База коллектор и эмиттер: Биполярный транзистор [Амперка / Вики]

Устройство биполярного транзистора и принцип действия

Рис. 1. Устройство n-p-n транзистора и его условное обозначение. Биполярные транзисторы, определение, вольт — амперные характеристики, принцип работы и классификация полупроводниковых приборов мы подробно рассматривали на странице http://www.xn--b1agveejs.su/radiotehnika/202-bipolyarnye-tranzistory.html. Для того чтобы усвоить материал, одной статьи мало, две хорошо, а сотни статей еще лучше. В этой статье рассмотрим принцип действия биполярных транзисторов на простом, доступном языке. Биполярный транзистор состоит из двух p-n переходов, образованных слоями полупроводников с примесями. На рис. 1. показана самая простая конструкция n-p-n транзистора. Тонкий слой слабо легированного полупроводника р-типа (база) расположен между двумя более толстыми слоями n-типа (эмиттер и коллектор). Толщина базы может быть меньше одного микрона. Принцип действия биполярного транзистора Рис. 2. Иллюстрация работы транзистора: (а) тока базы нет, (б) ток базы течет. На рис. 2. показан транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером. В схеме, приведенной на рис. 2.(a), ток базы не течет, а в схеме на рис. 2.(б) переключатель S замкнут, позволяя току из батареи В1 течь в базу транзистора. Сначала рассмотрим схему на рис. 2.(a). Важно отметить, что переход коллектор-база смещен в обратном направлении и имеющийся потенциальный барьер препятствует потоку основных носителей. Таким образом, пренебрегая утечкой, можно считать, что при разомкнутом ключе S коллекторный ток равен нулю. Теперь рассмотрим, что произойдет, когда ключ S замкнут (рис. 2.(б)). Переход база-эмиттер становится смещенным в прямом направлении, а переход коллектор-база остается смещенным в обратном направлении. Благодаря смещению перехода база-эмиттер в прямом направлении электроны из эмиттера n-типа посредством диффузии проходят по базе р-типа по направлению к обедненному слою на переходе база-коллектор. Эти электроны, являющиеся неосновными носителями в области базы, достигнув обедненного слоя, по потенциальному барьеру «как с горки» быстро скатываются в коллектор, создавая тем самым в транзисторе коллекторный ток. Действие смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер напоминает открывание ворот и позволяет току протекать по цепи эмиттер-коллектор. Таков принцип действия биполярного транзистора. Следующий момент требует объяснения. Почему электроны не рекомбинируют с дырками в базе р-типа в процессе диффузии в сторону коллектора? Ответ состоит в том, что базу делают совсем слабо легированной, то есть с низкой концентрацией дырок, и очень тонкой; следовательно, имеется лишь малая вероятность того, что электрон будет перехвачен дыркой и рекомбинирует. Когда электрон рекомбинирует в области базы, происходит кратковременное нарушение равновесия, поскольку база приобретает отрицательный заряд. Равновесие восстанавливается с приходом дырки из базовой батареи В1 Батарея В1 является источником дырок для компенсации рекомбинирующих в базе, и эти дырки образуют базовый ток транзистора. Благодаря базовому току в базе не происходит накопления отрицательного заряда и переход база-эмиттер поддерживается смещенным в прямом направлении, а это, в свою очередь, обеспечивает протекание коллекторного тока. Таким образом, транзистор является прибором, управляемым током. Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления тока (hFE). Он должен равняться числу электронов в секунду, успешно проследовавших от эмиттера к коллектору, деленному на число рекомбинировавших. В типичном маломощном кремниевом транзисторе приблизительно 1 из 100 электронов рекомбинирует в базе, так что усиление тока имеет значение порядка 100. Фактически в работе транзистора принимают участие как электроны, так и дырки, что отличает его от униполярного или полевого транзистора. Ранее упоминалось, что при смещении p-n перехода в прямом направлении текущий по нему ток образуют как электроны, так и дырки. Но при рассмотрении смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер мы пока учитывали только электроны, пересекающие этот переход. Такой подход оправдан практически, поскольку область эмиттера n-типа специально легируется очень сильно, чтобы обеспечить большое число свободных электронов, в то время как область базы легируется совсем слабо, и это дает настолько мало дырок, что ими можно пренебречь при рассмотрении тока через переход база-эмиттер. Эмиттер так сильно легирован, что напряжение лавинного пробоя перехода база-эмиттер обычно всего лишь 6 В. Этот факт нужно иметь в виду при работе с некоторыми переключающими схемами, где необходимо позаботиться о том, чтобы обратные смещения не были слишком большими. Но это обстоятельство может быть и полезным, поскольку переход база-эмиттер маломощного транзистора ведет себя как 6-вольтовый стабилитрон и иногда используется в этом качестве. Эффекты второго порядка. Зависимость коллекторного тока от тока базы Рис. 3. Типичная зависимость коллекторного тока от тока базы в маломощном кремниевом транзисторе. На рис. 3. показан график зависимости коллекторного тока от тока базы для маломощного кремниевого транзистора: наблюдается линейная зависимость IC от IB в широком диапазоне значений коллекторного тока. Однако при малом токе базы коэффициент усиления тока несколько уменьшается. Этот эффект можно объяснить, рассматривая поведение электронов в базе: при очень малом базовом токе ничто не способствует электронам, попавшим из эмиттера в базу, достичь коллектора; только приблизившись к обедненному слою коллектор-база, они затягиваются полем. До этого электроны, совершая случайные блуждания, просто диффундируют сквозь базу, и любой из них может стать жертвой рекомбинации с какой-нибудь встретившейся дыркой. При больших значениях базового тока условия для электронов благоприятнее. Дырки, инжектируемые в виде базового тока, создают небольшое электрическое поле в базе, которое помогает электронам в их движении к обедненному слою. Таким образом, при умеренных токах коллектора (порядка 1 мА) коэффициент усиления тока будет больше, чем при малых токах коллектора (порядка 10 мкА). При очень больших токах коллектора, когда заселенность базы дырками становится слишком большой, усиление начинает падать. База ведет себя так, как будто она легирована сильнее, чем это есть в действительности, так что значительная часть тока, текущего через эмиттерный переход, состоит из дырок, движущихся из базы в эмиттер так же, как полезные электроны, двигающиеся в другом направлении, к коллектору. Таким образом, все большая и большая часть базового тока является «пустой породой» и поэтому коэффициент усиления тока падает. Этот эффект важен в мощных усилителях, где он может приводить к искажению формы сигнала при больших токах коллектора. В связи с тем, что зависимость коллекторного тока от тока базы является нелинейной, существуют два определения для коэффициента усиления тока транзистора в схеме с общим эмиттером. Коэффициент усиления постоянного тока получается просто делением тока коллектора на ток базы; его обозначают hFE В или β и он важен для переключающих схем. Однако в большинстве случаев, когда речь идет об усилении, мы имеем дело только с небольшими приращениями коллекторного тока, и более подходящим способом определения коэффициента усиления тока является отношение приращения коллекторного тока к приращению тока базы, которое называется коэффициентом усиления тока hfe или β в режиме малого сигнала. Из рис. 3. следует, что hfe=ΔIC/ΔIB. Для большинства практических целей можно считать, что hFE и hfe равны. Ток утечки между коллектором и базой Хотя переход коллектор-база смещен в обратном направлении, все же существует очень небольшой ток утечки из коллектора в базу, обозначаемый ICBO поскольку он измеряется с разомкнутой цепью эмиттера. В кремниевом транзисторе при комнатной температуре ICBO очень мал, обычно менее 0,01 мкА. Однако в случае, когда транзистор включен в схему с общим эмиттером и цепь базы разорвана, как показано на рис. 2.(a), ток ICBO протекающий по переходу коллектор-база, должен течь в эмиттер, для которого он неотличим от внешнего тока базы. Таким образом, ICBO усиливается транзистором, и ток утечки между коллектором и эмиттером возрастает до значения ICEO = hFE/ICBO которое может доходить до 1 мкА. Поскольку ток ICBO в значительной степени является результатом теплового нарушения связей, он увеличивается приблизительно вдвое с ростом температуры на каждые 18 градусов Цельсия. Когда ICBO становится сравнимым с нормальным током коллекторной цепи, транзистор обычно считается слишком горячим. Кремниевые p-n переходы могут работать до 200 °С, а германиевые, имеющие много больший ток утечки, только до 85 °С. Когда кремниевый транзистор работает при комнатной температуре, токами I CBO и ICEO можно практически полностью пренебречь. В германиевом транзисторе при комнатной температуре (20 °С) ток ICBO имеет значение порядка 2 мкА, так что при hFE = 100 ток ICEO будет равен 200 мкА. Этот относительно большой ток утечки является той причиной, по которой германиевые транзисторы вышли из употребления, за исключением специальных целей, когда требуется малая разность потенциалов на германиевом p-n переходе, смещенном в прямом направлении. n-p-n и p-n-p транзисторы Описание работы транзистора, данное выше, относится к наиболее распространенным n-р-n транзисторам; также легко доступны р-n-р транзисторы, очень полезные для целого ряда комплементарных схем, так как они обладают характеристиками, идентичными с n-р-n транзисторами, но требуют напряжения питания противоположной полярности. Тогда как в n-р-n транзисторе ток коллектора состоит из электронов, в р-n-р транзисторе он состоит из дырок. Аналогично, ток базы является электронным током, а не дырочным. На рис. 4. показана структура р-n-р транзистора и его условное обозначение. Рис. 4. Устройство р-n-р транзистора и его условное обозначение.   Материалы по теме: Усилитель напряжения на биполярном транзисторе Транзисторы — режим насыщения

Биполярные транзисторы

Добавлено 21 октября 2016 в 17:45

Сохранить или поделиться

Биполярный транзистор был назван так, потому что его работа предполагает движение двух носителей заряда: электронов и дырок в одном и том же кристалле. Первый биполярный транзистор был изобретен в Bell Labs Уильямом Шокли, Уолтером Браттейном и Джоном Бардином в конце 1947 года, и поэтому публикации о нем не появлялись до 1948 года. Таким образом, многие тексты различаются по дате изобретения. Браттейн изготовил германиевый точечный транзистор, который имел некоторое сходство с точечным диодом. В течение месяца у Шокли появился более практичный плоскостной биполярный транзистор, который мы опишем ниже. В 1956 году за изобретение транзистора они были удостоены Нобелевской премии по физики.

Биполярный транзистор, показанный на рисунке ниже (a), – это NPN трехслойный полупроводниковый сэндвич с эмиттером и коллектором на концах и базой между ними. Это как если бы к двухслойному диоду был добавлен третий слой. Но если бы это было единственным требованием, было бы достаточно иметь пару расположенных «спина к спине» диодов. Да и изготовить пару диодов, расположенных «спина к спине», гораздо проще. Но основой изготовления биполярного транзистора является создание среднего слоя, базы, такого тонкого насколько это возможно без замыкания внешних слоев, эмиттера и базы. Невозможно переоценить важность тонкой области базы.

Полупроводниковый прибор на рисунке ниже (a) имеет два перехода, между эмиттером и базой и между базой и коллектором, и две обедненные области.

(a) Биполярный NPN транзистор.
(b) Применение обратного смещения к переходу база-коллектор.

На переход база-коллектор биполярного транзистора принято подавать обратное смещение, как показано на рисунке выше (b). Обратите внимание, что это увеличивает ширину обедненной области. Напряжение обратного смещения для большинства транзисторов может находиться в диапазоне от нескольких вольт до десятков вольт. В данный момент в коллекторной цепи нет тока, кроме тока утечки.

На рисунке ниже (a) добавлен еще один источник напряжения в цепь между эмиттером и базой. Обычно мы прикладываем к переходу эмиттер-база прямое смещение, преодолевающее потенциальный барьер 0,6В. Это похоже на прямое смещение полупроводникового диода. Источник напряжения должен превышать 0,6В, чтобы основные носители (электроны для NPN) начали протекать от эмиттера в базу, становясь неосновными носителями заряда в полупроводнике P-типа.

Если бы область базы была толстой, как в паре расположенный «спина к спине» диодов, весь ток, поступающий в базу, утекал бы через вывод базы. В нашем примере NPN транзистора электроны, выходящие из эмиттера в базу, будут объединяться с дырками в базе, освобождая место для большего числа дырок, которые будут созданы на (+) выводе батареи, подключенного к базе, как только электроны уйдут.

Однако база изготавливается тонкой. Несколько основных носителей в эмиттере, введенных как неосновные носители в базу, действительно рекомбинируют. Смотрите рисунок ниже (b). Несколько электронов, введенных эмиттером в базу NPN транзистора, попадают в дырки. Также несколько электронов, вошедших в базу, потекут напрямую через базу к положительной клемме батареи. Большая часть эмиттерного потока электронов диффундирует через тонкую базу в коллектор. Кроме того, изменение небольшого тока базы приводит к большим изменениям тока коллектора. Если напряжение на базе падает ниже примерно 0,6 вольт для кремниевого транзистора, то перестает течь большой ток эмиттер-коллектор.

Биполярный NPN транзистор с обратным смещением перехода коллектор-база: (a) добавление прямого смещения к переходу база-эмиттер дает в результате (b) маленький ток базы и большие токи эмиттера и коллектора.

На рисунке ниже мы более внимательно рассмотрим механизм усиления тока. У нас есть увеличенный вид переходов биполярного NPN транзистора с акцентом на тонкую область базы. Хотя это не показано, мы предполагаем, что подключены внешние источники напряжения: (1) прямое смещение перехода эмиттер-база, (2) обратное смещение перехода база-коллектор. Электроны, основные носители, входят в эмиттер от клеммы (-) батареи. Ток базы соответствует электронам, покидающим вывод базы к выводу (+) батареи. Впрочем, это небольшой ток по сравнению с током эмиттера.

Электроны, входящие в базу:
(a) Утерянные в результате рекомбинации с дырками базы.
(b) Выходящие из вывода базы.
(c) Большинство диффундирует из эмиттера через тонкую базу в обедненную область база-коллектор,
и (d) быстро захватываются сильным электрическим полем обедненной области в коллектор.

Основными носителям внутри эмиттера N-типа являются электроны, становящиеся неосновными носителями, когда входят в базу P-типа. У этих электронов, попадающих в тонкую базу P-типа, есть четыре возможных варианта. Несколько электронов (на рисунке (a) выше) попадают в дырки в базе, что способствует протеканию тока к выводу базы от клеммы (+) батареи. Это не показано, но дырки в базе могут диффундировать в эмиттер и объединяться с электронами, способствуя протеканию тока через вывод базы. Несколько (b) протекают через базу к выводу (+) батареи, как если бы база была просто резистором. Обе группы электронов, и (a) и (b), вносят очень маленький вклад в ток базы. Для маломощных транзисторов ток базы обычно составляет 1% от тока эмиттера или коллектора. Большая часть электронов эмиттера диффундирует сквозь тонкую базу (c) в обедненную область база-коллектор. Обратите внимание на полярность обедненной области, окружающей электрон на рисунке (d). Сильное электрическое поле быстро сметает электрон в коллектор. Сила поля пропорциональна напряжению батареи коллектора. Таким образом, 99% эмиттерного тока поступает в коллектор. Он управляется током базы, который составляет 1% от тока эмиттера. Это потенциальное усиление тока в 99 раз, отношение I_К/I_Б, также известное как бета β.

Это потрясающе, распространение 99% носителей эмиттера через базу возможно, только если база очень тонкая. Что было бы с основными носителями эмиттера, если бы база была в 100 раз толще? Можно было бы ожидать увеличения рекомбинации, число электронов, попадающих в дырки, было бы намного больше. Может быть 99%, а не 1%, попало бы в дырки, никогда не достигнув коллектора. Второй момент состоит в том, что ток базы может управлять 99% тока эмиттера, только если 99% тока эмиттера диффундирует в коллектор. Если бы весь ток вытекал из базы, никакое управление не было бы возможно.

Еще одна особенность, необходимая для передачи 99% электронов из эмиттера в коллектор, заключается в том, что реальные биполярные транзисторы используют небольшой сильно легированный эмиттер. Высокая концентрация электронов эмиттера заставляет больше электронов диффундировать в базу. Более низкая концентрация легирующей примеси в базе означает, что меньшее количество дырок диффундирует в эмиттер, которые могли бы увеличить ток базы. Распространение носителей заряда от эмиттера к базе пользуется большим преимуществом.

Тонкая база и сильно легированный эмиттер помогают сохранить высокую эффективность эмиттера, например, 99%. Это соответствует тому, что 100% тока эмиттера разделяется между базой (1%) и коллектором (99%). Эффективность эмиттера известна, как α = I_К/I_Э.

Биполярные транзисторы могут иметь структуру как NPN, так и PNP. Мы приведем сравнение этих двух структур на рисунке ниже. Разница заключается в полярности PN-переходов база-эмиттер, что и обозначено направлением стрелки эмиттера на условном графическом обозначении. Она указывает в том же направлении, как и стрелка анода диода, противоположно направлению движения электронов.

Смотрите условное обозначение на изображении в P-N переход. Начало стрелки и ее конец соответствуют полупроводникам P-типа и N-типа, соответственно. Для эмиттеров NPN и PNP транзисторов стрелка указывает по направлениям от базы и к базе, соответственно. На условном обозначении нет стрелки на коллекторе. Тем не менее, переход база-коллектор имеет ту же полярность, как диод, что и переход база-эмиттер. Обратите внимание, что мы говорим о полярности диода, а не источника питания.

Сравните NPN транзистор (a) с PNP транзистором (b). Обратите внимание на стрелку эмиттера и полярности источника питания.

Источники напряжения для PNP транзисторов перевернуты по сравнению с NPN транзисторами, как показано на рисунке выше. Переход база-эмиттер должен быть смещен в прямом направлении в обоих случаях. На базу PNP транзистора подается отрицательное смещение (b), по сравнению с положительным (a) для NPN транзистора. В обоих случаях переход база-коллектор смещен в обратном направлении. Источник питания коллектора PNP транзистора имеет отрицательную полярность, по сравнению с положительной для NPN транзистора.

Биполярный плоскостной транзистор (BJT): (a) поперечное сечение отдельного прибора, (b) условное графическое обозначение, (c) поперечное сечение интегральной микросхемы.

Обратите внимание, что биполярный транзистор (BJT) на рисунке (a) выше имеет сильное легирование в эмиттере, обозначенное N⁺. База обладает нормальным уровнем P-легирования. База намного тоньше, чем показано на рисунке поперечного сечения не в масштабе. Коллектор легирован слабо, что обозначено с помощью N^—. Коллектор должен быть легирован так слабо, чтобы переход коллектор-база обладал высоким напряжением пробоя. Это приводит к высокому допустимому напряжению источника питания коллектора. Напряжение пробоя у маломощных кремниевых транзисторов составляет 60-80 вольт. Для высоковольтных транзисторов оно может достигать сотен вольт. Коллектор также должен быть сильно легирован для уменьшения резистивных потерь, если транзистор должен работать с большими токами. Эти противоречивые требования удовлетворяются за счет более сильного легирования коллектора в области металлического контакта. Коллектор около базы легирован слабо по сравнению с эмиттером. Сильное легирован

Биполярный транзистор: принцип работы, характеристики, схемы

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов. В полупроводниковой структуре сформированы два p-n-перехода, перенос заряда через которые осуществляется носителями двух полярностей — электронами и дырками. Именно поэтому прибор получил название «биполярный» (от англ. bipolar), в отличие от полевого (униполярного) транзистора.

Применяется в электронных устройствах для усиления или генерации электрических колебаний, а также в качестве коммутирующего элемента (например, в схемах ТТЛ).

Внешний вид биполярного транзистора средней мощности и его цоколевка

Содержание статьи

Устройство

Биполярный транзистор состоит из трёх полупроводниковых слоёв с чередующимся типом примесной проводимости: эмиттера (обозначается «Э», англ. E), базы («Б», англ. B) и коллектора («К», англ. C). В зависимости от порядка чередования слоёв различают n-p-n (эмиттер — n-полупроводник, база — p-полупроводник, коллектор — n-полупроводник) и p-n-p транзисторы. К каждому из слоёв подключены проводящие невыпрямляющие контакты.

Обозначение биполярных транзисторов на схемах и их структура. Направление стрелки показывает направление тока через эмиттерный переход, и служит для идентификации n-p-n и p-n-p транзисторов. Наличие окружности символизирует транзистор в индивидуальном корпусе, отсутствие — транзистор в составе микросхемы.

PNP — транзистор прямой проводимости.

NPN — транзистор обратной проводимости.

Определить структура транзистора и проверить его исправность можно при помощи мультиметра.

С точки зрения типов проводимостей эмиттерный и коллекторный слои не различимы, но при изготовлении они существенно различаются степенью легирования для улучшения электрических параметров прибора. Коллекторный слой легируется слабо, что повышает допустимое коллекторное напряжение. Эмиттерный слой — сильно легированный: величина пробойного обратного напряжения эмиттерного перехода не критична, так как обычно в электронных схемах транзисторы работают с прямосмещённым эмиттерным переходом. Кроме того, сильное легирование эмиттерного слоя обеспечивает лучшую инжекцию неосновных носителей в базовый слой, что увеличивает коэффициент передачи по току в схемах с общей базой. Слой базы легируется слабо, так как располагается между эмиттерным и коллекторным слоями и должен иметь большое электрическое сопротивление.

Упрощенная схема поперечного разреза планарного биполярного n-p-n транзистора

Общая площадь перехода база-эмиттер выполняется значительно меньше площади перехода коллектор-база, что увеличивает вероятность захвата неосновных носителей из базового слоя и улучшает коэффициент передачи. Так как в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включён с обратным смещением, в нём выделяется основная доля тепла, рассеиваемого прибором, и повышение его площади способствует лучшему охлаждению кристалла. Поэтому на практике биполярный транзистор общего применения является несимметричным устройством (то есть инверсное включение, когда меняют местами эмиттер и коллектор, нецелесообразно).

Для повышения частотных параметров (быстродействия) толщину базового слоя делают меньше, так как этим, в том числе, определяется время «пролёта» (диффузии в бездрейфовых приборах) неосновных носителей. Но при снижении толщины базы снижается предельное коллекторное напряжение, поэтому толщину базового слоя выбирают исходя из разумного компромисса.

В первых транзисторах в качестве полупроводникового материала использовался металлический германий. Полупроводниковые приборы на его основе имеют ряд недостатков, и в настоящее время биполярные транзисторы изготавливают в основном из монокристаллического кремния и монокристаллического арсенида галлия. Благодаря очень высокой подвижности носителей в арсениде галлия приборы на его основе обладают высоким быстродействием и используются в сверхбыстродействующих логических схемах и в схемах СВЧ-усилителей.

Принцип работы

В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт).

В транзисторе типа n-p-n основные носители заряда в эмиттере (электроны) проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того, что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, бо́льшая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора, так как время рекомбинации относительно велико. Сильное электрическое поле обратносмещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны) и переносит их в коллекторный слой. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк).

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ), называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α = 0,9—0,999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α/(1 − α), от 10 до 1000. Таким образом, малый ток базы управляет значительно большим током коллектора.

Режимы работы

Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении[2] (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт):

UЭБ>0; UКБ<0 (для транзистора n-p-n типа), для транзистора p-n-p типа условие будет иметь вид UЭБ<0; UКБ>0.

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход — прямое: UКБ>0; UЭБ<0 (для транзистора n-p-n типа).

Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнётся проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (IЭ. нас) и коллектора (IК. нас).

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (UКЭ. нас) — это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог RСИ. отк у полевых транзисторов). Аналогично напряжение насыщения база-эмиттер (UБЭ. нас) — это падение напряжения между базой и эмиттером на открытом транзисторе.

Режим отсечки

В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6—0,7 В).

Режим отсечки соответствует условию UЭБ<0,6—0,7 В, или IБ=0[5][6].

Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет собой своеобразный диод, включенный последовательно с токозадающим резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.

Схемы включения

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

• Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.
• Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх.

Схема включения с общей базой

• Среди всех трёх конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по

  Схема включения с общей базой

  току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Не инвертирует фазу сигнала.

• Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iэ = α [α<1].
• Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх = Uэб/Iэ.

Входное сопротивление (входной импеданс) усилительного каскада с общей базой мало зависит от тока эмиттера, при увеличении тока — снижается и не превышает единиц — сотен Ом для маломощных каскадов, так как входная цепь каскада при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Достоинства

• Хорошие температурные и широкий частотный диапазон, так как в этой схеме подавлен эффект Миллера.
• Высокое допустимое коллекторное напряжение.

Недостатки

• Малое усиление по току, равное α, так как α всегда немного менее 1.
• Малое входное сопротивление.

Схема включения с общим эмиттером

• Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iб = Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1].

  Схема включения с общим эмиттером

• Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = Uбэ/Iб.

Достоинства

Большой коэффициент усиления по току.

• Большой коэффициент усиления по напряжению.
• Наибольшее усиление мощности.
• Можно обойтись одним источником питания.
• Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Недостатки

Имеет меньшую температурную стабильность. Частотные свойства такого включения по сравнению со схемой с общей базой существенно хуже, что обусловлено эффектом Миллера.

Схема с общим коллектором

• Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iэ/Iб = Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1-α) = β+1 [β>>1].

  Схема включения с общим коллектором

• Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = (Uбэ + Uкэ)/Iб.

Достоинства

• Большое входное сопротивление.
• Малое выходное сопротивление.

Недостатки

• Коэффициент усиления по напряжению немного меньше 1.

Схему с таким включением часто называют «эмиттерным повторителем».

Основные параметры

• Коэффициент передачи по току.
• Входное сопротивление.
• Выходная проводимость.
• Обратный ток коллектор-эмиттер.
• Время включения.
• Предельная частота коэффициента передачи тока базы.
• Обратный ток коллектора.
• Максимально допустимый ток.
• Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:

• коэффициент усиления по току α;
• сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току r_э, r_к, r_б, которые представляют собой:
  • r_э — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;
  • r_к — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;
  • r_б — поперечное сопротивление базы.

Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».

Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

h₁₁ = U_m1/I_m1, при U_m2 = 0

Коэф

1.Описание основных элементов цепи

Биполярный транзистор.

Биполярный транзистор — электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Этим он отличается от униполярного(полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока — основной «большой» ток, и управляющий «маленький» ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего. У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля. В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора.

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей. Это похоже на два диода, соединенных лицом к лицу или наоборот.

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector иemitter). Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора.

Работа биполярного транзистора.

Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного транзистора. Для примера возьмем модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет противоположной.

Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках, в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы — дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает концентрацию дырок в области P.

Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером V_КЭ (V_CE). Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора. Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера. Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.

Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером V_BE, но значительно ниже чем V_CE (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое V_BE — 0.6V). Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения подключенного к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе. Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать). Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.

В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами. Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше. Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая, все равно потечет в сторону плюса базы.

В итоге мы получаем два тока: маленький — от базы к эмиттеру I_BE, и большой — от коллектора к эмиттеру I_CE.

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P собереться еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом,при небольшом изменении тока базы I_B, сильно меняеться ток коллектора I_С. Так и происходитусиление сигнала в биполярном транзисторе. Cоотношение тока коллектора I_С к току базы I_Bназывается коэффициентом усиления по току. Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

β = I_C / I_B

Простейший усилитель на биполярном транзисторе

Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы. Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная. Никто не подключает источник постоянного напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора. Так же, сама техника расчетов в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.

Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить. Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.

2. Расчет входного тока базы Ib

Теперь посчитаем ток базы I_b. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (V_max) и минимальном (V_min). Назовем эти значения тока соответственно — I_bmax и I_bmin.

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер V_BE. Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить — около 0. 6V. Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером V_BE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (V_E = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (V_B = 0.6V).

Посчитаем I_bmax и I_bmin с помощью закона Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора iс

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно с легкостью посчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора ( I_cmax и I_cmin).

3. Расчет выходного напряжения Vout

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя V_out. В данной цепи — это напряжение на коллекторе V_C.

Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали. Осталось подставить значения:

4. Анализ результатов

Как видно из результатов, V_Cmax получился меньше чем V_Cmin. Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе V_Rc отнимается от напряжения питания VCC. Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились. Конечно же, соотношение V_out/V_in в десять раз — далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.

Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток I_b, несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся». Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β. В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

Таким образом, на вывод V_out поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

Режимы работы биполярного транзистора

В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:

• Режим отсечки (cut off mode).

• Активный режим (active mode).

• Режим насыщения (saturation mode).

• Инверсный ражим (reverse mode ).

Режим отсечки

Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V — 0.7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

Активный режим

В активном режиме напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся. В этом состоянии у транзистора присутствуют токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

Режим насыщения

Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора, которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.

В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».

Инверсный режим

В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В результате ток из базы течет в коллектор. Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру, и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме. Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме. Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.

Основные параметры биполярного транзистора.

Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора I_С к току базы I_B. Обозначаетсяβ, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

β — величина постоянная для одного транзистора, и зависит от физического строения прибора. Высокий коэффициент усиления исчисляется в сотнях единиц, низкий — в десятках. Для двух отдельных транзисторов одного типа, даже если во время производства они были “соседями по конвейеру”, β может немного отличаться. Эта характеристика биполярного транзистора является, пожалуй, самой важной. Если другими параметрами прибора довольно часто можно пренебречь в расчетах, то коэффициентом усиления по току практически невозможно.

Входное сопротивление – сопротивление в транзисторе, которое «встречает» ток базы. Обозначается R_in (R_вх). Чем оно больше — тем лучше для усилительных характеристик прибора, поскольку со стороны базы обычно находиться источник слабого сигнала, у которого нужно потреблять как можно меньше тока. Идеальный вариант – это когда входное сопротивление равняется бесконечность.

R_вх для среднестатистического биполярного транзистора составляет несколько сотен КΩ (килоом). Здесь биполярный транзистор очень сильно проигрывает полевому транзистору, где входное сопротивление доходит до сотен ГΩ (гигаом).

Выходная проводимость — проводимость транзистора между коллектором и эмиттером. Чем больше выходная проводимость, тем больше тока коллектор-эмиттер сможет проходить через транзистор при меньшей мощности.

Также с увеличением выходной проводимости (или уменьшением выходного сопротивления) увеличивается максимальная нагрузка, которую может выдержать усилитель при незначительных потерях общего коэффициента усиления. Например, если транзистор с низкой выходной проводимостью усиливает сигнал в 100 раз без нагрузки, то при подсоединении нагрузки в 1 КΩ, он уже будет усиливать всего в 50 раз. У транзистора, с таким же коэффициентом усиления, но с большей выходной проводимостью, падение усиления будет меньше. Идеальный вариант – это когда выходная проводимость равняется бесконечность (или выходное сопротивление R_out = 0 (R_вых = 0)).

Частотная характеристика – зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты входящего сигнала. С повышением частоты, способность транзистора усиливать сигнал постепенно падает. Причиной тому являются паразитные емкости, образовавшиеся в PN-переходах. На изменения входного сигнала в базе транзистор реагирует не мгновенно, а с определенным замедлением, обусловленным затратой времени на наполнение зарядом этих емкостей. Поэтому, при очень высоких частотах, транзистор просто не успевает среагировать и полностью усилить сигнал.

Что такое транзистор? — Эмиттер, база и коллектор

Определение: Слово «транзистор» состоит из двух слов: одно — « Trans fer», а другое — «Var istor ». Это подразумевает, что устройство, которое передает сопротивление от одного канала схемы к другому, называется транзистором. Это трехконтактное устройство с управлением по току , которое может работать либо как переключатель , либо как усилитель , обеспечивая слабый сигнал напряжения.Это один из важных видов активных устройств.

Значение и история транзистора

Вы, наверное, думаете, зачем нужен транзистор ???

Позвольте мне объяснить это с помощью истории. В начале 20–900–23–-го века, когда был изобретен вакуумный триод, он считался значительным достижением в области электроники. Это потому, что такие устройства, как компьютеры, были полностью основаны на них.

Но проблема началась с их размером, который может охватить всю комнату.Теперь вы можете представить, что будет, если вся комната будет состоять из единой системы обработки. Очевидно, что работать с ним — процесс громоздкий.

К счастью, в современном мире у нас есть компактная система обработки. Но все это стало возможным с изобретением транзистора. В 1947 , Джон Бардин вместе с Уильямом Шокли и Браттейном изобрели транзистор. Последствия очевидны. Теперь все вычислительные устройства доступны в небольших размерах, которые мы можем легко носить с собой куда угодно.

Строительство

Обсудим конструктивные особенности транзистора, как устроено это трехконтактное устройство. Диод — это устройство с двумя выводами, поэтому, если мы объединим два диода при условии, что один вывод является общим, полученное устройство будет состоять из трех выводов.

Так устроен транзистор. Мы можем использовать либо сэндвич-слой полупроводника P-типа между двумя полупроводниками N-типа, либо сэндвич-слой N-типа между двумя образцами полупроводника P-типа.Транзистор, сформированный в первом случае, будет иметь вид NPN-транзистора , а сформированный во втором случае — PNP-транзистор.

Три терминала имеют следующие названия: —

1. Излучатель
2. База
3. Коллектор

Мы обсудим функции этих трех выводов в работе транзистора.

Транзистор — это полупроводниковый прибор, поэтому полупроводниковый материал, используемый в его конструкции, может быть либо германием, , либо кремнием , , но кремний предпочтительнее германия, поскольку он имеет на меньший ток отсечки.

Работа транзистора

Транзистор в своем названии предполагает переходное сопротивление от одного канала к другому. Таким образом, имеется три вывода транзистора, то есть база, эмиттер и коллектор. Таким образом, имеется два перехода транзисторов. Один — это переход эмиттер-база, а другой — переход коллектор-база. Я намерен объяснить работу транзистора с помощью этих важнейших параметров.

Прежде чем я углублюсь в рабочие детали транзистора, давайте разберемся с этими тремя важными выводами транзистора и их характеристиками.

1. Эмиттер: Вывод эмиттера — это сильно легированная область по сравнению с двумя базой и коллектором. Это связано с тем, что работа эмиттера заключается в подаче носителя заряда в коллектор через базу. Размер эмиттера больше базы, но меньше коллектора.
2. База: Размер области базы чрезвычайно мал, она меньше эмиттера и коллектора. Размер базы всегда остается небольшим, так что носители заряда, выходящие из эмиттера и входящие в базу, не рекомбинируют в области базы и будут направлены в область коллектора.Интенсивность легирования базы также меньше, чем у эмиттера и коллектора по той же причине, о которой говорилось выше.
3. Коллектор: Коллекторный вывод умеренно легирован, а размер коллекторной области немного больше, чем размер эмиттерной, потому что все носители заряда, выходящие из эмиттера, рекомбинируют в основании, и в этом процессе выделяется тепло. Таким образом, необходимо, чтобы вывод коллектора был достаточно большим, чтобы он мог рассеивать тепло и устройство не могло перегореть.

Несмещенный транзистор

Рассмотрим несмещенный NPN-транзистор. Несмещенный означает, что он не снабжен каким-либо внешним источником напряжения. В этом состоянии основные носители заряда в эмиттерной области будут двигаться в сторону базовой области.

Из-за умеренного допирования и небольшого размера клеммы базы только 5-10% носителей заряда, попадающих в базу, будут рекомбинировать. Обратите внимание, что мы рассматривали транзистор NPN, поэтому основными носителями заряда в эмиттере будут электроны.

Таким образом, только несколько электронов рекомбинируют на базе, а оставшиеся начнут двигаться к коллектору. Таким образом, 90-95% электронов, испускаемых эмиттером, рекомбинируются с дырками в области коллектора. Это движение электрона и дырок в цепи приводит к генерации тока.

В основном транзисторы работают в трех регионах, а именно:

1. Активная область: Эта область используется для работы усилителя.
2. Область насыщения: В этой области транзистор работает, когда нам требуется операция переключения. В этой области транзистор действует как переключатель ВКЛ.
3. Область отсечки: В этом транзисторе работает как замкнутый переключатель.

Преимущества использования транзисторов

1. Компактный Размер: Эти небольшие транзисторы положили начало разработке компактных процессоров. Нам больше не нужно работать с компьютерами на электронных лампах больших размеров.Все благодаря изобретателям транзисторов.
2. Легкий вес: Транзистор полностью упакован в один корпус с радиатором и тремя выводами. Весь этот корпус чрезвычайно легкий, что увеличивает преимущество транзистора и делает его портативным устройством.
3. Высокая эффективность работы: Транзисторы обладают высокой эффективностью независимо от того, используем ли мы ее в качестве усилителя, генератора или переключателя.
4. Long Life: Он также обладает длительным сроком службы, что делает его надежным для различных применений, поскольку минимизирует эффекты старения.

Недостатки использования транзисторов

1. Низкая рабочая частота: Имеет рабочую частоту только до определенных МГц. Это выводит его из лиги, когда дело доходит до высокочастотных приложений.
2. Низкая рабочая температура: Существует пороговое значение температуры, при превышении которого транзистор может выйти из строя. Пороговое значение составляет 75ᵒC. Таким образом, мы не можем эксплуатировать его выше этого температурного диапазона.

У всего есть свои плюсы и минусы.Вы, должно быть, слышали это. Каждое преимущество, которым обладает устройство, должно обладать определенными недостатками, хотя первое перевешивает второе. У транзисторов тоже есть определенные недостатки.

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, имеет ли транзистор усиление по напряжению, по току или по мощности. Одна из основных операций транзистора с биполярным переходом — усиление сигнала тока. Транзисторы с биполярным переходом могут регулировать ток так, чтобы величина тока была пропорциональна напряжению смещения, приложенному к клемме базы транзистора.Применение биполярных переходных транзисторов можно найти в устройствах, использующих аналоговые схемы, таких как компьютеры, мобильные телефоны и радиопередатчики.

ВВЕДЕНИЕ

Биполярные транзисторы

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

Способность биполярных транзисторов

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

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

СТРУКТУРА

Биполярные транзисторы

содержат три легированных примесных полупроводниковых области, каждая из которых подключена к цепи.Транзистор не является симметричным из-за разной степени легирования областей эмиттера, коллектора и базы. Базовая область состоит из легированных материалов, обладающих высоким удельным сопротивлением. База расположена между областью сильнолегированного эмиттера и областью слаболегированного коллектора. Коллектор охватывает эмиттерную область, что исключает возможность электронов, инжектированных в базовую область, покидать базовую область, не собираясь. Область эмиттера сильно легирована для увеличения коэффициента 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 расположены напротив друг друга, обеспечивает правильное смещение транзисторов.

Биполярный переходной транзистор NPN

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

Для этого типа транзисторов токи коллектора и эмиттера 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 базовой 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 к базе и 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» — ток, протекающий на выводе базы, а «Ie» — ток, протекающий на выводе 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 по току транзистора от вывода коллектора до вывода эмиттера, Ic / Ie, является функцией электронов, диффундирующих через переход. Текущее усиление транзистора от клеммы коллектора до клеммы базы обозначается буквой 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 единственной связью между этими двумя цепями.Это звено является главной особенностью работы транзистора. Так как действие транзистора определяется начальным движением электронов через область базы, усилительные свойства транзистора возникают из-за последующего управления базой током между коллектором и эмиттером. Пока поток тока смещения в базовый вывод является стабильным, базовую область можно рассматривать как вход управления током.

PNP Биполярный переходной транзистор

PNP-транзистор с биполярным переходом имеет базу из полупроводника, легированного азотом, между эмиттером, легированным фосфатом, и областью коллектора, легированным фосфором.PNP-транзистор имеет очень схожие 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 Base всегда смещена отрицательно по отношению к эмиттеру while. Эмиттер положительный по отношению к коллектору (V _CE ). В нижней части коллектора с обратным смещением образовались отверстия. Из-за электрического поля носители или электроны притягиваются дырками.Для того чтобы транзистор PNP проводил, эмиттер всегда более положительный по отношению как к базе, так и к коллектору.

РЕГИОНЫ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

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

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

2. Активный в прямом направлении : Область активного действия в прямом направлении 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, поскольку напряжение коллектор-эмиттер больше, чем напряжение базы-эмиттер, 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 противоположные, так что коллекторный переход базы имеет прямое смещение, а база-эмиттерный переход — обратное смещение, что переключает 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 ток базы настолько велик, что превышает величину, при которой он может увеличить ток коллектора. В результате цепь между выводами коллектора и эмиттера кажется короткозамкнутой 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, тем самым изменяя характеристики каждой конфигурации.

Общая базовая конфигурация

Общая базовая конфигурация имеет сильную высокочастотную характеристику, которая хорошо подходит 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, чем входной ток эмиттера, что приводит к усилению тока. Его входные характеристики соответствуют прямому смещенному диоду

.

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, приложенный между базой и эмиттером, невелик из-за прямого смещения PN-перехода, а выходной сигнал, полученный 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 выходной импеданс велик, поскольку он 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.Если область эмиттера соединена последовательно с нагрузочным резистором, ток, протекающий через сопротивление нагрузки, будет иметь то же значение, что и ток эмиттера. Вот почему выходной сигнал берется с эмиттерной нагрузки, 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 являются «синфазными».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 какое значение имеет бета-версия?

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

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

ответов

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

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

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

Список литературы

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

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

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

4. Все образы созданы с помощью программы на дигикеи.com

Авторы

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

Конфигурация транзистора

— общая база, коллектор и эмиттер

Мы знаем, что транзистор состоит из трех выводов, а именно эмиттера, коллектора и базы, и они обозначаются буквами E, C и B. Но в применениях транзисторов нам требуются четыре вывода, два клеммы для входа и оставшиеся две клеммы для выхода. Чтобы решить эту проблему, мы используем один терминал для действий i / p и o / p.Используя эту концепцию, мы проектируем схемы, которые будут предлагать требуемые характеристики, и эти конфигурации называются конфигурациями транзисторов. Конфигурации транзисторов

Типы конфигураций транзисторов

Три различных типа конфигураций транзисторов:

• Конфигурация транзистора с общей базой
• Конфигурация транзистора с общим эмиттером
• Конфигурация транзистора с общим коллектором

Теперь мы обсудим вышеупомянутые три конфигурации транзисторов с диаграммами.

Типы конфигураций транзисторов

Конфигурация транзисторов с общей базой (CB)

Конфигурация транзисторов с общей базой дает низкий I / P при высоком импедансе O / P. Когда напряжение транзистора CB высокое, коэффициент усиления по току и общий коэффициент усиления мощности также низки по сравнению с другими конфигурациями транзисторов. Основная особенность транзистора B заключается в том, что i / p и o / p транзистора находятся в фазе. На следующей схеме показана конфигурация транзистора CB.В этой схеме базовая клемма является взаимной для обеих схем i / p и o / p.

Конфигурация транзистора с общей базой

Коэффициент усиления по току цепи CB рассчитывается методом, связанным с концепцией CE, и обозначается буквой альфа (α). Это соотношение между током коллектора и током эмиттера. Коэффициент усиления по току рассчитывается по следующей формуле.

Альфа — это отношение тока коллектора (выходной ток) к току эмиттера (входной ток). Альфа рассчитывается по формуле:

α = (∆Ic) / ∆IE

Например, если ток i / p (IE) в токе общей базы изменяется с 2 мА на 4 мА, а ток отключения (IC) изменяется с 2 мА на 3.8 мА коэффициент усиления тока будет 0,90

Коэффициент усиления тока выключателя меньше 1. Когда ток эмиттера протекает через клемму базы и не действует как ток коллектора. Этот ток всегда меньше, чем вызвавший его ток эмиттера. Коэффициент усиления общей базовой конфигурации всегда меньше 1. Следующая формула используется для расчета текущего усиления CE (α), когда задано значение CB, то есть (β).

Конфигурация транзистора с общим коллектором (CC)

Конфигурация транзистора с общим коллектором также известна как эмиттерный повторитель, потому что эмиттерное напряжение этого транзистора следует за выводом базы транзистора.В качестве буфера обычно используются высокий импеданс i / p и низкий импеданс o / p. Коэффициент усиления по напряжению этого транзистора равен единице, коэффициент усиления по току высокий, а сигналы o / p синфазны. На следующей схеме показана конфигурация транзистора CC. Клемма коллектора является взаимной для цепей i / p и o / p.

Конфигурация транзистора с общим коллектором

Коэффициент усиления по току CC-цепи обозначен (γ) и рассчитывается по следующей формуле.

Это усиление связано с усилением тока выключателя, равным бета (β), а усиление цепи CC рассчитывается, когда значение b задается по следующей формуле

Когда транзистор подключен в любой из трех основных конфигураций, таких как CE , CB и CC, тогда существует связь между альфа, бета и гамма.Эти отношения приведены ниже.

Например, текущее значение усиления для значения общей базы (α) равно 0,90, тогда значение бета может быть рассчитано как

Следовательно, изменение тока базы этого транзистора приведет к изменению тока коллектора, которое будет равно девяти. раз больше. Если мы хотим использовать тот же транзистор в CC, мы можем рассчитать гамму по следующему уравнению.

Конфигурация транзистора с общим эмиттером (CE)

Конфигурация транзистора с общим эмиттером является наиболее широко используемой конфигурацией.Схема CE-транзистора дает средние уровни импеданса i / p и o / p. Коэффициент усиления как по напряжению, так и по току можно определить как средний, но o / p противоположно i / p, которое составляет 1800 изменений фазы. Это дает хорошую производительность и часто считается наиболее часто используемой конфигурацией. На следующей схеме показана конфигурация транзистора CE. В такой схеме вывод эмиттера является взаимным как для i / p, так и для o / p. Конфигурация транзисторов с общим эмиттером

В следующей таблице ниже показаны конфигурации транзисторов с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором.

Коэффициент усиления по току схемы с общим эмиттером (CE) обозначается буквой beta (β). Это соотношение между током коллектора и током базы. Следующая формула используется для расчета beta (β). Дельта используется для указания небольшого изменения.

Например, если ток i / p (IB) в CE изменяется с 50 мА до 75 мА, а ток включения / выключения (IC) изменяется с 2,5 мА до 3,6 мА, то коэффициент усиления по току (b) будет 44. Из приведенного выше коэффициента усиления по току мы можем сделать вывод, что изменение тока базы вызывает изменение тока коллектора, которое в 44 раза больше.

Это все о различных типах конфигураций транзисторов, которые включают общую базу, общий коллектор и общий эмиттер. Мы уверены, что вы лучше понимаете эту концепцию. Кроме того, любые вопросы относительно этой концепции или проектов электроники, пожалуйста, дайте свои ценные предложения, комментируя в разделе комментариев ниже. У вас есть вопрос, какова функция транзистора?

Соединение с общим эмиттером (или конфигурация CE) — кривая входных и выходных характеристик

Определение : Конфигурация, в которой эмиттер подключается между коллектором и базой, известна как конфигурация с общим эмиттером.Входная цепь подключена между эмиттером и базой, а выходная цепь взята из коллектора и эмиттера. Таким образом, эмиттер является общим как для входной, так и для выходной цепи, и, следовательно, название является общей конфигурацией эмиттера. Схема общего эмиттера для транзисторов NPN и PNP показана на рисунке ниже.

Коэффициент усиления базового тока (β)

Коэффициент усиления базового тока определяется как отношение выходного и входного тока в конфигурации с общим эмиттером.При усилении с обычным эмиттером выходной ток — это ток коллектора I _C, , а входной ток — ток базы I _B .

Другими словами, отношение изменения тока коллектора к току базы известно как коэффициент усиления базы. Он представлен β (бета).

Связь между текущим коэффициентом усиления (α) и базовым коэффициентом усиления (β)

Соотношение между Β и α может быть получено как

Мы знаем,

Сейчас,

Подставляя значение ΔI _E в уравнение (1), получаем,

Вышеприведенное уравнение показывает, что когда α достигает единицы, тогда β достигает бесконечности.Другими словами, коэффициент усиления по току в конфигурации с общим эмиттером очень высок, и по этой причине схема расположения с общим эмиттером используется во всех транзисторных приложениях.

Ток коллектора

В конфигурации CE входной ток I _B и выходной ток I _C связаны уравнением, показанным ниже.

Если базовый ток открыт (т. Е. I _B = 0). Коллекторный ток является током эмиттера, и этот ток обозначается сокращенно I _CEO , что означает ток коллектор-эмиттер при разомкнутой базе.

Подставляем значение ΔI _B в уравнения (1), получаем,

Характеристики конфигурации общего эмиттера (CE)

Характеристика схемы транзистора с общим эмиттером показана на рисунке ниже. Напряжение между базой и эмиттером изменяется регулировкой потенциометра R ₁ . А напряжение между коллектором и эмиттером меняли регулировкой потенциометра R ₂ . Для различных настроек ток и напряжение снимаются с миллиамперметров и вольтметров.На основе этих показаний кривая ввода и вывода строится на кривой.

Входная характеристическая кривая

Кривая, построенная между базовым током I _B и напряжением база-эмиттер V _EB , называется кривой входных характеристик. Для построения входной характеристики через амперметр снимается ток базы на эмиттерном напряжении V _BE при постоянном токе коллектор-эмиттер. Кривая для различных значений тока коллектор-база показана на рисунке ниже.

Кривая для конфигурации с общей базой аналогична характеристике прямого диода. Базовый ток I _B увеличивается с увеличением напряжения эмиттер-база V _BE . Таким образом, входное сопротивление конфигурации CE сравнительно выше, чем у конфигурации CB.

Влияние CE не вызывает большого отклонения на кривых, и поэтому влияние изменения V _CE на входную характеристику игнорируется.

Входное сопротивление: Отношение изменения напряжения база-эмиттер V _BE к изменению базового тока ∆I _B при постоянном напряжении коллектор-эмиттер V _CE известно как входное сопротивление, т.е.е.,

Выходная характеристика

В конфигурации CE кривая проходит между током коллектора I _C и напряжением коллектор-эмиттер V _CE при постоянном базовом токе I _B называется выходной характеристикой. Характеристическая кривая для типичного транзистора NPN в конфигурации CE показана на рисунке ниже.

В активной области ток коллектора немного увеличивается по мере увеличения тока коллектора-эмиттера V _CE .Наклон кривой намного больше, чем выходная характеристика конфигурации CB. Выходное сопротивление соединения с общей базой больше, чем у соединения CE.

Значение тока коллектора I _C увеличивается с увеличением V _CE при постоянном напряжении I _B , значение β также увеличивается.