Биполярные транзисторы – электронные полупроводниковые приборы, отличающиеся от полевых способом переноса заряда. В полевых (однополярных) транзисторах, используемых в основном в цифровых устройствах, заряд переносится или дырками, или электронами. В биполярных же в процессе участвуют и электроны, и дырки. Биполярные транзисторы, как и другие типы транзисторов, в основном используются в качестве усилителей сигнала. Применяются в аналоговых устройствах.
Особенности устройства биполярного транзистора
Биполярный транзистор включает в себя три области:
- эмиттер;
- базу – очень тонкую, которая изготавливается из слаболегированного полупроводника, сопротивление этой области высокое;
- коллектор – его область больше по размерам, чем область эмиттера.
К каждой области припаяны металлоконтакты, служащие для подсоединения прибора в электроцепь.
Электропроводность коллектора и эмиттера одинакова и противоположна электропроводности базы. В соответствии с видом проводимости областей, различают p-n-p или n-p-n приборы. Устройства являются несимметричными из-за разницы в площади контакта – между эмиттером и базой она значительно ниже, чем между базой и коллектором. Поэтому К и Э поменять местами путем смены полярности невозможно.
Принцип работы биполярного транзистора
Этот тип транзистора имеет два перехода:
- электронно-дырочный между эмиттером и базой – эмиттерный;
- между коллектором и базой – коллекторный.
Дистанция между переходами маленькая. Для высокочастотных деталей она составляет менее 10 мкм, для низкочастотных – до 50 мкм. Для активации прибора на него подают напряжение от стороннего ИП. Принцип действия биполярных транзисторов с p-n-p и n-p-n переходами одинаков. Переходы могут функционировать в прямом и обратном направлениях, что определяется полярностью подаваемого напряжения.
Режимы работы биполярных транзисторов
Режим отсечки
Переходы закрыты, прибор не работает. Этот режим получают при обратном подключении к внешним источникам. Через оба перехода протекают обратные малые коллекторные и эмиттерные токи. Часто считается, что прибор в этом режиме разрывает цепь.
Активный инверсный режим
Является промежуточным. Переход Б-К открыт, а эмиттер-база – закрыт. Ток базы в этом случае значительно меньше токов Э и К. Усиливающие характеристики биполярного транзистора в этом случае отсутствуют. Этот режим востребован мало.
Режим насыщения
Прибор полностью открыт. Оба перехода подключаются к источникам тока в прямом направлении. При этом снижается потенциальный барьер, ограничивающий проникновение носителей заряда. Через эмиттер и коллектор начинают проходить токи, которые называют «токами насыщения».
Схемы включения биполярных транзисторов
В зависимости от контакта, на который подается источник питания, различают 3 схемы включения приборов.
С общим эмиттером
Эта схема включения биполярных транзисторов обеспечивает наибольшее увеличение вольтамперных характеристик (ВАХ), поэтому является самой востребованной. Минус такого варианта – ухудшение усилительных свойств прибора при повышении частоты и температуры. Это означает, что для высокочастотных транзисторов рекомендуется подобрать другую схему.
С общей базой
Применяется для работы на высоких частотах. Уровень шумов снижен, усиление не очень велико. Каскады приборов, собранные по такой схеме, востребованы в антенных усилителях. Недостаток варианта – необходимость в двух источниках питания.
С общим коллектором
Для такого варианта характерна передача входного сигнала обратно на вход, что существенно уменьшает его уровень. Коэффициент усиления по току – высокий, по напряжению – небольшой, что является минусом этого способа. Схема приемлема для каскадов приборов в случаях, если источник входного сигнала обладает высоким входным сопротивлением.
Какие параметры учитывают при выборе биполярного транзистора?
- Материал, из которого он изготовлен, – арсенид галлия или кремний.
- Частоту. Она может быть – сверхвысокая (более 300 МГц), высокая (30-300 МГц), средняя – (3-30 МГц), низкая (менее 3 МГц).
- Максимальную рассеиваемую мощность.
Была ли статья полезна?
Да
Нет
Оцените статью
Что вам не понравилось?
Анатолий Мельник
Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.
|
Транзистор – прибор, предназначенный для управления током в электрической цепи. Применяется практически во всех моделях видео- и аудио аппаратуры. Полупроводниковые транзисторы пришли на смену морально устаревшим ламповым, которые устанавливались в старые телевизоры. Для изготовления полупроводниковых моделей ранее использовался германий, но сферы его применения ограничены из-за чувствительности к температурным колебаниям. На смену германию пришел кремний, т.к. кремниевые детали стоят дешевле германиевых и более устойчивы к скачкам температуры. Транзисторы небольшой мощности изготавливают в прямоугольных корпусах из полимерных материалов или в металлических цилиндрических. В этой статье мы постараемся простыми словами изложить, что такое транзистор, как он устроен и что делает. 
Транзисторы Устройство транзисторовНаиболее популярный вид полупроводникового транзистора – биполярный. В устройство транзистора этого типа входит монокристалл, разделенный на 3 зоны: база (Б), коллектор (К) и эмиттер (Э), каждая из которых имеет свой вывод.
Типы проводимости:
Требуемый тип проводимости достигается путем легирования различных частей кремниевого монокристалла. Легирование – это добавление в состав материала различных примесей для улучшения физических и химических свойств этого материала. Транзисторы по типу проводимости раздаются на два типа: n-p-n и p-n-p. Принцип работы транзистораТранзистор работает в режимах «Открыто» и «Закрыто». Рассмотрим, как работает транзистор биполярного типа на уровне «чайников», и на каких физических процессах основано его функционирование. В таком транзисторе коллектор и эмиттер сильно легированы, база тонкая, содержит малое количество примесей. Простое изложение принципа работы биполярного транзистора:
Если к эмиттеру и базе подключают напряжение, противоположное по знаку, ток прекращается, и транзистор переходит в закрытое состояние. Как работает транзистор – видеоБыла ли статья полезна?Да Нет Оцените статью Что вам не понравилось? Другие материалы по теме Анатолий Мельник Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент. |
Принцип работы биполярного транзистора
В свое время транзисторы пришли на смену электронным лампах. Это произошло благодаря тому, что они имеют меньшие габариты, высокую надежность и менее затратную стоимость производства. Сейчас, биполярные транзисторы являются основными элементами во всех усилительных схемах.
Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый элемент, имеющий трехслойную структуру, которая образует два электронно-дырочных перехода. Поэтому транзистор можно представить в виде двух встречно включенных диода. В зависимости от того, что будет являться основными носителями заряда, различают
База – слой полупроводника, который является основой конструкции транзистора.
Эмиттером называется слой полупроводника, функция которого инжектирование носителей заряда в слой базы.
Коллектором называется слой полупроводника, функция которого собирать носители заряда прошедшие через базовый слой.
Как правило, эмиттер содержит намного большее количество основных зарядов, чем база. Это основное условие работы транзистора, потому что в этом случае, при прямом смещении эмиттерного перехода, ток будет обуславливаться основными носителями эмиттера. Эмиттер сможет осуществлять свою главную функцию – впрыск носителей в слой базы. Обратный ток эмиттера обычно стараются сделать как можно меньше. Увеличение основных носителей эмиттера достигается с помощью высокой концентрации примеси.
Базу делают как можно более тонкой. Это связано с временем жизни зарядов. Носители зарядов должны пересекать базу и как можно меньше рекомбинировать с основными носителями базы, для того чтобы достигнуть коллектора.
Для того чтобы коллектор мог наиболее полнее собирать носители прошедшие через базу его стараются сделать шире.
Принцип работы транзистора
Рассмотрим на примере p-n-p транзистора.
В отсутствие внешних напряжений, между слоями устанавливается разность потенциалов. На переходах устанавливаются потенциальные барьеры. Причем, если количество дырок в эмиттере и коллекторе одинаковое, тогда и потенциальные барьеры будут одинаковой ширины.
Для того чтобы транзистор работал правильно, эмиттерный переход должен быть смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном. Это будет соответствовать активному режиму работы транзистора. Для того чтобы осуществить такое подключение, необходимы два источника. Источник с напряжением Uэ подключается положительным полюсом к эмиттеру, а отрицательным к базе. Источник с напряжением Uк подключается отрицательным полюсом к коллектору, а положительным к базе. Причем Uэ < Uк.
Под действием напряжения Uэ, эмиттерный переход смещается в прямом направлении. Как известно, при прямом смещении электронно-дырочного перехода, внешнее поле направлено противоположно полю перехода и поэтому уменьшает его. Через переход начинают проходить основные носители, в эмиттере это дырки 1-5, а в базе электроны 7-8. А так как количество дырок в эмиттере больше, чем электронов в базе, то эмиттерный ток обусловлен в основном ими.
Эмиттерный ток представляет собой сумму дырочной составляющей эмиттерного тока и электронной составляющей базы.
Так как полезной является только дырочная составляющая, то электронную стараются сделать как можно меньше. Качественной характеристикой эмиттерного перехода является коэффициент инжекции.
Коэффициент инжекции стараются приблизить к 1.
Дырки 1-5 перешедшие в базу скапливаются на границе эмиттерного перехода. Таким образом, создается высокая концентрация дырок возле эмиттерного и низкая концентрация возле коллекторного перехода, в следствии чего начинается диффузионное движение дырок от эмиттерного к коллекторному переходу. Но вблизи коллекторного перехода концентрация дырок остается равной нулю, потому что как только дырки достигают перехода, они ускоряются его внутренним полем и экстрагируются (втягиваются) в коллектор. Электроны же, отталкиваются этим полем.
Пока дырки пересекают базовый слой они рекомбинируют с электронами находящимися там, например, как дырка 5 и электрон 6. А так как дырки поступают постоянно, они создают избыточный положительный заряд, поэтому, должны поступать и электроны, которые втягиваются через вывод базы и образуют базовый ток Iбр. Это важное условие работы транзистора – концентрация дырок в базе должна быть приблизительно равна концентрации электронов. Другими словами должна обеспечиваться электронейтральность базы.
Количество дырок дошедших до коллектора, меньше количество дырок вышедших из эмиттера на величину рекомбинировавших дырок в базе. То есть, ток коллектора отличается от тока эмиттера на величину тока базы.
Отсюда появляется коэффициент переноса носителей, который также стараются приблизить к 1.
Коллекторный ток транзистора состоит из дырочной составляющей Iкр и обратного тока коллектора.
Обратный ток коллектора возникает в результате обратного смещения коллекторного перехода, поэтому он состоит из неосновных носителей дырки 9 и электрона 10. Именно потому, что обратный ток образован неосновными носителями, он зависит только от процесса термогенерации, то есть от температуры. Поэтому его часто называют тепловым током.
От величины теплового тока зависит качество транзистора, чем он меньше, тем транзистор качественнее.
Коллекторный ток связан с эмиттерным коэффициентом передачи тока.
Токи в транзисторе можно представить следующим образом
Основное соотношение для токов транзистора
Ток коллектора можно выразить как
Из вышесказанного можно сделать вывод, что изменяя ток в цепи база – эмиттер, мы можем управлять выходным током коллектора. Причем незначительное изменение тока базы, вызывает значительное изменение тока коллектора.
Как работает биполярный транзистор | Volt-info
Если рассматривать механические аналоги, то работа транзисторов напоминает принцип действия гидравлического усилителя руля в автомобиле. Но, сходство справедливо только при первом приближении, поскольку в транзисторах нет клапанов. В этой статье мы отдельно рассмотрим работу биполярного транзистора.
Устройство биполярного транзистора
Основой устройства биполярного транзистора является полупроводниковый материал. Первые полупроводниковые кристаллы для транзисторов изготавливали из германия, сегодня чаще используется кремний и арсенид галлия. Сначала производят чистый полупроводниковый материал с хорошо упорядоченной кристаллической решеткой. Затем придают необходимую форму кристаллу и вводят в его состав специальную примесь (легируют материал), которая придаёт ему определённые свойства электрической проводимости. Если проводимость обуславливается движением избыточных электронов, она определяется как донорная (электронная) n-типа. Если проводимость полупроводника обусловлена последовательным замещением электронами вакантных мест, так называемых дырок, то такая проводимость называется акцепторной (дырочной) и обозначается проводимостью p-типа.
Рисунок 1.
Кристалл транзистора состоит из трёх частей (слоёв) с последовательным чередованием типа проводимости (n-p-n или p-n-p). Переходы одного слоя в другой образуют потенциальные барьеры. Переход от базы к эмиттеру называется эмиттерным (ЭП), к коллектору – коллекторным (КП). На рисунке 1 структура транзистора показана симметричной, идеализированной. На практике при производстве размеры областей значительно ассиметричны, примерно как показано на рисунке 2. Площадь коллекторного перехода значительно превышает эмиттерный. Слой базы очень тонкий, порядка нескольких микрон.
Рисунок 2.
Принцип действия биполярного транзистора
Любой p-n переход транзистора работает аналогично диоду. При приложении к его полюсам разности потенциалов происходит его “смещение”. Если приложенная разность потенциалов условно положительна, при этом p-n переход открывается, говорят, что переход смещён в прямом направлении. При приложении условно отрицательной разности потенциалов происходит обратное смещение перехода, при котором он запирается. Особенностью работы транзистора является то, что при положительном смещении хотя бы одного перехода, общая область, называемая базой, насыщается электронами, или электронными вакансиями (в зависимости от типа проводимости материала базы), что обуславливает значительное снижение потенциального барьера второго перехода и как следствие, его проводимость при обратном смещении.
Режимы работы
Все схемы включения транзистора можно разделить на два вида: нормальную и инверсную.
Рисунок 3.
Нормальная схема включения транзистора предполагает изменение электрической проводимости коллекторного перехода путём управления смещением эмиттерного перехода.
Инверсная схема, в противоположность нормальной, позволяет управлять проводимостью эмиттерного перехода посредством управления смещением коллекторного. Инверсная схема является симметричным аналогом нормальной, но в виду конструктивной асимметрии биполярного транзистора малоэффективна для применения, имеет более жёсткие ограничения по максимально допустимым параметрам и практически не используется.
При любой схеме включения транзистор может работать в трёх режимах: Режим отсечки, активный режим и режим насыщения.
Для описания работы направление электрического тока в данной статье условно принято за направление электронов, т.е. от отрицательного полюса источника питания к положительному. Воспользуемся для этого схемой на рисунке 4.
Рисунок 4.
Режим отсечки
Для p-n перехода существует значение минимального напряжения прямого смещения, при котором электроны способны преодолеть потенциальный барьер этого перехода. То есть, при напряжении прямого смещения до этой пороговой величины через переход не может протекать ток. Для кремниевых транзисторов величина такого порога равна примерно 0,6 В. Таким образом, при нормальной схеме включения, когда прямое смещение эмиттерного перехода не превышает 0,6 В (для кремниевых транзисторов), ток через базу не протекает, она не насыщается электронами, и как следствие отсутствует эмиссия электронов базы в область коллектора, т.е. ток коллектора отсутствует (равен нулю).
Таким образом, для режима отсечки необходимым условием являются тождества:
UБЭ<0,6 В
или
IБ=0
Активный режим
В активном режиме эмиттерный переход смещается в прямом направлении до момента отпирания (начала протекания тока) напряжением больше 0,6 В (для кремниевых транзисторов), а коллекторный – в обратном. Если база обладает проводимостью p-типа, происходит перенос (инжекция) электронов из эмиттера в базу, которые моментально распределяются в тонком слое базы и почти все достигают границы коллектора. Насыщение базы электронами приводит к значительному уменьшению размеров коллекторного перехода, через который электроны под действием отрицательного потенциала со стороны эмиттера и базы вытесняются в область коллектора, стекая через вывод коллектора, обуславливая тем самым ток коллектора. Очень тонкий слой базы ограничивает её максимальный ток, проходящий через очень малое сечение поперечного разреза в направлении вывода базы. Но эта малая толщина базы обуславливает её быстрое насыщение электронами. Площадь переходов имеет значительные размеры, что создаёт условия для протекания значительного тока эмиттер-коллектор, в десятки и сотни раз превышающий ток базы. Таким образом, пропуская через базу незначительные токи, мы можем создавать условия для прохождения через коллектор токов гораздо большей величины. Чем больше ток базы, тем больше её насыщение, и тем больше ток коллектора. Такой режим позволяет плавно управлять (регулировать) проводимостью коллекторного перехода соответствующим изменением (регулированием) тока базы. Это свойство активного режима транзистора используется в схемах различных усилителей.
В активном режиме ток эмиттера транзистора складывается из тока базы и коллектора:
IЭ=IК+IБ
Ток коллектора можно выразить соотношением:
IК=αIЭ
где α – коэффициент передачи тока эмиттера
Из приведённых равенств можно получить следующее:
где β – коэффициент усиления тока базы.
Режим насыщения
Предел увеличения тока базы до момента, когда ток коллектора остаётся неизменным определяет точку максимального насыщения базы электронами. Дальнейшее увеличение тока базы не будет изменять степень её насыщения, и ни как не будет влиять на ток коллектора, может привести к перегреву материала в области контакта базы и выходу транзистора из строя. В справочных данных на транзисторы могут быть указаны величины тока насыщения и максимально допустимого тока базы, либо напряжения насыщения эмиттер-база и максимально допустимого напряжения эмиттер-база. Эти пределы определяют режим насыщения транзистора при нормальных условиях его работы.
Режим отсечки и режим насыщения эффективны при работе транзисторов в качестве электронных ключей для коммутации сигнальных и силовых цепей.
Отличие в принципе работы транзисторов с различными структурами
Выше был рассмотрен случай работы транзистора n-p-n структуры. Транзисторы p-n-p структуры работают аналогично, но есть принципиальные отличия, которые следует знать. Полупроводниковый материал с акцепторной проводимостью p-типа обладает сравнительно низкой пропускной способностью электронов, так как основан на принципе перехода электрона от одного вакантного места (дырки) к другому. Когда все вакансии замещены электронами, то их движение возможно только по мере появления вакансий со стороны направления движения. При значительной протяжённости участка такого материала он будет обладать значительным электрическим сопротивлением, что приводит к большим проблемам при его использовании в качестве наиболее массивных коллекторе и эмиттере биполярных транзисторов p-n-p типа, чем при использовании в очень тонком слое базы транзисторов n-p-n типа. Полупроводниковый материал с донорной проводимостью n-типа обладает электрическими свойствами проводящих металлов, что делает его более выгодным для использования в качестве эмиттера и коллектора, как в транзисторах n-p-n типа.
Эта отличительная особенность различных структур биполярных транзисторов приводит к большим затруднениям при производстве пар компонент с различными структурами и аналогичными друг другу электрическими характеристиками. Если обратить внимание на справочные данные характеристик пар транзисторов, можно заметить, что при достижении одинаковых характеристик двух транзисторов различных типов, например КТ315А и КТ361А, несмотря на их одинаковую мощность коллектора (150 мВт) и примерно одинаковый коэффициент усиления по току (20-90), у них отличаются максимально допустимые токи коллектора, напряжения эмиттер-база и пр.
P.S. Данное описание принципа действия транзистора было интерпретировано с позиции Русской Теории, поэтому здесь нет описания действия электрических полей на вымышленные положительные и отрицательные заряды. Русская Физика даёт возможность пользоваться более простыми, понятными механическими моделями, наиболее приближенными к действительности, чем абстракции в виде электрических и магнитных полей, положительных и электрических зарядов, которые вероломно подсовывает нам традиционная школа. По этой причине не рекомендую без предварительного анализа и осмысления пользоваться изложенной теорией при подготовке к сдаче контрольных, курсовых и иных видов работ, Ваши преподаватели могут просто не принять инакомыслие, даже конкурентоспособное и вполне состоятельное с точки зрения здравого смысла и логики. Кроме того, с моей стороны это первая попытка описания работы полупроводникового прибора с позиции Русской Физики, может уточняться и дополняться в дальнейшем.
Биполярный транзистор: принцип работы | joyta.ru
В этой статье постараемся описать принцип работы самого распространенного типа транзистора — биполярного. Биполярный транзистор является одним из главных активных элементов радиоэлектронных устройств. Предназначение его – работа по усилению мощности электрического сигнал поступающего на его вход. Усиление мощности осуществляется посредством внешнего источника энергии. Транзистор — это радиоэлектронный компонент, обладающий тремя выводами
Конструкционная особенность биполярного транзистора
Для производства биполярного транзистора нужен полупроводник дырочного или электронного типа проводимости, который получают методом диффузии либо сплавления акцепторными примесями. В результате этого с обоих сторон базы образуются области с полярными видами проводимостей.
Биполярные транзисторы по проводимости бывают двух видов: n-p-n и p-n-p. Правила работы, которым подчинен биполярный транзистор, имеющий n-p-n проводимость (для p-n-p необходимо поменять полярность приложенного напряжения):
- Положительный потенциал на коллекторе имеет большее значение по сравнению с эмиттером.
- Любой транзистор имеет свои максимально допустимые параметры Iб, Iк и Uкэ, превышение которых в принципе недопустимо, так как это может привести к разрушению полупроводника.
- Выводы база — эмиттер и база — коллектор функционируют наподобие диодов. Как правило, диод по направлению база — эмиттер открыт, а по направлению база — коллектор смещен в противоположном направлении, то есть поступающее напряжение мешает протеканию электрического тока через него.
- Если пункты с 1 по 3 выполнены, то ток Iк прямо пропорционален току Iб и имеет вид: Iк = hэ21*Iб, где hэ21 является коэффициентом усиления по току. Данное правило характеризует главное качество транзистора, а именно то, что малый ток базы оказывает управление мощным током коллектора.
Для разных биполярных транзисторов одной серии показатель hэ21 может принципиально разниться от 50 до 250. Его величина так же зависит от протекающего тока коллектора, напряжения между эмиттером и коллектором, и от температуры окружающей среды.
Изучим правило №3. Из него вытекает, что напряжение, приложенное между эмиттером и базой не следует значительно увеличивать, поскольку, если напряжение базы будет больше эмиттера на 0,6…0,8 В (прямое напряжение диода), то появится крайне большой ток. Таким образом, в работающем транзисторе напряжения на эмиттере и базе взаимосвязаны по формуле: Uб =Uэ + 0,6В (Uб=Uэ+Uбэ)
Еще раз напомним, что все указанные моменты относятся к транзисторам, имеющим n-p-n проводимость. Для типа p-n-p все следует изменить на противоположное.
Еще следует обратить внимание на то, что ток коллектора не имеет связи с проводимостью диода, поскольку, как правило, к диоду коллектор — база поступает обратное напряжение. В добавок , ток протекающий через коллектор весьма мало зависит от потенциала на коллекторе (данный диод аналогичен малому источнику тока)
Биполярный транзистор принцип работы
При включении транзистора в режиме усиления, эмиттерный переход получается открытым, а переход коллектора закрыт. Это получается путем подключения источников питания.
Поскольку эмиттерный переход открыт, то через него будет проходить эмиттерный ток, возникающий из-за перехода дырок из базы в эмиттер, а так же электронов из эмиттера в базу. Таким образом, ток эмиттера содержит две составляющие – дырочную и электронную. Коэффициент инжекции определяет эффективность эмиттера. Инжекцией зарядов именуют перенос носителей зарядов из зоны, где они были основными в зону, где они делаются неосновными.
В базе электроны рекомбинируют, а их концентрация в базе восполняется от плюса источника ЕЭ. В результате этого в электрической цепи базы будет течь довольно слабый ток. Оставшиеся электроны, не успевшие рекомбинировать в базе, под разгоняющим воздействием поля запертого коллекторного перехода, как неосновные носители, будут перемещаться в коллектор, создавая коллекторный ток. Перенос носителей зарядов из зоны, где они были неосновными, в зону, где они становятся основными, именуется экстракцией электрических зарядов.
Автор Даниил Леонидович На чтение 9 мин. Просмотров 32k. Опубликовано
В свое время за открытие транзистора его создатели удостоились Нобелевской премии. Этот маленький прибор изменил человечество навсегда: начиная с простых радиоприемников и заканчивая процессорами, в которых их число достигает нескольких миллиардов. Между тем, чтобы узнать, как он работает, не нужно быть золотым медалистом или лауреатом «нобелевки».
Что такое транзистор
Транзистор – это прибор, изготовленный из полупроводниковых материалов. Выглядит как маленькая металлическая пластинка с тремя контактами. Назначений у него два: усиливать поступающий сигнал и участвовать в управлении компонентами электроприборов.
Принцип действия
Полупроводники занимают промежуточное состояние между проводниками и диэлектриками. В обычном состоянии они не проводят электрический ток, но их сопротивление падает с ростом температуры. Чем она выше, тем больше энергии, которую получает вещество.
В атомах полупроводника электроны отрываются от «родительского» атома и улетают к другому, чтобы заполнить там «дырку», которую оставил такой же электрон. Получается, что внутри такого материала одновременно происходят два процесса: полет электронов (n-проводимость, от слова negative – отрицательный), и образование «дырок» (p-проводимость от слова positive – положительный). В обычном куске кремния эти процессы уравновешены: количество дырок равно количеству свободных электронов.
Однако с помощью специальных веществ можно нарушить это равновесие, добавив «лишние» электроны (вещества – доноры) или «лишние» «дырки» (вещества акцепторы). Таким образом можно получить кристалл полупроводника с преобладающей n-проводимостью, либо p-проводимостью.
Если два таких материала приложить друг к другу, то в месте их соприкосновения образуется так называемый p-n переход. Дырки и электроны проходят через него, насыщая соседа. То есть там, где был избыток дырок, идет их заполнение электронами и наоборот.
В какой-то момент в месте соприкосновения не останется свободных носителей заряда и наступит равновесие. Это своего рода барьер, который невозможно преодолеть, этакая пустыня. Этот слой принято называть обедненным слоем.
Теперь, если приложить к такому материалу напряжение, то оно поведет себя интересным образом: при прямой его направленности обедненный слой истончится и через него пойдет электроток, а при обратном – наоборот, расширится.
Как говорится, если для чайников, то p-n переход обладает способностью пропускать ток только в одном направлении. Это своего рода «обратный клапан» для электрической сети. На этом их свойстве основана работа всех полупроводниковых приборов.
Существует две основные разновидности транзисторов: полевые (иногда их называют униполярными) и биполярными. Различаются они по устройству и принципу действия.
Биполярный транзистор
Биполярный транзистор обладает двумя переходами: p-n-p или n-p-n. Принципиальное различие между ними – направление течения тока.
Коллектор и эмиттер, обладающие одинаковой проводимостью (в n-p-n транзисторе n-проводимостью), разделены базой, которая обладает p-проводимостью. Если даже эмиттер подключен к источнику питания, ему не пробиться напрямую в коллектор. Для этого необходимо подать ток на базу.
В таком случае электроны из эмиттера заполняют «дырки» последней. Но так как база слабо легирована, то и дырок в ней мало. Поэтому большая часть электронов переходит в коллектор и они начинают свое движение по цепи. Ток коллектора практически равен току эмиттера, ведь на базу приходится очень маленькое его значение.
Чтобы нагляднее себе это представить, можно воспользоваться аналогией с водопроводной трубой. Для управления количеством воды нужен вентиль (транзистор). Если приложить к нему небольшое усилие, он увеличит свое проходное сечение трубы и через него начнет проходить больше воды.
Полевой транзистор
Если в биполярном транзисторе управление происходило с помощью тока, то в полевом – с помощью напряжения. Состоит он из пластинки полупроводника, которую называют каналом. С одной стороны к ней подключен исток – через него в канал входят носители электрического тока, а с другой сток – через него они покидают канал.
Сам канал как бы «зажат» между затвором, который обладает обратной проводимостью, то есть если канал имеет n-проводимость, то затвор – p-проводимость. Затвор электрически отделен от канала. Изменяя напряжение на затворе, можно регулировать зону p-n перехода. Чем она больше, тем меньше электрической энергии проходит через канал. Существует значение напряжения, при котором затвор полностью перекроет канал и ток между истоком и стоком прекратится.
Наиболее наглядная иллюстрация в этом случае – садовый шланг, который проходит через камеру небольшого колеса. В таком случае, даже когда в него подается небольшое давление воздуха (напряжение затвор-исток), оно значительно увеличивается в размерах и начинает пережимать шланг, перекрывается просвет шланга и прекращается подача воды (увеличивается зона p-n перехода и через канал перестает идти электроток).
Описанный выше тип полупроводникового прибора является классическим и называется транзистором с управляющим p-n переходом. Часто можно встретить аббревиатуру JFET – Junction FET, что просто перевод русского названия на английский.
Другой тип полевого триода имеет небольшое различие в конструкции затвора. На слое кремния с помощью окисления образуется слой диэлектрика оксида кремния. Уже на него методом напыления металла наносят затвор. Получаются чередующиеся слои Металл -Диэлектрик – Полупроводник или МДП-затвор.
Такой полевой транзистор с изолированным затвором обозначается латинскими буквами MOSFET.
Существует два вида МДП-затвора:
- МДП-затвор с индуцированным (или инверсным) каналом в обычном состоянии закрыт, то есть при отсутствии напряжения на затворе электроток через канал не проходит. Для того, чтобы открыть его, к затвору необходимо приложить напряжение.
- МДП-затвор со встроенным (или собственным) каналом в обычном состоянии открыт, то есть при отсутствии напряжения на затворе электроток через канал проходит. Для того, чтобы закрыть его, к затвору необходимо приложить напряжение.
Основные характеристики
Основная особенностью всех видов транзисторов является способность управлять мощным током с помощью небольшого по силе. Их отношение показывает насколько эффективен полупроводниковый прибор.
В биполярных транзисторах этот показатель называется статическим коэффициентом передачи тока базы. Он характеризует, во сколько раз основной коллекторный ток больше вызвавшего его тока базы. Этот параметр имеет очень широкое значение и может достигать 800.
Хотя на первый взгляд кажется, что здесь важен принцип «чем больше, тем лучше», но в действительности это не так. Скорее, тут применимо изречение «лучше меньше, да лучше». В среднем биполярные транзисторы имеют коэффициент передачи тока базы в пределах 10 – 50.
Для полевых транзисторов схожий по типу параметр называется крутизной входной характеристики или проводимостью прямой передачи тока. Если вкратце, он показывает, на сколько изменится напряжение, проходящее через канал, если изменить напряжение затвора на 1 В.
Если на транзистор подать сигнал с определенной частотой, то он многократно усилит его. Это свойство полупроводниковых приборов применяется в радиоэлектронике. Однако существует предел усиления частоты, за которым триод уже не в состоянии усилить сигнал.
Поэтому оптимальным считается максимальная рабочая частота сигнала, в 10-20 раз ниже предельного усиления частоты транзистора.
Еще одной показательной характеристикой транзистора является максимальная допустимая рассеиваемая мощность. Дело в том, что при работе любого электрического прибора вырабатывается тепло. Оно тем больше, чем выше значения силы тока и напряжения в цепи.
Отводится оно несколькими способами: с помощью специальных радиаторов, принудительного обдува воздухом и другими. Таким образом, существует некий предел количества теплоты для любого триода (для каждого он разный), который он может рассеять в пространство. Поэтому при выборе прибора исходят из характеристик электрической цепи, на который предстоит установить транзистор.
Типы подключений
Основная задача транзистора – усиливать поступающий сигнал. Проблема в том, что у любого триода имеются только три контакта, в то время как сам усилитель имеет четыре полюса – два для входящего сигнала и два для выходящего, то есть усиленного. Выход из положения – использовать один из контактов транзистора дважды: и как вход, и как выход.
По этому принципу различают три вида подключения. Стоит отметить, что не имеет принципиальной разницы, какой тип прибора используется – полевой или биполярный.
- Подключение с общим эмиттером (ОЭ) или общим истоком (ОИ). Эта схема подключения имеет наибольшие значения усиления мощности по току и напряжению. Однако из-за эффекта Миллера его частотные характеристики значительно хуже. Борются с этим негативным явлением несколькими способами: используют подключение с общей базой, применяют каскодное подключение двух транзисторов (подключённому по общему эмиттеру добавляется второй, подключенный по общей базе).
- Подключение с общей базой (ОБ) или общим затвором (ОЗ). Здесь полностью исключено влияние эффекта Миллера. Однако за это приходиться платить: в этой схеме усиления тока практически не происходит, зато имеется широкий диапазон для изменения частоты сигнала.
- Подключение с общим коллектором (ОК) или общим стоком (ОС). Такой тип подключения часто называют эмиттерным или истоковым повторителем. Это «золотая середина» между двумя предыдущими видами схем: частотные характеристики и мощность усиления по току и напряжению находятся где-то посередине между двумя первыми.
Все три описанных выше типа подключения применяются в зависимости от того, какие цели преследуют конструкторы.
Виды транзисторов
В первых транзисторах применялся германий, который работал не совсем стабильно. Со временем от него отказалось в пользу других материалов: кремния (самый распространённый) и арсенида галлия. Но все это традиционные полупроводники.
В настоящее время начинают набирать популярность триоды на основе органических материалов и даже веществ биологического происхождения: протеинов, пептидов, молекул хлорофилла и целых вирусов. Биотранзисторы используются в медицине и биотехнике.
Другие классификации транзисторов:
- По мощности подразделяются на маломощные (до 0,1 Вт), средней мощности (от 0,1 до 1 Вт) и просто мощные (свыше 1 Вт).
- Также разделяются по материалу корпуса (металл или пластмасса), типу исполнения (в корпусе, бескорпусные, в составе интегральных схем).
- Нередко их объединяют друг с другом для улучшения характеристик. Такие транзисторы называются составными или комбинированными и могут состоять из двух и более полупроводниковых приборов. Строение и у них простое: эмиттер первого является базой для второго и так далее до необходимого количества триодов. Бывает нескольких типов: Дарлинга (все составляющие с одинаковым типом проводимости), Шиклаи (тип проводимости разный), каскодный усилитель (два прибора, работающие как один с подключением по схеме с общим эмиттером).
- К составным относится также и IGBT-транзистор, представляющий собой биполярный, который управляется при помощи полярного триода с изолированным затвором. Такой тип полупроводниковых приборов применяется в основном там, где нужно управлять большим током (сварочные аппараты, городские электросети) или электромеханическими приводами (электротранспорт).
- В качестве управления может применяться не ток, а другое электромагнитное воздействие. К примеру, в фототранзисторах в качестве базы используется чувствительный фотоэлемент, а в магнитотранзисторах – материал, индуцирующий ток при воздействии на него магнитного поля.
Технологический предел для транзисторов еще не достигнут. Их размеры уменьшаются с каждым голом, а различные научно-исследовательские институты ведут поиск новых материалов для использования в качестве полупроводника. Можно сказать, что эти полупроводниковые приборы еще не сказали миру своего последнего слова.
Транзистор (полупроводниковый триод) — это радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала (обычно с тремя выводами), способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет использовать его для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов.
Биполярные транзисторы являются более распространенным типом. К его базе подается небольшой ток, а он в свою очередь, управляет количеством тока, протекающего между коллектором и эмиттером. В данном обзоре будет подробно рассмотрены принцип работы и устройство такого транзистора. Детально разобравшись, как работает полупроводниковый триод, вы без труда разберетесь в терминологии и поймете всю суть процессов.
Устройство биполярного транзистора
Транзисторы — это довольно сложные устройства. Для лучшего понимания рассмотрим только наиболее простой тип радиоэлектронного компонента, с которыми радиолюбителям приходится сталкиваться чаще всего.
В устройство биполярного транзистора входит монокристалл, разделенный на три зоны, имеющие свой вывод:
 | Б – база, очень тонкий внутренний слой. |
| Э – эмиттер, предназначается для переноса заряженных частиц в базу. | |
| К – коллектор, составляющая, которая имеет тип проводимости, одинаковый с эмиттером, предназначена для сбора зарядов, поступивших с эмиттера. |
Расшифруем все эти определения и более детально погрузимся в мир транзисторов, изготовленных из полупроводника кремния (Si):
Каждый атом кремния образует связи с четырьмя соседними атомами кремния. Кремний имеет 4 электрона в своей валентной оболочке. И каждый электрон становится общим с соседним атомом кремния. Рассмотренная связь называется ковалентной.
Чистый кремний характеризуется низкой электропроводностью. И чтобы кремний смог проводить электричество, электроны должны поглотить некоторое количество энергии и стать свободными электронами.
Легирование кремниевой пластиныМетод легирования применяется для улучшения электропроводности полупроводников. Например вводится пяти валентный фосфор (P) или сурьма (Sb) — один электрон окажется свободным и сможет перемещаться в системе. Данный метод называется легирование донорной примесью или примесью n типа. Если ввести трех валентный бор (B), образуется свободное место (дырка), которое может занять электрон. Соседний электрон может занять дырку в любой момент. Такое движение электронов может быть представлено в виде движения дыр в противоположном направлении. Это называется легированием акцепторной примесью или примесью p типа.
Выполнив легирование кремниевой пластины данными способами получается транзистор, у которого имеются следующие типы проводимости:
- n тип — носителями зарядов являются электроны.
- p тип — носителями зарядов являются положительно заряженные дыры.
Транзисторы по типу проводимости раздаются на два типа: n-p-n и p-n-p:
Разобравшись с легированием кремниевой пластины и определившись с типами проводимости, можно переходить к рассмотрению принципа работы транзистора.
Принцип работы транзистора
Чтобы понять, как работает транзистор, нужно разобраться в том, что происходит с электронами его базового элемента (диода). Диод образуется если легировать одну часть кремния примесью p типа, а другую примесью n типа. На границе этих частей будет происходить следующее:
Зная вышеописанный принцип работы, можно легко понять как работает транзистор. Ведь фактически транзистор — это два зеркально соединенных диода с очень тонким и слаболегированным p слоем. Поэтому, как бы не был подключен источник питания, один диод будет всегда обратно смещенным и будет препятствовать прохождению тока. Это означает, что транзистор находится в закрытом состоянии. Посмотрим как это выглядит на схеме:
Транзистор находится в закрытом состоянииПодключим второй источник энергии (смотреть схему). Напряжение его должно быть достаточным, чтобы преодолеть потенциальный барьер. Получаем обычный диод с прямым смещением, и большое количество электронов будет перемещаться из n области. Некоторые электроны займут свободные дырки и перемещаясь по соседним свободным дыркам будут двигаться к базе. Но электронов, перемещающихся в p область гораздо больше. И оставшиеся электроны будут притягиваться к положительному полюсу первого источника энергии и станут перемещаться далее.
Схема подключения второго источника энергии:
Принцип работы транзистораСтоит обратить внимание на то, что p область транзистора очень узкая, и гарантирует отсутствие потока оставшихся электронов к положительному полюсу второго источника энергии. То есть слабый базовый ток усиливается к коллектору. Если увеличить базовый ток, то коллекторный ток увеличится пропорционально. Это простой пример усиления тока при помощи биполярного транзистора (β = Ic ⁄ Ib).
Материалы корпуса транзисторов
Транзисторы небольшой мощности изготавливают в прямоугольных корпусах из полимерных материалов или в металлических (цилиндрической формы). Можно найти десятки разных типов транзисторных корпусов совершенно отличных форм и размеров.
Сам полупроводник, основа транзистора, имеет размер песчинки или даже меньший. К нему практически невозможно подпаять провода, поэтому кристалл помещают в более просторный корпус из металла или пластика.
Рассмотрев принцип работы транзистора, можно отметить что несмотря на довольно простое устройство, данный полупроводниковый компонент играет важную роль в схемотехнике.
90000 Bipolar Junction Transistors (BJT) and Its Applications 90001 90002 BJT was invented in 1948 by William Shockley, Brattain, and John Bardeen which has remolded not only the world of electronics but also in our day to day life. The Bipolar junction transistors use both charge carriers that are electron and holes. Indifference the unipolar transistors such as field-effect transistors use only one kind of charge carrier. For the operation purpose, BJT uses two semiconductor type n-type and p-type between two junctions.The main basic function of a BJT is to amplify current it will allow BJTs are used as amplifiers or switches to produce wide applicability in electronic equipment include mobile phones, industrial control, television, and radio transmitters. There are two different types of BJTs are available, they are NPN and PNP. 90003 90004 What is a BJT? 90005 90002 The Bipolar junction transistor is a solid-state device and in the BJTs the current flow in two terminals, they are emitter and collector and the amount of current controlled by the third terminal i.e. base terminal. It is different from the other type of transistor i.e. Field-effect transistor which is the output current is controlled by the input voltage. The basic symbol of the BJTs n-type and p-type is shown below. 90003 90008 90009 90009 Bipolar Junction Transistors 90004 Types of Bipolar Junction Transistors 90005 90002 As we have seen a semiconductor offer less resistance to flow current in one direction and high resistance is another direction and we can call transistor as the device mode of the semiconductor.The bipolar junction transistors consist of two types of transistors. Which, given us 90003 90015 90016 Point contact 90017 90016 Junction transistor 90017 90020 90002 By comparing two transistors the junction transistors are used more than point type transistors. Further, the junction transistors are classified into two types which are given below. There are three electrodes for each junction transistor they are emitter, collector, and base 90003 90015 90016 PNP junction transistors 90017 90016 NPN junction transistors 90017 90020 90029 PNP Junction Transistor 90030 90002 In the PNP transistors, the emitter is more positive with base and also with respect to the collector.The PNP transistor is a three-terminal device that is made from the semiconductor material. The three terminals are collector, base, and emitter and the transistor is used for switching and amplifying applications. The operation of the PNP transistor is shown below. 90003 90002 Generally, the collector terminal is connected to the positive terminal and the emitter to a negative supply with a resistor either the emitter or collector circuit. To the base terminal, the voltage is applied and it operates transistor as an ON / OFF state.The transistor is in the OFF state when the base voltage is the same as the emitter voltage. The transistor mode is in ON state when the base voltage decreases with respect to the emitter. By using this property the transistor can act on both applications like switch and amplifier. The basic diagram of the PNP transistor is shown below. 90003 90035 90035 90008 90029 NPN Junction Transistor 90030 90002 The NPN transistor is exactly opposite to the PNP transistor. The NPN transistor contains three terminals which are the same as the PNP transistor which are emitter, collector, and base.The operation of the NPN transistor is 90003 90002 Generally, the positive supply is given to the collector terminal and the negative supply to the emitter terminal with a resistor either the emitter or collector or emitter circuit. To the base terminal, the voltage is applied and it operated as an ONN / OFF state of a transistor. The transistor is in OFF state when the base voltage is the same as the emitter. If the base voltage is increased with respect to the emitter then the transistor mode is in ON state.By using this condition the transistor can act like both applications which are amplifier and switch. The basic symbol and the NPN configuration diagram as shown below. 90003 90044 90044 PNP & NPN Junction Transistor 90029 Hetero Bipolar Junction 90030 90002 The Hetero bipolar junction transistor is also a type is the bipolar junction transistor. It uses different semiconductor materials to the emitter and base region and produces heterojunction. The HBT can handle the singles of very high frequencies of several hundred GHz generally it is used in ultrafast circuits and mostly used in radiofrequency.Its applications are used in cellular phones, and RF power amplifiers. 90003 90050 Working Principle of BJT 90051 90002 The BE junction is forward bias and the CB is a reverse bias junction. The width of the depletion region of the CB junction is higher than the BE junction. The forward bias at the BE junction decreases the barrier potential and produces electrons to flow from the emitter to the base and the base is a thin and lightly doped it has very few holes and less amount of electrons from the emitter about 2% it recombine in the base region with holes and from the base terminal it will flow out.This initiates the base current flow due to the combination of electrons and holes. The leftover large number of electrons will pass the reverse bias collector junction to initiate the collector current. By using KCL we can observe the mathematical equation 90003 90002 90055 I 90056 E 90057 = I 90056 B 90057 + I 90056 C 90057 90062 90003 90002 The base current is very less as compared to emitter and collector current 90003 90002 90055 I 90056 E 90057 ~ I 90056 C 90057 90062 90003 90002 Here the operation of PNP transistor is the same as the NPN transistor the only difference is only holes instead of electrons.The below diagram shows the PNP transistor of the active mode region. 90003 90076 90076 Working Principle of BJT 90050 Advantages of BJT 90051 90015 90016 High driving capability 90017 90016 High-frequency operation 90017 90016 The digital logic family has an emitter-coupled logic used in BJTs as a digital switch 90017 90020 90050 Applications of BJT 90051 90002 Following are the two different types of applications in BJT they are 90003 90002 This article gives information about what is a bipolar junction transistor, Types of BJT, advantages, applications, and characteristics of the bipolar junction transistors.I hope the given information in the article is helpful to give some good information and understanding the project. For furthermore, if you have any queries regarding this article or on the electrical and electronic projects you can comment in the below section. Here is a question for you, if transistors are used in digital circuits they generally operate in which region? 90003 90002 90055 Photo Credits: 90062 90003.90000 How does Bipolar Transistor operate? 90001 90002 90003 90004 90002 90006 Bipolar transistor 90007 – three-ended (three electrodes), 90006 current-controlled 90007 90006 semiconductor 90007 electronic component, which has the ability to amplify the signals of direct current and alternating current, so 90006 every transistor belongs to the amplifiers family 90007. The amplifier is a device, which can control more power with usage of less power. 90004 90002 There are two types of bipolar transistors: 90006 N-P-N 90007 transistors and 90006 P-N-P 90007 transistors.Electrodes of the bipolar transistor have the following names: – 90006 C 90007 – collector, 90006 B 90007 – base, 90006 E 90007 – emitter. Silicon Si transistors are most often used (Threshold Voltage V 90026 T 90027 = 0.6 – 0.7V), less common are germanium Ge (V 90026 T 90027 = 0.2 – 0.3V). Transistors are used almost everywhere: from amplifiers, generators, power switching systems to computers and more advanced systems. 90004 90031 90032 90006 Bipolar Transistor – Tasks for students 90007 90035 90002 If you are a student or simply want to learn how to solve bipolar transistor tasks, please visit 90006 this section 90007 of our website where you can find a wide variety of electronic tasks.90004 90031 90032 90006 Bipolar Transistor – Construction 90007 90035 90002 Bipolar transistor 90006 consists of three semiconductor regions 90007 with different types of conductivity: N-P-N or P-N-P. In this example, two p-n junction forms (90006 diodes 90007): 90006 Base-Emitter 90007 (BE) and 90006 Base-Collector 90007 (BC). 90004 90055 90002 Fig. 1. NPN bipolar transistor symbol and the construction of its junctions 90004 90058 90002 Fig. 2. PNP bipolar transistor symbol and the construction of its junctions 90004 90061 90002 Fig.3. Diode replacement model of NPN transistor 90004 90064 90002 Fig. 4. Diode replacement model of PNP transistor 90004 90067 90002 Fig. 5. Distribution of currents in NPN transistor 90004 90032 90006 Bipolar Transistor – Principle of o 90007 90006 peration 90007 90035 90002 Main feature of bipolar transistors is the 90006 possibility to control a high current with usage of small one 90007. Depending on its operation point, transistor might be in four modes of operation: 90004 90080 90081 90006 Cut-off mode 90007 – Base-Emitter junction is not biased at all or it is reverse-biased.The collector’s current values are very small, 90084 90081 90006 Forward-active mode 90007 (most often called 90006 active mode 90007) – Base-Emitter junction is forward-biased and the Base-Collector junction is reverse-biased. Here, it is worth noting to not exceed the voltage of the junction (silicon or germanium diodes), which could result in the flow of large base current and possible damage to the transistor. Collector current takes a value of β times increased of the base current value.Base-Emitter voltage inject majority carriers from the emitter through the junction to the base – (in N-P-N electrons and in P-N-P holes). Carriers injected from the emitter into the base region (float) (the phenomenon of diffusion) into the region of Base-Collector junction region where their concentration is lower). Here, under the impact of the electric field in the depletion region they are attracted to the collector. As a result of these operations, a small current shall flow between the base and emitter allowing greater current to flow between the collector and emitter electrodes.90084 90081 90006 Reverse-active mode (inverted mode) 90007 – Base-Emitter junction is reverse biased and Base-Collector is forward biased. Current amplification is small, 90084 90081 90006 Saturation mode 90007 – Collector-Emitter Voltage drops to the small amount. Base current is so large that the collector circuit can not amplify it β times more. 90084 90099 90032 90006 Bipolar Transistor – Current-voltage characteristics 90007 90035 90104 90002 Fig. 6. Family of current-voltage characteristics of the bipolar transistor (OE) 90004 90002 Fig.7. Family of current-voltage characteristics of the bipolar transistor (OB) 90004 90002 These regions of the transistor are commonly used according to need for example: 90004 90080 90081 90006 Transistor as an amplifier 90007 – transistor operating in a forward-active region might be used to construct the system, which will amplify electrical current. 90084 90081 90006 As a switch (valve) 90007 – here the transition between saturation region (on) and cutoff (off) is used. It is used in digital and pulse circuits.90084 90099 90032 90006 Bipolar Transistor – 90007 90006 Limiting parameters 90007 90035 90080 90081 90006 V 90007 90026 90006 EB0max 90007 – 90027 the maximum permissible Base-Emitter reverse bias, 90084 90081 90006 V 90026 CB0max 90027 90007 – the maximum permissible Base-Collector reverse bias , 90084 90081 90006 V 90026 CE0max 90027 90007 – the maximum permissible Base-Emitter forward bias, 90084 90081 90006 I 90026 Cmax 90027 90007 – the maximums collector current, 90084 90081 90006 I 90026 Bmax 90027 90007 – the maximum base current.90084 90099 90032 90006 Bipolar Transistor – Operation systems 90007 90035 90002 90006 The system of common collector 90007 90004 90002 Amplified voltage of the input signal is put between the base and collector of the transistor, whereas the signal after amplification is received between collector and emitter. Voltage amplification of this circuit is close to unity, so the output of the amplifier receives “repeated” voltage from the input hence the second commonly used name of this amplifiers – emitter.90004 90171 90002 Fig. 8. The scheme of alternative current voltage of amplifier system with common emitter (OE) 90004 90002 90006 The system of common base 90007 90004 90002 Amplified voltage of the input signal is put between the base and emitter of the transistor, whereas the signal is received between the base and collector after amplification. 90004 90180 90002 Fig. 9. The scheme of alternative current voltage of amplifier system with common base (OB) 90004 90002 90006 The system of common collector 90007 90004 90002 Amplified voltage of the input signal is put between the base and emitter of the transistor, whereas the signal after amplification is received between the collector and emitter.Emitter electrode is therefore quite “common” for input and output signals – hence the name of the system. 90004 90189 90002 Fig. 10. The scheme of OC common collector 90004 90002 90006 Bipolar transistor as a switch 90007 90004 90002 The bipolar transistor is suited to be operating as a switch. The principle of its operation is based on two operation states of the transistor: cut-off and saturation. Under the influence of the signal (voltage), the transistor is activated and goes from the cut-off state, through the active state, to saturation.When there is no more control voltage, the transistor returns to the cut-off state. While in cut-off state, transistor has a very high resistance, so it will not pass any signal (it can be considered as a break in the circuit). However, when the transistor is saturated it has low resistance and the situation is opposite. 90004 90002 90006 The ideal transistor switch should change states almost immediately and have a very steep (vertical) transient characteristic and the switching time should equal zero.90007 90004 90002 There are ways to significantly speed up the operation of the transistor switching process: 90004 90080 90081 Decrease the value of the transistor’s base resistor, 90084 90081 Incorporate parallel capacitance to the transistor’s base resistor. It eliminates the integration effect and shortens the time of switching on the transistor, 90084 90081 Connect the base and collector of the transistor through a germanium diode (such switch becomes quasi-saturated), which is characterized by a higher saturation value and shorter switching times .Disadvantage of this system is the higher voltage value in the low state, because the transistor does not saturate. 90084 90081 Connecting the power supply to the base of the transistor. 90084 90099 90032 90006 Bipolar Transistor – Polarization systems 90007 90035 90002 The most frequently encountered bias systems of the transistors are presented below: 90004 90220 90002 Fig. 11. The system with potentiometric base power 90004 90223 90002 Fig. 12. The system with forced base current 90004 90226 90002 Fig.13. The system with coupling collector 90004 90229 90002 Fig. 14. The system with potentiometric base power and coupling emitter 90004.90000 Bipolar Junction Transistor: Types and Its Applications 90001 90002 The invention of the Bipolar Junction Transistor (BJT) is done in the year 1948. Transistors are the basic electronic devices that are formed because of the combination of the diodes that are referred to as bipolar junction transistor. These bought the revolutions in the modern electronic system. These inventions of transistors are the major reasons for the replacement of vacuum tubes. Individual diodes of the junction p-n that are connected back to back lead to the formation of the transistor.90003 90002 These are the three-terminal devices. Emitter, base, and collector are referred to as the terminals. The base region is the common terminal for the base and the collector. These transistors formed are included in different types of semiconductors. This makes the transistor to either act in completely ON mode or the OFF mode. This paved the way for the transistor to enable the application of the switching. 90003 90006 What is a Bipolar Junction Transistor? 90007 90002 The two diodes with the junction of p and n-types are connected in such a way that leads to the formation of the transistor defined as the bipolar junction transistor.These terminals are responsible for the movement of the charge carriers that results in the flow of current. 90003 90010 Types of BJT 90011 90002 Basically the bipolar junction transistors are classified based on its contact whether it is point contact or the junction. But the transistors with the junctions are most commonly used these days. These bipolar junction transistors are formed due to the combination of the semiconductor diodes is classified based on the p-types and n-types connected.90003 90002 If two p-types are connected with an-type in the middle is defined as P-N-P transistor. If the two n-types are connected with a p-type in the middle of it is defined as the N-P-N transistor. These N-P-N and P-N-P both come under the category of BJT or referred to as the types of BJT. 90003 90002 There is another type in BJT which is referred to as hetero bipolar junction transistor in this different material of semiconductors are preferred based on which different junctions in the transistor are designed.In this way, the bipolar junction transistors are classified. 90003 90018 The Symbol for Bipolar Junction Transistor 90019 90002 The symbolic representations of both the NPN and PNP transistors are as follows 90003 90002 90023 90023 90003 90002 The only difference between PNP and the NPN transistors are that the movement of the current based on which the arrows are indicated. 90003 90010 Working Principle of BJT 90011 90002 The three terminals present in the BJT are responsible for the formation of the junctions of the emitter and the base as well as a collector and the base.As considered the junction of base and the emitter is in the forward bias and the collector-base junction is in revere bias. Because of the forward biasing at the base and the emitter the flow of the majority carriers takes place from the emitter to the base. 90003 90002 As the region at the base is of light doping concentration, not all the majority carriers combine some of them tends to flow towards the collector. In this way, the currents at the emitter, base, and the collector are generated.The emitter current generated is the sum of the base and the collector currents. The amount of generated base current is less compared to that of the currents generated at the emitter and the collector. 90003 90002 The working principle remains the same for both P-N-P and the N-P-N transistor but the only difference between them is there majority charge carriers. In P-N-P the majority of the carriers are holes and in N-P-N the majority of the carriers are the electrons. 90003 90010 Equivalent Circuit of BJT 90011 90002 As the discussion of transistors makes it very clear that the formation of the transistor is due to the involvement of the two diodes connected back to the back of it.Hence these diodes lead to the formation of the two respective junctions which further relates to the presence of terminals in it. 90003 90040 90040 90002 P-N-P Transistor Equivalent Circuit Representation (BJT) 90003 90002 Hence the circuit of BJT can be represented by the two diodes with the junction P-N. This represents the equivalent circuit of BJT. 90003 90010 Bipolar Junction Transistor Biasing 90011 90002 The biasing of the bipolar junction transistor is nothing but the application of the external supply of the voltages to the respective junctions involved in it.This biasing leads to the major process of the transistor based on which the regions are classified. 90003 90018 90051 (1) Cut-off region 90052 90019 90002 As both the junctions of the transistors are not supplied with any external supply. Hence there is no evident supply of the voltages seen. The region formed is defined as the cut-off region. 90003 90018 90051 (2) Active region 90052 90019 90002 In this, the one junction must be kept in the mode of forwarding bias the other will be at the reverse bias.This type of region is referred to as the active region. In this, the q-point will be at the center of the characteristics curve so that it is most frequently used during the operations. 90003 90018 90051 (3) Saturation region 90052 90019 90002 In this both the junctions must be at the forward mode that is on highly conducting mode. This type of region is referred to as the saturation region. 90003 90002 During the application of the transistor as a switch, the cut-off mode and the saturation modes are preferred.That is either it should function in completely ON mode or the OFF mode. Hence this Q-point concept in the active region and in the other modes in order to make it stable there is the requirement of the biasing. 90003 90018 (1) Fixed Bias 90019 90002 This bias is also referred to as the base bias. In this type of bias, the connection of the single power supply will be maintained between the base and the collector with the help of the two resistors. If the values of the resistance are varied based on it the current at the terminal base can be adjusted.In this way, the Q-point can also be monitored. 90003 90018 (2) Collector-Base Bias 90019 90002 In this, the resistor of the base is collected across the collector rather than connecting it to the supply. This type of bias is preferred during the stabilization of the Q-point against the temperature changes. 90003 90002 If the collector current tends to increase there can be the voltage drop at the resistor resulting in the reduction of the value of the voltage across the resistor of the base.In this way, the current at the base gets reduced simultaneously the current value at the collector is reduced. This will reduce the effect of the temperature on the Q-point by making it stable 90003 90018 (3) Self-Bias 90019 90002 This type of bias is also referred to as the voltage divider bias. This type of bias is the most frequently used. The resistors arranged in the form of potential divider circuitry. Hence the equal or the fixed amounts of the voltages are supplied to the base terminal.In this way, the biasing techniques for the transistors are classified. 90003 90010 Bipolar Junction Transistor Characteristics 90011 90002 The characteristics of the BJT depends upon the configurations of it are classified whether it is of the common emitter, common base, and the common collector. 90003 90002 In this way, the characteristics for the various configurations of the bipolar junction transistor are compared. 90003 90018 Voltage Gain 90019 90002 The voltage gain is defined as the ratio between the output voltages to the applied input voltage.This voltage gain depends on the currents generated based on its configurations and the resistors connected across it. 90003 90018 Current Gain 90019 90002 The ratio of the currents generated at the output to the input value of the current referred to as the current gain of the particular transistor. The highest current gain is obtained at the common collector the configuration. With the very lesser voltage gain value, the highest current gains are obtained in the common collector configuration.90003 90010 Applications of BJT 90011 90002 The applications of the bipolar junction transistor are as follows: 90101 1) These are the transistors that are preferred in the logic circuits. 90101 2) It is used in the circuits of amplification. 90101 3) These are preferred in the oscillation circuits. 90101 4) These are preferred in the multi-vibrator circuits. 90101 5) In the clipping circuits, these are preferred for wave shaping circuits. 90101 6) It used in the circuits of the timer and the circuits of the time delay.90101 7) These are used in the circuits of switching. 90101 8) Used in the circuits of detector or as demodulation. 90003 90002 These bipolar junction transistors are constructed in a simpler manner. These are considered as the basic classification of the transistors. The basic application of this transistor is evident frequently as the switches. The reason behind this is that its design is less complex compared to other transistors. 90003 90002 Now can you define why the configurations in the BJT are classified and the importance of it in the electronic systems? 90003.90000 Introduction to BJT (Bipolar Junction Transistor) 90001 90002 90002 90004
90005 Hey Guys! Hope you are doing great. Today, I am going to discuss the details on the 90006 Introduction to BJT (Bipolar Junction Transistor) 90007. It is an electronic component mainly used for amplification and switching purpose. As the name suggests, it is composed of two junctions called emitter-base junction and collector-base junction. 90008 Do not confuse BJT with regular transistors. A transistor is a semiconductor device, comes with three terminals that are used for external connection with electronic circuits.A transistor is termed as a trans resistor which is used as switch or gate for electronic signals. Small signals applied between one pair of its terminals are used to control much larger signals at the other pair of terminals. 90009 90008 Actually, transistors are divided into two categories called unipolar transistor and a bipolar transistor. Bipolar junction transistor uses two charge carries i.e. electrons and holes while unipolar transistor like FETs (Field Effect Transistors) uses only one charge carrier.I hope you are aware of another type of transistors called MOSFET. 90009 90008 I’ll try to cover each and everything related to this bipolar junction transistor, so you find all information at one place. Let’s get started. 90009 90014 Introduction to BJT 90015 90016 90017 Introduced in 1948 by Shockley, 90006 BJT 90007 is an electronic component mainly used for switching and amplification purpose. 90020 90017 It is composed of three terminals called emitter, base, and collector, denoted as E, B and C respectively.90020 90017 This transistor comes with two PN junctions. The PN junction exists between emitter and base is called emitter-base junction and the PN junction exists between collector and base is called collector-base junction. Emitter-base junction is forward biased and the collector-base junction is reverse biased. 90020 90017 In the start BJTs were made from germanium, however, recent transistors are made from silicon. 90020 90017 BJT comes in two types called NPN transistor and PNP transistor.90020 90017 It is a bipolar device where conduction is carried out by both charge carriers i.e. electrons and holes. The number of electrons diffused in the base region is more the number of holes diffused in emitter region. Electrons behave as a minority carrier in the base region. 90020 90017 Under normal conditions, when the emitter-base junction is forward biased it allows the current to flow from emitter to collector. When a voltage is applied at the base terminal, it gets biased and draws current, which directly affects the current at the other terminals.90020 90017 BJT is called a current controlled device where small current at the base side is used to control the large current at other terminals. All three terminals of the BJT are different in terms of their doping concentrations. The emitter is highly doped as compared to base and collector. 90020 90035 90008 90005 90004 90009 90016 90017 The collector is moderately doped and its area is larger as compared to emitter area, allowing it to handle more power. 90020 90017 When a voltage is applied, the majority of electrons from emitter are diffused into the base where these electrons act as minority charge carriers, making the holes in the base region majority charge carriers.90020 90017 As the base is very thin and lightly doped it can not hold the number of electrons for too much time, allowing the electrons to diffuse from base to collector. 90020 90017 Making a slight change at the voltage applied at the base-emitter terminals can cause a significant change at the current between emitter and collector terminals. 90020 90017 This is the process used for 90006 amplification purpose 90007. 90020 90017 When the emitter-base junction is not forward biased the amount of current at the base and collector terminal is zero, no matter how much voltage is applied at the base terminal.90020 90017 Common-Emitter current gain is a term mostly used for BJTs. It is a ratio between collector current and base current. Similarly, a common-base current gain is defined as a ratio between collector current and emitter current. Most of the time its value is taken as unity. 90020 90017 Construction of BJT is not symmetrical in nature. The lack of symmetry of BJTs is due to the difference in doping concentration between the terminals. 90020 90017 Generally, BJTs are operated in forward-biased mode.Interchanging the emitter and collector allows the forward biased mode to change to reverse biased mode. This interchange causes a wide impact on the values of current gains, making them much smaller as they are in forward-biased mode. 90020 90017 The mode of operation where an emitter-base junction is forward biased and the collector-base junction is reverse biased is called active region. 90020 90035 90014 Types of BJT 90015 90008 BJTs are divided into two types based on the nature and construction of the transistor.Following are two main types of the BJT. 90009 90014 NPN 90015 90008 90071 90009 90016 90017 NPN (negative-positive-negative) is a type of BJT where a P-doped layer of semiconductor exists between the two layers of N doped material. 90020 90017 The P doped region represents the base of the transistors while other two layers represent emitter and collector respectively. 90020 90017 NPN transistors are also called minority carrier devices because minority charge carriers at the base side are used to control large current at other terminals of the transistor.90020 90017 The current moves from an emitter to the collector where electrons act as a minority carrier at the base side. 90020 90035 90008 90084 90009 90014 PNP 90015 90008 90089 90009 90016 90017 PNP (positive-negative-positive) transistor is a type of BJT where N doped semiconductor layer which acts as a base, is housed between the two layers of P doped material. 90020 90017 The base uses small base current and negative base voltage to control large current at the emitter and collector side and voltage at the collector side is larger than the voltage at the base side.90020 90017 In PNP transistor current direction and voltage polarities are reversed as compared to NPN transistors. 90020 90017 PNP transistors work in a similar way like NPN transistor with some exception i.e. holes are diffused through the base from an emitter and are collected by the collector. 90020 90017 This transistor is rarely used for applications as conduction carried out by the movement of electrons is considered fast and holds more value as conduction by movement of holes. 90020 90035 90008 90104 90004 90009
90014 Regions of Operations of BJT 90015 90008 Bipolar junction transistors come with different regions of operation.These modes of operations set a tone for current flowing from emitter to collector. 90009 90014 Forward Active Mode 90015 90016 90017 BJT comes with two junctions called emitter-base junction and collector-base junction. Emitter-base junction is forward biased and the collector-base junction is reverse biased. 90020 90017 For amplification purpose, most of the transistors come with high common emitter current gain which shows the exact current and power gain required for amplification purpose.90020 90017 The collector-emitter current is largely dependent on the base current where small current at the base side is used to control the large current at the emitter and collector side. 90020 90035 90014 Reverse Active Mode 90015 90016 90017 By interchanging the emitter and collector, transistor goes from active mode to reverse active mode. 90020 90017 Most of the transistors are designed to afford high current gain, but reversing the role of emitter and collector makes the current gain very small as compared to forward biased region.This type of mode is rarely used unless a failsafe condition is required. 90020 90035 90014 Saturation 90015 90016 90017 BJT exhibits saturation mode when both junctions are forward biased. This mode of operation is referred as a closed circuit which allows a large amount of current flowing from emitter to collector side. 90020 90035 90014 Cut-off 90015 90016 90017 When the emitter-base junction is not forward biased, the transistor is said to have in the cut-off region where collector current and base current will be zero, no matter how much voltage is applied at the base terminal.90020 90035 90008 90142 90009 90014 Three Basic Configurations of BJT 90015 90008 BJT is a current controlled device which is mainly used for amplification and switching purpose. There are three ways to connect this device with external electronic circuits called: 90009 90008 90006 1. Common Base Configuration 90007 90009 90008 90006 2. Common Collector Configuration 90007 90009 90008 90006 3. Common Emitter Configuration 90007 90009 90008 The nature of the current being controlled at the output is different for different configurations.90009 90014 Common Base Configuration 90015 90016 90017 Common base configuration is a configuration where the common base is shared between input and output signal. 90020 90017 Voltage is applied at the emitter-base junction and corresponding output signal is obtained at the output across the base-collector junction. 90020 90017 The base voltage is connected to some reference voltage or can be grounded in some cases with the intention of making common base between input and output signals.90020 90017 Following figure shows the circuit diagram of common base configuration. 90020 90035 90008 90175 90009 90016 90017 Current at the emitter side is quite large, where electrons are diffused into the base terminal. These electrons make a pair with some holes present in the base, while most of them leave the base and are collected by the collector. 90020 90017 This type of transistor comes with remarkable high voltage characteristics which do not make it an ideal choice for many applications.In this configuration, an output and input voltage is in line with each other. The input characteristics of this transistor are quite identical to forward biased diode while output characteristics are similar to a regular diode and come with a high output to input resistance ratio. 90020 90017 90006 Common base current gain 90007 is a very important factor used in this configuration which is a ratio between collector current and emitter current. It is denoted by α alpha. 90020 90017 α = Ic / Ie 90020 90017 The alpha value ranges between 0.95 to 0.99, however, most of the time its value is taken as unity. High-frequency response of common base configuration makes it an ideal choice for single stage amplifier. 90020 90035 90014 Common Collector Configuration 90015 90016 90017 This configuration is also known as voltage follower where the input is applied at the base terminal and output is taken from emitter terminal. 90020 90017 This configuration is mainly used for impedance matching as the input impedance of this configuration is very high while output impedance is very low.90020 90017 Common collector configuration is termed as non-inverting amplifier where output signal and an input signal are in phase with each other. 90020 90017 The current gain of this transistor is very large because the load resistance is at the receiving end of both collector current and base current, making it a suitable for amplification purpose. 90020 90017 Hence very little voltage gain, around unity, can help in producing very large current gain. 90020 90017 Following figure shows the circuit diagram of common collector configuration.90020 90035 90008 90208 90004 90009 90014 Common Emitter Configuration 90015 90016 90017 This configuration is widely used in transistor based amplifier, where an input signal is applied between emitter and base while the output is taken from emitter and collector. 90020 90017 This configuration comes with highest current and power gain which makes it an ideal choice for amplification. Input impedance is connected to forward biased PN junction which shows low value while output impedance is connected to reverse biased PN junction which shows high value.90020 90017 Most of the transistors generally come with common emitter configuration because this exhibits the ideal power and current required for amplification purpose. 90020 90017 Common emitter configuration is termed as inverting amplifier circuit where an input signal is out-of-phase with the output signal. 90020 90017 Following figure shows the circuit diagram of common emitter configuration. 90020 90035 90008 90226 90009 90008 90009 90016 90017 The 90006 common emitter current gain 90007 of this transistor is very large as compared to a current gain of common base configuration which is a ratio between collector current and base current.It is denoted by β beta which is the measure of current being amplified. 90020 90017 β = Ic / Ib 90020 90017 Output current at the collector and emitter side is highly dependent on the current at the base side. 90020 90017 Current at the emitter side is the sum of current at the base and collector side because emitter side is highly doped as compared to base and collector. 90020 90017 Ie = Ib + Ic 90020 90017 When the voltage is applied at the base terminal it triggers the electrons reaction which forces the electrons to move towards the collector side.90020 90017 Any small change at the voltage applied at the base terminal results in a very large change at the current obtained at the collector side. 90020 90035 90014 Pros of BJTs 90015 90016 90017 Bipolar junction transistor comes with a large amplification factor. 90020 90017 This type of transistor provides a better voltage gain. 90020 90017 This transistor comes with a capability of operating in four regions i.e active region, reverse mode, saturation and cut-off region. 90020 90017 BJT provides a better responese at higer frequiencies.90020 90017 BJTs also act as a switch. 90020 90035 90014 Cons of BJTs 90015 90016 90017 BJT is very sensitive to heat and produces noise is some cases. 90020 90017 The switching power of BJTs is very low as compared to unipolar transistors like FETs. 90020 90035 90014 Applications 90015 90016 90017 BJTs come with two major applications called amplification and switching. 90020 90017 They are the building blocks of most of the electronic circuits, especially where audio, current or voltage amplification is required.90020 90017 NPN transistors are preferred over PNP transistors for amplification purpose because conduction carried out through mobility of electrons is better than conduction through mobility of holes. 90020 90035 90008 That’s all for today. I have tried my best to break down each and everything related to BJTs so you can digest the main concept easily. In case you are unsure or have any question you can ask me in the comment section below. I’d love to help you according to best of my expertise.90009 90008 Feel free to keep us updated with your valuable suggestions, they allow us to give you quality work. Thanks for reading the article. 90004 90009.Больше новостей
