Транзисторы прямой и обратной проводимости: Виды, типы, характеристики, принцип работы

О транзисторах «на пальцах». Часть 1. Биполярные транзисторы — radiohlam.ru

В этом цикле статей мы попытаемся просто и доходчиво рассказать о таких непростых компонентах, как транзисторы.

Сегодня этот полупроводниковый элемент встречается почти на всех печатных платах, в любом электронном устройстве (в сотовых телефонах, в радиоприёмниках, в компьютерах и другой электронике). Транзисторы являются основой для построения микросхем логики, памяти, микропроцессоров… Вот давайте и разберёмся, что это чудо из себя представляет, как работает и чем вызвана такая широта его применения.

Транзистор — это электронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий с помощью входного сигнала управлять током.

Многие считают, что транзистор усиливает входной сигнал. Спешу огорчить, — сами по себе, без внешнего источника питания, транзисторы ничего не усилят (закон сохранения энергии ещё никто не отменял). На транзисторе можно построить усилитель, но это лишь одно из его применений, и то, для получения усиленного сигнала нужна специальная схема, которая проектируется и рассчитывается под определённые условия, плюс обязательно источник питания.

Сам по себе транзистор может только управлять током.

Что нужно знать из самого важного? Транзисторы делятся на 2 большие группы: биполярные и полевые. Эти 2 группы отличаются по структуре и принципу действия, поэтому про каждую из этих групп мы поговорим отдельно.

Итак, первая группа — биполярные транзисторы.

Эти транзисторы состоят из трёх слоёв полупроводника и делятся по структуре на 2 типа: pnp и npn. Первый тип (pnp) иногда называют транзисторами прямой проводимости, а второй тип (npn) — транзисторами обратной проводимости.

Что означают эти буквы? Чем отличаются эти транзисторы? И почему именно двух проводимостей? Как обычно — истина где-то рядом. © Всё гениальное — просто. N — negative (англ.) — отрицательный. P — positive (англ.) — положительный. Это обозначение типов проводимостей полупроводниковых слоёв из которых транзистор состоит. «Положительный» — слой полупроводника с «дырочной» проводимостью (в нём основные носители заряда имеют положительный знак), «отрицательный» — слой полупроводника с «электронной» проводимостью (в нём основные носители заряда имеют

отрицательный знак).

Структура и обозначение биполярных транзисторов на схемах показаны на рисунке справа. У каждого вывода имеется своё название. Э — эмиттер, К — коллектор, Б — база. Как на схеме узнать базовый вывод? Легко. Он обозначается площадкой, в которую упираются коллектор и эмиттер. А как узнать эмиттер? Тоже легко, — это вывод со стрелочкой. Оставшийся вывод — это коллектор. Стрелочка на эмиттере всегда показывает направление тока. Соответственно, для npn транзисторов — ток втекает через коллектор и базу, а вытекает из эмиттера, для pnp транзисторов наоборот, — ток втекает через эмиттер, а вытекает через коллектор и базу.

Тонем в теории глубже… Три слоя полупроводника образуют в транзисторе два pn-перехода. Один — между эмиттером и базой, его обычно называют эмиттерный, второй — между коллектором и базой, его обычно называют коллекторный.

На каждом из двух pn-переходов может быть прямое или обратное смещение, поэтому в работе транзистора выделяют четыре основных режима, в зависимости от смещения pn-переходов (помним да, что если на стороне с проводимостью p-типа напряжение больше, чем на стороне с проводимостью n-типа, то это прямое смещение pn-перехода, если всё наоборот, то обратное). Ниже, на рисунках, иллюстрирующих каждый режим, стрелочками показано направление от большего напряжения к меньшему (это не направление тока!). Так легче ориентироваться: если стрелочка направлена от «p» к «n» — это прямое смещение pn-перехода, если от «n» к «p» — это обратное смещение.

Режимы работы биполярного транзистора:

1) Если на эмиттерном pn-переходе прямое смещение, а на коллекторном — обратное, то транзистор находится в нормальном активном режиме (иногда говорят просто: «активный режим», — опуская слово нормальный). В этом режиме ток коллектора зависит от тока базы и связан с ним следующим соотношением: Iк=Iб*β. Активный режим используется при построении транзисторных усилителей.

2) Если на обоих переходах прямое смещение — транзистор находится в режиме насыщения. При этом ток коллектора перестаёт зависеть от тока базы в соответствии с указанной выше формулой (в которой был коэффициент β), он перестаёт увеличиваться, даже если продолжать увеличивать ток базы. В этом случае говорят, что транзистор полностью открыт или просто открыт. Чем глубже мы уходим в область насыщения — тем больше ломается зависимость Iк=Iб*β. Внешне это выглядит так, как будто коэффициент β уменьшается. Ещё скажу, что есть такое понятие, как коэффициент насыщения. Он определяется как отношение реального тока базы (того, который у вас есть в данный момент) к току базы в пограничном состоянии между активным режимом и насыщением.

3) Если у нас на обоих переходах обратное смещение — транзистор находится в режиме отсечки. При этом ток через него не течёт (за исключением очень маленьких токов утечки — обратных токов через pn-переходы). В этом случае говорят, что транзистор полностью закрыт или просто закрыт. Режимы насыщения и отсечки используются при построении транзисторных ключей.

4) Если на эмиттерном переходе обратное смещение, а на коллекторном — прямое, то транзистор попадает в инверсный активный режим. Этот режим является довольно экзотическим и используется редко. Несмотря на то, что на наших рисунках эмиттер не отличается от коллектора и по сути они должны быть равнозначны (посмотрите ещё раз на самый верхний рисунок, — на первый взгляд ничего не изменится, если поменять местами коллектор и эмиттер), на самом деле у них есть конструктивные отличия (например в размерах) и равнозначными они не являются. Именно из-за этой неравнозначности и существует разделение на «нормальный активный режим» и «инверсный активный режим».

Иногда ещё выделяют пятый, так называемый, «барьерный режим». В этом случае база транзистора закорочена с коллектором. По сути правильнее было бы говорить не о каком-то особом режиме, а об особом способе включения. Режим тут вполне обычный — близкий к пограничному состоянию между активным режимом и насыщением. Его можно получить и не только закорачивая базу с коллектором. В данном конкретном случае вся фишка в том, что при таком способе включения, как бы мы не меняли напряжение питания или нагрузку — транзистор всё равно останется в этом самом пограничном режиме.

То есть транзистор в этом случае будет эквивалентен диоду.

Итак, c теорией пока закончили. Едем дальше.

Биполярный транзистор управляется током. То есть, для того, чтобы между коллектором и эмиттером мог протекать ток (по другому говоря, чтобы транзистор открылся), — должен протекать ток между эмиттером и базой (или между коллектором и базой — для инверсного режима). Более того, величина тока базы и максимально возможного тока через коллектор (при таком токе базы) связаны постоянным коэффициентом β (коэффициент передачи тока базы): I

Б*β=I_K.

Кроме параметра β используется ещё один коэффициент: коэффициент передачи эмиттерного тока (α). Он равен отношению тока коллектора к току эмиттера: α=Iк/Iэ. Значение этого коэффициента обычно близко к единице (чем ближе к единице — тем лучше). Коэффициенты α и β связаны между собой следующим соотношением: β=α/(1-α).

В отечественных справочниках часто вместо коэффициента β указывают коэффициент h_21Э (коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером), в забугорной литературе иногда вместо β можно встретить h_FE. Ничего страшного, обычно можно считать, что все эти коэффициенты равны, а называют их зачастую просто «коэффициент усиления транзистора».

Что нам это даёт и зачем нам это надо? На рисунке слева изображены простейшие схемы. Они эквивалентны, но построены с участием транзисторов разных проводимостей. Также присутствуют: нагрузка, в виде лампочки накаливания, переменный резистор и постоянный резистор.

Смотрим на левую схему. Что там происходит? Представим себе, что ползунок переменного резистора в верхнем положении. При этом на базе транзистора напряжение равно напряжению на эмиттере, ток базы равен нулю, следовательно ток коллектора тоже равен нулю (I_К=β*I_Б) — транзистор закрыт, лампа не светится. Начинаем опускать ползунок вниз
— напряжение на нём начинает опускаться ниже, чем на эмиттере — появляется ток из эмиттера в базу (ток базы) и одновременно с этим — ток из эмиттера в коллектор (транзистор начнёт открываться). Лампа начинает светиться, но не в полный накал. Чем ниже мы будем перемещать ползунок переменного резистора — тем ярче будет гореть лампа.

И тут, внимание! Если мы начнём перемещать ползунок переменного резистора вверх — то транзистор начнёт закрываться, а токи из эмиттера в базу и из эмиттера в коллектор — начнут уменьшаться. На правой схеме всё то же самое, только с транзистором другой проводимости.

Рассмотренный режим работы транзистора как раз является активным. В чём суть? Ток управляет током? Именно, но фишка в том, что коэффициент β может измеряться десятками и
даже сотнями. То есть для того, чтобы сильно менять ток, протекающий из эмиттера в коллектор, нам достаточно лишь чуть-чуть изменять ток, протекающий из эмиттера в базу.

В активном режиме транзистор (с соответствующей обвязкой) используется в качестве усилителя.

Мы устали… отдохнём немного…

И снова вперёд!

Теперь разберёмся с работой транзистора в качестве ключа. Смотрим на левую схему. Пусть переключатель S будет замкнут в положении 1.

При этом база транзистора через резистор R притянута к плюсу питания, поэтому ток между эмиттером и базой отсутствует и транзистор закрыт. Представим, что мы перевели переключатель S в положение 2. Напряжение на базе становится меньше, чем на эмиттере, — появляется ток между эмиттером и базой (его величина определяется сопротивлением R). Сразу возникает ток КЭ. Транзистор открывается, лампа загорается. Если мы снова вернём переключатель S в положение 1 — транзистор закроется, лампа погаснет. (на правой схеме всё то же самое, только транзистор другой проводимости)

В этом случае говорят, что транзистор работает в качестве ключа. В чём суть? Транзистор переключается между двумя состояниями — открытым и закрытым. Обычно при использовании транзистора в качестве ключа — стараются, чтобы в открытом состоянии транзистор был близок к насыщению (при этом падение напряжения между коллектором и эмиттером, а значит и потери на транзисторе, — минимальны).Для этого специальным образом рассчитывают ограничительный резистор в цепи базы. Состояний глубокого насыщения и глубокой отсечки обычно стараются избежать, потому что в этом случае увеличивается время переключения ключа из одного состояния в другое.

Небольшой пример расчётов. Представим себе, что мы управляем лампой накаливания 12В, 50мА через транзистор. Транзистор у нас работает в качестве ключа, поэтому в открытом состоянии должен быть близок к насыщению. Падение напряжения между коллектором и эмиттером учитывать не будем, поскольку для режима насыщения оно на порядок меньше напряжения питания. Так как через лампу течёт ток 50 мА, то нам нужно выбрать транзистор с максимальным током КЭ не менее 62,5 мА (обычно рекомендуют использовать компоненты на 75% от их максимальных параметров, это такой своеобразный запас). Открываем справочник и ищем подходящий p-n-p транзистор. Например КТ361. В нашем случае по току подходят с буквенными индексами «а, б, в, г», так как максимальное напряжение КЭ у них 20В, а у нас в задаче всего 12В.

Предположим, что использовать будем КТ361А, с коэффициентом усиления от 20 до 90. Так как нам нужно, чтобы транзистор гарантированно открылся полностью, — в расчёте будем использовать минимальный Кус=20. Теперь думаем. Какой минимальный ток должен течь между эмиттером и базой, чтобы через КЭ обеспечить ток 50 мА?

50 мА/ 20 раз = 2,5 мА

Токоограничивающий резистор какого номинала нужно поставить, чтобы пустить через БЭ ток 2,5 мА?

Тут всё просто. Закон Ома: I=U/R. Следовательно R=(12 В питания — 0,65 В потери на pn-переходе БЭ) / 0,0025 А = 4540 Ом. Так как 2,5 мА — это минимальный ток, который в нашем случае должен протекать из эмиттера в базу, то нужно выбрать из стандартного ряда ближайший резистор меньшего сопротивления. Например, с 5% отклонением это будет резистор 4,3 кОм.

Теперь о токе. Для зажигания лампы с номинальным током 50 мА нам нужно коммутировать ток всего 2,5 мА. И это при использовании ширпотребовского, копеечного транзистора, с низким Кус, разработанного 40 лет назад. Чувствуете разницу? Насколько можно уменьшить габариты выключателей (а значит и их стоимость) при использовании транзисторов.

Вернёмся опять к теории.

В рассмотренных выше примерах мы использовали только одну из схем включения транзистора. Всего же, в зависимости от того, куда мы подаём управляющий сигнал и откуда снимаем выходной сигнал (от того, какой электрод для этих сигналов является общим) выделяют 3 основных схемы включения биполярных транзисторов (ну, логично, да? — у транзистора 3 вывода, значит если делить схемы по принципу, что один из выводов общий, то всего может быть 3 схемы):

1) Схема с общим эмиттером.

Если считать, что входной ток — это ток базы, входное напряжение — это напряжение на переходе БЭ, выходной ток — ток коллектора и выходное напряжение — это напряжение между коллектором и эмиттером, то можно записать, что: Iвых/Iвх=Iк/Iб=β , Rвх=Uбэ/Iб.

Кроме того, так как Uвых=Eпит-Iк*R, то видно, что, во-первых, выходное напряжение легко можно сделать гораздо выше входного, а во-вторых, что выходное напряжение инвертировано по отношению ко входному (когда Uбэ=Uвх увеличивается и входной ток растёт — выходной ток также растёт, но Uкэ=Uвых при этом уменьшается).

Такая схема включения (для краткости её обозначают ОЭ) является наиболее распространённой, поскольку позволяет усилить как ток, так и напряжение, то есть позволяет получить максимальное усиление мощности. Замечу, что эта дополнительная мощность у усиленного сигнала берётся не из воздуха и не от самого транзистора, а от источника питания (Eпит), без которого транзистор ничего не сможет усилить и вообще никакого тока в выходной цепи не будет. (Я думаю, — мы позже, в отдельной статье, про то, как именно работают транзисторные усилители и как их рассчитывать, подробнее напишем).

2) Схема с общей базой.

Здесь входной ток — это ток эмиттера, входное напряжение — это напряжение на переходе БЭ, выходной ток — ток коллектора, а выходное напряжение — это напряжение на включенной в цепь коллектора нагрузке. Для этой схемы: Iвых≈Iвх, т.к. Iк≈Iэ, Rвх=Uбэ/Iэ.

Такая схема (ОБ) усиливает только напряжение и не усиливает ток. Сигнал в данном случае по фазе не сдвигается.

3) Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

Здесь входной ток — это ток базы, а входное напряжение подключено к переходу БЭ транзистора и нагрузке, выходной ток — ток эмиттера, а выходное напряжение — это напряжение на включенной в цепь эмиттера нагрузке. Для этой схемы: Iвых/Iвх=Iэ/Iб=(I_К+I_Б)/I_Б=β+1, т.к. обычно коэффициент β достаточно большой, то иногда считают Iвых/Iвх≈β. Rвх=Uбэ/Iб+R. Uвых/Uвх=(Uбэ+Uвых)/Uвых≈1.

Как видим, такая схема (ОК) усиливает ток и не усиливает напряжение. Сигнал в данном случае по фазе не сдвигается. Кроме того, данная схема имеет самое большое входное сопротивление.

Оранжевыми стрелками на приведённых выше схемах показаны контура протекания токов, создаваемых источником питания выходной цепи (Епит) и самим входным сигналом (Uвх). Как видите, в схеме с ОБ ток, создаваемый Eпит, протекает не только через транзистор, но и через источник усиливаемого сигнала, а в схеме с ОК, наоборот, — ток, создаваемый входным сигналом, протекает не только через транзистор, но и через нагрузку (по этим приметам можно легко отличить одну схему включения от другой).

Ну и на последок поговорим о том, как проверить биполярный транзистор на исправность. В большинстве случаев о исправности транзистора можно судить по состоянию pn-переходов. Если рассматривать эти pn-переходы независимо друг от друга, то транзистор можно представить как совокупность двух диодов (как на рисунке слева). В общем-то взаимное влияние pn-переходов и делает транзистор транзистором, но при проверке можно с этим взаимным влиянием не считаться, поскольку напряжение к выводам транзистора мы прикладываем попарно (к двум выводам из трёх). Соответственно, проверить эти pn-переходы можно обычным мультиметром в режиме проверки диодов. При подключении красного щупа (+) к катоду диода, а чёрного к аноду — pn-переход будет закрыт (мультиметр показывает бесконечно большое сопротивление), если поменять щупы местами — pn-переход будет открыт (мультиметр показывает падение напряжения на открытом pn-переходе, обычно 0,6-0,8 В). При подключении щупов между коллектором и эмиттером мультиметр будет показывать бесконечно большое сопротивление, независимо от того какой щуп подключен к коллектору, а какой к эмиттеру.

Продолжение следует…

Установка режимов работы транзисторов

Для хорошей работы устройства, собранного на транзисторах, необходимо чтобы на их электроды было подано определенной величины и полярности постоянное напряжение. Примерные значения напряжений подаваемых на коллектор, базу и эмиттер для транзисторов прямой проводимости (p-n-p) приведен на рис. 1, а обратной (n-p-n) проводимости — на рис. 2.

При этом надо также придерживаться нескольких правил:

•  Рабочие напряжения, токи и мощности рассеивания применяемых транзисторов должны быть меньше предельных значений.
• Нельзя подавать напряжение на транзистор, если у него отключена база.
• Базовый вывод следует подключать в схему в первую очередь и отключать в последнюю.

В современных конструкциях радиолюбителей широко используются полевые транзисторы. Примерные значения величин напряжений смещения для полевых транзисторов с каналом типа р и с каналом типа п даны на рис. 3.

Рис. 1. Примерные значения напряжений, подаваемых на коллектор, базу и эмиттер для транзисторов прямой проводимости p-n-p.

 

Рис. 2. Примерные значения напряжений, подаваемых на коллектор, базу и эмиттер для транзисторов обратной проводимости n-p-n.

 

Рис. 3. Примерные значения величин напряжений смещения для полевых транзисторов с к&налом типа рис каналом типа А.

При налаживании радиоприемников и других радиоэлектронных конструкций в первую очередь нужно замерить потребляемый ток в режиме покоя. Если его значение близко к требуемому, то тогда переходят к установлению необходимых токов коллекторов транзисторов. На. схемах место установки тока показывают крестиком («х»), а резистор, которым это делают — звездочкой («*»). Опыт показывает, что для транзисторов безопаснее измерять напряжение, а не ток. В большинстве схем эти величины взаимосвязаны. Достаточно знать одну из величин, а другую можно определить расчетным путем.

Настройку устройства производят по каскадам. В каскадах транзисторных устройств в основном используется три основных способа подачи напряжения смещения к базе транзистора.

Рассмотрим работу транзисторного каскада с резисторной нагрузкой без стабилизации режима (рис. 4). При отсутствии входного сигнала начальные напряжения на электродах транзисторов следующие:

 

Рис. 4. Принципиальная схема транзисторного каскада с резисторной нагрузкой без стабилизации режима.

В приведенных формулах напряжения смещения Uбэ для германиевых и кремниевых транзисторов должны иметь значения в соответствии с рис. 1, 2. Из этих выражений видно, что от величины сопротивления резистора Rб зависит величина напряжения смещения Uбэ, а следовательно, и начальное положение рабочей точки на характеристике транзистора.

На хорошую работу такого каскада большое влияние имеет точность, с какой для данного транзистора, имеющего коэффициент усиления по току р, подобраны сопротивления резисторов Rб и Rк. Работу каскада при этом можно проконтролировать по напряжению на резисторе Rк или по напряжению между коллектором и эмиттером транзистора. Зная Un и β, можно вычислить величину управляющего тока коллектора транзистора по формуле:

Если величина сопротивления резистора Rк = 500…600 Ом, то напряжение на нем удобнее определить, как разницу между питающим напряжением и напряжением коллектор — эмиттер. Для маломощных низкочастотных и высокочастотных транзисторов напряжение коллек-тор-эмиттер принимают 2…2,5 В, а ток коллектора — 0,5 мА. Транзисторы МП39…МП41 имеют максимальное усиление по току, когда ток коллектора 1…2 мА.

У транзисторов П401…П403, П416 и т.п. усиление растет с ростом тока коллектора до 5…8 мА. От напряжения на коллекторе усиление по току существенно не зависит, при его повышении улучшается устойчивость высокочастотных каскадов. При замене в рассматриваемом каскаде транзистора с одним значение β на транзистор с отличным значением β, приходится снова подбирать значения Rб и Rк. На усиление транзистора с такой простой схемой смещения оказывает влияние помимо разброса параметров транзисторов еще и изменение температуры окружающей среды.

Более стабилен в работе каскад, имеющий термостабилизацию по схеме, представленной на рис. 5. В этом случае к напряжению, измеренному между коллектором и плюсом питания, добавляется напряжение на резисторе R3, которое составляет приблизительно 1 В.

Если считать, что напряжение между коллектором и эмиттером может быть снижено до 1,5 В, так как каскад стабилизирован, то общее напряжение между коллектором и «землей», как и первом случае, должно быть не менее 2,5 В. Указанные режимы являются ориентировочными, средними в случае работоспособных транзисторов. В каскадах, где режимы отличаются от рекомендованных на 20…30%, подстраивание их режимов на первой стадии налаживания можно не проводить.

Установку режима работы транзистора можно производить резистором Rб1, который соединен с базой транзистора. Для увеличения тока коллектора необходимо сопротивление резистора Rб1 уменьшить, а для уменьшения, наоборот, увеличить. Для удобства настройки каскада резистор Rб1 составляют из двух резисторов: одного переменного и одного постоянного с сопротивлением 10…30кОм.

Изменяя сопротивление переменного резистора, добиваются необходимого тока коллектора. Омметром измеряют получившееся сопротивление двух резисторов и затем вместо них впаивают один резистор, величина сопротивления которого равна измеренному значению двух сопротивлений.

Ток коллектора в схеме со стабилизацией можно оценить, измерив напряжение на резисторе Rэ. Если разделить величину падения напряжения (в вольтах) на величину Rэ (в килоомах), то получим ток эмиттера в миллиамперах.

Рис. 5. Принципиальная схема транзисторного каскада с резисторной нагрузкой с термостабилизацией режима

Ток коллектора меньше тока эмиттера на величину базового тока, а последний не превышает 5% Іэ. Поэтому можно считать, что I = Іб. В каскадах с индуктивной нагрузкой без стабилизации режима работы напряжение на коллекторе равняется напряжению источника питания и здесь необходим контроль тока коллектора (рис. 6). Регулировку такого каскада также производят подбором величины сопротивления резистора Rб.

Рис. 6. Принципиальная схема каскада с индуктивной нагрузкой без стабилизации режима работы.

Включение в цепи n-p-n и p-n-p транзисторов отличается только полярностью напряжения на коллекторе и смещением. Кремниевые и германиевые транзисторы одной и той же структуры отличаются между собой только значением напряжения смещения. У кремниевых оно приблизительно на 0,45 В больше, чем у германиевых.

На рис. 1 и 2 показаны условные графические обозначения биполярных транзисторов той и другой структур, произведенных на основе германия и кремния, а также типовое напряжение смещения. Электроды транзисторов, обозначенных первыми буквами слов, расшифровываются:

• Э — эмиттер,
• Б — база,
• К — коллектор.

Напряжения смещения показаны относительно эмиттера, но на практике напряжение на электродах транзисторов показывают относительно общего провода устройства.

В радиоэлектронных устройствах радиолюбители используют также полевые транзисторы, в которых управление током между двумя электродами, образованными направленным движением носителей заряда дырок или электронов, производится электрическим полем, образованным напряжением на электроде. Электроды, между которыми протекает регулируемый ток, носят название исток (И) и сток (С), причем исток есть тот электрод, с которого выходят носители зарядов. Третий, управляющий электрод, называют затвором (3) (см. рис. 3).

Существуют полевые транзисторы с изолированным затвором. Эти транзисторы имеют очень большое входное сопротивление и работают на очень больших частотах. Транзисторы этого типа имеют очень низкую электрическую прочность изолированного затвора. Для его пробоя и выхода из строя достаточно слабого статического электричества, которое всегда присутствует на теле человека, одежде и инструменте.

В связи с этим выводы полевых транзисторов с изолированным затвором при хранении нужно скручивать вместе голым проводом. При монтаже транзисторов руки и инструмент необходимо «заземлять». Преимущество полевых транзисторов по сравнению с биполярными состоит в том, что они имеют высокое входное сопротивление. Это сопротивление на низкой частоте достигает несколько мегаом, а на средних и высоких частотах — несколько десятков или сотен кило-ом в зависимости от серии. Для сравнения, биполярные транзисторы имеют входное сопротивление приблизительно до 1…2 кОм.

Литература: В.М. Пестриков. Энциклопедия радиолюбителя.

ЧТО ТАКОЕ ТРАНЗИСТОР

   Транзистор – главный компонент в любой электрической схеме. Эта статья именно о них и написана для начинающих радиолюбителей. Транзистор – своего рода усилительный ключ, принцип работы похож на тиристора. Без транзисторов в электронике никак не обойтись, на них собирают буквально все – простейшие мигалки, транзисторные усилители мощности низкой частоты, радиоприемники и передатчики, телевизионная и видео аппаратура и многие другие устройства. Транзисторами можно увеличить или снизить первоначальное напряжения источника питания, если они используются в схемах преобразователей. 

   Сам транзистор – полупроводниковый прибор, в основном кристалл транзистора делают из кремния или германия. Транзисторы бывают двух видов – однополярные и двухполярные, соответственно полевые и биполярные. По проводимости тоже бывают двух видов – транзисторы прямой проводимости (п – н – п) и транзисторы обратной проводимости (н – п – н). Н -П – от латыни негатив и позитив. На схемах легко можно отличить какой проводимости транзистор использован – если стрелка эмиттера входит в транзистор, значит он прямой проводимости, если же выходит из транзистора, значит транзистор имеет обратную проводимость тока. 

   Для работы транзистора на базу подают маленький ток, впоследствии которого транзистор открывается и может пропустить более большой ток через эмиттер – коллектор, то есть подавая сравнительно маленький ток на базу мы можем управлять более большим токам. Иными словами, прилагая лёгкое усилие поворачивая водопроводный кран, мы управляем мощным потоком воды. Транзистор может находится в двух состояниях, он открыт – когда на базу подано напряжение (рабочее состояние транзистора) и закрыт, когда ток не течет на базу (состояние покоя транзистора).

   По рабочей частоте часто всего используют низкочастотные и высокочастотные транзисторы. Низкочастотные транзисторы применяют для силовых цепей преобразователей напряжения, усилителей мощности в блоках питания и так далее. Низкочастотные транзисторы как правило бывают большей мощности. Высокочастотные транзисторы работающие на частотах в несколько гигагерц тоже применяются очень часто. В основном они нашли широкое применения в радиоприёмной и передающей аппаратуре, в усилителях высокой частоты и во многих других приборах. Такие транзисторы имеют сравнительно маленькую мощность, они незаменимы в области радиоприема и передачи.

   Транзисторы бывают самых разных форм и размеров – от невидимого для человеческих глаз чип элементов для поверхностного монтажа, до мегамощных транзисторов размером с дом.

   Последние могут иметь мощность до сотни мегаватт, их в основном используют в электростанциях и на заводах. Для лучшей проводимости тока по контактам транзистора высокой частоты часто наносят тонкий слой золота или серебра, но в последнее время такие транзисторы встречаются очень редко, в основном такие транзисторы использовались в радиоаппаратуре времен советского союза. Новичкам уверен данный материал помог разобраться что к чему и прояснить вопросы по транзисторам – Артур Касьян (АКА).

   Форум по теории

   Форум по обсуждению материала ЧТО ТАКОЕ ТРАНЗИСТОР

Биполярные транзисторы

Транзистором называется полупроводниковый прибор, который может усиливать, преобразовывать и генерировать электрические сигналы. Название полупроводникового прибора транзистор образовано из двух слов : transfer – передача + resist – сопротивление. Потому что его действительно можно представить в виде некоторого сопротивления, которое будет регулироваться напряжением одного электрода. Первый работоспособный биполярный транзистор был изобретен в 1947 году. Материалом для его изготовления служил германий. А уже в 1956 году на свет появился кремниевый транзистор.

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор, который состоит из трех полупроводников с чередующимся типом примесной проводимости. К каждому слою подключен и выведен электрод. В биполярном транзисторе используются одновременно заряды, носители которых электроны (n – «negative») и дырки (p – «positive»), то есть носители двух типов, отсюда и образование приставки названия «би» – два.

Кроме биполярных существуют униполярные (полевые) транзисторы, у которых используется лишь один тип носителей – электроны или дырки.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Если посмотреть на упрощенное представление транзистора в разрезе, то видно, что площадь p-n перехода коллектора больше чем у эмиттера.

База изготавливается из полупроводника со слабой проводимостью, то есть сопротивление материала велико. Обязательное условие – тонкий слой базы для возможности возникновения транзисторного эффекта. Так как площадь контакта p-n перехода у коллектора и эмиттера разные, то менять полярность подключения нельзя. Эта характерность относит транзистор к несимметричным устройствам.

Биполярный транзистор имеет две ВАХ (вольт амперные характеристики): входную и выходную.

Входная ВАХ – это зависимость тока базы (I_Б) от напряжения база-эмиттер (U_БЭ).

Выходная ВАХ – это зависимость тока коллектора (I_К) от напряжения коллектор-эмиттер (U_КЭ).

Принцип работы биполярного транзистора рассмотрим на n-p-n типе, для p-n-p аналогично, только рассматриваются не электроны, а дырки. Транзистор имеет два p-n перехода. В активном режиме работы один из них подключен с прямым смещением, а другой – обратным. Когда переход ЭБ открыт, то электроны с эмиттера легко перемещаются в базу (происходит рекомбинация). Но, как говорилось ранее, слой базы тонкий и проводимость ее мала, поэтому часть электронов успевает переместиться к переходу база-коллектор. Электрическое поле помогает преодолеть (усиливает) барьер перехода слоев, так как электроны здесь неосновные носители. При увеличении тока базы, переход эмиттер-база откроется больше и с эмиттера в коллектор сможет проскочить больше электронов. Ток коллектора пропорционален току базы и при малом изменении последнего (управляющий), коллекторный ток значительно меняется. Именно так происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе.

Принцип действия транзистора можно представить на примере работы водопроводного крана. Представьте себе, что КЭ – это водопроводная труба, а Б – кран, с помощью которого Вы можете управлять потоком воды. То есть, чем больше ток вы подадите на базу, тем больше получите на выходе.

Значение коллекторного тока почти равно току эмиттера, исключая потери при рекомбинации в базе, которая и образовывает ток базы, таким образом справедлива формула:

I_Э=I_Б+I_К

Основные параметры транзистора:

Коэффициент усиления по току – отношение действующего значения коллективного тока к току базы.

Входное сопротивление – следуя закону Ома оно будет равно отношению напряжения эмиттер-база U_ЭБ к управляющему току I_Б.

Коэффициент усиления напряжения – параметр находится отношением выходного напряжения U_ЭК к входному U_БЭ.

Для подключения транзистора нам доступны только его три вывода (электрода). По этому для его нормальной работы требуются два источника питания. Один электрод транзистора будет подключаться к двум источникам одновременно. Следовательно, существуют 3 схемы подключения биполярного транзистора: ОЭ – с общим эмиттером, ОБ – общей базой, ОК – общим коллектором. Каждая обладает своими преимуществами, и недостатками, в зависимости от области применения и требуемых характеристик осуществляют выбор того или иного подключения.

Схема включения с общим эмиттером (ОЭ) характеризуется наибольшим усилением тока и напряжения, соответственно и мощности.

При данном подключении происходит смещение выходного переменного напряжения на 180 электрических градусов относительно входного. Основной недостаток – это низкая частотная характеристика, то есть малое значение граничной частоты, что не дает возможность использовать при высокочастотном входном сигнале.

Схема включения с общей базой (ОБ) обеспечивает отличную частотную характеристику.

Но не дает такого большого усиления сигнала по напряжению как с ОЭ. А усиление по току не происходит совсем, поэтому данную схему часто называют токовый повторитель, потому что она имеет свойство стабилизации тока.

Схема с общим коллектором (ОК) имеет практически такое же усиление по току как и с ОЭ, а вот усиление по напряжению почти равно 1 (чуть меньше).

Смещение напряжения не характерно для данной схемы подключения. Ее еще называют эмиттерный повторитель, так как напряжение на выходе (U_ЭБ) соответствуют входному напряжению.

Как выглядят транзисторы фото – Инженер ПТО

Внешний вид и обозначение транзистора на схемах

На фото справа вы видите первый работающий транзистор, который был создан в 1947 году тремя учёными – Уолтером Браттейном, Джоном Бардином и Уильямом Шокли.

Несмотря на то, что первый транзистор имел не очень презентабельный вид, это не помешало ему произвести революцию в радиоэлектронике.

Трудно предположить, какой бы была нынешняя цивилизация, если бы транзистор не был изобретён.

Транзистор является первым твёрдотельным устройством, способным усиливать, генерировать и преобразовывать электрический сигнал. Он не имеет подверженных вибрации частей, обладает компактными размерами. Это делает его очень привлекательным для применения в электронике.

Это было маленькое вступление, а теперь давайте разберёмся более подробно в том, что же представляет собой транзистор.

Сперва стоит напомнить о том, что транзисторы делятся на два больших класса. К первому относятся так называемые биполярные, а ко второму – полевые (они же униполярные). Основой как полевых, так и биполярных транзисторов является полупроводник. Основной же материал для производства полупроводников — это германий и кремний, а также соединение галлия и мышьяка — арсенид галлия (GaAs).

Стоит отметить, что наибольшее распространение получили транзисторы на основе кремния, хотя и этот факт может вскоре пошатнуться, так как развитие технологий идёт непрерывно.

Так уж случилось, но вначале развития полупроводниковой технологии лидирующее место занял биполярный транзистор. Но не многие знают, что первоначально ставка делалась на создание полевого транзистора. Он был доведён до ума уже позднее. О полевых MOSFET-транзисторах читайте здесь.

Не будем вдаваться в подробное описание устройства транзистора на физическом уровне, а сперва узнаем, как же он обозначается на принципиальных схемах. Для новичков в электронике это очень важно.

Для начала, нужно сказать, что биполярные транзисторы могут быть двух разных структур. Это структура P-N-P и N-P-N. Пока не будем вдаваться в теорию, просто запомните, что биполярный транзистор может иметь либо структуру P-N-P, либо N-P-N.

На принципиальных схемах биполярные транзисторы обозначаются вот так.

Как видим, на рисунке изображены два условных графических обозначения. Если стрелка внутри круга направлена к центральной черте, то это транзистор с P-N-P структурой. Если же стрелка направлена наружу – то он имеет структуру N-P-N.

Маленький совет.

Чтобы не запоминать условное обозначение, и сходу определять тип проводимости (p-n-p или n-p-n) биполярного транзистора, можно применять такую аналогию.

Сначала смотрим, куда указывает стрелка на условном изображении. Далее представляем, что мы идём по направлению стрелки, и, если упираемся в «стенку» – вертикальную черту – то, значит, «Прохода Нет»! “Нет” – значит p-n-p (П-Н-П ).

Ну, а если идём, и не упираемся в “стенку”, то на схеме показан транзистор структуры n-p-n. Похожую аналогию можно использовать и в отношении полевых транзисторов при определении типа канала (n или p). Про обозначение разных полевых транзисторов на схеме читайте тут.

Обычно, дискретный, то есть отдельный транзистор имеет три вывода. Раньше его даже называли полупроводниковым триодом. Иногда у него может быть и четыре вывода, но четвёртый служит для подключения металлического корпуса к общему проводу. Он является экранирующим и не связан с другими выводами. Также один из выводов, обычно это коллектор (о нём речь пойдёт далее), может иметь форму фланца для крепления к охлаждающему радиатору или быть частью металлического корпуса.

Вот взгляните. На фото показаны различные транзисторы ещё советского производства, а также начала 90-ых.

А вот это уже современный импорт.

Каждый из выводов транзистора имеет своё назначение и название: база, эмиттер и коллектор. Обычно эти названия сокращают и пишут просто Б (База), Э (Эмиттер), К (Коллектор). На зарубежных схемах вывод коллектора помечают буквой C, это от слова Collector — “сборщик” (глагол Collect — “собирать”). Вывод базы помечают как B, от слова Base (от англ. Base — “основной”). Это управляющий электрод. Ну, а вывод эмиттера обозначают буквой E, от слова Emitter — “эмитент” или “источник выбросов”. В данном случае эмиттер служит источником электронов, так сказать, поставщиком.

В электронную схему выводы транзисторов нужно впаивать, строго соблюдая цоколёвку. То есть вывод коллектора запаивается именно в ту часть схемы, куда он должен быть подключен. Нельзя вместо вывода базы впаять вывод коллектора или эмиттера. Иначе не будет работать схема.

Как узнать, где на принципиальной схеме у транзистора коллектор, а где эмиттер? Всё просто. Тот вывод, который со стрелкой – это всегда эмиттер. Тот, что нарисован перпендикулярно (под углом в 90 0 ) к центральной черте – это вывод базы. А тот, что остался – это коллектор.

Также на принципиальных схемах транзистор помечается символом VT или Q. В старых советских книгах по электронике можно встретить обозначение в виде буквы V или T. Далее указывается порядковый номер транзистора в схеме, например, Q505 или VT33. Стоит учитывать, что буквами VT и Q обозначаются не только биполярные транзисторы, но и полевые в том числе.

Далее узнаем, как найти транзисторы на печатной плате электронного прибора.

В реальной электронике транзисторы легко спутать с другими электронными компонентами, например, симисторами, тиристорами, интегральными стабилизаторами, так как те имеют такие же корпуса. Особенно легко запутаться, когда на электронном компоненте нанесена неизвестная маркировка.

В таком случае нужно знать, что на многих печатных платах производится разметка позиционирования и указывается тип элемента. Это так называемая шелкография. Так на печатной плате рядом с деталью может быть написано Q305. Это значит, что этот элемент транзистор и его порядковый номер в принципиальной схеме – 305. Также бывает, что рядом с выводами указывается название электрода транзистора. Так, если рядом с выводом есть буква E, то это эмиттерный электрод транзистора. Таким образом, можно чисто визуально определить, что же установлено на плате – транзистор или совсем другой элемент.

Как уже говорилось, это утверждение справедливо не только для биполярных транзисторов, но и для полевых. Поэтому, после определения типа элемента, необходимо уточнять класс транзистора (биполярный или полевой) по маркировке, нанесённой на его корпус.

Полевой транзистор FR5305 на печатной плате прибора. Рядом указан тип элемента — VT

Любой транзистор имеет свой типономинал или маркировку. Пример маркировки: КТ814. По ней можно узнать все параметры элемента. Как правило, они указаны в даташите (datasheet). Он же справочный лист или техническая документация. Также могут быть транзисторы этой же серии, но чуть с другими электрическими параметрами. Тогда название содержит дополнительные символы в конце, или, реже, в начале маркировки. (например, букву А или Г).

Зачем так заморачиваться со всякими дополнительными обозначениями? Дело в том, что в процессе производства очень сложно достичь одинаковых характеристик у всех транзисторов. Всегда есть определённое, пусть и, небольшое, но отличие в параметрах. Поэтому их делят на группы (или модификации).

Строго говоря, параметры транзисторов разных партий могут довольно существенно различаться. Особенно это было заметно ранее, когда технология их массового производства только оттачивалась.

Внешний вид и обозначение транзистора на схемах

На фото справа вы видите первый работающий транзистор, который был создан в 1947 году тремя учёными – Уолтером Браттейном, Джоном Бардином и Уильямом Шокли.

Несмотря на то, что первый транзистор имел не очень презентабельный вид, это не помешало ему произвести революцию в радиоэлектронике.

Трудно предположить, какой бы была нынешняя цивилизация, если бы транзистор не был изобретён.

Транзистор является первым твёрдотельным устройством, способным усиливать, генерировать и преобразовывать электрический сигнал. Он не имеет подверженных вибрации частей, обладает компактными размерами. Это делает его очень привлекательным для применения в электронике.

Это было маленькое вступление, а теперь давайте разберёмся более подробно в том, что же представляет собой транзистор.

Сперва стоит напомнить о том, что транзисторы делятся на два больших класса. К первому относятся так называемые биполярные, а ко второму – полевые (они же униполярные). Основой как полевых, так и биполярных транзисторов является полупроводник. Основной же материал для производства полупроводников — это германий и кремний, а также соединение галлия и мышьяка — арсенид галлия (GaAs).

Стоит отметить, что наибольшее распространение получили транзисторы на основе кремния, хотя и этот факт может вскоре пошатнуться, так как развитие технологий идёт непрерывно.

Так уж случилось, но вначале развития полупроводниковой технологии лидирующее место занял биполярный транзистор. Но не многие знают, что первоначально ставка делалась на создание полевого транзистора. Он был доведён до ума уже позднее. О полевых MOSFET-транзисторах читайте здесь.

Не будем вдаваться в подробное описание устройства транзистора на физическом уровне, а сперва узнаем, как же он обозначается на принципиальных схемах. Для новичков в электронике это очень важно.

Для начала, нужно сказать, что биполярные транзисторы могут быть двух разных структур. Это структура P-N-P и N-P-N. Пока не будем вдаваться в теорию, просто запомните, что биполярный транзистор может иметь либо структуру P-N-P, либо N-P-N.

На принципиальных схемах биполярные транзисторы обозначаются вот так.

Как видим, на рисунке изображены два условных графических обозначения. Если стрелка внутри круга направлена к центральной черте, то это транзистор с P-N-P структурой. Если же стрелка направлена наружу – то он имеет структуру N-P-N.

Маленький совет.

Чтобы не запоминать условное обозначение, и сходу определять тип проводимости (p-n-p или n-p-n) биполярного транзистора, можно применять такую аналогию.

Сначала смотрим, куда указывает стрелка на условном изображении. Далее представляем, что мы идём по направлению стрелки, и, если упираемся в «стенку» – вертикальную черту – то, значит, «Прохода Нет»! “Нет” – значит p-n-p (П-Н-П ).

Ну, а если идём, и не упираемся в “стенку”, то на схеме показан транзистор структуры n-p-n. Похожую аналогию можно использовать и в отношении полевых транзисторов при определении типа канала (n или p). Про обозначение разных полевых транзисторов на схеме читайте тут.

Обычно, дискретный, то есть отдельный транзистор имеет три вывода. Раньше его даже называли полупроводниковым триодом. Иногда у него может быть и четыре вывода, но четвёртый служит для подключения металлического корпуса к общему проводу. Он является экранирующим и не связан с другими выводами. Также один из выводов, обычно это коллектор (о нём речь пойдёт далее), может иметь форму фланца для крепления к охлаждающему радиатору или быть частью металлического корпуса.

Вот взгляните. На фото показаны различные транзисторы ещё советского производства, а также начала 90-ых.

А вот это уже современный импорт.

Каждый из выводов транзистора имеет своё назначение и название: база, эмиттер и коллектор. Обычно эти названия сокращают и пишут просто Б (База), Э (Эмиттер), К (Коллектор). На зарубежных схемах вывод коллектора помечают буквой C, это от слова Collector — “сборщик” (глагол Collect — “собирать”). Вывод базы помечают как B, от слова Base (от англ. Base — “основной”). Это управляющий электрод. Ну, а вывод эмиттера обозначают буквой E, от слова Emitter — “эмитент” или “источник выбросов”. В данном случае эмиттер служит источником электронов, так сказать, поставщиком.

В электронную схему выводы транзисторов нужно впаивать, строго соблюдая цоколёвку. То есть вывод коллектора запаивается именно в ту часть схемы, куда он должен быть подключен. Нельзя вместо вывода базы впаять вывод коллектора или эмиттера. Иначе не будет работать схема.

Как узнать, где на принципиальной схеме у транзистора коллектор, а где эмиттер? Всё просто. Тот вывод, который со стрелкой – это всегда эмиттер. Тот, что нарисован перпендикулярно (под углом в 90 0 ) к центральной черте – это вывод базы. А тот, что остался – это коллектор.

Также на принципиальных схемах транзистор помечается символом VT или Q. В старых советских книгах по электронике можно встретить обозначение в виде буквы V или T. Далее указывается порядковый номер транзистора в схеме, например, Q505 или VT33. Стоит учитывать, что буквами VT и Q обозначаются не только биполярные транзисторы, но и полевые в том числе.

Далее узнаем, как найти транзисторы на печатной плате электронного прибора.

В реальной электронике транзисторы легко спутать с другими электронными компонентами, например, симисторами, тиристорами, интегральными стабилизаторами, так как те имеют такие же корпуса. Особенно легко запутаться, когда на электронном компоненте нанесена неизвестная маркировка.

В таком случае нужно знать, что на многих печатных платах производится разметка позиционирования и указывается тип элемента. Это так называемая шелкография. Так на печатной плате рядом с деталью может быть написано Q305. Это значит, что этот элемент транзистор и его порядковый номер в принципиальной схеме – 305. Также бывает, что рядом с выводами указывается название электрода транзистора. Так, если рядом с выводом есть буква E, то это эмиттерный электрод транзистора. Таким образом, можно чисто визуально определить, что же установлено на плате – транзистор или совсем другой элемент.

Как уже говорилось, это утверждение справедливо не только для биполярных транзисторов, но и для полевых. Поэтому, после определения типа элемента, необходимо уточнять класс транзистора (биполярный или полевой) по маркировке, нанесённой на его корпус.

Полевой транзистор FR5305 на печатной плате прибора. Рядом указан тип элемента — VT

Любой транзистор имеет свой типономинал или маркировку. Пример маркировки: КТ814. По ней можно узнать все параметры элемента. Как правило, они указаны в даташите (datasheet). Он же справочный лист или техническая документация. Также могут быть транзисторы этой же серии, но чуть с другими электрическими параметрами. Тогда название содержит дополнительные символы в конце, или, реже, в начале маркировки. (например, букву А или Г).

Зачем так заморачиваться со всякими дополнительными обозначениями? Дело в том, что в процессе производства очень сложно достичь одинаковых характеристик у всех транзисторов. Всегда есть определённое, пусть и, небольшое, но отличие в параметрах. Поэтому их делят на группы (или модификации).

Строго говоря, параметры транзисторов разных партий могут довольно существенно различаться. Особенно это было заметно ранее, когда технология их массового производства только оттачивалась.

Здравствуйте, дорогие читатели. В данной статье рассмотрим виды транзисторов и область их применения. И так…

Транзистор, это радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи. Это позволяет использовать его для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов. В настоящее время транзистор является основой схемотехники подавляющего большинства электронных устройств и интегральных микросхем.

Виды транзисторов

О том что такое транзистор, читайте в статье «Что означает слово транзистор? Назначение и устройство.» Здесь лишь отметим, в большинстве применений транзисторы заменили собой вакуумные лампы, свершилась настоящая кремниевая революция в создании интегральных микросхем. Так, сегодня в аналоговой технике чаще используют биполярные транзисторы, а в цифровой технике — преимущественно полевые.

Устройство и принцип действия полевых и биполярных транзисторов — это так же темы отдельных статей, поэтому останавливаться на данных тонкостях не будем, а рассмотрим предмет с чисто практической точки зрения на конкретных примерах.

Полевые и биполярные транзисторы

По технологии изготовления транзисторы подразделяются на два типа: полевые и биполярные. Биполярные в свою очередь делятся по проводимости на n-p-n – транзисторы обратной проводимости, и p-n-p – транзисторы прямой проводимости. Полевые транзисторы бывают, соответственно, с каналом n-типа и p-типа. Затвор полевого транзистора может быть изолированным (IGBT-транзисторы) или в виде p-n-перехода. IGBT-транзисторы бывают со встроенным каналом или с индуцированным каналом.

Виды транзисторов, p –n–p и n–p–n проводимость

Области применения транзисторов определяются их характеристиками, а работать транзисторы могут в двух режимах: в ключевом или в усилительном. В первом случае транзистор в процессе работы или полностью открыт или полностью закрыт, что позволяет управлять питанием значительных нагрузок, используя малый ток для управления. А в усилительном, или по-другому — в динамическом режиме, используется свойство транзистора изменять выходной сигнал при малом изменении входного, управляющего сигнала. Далее рассмотрим примеры различных транзисторов.

2N3055 – биполярный n-p-n-транзистор в корпусе ТО-3

Популярен в качестве элемента выходных каскадов высококачественных звуковых усилителей, где он работает в динамическом режиме. Как правило, используется совместно с комплементарным p-n-p собратом MJ2955. Данный транзистор может работать и в ключевом режиме, например в трансформаторных НЧ инверторах 12 на 220 вольт 50 Гц, пара 2n3055 управляет двухтактным преобразователем.

Примечательно, что напряжение коллектор-эмиттер для данного транзистора в процессе работы может достигать 70 вольт, а ток 15 ампер. Корпус ТО-3 позволяет удобно закрепить его на радиатор в случае необходимости. Статический коэффициент передачи тока — от 15 до 70, этого достаточно для эффективного управления даже мощными нагрузками, при том, что база транзистора выдерживает ток до 7 ампер. Данный транзистор может работать на частотах до 3 МГц.

КТ315 — легенда среди отечественных биполярных транзисторов малой мощности

Данный транзистор n-p-n – типа впервые увидел свет 1967 году, и по сей день пользуется популярностью в радиолюбительской среде. Комплементарной парой к нему является КТ361. Идеален для динамических и ключевых режимов в схемах малой мощности.

При максимально допустимом напряжении коллектор-эмиттер 60 вольт, этот высокочастотный транзистор способен пропускать через себя ток до 100 мА, а граничная частота у него не менее 250 МГц. Коэффициент передачи тока достигает 350, при том, что ток базы ограничен 50 мА.

Изначально транзистор выпускался только в пластмассовом корпусе KT-13, 7 мм в ширину и 6 мм высотой, но в последнее время можно его встретить и в корпусе ТО-92.

КП501 — полевой n-канальный транзистор малой мощности с изолированным затвором

Имеет обогащенный n-канал, сопротивление которого составляет от 10 до 15 Ом, в зависимости от модификации (А,Б,В). Предназначен данный транзистор, как его позиционирует производитель, для использования в аппаратуре связи, в телефонных аппаратах и другой радиоэлектронной аппаратуре.

Этот транзистор можно назвать сигнальным. Небольшой корпус ТО-92, максимальное напряжение сток-исток — до 240 вольт, максимальный ток стока — до 180 мА. Емкость затвора менее 100 пф. Особенно примечательно то, что пороговое напряжение затвора составляет от 1 до 3 вольт, что позволяет реализовать управление с очень-очень малыми затратами. Идеален в качестве преобразователя уровней сигналов.

irf3205 – n-канальный полевой транзистор, изготовленный по технологии HEXFET

Популярен в качестве силового ключа для повышающих высокочастотных инверторов, например автомобильных. Посредством параллельного включения нескольких корпусов представляется возможность построения преобразователей, рассчитанных на значительные токи.

Максимальный ток для одного такого транзистора достигает 75А (ограничение вносит конструкция корпуса ТО-220), а максимальное напряжение сток-исток составляет 55 вольт. Сопротивление канала при этом всего 8 мОм. Емкость затвора в 3250 пф требует применения мощного драйвера для управления на высоких частотах, но сегодня это не является проблемой.

FGA25N120ANTD мощный биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT-транзистор)

Способен выдержать напряжение сток-исток 1200 вольт, максимальный ток стока составляет 50 ампер. Особенность изготовления современных IGBT-транзисторов такого уровня позволяет отнести их к классу высоковольтных.

Область применения — силовые преобразователи инверторного типа, такие как индукционные нагреватели, сварочные аппараты и другие высокочастотные преобразователи, рассчитанные на питание высоким напряжением. Идеален для мощных мостовых и полумостовых резонансных преобразователей, а также для работы в условиях жесткого переключения, имеется встроенный высокоскоростной диод.

Рекомендации по эксплуатации транзисторов

Значения большинства параметров транзисторов зависят от реального режима работы и температуры, причем с увеличением температуры параметры транзисторов могут меняться. В справочнике приведены, как правило, типовые (усредненные) зависимости параметров транзисторов от тока, напряжения, температуры, частоты и т. п.

Для обеспечения надежной работы транзисторов необходимо принимать меры, исключающие длительные электрические нагрузки, близкие к предельно допустимым. Например заменять транзистор на аналогичный но меньшей мощности не стоит, это касается не только мощностей, но и других параметров транзистора. В некоторых случаях для увеличения мощности транзисторы можно включать параллельно, когда эмиттер соединяется с эмиттером, коллектор с коллектором и база – с базой. Перегрузки могут быть вызваны разными причинами, например от перенапряжения, для защиты от перенапряжения часто применяют быстродействующие диоды.

Что касается нагрева и перегрева транзисторов, температурный режим транзисторов не только оказывает влияние на значение параметров, но и определяет надежность их эксплуатации. Следует стремиться к тому, чтобы транзистор при работе не перегревался, в выходных каскадах усилителей транзисторы обязательно нужно ставить на большие радиаторы. Защиту транзисторов от перегрева нужно обеспечивать не только во время эксплуатации, но и во время пайки. При лужении и пайке следует принимать меры, исключающие перегрев транзистора, транзисторы во время пайки желательно держать пинцетом, для защиты от перегрева.

Мы рассмотрели здесь только несколько видов транзисторов, и это лишь мизерная часть из обилия моделей электронных компонентов, представленных на рынке сегодня.

Так или иначе, вы с легкостью сможете подобрать подходящий транзистор для своих целей. Документация на них доступна сегодня в сети в виде даташитов, в которых исчерпывающе представлены все характеристики. Типы корпусов современных транзисторов различны, и для одной и той же модели зачастую доступны как SMD исполнение, так и выводное.

Видео, виды транзисторов

Транзисторы p-n-p и n-p-n

Биполярные транзисторы имеют по 2 p-n  полупроводниковых перехода. Эти переходы могут комбинироваться как p-n-p и n-p-n. Напомним, здесь n от слова negative, а p — positive. 

Точнее n — отрицательная (электронная) проводимость материала из которого сделан полупроводник  p — дырочная (положительная) проводимость. На стыке двух материалов образуется p-n переход или электронно-дырочный переход. Электрический ток через p-n переход может протекать только в одном направлении, от p к n.

Вернёмся к транзисторам. Существуют транзисторы с прямой (p-n-p) и обратной (n-p-n) проводимостью.

Рис. 1. Условное схематическое изображение транзисторов n-p-n (Q1) и p-n-p (Q2).

P-n-p транзисторы открываются током базы направленным от эмиттера к базе. То есть  чтобы открыть транзистор, необходимо подать на базу отрицательное по отношению к эмиттеру напряжение. 

N-p-n транзисторы открываются током базы направленным от базы к эмиттеру. То есть  чтобы открыть транзистор, необходимо подать на базу положительное по отношению к эмиттеру напряжение.

Транзистор является усилительным прибором. Малым током базы можно управлять большим током коллектора. Усилительные свойства транзистора характеризуются коэффициентом передачи по току. У большинства современных биполярных транзисторов коэффициент передачи по току достигает нескольких сотен единиц.

Биполярные транзисторы выпускают рассчитанными на разную мощность и в различных типах корпусов. При макетировании маломощные транзисторы, чаще всего, используют в корпусе типа TO-92.

Рис. Транзистор в корпусе TO-92

Ниже в таблице приводим цоколёвку некоторых транзисторов в корпусе TO-92.

Транзистор	T	1	2	3	h31э	Ikmax	Ukemax	Fmax MHz
2N2222	О	Э	Б	К	100-300	0,6	30	250
BC337	О	К	Б	Э	250-630	0,8	45	100
BC327	П	К	Б	Э	250-630	0,8	45	100
BC547	О	К	Б	Э	110-800	0,5	45	300
BC557	П	К	Б	Э	125-800	0,2	45	100
MJE13002	O	Б	К	Э	8-40	1,5	300	10

Табл. 1. Цоколёвка некоторых транзисторов в корпусе TO-92

В таблице 1 буквы обозначают Э – эмиттер, Б – база, К – коллектор. в колонке Т обозначен тип транзистора О (обратной проводимости, n-p-n), П (прямой проводимости, p-n-p). h31э статический коэффициент усиления тока в схеме с общим эмиттером. I_kmax максимально допустимый ток коллектора. U_kemax максимально допустимое напряжение эмиттер коллектор F_max граничная рабочая частота.

Биполярные транзисторы. Характеристики и схемы соединений

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

Содержание:

Структура и принцип работы транзистора

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

Или же n-p-n:

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

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

Схемы соединения транзисторов

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

Общая база

Схема будет выглядеть так:

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

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

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

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

Схема с общим эмиттером

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

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

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

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

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

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

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

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

Схема с общим коллектором

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

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

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

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

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

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

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

Мощность транзисторов

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

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

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

Конструктивные особенности биполярных транзисторов

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

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

Смещение транзисторов

– Транзисторы и схемы транзисторов Видеолекция

В главе 10 мы продолжим тему смещения. Чтобы транзистор работал, два PN перехода должны быть правильно смещены. Переход база-эмиттер ведет себя как любой другой PN-переход, если смотреть отдельно. Если переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, транзистор включен. Если он смещен в обратном направлении, транзистор выключен. Это как диод. Если вы смещаете диод в прямом направлении, диод проводит.При обратном смещении диода диод отключается.

Теперь переход база-эмиттер в транзисторе будет по существу включать или выключать транзистор. Теперь переход база-коллектор не будет иметь такой же мощности, но переход база-эмиттер будет определять, включен или выключен транзистор. Переход база-коллектор также ведет себя как p-n переход, но он не сможет вызвать его включение или выключение.

Теперь, когда мы смотрим на эти два сценария здесь, эмиттер отключился от цепи, и нет тока, а эмиттер, по существу, открыт.Здесь мы подключили батарею через переход коллектор-база. В этом случае переход коллектор-база смещен в прямом направлении, и мы испытываем протекание тока, и это очень похоже на диод. В этом сценарии происходит обратное смещение. Единственное отличие – ясность. Диод наоборот. Сейчас тока нет. Вы видите, что здесь расходомеры показывают отсутствие тока. Они действительно утверждали, что течение было текущим. Учтите, что в обоих случаях эмиттер открыт.Это вне схемы. Мы просто показываем тот факт, что он ведет себя так же, как диод, и база-эмиттер также будет работать как диод.

Смещение

Хорошо, мы рассмотрим несколько различных типов смещения. Важно понимать эффекты одновременного смещения обоих переходов в транзисторе. Есть четыре возможных комбинации для смещения двух перекрестков, но только три играют ключевую роль, поэтому мы рассмотрим три из них.Хорошо, первый из них – это БЭ с обратным смещением, соединение база-эмиттер, соединение коллектор-база с обратным смещением. Здесь к нам приложено напряжение, которое заставит их отключиться. Теперь, если оба соединения отключены, мы находимся в состоянии, которое мы называем отсечкой. Это важно для цифровых технологий. Он не используется в линейных операциях, таких как усилители. Для цифрового транзистора работает только как выключатель, который вы выключили или включили. Состояние выключения отключено. Ситуация «включено» или «условие включения» будет называться насыщением.

Линейный режим, используется весь спектр между включением и выключением. Теперь при линейной работе мы увидим, что транзистор насыщен и никогда не отключается. Он работает в том, что мы называем промежуточной зоной, но здесь мы видим отсечку. Вы заметите, что в схеме есть две батареи, и они сконфигурированы так, что оба перехода имеют обратное смещение, и поэтому транзистор отключен.

Теперь, что я мог бы добавить здесь, это помните, что мы говорили, что переход база-эмиттер по существу контролирует, включен или выключен транзистор.Здесь у нас есть отрицательное напряжение между этим переходом. Во многих случаях мы обнаружим, что это не обязательно отрицательное напряжение. Это будет просто очень низкое напряжение. Например, у нас было нулевое напряжение, которого было бы недостаточно для включения этого перехода. Если бы оно было меньше 0,7 вольт, он не включил бы этот переход. По сути, это было бы то же самое, что и обратная предвзятость как недостаточная предвзятость. В любом из этих случаев он выключит транзистор.

Схема смещения номер два.Это прямое смещение перехода база-эмиттер и обратное смещение перехода коллектор-база. Это позволяет обеспечить максимальный ток между эмиттером и коллектором, и мы обнаружим, что почти такой же ток, который проходит через эмиттер, будет и в коллекторе, что будет добавлено на следующем экране.

В этом случае базовый ток очень мал, поэтому ток, который будет иметь большое протекание тока через ток, но только очень небольшое количество, фактически будет выходить из базового соединения здесь.Эмиттер для тока базы тяжелый, ладно. Ток, идущий от эмиттера к базе, очень сильный. Эмиттер сильно легирован свободными электронами, поэтому у нас здесь много свободных электронов. Основание очень легкое, всего несколько отверстий. Если электроны рекомбинируют с дырками, они могут выйти через основание.

Мы говорим, что когда мы прикладываем прямое напряжение смещения к этому переходу, эти электроны хлынут в базу. Однако в основании всего несколько отверстий, поэтому для прохождения электронов через основание они должны делать это как функцию дырок.Что произойдет, так это то, что некоторые из этих электронов попадут в дырки, а затем выйдут из базы, но что произойдет, так это то, что большинство электронов увидят положительный результат на коллекторе. Здесь есть позитив, и они войдут в этот слой истощения. Это территория истощенная. Помните также, что у нас – этот слой очень тонкий. На этом изображении я показал, что он довольно большой, но на самом деле очень тонкий, и эта масса электронов течет в основание. Недостаточно носителей, чтобы вывести эти электроны через соединение с базой, поэтому большинство из них попадет в коллектор и попадет в осадок в стороне от источника питания.

Мы обнаружим, что большинство электронов пройдут полностью через коллектор, и лишь небольшое их количество действительно выйдет из базы. Мы продолжим это на следующей странице. Транзистор сконструирован так, чтобы стимулировать ток от эмиттера к коллектору с этим типом устройства смещения. База слегка легирована, что затрудняет рекомбинацию. Как вы помните, я об этом говорил. Здесь есть несколько дырок, и для того, чтобы эти электроны вытекли из базы, они должны рекомбинировать с дырками, а затем выйти из базы.Основание очень тонкое, что делает его более вероятным. Свободные электроны столкнутся с обедненным слоем базового коллектора до того, как найдут дыру. Большинство этих электронов, которые втекают в базу, будут двигаться в эту область истощения и фактически перетекают в коллектор и переходят к другому.

Похоже, это противоречит тому, о чем мы говорили ранее, что когда у вас обратное смещение, у вас не так много тока. В этом случае мы имеем дело с обратным смещением. Этому способствовали несколько вещей: тот факт, что основание на самом деле очень тонкое, и тот факт, что отверстий очень мало, так что метод протекания тока через отверстия будет ограничен.Большая часть электронов здесь переместится в коллектор и на положительную пластину источника питания.

Теперь от 95 до 99% электронов будут проходить через коллектор. Мы говорим об этом больше, чем подавляющее большинство. Фактически, все электроны потекут из эмиттера в коллектор, и мы говорим, что от 95 до 99 это сделают. Фактически, во многих кругах, когда вы говорите о токе коллектора и токе эмиттера, они просто говорят, что IE равен IC, потому что большая часть этого тока идет до коллектора.Здесь есть крошечная сумма, и есть термин, который ее рассматривает. Это называется альфа транзистора, а альфа – это IC, разделенная на E. Обычно это соотношение представляет некоторые – часто вы смотрите на 99%. Фактически весь ток от эмиттера будет течь в коллектор.

Хорошо, продолжаем обсуждение. Такая конфигурация необходима для работы транзисторов и замечена в линейной области. Выходной сигнал будет формой волны, идентичной входной.Это характеристика линейной операции. Теперь, когда у вас есть отсечка и насыщенность, у вас либо низкий, либо высокий. Есть только два условия, когда у вас есть насыщение и отсечка, и это поддерживает цифровые схемы. Для линейной работы выход будет идентичен входу, и я на мгновение забегу вперед. Добро пожаловать обратно.

Это изображение схемы из вашего учебника. На самом деле это цифра 10-38, и это транзисторная схема, настроенная для линейной работы.Я собираюсь обратить ваше внимание на осциллограмму здесь, и вы заметите, что здесь подключен самый нижний осциллограф. Красный провод идет сюда, и вы видите, что этот красный сигнал здесь является входом, а синий здесь является окончательным выходом, и это этот сигнал прямо здесь. Вы заметите, что есть инверсия фазы, но относительная форма входа и выхода одинакова. Вот что мы увидим при линейной работе: вход и выход имеют одинаковую форму.Теперь, что мы здесь не рассмотрели, так это то, что на самом деле выход в 147 раз больше, чем вход из-за того, что здесь происходит усиление, но суть в том, что вход и выход имеют одинаковую форму.

Ладно, токи эмиттера и коллектора будут почти равны. Об этом мы уже говорили. Базовые токи будут очень маленькими. Мы уже упоминали об этом. Если базовый ток изменяется, эмиттер и коллектор будут изменяться пропорционально. Это основа для усиления.Если мы снова посмотрим на эту схему, вот база транзистора, а вот входящий сигнал. Этот сигнал будет применяться к базе, и токи в транзисторе будут колебаться в зависимости от этого входного сигнала и того, что приведет к этому явлению, которое мы называем усилением.

Отношение между базовым и коллекторным токами невелико. Его часто называют бета-версией. Помните, что у нас есть альфа, которая была отношением эмиттера к коллектору.Бета – это отношение тока в базе к току в эмиттере. Мы пишем это как IC поверх IB. Не между эмиттером и базой. Это соотношение между током коллектора и током базы, хорошо. IC по IB. Это соотношение широко варьируется. Фактически, это одна из причин, по которой транзисторы без дополнительной помощи смещения, в некоторых отношениях, они немного нестабильны, потому что это значение B может сильно измениться. Существует транзистор под названием 3904, очень популярный транзистор.Это соотношение составляет от 100 до 300, а значит, от 100 до 300 раз больше. В таком случае ток коллектора является током базы.

В технических паспортах этот элемент часто упоминается как hFE, и это соотношение между током коллектора и током базы, а ток коллектора обычно находится в районе 3904 от 100 до 300 раз больше, чем ток коллектора. базовый ток. Опять же, это называется бета транзистора. Опять же, у нас есть схема усилителя, и в данном случае мы используем транзистор 2N2222A.Хорошо. В этом разделе мы рассмотрим смещение. Мы рассматриваем смещение для линейной работы, что означает, что мы смещаем прямое смещение перехода база-эмиттер и обратное смещение перехода коллектор-база.

Мы также посмотрели на отсечку.

В следующем разделе мы рассмотрим насыщенность и завершим смещение.

Видеолекции, созданные Тимом Фигенбаумом в Общественном колледже Северного Сиэтла.

Теория транзисторов

– Биполярные транзисторы

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Вы должны вспомнить из предыдущего обсуждения, что смещенный в прямом направлении PN-переход сравним с элементом схемы с низким сопротивлением, поскольку он пропускает большой ток при заданном напряжении.В свою очередь, PN-переход с обратным смещением сопоставим с высокоомным элементом схемы. Используя формулу закона Ома для мощности (P = I ² R) и предполагая, что ток остается постоянным, можно сделать вывод, что мощность, развиваемая на высоком сопротивлении, больше, чем на низком сопротивлении. Таким образом, если кристалл должен содержать два PN-перехода (один с прямым смещением, а другой с обратным смещением), сигнал малой мощности может быть введен в переход с прямым смещением и генерировать сигнал высокой мощности в обратном смещении. соединение.Таким образом можно было бы получить усиление мощности на кристалле. Эта концепция является основной теорией усиления транзистора. Вспомнив эту свежую информацию, давайте перейдем непосредственно к транзистору NPN.

Работа транзистора NPN

Так же, как и в случае диода с PN-переходом, материал N, составляющий две концевые секции транзистора N P N , содержит некоторое количество свободных электронов, в то время как центральная P-часть содержит избыточное количество дырок.Действие на каждом переходе между этими секциями такое же, как описано ранее для диода; то есть развиваются области истощения и появляется переходной барьер. Чтобы использовать транзистор в качестве усилителя, каждый из этих переходов должен быть модифицирован некоторым внешним напряжением смещения. Чтобы транзистор мог работать в этой емкости, первый PN переход (переход эмиттер-база) смещен в прямом направлении или с низким сопротивлением. В то же время второй PN переход (переход база-коллектор) смещен в обратном или высокоомном направлении.Простой способ запомнить, как правильно смещать транзистор, – это наблюдать за элементами NPN или PNP, из которых состоит транзистор. Буквы этих элементов указывают, какую полярность напряжения использовать для правильного смещения. Например, обратите внимание на транзистор NPN ниже:

1. Излучатель, который является первой буквой в последовательности N PN, подключен к исходной стороне батареи n , в то время как база, которая является второй буквой (N P N), подключена к положительная сторона p .

2. Однако, поскольку для правильной работы транзистора требуется обратное смещение второго PN-перехода, коллектор должен быть подключен к напряжению противоположной полярности ( p ositive), чем указано его буквенным обозначением (NP N ). . Напряжение на коллекторе также должно быть более положительным, чем на базе, как показано ниже:

Теперь у нас есть правильно смещенный NPN-транзистор.

Таким образом, база транзистора N P N должна быть положительна относительно эмиттера на p , а коллектор должен быть более положительным, чем база.

NPN разветвление с прямым смещением

Важный момент, который следует отметить в это время, который не обязательно упоминался при объяснении диода, – это тот факт, что материал N на одной стороне смещенного в прямом направлении перехода более сильно легирован, чем материал P. Это приводит к большему току, переносимому через переход электронами основного носителя из материала N, чем дырками основного носителя из материала P. Следовательно, проводимость через смещенный в прямом направлении переход, как показано на рисунке ниже, в основном обеспечивается электронами основных носителей, из материала N (эмиттер).

Прямо смещенный переход в NPN-транзисторе.

Когда переход эмиттер-база на рисунке смещен в прямом направлении, электроны покидают отрицательную клемму батареи и входят в материал N (эмиттер). Поскольку электроны являются основными носителями тока в материале N, они легко проходят через эмиттер, пересекают переход и соединяются с отверстиями в материале P (основание). Для каждого электрона, который заполняет отверстие в материале P, другой электрон покидает материал P (создавая новое отверстие) и входит в положительный полюс батареи.

NPN-переход с обратным смещением

Второй PN-переход (база-коллектор), или, как его еще называют, с обратным смещением (рисунок ниже), блокирует переход основных носителей тока через переход. Однако через этот переход проходит очень небольшой ток, о котором говорилось ранее. Этот ток называется миноритарным током или обратным током . Как вы помните, этот ток создавался электронно-дырочными парами. Неосновными носителями для обратносмещенного PN перехода являются электронов, в материале P и дырок, в материале N.Эти неосновные носители фактически проводят ток для обратносмещенного перехода, когда электроны из P-материала входят в N-материал, а дырки из N-материала входят в P-материал. Однако электроны неосновного тока (как вы увидите позже) играют наиболее важную роль в работе NPN-транзистора.

Обратно-смещенный переход в NPN-транзисторе.

На этом этапе вы можете задаться вопросом, почему второй PN-переход (база-коллектор) не имеет прямого смещения, как первый PN-переход (эмиттер-база).Если бы оба перехода были смещены в прямом направлении, электроны имели бы тенденцию течь из каждой концевой секции транзистора N P N (эмиттер и коллектор) к центральной P-секции (базе). По сути, у нас было бы два переходных диода с общей базой, что исключает любое усиление и сводит на нет назначение транзистора. Сейчас уместно сделать одно предостережение. Если вы ошибочно смещаете второй PN-переход в прямом направлении, чрезмерный ток может выработать достаточно тепла, чтобы разрушить переходы, что сделает транзистор бесполезным.Поэтому перед выполнением любых электрических подключений убедитесь, что полярность напряжения смещения правильная.

NPN Junction Взаимодействие

Теперь мы готовы посмотреть, что произойдет, когда мы введем в действие два перехода NPN-транзистора одновременно. Чтобы лучше понять, как эти два соединения работают вместе, во время обсуждения обратитесь к рисунку ниже.

Работа транзистора NPN.

Батареи смещения на этом рисунке обозначены как Vcc для источника напряжения коллектора и Vbb для источника напряжения базы.Также обратите внимание, что базовая батарея питания довольно мала, на что указывает количество ячеек в батарее, обычно 1 вольт или меньше. Однако напряжение коллектора обычно намного выше, чем базовое, обычно около 6 вольт. Как вы увидите позже, эта разница в напряжениях питания необходима для протекания тока от эмиттера к коллектору.

Как было сказано ранее, ток во внешней цепи всегда связан с движением свободных электронов. Следовательно, электроны текут от отрицательных выводов батарей питания к эмиттеру N-типа.Это комбинированное движение электронов известно как , эмиттерный ток (Ie). Поскольку электроны являются основными носителями в материале N, они будут перемещаться через эмиттер материала N к переходу эмиттер-база. Когда этот переход смещен вперед, электроны продолжают движение в базовую область. Как только электроны находятся в основе, которая представляет собой материал P-типа, , теперь они становятся неосновными носителями . Некоторые электроны, перемещающиеся в основание, рекомбинируют с доступными дырками. Для каждого электрона, который рекомбинирует, другой электрон движется через вывод базы как базовый ток Ib (создавая новое отверстие для возможной комбинации) и возвращается в базовую батарею питания Vbb.Электроны, которые рекомбинируют, теряются, что касается коллектора. Поэтому, чтобы сделать транзистор более эффективным, базовая область сделана очень тонкой и слегка легированной. Это уменьшает возможность рекомбинации электрона с дыркой и потери. Таким образом, большинство электронов, которые перемещаются в базовую область, попадают под влияние большого обратного смещения коллектора. Это смещение действует как прямое смещение для неосновных носителей (электронов) в базе и, как таковое, ускоряет их через переход база-коллектор и далее в область коллектора.Поскольку коллектор изготовлен из материала N-типа, электроны, которые достигают коллектора , снова становятся основными носителями тока . Попав в коллектор, электроны легко проходят через материал N и возвращаются к положительному выводу батареи питания коллектора Vcc как ток коллектора (Ic).

Чтобы еще больше повысить эффективность транзистора, коллектор делают физически больше, чем база по двум причинам: (1) для увеличения вероятности сбора носителей, которые диффундируют в сторону, а также непосредственно через область базы, и (2) ), чтобы коллектор мог обрабатывать больше тепла без повреждений.

Таким образом, полный ток в транзисторе NPN проходит через вывод эмиттера. Следовательно, в процентном отношении, т.е. 100 процентов. С другой стороны, поскольку основание очень тонкое и слегка легированное, в цепи базы будет протекать меньший процент от общего тока (ток эмиттера), чем в цепи коллектора. Обычно от 2 до 5 процентов общего тока составляет базовый ток (Ib), а оставшиеся 95-98 процентов – ток коллектора (Ic). Между этими двумя токами существует очень простая взаимосвязь:

Т.е. = Ib + Ic

Проще говоря, это означает, что ток эмиттера разделен на ток базы и ток коллектора.Поскольку величина тока, выходящего из эмиттера, является исключительно функцией смещения эмиттер-база, и поскольку коллектор принимает большую часть этого тока, то небольшое изменение смещения эмиттер-база будет иметь гораздо большее влияние на величину тока коллектора. чем он будет иметь на базе тока. В заключение, относительно небольшое смещение эмиттер-база управляет относительно большим током эмиттер-коллектор.

Работа транзистора PNP

Транзистор PNP работает практически так же, как транзистор NPN.Однако, поскольку эмиттер, база и коллектор в транзисторе PNP изготовлены из материалов, которые отличаются от материалов, используемых в транзисторе NPN, в блоке PNP протекают разные носители тока. Большинство носителей тока в транзисторе PNP – это дырки. Это контрастирует с NPN-транзистором, где основными носителями тока являются электроны. Для поддержки этого другого типа тока (дырочного потока) батареи смещения для транзистора PNP меняются местами. Типичная установка смещения для транзистора PNP показана на рисунке ниже.Обратите внимание, что процедура, использованная ранее для правильного смещения транзистора NPN, здесь также применима к транзистору PNP. Первая буква (P) в последовательности P NP указывает полярность напряжения, необходимого для эмиттера ( p положительный), а вторая буква (N) указывает полярность базового напряжения (пример n ). . Поскольку соединение база-коллектор всегда имеет обратное смещение, для коллектора необходимо использовать напряжение противоположной полярности ( отрицательный, ).Таким образом, база транзистора P N P должна иметь наклон n относительно эмиттера, а коллектор должен быть более отрицательным, чем база. Помните, что, как и в случае с NPN-транзистором, эта разница в напряжении питания необходима для протекания тока (дырочного потока в случае PNP-транзистора) от эмиттера к коллектору. Хотя поток дырок является преобладающим типом протекания тока в транзисторе PNP, поток дырок происходит только внутри самого транзистора, в то время как электроны текут во внешней цепи.Однако именно поток внутренних отверстий приводит к потоку электронов во внешних проводах, подключенных к транзистору.

Правильно смещенный PNP-транзистор.

PNP разветвление с прямым смещением

Теперь давайте посмотрим, что происходит, когда переход эмиттер-база на рисунке ниже смещен в прямом направлении. При показанной настройке смещения положительный вывод батареи отталкивает эмиттерные отверстия к базе, а отрицательный вывод направляет электроны базы к эмиттеру.Когда эмиттерная дырка и базовый электрон встречаются, они объединяются. Для каждого электрона, который соединяется с отверстием, другой электрон покидает отрицательный полюс батареи и входит в базу. В то же время электрон покидает эмиттер, создавая новое отверстие, и входит в положительный полюс батареи. Это движение электронов в базу и из эмиттера составляет ток базы (Ib), и путь, по которому проходят эти электроны, называется цепью эмиттер-база.

Переход в прямом смещении в транзисторе PNP.

Обратно-смещенный переход PNP

В обратносмещенном переходе (рисунок ниже) отрицательное напряжение на коллекторе и положительное напряжение на базе блокируют основных носителей тока от пересечения перехода. Однако это же отрицательное напряжение коллектора действует как прямое смещение для отверстий неосновного тока в базе, которые пересекают переход и входят в коллектор. Электроны неосновного тока в коллекторе также воспринимают прямое смещение – положительное напряжение базы – и перемещаются в базу.Отверстия в коллекторе заполняются электронами, которые текут с отрицательной клеммы аккумулятора. В то же время электроны покидают отрицательную клемму батареи, другие электроны в основании разрывают свои ковалентные связи и входят в положительную клемму батареи. Хотя в переходе с обратным смещением протекает только неосновной ток, он все еще очень мал из-за ограниченного количества неосновных носителей тока.

Обратно-смещенный переход в PNP-транзисторе.

PNP-соединение, взаимодействие

Взаимодействие между переходами с прямым и обратным смещением в транзисторе PNP очень похоже на взаимодействие в транзисторе NPN, за исключением того, что в транзисторе PNP большинство носителей тока представляют собой дырки. В транзисторе PNP, показанном на рисунке ниже, положительное напряжение на эмиттере отталкивает отверстия к базе. Попав в базу, дырки соединяются с электронами базы. Но опять же, помните, что базовая область сделана очень тонкой, чтобы предотвратить рекомбинацию дырок с электронами.Следовательно, более 90 процентов отверстий, которые входят в основание, притягиваются к большому отрицательному напряжению коллектора и проходят прямо через основание. Однако для каждого электрона и дырки, которые объединяются в области основания, другой электрон покидает отрицательный вывод базовой батареи (Vbb) и входит в базу в качестве тока базы (Ib). В то же время электрон покидает отрицательную клемму батареи, другой электрон покидает эмиттер как Ie (создавая новое отверстие) и входит в положительную клемму Vbb.Между тем, в коллекторной цепи электроны из коллекторной батареи (Vcc) попадают в коллектор как Ic и объединяются с избыточными дырками от базы. Для каждой дырки, которая нейтрализуется в коллекторе электроном, другой электрон покидает эмиттер и начинает свой путь обратно к положительному выводу Vcc.

Работа транзистора PNP.

Хотя ток во внешней цепи PNP-транзистора противоположен направлению тока NPN-транзистора, большинство носителей всегда течет от эмиттера к коллектору.Этот поток основных носителей также приводит к образованию двух отдельных токовых петель внутри каждого транзистора. Один контур – это путь базового тока, а другой контур – путь тока коллектора. Комбинация тока в обоих контурах (Ib + Ic) дает полный ток транзистора (Ie). Самая важная вещь, которую следует помнить о двух разных типах транзисторов, заключается в том, что напряжение эмиттер-база транзистора PNP оказывает такое же регулирующее влияние на ток коллектора, как и у транзистора NPN.Проще говоря, увеличение напряжения прямого смещения транзистора уменьшает барьер перехода эмиттер-база. Это действие позволяет большему количеству носителей достигать коллектора, вызывая увеличение тока, протекающего от эмиттера к коллектору и через внешнюю цепь. И наоборот, уменьшение напряжения прямого смещения снижает ток коллектора.

Radartutorial

pnp- Работа транзистора

Коллектор

База

Излучатель

прямое смещение

обратное смещение

Рисунок 1. Правильно смещенный pnp-транзистор

Коллектор

База

Излучатель

прямое смещение

обратное смещение

Рисунок 1. Правильно смещенный pnp-транзистор

Транзистор pnp работает практически так же, как транзистор npn.Однако, поскольку эмиттер, база и коллектор в pnp-транзисторе сделаны из материалы, которые отличаются от материалов, используемых в транзисторе npn, в блоке pnp протекают разные носители тока. Большинство носителей тока в pnp-транзисторе – это дырки. Это в отличие от npn-транзистор, в котором основными носителями тока являются электроны. Чтобы поддержать это другой тип тока (поток в дырке), батареи смещения поменяны местами для pnp-транзистора.Типичная установка смещения для pnp-транзистора показана на рисунке 1.

Обратите внимание, что процедура, использованная ранее для правильного смещения npn-транзистора, также применима. здесь к транзистору pnp. Первая буква (p) в последовательности pnp указывает полярность напряжения, необходимого для эмиттера ( p ositive), а вторая буква (n) указывает полярность базового напряжения ( n egative). Поскольку переход база-коллектор всегда имеет обратное смещение, тогда напряжение противоположной полярности (отрицательное) необходимо использовать для коллектора.Таким образом, база pnp-транзистора должна быть отрицательной. по отношению к эмиттеру, а коллектор должен быть более отрицательным, чем база. Помните, что, как и в случае транзистора npn, эта разница в питающем напряжении равна необходимо, чтобы ток (поток дырок в случае транзистора pnp) от эмиттер к коллектору. Хотя ток через отверстие является преобладающим типом протекания тока в pnp-транзистор, дырочный поток происходит только внутри самого транзистора, в то время как электроны текут во внешней цепи.Однако именно внутренний поток дырок приводит к потоку электронов во внешних проводах, подключенных к транзистору.

Коллектор

База

Излучатель

прямое смещение

Рис. 2. Смещенный в прямом направлении переход в pnp-транзисторе.

Коллектор

База

Излучатель

прямое смещение

Рис. 2. Смещенный в прямом направлении переход в pnp-транзисторе.

pnp разветвление с прямым смещением

Теперь давайте посмотрим, что происходит, когда переход эмиттер-база смещен в прямом направлении.При показанной настройке смещения положительный полюс батареи отталкивает эмиттерные отверстия. к базе, в то время как отрицательный вывод направляет электроны базы к эмиттеру. Когда эмиттерная дырка и базовый электрон встречаются, они объединяются. Для каждого электрона, который объединяет с отверстием другой электрон покидает отрицательную клемму аккумулятора и попадает в база. В то же время электрон покидает эмиттер, создавая новую дырку, и входит в положительный полюс аккумуляторной батареи.Это движение электронов в базу и из эмиттера составляет ток базы (I _B ), и путь, по которому проходят эти электроны, называется схемой эмиттер-база.

Соединение с обратным смещением pnp

В обратносмещенном переходе (рисунок 3) отрицательное напряжение на коллекторе и положительное напряжение на базовом блоке основных носителей тока от пересечения перекрестка.

Однако это же отрицательное напряжение коллектора действует как прямое смещение для меньшинства. текущие отверстия в основании, которые пересекают переход и входят в коллектор.Меньшинство Текущие электроны в коллекторе также воспринимают прямое смещение – положительное основание напряжение – и переместимся в базу. Отверстия в коллекторе заполнены электронами, которые течь с минусовой клеммы АКБ. При этом электроны покидают отрицательный полюс батареи, другие электроны в основании разрывают свои ковалентные связи и введите положительный полюс аккумуляторной батареи. Хотя есть только меньшинство текущих расход в обратносмещенном переходе, он все еще очень мал из-за ограниченного количества неосновных носителей тока.

Коллектор

База

Излучатель

обратное
смещение
переход

Рис. 3. Обратносмещенный переход в pnp-транзисторе.

Коллектор

База

Излучатель

обратное
смещение
переход

Рис. 3. Обратносмещенный переход в pnp-транзисторе.

pnp Junction Взаимодействие

Коллектор

База

Излучатель

обратное
смещение
переход

вперед
смещение
переход

отверстие
поток

электронный поток

Я _С

I _B

Рисунок 4: Работа pnp-транзистора.

Коллектор

База

Излучатель

обратное
смещение
переход

вперед
смещение
переход

отверстие
поток

электронный поток

Я _С

I _B

Рисунок 4: Работа pnp-транзистора.

Взаимодействие между переходы с прямым и обратным смещением в Транзистор pnp очень похож на транзистор npn, за исключением того, что в pnp-транзисторе большинство носителей тока представляют собой дырки.В pnp-транзисторе, показанном на рисунке 4, положительное напряжение на эмиттере отталкивает отверстия к основанию. Один раз в основании дырки объединяются с электронами базы. Но опять же, помните, что база область сделана очень тонкой, чтобы предотвратить рекомбинацию дырок с электронами. Следовательно, более 90 процентов отверстий, которые входят в основание, притягиваются к большим отрицательное напряжение коллектора и проходит прямо через базу. Однако для каждого электрона и дырки, которые объединяются в основной области, другой электрон покидает отрицательный вывод базовый аккумулятор (V _BB ) и поступает в базу как базовый ток (I _B ).На В то же время один электрон покидает отрицательную клемму батареи, другой электрон покидает эмиттер как IE (создающий новое отверстие) и входит в положительный вывод V _BB . Между тем в коллекторной цепи электроны от коллекторной батареи (V _CC ) введите коллектор как Ic и объедините с лишними отверстиями от основания. Для каждой лунки который нейтрализуется в коллекторе электроном, другой электрон покидает эмиттер и начинает свой путь обратно к положительному выводу V _CC .

Рисунок 5: Полный ток, протекающий через pnp-транзистор.

Рисунок 5: Полный ток, протекающий через pnp-транзистор.

Хотя ток во внешней цепи pnp-транзистора противоположен направлении к направлению npn-транзистора, основные носители всегда текут из эмиттер к коллектору. Этот поток основных носителей также приводит к формированию две отдельные токовые петли в каждом транзисторе.Один контур – это путь базового тока, а другой контур – это путь коллекторного тока. Комбинация тока в обоих этих контуров (I _B + I _C ) приводит к общему току транзистора (I _E ). Самое важное, что нужно помнить о двух разных типах транзисторов, это то, что напряжение эмиттер-база pnp-транзистора имеет такое же управляющее влияние на коллекторный ток как у npn-транзистора. Проще говоря, увеличение Напряжение прямого смещения транзистора уменьшает барьер перехода эмиттер-база.Этот действие позволяет большему количеству носителей достичь коллектора, вызывая увеличение тока от эмиттера к коллектору и через внешнюю цепь. И наоборот, уменьшение в прямом смещении напряжение снижает ток коллектора.

Radartutorial

npn- Работа транзистора

Прямо смещенный pn-переход сопоставим с элементом схемы с низким сопротивлением. потому что он пропускает большой ток при заданном напряжении. В свою очередь, обратносмещенный pn-переход сравним с высокоомным элементом схемы.Используя формулу закона Ома для мощности (P = I ² · R) и предполагая, что ток остается постоянным, можно сделать вывод, что мощность, развиваемая через высокое сопротивление больше, чем при низком сопротивлении. Таким образом, если бы кристалл содержал два pn-переходы (один с прямым смещением, а другой с обратным смещением), маломощный сигнал может быть введен в переход с прямым смещением и генерировать мощный сигнал на обратном смещении. соединение.Таким образом можно было бы получить усиление мощности на кристалле. Эта концепция, которая является просто продолжением материала, рассмотренного в предыдущих темах, это основная теория усиления транзистора. Имея в памяти свежую информацию, Перейдем непосредственно к npn-транзистору.

коллектор

база

излучатель

прямое смещение

Рисунок 1: Прямо смещенный переход в npn-транзисторе

коллектор

база

излучатель

прямое смещение

Рисунок 1: Прямо смещенный переход в npn-транзисторе

Так же, как и в случае диода pn-перехода, материал n-типа состоящий из двух концевых секций npn-транзистора, содержит некоторое количество свободных электронов, в то время как центральная секция p содержит избыточное количество отверстий.Действие на каждом стыке между эти разделы такие же, как и ранее описанные для диод; то есть развиваются области истощения и появляется переходной барьер. Чтобы использовать транзистор в качестве усилителя, каждый из этих переходов должен быть изменен некоторым внешним напряжением смещения. Для транзистора чтобы функционировать в этом качестве, первый pn-переход (переход эмиттер-база) смещен в прямое направление или направление с низким сопротивлением. В то же время второй pn-переход (переход база-коллектор) смещен в обратном или высокоомном направлении.Буквы этих элементы указывают, какую полярность напряжения использовать для правильного смещения. Например, обратите внимание на транзистор npn, показанный на рисунке 2:

.

Эмиттер, который является первой буквой в последовательности n pn, подключен к n отрицательная сторона батареи, в то время как основание, которое является второй буквой (n p n), соединяется с положительной стороной p . Однако, поскольку второй pn-переход требуется обратное смещение для правильной работы транзистора, коллектор должен быть подключен к напряжению противоположной полярности (положительному), чем указано его буквенным обозначением (npn).Напряжение на коллекторе также должно быть более положительным, чем на базе, как показано рядом:

Теперь у нас есть нормально смещенный npn-транзистор.

Таким образом, база npn-транзистора должна быть положительной относительно к эмиттеру, а коллектор должен быть положительнее базы.

коллектор

база

излучатель

обратное смещение

прямое смещение

Рисунок 2: Переходы в npn-транзисторе.

коллектор

база

излучатель

обратное смещение

прямое смещение

Рисунок 2: Переходы в npn-транзисторе.

переход npn с прямым смещением

Важный момент, который необходимо отметить в это время, который не обязательно упоминался во время объяснение диода, это тот факт, что n-материал на одной стороне перехода с прямым смещением более сильно легирован, чем материал p.Это приводит к тому, что через переход переносится больший ток электронами основных носителей заряда. из n-материала, чем большинство несущих отверстий из p-материала. Следовательно, проводимость через смещенный в прямом направлении переход, как показано на рисунке 3, В основном это электроны-носители из n-материала (эмиттера).

отверстие потока

электронный поток

Bild 3: Strom durch den pn- Übergang in Durchlasspolung

отверстие потока

электронный поток

Bild 3: Strom durch den pn- Übergang in Durchlasspolung

Когда переход эмиттер-база на рисунке смещен в прямом направлении, электроны покидают отрицательную клемму батареи и попадают в материал n-типа (эмиттер).Поскольку электроны являются основными носителями тока в n-материале, они легко проходят через эмиттер, пересеките соединение и совместите с отверстиями в материале p (основание). За с каждым электроном, заполняющим дырку в материале p, другой электрон покидает p материала (создавая новое отверстие) и введите положительный полюс батареи.

переход с обратным смещением npn

коллектор

база

излучатель

обратный
смещенный
переход

отверстие потока

электрон
поток

Рис. 4. Обратносмещенный переход в npn-транзисторе.

коллектор

база

излучатель

обратный
смещенный
переход

отверстие потока

электрон
поток

Рис. 4. Обратносмещенный переход в npn-транзисторе.

Второй pn-переход (база-коллектор), или переход с обратным смещением, как его называют (рисунок 4), блокирует основной ток перевозчикам от пересечения перекрестка. Однако есть очень слабый ток, что действительно проходит через этот перекресток.Этот ток называется током меньшинства или обратным. Текущий. Как вы помните, этот ток создавался электронно-дырочными парами. В неосновными носителями для обратносмещенного pn-перехода являются электроны в p-материале и дырки в n-материале. Эти неосновные носители фактически проводят ток для перехода с обратным смещением, когда электроны из материала p входят в материал n, а дырки из n-материала войдите в p-материал. Однако неосновные электроны тока играют наиболее важную роль в работе. транзистора npn.

взаимодействие npn-переходов

Батареи смещения на рисунке 5 имеют маркировку V _CC для коллектора. напряжение питания, и V _BB для источника напряжения базы. Также обратите внимание на базу Батарея питания довольно мала, на что указывает количество ячеек в батарее, обычно 1 вольт или меньше. Однако запас коллектора в целом намного выше базового. питание, обычно около 6 вольт. Эта разница в напряжениях питания необходима для есть ток от эмиттера к коллектору.

коллектор

база

излучатель

обратное
смещение

вперед
смещение

отверстие потока

электрон
поток

В _BB

В _CC

Рисунок 5: Работа npn-транзистора – это, в основном, действие относительно небольшое напряжение смещения эмиттер-база, управляющее относительно большим током эмиттер-коллектор.

коллектор

база

излучатель

обратное
смещение

вперед
смещение

отверстие потока

электрон
поток

В _BB

В _CC

Рисунок 5: Работа npn-транзистора – это, в основном, действие относительно небольшое напряжение смещения эмиттер-база, управляющее относительно большим током эмиттер-коллектор.

Ток во внешней цепи всегда связан с движение свободных электронов. Следовательно, электроны текут с отрицательных выводов подавать батареи к эмиттеру n-типа. Это комбинированное движение электронов известно как эмиттер. ток (I _E ). Поскольку электроны являются основными носителями в n-материале, они будут двигаться через эмиттер из n-материала к переходу эмиттер-база. С этим переход смещен вперед, электроны продолжают движение в базовую область.Когда электроны находятся в основе, которая представляет собой материал p-типа, они становятся неосновными носителями. Некоторые из электроны, которые движутся в базу, рекомбинируют с доступными дырками. Для каждого электрона который рекомбинирует, другой электрон движется через вывод базы в виде тока базы I _B (создавая новое отверстие для возможной комбинации) и возвращается к базовой аккумуляторной батарее V.

Электроны, которые рекомбинируют, теряются в отношении коллектора. Поэтому, чтобы сделать транзистор более эффективным, базовая область сделана очень тонкой и слегка допированный.Это уменьшает возможность рекомбинации электрона с дыркой и Потерянный. Таким образом, большая часть электронов, которые перемещаются в базовую область, попадают под влияние обратного смещения большого коллектора. Это смещение действует как смещение вперед для неосновных носителей (электронов) в базе и, как таковые, ускоряет их через переход база-коллектор и далее в коллекторную область. Поскольку коллектор выполнен из материал n-типа, электроны, которые достигают коллектора, снова становятся большинством текущие носители.Попадая в коллектор, электроны легко проходят через n материала и возврат к плюсовой клемме коллекторной аккумуляторной батареи V _CC как ток коллектора (I _C ).

Для дальнейшего повышения КПД транзистора выполнен коллектор физически больше, чем база, по двум причинам: (1) для увеличения вероятности сбора носители, которые диффундируют в сторону, а также непосредственно через основную область, и (2) к позволить коллектору обрабатывать больше тепла без повреждений.

Рисунок 6: Полный ток, протекающий через npn-транзистор

Рисунок 6: Полный ток, протекающий через npn-транзистор

Таким образом, полный ток в npn-транзисторе проходит через вывод эмиттера. Следовательно, в процентном отношении I _E составляет 100 процентов. С другой стороны, поскольку база очень тонкая и слегка легированная, меньший процент от общего тока (ток эмиттера) будет течь в цепи базы, чем в цепи коллектора.Обычно нет от 2 до 5 процентов общего тока составляет базовый ток (I _B ), в то время как оставшиеся от 95 до 98 процентов – ток коллектора (I _C ). Очень простые отношения существует между этими двумя токами:

I _E = I _B + I _C

Проще говоря, это означает, что ток эмиттера разделен на базовый и коллекторный ток. Поскольку количество тока, выходящего из эмиттера, зависит исключительно от смещение эмиттер-база, и поскольку коллектор принимает большую часть этого тока, небольшой изменение смещения эмиттер-база будет иметь гораздо большее влияние на величину коллектора. тока, чем он будет иметь на основе текущего.В заключение, относительно небольшой Смещение эмиттер-база управляет относительно большим током эмиттер-коллектор.

Как читать транзисторы | Sciencing

Транзисторы – это полупроводниковые устройства с как минимум тремя выводами. Небольшой ток или напряжение через одну клемму используется для управления током, протекающим через другие. Поэтому их можно рассматривать как клапаны. Их наиболее важные области применения – переключатели и усилители. Транзисторы бывают нескольких типов.Биполярные имеют слои npn или pnp, к каждому из которых прикреплен вывод. Выводы – это база, эмиттер и коллектор. База используется для управления током, протекающим через два других. Эмиттер испускает свободные электроны в базу, а коллектор собирает свободные электроны с базы. У npn-транзистора база является средним p-слоем, а эмиттер и коллектор – двумя n-слоями, расположенными между базой. Транзисторы моделируются как встречные диоды. Для npn-типа база-эмиттер ведет себя как диод с прямым смещением, а база-коллектор – как диод с обратным смещением.Одна широко используемая транзисторная схема известна как CE или соединение с общим эмиттером, где земля источника питания соединена с эмиттером.

Измерьте сопротивление между коллектором и эмиттером. Сделайте это, поместив мультиметр на установку сопротивления и поместив щуп на соответствующую клемму. Если вы не уверены, какой вывод является коллектором, а какой – эмиттером, обратитесь к упаковке транзистора или к спецификациям на веб-сайте производителя.Переверните щупы и снова измерьте сопротивление. Он должен показывать значения в мегаомах в любом направлении. В противном случае транзистор поврежден.

Измерьте прямое и обратное сопротивление проводов база-эмиттер. Сделайте это, поместив красный зонд на основание, а черный зонд на эмиттер, а затем переверните. Рассчитайте обратное отношение к прямому. Если это не более 1000: 1, транзистор поврежден.

Повторите шаг 2 для прямого и обратного сопротивлений проводов коллектор-база.

Подключите цепь CE. Используйте базовое напряжение 3 В, подключенное к резистору 100 кОм. Поместите резистор 1 кОм на коллектор и подключите другой его конец к 9-вольтовой батарее. Излучатель должен уйти на землю.

Измерьте «Vce» – напряжение между коллектором и эмиттером.

Измерьте «Vbe» – напряжение между эмиттером и базой. В идеале это должно быть около 0,7 В.

Рассчитать Vce. Vce = Vc – Ve Поскольку это обычная схема подключения эмиттера, Ve = 0, и, следовательно, Vce должно приблизительно соответствовать номиналу второй батареи.Как результат вычисления соотносится со значением измерения на шаге 5?

Вычислите “Vr” базовое напряжение на резисторе. Источник напряжения базы Vbb = 3 В, которым является аккумулятор. Vbe составляет от 0,6 до 0,7 В для кремниевого транзистора. Предположим, что Vbe = Vb = 0,7 В. Используя закон Кирхгофа для левого базового контура, Vr = Vbb – Vbe = 3 В – 0,7 В = 2,3 В.

Вычислите «Ib», ток через резистор базы. Используйте закон Ома V = IR. Уравнение: Ib = Vbb – Vbe / Rb = 2.3 В / 100 кОм = 23 мкА (микроампер).

Рассчитайте ток коллектора Ic. Для этого используйте коэффициент усиления dc beta Bbc. Bbc – это коэффициент усиления по току, поскольку слабый сигнал на базе создает больший ток на коллекторе. Предположим, Bbc = 200. Используя Ic = Bbc * Ib = 200 * 23 мкА, ответ будет 4,6 мА.

• Транзисторы – хрупкие компоненты. Не тяните провода слишком далеко друг от друга, когда вставляете один в печатную плату.

  Не превышайте рекомендованный максимальный ток или напряжение на выводах.

  Никогда не подключайте транзистор назад.

  Всегда соблюдайте осторожность при построении электрических цепей, чтобы не получить ожогов и не повредить оборудование.

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, демонстрирует 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. Два типа биполярных транзисторов – это 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, управляемый 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 контактов 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

NPN-транзистор с биполярным переходом имеет полупроводниковую базу, легированную 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 электронов-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 основной областью 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 задается как

.

Ie = Ic + Ib. (1)

Примечание: «Ic» – это ток, протекающий на выводе коллектора, «Ib» – это 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 при большом бета-значении.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 полупроводниковую базу с примесью азота между эмиттером с примесью фосфора и областью коллектора с примесью фосфора.PNP-транзистор имеет очень похожие характеристики с NPN-транзистором, с той разницей, что смещение направления тока и напряжения меняются местами. Для транзисторов PNP ток входит 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 работают в четырех различных областях. 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 того чтобы это произошло, базовый терминал должен быть заземлен, так что опорное напряжение представляет собой фиксированную сумму. 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 входного тока эмиттера, что приводит к усилению тока. Его входные характеристики соответствуют характеристикам диода с прямым смещением

.

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 происходит главным образом потому, что входной импеданс невелик, 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 включена 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

Этот тип конфигурации биполярного транзистора представляет собой неинвертирующую схему, 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?

Ответы

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), равный (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 программы на дигикеи.com

Авторы

1. К. Битти, MSE (Калифорнийский университет, Дэвис).

Работа PN-переходов и новое изобретение биполярных транзисторов – документация Elec2210 Class Fall 2013 1.0

Используйте панель навигации с правой стороны окна браузера для упрощения навигации .

Основы физики

Суть биполярный транзистор впрыск неосновного носителя .

Идеальный баланс дрейфа и рассеивания существует как для электронов, так и для дырок в переходе область PN-перехода при нулевом смещении или равновесии. Теперь давайте посмотрим, что происходит с этим балансом. когда применяется внешнее смещение, и как прямое смещение вызывает инжекция электронов на p-сторону и инжекция голограмм на n-сторона. В результате концентрация электронов увеличивается на p-стороне, концентрация дырок увеличена на стороне n, поэтому этот процесс называется впрыскивание неосновного носителя .

Соединение PN с прямым смещением

Встроенное поле указывает с n-стороны на p-сторону, как силовые линии исходят от положительно заряженных ионизированных доноров, и оканчиваются на отрицательно заряженных ионизированных акцепторах.

Рассмотрите возможность применения прямого смещения, определяемого как напряжение на стороне p минус напряжение на стороне n разница. Применяемое поле противоположно встроенному полю, как показано ниже, тем самым ослабляя дрейф и вызывая чистая диффузия отверстий от стороны p к стороне n, и чистая диффузия электронов с n-стороны на p-сторону.Считается, что электроны, неосновные носители на p-стороне, инжектируются (со стороны n). Дырки, неосновной носитель на n-стороне, как говорят, вводятся (со стороны p).

Рисунок 1: pn-переход с прямым смещением

На p-стороне много дырок, на n-стороне много электронов, поэтому этот ток может быть очень большим при достаточном прямом смещении. Фактически, прямой ток увеличивается экспоненциально с увеличением, с тепловым напряжением, приблизительно 25 мВ при 300 К.

Обратно-смещенный PN-переход

Если, говорят, что соединение находится под обратным смещением. Применяемое поле имеет то же направление, что и встроенное поле, как показано ниже:

Рисунок 2: pn-переход с обратным смещением

Следовательно, дрейф преобладает над диффузией, как для электронов, так и для дырок. Тогда чистый ток будет течь от n-стороны к p-стороне, интуитивно удовлетворительно.

Обратный ток, однако, очень мал по величине. Электроны дрейфуют против поля, то есть от стороны p к стороне n.Однако на p-стороне электронов меньшинство, и, таким образом, у нас нехватка электронов. Точно так же дырки дрейфуют по полю, от n-стороны к p-стороне, но на n-стороне очень мало дыр.

PN-переход с обратным смещением может пропускать ток!

PN-переход с обратным смещением может пропускать столько же тока, сколько и прямой смещенный PN переход может! Именно так мы делаем транзисторы из PN-переходов, как показано ниже.

Ключ в том, что обратносмещенный переход не пропускает ток из-за отсутствия источников питания.Если мы используем PN-переход с прямым смещением для подачи электронов на p-сторону PN-перехода с обратным смещением, все эти электроны пройдут через обратный PN-переход. Эта конфигурация известна как транзистор «NPN».

Например, в состоянии равновесия, если на стороне n, n =, но , в соответствии с законом о массовых действиях, с. Легко понять, почему обратный ток PN перехода мал.

Мы выделили электронные и дырочные токи в PN-переходе. С точки зрения схемы, как только эти токи выходят из устройства, они оба становятся электронный ток в металлической проволоке.Так какой смысл их различать вечером, если мы не можем разделить их?

А теперь подумайте об изобретении устройства, которое может разделить электронный и дырочный токи. Транзистор делает именно это.

Работа биполярного транзистора

Рассмотрим переход с прямым смещением (N слева, P справа – по-прежнему PN переход), и обратный смещенный переход, большой ток течет в прямом PN, и небольшой ток течет в PN с обратным смещением. Тогда приблизь их, так что p-области становятся единой p-областью, Теперь мы можем заставить протекать через обратный смещенный переход много тока!

Рисунок 3: Суть действия транзистора

Обратносмещенный переход имеет очень сильное электронное поле.Это электронное поле перемещает (притягивает) электроны к n-стороне второй N-области, но совсем не притягивает дырки. Это поддерживает очень низкую концентрацию электронов в конце p-области. Для всех практических целей это электронное поле является стоком для электронов, как и контакт.

Теперь мы отделили электронный ток от дырочного в прямом смещенном PN-переходе.

Первая N-область называется эмиттером (электронов), поскольку она испускает электроны, вторая N-область называется коллектором (электронов), поскольку она собирает электроны.

p-область называется базовой по историческим причинам. Биполярный транзистор NPN возрождается! Мы можем перерисовать предыдущую иллюстрацию работы транзистора, используя Терминология транзисторов следующая:

Рисунок 4: Работа транзистора в прямом активном режиме и эквивалентная схема

Мы можем спроектировать уровни легирования / ширину базы, эмиттера, чтобы увеличить ток коллектора. больше, чем ток коллектора, чтобы реализовать усиление тока.

Транзистор под общим предубеждением

Электронные и дырочные токи

В соответствии с общими ошибками, нам нужно будет рассмотреть профили концентрации неосновных носителей заряда. модулируется двумя смещениями перехода, VBE и VBC, соответственно.Согласно теории Шокли, концентрация неосновных носителей заряда модулируется экспоненциальный фактор в точках нагнетания, т.е. граница между истощением и нейтральные регионы, как показано ниже:

Рисунок 5: транзистор при произвольном смещении VBE и VBC

У нас будет два дырочных тока за счет инжекции дырок из базы p-типа в эмиттер и коллектор n-типа.

В каком направлении поток электронов будет зависеть от того, где VBE или VBC выше. Если VBE> VBC, электроны диффундируют из E в C, а электронный ток течет из C в E.

Ток диффузии электронов, протекающий от C к E, можно рассчитать следующим образом:

Рисунок 6: расчет тока переноса электронов между C и E для произвольных смещений VBE и VBC

Диффузионные токи через два отверстия, которые текут от B к E и от B к C, могут быть рассчитывается аналогично.

Рисунок 7: ток отверстия от B к E и от B к E для произвольных смещений VBE и VBC

Мы часто выражаем токи насыщения дырочных токов через ток насыщения основного электронного тока, с двумя отношения, BF и BR.Их называют усилением прямого и обратного тока.

Режимы работы

Активный режим вперед

Когда VBE> 0, VBC <0, транзистор работает в прямом режиме. Коллекторный ток IC - это в основном электронный ток, подаваемый из эмиттера. Базовый ток - это в основном дырочный ток, вводимый в эмиттер из базы. Небольшое изменение в VBE, которое контролирует IB, также вызывает большое изменение в IC.

Обратный режим

Когда VBC> 0, VBE <0, транзисторы работают в обратном режиме.

Режим насыщенности

Когда VBE> 0 и VBC> 0, транзистор работает в режиме насыщения. VCE = VCB + VBE = -VBC + VBE мало, около 0,2 В для практических транзисторов. Между C и E может протекать большой ток. Эффективное сопротивление между C и E, таким образом, мало, и транзистор действует как замкнутый переключатель.

Режим отсечки

Когда VBE <0 и VBC <0, транзистор работает в режиме отсечки. Все равно значительного тока нет.

Практические режимы работы

Приведенные выше определения очень упрощены и на самом деле не отражают, как мы используем транзисторы в реальных схемах.Например, VBE 0,5 В и VBC -2 В не дадут много полезного тока, и это действительно условие отсечки для большинства практических схем.

Другой пример: VBE 0,8 В и VCE 0,3 В перейдут в режим насыщения, если вы следовать стандартному определению из учебника, но на самом деле передний VBC (0,5 В) незначителен по сравнению с VBE (0,8 В) при определении тока переноса электронов между C и E. Это действительно в прямом активном режиме. Мы действительно используем такое смещение в усилителях, особенно с малым напряжение питания всего 1 В.

.