Что такое коллектор эмиттер база: Биполярный транзистор — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Устройство и принцип действия

Биполярный транзистор

Обозначение биполярных транзисторов на схемах

Биполярный транзистор — трёхэлектрод-

ный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают n-p-n и p-n-p транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от полевого транзистора, используются заряды одновременно двух типов, носителями которых являются электро-

Простейшая наглядная схема устройства транзистора

ны и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На про-

стейшей схеме различия между коллектором и эмит-

2	2 РЕЖИМЫ РАБОТЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

тером не видны. В действительности же главное отличие коллектора — бо́льшая площадь P-n-перехода. Кроме того, для работы транзистора необходима малая толщина базы.

E B C

Упрощенная схема поперечного разреза биполярного NPN транзистора

Первые транзисторы были изготовлены на основе германия. В настоящее время их изготавливают в основном из кремния и арсенида галлия. Транзисторы на основе арсенида галлия используются в сверхбыстродействующих логических схемах и в схемах высокочастотных усилителей.

Биполярный транзистор состоит из трёх различным образом легированных полупроводниковых слоёв: эмиттера E, базы B и коллектора C. В зависимости от типа проводимости этих зон различают NPN (эмиттер − n-полупроводник, база − p-полупроводник, коллектор − n-полупроводник) и PNP транзисторы. К каждой из зон подведены проводящие невыпрямляющие контакты. База расположена между эмиттером и коллектором и слаболегирована, поэтому имеет большое омическое сопротивление. Общая площадь контакта база-эмиттер значительно меньше площади контакта коллектор-база (это делается по двум причинам — большая площадь перехода коллектор-база увеличивает вероятность захвата неосновных носителей заряда из базы в коллектор и, так как в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включен с обратным смещением, что увеличивает тепловыделение, способствует отводу тепла от коллектора), поэтому биполярный транзистор общего вида является несимметричным устройством (нецелесообразно путем изменения полярности подключения поменять местами эмиттер и коллектор и получить в результате аналогичный исходному биполярный транзистор — инверсное включение).

В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт). Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для

случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора[1]. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны), и переносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк).

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

2.Режимы работы биполярного транзистора

2.1. Нормальный активный режим

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

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

UЭБ<0;UКБ>0.

2.2. Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое.

2.

3. Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n- переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое по-

Биполярный транзистор: устройство и принцип работы

21 июня 2020 — Admin

Главная / Теория

Биполярный транзистор — полупроводниковый прибор с тремя выводами, широко применяемый в радиоэлектронных схемах. Первый биполярный транзистор создан в 50-х годах XX века. Его изобретение стало венцом попыток найти более компактный и удобный аналог вакуумного триода. Благодаря появлению транзисторов схемотехника сделала большой шаг вперёд: громоздкую вакуумную лампу, к тому же требующую для работы высокого напряжения, удалось заменить на прибор размером с горошину. В дальнейшем, технологии позволили на одном малюсеньком кристалле полупроводника формировать сразу десятки и сотни транзисторов, что дало начало появлению электронных микросхем и развитию современной электроники.

Впрочем, довольно вводных слов, перейдём к делу.

Устройство и принцип работы

Биполярный транзистор состоит из трёх чередующихся полупроводниковых зон с разной проводимостью. В зависимости того, как расположены эти зоны, существует два типа транзисторов: p-n-p (прямой проводимости) и n-p-n (обратной проводимости). К каждой из зон подключён свой вывод, выводы называются одинаково для обоих типов транзисторов: средний вывод — база, а по краям эмиттер и коллектор.

Устройство транзисторов p-n-p и n-p-n и обозначение на схемах

Как мы увидим в дальнейшем, в создании электрического тока внутри транзистора участвуют два вида зарядов: электроны и дырки. Отсюда и название «биполярный». Далее я буду писать просто «транзистор» для простоты изложения, но, нужно помнить, что существуют и униполярные (полевые) транзисторы, речь о которых пойдёт в отдельной статье.

Если вы знакомы с устройством полупроводникового диода, вы заметили, что транзистор, можно сказать, представляет собой два диода, включенных навстречу друг другу, с одной общей зоной. Давайте для определённости возьмём p-n-p транзистор и подключим его следующим образом:

Подключение p-n-p транзистора

На переход база-эмиттер (эмиттерный переход) подано прямое напряжение, этот диод открыт и через него течёт ток. А вот на коллекторном переходе напряжение запирающее: на коллекторе «минус» относительно базы. Если бы это были два изолированных диода, то на этом бы дело и кончилось. Но! Поскольку зона n общая, тут вступает в силу закон диффузии. Часть дырок, поставляемых эмиттером, не рекомбинирует с электронами базы, а проникает в область коллекторного p-n перехода, и там захватывается мощным минусом «коллектора». В коллекторной цепи тоже появляется ток.

По описанию может показаться, что в коллектор попадает небольшая часть дырок. Но в реальности всё наоборот: только малая часть эмиттерного тока ответвляется в базу, рекомбинируя там с электронами. Большая же часть (грубо говоря, больше 90%) дырок идут в коллектор и создают коллекторный ток. Это становится возможным потому, что рекомбинация — сравнительно долгий по времени процесс, и дырки успевают заполнить всю область базы и попасть под влияние потенциала коллектора.

При этом сильный коллекторный ток зависит от слабого базового. Ну а если на базу подать запирающее напряжение, «плюс» относительно эмиттера, то ток база-эмиттер вовсе прекратится, а следом исчезнет и коллекторный ток.

Кстати, теперь должны стать понятны названия выводов транзистора. Эмиттер — эмитирует, поставляет заряды (в нашем примере — дырки). Коллектор их собирает, стягивает своим мощным потенциалом. Ну а база так называется потому, что в первых точечных транзисторах она конструктивно была основой прибора. Сейчас точечные транзисторы уже не применяются, их вытеснили более технологичные плоскостные приборы, а название осталось.

Осталось отметить, что все приведённые выше рассуждения применимы и для n-p-n транзисторов, только нужно поменять знаки напряжений на обратные: транзистор n-p-n открывается «плюсом» на базе относительно эмиттера, ну а на коллекторе должен быть плюс относительно базы.

Усилительные свойства транзистора

Должность усилителя — одна из основных «работ» транзистора в электронных схемах. И выше было показано, что слабый сигнал на базе позволяет управлять в разы более мощным коллекторным током, создавая на коллекторе более мощную копию базового сигнала. Но тут нужно чётко понимать, что сам по себе транзистор не усиливает сигнал и не может получить энергию из ниоткуда, по волшебству. Для создания мощной копии он берёт энергию источника питания. Можно ещё сказать, что от величины базового тока зависит сопротивление коллекторного p-n перехода. Ну а уж какой окажется ток, будет определяться напряжением источника питания и сопротивлением нагрузки (разумеется, все эти параметры должны находиться в допустимых пределах).

Конструктивные особенности транзистора

Из приведёных выше схематических рисунков не очень понятно, чем же эмиттер отличается от коллектора? В принципе, некоторые транзисторы будут работать, даже если при подключении перепутать эмиттер и коллектор местами. Но давайте взглянем на рисунок, более приближенный к реальной конструкции транзистора, а заодно разберёмся, почему он сделан так а не иначе.

Конструкция транзистора (схематично)

Вот несколько соображений на эту тему:

Площадь коллекторного p-n перехода должна быть побольше, для более эффективного захвата зарядов.
Коллекторная зона легируется слабо, то есть там сравнительно мало свободных зарядов на единицу объёма — это позволяет прикладывать к коллекторному переходу гораздо большее напряжение, чем к эмиттерному, без риска пробоя коллекторного перехода.
Эмиттерная зона, наоборот, легируется сильнее, для более эффективной инжекции зарядов. Но это и делает эмиттерный переход более «нежным». Особенно он боится обратного (запирающего) напряжения: для p-n-p это плюс на базе относительно эмиттера. В некоторых схемах даже ставится специальная защита — обычно с помощью диода.

В коллекторе меньше свободных зарядов, сопротивление его выше, к тому же коллекторный переход работает в режиме обратного смещения. Всё это приводит к тому, что на нём выделяется основное тепло. Это тоже аргумент в пользу того, чтобы коллекторная зона была побольше, для эффективного рассеивания тепловой энергии.
К слову, база тоже легируется слабо. База должна быть тонкой по двум причинам. Во-первых, для более эффективной диффузии зарядов, инжектируемых эмиттером. Во-вторых, для большего быстродействия транзистора: чтобы коллекторный ток как можно быстрее реагировал на изменение базового. Но при этом сопротивление базы должно быть высокое, чтобы не было пробоев напрямую между коллектором и эмиттером.

Все эти меры позволяют «выжать» из транзистора максимальный коэффициент усиления. Это величина, которая показывает соотношение между коллекторным и базовым током. У различных транзисторов коэффициент может варьироваться от десятков до сотен и даже тысяч.

Основные параметры транзистора

Один из важнейших параметров транзистора, коэффициент усиления, уже упоминался. Он определяет усилительные способности транзистора, во сколько раз коллекторный ток может быть больше базового. Впрочем, можно также вводить понятия коэффициента усиления по напряжению и по мощности, поэтому при чтении справочников нужно быть внимательным: какой именно коэффициент там приводится.

Многое зависит от области применения транзистора. В маломощных чувствительных усилителях важен коэффициент усиления. В высокочастотных каскадах — предельная частота, на которой ещё сохраняются усительные способности транзистора. Существование предельной частоты обусловлено скоростью работы транзистора, а также ёмкостью коллекторного перехода, которая на высоких частотах начинает играть заметную роль (мы помним, что активное сопротивление конденсатора уменьшается с ростом частоты). Ну а в выходных каскадах мощных усилителей уже не так важны усиление и частота, и на первый план выходят допустимые токи и напряжения.

Поэтому промышленность выпускает множество различных моделей биполярных транзисторов с характеристиками на любой вкус. А оригинальные решения, комбинирующие в одной схеме транзисторы с разными характеристиками, разной проводимостью, позволяют буквально творить чудеса и решать весьма нетривиальные задачи.

При чтении справочников следует обращать внимание на предельные значения, коих у транзистора целый веер. Например, предельно допустимое напряжение коллектора, предельный ток коллектора и предельная мощность. Предельное напряжение базового перехода, предельное обратное напряжение. И так далее. Причём, нужно избегать соблазна рассчитать предельно допустимую мощность как произведение предельного тока и предельного напряжения. По отдельности транзистор способен выдержать предельный ток и предельное напряжение, но если попытаться загнать его в такой режим, когда достигнуты оба этих показателя одновременно — транзистор выйдет из строя. Поэтому, всегда указывают предельную мощность отдельно. Часто можно расширить границы допустимой мощности, установив на транзистор теплоотводящий радиатор.

Отдельно стоит сказать про такой параметр, как неуправляемый обратный ток коллектора. Он создаётся собственными свободными зарядами, которые в небольшом количестве есть в любом полупроводнике. Этот ток не управляется «командами» с базы, кроме того, он сильно зависит от температуры, и способен внести существенные помехи в полезный сигнал.

Поделиться в соцсетях:

Вопрос Видео: Идентификация областей коллектора и эмиттера транзистора

Стенограмма видео

NPN-транзистор подключен к двум источникам постоянного тока, как показано на схеме. Две n-области идентичны. Какая из областей транзистора является коллекторной? Какая из областей транзистора является эмиттерной?

На схеме показан NPN-транзистор с двумя идентичными областями N-типа, помеченными N one и N two, между которыми находится область P-типа, помеченная P. Нас просят идентифицировать коллекторную и эмиттерную области этого транзистора. Теперь этот транзистор является транзистором с биполярным переходом, потому что он сделан из сэндвича из легированного полупроводникового материала. Все биполярные транзисторы, или сокращенно BJT, имеют три области: коллектор, базу и эмиттер. Базовая область BJT всегда находится в центре сэндвича.

Оглядываясь назад на нашу диаграмму, это означает, что P должна быть базой, потому что она находится посередине, а N два и N один должны быть областями коллектора и эмиттера. Нам просто нужно выяснить, что есть что. Для этого нам нужно понять направление обычного тока в транзисторе. Из ориентации нижнего источника питания мы знаем, что обычный ток покинет положительный вывод, а затем войдет в базу. На самом деле мы знаем, что базовый ток имеет такое направление для всей нижней ветви цепи.

Обратившись к верхней ветке и снова обратив внимание на ориентацию источника питания, мы видим, что условный ток поступает в транзистор в области, обозначенной N one. Проследив ток через эту ветвь, мы видим, что направление условного тока в верхней ветви должно быть противоположно направлению условного тока в нижней ветви. Поскольку условный ток как в верхней, так и в нижней ветвях направлен в сторону от этого узла, должен быть условный ток, направленный в этот узел, а именно условный ток из транзисторной области N два.

При всем при этом мы ясно видим, что обычный ток входит в транзистор в точке N один и выходит из транзистора в точке N два. Теперь вспомним, что для NPN-транзистора обычный ток входит в транзистор через коллектор и выходит из транзистора через эмиттер. Поэтому мы готовы ответить на обе части этого вопроса. Область коллектора — это область N 1, потому что это NPN-транзистор, и обычный ток поступает в транзистор в N 1. Область эмиттера равна N2, потому что обычный ток выходит из этого NPN-транзистора при N2.

Теперь, чтобы получить этот ответ, нам пришлось полагаться на тот факт, что наш транзистор был транзистором NPN, и, следовательно, ток поступает на коллектор. Но обратное верно для транзистора PNP. Ток входит в PNP-транзистор на эмиттере и выходит из PNP-транзистора на коллекторе. Итак, у нас есть два разных правила: одно для PNP-транзисторов и одно для NPN-транзисторов. Но на самом деле мы можем придумать единое правило, которое позволит нам идентифицировать коллектор и эмиттер в любом биполярном транзисторе.

Оглядываясь назад на нашу диаграмму, мы видим, что направление обычного тока слева направо через транзистор. Этот ток проходит через два перехода PN, один между N один слева и P справа и один между P слева и N два справа. Глядя на ориентацию тока относительно ориентации переходов, мы видим, что переход N one-P смещен в обратном направлении, а переход P-N two смещен в прямом направлении. Мы видим, что коллектор образует переход обратного смещения с базой, а эмиттер образует переход прямого смещения с базой. И это дает нам правило, одинаковое как для транзисторов PNP, так и для транзисторов NPN.

Коллектор BJT образует переход с обратным смещением с базой, а эмиттер образует переход с прямым смещением с базой. Это также объясняет, почему текущее правило отличается для транзисторов NPN и PNP. Если мы заменим наш NPN-транзистор на PNP-транзистор и поменяем направление тока базы на противоположное, транзистор все равно будет проводить ток. Однако при изменении местами областей N и P левое соединение становится смещенным в прямом направлении, а правое соединение будет смещено в обратном направлении, но ток по-прежнему будет двигаться в том же направлении. Итак, в PNP-транзисторе обычный ток поступает в направлении перехода, смещенного в прямом направлении, поэтому он входит в эмиттер, и выходит из перехода, смещенного в обратном направлении, поэтому он выходит из коллектора.

Определить термин эмиттер, коллектор и база транзистора.

R G ПУБЛИКАЦИЯ-ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА-УПРАЖНЕНИЕ

20 видео

Ab Padhai каро бина объявления ке

Khareedo DN Про и дехо сари видео бина киси объявление ки рукаават ке!

Войдите, если вы уже приобрели

Видео по теме

Переход эмиттер-база транзистора ……… смещен, а переход коллектор-база ……. смещен

11970885