Как работает биполярный транзистор: Основные параметры и характеристики биполярного транзистора.

Содержание

Основные параметры и характеристики биполярного транзистора.

Продолжаем разбирать все, что связано с транзисторами и сегодня у нас на очереди одна из наиболее часто используемых схем включения. А именно схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ)! Кроме того, на базе этой схемы мы рассмотрим основные параметры и характеристики биполярного транзистора. Тема важная и интересная, так что без лишних слов переходим к делу!

Название этой схемы во многом объясняет ее основную идею. Поскольку схема с общим эмиттером, то, собственно, эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей. Вот как выглядит схема с ОЭ для n-p-n транзистора:

А вот так – для p-n-p:

Давайте снова разбирать все процессы для случая с использованием n-p-n транзистора. Для p-n-p суть остается той же, меняется только полярность.

Входными величинами являются напряжение база-эмиттер (U_{бэ}) и ток базы (I_{б}), а выходными – напряжение коллектор-эмиттер (U_{кэ}) и ток коллектора (I_{к}). Обратите внимание, что в этих схемах у нас отсутствует нагрузка в цепи коллектора, поэтому все характеристики, которые мы далее рассмотрим носят название

статических. Другими словами статические характеристики транзистора – это зависимости между напряжениями и токами на входе и выходе при отсутствии нагрузки.

Характеристики биполярного транзистора.

Выделяют несколько основных характеристик транзистора, которые позволяют понять, как он работает, и как его использовать для решения задач.

И первая на очереди – входная характеристика, которая представляет из себя зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер при определенном значении напряжения коллектор-эмиттер:

I_{б} = f(U_{бэ}), \medspace при \medspace U_{кэ} = const

В документации на конкретный транзистор обычно указывают семейство входных характеристик (для разных значений U_{кэ}):

Входная характеристика, в целом, очень похожа на прямую ветвь ВАХ диода. При U_{кэ} = 0 характеристика соответствует зависимости тока от напряжения для двух p-n переходов включенных параллельно (и смещенных в прямом направлении).

При увеличении U_{кэ} ветвь будет смещаться вправо.

Переходим ко второй крайне важной характеристике биполярного транзистора – выходной! Выходная характеристика – это зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном токе базы.

I_{к} = f(U_{кэ}), \medspace при \medspace I_{б} = const

Для нее также указывается семейство характеристик для разных значений тока базы:

Видим, что при небольших значениях U_{кэ} коллекторный ток увеличивается очень быстро, а при дальнейшем увеличении напряжения – изменение тока очень мало и фактически не зависит от U_{кэ} (зато пропорционально току базы). Эти участки соответствуют разным режимам работы транзистора.

Для наглядности можно изобразить эти режимы на семействе выходных характеристик:

Участок 1 соответствует активному режиму работы транзистора, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Как вы помните, в данном режиме незначительный ток базы управляет током коллектора, имеющим бОльшую величину.

Для управления током базы мы увеличиваем напряжение U_{бэ}, что в соответствии со входными характеристиками приводит к увеличению тока базы. А это уже в соответствии с выходной характеристикой в активном режиме приводит к росту тока коллектора. Все взаимосвязано 🙂

Небольшое дополнение. На этом участке выходной характеристики ток коллектора все-таки незначительно зависит от напряжения U_{кэ} (возрастает с увеличением напряжения). Это связано с процессами, протекающими в биполярном транзисторе. А именно – при росте напряжения на коллекторном переходе его область расширяется, а соответственно, толщина слоя базы уменьшается. Чем меньше толщина базы, тем меньше вероятность рекомбинации носителей в ней. А это, в свою очередь, приводит к тому, что коэффициент передачи тока \beta, несколько увеличивается. Это и приводит к увеличению тока коллектора, ведь:

I_к = \beta I_б

Двигаемся дальше!

На участке 2 транзистор находится в режиме насыщения. При уменьшении U_{кэ} уменьшается и напряжение на коллекторном переходе U_{кб}. И при определенном значении U_{кэ} = U_{кэ \medspace нас} напряжение на коллекторном переходе меняет знак и переход оказывается смещенным в прямом направлении. То есть в активном режиме у нас была такая картина – эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. В режиме же насыщения оба перехода смещены в прямом направлении.

В этом режиме основные носители заряда начинают двигаться из коллектора в базу – навстречу носителям заряда, которые двигаются из эмиттера в коллектор. Поэтому при дальнейшем уменьшении U_{кэ} ток коллектора уменьшается. Кроме того, в режиме насыщения транзистор теряет свои усилительные свойства, поскольку ток коллектора перестает зависеть от тока базы.

Режим насыщения часто используется в схемах ключей на транзисторе. В одной из следующих статей мы как раз займемся практическими расчетами реальных схем и там используем рассмотренные сегодня характеристики биполярного транзистора!

И, наконец, область 3, лежащая ниже кривой, соответствующей I_{б} = 0. Оба перехода смещены в обратном направлении, протекание тока через транзистор прекращается. Это так называемый режим отсечки.

Все параметры транзисторов довольно-таки сильно зависят как друг от друга, так и от температуры, поэтому в документации приводятся характеристики для разных значений. Вот, например, зависимость коэффициента усиления по току (в зарубежной документации обозначается как h_{FE}) от тока коллектора для биполярного транзистора BC847:

Как видите, коэффициент усиления не просто зависит от тока коллектора, но и от температуры окружающей среды! Разным значениям температуры соответствуют разные кривые.

Основные параметры биполярных транзисторов.

Давайте теперь рассмотрим, какие существуют параметры биполярных транзисторов, и какие предельные значения они могут принимать.

I_{КБО} (I_{CBO}) – обратный ток коллектора – ток через коллекторный переход при определенном обратном напряжении на переходе коллектор-база и разомкнутой цепи эмиттера.
I_{ЭБО} (I_{EBO}) – обратный ток эмиттера – ток через эмиттерный переход при определенном обратном напряжении на переходе эмиттер-база и разомкнутом выводе коллектора.
I_{КЭО} (I_{CEO}) – аналогично, обратный ток коллектор-эмиттер – ток в цепи коллектор-эмиттер при определенном обратном напряжении коллектор-эмиттер и разомкнутом выводе базы.
U_{БЭ} (V_{BE}) – напряжение на переходе база-эмиттер при определенном напряжении коллектор-эмиттер и токе коллектора.
U_{КБ \medspace проб} (V_{(BR) CBO}) – напряжение пробоя перехода коллектор-база при определенном обратном токе коллектора и разомкнутой цепи эмиттера. Например, для все того же BC847:
U_{ЭБ \medspace проб} (V_{(BR) EBO}) – напряжение пробоя эмиттер-база при определенном обратном токе эмиттера и разомкнутой цепи коллектора.
U_{КЭ \medspace проб} (V_{(BR) CES}) – напряжение пробоя коллектор-эмиттер при определенном прямом токе коллектора и разомкнутой цепи базы.
Напряжения насыщения коллектор-эмиттер и база-эмиттер – U_{КЭ \medspace нас} (V_{CEsat}) и U_{БЭ \medspace нас} (V_{BEsat}).
Конечно же, важнейший параметр – статический коэффициент передачи по току для схемы с общим эмиттером – h_{21э} (h_{FE}). Для этого параметра обычно приводится диапазон возможных значений, то есть минимальное и максимальное значения.
f_{гр} (f_{T}) – граничная частота коэффициента передачи тока транзистора для схемы с общим эмиттером. При использовании сигнала более высокой частоты транзистор не может быть использован в качестве усилительного элемента.
И еще один параметр, который следует отнести к важнейшим – I_{К} (I_{C}) – максимально допустимый постоянный ток коллектора.

И на этом заканчиваем нашу сегодняшнюю статью, большое спасибо за внимание! Подписывайтесь на обновления и не пропустите новые статьи 🙂

Биполярный транзистор: разработка и принцип действия

Биполярный транзистор – это электрический полупроводниковый прибор, служащий для усиления сигнала и ряда прочих целей, в котором ток образуется движением носителей обоих знаков. В нынешнем виде изделие предложено и запатентовано в 1947 году Уильямом Шокли.

История разработки первых транзисторов

Склонности передаются по наследству, это видно на примере Уильяма Брэдфорда Шокли. Сын горного инженера и одной из первых в США женщины-геодезиста. Специфичное сочетание. В 22 года получил степень бакалавра, не остановился на достигнутом, и в 1936-м становится доктором философии. Звание, присуждённое Массачусетским институтом технологии, не означает, что Шокли изучал Ницше и Аристотеля. Степень говорит о наличии диссертации в области из большого перечня наук. Диковинное название – дань традиции, когда философия в средние века занималась широким спектром вопросов, по праву считаясь прародителем прочих направлений хода учёной мысли.

Лаборатория Белла

Смысл работы состоял в исследовании электронных уровней хлорида натрия. Зонная теория, объяснявшая процессы, происходившие в материалах, как раз набирала популярность. Согласно воззрениям теории, любой электрон в кристалле способен занимать уникальное, свойственное исключительно указанной частице, состояние с определённой энергией и направлением спина.

Сообразно представлению градации идут с некоторой дискретностью в валентной зоне (связанные с ядром), вдобавок присутствует запрещённая область, где частицы располагаться не вправе. Из последнего тезиса исключением считаются примесные полупроводники, ставшие базисом для создания твердотельной электроники, включая биполярные транзисторы.

В Лаборатории Белла Шокли попал за любопытные идеи в области конструирования ядерных реакторов. Уран в чистом виде открыт задолго до этого, впервые на примере элемента Беккерель обнаружил радиоактивность. Бомбардировать нейтронами ядра металла пробовал в начале 30-х годов (XX века) Энрико Ферми, преследовалась цель – получить трансурановые элементы. Позднее оказалось доказано, что одновременно происходит радиоактивный распад с выделением вовне энергии. Шокли задумал бомбардировать U-235, чтобы получить новый источник большой мощности. В ходе Второй мировой войны занимался исследования по оценке возможного сухопутного вторжения Японии, собранные данные во многом способствовали решению Трумэна сбросить атомную бомбу на Хиросиму.

Лаборатория Белла поставила перед Шокли прямую задачу – отыскать альтернативу громоздким ламповым усилителям. Это означало бы экономию места и появление на свет нового поколения приборов, способных функционировать в условиях войны. Не секрет, что боевые заслуги СССР оказались по достоинству оценены на противоположной стороне океана. Шокли назначили менеджером бригады, бившейся над задачей, куда среди прочего входили создатели первого точечного транзистора:

  1. Джон Бардин;
  2. Уолтер Хаузер Браттейн.

Читатели уже знают про точечный диод на базе кристаллического детектора, но что представлял транзистор? Это полевой прибор: два электрода приложены к области полупроводника p-типа и разделены диэлектрическим клином. Толщина запирающего слоя варьируется с базы. Управляющий электрод, приложенный к n-области под положительным потенциалом сильно обедняет область перехода, и ток не течёт. Исторически первым транзистором считается полевой.

Конструкция оказалась специфичной. К примеру, контактные площадки из золота прижаты пружиной к германиевому кристаллу p-n-перехода, больше напоминают лабораторную установку, нежели полнофункциональный прибор для военной техники. Собрано — при помощи канцелярских скрепок и ядовитого клея-электролита. Но прибор в будущем даст название Силиконовой Долине. Между учёными произошёл раздор, потому что теория поля Шокли, применяемая в транзисторе, не помогла созданию прибора, вдобавок упоминалась в канадском патенте Лилиенфельда 1925 года. В результате Лаборатория Белла выкидывает имя Уильяма из списка создателей при оформлении бумаг.

Примечательно, что структура MESFET (полевой транзистор), предложенная Лилиенфельдом, не функционировала. Но заложенные идеи в бюро приняли, и у Лаборатории Белла возникли сложности с подачей заявок. Парадокс, но учёные могли запатентовать лишь дизайн Бардина и Браттейна – ничего более. Остальное давно уже существовало в виде концепции на момент 1946 года. Шокли решил, что судьба сыграла с изобретателем очередную шутку после всех неудач. Однако компания Белла идёт на всяческие уступки, и общепринято, что Уильям фигурирует для прессы в качестве первого лица.

Уильям Брэдфорд Шокли

Шокли начинает трудиться над собственным направлением, попутно пытаясь исправить ситуацию. Последнее не даёт положительных результатов, зато первое приводит к созданию прибора, сегодня известного миру под именем биполярного транзистора. Перебирая ряд конструкций, 1 января 1948 года находит правильную, но не сразу осознает. Впоследствии к Шокли приходит идея, что ток образуется не только основными носителями заряда.

Принцип действия биполярного транзистора, температурные режимы

Изложенная Шокли концепция приводит коллектив в неистовство: годами работал за спиной коллег! Но идея оказалась удачной. Если толщина полупроводника базы мала, инжектированные неосновные носители заряда частично захватываются полем коллектора. Там они уже становятся основными, участвуют в создании электрического тока. Процесс управляется полем базы, количество прорвавшихся носителей заряда пропорционально приложенному напряжению.

Фактически p-n-переход коллектора работает в режиме пробоя. Температурные режимы целиком определяются материалами. Германиевые транзисторы не способны функционировать при температуре выше 85 градусов Цельсия, причём единожды превысив справочное значение, последующим охлаждением прибору не вернёшь работоспособности. Кремний выдерживает нагрев почти вдвое больший. Нередки экземпляры транзисторов, способные функционировать при 150 градусах Цельсия, но минус в сравнительно большом падении напряжения на p-n-переходе.

Транзистор биполярный

Выходит, конструктор подыскивает для создания электрической схемы наиболее подходящие транзисторы согласно имеющимся условиям. Проводится расчёт рассеиваемой мощности, при необходимости элементы дополняются массивными радиаторами. Предельная температура подбирается с изрядным запасом, чтобы исключить перегрев. Полупроводники обладают явным сопротивлением, используются в технике исключительно для решения специфических задач. К примеру, при создании p-n-перехода. В остальном, чем толще слой материала, тем большие возникают потери на активном омическом сопротивлении. Приведём наглядный пример: удельное сопротивление германия превышает значение аналогичного параметра меди (металл) в 30 млн. раз. Следовательно, потери вырастут (и нагрев) сообразно указанной цифре.

Итак, слой полупроводника мал. Как это реализовать на практике? Забудем временно про канцелярские скрепки, использованные в первой конструкции, обратимся к современной технологии. При изготовлении биполярного транзистора выдерживаются закономерности:

  • Материал эмиттера служит для инжектирования основных носителей в базу, где они окажутся захвачены полем. Поэтому используются полупроводники с большой удельной долей примесей. Этим обеспечивается создание большого количества свободных носителей (дырок или электронов). Объем коллектора чуть выше, нежели у эмиттера, мощность рассеивания предполагается больше. Это влияет на условия охлаждения прибора.
  • В базе концентрация примесей меньше, чтобы большая часть инжектированного потока не рекомбинировала. Доля сторонних атомов в кристаллической решётке минимальная.
  • Коллектор по доле примесей располагается посередине между базой и эмиттером. Прорвавшиеся сюда носители заряда обязаны рекомбинировать. Различие в концентрациях примесей становится причиной, почему нельзя коллектор и эмиттер в электрической схеме прибора поменять местами. Второй причиной считается факт, что площади p-n-переходов неодинаковы. Со стороны коллектора – больше.

Действие транзистора

От доли примеси зависит ширина запирающего слоя p-n-перехода (с увеличением растёт). Причём проникновение его в эмиттер, коллектор и базу неодинаково. На минимальную глубину запирающий слой простирается в материал с максимальной долей примесей. То есть, эмиттер. Германиевые биполярные транзисторы уходят в прошлое, на замену приходят кремниевые и на основе арсенида галлия. Сегодня доминируют две технологии производства полупроводниковых приборов, выделяют:

  1. Сплавные транзисторы производятся, к примеру, вплавлением в тонкую пластинку германия (по большей части изготавливаются из указанного материала) двух капель индия различных по величине. Материалы показывают различную температуру ликвидуса, становится возможен процесс обработки в печах. За счёт диффузии атомов индий прочно вплавляется в германий (температура плавления 940 градусов Цельсия). Потом к эмиттеру, коллектору и базе припаиваются электроды.
  2. Планарные транзисторы наиболее близки к первоначальной идее Шокли, его приборы как раз назвали плоскими. В отличие от известных прежде. На плоскую подложку разнообразными методами наносятся нужные слои. Активно применяются маски различных конфигураций для создания рисунков. Преимущество в возможности массового изготовления транзисторов на единой подложке, потом она нарезается кусками, каждый становится обособленным полупроводниковым прибором.

В ходе описанных выше технологических манипуляций активно используются ступени производственного цикла:

  1. Метод диффузии позволяет точно контролировать геометрические размеры p-n-перехода, что обусловливает лучшую повторяемость характеристик и точность. Для создания транзистора полупроводник в атмосфере «благородного» газа нагревается до точки ликвидуса, парящие вокруг примеси легко оседают на поверхности. Происходит диффузия. Дозировкой парциального давления паров примесей и продолжительности операции варьируется глубина проникновения атомов в основной материал (подложку). Иногда диффузия возникает в процессе сплавления. Момент определяется точным подбором температурного режима.
  2. Эпитаксией называют процесс роста кристалла нужного типа на подложке. Осаждение может происходить из раствора или газа. К этому классу технологий относится и вакуумное напыление, электролиз стоит чуть обособленно, основанный на принципе наращивания слоёв под действием тока.
  3. Для получения заданной маски часто применяют методики литографии. К примеру, на подложку наносится фоторезист, островки которого исчезают под действием проявителя. Формирующее излучение фильтруется маской из непрозрачного материала. Процесс фотолитографии напоминает знакомый каждому профессиональному фотографу, самостоятельно ведущему обработку плёнки.

В справочниках часто указываются два и более ключевых термина, характеризующих производственный цикл биполярного

Введение в биполярные транзисторы (BJT)

Добавлено 29 августа 2017 в 19:10

Сохранить или поделиться

Изобретение биполярного транзистора (БТ, BJT) в 1948 году привело к революции в электронике. Технические трюки, ранее требующие относительно больших, механически хрупких, потребляющих много энергии вакуумных ламп, неожиданно достигались с помощью крошечных, механически прочных, потребляющих мало энергии частиц кристаллического кремния. Эта революция позволила разработать и изготовить легкие, недорогие электронные устройства, которые мы сейчас считаем само собой разумеющимися. Понимание того, как работают транзисторы, имеет первостепенное значение для всех, кто интересуется электроникой.

Я собираюсь максимально сосредоточиться на практических назначении и применении биполярных транзисторов, а не исследовать квантовый мир теории полупроводников. Обсуждение электронов и дырок, по-моему, лучше оставить для другой главы. Здесь я хочу выяснить, как использовать эти компоненты, а не анализировать их внутренние детали. Я не хочу умалять важность понимания физики полупроводников, но иногда интенсивное фокусирование на физике твердотельных приборов умаляет понимание функций этих приборов на уровне компонентов. Однако, используя этот подход, я полагаю, что читатель обладает определенными минимальными знаниями о полупроводниках: о разнице между легированными "P" и "N" полупроводниками, о функциональных характеристиках PN (диодного) перехода, о значениях терминов "обратное смещение" и "прямое смещение". Если эти понятия вам не совсем ясны, то прежде, чем приступить к этой главе, лучше обратиться к предыдущим главам этой книги.

Биполярный транзистор состоит из трехслойного «сэндвича» из легированных полупроводниковых материалов, либо P-N-P на рисунке ниже (b), либо N-P-N на рисунке ниже (d). Каждый слой, образующий транзистор, имеет определенное название, и каждый слой снабжен проводным контактом для подключения к внешней схеме. Условные графические обозначения показаны на рисунке ниже (a) и (c).

Биполярный транзистор (БТ, BJT): PNP (a) условное обозначение и (b) физический макет, NPN (c) условное обозначение и (d) физический макет

Функциональной разницей между PNP транзистором и NPN транзистором является правильность (полярность) смещения перехода во время работы. Для любого заданного режима работы направления токов и полярности напряжений для каждого типа транзисторов находятся в точности противоположно друг другу.

Биполярные транзисторы работают как регуляторы тока, управляемые током. Другими словами, транзисторы ограничивают величину проходящего тока в соответствии с меньшим управляющим током. Основной поток электронов, который управляется, протекает от коллектора к эмиттеру или от эмиттера к коллектору в зависимости от типа транзистора (PNP и NPN, соответственно). Маленький поток электронов, который управляет основным током, протекает от базы к эмиттеру или от эмиттера к базе опять же в зависимости от типа транзистора (PNP и NPN, соответственно). В соответствии со стандартами обозначений полупроводниковых приборов стрелка всегда указывает в направлении, противоположном направлению потока электронов (рисунок ниже).

Маленький поток электронов база-эмиттер управляет большим потоком электронов коллектор-эмиттер, протекающим в направлении, противоположном направлению стрелки эмиттера (направления электрического тока, которое принято считать направлением от «+» к «–», совпадает с направлением стрелки эмиттера)

Биполярные транзисторы называются биполярными потому, что основной поток электронов через них происходи в двух типах полупроводникового материала: P и N, поскольку основной ток идет от эмиттера к коллектору (или наоборот). Другими словами, два типа носителей заряда – электроны и дырки – входят в состав этого основного тока через транзистор.

Как вы можете видеть, управляющий ток и управляемый ток всегда соединяются вместе в выводе эмиттера, и их электроны всегда текут против направления стрелки транзистора. Это первое и главное правило в использовании транзисторов: все токи должны протекать в правильном направлении, чтобы устройство работало как регулятор тока. Маленький управляющий ток обычно называют просто током базы, потому что он является единственным током, который проходит через вывод базы транзистора. И наоборот, большой управляемый ток называется током коллектора, потому что он является единственным током, который проходит через вывод коллектора. Ток эмиттера представляет собой сумму тока базы и тока коллектора в соответствии с законом токов Кирхгофа.

Отсутствие тока через базу транзистора выключает его подобно разомкнутому ключу и предотвращает протекание тока через коллектор. Ток базы превращает транзистор в что-то похожее на замкнутый ключ и дает пропорциональному значению тока пройти через коллектор. Ток коллектора в основном ограничивается током базы, независимо от величины напряжения, доступного для его раскачки. В следующем разделе будет более подробно рассмотрено использование биполярных транзисторов в качестве переключающих элементов.

Подведем итоги:

  • Биполярные транзисторы названы так потому, что контролируемый ток должен проходит через два типа полупроводникового материала: P и N. Ток в разных частях транзистора состоит из обоих потоков: и электронов, и дырок.
  • Биполярные транзисторы состоят либо из P-N-P, либо из N-P-N полупроводниковой «сэндвичной» структуры.
  • Три вывода биполярного транзистора называются эмиттер, база и коллектор.
  • Транзисторы функционируют как регуляторы тока, позволяя небольшому току управлять большим током. Величина тока, доступного между коллектором и эмиттером, в основном определяется величиной тока, протекающего между базой и эмиттером.
  • Для правильного функционирования транзистора в качестве регулятора тока, управляющий (базовый) ток и управляемый (коллекторный) ток должны идти в правильных направлениях: складываться в эмиттере, поток электронов должен быть направлен противоположно направлению стрелки эмиттера, и, следовательно, направление электрического тока (протекающего от «+» к «–») должно совпадать с направлением стрелки эмиттера.

Оригинал статьи:

Теги

PN переходБиполярный транзисторОбучениеЭлектроника

Сохранить или поделиться

схема подключения. Какая разница между PNP и NPN-транзисторами? :: SYL.ru

PNP-транзистор является электронным прибором, в определенном смысле обратном NPN-транзистору. В этом типе конструкции транзистора его PN-переходы открываются напряжениями обратной полярности по отношению к NPN-типу. В условном обозначении прибора стрелка, которая также определяет вывод эмиттера, на этот раз указывает внутрь символа транзистора.

Конструкция прибора

Конструктивная схема транзистора PNP-типа состоит из двух областей полупроводникового материала p-типа по обе стороны от области материала n-типа, как показано на рисунке ниже.

Стрелка определяет эмиттер и общепринятое направление его тока ("внутрь" для транзистора PNP).

PNP-транзистор имеет очень схожие характеристики со своим NPN-биполярным собратом, за исключением того, что направления токов и полярности напряжений в нем обратные для любой из возможных трех схем включения: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором.

Основные отличия двух типов биполярных транзисторов

Главным различием между ними считается то, что дырки являются основными носителями тока для транзисторов PNP, NPN-транзисторы имеют в этом качестве электроны. Поэтому полярности напряжений, питающих транзистор, меняются на обратные, а его входной ток вытекает из базы. В отличие от этого, у NPN-транзистора ток базы втекает в нее, как показано ниже на схеме включения приборов обоих типов с общей базой и общим эмиттером.

Принцип работы транзистора PNP-типа основан на использовании небольшого (как и у NPN-типа) базового тока и отрицательного (в отличие от NPN-типа) базового напряжения смещения для управления гораздо большим эмиттерно-коллекторным током. Другими словами, для транзистора PNP эмиттер является более положительным по отношению к базе, а также по отношению к коллектору.

Рассмотрим отличия PNP-типа на схеме включения с общей базой

Действительно, из нее можно увидеть, что ток коллектора IC (в случае транзистора NPN) вытекает из положительного полюса батареи B2, проходит по выводу коллектора, проникает внутрь него и должен далее выйти через вывод базы, чтобы вернуться к отрицательному полюсу батареи. Таким же образом, рассматривая цепь эмиттера, можно увидеть, как его ток от положительного полюса батареи B1 входит в транзистор по выводу базы и далее проникает в эмиттер.

По выводу базы, таким образом, проходит как ток коллектора IC, так и ток эмиттера IE. Поскольку они циркулируют по своим контурам в противоположных направлениях, то результирующий ток базы равен их разности и очень мал, так как IC немного меньше, чем IE. Но так как последний все же больше, то направление протекания разностного тока (тока базы) совпадает с IE, и поэтому биполярный транзистор PNP-типа имеет вытекающий из базы ток, а NPN-типа – втекающий.

Отличия PNP-типа на примере схемы включения с общим эмиттером

В этой новой схеме PN-переход база-эмиттер открыт напряжением батареи B1, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении посредством напряжения батареи В2. Вывод эмиттера, таким образом, является общим для цепей базы и коллектора.

Полный ток эмиттера задается суммой двух токов IC и IB; проходящих по выводу эмиттера в одном направлении. Таким образом, имеем IE = IC + IB.

В этой схеме ток базы IB просто «ответвляется» от тока эмиттера IE, также совпадая с ним по направлению. При этом транзистор PNP-типа по-прежнему имеет вытекающий из базы ток IB, а NPN-типа – втекающий.

В третьей из известных схем включения транзисторов, с общим коллектором, ситуация точно такая же. Поэтому мы ее не приводим в целях экономии места и времени читателей.

PNP-транзистор: подключение источников напряжения

Источник напряжения между базой и эмиттером (VBE) подключается отрицательным полюсом к базе и положительным к эмиттеру, потому что работа PNP-транзистора происходит при отрицательном смещении базы по отношению к эмиттеру.

Напряжение питания эмиттера также положительно по отношению к коллектору (VCE). Таким образом, у транзистора PNP-типа вывод эмиттера всегда более положителен по отношению как к базе, так и к коллектору.

Источники напряжения подключаются к PNP-транзистору, как показано на рисунке ниже.

На этот раз коллектор подключен к напряжению питания VCC через нагрузочный резистор, RL, который ограничивает максимальный ток, протекающий через прибор. Базовое напряжения VB, которое смещает ее в отрицательном направлении по отношению к эмиттеру, подано на нее через резистор RB, который снова используется для ограничения максимального тока базы.

Работа PNP-транзисторного каскада

Итак, чтобы вызвать протекание базового тока в PNP-транзисторе, база должна быть более отрицательной, чем эмиттер (ток должен покинуть базу) примерно на 0,7 вольт для кремниевого прибора или на 0,3 вольта для германиевого. Формулы, используемые для расчета базового резистора, базового тока или тока коллектора такие же, как те, которые используются для эквивалентного NPN-транзистора и представлены ниже.

Мы видим, что фундаментальным различием между NPN и PNP-транзистором является правильное смещение pn-переходов, поскольку направления токов и полярности напряжений в них всегда противоположны. Таким образом, для приведенной выше схеме: IC = IE – IB, так как ток должен вытекать из базы.

Как правило, PNP-транзистор можно заменить на NPN в большинстве электронных схем, разница лишь в полярности напряжения и направлении тока. Такие транзисторы также могут быть использованы в качестве переключающих устройств, и пример ключа на PNP-транзисторе показан ниже.

Характеристики транзистора

Выходные характеристики транзистора PNP-типа очень похожи на соответствующие кривые эквивалентного NPN-транзистора, за исключением того, что они повернуты на 180° с учетом реверса полярности напряжений и токов (токи базы и коллектора, PNP-транзистора отрицательны). Точно также, чтобы найти рабочие точки транзистора PNP-типа, его динамическая линия нагрузки может быть изображена в III-й четверти декартовой системы координат.

Типовые характеристики PNP-транзистора 2N3906 показаны на рисунке ниже.

Транзисторные пары в усилительных каскадах

Вы можете задаться вопросом, что за причина использовать PNP-транзисторы, когда есть много доступных NPN-транзисторов, которые могут быть использованы в качестве усилителей или твердотельных коммутаторов? Однако наличие двух различных типов транзисторов - NPN и PNP - дает большие преимущества при проектировании схем усилителей мощности. Такие усилители используют "комплементарные", или "согласованные” пары транзисторов (представляющие собой один PNP-транзистор и один NPN, соединенные вместе, как показано на рис. ниже) в выходном каскаде.

Два соответствующих NPN и PNP-транзистора с близкими характеристиками, идентичными друг другу, называются комплементарными. Например, TIP3055 (NPN-тип) и TIP2955 (PNP-тип) являются хорошим примером комплементарных кремниевых силовых транзисторов. Они оба имеют коэффициент усиления постоянного тока β=IC/IB согласованный в пределах 10% и большой ток коллектора около 15А, что делает их идеальными для устройств управления двигателями или роботизированных приложений.

Кроме того, усилители класса B используют согласованные пары транзисторов и в своих выходной мощных каскадах. В них NPN-транзистор проводит только положительную полуволну сигнала, а PNP-транзистор – только его отрицательную половину.

Это позволяет усилителю проводить требуемую мощность через громкоговоритель в обоих направлениях при заданной номинальной мощности и импедансе. В результате выходной ток, который обычно бывает порядка нескольких ампер, равномерно распределяется между двумя комплементарными транзисторами.

Транзисторные пары в схемах управления электродвигателями

Их применяют также в H-мостовых цепях управления реверсивными двигателями постоянного тока, позволяющих регулировать ток через двигатель равномерно в обоих направлениях его вращения.

H-мостовая цепь выше называется так потому, что базовая конфигурация ее четырех переключателей на транзисторах напоминает букву «H» с двигателем, расположенным на поперечной линии. Транзисторный H-мост, вероятно, является одним из наиболее часто используемых типов схемы управления реверсивным двигателем постоянного тока. Он использует «взаимодополняющие» пары транзисторов NPN- и PNP-типов в каждой ветви, работающих в качестве ключей при управлении двигателем.

Вход управления A обеспечивает работу мотора в одном направлении, в то время как вход B используется для обратного вращения.

Например, когда транзистор TR1 включен, а TR2 выключен, вход A подключен к напряжению питания (+ Vcc), и если транзистор TR3 выключен, а TR4 включен, то вход B подключен к 0 вольт (GND). Поэтому двигатель будет вращаться в одном направлении, соответствующем положительному потенциалу входа A и отрицательному входа B.

Если состояния ключей изменить так, чтобы TR1 был выключен, TR2 включен, TR3 включен, а TR4 выключен, ток двигателя будет протекать в противоположном направлении, что повлечет его реверсирование.

Используя противоположные уровни логической «1» или «0» на входах A и B, можно управлять направлением вращения мотора.

Определение типа транзисторов

Любые биполярные транзисторы можно представить состоящими в основном из двух диодов, соединенных вместе спина к спине.

Мы можем использовать эту аналогию, чтобы определить, относится ли транзистор к типу PNP или NPN путем тестирования его сопротивления между его тремя выводами. Тестируя каждую их пару в обоих направлениях с помощью мультиметра, после шести измерений получим следующий результат:

1. Эмиттер - База. Эти выводы должны действовать как обычный диод и проводить ток только в одном направлении.

2. Коллектор - База. Эти выводы также должны действовать как обычный диод и проводить ток только в одном направлении.

3. Эмиттер - Коллектор. Эти выводы не должен проводить в любом направлении.

Значения сопротивлений переходов транзисторов обоих типов

Пара выводов транзистораPNPNPN
КоллекторЭмиттерRВЫСОКОЕRВЫСОКОЕ
КоллекторБазаRНИЗКОЕRВЫСОКОЕ
ЭмиттерКоллекторRВЫСОКОЕRВЫСОКОЕ
ЭмиттерБазаRНИЗКОЕRВЫСОКОЕ
БазаКоллекторRВЫСОКОЕRНИЗКОЕ
БазаЭмиттерRВЫСОКОЕRНИЗКОЕ

Тогда мы можем определить PNP-транзистор как исправный и закрытый. Небольшой выходной ток и отрицательное напряжение на его базе (B) по отношению к его эмиттеру (E) будет его открывать и позволит протекать значительно большему эмиттер-коллекторному току. Транзисторы PNP проводят при положительном потенциале эмиттера. Иными словами, биполярный PNP-транзистор будет проводить только в том случае, если выводы базы и коллектором являются отрицательным по отношению к эмиттеру.

Биполярный транзистор — Википедия. Что такое Биполярный транзистор

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

Простейшая наглядная схема устройства транзистора

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

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

Устройство

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

Биполярный транзистор состоит из трёх полупроводниковых слоёв с чередующимся типом примесной проводимости: эмиттера (обозначается «Э», англ. E), базы («Б», англ. B) и коллектора («К», англ. C). В зависимости от порядка чередования слоёв различают n-p-n (эмиттер — n-полупроводник, база — p-полупроводник, коллектор — n-полупроводник) и p-n-p транзисторы. К каждому из слоёв подключены проводящие невыпрямляющие контакты[1].

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

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

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

В первых транзисторах в качестве полупроводникового материала использовался металлический германий. Полупроводниковые приборы на его основе имеют ряд недостатков, и в настоящее время (2015 г.) биполярные транзисторы изготавливают в основном из монокристаллического кремния и монокристаллического арсенида галлия. Благодаря очень высокой подвижности носителей в арсениде галлия приборы на его основе обладают высоким быстродействием и используются в сверхбыстродействующих логических схемах и в схемах СВЧ-усилителей.

Принцип работы

В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении[2] (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт).

В транзисторе типа n-p-n[3] основные носители заряда в эмиттере (электроны) проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того, что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, бо́льшая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора, так как время рекомбинации относительно велико[4]. Сильное электрическое поле обратносмещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны) и переносит их в коллекторный слой. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк).

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

Режимы работы

Напряжения
на эмиттере,
базе,
коллекторе
(UE,UB,UC{\displaystyle U_{E},U_{B},U_{C}})
Смещение
перехода
база-эмиттер
для типа n-p-n
Смещение
перехода
база-коллектор
для типа n-p-n
Режим
для типа n-p-n
UE<UB<UC{\displaystyle U_{E}<U_{B}<U_{C}} прямое обратное нормальный
активный режим
UE<UB>UC{\displaystyle U_{E}<U_{B}>U_{C}} прямое прямое режим насыщения
UE>UB<UC{\displaystyle U_{E}>U_{B}<U_{C}} обратное обратное режим отсечки
UE>UB>UC{\displaystyle U_{E}>U_{B}>U_{C}} обратное прямое инверсный
активный режим
Напряжения
на эмиттере,
базе,
коллекторе
(UE,UB,UC{\displaystyle U_{E},U_{B},U_{C}})
Смещение
перехода
база-эмиттер
для типа p-n-p
Смещение
перехода
база-коллектор
для типа p-n-p
Режим
для типа p-n-p
UE<UB<UC{\displaystyle U_{E}<U_{B}<U_{C}} обратное прямое инверсный
активный режим
UE<UB>UC{\displaystyle U_{E}<U_{B}>U_{C}} обратное обратное режим отсечки
UE>UB<UC{\displaystyle U_{E}>U_{B}<U_{C}} прямое прямое режим насыщения
UE>UB>UC{\displaystyle U_{E}>U_{B}>U_{C}} прямое обратное нормальный
активный режим

Нормальный активный режим

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

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

Инверсный активный режим

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

Режим насыщения

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

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

Режим отсечки

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

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

Барьерный режим

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

Схемы включения

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

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

Схема включения с общей базой

Схема включения с общей базой.
  • Среди всех трёх конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Не инвертирует фазу сигнала.
  • Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iэ = α [α<1].
  • Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх = Uэб/Iэ.

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

Достоинства
  • Хорошие температурные и широкий частотный диапазон, так как в этой схеме подавлен эффект Миллера.
  • Высокое допустимое коллекторное напряжение.
Недостатки
  • Малое усиление по току, равное α, так как α всегда немного менее 1
  • Малое входное сопротивление

Схема включения с общим эмиттером

Схема включения с общим эмиттером.
Iвых = Iк
Iвх = Iб
Uвх = Uбэ
Uвых = Uкэ.
  • Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iб = Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1].
  • Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = Uбэ/Iб.
Достоинства
  • Большой коэффициент усиления по току.
  • Большой коэффициент усиления по напряжению.
  • Наибольшее усиление мощности.
  • Можно обойтись одним источником питания.
  • Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.
Недостатки
  • Имеет меньшую температурную стабильность. Частотные свойства такого включения по сравнению со схемой с общей базой существенно хуже, что обусловлено эффектом Миллера.

Схема с общим коллектором

Схема включения с общим коллектором.
Iвых = Iэ
Iвх = Iб
Uвх = Uбк
Uвых = Uкэ.
  • Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iэ/Iб = Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1-α) = β+1 [β>>1].
  • Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = (Uбэ + Uкэ)/Iб.
Достоинства
  • Большое входное сопротивление.
  • Малое выходное сопротивление.
Недостатки
  • Коэффициент усиления по напряжению немного меньше 1.

Схему с таким включением часто называют «эмиттерным повторителем».

Основные параметры

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

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

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

Эквивалентная схема биполярного транзистора с использованием h-параметров.

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

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

h11 = Um1/Im1, при Um2 = 0.

Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

h12 = Um1/Um2, при Im1 = 0.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

h21 = Im2/Im1, при Um2 = 0.

Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

h22 = Im2/Um2, при Im1 = 0.

Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:

Um1 = h11Im1 + h12Um2;
Im2 = h21Im1 + h22Um2.

В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам h-параметров добавляются буквы: «э» — для схемы ОЭ, «б» — для схемы ОБ, «к» — для схемы ОК.

Для схемы ОЭ: Im1 = I, Im2 = I, Um1 = Umб-э, Um2 = Umк-э. Например, для данной схемы:

h21э = I/I = β.

Для схемы ОБ: Im1 = I, Im2 = I, Um1 = Umэ-б, Um2 = Umк-б.

Собственные параметры транзистора связаны с h-параметрами, например для схемы ОЭ:

h21∍=rδ+r∍1−α{\displaystyle h_{11\backepsilon }=r_{\delta }+{\frac {r_{\backepsilon }}{1-\alpha }}};

h22∍≈r∍rκ(1−α){\displaystyle h_{12\backepsilon }\approx {\frac {r_{\backepsilon }}{r_{\kappa }(1-\alpha )}}};

h31∍=β=α1−α{\displaystyle h_{21\backepsilon }=\beta ={\frac {\alpha }{1-\alpha }}};

h32∍≈1rκ(1−α){\displaystyle h_{22\backepsilon }\approx {\frac {1}{r_{\kappa }(1-\alpha )}}}.

С повышением частоты заметное влияние на работу транзистора начинает оказывать ёмкость коллекторного перехода Cк. Его реактивное сопротивление уменьшается, шунтируя нагрузку и, следовательно, уменьшая коэффициенты усиления α и β. Сопротивление эмиттерного перехода Cэ также снижается, однако он шунтируется малым сопротивлением перехода rэ и в большинстве случаев может не учитываться. Кроме того, при повышении частоты происходит дополнительное снижение коэффициента β в результате отставания фазы тока коллектора от фазы тока эмиттера, которое вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эммитерного перехода к коллекторному и инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Частоты, на которых происходит снижение коэффициентов α и β на 3 дБ, называются граничными частотами коэффициента передачи тока для схем ОБ и ОЭ соответственно.

В импульсном режиме ток коллектора изменяется с запаздыванием на время задержки τз относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем пробега носителей через базу. По мере накопления носителей в базе ток коллектора нарастает в течение длительности фронта τф. Временем включения транзистора называется τвкл = τз + τф.

Биполярный СВЧ-транзистор

Биполярные СВЧ-транзисторы (БТ СВЧ) служат для усиления колебаний с частотой свыше 0,3 ГГЦ[7]. Верхняя граница частот БТ СВЧ с выходной мощностью более 1 Вт составляет около 10 ГГц. Большинство мощных БТ СВЧ по структуре относится к n-p-n типу[8]. По методу формирования переходов БТ СВЧ являются эпитакcиально-планарными. Все БТ СВЧ, кроме самых маломощных, имеют многоэмиттерную структуру (гребёнчатую, сетчатую)[9]. По мощности БТ СВЧ разделяются на маломощные (рассеиваемая мощность до 0,3 Вт), средней мощности (от 0,3 до 1,5 Вт) и мощные (свыше 1,5 Вт)[10]. Выпускается большое число узкоспециализированных типов БТ СВЧ[10].

Технологии изготовления транзисторов

Применение транзисторов

См. также

Примечания

  1. ↑ Невыпрямляющий, или омический контакт — контакт двух разнородных материалов, вольтамперная характеристика которого симметрична при смене полярности и практически линейна.
  2. 1 2 Прямое смещение p-n-перехода означает, что область p-типа имеет положительный потенциал относительно облаcти n-типа.
  3. ↑ Для случая p-n-p все рассуждения аналогичны с заменой слова «электроны» на «дырки» и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположное по знаку.

в чём заключается функция, как работает, классификация и определение для чайников

Любое электронное устройство состоит из радиоэлементов. Они могут быть пассивными, не требующими источника питания, и активными, работа которых возможна только при подаче напряжения. Активными элементами называют полупроводники. Одним из важнейших полупроводниковых приборов является транзистор. Этот радиоэлемент пришёл на смену ламповым приборам и полностью изменил схемотехнику устройств. Вся микроэлектроника и работа любой микросхемы базируется именно на нём.

Общие сведения

Название «транзистор» произошло от слияния двух английских слов: transfer — переносимый, и resistor — сопротивление. В общепринятом понятии это полупроводниковый элемент с тремя выводами. В нём величина тока на двух выводах зависит от третьего, при изменении на котором тока или напряжения происходит управление значением тока выходной цепи. Вариацией тока управляются биполярные приборы, а напряжением — полевые.

Первые разработки транзистора были начаты в XX веке. В Германии учёный Юлий Эдгар Лилиенфельд описал принцип работы транзистора, а уже в 1934 году физиком Оскаром Хейл был зарегистрирован прибор, названный позже транзистором. Такое устройство работало на электростатическом эффекте поля.

Физики Уильям Шокли, Уолтер Браттейн вместе с учёным Джоном Бардином в конце 40-х годов изготовили первый макет точечного транзистора. С открытием n-p перехода выпуск точечного транзистора прекратился, а вместо него начались разработки плоскостных устройств из германия. Официально представлен был действующий прототип транзистора в декабре 1947 года. В этот день появился первый биполярный транзистор. Летом 1948 года начались продаваться устройства, выполненные на транзисторной основе. С этого момента распространённые на тот момент электронные лампы (триоды) начали уходить в прошлое.

В середине 50-х годов первый плоскостной транзистор был выпущен в серию компанией Texas Instruments, в качестве материала для его изготовления послужил кремний. На тот момент при производстве радиоэлемента выходило много брака, но это не помешало технологическому развитию прибора. В 1953 году на транзисторах была изготовлена схема, использующаяся в слуховых аппаратах, а годом позже американские физики получили за своё открытие Нобелевскую премию.

Март 1959 года ознаменовался созданием первого кремниевого планарного прибора, его разработчиком был физик из Швейцарии Жан Эрни. Пара транзисторов была успешно размещена на одном кристалле кремния. С этого момента и началось развитие интегральной схемотехники. На сегодняшний день в одном кристалле размещается более миллиарда транзисторов. Например, на популярном 8-ядерном компьютерном процессоре Core i7−5960X их количество составляет 2,6 миллиарда штук.

Параллельно с усовершенствованиями биполярного транзистора в 60-х годах начались разработки прибора на основе соединения металла с полупроводником. Такой радиоэлемент получил название МОП (металл-оксид-полупроводник) транзистор, сегодня более известный под обозначением «мосфет».

Изначально понятие «транзистор» относилось к сопротивлению, величина которого управлялась напряжением, поскольку транзистор можно представить как некий резистор, регулируемый приложенным потенциалом на одном выводе. Для полевых транзисторов, сравнение с которыми более верно, — потенциалом на затворе, а для биполярных транзисторов — потенциалом на базе или током базы.

Электронно-дырочный переход

Основа работы прибора заключается в способности n-p перехода пропускать ток в одну сторону. При подаче напряжения на одном переходе возникает его прямое падение, а на другом обратное. Зона перехода с прямым напряжением обладает малым сопротивлением, а с обратным — большим. Между базой и эмиттером протекает небольшой ток управления. От значения этого тока изменяется сопротивление между коллектором и эмиттером. Биполярный прибор бывает двух типов:

Отличие заключается лишь в основных носителях заряда, т. е. направлении тока.

Если соединить два полупроводника разного типа между собой, то на границе соединения возникает область или, как принято называть, p-n переход. Тип проводимости зависит от атомного строения материала, а именно насколько прочны связи в материале. Атомы в полупроводнике располагаются в виде решётки, и сам по себе такой материал не является проводником. Но если в решётку добавить атомы другого материала, то физические свойства полупроводника изменяются. Примешанные атомы образовывают, в зависимости от своей природы, свободные электроны или дырки.

Образованные свободные электроны формируют отрицательный заряд, а дырки — положительный. В области перехода существует потенциальный барьер. Он образуется контактной разностью потенциалов, и его высота не превышает десятые доли вольта, препятствуя протеканию носителей заряда вглубь материала. Если переход находится под прямым напряжением, то величина потенциального барьера уменьшается, а величина проходящего через него тока увеличивается. При прикладывании обратного напряжения, величина барьера увеличивается и сопротивление барьера прохождению тока возрастает. Понимая работу p-n перехода, можно разобраться, как устроен транзистор.

Классификация устройств

В первую очередь такие приборы разделяются на одиночные и составные. Существуют и так называемые комплексные радиоэлементы. Они имеют три вывода и выполненны, как единое целое. Такие сборки содержат как однотипные, так и разные по своему типу транзисторы. Основное разделение приборов происходит по следующим признакам:

  1. Канальность. В зависимости от того, какие носители зарядов являются основными бывают p-типа и n-типа.
  2. Технологии изготовления. Выпускаются биполярными, полевыми, комбинированными.
  3. По типу полупроводника. В качестве материала для изготовления применяется кремний, германий и арсенид-галлия. В последнее время начали выпускаться транзисторы, использующие в качестве основы прозрачные полупроводники. Например, для построения дисплейных матриц. А также использующие в качестве материалов полимеры и углеродные нанотрубки.
  4. По рассеиваемой мощности. Разделяются на три типа: маломощные, средней мощности и мощные. Первые не превышают значения 0,1 Вт, вторые находятся в диапазоне 0,1−1 Вт, а к мощным относят все те, что превышают 1 Вт.
  5. По виду исполнению. Выделяют дискретные транзисторы, которые могут быть как корпусными, так и нет, и транзисторы, входящие в состав интегральных схем.

Общее определение для радиоэлемента можно сформулировать следующим образом: транзистор — это полупроводниковый элемент, предназначенный для преобразования электрических величин. Основное его применение заключается в усилении сигнала или работе в ключевом режиме.

Биполярный прибор

Принцип работы транзистора для «чайника» проще описать по аналогии с водопроводом. Сам элемент можно представить в виде вентиля. Кран небольшим поворотом позволяет регулировать поток воды (силу тока). Если немного повернуть рукоятку, вода потечёт по трубе (проводнику), если приоткрыть кран ещё сильнее, поток воды также увеличится. Таким образом, выход потока воды пропорционален её входу, умноженному на определённую величину. Этой величиной называется коэффициент усиления.

Биполярный транзистор имеет три вывода: эмиттер, база, коллектор. Эмиттер и коллектор имеют одинаковый тип проводимости, который отличный от базы. Дырочного типа транзисторы состоят из двух областей p -типа проводимости, и одной n -типа. Электронного типа наоборот. Каждая область имеет свой вывод.

При подаче на эмиттер сигнала нужной проводимости ток в области базы увеличивается. Основные носители заряда перемещаются в зону базы, что приводит к возрастанию тока и в обратной области подключения. Возникает объёмный заряд. Электрическое поле начинает втягивать в зону обратного подключения носители другого знака. В базе происходит частичная рекомбинация (уничтожение) зарядов противоположного знака, благодаря чему и возникает ток базы.

Эмиттером называют область прибора, служащую для передачи носителей заряда в базу. Коллектором называют зону, предназначенную для извлечения носителей заряда из базы. А база — это область для передачи эмиттером противоположной величины заряда. Основной характеристикой прибора является вольт-амперная характеристика, функция которой описывает зависимость между током и напряжением.

На схеме устройство подписывается латинскими буквами VT или Q. Выглядит как круг со стрелкой внутри, где стрелка указывает направление протекания тока. Для PNP (прямая проводимость) — стрелка внутрь, а NPN (обратная проводимость) — стрелка наружу. Для того чтобы сделать транзистор, используется германий или кремний. Отличаются эти материалы рабочей областью напряжения базового перехода. Для германиевых он лежит в диапазоне 0,1−0,4 В, а для кремниевых от 0,4 до 1,2 В. Обычно используется кремний.

Полевой транзистор

Отличие полевого транзистора от биполярного в том, что в нём за прохождение тока отвечает величина напряжения, приложенная к управляемому контакту.

Основное назначение мосфетов связывают с их хорошей скоростью переключения при весьма небольшой мощности, приложенной к выводу управления. Полевой элемент имеет три вывода: затвор, сток, исток. При работе мосфета с управляющим n-p переходом потенциал на затворе либо равен нулю (прибор открыт), или имеет определённое значение, превышающее ноль (прибор закрыт). Когда обратное напряжения достигает определённого уровня, то открывается запирающий слой, и устройство переходит в режим отсечки.

В мосфете с p-n переходом управляющим электродом (затвором) служит слой полупроводника, имеющий проводимость р-типа, а противоположной проводимости — канал n-типа.

Изображение его на схеме сходно биполярному устройству, только все линии выполняются прямыми, а стрелка внутри подчёркивает разновидность прибора. В основе принципа действия МОП приборов лежит эффект изменения проводимости полупроводника на границе области с диэлектриком при воздействии электрического поля. Полевые устройства в зависимости от управляемого p-n перехода могут быть:

  1. Со встроенным каналом. Работают в двух режимах: обеднения и обогащения. В первом режиме величина потенциала на затворе превышает значение на истоке, что приводит к снижению значения тока на нём. Если приложенный потенциал больше напряжения отсечки, то ток между выводами стока и истока отсутствует. При обогащении, наоборот, чем больше величина потенциала между выводами затвор-исток, тем больше ток стока.
  2. С индуцированным (наведённым) каналом. Для p-канального устройства при отсутствии потенциала на выводе затвор-исток ток стока близок к нулю. Такой тип работает только в режиме обогащения. При этом напряжение на выводах исток-затвор должно быть больше нуля. Когда это напряжение превысит значение порогового, то между стоком и истоком возникнет проводимость p-типа. Связано это с тем, что количество дырок под затвором увеличится. Это явление называется инверсией.

Каждый вид может иметь проводимость как p-типа, так и n-типа. В общем понимании принцип работы не зависит от проводимости, меняется только полярность источника напряжения.

Принцип действия для чайников

Транзистор — это сложный прибор, физические процессы проходящие в котором сложны для понимания начинающим радиолюбителям (чайникам). Как работает транзистор, можно объяснить следующим образом: транзистор — это электронный ключ, степень открывания которого зависит от уровня тока или напряжения, приложенного к его управляемому выводу (база или затвор).

Зачем нужен транзистор, можно описать в обобщённой форме. Например, база (затвор) прибора — это дверь. Она открывается внешним воздействием, т. е. напряжением той же полярности, что и коллектор (исток). Чем больше напряжение, тем дверь больше откроется. Перед дверью стоит очередь людей (носители заряда), которые хотят пробежать через неё (коллектор-эмиттер или исток-сток). Чем больше воздействие на дверь, тем больше она открыта, а значит, и больше пробежит людей.

Поэтому, представляя дверь в виде сопротивления перехода, можно сделать вывод: чем больше воздействие на базу (затвор), тем меньше сопротивление основным носителям заряда (людям) в случае прямой полярности. Если полярность поменяется (дверь закроется на замок), то никакого движения зарядов (людей) не будет.

Originally posted 2018-04-18 12:29:48.

Как работает биполярный транзистор?

Биполярный транзистор - трехконтактный (три электрода), управляемый током полупроводниковый электронный компонент, который имеет возможность усиливать сигналы постоянного и переменного тока, поэтому каждый транзистор относится к семейству усилителей . Усилитель - это устройство, которое может управлять большей мощностью при меньшем потреблении энергии.

Есть два типа биполярных транзисторов: N-P-N транзисторов и P-N-P транзисторов.Электроды биполярного транзистора имеют следующие наименования: - C, - коллектор, B, - база, E - эмиттер. Чаще всего используются кремниевые кремниевые транзисторы (Threshold Voltage V T = 0,6 - 0,7 В), реже - германиевые Ge (V T = 0,2 - 0,3 В). Транзисторы используются практически везде: от усилителей, генераторов, систем переключения питания до компьютеров и более совершенных систем.


Транзистор биполярный - Задания для студентов

Если вы студент или просто хотите научиться решать задачи с биполярными транзисторами, посетите этот раздел нашего веб-сайта, где вы можете найти широкий спектр электронных задач.


Биполярный транзистор - конструкция

Биполярный транзистор состоит из трех полупроводниковых областей с разными типами проводимости: N-P-N или P-N-P. В этом примере две формы p-n перехода ( диодов ): база-эмиттер (BE) и база-коллектор (BC).

Рис. 1. Обозначение биполярного транзистора NPN и конструкция его переходов 2. Обозначение биполярного транзистора PNP и конструкция его переходов Рис.3. Модель диодной замены NPN-транзистора Рис. 4. Модель диодной замены транзистора PNP Рис. 5. Распределение токов в NPN-транзисторе

Биполярный транзистор - Принцип действия

Главной особенностью биполярных транзисторов является возможность управления большим током с использованием малого . В зависимости от режима работы транзистор может находиться в четырех режимах работы:

  • Режим отсечки - переход база-эмиттер вообще не смещен или имеет обратное смещение.Значения тока коллектора очень маленькие,
  • Прямой активный режим (чаще всего называется активным режимом ) - переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении. Здесь стоит отметить, что не следует превышать напряжение на переходе (кремниевые или германиевые диоды), что может привести к протеканию большого тока базы и возможному повреждению транзистора. Ток коллектора принимает значение, в β раз превышающее значение базового тока.Напряжение база-эмиттер вводит основные носители от эмиттера через переход к базе (в N-P-N электронах и в P-N-P дырках). Носители вводятся из эмиттера в базовую область (поплавок) (явление диффузии) в область перехода база-коллектор, где их концентрация ниже). Здесь под действием электрического поля в области обеднения они притягиваются к коллектору. В результате этих операций между базой и эмиттером должен протекать небольшой ток, позволяющий протекать большему току между электродами коллектора и эмиттера.
  • Обратно-активный режим (инвертированный режим) - Переход база-эмиттер смещен в обратном направлении, а база-коллектор смещен в прямом направлении. Усиление тока небольшое,
  • Режим насыщения - Напряжение коллектор-эмиттер падает до небольшой величины. Базовый ток настолько велик, что коллекторная цепь не может усилить его в β раз больше.

Транзистор биполярный - вольт-амперные характеристики

Рис. 6. Семейство вольт-амперных характеристик биполярного транзистора (ОЭ) Рис.7. Семейство вольт-амперных характеристик биполярного транзистора (OB)

Эти области транзистора обычно используются в соответствии с потребностями, например:

  • Транзистор как усилитель - транзистор, работающий в прямой активной области, может быть использован для создания системы, которая будет усиливать электрический ток.
  • В качестве переключателя (клапана) - здесь используется переход между областью насыщения (вкл.) И отсечкой (выкл.). Используется в цифровых и импульсных схемах.

Биполярный транзистор - Предельные параметры

  • В EB0max - максимально допустимое обратное смещение база-эмиттер,
  • В CB0max - максимально допустимое обратное смещение база-коллектор,
  • В CE0max - максимально допустимое прямое смещение база-эмиттер,
  • I Cmax - максимальный ток коллектора,
  • I Bmax - максимальный базовый ток.

Биполярный транзистор - Операционные системы

Система общего коллектора

Усиленное напряжение входного сигнала подается между базой и коллектором транзистора, тогда как сигнал после усиления принимается между коллектором и эмиттером. Усиление напряжения этой схемы близко к единице, поэтому на выходе усилителя появляется «повторяющееся» напряжение со входа, отсюда и второе общепринятое название этих усилителей - эмиттер.

Рис. 8. Схема напряжения переменного тока усилительной системы с общим эмиттером (ОЭ)

Система общей базы

Усиленное напряжение входного сигнала подается между базой и эмиттером транзистора, тогда как сигнал принимается между базой и коллектором после усиления.

Рис. 9. Схема напряжения переменного тока усилительной системы с общей базой (ОБ)

Система общего коллектора

Усиленное напряжение входного сигнала подается между базой и эмиттером транзистора, тогда как сигнал после усиления принимается между коллектором и эмиттером.Таким образом, эмиттерный электрод является довольно «обычным» для входных и выходных сигналов - отсюда и название системы.

Рис. 10. Схема общего коллектора ОС

Транзистор биполярный как переключатель

Биполярный транзистор подходит для работы в качестве переключателя. Принцип его работы основан на двух рабочих состояниях транзистора: отсечка и насыщение. Под действием сигнала (напряжения) транзистор активируется и переходит из состояния отсечки через активное состояние в насыщение.Когда нет больше управляющего напряжения, транзистор возвращается в состояние отсечки. В отключенном состоянии транзистор имеет очень высокое сопротивление, поэтому он не пропускает никакой сигнал (это можно рассматривать как разрыв цепи). Однако, когда транзистор насыщен, он имеет низкое сопротивление, и ситуация обратная.

Идеальный транзисторный ключ должен почти мгновенно менять состояние и иметь очень крутой (вертикальный) переходный процесс, а время переключения должно равняться нулю.

Есть способы значительно ускорить работу процесса переключения транзисторов:

  • Уменьшить номинал резистора базы транзистора,
  • Добавьте параллельную емкость резистору базы транзистора. Это устраняет эффект интеграции и сокращает время включения транзистора,
  • Соединяют базу и коллектор транзистора через германиевый диод (такой переключатель становится квазинасыщенным), который характеризуется более высоким значением насыщения и меньшим временем переключения.Недостатком этой системы является более высокое значение напряжения в низком состоянии, поскольку транзистор не насыщается.
  • Подключение блока питания к базе транзистора.

Биполярный транзистор - системы поляризации

Ниже представлены наиболее часто встречающиеся системы смещения транзисторов:

Рис. 11. Система с потенциометрическим базовым питанием Рис. 12. Система с принудительным базовым током Рис. 13. Система со сцепным коллектором Рис.14. Система с потенциометрической базой мощности и эмиттером связи

Как работают усилители | HowStuffWorks

В основе большинства усилителей лежит транзистор . Основными элементами транзистора являются полупроводники, материалы с различной способностью проводить электрический ток. Обычно полупроводник состоит из плохого проводника, такого как кремний , к которому добавлено примесей (атомы другого материала).Процесс добавления примесей называется легированием .

В чистом кремнии все атомы кремния идеально связаны со своими соседями, не оставляя свободных электронов для проведения электрического тока. В легированном кремнии дополнительные атомы изменяют баланс, либо добавляя свободные электроны, либо создавая дырки , по которым могут уходить электроны. Электрический заряд перемещается, когда электроны перемещаются от отверстия к отверстию, поэтому любое из этих добавлений сделает материал более проводящим.(Полное объяснение см. В разделе «Как работают полупроводники».)

Объявление

Полупроводники типа N характеризуются дополнительными электронами (которые имеют отрицательный заряд). Полупроводники типа P имеют множество дополнительных дырок (которые имеют положительный заряд).

Давайте посмотрим на усилитель, построенный на базовом биполярном транзисторе . Этот вид транзистора состоит из трех полупроводниковых слоев - в данном случае полупроводник p-типа , зажатый между двумя полупроводниками n-типа .Эту структуру лучше всего представить в виде полосы, как показано на схеме ниже (реальная конструкция современных транзисторов немного отличается).

Первый слой n-типа называется эмиттером , слой p-типа называется базой , а второй слой n-типа называется коллектором . Выходная цепь (схема, которая управляет динамиком) подключена к электродам на эмиттере и коллекторе транзистора. Входная цепь подключается к эмиттеру и базе.

Свободные электроны в слоях n-типа естественно хотят заполнить дыры в слое p-типа. Свободных электронов намного больше, чем дырок, поэтому дырки заполняются очень быстро. Это создает зоны истощения на границах между материалом n-типа и материалом p-типа. В зоне истощения полупроводниковый материал возвращается в свое исходное изолирующее состояние - все дырки заполнены, поэтому нет свободных электронов или пустых пространств для электронов, и заряд не может течь.Когда зоны обеднения толстые, очень небольшой заряд может перемещаться от эмиттера к коллектору, даже если между двумя электродами существует сильная разница в напряжении.

В следующем разделе мы увидим, что можно сделать, чтобы изменить эту ситуацию.

Как работает транзистор?


Спросил: Тони Уилан

Ответ

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

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

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

Артикул:


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

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

ПЕРЕХОДНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

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

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

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

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

ТРАНЗИСТОРЫ ПОЛЕВОГО ЭФФЕКТА

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

Транзистор биполярный - EcuRed

Транзистор биполярный

Концепция: Дистанционное объединение электронной системы управления безопасностью пасо-де-ла-корриенте на конечных поездках.

Транзистор биполярный . Биполярный транзистор объединяется, совмещает его с BJT (обозначение внутреннего транзистора с двухполюсным переходом), является устройством, являющимся конечным обозначением, преобразователем, основанием и коллектором.

La propiedad más destacada de este dispositivo es que aproxima una fuente independent de corriente: dentro de ciertos márgenes, la corriente en el terminal de colector es controlada por la corriente en el terminal de base.La mayoría de funciones electrónicas se realizan con circuitos que emplean transistores, sean bipolares o de efecto de campo, los cuales son los dispositivos básicos de la electrónica moderna.

Conceptos básicos

Estructura ísica

Строительная структура биполярного транзистора, объединяющая PN dispuestas в непрерывном действии. Entre los terminales de emisor y base hay una unión PN, denominada unión emisora, y entre los de base y colector otra unión PN, llamada unión colectora.

Типос

Типы двухполюсных транзисторов: NPN и PNP. Estos nombres procedureden de la descripción de su estructura física. En el транзистор NPN представляет собой полупроводниковый тип N, основанный на типе P y el colector в типе N. Структура, состоящая из транзистора PNP, имеет двойную структуру, как переднюю камбианду, так и области P por областей N, y las N por P.

  • El emisor ha de ser una región muy dopada (de ahí la indicación p +). Cuanto más dopaje tenga el emisor, мэр cantidad de portadores podrá aportar a la corriente.
  • La base ha de ser muy estrecha y poco dopada, para que tenga lugar poca Recombinación en la misma, y ​​pácticamente toda la corriente que proviene de emisor pase a colector. Además, si la base no es estrecha, el dispositivo puede no comportarse como un transistor, y trabajar como si de dos diodos en oposición se tratase.
  • El colector ha de ser una zona menos dopada que el emisor. Лас características de esta región tienen que ver con la Recombinación de los portadores que provienen del emisor.

Funcionamiento

Entre los terminales de colector (C) y emisor (E) se aplica la Potencia a regular, en el terminal de base (B) se aplica la señal de control gracias a la que se controla la потенция. Con pequeñas variaciones de corriente a través del terminal de base, se consiguen grandes variaciones a través de los terminales de colector y emisor. Si se coloca una resistencia se puede convertir esta variación de corriente en variaciones de tensión según sea necesario.

Фундаментально-эффективный транзистор

Биполярный транзистор базируется на функционировании и контроле за корриентом, который циркулирует в эмиссоре, и за сборщиком разного, средним корриентом основания. En esencia un transistor se puede considerar como un diodo en directa (unión emisor-base) por el que circa una corrientelevada, y un diodo en inversa (unión base-colector), por el que, en Principio, no debería круговой корриенте pero que actúa como una estructura que recoge gran parte de la corriente que circa por emisor-base.

Se dispone de dos diodos, uno polarizado en directa (diodo A) y otro en inversa (diodo B). Mientras que la corriente por A es Elevada (IA), la corriente por B es muy pequeña (IB). Si se unen ambos diodos, y se consigue que la zona de unión (lo que llamaremos base del transistor) sea muy estrecha, entonces toda esa corriente que circaba por A (IA), va a quedar absoluteida por el campo existente en el diodo B .

De esta forma entre el emisor y el colector cycle una gran corriente, mientras que por la base una corriente muy pequeña.El control производит mediante este terminal de base porque, si se corta la corriente por la base ya no existe polarización de un diodo en inversa y otro en directa, y por tanto no circa corriente.

Polarización

Поляризация транзисторного биполярного имплантата, неявно согласующего с тем, что коррелирует и напряжение непрерывно находится в апаресен-е-мисмо-кэден-фиджадас, и имеет значение предыдущее децидидос. Возможна поляризация транзистора в активной зоне, в насыщении и в напряжении, а также в напряжении и компонентах цепи на одной из площадок.

Корте

Установите транзистор, защищенный и закрытый, без обращения к терминалам. Concretamente, y a efectos de cálculo, decimos que el transistor se encuentra en corte cuando se cumple la condición: IE = 0 ó IE <0 (Esta última condición indica que la corriente por el emisor lleva sentido contrario al que l que l que lue). Чтобы поляризовать транзистор в поле без поляризации и в прямом соединении с базовым эмиссионным модулем Mismo, es decir, basta con que VBE = 0.

Activa

Область активна как нормальная функция транзистора. Existen corrientes en todos sus terminales y se cumple que la unión base-emisor se encuentra polarizada en direct y la colector-base en inversa.

Saturación

En la región de saturación se verifica que tanto la unión base-emisor como la base-colector se encuentran en directa. Se dejan de cumplir las relaciones de activa, y se verifica sólo lo siguiente:

не должно быть напряжений base-emisor y colector-emisor de saturación suelen tener valoresterminados (0,8 y 0,2 voltios absolutemente).

Es de señalar especialmente que cuando el transistor se encuentra en saturación circa también corriente por sus tres terminales, pero ya no se cumple la relación: II CB = ⋅ β

Ejemplos

Fuentes

  • El транзистор биполярный Gerold W. Neudeck Ed. Эддисон-Уэсли Ибероамерикана, 2-е издание, 1994,
  • Diseño electrónico. Circuitos y sistemas C.J. Savant, M.S. Roden y G.L. Carpenter Ed. Addison-Wesley Iberoamericana, 1ª edición, 1992

Биполярный переходной транзистор

PNP
НПН

Условные обозначения для BJT типа
PNP и NPN
.

Биполярный (переходный) транзистор ( BJT ) представляет собой трехконтактное электронное устройство, построенное из легированного полупроводникового материала и может использоваться в приложениях для усиления или переключения. Биполярные транзисторы названы так потому, что в их работе участвуют как электроны, так и дырки. Поток заряда в BJT обусловлен двунаправленной диффузией носителей заряда через соединение между двумя областями с разной концентрацией заряда. Этот режим работы отличается от униполярных транзисторов , таких как полевые транзисторы, в которых только один тип носителя участвует в потоке заряда из-за дрейфа.По своей конструкции большая часть тока коллектора БЮТ обусловлена ​​потоком зарядов, вводимых из эмиттера с высокой концентрацией в базу, где они являются неосновными носителями, которые диффундируют к коллектору, и поэтому БЮТ классифицируются как устройства с неосновными носителями .

Введение

NPN BJT с прямым смещением E – B переходом и обратным смещением B – C переходом

NPN-транзистор можно рассматривать как два диода с общим анодом. При обычной работе переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор - в обратном.Например, в NPN-транзисторе, когда к переходу база-эмиттер прикладывается положительное напряжение, равновесие между термически генерируемыми носителями и отталкивающим электрическим полем обедненной области становится несбалансированным, позволяя термически возбужденным электронам инжектироваться в базовую область. Эти электроны блуждают (или «диффундируют») через базу из области высокой концентрации около эмиттера к области низкой концентрации около коллектора. Электроны в базе называются неосновными носителями , потому что база легирована p-типом, что делает дырки основными носителями в базе.

Чтобы минимизировать процент носителей, которые рекомбинируют перед тем, как достичь перехода коллектор – база, базовая область транзистора должна быть достаточно тонкой, чтобы носители могли диффундировать по ней за гораздо меньшее время, чем время жизни неосновных носителей полупроводника. В частности, толщина основания должна быть намного меньше диффузионной длины электронов. Переход коллектор-база имеет обратное смещение, и поэтому инжекция электронов от коллектора к базе происходит незначительно, но электроны, которые диффундируют через базу к коллектору, уносятся в коллектор электрическим полем в обедненной области коллектора - базовый переход.Тонкая общая база и асимметричное легирование коллектор-эмиттер - это то, что отличает биполярный транзистор от двух отдельных и противоположно смещенных диодов, соединенных последовательно.

Контроль напряжения, тока и заряда

Ток коллектор-эмиттер можно рассматривать как управляемый током база-эмиттер (контроль тока) или напряжением база-эмиттер (контроль напряжения). Эти представления связаны между собой соотношением тока и напряжения перехода база-эмиттер, которое представляет собой обычную экспоненциальную кривую вольт-амперной характеристики p-n-перехода (диода). [1]

Физическое объяснение тока коллектора - это количество заряда неосновных носителей заряда в основной области. [1] [2] [3] Детальные модели действия транзистора, такие как модель Гаммеля – Пуна, явно объясняют распределение этого заряда, чтобы более точно объяснить поведение транзистора. [4] Представление управления зарядом легко обрабатывает фототранзисторы, где неосновные носители в базовой области создаются за счет поглощения фотонов, и управляет динамикой выключения или времени восстановления, которое зависит от заряда в базовой области. рекомбинирование.Однако, поскольку базовый заряд не является сигналом, видимым на выводах, при проектировании и анализе схем обычно используются режимы управления током и напряжением.

При проектировании аналоговых схем иногда используется представление управления током, поскольку оно приблизительно линейно. То есть ток коллектора примерно в F раз больше тока базы. Некоторые базовые схемы могут быть спроектированы, исходя из предположения, что напряжение эмиттер-база приблизительно постоянно, а ток коллектора в бета умножает на ток базы.Однако для точного и надежного проектирования производственных цепей BJT требуется модель регулирования напряжения (например, Ebers – Moll). [1] Модель управления напряжением требует учета экспоненциальной функции, но когда она линеаризуется так, что транзистор может быть смоделирован как крутизна, как в модели Эберса – Молла, конструкция для таких схем, как дифференциальная Усилители снова становятся в основном линейной проблемой, поэтому часто предпочтение отдается управлению напряжением. Для транслинейных схем, в которых экспоненциальная кривая ВАХ является ключевой для работы, транзисторы обычно моделируются как управляемые по напряжению с крутизной, пропорциональной току коллектора.Как правило, проектирование схемы на уровне транзистора выполняется с использованием SPICE или аналогичного имитатора аналоговой схемы, поэтому сложность модели обычно не имеет большого значения для разработчика.

Задержка включения, выключения и сохранения

Биполярный транзистор демонстрирует некоторые характеристики задержки при включении и выключении. Большинство транзисторов, и особенно силовые транзисторы, демонстрируют длительное базовое время хранения, что ограничивает максимальную частоту работы в коммутационных приложениях. Одним из способов сокращения времени хранения является использование зажима Бейкера.

Транзистор "альфа" и "бета"

Доля электронов, способных пересечь базу и достигнуть коллектора, является мерой эффективности BJT. Сильное легирование эмиттерной области и легкое легирование базовой области вызывает инжекцию гораздо большего количества электронов из эмиттера в базу, чем дырок, инжектируемых из базы в эмиттер. Коэффициент усиления по току с общим эмиттером представлен β F или h FE ; это приблизительно отношение постоянного тока коллектора к постоянному току базы в прямой активной области.Обычно оно больше 100 для малосигнальных транзисторов, но может быть меньше для транзисторов, предназначенных для мощных приложений. Другой важный параметр - коэффициент усиления по току общей базы , α F . Коэффициент усиления по току с общей базой приблизительно равен коэффициенту усиления по току от эмиттера к коллектору в прямой активной области. Это отношение обычно имеет значение, близкое к единице; от 0,98 до 0,998. Альфа и бета более точно связаны следующими идентичностями (транзистор NPN):

Структура

Упрощенное сечение планарного NPN биполярного переходного транзистора

BJT состоит из трех областей полупроводников с различным легированием: области эмиттера , области базы и области коллектора .Этими областями являются, соответственно, тип p , тип n и тип p в PNP и тип n , тип p и тип n в транзисторе NPN. Каждая полупроводниковая область подключена к клемме, обозначенной соответствующим образом: эмиттер (E), основание (B) и коллектор (C).

База физически расположена между эмиттером и коллектором и изготовлена ​​из слегка легированного материала с высоким сопротивлением.Коллектор окружает эмиттерную область, что делает практически невозможным для электронов, инжектированных в базовую область, ускользнуть от сбора, что делает результирующее значение α очень близким к единице и, таким образом, дает транзистору большое β. Вид в разрезе BJT показывает, что переход коллектор-база имеет гораздо большую площадь, чем переход эмиттер-база.

Биполярный переходной транзистор, в отличие от других транзисторов, обычно не является симметричным устройством. Это означает, что перестановка коллектора и эмиттера заставляет транзистор выйти из прямого активного режима и начать работать в обратном режиме.Поскольку внутренняя структура транзистора обычно оптимизирована для работы в прямом режиме, перестановка коллектора и эмиттера делает значения α и β в обратном режиме намного меньше, чем в прямом режиме; часто α обратной моды ниже 0,5. Отсутствие симметрии в первую очередь связано с коэффициентами легирования эмиттера и коллектора. Эмиттер сильно легирован, а коллектор слегка легирован, что позволяет приложить большое обратное напряжение смещения до того, как разомкнется переход коллектор-база.Коллектор-база при нормальной работе имеет обратное смещение. Причина, по которой эмиттер сильно легирован, состоит в том, чтобы увеличить эффективность инжекции эмиттера: соотношение носителей, введенных эмиттером, к тем, которые введены базой. Для высокого коэффициента усиления по току большая часть носителей, вводимых в переход эмиттер-база, должна исходить от эмиттера.

Матрица высокочастотного NPN-транзистора KSY34, база и эмиттер соединены связанными проводами

Низкопроизводительные «боковые» биполярные транзисторы, которые иногда используются в процессах CMOS, иногда проектируются симметрично, то есть без разницы между прямым и обратным режимом работы.

Небольшие изменения напряжения, приложенного к клеммам база-эмиттер, приводят к значительному изменению тока, протекающего между эмиттером и коллектором . Этот эффект можно использовать для усиления входного напряжения или тока. BJT можно рассматривать как источники тока с управлением по напряжению, но их проще охарактеризовать как источники тока с регулируемым током или усилители тока из-за низкого импеданса на базе.

Ранние транзисторы были сделаны из германия, но большинство современных BJT сделаны из кремния.Значительное меньшинство теперь также производится из арсенида галлия, особенно для приложений с очень высокой скоростью (см. HBT ниже).

Символ NPN BJT. Обозначение: « n ot p ointing i n ».

НПН

NPN - это один из двух типов биполярных транзисторов, состоящий из слоя полупроводника, легированного P («база»), между двумя слоями, легированными N. Небольшой ток, поступающий в базу, усиливается, чтобы получить большой ток коллектора и эмиттера.То есть, NPN-транзистор находится в состоянии «включено», когда его база подтягивается на к высоте относительно эмиттера.

Большая часть тока NPN переносится электронами, движущимися от эмиттера к коллектору в качестве неосновных носителей в базовой области P-типа. Большинство биполярных транзисторов, используемых сегодня, являются NPN, потому что подвижность электронов выше подвижности дырок в полупроводниках, что обеспечивает большие токи и более быструю работу.

Мнемоническое устройство для запоминания символа для NPN-транзистора - это , не указывающее на , исходя из стрелок в символе и букв в названии.То есть, NPN-транзистор - это BJT-транзистор, который «не указывает внутрь». [5]

Символ PNP BJT. Обозначение « p oints i n p roudly».

PNP

Другой тип BJT - это PNP, состоящий из слоя полупроводника, легированного N, между двумя слоями материала, легированного P. Небольшой ток, выходящий из базы, усиливается на выходе коллектора. То есть PNP-транзистор находится в состоянии «включено», когда его база подтягивается на низкий уровень относительно эмиттера.

Стрелки в символах транзисторов NPN и PNP находятся на плечах эмиттера и указывают направление обычного тока, когда устройство находится в прямом активном режиме.

Мнемоническое устройство для запоминания символа для транзистора PNP - это , указывающий (гордо) на , исходя из стрелок в символе и букв в названии. То есть транзистор PNP - это транзистор BJT, который «указывает внутрь». [6]

Гетеропереход биполярный транзистор

Полосы в биполярном транзисторе NPN с градиентным гетеропереходом.Барьеры, указывающие, что электроны могут двигаться от эмиттера к базе, а дырки инжектировать обратно от базы к эмиттеру; Кроме того, изменение ширины запрещенной зоны в основании способствует переносу электронов в базовую область; Светлые цвета указывают на истощенные регионы

Биполярный транзистор с гетеропереходом (HBT) является усовершенствованием BJT, который может обрабатывать сигналы очень высоких частот до нескольких сотен ГГц. Это распространено в современных сверхбыстрых цепях, в основном в радиочастотных системах. [7] [8] Транзисторы с гетеропереходом имеют разные полупроводники для элементов транзистора.Обычно эмиттер состоит из материала с большей шириной запрещенной зоны, чем база. На рисунке показано, что эта разница в ширине запрещенной зоны позволяет сделать большой барьер для дырок, инжектируемый назад в основание, обозначенный на рисунке как Δφ p , в то время как барьер для ввода электронов в базу Δφ n выполнен низкий. Такое устройство барьера помогает уменьшить инжекцию неосновных носителей заряда из базы, когда переход эмиттер-база находится под прямым смещением, и, таким образом, снижает базовый ток и увеличивает эффективность инжекции эмиттера.

Улучшенное введение носителей в основание позволяет основанию иметь более высокий уровень легирования, что приводит к более низкому сопротивлению доступу к основному электроду. В более традиционном BJT, также называемом BJT с гомопереходом, эффективность инжекции носителей из эмиттера в базу в первую очередь определяется соотношением легирования между эмиттером и базой, что означает, что база должна быть слегка легирована для получения высокой эффективности инжекции. , что делает его сопротивление относительно высоким. Кроме того, более высокое легирование базы может улучшить показатели качества, такие как раннее напряжение, за счет уменьшения сужения базы.

Сортировка состава в базе, например, путем постепенного увеличения количества германия в SiGe-транзисторе, вызывает градиент запрещенной зоны в нейтральной базе, обозначенный на рисунке Δφ G , обеспечивая «встроенный «поле, которое способствует переносу электронов через базу. Этот дрейфовый компонент транспорта помогает нормальному диффузионному переносу, увеличивая частотную характеристику транзистора за счет сокращения времени прохождения через базу.

Два обычно используемых HBT - это кремний-германий и арсенид алюминия-галлия, хотя для структуры HBT может использоваться широкий спектр полупроводников.Структуры HBT обычно выращиваются методами эпитаксии, такими как MOCVD и MBE.

Регионы присутствия

Прикладываемое напряжение Соединение B-E
Смещение (NPN)
Соединение B-C
Смещение (NPN)
Режим (NPN)
E Вперед Реверс Форвард активен
E C Вперед Вперед Насыщенность
E> B Реверс Реверс Отрезка
E> B> C Реверс Вперед Реверсивно-активный
Прикладываемое напряжение B-E Соединение
Смещение (PNP)
Соединение B-C
Смещение (PNP)
Пн
.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *