Как работает биполярный транзистор для чайников: Биполярный транзистор — принцип работы для чайников!

Биполярный транзистор — принцип работы для чайников!

Приветствую вас дорогие друзья! Сегодня речь пойдет о биполярных транзисторах и информация будет полезна прежде всего новичкам. Так что, если вам интересно что такое транзистор, его принцип работы  и вообще с чем его едят, то берем  стул по удобнее и подходим поближе.

Продолжим, и у нас тут есть содержание,  будет удобнее ориентироваться в статье 🙂

[contents]

Виды транзисторов

Транзисторы бывают в основном двух видов: биполярные транзисторы и полевые транзисторы.  Конечно можно было рассмотреть все виды транзисторов в одной статье, но мне не хочется варить кашу  у вас в голове. Поэтому в этой статье мы рассмотрим исключительно биполярные транзисторы а о полевых транзисторах я расскажу в одной из следующих статей. Не будем все мешать в одну кучу  а уделим внимание каждому, индивидуально.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор это потомок ламповых триодов, тех что стояли в телевизорах 20 -го века.

Триоды ушли в небытие и уступили дорогу более функциональным собратьям — транзисторам, а точнее биполярным транзисторам.

Триоды за редким исключением применяют в аппаратуре для меломанов.

Биполярные транзисторы выглядеть могут  так.

Как вы можете видеть биполярные транзисторы имеют три вывода и конструктивно они могут выглядеть совершенно по разному. Но на электрических схемах они выглядят простенько и всегда одинаково. И все это графическое великолепие,  выглядит как-то так.

Это изображение транзисторов еще называют УГО (Условное графическое обозначение).

Причем биполярные транзисторы могут иметь различный тип проводимости. Есть транзисторы NPN типа и PNP типа.

Отличие n-p-n транзистора от p-n-p транзистора состоит лишь в том что является «переносчиком» электрического заряда (электроны или «дырки» ). Т.е. для p-n-p транзистора электроны перемещаются от эмиттера к коллектору и управляются базой. Для n-p-n транзистора электроны идут уже от коллектора к эмиттеру и управляются базой.

   В итоге приходим к тому, что для того чтобы в схеме заменить транзистор одного типа проводимости на другой достаточно изменить полярность приложенного напряжения. Или тупо поменять полярность источника питания.

У биполярных транзисторов есть три вывода: коллектор, эмиттер и база. Думаю, что по УГО будет сложно запутаться, а вот в реальном транзисторе запутаться проще простого.

Обычно где какой вывод определяют по справочнику, но можно просто  прозвонить транзистор мультиметром. Выводы транзистора звонятся как два диода, соединенные в общей точке (в области базы транзистора).

Слева изображена картинка для транзистора p-n-p типа,  при прозвонке  создается ощущение (посредством показаний мультиметра ), что перед вами два диода которые соединены в одной точке своими катодами. Для транзистора  n-p-n типа  диоды в точке базы соединены своими анодами. Думаю после экспериментов с мультиметром будет более понятно.

 

 Принцип работы биполярного транзистора

А сейчас мы попробуем разобраться как работает транзистор.  Я не буду вдаваться в подробности внутреннего устройства транзисторов так как эта информация только запутывает. Лучше взгляните на этот рисунок.

Это изображение лучше всего объясняет принцип работы  транзистора. На этом изображении человек посредством реостата управляет током коллектора. Он смотрит на ток базы, если ток базы растет то человек так же увеличивает ток коллектора с учетом коэффициента усиления транзистора h31Э. Если ток базы падает, то ток коллектора также будет снижаться — человек подкорректирует его посредством реостата.

Эта аналогия не имеет ничего общего с реальной работой транзистора, но она облегчает понимание принципов его работы.

Для транзисторов можно отметить правила, которые призваны помочь облегчить понимание. (Эти правила взяты из книги П. Хоровица У.Хилла «Искусство схемотехники»).

1. Коллектор имеет более положительный потенциал , чем эмиттер
2. Как я уже говорил цепи база — коллектор и база -эмиттер работают как диоды
3. Каждый транзистор характеризуется предельными значениями, такими как ток коллектора, ток базы и напряжение коллектор-эмиттер.
4. В том случае если правила 1-3 соблюдены то ток коллектора Iк прямо пропорционален току базы Iб. Такое соотношение можно записать в виде формулы.

Из этой формулы можно выразить основное свойство транзистора — небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

-коэффициент усиления по току.

Его также обозначают как 

Исходы из выше сказанного транзистор может работать в четырех режимах:

1. Режим отсечки транзистора — в этом режиме переход база-эмиттер закрыт, такое может произойти когда напряжение база-эмиттер недостаточное. В результате  ток базы  отсутствует и следовательно ток коллектора тоже будет отсутствовать.
2. Активный режим транзистора — это нормальный режим работы транзистора.  В этом режиме напряжение база-эмиттер достаточное для того, чтобы переход база-эмиттер открылся. Ток базы достаточен и ток коллектора тоже имеется. Ток коллектора равняется току базы умноженному на коэффициент усиления.
3. Режим насыщения транзистора — в этот режим транзистор переходит тогда, когда ток базы становится настолько большим, что мощности источника питания просто не хватает для дальнейшего увеличения тока коллектора. В этом режиме ток коллектора не может увеличиваться вслед за увеличением тока базы.
4. Инверсный режим транзистора — этот режим используется крайне редко. В этом режиме коллектор и эмиттер транзистора меняют местами. В результате таких манипуляций коэффициент усиления транзистора очень сильно страдает. Транзистор изначально проектировался не для того, чтобы он работал в таком особенном режиме.

Для понимания того как работает транзистор нужно рассматривать конкретные схемные примеры, поэтому давайте рассмотрим некоторые из них.

Транзистор в ключевом режиме

Транзистор в ключевом режиме это один из случаев транзисторных схем с общим эмиттером. Схема транзистора в ключевом режиме применяется очень часто. К этой транзисторной схеме прибегают к примеру когда нужно управлять мощной нагрузкой посредством микроконтроллера.

Ножка контроллера не способна тянуть мощную нагрузку, а транзистор может. Получается контроллер управляет транзистором, а транзистор мощной нагрузкой. Ну а обо всем по порядку.

Основная суть этого режима заключается в том, что ток базы управляет током коллектора. Причем ток коллектора гораздо больше тока базы. Здесь невооруженным взглядом видно, что происходит усиление сигнала по току. Это усиление осуществляется за счет энергии источника питания.

На рисунке изображена схема работы транзистора в ключевом режиме.

Для транзисторных схем напряжения не играют большой роли, важны лишь токи.  Поэтому, если отношение тока коллектора к току базы меньше коэффициента усиления транзистора то все окей.

В этом случае даже если к базе у нас приложено напряжение в 5 вольт а в цепи коллектора 500 вольт, то ничего страшного не произойдет, транзистор будет покорно переключать высоковольтную нагрузку.

Главное чтобы  эти напряжения не превышали предельные значения для конкретного транзистора (задается в характеристиках транзистора).

Чтож, теперь давайте попробуем рассчитать значение базового резистора.

На сколько мы знаем, что значение тока это характеристика нагрузки.

Т.е. I=U/R

Мы не знаем сопротивления лампочки, но мы знаем рабочий ток лампочки 100 мА. Чтобы транзистор открылся и обеспечил протекание такого тока, нужно подобрать соответствующий ток базы. Ток базы мы можем корректировать меняя номинал базового резистора.

Так как минимальное значение коэффициента усиления транзистора равно 10, то для открытия транзистора ток базы должен стать 10 мА.

Ток который нам нужен известен. Напряжение на базовом резисторе будет Такое значение напряжения на резисторе получилось из-зи  того, что на переходе база-эмиттер высаживается 0,6В-0,7В и это надо не забывать учитывать.

В результате  мы вполне можем найти сопротивление резистора

Осталось выбрать из ряда резисторов конкретное значение и дело в шляпе.

Теперь вы наверное думаете, что транзисторный ключ будет работать так как нужно? Что когда базовый резистор подключается к +5 В лампочка загорается, когда отключается -лампочка гаснет? Ответ может быть да а может и нет.

Все дело в том, что здесь есть небольшой нюанс.

Лампочка в том случае погаснет, когда потенциал резистора будет равен потенциалу земли. Если же резистор просто отключен от источника напряжения, то здесь не все так однозначно. Напряжение на базовом резисторе  может возникнуть чудесным образом в результате наводок или еще какой потусторонней нечисти 🙂

Чтобы такого эффекта не происходило делают следующее. Между базой и эмиттером подключают еще один резистор  Rбэ. Этот резистор выбирают номиналом как минимум в 10 раз больше базового резистора Rб (В нашем случае  мы взяли резистор 4,3кОм).

Когда база подключена к какому-либо напряжению, то транзистор работает как надо, резистор Rбэ ему не мешает. На этот резистор расходуется лишь малая часть базового тока.

В случае, когда напряжение к базе не приложено, происходит подтяжка базы к потенциалу земли, что избавляет нас от всяческих наводок.

Вот в принципе мы разобрались с работой транзистора в ключевом режиме, причем как вы могли убедиться ключевой режим работы это своего рода усиление сигнала по напряжению. Ведь мы с помощью малого напряжения в 5В управляли напряжением в 12 В.

Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель является частным случаем транзисторных схем с общим коллектором.

Отличительной чертой схемы с общим коллектором от схемы с общим эмиттером (вариант с транзисторным ключем) является то, что эта схема не усиливает сигнал по напряжению. Что вошло через базу, то и вышло через эмиттер, с тем же самым напряжением.

Действительно допустим приложили к базе мы 10 вольт, при этом мы знаем что на переходе база-эмиттер высаживается где-то 0,6-0,7В. Выходит что на выходе (на эмиттере, на нагрузке Rн) будет напряжение базы минус 0,6В.

Получилось 9,4В, одним словом почти сколько вошло столько и вышло. Убедились, что по напряжению эта схема нам сигнал не увеличит.

«В чем же смысл тогда таком включении транзистора?»- спросите вы. А вот оказывается эта схема обладает другим очень важным свойством.  Схема включения транзистора с общим коллектором усиливает сигнал по мощности. Мощность это произведение тока на напряжение, но так как напряжение не меняется то мощность увеличивается только за счет тока! Ток в нагрузке складывается из тока базы плюс ток коллектора. Но если сравнивать ток базы и ток коллектора то ток базы очень мал по сравнению с током коллектора. Получается ток нагрузки равен току коллектора.  И в результате получилась вот такая формула.

Теперь я думаю понятно в чем суть  схемы эмиттерного повторителя, только это еще не все.

Эмиттерный повторитель обладает еще одним очень ценным качеством — высоким входным сопротивлением. Это означает, что эта транзисторная схема почти не потребляет ток входного сигнала и не создает нагрузки для схемы -источника сигнала.

Для понимания принципа работы транзистора этих двух транзисторных схем будет вполне достаточно. А если вы еще поэкспериментируете с паяльником в руках то прозрение просто не заставит себя ждать, ведь теория теорией а практика и личный опыт ценнее в сотни раз!

Где транзисторы купить?

Как и все другие радиокомпоненты транзисторы можно купить в  любом ближайшем  магазине радиодеталей. Если вы живете где-нибудь на окраине и о подобных магазинах не слышали (как я раньше) то остается последний вариант — заказать транзисторы в интернет- магазине. Я сам частенько заказываю радиодетали через интернет-магазины ведь в обычном оффлайн магазине может чего-нибудь просто не оказаться.

Впрочем если вы собираете устройство чисто для себя то можно не париться а добыть из старой, отслужившей свое техники и так сказать вдохнуть в старый радиокомпонет новую жизнь.

Чтож друзья, а на этом у меня все. Все, что планировал я сегодня вам рассказал. Если остались какие-либо вопросы, то задавайте их в комментариях, если вопросов нет то все равно пишите комментарии, мне всегда важно ваше мнение. Кстати не забывайте, что каждый кто впервые оставит комментарий получит подарок.

Также обязательно подпишитесь на новые статьи, потому что дальше вас ждет много интересного и полезного.

Желаю вам удачи, успехов  и солнечного настроения!

С н/п Владимир Васильев

P. S. Друзья, обязательно подписывайтесь на обновления! Подписавшись вы будете получать новые материалы себе прямо на почту! И кстати каждый подписавшийся получит полезный подарок!

Устройство и принцип работы биполярного транзистора.

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

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

Устройство биполярного транзистора.

И, первым делом, мы рассмотрим устройство биполярного транзистора и химические процессы, протекающие в нем. И в этом нам очень поможет статья о p-n переходе (ссылка), поскольку ключевые понятия мы будем использовать те же самые. Ведь транзистор есть ни что иное как три полупроводниковые области, которые формируют между собой два p-n перехода.

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

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

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

Называются эти три полупроводниковые области:

• эмиттер
• база
• коллектор

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

Принцип работы биполярного транзистора.

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

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

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

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

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

I_к = \alpha I_э

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

I_э = I_б + I_к

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

I_э = \frac{I_к}{\alpha}

\frac{I_к}{\alpha} = I_б + I_к

Выражаем ток коллектора через ток базы:

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

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

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

Режимы работы биполярного транзистора.

Итак, мы рассмотрели активный режим работы транзистора (переход эмиттер-база открыт, переход коллектор-база закрыт), не обойдем вниманием и другие 🙂

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

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

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

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

Вот и все самые основные режимы работы биполярного транзистора!

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

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.

Урок-8. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Вот мы и подошли к уроку, с которого начинается старт во «взрослую жизнь» т. к. именно с этого урока вы сможете полноценно и с пониманием предметной области начинать паять простейшие конструкции. И для успешной сборки и наладки этих конструкций, очень важно четко понимать какую функцию в этой схеме выполняет тот, или иной радиоэлемент, какие параметры нужно проконтролировать и т. д. Практическая работа в этом уроке будет не менее интересна, и сводится к выполнению предложенных опытов с биполярным транзистором. Думаю что после этой практической работы, вопросы по поводу принципов работы транзистора отпадут сами собой. Если все — таки, вопросы будут, это говорит только о вашей целеустремленности и желании познать глубже суть происходящего.

В большую «семью» полупроводниковых приборов, называемых транзисторами, входят два вида: биполярные и полевые. Первые из них, чтобы как — то отличить их от вторых, часто называют обычными транзисторами. Биполярные транзисторы используются наиболее широко. Именно с них мы пожалуй и начнем. Термин «транзистор» образован из двух английских слов: transfer — преобразователь и resistor — сопротивление. В упрощенном виде биполярный транзистор представляет собой пластину полупроводника с тремя (как в слоеном пироге) чередующимися областями разной электропроводности (рис. 1), которые образуют два р — n перехода. Две крайние области обладают электропроводностью одного типа, средняя — электропроводностью другого типа. У каждой области свой контактный вывод. Если в крайних областях преобладает дырочная электропроводность, а в средней электронная (рис. 1, а), то такой прибор называют транзистором структуры p — n — р. У транзистора структуры n — p — n, наоборот, по краям расположены области с электронной электропроводностью, а между ними — область с дырочной электропроводностью (рис. 1, б).

Рис. 1 Схематическое устройство и графическое обозначение на схемах транзисторов структуры p — n — p и n — p — n.

Если мысленно прикрыть любую из крайних областей транзисторов, изображенных схематически на (рис. 1). Что получилось? Оставшиеся две области есть не что иное, как плоскостной диод. Если прикрыть другую крайнюю область, то тоже получится диод. Значит, транзистор можно представить себе как два плоскостных диода с одной общей областью, включенных навстречу друг другу. Общую (среднюю) область транзистора называют базой, одну крайнюю область — эмиттером, вторую крайнюю область — коллектором. Это три электрода транзистора. Во время работы транзистора его эмиттер вводит (эмитирует) в базу дырки (в транзисторе структуры p — n — р) или электроны (в транзисторе структуры n — p — n), коллектор собирает эти электрические заряды, вводимые в базу эмиттером. Различие в обозначениях транзисторов разных структур на схемах заключается лишь в направлении стрелки эмиттера: в p — n — р транзисторах она обращена в сторону базы, а в n — p — n транзисторах — от базы. Электронно — дырочные переходы в транзисторе могут быть получены так же, как в плоскостных диодах. Например, чтобы изготовить транзистор структуры p — n — р, берут тонкую пластину германия с электронной электропроводностью и наплавляют на ее поверхность кусочки индия. Атомы индия диффундируют (проникают) в тело пластины, образуя в ней две области типа р — э миттер и коллектор, а между ними остается очень тонкая (несколько микрон) прослойка полупроводника типа n — база. Транзисторы, изготовляемые по такой технологии, называют сплавными. Запомни наименования р — n переходов транзистора: между коллектором и базой — коллекторный, между эмиттером и базой — эмиттерный. Схематическое устройство и конструкция сплавного транзистора показаны на (рис. 2). Прибор собран на металлическом диске диаметром менее 10 мм. Сверху к этому диску приварен кристаллодержатель, являющийся внутренним выводом базы, а снизу — ее наружный проволочный вывод. Внутренние выводы коллектора и эмиттера приварены к проволочкам, которые впаяны в стеклянные изоляторы и служат внешними выводами этих электродов. Цельнометаллический колпак защищает прибор от механических повреждений и влияния света. Так устроены наиболее распространенные маломощные низкочастотные транзисторы серий МП39, МП40, МП41, МП42 и их разновидности. Буква (М) в обозначении говорит о том, что корпус транзистора холодносварной, буква (П)- первоначальная буква слов «плоскостной», а цифры — порядковые заводские номера приборов. В конце обозначения могут быть буквы А, Б, В (например, МП39Б), указывающие разницу в параметрах транзистора данной серии. Существуют другие способы изготовления транзисторов, например, диффузионно — сплавной (рис. 3). Коллектором транзистора, изготовленного по такой технологии, служит пластина исходного полупроводника. На поверхность пластины наплавляют очень близко один от другого два маленьких шарика примесных элементов. Во время нагрева до строго определенной температуры происходит диффузия примесных элементов в пластинку полупроводника. При этом один шарик (на рис. 3 — правый) образует в коллекторе тонкую базовую область, а второй (на рис. 3 — левый) эмиттерную область.

Рис. 2 Устройство и конструкция сплавного транзистора структуры p — n — p.

Рис. 3 Устройство и конструкция диффузионно — сплавного транзистора структуры p — n — p.

В результате в пластине исходного полупроводника получаются два р — n перехода, образующие транзистор структуры р — n — р. По такой технологии изготовляют, в частности, наиболее массовые маломощные высокочастотные транзисторы серий П401-П403, П422, П423, ГТ308. В настоящее время действует система обозначения транзисторов, по которой выпускаемые серийно приборы имеют обозначения, состоящие из четырех элементов, например: ГТ109А, КТ315В, ГТ403И.

• Первый элемент этой системы обозначения — буква Г, К или А (или цифра 1, 2 и 3) — характеризует полупроводниковый материал транзистора и температурные условия работы прибора. Буква Г (или цифра 1) присваивается германиевым транзисторам, буква К (или цифра 2) — кремниевым транзисторам, буква А (или цифра 3) — транзисторам, полупроводниковым материалом которых служит арсенид галлия. Цифра, стоящая вместо буквы, указывает на то, что данный транзистор может работать при повышенных температурах (германиевый — выше 4- 60°С, кремниевый — выше +85°С).
• Второй элемент — буква Т — начальная буква слова «транзистор».
• Третий элемент — трехзначное число от 101 до 999 — указывает порядковый номер разработки и назначение прибора. Это число присваивается транзистору по признакам, приведенным в таблице.
• Четвертый элемент обозначения — буква, указывающая разновидность транзисторов данной серии.

Вот некоторые примеры расшифровки обозначений транзисторов по этой системе : ГТ109А — германиевый маломощный низкочастотный транзистор, разновидность А; ГТ404Г — германиевый средней мощности низкочастотный транзистор, разновидность Г; КТЗ15В — кремниевый маломощный высокочастотный транзистор, разновидность В. Наряду с такой системой продолжает действовать и прежняя система обозначения транзисторов, например П27, П401, П213, МП39 и т.д. Объясняется это тем, что такие или подобные транзисторы были разработаны до введения современной маркировки полупроводниковых приборов. Внешний вид некоторых биполярных транзисторов, наиболее широко используемых радиолюбителями, показан на (рис. 4). Маломощный низкочастотный транзистор ГТ109 (структуры р — n — р) имеет в диаметре всего 3, 4 мм. Транзисторы этой серии предназначены для миниатюрных радиовещательных приемников. Их используют также в слуховых аппаратах, в электронных медицинских приборах т.д. Диаметр транзисторов ГТ309 (р — n — р) 7,4 мм. Такие транзисторы применяют в различных малогабаритных электронных устройствах для усиления и генерирования колебаний высокой частоты. Транзисторы КТЗ15 (n — p — n) выпускают в пластмассовых корпусах. Эти маломощные транзисторы предназначены для усиления и генерирования колебаний высокой частоты. Транзисторы МП39 — МП42 (р — n — р) — самые массовые среди маломощных низкочастотных транзисторов. Точно так выглядят и аналогичные им, но структуры n — p — n, транзисторы МП35 — МП38. Диаметр корпуса любого из этих транзисторов 11,5 мм. Наиболее широко их используют в усилителях звуковой частоты. Так выглядят и маломощные высокочастотные р — n — р транзисторы серий П401 — П403, П416, П423, используемые для усиления высокочастотных сигналов как в промышленных, так и любительских радиовещательных приемниках. Транзистор ГТ402 (р — n — р) — представитель низкочастотных транзисторов средней мощности. Такую же конструкцию имеет его «близнец» ГТ404, но он структуры (n — p — n). Их, обычно используют в паре, в каскадах усиления мощности колебаний звуковой частоты. Транзистор П213 (германиевый структуры р — n — р) — один из мощных низкочастотных транзисторов, широко используемых в оконечных каскадах усилителей звуковой частоты. Диаметр этого, а также аналогичных ему транзисторов П214 — П216 и некоторых других, 24 мм. Такие транзисторы крепят на шасси или панелях при помощи фланцев. Во время работы они нагреваются, поэтому их обычно ставят на специальные теплоотводящие радиаторы, увеличивающие поверхности охлаждения. КТ904 — сверхвысокочастотный кремниевый n — p — n транзистор большой мощности. Корпус металлокерамический с жесткими выводами и винтом М5, с помощью которого транзистор крепят на теплопроводящем радиаторе. Функцию радиатора может выполнять массивная металлическая пластина или металлическое шасси радиотехнического устройства. Высота транзистора вместе с выводами и крепежным винтом чуть больше 20 мм. Транзисторы этой серии предназначаются для генераторов и усилителей мощности радиоаппаратуры, работающей на частотах выше 100 МГц, например диапазона УКВ.

Рис. 4 Внешний вид некоторых транзисторов.

Схемы включения и основные параметры биполярных транзисторов

Итак, биполярный транзистор, независимо от его структуры, является трехэлектродным прибором. Его электроды — эмиттер, коллектор и база. Для использования транзистора в качестве усилителя напряжения, тока или мощности входной сигнал, который надо усилить, можно подавать на два каких — либо электрода и с двух электродов снимать усиленный сигнал. При этом один из электродов обязательно будет общим. Он — то и определяет название способа включения транзистора: по схеме общего эмиттера (ОЭ), по схеме общего коллектора (ОК), по схеме общей базы (ОБ).

• Включение p-n-р транзистора по схеме ОЭпоказано на (рис. 5, а). Напряжение источника питания на коллекторе транзистора V подается через резистор Rк, являющийся нагрузкой, на эмиттер — через общий «заземленный» проводник, обозначаемый на схемах специальным знаком. Входной сигнал через конденсатор связи Ссв. подается к выводам базы и эмиттера, т.е. к участку база — эмиттер транзистора, а усиленный сигнал снимается с выводов эмиттера и коллектора. Эмиттер, следовательно, при таком включении транзистора является общим для входной и выходной цепей. Транзистор, по схеме с ОЭ, в зависимости от его усилительных свойств может дать 10 — 200 — кратное усиление сигнала по напряжению и 20 — 100 — кратное усиление сигнала по току. Такой способ включения транзистора по схеме с ОЭ пользуется у радиолюбителей наибольшей популярностью. Существенным недостатком усилительного каскада на транзисторе, включенном по такой схеме, является его сравнительно малое входное сопротивление — всего 500-1000 Ом, что усложняет согласование усилительных каскадов, транзисторы которых включают по такой же схеме. Объясняется это тем, что в данном случае эмиттерный р — n переход транзистора включен в прямом, т.е. пропускном, направлении. А сопротивление пропускного перехода, зависящее от прикладываемого к нему напряжения, всегда мало. Что же касается выходного сопротивления такого каскада, то оно достаточно большое (2-20 кОм) и зависит от сопротивления нагрузки Rк и усилительных свойств транзистора.

  Рис. 5 Схемы включения транзисторов.

• Включение транзистора по схеме ОК показано на (рис. 5, б). Входной сигнал подается на базу и эмиттер через эмиттерный резистор Rэ, который является частью коллекторной цепи. С этого же резистора, выполняющего функцию нагрузки транзистора, снимается и выходной сигнал. Таким образом, этот участок коллекторной цепи является общим для входной и выходной цепей, поэтому и название способа включения транзистора — ОК. Каскад с транзистором, включенным по такой схеме, по напряжению дает усиление меньше единицы. Усиление же по току получается примерно такое же, как если бы транзистор был включен по схеме ОЭ. Но зато входное сопротивление такого каскада может составлять 10 — 500 кОм, что хорошо согласуется с большим выходным сопротивлением каскада на транзисторе, включенном по схеме ОЭ. По существу, каскад не дает усиления по напряжению, а лишь как бы повторяет подведенный к нему сигнал. Поэтому транзисторы, включаемые по такой схеме, называют также эмиттерными повторителями. Почему эмиттерными? Потому что выходное напряжение на эмиттере транзистора практически полностью повторяет входное напряжение. Почему каскад не усиливает напряжение? Давайте мысленно соединим резистором цепь базы транзистора с нижним (по схеме) выводом эмиттерного резистора Rэ, как показано на (рис. 5, б) штриховыми линиями. Этот резистор — эквивалент внутреннего сопротивления источника входного сигнала Rвх., например микрофона или звукоснимателя. Таким образом, эмиттерная цепь оказывается связанной через резистор Rвх. с базой. Когда на вход усилителя подается напряжение сигнала, на резисторе Rэ, являющемся нагрузкой транзистора, выделяется напряжение усиленного сигнала, которое через резистор Rвх. оказывается приложенным к базе в противофазе. При этом между эмиттерной и базовой цепями возникает очень сильная отрицательная обратная связь, сводящая на нет усиление каскада. Это по напряжению. А по току усиления получается такое же, как и при включении транзистора по схеме с ОЭ.
• Теперь о включении транзистора по схеме с ОБ (рис. 5, в). В этом случае база через конденсатор Сб по переменному току заземлена, т. е. соединена с общим проводником питания. Входной сигнал через конденсатор Ссв. подают на эмиттер и базу, а усиленный сигнал снимают с коллектора и с заземленной базы. База, таким образом, является общим электродом входной и выходной цепей каскада. Такой каскад дает усиление по току меньше единицы, а по напряжению — такое же, как транзистор, включенный по схеме с ОЭ (10 — 200). Из — за очень малого входного сопротивления, БК превышающего нескольких десятковом (30-100) Ом, включение транзистора по схеме ОБ используют главным образом в генераторах электрических колебаний, в сверхгенеративных каскадах, применяемых, например, в аппаратуре радиоуправления моделями.

Чаще всего как я уже говорил применяются схемы с включением транзистора с ОЭ, реже с ОК. Но это только способы включения. А режим работы транзистора как усилителя определяется напряжениями на его электродах, токами в его цепях и, конечно, параметрами самого транзистора. Качество и усилительные свойства биполярных транзисторов оценивают по нескольким электрическим параметрам, которые измеряют с помощью специальных приборов. Вас же, с практической точки зрения, в первую очередь должны интересовать три основных параметра: обратный ток коллектора Iкбо, статический коэффициент передачи тока h313 (читают так: аш два один э) и граничная частота коэффициента передачи тока Fгр.

• Обратный ток коллектора Iкбо — это неуправляемый ток через коллекторный р — n переход, создающийся неосновными носителями тока транзистора. Он характеризует качество транзистора: чем численное значение параметра Iкбо меньше, тем выше качество транзистора. У маломощных низкочастотных транзисторов, например, серий МП39 — МП42, Iкбо не должен превышать 30 мкА, а у маломощных высокочастотных 5 мкА. Транзисторы с большими значениями Iкбо в работе неустойчивы.
• Статический коэффициент передачи тока h31э характеризует усилительные свойства транзистора. Статическим его называют потому, что этот параметр измеряют при неизменных напряжениях на его электродах и неизменных токах в его цепях. Буква «Э» в этом выражении указывает на то, что при измерении транзистор включают по схеме ОЭ. Коэффициент h31э характеризуется отношением постоянного тока коллектора к постоянному току базы при заданных постоянном обратном напряжении коллектор — эмиттер и токе эмиттера. Чем больше численное значение коэффициента h31э, тем большее усиление сигнала может обеспечить данный транзистор.
• Граничная частота коэффициента передачи тока Fгр, выраженная в килогерцах или мегагерцах, позволяет судить о возможности использования транзистора для усиления колебаний тех или иных частот. Граничная частота Fгр транзистора МП39, например, 500 кГц, а транзисторов П401 — П403 — больше 30 МГц. Практически транзисторы используют для усиления частот значительно меньше граничных, так как с повышением частоты коэффициент h31э транзистора уменьшается.

При конструировании радиотехнических устройств надо учитывать и такие параметры транзисторов, как максимально допустимое напряжение коллектор — эмиттер Uкэ max, максимально допустимый ток коллектора Iк.max а также максимально допустимую рассеиваемую мощность коллектора транзистора Рк.max — мощность, превращающуюся внутри транзистора в тепло.

Коротко о полевом транзисторе

В этом полупроводниковом приборе управление рабочим током осуществляется не током во входной (базовой) цепи, как в биполярном транзисторе, а воздействием на носители тока электрического поля. Отсюда и название транзистора «полевой». Схематическое устройство и конструкция полевого транзистора с р — n переходом показаны на (рис. 6). Основой такого транзистора служит пластина кремния с электропроводностью типа n, в которой имеется тонкая область с электропроводностью типа р. Пластину прибора называют затвором, а область типа р в ней — каналом. С одной стороны канал заканчивается истоком, с другой стоком — тоже областью типа р, но с повышенной концентрацией дырок. Между затвором и каналом создается р — n переход. От затвора, истока и стока сделаны контактные выводы. Если к истоку подключить положительный, а к стоку — отрицательный полюсы батареи питания (на рис. 6 — батарея GB), то в канале появится ток, создающийся движением дырок от истока к стоку. Этот ток, называемый током стока Iс, зависит не только от напряжения этой батареи, но и от напряжения, действующего между источником и затвором (на рис. 6 — элемент G). И вот почему. Когда на затворе относительно истока действует положительное закрывающее напряжение, обедненная область р — n перехода расширяется (на рис. 6 показано штриховыми линиями). От этого канал сужается, его сопротивление увеличивается, из — за чего ток стока уменьшается. С уменьшением положительного напряжения на затворе обедненная область р — n перехода, наоборот, сужается, канал расширяется, и ток снова увеличивается. Если на затвор вместе с положительным напряжением смещения подавать низкочастотный или высокочастотный сигнал, в цепи стока возникнет пульсирующий ток, а на нагрузке, включенной в эту цепь, — напряжение усиленного сигнала. Так, в упрощенном виде устроены и работают полевые транзисторы с каналом типа р, например транзисторы КП102, КП103 (буквы К и П означают «кремниевый полевой»). Принципиально так же устроен и работает полевой транзистор с каналом типа n. Затвор транзистора такой структуры обладает дырочной электропроводностью, поэтому на него относительно истока должно подаваться отрицательное напряжение смещения, а на сток (тоже относительно истока) — положительное напряжение источника питания. На условном графическом изображении полевого транзистора с каналом типа n стрелка на линии затвора направлена в сторону истока, а не от истока, как в обозначении транзистора с каналом типа р. Полевой транзистор — тоже трехэлектродный прибор. Поэтому его, как и биполярный транзистор, включать в усилительный каскад можно тремя способами: по схеме общего стока (ОС), по схеме общего истока (ОИ) и по схеме общего затвора (ОЗ). В радиолюбительской практике применяют в основном только первые два способа включения, позволяющие с наибольшей эффективностью использовать полевые транзисторы. Усилительный каскад на полевом транзисторе обладает очень большим, исчисляемым мегаомами, входным сопротивлением. Это позволяет подавать на его вход высокочастотные и низкочастотные сигналы от источников с большим внутренним сопротивлением, например от пьезокерамическрго звукоснимателя, не опасаясь искажения или ухудшения усиления входного сигнала. В этом главное преимущество полевых транзисторов по сравнению с биполярными. Усилительные свойства полевого транзистора характеризуют крутизной характеристики S — отношением изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора, включенного по схеме ОИ. Численное значение параметра S выражают в миллиамперах на вольт; для различных транзисторов оно может составлять от 0,1 — 0,2 до 10 — 15 мА/В и больше. Чем больше крутизна, тем большее усиление сигнала может дать транзистор.

Рис. 6 Конструкция и графическое изображение полевого транзистора с каналом типа (p).

Другой параметр полевого транзистора — напряжение отсечки Uзи.отс. — Это обратное напряжение на р — n переходе затвор — канал, при котором ток через этот переход уменьшается до нуля. У различных транзисторов напряжение отсечки может составлять от 0,5 до 10 В. О полевых транзисторах и их уникальных свойствах можно говорить еще много, я попытался рассказать о наиболее существенных. Полевым транзисторам посвящены целые учебники, поэтому для более детального изучения их свойств и области применения, нужно будет самостоятельно разыскать литературу и детально изучить.

Опыты с транзистором

В этого урока я сказал, что биполярный транзистор можно представить себе как два включенных встречно плоскостных диода, совмещенных в одной пластине полупроводника. В этом нетрудно убедиться на опытах, для которых потребуется любой бывший в употреблении, но не испорченный германиевый низкочастотный транзистор структуры р — n — р, например МП39 или подобные ему транзисторы МП40 — МП42 (коих сейчас великое множество в старых бросовых телевизорах, транзисторных радиоприемниках и т.д., т.е. покупать как правило ничего не нужно, а если и прийдется, то за копейки). Между коллектором и базой транзистора включите последовательно соединенные батарею 3336Л или другой источник питания на 4,5 В и лампочку от карманного фонаря, рассчитанную на напряжение 2,5 В и ток 0,075 или 0,15 А (рис. 1). Если положительный полюс батареи (GB окажется соединенным (через лампочку) с коллектором, а отрицательный — с базой (рис. 1, а), то лампочка должна гореть. При другой полярности включения батареи (рис. 1, б) лампочка гореть не будет. Как объяснить эти явления?

Рис. 1 Опыты с биполярным транзистором.

Сначала на коллекторный р — n переход вы подавали прямое, т. е. пропускное напряжение. В этом случае коллекторный р — n переход открыт, его сопротивление мало и через него течет прямой ток коллектора Iк. Значение этого тока в данном случае определяется в основном сопротивлением нити накала лампочки и внутренним сопротивлением батареи. При другом включении батареи ее напряжение подавалось на коллекторный переход в обратном, непропускном направлении. В этом случае переход закрыт, его сопротивление велико и через него течет лишь небольшой обратный ток коллектора Iкбо У исправных маломощных низкочастотных транзисторов обратный ток коллектора не превышает 30 мкА. Такой ток, естественно, не мог накалить нить лампочки, поэтому она и не горела. Проведите аналогичный опыт с эмиттерным р — n переходом. Результат будет таким же: при обратном напряжении переход будет закрыт — лампочка не горит, а при прямом напряжении он будет открыт — лампочка горит.

Следующий опыт, иллюстрирующий один из режимов работы транзистора, проводите по схеме, показанной на (рис. 2). Между эмиттером и коллектором транзистора включите последовательно соединенные батарею 3336Л и ту же лампочку накаливания. Положительный полюс батареи должен соединяться с эмиттером, а отрицательный — с коллектором (через нить накала). Горит лампочка? Нет, не горит. Соедините про — волочной перемычкой базу с эмиттером, как показано на схеме штриховой линией. Лампочка, включенная в коллекторную цепь транзистора, тоже не будет гореть. Удалите перемычку, а вместо нее подключите к этим электродам последовательно соединенные резистор Rб сопротивлением 200-300 Ом и один гальванический элемент Gб, например, типа миниатюрной пальчиковой батарейки от китайского карманного приемника, но так, чтобы минус элемента был на базе, а плюс — на эмиттере. Теперь лампочка должна гореть. Поменяйте местами полярность подключения элемента к этим электродам транзистора. В этом случае лампочка гореть не должна. Повторите несколько раз этот опыт и вы убедитесь в том, что лампочка в коллекторной цепи будет гореть только тогда, когда на базе транзистора относительно эмиттера действует отрицательное напряжение. Разберемся в этих опытах. В первом из них, когда вы, соединив перемычкой базу с эмиттером, замкнули накоротко эмиттерный переход, коллекторный переход стал просто диодом, на который подавалось обратное напряжение. Через транзистор шел лишь незначительный обратный ток коллекторного перехода, который не мог накалить нить лампочки. В это время транзистор находился в закрытом состоянии. Затем, удалив перемычку, вы восстановили эмиттерный переход. Первым включением элемента между базой и эмиттером вы подали на эмиттерный переход прямое напряжение. Эмиттерный переход открылся, и через него пошел прямой ток, который открыл второй переход транзистора — коллекторный. Транзистор оказался открытым и по цепи эмиттер — база — коллектор пошел коллекторный ток транзистора Iк, который во много раз больше тока цепи эмиттер — база. Он — то и накалил нить лампочки. Когда же вы изменили полярность включения элемента на обратную, то его напряжение закрыло эмиттерный переход, а вместе с тем закрылся и коллекторный переход. При этом ток транзистора почти прекратился (присутствовал только обратный ток коллектора) и лампочка не горела.

Рис. 2 Опыт, иллюстрирующий работу транзистора в режиме переключения.

Какова роль резистора Rб? В принципе этого резистора может и не быть. Я же рекомендовал включить его исключительно для того, чтобы ограничить ток в базовой цепи. Иначе через эмиттерный переход пойдет слишком большой прямой ток, в результате чего может произойти тепловой пробой перехода и транзистор выйдет из строя (по аналогии со стабилитроном, этим резистором можно задавать режимы работы транзистора, выводя его на линейный участок ВАХ, но об этом позже). Если бы при проведении этих опытов в базовую и коллекторную цепи были включены измерительные приборы, то при закрытом транзисторе токов в его цепях почти не было бы, При открытом же транзисторе ток базы Iб был бы не более 2 — 3 мА, а ток коллектора Iк составлял 60 — 75 мА. Это означает, что транзистор может быть усилителем тока. В этих опытах транзистор был в одном из двух состояний: открытом или закрытом. Переключение транзистора из одного состояния в другое происходило под действием напряжения на базе Uб. Такой режим работы транзистора, проиллюстрированный графиками на (рис. 2), называют режимом переключения или, что то же самое, ключевым. Такой режим работы транзисторов используют в основном в приборах и устройствах электронной автоматики. В радиовещательных приемниках и усилителях транзисторы работают в режиме усиления. Отличается он от режима переключения тем, что, используя малые токи в базовой цепи, мы можем управлять значительно большими токами в коллекторной цепи транзистора.

Иллюстрировать работу транзистора в режиме усиления можно следующим опытом (рис.3). В коллекторную цепь транзистора V включим электромагнитный телефон В1, а между базой и минусом источника питания GB (батарея 3336Л) — резистор Rб сопротивлением 200 — 250 кОм. Второй телефон В2 подключим к участку база — эмиттер транзистора, но через конденсатор Ссв. емкостью 0,1 — 0,5 мкФ. У вас получится простейший усилитель, который может выполнять, например, роль одностороннего телефонного аппарата. Если ваш приятель будет негромко говорить перед телефоном В2, включенным на входе усилителя, его разговор вы будете слышать в телефоне В1, включенном на выходе усилителя. На вход усилителя вместо телефона В2 можно подать любой другой слабый электрический сигнал. Тогда в телефоне В1 он будет хорошо и достаточно громко прослушиваться. В качестве В1, В2, можно использовать телефоны от старых телефонных аппаратов, с маркировкой (ТОН-1, ТОН-2 и др.). Для наших опытов желательно парочку разыскать, чтобы они были в вашем арсенале. Каковы здесь функции резистора Rб и конденсатора Ссв.? Через резистор Rб на базу транзистора от батареи питания GB подается небольшое отрицательное напряжение, называемое напряжением смещения, которое открывает транзистор и тем самым обеспечивает ему работу в режиме усиления. Без начального напряжения смещения эмиттерный р — n переход транзистора будет закрыт и, подобно диоду, будет «срезать» положительные полупериоды входного напряжения, отчего усиление будет сопровождаться искажениями. А конденсатор Ссв. выполняет функцию связующего элемента между телефоном В2 и базой транзистора. Он беспрепятственно пропускает колебания звуковой частоты и преграждает путь постоянному току из базовой цепи к телефону. Без такого разделительного конденсатора база транзистора по постоянному току оказалась бы соединенной с эмиттером и режим усиления был бы нарушен (этот конденсатор так и называют конденсатором связи, среди радиолюбителей можно еще услышать такое понятие как проходной).

Рис. 3 Опыт иллюстрирующий транзистор в режиме усиления.

В этом опыте на вход усилителя подавалось переменное напряжение звуковой частоты, источником которого был телефон, преобразующий, как микрофон, звуковые колебания в электрические (на рис. 3 — график а). Это напряжение создавало в цепи эмиттер — база колебания постоянного тока (график б), которые управляли значительно большим током в коллекторной цепи (график в). Происходило усиление входного сигнала. Усиленный же транзистором сигнал преобразовывался телефонами В1, включенными в цепь коллектора, в звуковые колебания с помощью мембраны. Транзистор работал в режиме усиления. Процесс усиления в общих чертах происходит следующим образом. При отсутствии напряжения входного сигнала в цепях базы и коллектора текут небольшие токи (на рис. 3 — левые участки графиков б и в), определяемые напряжением источника питания, напряжением смещения на базе и усилительными свойствами транзистора. Как только в цепи базы появляется сигнал, соответственно ему начинают изменяться и токи в цепях транзистора: во время отрицательных полупериодов, когда суммарное отрицательное напряжение на базе возрастает, токи цепей увеличиваются, а во время положительных полупериодов, когда напряжения сигнала и смешения противоположны и, следовательно, отрицательное напряжение на базе уменьшается, токи в обеих цепях тоже уменьшаются. Происходит усиление по напряжению и току. Если нагрузкой транзистора будут не телефоны, а резистор, то создающееся на нем напряжение переменной составляющей усиленного сигнала можно будет подать во входную цепь второго транзистора для дополнительного усиления. Один транзистор может усилить сигнал в 30 — 50 раз. Точно так работают и транзисторы структуры n — p — n. Но для них полярность включения батареи, питающей цепи базы и коллектора, должна быть не такой, как у p — n — р транзиторов, а обратной поэтому n — p — n транзисторы еще называют обратными. Нужно запомнить: для работы транзистора в режиме усиления на его базу (относительно эмиттера) вместе с напряжением усиливаемого сигнала обязательно должно подаваться постоянное напряжение смещения, открывающее транзистор и устраняющее искажение типа ступенька, к этому типу искажений сигнала мы еще вернемся. Для германиевых транзисторов оно должно составлять 0,1-0,2 В, а для кремниевых транзисторов 0,5-0,7 В. Напряжение смещения на базу не подают лишь в тех случаях, когда эмиттерный переход транзистора используют для детектирования радиочастотного модулированного сигнала.

 

Переходим к следующему уроку !

Биполярные транзисторы. Назначение, виды, характеристики

Транзисторы предназначены  для решения задач усиления  и переключения электрических сигналов. Время бурного развития транзисторов –  50 –  80 годы прошлого столетия. В настоящее время следует признать, что транзисторы как отдельные компоненты используются в схемах не так часто. Массово они применяются только внутри интегральных схем.

Различают  транзисторы  двух  видов:  биполярные  и  униполярные  (полевые).

В  биполярных транзисторах  в создании токов участвуют как электроны (отрицательно  заряженные  частицы),  так  и  дырки  (положительно  заряженные частицы). Отсюда название вида транзисторов.

Биполярные транзисторы устроены сложнее полупроводниковых диодов, они имеют два pn-перехода и три вывода,  называемых  база,  эмиттер  и  коллектор.  Различают  два  вида  БТ:  NPN и PNP.

Устройство, особенности и схемотехнику  будем рассматривать на при-мере  NPN-транзисторов  –  наиболее  используемых  в  современной  практике, для  PNP-транзисторов рассуждения аналогичны и различия заключаются толь-ко в подключении питающих напряжений.

Устройство и принцип действия биполярных транзисторов

Устройство и принцип действия  NPN-транзисторов  показаны  на  рисунке 2. 19.

NPN-транзистор  имеет  три  микроэлектронные  области:  две  –  с  N-проводимостью и одну  –  с  P  –  проводимостью. Каждая область имеет вывод с указанными на рисунке названиями.

Структуру  NPN-БТ можно также представить в уже более понятных обозначениях: как два диода, соединённых анодами в области базы.

На рисунке  2.20   показан наиболее распространённый способ использования биполярных транзисторов, когда на базу и коллектор подаются положительные (+) потенциалы  по отношению  к  эмиттеру.  При  этом  положительный  потенциал  коллектора выше потенциала базы!  Другими словами, коллекторный  pn-переход  смещён в обратном направлении  (смотрите,  коллекторный диод формально  закрыт), а базовый – в прямом.

При этом если в базу задать ток, то в силу структурной особенности кристалла  биполярного транзистора,  этот  базовый  ток  Iб будет  «подсасывать»  из  коллекторной  области электроны и формировать коллекторный ток

Iк= β_*I_б ,  (2. 7)

где β> 1 называется коэффициентом усиления тока базы.

Типовые паспортные значения β = 20÷500. Ток эмиттера, таким образом, в соответствии с первым законом Кирхгофа

Iэ = (β +1)_*Iб   (2.8)

Линейный режим работы биполярных транзисторов

В линейном режиме работы биполярный транзистор усиливает входные сигналы.

Простейшие транзисторные схемы, с помощью которых можно усиливать малые напряжения  показаны на рисунке 2.21.  Схемы  такой конфигурации  принято называть схемами (каскадами) с общим эмиттером (схемы ОЭ), т.к. один из выводов БТ  –  эмиттер,  используется для  формирования как входного, так и выходного сигнала  –  является общим для них.  Поясним работу такого усилителя.

Пусть  усиливаемый  сигнал  –  переменное  синусоидальное  напряжение, которое  подаётся  на  вход  схемы  общего эмиттера.  Усиленный  сигнал  снимается  с  выхода схемы ОЭ.  Усиленный сигнал имеет ту же форму синусоиды, но следует в противофазе с входным: когда входная синусоида возрастает, выходная синусоида спадает.

Основная  характеристика  усилителя  –  коэффициент  усиления  входного напряжения, который рассчитывается как

К_ус=ΔU_вых/ΔU_вх ≈ R₂/r_э,   (2.9)

где  r_э  –  сопротивление  эмиттера.  Сопротивление  эмиттера  можно  подсчитать по формуле:

r_э= ϕ_т/I_э = k_*T/q_*I_э ≈ k_*T/q_*I_к,    (2.10)

где  k — постоянная Больцмана,

Т – температура в кельвинах,

q – заряд электрона.

При температуре +25ºС (300 К) ϕт = 26 мВ.

Примечания

1. Существует графический  способ  оценки  r_э.  Для  этого  требуется  знание  входной вольт-амперной характеристики выбранного биполярного транзистора;
2. Коэффициент усиления сигнала по напряжению, как видно из формулы, зависит от температуры. В том случае, когда диапазон работы усилительной схемы широк, применяют чуть более сложные модификации схемы объединенных эмиттеров, более устойчивые к изменению температуры.

Следует иметь в виду, что выражение для  К_ус приблизительное и оно будет тем более справедливо, чем больше β, хорошо, если β >100.

Расчёт схемы ОЭ по постоянному току

На этом этапе нам необходимо рассчитать значения  R1и  R2, которые  задают  режим по постоянному току, а  R2кроме  того входит в выражение для К_ус.

Работа биполярного транзистора описывается входными и выходными характеристиками (показано  на  рисунке  2.22).  Входная  характеристика  I_б=ʄ(U_э),  как  и  следовало  ожидать,  аналогична  характеристике  п/п  диода.  Однако  у  транзистора  поведение этой  характеристики  зависит  (несильно)  ещё  и  от  напряжения  U_кэ.  Поэтому  в технических  описаниях  на  выбранный  транзистор  даются  семейства  входных характеристик, где параметром является  U_кэ. Выходная характеристика ‒ также семейство зависимостей типа I_к= ʄ (U_кэ), параметром для которых является базовый ток I_б.

Оба семейства имеют принципиально нелинейное поведение, однако, это не мешает их использовать для режима линейного усиления. Для этого надо построить  нагрузочную прямую  на выходном семействе,  рассчитать положение на ней рабочей точки (РТ) и определить из графика начальный ток базы.

Нагрузочная прямая строится, как и раньше для диода, между двумя аналогичными точками: 

I_к=  E_пит/R₂  и  U_кэ=Е_пит. В нашем расчёте  мы задались  значениями  Епит=15 В и  I_к =  E_пит/R₂  =30 мА. Тогда  R2=15/0,03 = 500 Ом. Строим прямую и выбираем положение РТ  –  это середина  линейного участка    (показано  на  рисунке  2.22). Линейным участком  будем называть участок нагрузочной прямой  между  напряжением  насыщения  и  напряжением  отсечки.  Параметры РТ в нашем примере соответствуют следующим значениям (показано  на рисунке 2.23): 

U_кэ.рт  ≈ 7 В,  I_к.рт  ≈ 16 мА,  I_{б. рт} ≈ 0,3 мА.

Далее: выбираем из семейства входных ту характеристику, которая соответствует найденному значению U_кэ≈ 7,0 В, задаём I_б = 0,3 мА, и определяем U_бэ≈ 0,65 В. Строим актуальный участок входной нагрузочной прямой и рассчитываем R₁= (15-0,65) В/ 0,3 мА = 45 кОм.

Примечание   –  На практике расчёт проводиться несколько сложнее.

Рассчитаем коэффициент усиления каскада при t°=25 °С.

К_ус = I_э R₂/ ϕ_т = 16 мА × 500 Ом/ 26 мВ ≈ 308.

Важно  теперь  проверить:  не  превышает  ли  мощность,  рассеиваемая  на коллекторе, номинальное паспортное значение выбранного биполярного транзистора.

Расчёт ведётся в рабочей точке:  U_кэ.рт  ×I_к.рт  = 7 В×16 мА=112 мВт. Это значение постоянно и не меняется в режиме усиления входного сигнала, когда напряжения и токи коллектора меняются в широком диапазоне. Это объясняется тем, что напряжение и ток коллектора меняются в этой схеме в  противофазе: когда ток увеличивается, напряжения уменьшается, и наоборот.

Расчёт схемы ОЭ по переменному току

Пример формирования выходных сигналов схемы с ОЭ под воздействием изменения тока базы показан на рисунке 2.23. Под воздействием синусоидально изменяющегося тока базы (синусоида, изображённая пунктиром)  РТ смещается вдоль нагрузочной прямой  сначала вверх до своего максимума, а затем вниз до своего минимума.

По рисунку видим, что при изменении тока базы в диапазоне  от  0,05  до 0,55  мА  с  амплитудой  (0,55-0,05)/2  =  250  мкА,  ток  коллектора  изменяется  в диапазоне примерно от 3 мА до 29 мА с амплитудой (29-3)/2 =  13 мА. Имеем отсюда следующее значение коэффициента усиления по току:

К_i= 13 000/250 = 52

Напряжение коллектора изменяется в диапазоне примерно от 0,5 В до 13 В с амплитудой (13-0,5)/2 = 6,25 В. Ещё раз подчеркнём, что изменение напряжения коллектора осуществляется в противофазе  с изменением входного (усиливаемого) тока: при увеличении тока базы увеличивается коллекторный ток и уменьшается коллекторное напряжение!

Пока мы ничего не говорили о конденсаторах  С1и  С2.   Это  так называемые    разделительные конденсаторы. Они не пропускают  постоянные составляющие усиливаемых напряжений  и пропускают только переменные. Их значения  должны  быть  достаточно  большими:  чем  больше  значения  ёмкостей,  тем меньше  ʄ_н –  минимальная  усиливаемая  частота.  Обычно  эти  конденсаторы имеют значения от 1 до 100 мкФ.

Ключевой режим работы биполярных транзисторов

Смотрим на выходные характеристики БТ.  При  подаче большого тока  в базу (>0,3 мА) напряжение  U_кэ уменьшается до своего минимального значения (типовое  значение  0,2  В).  Говорят  «транзистор  переходит  в  режим  насыщения».

С  другой  стороны,  если  в  базу  ток  не  подавать  (I_{б ~} 0),  то  коллекторный ток прерывается и напряжение на выходе каскада будет равно напряжению питания Е_пит ‒ биполярный транзистор будет находится в «режиме отсечки».

Собственно эти два состояния БТ и описывают  ключевой режим его работы:  ключ (транзистор) включён или выключен, нагрузка подключена к питанию или отключена. Простейшие  ключевые схемы  на БТ показаны на рисунке 2.24.  На  представленных  принципиальных  схемах  показано,  что  управление схемами осуществляется с помощью цифровых сигналов: логического нуля  («0»)и  логической единицы  («1»). В современной практике такие сигналы формируются чаще всего микроконтроллерами.

Обращаем внимание, что оба вида БТ используется в схемах с плюсовым (положительным) питанием (+Е_пит) и нагрузка  в обоих случаях расположена в коллекторной  цепи  БТ.  При  этом:  логическая  единица  в  одном  из  случаев (NPN-транзистор) замыкает ключ, а в другом (PNP-транзистор) – размыкает.

Условие замыкания ключа: I_{б  *}  β  >I_к.нас  ≈  Е_пит/R_нагр. Ток базы приближённо можно рассчитать для обоих случаев так: I_б= (Е_пит-0,6)/R₁.

Зная  напряжение  питания,  сопротивление  нагрузки  и  коэффициент  усиления тока базы β, можно рассчитать по указанным формулам R_1.

Конструктивные разновидности биполярных транзисторов

Конструктивные разновидности биполярных транзисторов показаны на рисунке 2.25.

Проверка работоспособности биполярных транзисторов

Многие  мультиметры  позволяют  измерять  коэффициент  усиления  тока базы (β; h₂₁) транзисторов  с гибкими выводами.  На рисунке  2.26    показано типовое решение этой задачи. В специальный разъём, соблюдая указанный на лицевой панели порядок, подключается транзистор.  Значение  β  высвечивается на дисплее.

Примечания 

1. NPN- и PNP-транзисторы имеют раздельные гнёзда для подключения.
2. Для обоих типов транзисторов предусмотрено по два гнезда для подключения эмиттера. Это связано с возможными конструктивными различиями в цоколёвках транзисторов.

Основы на пальцах. Часть 3

Диод

Так работает диод

  Это такая хитрая фиговина, пропускающая ток только в одну сторону. Его можно сравнить с ниппелем. Применяется, например, в выпрямителях, когда из переменного тока делают постоянный. Или когда надо отделить обратное напряжение от прямого. Погляди в схему программатора (там где был пример с делителем). Видишь стоят диоды, как думаешь, зачем? А все просто. У микроконтроллера логические уровни это 0 и 5 вольт, а у СОМ порта единица это минус 12 вольт, а ноль плюс 12 вольт. Вот диод и отрезает этот минус 12, образуя 0 вольт. А поскольку у диода в прямом направлении проводимость не идеальная (она вообще зависит от приложенного прямого напряжения, чем оно больше, тем лучше диод проводит ток), то на его сопротивлении упадет примерно 0.5-0.7 вольта, остаток, будучи поделенным резисторами надвое, окажется примерно 5.5 вольт, что не выходит за пределы нормы контроллера.
Выводы диода называют анодом и катодом. Ток течет от анода к катоду. Запомнить где какой вывод очень просто: на условном обозначнеии стрелочка и палочка со стороны катода как бы рисуют букву К вот, смотри —К|—. К= Катод! А на детали катод обозначается полоской или точкой.

  Есть еще один интересный тип диода – стабилитрон. Его я юзал в одной из прошлых статей. Особенностью его является то, что в прямом направлении он работает как обычный диод, а вот в обратном его срывает на каком либо напряжении, например на 3.3 вольта. Подобно ограничительному клапану парового котла, открывающемуся при превышении давления и стравливающему излишки пара. Стабилитроны используют когда хотят получить напряжение заданной величины, вне зависимости от входных напряжений. Это может быть, например, опорная величина, относительно которой происходит сравнение входного сигнала. Им можно обрезать входящий сигнал до нужной величины или используют его как защиту. В своих схемах я часто ставлю на питание контроллера стабилитрон на 5.5 вольт, чтобы в случае чего, если напряжение резко скакнет, этот стабилитрон стравил через себя излишки. Также есть такой зверь как супрессор. Тот же стабилитрон, только куда более мощный и часто двунаправленный. Используется для защиты по питанию.

Транзистор.

Транзистор на пальцах

  Жуткая вещь, в детстве все не мог понять как он работает, а оказалось все просто.
В общем, транзистор можно сравнить с управляемым вентилем, где крохотным усилием мы управляем мощнейшим потоком. Чуть повернул рукоятку и тонны дерьма умчались по трубам, открыл посильней и вот уже все вокруг захлебнулось в нечистотах. Т.е. выход пропорционален входу умноженному на какую то величину. Этой величиной является коэффициент усиления.
Делятся эти девайсы на полевые и биполярные.
В биполярном транзисторе есть эмиттер, коллектор и база (смотри рисунок условного обозначения). Эмиттер он со стрелочкой, база обозначается как прямая площадка между эмиттером и коллектором. Между эмиттером и коллектором идет большой ток полезной нагрузки, направление тока определяется стрелочкой на эмиттере. А вот между базой и эмиттером идет маленький управляющий ток. Грубо говоря, величина управляющего тока влияет на сопротивление между коллектором и эмиттером. Биполярные транзисторы бывают двух типов: p-n-p и n-p-n принципиальная разница только лишь в направлении тока через них.

  Полевой транзистор отличается от биполярного тем, что в нем сопротивление канала между истоком и стоком определяется уже не током, а напряжением на затворе. Последнее время полевые транзисторы получили громадную популярность (на них построены все микропроцессоры), т.к. токи в них протекают микроскопические, решающую роль играет напряжение, а значит потери и тепловыделение минимальны.

Обозначение транзисторов или камень преткновения всех студентов. Как запомнить тип биполярного транзистора по его условной схеме? Представь что стрелочка это направление твоего движения на машине… Если едем в стенку то дружный вопль «Писец Нам Писец

  Короче, транзистор позволит тебе слабеньким сигналом, например с ноги микроконтроллера, управлять мощной нагрузкой типа реле, двигателя или лампочки. Если не хватит усиления одного транзистора, то их можно соединять каскадами – один за другим, все мощней и мощней. А порой хватает и одного могучего полевого MOSFET транзистора. Посмотри, например, как в схемах сотовых телефонов управляется виброзвонок. Там выход с процессора идет на затвор силового MOSFET ключа.

Как работают биполярные переходные транзисторы.

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• • Опишите основную работу кремниевого планарного транзистора.
• • Понять работу переходов база / эмиттер и база / коллектор.
• • Опишите влияние легирования на материалы транзисторов.

Рис 3.3.1 Как легируется транзистор BJP.

Все дело в допинге

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

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

Рис. 3.3.2. Как транзистор усиливает ток.

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

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

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

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

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

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

Начало страницы

Биполярные переходные транзисторы Вопросы и ответы

1. Объясните, почему обычный переходной транзистор называется биполярным?

Поскольку работа транзистора осуществляется двумя типами носителей заряда (основными и неосновными), обычный транзистор называется биполярным.

2.Почему транзистор называется устройством с управляемым током?

Выходное напряжение, ток или мощность регулируются входным током в транзисторе. Так оно и называется устройством, управляемым током.

3. Объясните, что означает острие стрелки в символе транзистора?

На эмиттере всегда нанесена стрелка. Направление указывало обычное направление тока (от эмиттера к базе в случае транзистора p-n-p и от базы к эмиттеру в случае транзистора n-p-n).Обычно коллектор не обозначается стрелкой, так как его обратный ток утечки всегда противоположен направлению тока эмиттера.

4. Обсудите необходимость смещения транзистора.

Для нормальной работы переход база-эмиттер должен иметь прямое смещение, а переход коллектор-база — обратное. Величина требуемого смещения важна для установления рабочей или Q-точки, которая продиктована желаемым режимом работы.

Если транзистор не смещен должным образом, это будет:

• работают неэффективно
• искажение выходного сигнала
• при изменении параметров транзистора или повышении температуры рабочая точка может сместиться и выход усилителя будет нестабильным.

5. Объясните, что такое «эффективная инжекция эмиттера» и «базовый транспортный коэффициент» и как они влияют на работу транзистора?

Отношение тока инжектированных носителей на эмиттерном переходе к полному эмиттерному току называется эффективностью эмиттерного перехода. Отношение тока коллектора к току базы известно как транспортный коэффициент

.

т.е. β * = IC / IB

Чем больше значение эффективности инжекции эмиттера, тем больше инжектируемые носители на эмиттерном переходе, и это увеличивает ток коллектора.Чем больше значение β *, тем больше вводятся носители через коллекторный переход и, следовательно, увеличивается ток коллектора.

6. Какой ток транзистора всегда наибольший? Какая всегда самая маленькая? Какие два течения относительно близки по величине?

IE тока эмиттера всегда самый большой. Базовый ток IB всегда наименьший. Ток коллектора IC и ток эмиттера IE относительно близки по величине.

7.Почему транзисторы кремниевого типа используются чаще, чем германиевые?

Поскольку кремниевый транзистор имеет меньший ток отсечки ICBO, небольшие отклонения ICBO из-за изменений температуры и высокой рабочей температуры по сравнению с таковыми в случае германиевого типа.

8. Почему коллектор делают больше эмиттера и базы?

Коллектор

физически больше эмиттера и базы, потому что коллектор должен рассеивать большую мощность.

9.Почему ширина базовой области транзистора остается очень маленькой по сравнению с другими областями?

Базовая область транзистора остается очень маленькой и очень слабо легированной, чтобы пропускать большую часть инжектированных носителей заряда к коллектору.

10. Почему эмиттер всегда смещен вперед?

Излучатель всегда смещен в прямом направлении относительно базы, чтобы подавать на базу большинство носителей заряда.

11. Почему коллектор всегда смещен в обратном направлении w.r.t база?

Коллектор всегда имеет обратное смещение относительно базы, чтобы удалить носители заряда из перехода база-коллектор.

12. Можно ли получить транзистор, соединив два полупроводниковых диода друг за другом?

Нет. Потому что в случае двух дискретных последовательно соединенных диодов есть четыре легированных области вместо трех и нет ничего, что напоминало бы тонкую базовую область между эмиттером и коллектором.

13.Как α и β связаны друг с другом?

α и β связаны следующим образом:

α = β / (1+ β) или β = α / (1- α)

14. Определите бета транзистора.

Транзистор с коэффициентом β — это коэффициент усиления по току общего эмиттера этого транзистора и определяется как отношение тока коллектора к току базы:

Β = IC / IB

15. Почему существует максимальный предел напряжения питания коллектора для транзистора?

Хотя ток коллектора практически не зависит от напряжения питания коллектора во всем рабочем диапазоне транзистора, но если VCB превышает определенное значение, ток коллектора IC в конечном итоге быстро увеличивается и, возможно, разрушает устройство.

16. Объясните почему ICEO >> ICBO?

Ток отключения коллектора, обозначенный ICBO, намного больше, чем ICBO. ICEO задается как:

ICEO = ICBO / (1-α)

Поскольку α почти равно единице (немного меньше единицы), ICEO >> ICBO

17. Почему конфигурация CE наиболее популярна в схемах усилителя?

Конфигурация

CE используется в основном из-за того, что ее коэффициент усиления по току, напряжению и мощности достаточно высок, а соотношение выходного и входного сопротивления довольно умеренное.

18. Почему конфигурация CC называется буфером напряжения? Объясните, что есть другое имя?

Из-за высокого входного сопротивления и низкого выходного сопротивления схема с общим коллектором находит широкое применение в качестве буферного усилителя между источником с высоким импедансом и нагрузкой с низким импедансом. он называется буфером напряжения. Другое его название — эмиттер-повторитель.

19. Объясните, для каких основных целей можно использовать усилитель CC.

Из-за высокого входного сопротивления и низкого выходного сопротивления схема с общим коллектором находит широкое применение в качестве буферного усилителя между источником с высоким импедансом и нагрузкой с низким импедансом.

20. Какая конфигурация из CE, CB, CC дает наибольшее входное сопротивление и отсутствие усиления по напряжению?

Конфигурация с общим коллектором имеет наивысший входной импеданс и коэффициент усиления по напряжению меньше единицы.

21. Объясните, что вы понимаете под обратной насыщенностью коллектора? В какой конфигурации он имеет большее значение?

Когда входной ток (IE в случае конфигурации CB и IB в случае конфигурации CE) равен нулю, ток коллектора IC не равен нулю, хотя он очень мал.Фактически это обратный ток утечки или обратный ток насыщения коллектора (ICBO или просто ICO в конфигурации CB и ICEO в конфигурации CE). В случае конфигурации CE это намного больше, чем в случае конфигурации CB.

22. Объясните, что подразумевается под рабочей точкой?

Точка покоя — это точка на линии нагрузки постоянного тока, которая представляет VCE и IC в отсутствие сигнала переменного тока, и изменения VCE и IC происходят вокруг этой точки при подаче сигнала переменного тока.

23. Объясните, как BJT можно использовать в качестве усилителя.

Транзистор работает как усилитель, передавая ток от контура с низким импедансом к контуру с высоким импедансом.

Введение в BJT (биполярный транзистор)

Эй, ребята! Надеюсь, у вас все хорошо. Сегодня я собираюсь обсудить детали Introduction to BJT (Bipolar Junction Transistor) . Это электронный компонент, который в основном используется для усиления и переключения.Как следует из названия, он состоит из двух переходов, называемых переходом эмиттер-база и переходом коллектор-база. Не путайте BJT с обычными транзисторами. Транзистор — это полупроводниковый прибор с тремя выводами, которые используются для внешнего соединения с электронными схемами. Транзистор называется транзистором, который используется в качестве переключателя или затвора для электронных сигналов. Слабые сигналы, подаваемые между одной парой его выводов, используются для управления гораздо более крупными сигналами на другой паре выводов.Фактически, транзисторы делятся на две категории: униполярные транзисторы и биполярные транзисторы. Транзистор с биполярным переходом использует два носителя заряда, то есть электроны и дырки, в то время как униполярный транзистор, такой как полевые транзисторы (полевые транзисторы), использует только один носитель заряда. Надеюсь, вам известен другой тип транзисторов, называемый MOSFET. Я постараюсь охватить все, что связано с этим биполярным переходным транзистором, чтобы вы могли найти всю информацию в одном месте. Давайте начнем.

Введение в BJT

• Представленный в 1948 году компанией Shockley, BJT представляет собой электронный компонент, в основном используемый для коммутации и усиления.
• Он состоит из трех выводов, которые называются эмиттер, база и коллектор и обозначаются буквами E, B и C соответственно.
• Этот транзистор имеет два PN перехода. PN-переход, существующий между эмиттером и базой, называется переходом эмиттер-база, а PN-переход, существующий между коллектором и базой, называется переходом коллектор-база. Переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база — в обратном.
• Изначально биполярные транзисторы делались из германия, однако современные транзисторы делают из кремния.
• BJT бывает двух типов: транзистор NPN и транзистор PNP.
• Это биполярное устройство, в котором проводимость осуществляется обоими носителями заряда, то есть электронами и дырками. Количество электронов, рассеянных в базовой области, больше количества дырок, рассеянных в области эмиттера. Электроны ведут себя как неосновные носители в базовой области.
• В нормальных условиях, когда переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, он позволяет току течь от эмиттера к коллектору.Когда на базовый вывод подается напряжение, оно смещается и потребляет ток, который напрямую влияет на ток на других выводах.
• BJT называется устройством с контролем тока, в котором небольшой ток на стороне базы используется для управления большим током на других клеммах. Все три терминала БЮТ различаются концентрацией легирования. Эмиттер сильно легирован по сравнению с базой и коллектором.

• Коллектор умеренно легирован, и его площадь больше по сравнению с площадью эмиттера, что позволяет ему выдерживать большую мощность.
• При приложении напряжения большая часть электронов из эмиттера диффундирует в базу, где эти электроны действуют как неосновные носители заряда, делая дырки в основной области основными носителями заряда.
• Так как основание очень тонкое и слегка легированное, оно не может удерживать количество электронов слишком долго, позволяя электронам диффундировать от базы к коллектору.
• Небольшое изменение напряжения, приложенного к клеммам база-эмиттер, может вызвать значительное изменение тока между клеммами эмиттера и коллектора.
• Это процесс, используемый для усиления .
• Когда переход эмиттер-база не смещен в прямом направлении, величина тока на клеммах базы и коллектора равна нулю, независимо от того, какое напряжение приложено к клемме базы.
• Коэффициент усиления по току с общим эмиттером — это термин, который в основном используется для BJT. Это соотношение между током коллектора и током базы. Точно так же коэффициент усиления по току общей базы определяется как отношение между током коллектора и током эмиттера.В большинстве случаев его значение принимается за единицу.
• Конструкция BJT по своей природе несимметрична. Отсутствие симметрии БЮТ связано с разницей в концентрации легирования между выводами.
• Обычно BJT работают в режиме прямого смещения. Перестановка эмиттера и коллектора позволяет переключить режим с прямым смещением на режим с обратным смещением. Этот обмен оказывает большое влияние на значения текущих коэффициентов усиления, делая их намного меньше, поскольку они находятся в режиме прямого смещения.
• Режим работы, при котором переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база имеет обратное смещение, называется активной областью.

Типы БЮТ

BJT делятся на два типа в зависимости от природы и конструкции транзистора. Ниже приведены два основных типа BJT.

НПН

• NPN (отрицательный-положительный-отрицательный) — это тип BJT, в котором между двумя слоями материала, легированного азотом, существует слой полупроводника с примесью фосфора.
• Область, легированная P, представляет собой базу транзисторов, а два других слоя представляют собой эмиттер и коллектор соответственно.
NPN-транзисторы
• также называют устройствами с неосновными носителями, поскольку неосновные носители заряда на стороне базы используются для управления большим током на других выводах транзистора.
• Ток движется от эмиттера к коллектору, где электроны действуют как неосновные носители на стороне базы.

PNP

• PNP (положительно-отрицательно-положительный) транзистор представляет собой тип BJT, в котором слой полупроводника с примесью азота, который действует как основание, расположен между двумя слоями материала с примесью фосфора.
• База использует малый базовый ток и отрицательное базовое напряжение для управления большим током на стороне эмиттера и коллектора, а напряжение на стороне коллектора больше, чем напряжение на стороне базы.
• В транзисторе PNP направление тока и полярность напряжения меняются местами по сравнению с транзисторами NPN.
• Транзисторы PNP работают аналогично транзисторам NPN, за некоторым исключением, то есть отверстия рассеиваются через базу от эмиттера и собираются коллектором.
• Этот транзистор редко используется в приложениях, поскольку проводимость за счет движения электронов считается быстрой и имеет большее значение как проводимость за счет движения дырок.

Регионы присутствия BJT

Транзисторы с биполярным переходом бывают разных режимов работы. Эти режимы работы задают тон току, протекающему от эмиттера к коллектору.

Прямой активный режим

• BJT имеет два перехода, называемых переходом эмиттер-база и переходом коллектор-база.Переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база — в обратном направлении.
• Для целей усиления большинство транзисторов имеют высокий коэффициент усиления по току общего эмиттера, который показывает точный коэффициент усиления по току и мощности, необходимый для усиления.
• Ток коллектор-эмиттер в значительной степени зависит от тока базы, где небольшой ток на стороне базы используется для управления большим током на стороне эмиттера и коллектора.

Обратно активный режим

• Переставляя эмиттер и коллектор местами, транзистор переходит из активного режима в обратный активный режим.
• Большинство транзисторов спроектированы так, чтобы обеспечить высокое усиление по току, но изменение роли эмиттера и коллектора на обратное делает усиление по току очень маленьким по сравнению с областью прямого смещения. Этот тип режима редко используется, если не требуется условие отказоустойчивости.

Saturation

• BJT демонстрирует режим насыщения, когда оба перехода смещены в прямом направлении. Этот режим работы называется замкнутой схемой, которая позволяет протекать большому количеству тока от эмиттера к стороне коллектора.

Отсечка

• Когда переход эмиттер-база не смещен в прямом направлении, говорят, что транзистор находится в области отсечки, где ток коллектора и ток базы будут равны нулю, независимо от того, какое напряжение приложено при базовый терминал.

Три основные конфигурации BJT

BJT — это устройство с контролем тока, которое в основном используется для усиления и переключения. Есть три способа подключения этого устройства к внешним электронным схемам, называемым: 1.Общая базовая конфигурация 2. Конфигурация общего коллектора 3. Общая конфигурация эмиттера Природа тока, контролируемого на выходе, различна для разных конфигураций.

Общая базовая конфигурация

• Общая базовая конфигурация — это конфигурация, в которой общая база используется совместно между входным и выходным сигналами.
• Напряжение подается на переход эмиттер-база, и соответствующий выходной сигнал получается на выходе через переход база-коллектор.
• Базовое напряжение подключается к некоторому опорному напряжению, или может быть заземлено в некоторых случаях с целью создания общей базы между входными и выходными сигналами.
• На следующем рисунке показана принципиальная схема общей базовой конфигурации.

• Ток на стороне эмиттера довольно велик, где электроны диффундируют в клемму базы. Эти электроны образуют пару с некоторыми отверстиями, присутствующими в базе, в то время как большинство из них покидают базу и собираются коллектором.
• Этот тип транзистора обладает замечательными высоковольтными характеристиками, которые не делают его идеальным выбором для многих приложений. В этой конфигурации выходное и входное напряжение соответствуют друг другу. Входные характеристики этого транзистора полностью идентичны характеристикам прямого смещения диода, в то время как выходные характеристики аналогичны характеристикам обычного диода и имеют высокое отношение выходного сопротивления к входному сопротивлению.
• Коэффициент усиления по току общей базы — очень важный фактор, используемый в этой конфигурации, который представляет собой соотношение между током коллектора и током эмиттера.Обозначается α альфа.
• α = Ic / Ie
• Значение альфа находится в диапазоне от 0,95 до 0,99, однако большую часть времени его значение принимается за единицу. Высокочастотная характеристика общей базовой конфигурации делает его идеальным выбором для одноступенчатого усилителя.

Конфигурация с общим коллектором

• Эта конфигурация также известна как повторитель напряжения, где вход подается на клемму базы, а выход снимается с клеммы эмиттера.
• Эта конфигурация в основном используется для согласования импедансов, поскольку входное сопротивление этой конфигурации очень высокое, а выходное сопротивление очень низкое.
• Конфигурация с общим коллектором называется неинвертирующим усилителем, в котором выходной сигнал и входной сигнал находятся в фазе друг с другом.
• Коэффициент усиления по току этого транзистора очень велик, поскольку сопротивление нагрузки находится на приемном конце как тока коллектора, так и тока базы, что делает его подходящим для целей усиления.
• Следовательно, очень небольшое усиление напряжения, около единицы, может помочь в получении очень большого усиления тока.
• На следующем рисунке показана принципиальная схема общей конфигурации коллектора.

Конфигурация с общим эмиттером

• Эта конфигурация широко используется в усилителях на основе транзисторов, где входной сигнал подается между эмиттером и базой, а выходной сигнал берется с эмиттера и коллектора.
• Эта конфигурация обеспечивает максимальный коэффициент усиления по току и мощности, что делает ее идеальным выбором для усиления. Входной импеданс подключен к смещенному в прямом направлении PN-переходу, который показывает низкое значение, в то время как выходной импеданс подключен к обратному смещенному PN-переходу, который показывает высокое значение.
• Большинство транзисторов обычно имеют общую конфигурацию эмиттера, поскольку она обеспечивает идеальную мощность и ток, необходимые для усиления.
• Конфигурация с общим эмиттером называется схемой инвертирующего усилителя, в которой входной сигнал не совпадает по фазе с выходным сигналом.
• На следующем рисунке показана принципиальная схема общей конфигурации эмиттера.

• Коэффициент усиления по току общего эмиттера этого транзистора очень велик по сравнению с коэффициентом усиления по току конфигурации с общей базой, который представляет собой соотношение между током коллектора и током базы.Он обозначается β β, который является мерой усиливаемого тока.
• β = Ic / Ib
• Выходной ток на стороне коллектора и эмиттера сильно зависит от тока на стороне базы.
• Ток на стороне эмиттера представляет собой сумму тока на стороне базы и коллектора, поскольку сторона эмиттера сильно легирована по сравнению с базой и коллектором.
• Ie = Ib + Ic
• Когда напряжение подается на клемму базы, оно запускает реакцию электронов, которая заставляет электроны перемещаться в сторону коллектора.
• Любое небольшое изменение напряжения, приложенного к клемме базы, приводит к очень большому изменению тока, полученного на стороне коллектора.

Плюсы БЮТ

• Биполярный транзистор имеет большой коэффициент усиления.
• Этот тип транзистора обеспечивает лучший коэффициент усиления по напряжению.
• Этот транзистор может работать в четырех областях, а именно в активной области, обратном режиме, насыщении и области отсечки.
• BJT обеспечивает лучший ответ на более высоких частотах.
• BJT также действуют как переключатель.

Минусы BJT

• BJT очень чувствительны к нагреву и в некоторых случаях шумят.
• Коммутационная способность BJT очень мала по сравнению с униполярными транзисторами, такими как полевые транзисторы.

Приложения

• BJT имеют два основных приложения, называемых усилением и коммутацией.
• Они являются строительными блоками большинства электронных схем, особенно там, где требуется усиление звука, тока или напряжения.
• NPN-транзисторы предпочтительнее, чем

как работает транзистор, альтернативная точка зрения

Потоки заряда, управляемые напряжением Прежде всего, вы должны отказаться от идеи, что ток проходит в транзисторы или потоки внутри проводов. Да, вы поняли меня правильно. Ток не течет. Электрический ток никогда не течет , поскольку электрический ток — это не материал. Электрический ток — это поток чего-то другого. (Спросите себя: что за вещество течет в реке, называется ли оно «течением»? Или это называется «вода?») Поскольку ток — это поток заряда, следует избегать распространенного выражения «поток тока», поскольку буквально оно означает « потока из потока заряда.« — СОВРЕМЕННЫЙ КОЛЛЕДЖ ФИЗИКИ, г. Richards, Sears, Wehr, Zemansky (найти похожие в книге Сервея COLLEGE ФИЗИКА) Так что же на самом деле течет внутри проводов? То, что движется по проводам, НЕ называется электрическим током. Вместо он называется Electric Charge . Это заряд, который течет, а не ток. Движение зарядов может исчезнуть, а движение может появиться. Но Само движение не течет, текут заряды. И в реки (или в водопроводе) течет вода, а не «течение».» Аналогия: мы не сможем понять сантехнику, пока не перестанем предполагать, что трубы пусты … при этом веря в волшебство, называемое «текущий.» Мы должны узнать, что трубы уже заполнены; эта «вода» течет внутри них. То же самое и со схемами. Провода не залиты «потоком Текущий «, вместо этого они предварительно заполнены. переехать. Электрический заряд — это реально; его переносят физические частицы, и он может двигаться с реальной скоростью и в реальном направлении.Заряжать ведет себя как «вещество», как газ или жидкость. Но электрический ток отличается от заряда: заряд — это как материал, но ток — это не прочее. (Если ток подобен ветру, то заряд подобен азоту!) Если мы экспериментируйте с концепциями; если мы решим игнорировать «текущий», и вместо этого мы пойдите и внимательно изучите поведение движущихся зарядов в большом детали, мы можем сжечь облака тумана, которые блокируют наше понимание электроника. Второй: заряды внутри проводников не проталкиваются сами собой вместе, но вместо этого их подталкивает «разность потенциалов»; они проталкивается полями напряжения в проводящем материале.Сборы не выскакивал из блока питания, как будто блок питания какой-то резервуара для воды. Если представить, что заряды уходят через негатив клемма источника питания; и если вы думаете, что обвинения то распределить по полым трубам контура, то вы сделали фундаментальная ошибка. Если вы считаете, что сборы предусмотрены блок питания, значит, вы совершили фундаментальную ошибку. Провода не действуют вроде «пустых электронных трубок». Блок питания не дает никаких электроны.Блоки питания обязательно создают тока, или они вызывает тока, но помните, мы убираем слово «ток». Для создания потока зарядов блок питания не вводит никаких заряжает провода. Источник питания — только помпа. Насос может подавать давление накачки. Насосы никогда не подают перекачиваемую воду. Третий: вы открыли большой «секрет» визуализации электрических схемы? ВСЕ ПРОВОДНИКИ УЖЕ ЗАРЯДНЫ Провода и кремний…. оба ведут себя как предварительно заполненные водопроводные трубы или резервуары для воды. В «вода» — это огромная совокупность подвижных заряженных частиц дирижер. Электрические схемы построены по «полнотрубной аналогии». Этот простая идея обычно скрывается фразами «поток тока» или «блоки питания излучают ток». В итоге мы думаем, что провода похожи на полые трубы. В итоге мы визуализируем загадочную субстанцию ​​под названием Current. которая протекает через них. Нет. (Как только мы избавимся от слова «текущий», мы можем открыть для себя потрясающие идеи относительно простых схем, а?) Если цепи похожи на водопровод, , тогда ни одна из «труб» цепи всегда пусты. Эта идея чрезвычайно важна, и без нее мы не может понять полупроводники … или даже проводники! Металлы содержат огромное количество подвижных электронов, образующих своего рода «электрическую жидкость» внутри металла. Простой кусок меди похож на резервуар для воды! Физики называют эту жидкость «электронным морем металлов» или океан заряда ». Полупроводники всегда полны этой подвижной «зарядка». Подвижный заряд присутствует, даже когда транзистор сидит на полке и отключен от всего.Когда напряжение нанесенный на кусок кремния, эти заряды уже в материал приводится в движение. Также обратите внимание, что заряд внутри проводов … незаряжен. Рядом с каждым подвижным электроном находится положительный протон, поэтому хотя металл содержит огромное море заряда, нет никакой сети заряд в среднем. Провода содержат «незаряженный» заряд. Лучше назови это «отмененный платеж». Но даже несмотря на то, что электроны нейтрализуются рядом с протонами электроны все еще могут течь между протонами.Отменено заряд все еще может перемещаться, поэтому возможны потоки заряда в незаряженный металл. Хорошо, так как «трубы» уже заполнены «жидкостью», то для того, чтобы понимать схему, мы НЕ должны прослеживать путь, начинающийся с клеммы источника питания. Вместо этого мы можем начать с любого компонента на схема. Если напряжение приложено к этому компоненту, то заряды внутри этого компонента начнут течь. Давайте доработаем старую «объяснение с помощью фонарика», которому всех нас учили в начальной школе.Вот исправленная версия: ТОЧНОЕ ОБЪЯСНЕНИЕ ФОНАРЯ: Провода полны огромных количества подвижного электрического заряда (все проводники есть!) Если подключить несколько проводов в сплошное кольцо, вы формируете «электрическую цепь», которая содержит подвижную конвейерную ленту из зарядов внутри металлического круга. Далее мы разрезаем это кольцо в паре мест и вставляем батарею и лампочку в разрезы. Аккумулятор действует как зарядный насос, в то время как лампочка предлагает трение.Аккумулятор проталкивает длинный ряд проводов заряжается вперед, затем все заряды текут, затем загорается лампочка. Давайте следовать за ними. Заряды начинаются внутри нити накаливания лампочки. (Нет, не внутри аккумулятор. Начнем с лампочки .) Заряды вынуждены течь вдоль нити. Потом они вытекают в первую проволоку и двигайтесь к первой клемме аккумулятора. (В то же время более заряды попадают в нить через другой ее конец.) заряжается через себя и снова отступает.Обвинения уходят вторые клемму аккумулятора, потом по второму проводу стекают к лампочке. Oни намотать обратно внутрь нити накаливания лампочки. В то же время заряды в других частях цепи делают то же самое. Это как пояс сплошной сделанный из зарядов. Аккумулятор действует как привод колесо, которое перемещает ремень. Провода ведут себя так, как будто они скрывают конвейерная лента внутри. Лампочка действует как «трение»; становится жарко когда его собственные естественные заряды вынуждены течь.Скорость батареи вверх по всему ремню, а трение лампочки замедляет его очередной раз. А так ремень работает постоянно, а лампочка нагревается. Правда освободит вас … но сначала это вас разозлит! -анон Краткий обзор: 1. ВЕЩЕСТВО, ПРОТЕКАЮЩЕЕ ЧЕРЕЗ ПРОВОДНИКИ НАЗЫВАЕТСЯ ОПЛАТА. («ТОК» НЕ ПОТОК.) 2. ЗАРЯД ВНУТРИ ПРОВОДНИКИ УМЫВАЮТСЯ ПОЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ. 3. ВСЕ ПРОВОДА «ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ЗАПОЛНЕННЫЙ» ОБЪЕМ ПОДВИЖНОГО ЗАРЯДА 4. БАТАРЕИ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ — НАСОСЫ. 5. ЛАМПОЧКИ И РЕЗИСТОРЫ ОБА АКТ «ФРИКЦИОННО». И последнее: разница между проводником и изолятором состоит в следующем: просто: проводники похожи на предварительно залитые водопроводные трубы, а изоляторы — на как трубы, задушенные льдом. Оба содержат «электрический материал»; проводники и изоляторы заполнены электрически заряженными частицами.Но «вещество» внутри изолятора не может двигаться. Когда мы применяем перепад давления по водопроводу, течет вода. Но с труба пустая, там ничего нет, поэтому течения не происходит. И с трубка в замороженном состоянии, материал застрял и не сдвинется с места. (Другими словами, напряжение вызывает поток заряда в проводниках, но не может вызвать поток заряда в изоляторах, потому что заряды либо отсутствуют, либо иммобилизованы.) Многие вводные учебники ошибаются в своих определениях. Они определяют проводника как нечто, через которое могут течь заряды, а изоляторы предположительно блочные сборы.Нет. Воздух и вакуум не блокируют заряды, но воздух и вакуум — хорошие изоляторы! На самом деле дирижер — это то, что содержит подвижные заряды, а в изоляторе их нет. (Если в книге неверна эта основополагающая идея, то большая часть ее последующих объяснения подобны зданиям, построенным на куче мусора, и рухнуть.) Еще одно напоминание перед тем, как погрузиться в транзисторы. Кремний очень отличается от металла. Металлы полны подвижных зарядов… но это так легированный кремний. Насколько они разные? Конечно, дело в «запрещенная зона» и разница между электронами и дырками, но это не главное. Важное отличие довольно простое: металлы имеют огромное количество подвижного заряда, но кремний гораздо меньше. За Например, в меди каждый атом меди отдает один подвижный электрон к «морю заряда». «Электрическая жидкость» меди очень плотная; его такой же плотный, как и медь. Но в легированном кремнии только по одному на каждый миллиард атомов передает подвижный заряд.Кремний похож на большое пустое пространство со случайным блуждающим зарядом. В кремнии можно смести все заряжается из материала, используя потенциал в несколько вольт, в то время как металл потребуются миллиарды вольт, чтобы сделать то же самое. Или в другие слова: 6. ЗАРЯД ВНУТРИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ КАК ЗАРЯД СЖИМАЕМЫЙ ГАЗ, В то время как ЗАРЯД ВНУТРИ МЕТАЛЛА КАК ПЛОТНЫЙ И Несжимаемая жидкость. Сметание зарядов в материале — то же самое, что преобразование этого материал от проводника до изолятора.Если силикон похож на резину шланг, то это шланг, содержащий сжимаемый газ. Мы легко можем закройте его и остановите поток. Но если медь тоже похожа на резину шланг, то вместо этого, это похоже на шланг, полный железных слизней. Вы можете сжать и давить, но не разбить их с дороги. Но с воздушными шлангами а с кремниевыми проводниками даже небольшое боковое давление может защемить путь закройте и остановите поток. Хорошо, давайте посмотрим, как обычно объясняют транзисторы. Чтобы включить транзистор NPN, на базу подается напряжение и эмиттерные клеммы. Это приводит к тому, что электроны в основном проводе удаляются. от самого транзистора и вытекают в сторону блока питания. Это в Turn выдергивает электроны из базовой области P-типа, оставляя « дырки » позади, а «дыры» действуют как положительные заряды, которые проталкиваются в противоположном направлении от направления электронного тока. Что КАЖЕТСЯ бывает так, что базовый провод вводит положительные заряды в основание область.Изрыгает дыры. Он вводит заряд. (Обратите внимание, что здесь я описываю поток заряда , а не положительный заряд. «условный ток»)

300+ TOP Биполярные переходные транзисторы (БЮТ) Вопросы и ответы pdf

Биполярные переходные транзисторы (BJT) Вопросы: —

1. Почему обычный переходной транзистор называется биполярным?

Поскольку работа транзистора осуществляется двумя типами носителей заряда (основными и неосновными), обычный транзистор называется биполярным.

2. Почему транзистор называется устройством с управляемым током?

Выходное напряжение, ток или мощность регулируются входным током в транзисторе. Так оно и называется устройством, управляемым током.

3. Определите, что означает острие стрелки в символе транзистора?

На эмиттере всегда нанесена стрелка. Направление указывало обычное направление тока (от эмиттера к базе в случае транзистора p-n-p и от базы к эмиттеру в случае транзистора n-p-n).Обычно коллектор не обозначается стрелкой, так как его обратный ток утечки всегда противоположен направлению тока эмиттера.

4. Обсудите необходимость смещения транзистора.

Для нормальной работы переход база-эмиттер должен иметь прямое смещение, а переход коллектор-база — обратное. Величина требуемого смещения важна для установления рабочей или Q-точки, которая продиктована желаемым режимом работы.

Если транзистор не смещен должным образом, это будет:

• работают неэффективно
• искажение выходного сигнала
• при изменении параметров транзистора или повышении температуры рабочая точка может сместиться и выход усилителя будет нестабильным.

5. Что такое «эффективная инжекция эмиттера» и «базовый транспортный фактор» и как они влияют на работу транзистора?

Отношение тока инжектированных носителей на эмиттерном переходе к полному эмиттерному току называется эффективностью эмиттерного перехода. Отношение тока коллектора к току базы известно как транспортный коэффициент

.

т.е. β * = IC / IB

Чем больше значение эффективности инжекции эмиттера, тем больше инжектируемые носители на эмиттерном переходе, и это увеличивает ток коллектора.Чем больше значение β *, тем больше вводятся носители через коллекторный переход и, следовательно, увеличивается ток коллектора.

6. Какой ток транзистора всегда наибольший? Какая всегда самая маленькая? Какие два течения относительно близки по величине?

IE тока эмиттера всегда самый большой. Базовый ток IB всегда наименьший. Ток коллектора IC и ток эмиттера IE относительно близки по величине.

7.Почему транзисторы кремниевого типа используются чаще, чем германиевые?

Поскольку кремниевый транзистор имеет меньший ток отсечки ICBO, небольшие отклонения ICBO из-за изменений температуры и высокой рабочей температуры по сравнению с таковыми в случае германиевого типа.

8. Почему коллектор делают больше эмиттера и базы?

Коллектор

физически больше эмиттера и базы, потому что коллектор должен рассеивать большую мощность.

9.Почему ширина базовой области транзистора остается очень маленькой по сравнению с другими областями?

Базовая область транзистора остается очень маленькой и очень слабо легированной, чтобы пропускать большую часть инжектированных носителей заряда к коллектору.

10. Почему эмиттер всегда смещен вперед?

Излучатель всегда смещен в прямом направлении относительно базы, чтобы подавать на базу большинство носителей заряда.

Биполярные переходные транзисторы (BJT) Вопросы и ответы для интервью ::

11.Почему коллектор всегда имеет обратное смещение относительно базы?

Коллектор всегда имеет обратное смещение относительно базы, чтобы удалить носители заряда из перехода база-коллектор.

12. Можно ли получить транзистор, соединив два полупроводниковых диода друг за другом?

Нет. Потому что в случае двух дискретных последовательно соединенных диодов есть четыре легированных области вместо трех и нет ничего, что напоминало бы тонкую базовую область между эмиттером и коллектором.

13. Как α и β связаны друг с другом?

α и β связаны следующим образом:

α = β / (1+ β) или β = α / (1- α)

14. Определите бета транзистора.

Транзистор с коэффициентом β — это коэффициент усиления по току общего эмиттера этого транзистора и определяется как отношение тока коллектора к току базы:

Β = IC / IB

15. Почему существует максимальный предел напряжения питания коллектора для транзистора?

Хотя ток коллектора практически не зависит от напряжения питания коллектора во всем рабочем диапазоне транзистора, но если VCB превышает определенное значение, ток коллектора IC в конечном итоге быстро увеличивается и, возможно, разрушает устройство.

16. Определите, почему ICEO >> ICBO?

Ток отключения коллектора, обозначенный ICBO, намного больше, чем ICBO. ICEO задается как:

ICEO = ICBO / (1-α)

Поскольку α почти равно единице (немного меньше единицы), ICEO >> ICBO

17. Почему конфигурация CE наиболее популярна в схемах усилителя?

Конфигурация

CE используется в основном из-за того, что ее коэффициент усиления по току, напряжению и мощности достаточно высок, а соотношение выходного и входного сопротивления довольно умеренное.

18. Почему конфигурация CC называется буфером напряжения? Определите, что есть другое имя?

Из-за высокого входного сопротивления и низкого выходного сопротивления схема с общим коллектором находит широкое применение в качестве буферного усилителя между источником с высоким импедансом и нагрузкой с низким импедансом. он называется буфером напряжения. Другое его название — эмиттер-повторитель.

19. Определите основные цели, для которых может использоваться усилитель CC.

Из-за высокого входного сопротивления и низкого выходного сопротивления схема с общим коллектором находит широкое применение в качестве буферного усилителя между источником с высоким импедансом и нагрузкой с низким импедансом.

20. Какая конфигурация из CE, CB, CC дает наибольшее входное сопротивление и отсутствие усиления по напряжению?

Конфигурация с общим коллектором имеет наивысший входной импеданс и коэффициент усиления по напряжению меньше единицы.

21. Определите, что вы понимаете под обратной насыщенностью коллектора? В какой конфигурации он имеет большее значение?

Когда входной ток (IE в случае конфигурации CB и IB в случае конфигурации CE) равен нулю, ток коллектора IC не равен нулю, хотя он очень мал.Фактически это обратный ток утечки или обратный ток насыщения коллектора (ICBO или просто ICO в конфигурации CB и ICEO в конфигурации CE). В случае конфигурации CE это намного больше, чем в случае конфигурации CB.

22. Определите, что подразумевается под рабочей точкой?

Текущая точка — это точка на линии нагрузки постоянного тока, которая представляет VCE и IC в отсутствие сигнала переменного тока, и изменения VCE и IC происходят вокруг этой точки при подаче сигнала переменного тока.

23. Как BJT можно использовать в качестве усилителя.

Транзистор работает как усилитель, передавая ток от контура с низким импедансом к контуру с высоким импедансом.

Биполярные переходные транзисторы (БЮТ) Вопросы и ответы pdf скачать бесплатно ::

Просмотры сообщений: 209

ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

I. Интенсивные усилия ¹ электроники для повышения надежности ² и производительности ³ ее продуктов при уменьшении их размера и стоимости привели к результатам, которые вряд ли кто-нибудь получил бы осмелился предсказать . ⁴

Эволюцию электронных технологий иногда называют революцией. Мы наблюдали неуклонную количественную эволюцию: все меньшие и меньшие электронные компоненты выполняли все более сложные электронные функции на все более высоких скоростях. И все же произошла настоящая революция: количественные изменения в технологии привели к качественному изменению способностей человека. ⁵

Все началось с разработки транзистора.

До ⁶ изобретения транзистора в 1947 году его функцию в электронной схеме могла выполнять только электронная лампа. Лампочки бывали разных форм и размеров и выполняли столько функций, что в 1947 году казалось смелым () думать, что транзистор сможет составить конкуренцию ⁷ , за исключением ограниченного применения.

Первые транзисторы не имели заметного преимущества по размеру перед самыми маленькими лампами и были более дорогими.Одно большое преимущество транзистора перед лучшими электронными лампами — это очень низкое энергопотребление , ⁸ . К тому же обещали большую надежность и более длительный срок службы. Однако потребовались годы, чтобы продемонстрировать другие преимущества транзистора.

С изобретением транзистора все основные функции схемы могут быть выполнены ⁹ внутри твердых ¹⁰ тел. Цель ¹¹ по созданию электронных схем с полностью твердотельными компонентами, наконец, была реализована. ¹²

Ранние транзисторы, которые часто описывались как размером с горошину (), на самом деле были огромными в масштабе ¹³ , в котором происходят электронные события ¹⁴ , и поэтому они были очень медленными. Они могли ответить ¹⁵ со скоростью ¹⁶ несколько миллионов раз в секунду; это было достаточно быстро, чтобы работать в схемах радио и слуховых аппаратов (), но намного ниже скорости, необходимой для высокоскоростных компьютеров или для систем микроволновой связи.

Фактически, попытка уменьшить размер транзисторов, чтобы они могли работать с более высокой скоростью, положила начало всей технологии микроэлектроники.

Микроэлектронная технология имеет усадку ¹⁷ транзисторов и других схемных элементов до размеров ¹⁸ практически невидимых невооруженным глазом ().

Точка ¹⁹ этой необычной миниатюризации не столько для того, чтобы сделать схемы сами по себе маленькими (.) для создания надежных (, ) схем, долговечных, недорогих и способных выполнять электронные функции на чрезвычайно высоких скоростях. Известно, что скорость отклика зависит в первую очередь от размера транзистора: чем меньше транзистор, тем он быстрее.

Вторая производительность Преимущество ²⁰ в результате использования микроэлектроники напрямую связано с уменьшением расстояний между компонентами схемы. Если цепь должна работать несколько миллиардов раз в секунду, проводники, соединяющие цепь, должны быть измерены в долях дюйма.Технология микроэлектроники делает возможной тесную связь ²¹ . ²²

Может быть полезно, если мы скажем несколько слов о четырех основных устройствах, используемых в электронных схемах: резисторах, конденсаторах, диодах и транзисторах. Каждое устройство выполняет определенную роль ²³ в управлении потоком электронов, так что завершенная схема выполняет некоторую желаемую функцию.

За последнее десятилетие производительность электронных систем увеличилась. коллектор ²⁴ за счет использования все большего количества компонентов, и они продолжают развиваться.Современные научные и бизнес-компьютеры, например, содержат 10 ⁹ элементов; электронное переключение ²⁵ системы содержат более миллиона компонентов.

Тирания чисел — проблема обработки ²⁶ Многие дискретные электронные устройства начали интересовать ²⁷ ученых еще в 1950 году. в целом ²⁸ надежность электронной системы повсеместно связана с количество отдельных компонентов.

Более серьезный недостаток ²⁹ заключался в том, что это было один раз ³⁰ универсальная практика изготавливать ³¹ каждый из компонентов отдельно, а затем собирать ³² все устройство с помощью проводки ³³ компоненты вместе с металлическими проводниками. Это не годилось (, ): чем больше компонентов и взаимодействий, тем менее надежна система.

Разработка ракет и космос транспортных средств ³⁴ дала последний импульс ⁶⁵ для изучения проблемы.Однако многие попытки были по большей части безуспешными.

То, что в конечном итоге ³⁶ предоставило решение, было полупроводниковой интегральной схемой, концепция ³⁷ которой начала формироваться через несколько лет после изобретения транзистора. Примерно между 1960 и 1963 годами новая схемотехника стала реальностью. Проблема была решена развитием микроэлектроники.

Появление ³⁸ микроэлектронных схем по большей части не изменило характер основных функциональных блоков: микроэлектронные устройства также состоят из транзисторов, резисторов, конденсаторов и аналогичных ³⁹ компонентов.Основное отличие состоит в том, что все эти элементы и их соединения теперь изготавливаются на одной подложке ⁴⁰ за одну серию операций.

II. Требовалось несколько ключевых ⁴¹ разработок, прежде чем можно было реализовать захватывающий потенциал интегральных схем.

Развитие микроэлектроники зависело от изобретения методов ⁴² для создания различных функциональных блоков на кристалле полупроводниковых материалов или в кристалле.В частности, все больше функций передается элементам схемы, которые работают лучше всего: транзисторам. Было разработано несколько видов микроэлектронных транзисторов, и для каждого из них были разработаны семейства связанных схемных элементов и схем шаблонов ⁴³ .

Это был биполярный транзистор, который был изобретен в 1948 году Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли из Bell Telephone Laboratories. В биполярных транзисторах в работе участвуют носители заряда обеих полярностей ⁴⁴ .Они также известны как транзисторы с переходом , ^{, 45,} , . Транзисторы npn и pnp составляют класс устройств, называемых переходными транзисторами.

Второй тип транзистора был фактически разработан почти за 25 лет до биполярных устройств, но его массовое производство не было практичным до начала 1960-х годов. Это полевой транзистор. В микроэлектронике широко используется полевой транзистор металл-оксид-полупроводник.Термин относится к трем материалам, использованным в его конструкции, ⁴⁶ и является дополнительным MOSFET.

Два основных типа транзисторов, биполярные и полевые МОП-транзисторы, делят микроэлектронные схемы на два больших семейства. Сегодня наибольшая плотность элементов схемы на чипа ⁴⁷ может быть достигнута с помощью новой технологии MOSFET.

Отдельная интегральная схема (1С) на кристалле теперь может включать () больше электронных элементов, чем самая сложная часть электронного оборудования, которая могла быть построена в 1950 году.

За первые 15 лет с момента создания интегральных схем количество транзисторов, которые можно было разместить на одном кристалле (допустимое значение , ⁴⁸ , выход ⁴⁹ ) ежегодно удваивалось. Состояние 1980 года из области техники ⁵⁰ составляет около 70 КБ на чип. В настоящее время мы можем разместить миллион транзисторов на одном кристалле.

Первое поколение серийно выпускаемых микроэлектронных устройств теперь называется маломасштабными интегральными схемами (SSI).В их числе несколько ворот. ⁵¹ Схема , определяющая ⁵² логический массив ⁵³ , должна была быть обеспечена внешними проводниками.

Устройства с более чем 10 вентилями на кристалле, но менее чем с 200, являются интегральными схемами среднего размера (MSI). Верхняя граница ⁵⁴ технологии средних интегральных схем — это , обозначенная ⁵⁵ микросхемами, которые содержат полный арифметический и логический блок.Это устройство принимает в качестве входных данных два операнда и может выполнять с ними любую из дюжины или около того операций. Операции включают в себя сложение, вычитание, сравнение, логическое «и» и «или» и смещение ⁵⁶ на один бит влево или вправо.

Крупномасштабная интегральная схема (БИС) содержит десятки тысяч элементов, но каждый элемент настолько мал, что вся схема обычно занимает менее четверти дюйма на стороне.

Интегральные схемы эволюционируют от крупномасштабных к очень крупномасштабным (СБИС) и интеграции на пластинах (WSI).

Изменение масштаба можно измерить, посчитав количество транзисторов, которые можно установить на микросхему ⁵⁷ .

Продолжение эволюции микрокомпьютера потребует дальнейшего увеличения плотности упаковки ⁵⁸ .

Появился новый режим ⁵⁹ интегральных схем, СВЧ интегральных схем. В самом широком смысле ⁶⁰ микроволновая интегральная схема представляет собой любую комбинацию функций схемы, которые упакованы вместе без доступа пользователя ⁶¹ интерфейса.

Эволюция микроволновых интегральных схем должна начаться с разработки планарных ⁶² линий передачи . ⁶³

Когда мы перешли в 1970-е годы, полосковые и микрополосковые сборки стали обычным явлением и стали повседневным методом создания микроволновых интегральных схем. Однако на горизонте были новые формы линий электропередачи. В 1974 году появились новые компоненты интегральной схемы в линии передачи, названной fineline.Появляются и другие, более экзотические методы, такие как диэлектрический волновод ⁶⁴ интегральные схемы . ⁶⁵ Основные усилия в настоящее время направлены на такие области, как направляющие изображения, копланарный волновод, тонкопроволочный и диэлектрический волноводы, все с упором на методы, которые могут быть применены к монолитным интегральным схемам. Эти монолитные схемы включают в себя все традиционные микроволновые функции аналоговых схем, а также новые цифровые приложения.

Микроэлектронная техника и дальше будет вытеснять другие моды.Поскольку предел оптического разрешения ⁶⁶ сейчас достигается, потребуются новые методы литографии и изготовления.