжение, потому что напряжение между коллектором и эмиттером больше, чем напряжение между базой и эмиттером, а также находится между состояниями отсечки и насыщения.Выходной ток пропорционален базовому току и может быть извлечен на коллекторе.

3. Обратно-активный : Обратно-активная область возникает, когда транзистор находится в активном состоянии, но максимальный коэффициент усиления по току в обратном активном режиме намного меньше, чем в прямом активном режиме. Условия смещения меняются на обратные, так что коллекторный переход базы имеет прямое смещение, а база-эмиттерный переход – обратное, что меняет роли коллекторной и эмиттерной областей.База содержит гораздо более низкое обратное напряжение смещения, чем в прямой активной области.

4. Насыщение : Область насыщения позволяет транзистору проводить ток от эмиттера к коллектору. При прямом смещении как базового коллекторного перехода, так и базового эмиттерного перехода, базовый ток настолько велик, что превышает величину, при которой он может увеличить ток коллектора. В результате в цепи между выводами коллектора и эмиттера возникает короткое замыкание из-за перенасыщения тока.

КОНФИГУРАЦИИ

Существует три метода подключения биполярного переходного транзистора к электронной схеме. Конфигурация с общей базой, конфигурация с общим эмиттером и конфигурация с общим коллектором по-разному реагируют на входной сигнал схемы, таким образом изменяя характеристики каждой конфигурации.

Общая базовая конфигурация

Общая базовая конфигурация имеет сильную высокочастотную характеристику, которая хороша для схем с одноступенчатым усилителем.Однако это не очень распространено из-за низких характеристик усиления по току и низкого входного сопротивления. Входной сигнал подается между выводами базы и эмиттера, а выходной сигнал берется между выводами базы и коллектора. Для этого необходимо заземлить клемму базы, чтобы опорное напряжение было фиксированной величиной. Общая базовая конфигурация показана ниже.

Рисунок 5 Схема транзистора с общей базой

Этот тип конфигурации усилителя представляет собой схему неинвертирующего усилителя напряжения.Конфигурация имеет усиление сопротивления за счет соотношения между сопротивлением нагрузки (Rload) последовательно с коллектором и резистором Rin. Входной ток, протекающий в эмиттер, представляет собой сумму как базового тока, так и тока коллектора соответственно, поэтому выходной ток коллектора меньше, чем входной ток эмиттера, что приводит к усилению тока. Его входные характеристики соответствуют прямому смещению диода

.

Конфигурация общего эмиттера

Конфигурация усилителя с общим эмиттером обеспечивает самый высокий коэффициент усиления по току и мощности из всех трех конфигураций биполярных транзисторов, поэтому этот тип конфигурации является наиболее часто используемой схемой для усилителей на основе транзисторов.Входной сигнал, подаваемый между базой и эмиттером, невелик из-за прямого смещения PN-перехода, а выходной сигнал между коллектором и эмиттером велик из-за обратного смещения PN-перехода.

Это в основном связано с тем, что входной импеданс мал, поскольку он подключен к PN-переходу с прямым смещением, а выходное сопротивление велико, поскольку оно снимается с PN-переходом с обратным смещением. Однако его коэффициент усиления по напряжению намного ниже. Конфигурация общего эмиттера показана ниже.

Рисунок 6 Схема усилителя с общим эмиттером

Конфигурация с общим эмиттером представляет собой схему инвертирующего усилителя. Следовательно, выходной сигнал не совпадает по фазе с сигналом входного напряжения.

Конфигурация общего коллектора

Конфигурация с общим коллектором очень полезна для приложений согласования импеданса из-за очень большого отношения входного импеданса к выходному. Конфигурация имеет входной сигнал, напрямую подключенный к базе.Когда эмиттерная область соединена последовательно с нагрузочным резистором, ток, протекающий через сопротивление нагрузки, имеет то же значение, что и ток эмиттера. Вот почему выходной сигнал берется из нагрузки эмиттера, а коэффициент усиления по току конфигурации приблизительно равен значению β транзистора.

Рисунок 7 Схема транзистора с общим коллектором

Конфигурация биполярного транзистора этого типа является неинвертирующей схемой, в которой напряжения сигналов Vin и Vout «синфазны».Сопротивление нагрузки принимает как базовый, так и коллекторный токи, что приводит к большому усилению тока, а также обеспечивает хорошее усиление тока с очень небольшим усилением напряжения.

Вопросы

1. Если ток коллектора (Ic) составляет 50 А, а базовый ток (Ib) равен 2 А, то каково значение бета?

2. В чем разница между биполярным транзистором PNP и биполярным транзистором NPN?

3. Каков текущий коэффициент усиления транзистора, если заданная альфа (α) равна 0.5?

ответов

1. Бета-отношение (β) = Ic / Ib. Значение бета равно 50 амперам, разделенным на 2 ампера, что составляет 25.

2. PNP-транзистор и NPN-транзистор имеют очень похожие характеристики, разница между ними заключается в смещении направлений тока и напряжения.

3. Коэффициент усиления транзистора по току – это бета-коэффициент (β), который равен (α) / (1-α). Значение Beta равно 0.5 / (1-0,5), что равно 0,5

Список литературы

1. Kasap, S. (2006). Принципы электронных материалов и устройств (3-е изд.). Бостон: Макгроу-Хилл.

2. «Учебное пособие по NPN-транзисторам – биполярный NPN-транзистор». Учебники по основам электроники . 1 сентября 2013 г. Интернет. 8 декабря 2015 г.

3. «Переходный транзистор». Переходный транзистор . Интернет. 8 декабря 2015 г.

4. Все изображения созданы с помощью программного обеспечения на дигикеи.com

Авторы

1. К. Битти, MSE (Калифорнийский университет в Дэвисе).

bjt – Принцип работы биполярного переходного транзистора

Вот как я это вижу, надеюсь, он добавит что-нибудь полезное в обсуждение:

ПОЛУПРОВОДНИКИ, ДИОДЫ И ТРАНЗИСТОРЫ

ЭЛЕКТРОНЫ И ОТВЕРСТИЯ

Давайте представим себе ряд монет, лежащих в линию и соприкасающихся друг с другом на столе. Переместите правый конец пенни на ширину одного пенни вправо, оставив зазор.Затем продолжайте перемещать пенни слева от щели в пространство. По мере того, как вы продолжаете, все пенни перемещаются вправо, а зазор перемещается через стол влево. Теперь представьте монетки как электроны, и вы увидите, как электроны, движущиеся в одном направлении по полупроводнику, заставляют дырки двигаться в противоположном направлении.

Чтобы продолжить аналогию, мы могли бы использовать маленькие груды монет, поэтому многие должны сдвинуться вправо, прежде чем дыра переместится влево. Или у нас может быть несколько пенсов и много места, чтобы дыры легко перемещались, когда мелкие монеты перемещаются через широкие зазоры.Эти два случая моделируют две формы легированного кремния, много добавленных электронов, и у нас есть N-тип, много дырок (электроны удалены) и у нас есть P-тип. Типы достигаются путем смешивания (легирования) кремния с небольшими количествами других металлов.

Поскольку электроны должны бороться через атомы полупроводника, его удельное сопротивление относительно высокое. В ранних полупроводниках использовался германий, но, за исключением особых случаев, в настоящее время кремний является универсальным выбором.

Медный провод можно представить как имеющий большие груды электронов за пенни, расположенные близко друг к другу, поэтому ток – это движение нескольких пенсов на верхушках стопок, при этом отверстия не образуются вообще.При таком большом количестве доступных для тока удельное сопротивление, как мы знаем, невелико.

ДИОДЫ

Самый распространенный полупроводниковый диод (есть и другие специализированные типы) имеет переход между N-типом и P-типом. Если на диод подается напряжение, положительное на конец N-типа и отрицательное на другой, все электроны притягиваются к положительному концу, оставляя дыры на отрицательном конце. В середине почти нет электронов, поэтому ток почти не может течь. Диод “обратный смещенный”

Когда напряжение прикладывается в другую сторону, отрицательное к концу N-типа и положительное к P-типу, электроны притягиваются к середине и могут пересекаться, чтобы нейтрализовать дырки в P-типе, и уходить в соединительный провод.На другом конце, отрицательном напряжении, электроны отталкиваются в середину диода, чтобы быть замененными теми, которые текут из провода, поэтому в целом ток может течь легко: диод смещен в прямом направлении.

Соединения с диодом называются «анодом», который является положительным концом, когда диод смещен в прямом направлении, и «катодом», который является отрицательным концом. Я помню их по аналогии с теми же терминами для клапанов, которым для протекания тока требуется высокое положительное напряжение (H.T. для «High Tension» – не трогайте пальцы) на аноде.Хорошей мнемоникой полярности диода с прямым смещением может быть PPNN: «Положительный, P-тип, N-тип, отрицательный».

Варакторный диод основан на том факте, что две отдельные области заряда, положительная и отрицательная, образуют грубый конденсатор. Таким образом, специально разработанные диоды используют это при обратном смещении. Приложенное напряжение разъединяет заряды, образуя «обедненный слой» между контактами. Увеличение приложенного обратного напряжения делает этот слой толще, что снижает емкость, и наоборот.Варакторные диоды обычно используются в настроенных схемах для изменения частоты, заменяя лопаточные конденсаторы, которые использовались во времена ламп.

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Биполярный транзистор – это транзистор, работа которого зависит как от электронов, так и от дырок. Он состоит из двух диодов, соединенных друг с другом на общем центральном слое. Один из внешних выводов – это коллектор C, а другой – эмиттер E. Центральное соединение – это база B, и она является частью диодов CB и BE.Итак, у нас получился трехслойный бутерброд. При нормальном использовании диод между C и B имеет обратное смещение, поэтому без присутствия BE-диода и его эффекта ток не будет протекать, потому что все электроны притягиваются к одному концу секции CB, а отверстия – к другой конец, как у диода, по приложенному напряжению.

Диод BE смещен в прямом направлении, поэтому ток может течь, и внешняя цепь настроена так, чтобы ограничить его до довольно небольшого значения, но все еще есть много дырок и электронов, протекающих через базу и эмиттер.

Теперь самое умное. Общее соединение диодов CB и BE на базе сделано очень тонким, поэтому поток электронов и дырок в части BE заменяет те, которые были сняты обратным напряжением коллектора, и теперь через этот диод CB в в обратном направлении, а затем через прямое смещенное соединение BE к эмиттеру и наружу во внешнюю цепь.

Я думаю, очевидно, что вы не можете сделать транзистор, спаяв два диода друг к другу, действие требует тесного разделения тонкого слоя внутри кремния.

Ток коллектора зависит от протекающего тока базы, а транзистор спроектирован так, что небольшой ток в диоде BE открывает путь для гораздо большего тока в переходе выключателя. Таким образом, мы имеем усиление тока. Падение напряжения на внешних резисторах может быть преобразовано в усиление напряжения.

Эти транзисторы называют «биполярными», потому что они фактически имеют два перехода.

Я тщательно избегал упоминания типа материала в диодах CB и BE, идеи одинаковы для обоих, и мы можем использовать NPN или PNP в качестве возможных слоев.Стрелка на эмиттере в символе, который показывает направление обычного коллекторного тока (противоположного потоку электронов), указывает в направлении отрицательной стороны приложенного напряжения CE, так что ток “вне P” или в N у эмиттера ».

ТРАНЗИСТОРЫ ПОЛЕВЫХ ЭФФЕКТОВ или полевые транзисторы

Существует множество различных конструкций полевых транзисторов, и это очень упрощенный взгляд на их основной принцип.

Это «униполярные» транзисторы, хотя этот термин используется нечасто, поскольку их работа зависит только от электронов и электрических полей, а не от дырок.

Здесь мы имеем единый блок легированного кремния, «канал», с комками противоположного типа по бокам или в виде окружающего кольца. Таким образом, у нас есть только один диодный переход, который называется затвором G, между кусками или кольцом и каналом. Канал действует как резистор, при этом ток течет через один конец, исток S, к другому, сток D. Соединение между затвором и каналом имеет обратное смещение, поэтому ток не течет, но создается электрическое поле, которое притягивает заряды, электроны или дырки к сторонам канала, оставляя меньше доступного для SD тока.Таким образом, у нас есть ток SD, контролируемый напряжением на затворе.

Обратите внимание, что это устройство, управляемое напряжением, практически не протекает ток в затвор и не выходит из него. Подумайте о законе Ома: сопротивление = вольт / ампер, и мы увидим, что очень низкий ток означает очень высокое сопротивление, поэтому говорят, что полевой транзистор имеет очень высокий входной импеданс – его главное преимущество перед биполярным, где Напротив, для передачи тока через базу требуется небольшое напряжение, что дает ей низкий входной импеданс

Объясните устройство и принцип работы биполярного транзистора

Биполярный переходной транзистор (БЮТ) представляет собой трехслойное устройство с тремя выводами, имеющее два PN перехода.Биполярный переход BJT-транзистора состоит из двух материалов N-типа и P-типа. В случае NPN или двух материалов P-типа и одного материала N-типа образуются три двухсоединения. Транзисторы в основном используются как коммутирующее устройство или как усилитель.

Конструкция биполярного транзистора

Биполярный переходной транзистор – это трехслойное устройство, в котором каждый слой соединен электрическим током. Три контакта называются эмиттером E, базой B и коллектором C. NPN-транзистор может быть сформирован путем легирования сэндвича P-типа между двумя N-типами.Точно так же транзистор PNP формируется путем легирования сэндвича N-типа между двумя материалами P-типа. На транзисторе есть два PN перехода. Первый переход – это ВС-переход база-эмиттер, а второй – ВС-переход база-коллектор.

В NPN или PNP эмиттер E сильно легирован, база B слабо легирована, а коллектор C умеренно легирован. Внешние слои широкие по сравнению с центральным слоем. Отношение общего размера транзистора к базе 150: 1.Легирование центрального слоя также меньше по сравнению с внешними слоями в соотношении 10: 1. Что увеличивает сопротивление слоя за счет ограничения количества носителей. Транзистор называется биполярным из-за того, что ток транзистора состоит из дырок и электронного тока.

Обозначение транзистора BJT

Обозначение транзистора содержит три вывода, представляющие эмиттер, базу и коллектор. Вывод эмиттера отличается от вывода коллектора стрелкой.Направление стрелки показывает тип транзистора (NPN или PNP). Направление стрелки показывает обычный ток. В случае транзистора PNP стрелка указывает внутрь, а для NPN – снаружи транзистора.

Эквивалентная схема

Эквивалентная схема транзистора содержит два встречных диода. В случае транзистора NPN анодные выводы обоих диодов закорочены и названы базой. Если в случае транзистора PNP, катодный вывод закорочен и назван базовым выводом диода.

Принципы работы BJT-транзистора

Для правильно работающего транзистора транзистор должен быть подключен к постоянному напряжению на всех трех выводах так, чтобы оба PN-перехода были правильно смещены. Переход база-эмиттер должен иметь прямое смещение, а переход база-коллектор – обратное. Работа транзисторов NPN и PNP одинакова, за исключением роли электронов и дырок, полярности напряжения смещения и направления потока тока.

Поскольку соединение BE смещено в прямом направлении, а соединение BC имеет обратное смещение, область истощения BE становится узкой, а область истощения BC расширяется.Сильнолегированный эмиттер может легко инжектировать электроны (в NPN) в baes и называется током эмиттера I _E . Так как база слегка легирована, только несколько электронов рекомбинируют с дырками на слаболегированной базе и становятся базовым током I _B . Где сброс электронов пересекает BC-переход из-за электрического поля, создаваемого положительными и отрицательными ионами. Он становится током коллектора I _C .

Конструкция, типы и применение

BJT был изобретен в 1948 году Уильямом Шокли, Браттейном и Джоном Бардином, который изменил не только мир электроники, но и нашу повседневную жизнь.Транзистор с биполярным переходом использует как носители заряда, так и электроны, и дырки. Безразлично, униполярные транзисторы, такие как полевые транзисторы, используют только один вид носителей заряда. Для рабочих целей BJT использует два типа полупроводников n-типа и p-типа между двумя переходами. Основная основная функция BJT – усиление тока, что позволит использовать BJT в качестве усилителей или переключателей для широкого применения в электронном оборудовании, включая мобильные телефоны, промышленное управление, телевидение и радиопередатчики.Доступны два разных типа BJT: NPN и PNP.

Что такое биполярный переходной транзистор (BJT)?

Транзистор с биполярным переходом является твердотельным устройством, и в этих транзисторах ток в двух выводах является эмиттерным и коллекторным, а поток тока, управляемый третьим выводом, является выводом базы. Он отличается от транзистора другого типа, т.е. Полевой транзистор, выходной ток которого регулируется входным напряжением.Базовый символ БЮТ n-типа и p-типа показан ниже.

BJT или символ биполярного переходного транзистора

Почему BJT называется биполярным?

BJT – это 3-контактное полупроводниковое устройство, как следует из названия, термин биполярный взят из того факта, что этот тип транзистора включает два типа полупроводниковых материалов, таких как P-тип (положительный тип) и n-тип (отрицательный). тип), где ток течет из этих областей. Обычно эти транзисторы содержат кремний.

Конструкция биполярного переходного транзистора

Конструкция BJT будет определять его рабочие характеристики.Таким образом, конструкция BJT может быть выполнена с помощью трех легированных полупроводниковых секций, разделенных двумя PN-переходами. Этот транзистор состоит из трех слоев: базы, эмиттера и коллектора. Эти транзисторы доступны в двух типах, а именно PNP и NPN, и их физическая структура показана ниже.

Конструкция биполярного переходного транзистора

В NPN он включает две N-области, разделенные одной P-областью, тогда как в PNP она включает две P-области и разделяется одной N-областью.В BJT термин биполярный относится к использованию как носителей заряда, таких как электроны, так и дырки, внутри структуры.

Когда PN-переход соединяет базу и эмиттерную область, это называется BE-переходом. Точно так же, как только pn-переход соединяет основание и коллектор, он известен как BC-переход. Проволочный вывод соединяется с каждой областью, и эти выводы имеют маркировку C, B и E для коллектора, базы и эмиттера соответственно.

База (B) – область слегка легирована и очень тонкая по сравнению с выводом эмиттера, который сильно легирован, и несколько легированной областью коллектора.Схематические символы NPN и PNP BJT включают следующее.

Клеммы BJT

BJT включает в себя три клеммы, такие как база, эмиттер и коллектор, которые кратко описаны. Символьное представление транзисторов NPN и PNP может быть выполнено следующим образом. Символ стрелки на выводе эмиттера всегда присутствует, а направление стрелки будет представлять ток, протекающий из-за носителей заряда.

Вывод эмиттера

Вывод эмиттера испускает носители заряда, такие как дырки или электроны, на два других вывода.Базовый терминал всегда имеет обратное смещение по отношению к другим терминалам, таким как эмиттер, так что он может производить огромные несущие. В БЮТ эмиттер – это наиболее сильно легированная область.

Переход эмиттер-база должен быть подключен с прямым смещением в обоих транзисторах, таких как PNP и NPN. Вывод эмиттера направляет электроны к EB-переходу внутри NPN-транзистора, в то время как он подает носители заряда, такие как дырки, к тому же переходу внутри PNP-транзистора.

Коллекторный терминал

Часть на обратной стороне эмиттерного терминала будет собирать выпущенные носители заряда, называемые коллектором.Таким образом, этот вывод сильно легирован, однако уровень легирования этого вывода находится среди выводов базы, которые являются слабо легированными и сильно легированными выводами эмиттера. CB-переход должен иметь обратное смещение в обоих транзисторах.

Основной причиной этого смещения является устранение носителей заряда из CB-перехода. Коллекторный вывод NPN-транзистора предназначен для сбора электронов, которые испускаются через вывод эмиттера, тогда как в транзисторе PNP он собирает отверстия, которые испускаются через вывод эмиттера.

Базовая клемма

Базовая клемма является центральной частью среди клемм коллектора и эмиттера, которая образует между ними два PN-перехода. Вывод базы – это наиболее легированный сегмент транзистора. Таким образом, будучи центральной частью BJT, он сможет управлять потоком носителей заряда между выводами эмиттера и коллектора. Переход BE показывает высокое сопротивление, поскольку этот переход может быть подключен с обратным смещением.

Работа BJT

Биполярный переходной транзистор подразделяется на два типа, а именно PNP и NPN, в зависимости от типа легирования выводов.В NPN-транзисторе есть два полупроводниковых перехода, которые имеют тонкую анодную область, легированную «P», тогда как PNP-транзистор включает в себя два полупроводниковых перехода, которые включают в себя тонкую катодную область, легированную «N».

Поток заряда внутри транзистора происходит из-за диффузии носителей заряда между двумя секциями, которые принадлежат разным концентрациям носителей заряда. Эмиттерная секция сильно легирована по сравнению с остальными слоями.

Оба слоя, такие как база и коллектор, содержат одинаковые концентрации носителей заряда.Таким образом, между этими тремя переходами соединение BE может быть подключено с прямым смещением, а соединение BC – с обратным смещением. BJT может работать в трех различных областях, таких как активная, насыщенная и отсеченная.

Активная область

В этой области один переход подключен с прямым смещением, а другой – с обратным смещением. Здесь базовый ток (Ib) используется для управления величиной Ic (ток коллектора). Таким образом, активная область может в основном использоваться для усиления везде, где этот транзистор работает как усилитель за счет коэффициента усиления «β» со следующим уравнением;

Ic = β x Ib

Активная область также называется линейной областью, которая находится между двумя областями, такими как отсечка и насыщение.Типичная работа этого транзистора происходит в этой области.

Область насыщения

В этой области транзисторы оба перехода соединены с прямым смещением. Таким образом, эта область в основном используется для включенного состояния переключателя, где бы он ни находился;

Ic = Isat

Здесь «Isat» – это ток насыщения, и это наибольшая величина тока, протекающего между двумя выводами, такими как эмиттер, а также коллектор, когда этот транзистор подключен в области насыщения.Поскольку эти переходы соединены прямым смещением, транзистор работает как короткое замыкание.

Область отсечки

В этой области оба перехода транзистора соединены с обратным смещением. Здесь этот транзистор работает как выключенное состояние переключателя, где

Ic = 0

В области отсечки операция полностью обратная по сравнению с областью насыщения. Таким образом, внешние источники питания не подключены. Если нет тока коллектора, значит нет тока эмиттера.
В этом методе транзистор работает как выключенное состояние переключателя, и этот режим может быть достигнут путем уменьшения базового напряжения до уровня ниже напряжения как эмиттера, так и коллектора.
Vbe <0,7

Типы биполярных переходных транзисторов

Как мы видели, полупроводник имеет меньшее сопротивление протеканию тока в одном направлении, а высокое сопротивление – в другом направлении, и мы можем назвать транзистор режимом устройства полупроводника. Биполярный переходной транзистор состоит из двух типов транзисторов.Что нам дано

• Точечный контакт
• Переходный транзистор

При сравнении двух транзисторов переходные транзисторы используются больше, чем точечные транзисторы. Кроме того, переходные транзисторы подразделяются на два типа, которые приведены ниже. На каждый переходный транзистор приходится по три электрода: эмиттер, коллектор и база

• Переходные транзисторы PNP
• Переходные транзисторы NPN

Переходные транзисторы PNP

В транзисторах PNP эмиттер более положительный по сравнению с базой, а также по отношению к коллекционеру.Транзистор PNP – это трехконтактное устройство, изготовленное из полупроводникового материала. Три клеммы – это коллектор, база и эмиттер, а транзистор используется для коммутации и усиления. Ниже показана работа транзистора PNP.

Обычно клемма коллектора подключается к положительной клемме, а эмиттер – к отрицательному источнику питания с помощью резистора в цепи эмиттера или коллектора. К клемме базы подается напряжение, и транзистор работает в состоянии ВКЛ / ВЫКЛ.Транзистор находится в выключенном состоянии, когда базовое напряжение совпадает с напряжением эмиттера. Режим транзистора находится в состоянии ВКЛ, когда напряжение базы уменьшается относительно эмиттера. Используя это свойство, транзистор может работать как с переключателем, так и с усилителем. Базовая схема транзистора PNP показана ниже.

Соединительный транзистор NPN

Транзистор NPN находится прямо напротив транзистора PNP. Транзистор NPN содержит три вывода, которые идентичны транзистору PNP: эмиттер, коллектор и база.Транзистор NPN работает:

Обычно положительное питание подается на вывод коллектора, а отрицательное питание – на вывод эмиттера с помощью резистора в цепи эмиттера, коллектора или эмиттера. К клемме базы подается напряжение, и она работает как состояние ВКЛ / ВЫКЛ транзистора. Транзистор находится в выключенном состоянии, когда напряжение базы такое же, как и на эмиттере. Если базовое напряжение увеличивается относительно эмиттера, то транзисторный режим находится в состоянии ВКЛ.Используя это условие, транзистор может работать как в усилителе, так и в переключателе. Базовый символ и диаграмма конфигурации NPN, как показано ниже.

Биполярный переходный транзистор PNP и NPN

Гетеро-биполярный переход

Гетеро-биполярный переходный транзистор также является типом биполярного переходного транзистора. Он использует различные полупроводниковые материалы для эмиттерной и базовой области и создает гетеропереход. HBT может обрабатывать одиночные сигналы очень высоких частот в несколько сотен ГГц, как правило, он используется в сверхбыстрых цепях и в основном используется в радиочастотах.Его приложения используются в сотовых телефонах и усилителях мощности RF.

Принцип работы BJT

Соединение BE имеет прямое смещение, а CB – соединение обратного смещения. Ширина обедненной области CB-перехода больше, чем BE-перехода. Прямое смещение в BE-переходе снижает потенциал барьера и заставляет электроны течь от эмиттера к базе.

База тонкая и слегка легированная, в ней очень мало дырок и меньше электронов из эмиттера, около 2% он рекомбинирует в области базы с дырками, и из клеммы базы он будет вытекать.Это инициирует ток базы из-за комбинации электронов и дырок. Оставшееся большое количество электронов пройдет через коллекторный переход обратного смещения, чтобы инициировать ток коллектора. Используя KCL, мы можем наблюдать математическое уравнение

I _E = I _B + I _C

Базовый ток очень меньше по сравнению с током эмиттера и коллектора

I _E ~ I _C

Здесь работа транзистора PNP такая же, как и у транзистора NPN, с той лишь разницей, что только дырки вместо электронов.На приведенной ниже диаграмме показан PNP-транзистор области активного режима.

Принцип работы BJT

Конфигурация BJT

Биполярный переходной транзистор включает в себя трехконтактное устройство, поэтому его можно подключать к цепи тремя возможными способами: один вывод является общим между другими, что означает, что один вывод находится между входом и выходом. обычное дело. Каждое соединение просто по-разному реагирует на входной сигнал.

Конфигурация с общей базой

В конфигурации транзистора CB, клемма базы является общей для входных и выходных сигналов.Здесь входной сигнал может быть подан между двумя терминалами, такими как база и эмиттер, тогда как выходной сигнал может быть получен между двумя терминалами, такими как база и коллектор. На выводе коллектора выходной сигнал низкий по сравнению с входным сигналом на выводе эмиттера.

CB Configuration

Таким образом, его коэффициент усиления меньше 1, поэтому он ослабляет сигнал. Этот выход этой конфигурации не инвертирующий, поэтому оба входа, а также выходные сигналы будут синфазными. Эта общая базовая конфигурация обычно не используется из-за высокого коэффициента усиления по напряжению.Из-за чрезвычайно высокочастотной характеристики такая конфигурация используется только для однофазного усилителя. Эти однофазные усилители могут использоваться в качестве ВЧ-усилителей и микрофонных предусилителей.

Коэффициент усиления конфигурации CB

Коэффициент усиления по напряжению = Av = Vout / Vin = Ic x RL / IE X RIN

Коэффициент усиления по току

= Ic / ie

Коэффициент усиления

= RL / Rin

Общий эмиттер Конфигурация

В этой конфигурации вывод эмиттера является общим для ввода и вывода.Вход подается между двумя клеммами, такими как база и эмиттер, тогда как выход может быть получен между клеммами коллектора и эмиттера.

Его можно легко идентифицировать, наблюдая за схемой. Когда клемма эмиттера подключена к GND, вход и выход поступают от клемм базы и коллектора соответственно. Конфигурация CE включает максимальный ток и усиление мощности между всеми типами конфигураций.

Конфигурация CE

Основная причина заключается в том, что вход на переходе прямого смещения, поэтому его входное сопротивление чрезвычайно мало, тогда как выход может быть получен от перехода обратного смещения.Таким образом, его выходной импеданс чрезвычайно высок. В конфигурации CE ток эмиттера эквивалентен сумме токов базы и коллектора. Таким образом, уравнение:

Ie = Ic + Ib

Из приведенного выше уравнения «Ie» – это ток эмиттера. Таким образом, эта конфигурация имеет максимальное усиление по току, такое как Ic / Ib, потому что сопротивление нагрузки может быть подключено последовательно через клемму коллектора.
Из приведенного выше уравнения можно увидеть, что небольшое увеличение в пределах базового тока повлияет на очень высокий ток в выходной области.

Эта конфигурация CE работает как инвертирующий усилитель, когда выходной сигнал полностью противоположен по полярности входному сигналу. Таким образом, выходной сигнал может быть сдвинут на 180 ° по отношению к входному сигналу.

Конфигурация с общим коллектором

Конфигурация CC также называется эмиттерным повторителем или повторителем напряжения, который включает в себя заземленный коллектор. В конфигурации CC соединение клеммы коллектора может быть выполнено с заземлением по направлению к источнику питания.

CC Конфигурация

И для входа, и для выхода клемма коллектора является общей. Выходной сигнал поступает от эмиттера через нагрузку, которая подключена последовательно, тогда как вход направляется непосредственно к клемме базы. Эта конфигурация включает в себя высокое входное и выходное сопротивление.

Это позволяет ему работать как устройство согласования импеданса. Таким образом, такая конфигурация чрезвычайно полезна в методе согласования импеданса.

Характеристики биполярного транзистора

Поведение биполярного транзистора в каждой конфигурации схемы сильно различается и приводит к разным характеристикам схемы в отношении входного и выходного импедансов и коэффициентов усиления, таких как напряжение, мощность и ток.Фиксированные характеристики BJT можно разделить на три основные группы, которые упомянуты ниже.

Входные характеристики

Общая база (CB) = ΔVEB / ΔIE
Общий эмиттер (CE) = ΔVBE / ΔIB

Выходные характеристики

Общая база (CB) = ΔVC / ΔIC
Общий эмиттер (CE) = ΔVC / ΔIC

Передаточные характеристики

Общая база (CB) = ΔIC / ΔIE
Общий эмиттер (CE) = ΔIC / ΔIB

Ниже приведены различные характеристики конфигурации транзисторов.

0726

Характеристики	CB	CE	CC
Входное сопротивление 6 Среднее
Выходной импеданс	Очень высокий	Низкий	Низкий
Фазовый угол	0 o 0 0	3 180 o
Коэффициент усиления напряжения	Высокий	Средний	Низкий
Коэффициент усиления по току	Низкий	Средний	Высокий 54

9059

---

5 Мощность 9059 Низкое Очень высокое 90 726

Средний

Преимущества BJT

Основные преимущества биполярных переходных транзисторов включают следующее.

• Высокая управляемость
• Высокочастотный режим
• Семейство цифровых логических схем имеет логику с эмиттерной связью, используемую в BJT в качестве цифрового переключателя
• Он имеет полосу пропускания с высоким коэффициентом усиления
• Он дает хорошие характеристики на высоких частотах
• Коэффициент усиления по напряжению хороший
• Он работает в приложениях с низким или высоким энергопотреблением
• Он включает максимальную плотность тока.
• Падение напряжения в прямом направлении низкое

Недостатки

Основные недостатки биполярных переходных транзисторов включают следующее.

• Термическая стабильность меньше
• Он генерирует больше шума
• BJT больше подвержен воздействию излучения.
• Меньшая частота переключения
• Базовое управление сложное, поэтому требует умелого обращения.
• Время переключения невелико по сравнению с высокой частотой мигания напряжения и тока.

Приложения BJT

Ниже приведены два различных типа приложений в BJT:

• Коммутация
• Усиление
• Преобразователи
• Автоматический переключатель
• Датчики температуры
• Электронные переключатели
• Управляющие возможности
• High
• Схемы обнаружения
• Высокочастотный режим
• Демодулятор и модулятор
• Цифровой переключатель
• Клипперы
• Цепи колебаний

В этой статье рассказывается, что такое биполярные переходные транзисторы, их типы, преимущества, применение и характеристики. биполярные переходные транзисторы.Таким образом, это все о биполярном переходном транзисторе. Это наиболее широко используемые устройства для усиления всех видов электрических сигналов в дискретных схемах, которые разработаны с отдельными компонентами вместо микросхем. Они доступны в нескольких типах и различных формах, например, BUH515, 2N3055, 2N2219, 2N6487, BD135, BD136 и 2N222.