Схема, принцип работы, характеристики биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы – электронные полупроводниковые приборы, отличающиеся от полевых способом переноса заряда. В полевых (однополярных) транзисторах, используемых в основном в цифровых устройствах, заряд переносится или дырками, или электронами. В биполярных же в процессе участвуют и электроны, и дырки. Биполярные транзисторы, как и другие типы транзисторов, в основном используются в качестве усилителей сигнала. Применяются в аналоговых устройствах.

Особенности устройства биполярного транзистора

Биполярный транзистор включает в себя три области:

• эмиттер;
• базу – очень тонкую, которая изготавливается из слаболегированного полупроводника, сопротивление этой области высокое;
• коллектор – его область больше по размерам, чем область эмиттера.

К каждой области припаяны металлоконтакты, служащие для подсоединения прибора в электроцепь.

Электропроводность коллектора и эмиттера одинакова и противоположна электропроводности базы. В соответствии с видом проводимости областей, различают p-n-p или n-p-n приборы. Устройства являются несимметричными из-за разницы в площади контакта – между эмиттером и базой она значительно ниже, чем между базой и коллектором. Поэтому К и Э поменять местами путем смены полярности невозможно.

Принцип работы биполярного транзистора

Этот тип транзистора имеет два перехода:

• электронно-дырочный между эмиттером и базой – эмиттерный;
• между коллектором и базой – коллекторный.

Дистанция между переходами маленькая. Для высокочастотных деталей она составляет менее 10 мкм, для низкочастотных – до 50 мкм. Для активации прибора на него подают напряжение от стороннего ИП. Принцип действия биполярных транзисторов с p-n-p и n-p-n переходами одинаков. Переходы могут функционировать в прямом и обратном направлениях, что определяется полярностью подаваемого напряжения.

Режимы работы биполярных транзисторов

Режим отсечки

Переходы закрыты, прибор не работает. Этот режим получают при обратном подключении к внешним источникам. Через оба перехода протекают обратные малые коллекторные и эмиттерные токи. Часто считается, что прибор в этом режиме разрывает цепь.

Активный инверсный режим

Является промежуточным. Переход Б-К открыт, а эмиттер-база – закрыт. Ток базы в этом случае значительно меньше токов Э и К. Усиливающие характеристики биполярного транзистора в этом случае отсутствуют. Этот режим востребован мало.

Режим насыщения

Прибор полностью открыт. Оба перехода подключаются к источникам тока в прямом направлении. При этом снижается потенциальный барьер, ограничивающий проникновение носителей заряда. Через эмиттер и коллектор начинают проходить токи, которые называют «токами насыщения».

Схемы включения биполярных транзисторов

В зависимости от контакта, на который подается источник питания, различают 3 схемы включения приборов.

С общим эмиттером

Эта схема включения биполярных транзисторов обеспечивает наибольшее увеличение вольтамперных характеристик (ВАХ), поэтому является самой востребованной. Минус такого варианта – ухудшение усилительных свойств прибора при повышении частоты и температуры. Это означает, что для высокочастотных транзисторов рекомендуется подобрать другую схему.

С общей базой

Применяется для работы на высоких частотах. Уровень шумов снижен, усиление не очень велико. Каскады приборов, собранные по такой схеме, востребованы в антенных усилителях. Недостаток варианта – необходимость в двух источниках питания.

С общим коллектором

Для такого варианта характерна передача входного сигнала обратно на вход, что существенно уменьшает его уровень. Коэффициент усиления по току – высокий, по напряжению – небольшой, что является минусом этого способа. Схема приемлема для каскадов приборов в случаях, если источник входного сигнала обладает высоким входным сопротивлением.

Какие параметры учитывают при выборе биполярного транзистора?

• Материал, из которого он изготовлен, – арсенид галлия или кремний.
• Частоту. Она может быть – сверхвысокая (более 300 МГц), высокая (30-300 МГц), средняя – (3-30 МГц), низкая (менее 3 МГц).
• Максимальную рассеиваемую мощность.

---

Была ли статья полезна?

Да

Нет

Оцените статью

Что вам не понравилось?

---

Анатолий Мельник

Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.

Схемы Подключения Биполярных Транзисторов — tokzamer.ru

В импортных усилителях очень часто применяется мощная комплементарная пара 2SA и 2SC Мы рассмотрим их позднее при подробном изучении схемы усилительного каскада с общим эмиттером.


Конденсатор Ср является разделительным. Если его правильно выбрать, величина выходного напряжения будет значительно выше, чем входного.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона представлена на рис.
Биполярные транзисторы

По рабочей частоте транзисторы делятся на низкочастотные, — рабочая частота не свыше 3 МГц, среднечастотные — 3…30 МГц, высокочастотные — свыше 30 МГц.

Рисунок 3.

Автор статьи предлагал регулировать частоту вращения коллекторного двигателя изменением длительности импульсов в обмотке управления ОУ.

Но параметры германиевых транзисторов были нестабильны, их самым большим недостатком следует считать низкую рабочую температуру, — не более

Несмотря на то что переходные слои основаны на одном принципе, транзистор является несимметричным устройством.

СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА. ЭМИТТЕРНЫЙ ПОВТОРИТЕЛЬ [РадиолюбительTV 42]

Характеристики транзистора, включенного по схеме об

Через базу происходит исключительно диффузионное перемещение электронов, поскольку там нет действия электрического поля. У транзистора же есть только три вывода, поэтому для реализации четырехполюсника приходится один из выводов подключать как ко входу, так и к выходу усилителя.

Положительный тип заряда, или дырки, образуются на месте высвобожденного электрона. Напряжение источника питания и нагрузка должны оставаться неизменными при обоих измерениях.

Заключение Полупроводниковые элементы используются в схемах преобразования электрических сигналов. Несмотря на то что переходные слои основаны на одном принципе, транзистор является несимметричным устройством.

Активный режим транзистора — это нормальный режим работы транзистора.

При этом параметры транзистора тут вообще никакой роли не играют. Во — первых усиление каскада зависит от конкретного экземпляра транзистора: заменил транзистор при ремонте, — подбирай заново смещение, выводи на рабочую точку.

Если ток базы падает, то ток коллектора также будет снижаться — человек подкорректирует его посредством реостата.

Работу усилителя хорошо видно на временных диаграммах. Рисунок 2.
Как работает транзистор? Режим ТТЛ логика / Усиление. Анимационный обучающий 2d ролик. / Урок 1

Смотрите также: Энергоаудит предприятия для чего и когда проводится

Схема с общей базой

При этом входное сопротивление очень мало, а выходное — велико.

Напомним, что реактивное сопротивление конденсатора Хс, Ом, можно вычислить по формуле: Для постоянного тока реактивное сопротивление конденсаторов стремится к бесконечности. В выходной цепи для сигнала требуется нагрузка. Кроме биполярных существуют униполярные полевые транзисторы, у которых используется лишь один тип носителей — электроны или дырки.

Активный режим транзистора — это нормальный режим работы транзистора. Самая верхняя характеристика в точке А пересекается с прямой нагрузки, после которой при дальнейшем увеличении IВ коллекторный ток уже не изменяется.

Это усиление осуществляется за счет энергии источника питания. Напряжение 0,6В это напряжение на переходе Б—Э, и при расчетах о нем не следует забывать!

Схемы включения биполярных транзисторов при объединении режимов отсечки и насыщения позволяют создавать с их помощью электронные ключи. Достоинства каскада по схеме с общим эмиттером: 1. Для того, чтобы лучше понять, как работает эмиттерная стабилизация, надо рассмотреть схему включения транзистора с общим коллектором ОК.

Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором

Работа транзистора в ключевом режиме Прежде, чем изучать работу транзистора в режиме усиления сигнала, стоит вспомнить, что транзисторы часто используются в ключевом режиме. Эмиттерные повторители схемы с общим коллектором применяют для согласования высокого выходного сопротивления источника сигнала с низким входным сопротивлением нагрузки. Быстродействие БТ зависит от толщины базового слоя БС. Теперь проследим саму работу данной схемы: источник питания 1.

Отсюда и большой разброс коэффициента усиления у транзисторов взятых даже из одной коробки читай одной партии. И модельный ряд постоянно увеличивается, позволяя решать практически все задачи, поставленные разработчиками. Рисунок 7. Следовательно, для усилителей постоянного тока нижняя граничная частота усиления равна нулю переходные конденсаторы не требуются, а для разделения каскадов необходимо предусматривать специальные меры. На рисунке изображена схема работы транзистора в ключевом режиме.

В эмиттерном повторителе используется схема включения транзистора с общим коллектором ОК. Мощность это произведение тока на напряжение, но так как напряжение не меняется то мощность увеличивается только за счет тока! База является управляющим электродом.
Биполярные транзисторы. Принцип действия.

Характеристики транзистора, включённого по схеме оэ:

Основные элементы схемы: транзистор, резистор RL и цепь выхода усилителя с внешним питанием.

Благодаря незначительной толщине слоя микроны и большой величине градиента концентрации отрицательно заряженных частиц, почти все из них попадают в область коллектора, хотя сопротивление базы достаточно велико. Где транзисторы купить? Транзисторы по праву считаются одним из великих открытий человечества.

При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном — обратное. Его также обозначают как Исходы из выше сказанного транзистор может работать в четырех режимах: Режим отсечки транзистора — в этом режиме переход база-эмиттер закрыт, такое может произойти когда напряжение база-эмиттер недостаточное. Во — первых усиление каскада зависит от конкретного экземпляра транзистора: заменил транзистор при ремонте, — подбирай заново смещение, выводи на рабочую точку.

Ответ может быть да а может и нет. Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, этим объясняется тот факт, что коэффициент усиления по току составляет десятки единиц. Схема с общим коллектором ОК Практические варианты схем включения транзисторов структуры п-р-п и р-п-р приведены на рис. В литературе такое название почему-то почти не встречается, а вот в кругу радиоинженеров и радиолюбителей используется повсеместно, всем сразу понятно, о чем идет речь.

Читайте также: Снип по прокладке кабеля в земле

Схемы включения биполярного транзистора

Ваш email:. Для того чтобы без расчетов первоначально оценить величины RC-элементов, входящих в состав схем рис. Поэтому плотность компоновки элементов в МОП- интегральных схемах значительно выше. Коллектор имеет более положительный потенциал , чем эмиттер Как я уже говорил цепи база — коллектор и база -эмиттер работают как диоды Каждый транзистор характеризуется предельными значениями, такими как ток коллектора, ток базы и напряжение коллектор-эмиттер.

Такое состояние называют рабочей точкой транзистора, в этом случае коэффициент усиления каскада максимален. Граница на втором коллекторном переходе при этом закрыта, и через нее ток протекать не должен. Такой режим работы транзистора рассматривался уже давно. Повышение частоты приводит к снижению реактивной ёмкости коллекторного перехода, что приводит к его существенному шунтированию и ухудшению усилительных свойств каскада. Выводы транзистора звонятся как два диода, соединенные в общей точке в области базы транзистора.

Устройство и принцип действия

В биполярном транзисторе используются два типа носителей заряда — электроны и дырки, отчего такие транзисторы и называются биполярными. Нагрузкой каскада является эмиттерный резистор R2, входной сигнал подается через конденсатор C1, а выходной снимается через конденсатор C2. Сопротивление нагрузки можно изменять в широких пределах, правда, при этом особо усердствовать не надо. Коэффициент усиления транзистора зависит от толщины базы, поэтому изменить его нельзя.

Иногда она применяется для ослабления влияния нагрузки на характеристики высокочастотных генераторов и синтезаторов частоты. Все эти схемы показаны на рисунке 2. Поэтому при построении схем усилителей постоянного тока используют схемы с непосредственными связями между каскадами.
Ключевой режим работы транзистора Схема с общим эмиттером

Параметры и эквивалентная схема биполярного транзистора

Схемы ОБ, ОЭ, ОК. Свойства, характеристики усилительных каскадов
в зависимости от схемы включения.

Одной из основных функций, реализуемых аналоговыми устройствами, является усиление сигнала.
Усилительным устройством является любое устройство, предназначенное для повышения мощности входного сигнала, а в качестве активных элементов чаще всего применяются полупроводниковые элементы — транзисторы.

Занимаясь проектированием электронных устройств, желательно выбирать транзисторы с такими расчётом, чтобы частотные характеристики позволяли им работать на частотах, не превышающих значений (0,2…0,3), а лучше 0,1 от граничной (единичной) частоты усиления fт.

При выполнении этого простого правила, появляется возможность воспользоваться упрощённой моделью, а другими словами — малосигнальной эквивалентной схемой транзистора, изображённой на Рис.1.
Схема приведена для npn полупроводников, для транзисторов pnp структуры — всё остаётся без изменений, меняется лишь направление источника тока.

Параметры элементов эквивалентной схемы можно определить на основе справочных данных на транзистор либо, при их отсутствии, некоторого набора незамысловатых формул.

Рис.1

Итак:
r_б = τ_ос / C_к — объёмное сопротивление базы, где τ_ос — постоянная времени внутренней обратной связи транзистора, а C_к — ёмкость коллектор-база транзистора.
Причём, если параметр Ск фигурирует практически в любом справочнике, то «постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте» указывается отнюдь не везде и не для каждого транзистора.
Однако, тут важно понимать то, что величина объёмного сопротивления базы БТ определяется чисто геометрическими особенностями конструкции транзистора и находится в обратной пропорции к объёму переходов (а соответственно и мощности) полупроводника. А покопавшись по справочникам и систематизировав поученную информацию, появляется возможность сформулировать формулу, позволяющую приблизительно оценить величину объёмного сопротивления базы любого транзистора:
r_б(Ом) ≈ 10 / Р_макс(Вт), где Р_макс — максимальная рассеиваемая мощность транзистора.

Едем дальше:
r_э(Ом) = 25,6 / I_э(мА) — активное сопротивление эмиттера , где I_э — ток эмиттера.

r_к = ∆U_кэ / ∆I_к (при I_б = const) — дифференциальное сопротивление обратно
смещённого коллекторного перехода.
Наличие данного сопротивления не позволяет транзистору являться идеальным источником тока и обуславливает наличие пресловутого эффекта Эрли — эффекта зависимости тока коллектора (при постоянном токе базы) от напряжения Uкэ. Величина сопротивления коллекторного перехода гк обратна пропорциональна току эмиттера, определяется экспериментально и иногда приводится производителями полупроводников в виде статической характеристики зависимости тока коллектора Iк от изменения напряжения Uкэ.

На Рис.2 приведён пример такой зависимости для npn транзистора BC546.

Что мы видим? При токе базы, равном 50мкА, а соответственно при токе коллектора Iк = h31э х Iб ≈ 260 х 50 = 13мА, график кривой практически не имеет наклона, что даёт нам возможность считать сопротивление rк очень большим (не менее десятка мегаом).

При Iб = 100мкА (Iэ ≈ 26мА), rк = ∆Uкэ/∆Iк ≈ (14В — 3В)/(30мА-26мА) = 2,75мОМ.

Ну и т.д. и т.п. Чем больше ток транзистора, тем ниже значение сопротивления rк.
Рис.2

На эквивалентной схеме у нас фигурирует два конденсатора:
С_к — ёмкость обратно смещённого коллекторного перехода и С_э — диффузионная ёмкость эмиттера являются справочными характеристиками, повсеместно фигурируют в Datasheet-ах производителей и являются важной неотъемлемой частью, определяющей частотные свойства полупроводников.

Далее на повестке — источник тока, который описан в эквивалентной схеме величиной I_к = α x I_э , где α = β / (1 + β) .
А для того, чтобы понять чему равен ток эмиттера Iэ, и как он зависит от входного сигнала, необходимо рассмотреть различные схемы включения транзистора. Всего таких схем применяется три: схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общей базой (ОБ) и схема с общим коллектором (ОК). Все эти схемы показаны на Рис.3.

Рис.3

Для схемы с общей базой (Рис.3 слева) входным сигналом является напряжение, поданное между эмиттером и базой транзистора, поэтому:
R_вх ≈ r_э ;
I_э = U_вх / (R_ист + r_э), где Rист — выходное сопротивление источника сигнала ;
I_к = α x I_э = I_э x β / (1 + β) ;
R_вых = (r_к + r_э) ll R_к ;
K_u = α x R_к / (r_э + R_ист) ≈ R_к / (r_э + R_ист) ;
K_i = β / (1 + β) .
Схема с ОБ применяется в основном в высокочастотных приложениях, так как по своим частотным свойствам она имеет преимущества перед схемой ОЭ.
Недостатками данной схемы являются отсутствие усиления по току и существенно меньшее входное сопротивление, чем в схеме ОЭ.

Для схемы с общим эмиттером (Рис.3 в центре):
R_вх = r_э x (1 + β) ;
I_б = U_вх / R_вх ;
I_э = I_б + I_к = I_б x (1 + β) ;
I_к = α x I_э = I_э x β / (1 + β) = I_б x β ;
R_вых = R_к ll [r_э + r_к / (1 + β)] ;
K_u = — β x R_к / [(β + 1) x r_э] ≈ R_к / r_э ;
K_i = β .
Каскады с общим эмиттером (ОЭ) являются наиболее распространёнными, т.к. обеспечивают усиление входного сигнала как по напряжению, так и по току. При этом они имеют значительно большее значение входного сопротивления, чем схемы с ОБ.
Схема ОЭ инвертирует сигнал, т. е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°.
Недостатками данной схемы являются худшие по сравнению со схемой ОБ частотные свойства. Объясняется это явление тем, что в схеме с ОЭ ёмкость Ск образует частотозависимую обратную связь с выхода на вход так, что возникает интегрирующая цепь, ограничивающая усиление на высоких частотах.
Внутреннее сопротивление rк в схеме с ОЭ также является резистором обратной связи, ответвляющим часть сигнала с выхода на вход. Это, в свою очередь, является причиной снижения выходного сопротивления усилителя по сравнению с ОБ.

И, наконец, схема с общим коллектором (Рис.3 справа), она же эмиттерный повторитель:
R_вх = (r_э + R_э) x (1 + β) ;
I_б = U_вх / R_вх ;
I_э = (β + 1) x I_б ;
I_к = α x I_э = I_э x β / (1 + β) = I_б x β ;
R_вых = r_э + R_ист / (1 + β) ;
K_u = R_э / [R_э + r_э + R_ист / (1 + β)] ;
K_i = β + 1 .

Как уже было сказано — данные формулы расчёта малосигнальных схем являются приблизительными, не учитывают частотных свойств транзисторов и могут обеспечить приемлемую точность вычислений только в случае выбора полупроводников с большим запасом по максимальной частоте.
К тому же практически все параметры, представленные в справочных источниках, приводятся для определённых (тестовых) начальных токов транзисторов и могут иметь значительные расхождения при переводе полупроводника в другой, сильно отличающийся от тестового, режим.

А на следующих страницах рассмотрим практические схемы транзисторных каскадов ОБ, ОЭ и ОК, а также приведём методики по расчёту сопутствующих им элементов.

 

Биполярный транзистор автосигнализации

Транзистор — это полупроводниковый прибор, который может усиливать слабые сигналы и управлять большой мощностью при помощи относительно слабых воздействий.

Рисунок 48. Транзистор управляет большим током при помощи малого

Транзистор, в отличие от диода, имеет 3 вывода. У биполярных транзисторов эти выводы называются база, эмиттер и коллектор.

Рисунок 49. Виды корпусов биполярных транзисторов

Состоит биполярный транзистор из кристалла полупроводника (в нем имеются границы сочетания полупроводников с разными типами проводимости), корпуса и металлических выводов, которыми транзистор впаивается в электрическую цепь.

Биполярные транзисторы бывают двух типов — п-р-п и р-п-р.

Рисунок 50. Типы биполярных транзисторов

Р-п-р транзисторы пропускают ток от эмиттера к коллектору, п-р-п — наоборот. В п-р-п транзисторах основные носители заряда — электроны, а в р-п-р — так называемые «дырки», которые менее мобильны (в смысле скорости переноса мощности), соответственно п-р-п транзисторы быстрее переключаются в общем случае.

В сигнализациях StarLine используются современные компактные транзисторы, предназначенные для поверхностного монтажа ( SMD-монтаж)

Рисунок 51. SMD-транзистор

Транзистор проявляет свои усилительные свойства в трех видах основных схем: схема с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).

Рисунок 52. Схема включения биполярного транзистора «общий эмиттер»

При включении транзистора по схеме ОЭ входной сигнал поступает между базой и эмиттером, а нагрузка включена между коллектором и источником питания. Такая схема является наиболее распространенной, так как она дает наибольшее усиление по мощности (в тысячи раз).

Достоинствами схемы с общим эмиттером являются: большой коэффициент усиления по току и большее, чем у схемы с общей базой, входное сопротивление.

Кроме того, для питания схемы требуются два однополярных источника, то есть, на практике можно обойтись одним источником питания.

Единственным серьезным недостатком является худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой.

Рисунок 53. Схема включения биполярного транзистора «общая база»

В схеме ОБ входной сигнал подается на эмиттер и базу, а нагрузка подключается между коллектором и источником питания. Входная цепь транзистора представляет собой открытый эмиттерный переход, поэтому входное сопротивление мало (десятки Ом).

Недостатки схемы: не усиливает ток и для ее питания требуется два разных источника напряжения. Но схема с общей базой имеет хорошие температурные и частотные свойства.

Рисунок 54. Схема включения биполярного транзистора «общий коллектор»

В схеме О К входной сигнал поступает на переход эмиттер-база, проходит через нагрузку, а сама нагрузка подключается к эмиттеру и источнику питания. В этой схеме выходное напряжение равно входному, поэтому она получила название «эмиттерный повторитель». При включении общего коллектора напряжение сигнала не усиливается, а лишь повторяется. При этом эмиттерная нагрузка может быть очень небольшой, выходное сопротивление усилителя измеряется сотнями и даже десятками ом. В то же время входное сопротивление очень большое — сотни килоом и даже мегаомы.

При монтаже автомобильных охранных систем биполярный транзистор чаще всего используется в качестве ключа, который либо заперт (не проводит ток), либо открыт (пропускает ток).

на базу не поступает ток управления — транзистор закрыт, тока нет, лампа не горит на базу поступил ток управления — транзистор открылся, ток пошел, лампа зажглась Рисунок 55. Работа транзистора в качестве ключа

Отпирание или запирание транзистора в режиме ключа происходит при подаче тока на его базу. Например, часто в описании сигнализации пишут «дополнительный канал выполнен по схеме «открытый коллектор». Это значит, что внутри блока сигнализации спрятан биполярный транзистор п-р-п типа, включенный по схеме ОЭ. При срабатывании этого канала на выходе будет появляться масса (через проводящую структуру транзистора), а в исходном состоянии выход ни к чему не подсоединен.

Как правило, выходы, выполненные по схеме «открытый коллектор», допускают небольшой ток нагрузки (до 300 мА). То есть подключить к этому выходу напрямую мощную нагрузку нельзя — оборудование выйдет из строя. Для подключения к такому выходу необходимо использовать дополнительное реле.

Рисунок 56. Схема-подсказка «Транзистор»

что это такое, как работает, схемы включения, режимы работы

Применение полупроводниковых приборов (ПП) широко распространено в радиоэлектронике. Благодаря этому уменьшились габариты различных устройств. Широкое применение получил биполярный транзистор, благодаря некоторым особенностям его функционал шире, чем у простого полевого транзистора. Чтобы понять, для чего он нужен и в при каких условиях применяется, необходимо рассмотреть его принцип действия, способы подключения и классификацию.

Устройство и принцип действия

Транзистор — электронный полупроводник, состоящий из 3 электродов, одним из которых является управляющий. Транзистор биполярного типа отличается от полярного наличием 2 типов носителей заряда (отрицательного и положительного).

Отрицательные заряды представляют собой электроны, которые высвобождаются из внешней оболочки кристаллической решетки. Положительный тип заряда, или дырки, образуются на месте высвобожденного электрона.

Устройство биполярного транзистора (БТ) достаточно простое, несмотря на его универсальность. Он состоит из 3 слоев проводникового типа: эмиттера (Э), базы (Б) и коллектора (К).

Эмиттер (от латинского «выпускать») — тип полупроводникового перехода, основной функцией которого является инжекция зарядов в базу. Коллектор (от латинского «собиратель») служит для получения зарядов эмиттера. База является управляющим электродом.

Слои эмиттерный и коллекторный почти одинаковые, однако отличаются степенью добавления примесей для улучшения характеристик ПП. Добавление примесей называется легированием. Для коллекторного слоя (КС) легирование выражено слабо для повышения коллекторного напряжения (Uк). Эмиттерный полупроводниковый слой легируется сильно для того, чтобы повысить обратное допустимое U пробоя и улучшить инжекцию носителей в базовый слой (увеличивается коэффициент передачи по току — Kт). Слой базы легируется слабо для обеспечения большего сопротивления (R).

Переход между базой и эмиттером меньший по площади, чем К-Б. Благодаря разнице в площадях и происходит улучшение Кт. При работе ПП переход К-Б включается со смещением обратного типа для выделения основной доли количества теплоты Q, которое рассеивается и обеспечивает лучшее охлаждение кристалла.

Быстродействие БТ зависит от толщины базового слоя (БС). Эта зависимость является величиной, изменяющейся по обратно пропорциональному соотношению. При меньшей толщине — большее быстродействие. Эта зависимость связана с временем пролета носителей заряда. Однако при этом снижается Uк.

Между эмиттером и К протекает сильный ток, называемый током К (Iк). Между Э и Б протекает ток маленькой величины — ток Б (Iб), который используется для управления. При изменении Iб произойдет изменение Iк.

У транзистора два p-n перехода: Э-Б и К-Б. При активном режиме Э-Б подключается со смещением прямого типа, а подключение К-Б происходит с обратным смещением. Так как переход Э-Б находится в открытом состоянии, то отрицательные заряды (электроны) перетекают в Б. После этого происходит их частичная рекомбинация с дырками. Однако большая часть электронов достигает К-Б из-за малой легитивности и толщины Б.

В БС электроны являются неосновными носителями заряда, и электромагнитное поле помогает им преодолеть переход К-Б. При увеличении Iб произойдет расширение открытия Э-Б и между Э и К пробежит больше электронов. При этом произойдет существенное усиление сигнала низкой амплитуды, т. к. Iк больше, чем Iб.

Для того чтобы проще понять физический смысл работы транзистора биполярного типа, нужно ассоциировать его с наглядным примером. Нужно предположить, что насос для закачки воды является источником питания, водопроводный кран — транзистором, вода — Iк, степень поворота ручки крана — Iб. Для увеличения напора нужно немного повернуть кран — совершить управляющее действие. Исходя из примера можно сделать вывод о простом принципе работы ПП.

Однако при существенном увеличении U на переходе К-Б может произойти ударная ионизация, следствием которой является лавинное размножение заряда. При комбинации с тоннельным эффектом этот процесс дает электрический, а с увеличением времени и тепловой пробой, что выводит ПП из строя. Иногда тепловой пробой наступает без электрического в результате существенного увеличения тока через выход коллектора.

Кроме того, при изменении U на К-Б и Э-Б меняется толщина этих слоев, если Б тонкая, то происходит эффект смыкания (его еще называют проколом Б), при котором происходит соединение переходов К-Б и Э-Б. В результате этого явления ПП перестает выполнять свои функции.

Режимы работы

Транзистор биполярного типа может работать в 4 режимах:

1. Активный.
2. Отсечки (РО).
3. Насыщения (РН).
4. Барьерный (РБ).

Активный режим БТ бывает нормальным (НАР) и инверсным (ИАР).

Нормальный активный режим

При этом режиме на переходе Э-Б протекает U, которое является прямым и называется напряжением Э-Б (Uэ-б). Режим считается оптимальным и используется в большинстве схем. Переход Э осуществляет инжекцию зарядов в базовую область, которые перемещаются к коллектору. Последний ускоряет заряды, создавая эффект усиления.

Инверсный активный режим

В этом режиме переход К-Б открыт. БТ работает в обратном направлении, т. е. из К идет инжекция дырочных носителей заряда, проходящих через Б. Они собираются переходом Э. Свойства ПП к усилению слабые, и редко БТ применяются в этом режиме.

Режим насыщения

При РН оба перехода открыты. При подключении Э-Б и К-Б к внешним источникам в прямом направлении БТ будет работать в РН. Диффузионное электромагнитное поле Э и К переходов ослабляется электрическим полем, которое создается внешними источниками. В результате этого произойдет уменьшение барьерной способности и ограничение диффузной способности основных носителей заряда. Начнется инжекция дырок из Э и К в Б. Этот режим применяется в основном в аналоговой технике, однако в некоторых случаях возможны исключения.

Режим отсечки

При этом режиме БТ закрывается полностью и не способен проводить ток. Однако в БТ присутствуют незначительные потоки неосновных носителей зарядов, создающих тепловые токи с малыми значениями. Применяется этот режим в различных видах защиты от перегрузок и коротких замыканий.

Барьерный режим

База БТ соединяется через резистор с К. В цепь К или Э включается резистор, который задает величину тока (I) через БТ. БР часто применяется в схемах, т. к. позволяет работать БТ на любой частоте и в большем диапазоне температур.

Схемы включения

Для корректного применения и подключения БТ нужно знать их классификацию и тип. Классификация биполярных транзисторов:

1. Материал изготовления: германий, кремний и арсенидогаллий.
2. Особенности изготовления.
3. Рассеиваемая мощность: маломощные (до 0,25 Вт), средние (0,25-1,6 Вт), мощные (выше 1,6 Вт).
4. Предельная частота: низкочастотные (до 2,7 МГц), среднечастотные (2,7-32 МГц), высокочастотные (32-310 МГц), сверхвысокочастотные (более 310 МГц).
5. Функциональное назначение.

Функциональное назначение БТ делится на следующие виды:

1. Усилительные низкочастотные с нормированным и ненормированным коэффициентом шума (НиННКШ).
2. Усилительные высокочастотные с НиННКШ.
3. Усилительные сверхвысокочастотные с НиННКШ.
4. Усилительные мощные высоковольтные.
5. Генераторные с высокими и сверхвысокими частотами.
6. Маломощные и мощные высоковольтные переключающие.
7. Импульсные мощные для работы с высокими значениями U.

Кроме того, существуют такие типы биполярных транзисторов:

1. Р-n-p.
2. N-p-n.

Существует 3 схемы включения биполярного транзистора, каждая из которых обладает своими достоинствами и недостатками:

1. Общая Б.
2. Общий Э.
3. Общий К.

Включение с общей базой (ОБ)

Схема применяется на высоких частотах, позволяя оптимально использовать частотную характеристику. При подключении одного БТ по схеме с ОЭ, а потом с ОБ его частота работы усилится. Эту схему подключения применяют в усилителях антенного типа. Уровень шумов на высоких частотах снижается.

Достоинства:

1. Оптимальные значения температуры и широкий диапазон частот (f).
2. Высокое значение Uк.

Недостатки:

1. Низкое усиление по I.
2. Низкое входное R.

Включение с общим эмиттером (ОЭ)

При подключении по этой схеме происходит усиление по U и I. Схему можно запитать от одного источника. Часто применяется в усилителях мощности (P).

Достоинства:

1. Высокие коэффициенты усиления по I, U, P.
2. Один источник питания.
3. Происходит инвертирование выходного переменного U относительно входного.

Обладает существенными недостатками: наименьшая температурная стабильность и частотные характеристики хуже, чем при подключении с ОБ.

Включение с общим коллектором (ОК)

Входное U полностью передается обратно на вход, и Кi аналогичен при подключении с ОЭ, но по U он низкий.

Этот тип включения применяют для согласования каскадов, выполненных на транзисторах, или при источнике входного сигнала, который имеет высокое выходное R (микрофон конденсаторного типа или звукосниматель). К достоинствам можно отнести следующие: большое значение входного и малого выходного R. Недостатком является низкий коэффициент усиления по U.

Основные характеристики биполярных транзисторов

Основные характеристики БТ:

1. Коэффициент усиления по I.
2. Входное и выходное R.
3. Обратный Iк-э.
4. Время включения.
5. Частота передачи Iб.
6. Обратный Iк.
7. Максимальное значение I.

Сферы применения

Применение биполярных транзисторов широко распространено во всех областях человеческой деятельности. Основное применение устройства получили в приборах для усиления, генерации электрических сигналов, а также выполняют роль коммутируемого элемента. Их применяют в различных усилителях мощности, в обыкновенных и импульсных блоках питания с возможностью регулирования значений U и I, в компьютерной технике.

Кроме того, их часто используют для построения различной защиты потребителей от перегрузок, скачков U, короткого замыкания. Широкое применение получили в горнодобывающей, металлургической сферах.

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 — Биполярный транзистор

---

Подборка по базе: Кроссворд Биполярный Транзистор.docx, 12 Униполярные транзисторы рефер.docx, Исследование транзистора в схеме с ОЭ.doc, Биполярные транзисторы.docx, Исследование биполярного транзистора.pdf, 5fan_ru_Биполярные транзисторы. Вольт-амперные характеристики тр, 4.Усилители на полевых транзисторах.docx, Өрістік транзистор.docx, Биполярные транзисторы.docx, биополярные транзисторы.doc

---

Биполярный транзистор — трёхэлектродный 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 электроны 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 простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора — бо́льшая площадь P-n-перехода. Кроме того, для работы транзистора необходима малая толщина базы.

Устройство и принцип действия

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 (I_э=I_б + I_к). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (I_к = α I_э) 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.

Режимы работы биполярного транзистора

Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт)
U_ЭБ>0; U_КБ (для транзистора p-n-p типа), для транзистора n-p-n типа условие будет иметь вид U_ЭБКБ>0.

Инверсный активный режим

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

Режим насыщения

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

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

Режим отсечки

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

Барьерный режим

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

Схемы включения

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

• 
  Коэффициент усиления по току I_вых/I_вх.
  
• 
  Входное сопротивление R_вх = U_вх/I_вх.
  

Схема включения с общей базой

Усилитель с общей базой.

• 
  Среди всех трех конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Фаза сигнала не инвертируется.
  
• 
  Коэффициент усиления по току: I_вых/I_вх = I_к/I_э = α [α
• 
  Входное сопротивление R_вх = U_вх/I_вх = U_бэ/I_э.
  

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и не превышает 100 Ом для маломощных транзисторов, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Достоинства

• 
  Хорошие температурные и частотные свойства.
  
• 
  Высокое допустимое напряжение
  

Недостатки схемы с общей базой

• 
  Малое усиление по току, так как α
• 
  Малое входное сопротивление
  
• 
  Два разных источника напряжения для питания.
  

Схема включения с общим эмиттером

I_вых = I_к
I_вх = I_б
U_вх = U_бэ
U_вых = U_кэ

• 
  Коэффициент усиления по току: I_вых/I_вх = I_к/I_б = I_к/(I_э-I_к) = α/(1-α) = β [β>>1].
  
• 
  Входное сопротивление: R_вх = U_вх/I_вх = U_бэ/I_б.
  

Достоинства

• 
  Большой коэффициент усиления по току.
  
• 
  Большой коэффициент усиления по напряжению.
  
• 
  Наибольшее усиление мощности.
  
• 
  Можно обойтись одним источником питания.
  
• 
  Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.
  

Недостатки

• 
  Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой.
  

Схема с общим коллектором

I_вых = I_э
I_вх = I_б
U_вх = U_бк
U_вых = U_кэ

• 
  Коэффициент усиления по току: I_вых/I_вх = I_э/I_б = I_э/(I_э-I_к) = 1/(1-α) = β [β>>1].
  
• 
  Входное сопротивление: R_вх = U_вх/I_вх = (U_бэ + U_кэ)/I_б.
  

Достоинства

• 
  Большое входное сопротивление.
  
• 
  Малое выходное сопротивление.
  

Недостатки

• 
  Коэффициент усиления по напряжению меньше 1.
  

Схему с таким включением называют «эмиттерным повторителем».

Основные параметры

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

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

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

Эквивалентная схема биполярного транзистора с использованием h-параметров.

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

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

h₁₁ = U_m1/I_m1, при U_m2 = 0.

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

h₁₂ = U_m1/U_m2, при I_m1 = 0.

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

h₂₁ = I_m2/I_m1, при U_m2 = 0.

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

h₂₂ = I_m2/U_m2, при I_m1 = 0.

Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:

U_m1 = h₁₁I_m1 + h₁₂U_m2;

I_m2 = h₂₁I_m1 + h₂₂U_m2.

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

Для схемы ОЭ: I_m1 = I_mб, I_m2 = I_mк, U_m1 = U_mб-э, U_m2 = U_mк-э. Например, для данной схемы:

h_21э = I_mк/I_mб = β.

Для схемы ОБ: I_m1 = I_mэ, I_m2 = I_mк, U_m1 = U_mэ-б, U_m2 = U_mк-б.

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

;

;

.

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

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

*************************

Схемы включения биполярных транзисторов

Транзистором называется полупроводниковый прибор, который может усиливать, преобразовывать и генерировать электрические сигналы. Первый работоспособный биполярный транзистор был изобретен в 1947 году. Материалом для его изготовления служил германий. А уже в 1956 году на свет появился кремниевый транзистор.

В биполярном транзисторе используются два типа носителей заряда – электроны и дырки, отчего такие транзисторы и называются биполярными. Кроме биполярных существуют униполярные (полевые) транзисторы, у которых используется лишь один тип носителей – электроны или дырки. В этой статье будут рассмотрены биполярные транзисторы.

Долгое время транзисторы в основном были германиевыми, и имели структуру p-n-p, что объяснялось возможностями технологий того времени. Но параметры германиевых транзисторов были нестабильны, их самым большим недостатком следует считать низкую рабочую температуру, — не более 60..70 градусов Цельсия. При более высоких температурах транзисторы становились неуправляемыми, а затем и вовсе выходили из строя.

Со временем кремниевые транзисторы начали вытеснять германиевых собратьев. В настоящее время в основном они, кремниевые, и применяются, и в этом нет ничего удивительного. Ведь кремниевые транзисторы и диоды (практически все типы) сохраняют работоспособность до 150…170 градусов. Кремниевые транзисторы также являются «начинкой» всех интегральных микросхем.

Транзисторы по праву считаются одним из великих открытий человечества. Придя на смену электронным лампам, они не просто заменили их, а совершили переворот в электронике, удивили и потрясли мир. Если бы не было транзисторов, то многие современные приборы и устройства, такие привычные и близкие, просто не появились на свет: представьте себе, например, мобильный телефон на электронных лампах! Подробнее об истории транзисторов смотрите здесь.

Большинство кремниевых транзисторов имеют структуру n-p-n, что также объясняется технологией производства, хотя существуют и кремниевые транзисторы типа p-n-p, но их несколько меньше, нежели структуры n-p-n. Такие транзисторы используются в составе комплементарных пар (транзисторы разной проводимости с одинаковыми электрическими параметрами). Например, КТ315 и КТ361, КТ815 и КТ814, а в выходных каскадах транзисторных УМЗЧ КТ819 и КТ818. В импортных усилителях очень часто применяется мощная комплементарная пара 2SA1943 и 2SC5200.

Часто транзисторы структуры p-n-p называют транзисторами прямой проводимости, а структуры n-p-n обратной. В литературе такое название почему-то почти не встречается, а вот в кругу радиоинженеров и радиолюбителей используется повсеместно, всем сразу понятно, о чем идет речь. На рисунке 1 показано схематичное устройство транзисторов и их условные графические обозначения.

Рисунок 1.

Кроме различия по типу проводимости и материалу, биполярные транзисторы классифицируются по мощности и рабочей частоте. Если мощность рассеивания на транзисторе не превышает 0,3 Вт, такой транзистор считается маломощным. При мощности 0,3…3 Вт транзистор называют транзистором средней мощности, а при мощности свыше 3 Вт мощность считается большой. Современные транзисторы в состоянии рассеивать мощность в несколько десятков и даже сотен ватт.

Транзисторы усиливают электрические сигналы не одинаково хорошо: с увеличением частоты усиление транзисторного каскада падает, и на определенной частоте прекращается вовсе. Поэтому для работы в широком диапазоне частот транзисторы выпускаются с разными частотными свойствами.

По рабочей частоте транзисторы делятся на низкочастотные, — рабочая частота не свыше 3 МГц, среднечастотные – 3…30 МГц, высокочастотные – свыше 30 МГц. Если же рабочая частота превышает 300 МГц, то это уже сверхвысокочастотные транзисторы.

Вообще, в серьезных толстых справочниках приводится свыше 100 различных параметров транзисторов, что также говорит об огромном числе моделей. А количество современных транзисторов таково, что в полном объеме их уже невозможно поместить ни в один справочник. И модельный ряд постоянно увеличивается, позволяя решать практически все задачи, поставленные разработчиками.

Существует множество транзисторных схем (достаточно вспомнить количество хотя бы бытовой аппаратуры) для усиления и преобразования электрических сигналов, но, при всем разнообразии, схемы эти состоят из отдельных каскадов, основой которых служат транзисторы. Для достижения необходимого усиления сигнала, приходится использовать несколько каскадов усиления, включенных последовательно. Чтобы понять, как работают усилительные каскады, надо более подробно познакомиться со схемами включения транзисторов.

Сам по себе транзистор усилить ничего не сможет. Его усилительные свойства заключаются в том, что малые изменения входного сигнала (тока или напряжения) приводят к значительным изменениям напряжения или тока на выходе каскада за счет расходования энергии от внешнего источника. Именно это свойство широко используется в аналоговых схемах, — усилители, телевидение, радио, связь и т.д.

Для упрощения изложения здесь будут рассматриваться схемы на транзисторах структуры n-p-n. Все что будет сказано об этих транзисторах, в равной степени относится и к транзисторам p-n-p. Достаточно только поменять полярность источников питания, электролитических конденсаторов и диодов, если таковые имеются, чтобы получить работающую схему.

Как это работает »Электроника

Описание того, что такое транзистор, как работает биполярный транзистор, а также сведения о транзисторах NPN и PNP.

---

Transistor Tutorial:
Основы транзисторов Усиление: HFE, HFE и бета Характеристики транзистора Коды нумерации транзисторов и диодов Выбор транзисторов на замену

---

Транзисторы лежат в основе современной электронной техники. Развитие биполярного транзистора или биполярного переходного транзистора, BJT, привело ко многим изменениям в мире.

Введение биполярного транзистора позволило использовать многие технологии, которые мы сегодня воспринимаем как должное: от портативных транзисторных радиоприемников до мобильных телефонов и компьютеров, удаленного управления, функций, которые мы воспринимаем как должное в современных автомобилях, и т. Д. . . . Все эти и многие другие предметы повседневного обихода стали возможны благодаря изобретению транзистора.

Сегодня биполярные транзисторы доступны во многих формах. Существует базовый транзистор с выводами или транзистор для поверхностного монтажа.Но транзисторы также широко используются в интегральных схемах. Большинство цифровых ИС используют технологию полевого эффекта, но многие аналоговые ИС используют биполярную технологию для обеспечения требуемой производительности.

Вместе с их полевыми транзисторами, полевыми транзисторами, родственниками, которые используют совершенно другой принцип, биполярный транзистор составляет основу большинства современного электронного оборудования, будь то дискретные устройства или интегральные схемы.

Выбор транзисторов с пластиковыми выводами

Разработка транзисторов

Полупроводниковая технология сейчас хорошо известна, но используется уже более ста лет.Первые полупроводниковые эффекты были замечены еще в начале 1900-х годов, когда использовались первые беспроводные или радиоприемники. В качестве детекторов исследовались различные идеи.

Термоэмиссионный клапан или технология вакуумных трубок была представлена ​​в 1904 году, но эти устройства были дорогими, а также требовали питания от батареи. Вскоре после этого был обнаружен детектор Cat’s Whisker. Он состоял из тонкой проволоки, помещенной на один из нескольких типов материала. Эти материалы известны сегодня как полупроводники и составляют основу современной электронной техники.

Примечание к истории транзисторов:

Биполярный транзистор был изобретен тремя исследователями, работающими в Bell Labroratories: Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли. Они работали над идеей, в которой для управления током в полупроводнике использовался эффект поля, но они не смогли реализовать эту идею. Они обратили свое внимание на другую возможность и создали устройство с тремя выводами, используя два близко расположенных точечных контакта на пластине из германия.Эта идея сработала, и они смогли продемонстрировать, что она принесла прибыль в конце 1949 года.

Подробнее о История биполярных транзисторов

Старый биполярный транзистор OC71

После того, как была разработана основная идея, потребовалось некоторое время, прежде чем полупроводниковая технология была принята, но как только это произошло, она стала популярной, как мы знаем сегодня.

Что такое биполярный транзистор

стоит в двух словах определить, что такое биполярный транзистор:

Определение биполярного транзистора:

Биполярный транзистор — это полупроводниковое устройство, состоящее из трех областей P-типа или N-типа — область одного типа зажата между областями другого.Транзистор в основном усиливает ток, но его можно включать в схемы, предназначенные для усиления напряжения или мощности.

Биполярный транзистор необходимо отличать от полевого транзистора. Биполярный транзистор, BJT, получил свое название от того факта, что в своей работе он использует как дырки, так и электроны. Полевые транзисторы — это униполярные устройства, использующие один или любой из типов носителей заряда.

Биполярный транзистор, или точнее биполярный транзистор с переходным соединением, BJT, имеет два PN-диодных перехода, соединенных спиной друг к другу.Биполярный транзистор имеет три вывода, которые называются эмиттер, база и коллектор.

Транзистор усиливает ток — биполярные транзисторы являются устройствами тока, в отличие от вакуумных ламп с термоэлектронными лампами и полевых транзисторов, которые являются устройствами напряжения. Ток, протекающий в цепи базы, влияет на ток, протекающий между коллектором и эмиттером.

Примечание по конструкции схемы транзистора:

Транзистор представляет собой трехконтактное устройство, обеспечивающее усиление по току.Существует три конфигурации, которые можно использовать для транзистора: общий эмиттер, общий коллектор и общая база. Каждый из них имеет разные сетевые характеристики, и, спроектировав схему на основе одной из этих конфигураций, можно достичь требуемых характеристик.

Подробнее о Схема биполярного транзистора

Структура транзистора базовая

Транзистор представляет собой устройство с тремя выводами и состоит из трех отдельных слоев.Два из них легированы, чтобы дать один тип полупроводника, а есть противоположный тип, то есть два могут быть n-типа и один p-тип, или два могут быть p-типа, а один может быть n-типом. расположены так, что два одинаковых слоя транзистора смещают слой противоположного типа. В результате эти полупроводниковые устройства обозначаются как транзисторы PNP или транзисторы NPN в зависимости от способа их изготовления.

Базовая структура и символы схем для транзисторов NPN и PNP

Названия трех электродов широко используются, но их значения не всегда понятны:

• База: База транзистора получила свое название от того факта, что в ранних транзисторах этот электрод служил базой для всего устройства.Первые транзисторы с точечным контактом имели два точечных контакта, размещенных на основном материале. Этот базовый материал сформировал базовое соединение. . . и название прижилось.
• Эмиттер: Эмиттер получил свое название от того факта, что он испускает носители заряда.
• Коллектор: Коллектор получил свое название от того факта, что он собирает носители заряда.

Для работы транзистора важно, чтобы область базы была очень тонкой.В современных транзисторах ширина базы обычно может составлять всего около 1 мкм. Тот факт, что базовая часть транзистора тонкая, является ключом к работе устройства

.

Как работает транзистор: основы

Транзистор

A можно рассматривать как два P-N перехода, соединенных спиной друг к другу. Один из них, а именно переход базового эмиттера, смещен в прямом направлении, а другой — переход базового коллектора — смещен в обратном направлении. Обнаружено, что когда ток течет в переходе база-эмиттер, больший ток течет в цепи коллектора, даже несмотря на то, что переход база-коллектор имеет обратное смещение.

Для наглядности взят пример NPN-транзистора. Те же рассуждения можно использовать для устройства PNP, за исключением того, что дырки являются основными носителями вместо электронов.

Когда ток течет через переход база-эмиттер, электроны покидают эмиттер и перетекают в базу. Однако легирование в этой области остается низким, и имеется сравнительно небольшое количество дырок, доступных для рекомбинации. В результате большая часть электронов может проходить прямо через базовую область и далее в область коллектора, притягиваясь положительным потенциалом.

Базовый режим работы транзистора
Показан режим работы транзистора NPN

Лишь небольшая часть электронов эмиттера объединяется с дырками в области базы, что приводит к возникновению тока в цепи база-эмиттер. Это означает, что ток коллектора намного выше.

Отношение между током коллектора и током базы обозначается греческим символом Β. Для большинства транзисторов с малым сигналом это значение может составлять от 50 до 500. В некоторых случаях оно может быть даже выше.Это означает, что ток коллектора обычно в 50-500 раз превышает ток в базе. Для транзистора большой мощности значение несколько меньше: 20 — довольно типичное значение.

Почему транзисторы NPN используются чаще, чем транзисторы PNP

Если посмотреть на схемы, а также на таблицы данных и т. Д., Можно заметить, что транзисторы NPN гораздо более популярны, чем транзисторы PNP.

На это есть несколько причин:

• Мобильность носителей: Транзисторы NPN используют электроны в качестве основных носителей, а не дырки, которые являются основными носителями в транзисторах PNP.Поскольку дырки перемещаются внутри кристаллической решетки гораздо легче, чем электроны, т.е.они имеют более высокую подвижность, они могут работать быстрее и обеспечивать гораздо лучший уровень производительности.
• Отрицательное заземление: С годами отрицательное заземление стало стандартом, например в автомобилях и т. д., а полярность транзисторов NPN означает, что базовые конфигурации транзисторов работают с отрицательным заземлением.
• Производственные затраты: Производство полупроводниковых компонентов на основе кремния наиболее экономично с использованием больших кремниевых пластин N-типа.Хотя производство транзисторов PNP возможно, требуется в 3 раза больше площади поверхности пластины, а это значительно увеличивает затраты. Поскольку стоимость полупроводниковых пластин составляет основную часть общей стоимости компонентов, это значительно увеличило производственные затраты на транзисторы PNP.

Биполярные транзисторы, BJT, были первой формой изобретенного транзистора, и они до сих пор очень широко используются во многих областях. Они просты в использовании, дешевы и имеют спецификации, отвечающие большинству требований.Они идеально подходят для многих схем, хотя, естественно, спецификация биполярного транзистора должна соответствовать спецификации схемы.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы ВЧ разъемы Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

Драйвер двигателя биполярного транзистора HBridge

Классическая схема драйвера двигателя постоянного тока для начинающих, которая встречается в каждом учебнике по электронике, представляет собой H-мост на биполярных транзисторах.

Н-мост представляет собой схему транзисторов, которая позволяет схеме полностью управлять стандартным электродвигателем постоянного тока. То есть H-мост позволяет микроконтроллеру, логической микросхеме или пульту дистанционного управления электронным образом управлять двигателем для движения вперед, назад, торможения и выбега.

В этой статье я сосредоточусь на базовом H-мосте, который является хорошим выбором для большинства роботов (включая роботов BEAM) и портативных гаджетов. Этот H-мост может работать от источника питания всего лишь от двух почти разряженных батареек AAA (2,2 В) до новой батареи 9 В (9,6 В).

На следующих страницах я сравню характеристики трех разных каталожных номеров популярных транзисторов. (2N3904 / 2N3906 против 2N2222A / 2N2907A против Zetex ZTX1049A / ZTX968) с помощью обычного двигателя-робота от Solarbotics.

Схема H-моста (ниже) на первый взгляд выглядит сложной, но на самом деле это всего лишь четыре копии резистора + транзистора + диода.

Схема биполярного транзисторного моста для привода двигателя постоянного тока. Вы видите букву «Н»?

Есть много разных способов нарисовать схему, но приведенная выше электрическая схема соответствует модели большинства h-мостов.

• M1 : Это двигатель постоянного тока (DC).Это очень часто. Вы можете найти их в интернет-магазинах или в старых игрушках. У мотора должно быть всего два провода. Измерьте сопротивление двух проводов двигателя с помощью мультиметра. Если сопротивление двигателя меньше 5 Ом, то детали транзистора, перечисленные в этой статье, слишком слабы для питания двигателя.

Если вам нужна полная информация о том, как работает H-мост, или если вам нужны более простые или более мощные драйверы двигателя, тогда, пожалуйста, купите копию моей книги «Промежуточное создание роботов».В главах 9 и 10 содержится большое количество деталей и множество вариаций, которые здесь не показаны.

Управление драйвером двигателя Н-моста

Резисторы — это входы, управляющие H-мостом. Подключая резистор к + VDC или GND, он включает или выключает соответствующий транзистор. (+ VDC — положительный полюс батареи. GND — отрицательный полюс батареи.) Когда конкретная пара транзисторов включается, двигатель что-то делает.

Команда	R1	R2	R3	R4
Выбег / Roll / Off:	GND или отключено	+ VDC или отключено	GND или отключено	+ VDC или отключено
Вперед:	GND или отключено	GND	+ VDC	+ VDC или отключено
Реверс:	+ VDC	+ VDC или отключен	GND или отключен	GND
Тормоз / замедление:	+ VDC	+ VDC или отключен	+ VDC	+ VDC или отключен

Поскольку имеется 4 резистора, на самом деле существует шестнадцать возможных способов управления этой схемой.Не волнуйтесь с другими вариантами (они есть в книге, если вам интересно). Кроме…

Никогда подавать + VDC на R1 и GND на R2 одновременно! Вы закоротите аккумулятор.

Никогда подавать + VDC на R3 и GND на R4 одновременно! Вы закоротите аккумулятор.

Затем давайте построим схему H-моста из реальных деталей …

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Обзор биполярных транзисторов

Биполярный транзистор, полное название биполярного переходного транзистора (BJT), представляет собой электронное устройство с тремя выводами, состоящее из трех частей полупроводников с различными уровнями легирования.Поток заряда в транзисторе в основном происходит из-за диффузионного и дрейфового движения носителей в PN-переходе.

Каталог

I Биполярный и униполярный транзистор

Биполярный транзистор — революционное изобретение в истории электроники. Его изобретатели Уильям Шокли, Джон Бардинг и Уолтер Брэтон были удостоены Нобелевской премии по физике в 1956 году.

Работа этого типа транзистора включает поток как электронных, так и дырочных носителей , поэтому он является биполярным и называется биполярным носителем. транзистор.Этот режим работы отличается от униполярных транзисторов, таких как полевые транзисторы, которые включают дрейф только одного типа несущей. Граница между двумя различными областями накопления легирующей примеси образована PN-переходом.

Входное сопротивление

входное сопротивление

BJT	FET
Устройство с контролем тока	Устройство с управлением по напряжению
Биполярное устройство	Униполярное устройство
Уровень шума	Менее шумный
стабильный Обычно большие по размеру	Обычно маленькие по размеру

Биполярные транзисторы состоят из трех частей полупроводников с различными уровнями легирования .Поток заряда в транзисторе в основном происходит из-за диффузионного и дрейфового движения носителей в PN-переходе. Если взять в качестве примера NPN-транзистор, согласно конструкции, электроны в высоколегированной области эмиттера перемещаются к базе посредством диффузии. В основной области дырки являются основными носителями, а электроны — неосновными носителями. Поскольку площадь основания очень тонкая, эти электроны достигают коллектора посредством дрейфующего движения, тем самым формируя ток коллектора, поэтому биполярные транзисторы классифицируются как устройства с неосновными носителями.

Биполярные транзисторы могут усиливать сигналы и обладают хорошим регулированием мощности, возможностью высокоскоростной работы и долговечностью, поэтому они часто используются для формирования схем усилителя или привода динамиков, двигателей и другого оборудования и широко используются в аэрокосмической технике. , медицинское оборудование и роботы.

II Как работает биполярный транзистор?

Здесь мы берем биполярный транзистор NPN в качестве цели для обсуждения принципа работы биполярных транзисторов.

Биполярный транзистор типа NPN можно рассматривать как два диода с общим анодом, соединенных вместе.При нормальной работе биполярного транзистора переход база-эмиттер («коллекторный переход») находится в состоянии прямого смещения, в то время как база-коллектор («коллекторный переход») находится в состоянии обратного смещения.

Рис. 1. Схема поперечного сечения биполярного транзистора PNP

Когда нет приложенного напряжения, концентрация электронов в N-области эмиттерного перехода (большинство носителей в этой области) больше, чем у электронов. концентрация в P-области, и часть электронов диффундирует в P-область.Таким же образом часть отверстий в области P также будет распространяться в область N. Таким образом, на эмиттерном переходе образуется область пространственного заряда (также известная как обедненный слой), генерирующая внутреннее электрическое поле, направление которого — от области N к области P. Это электрическое поле будет препятствовать дальнейшему протеканию вышеупомянутого процесса диффузии и достичь динамического баланса.

В это время, если прямое напряжение приложено к эмиттерному переходу, динамический баланс между вышеупомянутой диффузией носителей и внутренним электрическим полем в обедненном слое будет нарушен, что вызовет инжекцию термически возбужденных электронов в базовый регион.В NPN-транзисторе базовая область легирована P-типом, где дырки являются основной примесью, поэтому электроны в этой области называются «неосновными носителями».

С одной стороны, электроны, инжектированные из эмиттера в базовую область, здесь рекомбинируют с дырками основных носителей заряда, с другой стороны, потому что базовая область слабо легирована с тонким физическим размером, а коллекторный переход находится в обратном направлении. В состоянии смещения большая часть электронов достигнет области коллектора посредством дрейфующего движения, образуя ток коллектора.

Чтобы минимизировать рекомбинацию электронов до того, как они достигнут коллекторного перехода, базовая область транзистора должна быть сделана достаточно тонкой, чтобы время, необходимое для диффузии носителей, было меньше, чем время жизни неосновных полупроводниковых носителей.

При этом толщина базы должна быть много меньше диффузионной длины электронов (см. Закон Фика). В современных биполярных транзисторах толщина базовой области обычно составляет несколько десятых микрон.

Следует отметить, что, хотя коллектор и эмиттер легированы N-типом, степень легирования и физические свойства у них не одинаковы. Следовательно, биполярный транзистор следует отличать от двух диодов, соединенных последовательно в противоположных направлениях.

III Типы биполярных транзисторов

Биполярный транзистор состоит из трех различных легированных полупроводниковых областей: эмиттерной области , основной области , и области коллектора .Эти области представляют собой полупроводники N-типа, P-типа и N-типа в транзисторах типа NPN и полупроводники P-типа, N-типа и P-типа в транзисторах типа PNP. У каждой полупроводниковой области есть штыревой конец, обычно с буквами E, B и C, обозначающими эмиттер, базу и коллектор.

База физически расположена между эмиттером и коллектором, и она сделана из легированных материалов с высоким сопротивлением. Коллектор окружает основание. Из-за обратного смещения коллекторного перехода отсюда электронам трудно инжектировать в область базы.Это приводит к тому, что коэффициент усиления по току общей базы становится примерно равным 1, в то время как коэффициент усиления по току общего эмиттера больше. Числовое значение.

В биполярном транзисторе NPN площадь коллекторного перехода больше, чем эмиттерного перехода. Кроме того, эмиттер имеет относительно высокую концентрацию легирования.

В нормальных условиях некоторые области биполярных транзисторов асимметричны по физическим свойствам и геометрическим размерам. Предполагая, что транзистор, включенный в схему, расположен в области прямого усилителя, если в это время соединение коллектора и эмиттера транзистора в схеме поменять местами, транзистор выйдет из области прямого усилителя и войдет в рабочую область обратного направления.

Внутренняя структура транзистора определяет, что он подходит для работы в области прямого усилителя, поэтому коэффициент усиления по току общей базы и коэффициент усиления по току общего эмиттера в обратной рабочей области намного меньше, чем в области прямого усилителя.

Эта функциональная асимметрия в основном связана с разными уровнями легирования эмиттера и коллектора. Следовательно, в NPN-транзисторе, хотя коллектор и эмиттер оба легированы N-типом, электрические свойства и функции обоих не могут быть изменены местами вообще.

Эмиттерная область имеет наивысшую степень легирования , коллекторная область является второй, а базовая область имеет самую низкую степень легирования. Кроме того, физические размеры трех регионов также различаются. Базовая область очень тонкая, а площадь коллектора больше, чем площадь эмиттера. Поскольку биполярный транзистор имеет такую ​​структуру материала, он может обеспечивать обратное смещение для коллекторного перехода, но при этом предполагается, что обратное смещение не может быть слишком большим, иначе транзистор будет поврежден.Целью сильного легирования эмиттера является повышение эффективности инжекции электронов из эмиттера в базовую область для достижения максимально возможного усиления по току.

При соединении биполярных транзисторов с общим эмиттером небольшие изменения напряжения, приложенного к базе и эмиттеру, вызовут значительные изменения тока между эмиттером и коллектором. Используя это свойство, вы можете усилить входной ток или напряжение.

Что касается базы биполярного транзистора в качестве входа и коллектора в качестве выхода, двухпортовая сеть может быть проанализирована с помощью теоремы Тевенина.Используя принцип эквивалентности, биполярный транзистор можно рассматривать как источник тока, управляемый напряжением, или источник напряжения, управляемый током.

1.

Тип NPN

Транзистор NPN — это один из двух типов биполярных транзисторов. Он состоит из двух слоев легированных областей N-типа и слоя легированного полупроводника P-типа (основы) между ними. Крошечный ток, подаваемый на базу, будет усилен, создавая больший ток коллектор-эмиттер.

Когда базовое напряжение NPN-транзистора выше, чем напряжение эмиттера, а напряжение коллектора выше, чем базовое напряжение, транзистор находится в состоянии прямого усилителя.В этом состоянии между коллектором и эмиттером транзистора есть ток. Усиленный ток является результатом того, что электроны инжектируются эмиттером в базовую область (неосновные носители в базовой области) и перемещаются к коллектору под действием электрического поля. Поскольку подвижность электронов выше подвижности дырок , большинство используемых сегодня биполярных транзисторов относятся к типу NPN.

Электрический символ биполярного транзистора NPN показан справа, а стрелка между базой и эмиттером указывает на эмиттер.

Рисунок 2. a) Символ биполярного транзистора NPN b) Символ биполярного транзистора PNP

2.

Тип PNP

Другой тип биполярного транзистора PNP состоит из двух слоев легированных областей P-типа и слоя легированных полупроводников N-типа между ними. Крошечный ток, протекающий через базу, можно усилить на конце эмиттера. Другими словами, когда базовое напряжение PNP-транзистора ниже, чем у эмиттера, напряжение коллектора ниже, чем базовое напряжение, и транзистор находится в области прямого усилителя.

В символе биполярного транзистора стрелка между базой и эмиттером указывает направление тока. В отличие от типа NPN, стрелка транзистора типа PNP указывает от эмиттера к базе.

3.

Гетеропереход

Биполярный транзистор с гетеропереходом — это улучшенный биполярный транзистор, способный работать на высокой скорости . Исследования показали, что этот транзистор может обрабатывать сверхвысокочастотные сигналы с частотами до нескольких сотен ГГц, поэтому он подходит для приложений, требующих жестких рабочих скоростей, таких как усилители мощности ВЧ и драйверы лазеров.

Гетеропереход — это тип PN-перехода. Два конца этого перехода изготовлены из различных полупроводниковых материалов . В этом типе биполярного транзистора эмиттерный переход обычно имеет структуру гетероперехода, то есть материал с широкой запрещенной зоной используется в области эмиттера, а материал с узкой запрещенной зоной используется в области базы. Обычный гетеропереход использует GaAs для создания основной области и AlxGa1-xAs для создания области эмиттера. С такой структурой гетероперехода эффективность инжекции биполярного транзистора может быть улучшена, а коэффициент усиления по току также может быть увеличен на несколько порядков.

Концентрация легирования базовой области биполярного транзистора с гетеропереходом может быть значительно увеличена, так что сопротивление базового электрода и ширина базовой области могут быть уменьшены. В традиционном биполярном транзисторе, то есть транзисторе с гомопереходом, эффективность инжекции носителей из эмиттера в базу в основном определяется соотношением легирования эмиттера и базы. В этом случае, чтобы получить более высокую эффективность инжекции, базовая область должна быть слегка легирована, что неизбежно увеличивает базовое сопротивление.

В основной области состав полупроводникового материала распределен неравномерно, что приводит к постепенному изменению ширины запрещенной зоны базовой области. Эта медленно изменяющаяся ширина запрещенной полосы может создавать внутреннее электрическое поле для неосновных носителей, ускоряющее их через базовую область. Это дрейфовое движение будет иметь синергетический эффект с диффузионным движением, чтобы уменьшить время прохождения электронов через базовую область, тем самым улучшая высокочастотные характеристики биполярного транзистора.

9309 9309

Хороший

9309 9309 Хорошо 9300009

Параметры	Si биполярный	SiGe HBT	GaAs FET 9309 GaAs FET GaAs FET
Прирост	Нормальный	Хороший	Хороший	Хороший	Хороший
Нормальный	Отличный	Хороший
Эффективность	Нормальный	Хороший	75 Отличный	75 Отличный	75 Отличный	75 Отличный 9030 1 Показатель заслуг	Отлично	Хорошо	Отлично	Отлично	Хорошо
	Хорошо	Хорошее	Хорошо
Одиночный источник питания	√		75

Хотя для создания транзисторов с гетеропереходом можно использовать множество различных полупроводников, чаще используются транзисторы с гетеропереходом кремний-германий и транзисторы с гетеропереходом на основе арсенида алюминия и галлия.Процесс изготовления транзисторов с гетеропереходом представляет собой кристаллическую эпитаксию, такую ​​как эпитаксия из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD) и молекулярно-лучевая эпитаксия.

IV Параметры

1.

Рассеиваемая мощность коллектора

Максимальная рассеиваемая мощность коллектора биполярного транзистора — это максимальная мощность, при которой устройство может нормально работать при определенной температуре и условиях рассеивания тепла. В тех же условиях, если фактическая мощность превышает это значение, температура транзистора превысит максимально допустимое значение, что ухудшит производительность устройства и даже приведет к физическому повреждению.

2.

Ток и напряжение

Когда ток коллектора увеличивается до определенного значения, хотя биполярный транзистор не будет поврежден, коэффициент усиления по току будет значительно уменьшен. Чтобы транзистор нормально работал, как задумано, необходимо ограничить значение тока коллектора. Кроме того, поскольку биполярные транзисторы имеют два PN перехода, их обратное напряжение смещения не может быть слишком большим, чтобы предотвратить обратный пробой PN перехода.Эти параметры подробно перечислены в таблице данных биполярного переходного транзистора.

Когда напряжение обратного смещения коллектора силового биполярного транзистора превышает определенное значение, а ток, протекающий через транзистор, превышает определенный допустимый диапазон, в результате чего мощность транзистора превышает критическую мощность вторичного пробоя, возникает своего рода опасная ситуация. будет произведено явление « второй поломки ». В этом случае ток, выходящий за пределы расчетного диапазона, вызовет локальный температурный дисбаланс в различных областях внутри устройства, и температура в некоторых областях будет выше, чем в других областях.

Поскольку легированный кремний имеет отрицательный температурный коэффициент , его проводимость выше, когда он находится при более высокой температуре. Таким образом, более горячая часть может проводить больше тока, и эта часть тока будет генерировать дополнительное тепло, в результате чего локальная температура превысит нормальное значение, и устройство не сможет нормально работать.

Вторичный пробой — это разновидность теплового разгона. При повышении температуры проводимость будет еще больше увеличиваться, вызывая порочный круг и в конечном итоге серьезно разрушая структуру транзистора.Весь процесс вторичной поломки может быть завершен за миллисекунды или микросекунды.

Если эмиттерный переход биполярного транзистора обеспечивает обратное смещение, которое превышает допустимый диапазон и не ограничивает ток, протекающий через транзистор, в эмиттерном переходе произойдет лавинный пробой, который приведет к повреждению устройства.

3.

Температурный дрейф

Как аналоговое устройство, все параметры биполярных транзисторов в той или иной степени зависят от температуры, особенно на коэффициент усиления по току.Согласно исследованиям, каждый раз при повышении температуры на 1 градус Цельсия коэффициент усиления тока увеличивается примерно на 0,5–1%.

4.

Радиационная стойкость

Биполярные транзисторы более чувствительны к ионизирующему излучению . Если транзистор находится в среде ионизирующего излучения, устройство будет повреждено излучением. Повреждение происходит из-за того, что излучение вызывает дефекты в области основания, которые образуют центры рекомбинации в энергетической зоне.Это приведет к более короткому сроку службы неосновных носителей, которые работают в устройстве, что, в свою очередь, постепенно снизит производительность транзистора.

Биполярные транзисторы типа NPN имеют большую эффективную площадь рекомбинации носителей в радиационной среде, и отрицательное влияние более значимо, чем у транзисторов типа PNP. В некоторых специальных приложениях, таких как электронные системы управления в ядерных реакторах или космических кораблях, должны использоваться специальные меры для смягчения негативного воздействия ионизирующего излучения.

В Рабочая область

В зависимости от состояния смещения трех выводов транзистора можно определить несколько различных рабочих областей биполярного транзистора. В полупроводниках NPN (примечание: профили напряжения транзисторов PNP и транзисторов NPN прямо противоположны), в зависимости от смещения эмиттерного перехода и коллекторного перехода, рабочую область можно разделить на:

1.

Биполярный транзисторный усилитель Область

(1) Область прямого усилителя

Когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный переход смещен в обратном направлении, транзистор работает в области усилителя.Конструктивная цель большинства биполярных транзисторов — получить максимальное усиление по току с общим эмиттером ( бф) в области прямого усилителя. Когда транзистор работает в этой области, ток коллектор-эмиттер и ток базы примерно линейны. Из-за усиления тока, когда ток базы немного нарушен, ток коллектор-эмиттер значительно изменится.

(2) Область обратного усилителя

Если вышеупомянутые напряжения смещения эмиттера и коллектора транзистора в области прямого усилителя поменять местами, биполярный транзистор будет работать в области обратного усилителя.В этом режиме работы эмиттерная и коллекторная области работают прямо противоположно функции прямого усилителя. Однако, поскольку концентрация легирования коллектора транзистора ниже, чем у эмиттера, эффект, производимый областью обратного усилителя, не такой, как в области прямого усилителя.

Целью конструкции большинства биполярных транзисторов является получение максимального усиления по току прямого усилителя, насколько это возможно. Следовательно, коэффициент усиления по току в области обратного усилителя будет меньше, чем в области прямого усилителя.Фактически, этот режим работы вряд ли принят, но для предотвращения повреждения устройства или других опасностей, вызванных неправильным подключением, его необходимо учитывать при проектировании. Кроме того, некоторые типы биполярных логических устройств также учитывают область обратного усилителя.

Рис. 3. Отсечка в прямом и обратном направлениях BJT и насыщение

2. Область насыщения

Когда два PN-перехода в биполярном транзисторе смещены в прямом направлении, транзистор будет находиться в области насыщения.В это время ток от эмиттера до коллектора транзистора достигает максимального значения. Даже если базовый ток увеличится, выходной ток больше не будет увеличиваться. Область насыщения может использоваться для обозначения высокого уровня логических устройств .

3.

Область отсечки

Если смещение двух PN переходов биполярного транзистора точно противоположно таковому в области насыщения, то транзистор будет в области отсечки.В этом режиме работы выходной ток очень мал (менее 1 мкА для маломощных кремниевых транзисторов и менее даже мкА для германиевых транзисторов), что можно использовать для представления низких уровней в цифровой логике.

4.

Лавинный пробой

Когда обратное смещение, приложенное к коллекторному переходу, превышает диапазон, который коллекторный переход может выдержать, PN переход будет разрушен. Если сила тока достаточно велика, устройство выйдет из строя.

Кроме того, когда мы анализируем и проектируем схемы биполярных транзисторов, следует отметить, что максимальная рассеиваемая мощность коллектора Pcm биполярного транзистора не может быть превышена. Если рабочая мощность транзистора меньше этого значения, совокупность этих рабочих состояний называется безопасной рабочей зоной. Если рабочая мощность транзистора превышает этот предел, температура устройства выйдет за пределы нормального диапазона, и производительность устройства значительно изменится и даже вызовет повреждение.

Допустимая температура перехода кремниевых транзисторов составляет от 150 до 200 градусов Цельсия. Максимально допустимое рассеивание мощности может быть увеличено за счет уменьшения внутреннего теплового сопротивления, использования радиаторов и таких мер, как воздушное охлаждение, водяное охлаждение и масляное охлаждение.

На самом деле, абсолютных границ между вышеупомянутыми рабочими регионами нет. В пределах диапазона небольших изменений напряжения (менее нескольких сотен милливольт) между различными областями может быть определенное перекрытие.

Рекомендуемый артикул:

Введение в TFT-дисплеи

Структура и принцип работы полевых транзисторов

Каковы методы тестирования и типы транзисторов?

Биполярный переходной транзистор

Введение

Биполярный переходной транзистор определение

А биполярный переходной транзистор или BJT — трехконтактный электронное устройство, усиливающее ток.Это устройство, управляемое током. В биполярном соединении транзистор, электрический ток проводится обоими свободными электронами и дырки.

В отличие от нормальный пн переходной диод, транзистор имеет два p-n переходы.

Типы Биполярные переходные транзисторы (БЮТ)

транзисторы с биполярным переходом образованы сэндвичем либо n-тип или р-типа полупроводник слой между парами полупроводников противоположной полярности слои.

Биполярный соединение Транзисторы делятся на два типа в зависимости от их строительство: Их

• NPN транзистор
• PNP транзистор

NPN транзистор

Когда один полупроводниковый слой p-типа зажат между двумя полупроводниковые слои n-типа, транзистор называется npn транзистор

Транзистор PNP

Когда один полупроводниковый слой n-типа зажат между двумя полупроводниковые слои p-типа, транзистор называется pnp транзистор.

Оба Транзисторы PNP и NPN состоят из трех выводов: они эмиттер, база и коллектор.

Терминалы БЮТ

Эмитент:

As название предполагает, секция эмиттера обеспечивает заряд перевозчики. Секция эмиттера сильно легирована, поэтому может вводят в базу большое количество носителей заряда.В размер излучателя всегда больше базы.

База:

средний слой называется базовым. База транзистора очень тонкий по сравнению с эмиттером и коллектором. Это очень слегка допированный.

Коллектор:

Функция коллектора — собирать носители заряда.это умеренно легированный. Это уровень легирования коллектора. Раздел находится между эмиттером и базой. Размер коллектор всегда больше эмиттера и базы. В площадь коллектора в транзисторе значительно больше, чем область излучателя. Это потому, что коллекторный регион должен обрабатывают большую мощность, чем эмиттер, и большую площадь поверхности требуется для отвода тепла.

В транзистор усиление достигается за счет пропускания входного тока от область низкого сопротивления к области высокого сопротивления.

Приложения биполярного транзистора

различные области применения биполярных транзисторов:

• Телевизоры
• мобильный телефоны
• Компьютеры
• Радио передатчики
• Аудио усилители

Биполярные переходные транзисторы (BJT) — Учебники по аналоговой электронике

Биполярный переходной транзистор — это активный полупроводниковый прибор с тремя выводами, образованный двумя встречно расположенными p-n переходами.Три клеммы обозначены как база, эмиттер и коллектор. Его основная функция — усиление тока между токами коллектора или эмиттера и током базы.

Существует 2 типа биполярных переходных транзисторов (BJT): NPN и PNP.

Анализ цепей

Чтобы проанализировать схему транзистора,
1. Выполните анализ постоянного тока, перерисовав схему
   • заменяет символ BJT на его модель DC.
   • Обрыв любой конденсатор и короткое замыкание любой катушки индуктивности.
2. Если требуется анализ переменного тока, перерисуйте схему
   • , заменив символ BJT на модель малого сигнала.
   • вычислить r _e , используя I _E из анализа постоянного тока и v _T = 26 мВ. \ begin {уравнение} r_e = {v_ {T} \ over I_E} \ end {уравнение} обратите внимание, что анализ переменного тока действителен только для версий _— T
   • закоротить любой конденсатор и разомкнуть цепь индуктивности. Замкните накоротко любой источник питания постоянного тока.

Конфигурация одной цепи BJT

Есть 3 конфигурации для схем с одним биполярным переходным транзистором.Это схемы с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором.

Характеристики конфигурации
	Общий эмиттер	Общий коллектор	Общая база
Ввод	База	База	Излучатель
Выход	Коллектор	Излучатель	Коллектор
Соотношение фаз входа / выхода	180 или	0 или	0 или
Коэффициент усиления напряжения	Средний	Единство	Высокая
Коэффициент усиления по току	Средний	Высокая	Единство
Входное сопротивление	Средний	Высокая	Низкий
Выходное сопротивление	Средний	Низкий	Высокая

Поскольку доходы от рекламы падают, несмотря на рост числа посетителей, нам нужна ваша помощь в поддержании и улучшении этого сайта, что требует времени, денег и упорного труда.Благодаря щедрости наших посетителей, которые давали ранее, вы можете использовать этот сайт бесплатно.

Если вы получили пользу от этого сайта и можете, пожалуйста, отдать 10 долларов через Paypal . Это позволит нам продолжаем в будущее. Это займет всего минуту. Спасибо!

Я хочу дать!

© 2021 Emant Pte Ltd Co., рег. № 200210155R | Условия использования | Конфиденциальность | О нас

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.

Биполярный переходной транзистор

BJT — это биполярный переходной 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 , они

• Он имеет больший размер, поэтому через него может протекать максимальный ток
• Напряжение пробоя высокое
• Он имеет более высокую токонесущую способность и способность выдерживать большую мощность
• Имеет более высокое падение напряжения в открытом состоянии
• Применение высокой мощности.

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,

. статический индукционный транзистор

• Длина канала короткая
• Шум меньше
• Включение и выключение через несколько секунд
• Низкое оконечное сопротивление.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)

Как следует из названия, IGBT представляет собой комбинацию транзистора FET и 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),

. биполярный транзистор 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-типа, 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 высоколегированным 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

Power Transistor BJT работает в четырех регионах эксплуатации их

• Область отсечения
• Активная область
• Область квазинасыщения
• Область жесткого насыщения.

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

случай (i): Вывод базы транзистора соединен с отрицательным выводом и выводом эмиттера транзистора. подключен к плюсу, а

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

cutoff-region-of-power-transistor

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

Говорят, что транзистор находится 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 силового транзистора

Выходные характеристики В-I силового транзистора

Выходные характеристики можно откалибровать графически, как показано ниже, где ось X представляет VCE, а ось Y представляет IC.

output-характеристики

• На приведенном ниже графике 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.
• Говорят, что транзистор находится 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 состояние или из выключенного во включенное состояние. Этот тип насыщения наблюдается в низкочастотных приложениях.

Преимущества

Преимущества силового БЮТ,

• Повышенное усиление напряжения
• Плотность тока высокая
• Низкое прямое напряжение
• Прирост полосы пропускания большой.

Недостатки

Недостатками силового БЮТ являются,

• Термическая стабильность низкая
• Шумнее
• Управление немного сложнее.

Приложения

Области применения силового БЮТ,

• 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 приложении входного тока к паре 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, переключается быстрее из включенного состояния в выключенное или из выключенного во включенное.

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

Н 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.

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.