Биполярные транзисторы принцип работы: Устройство и принцип работы биполярного транзистора. — Мир Антенн

Содержание

Устройство и принцип работы биполярного транзистора.

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

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

Устройство биполярного транзистора.

И, первым делом, мы рассмотрим устройство биполярного транзистора и химические процессы, протекающие в нем. И в этом нам очень поможет статья о p-n переходе (ссылка), поскольку ключевые понятия мы будем использовать те же самые.

Ведь транзистор есть ни что иное как три полупроводниковые области, которые формируют между собой два p-n перехода.

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

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

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

Называются эти три полупроводниковые области:

эмиттер
база
коллектор

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

Принцип работы биполярного транзистора.

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

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

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

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

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

I_к = \alpha I_э

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

I_э = I_б + I_к

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

I_э = \frac{I_к}{\alpha}

\frac{I_к}{\alpha} = I_б + I_к

Выражаем ток коллектора через ток базы:

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

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

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

Режимы работы биполярного транзистора.

Итак, мы рассмотрели активный режим работы транзистора

(переход эмиттер-база открыт, переход коллектор-база закрыт), не обойдем вниманием и другие 🙂

Режим отсечки. Оба p-n перехода закрыты. Причем важно отметить, что переход эмиттер-база открывается начиная с некоторого значения приложенного прямого напряжения (не с нуля). Это напряжение обычно составляет около 0.6 В. То есть в режиме отсечки либо оба перехода смещены в обратном направлении, либо коллекторный переход — в обратном, а эмиттерный — в прямом, но величина напряжения не превышает 0. 6 В.

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

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

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

Вот и все самые основные режимы работы биполярного транзистора!

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

Устройство, принцип работы и различие N-P-N и P-N-P транзисторов | Энергофиксик

Существуют два основных вида транзисторов: полевые и биполярные. Биполярные транзисторы, в свою очередь, также разделяются на тип с P-N-P и N-P-N переходом. В этом материале я вам расскажу об устройстве биполярных транзисторов и мы поговорим о принципе работы и в чем их основное различие. Итак, поехали.

Немного истории

Согласно записям официальной истории дату 16.12.1947 года можно считать официальным днем рожденья одного из главных элементов всей электроники современности. Именно в этот день был представлен общественности первый транзистор, который был собран тремя учеными, а именно: Д. Бардин, У. Шокли и У. Браттейн.

yandex.ru

Появление биполярного транзистора позволило отказаться от использования электронных ламп. Вся современная электроника была бы невозможна без этого изделия. Вот такое важное открытие было совершено в середине 20-го столетия. Теперь от истории перейдем к нашим биполярным транзисторам.

Как устроен биполярный транзистор

Итак, биполярный транзистор схематически можно представить следующим образом:

Посмотрите внимательно на изображение, вам оно ничего не напоминает? Да, вы правы, если присмотреться и мысленно разделить зону N – перехода, то перед нами два соединенных между собой диода (запомните этот момент, в дальнейшем он нам понадобится).

Для определения какой проводимости перед нами диод, достаточно прочитать направление P-N перехода. На рисунке выше у нас проводимость типа P-N-P. Это означает, что перед нами транзистор прямой проводимости (так как принято считать, что ток проходит от плюса к минусу).

А вот у транзистора N-P-N типа проводимость обратная

Вы заметили, что в обоих вариантах исполнения присутствуют три вывода под названием:

Эмиттер (источник, генератор), База (основа) и Коллектор (сборщик, накопитель).

Схематическое обозначение транзисторов

Из всего выше написанного вы уже наверняка поняли, что есть транзисторы обратной и прямой последовательности, а это значит, что и на схемах такие элементы должны иметь различия. Давайте их рассмотрим.

Итак, обозначение транзистора прямой проводимости на схемах будет следующее:

А вот транзистор обратной проводимости обозначается уже так:

В старых советских мануалах транзисторы маркировались буквой «Т», а теперь обозначение сменили на «VT».

Как по схеме определить N-P-N или P-N-P транзистор перед вами

На самом деле определить по схеме тип биполярного транзистора довольно просто, достаточно помнить следующее правило:

Как известно в N – полупроводнике имеется большое количество свободных электронов, а в полупроводнике P–типа расположены «дырки» — положительно заряженные частицы. А по общепринятой теории ток протекает от «плюса» к «минусу».

Если вы посмотрите на схему, то увидите, что эмиттер изображен со стрелкой, которая либо направлена к базе либо от нее. Так вот если транзистор N-P-N типа, то есть база выполнена из P– полупроводника, то ток течет от базы (стрелка эмиттера от базы). Если же база выполнена из N — полупроводника, то ток (стрелка) втекает в базу.

Как работает P-N-P транзистор

С обозначением и устройством вроде все понятно, а вот как он работает давайте разбираться:

Давайте представим биполярный транзистор в виде водяной трубы с задвижкой с пружинным механизмом.

Как видно из рисунка сверху беспрепятственному протеканию воды по трубе мешает задвижка с пружинным механизмом, если мы приложим небольшое усилие (откроем задвижку сжав пружину), то вода беспрепятственно потечет по трубе. Если же мы отпустим пружину, то она распрямится и вернет задвижку на место, тем самым перекрыв трубу и поток воды будет остановлен.

Теперь вообразите, что данная труба — это транзистор P-N-P типа, значит его выводы можно представить следующим образом:

Получается, чтобы ток протекал от эмиттера к коллектору (напоминаю, что направление тока совпадает с направлением стрелки на эмиттере) нужно сделать так, чтобы ток выходил из базы, или говоря по простому: подать на базу минус.

Давайте наглядно проверим работу такого транзистора. Для этого возьмем КТ814Б и соберем простенькую схему с двумя источниками питания.

Для того, чтобы правильно подключить транзистор необходимо знать какой вывод является эмиттером, базой и коллектором. Для этого находим техническую документацию и определяем:

Лампочку я буду использовать самую обычную автомобильную, рассчитанную на 12 Вольт. Собранная схема будет выглядеть так:

Итак, чтобы наша схема заработала выставляем на источнике питания №2 12 Вольт. А на первом источнике питания начинаем очень плавно (с нуля) поднимать напряжение ровно до того момента, пока не загорится наша лампа.

Схема заработала при напряжении 0,66 Вольт на первом источнике.

То есть произошло «открытие» транзистора и через цепь эмиттер-коллектор начал проходить ток.

Иначе говоря, напряжение, которое открыло наш транзистор — это ни что иное как падение напряжения на P-N переходе база-эмиттер, которое как раз и находится в пределах от 0,5 до 0,7 В для кремниевых транзисторов.

А как дела обстоят с транзисторами, где используется N-P-N переход.

Принцип работы N-P-N транзистора

Если внимательно посмотреть на техническую документацию к транзистору КТ814Б, то можно найти запись о том, что комплиментарной парой к этому транзистору является КТ815Б, а он различается лишь тем что здесь используется N-P-N переход.

yandex.

yandex.ru

И схема подключения будет выглядеть так:

Посмотрите внимательно на эту схему и схему включения КТ814Б, вы ничего не заметили? Все верно, единственное различие между этими двумя транзисторами заключено в том, что транзистор с P-N-P переходом открывается «минусом» (так как на базу подается отрицательный потенциал), а вот транзистор N-P-N открывается «плюсом».

Заключение

В этом материале мы с вами познакомились с устройством биполярных транзисторов, их устройстве и принципе работы, а также с тем как они обозначаются на схемах. Если статья оказалась вам интересна или полезна, то оцените ее лайком. Спасибо за ваше внимание!

схемы включения. Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Статическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором отсутствует нагрузка в выходной цепи, а изменение входного тока или напряжения не вызывает изменение выходного напряжения Рис.

Статические характеристики транзисторов бывают двух видов: входные и выходные . На Рис.8. изображена схема установки для измерения статических характеристик транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером.

Рис.8. Схема

измерений статических

параметров транзистора с ОЭ.

Входная статическая характеристика I Б от входного напряжения U БЭ при постоянном выходном напряжении U КЭ . Для схемы с общим эмиттером:

I Б = f (U БЭ) при U ЭК = const.

Поскольку ветви входной статической характеристики для U КЭ > 0 расположены очень близко друг к другу и практически сливаются в одну, то на практике с достаточной точностью можно пользоваться одной усреднённой характеристикой (Рис.9

а ). Особенность входной статической характеристики является наличие в нижней части нелинейного участка в районе изгиба U 1 (приблизительно 0,2…0,3 В для германиевых транзисторов и 0,3…0,4 В – для кремниевых).

Выходная статическая характеристика – это зависимость выходного тока I К от выходного напряжения U КЭ при постоянном входном токе I Б . Для схемы включения с общим эмиттером:

I К = f (U КЭ) при I Б = const.

Из Рис.9б видно, что выходные характеристики представляют собой прямые линии, почти параллельные оси напряжения. Это объясняется тем, что коллекторный переход закрыт независимо от величины напряжения база-коллектор, и ток коллектора определяется только количеством носителей заряда, проходящих из эмиттера через базу в коллектор, т. е. током эмиттера I Э .

Динамическим режимом

работы транзистора называется такой режим, при котором в выходной цепи стоит нагрузочный резистор R К , за счёт которого изменение входного тока или напряжения U ВХ будет вызывать изменение выходного напряжения U ВЫХ = U КЭ (Рис.10).

Рис.9. Статические характеристики транзистора с ОЭ: а – входные; б – выходные.

Входная динамическая характеристика – это зависимость входного тока I Б от входного напряжения U БЭ при наличии нагрузки. Для схемы с общим эмиттером:

I Б = f (U БЭ)

Поскольку в статическом режиме для U КЭ > 0 мы пользуемся одной усреднённой характеристикой, то входная динамическая характеристика совпадает со входной статической (Рис.11а ).

Рис.10. Схема включения транзистора в динамическом режиме с ОЭ.

Выходная динамическая (нагрузочная) характеристика представляет собой зависимость выходного напряжения U КЭ от выходного тока I К при фиксированных значениях входного тока I Б (Рис.11б ):

U КЭ = E К – I К R К

Так как это уравнение линейное, то выходная динамическая характеристика представляет собой прямую линию и строится на выходных статических характеристиках по двум точкам, например: А , В на Рис. 11б .

Координаты точки А [U КЭ = 0; I K = Е К ⁄ R К ] – на оси I K .

Координаты точки В [I K = 0; U КЭ = Е К ] – на оси U КЭ.

Координаты точки Р [U 0К; I 0 K ] – соответствуют положению рабочей точки РТ в режиме покоя (при отсутствии сигнала).

Рис.11. Динамические характеристики транзистора с ОЭ: а) – входная; б) – выходная.

Нагрузочная пряма проводится через любые две точки А, В, или Р, координаты которых известны.

В зависимости от состояния p-n переходов транзисторов различают несколько видов его работы – режим отсечки, режим насыщения, предельный и линейный режимы (Рис.11).

Режим отсечки. Это режим, при котором оба его перехода закрыты – транзистор заперт. Ток базы в этом случае равен нулю. Ток коллектора будет равен обратному току I К0 , а напряжение U КЭ = E К.

Режим насыщения – это режим, когда оба перехода – и эмиттерный и коллекторный открыты, а в транзисторе происходит свободный переход носителей зарядов. При этом ток базы будет максимальный, ток коллектора будет равен току коллектора насыщения, а напряжение между коллектором и эмиттером стремиться к нулю.

I Б = max; I К ≈ I КН; U КЭ = E К – I КН R Н; U КЭ → 0.

Предельные режимы – это режимы, работа в которых ограничена максимально-допустимыми параметрами: I К доп, U КЭ доп, P К доп (Рис.11б ) и I Б нас, U БЭ доп (Рис.11а ) и связана с перегревом транзистора или выхода его из строя.

Линейный режим – это режим, в котором обеспечивается достаточная линейность характеристик и он может использоваться для активного усиления.

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 и emitter ). 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.

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 соберется еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом изменении тока базы I B , сильно меняется ток коллектора I С. Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе . Cоотношение тока коллектора I С к току базы I B называется коэффициентом усиления по току. Обозначается β , hfe или h31e , в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

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.

1.Описание основных элементов цепи

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 I b

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 I С

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 V out

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 . Обозначается β , 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)).

Страница 1 из 2

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, имеющий два электронно-дырочных перехода, образованных в одном монокристалле полупроводника. Эти переходы образуют в полупроводнике три области с различными типами электропроводности. Одна крайняя область называется эмиттером (Э), другая — коллектором (К), средняя — базой (Б). К каждой области припаивают металлические выводы для включения транзистора в электрическую цепь.
Электропроводность эмиттера и коллектора противоположна электропроводности базы. В зависимости от порядка чередования р- и n-областей различают транзисторы со структурой р-n-р и n-р-n. Условные графические обозначения транзисторов р-n-р и n-р-n отличаются лишь направлением стрелки у электрода, обозначающего эмиттер.

Принцип работы транзисторов р-n-р и n-р-n одинаков, поэтому в дальнейшем будем рассматривать лишь работу транзистора со структурой р-n-р.
Электронно-дырочный переход, образованный эмиттером и базой, называется эмиттерным, а коллектором и базой — коллекторным. Расстояние между переходами очень мало: у высокочастотных транзисторов оно менее 10 микрометров (1 мкм = 0,001 мм), а у низкочастотных не превышает 50 мкм.
При работе транзистора на его переходы поступают внешние напряжения от источника питания. В зависимости от полярности этих напряжений каждый переход может быть включен как в прямом, так и в обратном направлении. Различают три режима работы транзистора: 1) режим отсечки — оба перехода и, соответственно, транзистор полностью закрыты; 2) режим насыщения — транзистор полностью открыт;3) активный режим — это режим, промежуточный между двумя первыми. Режимы отсечки и насыщения совместно применяются в ключевых каскадах, когда транзистор попеременно то полностью открыт, то полностью заперт с частотой импульсов, поступающих на его базу. Каскады, работающие в ключевом режиме, применяются в импульсных схемах (импульсные блоки питания, выходные каскады строчной развертки телевизоров и др.). Частично в режиме отсечки могут работать выходные каскады усилителей мощности.
Наиболее часто транзисторы применяются в активном режиме. Такой режим определяется подачей на базу транзистора напряжения небольшой величины, которое называется напряжением смещения (U см.) Транзистор приоткрывается и через его переходы начинает течь ток. Принцип работы транзистора основан на том, что относительно небольшой ток, текущий через эмиттерный переход (ток базы), управляет током большей величины в цепи коллектора. Ток эмиттера представляет собой сумму токов базы и коллектора.

Режим отсечки транзистора получается тогда, когда эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключены к внешним источникам в обратном направлении. В этом случае через оба р-n-перехода протекают очень малые обратные токи эмиттера (I ЭБО ) И коллектора (I КБО ). Ток базы равен сумме этих токов и в зависимости от типа транзистора находится в пределах от единиц микроампер — мкА (у кремниевых транзисторов) до единиц миллиампер — мА (у германиевых транзисторов).

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 U ЭБ и U КБ . В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнется проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (I Э.нас ) и коллектора (I К.нас ).

Для усиления сигналов применяется активный режим работы транзистора .
При работе транзистора в активном режиме его эмиттерный переход включается в прямом, а коллекторный — в обратном направлениях.

Под действием прямого напряжения U ЭБ происходит инжекция дырок из эмиттера в базу. Попав в базу n-типа, дырки становятся в ней неосновными носителями заряда и под действием сил диффузии движутся (диффундируют) к коллекторному р-n-переходу. Часть дырок в базе заполняется (рекомбинирует) имеющимися в ней свободными электронами. Однако ширина базы небольшая — от нескольких единиц до 10 мкм. Поэтому основная часть дырок достигает коллекторного р-n-перехода и его электрическим полем перебрасывается в коллектор. Очевидно, что ток коллектора I К p не может быть больше тока эмиттера, так как часть дырок рекомбинирует в базе. Поэтому I K p = h 21Б I э
Величина h 21Б называется статическим коэффициентом передачи тока эмиттера. Для современных транзисторов h 21Б = 0,90…0,998. Так как коллекторный переход включен в обратном направлении (часто говорят — смещен в обратном направлении), через него протекает также обратный ток I КБО , образованный неосновными носителями базы (дырками) и коллектора (электронами). Поэтому полный ток коллектора транзистора, включенного по схеме с общей базой

I к = h 21Б I э + I КБО
Дырки, не дошедшие до коллекторного перехода и прорекомбинировавшие (заполнившиеся) в базе, сообщают ей положительный заряд. Для восстановления электрической нейтральности базы в нее из внешней цепи поступает такое же количество электронов. Движение электронов из внешней цепи в базу создает в ней рекомбинационный ток I Б.рек. Помимо рекомбинационного через базу протекает обратный ток коллектора в противоположном направлении и полный ток базы
I Б = I Б.рек — I КБО
В активном режиме ток базы в десятки и сотни раз меньше тока коллектора и тока эмиттера.

В предыдущей схеме электрическая цепь, образованная источником U ЭБ , эмиттером и базой транзистора, называется входной, а цепь, образованная источником U КБ , коллектором и базой этого же транзистора,— выходной. База является общим электродом транзистора для входной и выходной цепей, поэтому такое его включение называют схемой с общей базой, или сокращенно «схемой ОБ».

На следующем рисунке изображена схема, в которой общим электродом для входной и выходной цепей является эмиттер. Это схема включения с общим эмиттером, или сокращенно «схема ОЭ» .

В ней выходным током, как и в схеме ОБ, является ток коллектора I К , незначительно отличающийся от тока эмиттера I э , а входным — ток базы I Б , значительно меньший, чем коллекторный ток. Связь между токами I Б и I К в схеме ОЭ определяется уравнением: I К = h 21 Е I Б + I КЭО
Коэффициент пропорциональности h 21 Е называют статическим коэффициентом передачи тока базы. Его можно выразить через статический коэффициент передачи тока эмиттера h 21Б
h 21 Е = h 21Б / (1 —h 21Б )
Если h 21Б находится в пределах 0,9…0,998, соответствующие значения h 21 Е будут в пределах 9. ..499.
Составляющая I кэо называется обратным током коллектора в схеме ОЭ. Ее значение в 1+h 21 Е раз больше, чем I КБО , т. е.I КЭО =(1+ h 21 Е) I КБО. Обратные токи I КБО и I КЭО не зависят от входных напряжений U ЭБ и U БЭ и вследствие этого называются неуправляемыми составляющими коллекторного тока. Эти токи сильно зависят от температуры окружающей среды и определяют температурные свойства транзистора. Установлено, что значение обратного тока I КБО удваивается при повышении температуры на 10 °С для германиевых и на 8 °С для кремниевых транзисторов. В схеме ОЭ температурные изменения неуправляемого обратного тока I КЭО могут в десятки и сотни раз превысить температурные изменения неуправляемого обратного тока I КБО и полностью нарушить работу транзистора. Поэтому в транзисторных схемах применяются специальные меры термостабилизации транзисторных каскадов, способствующие уменьшению влияния температурных изменений токов на работу транзистора.
На практике часто встречаются схемы, в которых общим электродом для входной и выходной цепей транзистора является коллектор. Это схема включения с общим коллектором, или «схема ОК» (эмиттерный повторитель) .

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч. ). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение.

В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора ), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы ). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но бо льшая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу . Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.

Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h31 . Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току . Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора . Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению . Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику , которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной .

Также параметрами биполярного транзистора являются:

обратный ток коллектор-эмиттер
время включения
обратный ток колектора
максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.

Инверсный активный режим . Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
Режим насыщения . Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.
Режим отсечки . Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.

Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Маркировка

Поскольку статья уже разрослась до неприлично большого объема, то в этом пункте я просто дам две хорошие ссылки, по которым подробно расписаны основные системы маркировки полупроводниковых приборов (в том числе и транзисторов): http://kazus.ru/guide/transistors/mark_all.html и файл.xls (35 кб) .

Полезные комментарии:
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133136/#comment_4419173

Теги: Добавить метки

Являются биполярные транзисторы. Схемы включения зависят от того, какая у них проводимость (дырочная или электронная) и выполняемые функции.

Классификация

Транзисторы разделяют на группы:

По материалам: чаще всего используются арсенид галлия и кремний.
По частоте сигнала: низкая (до 3 МГц), средняя (до 30 МГц), высокая (до 300 МГц), сверхвысокая (выше 300 МГц).
По максимальной мощности рассеивания: до 0,3 Вт, до 3 Вт, более 3 Вт.
По типу устройства: три соединенных слоя полупроводника с поочередным изменением прямого и обратного способов примесной проводимости.

Как работают транзисторы?

Наружные и внутренний слои транзистора соединены с подводящими электродами, называемыми соответственно эмиттером, коллектором и базой.

Эмиттер и коллектор не отличаются друг от друга типами проводимости, но степень легирования примесями у последнего значительно ниже. За счет этого обеспечивается увеличение допустимого выходного напряжения.

База, являющаяся средним слоем, обладает большим сопротивлением, поскольку сделана из полупроводника со слабым легированием. Она имеет значительную площадь контакта с коллектором, что улучшает отвод тепла, выделяющегося из-за обратного смещения перехода, а также облегчает прохождение неосновных носителей — электронов. Несмотря на то что переходные слои основаны на одном принципе, транзистор является несимметричным устройством. При перемене мест крайних слоев с одинаковой проводимостью невозможно получить аналогичные параметры полупроводникового устройства.

Схемы включения способны поддерживать его в двух состояниях: он может быть открытым или закрытым. В активном режиме, когда транзистор открыт, эмиттерное смещение перехода сделано в прямом направлении. Чтобы наглядно это рассмотреть, например, на полупроводниковом триоде типа n-p-n, на него следует подать напряжение от источников, как изображено на рисунке ниже.

Граница на втором коллекторном переходе при этом закрыта, и через нее ток протекать не должен. Но на практике происходит обратное из-за близкого расположения переходов друг к другу и их взаимного влияния. Поскольку к эмиттеру подключен «минус» батареи, открытый переход позволяет электронам поступать в зону базы, где происходит их частичная рекомбинация с дырками — основными носителями. Образуется базовый ток I б. Чем он сильней, тем пропорционально больше ток на выходе. На этом принципе работают усилители на биполярных транзисторах.

Через базу происходит исключительно диффузионное перемещение электронов, поскольку там нет действия электрического поля. Благодаря незначительной толщине слоя (микроны) и большой величине отрицательно заряженных частиц, почти все из них попадают в область коллектора, хотя сопротивление базы достаточно велико. Там их втягивает электрическое поле перехода, способствующее их активному переносу. Коллекторный и эмиттерный токи практически равны между собой, если пренебречь незначительной потерей зарядов, вызванных рекомбинацией в базе: I э = I б + I к.

Параметры транзисторов

Коэффициенты усиления по напряжению U эк /U бэ и току: β = I к /I б (фактические значения). Обычно коэффициент β не превышает значения 300, но может достигать величины 800 и выше.
Входное сопротивление.
Частотная характеристика — работоспособность транзистора до заданной частоты, при превышении которой переходные процессы в нем не успевают за изменениями подаваемого сигнала.

Биполярный транзистор: схемы включения, режимы работы

Режимы работы отличаются в зависимости от того, как собрана схема. Сигнал должен подаваться и сниматься в двух точках для каждого случая, а в наличии имеются только три вывода. Отсюда следует, что один электрод должен одновременно принадлежать входу и выходу. Так включаются любые биполярные транзисторы. Схемы включения: ОБ, ОЭ и ОК.

1. Схема с ОК

Схема включения с общим коллектором: сигнал поступает на резистор R L , который входит также в коллекторную цепь. Такое подключение называют схемой с общим коллектором.

Этот вариант создает только усиление по току. Преимущество эмиттерного повторителя состоит в создании большого сопротивления входа (10-500 кОм), что позволяет удобно согласовывать каскады.

2. Схема с ОБ

Схема включения биполярного транзистора с общей базой: входящий сигнал поступает через С 1 , а после усиления снимается в выходной коллекторной цепи, где электрод базы является общим. В таком случае создается усиление по напряжению аналогично работе с ОЭ.

Недостатком является небольшое сопротивление входа (30-100 Ом), и схема с ОБ применяется как генератор колебаний.

3. Схема с ОЭ

Во многих вариантах, когда применяются биполярные транзисторы, схемы включения преимущественно делаются с общим эмиттером. Питающее напряжение подается через нагрузочный резистор R L , а к эмиттеру подключается отрицательный полюс внешнего питания.

Переменный сигнал со входа поступает на электроды эмиттера и базы (V in), а в коллекторной цепи он становится уже больше по величине (V CE). Основные элементы схемы: транзистор, резистор R L и цепь выхода усилителя с внешним питанием. Вспомогательные: конденсатор С 1 , препятствующий прохождению постоянного тока в цепь подаваемого входного сигнала, и резистор R 1 , через который транзистор открывается.

В коллекторной цепи напряжения на выходе транзистора и на резисторе R L вместе равны величине ЭДС: V CC = I C R L + V CE .

Таким образом, небольшим сигналом V in на входе задается закон изменения постоянного напряжения питания в переменное на выходе управляемого транзисторного преобразователя. Схема обеспечивает возрастание входного тока в 20-100 раз, а напряжения — в 10-200 раз. Соответственно, мощность также повышается.

Недостаток схемы: небольшое сопротивление входа (500-1000 Ом). По этой причине появляются проблемы в формировании Выходное сопротивление составляет 2-20 кОм.

Приведенные схемы демонстрируют, как работает биполярный транзистор. Если не принять дополнительных мер, на их работоспособность будут сильно влиять внешние воздействия, например перегрев и частота сигнала. Также заземление эмиттера создает нелинейные искажения на выходе. Чтобы повысить надежность работы, в схеме подключают обратные связи, фильтры и т. п. При этом коэффициент усиления снижается, но устройство становится более работоспособным.

Режимы работы

На функции транзистора влияет значение подключаемого напряжения. Все режимы работы можно показать, если применяется представленная ранее схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

1. Режим отсечки

Данный режим создается, когда значение напряжения V БЭ снижается до 0,7 В. При этом эмиттерный переход закрывается, и коллекторный ток отсутствует, поскольку нет свободных электронов в базе. Таким образом, транзистор заперт.

2. Активный режим

Если на базу подать напряжение, достаточное, чтобы открыть транзистор, появляется небольшой входной ток и повышенный на выходе, в зависимости от величины коэффициента усиления. Тогда транзистор будет работать как усилитель.

3. Режим насыщения

Режим отличается от активного тем, что транзистор полностью открывается, и ток коллектора достигает максимально возможного значения. Его увеличения можно достигнуть только за счет изменения прикладываемой ЭДС или нагрузки в цепи выхода. При изменении базового тока коллекторный не меняется. Режим насыщения характеризуется тем, что транзистор предельно открыт, и здесь он служит переключателем во включенном состоянии. Схемы включения биполярных транзисторов при объединении режимов отсечки и насыщения позволяют создавать с их помощью электронные ключи.

Все режимы работы зависят от характера выходных характеристик, изображенных на графике.

Их можно наглядно продемонстрировать, если будет собрана схема включения биполярного транзистора с ОЭ.

Если отложить на осях ординат и абсцисс отрезки, соответствующие максимально возможному коллекторному току и величине напряжения питания V CC , а затем соединить их концы между собой, получится линия нагрузки (красного цвета). Она описывается выражением: I C = (V CC — V CE)/R C . Из рисунка следует, что рабочая точка, определяющая ток коллектора I C и напряжение V CE , будет смещаться по нагрузочной линии снизу вверх при увеличении тока базы I В.

Зона между осью V CE и первой характеристикой выхода (заштрихована), где I В = 0, характеризует режим отсечки. При этом обратный ток I C ничтожно мал, а транзистор закрыт.

Самая верхняя характеристика в точке А пересекается с прямой нагрузки, после которой при дальнейшем увеличении I В коллекторный ток уже не изменяется. Зоной насыщения на графике является заштрихованная область между осью I C и самой крутой характеристикой.

Как ведет себя транзистор в разных режимах?

Транзистор работает с переменными или постоянными сигналами, поступающими во входную цепь.

Биполярный транзистор: схемы включения, усилитель

Большей частью транзистор служит в качестве усилителя. Переменный сигнал на входе приводит к изменению его выходного тока. Здесь можно применить схемы с ОК или с ОЭ. В выходной цепи для сигнала требуется нагрузка. Обычно используют резистор, установленный в выходной коллекторной цепи. Если его правильно выбрать, величина выходного напряжения будет значительно выше, чем входного.

Работу усилителя хорошо видно на временных диаграммах.

Когда преобразуются импульсные сигналы, режим остается тем же, что и для синусоидальных. Качество преобразования их гармонических составляющих определяется частотными характеристиками транзисторов.

Работа в режиме переключения

Предназначены для бесконтактной коммутации соединений в электрических цепях. Принцип заключается в ступенчатом изменении сопротивления транзистора. Биполярный тип вполне подходит под требования ключевого устройства.

Заключение

Полупроводниковые элементы используются в схемах преобразования электрических сигналов. Универсальные возможности и большая классификация позволяют широко применять биполярные транзисторы. Схемы включения определяют их функции и режимы работы. Многое также зависит от характеристик.

Основные схемы включения биполярных транзисторов усиливают, генерируют и преобразуют входные сигналы, а также переключают электрические цепи.

🚀 Реферат на тему «Биполярные транзисторы. Принцип действия. Схемы включения»

Содержание

1 Общие сведения

2 Принцип действия

Параметры

Схемы включения

Нужна помощь в написании реферата?

Мы — биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Заказать реферат

Список используемой литературы

1. Общие сведения

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими электрическими переходами и тремя (или более) выводами, предназначенный для усиления сигнала.

Первые транзисторы были точечными, но они работали недостаточно устойчиво. В настоящее время применяются исключительно плоскостные транзисторы. Устройство плоскостного биполярного транзистора показано схематически на рисунке 1.

Рисунок 1 — устройство плоскостного биполярного транзистора

Транзистор представляет собой пластину германия, или кремния, или другого полупроводника, в которой созданы три области с различной электропроводностью. Для примера взят транзистор типа n-p-n, имеющий среднюю область с дырочной, а две крайние области — с электронной электропроводностью. Широко применяются также транзисторы типа p-n-p, в которых дырочной электропроводностью обладают две крайние области, а средняя имеет электронную электропроводность. Условное графическое обозначение транзисторов представлено на рисунке 2.

Нужна помощь в написании реферата?

Цена реферата

Рисунок 2 — условное графическое обозначение транзисторов

Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область — эмиттером, другая — коллектором. Каждая из областей снабжается омическим контактом, от которого делается вывод, обозначаемый Э, К, Б соответственно. Таким образом, в транзисторе имеются два n-p-перехода: эмиттерный — между эмиттером и базой и коллекторный — между базой и коллектором. Расстояние между ними должно быть очень малым, не более единиц микрометров, т.е. область базы должна быть очень тонкой. Это является условием хорошей работы транзистора. Кроме того, концентрация примесей в базе всегда значительно меньше, чем в коллекторе и эмиттере.

Назначение эмиттера — это инжекция (впрыскивание) в область базы неосновных для нее носителей заряда, для чего область эмиттера выполняют более насыщенной основными носителями (более низкоомной), чем область базы. Назначение коллектора — это экстракция (втягивание) носителей из базы.

Транзисторы классифицируются по различным признакам:

— по диапазону рабочих частот — низкой, средней и большой;

по методу изготовления — сплавные, диффузионные, планарные и др;

Нужна помощь в написании реферата?

Подробнее

по материалу: германиевые, кремниевые.

Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах:

Активный режим — напряжение на эмиттерном переходе прямое, а на коллекторном — обратное.

Режим отсечки (запирания) — обратное напряжение подано на оба перехода.

Режим насыщения — на обоих переходах прямое напряжение.

Основным является активный режим. Он используется в большинстве усилителей и генераторов. Режимы отсечки и насыщения характерны для импульсной работы транзистора.

Нужна помощь в написании реферата?

Цена реферата

В схемах с транзисторами обычно образуются две цепи: входная (управляющая) — в нее включают источник усиливаемых сигналов и выходная (управляемая) — в нее включается нагрузка.

. Принцип работы

Рассмотрим принцип работы транзистора, на примере n-p-n транзистора. 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).

Рисунок 3 — принцип действия транзистора

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, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора, так как время рекомбинации относительно велико. Сильное электрическое поле обратно смещённого 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.

Нужна помощь в написании реферата?

Подробнее

В зависимости от смещения, созданного на эмиттерном и коллекторном p-n-переходах, транзистор может работать в трех режимах. Если один переход смещен в прямом направлении, а другой — в обратном, режим называют активным (рис. 4, а). Если в прямом направлении включен эмиттерный переход, а коллекторный — в обратном, такое включение называют нормальным (рис.4, б). Если смещение на p-n-переходах противоположное, включение называют инверсным (рис. 4, в). В последнем случае коллектор выполняет роль эмиттера, а эмиттер — роль коллектора.

Рисунок 4 — режимы работы транзистора (а — активный, б — нормальный, в — инверсный)

Так как размеры эмиттера меньше размеров коллектора, то при инверсном режиме включения эмиттер не сможет уловить значительную часть носителей заряда, инжектированных коллектором в базу, а так же будет нагреваться. Активный режим используется в усилительных цепях и в цепях генерирования, где транзистор выполняет функции активного элемента цепи. Если оба p-n-перехода смещены в обратном направлении, транзистор работает в режиме отсечки — отключен. Если оба p-n-перехода смещены в прямом направлении, транзистор работает в режиме насыщения — включен. Режимы отсечки и насыщения используют в ключевых режимах работы транзистора.

. Основные параметры

· Входное сопротивление;

· Выходная проводимость;

Нужна помощь в написании реферата?

Заказать реферат

· 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.

Нужна помощь в написании реферата?

Цена реферата

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 rэ,rк,rб, которые представляют собой:

· rэ — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;

· rк — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;

· rб- поперечное сопротивление базы.

Нужна помощь в написании реферата?

Заказать реферат

Рисунок 5 — эквивалентная схема биполярного транзистора с использованием h-параметров

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».

. Схемы включения

При включении транзистора в цепь один из его выводов делают общим для входной и выходной цепей. Поэтому цепи включения бывают: с общей базой (ОБ) (рис.6, а), с общим эмиттером (ОЭ) (рис.6, б) и общим коллектором (ОК) (рис.6, в).

Работу биполярного транзистора в активном режиме рассмотрим на примере биполярного диффузионного сплавного транзистора со структурой p-n-p, включенного по схеме с ОБ в активном режиме. При этом понимает, что заряды распределены равномерно, транзистор замене одноименной моделью, толщина базы незначительная, эмиттер насыщен акцепторной примесью, во много раз превышающей донорную примесь базы, и площадь эмиттера значительно меньше площади коллектора.

Рисунок 6 — схемы включения p-n-p транзисторов и их структуры (а — с общей базой, б — с общим эмиттером, в — с общим коллектором).

Нужна помощь в написании реферата?

Цена реферата

В активном режиме прямое смещение эмиттерного перехода создается за счет включения источника постоянного напряжения, а обратное смещение коллекторного перехода — за счет включения источника между коллектором и базой (рис.7). Напряжение -Uэб имеет небольшое значение, близкое к высоте потенциального барьера, и составляет доли вольта. Напротив, напряжение Uкб на порядок больше напряжения -Uэб и ограничивается напряжением пробоя коллекторного перехода. При включении источников питания потенциальный барьер эмиттерного перехода снижается за счет напряжения -Uэб, а потенциальный барьер коллекторного перехода повышается за счет напряжения -Uкб. В результате дырки эмиттера легко преодолевают понизившийся потенциальный барьер и за счет диффузии инжектируется в базу, а электроны базы — в эмиттер.

Дырки эмиттера диффундируют в базу и движутся в направлении к коллекторному переходу за счет перепада плотности дырок по длине базы, большинство из них доходит до коллекторного перехода, но незначительная часть рекомбинирует с электронами базы. На работу транзистора существенно влияет движение неосновных носителей через коллекторный переход: дырок базы — в коллектор и электронов коллектора — в базу. Их количество растет с повышением температуры, а также зависит от материала полупроводника.

Рисунок 7 — активный режим работы транзистора

транзистор эмиттер коллектор

Список используемой литературы

1. Иванов И.И., Соловьев Г.И., Фролов В.Я. Электротехника и основы электроники.

Нужна помощь в написании реферата?

Подробнее

Транзистор — принцип работы.Основные параметры.

Как устроен транзистор.

Вне зависимости от принципа работы, полупроводниковый транзистор содержит в себе монокристалл из основного полупроводникового материала, чаще всего это — кремний, германий, арсенид галлия. В основной материал добавлены, легирующие добавки для формирования p-n перехода(переходов), металлические выводы.

Кристалл помещается в металлический, пластиковый или керамический корпус, для защиты от внешних воздействий. Однако, существуют также и бескорпусные транзисторы.

Принцип работы биполярного транзистора.

Биполярный транзистор может быть либо p-n-p, либо n-p-n в зависимости от чередования слоев полупроводника в кристалле. В любом случае выводы называются — база, коллектор и эмиттер. Слой полупроводника, соответствующий базе заключен между слоями эмиттера и коллектора. Он имеет принципиально очень малую ширину. Носители заряда движутся от эмиттера через базу — к коллектору. Условием возникновения тока между коллектором и эмиттером является наличие свободных носителей в области базы. Эти носители проникают туда при возникновении тока эмиттер-база. причиной которого может являться разность напряжения между этими электродами.

Т.е. — для нормальной работы биполярного транзистора в качестве усилителя сигнала всегда необходимо присутствие напряжения некого минимального уровня, для смещения перехода эмиттер-база в прямом направлении. Прямое смещение перехода база-эмиттер приоткрывая транзистор, задает так называемую — рабочую точку режима. Для гармоничного усиления сигнала по напряжению и току используют режим — А. В этом режиме напряжение между коллектором и нагрузкой, примерно равно половине питающего напряжения — т. е выходное сопротивление транзистора и нагрузки примерно равны . Если подавать теперь на переход база — эмиттер сигнал переменного тока, СОПРОТИВЛЕНИЕ эмиттер — коллектор будет изменяться, графически повторяя форму входного сигнала. Соответственно, то же будет происходить и с током через эмиттер к коллектору протекающим. Причем амплитуда тока будет большей, нежели амплитуда входного сигнала — будет происходить усиление сигнала.

Если увеличивать напряжение смещения база — эмиттер дальше, это приведет к росту тока в этой цепи, и как результат — еще большему росту тока эмиттер — коллектор. В конце, концов ток перестает расти — транзистор переходит в полностью открытое состояние(насыщения). Если затем убрать напряжение смещения — транзистор закроется, ток эмиттер — коллектор уменьшится, почти исчезнет. Так транзистор может работать в качестве электронного ключа. Этот режим наиболее эффективен в отношении управления мощностями, при протекании тока через полностью открытый транзистор величина падения напряжения минимальна. Соответственно малы потери тока и нагрев переходов транзистора.

Существует три вида подключения биполярного транзистора. С общим эмиттером (ОЭ) — осуществляется усиление как по току, так и по напряжению — наиболее часто применяемая схема.
Усилительные каскады построенные подобным образом, легче согласуются между собой, так как значения их входного и выходного сопротивления относительно близки, если сравнивать с двумя остальными видами включения (хотя иногда и отличаются в десятки раз).

С общим коллектором (ОК) осуществляется усиление только по току — применяется для согласования источников сигнала с высоким внутренним сопротивлением(импендансом) и низкоомными сопротивлениями нагрузок. Например, в выходных каскадах усилителей и контроллеров.

С общей базой (ОБ) осуществляется усиление только по напряжению. Имеет низкое входное и высокое выходное сопротивление и более широкий частотный диапазон. Это позволяет использовать подобное включение для согласования источников сигнала с низким внутренним сопротивлением(импендансом) с последующим каскадом усиления. Например — в входных цепях радиоприемных устройств.

Принцип работы полевого транзистора.

Полевой транзистор, как и биполярный имеет три электрода. Они носят названия — сток, исток и затвор. Если на затворе отсутствует напряжение, а на сток подано положительное напряжение относительно истока, то между истоком и стоком через канал течет максимальный ток.

Т. е. — транзистор полностью открыт. Для того, что бы его изменить, на затвор подают отрицательное напряжение, относительно истока. Под действием электрического поля (отсюда и название транзистора) канал сужается, его сопротивление растет, а ток через него уменьшается. При определенном значении напряжения канал сужается до такой степени, что ток практически исчезает — транзистор закрывается.

На рисунке изображено устройство полевого транзистора с изолированным затвором(МДП).

Если на затвор этого прибора не подано положительное напряжение, то канал между истоком и стоком отсутствует и ток равен нулю. Транзистор полностью закрыт. Канал возникает при некотором минимальном напряжении на затворе(напряжение порога). Затем сопротивление канала уменьшается, до полного открывания транзистора.

Полевые транзисторы, как с p-n переходом (канальные), так и МОП (МДП) имеют следующие схемы включения: с общим истоком (ОИ) — аналог ОЭ биполярного транзистора; с общим стоком (ОС) — аналог ОК биполярного транзистора; с общим затвором (ОЗ) — аналог ОБ биполярного транзистора.

По рассеиваемой в виде тепла мощности различают:
маломощные транзисторы — до 100 мВт ;
транзисторы средней мощности — от 0,1 до 1 Вт;
мощные транзисторы — больше 1 Вт.

Важные параметры биполярных транзисторов.

1. Коэффициент передачи тока(коэффициент усиления) — от 1 до 1000 при постоянном токе. С увеличением частоты постепенно снижается.
2. Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером(при разомкнутой базе) У специальных высоковольтных транзисторов, достигает десятков тысяч вольт.
3.Предельная частота, до которой коэффициент передачи тока выше 1. До 100000 гц. у низкочастотных транзисторов, свыше 100000 гц. — у высокочастотных.
4.Напряжение насыщения эмиттер-коллектор — величина падения напряжения между этими электродами у полностью открытого транзистора.

Важные параметры полевых транзисторов.

Усилительные свойства полевого транзистора определяются отношением приращения тока стока к вызвавшему его приращению напряжения затвор — исток, т. е.

ΔI_d /ΔU_GS

Это отношение принято называть крутизной прибора, а по сути дела оно является передаточной проводимостью и измеряется в миллиамперах на вольт(мА /В).

Другие важнейшие параметры полевых транзисторов приведены ниже:
1. I_Dmax — максимальный ток стока.

2.U_DSmax — максимальное напряжение сток-исток.

3.U_GSmax — максимальное напряжение затвор-исток.

4.Р_Dmax — максимальна мощность, которая может выделяться на приборе.

5.t_on — типовое время нарастания тока стока при идеально прямоугольной форме входного сигнала.

6.t_off — типовое время спада тока стока при идеально прямоугольной форме входного сигнала.

7.R_DS(on)max — максимальное значение сопротивления исток — сток в включенном(открытом) состоянии.

На главную страницу

Использование каких — либо материалов этой страницы, допускается при наличии ссылки на сайт «Электрика это просто».

Объясните устройство и принцип работы биполярного транзистора

Биполярный переходной транзистор (БЮТ) состоит из трех слоев и трехполюсного устройства, имеющего два PN перехода. Биполярный переход BJT-транзистора состоит из двух материалов N-типа и P-типа. В случае NPN или двух материалов P-типа и одного материала N-типа образуются три двухсоединения. Транзисторы в основном используются как коммутирующее устройство или как усилитель.

Конструкция биполярного транзистора

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

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

Обозначение транзистора BJT

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

Эквивалентная схема

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

Принципы работы BJT-транзистора

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

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

Обзор биполярных транзисторов

Биполярный транзистор, полное название биполярного переходного транзистора (BJT), представляет собой электронное устройство с тремя выводами, сделанное из трех частей полупроводников с разными уровнями легирования. Поток заряда в транзисторе в основном происходит из-за диффузионного и дрейфового движения носителей в PN-переходе.

Каталог

I Биполярный и униполярный транзистор

Биполярный транзистор — революционное изобретение в истории электроники.Его изобретатели Уильям Шокли, Джон Бардинг и Уолтер Брэтон были удостоены Нобелевской премии по физике в 1956 году.

Работа этого типа транзистора включает поток как электронных, так и дырочных носителей , поэтому он является биполярным и называется биполярным носителем. транзистор. Этот режим работы отличается от униполярных транзисторов, таких как полевые транзисторы, которые включают дрейф только одного типа несущей. Граница между двумя различными областями накопления легирующей примеси образована PN-переходом.

BJT	FET
Устройство с контролем тока	Устройство с контролем напряжения
Имеет низкое входное сопротивление	Очень высокое входное сопротивление
Биполярное устройство	Униполярное устройство
Уровень шума	Менее шумный
Менее стабильный	Температурный стабильный	Более стабильный Обычно большие по размеру	Обычно маленькие по размеру

Биполярные транзисторы состоят из трех частей полупроводников с различными уровнями легирования .Поток заряда в транзисторе в основном происходит из-за диффузионного и дрейфового движения носителей в PN-переходе. Если взять в качестве примера NPN-транзистор, согласно конструкции, электроны в высоколегированной области эмиттера перемещаются к базе посредством диффузии. В основной области дырки являются основными носителями, а электроны — неосновными носителями. Поскольку площадь основания очень тонкая, эти электроны достигают коллектора посредством дрейфующего движения, тем самым формируя ток коллектора, поэтому биполярные транзисторы классифицируются как устройства с неосновными носителями.

Биполярные транзисторы могут усиливать сигналы и обладают хорошим регулированием мощности, возможностью высокоскоростной работы и долговечностью, поэтому они часто используются для формирования схем усилителя или привода динамиков, двигателей и другого оборудования, а также широко используются в аэрокосмической технике. , медицинское оборудование и роботы.

II Как работает биполярный транзистор?

Здесь мы берем биполярный транзистор NPN в качестве цели для обсуждения принципа работы биполярных транзисторов.

Биполярный транзистор типа NPN можно рассматривать как два диода с общим анодом, соединенных вместе.При нормальной работе биполярного транзистора переход база-эмиттер («коллекторный переход») находится в состоянии прямого смещения, в то время как база-коллектор («коллекторный переход») находится в состоянии обратного смещения.

Рисунок 1. Схема поперечного сечения биполярного транзистора PNP

Когда нет приложенного напряжения, концентрация электронов в N-области эмиттерного перехода (большинство носителей в этой области) больше, чем электронная. концентрация в P-области, и часть электронов диффундирует в P-область.Таким же образом часть отверстий в области P также будет распространяться в область N. Таким образом, на эмиттерном переходе образуется область пространственного заряда (также известная как обедненный слой), генерирующая внутреннее электрическое поле, направление которого — от области N к области P. Это электрическое поле будет препятствовать дальнейшему протеканию вышеупомянутого процесса диффузии и достичь динамического баланса.

В это время, если прямое напряжение приложено к эмиттерному переходу, динамический баланс между вышеупомянутой диффузией носителей и внутренним электрическим полем в обедненном слое будет нарушен, что вызовет инжекцию термически возбужденных электронов в базовый регион.В NPN-транзисторе базовая область легирована P-типом, где дырки являются основной примесью, поэтому электроны в этой области называются «неосновными носителями».

С одной стороны, электроны, инжектированные из эмиттера в базовую область, здесь рекомбинируют с дырками основных носителей заряда, с другой стороны, потому что базовая область слабо легирована с тонким физическим размером, а коллекторный переход находится в обратном направлении. В состоянии смещения большая часть электронов достигнет области коллектора за счет дрейфующего движения, образуя ток коллектора.

Чтобы минимизировать рекомбинацию электронов до того, как они достигнут коллекторного перехода, базовая область транзистора должна быть сделана достаточно тонкой, чтобы время, необходимое для диффузии носителей, было меньше, чем время жизни неосновных полупроводниковых носителей.

При этом толщина базы должна быть много меньше диффузионной длины электронов (см. Закон Фика). В современных биполярных транзисторах толщина базовой области обычно составляет несколько десятых микрон.

Следует отметить, что, хотя коллектор и эмиттер легированы N-типом, степень легирования и физические свойства у них не одинаковы. Следовательно, биполярный транзистор следует отличать от двух диодов, соединенных последовательно в противоположных направлениях.

III Типы биполярных транзисторов

Биполярный транзистор состоит из трех различных легированных полупроводниковых областей: эмиттерной области , базовой области , и области коллектора .Эти области представляют собой полупроводники N-типа, P-типа и N-типа в транзисторах типа NPN и полупроводники P-типа, N-типа и P-типа в транзисторах типа PNP. У каждой полупроводниковой области есть штыревой конец, обычно с буквами E, B и C, обозначающими эмиттер, базу и коллектор.

База физически расположена между эмиттером и коллектором, и она сделана из легированных материалов с высоким сопротивлением. Коллектор окружает основание. Из-за обратного смещения коллекторного перехода отсюда электронам трудно инжектировать в область базы.Это приводит к тому, что коэффициент усиления по току общей базы становится примерно равным 1, в то время как коэффициент усиления по току общего эмиттера больше. Числовое значение.

В биполярном транзисторе NPN площадь коллекторного перехода больше, чем эмиттерного перехода. Кроме того, эмиттер имеет относительно высокую концентрацию легирования.

В нормальных условиях некоторые области биполярных транзисторов имеют асимметричные по физическим свойствам и геометрическим размерам. Предполагая, что транзистор, включенный в схему, расположен в области прямого усилителя, если в это время поменять местами соединение коллектора и эмиттера транзистора в схеме, транзистор выйдет из области прямого усилителя и войдет в рабочую область обратного направления.

Внутренняя структура транзистора определяет его пригодность для работы в области прямого усилителя, поэтому коэффициент усиления по току общей базы и коэффициент усиления по току общего эмиттера в обратной рабочей области намного меньше, чем в области прямого усилителя.

Эта функциональная асимметрия в основном связана с разными уровнями легирования эмиттера и коллектора. Следовательно, в NPN-транзисторе, хотя коллектор и эмиттер оба легированы N-типом, электрические свойства и функции обоих не могут быть изменены местами вообще.

Эмиттерная область имеет наивысшую степень легирования , коллекторная область является второй, а базовая область имеет наименьшую степень легирования. Кроме того, физические размеры трех регионов также различаются. Базовая область очень тонкая, а площадь коллектора больше, чем площадь эмиттера. Поскольку биполярный транзистор имеет такую структуру материала, он может обеспечивать обратное смещение для коллекторного перехода, но при этом предполагается, что обратное смещение не может быть слишком большим, иначе транзистор будет поврежден.Целью сильного легирования эмиттера является повышение эффективности инжекции электронов из эмиттера в базовую область для достижения максимально возможного усиления по току.

При соединении биполярных транзисторов с общим эмиттером небольшие изменения напряжения, приложенного к базе и эмиттеру, вызовут значительные изменения тока между эмиттером и коллектором. Используя это свойство, вы можете усилить входной ток или напряжение.

Что касается базы биполярного транзистора в качестве входа и коллектора в качестве выхода, двухпортовая сеть может быть проанализирована с помощью теоремы Тевенина.Используя принцип эквивалентности, биполярный транзистор можно рассматривать как источник тока, управляемый напряжением, или источник напряжения, управляемый током.

1.

Тип NPN

Транзистор NPN является одним из двух типов биполярных транзисторов. Он состоит из двух слоев легированных областей N-типа и слоя легированного полупроводника P-типа (основы) между ними. Крошечный ток, подаваемый на базу, будет усилен, создавая больший ток коллектор-эмиттер.

Когда базовое напряжение NPN-транзистора выше, чем напряжение эмиттера, а напряжение коллектора выше, чем базовое напряжение, транзистор находится в состоянии прямого усилителя.В этом состоянии между коллектором и эмиттером транзистора есть ток. Усиленный ток является результатом того, что электроны инжектируются эмиттером в базовую область (неосновные носители в базовой области) и перемещаются к коллектору под действием электрического поля. Поскольку подвижность электронов выше подвижности дырок , большинство используемых сегодня биполярных транзисторов относятся к типу NPN.

Электрический символ биполярного транзистора NPN показан справа, а стрелка между базой и эмиттером указывает на эмиттер.

Рисунок 2. a) Символ биполярного транзистора NPN b) Символ биполярного транзистора PNP

2.

Тип PNP

Другой тип биполярного транзистора PNP состоит из двух слоев легированных областей P-типа и слоя легированных полупроводников N-типа между ними. Крошечный ток, протекающий через базу, можно усилить на конце эмиттера. Другими словами, когда базовое напряжение PNP-транзистора ниже, чем у эмиттера, напряжение коллектора ниже, чем базовое напряжение, и транзистор находится в области прямого усилителя.

В символе биполярного транзистора стрелка между базой и эмиттером указывает направление тока. В отличие от типа NPN, стрелка транзистора типа PNP указывает от эмиттера к базе.

3. Гетеропереход

Биполярный транзистор с гетеропереходом — это улучшенный биполярный транзистор, способный работать на высокой скорости . Исследования показали, что этот транзистор может обрабатывать сверхвысокочастотные сигналы с частотами до нескольких сотен ГГц, поэтому он подходит для приложений, требующих жестких рабочих скоростей, таких как усилители мощности ВЧ и драйверы лазеров.

Гетеропереход — это тип PN-перехода. Два конца этого перехода изготовлены из различных полупроводниковых материалов . В этом типе биполярного транзистора эмиттерный переход обычно имеет структуру гетероперехода, то есть материал с широкой запрещенной зоной используется в области эмиттера, а материал с узкой запрещенной зоной используется в области базы. Обычный гетеропереход использует GaAs для создания основной области и AlxGa1-xAs для создания области эмиттера. С такой структурой гетероперехода эффективность инжекции биполярного транзистора может быть улучшена, а коэффициент усиления по току также может быть улучшен на несколько порядков.

Концентрация легирования в области базы биполярного транзистора с гетеропереходом может быть значительно увеличена, так что сопротивление электрода базы и ширина области базы могут быть уменьшены. В традиционном биполярном транзисторе, то есть транзисторе с гомопереходом, эффективность инжекции носителей из эмиттера в базу в основном определяется соотношением легирования эмиттера и базы. В этом случае, чтобы получить более высокую эффективность инжекции, базовая область должна быть слегка легирована, что неизбежно увеличивает базовое сопротивление.

В основной области состав полупроводникового материала распределен неравномерно, что приводит к постепенному изменению ширины запрещенной зоны базовой области. Эта медленно изменяющаяся ширина запрещенной полосы может создавать внутреннее электрическое поле для неосновных носителей, ускоряющее их через базовую область. Это дрейфовое движение будет иметь синергетический эффект с диффузионным движением, чтобы уменьшить время прохождения электронов через базовую область, тем самым улучшая высокочастотные характеристики биполярного транзистора.

03

Хороший

0

Хороший

900 9005 3

Заслуги

053

Отлично

900

Параметры	Si Биполярный	SiGe HBT	GaAs FET	GaAs HEMT GaAs HEMT 9000
Прирост	Нормальный	Хороший	Хороший	Хороший	Хороший
Плотность мощности	Нормальный	Отличный	Хороший
Эффективность	Нормальный	Хороший	Отличный	Хороший	Отлично	Хорошо	Отлично	Отлично	Хорошо
Напряжение пробоя	Хорошо	Хорошо	Хорошо
Одиночный источник питания	√		×	×

Хотя для создания транзисторов с гетеропереходом можно использовать множество различных полупроводников, чаще используются транзисторы с гетеропереходом кремний-германий и транзисторы с гетеропереходом на основе арсенида алюминия и галлия.Процесс изготовления транзисторов с гетеропереходом представляет собой кристаллическую эпитаксию, такую как эпитаксия из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD) и молекулярно-лучевая эпитаксия.

IV Параметры

1.

Рассеиваемая мощность коллектора

Максимальная рассеиваемая мощность коллектора биполярного транзистора — это максимальная мощность, при которой устройство может нормально работать при определенной температуре и условиях рассеивания тепла. В тех же условиях, если фактическая мощность превышает это значение, температура транзистора превысит максимально допустимое значение, что ухудшит производительность устройства и даже приведет к физическому повреждению.

2.

Ток и напряжение

Когда ток коллектора увеличивается до определенного значения, хотя биполярный транзистор не будет поврежден, коэффициент усиления по току будет значительно уменьшен. Чтобы транзистор нормально работал, как задумано, необходимо ограничить значение тока коллектора. Кроме того, поскольку биполярные транзисторы имеют два PN перехода, их обратное напряжение смещения не может быть слишком большим, чтобы предотвратить обратный пробой PN перехода.Эти параметры подробно перечислены в таблице данных биполярного переходного транзистора.

Когда напряжение обратного смещения коллектора силового биполярного транзистора превышает определенное значение, а ток, протекающий через транзистор, превышает определенный допустимый диапазон, мощность транзистора превышает критическую мощность вторичного пробоя, что представляет собой своего рода опасную ситуацию. будет произведено явление « секунд поломки ». В этом случае ток, выходящий за пределы расчетного диапазона, вызовет локальный температурный дисбаланс в различных областях внутри устройства, а температура в некоторых областях будет выше, чем в других областях.

Поскольку легированный кремний имеет отрицательный температурный коэффициент , его проводимость выше, когда он находится при более высокой температуре. Таким образом, более горячая часть может проводить больше тока, и эта часть тока будет генерировать дополнительное тепло, в результате чего локальная температура превысит нормальное значение, и устройство не сможет нормально работать.

Вторичный пробой — это разновидность теплового разгона. При повышении температуры проводимость будет еще больше увеличиваться, вызывая порочный круг и в конечном итоге серьезно разрушая структуру транзистора.Весь процесс вторичной поломки может быть завершен за миллисекунды или микросекунды.

Если эмиттерный переход биполярного транзистора обеспечивает обратное смещение, которое превышает допустимый диапазон и не ограничивает ток, протекающий через транзистор, в эмиттерном переходе произойдет лавинный пробой, который приведет к повреждению устройства.

3.

Температурный дрейф

Как аналоговое устройство, все параметры биполярных транзисторов в той или иной степени зависят от температуры, особенно на коэффициент усиления по току.Согласно исследованиям, каждый раз при повышении температуры на 1 градус Цельсия коэффициент усиления тока увеличивается примерно на 0,5–1%.

4.

Радиационная стойкость

Биполярные транзисторы более чувствительны к ионизирующему излучению . Если транзистор находится в среде ионизирующего излучения, устройство будет повреждено излучением. Повреждение происходит из-за того, что излучение вызывает дефекты в области основания, которые образуют центры рекомбинации в энергетической зоне.Это приведет к более короткому сроку службы неосновных носителей, которые работают в устройстве, что, в свою очередь, постепенно снизит производительность транзистора.

Биполярные транзисторы типа NPN имеют большую эффективную площадь рекомбинации носителей в радиационной среде, и отрицательное влияние более значимо, чем у транзисторов типа PNP. В некоторых специальных приложениях, таких как электронные системы управления в ядерных реакторах или космических кораблях, должны использоваться специальные меры для смягчения негативного воздействия ионизирующего излучения.

В Рабочая область

В зависимости от состояния смещения трех выводов транзистора можно определить несколько различных рабочих областей биполярного транзистора. В полупроводниках NPN (примечание: профили напряжения транзисторов PNP и транзисторов NPN прямо противоположны), в соответствии с смещением эмиттерного перехода и коллекторного перехода, рабочую область можно разделить на:

1.

Биполярный транзисторный усилитель Область

(1) Область прямого усилителя

Когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный переход смещен в обратном направлении, транзистор работает в области усилителя.Конструктивная цель большинства биполярных транзисторов — получить максимальный коэффициент усиления по току с общим эмиттером bf в области прямого усилителя. Когда транзистор работает в этой области, ток коллектор-эмиттер и ток базы примерно линейны. Из-за усиления тока, когда ток базы немного нарушен, ток коллектор-эмиттер значительно изменится.

(2) Область обратного усилителя

Если вышеупомянутые напряжения смещения эмиттера и коллектора транзистора в области прямого усилителя поменять местами, биполярный транзистор будет работать в области обратного усилителя.В этом режиме работы области эмиттера и коллектора полностью противоположны функциям в области прямого усилителя. Однако, поскольку концентрация легирования коллектора транзистора ниже, чем у эмиттера, эффект, производимый областью обратного усилителя, не такой, как в области прямого усилителя.

Целью конструкции большинства биполярных транзисторов является получение максимального усиления по току прямого усилителя, насколько это возможно. Следовательно, коэффициент усиления по току в области обратного усилителя будет меньше, чем в области прямого усилителя.Фактически, этот режим работы вряд ли принят, но для предотвращения повреждения устройства или других опасностей, вызванных неправильным подключением, его необходимо учитывать при проектировании. Кроме того, некоторые типы биполярных логических устройств также учитывают область обратного усилителя.

Рисунок 3. Прямое обратное отсечение и насыщение BJT

2. Область насыщения
Когда два PN-перехода в биполярном транзисторе оба смещены в прямом направлении, транзистор будет в области насыщения.В это время ток от эмиттера до коллектора транзистора достигает максимального значения. Даже если базовый ток увеличится, выходной ток больше не будет увеличиваться. Область насыщения может использоваться для обозначения высокого уровня логических устройств.
3.
Область отсечки
Если смещение двух PN-переходов биполярного транзистора точно противоположно таковому в области насыщения, то транзистор будет в области отсечки.В этом режиме работы выходной ток очень мал (менее 1 мкА для маломощных кремниевых транзисторов и менее даже мкА для германиевых транзисторов), что можно использовать для представления низких уровней в цифровой логике.
4.
Лавинный пробой
Когда обратное смещение, приложенное к коллекторному переходу, превышает диапазон, который коллекторный переход может выдержать, PN-переход будет разрушен. Если сила тока достаточно велика, устройство выйдет из строя.

Кроме того, когда мы анализируем и проектируем схемы биполярных транзисторов, следует отметить, что максимальная мощность рассеяния коллектора Pcm биполярного транзистора не может быть превышена. Если рабочая мощность транзистора меньше этого значения, совокупность этих рабочих состояний называется безопасной рабочей зоной. Если рабочая мощность транзистора превышает этот предел, температура устройства выйдет за пределы нормального диапазона, и производительность устройства значительно изменится и даже вызовет повреждение.

Допустимая температура перехода кремниевых транзисторов составляет от 150 до 200 градусов Цельсия. Максимально допустимое рассеивание мощности может быть увеличено за счет уменьшения внутреннего теплового сопротивления, использования радиаторов и принятия таких мер, как воздушное охлаждение, водяное охлаждение и охлаждение масла.

На самом деле, абсолютных границ между вышеупомянутыми рабочими регионами нет. В пределах диапазона небольших изменений напряжения (менее нескольких сотен милливольт) между различными областями может быть определенное перекрытие.

Рекомендуемый артикул:

Введение в TFT-дисплеи

Структура и принцип работы полевых транзисторов

Каковы методы тестирования и типы транзисторов?

Биполярный транзистор — обзор

3.3.1 Введение

В системах интеллектуальных датчиков температуры и микроэлектромеханических системах (MEMS) часто используются встроенные датчики, которые объединяют чувствительные элементы с интерфейсной электроникой, необходимой для связи, например, с микроконтроллеры.Помимо встроенных датчиков, в таких системах могут применяться и дискретные чувствительные элементы. Дискретные элементы используются, например, для калибровки и тестирования. Дискретные элементы также используются в средах, в которых температуры выходят за пределы допустимого диапазона интерфейсной электроники. Таблица 3.1 (Meijer, 2008a) суммирует основные характеристики некоторых обычно используемых на кристалле и дискретных чувствительных элементов для систем датчиков температуры и MEMS.

Таблица 3.1. Основные характеристики различных типов термочувствительных элементов, согласно Meijer (2008a)

9059 C Диапазон температур ( )

Характеристики	Транзисторы (BJT)	Термопары	Платиновые резисторы	Термисторы
Средний −50 до +180	Очень большой −270 до +3500	Большой −260 до +1000	Средний −80 до +180
Точность	Средний	Проблема, потому что эталонного спая	Высокая в широком диапазоне	Высокая в малом диапазоне
Точность измерения небольших перепадов температур	Средняя	Высокая	Средняя	Средняя
Подходит для интеграции на кремнии чип	Да	Да	Не в стандартной технологии	Не в стандартной технологии y
Чувствительность	Высокая (2 мВК ⁻¹)	Низкая (0.05–1 мВК ⁻¹)	Низкое (0,4% K ⁻¹)	Высокое (5% K ⁻¹)
Линейность	Хорошо	Хорошо	Хорошо	Очень сильная нелинейность
Электрическая величина, представляющая температуру	Напряжение	Напряжение	Сопротивление	Сопротивление

Биполярные переходные транзисторы (BJT) и термисторы относятся к наиболее чувствительным устройствам в этой таблице.Часто BJT используются с короткозамкнутым соединением коллектор-база ¹ и смещены с помощью хорошо контролируемого тока. Этот способ смещения имеет то преимущество, что результирующее напряжение база-эмиттер почти линейно связано с температурой (Meijer, 2008a). Также характеристики термистора можно линеаризовать, применяя последовательные или шунтирующие резисторы за счет снижения чувствительности (Meijer, 2008a). Высокая чувствительность может быть полезна, поскольку снижает требования к точности схем обработки.Фактически, любая эквивалентная входная ошибка схем обработки будет разделена на чувствительность датчика при вычислении соответствующей температурной погрешности. Часто создать хорошую схему обработки не так уж и сложно. В этом случае точность сенсорных элементов важнее их чувствительности.

По большей части неточность чувствительных к температуре элементов вызвана перекрестным воздействием механического напряжения и, следовательно, также изменениями механического напряжения во время, например, термоциклирования или старения.По тем же причинам на точность сенсора влияет механическое напряжение, остающееся после изготовления и упаковки сенсорных элементов. При сравнении свойств транзистора и термистора в важном диапазоне температур около 300K термисторы имеют лучшую точность. По этой причине термисторы часто используются в сенсорных системах. С другой стороны, транзисторы относятся к основным компонентам микросхем. Следовательно, транзисторы могут быть изготовлены как компонент датчика температуры на кристалле.Следовательно, инновации в датчиках температуры на основе BJT последовали за быстрым развитием и инновациями в технологии IC. По этой причине в интеллектуальных датчиках и МЭМС BJT являются излюбленными элементами измерения температуры. Поэтому данная глава будет в основном посвящена датчикам температуры на основе BJT и соответствующим системам датчиков температуры.

Термопары генерируют напряжение, которое пропорционально разнице температуры между, например, эталонным спаем и измерительным спаем.

Термобатареи состоят из ряда последовательно соединенных термопар и также используются для измерения разницы температур . Термобатареи могут быть изготовлены с использованием ИС-технологии и очень подходят для применения в термодатчиках. В термодатчиках физические величины измеряются путем преобразования физических сигналов сначала в разность температур, а затем преобразование этой разности температур в напряжение термобатареи. Обычно в таких датчиках также измеряется эталонная температура, например, с помощью биполярного транзистора или термочувствительного резистора.Инфракрасные датчики, в том числе популярные клинические ушные термометры, являются примерами тепловых датчиков, в которых излучение поглощается консольным лучом (Herwaarden van, 2008), что вызывает разницу температур, измеряемую с помощью термобатареи. Измерение абсолютной температуры с помощью термопары или ИК-датчика также требует использования датчика абсолютной температуры, например термистора или транзистора, для измерения эталонной температуры.

В промышленных системах часто используются дискретные термочувствительные элементы из-за их высокой точности и превосходной долговременной стабильности.Чаще всего используются платиновые резисторы, термопары и термисторы. Из-за своей стабильности платиновые резисторы перечислены в Международной температурной шкале 1990 г. как интерполирующий температурный стандарт в диапазоне температур от -259,4 ° C до 961,9 ° C (Michalski et al., 2001). Для более высоких температур используются другие типы датчиков, например, определенные типы термопар. Из-за их низкой стоимости и высокой надежности дискретные термопары широко используются в промышленных приложениях, где доступны разные типы для разных температурных диапазонов.

Термисторы очень чувствительны, но не так стабильны, как платиновые резисторы. Они широко применяются в диапазоне температур от -80 ° C до 180 ° C. Помимо высокой чувствительности, термисторы обладают небольшими размерами и недорого. Однако их сильная нелинейность усложняет обработку сигнала термистора. Линеаризацию можно получить с помощью шунтирующих и последовательных резисторов (Meijer, 2008a) за счет снижения чувствительности. Некоторые сенсорные интерфейсы, такие как универсальный сенсорный интерфейс Smartec (2016a), предлагают специальные режимы обработки термисторов, включая линеаризацию.

За последние десятилетия инновации в системах датчиков температуры, реализованные с использованием дискретных чувствительных элементов, в основном касались разработки электронных интерфейсов (Smartec, 2016a; Meijer, 2008b; Khadouri et al., 1997). Для получения более подробной информации, касающейся дискретных термочувствительных элементов и соответствующих систем измерения, читатель может отослать читателя к специальной литературе (Michalski et al., 2001).

Принцип работы

IGBT — все, что вам нужно знать

IGBT — одно из самых эффективных электронных изобретений.Принцип работы IGBT уникален и находит широкое применение в различных коммерческих приложениях — как приводы двигателей переменного / постоянного тока, средства управления тяговыми двигателями, ИБП (нерегулируемый источник питания), инверторы и т. Д.

Но не будем забегать вперед. Вы должны понимать, как работает IGBT. Итак, поехали.

Что такое IGBT?

IGBT — биполярный транзистор с изолированным затвором. Это трехконтактное полупроводниковое электрическое устройство, обеспечивающее быстрое переключение при высоком КПД.

Чтобы лучше понять БТИЗ, лучше всего разбираться в различных транзисторах с точки зрения их функциональности.

Транзисторы

Транзистор — это небольшой электронный компонент, выполняющий две основные функции. Он действует как переключатель для управления цепями освещения и может усиливать сигналы.

Существуют разные типы транзисторов в зависимости от их полезности или конкретной области применения. Обычно используемые транзисторы — это BJT (Bipolar Junction Transistor), MOSFET и IGBT.

И BJT, и MOSFET имеют свои предпочтения, а также преимущества перед другими. В то время как BJT предпочитают низкие перепады напряжения в открытом состоянии, полевые МОП-транзисторы являются лучшими из-за их высокого импеданса I / P, низких потерь переключения и отсутствия вторичного пробоя.

IGBT сочетает в себе как BJT, так и MOSFET, благодаря чему он использует лучшее из обоих транзисторов.

Следовательно, IGBT — это трехконтактное устройство, используемое в качестве коммутационного устройства и применимое для усиления сигналов. IGBT обеспечивает быстрое переключение при высоком КПД.

Символ IGBT

Поскольку IGBT объединяет BJT и MOSFET, его символы соответствуют тому же принципу, что и ниже.

Символ IGBT

Символ также имеет три терминала — коллектор, эмиттер и затвор. Сторона входа представляет полевой МОП-транзистор, в то время как выходной символ берется из символа BJT.

Как и ожидалось, клеммы проводимости — коллектор и эмиттер. Ворота — это контрольный терминал.

Структура IGBT

Все три клеммы (коллектор, эмиттер и затвор) IGBT прикреплены металлическими слоями.Однако металлический материал на выводе затвора имеет изоляцию из слоя диоксида кремния.

Внутренне структура IGBT представляет собой четырехслойное полупроводниковое устройство. Четырехслойное устройство создается за счет объединения транзисторов PNP и NPN, которые составляют структуру PNPN.

Структура IGBT

Источник: Компоненты 101

Слой, ближайший к области коллектора, — это (p +) подложка, область инжекции.Справа над ней находится N-дрейфовая область, которая включает N-слой.

Активная область инжекции инжектирует большую часть носителя (дырочного тока) из (p +) в N- слой.

Толщина области дрейфа определяет способность IGBT блокировать напряжение.

Вверху области дрейфа находится область тела, состоящая из (p) субстрата. Это близко к Эмиттеру. Внутри области тела есть (n +) слоев.

Обратите внимание, что стыки между областью коллектора (или областью впрыска) и областью N-дрейфа являются J2.Точно так же соединение между N-областью и областью тела — это соединение J1.

ПРИМЕЧАНИЕ: БТИЗ топологически похож на тиристор с точки зрения «МОП-затвора». Но действия и функциональность тиристоров подавляются, что означает, что во всем рабочем диапазоне устройства IGBT допустимо только действие транзистора.

IGBT предпочтительнее тиристора из-за быстрого переключения ожидания тиристора при переходе через ноль.

Как работает IGBT?

Принцип работы IGBT включается или выключается посредством активации или деактивации его клеммы Gate.

Если на затворе проходит положительное входное напряжение, эмиттер сохраняет цепь возбуждения включенной. С другой стороны, если клемма затвора IGBT имеет нулевое напряжение или немного отрицательно, она отключает приложение схемы.

Поскольку биполярное устройство с изолированным затвором одновременно функционирует как BJT и MOSFET, величина усиления, которую он достигает, представляет собой соотношение между его выходным и управляющим входными сигналами.

Для обычного BJT величина усиления примерно такая же, как отношение выходного тока к входному.Мы назвали его Бета и обозначили как β.

С другой стороны, для полевого МОП-транзистора нет входного тока, потому что клемма затвора является изоляцией основного канала, по которому проходит ток. Мы определяем коэффициент усиления IGBT, разделив изменение выходного тока на изменение входного напряжения. Это делает IGBT устройством, обеспечивающим электрическую проводимость.

Работа IGBT как цепи

Давайте объясним это с помощью рисунка ниже, который описывает весь рабочий диапазон устройства IGBT.

Работа IGBT как цепи

IGBT работает только при наличии напряжения на клемме затвора. Это напряжение затвора, которое составляет В _G .

Как видно на диаграмме, как только появляется напряжение затвора ( В, _G ) _,, ток затвора ( I _G ) увеличивается. Затем он увеличивает напряжение затвор-эмиттер ( В, _GE ).

Следовательно, напряжение затвор-эмиттер увеличивает ток коллектора ( I _C ). Таким образом, ток коллектора ( I _C ) снижает напряжение между коллектором и эмиттером ( В, , , _{, CE,}, ).

ПРИМЕЧАНИЕ. Падение напряжения IGBT аналогично диодному, типичное для порядка 2 В, которое увеличивается только с логарифмом тока.

В IGBT используются безынерционные диоды для проведения обратного тока.На клеммах коллектор-эмиттер помещаются свободно вращающиеся диоды.

IGBT, кремниевый диод

Источник: публикация Researchgate

Встроенный диод является обязательным требованием для IGBT, поскольку без него силовое электронное устройство может вывести из строя выключатель питания. После выключения индуктивный ток нагрузки генерирует пики высокого напряжения всякий раз, когда нет подходящего пути.

Модуль IGBT и FWD

Источник: Researchgate

Каждый раз, когда биполярный транзистор с изолированным затвором выключается, неосновные носители из N-области перетекают во внешнюю схему.После того, как слой обеднения расширяется (возрастает напряжение коллектор-эмиттер), неосновные носители вызывают внутреннюю рекомбинацию потока тока, хвостового тока.

Типы IGBT

Как четырехуровневое устройство IGBT классифицируются на основе наличия (n +) буферного уровня. Биполярные транзисторы с изолированным затвором и (n +) буферным слоем — это Punch through IGBT (или просто PT-IGBT).

Точно так же IGBT без (n +) буферного слоя являются Non-Punch through IGBT (или просто NPT-IGBT).Вот таблица их различий.

Биполярные транзисторы

с изолированным затвором поддаются дальнейшей классификации по их характеристикам. Концепция конструкции устройства для PT-IGBT и NPT-IGBT может быть симметричной или асимметричной.

Симметричные IGBT имеют одинаковое прямое и обратное напряжение пробоя. В то же время прямое напряжение пробоя асимметричных биполярных транзисторов с изолированным затвором больше, чем напряжение обратного пробоя.

Это означает, что симметричный IGBT в основном применим в цепях переменного тока.С другой стороны, асимметричный IGBT применим в цепях постоянного тока, и это потому, что они не нуждаются в каком-либо поддерживаемом обратном напряжении.

Модели IGBT

Схемы, использующие принцип работы IGBT, обычно моделируются с использованием имитаторов схем, таких как Sabre и SPICE.

Симуляторы могут моделировать IGBT (и другие фактические устройства), чтобы обеспечить наилучшие прогнозы относительно токов и напряжений на электрических клеммах.

Для еще более точного прогноза в процесс моделирования включены тепло и температура.Наиболее распространенные методы моделирования для концепции конструкции устройства IGBT:

Физическая модель
MacroModel

Симулятор SPICE использует метод MacroModel, который объединяет различные компоненты, такие как MOSFET и BJT, с использованием конфигурации Дарлингтона.

Принцип работы IGBT — Электрические характеристики

Из-за того, что IGBT зависит от напряжения для функционирования, устройствам требуется лишь небольшое количество напряжения, подаваемого на вывод затвора для поддержания проводимости.

Электрические характеристики

Это противоположность биполярным силовым транзисторам, которым для поддержания насыщения требуется постоянный ток базы в области базы.

В то же время IGBT является однонаправленным устройством, что означает, что он переключается только в «прямом направлении» (от коллектора к эмиттеру).

Это противоположность полевых МОП-транзисторов, которые имеют двунаправленный процесс переключения тока. В практических устройствах полевые МОП-транзисторы могут управляться в прямом направлении и неконтролируемыми в обратном направлении.

Обратите внимание, что в динамических условиях IGBT может испытывать ток фиксации при выключении устройства. Когда кажется, что непрерывный управляющий ток в открытом состоянии превышает критическое значение, это ток фиксации.

Кроме того, когда напряжение затвор-эмиттер опускается ниже порогового значения, через устройство протекает небольшой ток утечки. В это время напряжение коллектор-эмиттер практически равно напряжению питания. Следовательно, четырехслойный IGBT-транзистор работает в области отсечки.

Принцип работы IGBT — применение IGBT

IGBT может использоваться в усилителях слабого сигнала, так же как MOSFET и BJT. Тем не менее, IGBT использует лучшее из обоих, поэтому имеет низкие потери проводимости и высокую скорость переключения.

БТИЗ используются в большинстве современных электронных устройств, таких как стереосистемы, поезда, VSF, электромобили, кондиционеры и т. Д.

IGBT в сравнении с MOSFET Биполярные транзисторы

с изолированным затвором лучше всего подходят для высоких напряжений, низких частот переключения и сильноточных конфигураций.Напротив, полевые МОП-транзисторы лучше всего подходят для областей с низким напряжением, высокими частотами переключения и средними токами.

IGBT в сравнении с MOSFET

Источник: Researchgate

IGBT может использоваться в практических устройствах с частотами переключения ниже 20 кГц из-за его высоких потерь переключения.

Сводка

Мы надеемся, что теперь вы понимаете, что такое IGBT и чем они отличаются от MOSFET и BJT. У вас есть вопросы или опасения по поводу IGBT? Не стесняйтесь связаться с нами!

Как работают биполярные переходные транзисторы.

Изучив этот раздел, вы сможете:
• Опишите основные операции кремниевого планарного транзистора.
• Изучите работу переходов база / эмиттер и база / коллектор.
• Опишите эффекты легирования материалов транзисторов.

Рис. 3.3.1 Как легируется транзистор BJP.

Все дело в допинге

Принцип работы транзистора может быть описан со ссылкой на рис. 3.3.1, на котором показано основное легирование переходного транзистора, и на рис. 3.3.2, показывающий, как работает BJT.

Работа транзистора очень зависит от степени легирования различных частей полупроводникового кристалла. Эмиттер N-типа очень сильно легирован, чтобы обеспечить много свободных электронов в качестве основных носителей заряда.Слаболегированная базовая область P-типа чрезвычайно тонкая, а коллектор N-типа очень сильно легирован, чтобы придать ему низкое удельное сопротивление, за исключением слоя менее сильно легированного материала рядом с базовой областью. Это изменение удельного сопротивления коллектора гарантирует, что в материале коллектора рядом с основанием присутствует большой потенциал. Важность этого станет очевидной из следующего описания.

Рис. 3.3.2. Как транзистор усиливает ток.

Во время нормальной работы на переход база / эмиттер прикладывается потенциал, так что база примерно на 0,6 В положительнее, чем эмиттер, это делает переход база / эмиттер смещенным вперед.

К переходу база / коллектор прикладывается гораздо более высокий потенциал с относительно высоким положительным напряжением, приложенным к коллектору, так что переход база / коллектор сильно смещен в обратном направлении. Это делает слой истощения между базой и коллектором довольно широким после подачи питания.

Как упоминалось выше, коллектор состоит в основном из сильно легированного материала с низким удельным сопротивлением и тонкого слоя легированного материала с высоким сопротивлением рядом с переходом база / коллектор. Это означает, что большая часть напряжения между коллектором и базой вырабатывается через этот тонкий слой с высоким удельным сопротивлением, создавая высокий градиент напряжения рядом с переходом коллектор-база.

Когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, в базу будет течь небольшой ток.Поэтому в материале P-типа вводятся отверстия. Эти дырки притягивают электроны через смещенный вперед переход база / эмиттер для объединения с дырками. Однако, поскольку эмиттерная область очень сильно легирована, в базовую область P-типа пересекает гораздо больше электронов, чем может объединиться с доступными дырками. Это означает, что в области базы имеется большая концентрация электронов, и большая часть этих электронов проходит прямо через очень тонкую базу и попадает в обедненный слой база / коллектор.Оказавшись здесь, они попадают под влияние сильного электрического поля на переходе база / коллектор. Это поле настолько сильное из-за большого градиента потенциала в материале коллектора, упомянутого ранее, что электроны перемещаются через обедненный слой в материал коллектора и, таким образом, в сторону вывода коллектора.

Изменение тока, протекающего в базе, влияет на количество электронов, притягиваемых эмиттером. Таким образом, очень небольшие изменения тока базы вызывают очень большие изменения тока, протекающего от эмиттера к коллектору, поэтому происходит усиление тока.

Посмотрите наше видео о том, как делаются биполярные транзисторы и как они работают.

Начало страницы

Что такое транзистор? — Определение, символ, принцип работы и типы, ограничения

Транзистор — это тип полупроводникового устройства, которое можно использовать как для проведения, так и для изоляции электрического тока или напряжения. Транзистор в основном действует как переключатель и усилитель. Проще говоря, мы можем сказать, что транзистор — это миниатюрное устройство, которое используется для управления или регулирования потока электронных сигналов.

Транзисторы — один из ключевых компонентов в большинстве электронных устройств, которые присутствуют сегодня. Разработанный в 1947 году тремя американскими физиками Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли, транзистор считается одним из самых важных изобретений в истории науки.

Детали транзистора

Типичный транзистор состоит из трех слоев полупроводниковых материалов или, более конкретно, клемм, которые помогают подключаться к внешней цепи и пропускать ток.Напряжение или ток, которые прикладываются к любой паре выводов транзистора, контролируют ток через другую пару выводов. Есть три вывода для транзистора. Они есть;

База: Используется для активации транзистора.
Коллектор: это положительный вывод транзистора.
Излучатель: это отрицательный вывод транзистора.

Что ж, самый простой принцип работы транзистора основан на управлении потоком тока через один канал путем изменения интенсивности очень небольшого тока, протекающего через второй канал.

Типы транзисторов

В зависимости от того, как они используются в схеме, существует два типа транзисторов.

BJT (биполярный транзистор)
FET (полевой транзистор)

1. биполярный переходной транзистор (BJT)

Три клеммы BJT — база, эмиттер и коллектор. Очень небольшой ток, протекающий между базой и эмиттером, может управлять большим потоком тока между коллектором и выводом эмиттера.

Кроме того, существует два типа BJT.Это включает;

Транзистор P-N-P: это тип BJT, в котором один материал n-типа вводится или помещается между двумя материалами p-типа. В такой конфигурации устройство будет управлять током. Транзистор PNP состоит из двух последовательно включенных кристаллических диодов. Правая и левая стороны диодов известны как диод коллектор-база и диод эмиттер-база соответственно.

Транзистор N-P-N: В этом транзисторе мы обнаружим один материал p-типа, который присутствует между двумя материалами n-типа.Транзистор N-P-N в основном используется для усиления слабых сигналов до сильных. В транзисторе NPN электроны перемещаются от эмиттера к области коллектора, что приводит к образованию тока в транзисторе. Этот транзистор широко используется в схеме.

Существует три типа конфигурации

A. общая база (CB),

Б. Коллектор общий (КК) и

C. Эмиттер обыкновенный (CE).

В конфигурации с общей базой (CB) клемма базы транзистора является общей между входными и выходными клеммами.

A. Общая база (CB) Конфигурация

Входные характеристики

Конфигурация CB

Эта диаграмма описывает изменение тока эмиттера I _E в зависимости от напряжения базы — эмиттера, В _BE, при сохранении постоянного напряжения коллектора, В _CB.

Выходные характеристики

Конфигурация CB

На этой диаграмме показано изменение тока коллектора, I _C с V _CB, при поддержании постоянного тока эмиттера I _E.

B.

Общий коллектор (CC) Конфигурация

В конфигурации с общим коллектором (CC) клеммы коллектора являются общими между входными и выходными клеммами.

Входные характеристики

На нем показано изменение I _B в соответствии с V _CB при постоянном напряжении коллектор-эмиттер V _CE.

Выходные характеристики

Это показывает изменение I _E по сравнению с изменениями в V _CE при сохранении постоянного I _B.

C. В конфигурации с общим эмиттером (CE)

В конфигурации с общим эмиттером (CE) клемма эмиттера является общей между входными и выходными клеммами.

Входные характеристики

Здесь показано изменение I _C с изменениями в V _CE при сохранении постоянного I _B.

Выходные характеристики

Здесь показано изменение I _C с изменениями в V _CE при сохранении постоянного I _B.

2. Полевой транзистор (FET)

Для полевого транзистора три терминала — это вентиль, источник и сток. Напряжение на выводе затвора может управлять током между истоком и стоком. FET — это униполярный транзистор, в котором для проводимости используются полевые транзисторы с N-каналом или P-каналом. Основное применение полевых транзисторов — малошумящий усилитель, буферный усилитель и аналоговый переключатель.

Другие типы

Помимо них, существует множество других типов транзисторов, которые включают MOSFET, JFET, биполярный транзистор с изолированным затвором, этот пленочный транзистор, транзистор с высокой подвижностью электронов, полевой транзистор с перевернутым Т-образным транзистором (ITFET), эпитаксиальный диод с быстрой обратной связью. -эффектный транзистор (FREDFET), транзистор Шоттки, туннельный полевой транзистор, органический полевой транзистор (OFET), диффузионный транзистор и т. д.

Как работают транзисторы?

Давайте посмотрим на работу транзисторов. Мы знаем, что BJT состоит из трех терминалов (эмиттер, база и коллектор). Это устройство, управляемое током, в котором два P-N перехода существуют внутри BJT.

Один P-N переход существует между эмиттерной и базовой областью, а второй переход существует между коллектором и базовой областью. Очень небольшое количество тока, протекающего через эмиттер к базе, может управлять достаточно большим током, протекающим через устройство от эмиттера к коллектору.

При обычной работе BJT переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор — в обратном направлении. Когда ток течет через переход база-эмиттер, ток будет течь в цепи коллектора.

Чтобы объяснить работу транзистора, возьмем пример транзистора NPN. Те же принципы используются для транзистора PNP, за исключением того, что носителями тока являются дырки, а напряжения меняются местами.

Работа транзистора NPN

Эмиттер устройства NPN изготовлен из материала n-типа, поэтому основными носителями являются электроны.Когда переход база-эмиттер смещен вперед, электроны будут перемещаться из области n-типа в область p-типа, а дырки неосновных носителей заряда перемещаются в область n-типа.

Когда они встречаются, они объединяются, позволяя току течь через соединение. Когда переход смещен в обратном направлении, дырки и электроны удаляются от перехода, и теперь между двумя областями образуется обедненная область, и через нее не будет протекать ток.

Когда между базой и эмиттером протекает ток, электроны покидают эмиттер и перетекают в базу, как показано выше.Обычно электроны объединяются, когда достигают области обеднения.

Но уровень легирования в этой области очень низкий, а основание также очень тонкое. Это означает, что большинство электронов могут перемещаться по области без рекомбинации с дырками. В результате электроны будут дрейфовать к коллектору.

Таким образом, они могут протекать через то, что фактически является обратносмещенным переходом, и ток течет в цепи коллектора.

Преимущества транзистора

Более низкая стоимость и меньший размер.
Меньшая механическая чувствительность.
Низкое рабочее напряжение.
Чрезвычайно долгий срок службы.
Нет энергопотребления.
Быстрое переключение.
Могут быть разработаны схемы с более высоким КПД.
Используется для разработки одной интегральной схемы.

Ограничения транзисторов

У транзисторов

также есть несколько ограничений. Они следующие:

Транзисторам не хватает повышенной подвижности электронов.
Транзисторы могут быть легко повреждены при возникновении электрических и тепловых событий.Например, электростатический разряд при обращении.
Транзисторы подвержены воздействию космических лучей и излучения.

(PDF) Как работают биполярные переходные транзисторы

Румынский журнал информационных технологий и автоматического управления, Vol. 29, No. 2, 113-122, 2019 Страница 1 из 11

Румынский журнал информационных технологий и автоматического управления https://rria.ici.ro

КАК РАБОТАЮТ БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ.

ВКЛАД В ДЕМИФИЗАЦИЮ

БИПОЛЯРНОГО ПЕРЕХОДНОГО ТРАНЗИСТОРА

Dragoş NICOLAU — ICI Bucureşti — [email protected]

https://rria.ici.ro/wp-content/uploads 9_articol_NicolauDragos.pdf

Выражение признательности: эта статья является результатом плодотворных бесед, которые автор провел

с профессором Лутцем фон Венгенхаймом (Бремен, Германия) в апреле-мае 2019 года. Мы желаем

выразить нашу признательность за Проф.Щедрость и оперативность фон Вангенхайма в

предлагает знания, без которых этот материал никогда бы не был написан.

Аннотация: Биполярный переходный транзистор (далее БЮТ) остается интересной научной темой.

Объяснения, посвященные этому устройству, обычно прибегают к математическим или, преждевременно, к схемным моделям, таким образом,

предлагает менее существенную информацию, основанную на физических явлениях [9], [10], [11].Стремясь исправить то, что

мы считаем недостатком, этот документ предлагает поддержку для расширенного и более четкого понимания функциональных механизмов

, управляющих BJT. Таким образом, здесь мы предлагаем как интуитивно понятные, последовательные объяснения функциональных характеристик биполярного транзистора

, так и более четкий акцент на некоторых концепциях и номиналах

, которые автор считает вводящими в заблуждение или неточными.

Ключевые слова: обучение / образование, биполярный переходной транзистор, интуитивное объяснение, физические явления

1.Введение

Первоначальной движущей силой, которая привела к созданию этой статьи, было личное

интеллектуальное разочарование автора, испытанное в годы учебы в университете при попытке разгадать то, что, как казалось

, было «загадочной» природой механизмов, управляющих концепциями. и принципы, принятые во внимание

впредь. В результате, что касается принципа работы биполярного переходного транзистора, мы думаем, что более ясные объяснения

и пояснительные подходы к тому, как работает BJT, могут приветствоваться, по крайней мере, для любого

прилежного человека, мучимого вопросами «как?» и почему ?».В этом духе настоящий материал

стремится не только пролить свет на то, что в основном происходит внутри BJT, но и исправить то, что кажется

известными заблуждениями, оставляя в стороне схоластический подход обычного изобилия тех же

. повторяющиеся математические модели (предложение которых чрезвычайно велико, во всем мире) и вместо этого

, сосредоточенное на интуитивном объяснении, основанном на причинно-следственной цепочке, основанной на физике здравого смысла.

Прежде всего, мы теперь перейдем от комфорта мифологии к суровости реальности.

представляет несколько мифов, традиционно определяющих общеизвестные знания о БЮТ.

Миф: BJT — это усилитель [2], [3], [4].

Реальность: Нет, никогда. Это точно не усилитель, а преобразователь напряжения-тока. Это просто полупроводниковый нелинейный элемент схемы

, основной ток которого регулируется небольшим напряжением.

Миф: БЮТ — это текущий источник.

Реальность: Нет, по сути, но да, в конкретной конфигурации цепи. При правильном питании и смещении

BJT можно рассматривать как (конечно, неидеальный) источник тока.

Миф: BJT — это устройство, управляемое током [5], [6], [7], [8].

Реальность: Нет, это устройство (состоящее из полупроводниковых материалов), которое может принимать управление напряжением,

— не управление током.

Как правило, разные люди ответят на вопрос «что такое BJT?» говоря, что

BJT является «усилителем» или «источником тока», «чем-то управляемым», практически никогда

говоря, что BJT — это не что иное, как трехпортовое электронное устройство, состоящее из полупроводниковых материалов

в определенной аранжировке.