Структура биполярного транзистора и принцип его работы. частотные характеристики транзистора. распределение концентрации носителей заряда в области базы, эмиттера и коллектора. зарядовая модель биполярного транзистора. структура и принцип действия тиристора

Биполярный транзистор является наиболее распространенным активным полупроводниковым прибором. Такой транзистор состоит

из двух взаимодействующих

p − n − переходов, созданных в объеме

монокристалла кремния или германия. Работа биполярного транзистора основана на явлениях, происходящих в объеме полупроводника.  Два

p − n − перехода  разделяют  три  области,  называемые

эмиттером, базой и коллектором (рис. 14.1).

Рис. 14.1. Биполярный транзистор типа n − p − n : (а) упрощенная модель; (б)

условное графическое изображение

В зависимости от характера примесей в этих областях принято

различать транзисторы типа

n − p − n

и  p − n − p . Ограничим наше

рассмотрение приборами типа

n − p − n , которые в настоящее время

чаще используются, имеют лучшие характеристики в области высоких частот и большее усиление при одной и той же концентрации примесей и одинаковой геометрии.

Это объясняется тем, что подвижность электронов в два, три раза выше подвижности дырок. Для

того чтобы было велико взаимодействие токов через два перехода, расстояние между ними должно быть мало по сравнению с диффузионной длиной основных носителей тока.

Термин «биполярный транзистор» указывает на то, что работа данного прибора связана с движением как электронов, так и дырок. Рассмотрим одномерную структуру. Источники напряжений подключены таким образом, что усилительный прибор работает в активном

режиме при нормальном включении: источник Uэ

смещает переход

«эмиттер-база» в прямом направлении, а источник Uk

смещает переход «коллектор-база» в обратном направлении (рис. 14.1а). Возможны еще три режима, которые используются в переключательных устройствах: инверсный активный режим (аналогичный нормальному активному, но с взаимной переменой мест эмиттера и коллектора), режим отсечки (оба напряжения являются обратными) и, наконец, режим насыщения (оба перехода смещены в обратном направлении).

В активном нормальном режиме работы транзистора потенциал

Uэ  вызывает инжекцию электронов из эмиттера в область базы, которая располагается между границами

xБЭ

и xБК

обедненных областей

p − n − переходов.     В         активной        области           базы    происходит

диффузия электронов. (Следует иметь в виду, что в базе так называемого дрейфового транзистора наряду с диффузией имеет место дрейф неосновных носителей под действием внутреннего поля). Некоторые электроны рекомбинируют с дырками, однако, большая

часть проходит область базы и достигает того участка, где источник

напряжения

UКБ , включенный в обратном направлении, создает интенсивное электрическое поле, ускоряющее носители по направлению к коллектору. Чтобы этот процесс шел эффективно, активная область базы должна быть гораздо меньше диффузионной длины электронов.

Процесс усиления происходит следующим образом. Так как концентрация легирующих примесей в базе мала, инжекция дырок из базы в эмиттер приводит к возникновению лишь небольшого дырочного тока, протекающего через вывод базы.

С помощью этого малого тока можно управлять гораздо большим током коллектора

(как уже отмечалось, работа транзистора основана на существовании носителей обоих знаков).

Когда к эмиттерному переходу приложено прямое напряжение, электроны из эмиттера инжектируются в базу, где становятся неосновными носителями. Поскольку к коллекторному переходу приложено обратное напряжение, то электроны из базы затягиваются электричесим полем перехода в область коллектора. Ток, проходящий через коллектор, можно определить по формуле

Ik  = −(I

k0  + αIэ

) .         (14.1)

Величина α  представляет собой коэффициент усиления по току, который является одним из основных параметров транзисторов.

Коллекторный ток в отсутствие эмиттерного тока обозначается как Ik0 . Эта величина определяется равновесными носителями в базе и равна обратному току насыщения. Для эффективной работы транзистора коэффициент α  должен быть близок к единице, характерные значения в реальных приборах составляют 0,98÷0,99. Значение

коэффициента усиления зависит от конструкции прибора и режима

его  работы,  т.е.  от  значений  токов  и  напряжений  через  оба

p − n − перехода.

Поскольку напряжение UК

подключается как обратное, уровень

импеданса, относящийся к этой части цепи, оказывается существенно выше того уровня, который связан с источником

Uэ . По этой

причине транзистор является элементом цепи, создающим усиление по напряжению. Коэффициент передачи тока от эмиттера к коллектору  оказывается  немного  меньшим  единицы.  Произведение этих двух величин есть коэффициент усиления по мощности, который может превышать единицу. В активном режиме работу транзистора можно оценивать также крутизной характеристики, которая определилась путем измерения приращения тока на выходе в зависимости от изменения напряжения на входе.

При анализе работы биполярного транзистора в качестве усилительного прибора особый интерес представляет случай, когда напряжение «база-эмиттер» изменяется во времени периодически. Если амплитуда этого напряжения достаточно мала, то говорят, что транзистор работает в режиме малого сигнала.

Если в качестве основы для расчетов работы транзистора рассматривать заряды, которые накапливаются в различных областях прибора, то такая модель называется зарядовой. Если предположить, что ток, протекающий по переходу, является линейной функцией заряда, его производной по времени, а также переменного напряжения, приложенного к переходу, то накопленный заряд можно представить в виде функции, которая зависит только от времени и удовлетворяет обобщенному закону сохранения заряда. Зарядовая модель может быть выражена как

I = Q   n

+ Qp

+  dQn

+ dQp

+ dQпер ,        (14.2)

τ’n

τ’ p       dt         dt         dt

где I полный ток в переходе; Qn

заряд, внесенный электронами в

нейтральную

p − область; Qp

заряд, внесенный дырками в нейтральную

n − область;

τ’n

среднее время жизни электрона с учетом

процессов рекомбинации в объеме и на поверхности;

τ’p

среднее

время жизни дырки;

Qпер

заряд в обедненной области; Qn

τ’n        и

Qp   τ’ p

составляющие тока, связанные с поддержанием процессов

рекомбинации в нейтральных областях;

dQn

dt  и

dQp

dt  составляющие тока, обусловленные изменениеями избыточных носителей

в нейтральных областях;

dQпер

dt  составляющая тока, обусловленная изменением заряда в обедненной области.

Транзистор типа

n − p − n , работающий как усилитель, управляется напряжением, которое прикладывается к переходу «базаэмиттер». Изменение этого напряжения влияет на значения составляющих заряда.

Дифференциальные уравнения, описывающие зарядовую модель транзистора, являются линейными, несмотря на то, что токи и напряжения в транзисторе связаны между собой нелинейной зависимостью. Эти уравнения весьма полезны для расчетов устройств, в которых транзистор подключен к внешней нагрузке. Среди всевозможных применений зарядовой модели можно указать ее использование для нахождения тока коллектора в транзисторе, который работает в активном режиме и имеет источник тока в базовой цепи.

Особенно часто эту модель применяют при исследовании работы транзистора в режиме большого сигнала, а также при изучении нестационарного процесса, сопровождающего переход транзистора из режима отсечки в режим насыщения. Эта модель позволяет также определить ток стока в МОП-транзисторе на основании соотношения, которое связывает заряд в канале с временем перехода носителей через область канала.

Вольтамперные характеристики зависимости тока  коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером представлены в качестве примера на рис. 14.2.

Рис. 14.2. Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме «общий эмиттер»: 1 насыщение; 2 активный режим; 3 отсечка

Тиристоры представляют собой четырехслойные полупроводниковые приборы, предназначенные для создания накопительных устройств,  управляемых  выпрямителей, регуляторов  мощности  и т.п. Эти приборы имеют два устойчивых состояния, в одном из которых они проводят ток («включено»), а в другом разрывают цепь («выключено»). Тиристоры могут работать с напряжениями до 1000

В и коммутировать токи до 500 А. Удается достичь длительности переключения вплоть до десятков микросекунд.

Управляемый тиристор используют как регулирующий элемент осветительной аппаратуры. Он применяется также в силовых устройствах  преобразования  частоты,  может  служить  быстродействующим коммутатором и т.д.

Идеальная структура такого прибора представляет объединение транзисторов типа

p − n − p

и n − p − n

(рис. 14.3).

Рис. 14.3. Идеальная структура кремниевого управляемого тиристора

Ток  в  цепи  управляющего  электрода  усиливается

n − p − n транзистором, поэтому в цепи

p − n − p — транзистора возникает ток,

который усиливается транзистором типа n-p-n. Этот ток возрастает до тех пор, пока не становится равным току насыщения. С ростом тока управляющего электрода напряжение лавинного пробоя (напряжение включения) уменьшается. При больших токах управляющего электрода лавинный пробой наблюдается в точках, близких к кривой, описывающей вольтамперную характеристику выпрямляющего

p − n − перехода.

Материал взят из книги Основы полупроводниковой техники и ее применение  в  автотранспортном  комплексе (Ткачева Т.М.)

Э – эмиттер; Б – база; К – коллектор — Мегаобучалка

Транзисторы включаются в схему таким образом, чтобы к p-n-переходу П₁ эмиттер-база внешнее напряжение было приложено в прямом направлении, а к p-n-переходу П₂ коллектор-база – в обратном направлении. При включении внешних напряжений для обоих полупроводниковых триодов потенциальный барьер между эмиттером и базой понижается, а между базой и коллектором – увеличивается. В результате этого основные носители заряда эмиттерного слоя переходят в область базы, а затем в область коллектора, создавая ток через коллекторный p-n-переход.

Одновременно с этим имеет место и переход основных носителей заряда базы через эмиттерный переход. Однако в область базы при изготовлении триода вводят << примесей, чем в эмиттер, поэтому ток через эмиттерный переход создаётся главным образом переходом основных носителей заряда эмиттера через базу. Если время прохождения основных носителей заряда эмиттера через базу много меньше времени их независимого существования, то основная часть этих носителей дойдёт до коллекторного перехода. При этом лишь небольшая часть указанных носителей рекомбинирует в базе с её основными носителями. Значит, величина тока, протекающего через коллекторный переход, определяется и зависит от величины тока, протекающего через эмиттерный переход.

Связь между током коллекторной и током эмиттерной цепей:

α=di_k/di_э при U_k=const. – коэффициент передачи тока.

В простейшем случае: α=I_k/I_э.

Для плоскостных транзисторов: α=0,92-0,99.

Ток базы: I_б=I_э-I_k.

4,5,6. Схема включения транзистора с общей базой и её коэффициенты.

При рассмотрении усилительных свойств переменных сигналов транзисторов схемы их включения можно рассматривать без источников питания, поскольку в сравнении с другими сопротивления источников оказываются весьма малыми.

Включение транзистора возможно по трём схемам: с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).

Схему усилительной ячейки на транзисторе с общей базой можно применять на высоких частотах, однако она имеет коэффициент усиления по току меньше 1 и малое входное сопротивление.

Коэффициент усиления по току:

K_iб=i_вх/i_вых=i_k/i_э=α<1

Коэффициент усиления по напряжению:

K_Uб=U_вых/i_вх=i_kR_Hб/i_эR_вхб=α R_H/R_вх>1

коэффициент усиления по мощности:

K_Pб=K_iK_U=α² R_Hб/R_вхб>1

Здесь R_нб – сопротивление нагрузочного резистора

в схеме с общей базой; R_вхб – входное сопротивление усилительного каскада.

Как выводить формулы:

Общие формулы, независимые от схемы включения транзистора:

— коэффициент усилительного каскада по току K_i=i_вых/i_вх

— коэффициент усиления по напряжению K_U=U_вых/U_вх i, u –

— коэффициент усиления по мощности K_P=K_i∙K_U мгновенные значения

— входное сопротивление каскада R_вх=U_вх/i_вх

За основной электрод, от которого отсчитываются напряжения, в данной схеме принимается база. Эмиттерная цепь – входная, а коллекторная – выходная.

Отсюда K_iб=i_вых/i_вх=i_k/i_э=α , где i_k – ток коллектора, i_э – ток эмиттера.

Соотношение между токами эмиттера, коллектора и базы для схемы с общей базой: i_э=i_k+i_б, где i_б – ток базы.

Входящее в выражение для коэффициента усиления по напряжению входное сопротивление для этой схемы оказывается равным R_вхб=U_эб/i_э=R_эб. Это сопротивление открытого p-n-перехода. R_эб~ 10-100 Ом.

В усилителях на транзисторах сопротивление коллекторного перехода R_H>> сопротивления слоя базы R_б>> сопротивления эмиттерного перехода R_э. Поэтому K_U>1.

В соответствии с условными положительными направлениями напряжений нетрудно установить, что сигналы на входе и на выходе схемы с общей базой совпадают по фазе.

7,8,9. Схема включения транзистора с общим эмиттером и её коэффициенты.

Наиболее часто используют схему с общим эмиттером, с помощью которой возможно осуществить усиление по току, по напряжению и наибольшее по сравнению с другими схемам усиление по мощности. У схемы ОЭ малое входное сопротивление, порядка сотен Ом.

Во многих справочниках по транзисторам даётся коэффициент усиления по току для схемы ОЭ: β=i_k/i_б. β~10-100.

Связь β c α можно выразить из системы: α=i_k/i_э β=α/(1-α),

i_э=i_k+i_б или α=β/(1+ β)

Транзистор, допускающий напряжение от базы к эмиттеру без коллектора

\$\начало группы\$

Я новичок в электротехнике и пытался создать транзисторный переключатель для своего двигателя. При этом заметил баг при отключении источника питания 5 В.

Схема выглядит так, как показано ниже. Мой GPIO 23, дающий 3,3 В, подключен к базе NPN-транзистора через резистор 5 кОм. Излучатель подключен к светодиоду, который подключен к земле на Raspberry Pi.

Я не понимаю, почему ток идет от базы к эмиттеру. Используя свой мультиметр, я обнаружил, что напряжение на резисторе составляет всего 0,6 В, а напряжение на светодиоде составляет 3 В. Как это вообще возможно? Я думал, что база просто сказала транзистору позволить току течь от коллектора к эмиттеру.

Я предположил, что это было причиной моей первой проблемы с двигателем. Второе изображение представляет собой схему полностью подключенной цепи, которая по какой-то причине питает светодиод, но не двигатель. Я не понимаю, почему все это не работает.

• напряжение
• транзисторы
• двигатель
• raspberry-pi
• макетная плата

\$\конечная группа\$

3

\$\начало группы\$

В вашей схеме падение напряжения на светодиоде составляет 2-3 вольта, но напряжение на эмиттере транзистора будет всего около 2,6 вольта (примерно на 0,7 вольта ниже базового напряжения), поэтому для двигателя останется очень мало напряжения ( и двигателю, вероятно, потребуется гораздо больший ток, чем светодиод может безопасно пропустить. )

^{смоделируйте эту схему — схема создана с помощью CircuitLab}

\$\конечная группа\$

3

\$\начало группы\$

Проводимость перехода база-эмиттер не зависит от перехода эмиттер-коллектор. Когда коллектор плавает, BJT ведет себя как диод. Возможно, анализ слабого сигнала BJT объяснит это лучше.

Транзистор ведет себя как эта схема T-конфигурации. Когда коллектор плавает, ток поступает в коллектор, а модель не хочет, но я хочу показать, что соединение база-эмиттер-перемычка может быть заменено диодом, который будет проводить ток Vbe>0.

\$\конечная группа\$

2

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

Управление промышленным двигателем: транзистор

---

ЦЕЛИ

• Обсудите различия между транзисторами PNP и NPN.
• Проверка транзисторов омметром.
• Идентифицируйте выводы стандартных корпусных транзисторов.
• Обсудите работу транзистора.
• Включить транзистор в цепь.

Транзистор

Транзисторы изготавливаются путем соединения трех частей полупроводникового материала. Существует два основных типа транзисторов: NPN и PNP (рис. 1). Схематические обозначения этих транзисторов показаны на фиг. 2. Эти транзисторы различаются по способу включения в цепь. Транзистор NPN должен иметь положительное напряжение, подключенное к коллектору. и отрицательное напряжение, подключенное к эмиттеру.

PNP должен иметь положительное напряжение, подключенное к эмиттеру, и отрицательное напряжение, подведенное к коллектору. База должна быть подключена к тому же полярность коллектора для прямого смещения транзистора. Обратите внимание, что стрелки на эмиттерах указывают в направлении условного протекания тока.

Омметр можно использовать для проверки транзистора, который омметра в виде двух соединенных диодов (рис. 3). (Для объяснения как проверить транзистор см. Процедуру 2 в Приложении.) Если полярность Выход выводов омметра известен, транзистор можно идентифицировать как НПН или ПНП. NPN-транзистор покажется омметру двумя диодами. с их соединенными анодами. Если положительный провод омметра подключен к базе транзистора должен быть виден диодный переход между базовый коллектор и база-эмиттер. Если отрицательный вывод омметра подключен к базе NPN-транзистора, непрерывности быть не должно между переходом база-коллектор и база-эмиттер.

Транзистор PNP будет казаться омметру двумя диодами с их катоды подключены. Если отрицательный вывод омметра подключен к базы транзистора должен быть виден диодный переход между база-коллектор и база-эмиттер. Если положительный провод омметра подключен к базе не должно быть непрерывности между базой-коллектором или базовый эмиттер.

РИС. 1 Два основных типа транзисторов.

РИС. 2 Схематические обозначения транзисторов.

РИС. 3 Проверка транзисторов омметром.

РИС. 4 Небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Простейший способ описать работу транзистора — сказать, что он работает как электрический клапан.

Ток не будет протекать через коллектор-эмиттер, пока не потечет ток через базу-эмиттер. Однако величина тока база-эмиттер мало по сравнению с током коллектор-эмиттер (рис. 4).

Например, предположим, что когда через переход база-эмиттер, ток 100 мА через коллектор-эмиттер узел.

Если этот транзистор является линейным устройством, увеличение или уменьшение базы ток вызовет аналогичное увеличение или уменьшение тока коллектора. Следовательно, если ток базы увеличить до 2 мА, коллектор ток увеличится до 200 миллиампер. Если ток базы уменьшился до 0,5 мА ток коллектора уменьшится до 50 мА. Обратите внимание, что небольшое изменение величины базового тока может вызвать большое изменение величины тока коллектора. Это позволяет небольшое количество сигнального тока для управления более крупным устройством, например, катушкой управляющего устройства. реле.

Одним из наиболее распространенных применений транзистора в промышленности является то, что переключателя. При таком использовании транзистор работает как цифровой устройство вместо аналогового устройства. Под цифровым понимается устройство, имеет только два состояния, например, включено и выключено. Аналоговое устройство можно настроить в разные состояния. Пример этого элемента управления можно увидеть на простом переключать соединение. Обычный настенный выключатель представляет собой цифровое устройство. Может быть используется для включения или выключения света. Если заменить простой тумблер с диммером, свет можно включать, выключать или регулировать в любое положение между включенным и выключенным. Диммер является примером аналогового контроль.

Если через базу транзистора не протекает ток, транзистор действует как разомкнутый переключатель, и через коллектор-эмиттер не может протекать ток. узел. Если к транзистору приложен достаточный базовый ток, чтобы повернуть его полностью включен, он действует как замкнутый переключатель и пропускает ток через переход коллектор-эмиттер.

Это то же самое действие, которое производят замыкающие контакты реле или пускатель двигателя, но, в отличие от транзистора, реле или пускатель двигателя не могут включаться и выключаться несколько тысяч раз в секунду.

Некоторые типы корпусов транзисторов позволяют быстро идентифицировать выводы. (Рисунки 5, 6 и 7).

К этой категории относятся кейсы ТО 5 и ТО 18, а также кейс ТО 3. выводы корпусных транзисторов ТО 5 и ТО 18 можно определить по удержанию корпус транзистора с выводами, обращенными к вам, как показано на фиг. 8А. Металлический выступ на корпусе транзистора находится ближе всего к эмиттеру вести. Выводы базы и коллектора расположены, как показано на рисунке.

Выводы корпусного транзистора ТО 3 можно идентифицировать, как показано на РИС. 8Б. Когда транзистор удерживается выводами к себе и вниз, эмиттер — это левый вывод, а база — правый вывод. Дело транзистор является коллектором.

РИС. 6 К 220 корпусной транзистор.

РИС. 5 К 18 корпус транзистора.

РИС. 8 Идентификация выводов транзисторов.

РИС. 7 К 3 корпус транзистора.

ВИКТОРИНА

1. Какие существуют два основных типа транзисторов?

2. Объясните, как проверить транзистор NPN с помощью омметра.