Транзистор принцип работы и применение: простым языком для чайников, схемы

Содержание

Как работает транзистор?

Подробности
Категория: Начинающим
Опубликовано 29.11.2013 14:41
Автор: Admin
Просмотров: 35421

Транзисторы – это радиоэлектронные компоненты из полупроводникового материала, которые предназначены для преобразований, усилений и генерации электрических колебаний.

Но всё же, как работает транзистор? Говоря простым языком с помощью транзистора можно управлять током. Транзисторами называются любые устройства, которое способно имитировать главные его свойства, а именно – изменять сигнал между двумя разными типами состояний при изменениях сигнала на управляющем электроде.

Транзисторы бывают двух типов:

  • полевые;
  • биполярные.

Материалами изготовления служат германий и кремний, но при добавлении примесей способность проводить ток возрастает. Нужно рассмотреть оба типа транзисторов, для того чтобы понять как работает транзистор? На рисунке представлены три области p-n-p или n-p-n из которых состоит любой биполярный транзистор.

Структура транзистора

В биполярных транзисторах носители зарядов двигаются от эмиттера к коллектору. База отделяется от коллектора и эмиттера p-n переходами. Протекает ток через транзистор лишь при инжектировании носителей заряда через p-n переход из эмиттера в базу. Находясь в базе, они начинают становиться неосновными носителями заряда и достаточно легко проникают через p-n переходы. Управление током между коллектором и эмиттером осуществляется за счет изменения напряжения между базой и эмиттером.

Конструкция транзистора

Как работает транзистор в цепи электрического тока? 

Основной принцип работы транзистора заключается в управлении электрическим током с помощью незначительного тока являющегося своего рода управляющим током. В полевых транзисторах носители зарядов движутся к коллектору от эмиттера через базу. Существует канал, в легированном проводнике находясь в промежутке между нелегированной подложкой и затвором. В подложке отсутствует заряд, и она не проводит ток. Перед затвором есть область обеднения с отсутствием носителей заряда.

Таким образом, вся ширина канала ограничивается пространством между областью обеднения и пространством между подложкой. Напряжение, прикладываемое к затвору, уменьшает или увеличивает область обеднения, и тем самым ширину самого канала, контролируя при этом ток.

Многие начинающие радиолюбители не так представляют себе принцип работы транзистора. Они думают, что транзистор способен усилить мощность источника питания, но это далеко не так. Важно понимать, что транзистор управляет большим током коллектора с помощью маленького тока протекающего через базу. Здесь речь идет скорее всего об управлении чем об усилении. 

Схема подключение транзистора

Схема состоит из двух электрических цепей : 

  • цепь эмиттера;
  • цепь коллектора;

В цепи эмиттера протекает незначительный ток, который управляет током коллектора. На выходе мы получаем "копию" тока эммитера но усиленного в несколько раз.

Интересное видео о принципе действия транзистора

  • < Назад
  • Вперёд >
Добавить комментарий

Принцип действия транзистора, внутреннее устройство и основные характеристики транзисторов

Транзистором называется полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления и генерирования электрических колебаний. Так что же такое транзистор? - Он представляет собой кристалл, помещенный в корпус, снабженный выводами. Кристалл изготовляют из полупроводникового материала. По своим электрическим свойствам полупроводники занимают некоторое промежуточное положение между проводниками и непроводниками тока (изоляторами).

Небольшой кристалл полупроводникового материала (полупроводника) после соответствующей технологической обработки становится способным менять свою электропроводность в очень широких пределах при подведении к нему слабых электрических колебаний и постоянного напряжения смещения.

Кристалл помещают в металлический или пластмассовый корпус и снабжают тремя выводами, жесткими или мягкими, присоединенными к соответствующим зонам кристалла. Металлический корпус иногда имеет собственный вывод, но чаща с корпусом соединяют один из трех электродов транзистора.

В настоящее время находят применение транзисторы двух видов — биполярные и полевые

. Биполярные транзисторы появились первыми и получили наибольшее распространение. Поэтому обычно их называют просто транзисторами. Полевые транзисторы появились позже и пока используются реже биполярных.

Быполярные транзисторы

Биполярными транзисторы называют потому, что электрический ток в них образуют электрические заряды положительной и отрицательной полярности. Носители положительных зарядов принято называть дырками, отрицательные заряды переносятся электронами. В биполярном транзисторе используют кристалл из германия или кремния — основных полупроводниковых материалов, применяемых для изготовления транзисторов и диодов.

Поэтому и транзисторы называют одни кремниевыми, другие - германиевыми. Для обоих разновидностей биполярных транзисторов характерны свои особенности, которые обычно учитывают при проектировании устройств.

Для изготовления кристалла используют сверхчистый материал, в который добавляют специальные строго дозированные; примеси. Они и определяют появление в кристалле проводимости, обусловленной дырками (р-проводимость) или электронами (n-проводимость). Таким образом формируют один из электродов транзистора, называемый базой.

Если теперь в поверхность кристалла базы ввести тем или иным технологическим способом специальные примеси, изменяющие тип проводимости базы на обратную так, чтобы образовались близколежащие зоны n-р-n или р-n-р, и к каждой зоне подключить выводы, образуется транзистор.

Одну из крайних зон называют эмиттером, т. е. источником носителей заряда, а вторую — коллектором, собирателем этих носителей. Зона между эмиттером и коллектором называется базой. Выводам транзистора обычно присваивают названия, аналогичные его электродам.

Усилительные свойства транзистора проявляются в том, что если теперь к эмиттеру и базе приложить малое электрическое напряжение — входной сигнал, то в цепи коллектор — эмиттер потечет ток, по форме повторяющий входной ток входного сигнала между базой и эмиттером, но во много раз больший по значению.

Для нормальной работы транзистора в первую очередь необходимо подать на его электроды напряжение питания. При этом напряжение на базе относительно эмиттера (это напряжение часто называют напряжением смещения) должно быть равно нескольким десятым долям вольта, а на коллекторе относительно эмиттера — несколько вольт.

Включение в цепь n-р-n и р-n-р транзисторов отличается только полярностью напряжения на коллекторе и смещения. Кремниевые и германиевые транзисторы одной и той же структуры отличаются между собой лишь значением напряжения смещения. У кремниевых оно примерно на 0,45 В больше, чем у герма ниевых.

Рис. 1. Напряжения смещения базы для кремниевых и германиевых транзисторов.

На рис. 1 показаны условные графические обозначения транзисторов той и другой структуры, выполненных на основе германия и кремния, и типовое напряжение смещения. Электроды транзисторов обозначены первыми буквами слов: эмиттер — Э, база — Б, коллектор — К.

Напряжение смещения (или, как принято говорить, режим) показано относительно эмиттера, но на практике напряжение на электродах транзистора указывают относительно общего провода устройства. Общим проводом в устройстве и на схеме называют провод, гальванически соединенный с входом, выходом и часто с источником питания, т. е. общий для входа, выхода и источника питания.

Усилительные и другие свойства транзисторов характеризуются рядом электрических параметров, наиболее важные из которых рассмотрены ниже.

Статический коэффициент передачи тока базы h21Э показывает, во сколько раз ток коллектора биполярного транзистора больше тока его базы, вызвавшего этот ток. У большинства типов транзисторов численное значение этого коэффициента от экземпляра к экземпляру может изменяться от 20 до 200. Есть транзисторы и с меньшим значением — 10...15, и с большим — до 50...800 (такие называют транзисторами со сверхусилением).

Нередко считают, что хорошие результаты можно получить только с транзисторами, имеющими большое значение h21э. Однако практика показывает, что при умелом конструировании аппаратуры вполне можно обойтись транзисторами, имеющими h2lЭ, равный всего 12...20. Примером этого может служить большинство конструкций, описанных в этой книге.

Частотными свойствами транзистора учитывается тот факт, что транзистор способен усиливать электрические сигналы с частотой, не превышающей определенного для каждого транзистора предела. Частоту, на которой транзистор теряет свои усилительные свойства, называют предельной частотой усиления транзистора.

Для того, чтобы транзистор мог обеспечить значительное усиление сигнала, необходимо, чтобы максимальная рабочая частота сигнала была по крайней мере в 10...20 раз меньше предельной частоты f

т транзистора. Например, для эффективного усиления сигналов низкой частоты (до 20 кГц) применяют низкочастотные транзисторы, предельная частота которых не менее 0,2...0,4 МГц.

Для усиления сигналов радиостанций длинноволнового и средневолнового диапазонов волн (частота сигнала не выше 1,6 МГц) пригодны лишь высокочастотные транзисторы с предельной частотой не ниже 16...30 МГц.

Максимальная допустимая рассеиваемая мощность — это наибольшая мощность, которую может рассеивать транзистор в течение длительного времени без опасности выхода из строя. В справочниках по транзисторам обычно указывают максимальную допустимую мощность коллектора Яктах, поскольку именно в цепи коллектор — эмиттер выделяется наибольшая мощность и действуют наибольшие ток и напряжение.

Базовый и коллекторный токи, протекая по кристаллу транзистора, разогревают его. Германиевый кристалл может нормально работать при температуре не более 80, а кремниевый — не более 120°С. Тепло, которое выделяется в кристалле, отводится в окружающую, среду через корпус транзистора, а также и через дополнительный теплоотвод (радиатор), которым дополнительно снабжают транзисторы большой мощности.

В зависимости от назначения выпускают транзисторы малой, средней и большой мощности. Маломощные используют главным образом для усиления и преобразования слабых сигналов низкой и высокой частот, мощные — в оконечных ступенях усиления и генерации электрических колебаний низкой и высокой частот.

Усилительные возможности ступени на биполярном транзисторе зависят не только от того, какой он мощности, а сколько от того, какой конкретно выбран транзистор, в каком режиме работы по переменному и постоянному току он работает (в частности, каковы ток коллектора и напряжение между коллектором и эмиттером), каково соотношение рабочей частоты сигнала и предельной частоты транзистора.

Что такое полевой транзистор

Полевой транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, в котором управление током между двумя электродами, образованным направленным движением носителей заряда дырок или электронов, осуществляется электрическим полем, создаваемым напряжением на третьем электроде.

Электроды, между Которыми протекает управляемый ток, иоСят название истока и стока, причем истоком считают тот электрод, из которого выходят (истекают) носители заряда.

Третий, управляющий, электрод называют затвором. Токопроводящий участок полупроводникового материала между истоком и стоком принято называть каналом, отсюда еще одно название этих транзисторов — канальные. Под действием напряжения на затворе» относительно истока меняется сопротивление канала» а значит, и ток через него.

В зависимости от типа носителей заряда различают транзисторы с n-каналом или р-каналом. В n-канальных ток канала обусловлен направленным движением электронов, а р-канальных — дырок. В связи с этой особенностью полевых транзисторов их иногда называют также униполярными. Это название подчеркивает, что ток в них образуют носители только одного знака, что и отличает полевые транзисторы от биполярных.

Для изготовления полевых транзисторов используют главным образом кремний, что связано с особенностями технологии их производства.

Основные параметры полевых транзисторов

Крутизна входной характеристики S или проводимость прямой передачи тока Y

21 указывает, на сколько миллиампер изменяется ток канала при изменении входного напряжения между затвором и истоком на 1 В. Поэтому значение крутизны входной характеристики определяется в мА/В, так же как и крутизна характеристики радиоламп.

Современные полевые транзисторы имеют крутизну от десятых долей до десятков и даже сотен миллиампер на вольт. Очевидно, что чем больше крутизна, тем большее усиление может дать полевой транзистор. Но большим значениям крутизны соответствует большой ток канала.

Поэтому-на практике обычно выбирают такой ток канала, при котором, о одной стороны, достигается требуемое усиление, а с другой — обеспечивается необходимая экономичность в расходе тока.

Частотные свойства полевого транзистора, так же как и биполярного, характеризуются значением предельной частоты. Полевые транзисторы тоже делят на низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные, и также для получения большого усиления максимальная частота сигнала должна быть по крайней мере в 10...20 раз меньше предельной частоты транзистора.

Максимальная допустимая постоянная рассеиваемая мощность полевого транзистора определяется точно так же, как и для биполярного. Промышленность выпускает полевые транзисторы малой, средней и большой мощности.

Для нормальной работы полевого транзистора на его электродах должно действовать постоянное напряжение начального смещения. Полярность напряжения смещения определяется типом канала (n или р), а значение этого напряжения — конкретным типом транзистора.

Здесь следует указать, что среди полевых транзисторов значительно больше разнообразие конструкций кристалла, чем среди биполярных. Наибольшее распространение в любительских конструкциях и в изделиях промышленного производства получили полевые транзисторы с так называемым встроенным каналом и р-n переходом.

Они неприхотливы в эксплуатации, работают в широких частотных пределах, обладают высоким входным сопротивлением, достигающим на низкой частоте нескольких мегаом, а на средней и высокой частотах — нескольких десятков или сотен килоом в зависимости от серии.

Для сравнения укажем, что биполярные транзисторы имеют значительно меньшее входное сопротивление, обычно близкое к 1...2 кОм, и лишь ступени на составном транзисторе могут иметь большее входное сопротивление. В этом со-состоит большое преимущество полевых транзисторов перед биполярными.

Рис. 2. Напряжения питания для полевых транзисторов.

На рис. 2 показаны условные обозначения полевых транзисторов со встроенным каналом и р-n переходом, а также указаны и типовые значения напряжения смещения. Выводы обозначены в соответствии с первыми буквами названий электродов.

Характерно, что для транзисторов с р-каналом напряжение на стоке относительно истока должно быть отрицательным, а на затворе относительно истока — положительным, а для транзистора с n-каналом — наоборот.

В промышленной аппаратуре и реже в радиолюбительской находят также применение полевые транзисторы с изолированным затвором. Такие транзисторы имеют еще более высокое входное сопротивление, могут работать на очень высоких частотах. Но у них есть существенный недостаток — низкая электрическая прочность изолированного затвора.

Для его пробоя и выхода транзистора из строя вполне достаточно даже слабого заряда статического электричества, который всегда есть на теле человека, на одежде, на инструменте.

По этой причине выводы полевых транзисторов с изолированным затвором при хранении следует связывать вместе мягкой голой проволокой, при монтаже транзисторов руки и инструменты нужно «заземлять», используют и другие защитные мероприятия.

Литература: Васильев В.А. Приемники начинающего радиолюбителя (МРБ 1072).

Транзисторы (полевые, биполярные) - обозначение, типы, применение

электрика, сигнализация, видеонаблюдение, контроль доступа (СКУД), инженерно технические системы (ИТС)

Транзистор был изобретен в 50-х годах прошлого века, его появление произвело настоящий фурор - достаточно сказать, что его изобретатели получили Нобелевскую премию.

Здесь будут рассмотрены основные типы транзисторов, принцип их работы в объеме, соответствующем основам схемотехники, поскольку начинающим тонкости работы транзистора на электронно - молекулярном уровне, на мой взгляд, ни к чему.

Технология изготовления транзисторов определяет основные их типы:

  • биполярные,
  • полевые.

Кроме того, каждый из перечисленных типов можно классифицировать по типу проводимости, определяемой материалами, комбинациями (сочетаниями) полупроводников, используемых при их производстве.

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Принцип действия, условные обозначения биполярного транзистора.

  1. Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника, называемых "база" (Б), "коллектор" (К), "эмиттер" (Э). Ток, протекающий через переход база - эмиттер (Iб) вызывает изменения сопротивления зоны эмиттер - коллектор, соответственно изменяется ток коллектора Iк, причем его значения больше нежели базового. Это основной принцип работы биполярного транзистора, его практические приложения рассмотрим позже.
  2. Поскольку материал транзистора полупроводник, то ток может протекать только в одном направлении, определяемом типом перехода. Соответственно этим определяется полярность подключения (тип проводимости) транзистора (прямая - p-n-p, обратная - n-p-n. Вот, собственно, вся теория, которая Вам первоначально необходима.

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевой транзистор имеет несколько иную конструкцию. Замечу - это достаточно простой вариант, но для понимания принципа действия полевого транзистора вполне подходит.

Принцип действия, условные обозначения полевого транзистора.

  1. Выводы здесь называются "затвор" (З), "сток" (С), "исток" (И). Сток - исток соединены между собой зоной полупроводника, называемой каналом. Сопротивление этого канала зависит от величины напряжения, приложенного к затвору, значит ток, протекающий от истока к стоку (Iс) зависит от напряжения между затвором и истоком.
  2. В зависимости от проводимости кристалла различают полевые приборы с p каналом и n каналом.

ПРИМЕНЕНИЕ ТРАНЗИСТОРОВ

Область применения транзисторов определяется не только их типом, но также характеристиками конкретного прибора, однако можно выделить два основных режима работы:

  • динамический - при нем любое входного сигнала вызывает соответствующее изменение выходного. Иначе этот режим называют усилительным.
  • ключевой - при этом режиме транзистор или полностью открыт или полностью закрыт. В идеале, переходные процессы между этими состояниями должны отсутствовать. Ключевой режим позволяет применять транзистор для управления значительными нагрузками при сравнительно слабых управляющих сигналах.

© 2012-2021 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов


Биполярный транзистор -устройство, принцип работы, технические характеристики, схемы включения, область применения. Сравнение с лампой.

Раздел Техническая информация → Транзисторы

 

Сырьем для транзисторов может служить обычный песок. Не вериться? Песок представляет собой окись кремния SiO2.
Кремний является основой для производства подавляющего большинства полупроводниковых элементов электроники. Разумеется, нужны и другие материалы: пластмасса, керамика, алюминий, серебро и даже золото. Разрезать аккуратно и точно кремниевую пластинку лучше всего алмазной пилой.
Но вернемся к окиси кремния. Кремний из окиси можно восстановить химической переработкой. Чистый кремний относится к классу полупроводников. Кратко вспомним, что такое полупроводник и чем он отличается от проводника или диэлектрика.
Электрический проводник-это вещество, оказывающее малое сопротивление протекающему через него току. Электрический ток, в свою очередь, есть направленное движение электрических зарядов. Значит, в проводнике должны быть свободные заряды, которые могут легко передвигаться в любом направлении. Все металлы -хорошие проводники. В металлах внешние электроны атомов становятся свободными, когда атомы объединяются в кристаллическую решетку.

 

Свободные электроны образуют так называемый электронный газ, заполняющий весь объем металла. Если в проводнике течет ток, электроны перемещаются преимущественно в одном направлении. Если же тока нет, электроны все равно движутся, но это движение хаотическое, тепловое. Оно создает шум-небольшое, случайным образом изменяющееся напряжение на выводах проводника или полупроводникового элемента.
Из самого названия «полупроводник» ясно, что он еще «не дорос» до настоящего проводника и, следовательно, проводит ток гораздо хуже. Свободных электронов в полупроводнике мало, поскольку почта все электроны как бы привязаны к своим атомам. Правда, при сильном нагреве тепловое движение становится интенсивнее и некоторые из электронов отрываются от своих атомов, становясь свободными. Проводимость вещества при этом увеличивается. Вот почему полупроводниковые приборы очень боятся перегрева-проводимость может возрасти настолько, что ток в полупроводнике резко увеличится и наступит так называемый тепловой пробой. Чтобы не углубляться, посмотрим лишь несколько цифр.
Удельное сопротивление вещества-величина, обратная проводимости,-измеряется в омах на метр (Ом-м). Это сопротивление бруска вещества сечением 1 м2 и длиной 1 м. Вот это брусочек! Но что поделаешь, в международной системе единиц СИ единицей длины служит метр. Ну так вот: сопротивление медного бруска составляет всего 0,017·10-6 Ом. А сопротивление бруска тех же размеров, изготовленного из такого типичного диэлектрика, как стекло, равно 5·1013Ом, т.е. на двадцать один порядок (1021) больше! Удельное сопротивление полупроводников находится где-то между этими крайними значениями. Дать конкретные величины трудно, они зависят от вида вещества, его чистоты и других факторов.
Чем чище полупроводник, тем ближе его свойства к свойствам диэлектрика. Но если в полупроводник введена примесь, то проводимость резко возрастает.

Различают два вида примесей: акцепторные и донорные.
Валентность вещества акцепторной примеси меньше, чем валентность самого полупроводника. Это значит, что во внешнем электронном слое атомов примеси меньше электронов, чем у атомов полупроводника. В этом случае примесь по отношению к электронам атомов полупроводника ведет себя как агрессор: она захватывает их. В результате в кристаллической решетке вещества появляются атомы, которым не хватает одного электрона.

Заряд этих атомов положителен. Они притягивают отрицательно заряженные электроны, и при первой же возможности атом, у которого не хватает электрона, захватывает его у соседнего атома. Положительный заряд при этом перемещается к соседнему атому. Тот, в свою очередь, захватывает электрон у соседа. Таким образом, положительный заряд перемещается еще дальше. Теперь оказалось, что в толще полупроводника с акцепторной примесью «гуляет сам по себе» положительный заряд, обусловленный нехваткой одного электрона. Заряд этот очень образно называют «дыркой».
Иное дело, если в полупроводник введена донорная примесь.
Валентность вещества примеси на единицу больше валентности самого полупроводника. Это значит, что во внешней электронной оболочке атомов вещества примеси на один электрон больше, чем у атомов полупроводника. Объединяясь в кристаллы, атомы примеси используют для валентных связей все внешние электроны, кроме одного. В образовавшемся кристалле «лишние» электроны атомов примеси оказываются без работы. «Безработные» электроны свободно перемещаются по всему кристаллу, но все рабочие места-валентные связи-заняты. Эти электроны легко устремляются по направлению даже слабого электрического поля, создавая электрический ток.

Таким образом, вводя различные примеси, мы можем получить полупроводник с дырочной проводимостью (р-типа) и с электронной проводимостью (n-типа). Сами названия р и n произошли от начальных букв английских слов positive и negative, обозначающих знак свободных зарядов (положительный - "дырочный" или отрицательный - "электронный"). Чем выше концентрация примеси в полупроводнике, тем выше и его проводимость. Как только физики и инженеры научились получать полупроводники с различными типами проводимости, тут же появились и приборы, выполненные на их основе.

Биполярный транзистор

Значение "Би" означает, что имеется два основными носителями которыми являются электроны и дырки. По способу чередования областей различают npn и pnp транзисторы.
Обозначение биполярного транзистора на схеме.

Принцип работы биполярного транзистора можно объяснить, опираясь на те же явления, которые наблюдаются в рп-выпрямителе. У npn-транзистора одна n-область находится в контакте с р-областью, а та в свою очередь контактирует со второй n-областью (рис.).

Главным здесь, как мы сейчас видим, является то, что средняя р-область очень узка и относительно слабо легирована, рпр-транзистор получается заменой в npn-транзисторе р и n областей. На практике применяются транзисторы обоих видов; функции их схожи, но в pnp-транзисторе носителями заряда в основном являются дырки, а в npn-транзисторе - электроны. Так как в кремнии электроны обладают большей подвижностью, чем дырки, то в большинстве случаев кремниевые pnp-транзисторы превосходят pnp-транзисторы. Чтобы рассмотреть принцип действия прп-транзистора, обратимся еще раз к рис.

В таком транзисторе есть два p-n-перехода, т.е. n-p-переход слева и p-n-переход справа. Приложим положительное высокое напряжение Uк к правой n-области и отрицательное напряжение UЕ к левой n-области. Пусть на p-область действует напряжение Vв, которое больше Ue, но меньше Uk. В результате на левом n-p -переходе мы имеем прямое смещение (пропускное направление), а на правом p-n-переходе -обратное смещение (запирающее направление). Электроны из инжектирующей левой n-области, называемой эмиттером, диффундируют в р-область, где в нормальном случае они бы рекомбиннровали, если бы p-область, т. е. так называемая база, не была настолько узкой, что электроны успевают проскочить через нее не рекомбинируя. Таким образом удается добиться того, чтобы электроны попали в правую n-область и там поступали на электрод. Поэтому правую n-область называют коллектором. Он собирает инжектированные из левой n-области - эмиттера - электроны.
Различные роли обеих n-областей, которые без приложенного к ним напряжения совершенно равноправны, конечно же, являются следствием того, что к правой n-области приложено положительное напряжение, а к левой - отрицательное. Соединим теперь базу через источник напряжения и проводник с эмиттером, как это показано на рис. Мы получим две цепи тока -базовую и коллекторную. В базовой цепи в ток вносят вклад лишь те электроны, которые, как мы видели в случае с прямосмещенным переходом (в пропускном направлении), рекомбинируют в p-области. Но из-за узости p-области их очень мало. Следовательно, выходящий из базы поток электронов очень невелик. Большая часть тока, поступающего с эмиттера, течет через коллектор (рис.).

Однако мы знаем, что в ток через р-n-переход вносят вклад не только электроны, но и дырки. В нашем конкретном случае это означает, что из базы в эмиттер поступает поток дырок.
Он существенно превысил бы сравнительно слабый поток электронов и стал бы причиной появления в целом относительно сильного тока в базовой цепи, если бы его не удалось уменьшить каким-либо способом. В биполярном транзисторе с этой целью слабо легируют базу. В результате концентрация дырок в базе является низкой и из базы может поступить лишь небольшой поток дырок. Вывод, сделанный выше в отношении потока электронов, остается справедливым и для суммарного потока электронов и дырок: большая часть тока течет по коллекторной и меньшая-по базовой цепи.
Какую же пользу можно извлечь из всего этого? Если изменить напряжение между эмиттером и базой при постоянном напряжении между базой и коллектором, то изменится ток, идущий от эмиттера. Это изменение в большей мере затронет коллекторную цепь и в меньшей -базовую. Таким образом, путем небольшого изменения тока в базовой цепи можно получить значительное изменение тока в коллекторной цепи. В данном случае транзистор работает как усилитель тока. Но так как сопротивление базовой цепи значительно меньше (прямосмещенный р-n-переход) сопротивления коллекторной цепи (обратносмещенный p-n -переход), то и потребляемая в базовой цепи электрическая мощность значительно меньше, чем в коллекторной. В итоге с помощью небольшой электрической мощности в базовой цепи можно управлять величиной мощности в коллекторной цепи.

Сравнение с электронной лампой

Ту же функцию в вакуумной электронике выполняют трех электродные электронные лампы. Эмиттер транзистора соответствует катоду электронной лампы, коллектор-аноду и база-сетке.

Схема включения транзистора, показанная на рис., где эмиттер соединен с базой и коллектором, а база и коллектор-соответственно только с эмиттером, называется схемой с общим эмиттером.

Она является одной из трех возможных схем включения транзистора. Если транзистор включен по схеме с общим коллектором, то коллектор является общей областью для обеих цепей тока, а при включении по схеме с общей базой такой областью становится база.

Схема с питанием входных и выходных цепей транзистора от одного источника постоянного напряжения.

В микроэлектронике применяются также транзисторы, обладающие двумя и более изолированными друг от друга эмиттерными областями. В результате появляются разнообразные варианты схем включения. Существует также возможность получения транзисторов с несколькими коллекторами.
Рис. npn-транзистор с базой, общей для двух цепей. Здесь показаны потоки электронов и дырок, т.е. потоки основных носителей заряда.
С помощью транзисторов можно осуществлять увеличение или преобразование электрической мощности. В микроэлектронике транзисторы являются прежде всего усилительными приборами с различными принципами усиления сигналов электрической природы и используются в ключевых схемах. Важной характеристикой такого транзисторного ключа является время, необходимое для одного переключения из положения «включено» в положение «выключено» или наоборот, короче говоря, время задержки. Чтобы получить представление о величине времени задержки биполярного транзистора, рассмотрим следующий пример. Пусть к эмиттеру, базе и коллектору npn -транзистора приложены определенные электрические напряжения Ue, Ub и Uk. В коллекторной цепи появится ток определенной силы. Если напряжение, приложенное к базе, возрастает до Ub + ΔUb, то сопротивление как левого n-p- перехода, так и правого p-n -перехода уменьшается и в результате ток в коллекторной цепи увеличивается. Но при этом мы полагаем, что во время пролета электронов через базу напряжение на ней остается неизменным и равным UB + ΔUb. Ситуация изменяется, если за это время приложенное к базе напряжение меняется. Когда оно, например, снова уменьшается до UB, а электроны еще не успели проскочить через базу, то вызванное ΔUb возрастание тока в коллекторной цепи не так велико, как при неизменном напряжении Ub + ΔUb. Отсюда можно сделать вывод о том, что эффективность переключения транзистора падает, если команды на переключение в форме более высоких или низких напряжений поступают на базу с интервалами, которые меньше времени, затрачиваемого электронами на пролет через базу. Время задержки Т транзистора представляет собой, таким образом, время, необходимое для пролета электронов через базу. Поэтому становится ясно: чем тоньше база, тем меньше время задержки. Делается понятным и стремление сделать как можно тоньше прежде всего базу. Тем самым мы также доказали высказанное в гл. 2 утверждение, что с уменьшением размеров полупроводниковых электронных элементов их быстродействие возрастает. Ориентировочно время пролета Т сквозь базу инжектированных эмиттером носителей заряда легко определить, зная коэффициент диффузии электронов D и ширину базы Ь. В общем случае справедливо выражение Т ≈ b2/D. Если для кремния ширину базы принять равной 0,7 мкм и коэффициент диффузии электронов 50 см2/с, то время задержки для pnp-транзистора составит Т ≈ 10-10 с. Коэффициент диффузии менее подвижных по сравнению с электронами дырок в кремнии почти в 3 раза меньше. Поэтому и время задержки pnp-транзистора в 3 раза больше, чем у npn-транзистора. Еще более высокой подвижностью по сравнению с электронами кремния обладают электроны арсенида галлия (GaAs). Поэтому из арсенида галлия n-типа можно изготавливать сверхбыстродействующие рпр-транзисторы.
Итак, теперь мы в состоянии рассчитать требуемую энергию для выполнения одной операции переключения в npn-транзисторе. Необходимое на одно переключение время Т следует умножить на израсходованную при этом электрическую мощность Р. В биполярном транзисторе преобразование электрической мощности осуществляется в базовой цепи. Вообще мощность равна произведению напряжения на силу тока. В нашем конкретном примере сила тока зависит от величины транзистора. Чем меньше транзистор, тем слабее возникающие в нем токи. В интегральных микросхемах транзисторы размещаются на площади 1000 мкм2 и менее. Сила тока в базовой цепи составляет всего несколько микроампер, а напряжение - около 1 В. Следовательно, мощность, необходимая для переключения, равна произведению одного вольта на несколько микроампер, т. е. нескольким микроваттам. При Р=10-5 Вт и Т = 10"10 с получаем энергию переключения, равную 10-5 х 10-10 Вт.с=10-15 Дж. Это очень малая энергия, которая, однако, не имеет ничего общего с действительным энергопотреблением транзистора. Энергозатраты в коллекторной цепи гораздо выше.

Транзистор: принцип работы

Транзистор относится к категории полупроводниковых приборов. В электротехнике он используется как генератор и усилитель электрических колебаний. Основой прибора является кристалл, расположенный в корпусе. Для изготовления кристалла используется специальный полупроводниковый материал, по своим свойствам находящийся в промежуточном положении между изолятором и проводником. Транзистор применяется в радио- и электронных схемах. Данные приборы могут быть биполярными и полевыми. Каждый из них обладает собственными параметрами и характеристиками.

Особенности биполярных транзисторов

Электрический ток в биполярных транзисторах образуется электрическими зарядами, имеющими положительную и отрицательную полярность. Дырки переносят положительную полярность, а электроны – отрицательную. Для данного вида устройств используются германиевые или кремниевые кристаллы, обладающие индивидуальными особенностями, которые учитываются при создании электронных схем.

Основой кристалла служат сверхчистые материалы. К ним добавляются специальные примеси в точной дозировке. Именно они оказывают влияние на возникновение в кристалле электронной или дырочной проводимости. Они обозначаются соответственно, как n- или р-проводимость. Происходит формирование базы, являющейся одним из электродов. Специальные примеси, введенные в кристаллическую поверхность, изменяют проводимость базы на противоположное значение. В результате, образуются зоны n-р-n или р-n-р, к которым подключаются выводы. Таким образом, происходит создание транзистора.

Источник носителей заряда называется эмиттером, а собиратель носителей является коллектором. Между ними располагается зона, исполняющая роль базы. Выводы прибора называются в соответствии с подключенными электродами. При поступлении на эмиттер входного сигнала в виде небольшого электрического напряжения, в цепи между ним и коллектором будет протекать ток. Форма этого тока совпадает с входным сигналом, однако его значение существенно увеличивается. Именно в этом заключаются усиливающие свойства транзистора.

Работа полевого транзистора

В полевых транзисторах направленное движение электронов или дырок образуется под воздействием электрического поля, которое создается на третьем электроде приложенным напряжением. Из одного электрода выходят носители, поэтому он называется истоком. Второй электрод, на который поступают заряды, носит название стока. Третий электрод, управляющий движением частиц, называется затвором.

Токопроводящий участок, ограниченный стоком и истоком, именуется каналом, поэтому данные устройства еще известны как канальные. Сопротивление канала изменяется под действием напряжения, образующегося на затворе. Этот фактор оказывает воздействие на протекающий по каналу электрический ток.

Тип носителей заряда влияет на характеристики полевых транзисторов. В n-канале происходит направленное движение электронов, а в р-канале перемещаются дырки. Таким образом, ток появляется под действием носителей лишь с каким-то одним знаком. В этом состоит основное отличие полевых и биполярных транзисторов.

Принцип работы каждого полевой транзистора заключается в однополярном токе, требует постоянного напряжения, чтобы обеспечить начальное смещение. Значение полярности зависит от типа канала, а напряжение связано с тем или иным типом устройства. В целом, они надежны в эксплуатации, могут работать в широком диапазоне частот, имеют большое входное сопротивление.

устройство, классификация и работа простым языком

С каждым годом появляется все больше и больше электронных средств, а они часто ломаются. На ремонт уходит немало средств, порой, достигая до 50 процентов от стоимости аппарата. И что досадно, некоторые из этих поломок можно было устранить самому, имея начальные знания о том, как работает транзистор. Почему он? Именно транзисторы чаще всего выходят из строя.

Виды транзистора

Чтобы легче разобраться в работе транзистора, необходимо иметь представление о нем. Он является полупроводником, что указывает на его способность проводить ток в одном направлении и не пропускать в другом. Чтобы достичь таких характеристик используются разные способы изготовления. Все эти приборы по своему характеру работы делятся на две группы:

  1. биполярные
  2. полярные

Хотя и те и другие относятся к одному классу — транзисторы, происходящие в них процессы сильно отличаются.

Биполярный

Движение электронов по замкнутой цепи называется электрическим током. Грубо говоря, чем больше электронов, тем больше ток. Если атом отдает электроны, он становится положительно заряженным и, наоборот, притягивая лишние электроны, он становится отрицательно заряженным.

При добавлении в кремний и германий примесей они становятся необходимым материалом, из которых и изготавливаются биполярные транзисторы.

Биполярными называются электронные приборы, состоящие из двух, имеющие разные заряды слоев. Причем два крайних имеют одинаковый заряд. Тот слой, который имеет положительный заряд, называется «p», а отрицательный — «n». В связи с этим различают следующие типы:

Граница между этими слоями называется переход. Внутреннюю область, разделенную двумя переходами, называют базой. Две внешние области называют эмиттер и коллектор. Монокристалл изготовлен таким образом, что одна внешняя область передает в базу носители энергии и называется эмиттером. Другая внешняя область забирает эти носители и называется коллектором.

На электрической схеме биполярный транзистор обозначается в виде круга, внутри которого нарисована черточка, а к ней подходят три прямые. Одна подходит под углом в 90 градусов и обозначает базу, две другие под наклоном. Та из них что имеет стрелку обозначает эмиттер, другая — коллектор. Сам прибор, как правило, имеет три вывода, соответствующих этим областям.

Полевой

Другой вид называется полевой или униполярный. В отличие от биполярного p-n переход работает иначе. Его монокристалл имеет однородный состав. Канал, по которому движутся энергоносители, может быть дырочным или электронным. В дырочном носителем являются положительно заряженные неподвижные ионы, в электронном — отрицательно заряженные. Эти каналы также обозначаются буквами «p» и «n» соответственно.

Вокруг и почти по всей длине этого канала впрыскиваются, вживляются ионы противоположной полярности. Эта область называется затвором, она-то и регулирует проводимость канала. Тот край канала, через который заряженные частицы входят в кристалл, называется исток, а через который выходят — стоком.

Для улучшения электрических характеристик между металлическим каналом и затвором стали добавлять диэлектрик. Если классифицировать транзисторы по структуре, то можно выделить два семейства:

  • МДП (к ним можно отнести и МОП — металл-оксид-проводник)
  • JGBT

МДП расшифровывается как металл-диэлектрик-проводник. Это полевой. Новый JGBT транзистор сочетает в себе достоинства биполярного, но имеет изолированный затвор.

Принцип действия

Один из сложных радиоэлементов — транзистор. Принцип работы его сводится к следующему:

  • регулировка
  • усиление
  • генерация

Биполярные обладают большей мощностью и могут работать с большими частотами. Однако, если нужен широкий спектр усиления, то без полевого не обойтись.

Работа полевого

Рассмотрим, как работает транзистор. Для начинающих радиолюбителей трудно разобраться во всех этих переходах. Чтобы показать принцип работы транзистора простым языком, обратим внимание на следующий пример.

Водопроводный кран вентильного типа способен очень плавно менять напор воды. Это достигается благодаря постепенному изменению пропускного отверстия. На этом же принципе основана работа и полевого транзистора.

Затвор окружает пропускной канал. При подаче на него запирающего напряжения, электрическое поле как бы сдавливает проход, тем самым уменьшая поток заряженных частиц. Как и при закрывании крана необходимо прилагать небольшое усилие, так и мощность затвора, по сравнению с основным каналом, очень мала. Сходство также и в том, что при небольших изменениях напряжения на затворе, сечение прохода также меняется незначительно.

Как работает биполярный

Работа биполярного прибора несколько отличается от работы полевого. В первую очередь отличается способ управления движением заряженных частиц. В полевом используется электрическое поле, в биполярном — ток между базой и эмиттером.

В зависимости от типа прибора стрелочка эмиттера на схеме будет либо направлена к базе, тогда это тип p-n-p, либо от базы, тогда это n-p-n. При подключении к этим зажимам одноименного напряжения («p» подключается к «+", а «n» подключается к «-") в цепи эмиттер — база возникает ток. В базе появляется больше носителей заряда и их становится тем больше, чем больше ток в этой цепи.

К коллектору подводится обратное напряжение, т. е. к «p» подключается «-", а к «n» — «+". Поскольку между эмиттером и коллектором возникает разность потенциалов, между этими выводами появляется ток. Он будет тем больше, чем больше носителей заряда имеется в базе.

Когда к эмиттеру и базе подключают источник питания противоположного знака, ток прекращается, транзистор закрывается. Что поможет лучше понять работу транзистора? Для чайников важно понять одну истину. Если открыт переход эмиттер — база (подается прямое напряжение), то открыт и сам прибор, в противном случае он закрыт.

Меры предосторожности

Полевые транзисторы очень чувствительны к повышенному напряжению. При работе с ними необходимо предотвратить возможность попадания на них статистического напряжения. Этого можно достичь надев заземленный браслет. При подборе аналога важно учитывать не только рабочее напряжение, но и допустимый ток. А если прибор работает в частотном режиме, то и его частоту.

Применение полевого транзистора: устройство, использование, принцип работы

Рассмотрим использование идей, реализованных в полевых транзисторах, в более сложных электронных устройствах.

Ячейка памяти на основе полевого транзистора с изолированным затвором (флэш-память). Рассмотрим структуру и принцип действия ячейки так называемой флэш-памяти.

Устройства флэш-памяти являются современными быстродействующими программируемыми постоянными запоминающими устройствами (ППЗУ) с электрической записью и электрическим стиранием информации (ЭСППЗУ; в аббревиатуре нет букв, соответствующих словам «электрическая запись», так как такая запись подразумевается).

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Эти устройства являются энергонезависимыми, так как информация не стирается при отключении питания. Ячейки памяти выдерживают не менее 100 000 циклов записи/стирания.

Изобразим упрощенную структуру ячейки флэш-памяти (рис. 1.107).

Слои полупроводника, обозначенные через n+, имеют повышенную концентрацию атомов-доноров. Изоляция затворов для упрощения рисунка не показана. Структура ячейки в некотором отношении подобна структуре МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Один из затворов называют плавающим, так как он гальванически не связан с электродами прибора и его потенциал изменяется в зависимости от заряда на нем («плавающий» потенциал).

При записи информации в ячейку памяти электроны из истока туннелируют через тонкий слой изолирующего окисла кремния (толщиной около 1 · 10-8 м) и переходят на плавающий затвор. Накопленный отрицательный заряд на плавающем затворе увеличивает пороговое напряжение u из порог. Поэтому в будущем при обращении к транзистору такой ячейки он будет восприниматься как выключенный (ток стока равен нулю).

При стирании информации электроны уходят с плавающего затвора (также в результате туннелирования) в область истока. Транзистор без заряда на плавающем затворе воспринимается при считывании информации как включенный.

Длительность цикла считывания (чтения) информации составляет не более 85 нс. Состояние ячейки памяти может сохраняться более 10 лет.

Полупроводниковые приборы с зарядовой связью (ПЗС). Прибор с зарядовой связью имеет большое число расположенных на малом расстоянии затворов и соответствующих им структур металл — диэлектрик — полупроводник (МДП). Изобразим упрощенную структуру прибора с зарядовой связью (рис. 1.108).

При отрицательном напряжении на некотором затворе под ним скапливаются дырки, совокупность которых называют пакетом. Пакеты образуются из дырок, инжектированных истоком или возникающих в результате генерации пар электрон-дырка при поглощении оптического излучения. При соответствующем изменении напряжений на затворах пакеты перемещаются в направлении от истока к стоку.

Приборы с зарядовой связью используются

  • в запоминающих устройствах ЭВМ;
  • в устройствах преобразования световых (оптических) сигналов в электрические.

Классификация полевых транзисторов такая же, как и биполярных транзисторов, т. е. используется буквенно-цифровой код, в котором второй элемент — буква П, определяющая подкласс.

 Примеры обозначения приборов:

  • КП310А— кремниевый транзистор малой мощности, с граничной частотой более 30 МГц, номер разработки 10, группа А;
  • 2П701Б— кремниевый транзистор большой мощности, с граничной частотой не более 30 МГц, номер разработки 1, группа Б.

Основы транзисторов - Типы, принцип работы и применение

Транзисторы

также относятся к категории полупроводников. Они ответственны за революционные изменения в области электроники. Первый практический транзистор был представлен в 1927 году и известен как точечный транзистор Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли.

Сжатие размеров электронных устройств происходит только из-за изобретения транзисторов.Слово «транзистор» можно разделить на два основных слова. Самый первый «транс» называется передачей сигналов. Вторая часть слова - «истор», это свойство сопротивления, оказываемого на соответствующих переходах.

Обладает характеристиками переключателя. Он имеет возможность участвовать в процессе усиления, а также выпрямления сигналов, будь то сигналы напряжения или сигналы тока.

Что такое транзистор?

Цепь с низким сопротивлением участвует в передаче слабых сигналов в цепь с высоким сопротивлением.Этот тип схемы определяется как транзистор.

Конструкция транзистора

Транзистор формируется, в то время как два диода с p-n переходом могут быть соединены таким образом, что оба задних конца соединены вместе. В середине соединенная область очень тонкая, что называется основанием.

Одна сторона называется эмиттером, а другая - коллектором. Таким образом построены транзисторы. Эмиттер находится справа от транзистора, а наличие коллектора можно наблюдать слева.

Типы транзисторов

Базовый транзистор можно разделить на два типа в зависимости от типа его конструкции. Один называется p-n-p, а другой - n-p-n. Конструкция этих p-n-p и n-p-n очень проста.

Транзистор с центром n-типа и обоими p-типами приводит к образованию p-n-p. Транзистор, сформированный с центром в виде p-типа и обоими n-типами по обеим сторонам, приводит к образованию n-p-n.

Есть индикации, которые представлены стрелками, которые показывают обычные токи, протекающие в этом конкретном направлении.Это можно назвать единственной разницей между транзисторами n-p-n и p-n-p. Каждый транзистор имеет три основных вывода.

Эти три клеммы обозначены как

  1. База
  2. Эмиттер
  3. Коллектор

Основные символы транзистора вместе с его клеммами

(1) База

Он находится в центре транзистора . Он имеет помехи с двумя цепями, одна из которых называется входной, а другая - выходной.Входной формируется за счет взаимодействия эмиттера и базы, а выходной - за счет коллектора и базы.

Более низкое сопротивление можно увидеть на входной цепи со стороны помех базы эмиттера. Более высокое сопротивление предлагается в выходной цепи базы и коллектора. Концентрация легирования у основания низкая. Размер основания тонкий.

(2) Эмиттер

Чтобы всегда обеспечивать питание большинства носителей заряда, соответствующий переход базы эмиттера должен иметь прямое смещение.Он легирован сильной консистенцией, так что большинство носителей может быть введено в основу. Размер излучателя будет умеренным.

(3) Коллектор

Как следует из названия, он действует как коллектор для большинства перевозчиков. Следовательно, это считается для сбора выходных сигналов. Это причина, по которой взаимодействующие части коллектора и базы остаются в обратном смещении.

Легирование коллектора умеренное, но его размер больше, чем у базы и эмиттера.Выше представлены клеммы базового транзистора.

Принцип работы транзистора

Элемент, называемый кремнием, обычно является предпочтительным для конструкции транзистора. Кремний менее чувствителен к температуре. Он способен выдерживать высокие значения напряжения и большие диапазоны токов.

Как известно, эмиттерный базовый переход должен находиться в прямом смещении, а коллекторный базовый переход должен оставаться в обратном смещении. Из-за условия прямого смещения в переходе эмиттерной базы большая часть носителей входит в базу.

Это причина того, что базовый ток имеет тенденцию протекать через область базы. Этот ток имеет тенденцию течь к коллектору, и в ответ на это движение электронов наблюдается в области коллектора от базы.

Базовый ток также отвечает за создание вакансии на коллекторе. Но это небольшая величина. Как мы уже знаем, база транзистора всегда была слегка легированной.

Это причина того, что будет меньшее количество носителей заряда, таких как электроны, меньше по количеству по сравнению с эмиттером.Эти небольшие количества электронов взаимодействуют с дырками в основании, тогда как оставшееся количество электронов движется к коллектору.

Это открыло путь для генерации тока коллектора. Следовательно, колебания на базе могут составлять большой ток на коллекторе.

Режимы работы транзистора

Условия, которые приводят к различным режимам работы, определяются из-за переходов, сформированных на базе эмиттера и базы коллектора.Прямое смещение эмиттерного базового перехода и обратное смещение коллекторного базового перехода приводит к получению активной области этого конкретного транзистора, таким образом, исходя из дополнительных условий смещения в переходе, можно анализировать различные рабочие режимы.

(1) FR

Рассматривая случаи переходов эмиттер-база и коллектор-база, в этом случае эмиттерный базовый переход смещен в прямом направлении, тогда как коллекторный базовый переход находится под обратным смещением. Следовательно, эти условия приводят к тому, что транзистор работает в активной области.Когда он находится в активной области, токи на коллекторе зависят от тока на эмиттере.

(2) FF

В этом состоянии соединение базы эмиттера и базы коллектора находится под прямым смещением. Этот тип состояния приводит к тому, что транзистор находится в области насыщения. Эта область отвечает за то, чтобы ток на коллекторе не зависел от тока, генерируемого на эмиттере.

(3) RR

Следовательно, этот случай имеет дело с состоянием, когда оба перехода транзистора работают при обратном смещении.Что касается обратного смещения, то в схеме не наблюдается проводимости. Этот тип области известен как область отсечения.

Эмиттер на этом этапе не может снабжать большинство носителей заряда, и сбор этих носителей не может быть очевиден на коллекторе. В такой ситуации транзистор действует как замкнутый переключатель.

(4) RF

Эмиттерный базовый переход транзистора подключен с обратным смещением, тогда как коллекторный базовый переход в этом состоянии имеет прямое смещение.Поскольку коллектор имеет легкую консистенцию, он не может подавать основные носители заряда на соответствующую базу этого транзистора. Следовательно, действие транзистора в этом случае плохое.

Таким образом, в зависимости от типа смещения на стыке, определяются различные типы рабочих областей. Исходя из этого, делается смещение транзистора.

Применение и использование транзистора

В современном мире электроники все где-то или так или иначе зависит от электроники.Либо это может быть схема усиления или схема переключения, для различных целей могут использоваться различные типы транзисторов.

(1) В основном транзистор используется в качестве усилителя в различных типах генераторов, модуляторов и т. Д., Далее в области цифровых схем эти транзисторы могут использоваться для механизма переключения.

(2) В случае транзистора, когда на него падает свет, замечается генерация тока, они классифицируются как фототранзисторы.

(3) Исходя из требований, когда требуется протекание большого количества тока от эмиттера к коллектору, поддерживая минимальный ток базы, требуется транзистор с именем BJT.

(4) В устройствах, где требуется регулирование напряжений, используются полевые транзисторы (FET). Это потому, что он состоит из входного импеданса при более высоком значении, что приводит к минимизации текущего значения.

(5) В тех случаях, когда коэффициент усиления по току должен быть высоким, используется специальный тип транзисторов, называемый парой транзисторов Дарлингтона.Основное его применение - это уведомления в создании чувствительных сенсорных кнопок, потому что они способны определять величину тока на коже человека.

(6) В некоторых случаях требуется отводить высокие входные токи, чтобы предотвратить попадание транзистора в область насыщения.

(7) Если предположить, что для переключения требуются более высокие значения токов за меньшее время, для этой цели пригодятся лавинные транзисторы.

Выше приведены некоторые области применения транзисторов.Таким образом обсуждаются основы транзисторов. У всех транзисторов по три вывода?

Как работают транзисторы? - Объясни, что материал

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 21 сентября 2020 г.

Ваш мозг содержит около 100 миллиардов клеток, называемых нейронами, - крошечных переключателей, которые позволяют вам думать и запоминать вещи. Компьютеры содержат миллиарды миниатюрных «клеток мозга». Их называют транзисторами и они сделаны из кремния, химического элемента, обычно встречающегося в песке.Транзисторы произвели революцию в электронике с момента их появления изобретен более полувека назад Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильям Шокли. Но что это такое и как они работают?

Фото: Насекомое с тремя ногами? Нет, типичный транзистор на электронной плате. Хотя простые схемы содержат отдельные транзисторы, подобные этому, сложные схемы внутри компьютеров также содержат микрочипы, каждый из которых может иметь тысячи, миллионы или сотни миллионов транзисторов, упакованных внутри.(Технически, если вас интересуют более интересные элементы, это кремниевый транзистор усилителя PNP 5401B. Я объясню, что все это означает сейчас.)

Что на самом деле делает транзистор?

Фото: Компактные слуховые аппараты были одними из первых применений транзисторов, а этот датируется концом 1950-х или 1960-х годов. Он был размером с колоду игральных карт, поэтому его можно было носить в кармане пиджака или на нем. С другой стороны корпуса есть микрофон, который улавливает окружающие звуки.Вы можете ясно видеть четыре маленьких черных транзистора внутри, усиливающих эти звуки, а затем выстреливающих их в маленький громкоговоритель, который находится у вас в ухе.

Транзистор действительно прост - и действительно сложен. Давайте начнем с простая часть. Транзистор - это миниатюрный электронный компонент, который может выполнять две разные работы. Может работать как усилитель или как переключатель:

  • Когда он работает как усилитель, требуется в крошечном электрическом токе на одном конце ( входной ток) и производит гораздо больший электрический ток (выходной ток) на другом.Другими словами, это своего рода усилитель тока. Это входит действительно полезно в таких вещах, как слуховые аппараты, одна из первых вещей люди использовали транзисторы для. В слуховом аппарате есть крошечный микрофон. который улавливает звуки из окружающего вас мира и превращает их в колеблющиеся электрические токи. Они подаются на транзистор, который усиливает их и приводит в действие крошечный громкоговоритель, так что вы слышите гораздо более громкую версию окружающих вас звуков. Уильям Шокли, один из изобретателей транзистора, однажды объяснил студенту транзисторные усилители в более подробном виде. юмористический способ: «Если взять тюк сена и привязать его к хвост мула, а затем чиркнуть спичкой и поджечь тюк сена, и если вы затем сравните энергию, израсходованную вскоре после этого, мул с энергией, затраченной вами на зажигание спички, вы поймете концепцию усиления.«
  • Транзисторы также могут работать как переключатели. А крошечный электрический ток, протекающий через одну часть транзистора, может значительно увеличить ток течет через другую его часть. Другими словами, маленький ток переключается на больший. По сути, так работают все компьютерные микросхемы. Для например, микросхема памяти содержит сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов, каждый из которых можно включать или выключать индивидуально. Поскольку каждый транзистор может находиться в двух различных состояниях, он может хранить два разных числа, ноль и единицу.С миллиардами транзисторов микросхема может хранить миллиарды нулей и единиц, и почти столько же обычных цифр и букв (или символов, как мы их называем). Подробнее об этом чуть позже.

Самое замечательное в машинах старого образца было то, что вы могли их отдельно, чтобы понять, как они работают. Это никогда не было слишком сложно, с немного толкать и тыкать, чтобы узнать, какой бит сделал что и как один вещь привела к другому. Но электроника совсем другая. Это все об использовании электронов для управления электричеством.Электрон - это минута частица внутри атома. Он такой маленький, весит чуть меньше 0.000000000000000000000000000001 кг! Самые современные транзисторы работают контролируя движения отдельных электронов, чтобы вы могли представьте, насколько они маленькие. В современном компьютерном чипе размер ноготь, вы, вероятно, найдете от 500 миллионов и два миллиарда отдельных транзисторов. Нет шанса разобрать транзистор, чтобы узнать, как он работает, поэтому мы должны понять это с помощью теории и воображения.Во-первых, это помогает, если мы знаем, из чего сделан транзистор.

Как делается транзистор?

Фото: Кремниевая пластина. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Транзисторы изготовлены из кремния, химического элемента, содержащегося в песке, который обычно не проводит электричество (оно не позволяет электронам легко проходить через него). Кремний - это полупроводник, а это значит, что он ни на самом деле проводник (что-то вроде металла, пропускающий электричество), ни изолятор (что-то вроде пластика, не пропускающего электричество).Если мы обрабатываем кремний примесями (процесс, известный как легирование), мы можем заставить его вести себя по-другому способ. Если мы добавим в кремний химические элементы мышьяк, фосфор, или сурьмы, кремний получает дополнительные «свободные» электроны - те, которые может проводить электрический ток, поэтому электроны будут вытекать об этом более естественно. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, кремний обработанный таким образом, называется n-типом (отрицательный тип). Мы также можем легировать кремний другими примесями, такими как бор, галлий и алюминий.В кремнии, обработанном таким образом, меньше таких «свободные» электроны, поэтому электроны в близлежащих материалах будут стремиться втекать в него. Мы называем этот кремний p-типом (положительным типом).

Вкратце, мимоходом, важно отметить, что ни кремний n-типа, ни p-типа на самом деле не имеет заряда сам по себе : оба электрически нейтральны. Это правда, что кремний n-типа имеет дополнительные «свободные» электроны, которые увеличивают его проводимость, в то время как кремний p-типа имеет меньше этих свободных электронов, что помогает увеличить его проводимость противоположным образом.В каждом случае дополнительная проводимость возникает из-за добавления к кремнию нейтральных, (незаряженных) атомов примесей, которые изначально были нейтральными - и мы не можем создавать электрические заряды из воздуха! Для более подробного объяснения мне потребуется представить идею под названием ленточная теория, что немного выходит за рамки данной статьи. Все, что нам нужно помнить, это то, что «лишние электроны» означают лишние свободных электрона - те, которые могут свободно перемещаться и помогать переносить электрический ток.

Сэндвичи кремниевые

Теперь у нас есть два разных типа кремния. Если мы сложим их вместе слоями, делая бутерброды из материала p-типа и n-типа, мы можем сделать различные виды электронных компонентов, которые работают во всех видах способами.

Предположим, мы соединяем кусок кремния n-типа с частью p-типа кремний и поместите электрические контакты с обеих сторон. Увлекательно и полезно вещи начинают происходить на стыке двух материалы. Если мы обратимся по току, мы можем заставить электроны течь через переход от сторона n-типа к стороне p-типа и наружу через цепь.Этот происходит из-за отсутствия электронов на стороне p-типа переход притягивает электроны со стороны n-типа и наоборот. Но если мы меняем направление тока, электроны вообще не текут. Что мы сделанное здесь называется диодом (или выпрямителем). Это электронный компонент, который позволяет току течь через него только в одном направлении. Это полезно, если вы хотите превратить переменный (двусторонний) электрический ток в постоянный (односторонний) ток. Диоды тоже можно сделать так, чтобы они испускали светится, когда через них проходит электричество.Вы могли видеть эти светодиоды на карманных калькуляторах и электронных дисплеи на стереооборудовании Hi-Fi.

Как работает соединительный транзистор

Фотография: Типичный кремниевый PNP-транзистор (A1048, разработанный как усилитель звуковой частоты).

Теперь предположим, что вместо этого мы используем три слоя кремния в нашем сэндвиче. из двух. Мы можем сделать бутерброд p-n-p (с ломтиком n-типа кремний в качестве заполнения между двумя пластинами p-типа) или n-p-n сэндвич (с p-типом между двумя плитами n-типа).Если мы присоединить электрические контакты ко всем трем слоям сэндвича, мы можем сделать компонент, который будет либо усиливать ток, либо включать его, либо выключен - другими словами, транзистор. Посмотрим, как это работает в случае n-p-n транзистор.

Итак, мы знаем, о чем говорим, давайте дадим имена трем электрические контакты. Мы назовем два контакта, соединенных с двумя кусочки кремния n-типа эмиттер и коллектор, и контакт соединенный с кремнием p-типа, который мы будем называть базой.Когда нет ток протекает в транзисторе, мы знаем, что кремний p-типа не хватает электроны (показаны здесь маленькими знаками плюс, обозначающими положительные зарядов) и два куска кремния n-типа имеют лишние электроны (показаны маленькими знаками минус, обозначающими отрицательные заряды).

Другой способ взглянуть на это - сказать, что в то время как n-тип имеет избыток электронов, p-тип имеет дырки, где электроны должно быть. Обычно отверстия в основании действуют как барьер, предотвращающий любые значительный ток от эмиттера к коллектору при транзистор находится в выключенном состоянии.

Транзистор работает, когда электроны и дырки начинают двигаться через два перехода между кремнием n-типа и p-типа.

Давай подключить транзистор к некоторой мощности. Допустим, мы прикрепляем небольшой положительное напряжение на базу, сделать эмиттер отрицательно заряженным и сделать коллектор положительно заряженным. Электроны вытягиваются из эмиттер в базу, а затем из базы в коллектор. И транзистор переходит в состояние «включено»:

Малый ток, который мы включаем на базе, создает большой ток. поток между эмиттером и коллектором.Повернув небольшой вход ток в большой выходной ток, транзистор действует как усилитель. Но в то же время он действует как переключатель. Когда нет тока база, между коллектором и эмиттер. Включите базовый ток, и течет большой ток. Итак, база ток включает и выключает весь транзистор. Технически это тип транзистора называется биполярным, потому что два разных вида (или "полярностей") электрического заряда (отрицательные электроны и положительные отверстия) участвуют в протекании тока.

Мы также можем понять транзистор, представив его как пару диодов. С база положительная, а эмиттер отрицательная, переход база-эмиттер похож на прямое смещение диод, с электронами, движущимися в одном направлении через переход (слева направо в диаграмму) и отверстия, идущие в противоположную сторону (справа налево). База-коллектор переход похож на диод с обратным смещением. Положительное напряжение коллектора тянет большая часть электронов проходит через внешнюю цепь (хотя некоторые электроны рекомбинируют с дырками в основании).

Как работает полевой транзистор (FET)

Все транзисторы работают, управляя движением электронов, но не все из них делают это одинаково. Подобно переходному транзистору, полевой транзистор (полевой транзистор) имеет три разных контакта, но они иметь названия источник (аналог эмиттера), сток (аналогично коллектор), и затвор (аналог цоколя). В полевом транзисторе слои Кремний n-типа и p-типа устроен несколько иначе и покрытый слоями металла и оксида.Это дает нам устройство под названием MOSFET (Металлооксидное полупроводниковое поле) Эффектный транзистор).

Хотя в истоке и стоке n-типа есть лишние электроны, они не могут перетекать от одного к другому из-за дыр в ворота p-типа между ними. Однако если приложить положительный напряжение на затвор, там создается электрическое поле, позволяющее электроны перетекают по тонкому каналу от истока к стоку. Этот «полевой эффект» позволяет току течь и включает транзистор:

Для полноты картины отметим, что полевой МОП-транзистор является униполярным. транзистор потому что только один («полярность») электрического заряда участвует в его работе.

Как работают транзисторы в калькуляторах и компьютерах?

На практике вам не нужно ничего знать об этом электроны и дыры, если вы не собираетесь разрабатывать компьютерные чипы для заработка! Все, что вам нужно знать, это то, что транзистор работает как усилитель или переключатель, используя небольшой ток включить более крупный. Но есть еще одна вещь, которую стоит знать: как все это помогает компьютерам хранить информацию и принимать решения?

Мы можем соединить несколько транзисторных ключей, чтобы что-то сделать. называется логическим вентилем, который сравнивает несколько входные токи и в результате дает другой выход.Логические ворота позволяют компьютерам создавать очень простые решения с использованием математической техники, называемой булевой алгеброй. Точно так же и ваш мозг принимает решения. Например, используя "входные данные" (то, что вы знаете) о погоде и о том, что у вас свой коридор, вы можете принять такое решение: "Если идет дождь И я есть зонтик, я пойду в магазины ". Это пример булевой алгебры, в которой используется так называемое И "оператор" (слово "оператор" - это просто математический жаргон, заставляют вещи казаться более сложными, чем они есть на самом деле).Ты можешь сделать аналогичные решения с другими операторами. "Если ветрено ИЛИ идет снег, тогда я надену пальто "- это пример использования оператора ИЛИ. Или как насчет «Если идет дождь, И я есть зонтик ИЛИ у меня есть пальто, тогда можно выйти на улицу ". Используя AND, ИЛИ и другие операторы, вызываемые Компьютеры NOR, XOR, NOT и NAND могут складывать или сравнивать двоичные числа. Эта идея является краеугольным камнем компьютерных программ: логическая серия инструкций, которые заставляют компьютеры действовать.

Обычно переходной транзистор выключен, когда нет базы. ток и переключается в положение «включено», когда течет базовый ток.Это значит требует электрического тока для включения или выключения транзистора. Но такие транзисторы могут быть подключены к логическим элементам, чтобы их выход соединения возвращаются на свои входы. Транзистор затем остается включенным, даже если базовый ток отключен. Каждый раз новый основание ток течет, транзистор «переключается» или выключается. Остается в одном из эти стабильные состояния (включены или выключены) до тех пор, пока не появится другой ток приходит и переворачивает его в другую сторону. Такая аранжировка известен как триггер, и это превращает транзистор в простой запоминающее устройство, в котором хранится ноль (когда он выключен) или один (когда он на).Шлепанцы - это основная технология, лежащая в основе компьютерных микросхем памяти.

Кто изобрел транзистор?

Изображение: Оригинальный дизайн точечного транзистора, как изложено в Патент Джона Бардина и Уолтера Браттейна в США (2 524 035), поданный в июне 1948 г. (примерно через шесть месяцев после оригинальное открытие) и награжден 3 октября 1950 года. Это простой PN-транзистор с тонкий верхний слой германия P-типа (желтый) на нижнем слое германия N-типа (оранжевый).Три контакта: эмиттер (E, красный), коллектор (C, синий) и база (G, зеленый). Вы можете прочитать больше в оригинальном патентном документе, который указан в ссылках ниже. Изображение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

транзисторов были изобретены в Bell Laboratories в Нью-Джерси в 1947 году. трех блестящих физиков США: Джона Бардина (1908–1991), Уолтера Браттейн (1902–1987) и Уильям Шокли (1910–1989).

Команда, возглавляемая Шокли, пыталась разработать новый тип усилителя для телефонной системы США - но что собственно изобретенные они оказались гораздо более распространенными Приложения.Бардин и Браттейн создали первый практический транзистор (известный как точечный транзистор) во вторник, 16 декабря 1947 г. Хотя Шокли сыграл большую роль в этом проекте, он был разъяренный и взволнованный из-за того, что его оставили в стороне. Вскоре после этого во время остановиться в отеле на конференции по физике, единолично выяснил он теория переходного транзистора - устройство гораздо лучше, чем точечный транзистор.

В то время как Бардин ушел из Bell Labs, чтобы стать академиком (он продолжил пользуются еще большим успехом при изучении сверхпроводников в Университете Иллинойса), Браттейн остался на некоторое время, прежде чем уйти на пенсию, чтобы стать учителем.Шокли основал собственную компанию по производству транзисторов и помог вдохновить современный феномен «Силиконовая долина» (процветающий район вокруг Пало-Альто, Калифорния, где корпорации электроники собраны). Двое его сотрудников, Роберт Нойс и Гордон Мур, ушли чтобы основать Intel, крупнейшего в мире производителя микрочипов.

Бардин, Браттейн и Шокли ненадолго воссоединились несколько лет спустя, когда они поделились лучшими научными достижениями мира награда, Нобелевская премия по физике 1956 г., за их открытие.Их история захватывающий рассказ о интеллектуальный талант борется с мелкой ревностью, и это хорошо стоит прочтения больше о. Вы можете найти отличные отчеты об этом среди книг и веб-сайты, перечисленные ниже.

Принцип работы транзистора

NPN | Электрическая академия

Ученые Джон Бардин и Уолтер Браттейн изобрели транзистор с точечным контактом. Он состоял из двух проводов, тщательно сплавленных на кристалле германия. Уильям Шокли последовал за этими изобретениями, создав биполярный или переходной транзистор.Эти изобретения положили начало микроэлектронике.

Транзистор обеспечивает мгновенное срабатывание цепи и устраняет время прогрева, необходимое для цепи вакуумной лампы.

Кроме того, транзистору не требовалось большого количества энергии. Транзистор был и остается известным своими небольшими размерами, долгим сроком службы и легким весом.

Транзисторы являются ключевыми устройствами в электронике по нескольким причинам :

  • Они могут усиливать ток.
  • Они могут создавать сигналы переменного тока на желаемых частотах.
  • Их также можно использовать как коммутационные устройства. Это делает их важными в компьютерных схемах.

Транзистор с биполярным переходом (BJT) состоит из трех слоев нечистых полупроводниковых кристаллов. Этот транзистор имеет два перехода. Есть два типа биполярных транзисторов: NPN и PNP. Блоки и условные обозначения для них показаны на рисунке 1.

Рисунок 1. Блок-схемы и символы для транзисторов NPN и PNP.

Биполярный транзистор NPN имеет тонкий слой кристалла P-типа, расположенный между двумя кристаллами N-типа, Рис. 2a . Биполярный транзистор PNP имеет тонкий слой кристаллов N-типа, расположенный между двумя кристаллами P-типа, Рис. 2b .

В обоих типах первый кристалл называется эмиттером . Центральная часть называется base . Третий кристалл называется коллектор .

Рисунок 2а. Транзистор NPN.

Рисунок 2б. Транзистор NPN.

Обозначения транзисторов NPN и PNP

В условных обозначениях на Рисунке 1 отметьте направление стрелки . Это указывает, является ли это транзистором NPN или PNP.

Стрелка всегда указывает на материал N-типа. Это поможет вам определить правильную полярность при подключении в цепи. Направление, в котором указывает стрелка эмиттера для NPN-транзистора, можно легко вспомнить, произнеся «Never Points iN.”

Смещение транзистора

На рисунке 3 показаны диаграммы смещения для пяти транзисторов. Обратите особое внимание на то, что база не всегда совпадает с местом расположения выводов транзисторов. Никогда не предполагайте правильных подключений. Всегда будьте уверены, сначала проверив номер детали транзистора в каталоге или спецификации продукта.

Рисунок 3. Диаграммы смещения для пяти транзисторов. (DIGI-KEY)

Работа транзистора NPN

Теория работы транзистора NPN показана на рисунке 4.

  • Две батареи используются для упрощения теории работы. Для большинства приложений требуется один источник напряжения. Отрицательная клемма аккумулятора подключена к эмиттеру N.
  • Положительный полюс той же батареи подключен к базе P-типа. Следовательно, схема эмиттер-база смещена в прямом направлении.

Рис. 4. Ток в NPN-транзисторе

  • В цепи коллектора коллектор N подключен к положительной клемме батареи.База P подключена к отрицательной клемме.
  • Цепь коллектор-база имеет обратное смещение.
  • Электроны попадают в эмиттер от отрицательного источника батареи и текут к переходу. Прямое смещение уменьшило потенциальный барьер первого перехода.
  • Затем электроны объединяются с дырочными носителями в базе, образуя цепь эмиттер-база. Однако основание представляет собой очень тонкий срез, около 0,001 дюйма.
  • Большая часть электронов проходит через коллектор.Этому потоку электронов способствует низкий потенциальный барьер второго PN-перехода.

Примерно 95–98 процентов тока через транзистор проходит от эмиттера к коллектору. От двух до пяти процентов тока проходит между эмиттером и базой.

Небольшое изменение напряжения смещения эмиттер-база вызывает несколько большее изменение тока эмиттер-коллектор. Это то, что позволяет использовать транзисторы в качестве усилителей . Однако изменение тока эмиттер-база довольно мало.

Транзистор PNP

Транзистор PNP имеет материал P-типа для эмиттера, материал N-типа для базы и материал P-типа для коллектора. См. Рисунок 5.

Источник питания или батарея должны быть подключены противоположным образом, как NPN-транзистор. Как и NPN-транзистор, схема эмиттер-база имеет прямое смещение, а схема коллектор-база имеет обратное смещение. В транзисторе PNP большинство носителей эмиттер-коллектор представляют собой дырки.

Рисунок 5. Ток в транзисторе PNP.

PNP-транзистор - принцип работы, характеристики и применение

PNP-транзистор - это подтип биполярных переходных транзисторов (BJT). Это базовый транзистор, который часто используется в различных электронных схемах. Он используется для таких функций, как усиление сигнала, переключатели и генераторы. В этом посте представлена ​​подробная информация о транзисторе PNP, принципах работы транзистора PNP, его характеристиках, применении, преимуществах и недостатках.

Что такое PNP-транзистор

PNP-транзистор - это тип биполярного переходного транзистора, который состоит из трех слоев, в которых слой с примесью "N" расположен между двумя слоями с примесью "P". В транзисторах PNP электроны являются неосновными носителями заряда, а дырки - основными носителями заряда. Течение тока происходит из-за движения отверстий. Имеет два PN перехода:

  • Переход эмиттер-база
  • Коллектор-база

Фиг.1 - Введение в транзисторы PNP

Малый базовый ток имеет возможность управлять большим током эмиттера, так как это устройство, управляемое током. Конструкция противоположна NPN-транзистору, но аналогична по работе.

Символ транзистора PNP показывает стрелку, направленную внутрь от эмиттера к базе, которая указывает направление обычного тока. PNP-транзистор считается включенным, когда напряжение источника, подключенного к базе, низкое, и выключается, когда оно высокое.

Рис.2 - Обозначение транзистора PNP

Как работает транзистор PNP

Чтобы понять принцип работы транзистора, необходимо знать характеристики полупроводников.

Четвертый столбец периодической таблицы содержит определенные элементы, которые в контролируемых условиях ведут себя как проводники и изоляторы. Эти элементы называются полупроводниками. Электроны движутся в полупроводнике медленно, а дырки движутся медленнее, чем электроны.Для изменения удельного сопротивления полупроводника требуется всего несколько донорных или акцепторных атомов.

PNP-транзистор работает, когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении. Говорят, что переход имеет прямое смещение, когда полупроводник P-типа подключен к положительному выводу, а полупроводник N-типа подключен к отрицательному выводу. При обратном смещении полупроводник P-типа подключается к отрицательной клемме, а полупроводник N-типа подключается к положительной клемме.

Рис. 3 - Конструкция и обозначение схемы PNP-транзистора

Область базового коллектора имеет обратное смещение, в котором используется внешний источник напряжения. Это означает, что база имеет более высокий потенциал, чем коллектор. Обратное смещение не создает диффузии и, следовательно, между клеммами не протекает ток.

Область базового эмиттера смещена в прямом направлении, так что напряжение на эмиттере имеет более высокий потенциал, чем на базе (V BE ).Отверстия вставляются в эмиттер (P-область), пересекая область обеднения в базу от положительного вывода источника напряжения (V BE ). Поскольку эмиттер сильно легирован, он привлекает много электронов, которые диффундируют в базовую область.

В то же время электроны текут из отрицательного вывода, толкая электроны около перехода эмиттер-база в эмиттер. Это заставляет ток (I E ) течь от эмиттера к коллектору.

Ток коллектора или ток базы можно рассчитать по формуле

База более отрицательная, чем Эмиттер примерно на 0.7 вольт для кремниевого полупроводника и 0,3 вольт для германиевого полупроводника.

Подводя итог, увеличивая напряжение прямого смещения, барьер перехода эмиттер-база уменьшается. Это позволяет большему количеству носителей достигать коллектора, что, в свою очередь, увеличивает ток от эмиттера к коллектору. Это также означает, что уменьшение напряжения прямого смещения уменьшает ток.

  Прочтите о PN-переходе, прямом смещении, обратном смещении и слое истощения  

Характеристики транзистора PNP

Взаимосвязь между постоянным током и напряжением представлена ​​графически и называется характеристиками.Две важные характеристики транзистора PNP:

  • Входные характеристики
  • Выходные характеристики

Входные характеристики для общей конфигурации

В конфигурации с общей базой для различных постоянных значений выходного напряжения (V BC ) строится кривая между входным током (I E ) и входным напряжением (V BE ).

На рисунке ниже показан приблизительный график для входных характеристик.Из этой характеристической кривой мы можем сделать вывод, что для фиксированного значения выходного напряжения (V BC ) напряжение эмиттера прямо пропорционально току эмиттера (I E ).

Рис. 4 - Входные характеристики для общей базовой конфигурации

Выходные характеристики для общей конфигурации

Для различных постоянных значений входного тока (I E ) строится кривая между выходным током (I C ) и выходным напряжением (V BC ).На рисунке ниже показаны выходные характеристики с тремя интересующими областями, указанными как активная область, область отсечки и область насыщения. Транзистор действует как переключатель «ВЫКЛ» в области отсечки и переключатель «ВКЛ» в области насыщения.

Рис.5 - Выходные характеристики для общей базовой конфигурации

  • В активной области соединение база-эмиттер смещено в прямом направлении, а соединение с базой-коллектором - в обратном направлении.
  • В области отсечки как соединение база-эмиттер, так и соединение базы коллектора имеют обратное смещение.
  • В области насыщения переходы база-эмиттер и база-коллектор смещены в прямом направлении.

Применение транзистора PNP

Применения транзисторов PNP включают:

  • Они используются при разработке схем усилителя, таких как усилители класса B.
  • Они используются в общем управлении двигателем.
  • Транзисторы PNP
  • широко используются в парных схемах Дарлингтона.
  • Используются как переключатели.
  • Используются как генераторы.

Преимущества транзистора PNP

Преимущества транзисторов PNP:

  • Транзисторы PNP используются для источника тока.
  • Упрощает конструкцию схемы, поскольку генерирует сигнал, привязанный к отрицательной шине питания.
  • Как и другие транзисторы, он меньше по размеру и может входить в состав интегральных схем.
  • Они генерируют меньше шума, чем транзисторы NPN.

Недостатки PNP транзистор

Недостатками транзисторов PNP являются:

  • Транзистор PNP сравнительно медленнее, чем транзистор NPN.
  • Они не могут работать на более высоких частотах.
  • Уровни производительности ниже по сравнению с транзисторами NPN.
  Также читают: 
  Однопереходный транзистор (UJT) - конструкция, работа, характеристики и применение 
 Твердотельный накопитель  (SSD) - принцип работы, типы, применение, SSD против жесткого диска 
 Мультиплексор  (Mux) - типы, каскадирование, методы мультиплексирования, приложение  

Биполярный переходной транзистор (BJT) - Работа, типы и применение

BJT - Биполярный переходный транзистор - Конструкция, работа, типы и применение

История

Биполярный переходный транзистор (BJT) был изобретен Уильямом Шокли и Джон Бардин.Первый транзистор был изобретен 70 лет назад, но до сих пор он изменил мир с загадочных больших компьютеров на маленькие смартфоны. Изобретение транзистора изменило представление об электрических цепях до интегральных схем (ИС). В настоящее время использование BJT сокращается, поскольку технология CMOS использовалась при разработке цифровых ИС.

Полезно знать: Название Transistor происходит от комбинации двух слов, например: Transfer и Resistance = Transistor .Другими словами, транзистор передает сопротивление от одного конца к другому. Короче говоря, транзистор имеет высокое сопротивление на входе и низкое сопротивление на выходе.

Что такое биполярный транзистор ?

Транзистор с биполярным соединением (BJT) - это двунаправленное устройство, в котором в качестве носителей заряда используются как электронов, , так и дырок . В то время как униполярный транзистор, то есть полевой транзистор , использует только один тип носителя заряда.BJT - это устройство, управляемое током. Ток течет от эмиттера к коллектору или от коллектора к эмиттеру в зависимости от типа подключения. Этот основной ток контролируется очень небольшим током на клемме базы.

Конструкция

Биполярный переходной транзистор образован комбинацией двух последовательно легированных полупроводниковых материалов. Другими словами, BJT образован «сэндвичем» из двух сторонних полупроводниковых материалов.Эти внешние полупроводники представляют собой диоды с PN переходом. Два диода PN-перехода соединены вместе, образуя трехконтактное устройство, известное как BJT-транзистор . BJT - трехполюсное устройство с двумя переходами.

После легирования собственного полупроводника трехвалентными или пятивалентными примесями получается полупроводник P-типа или полупроводник N-типа соответственно. Если количество электронов больше, чем количество дырок и (положительных носителей), то это известно как полупроводниковый материал N-типа.В то время как в полупроводнике P-типа количество дырок больше, чем количество электронов. Когда материал P-типа и N-типа соединяются вместе, он становится диодом с PN-переходом . Биполярные транзисторы (BJT) образуются после соединения двух PN-переходов спина к спине. Эти транзисторы известны как биполярные переходные транзисторы PNP или NPN , в зависимости от того, размещены ли они между P или N-типом.

В основном транзисторы состоят из трех частей и двух переходов.Эти три части называются Emitter , Collector, и Base . Эмиттер и коллектор помещают основание между ними. Средняя часть (основание) образует два перехода с эмиттером и коллектором. Соединение базы с эмиттером известно как соединение эмиттер-база , а соединение базы с коллектором известно как соединение коллектор-база .

Терминалы BJT

Есть три терминала BJT.Эти клеммы известны как коллектор , эмиттер и база . Эти терминалы кратко обсуждаются здесь.

Эмиттер

Эмиттер - это часть на одной стороне транзистора, которая испускает электроны или дырки в две другие части. База всегда имеет обратное смещение по отношению к эмиттеру, так что она может излучать большое количество основных несущих . Это наиболее сильно легированная область БЮТ. Переход эмиттер-база всегда должен иметь прямое смещение в транзисторах PNP и NPN.Эмиттер подает электроны к переходу эмиттер-база в NPN, в то время как он подает дырки в тот же переход в транзисторе PNP.

Коллектор

Часть на противоположной стороне эмиттера, которая собирает эмитированные носители заряда (то есть электроны или дырки), известна как коллектор . Коллектор сильно легирован, но уровень легирования коллектора находится между низким уровнем легирования базы и сильнолегированным уровнем эмиттера. Коллектор-база всегда должен иметь обратное смещение в транзисторах PNP и NPN.Причиной обратного смещения является удаление носителей заряда (электронов или дырок) из перехода коллектор-база. Коллектор NPN-транзистора собирает электроны, испускаемые эмиттером. Находясь в транзисторе PNP, он собирает дыры, испускаемые эмиттером.

База

База представляет собой среднюю часть между коллектором и эмиттером и образует между ними два PN-перехода. Основание - это наиболее слаболегированная часть БЮТ. Средняя часть БЮТ позволяет ему управлять потоком носителей заряда между эмиттером и коллектором.Переход база-коллектор показывает высокое сопротивление, потому что это соединение с обратным смещением.

Тип BJT

Это трехуровневое устройство, образованное встречным соединением, имеет определенные имена. Это может быть погода PNP или NPN . Оба соединения здесь ненадолго не используются.

Конструкция PNP

В биполярном транзисторе PNP полупроводник N-типа зажат между двумя полупроводниками P-типа. Транзисторы PNP могут быть сформированы путем соединения катодов двух диодов.Катоды диодов соединены вместе в общей точке, известной как база . В то время как аноды диодов, которые находятся на противоположных сторонах, известны как коллектор и эмиттер .

Переход эмиттер-база имеет прямое смещение, а переход коллектор-база - обратное смещение. Итак, в типе PNP ток течет от эмиттера к коллектору. Эмиттер в этом случае имеет высокий потенциал как по отношению к коллектору, так и по отношению к базе.

NPN Construction

Тип NPN прямо противоположен типу PNP.В биполярном транзисторе NPN полупроводник P-типа зажат между двумя полупроводниками N-типа. Когда аноды двух диодов соединены вместе, он образует NPN-транзистор. Ток будет течь от коллектора к эмиттеру, потому что вывод коллектора более положительный, чем эмиттер в NPN-соединении.

Разница между символами PNP и NPN - это стрелка на эмиттере, которая показывает направление протекания тока. Ток будет течь либо от эмиттера к коллектору, либо от коллектора к эмиттеру.Стрелка на PNP-транзисторе направлена ​​внутрь, что показывает протекание тока от эмиттера к коллектору. В случае коллектора NPN стрелка направлена ​​наружу, что показывает поток тока от коллектора к эмиттеру.

Связанное сообщение: Что такое транзистор NPN? Конструкция, работа и применение BJT

Работа BJT

Слово «транзистор» - это комбинация двух слов: «Trans» (преобразование) и «istor» (варистор).Значит, транзистор может изменять свое сопротивление. Сопротивление изменяется таким образом, что оно может действовать как изолятор или проводник, подавая небольшое напряжение сигнала. Эта возможность изменения позволяет ему работать как «усилитель » или «коммутатор ». Его можно использовать либо как переключатель, либо как усилитель одновременно. Следовательно, для выполнения указанной операции BJT может работать в трех разных регионах.

Активная область:

В активной области один из переходов находится в прямом смещении, а другой - в обратном.Здесь базовый ток I b может использоваться для управления величиной тока коллектора I c . Следовательно, активная область используется для целей усиления, где BJT действует как усилитель с коэффициентом усиления β , используя уравнение;

i c = β x I b

Он также известен как линейная область . Эта область находится между областью отсечки и областью насыщения .В этой области происходит нормальная работа БЮТ.

Область насыщения:

В области насыщения оба перехода BJT находятся в прямом смещении. Эта область используется для включенного состояния переключателя, где;

i c = i sat

I sat - это ток насыщения, и это максимальная величина тока, протекающего между эмиттером и коллектором, когда BJT находится в области насыщения. Поскольку оба перехода находятся в прямом смещении, BJT действует как короткое замыкание.

Область отсечки:

В области отсечки оба соединения BJT имеют обратное смещение. Здесь BJT работает как выключенное состояние переключателя, где

i c = 0

Работа в этой области полностью противоположна области насыщения. Внешние источники питания не подключены. Нет тока коллектора и, следовательно, нет тока эмиттера. В этом режиме транзистор действует как выключенное состояние переключателя. Этот режим достигается за счет уменьшения базового напряжения ниже, чем напряжение эмиттера и коллектора.

V be <0,7

Принцип работы BJT

BJT имеет два соединения, образованных комбинацией двух стыковых PN-переходов. Переход база-эмиттер (BE) имеет прямое смещение, а соединение коллектор-эмиттер (CE) - обратное смещение. В BE-переходе потенциальный барьер уменьшается при прямом смещении. Итак, электрон начинает течь от вывода эмиттера к выводу базы. Поскольку база является слабо легированной клеммой, очень небольшое количество электронов из клеммы эмиттера объединяется с отверстиями на клемме базы.Из-за комбинации электронов и дырок начинает течь ток от клеммы базы, известный как Базовый ток (i b ) . Базовый ток составляет только 2% от тока эмиттера I e , в то время как оставшиеся электроны будут течь из коллекторного перехода обратного смещения, известного как Collector current ( i c ). Полный ток эмиттера будет комбинацией тока базы и тока коллектора, заданной формулой;

i e = i b + i c

Где i e приблизительно равно i c , потому что I b составляет почти 2% от I C .

Конфигурация BJT

BJT - это трехконтактное устройство, поэтому существует три возможных способа подключения BJT в цепи, при этом одна клемма является общей среди других. Другими словами, один терминал является общим между входом и выходом. Каждое соединение по-разному реагирует на входной сигнал, как показано в таблице ниже.

Конфигурации Коэффициент усиления по напряжению Коэффициент усиления по току Коэффициент усиления по мощности Входное сопротивление Выходное сопротивление Фазовый сдвиг
Низкий Низкий Высокий Очень высокий 0 градусов
Общая конфигурация эмиттера Средняя Средняя Высокая Средняя Высокая 180 градусов Низкая Конфигурация с общим коллектором Низкая Конфигурация с общим коллектором Низкая Высокий Низкий 0 градусов
Общая базовая конфигурация:

В общей базовой конфигурации базовая клемма является общей между входными и выходными сигналами.Входной сигнал подается между базой и выводом эмиттера, а выходной сигнал - между базой и выводом коллектора.

Выходной сигнал на стороне коллектора меньше входного сигнала на эмиттере. Таким образом, его коэффициент усиления меньше 1. Другими словами, он « ослабляет» сигнал.

Он имеет неинвертирующий выход, что означает, что и входные, и выходные сигналы синфазны . Этот тип конфигурации обычно не используется из-за высокого коэффициента усиления по напряжению.

Из-за очень высокочастотной характеристики эта конфигурация используется для одноступенчатого усилителя. Эти одноступенчатые усилители можно использовать как усилитель радиочастоты, микрофонный предусилитель.

Коэффициент усиления общей базовой конфигурации

908 908 Сопротивление L / R in
Коэффициент усиления по напряжению
Коэффициент усиления по току I c / i e

Общая конфигурация эмиттера

Как следует из названия, в общем эмиттере эмиттер является общим для входа и выхода.Входной сигнал применяется между базой и эмиттером, а выходной - между коллектором и эмиттером. Это можно просто распознать, посмотрев на схему. Если эмиттер заземлен, а вход и выход снимаются с базы и коллектора соответственно.

Эта конфигурация имеет максимальный ток и усиление мощности среди всех трех конфигураций. Причина в том, что вход находится в переходе с прямым смещением, поэтому его входное сопротивление очень низкое ().В то время как выход берется из перехода обратного смещения, поэтому его выходное сопротивление очень высокое.

Ток эмиттера в этой конфигурации равен сумме токов базы и коллектора. Задано в уравнении как;

I e = i c + i b

Где i e - ток эмиттера

Эта конфигурация имеет высокий коэффициент усиления по току, который составляет i c / i b . Причина такого огромного увеличения тока в том, что сопротивление нагрузки последовательно соединено с коллектором. Из уравнения видно, что незначительное увеличение базового тока приведет к чрезвычайно высокому току на выходной стороне.

Эта конфигурация действует как инвертирующий усилитель, в котором выходной сигнал полностью противоположен по полярности входному сигналу. Следовательно, он сдвигает выходной сигнал на 180 ° по отношению к входному сигналу.

Конфигурация с общим коллектором

Конфигурация с общим коллектором, известная как повторитель напряжения или эмиттерный повторитель , имеет заземленный коллектор.В конфигурации с общим коллектором клемма коллектора заземлена на источник питания. Таким образом, клемма коллектора является общей как для входа, так и для выхода. Выходной сигнал берется с клеммы эмиттера с нагрузкой, подключенной последовательно, в то время как вход подается напрямую на базовую клемму.

Обладает высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением. Это позволяет ему работать как согласователь импеданса. Таким образом, эта конфигурация очень полезна в технике согласования импеданса.

BJT Biasing

Процесс установки уровней напряжения или тока постоянного тока транзистора таким образом, чтобы обеспечить надлежащее усиление подаваемого входного сигнала переменного тока.При дальнейшем уточнении, смещение - это метод, используемый для предотвращения работы транзистора либо в режиме отсечки, либо в режиме насыщения.

Чтобы сохранить выходной сигнал без потерь после усиления, необходимо правильное смещение. Работа в установившемся режиме в основном зависит от тока коллектора ( i c ), тока базы ( i b ) и напряжения между коллектором и эмиттером ( V ce ). Если транзистор предназначен для правильной работы в качестве усилителя.Затем эти параметры должны быть выбраны правильно, что известно как смещение транзистора . Целью смещения транзистора является достижение известной рабочей точки покоя или Q-точки для BJT для получения неискаженного выходного сигнала. Q2 , приведенная на приведенном выше графике, не является правильной точкой q и приводит к ограничению верхней части выходного сигнала.

Типы смещения

Без смещения транзистор будет работать как изолятор или проводник.Итак, для правильной цели усиления BJT смещается с помощью различных методов. Хотя существует множество различных техник, но вкратце обсуждаются лишь некоторые из наиболее распространенных.

Фиксированное смещение

Один источник питания используется как для коллектора, так и для базы. В конфигурации с фиксированным смещением базовый ток BJT остается постоянным независимо от входного постоянного напряжения (V cc ). Это зависит от выбора резистора, чтобы поддерживать точку Q фиксированной и, следовательно, известной как конфигурация с фиксированным смещением .Значение резистора смещения можно найти по

(V cc -V be ) / I b .

, где В будет = 0,7 В для стандартных транзисторов и

I b = I c / β .

Преимущества фиксированного смещения

Обсуждаются некоторые преимущества этой схемы.

  • Нет эффекта нагрузки: Нет эффекта нагрузки.Где эффект нагрузки можно определить как воздействие нагрузки на источник. Используя эту схему для смещения, мы можем избавиться от понижающего уровня напряжения источника напряжения.
  • Простая схема: Схема очень проста, поскольку требует только одного постоянного резистора RB.
  • Простой расчет: Метод расчета очень прост.
Фиксированное смещение с сопротивлением эмиттера

Это модифицированная форма фиксированного смещения цепи, в которой внешнее сопротивление подключено к выводу эмиттера.Эта схема требует дополнительного резистора для эмиттера, обеспечивающего отрицательную обратную связь.

Напряжение смещения В BB -V BE = I B R B + I E R E должно появиться поперек RE установить I E ≈I c .

Цепь фиксированного смещения с сопротивлением эмиттера

Преимущества фиксированного смещения с конфигурацией эмиттера
  • Отсутствие теплового разгона: Недостаток теплового отклонения при фиксированном смещении можно преодолеть с помощью фиксированного смещения с эмиттером конфигурация сопротивления.Термический разгон можно определить как увеличение тока коллектора при повышении температуры. Это вызывает самоуничтожение из-за перегрева, вызванного перегрузкой по току.
  • Проблема с этой конфигурацией заключается в том, что она снижает коэффициент усиления усилителя BJT. Эту проблему очень легко решить, обойдя сопротивление эмиттера.
Смещение коллектора к базе

Резистор базы подключается к клемме коллектора при этом типе смещения. Эта конфигурация стабилизирует рабочую точку и предотвращает тепловой пробой за счет использования отрицательной обратной связи.Эта конфигурация также является улучшенной версией конфигурации с фиксированным смещением. Сопротивление смещения подключено между коллектором и базой, которые обеспечивают путь обратной связи. Смещение от коллектора к основанию - это улучшенный метод по сравнению с методом фиксированного смещения.

Эта конфигурация также известна как схема обратной связи со смещением напряжения . Потому что Rb напрямую появляется на выходе и входе. Другими словами, часть вывода возвращается на вход. Значит, в цепи существует отрицательная обратная связь.

Если есть изменение бета из-за изменения от детали к детали или повышения температуры в бета и I - , то ток коллектора пытается увеличиться дальше, из-за чего падение напряжения на R c увеличивается.В результате уменьшается V ce и I b . Следовательно, окончательное значение коллектора I c поддерживается стабильным с помощью схемы, которая поддерживает точку Q фиксированной.

Эта схема также известна как схема смещения обратной связи по напряжению , потому что R b появляется непосредственно на входе и выходе в этой цепи. увеличение тока коллектора уменьшает ток базы.

Делитель напряжения смещения или делитель потенциала

Для этого типа используются два внешних резистора R 1 и R 2 .Напряжение на R 2 смещает эмиттерный переход в прямом направлении. При правильном выборе R 1 и R 2 рабочая точка транзистора может быть сделана независимой от Beta. Смещение делителя потенциала - самый популярный и используемый метод смещения транзистора. Эмиттерный диод смещен в прямом направлении, контролируя падение напряжения на R 2 .

R b = R 1 || R 2

В цепи смещения делителя напряжения значение R b равно параллельной комбинации R 1 и R 2 .

Схема смещения делителя напряжения:

Преимущество смещения делителя напряжения

Независимо от бета: Основным преимуществом схемы смещения делителя напряжения является то, что транзистор больше не будет зависеть от бета-сигнала. Причина в том, что напряжения на клеммах транзистора, то есть напряжения коллектора, эмиттера и базы, будут зависеть от внешней цепи. Сопротивление эмиттера R и обеспечивает стабильность усиления, несмотря на колебания бета-излучения.

Ограничения BJT

Вот некоторые ограничения биполярного переходного транзистора;

  • Громоздкий: BJT громоздки, требуют больше места и, следовательно, очень редко используются в производстве интегральных схем (ИС).
  • Низкая частота переключения: его время переключения очень низкое, что является еще одной причиной того, что оно редко используется в IC По сравнению с полевыми МОП-транзисторами частота очень низкая
  • Ток утечки: токов утечки с BJT достаточно, чтобы они не может использоваться для высокой частоты.
  • Температурная стабильность BJT: по сравнению с другими транзисторами, термическая стабильность BJT очень низкая, и это устройство шумно.
  • Температурный разгон: BJT страдает проблемой теплового разноса, которая приводит к выделению избыточного тепла. Другими словами, это вызывает самоуничтожение. Поскольку выделяемое тепло равно I 2 Таким образом, избыточный ток вызовет чрезмерное тепло, которое сожжет BJT.
  • Ранний эффект: Ток от эмиттера к коллектору управляется током базы.Если ширина основания сдвинута к нулю, известному как пробивной, , то стык коллектора и эмиттера соприкасается друг с другом. После этого от эмиттера к коллектору начинает течь огромный ток, который не может контролироваться током базы. Этот выход из-под контроля известен как ранний эффект и является одним из основных ограничений среди ограничений BJT.

Уязвимость

Радиационное повреждение вызывает транзистор, когда транзисторы подвергаются воздействию ионизирующего излучения.Срок службы неосновного носителя уменьшается после воздействия излучения, что приводит к постепенной потере усиления транзистора.

Транзистор имеет номинальную мощность и напряжение обратного пробоя , при превышении которого BJT может не работать. Когда BJT работают за пределами своей номинальной мощности или напряжения обратного пробоя, BJT не будет работать должным образом или может выйти из строя.

В случае обратного смещения переход эмиттер-база вызовет лавинный пробой , который необратимо повредит коэффициент усиления по току биполярного переходного транзистора.

Преимущества BJT
  • Ширина полосы большого усиления: Ширина полосы усиления - это разница между максимальной и минимальной частотой среза. Коэффициент усиления на частоте среза составляет 0,7. При дальнейшем увеличении или уменьшении частоты от максимальной и минимальной частоты среза соответственно, усиление уменьшается, что неприменимо. Таким образом, BJT предлагает широкий диапазон частот, предлагая большее усиление, чем 0,7. Следовательно, BJT имеет огромную полосу усиления .
  • Низкие прямые падения напряжения: BJT имеют прямое падение напряжения 0,6 В, , что является очень низким и очень важным моментом. Это имеет большое значение, потому что большее прямое напряжение вызовет ненужные потери мощности в соответствии с P = VI . Это означает, что для того же типа нагрузки устройство с высоким прямым падением напряжения вызовет ненужные потери мощности.
  • Пара Дарлингтона: Благодаря низкому выходному сопротивлению и высокому входному сопротивлению, BJT может обеспечить достойное усиление по току .
  • Длительный срок службы: BJT имеют относительно долгий срок службы. Устройство нагноивается, потому что ток насыщения увеличивается с течением времени. Хотя для решения этой проблемы и дальнейшего увеличения срока службы устройства могут использоваться различные методы смещения.

Связанные сообщения: В чем разница между транзистором и тиристором (SCR)?

Применение BJT

Вот некоторые из применений биполярного переходного транзистора;

  • Преобразователи: BJT могут использоваться в подавляющем большинстве преобразователей.Эти преобразователи могут быть разных типов, такие как инверторы, понижающие преобразователи, повышающие преобразователи или любые DC-DC , DC-AC , AC-DC или AC-AC
  • Датчики температуры: Определение температуры это одно из других приложений BJT. Если это может быть найдено по двум напряжениям на двух разных уровнях в известном соотношении, вычитаются
  • Высокая управляемость : Высокая управляемость. Для обеспечения возможности работы с высоким напряжением или током устройства подключаются последовательно и параллельно, соответственно.Но всегда учитываются возможности управления отдельными устройствами.
  • Высокочастотный режим: BJT могут работать на очень высокой частоте. Частота BJT для слабого сигнала намного выше, чем его частота переключения, в основном из-за задержки сохранения. Время хранения 2N2222 составляет 310 нс, таким образом, максимальная частота переключения составляет около 3 МГц.
  • Цифровой переключатель : Семейство цифровых логических схем включает логику с эмиттерной связью, используемую в BJT в качестве цифрового переключателя.
  • Колебательный контур : Предпочтительны в колебательных контурах.
  • Машинки для стрижки: BJT могут использоваться в схемах отсечения для изменения формы волн. Его можно использовать как простой диод для ограничения, но проблема с диодом заключается в том, что диод не управляется.
  • Демодулятор и модулятор: BJT могут использоваться в схемах демодуляции и модуляции. BJT все еще используются в очень старой известной методике модуляции, известной как « Амплитудная модуляция ».
  • Схемы обнаружения : BJT могут использоваться в схемах обнаружения. BJT может быть новым типом полупроводникового датчика для измерения дозы ионизирующего излучения.
  • Усилители: Одним из наиболее важных применений BJT является усиление, когда он используется в схеме усилителя для усиления слабых сигналов. например, в усилителях звука, эти крошечные компоненты усиливают очень слабый аудиосигнал до слышимого диапазона.
  • Электронные переключатели: Может использоваться как электронный переключатель.BJTS используются в инверторе для изменения направления постоянного тока на переменный ток.
  • Автоматический выключатель: Может использоваться вместо ручного выключателя в электрической цепи. выходной сигнал датчиков иногда бесполезен в электрических цепях, потому что эти сигналы очень низкие. Однако эти сигналы станут полезными, если они управляют BJT. Поскольку BJT работает на слабых сигналах. Тогда эти переключатели BJT могут работать с большими нагрузками, включая двигатели.

Связанные сообщения:

Структура, работа и характеристики VI

Транзистор - это полупроводниковое устройство, которое было изобретено в 1947 году в Bell Lab Уильямом Шокли, Джоном Бардином и Уолтером Хаузером Браттейном.Это основной строительный блок любых цифровых компонентов. Самым первым изобретенным транзистором был транзистор с точечным контактом . Основная функция транзистора - усиливать слабые сигналы и соответственно регулировать их. Транзистор состоит из полупроводниковых материалов, таких как кремний, германий или арсенид галлия. Они подразделяются на два типа в зависимости от их структуры: биполярный соединительный транзистор BJT (транзисторы, такие как соединительный транзистор, NPN-транзистор, PNP-транзистор) и полевой транзистор с полевым транзистором (транзисторы, такие как соединительный транзистор и металлооксидный транзистор, N-канальный MOSFET). , P-канальный MOSFET), а также функциональность (например, малосигнальный транзистор, малый переключающий транзистор, силовой транзистор, высокочастотный транзистор, фототранзистор, однопереходные транзисторы).Он состоит из трех основных частей: эмиттера (E), базы (B) и коллектора (C) или источника (S), стока (D) и затвора (G).


Что такое силовой транзистор?

Трехконтактное устройство, которое разработано специально для управления высоким номинальным током - напряжением и обработки большого количества уровней мощности в устройстве или цепи, представляет собой силовой транзистор. Классификация силового транзистора включает следующее.

Bipolar Junction Transistor

BJT - это биполярный транзистор, который может обрабатывать две полярности (дырки и электроны), он может использоваться как переключатель или как усилитель, а также известен как устройство управления током.Ниже приведены характеристики Power BJT :


  • Он имеет больший размер, поэтому через него может протекать максимальный ток.
  • Напряжение пробоя высокое
  • Он имеет более высокую токонесущую способность и большую мощность. грузоподъемность
  • Он имеет более высокое падение напряжения в открытом состоянии.
  • Применение с высокой мощностью.
МОП-металл-оксид-полупроводник-полевой транзистор (МОП-транзисторы) -FETs

МОП-транзистор является подклассом полевых транзисторов. Это трехконтактное устройство, содержащее клеммы истока, базы и стока.Функциональность MOSFET зависит от ширины канала. То есть при широкой ширине канала работает качественно. Ниже приведены характеристики полевого МОП-транзистора:

  • . Он также известен как контроллер напряжения.
  • Входной ток не требуется.
  • Высокое входное сопротивление.

Транзистор статической индукции

Это устройство с тремя выводами, высокой мощностью и частотой, которое ориентировано вертикально. Основное преимущество транзистора статической индукции состоит в том, что он имеет более высокое напряжение пробоя по сравнению с полевым транзистором.Ниже приведены характеристики транзистора статической индукции,

транзистора статической индукции
  • Длина канала мала
  • Шум меньше
  • Включение и выключение составляет несколько секунд
  • Конечное сопротивление низкое.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)

Как следует из названия, IGBT представляет собой комбинацию полевого транзистора и транзистора BJT, функция которого основана на его затворе, где транзистор может быть включен или выключен в зависимости от затвора.Они обычно применяются в устройствах силовой электроники, таких как инверторы, преобразователи и источники питания. Ниже приведены характеристики биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT),


биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT)
  • На входе схемы потери меньше
  • более высокий коэффициент усиления мощности.

Структура силового транзистора

Силовой транзистор BJT - это вертикально ориентированное устройство с большой площадью поперечного сечения с чередующимися слоями P и N, соединенными вместе.Он может быть разработан с использованием транзистора P-N-P или N-P-N.

pnp-and-npn-transistor

Следующая конструкция показывает тип P-N-P, который состоит из трех выводов: эмиттера, базы и коллектора. Когда вывод эмиттера соединен с сильно легированным слоем n-типа, ниже которого присутствует умеренно легированный p-слой с концентрацией 1016 см-3, и слаболегированный n-слой с концентрацией 1014 см-3, который также называется Область дрейфа коллектора, где область дрейфа коллектора определяет напряжение пробоя устройства, а внизу он имеет слой n +, который представляет собой высоколегированный слой n-типа с концентрацией 1019 см-3, где коллектор вытравливается на пользовательский интерфейс.

NPN-power-transistor-construction

Работа силового транзистора

BJT силового транзистора работает в четырех рабочих областях, а именно:

  • Область отсечки
  • Активная область
  • Область квази-насыщения
  • Область жесткого насыщения.

Говорят, что силовой транзистор находится в режиме отсечки, если силовой транзистор npn подключен с обратным смещением, где

случай (i): Базовый вывод транзистора подключен к отрицательному выводу и выводу эмиттера транзистор подключен к плюсу, а

случай (ii): Коллекторный вывод транзистора подсоединен к отрицательному, а базовый вывод транзистора подсоединен к плюсу, то есть база-эмиттер, а коллектор-эмиттер находится в обратном смещении. .

силовой транзистор с отсечкой

Следовательно, не будет потока выходного тока на базу транзистора, где IBE = 0, а также не будет выходного тока, протекающего через коллектор к эмиттеру, поскольку IC = IB = 0, что указывает на то, что транзистор находится в выключенном состоянии, то есть в отключенной области. Но небольшая часть тока утечки отбрасывает транзистор от коллектора к эмиттеру, то есть ICEO.

Транзистор считается неактивным только тогда, когда область база-эмиттер имеет прямое смещение, а область коллектор-база - обратное смещение.Следовательно, будет протекание тока IB в базе транзистора и протекание тока IC через коллектор к эмиттеру транзистора. Когда IB увеличивается, IC также увеличивается.

транзистор активной области мощности

Транзистор считается находящимся в стадии квазинасыщения, если база-эмиттер и коллектор-база соединены в прямом смещении. Говорят, что транзистор находится в состоянии жесткого насыщения, если база-эмиттер и коллектор-база соединены с прямым смещением.

область насыщения транзистора мощности

V-I Выходные характеристики силового транзистора

Выходные характеристики могут быть откалиброваны графически, как показано ниже, где ось x представляет VCE, а ось y представляет IC.

output-характеристики
  • На графике ниже представлены различные области, такие как область отсечки, активная область, область жесткого насыщения, область квазинасыщения.
  • Для разных значений VBE существуют разные значения тока IB0, IB1, IB2, IB3, IB4, IB5, IB6.
  • Отсутствие тока означает, что транзистор выключен. Но мало текущих потоков, которые являются ICEO.
  • Для увеличенного значения IB = 0, 1,2, 3, 4, 5. Где IB0 - минимальное значение, а IB6 - максимальное значение.Когда VCE увеличивается, ICE тоже немного увеличивается. Где IC = ßIB, следовательно, устройство известно как устройство управления током. Это означает, что устройство находится в активной области, которая существует в течение определенного периода.
  • Как только микросхема достигает максимума, транзистор переключается в область насыщения.
  • Где есть две области насыщения, область квазинасыщения и область жесткого насыщения.
  • Транзистор считается находящимся в области квазинасыщения тогда и только тогда, когда скорость переключения с включения на выключение или с выключения на включение высокая.Этот тип насыщения наблюдается в среднечастотном приложении.
  • Принимая во внимание, что в области жесткого насыщения транзистору требуется определенное количество времени, чтобы переключиться из включенного в выключенное или выключенного во включенное состояние. Этот тип насыщения наблюдается в низкочастотных приложениях.

Преимущества

Преимущества силового BJT:

  • Повышение напряжения высокое
  • Плотность тока высокая
  • Прямое напряжение низкое
  • Прирост полосы пропускания большой.

Недостатки

Недостатки силового BJT:

  • Низкая термическая стабильность
  • Более шумный
  • Управление немного сложнее.

Приложения

Области применения силового BJT:

  • Импульсные источники питания (SMPS)
  • Реле
  • Усилители мощности
  • Преобразователи постоянного тока в переменный
  • Цепи управления мощностью.

Часто задаваемые вопросы

1).Разница между транзистором и силовым транзистором?

Транзистор - это электронное устройство с тремя или четырьмя выводами, в котором при подаче входного тока на пару выводов транзистора можно наблюдать изменение тока на другом выводе этого транзистора. Транзистор действует как переключатель или усилитель.

В то время как силовой транзистор действует как радиатор, который защищает схему от повреждений. По размеру он больше обычного транзистора.

2).В какой области транзистора он быстрее переключается с включения на выключение или с выключения на включение?

Силовой транзистор, когда он находится в квазинасыщении, быстрее переключается из включенного состояния в выключенное или из выключенного во включенное.

3). Что означает N в транзисторе NPN или PNP?

N в транзисторах типа NPN и PNP представляет собой тип используемых носителей заряда, который в N-типе состоит из электронов. Следовательно, в NPN два носителя заряда N-типа зажаты между двумя носителями заряда P-типа, а в PNP один носитель заряда N-типа зажат между двумя носителями заряда P-типа.

4). Какая единица измерения у транзистора?

Стандартными единицами измерения транзистора для электрических измерений являются Ампер (А), Вольт (В) и Ом (Ом) соответственно.

5). Транзистор работает на переменном или постоянном токе?

Транзистор - это переменный резистор, который может работать как с переменным, так и с постоянным током, но не может преобразовывать переменный ток в постоянный или постоянный в переменный.

Транзистор является основным компонентом цифровой системы, они бывают двух типов в зависимости от их структуры и функциональных возможностей.Транзистор, который используется для управления большим напряжением и током, представляет собой силовой BJT (биполярный транзистор), представляющий собой силовой транзистор. Он также известен как устройство управления током-напряжением, которое работает в 4-х областях: отсечка, активная, квазинасыщение и жесткое насыщение в зависимости от источников питания, подаваемых на транзистор. Основное преимущество силового транзистора заключается в том, что он действует как устройство регулирования тока.

Использование транзисторов - принцип, применение, примеры и часто задаваемые вопросы

Введение

Если мы читаем историю электронных устройств, одним из наиболее важных компонентов этих устройств была электронная лампа.Эта трубка использовалась для контроля электрического тока. Эти трубки были больше, требовалось более высокое рабочее напряжение, высокое энергопотребление означало большое тепловыделение, что, в свою очередь, сказывалось на сроке службы трубки из-за ее низкой эффективности.

На этой странице мы узнаем о следующем:

Чтобы решить эту проблему, три американских физика Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли изобрели компактное и эффективное полупроводниковое устройство, названное точечным транзистором в Bell Labs. в декабре 1947 г.

Что такое транзистор?

  • Транзисторы являются мощными устройствами из-за их способности управлять током, протекающим через цепь (устройство управления током), который генерируется потоком электронов и дырок. Есть два типа: NPN (отрицательный-положительный-отрицательный) и PNP (положительный-отрицательный-положительный).

  • Наиболее широко используемые транзисторы - это NPN-транзисторы, поскольку большинство носителей заряда - это электроны, которые представляют собой более подвижные частицы заряда с меньшей массой, благодаря чему они могут легко ускоряться.

  • Это полупроводниковое устройство, которое действует как переключатель и усилитель.

  • Эти устройства могут проводить и индукцию.

  • Эти устройства малогабаритны, и одна ИС может вместить в себя миллионы этих устройств.

  • Транзисторы могут работать от источника низкого напряжения для большей безопасности, что означает более высокую эффективность и очень долгий срок службы.

  • Транзисторы используют полупроводниковые переходы вместо нагревательных электродов, но выполняют ту же функцию, что и вакуумный триод.

  • Транзисторы могут управлять потоком тока через один канал, изменяя интенсивность небольшого количества тока, протекающего через второй канал. Вот почему их называют текущим управляющим устройством.

Основы биполярных транзисторов

Так как контролируемый ток должен проходить через два типа полупроводниковых материалов, которые являются P и N. Ток состоит из потока электронов и дырок в разных частях транзистора, а именно: бывают двух типов:

  • npn-транзистор:

  • pnp-транзистор

  • База отвечает за активацию транзистора

  • Эмиттер является отрицательным проводом, а коллектор - положительным.

Использование транзистора

Схема усилителя

Для усиления тока можно использовать транзистор.

Vbe напряжение смещения, создаваемое в переходе база-эмиттер Из-за прямого смещения перехода база-эмиттер электроны начинают течь от эмиттера, чтобы рекомбинировать с дырками в базе, база становится отрицательно заряженной. Если базовый ток Ib увеличивается на небольшую величину, рекомбинация дырочных электронов нейтрализуется, ток коллектора Ic увеличивается.Следовательно, небольшое изменение тока Ib в базовой цепи будет контролировать большую величину тока Ic.

Пример микрофона

  • Микрофон - это преобразователь, который преобразует наш голос или звуковую волну в электронный сигнал. Поскольку звуковая волна не имеет постоянного значения, величина звуковой волны меняется со временем в соответствии с нашим голосом.

  • Электрический выход микрофона изменяется в зависимости от звуковых волн, так как базовый ток Ib изменяется из-за небольшого переменного напряжения, создаваемого микрофоном, что означает, что небольшое изменение Ib может вызвать большое изменение Ic.

  • Когда этот выход микрофона подается на транзистор в качестве входа. Изменяющийся ток коллектора Ic течет в громкоговоритель, и мы знаем, что если есть изменения на входе транзистора, то будет большое изменение на выходе транзистора. Таким образом, транзистор усиливает электронный сигнал микрофона.

  • Частота остается постоянной, но амплитуда звуковой волны из громкоговорителя выше, чем звуковые волны, подаваемые в микрофон.

Схема осциллятора

На рисунке 2 схематично показан колебательный контур.

Электронный генератор - это устройство, которое генерирует непрерывные электрические колебания. В простой схеме генератора параллельный LC-контур используется в качестве резонансного контура, а усилитель используется для подачи энергии в резонансный контур.

Частота резонансно усиливается, и выходной сигнал действует как источник переменного напряжения этой частоты.Частоту можно изменять, изменяя L или C.

Транзистор, используемый в качестве переключателя

BJT Транзисторы могут использоваться в качестве переключающего устройства для управления мощностью постоянного тока, подаваемой на нагрузку. Коммутируемый (управляемый) ток проходит между эмиттером и коллектором, а управляющий ток проходит между эмиттером и базой.

Транзистор как переключатель, используемый при изготовлении:

  • Карты памяти в мобильных телефонах.

  • Большинство частей современных электронных устройств, таких как смартфоны, умные часы и т. Д., Состоят из транзисторов, которые действуют как переключатели.

  • Логические вентили, триггерные схемы.

  • Микропроцессоры и микроконтроллеры.

  • Цепи регистров.

  • Радио, медицинские инструменты, системы управления, камеры, автомобили, самолеты, радары и т. Д.

Применение транзисторов

Фототранзисторы: это тип транзистора, который работает в зависимости от интенсивности входящий свет, т.е. они светочувствительны.Этот транзистор чаще всего используется в оптоизоляторах и светозависимых устройствах управления.

Биполярные транзисторы с гетеропереходом (HBT): в основном используются для СВЧ-связи, поскольку они могут обеспечить гораздо более высокую скорость переключения и могут обрабатывать сигналы различных частот до нескольких сотен ГГц.

Транзисторы Дарлингтона: Эти транзисторы образованы путем соединения двух BJT, соединенных таким образом, что ток, усиленный первым, повторно усиливается вторым.Они в основном используются в схемах усиления тока на выходе микроконтроллеров и системах на основе ПЛК, которые необходимы для потребления большого тока.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT): Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) - это силовое полупроводниковое устройство, используемое в качестве электронного переключателя в более мощных и современных приборах, таких как электромобили, поезда, холодильники с регулируемой скоростью, системы кондиционирования воздуха.

Сводка

  • При нормальной работе транзистора переход эмиттер-база всегда смещен в прямом направлении, тогда как переход коллектор-база смещен в обратном направлении.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *