Эмиттер база коллектор что это: Эта страница ещё не существует

Биполярные транзисторы. For dummies / Хабр

Предисловие

Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.

Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.

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 большая 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.

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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)

.

Список источников:
http://ru.wikipedia.org
http://www.physics.ru
http://radiocon-net.narod.ru
http://radio.cybernet.name
http://dvo.sut.ru

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

Принцип работы биполярного транзистора

В свое время транзисторы пришли на смену электронным лампах. Это произошло благодаря тому, что они имеют меньшие габариты, высокую надежность и менее затратную стоимость производства. Сейчас, биполярные транзисторы являются основными элементами во всех усилительных схемах.

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый элемент, имеющий трехслойную структуру, которая образует два электронно-дырочных перехода. Поэтому транзистор можно представить в виде двух встречно включенных диода. В зависимости от того, что будет являться основными носителями заряда, различают p-n-p и n-p-n транзисторы.   

 

База – слой полупроводника, который является основой конструкции транзистора.

Эмиттером называется слой полупроводника, функция которого инжектирование носителей заряда в слой базы.

Коллектором называется слой полупроводника, функция которого собирать носители заряда прошедшие через базовый слой.

Как правило, эмиттер содержит намного большее количество основных зарядов, чем база. Это основное условие работы транзистора, потому что в этом случае, при прямом смещении эмиттерного перехода, ток будет обуславливаться основными носителями эмиттера. Эмиттер сможет осуществлять свою главную функцию – впрыск носителей в слой базы. Обратный ток эмиттера обычно стараются сделать как можно меньше. Увеличение основных носителей эмиттера достигается с помощью высокой концентрации примеси.

Базу делают как можно более тонкой. Это связано с временем жизни зарядов. Носители зарядов должны пересекать базу и как можно меньше рекомбинировать с основными носителями базы, для того чтобы достигнуть коллектора.

Для того чтобы коллектор мог наиболее полнее собирать носители прошедшие через базу его стараются сделать шире.

 

Принцип работы транзистора

Рассмотрим на примере p-n-p транзистора.

 

В отсутствие внешних напряжений, между слоями устанавливается разность потенциалов. На переходах устанавливаются потенциальные барьеры. Причем, если количество дырок в эмиттере и коллекторе одинаковое, тогда и потенциальные барьеры будут одинаковой ширины.

Для того чтобы транзистор работал правильно, эмиттерный переход должен быть смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном. Это будет соответствовать активному режиму работы транзистора. Для того чтобы осуществить такое подключение, необходимы два источника. Источник с напряжением Uэ подключается положительным полюсом  к эмиттеру, а отрицательным к базе. Источник с напряжением Uк подключается отрицательным полюсом к коллектору, а положительным к базе. Причем Uэ < Uк. 

Под действием напряжения Uэ, эмиттерный переход смещается в прямом направлении. Как известно, при прямом смещении электронно-дырочного перехода, внешнее поле направлено противоположно полю перехода и поэтому уменьшает его.  Через переход начинают проходить основные носители, в эмиттере это дырки 1-5, а в базе электроны 7-8. А так как количество дырок в эмиттере больше, чем электронов в базе, то эмиттерный ток обусловлен в основном ими.

Эмиттерный ток представляет собой сумму дырочной составляющей эмиттерного тока и электронной составляющей базы. 

Так как полезной является только дырочная составляющая, то электронную стараются сделать как можно меньше. Качественной характеристикой эмиттерного перехода является коэффициент инжекции. 

Коэффициент инжекции стараются приблизить к 1.

Дырки 1-5 перешедшие в базу скапливаются на границе эмиттерного перехода. Таким образом, создается высокая концентрация дырок возле эмиттерного и низкая концентрация возле коллекторного перехода, в следствии чего начинается диффузионное движение дырок от эмиттерного к коллекторному переходу. Но вблизи коллекторного перехода концентрация дырок остается равной нулю, потому что как только дырки достигают перехода, они ускоряются его внутренним полем и экстрагируются (втягиваются) в коллектор. Электроны же, отталкиваются этим полем.

Пока дырки пересекают базовый слой они рекомбинируют с электронами находящимися там, например, как дырка 5 и электрон 6. А так как дырки  поступают постоянно, они создают избыточный положительный заряд, поэтому, должны поступать и электроны, которые втягиваются через вывод базы и образуют базовый ток Iбр. Это важное условие работы транзистора – концентрация дырок в базе должна быть приблизительно равна концентрации электронов. Другими словами должна обеспечиваться электронейтральность базы.

Количество дырок дошедших до коллектора, меньше количество дырок вышедших из эмиттера на величину рекомбинировавших дырок в базе. То есть, ток коллектора отличается от тока эмиттера на величину тока базы. 

Отсюда появляется коэффициент переноса носителей, который также стараются приблизить к 1. 

Коллекторный ток транзистора состоит из дырочной составляющей Iкр и обратного тока коллектора. 

Обратный ток коллектора возникает в результате  обратного смещения коллекторного перехода, поэтому он состоит из неосновных носителей дырки 9 и электрона 10. Именно потому, что обратный ток образован неосновными носителями, он зависит только от процесса термогенерации, то есть от температуры. Поэтому его часто называют тепловым током.

От величины теплового тока зависит качество транзистора, чем он меньше, тем транзистор качественнее.

Коллекторный ток связан с эмиттерным коэффициентом передачи тока.  

Токи в транзисторе можно представить следующим образом

 

Основное соотношение для токов транзистора 

Ток коллектора можно выразить как 

Из вышесказанного можно сделать вывод, что изменяя ток в цепи база – эмиттер, мы можем управлять выходным током коллектора. Причем незначительное изменение тока базы, вызывает значительное изменение тока коллектора.

 

Просмотров:

эмиттер — это… Что такое коллектор-эмиттер?

коллектор-эмиттер

колле́ктор-эми́ттер, колле́ктора-эми́ттера [тэ\]

Русское словесное ударение. — М.: ЭНАС. М.В. Зарва. 2001.

• колле́ктор
• колле́кторный

Смотреть что такое «коллектор-эмиттер» в других словарях:

• обратный ток коллектор-эмиттер — Ндп. начальный ток коллектора ток коллектора закрытого транзистора Ток в цепи коллектор эмиттер при заданном обратном напряжении коллектор эмиттер. Обозначение IКЭ Примечание При разомкнутом выводе базы IКЭО, ICEO; при коротко замкнутых выводах… …   Справочник технического переводчика

• Пробивное напряжение коллектор-эмиттер — 13. Пробивное напряжение коллектор эмиттер D. Kollektor Emitter Durchbruchspannung (bei vorgegebenen Bedingungen) E. Breakdown collector emitter voltage F. Tension de claquage collecteur émetteur Пробивное напряжение, измеряемое между выводами… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• Обратный ток коллектор-эмиттер — 3. Обратный ток коллектор эмиттер Ндп. Начальный ток коллектора Ток коллектора закрытого транзистора D. Kollektor Emitter Reststrom E. Collector emitter cut off current F. Courant résiduel du collecteur émetteur Ток в цепи коллектор эмиттер при… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• постоянное напряжение коллектор-эмиттер — Постоянное напряжение между выводами коллектора и эмиттера. Обозначение UКЭ UCE Примечание При заданном токе коллектора и токе базы, равном нулю, UКЭО , UCEO; при заданном токе коллектора и сопротивлении в цепи база эмиттер, UКЭR , UCER; при… …   Справочник технического переводчика

• пробивное напряжение коллектор-эмиттер — Пробивное напряжение, измеряемое между выводами коллектора и эмиттера при заданном токе коллектора. Обозначение UКЭпроб Примечание При токе базы, равном нулю, UКЭО проб, U(BR)CEO ; при заданном сопротивлении в цепи база эмиттер, UКЭR проб,… …   Справочник технического переводчика

• общий ток коллектор-эмиттер фототранзистора — Общий ток коллектор эмиттер, протекающий через фототранзистор при воздействии на него потока излучения с заданным спектральным распределением. Обозначение Iэобщ к ICE H [ГОСТ 21934 83] Тематики приемники излуч. полупроводн. и фотоприемн. устр. EN …   Справочник технического переводчика

• Общий ток коллектор-эмиттер фототранзистора — 122. Общий ток коллектор эмиттер фототранзистора D. Kollektor Emitter Gesamtstrom eines Phototransistors E. Collector emitter total current of a phototransistor F. Courant total collecteur émetteur de phototransistor Общий ток коллектор эмиттер,… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• максимально допустимое импульсное напряжение коллектор-эмиттер — Обозначение UКЭ, max UСEM max Примечание Максимально допустимыми параметрами называются значения конкретных режимов биполярных транзисторов, которые не должны превышать при любых условиях эксплуатации и при которых обеспечивается заданная… …   Справочник технического переводчика

• максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер — Обозначение UКЭ max UСE max Примечание Максимально допустимыми параметрами называются значения конкретных режимов биполярных транзисторов, которые не должны превышать при любых условиях эксплуатации и при которых обеспечивается заданная… …   Справочник технического переводчика

• напряжение насыщения коллектор-эмиттер — Напряжение между выводами коллектора и эмиттера транзистора в режиме насыщения при заданных токах базы и коллектора. Обозначение UКЭнас UСEsat [ГОСТ 20003 74] Тематики полупроводниковые приборы EN saturation collector emitter voltage DE Kollektor …   Справочник технического переводчика

• пробивное напряжение коллектор-эмиттер фототранзистора — Пробивное напряжение между выводами коллектора и эмиттера фототранзистора при открытой базе и в отсутствие потока излучения в диапазоне спектральной чувствительности. Обозначение Uэпр к UBR CEO Примечание На ФЭПП может действовать равновесное… …   Справочник технического переводчика

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».

Биполярный транзистор

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

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

Устройство биполярного транзистора.

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

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector 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.

Работа биполярного транзистора.

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

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

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

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

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

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

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P 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.

β = I_C / I_B

Простейший усилитель на биполярном транзисторе

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

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

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

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

4. Анализ результатов

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

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

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

Режимы работы биполярного транзистора

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

• Режим отсечки (cut off mode).
• Активный режим (active mode).
• Режим насыщения (saturation mode).
• Инверсный ражим (reverse mode ).

Режим отсечки

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

Активный режим

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

Режим насыщения

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

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

Инверсный режим

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

Основные параметры биполярного транзистора.

Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора I_С к току базы I_B. 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)).

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

Биполярные транзисторы

3.9. Биполярные транзисторы

 

1. Общие сведения. Характеристики

 

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя р-n переходами и тремя выводами, служащий для усиления мощности. В транзисторе имеется три области – эмиттер (э), база (б) и коллектор (к). В зависимости от типа проводимости этих областей различают транзисторы n-p-n и p-n-p типа. Таким образом, в транзисторе имеется два p-n перехода: эмиттер-база (эмиттерный) и коллектор-база (коллекторный). Стрелка на условных обозначениях транзисторов (см. в начале главы) указывает направление от p области к n области. Принцип работы обоих типов транзисторов одинаков.

Толщина базы делается значительно меньше длины свободного пробега неосновных носителей тока, попадающих в нее из эмиттера, а концентрация основных носителей в базе много меньше концентрации основных носителей в эмиттере. В результате в базе сводится до минимума рекомбинация неосновных носителей с основными, пришедшими из эмиттера.

Площадь коллекторного перехода (перехода база-коллектор) значительно больше площади эмиттерного перехода (перехода база-эмиттер). Это делается для того, чтобы перехватить весь поток носителей, идущих от эмиттера, а также потому, что на коллекторном переходе выделяется большая мощность. Концентрация же основных носителей в коллекторе несколько меньше, чем в эмиттере.

В зависимости от того, какое напряжение (прямое или обратное) подано на переходы транзистора, выделяют четыре режима работы транзистора. В активном режиме (он является основным) напряжение на эмиттерном переходе прямое, на коллекторном – обратное. В режиме отсечки (запирания) на оба перехода подается обратное напряжение. В режиме насыщения напряжение на обоих переходах прямое. В инверсном режиме на коллекторном переходе напряжение прямое, а на эмиттерном – обратное.

Рассмотрим работу транзистора n-p-n типа в активном режиме без нагрузки (рис. 3.30). На рисунке темными кружками изображены электроны, светлыми – дырки. Поскольку на переход база-эмиттер подано прямое напряжение, то сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения тока на этом переходе достаточно напряжения Е₁ в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико (на него подано обратное напряжение) и напряжение Е₂ обычно составляет единицы и десятки вольт.

При увеличении прямого напряжения на эмиттерном переходе электроны из эмиттера переходят в базу. Благодаря малой толщине базы и малой концентрации в ней дырок лишь незначительная часть электронов рекомбинирует с дырками базы, образуя ток базы (его стараются сделать как можно меньше). Основная часть электронов достигает коллекторного перехода и под действием его обратного напряжения втягивается в коллектор (электроны являются неосновными носителями для базы и поле запирающего слоя на переходе коллектор-база является для них ускоряющим). Поэтому ток коллектора лишь немного меньше тока эмиттера: i_э=i_к+i_б.

Когда на эмиттерный переход не подано прямое напряжение, то через коллектроный переход протекает только небольшой обратный ток, созданный неосновными носителями. Таким образом, прямое напряжение эмиттерного перехода существенно влияет на токи эмиттера и коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. Такое свойство транзистора позволяет использовать его в качестве электронного ключа, а также для усиления электрического тока.

Для расчета схем с транзисторами необходимо знать их характеристики (зависимости между токами и напряжениями). Для схемы включения транзистора с общим эмиттером (рис. 3.30) входная характеристика представляет собой зависимость силы тока базы от напряжения база-эмиттер при постоянном напряжении коллектр-эмиттер. Она имеет такой же вид, как прямая ветвь ВАХ полупроводникового диода. Выходные характеристики биполярного транзистора при схеме включения с общим эмиттером представляют собой зависимости силы тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при различных постоянных значениях тока базы (рис. 3.31).

Самая нижняя выходная характеристика построена для i_б=0. Она похожа на обратную ветвь вольт-амперной характеристики полупроводникового диода. Чем больше сила тока базы, тем выше расположена выходная характеристика.

Активная область на семействе выходных характеристик транзистора (рис. 3.32) ограничена максимально допустимым током коллектора, максимально допустимым напряжением коллектор-эмиттер, гиперболой максимально допустимой мощности рассеяния и неуправляемым током коллектора (ток коллектора при i_б=0). Для уменьшения нелинейных искажений рабочую область ограничивают также слева (см. штриховую линию на рис. 3.32).

Характеристики транзисторов, как и всех полупроводниковых элементов, очень сильно зависит от температуры. При увеличении температуры сопротивление полупроводников уменьшается и токи в них увеличиваются. Поэтому семейство выходных характеристик при увеличении температуры смещается вверх (рис. 3.33).

 

2. Определение структуры и выводов биполярных транзисторов

В последнее время все чаще используют транзисторы, извлеченные из неработающих электронных приборов. В связи с этим возникает проблема определения структуры и выводов транзисторов.

При экспериментальном определении структуры транзистора (р-n-р или n-р-n) его можно рассматривать состоящим из двух диодов, соединенных в зависимости от структуры анодами или катодами (рис. 3.34 а, б), причем точка соединения диодов соответствует выводу базы транзистора. Для определения структуры и вывода базы транзистора воспользуемся омметром с известной полярностью напряжения, подаваемого на гнезда омметра от внутреннего источника питания. Обычно положительный полюс внутреннего источника питания омметра соединен с гнездом “общий”.

Следует отметить, что существуют омметры и с другой полярностью напряжения на гнездах. Так, например, авометр Ц20-05 выпускается в двух модификациях: в одной из них на общее гнездо омметра выведен плюс внутреннего источника питания, а в другой — минус. Поэтому перед экспериментальным определением структуры и вывода базы транзистора следует с помощью диода с маркированной полярностью проверить, какой полюс внутреннего источника питания омметра соединен с общим гнездом.

При одной полярности щупов омметра, подключаемых к переходу транзистора, сопротивление перехода оказывается малым (прямое подключение), а при другой — большим (обратное подключение). Если при малом сопротивлении переходов транзистора плюсовой щуп омметра касался одного и того же вывода, значит это вывод базы и транзистор имеет структуру n-р-n. Если в этой же ситуации минусовой щуп омметра касался одного и того же вывода (базы), то транзистор р-n-р типа.

После того, как определена структура транзистора и найден вывод базы транзистора, приступают к определению выводов эмиттера и коллектора. На рисунках, поясняющих принцип работы биполярного транзистора, области эмиттера и коллектора выглядят симметрично и, казалось бы, что выводы коллектора и эмиттера можно поменять местами. Однако конструктивно эмиттер и коллектор выполняются по-разному (имеют неодинаковую концентрацию носителей заряда и площадь поверхности). Поэтому менять их местами не следует, так как получится существенно меньший коэффициент усиления по току и меньшая мощность рассеяния транзистора. Для некоторых транзисторов в этом случае может возникнуть лавинный пробой перехода база-эмиттер, что нарушит нормальную работу собранного электронного устройства. На рисунке 3.35 приведены две выходные характеристики транзистора КТ315А в схеме включения с общим эмиттером: 1 – для стандартного включения транзистора, 2 — для случая, когда эмиттер и коллектор транзистора поменяли местами (инверсный режим работы).

Существует несколько вариантов экспериментального определения выводов эмиттера и коллектора. Рассмотрим два из них.

Возьмем резистор сопротивлением 10-100 кОм и включим его между выводом базы и предполагаемым выводом коллектора. К выводам эмиттера и коллектора омметр можно подключить так, как показано на рисунках 3.36а и 3.36б для транзистора n-р-n типа, а на рисунках 3.37а и 3.37б — для транзистора р-n-р типа. На всех рисунках предполагаемый вывод коллектора расположен вверху (по рисунку). Правильному выбору выводов коллектора и эмиттера соответствует меньшее сопротивление, фиксируемое омметром, т.е. подключение по схемам рисунков 3.36а, 3.37а.

Рассмотрим второй вариант определения выводов коллектора и эмиттера. В качестве источника питания используют любой источник постоянного напряжения (3-9 В). Миллиамперметр включают между положительным полюсом источника и предполагаемым выводом коллектора для транзисторов n-р-n типа (рис. 3.38а и 3.38б), между отрицательным полюсом источника и предполагаемым выводом коллектора для транзисторов р-n-р типа (рис. 3.39а и 3.39б). Предполагаемый вывод коллектора, как и в предыдущем случае, расположен на рисунке вверху. Правильно выбранному выводу коллектора соответствует больший ток, фиксируемый миллиамперметром.

В этом варианте можно определить не только выводы транзистора, но и приблизительно определить коэффициент усиления транзистора по току: , где I_к — сила тока коллектора, I_б — сила тока базы.

Ток базы можно рассчитать по формуле  , где U_п — напряжение источника питания, U_бэ — напряжение между базой и эмиттером транзистора.

 

Для кремниевых транзисторов напряжение база-эмиттер составляет примерно 0,6 В. Выберем напряжение питания 4,5 В и сопротивление резистора 390 кОм. Тогда I_б = 10^-2 мА, и коэффициент усиления определяется из формулы: , где I_к — сила тока коллектора в мА.

 

Помогите решить / разобраться (Ф)

Здравствуйте. Хочу разобраться до конца, как же все-таки работают биполярные транзисторы. В общих чертах понятно, но есть отдельные моменты, которые хотелось бы прояснить. А именно:

Возьмем, например, биполярный транзистор структуры n-p-n, подадим на переход база-эмиттер прямое смещение, а на переход база-коллектор обратное, т.е. введем транзистор в нормальный активный режим работы. Понятно, что в таком случае электроны из сильно легированного эмиттера пойдут в базу. База обладает очень малой толщиной, не помню как в точности-сопоставима с размерами электрона, если не ошибаюсь, плюс в ней содержится сравнительно небольшое количество дырок, по отношению к количеству электронов, «летящих» из эмиттера, поэтому лишь небольшое число электронов и дырок рекомбинирует, а остальные попадают в коллектор.

И вот тут у меня возникает вопрос-они туда попадают благодаря тому, что толщина базы очень мала? Т.е. грубо говоря, электрон, влетая в базу, двигаясь благодаря действию электрического поля, весь в эту базу не помещается, несмотря на свой крошечный размер, и автоматически оказывается в коллекторе ? Или его как бы «втягивает» более сильное(по сравнению с полем, действующим в базе) электрическое поле коллектора, которое, благодаря своей направленности, «заставляет электроны лететь к плюсу» ? Вот эти моменты не совсем ясны мне. Если кто знает-пролейте свет на них, пожалуйста, только не текстами из учебника, а своими словами, чтобы понятно было.

Еще вопрос-для работы биполярного транзистора всегда требуется два ОТДЕЛЬНЫХ источника питания? Нельзя использовать, скажем, один источник и, подав, например, с него напряжение на эмиттер-коллектор, от него же запитать, например, через потенциометр базу? Тут тоже запутался в рассуждениях-с одной стороны, ток коллектора управляется током базы, и для нормальной работы транзистора нам требуется, чтобы напряжение, поданное на базу, было меньше, чем между эмиттером и коллектором, поскольку нужно, чтобы электрическое поле коллектора было более сильным, чем в базе и втягивало электроны, с другой стороны-база и так сама по себе очень мала, сравнима с размерами элементарных частиц, а силу электрического поля можем померить, как напряжение, разделенное на длину, к которой оно приложено, то получается что электрическое поле в базе и так не будет сопоставимо с коллекторным. Ну, подам я, например, одинаковую напругу на коллектор-эмиттер и эмиттер-база, что тогда? Где ошибка?

Далее, насколько я понимаю, коллектор обычно делают больше, чем эмиттер. Это связано с тем, чтобы он мог вмещать в себя как свои собственные электроны, которые он приобретает благодаря легированию, так и электроны, поступающие из эмиттера? Плюс, вероятно, из-за намного более высокого тока, чтобы мог выдержать нагрев? Т.е. если, скажем, сделать коллектор равный по размеру эмиттеру-какие последствия будут?

Ну и хотелось бы понять, какие все-таки отличия будут у выше сказанного для транзисторов структуры p-n-p. Хотя в различных руководствах предпочитают коротко сказать, мол, «все тоже самое, только наоборот», но вызывает это определенные сомнения. Объясню, какая причина-дело в том, что если электрон, скажем так, движется сам, то движение дырок возможно лишь потому, что им «вакантное место» освобождает электрон. Поэтому, если не ошибаюсь, транзисторы типа p-n-p обладают меньшим быстродействием, по сравнению с n-p-n. Если я не прав, поправьте, пожалуйста.

Как работает транзистор?

Спросил: Тони Уилан

Ответ

Конструкция транзистора позволяет ему работать как усилитель или переключатель. Это достигается за счет использования небольшого количества электричества для управления воротами на гораздо большем подача электричества, очень похожая на поворот клапана для управления подачей воды. Транзисторы

состоят из трех частей: базы, коллектора и эмиттера.База это устройство управления затвором для большего источника электроэнергии. Коллекционер — это большее электрическое питание, и эмиттер является выходом для этого источника. Отправив различные уровни тока от базы, количество тока, протекающего через затвор от коллектора может регулироваться. Таким образом, очень небольшое количество тока может быть используется для управления большим током, как в усилителе. Тот же процесс используется для создать двоичный код для цифровых процессоров, но в этом случае порог напряжения для открытия коллекторного затвора необходимо пять вольт.Таким образом, транзистор используется в качестве переключателя с двоичной функцией: пять вольт — включено, менее пяти вольт — выключено.

Полупроводящие материалы — вот что делает возможным создание транзисторов. Большинство людей знакомы с электропроводящими и непроводящими материалами. Металлы обычно считаются как проводящие. Такие материалы, как дерево, пластик, стекло и керамика непроводящие или изоляторы. В конце 1940-х годов группа ученых, работающая в Bell Лаборатории в Нью-Джерси обнаружили, как брать определенные типы кристаллов и использовать их в качестве электронные устройства управления за счет использования их полупроводниковых свойств.Наиболее неметаллические кристаллические структуры обычно считаются изоляторами. Но по заставляя кристаллы германия или кремния расти с примесями, такими как бор или фосфора кристаллы приобретают совершенно другие электропроводящие свойства. По помещая этот материал между двумя проводящими пластинами (эмиттером и коллектором), транзистор сделан. Подавая ток на полупроводниковый материал (основание), электроны собираться до тех пор, пока не будет сформирован эффективный канал, по которому проходит электричество Учеными, ответственными за изобретение транзистора, были Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли.Их патент назывался: «Три Элемент электродной цепи из полупроводниковых материалов ».

Артикул:

Ответил: Стивен Портц, учитель технологий, средняя школа космического побережья, Флорида

Существует два основных типа транзисторов-переходных транзисторов и полевых транзисторов. Каждый работает по-своему. Но полезность любого транзистора заключается в его возможность управления сильным током при слабом напряжении. Например, транзисторы в система громкой связи усиливает (усиливает) слабое напряжение, возникающее, когда человек говорит в микрофон.Электричество, идущее от транзисторов, достаточно сильное, чтобы использовать громкоговоритель, который издает звуки намного громче, чем голос человека.

ПЕРЕХОДНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Соединительный транзистор состоит из тонкого кусочка одного типа полупроводниковый материал между двумя более толстыми слоями противоположного типа. Например, если средний слой p-типа, внешние слои должны быть n-типа. Такой транзистор является Транзистор NPN. Один из внешних слоев называется эмиттером, а другой известен. как коллекционер.Средний слой — это основа. Места присоединения эмиттера к база и база, соединяющая коллектор, называются узлами.

Слои NPN-транзистора должны иметь правильное напряжение, подключенное к ним. В Напряжение базы должно быть положительнее, чем у эмиттера. Напряжение коллектор, в свою очередь, должен быть более положительным, чем у цоколя. Напряжения питается от батареи или другого источника постоянного тока. Эмиттер подает электроны.База оттягивает эти электроны от эмиттера, потому что он имеет более положительное напряжение, чем эмиттер. Это движение электронов создает поток электричества через транзистор.

Ток проходит от эмиттера к коллектору через базу. Изменения в напряжение, подключенное к базе, изменяет поток тока, изменяя количество электроны в базе. Таким образом, небольшие изменения в базовом напряжении могут вызвать большие изменения тока, вытекающего из коллектора.

Производители также производят соединительные транзисторы PNP. В этих устройствах эмиттер и коллектор — это полупроводниковый материал p-типа и база n-типа. Соединение PNP Транзистор работает по тому же принципу, что и транзистор NPN. Но он отличается в одном уважать. Основной поток тока в транзисторе PNP регулируется путем изменения количество дырок, а не количество электронов в основании. Также этот тип Транзистор работает правильно только в том случае, если отрицательные и положительные соединения к нему являются обратная сторона транзистора NPN.

ТРАНЗИСТОРЫ ПОЛЕВОГО ЭФФЕКТА

Полевой транзистор имеет только два слоя полупроводника. материал, один поверх другого. Электричество проходит через один из слоев, называемый канал. Напряжение, подключенное к другому слою, называемому затвором, мешает ток, протекающий в канале. Таким образом, напряжение, подключенное к затвору, управляет сила тока в канале. Существует две основных разновидности полевого эффекта. транзисторы — полевой транзистор (JFET) и металлооксидный полупроводник полевой транзистор (MOSFET).Большинство транзисторов, содержащихся в сегодняшних интегральные схемы — это МОП-транзисторы.
Ответил: Джастин Шорс, ученик старшей школы

Что такое транзистор? — Эмиттер, база и коллектор

Определение: Слово «транзистор» состоит из двух слов: одно — « Trans fer», а другое — «Var istor ». Это означает, что устройство, которое передает сопротивление от одного канала схемы к другому, называется транзистором.Это трехконтактное устройство , управляемое током, , которое может работать либо как переключатель , либо как усилитель , обеспечивая слабое напряжение сигнала. Это один из важных видов активных устройств.

Значение и история транзистора

Вы, должно быть, думаете, зачем нужен транзистор ???

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

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

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

Строительство

Обсудим конструктивные особенности транзистора, как устроено это 3-х полюсное устройство. Диод — это устройство с двумя выводами, поэтому, если мы объединим два диода при условии, что один вывод является общим, полученное устройство будет состоять из трех выводов.

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

Три терминала имеют следующие конкретные имена: —

1. Излучатель
2. База
3. Коллектор

Мы обсудим функции этих трех выводов в работе транзистора.

Транзистор представляет собой полупроводниковое устройство, поэтому полупроводниковый материал, используемый в его конструкции, может быть либо германием , , либо кремнием , , но кремний предпочтительнее германия, поскольку он имеет на меньший ток отсечки.

Работа транзистора

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

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

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

Несмещенный транзистор

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

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

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

В основном транзисторы работают в трех регионах, а именно:

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

Преимущества использования транзисторов

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

Недостатки использования транзисторов

1. Низкая рабочая частота: Обладает рабочей частотой только до определенных МГц.Это делает его вне лиги, когда дело доходит до высокочастотных приложений.
2. Низкая рабочая температура: Существует пороговое значение температуры, при превышении которого транзистор может выйти из строя. Предел порога составляет 75ᵒC. Таким образом, мы не можем эксплуатировать его выше этого температурного диапазона.

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

Основы работы с транзисторами

Основы работы с транзисторами

НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ ДЛЯ УКАЗАТЕЛЬНОЙ СТРАНИЦЫ

ТРАНЗИСТОРЫ

В. Райан 2002 — 09

ФАЙЛ PDF — НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ ДЛЯ ПЕЧАТНОЙ ВЕРСИИ РАБОЧАЯ ТАБЛИЦА НА ОСНОВЕ УПРАЖНЕНИЯ НИЖЕ
Транзисторы можно рассматривать как разновидность переключателя, так как может много электронных компонентов.Они используются в различных схемах и вы обнаружите, что схема, построенная в школе, Технологический отдел не содержит хотя бы одного транзистора. Они есть центральное место в электронике и бывает двух основных типов; НПН и ПНП. Наиболее схемы обычно используют NPN. Существуют сотни работающих транзисторов. при разных напряжениях, но все они попадают в эти две категории.
			ДВА ПРИМЕРА РАЗЛИЧНЫЕ ФОРМЫ ТРАНЗИСТОРА
Транзисторы бывают разной формы, но у них есть три отведения (ноги). BASE — вывод, отвечающий за активацию транзистора. КОЛЛЕКТОР — положительный вывод. EMITTER — отрицательный провод. На схеме ниже показан символ транзистора NPN . Они не всегда располагайте так, как показано на схемах слева и справа, хотя вкладка на типе, показанном слева, обычно находится рядом с эмиттер.
Выводы на транзистор не всегда может быть в таком расположении. При покупке транзистор, в направлениях обычно четко указывается, какой вывод является БАЗА, ЭМИТТЕР или КОЛЛЕКТОР.
ПРОСТОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРА
ДИАГРАММА ‘A’	ДИАГРАММА ‘B’
На схеме A показан NPN-транзистор, который часто используется как переключатель.Небольшой ток или напряжение на база позволяет большему напряжению проходить через два других вывода (с коллектора на эмиттер ). Схема, показанная на схеме B , основана на транзисторе NPN. При нажатии переключателя ток проходит через резистор в база транзистора. Затем транзистор пропускает ток. течет с +9 вольт на 0вс, и лампа загорается. Транзистор должен получить напряжение на своей базе и до тех пор, пока это случается лампа не горит. Резистор присутствует для защиты транзистора, так как они могут быть повреждены легко из-за слишком высокого напряжения / тока. Транзисторы необходимы компонент во многих схемах и иногда используется для усиления сигнала.
НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ, ЧТОБЫ УЗНАТЬ БОЛЬШЕ ТРАНЗИСТОРЫ (ПАРЫ ДАРЛИНГТОНА)
НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ ДЛЯ ИНДЕКСА ЭЛЕКТРОНИКИ СТР.

4.3: Проверка счетчика транзистора (BJT)

Биполярные транзисторы состоят из трехслойного полупроводникового «сэндвича» PNP или NPN. Таким образом, транзисторы регистрируются как два диода, соединенных последовательно при тестировании с помощью функции «сопротивления» или «проверки диодов» мультиметра, как показано на рисунке ниже. Показания низкого сопротивления на базе с черными отрицательными (-) выводами соответствуют материалу N-типа в базе транзистора PNP. На символе на материал N-типа «указывает» стрелка перехода база-эмиттер, которая является базой для этого примера.Эмиттер P-типа соответствует другому концу стрелки перехода база-эмиттер, эмиттеру. Коллектор очень похож на эмиттер, а также является материалом P-типа PN перехода.

Проверка счетчика транзисторов PNP: (a) прямые B-E, B-C, сопротивление низкое; (б) обратные B-E, B-C, сопротивление ∞.

Здесь я предполагаю использовать мультиметр с функцией только одного диапазона (сопротивления) для проверки PN-переходов. Некоторые мультиметры оснащены двумя отдельными функциями проверки целостности цепи: сопротивлением и «проверкой диодов», каждая из которых имеет собственное назначение.Если ваш измеритель имеет назначенную функцию «проверки диодов», используйте ее, а не диапазон «сопротивления», и измеритель будет отображать фактическое прямое напряжение PN-перехода, а не только то, проводит ли он ток.

Показания счетчика, конечно, будут прямо противоположными для NPN-транзистора, причем оба PN-перехода обращены в другую сторону. Показания низкого сопротивления с красным (+) проводом на базе — это «противоположное» состояние для NPN-транзистора.

Если в этом тесте используется мультиметр с функцией «проверки диодов», будет обнаружено, что переход эмиттер-база имеет немного большее прямое падение напряжения, чем переход коллектор-база.Эта прямая разница напряжений возникает из-за несоответствия в концентрации легирования между эмиттерной и коллекторной областями транзистора: эмиттер представляет собой гораздо более легированный кусок полупроводникового материала, чем коллектор, в результате чего его соединение с базой создает более высокое прямое напряжение. уронить.

Зная это, становится возможным определить, какой провод какой на немаркированном транзисторе. Это важно, потому что упаковка транзисторов, к сожалению, не стандартизирована.Конечно, все биполярные транзисторы имеют три провода, но расположение этих трех проводов на физическом корпусе не организовано в каком-либо универсальном стандартизированном порядке.

Предположим, технический специалист находит биполярный транзистор и приступает к измерению целостности цепи с помощью мультиметра, установленного в режиме «проверки диодов». Измеряя между парами проводов и записывая значения, отображаемые измерителем, технический специалист получает данные, показанные на рисунке ниже.

Неизвестный биполярный транзистор.Какие терминалы являются эмиттерным, базовым и коллекторным? Показания омметра между клеммами.

Единственными комбинациями контрольных точек, дающими проводящие показания измерителя, являются провода 1 и 3 (красный измерительный провод на 1 и черный измерительный провод на 3) и провода 2 и 3 (красный измерительный провод на 2 и черный измерительный провод на 3). Эти два показания должны указывать на прямое смещение перехода эмиттер-база (0,655 В) и перехода коллектор-база (0,621 В).

Теперь ищем один провод, общий для обоих наборов показаний проводимости.Это должно быть базовое соединение транзистора, потому что база является единственным слоем трехслойного устройства, общим для обоих наборов PN-переходов (эмиттер-база и коллектор-база). В этом примере этот провод имеет номер 3 и является общим для комбинаций контрольных точек 1-3 и 2-3. В обоих этих наборах показаний измерителя тестовый провод черный (-) касался провода 3, что говорит нам о том, что база этого транзистора сделана из полупроводникового материала N-типа (черный = отрицательный). Таким образом, транзистор представляет собой PNP с базой на проводе 3, эмиттером на проводе 1 и коллектором на проводе 2, как показано на рисунке ниже.

Клеммы BJT, идентифицируемые омметром.

Обратите внимание, что базовый провод в этом примере — это , а не — средний вывод транзистора, как можно было бы ожидать от трехслойной «сэндвич-модели» биполярного транзистора. Это довольно часто бывает и сбивает с толку новичков, изучающих электронику. Единственный способ узнать, какой именно провод — это проверить счетчик или обратиться к документации производителя на этот конкретный номер детали транзистора.

Знание того, что биполярный транзистор ведет себя как два встречных диода при тестировании с помощью измерителя проводимости, полезно для идентификации неизвестного транзистора исключительно по показаниям измерителя. Это также полезно для быстрой функциональной проверки транзистора. Если бы техник измерил целостность цепи более чем в двух или менее чем в двух из шести комбинаций измерительных выводов, он или она немедленно узнал бы, что транзистор неисправен (или что это не биполярный транзистор, а скорее что-то еще — отличная возможность, если для точной идентификации нельзя сослаться на номера деталей!).Однако модель транзистора с «двумя диодами» не может объяснить, как и почему он действует как усилительное устройство.

Чтобы лучше проиллюстрировать этот парадокс, давайте рассмотрим одну из схем транзисторного переключателя, используя физическую схему на рисунке ниже, а не схематический символ, представляющий транзистор. Таким образом будет легче увидеть два PN-перехода.

Небольшой базовый ток, протекающий в смещенном в прямом направлении переходе база-эмиттер, позволяет протекать большому току через смещенный в обратном направлении переход база-коллектор.

Диагональная стрелка серого цвета показывает направление потока электронов через переход эмиттер-база. Эта часть имеет смысл, поскольку электроны текут от эмиттера N-типа к базе P-типа: переход явно смещен в прямом направлении. А вот переход база-коллектор — совсем другое дело. Обратите внимание, как толстая стрелка серого цвета указывает в направлении потока электронов (вверх) от базы к коллектору. Поскольку основание выполнено из материала P-типа, а коллектор из материала N-типа, это направление электронного потока явно противоположно направлению, обычно ассоциируемому с PN-переходом! Обычное PN-соединение не допустит этого «обратного» направления потока, по крайней мере, без существенного сопротивления.Однако насыщенный транзистор оказывает очень слабое сопротивление электронам на всем пути от эмиттера до коллектора, о чем свидетельствует освещение лампы!

Очевидно, что здесь происходит что-то, что противоречит простой объяснительной модели «двух диодов» биполярного транзистора. Когда я впервые узнал о работе транзисторов, я попытался построить свой собственный транзистор из двух последовательно включенных диодов, как показано на рисунке ниже.

Пара встречных диодов не работает как транзистор!

Моя схема не работала, и я был озадачен.Каким бы полезным ни было описание транзистора «два диода» для целей тестирования, оно не объясняет, как транзистор ведет себя как управляемый переключатель.

В транзисторе происходит следующее: обратное смещение перехода база-коллектор предотвращает ток коллектора, когда транзистор находится в режиме отсечки (то есть, когда ток базы отсутствует). Если переход база-эмиттер смещен в прямом направлении управляющим сигналом, обычно блокирующее действие перехода база-коллектор отменяется, и через коллектор разрешается ток, несмотря на то, что электроны проходят «неправильным путем» через этот PN соединение.Это действие зависит от квантовой физики полупроводниковых переходов и может иметь место только тогда, когда два перехода должным образом разнесены и концентрации легирования трех слоев правильно пропорциональны. Два диода, соединенные последовательно, не соответствуют этим критериям; верхний диод никогда не может «включиться» при обратном смещении, независимо от того, сколько тока проходит через нижний диод в контуре базового провода. См. Раздел «Биполярные переходные транзисторы», глава 2, для получения более подробной информации.

То, что концентрации легирования играют решающую роль в особых возможностях транзистора, также подтверждается тем фактом, что коллектор и эмиттер не являются взаимозаменяемыми.Если рассматривать транзистор просто как два соединенных друг с другом PN перехода или просто как простой сэндвич из материалов N-P-N или P-N-P, может показаться, что любой конец транзистора может служить коллектором или эмиттером. Однако это не так. При подключении «в обратном направлении» в цепи ток база-коллектор не сможет управлять током между коллектором и эмиттером. Несмотря на то, что и эмиттерный, и коллекторный слои биполярного транзистора имеют одно и то же легирование типа (либо N, либо P), коллектор и эмиттер определенно не идентичны!

Ток через переход эмиттер-база пропускает ток через переход база-коллектор с обратным смещением.Действие базового тока можно представить как «открытие затвора» для тока через коллектор. Более конкретно, любая заданная величина тока эмиттер-база допускает ограниченную величину тока базы-коллектора. На каждый электрон, который проходит через переход эмиттер-база и далее через базовый провод, через переход база-коллектор проходит определенное количество электронов, и не более того.

В следующем разделе это ограничение тока транзистора будет исследовано более подробно.

Обзор

• При тестировании мультиметром в режимах «сопротивление» или «проверка диодов» транзистор ведет себя как два встречных PN (диодных) перехода.
• PN-переход эмиттер-база имеет немного большее прямое падение напряжения, чем PN-переход коллектор-база, из-за более сильного легирования полупроводникового слоя эмиттера.
• Переход база-коллектор с обратным смещением обычно блокирует прохождение любого тока через транзистор между эмиттером и коллектором.Однако этот переход начинает проводить, если ток проходит через базовый провод. Базовый ток можно рассматривать как «открытие затвора» для определенного ограниченного количества тока через коллектор.

chet_paynter_introduct_6 | Биполярные переходные транзисторы | Краткое содержание главы

Биполярный переходной транзистор (BJT) представляет собой устройство с тремя выводами. Клеммы называются эмиттером , базовым, и коллекторным . Как показано на рис. 6-1, коллектор и эмиттер изготовлены из полупроводникового материала одного и того же типа (типа n- или типа p-), а основание состоит из другого.

Рисунок 6-1. Конструкция транзистора.

Схематические обозначения транзисторов на Рисунке 6-1 показаны на Рисунке 6-2. Стрелка в условном обозначении:

• Помогает идентифицировать выводы транзистора.
• Всегда указывает на материал типа n .
• Указывает направление тока эмиттера.

Рисунок 6-2. Условные обозначения транзисторов.

Токи на клеммах транзисторов показаны на рисунке 6.2 текста. Ток эмиттера () обычно имеет наибольшее значение из трех, за ним следует ток коллектора (). Обратите внимание, что направления тока для транзистора pnp противоположны направлениям тока для транзистора npn .

Значения и определяются в первую очередь значением базового тока (). В нормальных условиях изменяется, вызывая аналогичное изменение и. По этой причине транзистор называется устройством с регулируемым током .

В нормальных условиях связь между и выражается как

, где (греческая буква бета) — это коэффициент усиления по току транзистора. Отношения между, и демонстрируется на протяжении всей главы. Различные напряжения, присутствующие в типичной транзисторной схеме, описаны в таблице 6.1 и измерены, как показано на рисунке 6.3.
Устройство и работа транзистора

Транзистор имеет два перехода pn , как показано на рисунке 6-3.Обычно компонент смещается с использованием одной из трех комбинаций, показанных на рисунке.

Когда транзистор находится в состоянии отсечки , его переходы коллектор-база и база-эмиттер смещены в обратном направлении. Эта комбинация смещения показана на рисунке 6.6. При смещении в отсечке транзистор пропускает только небольшое количество тока утечки через цепи эмиттера и коллектора. Для всех практических целей мы можем предположить, что когда транзистор смещен в отсечке.

Рисунок 6-3. Комбинации смещения соединений.

Когда транзистор смещен в ноль , что означает, что к двум переходам не приложены внешние потенциалы смещения, присутствуют обедненные слои, и транзистор фактически находится в состоянии отсечки. Смещение нуля показано на рисунке 6.5.

Противоположность отсечки — , насыщенность . Когда транзистор находится в состоянии насыщения, его переходы коллектор-база и база-эмиттер смещены на вперед и на .В этом случае и достигают своих максимальных значений , что определяется напряжением питания и значениями сопротивления в цепях коллектора и эмиттера. Эта концепция проиллюстрирована на рисунке 6.7.

Когда транзистор работает в своей активной области , его переход база-эмиттер смещен на вперед, , а переход коллектор-база смещен в обратном направлении, . Эта комбинация смещения показана на рисунке 6.8. Как показано на рисунке, когда транзистор работает в своей активной области.Характеристики трех рабочих областей транзистора приведены на рисунке 6.9.

Транзистор — это устройство , управляемое током. В результате его конструкции небольшое изменение приводит к большему изменению других оконечных токов. Более сильное изменение и является результатом усиления транзистора по току, как показано в Примере 6.1.

Согласно действующему закону Кирхгофа, ток (токи), покидающий компонент, должен быть равен току (токам), входящему в компонент.Следовательно,

Поскольку значение обычно намного больше, чем значение, мы обычно предполагаем это.

dc beta ( ) номинал транзистора — это отношение к. В номинал для данного транзистора указан в спецификации компонента. Этот рейтинг важен, потому что в наиболее распространенных транзисторных схемах база используется в качестве входной клеммы, а коллектор — в качестве выходной клеммы. Следовательно, представляет собой отношение выходного постоянного тока к входному постоянному току.Когда вы знаете ценности и ток любой клеммы транзистора, можно определить значения двух других клеммных токов. Этот принцип продемонстрирован в примерах с 6.2 по 6.4.

Модель dc alpha ( ) номинал транзистора — это отношение к. Поскольку значение всегда на меньше , чем на единицу (1). В отличие от , то номинал для данного транзистора обычно не указывается в его технических характеристиках. Однако его значение можно рассчитать, используя рейтинг следующим образом:

Справедливость этого отношения продемонстрирована в Примере 6.5.

Максимально допустимое значение для данного транзистора обычно указано в его технических характеристиках. Как показано в Примере 6.6, максимально допустимое значение базового тока можно найти как

Еще один номинальный ток, который обычно можно найти в спецификациях, — это максимальный ток отсечки . Это максимальная величина тока утечки, которую допускает транзистор, когда он смещен в отсечке, измеренный при заданных значениях и в обратном направлении. Типичные значения напряжения включают следующее:

• : Напряжение обратного пробоя коллектор-база, измеренное при разомкнутой клемме эмиттера.
• : Напряжение обратного пробоя коллектор-эмиттер, измеренное при разомкнутой клемме базы.
• : Напряжение обратного пробоя эмиттер-база, измеренное при разомкнутой клемме коллектора.

Эти номинальные напряжения показаны на Рисунке 6.20.

Характеристика кривая для транзистора иллюстрирует взаимосвязь между его значениями, и. Кривая иллюстрирует насыщенность, , активный и пробой характеристики устройства, как показано на рисунке 6.21. Обычно работа транзистора представлена ​​с помощью составной коллекторных кривых, подобных показанной на рис. 6.25. Обратите внимание, что область кривой под линией представляет рабочую область отсечки .

Есть несколько других рабочих характеристик транзисторов, которые обычно представляют интерес. Среди них базовая кривая и бета-кривая . Базовая кривая транзистора очень похожа на прямую рабочую кривую диода.Бета-кривая транзистора показывает соотношение между бета-коэффициентом, и рабочей температурой. Как показывает бета-кривая:

• Бета увеличивается с увеличением до некоторого указанного значения (которое указано в спецификации устройства). Как только это значение будет превышено, дальнейшее увеличение тока коллектора приведет к уменьшению на в бета-версии.
• Бета увеличивается при повышении рабочей температуры.

Типичные базовые и бета-кривые для транзистора показаны на рисунках 6.26 и 6.27.

В спецификациях транзисторов перечислены различные максимальные номинальные значения , тепловые характеристики и электрические характеристики . В разделе спецификации максимальные характеристики перечислены параметры, которые нельзя превышать, не рискуя повредить компонент.

Часть технических характеристик, относящаяся к тепловым характеристикам, содержит значения термического сопротивления () для компонента. Термическое сопротивление — это сопротивление потоку тепла, измеряемое в градусах Цельсия на ватт ().Значение теплового сопротивления указывает на повышение температуры на один ватт рассеиваемой мощности. Идеальный компонент должен иметь рейтинг, указывающий на то, что он может рассеивать любое количество энергии без повышения температуры.

Раздел технических характеристик , электрические характеристики , как правило, делится на группы номинальных значений, такие как с характеристиками и с характеристиками . Эти характеристики указывают на гарантированные рабочие характеристики компонента, измеренные в определенных условиях.Образец спецификации транзистора можно увидеть на Рисунке 6.28.

Транзистор можно проверить с помощью омметра, как показано на рисунке 6.30. Каждый переход транзистора проверяется, как показано на рисунке. Проблема указывается, если у любого из соединений:

• Низкое
прямое и обратное сопротивление
• Высокое
прямое и обратное сопротивление

(Помните: pn -переход должен иметь низкое прямое сопротивление и высокое обратное сопротивление .) После проверки двух переходов измеряется сопротивление транзистора от коллектора к эмиттеру. Это сопротивление должно быть чрезвычайно высоким в обоих направлениях . Если транзистор не проходит ни одну из этих проверок, он неисправен и подлежит замене. Обратите внимание, что транзисторы чаще всего тестируются с помощью устройства проверки транзисторов . У каждого средства проверки транзисторов есть свои инструкции по тестированию различных типов транзисторов.

Принципы, обсуждаемые в терминах транзисторов npn , также применимы к транзисторам pnp .Разница между ними заключается в напряжении полярностях и направлениях тока , как показано на рисунке 6.33.

Напряжения питания, используемые для смещения транзисторов, обычно получаются от источника питания постоянного тока системы , как показано на рисунке 6.33.

Существует множество транзисторов npn и pnp , каждый из которых обладает своими уникальными достоинствами. Среди них следующие:

• Интегрированные транзисторы
содержат более одного транзистора в интегрированном виде.Эти компоненты экономят место и снижают производственные затраты. (См. Рисунок 6.34 текста.)
• Высоковольтные транзисторы
имеют чрезвычайно высокие характеристики обратного пробоя. Эти компоненты предназначены для использования в системах, содержащих высокие напряжения смещения. (См. Рисунок 6.35 текста.)
• Сильноточные транзисторы
имеют чрезвычайно высокий максимальный ток коллектора. Эти компоненты предназначены для использования в сильноточных приложениях. (См. Рисунок 6.36 текста.)
• Мощные транзисторы
имеют чрезвычайно высокие показатели рассеиваемой мощности. Они предназначены для использования в цепях, где относительно высокие напряжения и токи приводят к высоким требованиям к рассеиваемой мощности. (См. Рисунок 6.37 текста.)
• Транзисторы для поверхностного монтажа
содержатся в корпусах, которые намного меньше и легче, чем их стандартные ИС-аналоги. Эти компоненты используются в приложениях с низким энергопотреблением, где размер является важным фактором.(См. Рисунок 6.38 текста.)

Транзистор NPN

NPN транзистор

Когда единственный р-тип полупроводниковый слой зажат между двумя n-типами полупроводниковых слоев формируется npn-транзистор.

NPN символ транзистора

символ цепи и диод Аналог npn-транзистора показан на рисунке ниже.

В На приведенном выше рисунке показано, что электрическая ток всегда течет из p-области в n-область.

NPN конструкция транзистора

npn-транзистор состоит из трех полупроводниковых слоев: одного полупроводниковый слой p-типа и два полупроводника n-типа слои.

Полупроводниковый слой p-типа зажат между двумя полупроводниковые слои.

npn-транзистор имеет три вывода: эмиттер, база и коллектор. Вывод эмиттера подключается к левой стороне слой n-типа. Клемма коллектора подключается справа боковой слой n-типа. Базовый терминал подключается к слой р-типа.

npn-транзистор имеет два p-n переходы. Между эмиттером образуется один стык. и база.Этот переход называется переходом эмиттер-база или эмиттерный переход. Другой стык образуется между база и коллектор. Это соединение называется коллекторно-базовым. переход или коллекторный переход.

Рабочие транзистора npn

Беспристрастный npn транзистор

Когда нет напряжения применяется к транзистору, он называется несмещенным транзистор.Слева n-область (эмиттер) и справа n-регион (коллектор), бесплатно электроны — основные носители, а дырки — неосновные носители, тогда как в p-области (основание) дырки являются основные носители и свободные электроны составляют меньшинство перевозчики.

ср знать, что носители заряда (свободные электроны и дырки) всегда старайтесь перейти от области более высокой концентрации к более низкой область концентрации.

Для свободные электроны, n-область — область более высокой концентрации а p-область — область более низкой концентрации. Аналогично для дырок, p-область — область более высокой концентрации и n-область — область более низкой концентрации.

Следовательно, в свободные электроны в левой n-области (эмиттер) и справа боковая n-область (коллектор) испытывает силу отталкивания от друг с другом.В результате свободные электроны слева а правые боковые n-области (эмиттер и коллектор) переместятся в p-область (основание).

Во время В этом процессе свободные электроны встречаются с дырками в p-область (основание) возле стыка и залейте им. Как результат, истощение область (положительные и отрицательные ионы) формируется на эмиттер к переходу базы и переход от базы к коллектору.

в эмиттер к базовому переходу, область обеднения пронизана аналогично, ближе к основанию; на базе коллекционеру переход, область истощения проникает больше в сторону базовая сторона.

Это потому что на переходе эмиттер-база эмиттер сильно легирован, а основание слегка легировано, поэтому обедненная область проник больше в сторону основания и меньше в сторону сторона эмиттера.Точно так же на переходе от базы к коллектору коллектор сильно легирован, а основание слегка легировано, поэтому область истощения проникает больше к основанию и меньше в сторону коллектора.

коллектор область слабо легирована, чем область эмиттера, поэтому ширина обедненного слоя на стороне коллектора больше ширина обедненного слоя на стороне эмиттера.

Почему истощение область проникает больше к слаболегированной стороне, чем сильно легированная сторона?

ср знать, что легирование — это процесс добавления примесей в собственный полупроводник для улучшения его электрических проводимость. Электропроводность полупроводника это зависит от добавленного к нему уровня допинга.

Если полупроводниковый материал сильно легирован, его электрические проводимость очень высокая. Это означает, что сильно допированный полупроводниковый материал имеет большое количество носителей заряда которые проводят электрический ток.

Если полупроводниковый материал слегка легирован, его электрические проводимость очень низкая. Это означает, что слегка допированный полупроводниковый материал имеет небольшое количество носителей заряда которые проводят электрический ток.

ср знать, что в полупроводнике n-типа свободные электроны являются основные носители заряда и дырки являются неосновным зарядом перевозчики.

В npn транзистор, левая сторона n-области (эмиттер) сильно допированный. Таким образом, у эмиттера большое количество свободных электронов.

ср знать, что в полупроводнике p-типа дырки составляют большинство носители заряда и свободные электроны являются неосновным зарядом перевозчики.

p-область (база) слабо легирована. Так что база имеет небольшой количество отверстий.

правая сторона n-области (коллектор) умеренно легирована. Его уровень легирования находится между уровнем эмиттера и базы.

Когда атом теряет или отдает электрон, становится положительным ионом. С другой стороны, когда атом получает или принимает электрон, он становится отрицательным ионом.

атомы, которые отдают электроны, известны как доноры, а атомы которые принимают электроны, известны как акцепторы.

Излучатель-база стыковка:

Пусть Предположим, что в левой n-области (эмиттере) каждый атом имеет три свободных электрона, а в p-области каждый атом имеет одну дырку.

Во время распространение процесса, свободные электроны движутся от эмиттера (n-область) к базе (p-область).Точно так же отверстия перемещаются от основания (p-область) к эмиттеру (n-область).

в эмиттер-база переход, когда атомы n-области (эмиттера) встречаются с p-областью (основные) атомы, каждый атом n-области отдает три свободных электрона к трем атомам p-области. В результате n-область (эмиттер) атом, отдающий три свободных электрона, станет положительным ион и три атома p-области (основания), которые принимают (каждый принять один свободный электрон) три свободных электрона станут отрицательные ионы.Таким образом, каждый положительный ион n-области (эмиттера) производит три отрицательных иона p-области (основания).

Следовательно, в область истощения на переходе эмиттер-база содержит больше отрицательные ионы, чем положительные. Отрицательные ионы находятся в p-области (основании) вблизи перехода и положительных ионов находятся в n-области (эмиттере) рядом с переходом.

Следовательно, в область истощения проникает больше в p-область (база), чем n-область (эмиттер).

База-коллектор стыковка:

Пусть Предположим, что в правой части n-области (коллектора) каждый атом имеет два свободных электрона, а в p-области каждый атом имеет по одному отверстие.

Во время процесс диффузии, свободные электроны движутся от коллектора (n-область) к основанию (p-область).Точно так же дыры перемещаются из база (p-область) к коллектору (n-область).

в сборщик базы переход, когда атомы n-области (коллектора) встречаются с атомы p-области (основания), каждый атом n-области (коллектор) отдает два свободных электрона на два атома p-области (основания). Как результат, атом n-области (коллектор), отдающий два свободных электрона станет положительным ионом, и два атома p-области (основания) который принимает (каждый принимает один свободный электрон) два свободных электроны станут отрицательными ионами.Таким образом, каждая n-область (коллектор) положительный ион производит две p-области (основание) отрицательных ионы.

Следовательно, в область истощения на стыке база-коллектор содержит больше отрицательные ионы, чем положительные. Отрицательные ионы находятся в p-области (основании) вблизи перехода и положительных ионов находятся в n-области (коллектор) рядом с переходом.

Следовательно, в область истощения проникает больше в p-область (база), чем n-регион (коллектор).

Однако ширина обедненного слоя на стороне коллектора более ширина обедненного слоя на стороне эмиттера. Это потому, что коллекторная область слабо легирована, чем эмиттерная.

предвзято npn транзистор

Когда внешний напряжение подается на транзистор npn, это называется смещенный npn-транзистор.В зависимости от полярности приложенное напряжение, npn Транзистор может работать в трех режимах: активный режим, режим отсечки и режим насыщения.

npn-транзистор часто работает в активном режиме, потому что в В активном режиме npn-транзистор усиливает электрический ток.

Так Давайте посмотрим, как работает npn-транзистор в активном режиме.

Пусть Рассмотрим транзистор npn, как показано на рисунке ниже. В На приведенном ниже рисунке переход эмиттер-база смещен в прямом направлении. постоянным напряжением V _EE и переходом база-коллектор имеет обратное смещение напряжением постоянного тока V _CC .

Излучатель-база стыковка:

Срок к прямому смещению большое количество свободных электронов в левая сторона n-области (излучатель) испытывает силу отталкивания от отрицательная клемма батареи постоянного тока, а также они испытать силу притяжения от положительного полюса батарея.В результате свободные электроны начинают течь. от эмиттера к базе. Аналогичным образом отверстия в основании испытать отталкивающую силу от положительного вывода аккумулятор, а также ощутите притягательную силу от отрицательная клемма аккумуляторной батареи. В итоге дыры начинаются течет от базы к эмиттеру.

Срок к приложенному внешнему напряжению каждый атом эмиттера имеет больше чем один или два свободных электрона.Следовательно, каждый атом-эмиттер жертвует более одного или двух свободных электронов более положительным ионы. В результате положительные ионы становятся нейтральными. Точно так же каждый базовый атом принимает большее количество электронов. от большего количества отрицательных ионов. В результате отрицательные ионы становятся нейтральный. Мы знаем, что область истощения — это не что иное, как комбинация положительных и отрицательных ионов.

Таким образом, ширина обеднения на переходе эмиттер-база уменьшается на приложение напряжения прямого смещения.

ср знайте, что электрический ток означает поток носителей заряда. В свободные электроны (отрицательные носители заряда) текут от эмиттера к база, в то время как дырки (носители положительного заряда) текут из базы к эмитенту.Эти носители заряда проводят электрический ток. Однако обычные Текущее направление совпадает с направлением отверстий.

Таким образом, электрический ток течет от базы к эмиттеру.

База-коллектор стыковка:

Срок к обратному смещению большое количество свободных электронов в правая сторона n-области (коллектор) испытывает силу притяжения от положительной клеммы аккумуляторной батареи.Следовательно, бесплатные электроны удаляются от перехода и текут к положительный полюс аккумуляторной батареи. В результате большое количество нейтральных атомов коллектора теряет электроны и становится положительные ионы. С другой стороны, дырки в p-области (основание) испытать силу притяжения с отрицательного полюса батарея. Следовательно, отверстия удаляются от стыка и течь к отрицательной клемме аккумулятора.Как В результате большое количество нейтральных основных атомов приобретает электроны и становится отрицательными ионами.

Таким образом, ширина обедненной области увеличивается у базы-коллектора соединение. Другими словами, количество положительных и отрицательных ионов увеличивается на переходе база-коллектор.

Коллектор-база-эмиттер текущий:

свободные электроны, которые текут от эмиттера к базе из-за прямое смещение будет сочетаться с отверстиями в основании.Однако, основа очень тонкая и слегка легированная. Так что только небольшой процент свободных электронов эмиттера объединяется с дырками в базовом регионе. Оставшееся большое количество бесплатных электроны пересекают базовую область и достигают коллекторский регион. Это связано с положительным напряжением питания. применяется у коллекционера. Следовательно, свободные электроны текут из эмиттера. коллекционеру.На коллекторе оба эмиттера свободные электроны и электроны, свободные от коллектора, производят ток, протекая к положительной клемме аккумулятора. Следовательно, на выходе вырабатывается усиленный ток.

В npn-транзистор, электрический ток в основном проводится через свободные электроны.

Работа транзистора как переключателя

В этом руководстве по транзисторам мы узнаем о работе транзистора как переключателя.Переключение и усиление — это две области применения транзисторов и транзисторов, поскольку коммутатор является основой для многих цифровых схем. Мы изучим различные режимы работы (активный, насыщение и отключение) транзистора, то, как транзистор работает как переключатель (как NPN, так и PNP), а также некоторые практические прикладные схемы, использующие транзистор в качестве переключателя.

Введение

Транзисторы — это трехслойное полупроводниковое устройство с тремя выводами, которое часто используется в операциях усиления и переключения сигналов.Как одно из важных электронных устройств, транзистор нашел применение в огромном количестве приложений, таких как встроенные системы, цифровые схемы и системы управления.

Вы можете найти транзисторы как в цифровой, так и в аналоговой областях, поскольку они широко используются для различных приложений, таких как схемы переключения, схемы усилителя, схемы питания, цифровые логические схемы, регуляторы напряжения, схемы генераторов и т. Д.

В этой статье основное внимание уделяется переключающему действию транзистора и дается краткое объяснение транзистора как переключателя.

Краткое описание BJT

Существует два основных семейства транзисторов: транзисторы с биполярным переходом (BJT) и полевые транзисторы (FET). Биполярный транзистор или просто БЮТ представляет собой трехслойное полупроводниковое устройство с тремя выводами и двумя переходами. Он состоит из двух PN-переходов, соединенных спина к спине с общим средним слоем.

Когда мы говорим термин «транзистор», он часто относится к BJT. Это устройство, управляемое током, в котором выходной ток регулируется входным током.Название биполярное указывает на то, что два типа носителей заряда, то есть электроны и дырки, проводят ток в BJT, где дырки являются носителями положительного заряда, а электроны — носителями отрицательного заряда.

Транзистор имеет три области: базу, эмиттер и коллектор. Эмиттер представляет собой сильно легированный вывод и испускает электроны в базу. Вывод базы слегка легирован и передает электроны, инжектированные эмиттером, на коллектор. Вывод коллектора умеренно легирован и собирает электроны с базы.Этот коллектор больше по сравнению с двумя другими областями, поэтому он может рассеивать больше тепла.

BJT бывают двух типов: NPN и PNP. Оба они работают одинаково, но различаются по смещению и полярности источника питания. В транзисторе PNP материал N-типа зажат между двумя материалами P-типа, тогда как в случае транзистора NPN материал P-типа зажат между двумя материалами N-типа.

Эти два транзистора могут иметь разные типы, такие как общий эмиттер, общий коллектор и общая база.

Если вы хотите работать с MOSFET в качестве коммутатора, сначала изучите основы MOSFET.

Режимы работы транзисторов

В зависимости от условий смещения, таких как прямое или обратное, транзисторы имеют три основных режима работы, а именно области отсечки, активности и насыщения.

Активный режим

В этом режиме транзистор обычно используется в качестве усилителя тока. В активном режиме два перехода смещены по-разному, что означает, что переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, тогда как переход коллектор-база смещен в обратном направлении.В этом режиме ток течет между эмиттером и коллектором, и величина протекающего тока пропорциональна базовому току.

Режим отсечки

В этом режиме коллекторный базовый переход и эмиттерный базовый переход смещены в обратном направлении. Поскольку оба PN-перехода имеют обратное смещение, ток почти не протекает, за исключением небольших токов утечки (обычно порядка нескольких наноампер или пикоампер). BJT в этом режиме выключен и, по сути, представляет собой разомкнутую цепь.

Область отсечки в основном используется в коммутационных и цифровых логических схемах.

Режим насыщения

В этом режиме работы переходы эмиттер-база и коллектор-база смещены в прямом направлении. Ток свободно течет от коллектора к эмиттеру с почти нулевым сопротивлением. В этом режиме транзистор полностью включен и представляет собой замкнутую цепь.

Область насыщения также в основном используется в коммутационных и цифровых логических схемах.

На рисунке ниже показаны выходные характеристики BJT. На приведенном ниже рисунке область отсечки имеет рабочие условия, когда выходной ток коллектора равен нулю, нулевой базовый входной ток и максимальное напряжение коллектора.Эти параметры приводят к образованию большого обедненного слоя, который также не позволяет току течь через транзистор. Следовательно, транзистор полностью выключен.

Аналогично, в области насыщения транзистор смещен таким образом, что прикладывается максимальный ток базы, что приводит к максимальному току коллектора и минимальному напряжению коллектор-эмиттер. Это приводит к уменьшению размера обедненного слоя и пропусканию максимального тока через транзистор. Следовательно, транзистор полностью открыт.

Следовательно, из приведенного выше обсуждения мы можем сказать, что транзисторы можно заставить работать как твердотельный переключатель ВКЛ / ВЫКЛ, работая транзистором в областях отсечки и насыщения. Этот тип коммутационного приложения используется для управления светодиодами, двигателями, лампами, соленоидами и т. Д.

Транзистор как переключатель

Транзистор может использоваться для переключения для размыкания или замыкания цепи. Твердотельное переключение этого типа обеспечивает значительную надежность и меньшую стоимость по сравнению с обычными реле.

В качестве переключателей можно использовать транзисторы NPN и PNP. В некоторых приложениях в качестве переключающего устройства используется силовой транзистор, при этом может потребоваться другой транзистор уровня сигнала для управления мощным транзистором.

Транзистор NPN как переключатель

На основе напряжения, приложенного к клемме базы, выполняется операция переключения транзистора. Когда между базой и эмиттером приложено достаточное напряжение (V _IN > 0,7 В), напряжение между коллектором и эмиттером примерно равно 0.Следовательно, транзистор действует как короткое замыкание. Коллекторный ток V _CC / R _C протекает через транзистор.

Точно так же, когда на входе нет напряжения или нулевого напряжения, транзистор работает в области отсечки и действует как разомкнутая цепь. В этом типе коммутационного соединения нагрузка (здесь светодиод используется в качестве нагрузки) подключается к коммутационному выходу с контрольной точкой. Таким образом, когда транзистор включен, ток будет течь от источника к земле через нагрузку.

Пример транзистора NPN в качестве переключателя

Рассмотрим пример ниже, где сопротивление базы R _B = 50 кОм, сопротивление коллектора R _C = 0,7 кОм, V _CC равно 5 В, а значение бета равно 125. В основании подается входной сигнал от 0 В до 5 В. Мы собираемся увидеть выход на коллекторе, изменяя напряжение V _I в двух состояниях: 0 и 5 В, как показано на рисунке.

I _C = V _CC / R _C , когда V _CE = 0

I _C = 5V / 0.7 кОм

I _C = 7,1 мА

Базовый ток I _B = I _C / β

I _B = 7,1 мА / 125

I _B = 56,8 мкА

От выше расчетов, максимальное или пиковое значение тока коллектора в цепи составляет 7,1 мА, когда V _CE равен нулю. И соответствующий ток базы для этого тока коллектора составляет 56,8 мкА.

Итак, понятно, что при увеличении тока базы выше 56.8 мкА, тогда транзистор переходит в режим насыщения.

Рассмотрим случай, когда на входе подается нулевое напряжение. Это приводит к тому, что базовый ток равен нулю, и, поскольку эмиттер заземлен, базовый переход эмиттера не смещен в прямом направлении. Следовательно, транзистор находится в выключенном состоянии, а выходное напряжение коллектора равно 5 В.

Когда V _I = 0 В, I _B = 0 и I _C = 0,

V _C = V _CC — (I _C * R _C )

= 5V — 0

= 5V

Предположим, что приложенное входное напряжение составляет 5 вольт, тогда базовый ток можно определить, применив закон Кирхгофа для напряжения.

Когда V _I = 5 В,

I _B = (V _I — V _BE ) / R _B

Для кремниевого транзистора, V _BE = 0,7 В

Таким образом, I _B = (5 В — 0,7 В) / 50 кОм

= 86 мкА, что больше 56,8 мкА

Следовательно, поскольку базовый ток превышает ток 56,8 мкА, транзистор будет доведен до насыщения, т. Е. , он полностью включен, когда на входе подается 5В.Таким образом, выход на коллекторе становится примерно нулевым.

Транзистор PNP как переключатель

Транзистор PNP работает так же, как NPN для операции переключения, но ток течет от базы. Этот тип переключения используется для конфигураций с отрицательным заземлением. Для транзистора PNP клемма базы всегда смещена отрицательно по отношению к эмиттеру.

При этом переключении базовый ток протекает, когда базовое напряжение более отрицательное. Проще говоря, низкое напряжение или более отрицательное напряжение вызывает короткое замыкание транзистора, в противном случае это будет разомкнутая цепь.

При этом нагрузка подключается к транзисторному коммутационному выходу с опорной точкой. Когда транзистор включен, ток течет от источника через транзистор к нагрузке и, наконец, к земле.

Пример транзистора PNP в качестве переключателя

Подобно схеме транзисторного переключателя NPN, вход схемы PNP также является базовым, но эмиттер подключен к постоянному напряжению, а коллектор подключен к земле через нагрузку, как показано на рисунке .

В этой конфигурации база всегда смещена отрицательно по отношению к эмиттеру за счет соединения базы на отрицательной стороне и эмиттера на положительной стороне входного источника питания. Итак, напряжение V _BE отрицательное, а напряжение питания эмиттера относительно коллектора положительное (V _CE положительное).

Следовательно, для проводимости транзистора эмиттер должен быть более положительным как по отношению к коллектору, так и по отношению к базе. Другими словами, база должна быть более отрицательной по отношению к эмиттеру.

Для расчета токов базы и коллектора используются следующие выражения.

I _C = I _E — I _B

I _C = β * I _B

I _B = I _C / β

Рассмотрим пример выше. нагрузка требует тока 100 мА, а бета-значение транзистора равно 100. Тогда ток, необходимый для насыщения транзистора, равен

Минимальный базовый ток = ток коллектора / β

= 100 мА / 100

= 1 мА

Следовательно, когда базовый ток равен 1 мА, транзистор будет полностью открыт.Но для гарантированного насыщения транзистора требуется практически на 30% больше тока. Итак, в этом примере требуемый базовый ток составляет 1,3 мА.

Практические примеры транзистора в качестве переключателя

Транзистор для переключения светодиода

Как обсуждалось ранее, транзистор можно использовать в качестве переключателя. На схеме ниже показано, как транзистор используется для переключения светоизлучающего диода (LED).

• Когда переключатель на клемме базы разомкнут, ток через базу не течет, поэтому транзистор находится в состоянии отсечки.Таким образом, транзистор работает как разомкнутый контур, и светодиод гаснет.
• Когда переключатель замкнут, базовый ток начинает течь через транзистор, а затем достигает насыщения, в результате чего светодиод загорается.
• Резисторы установлены для ограничения токов, протекающих через базу и светодиод. Также можно изменять интенсивность светодиода, изменяя сопротивление на пути тока базы.

Транзистор для работы реле

Также можно управлять работой реле с помощью транзистора.С помощью небольшой схемы транзистора, способного возбуждать катушку реле, так что внешняя нагрузка, подключенная к ней, контролируется.

• Рассмотрим приведенную ниже схему, чтобы узнать, как работает транзистор для подачи питания на катушку реле. Входной сигнал, приложенный к базе, приводит к переходу транзистора в область насыщения, в результате чего в цепи происходит короткое замыкание. Таким образом, на катушку реле подается напряжение и срабатывают контакты реле.
• В индуктивных нагрузках, особенно при переключении двигателей и катушек индуктивности, внезапное отключение питания может поддерживать высокий потенциал на катушке.Это высокое напряжение может привести к значительному повреждению остальной цепи. Следовательно, мы должны использовать диод параллельно с индуктивной нагрузкой, чтобы защитить схему от индуцированных напряжений индуктивной нагрузки.

Транзистор для управления двигателем

• Транзистор также может использоваться для однонаправленного управления и регулирования скорости двигателя постоянного тока путем переключения транзистора через равные промежутки времени, как показано на рисунке ниже.
• Как упоминалось выше, двигатель постоянного тока также является индуктивной нагрузкой, поэтому мы должны разместить на нем диод свободного хода для защиты цепи.
• Переключая транзистор в областях отсечки и насыщения, мы можем многократно включать и выключать двигатель.
• Также можно регулировать скорость двигателя от состояния покоя до полной скорости, переключая транзистор на регулируемые частоты. Мы можем получить частоту переключения от управляющего устройства или микросхемы, например микроконтроллера.

У вас есть четкое представление о том, как транзистор можно использовать в качестве переключателя? Мы надеемся, что предоставленная информация с соответствующими изображениями и примерами проясняет всю концепцию переключения транзисторов.Далее, если у вас есть сомнения, предложения и комментарии, вы можете написать ниже.

Заключение

Полное руководство по использованию транзистора в качестве переключателя. Изучите основы биполярного переходного транзистора, области работы транзистора, работу транзисторов NPN и PNP в качестве переключателя, практическое применение переключающего транзистора.