Что такое транзисторы и как они работают

Рубрика: Статьи про радиодетали Опубликовано 09.06.2020   ·   Комментарии: 0   ·   На чтение: 7 мин   ·   Просмотры:

Post Views: 389

Транзисторы – это основа всей цифровой электроники 21 века. Они выполняют самые разнообразные функции. Это правопреемники и наследники радиоламп, так называемых вакуумных триодов. В этой статье мы на простом примере рассмотрим концепцию, принцип работы и применение транзисторов в электронике.

Концепция транзисторов

Что такое концепция? Это общее представление об объекте или процессе. Например, концепция автомобиля – это четыре колеса, руль, корпус, двигатель и коробка передач. Концепция одна, а выпускаются автомобили с разной конструкцией, устройством и предназначением.

У транзисторов, как и у вакуумных триодов, очень простая концепция и принцип работы.

Триод – это та деталь, у которой три контакта.

Давайте представим бак с водой, в центре которого установлена задвижка.

Что мы можем сделать с потоком воды? Мы можем управлять им за счет задвижки.

Например, если в баке течет вода, и задвижки нет в нем, то вода проходит без препятствия.

В тоже время, если мы полностью перекроем путь задвижкой, то и вода не будет поступать во вторую условную часть бака и поток прекратится.

А еще мы можем полностью управлять потоком воды при помощи регулировки задвижки.

Получается, что при помощи небольшой задвижки можно контролировать огромный поток воды.
Небольшие колебания (перемещения) задвижки позволяют с такой же частотой пропускать большой поток воды.

И именно в этом суть транзисторов и вакуумных триодов. С их помощью можно управлять электрическим током больших значений применяя небольшие усилия.

Но в тоже время транзисторы могут быть по разному устроены.

Полевые транзисторы

Описанный выше пример – это полевой транзистор. У самого простого полевого транзистора есть сток, исток и затвор.

Транзисторы изготавливаются из полупроводниковых материалов. Поэтому, у них есть второе название — полупроводниковые триоды.

При помощи полупроводников можно изготовить p-n переход.

Любой транзистор состоит из p-n переходов, которые пропускают электрический ток в одном направлении. И этот переход позволят управлять электрическим током как задвижкой.

Полевые транзисторы управляются при помощи напряжения, которое подается на затвор.

Так выглядит состав полевого транзистора с каналом p – типа.

А вот так с n – типом.

Канал транзистора – это область между истоком и стоком.

Почему транзисторы бывают разными по проводимости? Транзистор с n типом управляется при помощи положительного потенциала, а с p типом наоборот, отрицательным потенциалом. Это позволяет усиливать сигналы с разными потенциалами.

Затворов у полевых транзисторов на самом деле два, но их выводы объединены в один, так как функция у них одинакова. Зачем нужно два затвора? Так транзистором проще управлять.

Подавая напряжение на затвор, мы можем регулировать электрический ток проходящий от истока к стоку.

А самое главное не это. Самое главное, что мы можем таким образом не просто включить или выключить электрический ток по цепи, но и управлять его движением.

Например, можно подать на затвор полевого транзистора переменный сигнал 5 мкВ. И он будет модулировать электрический ток, который проходит через исток и сток транзистора. Так можно получить усиленный сигнал.

Также полевые транзисторы имеют разные схемы включения, которые позволяют согласовывать сопротивления и регулировать усилительные функции.

Обозначение (УГО) полевого транзистора с каналом n типа на принципиальных схемах:

Биполярные транзисторы

Это другой тип транзисторов. Такие транзисторы управляются при помощи электрического тока. И они состоят из чередующихся p-n переходов.

Как и у полевого транзистора, у биполярного тоже три контакта. Это эмиттер, база и коллектор. База всегда по типу противоположна эмиттеру и коллектору.

А также размеры базы транзистора намного меньше, чем у коллектора или эмиттера. База только открывает транзистор. И так как через нее протекает ток, она не должна быть большой, чтобы на нее не тратилось много энергии.

Эмиттер — это большой источник основных носителей заряда. А коллектор — это самый большой контакт из этой троицы. С коллектора снимается усиленный сигнал в классической схеме, чтобы получить максимальную мощность. В транзисторах большой мощности коллектор припаян напрямую к корпусу, чтобы рассеивать тепло.

Бывают биполярные транзисторы n-p-n типа.

и p-n-p типа.

Обозначение (УГО) биполярного n-p-n транзистора на принципиальных схемах:

Отличие биполярных транзисторов от полевых

Полевые транзисторы управляются при помощи электрического поля и благодаря этому они очень энергоэффективны. Именно по этой причине они используются при производстве процессоров.

С другой стороны, у полевых транзисторов есть слабое место. Это их тонкий p-n переход. Он очень чувствителен к статическому электричеству. Кстати, именно из-за статического электричества перестают работать флешки и карты памяти, если вы их вытащили из устройства во время работы.

Схемы защиты от статического электричества не успевают сработать, и статика разрушает полевые транзисторы.

А вот биполярные транзисторы наоборот, лучше переносят статику. Но в тоже время, они потребляют больше мощности, так как для их открытия нужен электрический ток.

Схемы включения

Так как у транзисторов три контакта, то можно чередовать вход и выход. Что это даст? У каждого контакта свои особенности. Например, если мы подадим сигнал на базу и эмиттер биполярного транзистора, а снимать итоговый сигнал будем с эмиттера и коллектора, то такая схема будет называются с общим эмиттером.

Этот тип включения позволяет передать максимум мощности в нагрузку.

Прочитать подробнее про работу схемы с общим эмиттером можно в этой статье.

Аналогичным образом можно подключить схему с общим коллектором и с общей базой. По сути, общий контакт — это такой контакт, который работает и на входе и на выходе одновременно с разными контактами.

Все тоже самое справедливо и для полевых транзисторов. Есть схемы с общим стоком, истоком и затвором.

Другие типы транзисторов

А еще бывают однопереходные, комплементарные и КМОП, МДП (MOSFET) и множество других транзисторов. Они разные по своим характеристикам, выполняют разные задачи и предназначены для конкретных целей. Но в целом, принцип работы у всех одинаков. Это управление электрическим током.

Характеристики

Так как полупроводниковые триоды (транзисторы) выполнены из полупроводника, то и на их работу влияет окружающая среда. Например, при изменении температуры окружающей среды, транзистор может вносить нелинейные искажения в выходной сигнал. С этим борются при помощи термпостабидизционных схем, которые позволяют стабилизировать работу транзистора на высоких температурах.

Также у транзисторов есть ВАХ (вольт-амперные характеристики), которые в отличие от вакуумной техники, быстро переходят в насыщение.

У всех транзисторов есть следующие параметры:

• Коэффициент усиления по току;
• Коэффициент усиления по напряжению;
• Коэффициент усиления по току;
• Коэффициент обратной связи;
• Коэффициент передачи по току;
• Входное сопротивление;
• Выходное сопротивление;
• Время включения;
• Максимально допустимый ток и др.

У биполярных:

• Обратный ток коллектор-эмиттер;
• Частота коэффициента передачи тока базы;
• Обратный ток коллектора;
• Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером и др.

Режимы работы

В целом, можно выделить несколько режимов работы:

• Номинальный режим;
• Инверсный;
• Насыщения;
• Отсечка;
• Барьерный.

Функции транзисторов

Транзисторы выполняют следующие функции:

1. Позволяют усиливать электрические сигналы. Транзисторы усиливают любые электрические сигналы, как высокие так и низкие частоты.
2. Могут работать как ключ, включать и выключать поступление электрического тока. Благодаря этому простому включению и выключению работают все современные процессоры. Транзисторы – это основа всей современной цифровой техники.
3. Генерируют электрические сигналы за счет положительной обратной связи. На их основе можно сделать генераторы звука и сигналов.
4. Могут согласовывать сопротивления электрических цепях за счет различных схем включения и работают как ограничители тока. В блоках питания транзисторы могут ограничивать ток короткого замыкания, а также работать как предохранитель.

Чем транзисторы уступают лампам

Несмотря на неоспоримые преимущества транзисторов перед лампами, ламповые триоды по прежнему имеют ряд преимуществ., среди которых:

• Устойчивость к высоким электромагнитным наводкам и помехам. Это не значит, что полупроводниковая техника может выйти из строя от любых помех. Но если случится сильнейшая магнитная буря от Солнца (или мощный ЭМИ удар от ядерных бомб), то все p-n переходы в полупроводниковой технике могут выйти из строя из-за высоких токов наводки. Вакуумная техниках намного устойчивее к таким помехам.
• Ламповая техника намного лучше и стабильнее работает на высоких частотах. И это уже особенности конструкции. Так как в транзисторах есть p-n переходы, то у них тоже есть своя емкость. А паразитная емкость на высоких частотах негативно влияет на усиление сигнала. Появляются нелинейные искажения. А в вакуумной технике есть такие лампы, у которых по несколько экранирующих сеток, которые позволяют снизить эффект паразитных емкостей. Пример радиолампы — это клистрон.

Нельзя прямо сказать, что транзисторы полностью искоренили лампы. У каждой детали есть свои преимущества и недостатки в разных областях. Конечно, в цифровой технике транзисторам нет ровни среди ламп. Однако на сверхвысоких частотах транзисторы по-прежнему уступают лампам.

Post Views: 389

Триггер Шмитта | мтомд.инфо

Триггер Шмитта представляет собой бистабильную схему, переключение которой зависит от амплитуды запускающих им­пульсов. Типичная схема триггера Шмитта на двух транзисторах n-р-n типа изображена на рисунке.

Триггер Шмитта схема

Такие схемы успешно применяются в вычислительных устройствах и различных промышленных установках, где тре­буется изменять форму импульсов, формировать прямоугольные импульсы из синусоидальных колебаний и фиксировать превы­шение сигналом постоянного тока установленного уровня (по­рога).

Триггер Шмитта на транзисторах

Для лучшего понимания работы схемы вначале предполо­жим, что на входе транзистора Т₁сигнал отсутствует. Резисто­ры R₁, R₂ и R₃, включенные между положительным зажимом источника питания и землей, образуют делитель напряжения, и падение напряжения на резисторе R₃ будет положительным от­носительно эмиттера транзистора Т₂, благодаря чему поддержи­вается открытое состояние этого транзистора. На коллектор транзистора Т₂через резистор R₄ подается положительное на­пряжение от источника питания. При открытом транзисторе на резисторе R₅ в цепи эмиттера появляется падение напряжения, так как через него протекает ток эмиттера; полярность напря­жения показана на рисунке. Через низкоомную вторичную об­мотку входного трансформатора L₂ напряжение на R₅ прикла­дывается между эмиттером и базой транзистора T₁ и создает обратное смещение на переходе база — эмиттер транзистора Т₁. Поэтому Т₁закрыт. Такое стабильное состояние схемы являет­ся одним из двух возможных состояний. Из-за протекания тока через резистор R₄ и падения напряжения на нем коллекторное напряжение на выходном зажиме меньше напряжения источни­ка. Конденсатор С₂не пропускает на выход постоянного напряжения, и в рассматриваемом стабильном состоянии тригге­ра выходное напряжение равно нулю.

При подаче на вход импульса напряжения он не будет ока­зывать влияния на схему, если амплитуда импульса меньше напряжения смещения между базой и эмиттером транзисто­ра Т₁, подаваемого с резистора R₅. Если же амплитуда входно­го импульса превысит указанную величину, то транзистор Т₁ откроется. Вследствие уменьшения напряжения на коллекторе транзистора Т₁уменьшается прямое смещение на базе транзи­стора Т₂, в результате чего его ток эмиттера уменьшится. Соот­ветственно уменьшится падение напряжения на резисторе R₅, а прямое смещение на базе первого транзистора возрастет и вызовет дальнейшее увеличение тока через транзистор Т₁. Падение напряжения на резисторе R_i еще больше воз­растет и приведет к еще большему уменьшению пря­мого смещения на базе Т₂и уменьшению падения напряжения на резисторе R₅. Этот регенеративный процесс будет продол­жаться до тех пор, пока транзистор Т₁полностью не откроется, а Т₂не закроется. Когда ток коллектора транзистора Т₂спадет от максимальной величины до нуля и соответственно падение напряжения на резисторе R₄ станет уменьшаться, напряжение на коллекторе, которое является выходным, начнет возрастать. Изменение напряжения на коллекторе передается через кон­денсатор С₂ и является выходным сигналом; форма и величи­на выходного сигнала зависят от величины сопротивления на­грузки R„ и постоянной времени (R4 + Rн)С₂. Состояние, соот­ветствующее отпертому транзистору Т₁и запертому транзисто­ру Т₂, является вторым устойчивым состоянием схемы, и оно сохраняется в течение длительности входного импульса. Когда напряжение входного импульса спадет до нуля, схема вновь возвратится в исходное состояние: транзистор Т₁закрыт, а транзистор Т₂открыт. Если постоянная времени (R₄ + R_н)С₂ значительно превосходит длительность входного импульса, то амплитуда выходных импульсов остается практически постоян­ной независимо от изменений высоты входных импульсов (при условии, что они превосходят уровень запирания Т₁).

На частотах повторения импульсов более 20 кГц эффективность схемы можно повысить путем применения конденсатора связи вместо входного трансформатора.

что делает, где применяется, режимы работы биополярного транзистора

Электроника окружает нас всюду. Но практически никто не задумывается о том, как вся эта штука работает. На самом деле все довольно просто. Именно это мы и постараемся сегодня показать. А начнем с такого важного элемента, как транзистор. Расскажем, что это такое, что делает, и как работает транзистор.

Что такое транзистор?

Транзистор – полупроводниковый прибор, предназначенный для управления электрическим током.

Где применяются транзисторы? Да везде! Без транзисторов не обходится практически ни одна современная электрическая схема. Они повсеместно используются при производстве вычислительной техники, аудио- и видео-аппаратуры.

Времена, когда советские микросхемы были самыми большими в мире, прошли, и размер современных транзисторов очень мал. Так, самые маленькие из устройств имеют размер порядка нанометра!

Приставка нано- обозначает величину порядка десять в минус девятой степени.

Однако существуют и гигантские экземпляры, использующиеся преимущественно в областях энергетики и промышленности.

Транзисторы

Существуют разные типы транзисторов: биполярные и полярные, прямой и обратной проводимости. Тем не менее, в основе работы этих приборов лежит один и тот же принцип. Транзистор — прибор полупроводниковый. Как известно, в полупроводнике носителями заряда являются электроны или дырки.

Область с избытком электронов обозначается буквой n (negative), а область с дырочной проводимостью  – p (positive).

Как работает транзистор?

Чтобы все было предельно ясно, рассмотрим работу биполярного транзистора (самый популярный вид).

Биполярный транзистор (далее – просто транзистор) представляет собой кристалл полупроводника (чаще всего используется кремний или германий), разделенный на три зоны с разной электропроводностью. Зоны называются соответственно коллектором, базой и эмиттером. Устройство транзистора и его схематическое изображение показаны на рисунке ни же

Биполярный транзистор

Разделяют транзисторы прямой и обратной проводимости.  Транзисторы p-n-p называются транзисторами с прямой проводимостью, а транзисторы n-p-n – с обратной.

Транзисторы

Теперь о том, какие есть два режима работы транзисторов. Сама работа транзистора похожа на работу водопроводного крана или вентиля. Только вместо воды – электрический ток. Возможны два состояния транзистора – рабочее (транзистор открыт) и состояние покоя (транзистор закрыт).

Что это значит? Когда транзистор закрыт, через него не течет ток. В открытом состоянии, когда на базу подается малый управляющий ток, транзистор открывается, и большой ток начинает течь через эмиттер-коллектор.

Физические процессы в транзисторе

А теперь подробнее о том, почему все происходит именно так, то есть почему транзистор открывается и закрывается. Возьмем биполярный транзистор. Пусть это будет n-p-n транзистор.

Если подключить источник питания между коллектором и эмиттером, электроны коллектора начнут притягиваться к плюсу, однако тока между коллектором и эмиттером не будет. Этому мешает прослойка базы и сам слой эмиттера.

 

Транзистор закрыт

Если же подключить дополнительный источник между базой и эмиттером, электроны из n области эмиттера начнут проникать в область баз. В результате область базы обогатиться свободными электронами, часть из которых рекомбинирует с дырками, часть потечет к плюсу базы, а часть (большая часть) направится к коллектору.

Таким образом, транзистор получается открыт, и в нем течет ток эмиттер коллектор. Если напряжение на базе увеличить, увеличится и ток коллектор эмиттер. Причем, при малом изменении управляющего напряжения наблюдается значительный рост тока через коллектор-эмиттер. Именно на этом эффекте и основана работа транзисторов в усилителях.

Транзистор открыт

Вот вкратце и вся суть работы транзисторов. Нужно рассчитать усилитель мощности на биполярных транзисторах за одну ночь, или выполнить лабораторную работу по исследованию работы транзистора? Это не проблема даже для новичка, если воспользоваться помощью специалистов нашего студенческого сервиса.

Не стесняйтесь обращаться за профессиональной помощью в таких важных вопросах, как учеба! А теперь, когда у вас уже есть представление о транзисторах, предлагаем расслабиться и посмотреть клип группы Korn “Twisted transistor”! Например, вы решили купить отчет по практике, обращайтесь в Заочник.

 

Транзистор | Электронные печеньки

Транзистор

Транзистор — полупроводниковый прибор позволяющий с помощью слабого сигнала управлять более сильным сигналом. Из-за такого свойства часто говорят о способности транзистора усиливать сигнал. Хотя фактически, он ничего не усиливает, а просто позволяет включать и выключать большой ток гораздо более слабыми токами. Транзисторы весьма распространены в электронике, ведь вывод любого контроллера редко может выдавать ток более 40 мА, поэтому, даже 2-3 маломощных светодиода уже не получится питать напрямую от микроконтроллера. Тут на помощь и приходят транзисторы. В статье рассматриваются основные типы транзисторов, отличия P-N-P от N-P-N биполярных транзисторов, P-channel от N-channel полевых транзисторов, рассматриваются основные тонкости подключения транзисторов и раскрываются сферы их применения.

Не стоит путать транзистор с реле. Реле — простой выключатель. Суть его работы в замыкании и размыкании металлических контактов. Транзистор устроен сложнее и в основе его работы лежит электронно-дырочный переход. Если вам интересно узнать об этом больше, вы можете посмотреть прекрасное видео, которое описывает работу транзистора от простого к сложному. Пусть вас не смущает год производства ролика — законы физики с тех пор не изменились, а более нового видео, в котором так качественно преподносится материал, найти не удалось:

Биполярный транзистор

Биполярный транзисто предназначен для управления слабыми нагрузками (например, маломощные моторы и сервоприводы). У него всегда есть три вывода:

• Коллектор (англ. collector) — подаётся высокое напряжение, которым транзистор управляет

• База (англ. base) — подаётся или отключается ток для открытия или закрытия транзистора

• Эмиттер (англ. emitter) — «выпускной» вывод транзистоа. Через него вытекает ток от коллектора и базы.

Биполярный транзистор управляется током. Чем больший ток подаётся на базу, тем больший ток потечёт от коллектора к эмиттеру. Отношение тока, проходящего от эмиттера к коллектору к току на базе транзистора называется коэффициент усиления. Обозначается как h_fe (в английской литературе называется gain).

Например, если h_fe = 150, и через базу проходит 0.2 мА, то транзистор пропустит через себя максимум 30 мА. Если подключен компонент, который потребляет 25 мА (например, светодиод), ему будет предоставлено 25 мА. Если же подключен компонент, который потребляет 150 мА, ему будут предоставлены только максимальные 30 мА. В документации к контакту указываются предельно допустимые значени токов и напряжений база->эмиттер и коллектор->эмиттер. Превышение этих значений ведёт к перегреву и выходу из строя транзистора.

Весёлые картинки:

Работа биполярного транзистора

NPN и PNP биполярные транзисторы

Различают 2 типа полярных транзисторов: NPN и PNP. Отличаются они чередованием слоёв. N (от negative — отрицательный) — это слой с избытком отрицательных переносчиков заряда (электронов), P (от positive — положительный) — слой с избытком положительных переносчиков заряда (дырок). Подробнее о электронах и дырках рассказано в видео, приведённом выше.

От чередования слоёв зависит поведение транзисторов. На анимации выше представлен NPN транзистор. В PNP управление транзистором устроено наоборот — ток через транзистор течёт, когда база заземлена и блокируется, когда через базу пропускают ток. В отображении на схеме PNP и NPN отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает на переход от N к P:

Обозначение NPN (слева) и PNP (справа) транзисторов на схеме

NPN транзисторы более распространены в электронике, потому что являются более эффективными.

Полевый транзистор

Полевые транзисторы отличаются от биполярных внутренним устройством. Наиболее распространены в любительской электронике МОП транзисторы. МОП — это аббревиатура от металл-оксид-проводник. То-же самое по английски: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor сокращённо MOSFET. МОП транзисторы позволяют управлять большими мощностями при сравнительно небольших размерах самого транзистора. Управление транзистором обеспечивается напряжением, а не током. Поскольку транзистором управляет электрическое поле, транзистор и получил своё название —  полевой.

Полевые транзисторы имеют как минимум 3 вывода:

• Сток (англ. drain) — на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять

• Затвор (англ. gate) — на него подаётся напряжение для управления транзистором

• Исток (англ. source) — через него проходит ток со стока, когда транзистор «открыт»

Здесь должна быть анимация с полевым транзистором, но она ничем не будет отличаться от биполярного за исключением схематического отображения самих транзисторов, поэтому анимации не будет.

N канальные и P канальные полевые транзисторы

Полевые транзисторы тоже делятся на 2 типа в зависимости от устройства и поведения. N канальный (N channel) открывается, когда на затвор подаётся напряжение и закрывается. когда напряжения нет. P канальный (P channel) работает наоборот: пока напряжения на затворе нет, через транзистор протекает ток. При подаче напряжения на затвор, ток прекращается. На схеме полевые транзисторы изображаются несколько иначе:

По аналогии с биполярными транзисторами, полевые различаются полярностью. Выше был описан N-Channel транзистор. Они наиболее распространены.

P-Channel при обозначении отличается направлением стрелки и, опять же, обладает «перевёрнутым» поведением.

Обозначение N канальных (слева) и P канальных (справа) транзисторов на схеме

Существует заблуждение, согласно которому полевой транзистор может управлять переменным током. Это не так. Для управления переменным током, используйте реле.

Транзистор Дарлингтона

Транзистора Дарлингтона не совсем корректно относить к отдельному типу транзисторов. Однако, не упомянуть из в этой статье нельзя. Транзистор Дарлингтона чаще всего встречается в виде микросхемы, включающей в себя несколько транзисторов. Например, ULN2003. Транзистора Дарлингтона характеризуется возможность быстро открываться и закрывать (а значит, позволяет работать с ШИМ) и при этом выдерживает большие токи. Он является разновидностью составного транзистора и представляет собой каскадное соединение двух или, редко, более транзисторов, включённых таким образом, что нагрузкой в эмиттере предыдущего каскада является переход база-эмиттер транзистора следующего каскада, то есть транзисторы соединяются коллекторами, а эмиттер входного транзистора соединяется с базой выходного. Кроме того, в составе схемы для ускорения закрывания может использоваться резистивная нагрузка эмиттера предыдущего транзистора. Такое соединение в целом рассматривают как один транзистор, коэффициент усиления по току которого, при работе транзисторов в активном режиме, приблизительно равен произведению коэффициентов усиления всех транзисторов.

Схема составного транзистора дарлингтона

Не секрет, что плата Ардуино способна подать на вывод напряжение 5 В с максимальным током до 40 мА. Этого тока не хватит для подключения мощной нагрузки. Например, при попытке подключить к выводу напрямую светодиодную ленту или моторчик, вы гарантированно повредите вывод Ардуино. Не исключено, что выйдет из строя всё плата. Кроме того, некоторые подключаемые компоненты могут требовать напряжения более 5 В для работы. Обе эти проблемы решает транзистор. Он поможет с помощью небольшого тока с вывода Ардуино управлять мощным током от отдельного блока питания или с помощью напряжения в 5 В управлять бОльшим напряжением (даже самые слабые транзисторы редко имеют предельное напряжение ниже 50 В). В качестве примера рассмотрим подключение мотора:

Подключение мощного мотора с помощью транзистора

На приведённой схеме мотор подключается к отдельному источнику питания. Между контактом мотора и источником питания для мотора мы поместили транзистора, который будет управляться с помощью любого цифрового пина Arduino. При подаче на вывод контроллера сигнала HIGH с вывода контроллера мы возьмём совсем небольшой ток для открытия транзистора, а большой ток потечёт через транзистор и не повредит контроллер. Обратите внимание на резистор, установленный между выводом Ардуино и базой транзистора. Он нужен для ограничения тока, протекающего по маршруту микроконтроллер — транзистор — земля и предотвращения короткого замыкания. Как упоминалось ранее, максимальный ток, который можно взять с вывода Arduino — 40 мА. Поэтому, нам понадобится резистор не менее 125 Ом (5В/0,04А=125Ом). Можно без опаски использовать резистор на 220 Ом. На самом деле, резистор стоит подбирать с учётом тока, который необходимо подать на базу для получения необходимого тока через транзистор. Для правильного подбора резистора нужно учитывать коэффициент усиления (h_fe).

ВАЖНО!! Если вы подключаете мощную нагрузку от отдельного блока питания, то необходимо физически соединить между собой землю («минус») блока питания нагрузки и землю (пин «GND») Ардуино. Иначе управлять транзистором не получится.

При использовании полевого транзистора, токоограничительный резистор на затворе не нужен. Транзистор управляется исключительно напряжением и ток через затвор не течёт.

Поделиться ссылкой:

Похожее

Справочник «Цифровые Интегральные Микросхемы»

Справочник «Цифровые Интегральные Микросхемы» [ Содержание ]

---

2.1. Основы схемотехники элементов ТТЛ

Основную логическую операцию в элементе ТТЛ выполняет многоэмиттерный транзистор (рис. 2.1). Для удобства рассмотрения переключения логического элемента ко входу подключим управляющий переключатель S1, движок которого может занимать два положения — В и Н, а к выходу подключим резистор Rн. В положении В на вход поступит напряжение высокого уровня, т. е. питающее напряжение Uи.п., а в положении Н — напряжение низкого уровня, соответствующее нулю (вход заземляем). Если на вход (рис. 2.1,0) подано низкое напряжение (переключатель S1 поставлен в положение Н), то появится входной ток низкого уровня , который будет протекать от источника питания Uип = 5 В через резистор RБ, переход база-эмиттер многоэмиттерного транзистора VT1, контакт Н переключателя S1 на корпус. Величина этого тока определяется сопротивлением резистора RБ:

= Iб = (Uи.п. — Uбэ)/RБ.

В быстродействующих и экономичных ИС ТТЛ сопротивления резисторов RБ отличаются примерно на порядок. Переход база — коллектор транзистора VT1 открыться не может, так как на нем нет избыточного напряжения более чем 0,7 В = UБЭ. Напряжение на выходе близко к нулю Uвых=О. Таким образом, переход база — эмиттер транзистора VT1 открыт, а переход база — коллектор VT1 закрыт, т. е. многоэмиттерный транзистор VT1 находится в активном режиме, напряжение на выходе равно нулю Uвых=О. Если число входов транзистора VT1 более одного (рис. 2,1,б (два из них не присоединены), то величина тока не изменится. Если все три эмиттера VT1 соединить вместе, ток практически не изменится. Следовательно, неиспользуемые входы можно оставлять разомкнутыми. Если заземлен хотя бы один из входов транзистора VT1 (рис. 2.1,б), смена логических уровней на остальных входах не влияет на выходное напряжение Uвых.

Переведем движок переключателя S1 в положение В (рис. 2.1,в) (подано на вход напряжение высокого уровня), тогда переход база — эмиттер транзистора VT1 будет закрыт, так как напряжение между базой и эмиттером меньше или равно нулю UБЭ=<0. Оба электрода (база и эмиттер) подключены к источнику питания Uи.п=5 В. Большой ток базы IБ течет от источника питания Uи.п. через резистор RБ, открытый переход база — коллектор, а затем через резистор нагрузки Rн к нулевому потенциалу (рис. 2.1,в). На коллекторе VT1 появляется напряжение высокого уровня:

~=Uи.п.·[Rн/(Rн+RБ)].

На вход 1 поступает лишь входной ток утечки высокого уровня , не превышающий при нормальной температуре нескольких наноампер (направление тока показано на рис. 2.1,в)

Рис. 2.1. Простейшие логические элементы ТТЛ:
а — путь входного тока Iвх0; б — токи в танзисторе VT1 при низком входном уровне;
в — токи в транзисторе VT1 при высоком входном уровне;
г — токи в простейшем инверторе при высоком входном уровне

Таким образом, переход база — эмиттер транзистора VT1 закрыт, а переход база — коллектор VT1 открыт, т. е. многоэмиттерный транзистор VT1 находится в инверсном активном режиме, напряжение на выходе больше нуля: Uвых>0 (имеет высокий уровень).

Следовательно, на рис. 2.1,в приведен одновходовый элемент ТТЛ, реализующий логическую операцию И и не изменяющий фазу входного сигнала. Такой элемент назовем неинвертирующнм. В такой схеме активным включающим является напряжение низкого уровня и через переключатель S1 на корпус стекает большой входной ток (для стандартных элементов ТТЛ, серия К155, ток одного входа ~=1,6 мА) [1. 4].

Для получения инвертирующего логического элемента, реализующего логическую операцию И-НЕ, необходимо к многоэмиттерному транзистору VT1 добавить инвертор, выполненный на транзисторе VT2 (рис. 2.1.г).

Если на вход 1 логического элемента поступает напряжение высокого уровня (переключатель S1 в положении В), то многоэмиттсрный транзистор VT1 находится в инверсном активном режиме, а транзистор VT2 насыщается базовым током IБ и выходное напряжение, снимаемое с коллектора VТ2, будет иметь низкий уровень, что соответствует логическому нулю (не превышает 0,3 В). Это напряжение является напряжением насыщения коллектор — эмиттер Uкэ.нас для кремниевого транзистора VT2.

Если на вход 1 логического элемента подать напряжение низкого уровня (переключатель S1 в положении Н), то транзистор VT2 практически закрыт, а во входной цепи течет большой ток . Выходное напряжение, снимаемое с коллектора VT2, близко к напряжению источника питания Uи.п., т. е. имеет высокий уровень, что соответствует логической единице .

Рассмотренный инвертор, выполненный на транзисторе VT2, является простым инвертором. Он используется лишь в микросхемах, выходы у которых имеют открытые коллекторы. Недостатком простого инвертора является низкая нагрузочная способность в закрытом состоянии (выходное сопротивление определяется сопротивлением резистора, стоящего в коллекторной цепи транзистора VT2).

Для повышения нагрузочной способности логического элемента вместо простого инвертора большинство элементов ТТЛ имеют сложный инвертор (рис. 2.2,а). Он состоит из фазоразделительного каскада, выполненного на транзисторе VT2, и двухтактного выходного каскада, состоящего из выходных транзисторов: насыщаемого VT5 и составного эмиттерного повторителя VT3 и VT4.

Рис. 2.2.а. схема элемента со сложным инвертором

Рассмотрим функционирование логического элемента со сложным инвертором. Подадим на вход напряжение низкого уровня, соответствующее логическому нулю (переключатель S1 поставлен в положение Н), тогда многоэмиттерный транзистор VT1 будет находиться в активном режиме (переход база — эмиттер открыт, а переход база — коллектор закрыт), течет большой ток , во входную цепь, а транзисторы VT2, VT5 закрыты (на рис. 2.2.б не показаны VT2, VT5), транзисторы VT3 и VT4 будут открыты, т. к. база VT3 через резистор R2 подключена к шине питания Uи.п.=5 В. Поэтому выходное напряжение, снимаемое с нагрузки, расположенной в эмиттерной цепи VT4, будет иметь высокий уровень, что соответствует логической единице Uвых1.

Рис. 2.2.б. распределение токов и напряжений при низком входном уровне

Статическое выходное напряжение высокого уровня для логического элемента равно: =Uи.п.-Iвых·R4-Uкэ-2·Uб.э.

Так как на транзисторах VT3, VT4 выполнен эмиттерный повторитель, то он не может перейти в состояние насыщения, и напряжение Uкэ VT4 не уменьшается меньше (0.7 .. 1) В, а напряжение Uбэ примерно равно 0,7 В для транзисторов без переходов Шотки. Падением напряжения на резисторе R4, ограничивающем ток в выходном каскаде, когда VT4 и VT5 открыты, можно пренебречь. Тогда получаем >=2,6 В.

Для транзисторов с переходами Шотки напряжение Uбэ составляет (0.2 … 0.3) В. Следовательно, для перспективных элементов ТТЛ напряжение высокого уровня ~= 3,5 В.

Рис. 2.2.в. распределение токов и напряжений при высоком входном уровне

Подадим на вход 1 напряжение высокого уровня (переключатель S1 поставлен в положение В) (рис. 2.2,в), соответствующего логической единице, тогда многоэмиттерный транзистор VT1 будет находиться в инверсном активном режиме (переход база — эмиттер закрыт, а переход база — коллектор открыт), течет большой ток IБ в базу транзистора VT2, который откроется. Часть эмиттерного тока транзистора VT2 поступает в базу транзистора VT5, этот транзистор открывается и входит в режим насыщения. Транзисторы VT3, VT4 будут закрыты. Выходной сигнал, снимаемый с открытого и насыщенного транзистора VT5 (rкэ~=30…50 Ом), имеет низкий уровень Uвых0~=0.3 В, что соответствует логическому нулю.

Диод VD1 предназначен для защиты входа транзистора VTl от пробоя и называется демпфирующим.

---

Стабилизатор тока на транзисторе, описание зарядного устройства

Стабилизатор тока на транзисторе очень напоминает стабилизатор напряжения. Эта простая схема может быть использована как стабилизатор выходного тока независимо от входного напряжения. На его основе можно изготовить зарядное устройство — тот же самый стабилизатор тока. Параметры элементов вычисляются по закону Ома.

Описание зарядного устройства

Описание зарядного устройства начнём с условий. Допустим у нас есть 9-ти вольтовый аккумулятор и мы должны зарядить его током в 40 мА.

Мы соединяем транзистор и стабилитрон как показано на схеме. Если стабилитрон будет рассчитан на напряжение стабилизации 5.6 Вольт, то из схемы хорошо понятно, что напряжение на резисторе R2 будет 5 вольт. (Это подробно рассматривалось в статье Самодельный стабилизатор). Чтобы ток через резистор составил 40 мА его сопротивление должно быть … сколько? 🙂

Закон Ома — I = U/R
R = 5 вольт / 0.04 А
R = 125 Ом.

Если ток в 40 мА течёт через резистор R2, то большая часть этого тока течёт через переход коллектор-эмиттер, и значит через аккумулятор B. На самом деле, небольшая часть эмиттерного тока течёт через резистор R1 и через переход база-эмиттер. Мы можем компенсировать это небольшим уменьшением резистора R2. К тому же, ближайшее стандартное значение сопротивления к 125 является 120 Ом. Теперь ток через резистор R2 будет около 41 мА, а ток через аккумулятор будет около 40 мА.

Напряжение источника питания зарядного устройства

Напряжение источника питания должно состоять из суммы: напряжение аккумулятора — 9 вольт, напряжение на резисторе R2 — 5 вольт и напряжение на переходе коллектор-эмиттер, обычно чуть меньше одного вольта. Т.е. минимальное напряжение источника питания зарядного устройства должно быть 9 + 5 + 1 = 15 вольт.

Можно использовать этот простой метод для разработки простого зарядного устройства для любого NiCd или NiMh аккумулятора. Только необходимо убедиться, что значение максимального тока коллектора транзистора больше необходимого зарядного тока.

Цепи смещения усилителя | Академия робототехники

Основными конфигурациями транзисторных усилительных цепей являются схемы с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором. Для подачи правильного напряжения смещения на n-p-n или p-n-p переходы все они требуют двух источников тока. На переход база-эмиттер должно быть подано смещение в прямом направлении, а на переход база-коллектор — в обратном направлении. Однако оба напряжения смещения могут быть обеспечены с помощью одного источника тока.

Поскольку цепи с общим эмиттером используются наиболее часто, они детально описываются. Те же принципы применимы и к цепям с общей базой и общим коллектором.

На рисунке изображен транзисторный усилитель с общим эмиттером, использующий один источник питания.

Эта же цепь схематически изображена

Источник питания обозначен +V_сс. Символ заземления является отрицательным выводом источника питания V_cc. Один источник питания обеспечивает подачу правильного напряжения смещения для переходов база-эмиттер и база-коллектор. Два резистора (R^_B и R_L) используются для распределения напряжения, обеспечивающего правильную работу транзистора. Резистор RL, сопротивление нагрузки коллектора, соединен последовательно с коллектором. Когда через коллектор течет ток, на резисторе RL появляется падение напряжения. Падение напряжения на резисторе R_L и падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора должны в сумме равняться приложенному напряжению.

Резистор R_B, соединяющий базу с источником питания, управляет величиной тока базы. Ток базы, текущий через резистор RB, создает на нем падение напряжения, составляющего большую часть напряжения источника питания. Меньшая часть этого напряжения падает на переходе база- эмиттер транзистора, обеспечивая правильное прямое смещение.

Один источник питания может обеспечить необходимые напряжения прямого и обратного смещения. В случае n-p-n транзистора потенциал на базе и коллекторе транзистора должен быть положительным по отношению к эмиттеру. Следовательно, источник питания может быть связан с базой и коллектором через резисторы R_B и R_L. Эту цепь часто называют цепью смещения базы, так как ток базы управляется величиной резистора R_B и напряжением источника питания.

Входной сигнал подключается между базой транзистора и его эмиттером или между выводом входа и землей. Значение входного сигнала либо складывается с прямым смещением на эмиттерном переходе, либо вычитается из него. Это служит причиной изменения коллекторного тока, что, в свою очередь, приводит к изменению падения напряжения на резисторе R_L. Выходной сигнал появляется между выводом выхода и землей.

Цепь, усилителя с общим эмиттером и одним источником питания, является нестабильной, так как она не может компенсировать изменения тока смещения при отсутствии сигнала. Изменения температуры приводят к изменению внутреннего сопротивления транзистора, что заставляет изменяться ток смещения и сдвигает рабочую точку транзистора, уменьшая его усиление. Этот процесс называется температурной нестабильностью.

Существует возможность компенсации температурных изменений в схеме транзисторного усилителя посредством организации отрицательной обратной связи в нем. Если часть нежелательного выходного сигнала подать на вход цепи, этот сигнал будет противодействовать изменениям в транзисторе. Такой процесс называется отрицательной обратной связью

В цепи, использующей отрицательную обратную связь, базовый резистор R_B соединен непосредственно с коллектором транзистора. Если температура увеличивается, то ток коллектора и падение напряжения на резисторе R_L тоже увеличиваются. Напряжение коллек- тор-эмиттер уменьшается, уменьшая также напряжение приложенное, к R_B. Это уменьшает ток базы, что служит причиной уменьшения тока коллектора. Таким образом действует коллекторная цепь обратной связи.

На рисунке показан другой тип обратной связи.

Эта цепь похожа на цепь, усилителя с общим эмиттером и одним источником питания, за исключением того, что последовательно с выводом эмиттера включен резистор R_E. Резисторы R_B и RE и переход транзистора эмиттер-база соединены последовательно с источником питания V_сс.

Увеличение температуры служит причиной увеличения коллекторного тока. Ток эмиттера также увеличивается, увеличивая падение напряжения на резисторе R_E и уменьшая падение напряжения на резисторе R_B. Ток базы уменьшается, что уменьшает как ток коллектора, так и ток эмиттера. Поскольку сигнал обратной связи создается на эмиттере транзистора, эта цепь называется цепью эмиттерной обратной связи.

В цепи этого типа происходит уменьшение общего усиления цепи, связанное с тем, что входной сигнал переменного тока появляется как на резисторе R_L, так и на резисторе R_e и на транзисторе. При подсоединении конденсатора параллельно резистору R_e

 

сигнал переменного тока обходит резистор R_E, так как сопротивление конденсатора существенно меньше R_r Этот конденсатор часто называют блокировочным конденсатором.

Блокировочный конденсатор устраняет любые быстрые изменения напряжения на резисторе R_E, благодаря тому, что он обладает низким импедансом для переменного тока. Блокировочный конденсатор удерживает напряжение на резисторе R_E неизменным, в то же самое время не мешая работе цепи обратной связи, обеспечиваемой R_E.

Токи транзисторов

Транзистор Токи

ср знаю, что в транзисторах и диоды, электрический ток проводится как по свободным электроны и дырки. Свободные электроны и дырки движутся в противоположных направлениях. Для Например, если свободные электроны текут слева направо, то отверстия будут течь справа налево.

Однако направление отверстий предполагается таким же, как и направление электрический ток.

Когда Бенджамин Франклин начал проводить эксперименты с электричеством, как он считал. что что-то движется по электрическим проводам. Он назвал эти движения вещи как заряд. В то время люди не знали о электроны и протоны.

Франклин предполагается что был только один тип обвинения, и это обвинение будет всегда течет из области более высокой концентрации (избыточный заряд носителей) в область более низкой концентрации (меньше заряда перевозчики). Он назвал область более высокой концентрации как положительным, а область более низкой концентрации — отрицательным.

Так согласно Франклину, заряд всегда течет от положительного к отрицательному.Мы знаем, что электрический ток означает поток плата. Таким образом, направление электрического тока от положительного к отрицательный.

Однако после открытие электронов и протонов, ученые осознали что обычное направление тока неверно. Электрический ток фактически переносится свободными электронами, которые текут от отрицательного к положительному.Таким образом, актуальное текущее направление от отрицательного к положительному. Однако в честь Франклина открытие, мы все еще следуем его общепринятому направление тока (т.е. от положительного к отрицательному).

обычное направление тока транзисторов npn и pnp показано на рисунке ниже.

Обычный направление тока в pnp транзисторе

Рассмотреть транзистор pnp как показано на рисунке ниже.Переход эмиттер-база (p-n переход) или эмиттерный переход смещен вперед, а переход база-коллектор (n-p переход) или коллекторный переход имеет обратное смещение.

эмиттер тока (I _E ) направление, которое представлено стрелкой показывает, что ток эмиттера течет в транзистор. С другой стороны, базовый ток (I _B ) и ток коллектора (I _C ) текут наружу транзистор.

Обычный направление тока в npn транзисторе

Рассмотреть транзистор npn как показано на рисунке ниже. Переход эмиттер-база (n-p переход) имеет прямое смещение, а переход база-коллектор (p-n переход) имеет обратное смещение.

ток эмиттера I _E направление, которое представлено стрелкой показывает, что ток эмиттера течет наружу транзистор.С другой стороны, базовый ток I _B и ток коллектора I _C протекают в транзистор.

Транзистор текущие компоненты

различные компоненты тока в pnp-транзисторе, которые протекают через смещенный вперед эмиттерный переход J _E и Коллекторный переход с обратным смещением J _C показан на рисунке ниже.

ток эмиттера I _E состоит из дырочного тока I _p E (дыры большинства носителей переходят от эмиттера к базе) и ток электронов I _n E (основные носители электронов переход от базы к эмиттеру).

Следовательно в полный ток эмиттера I _E складывается из дырочного тока I _p E и ток электронов I _n E

I _E = I _p E + I _n E

отношение дырочного тока к электронному, I _p E / I _n E, пересечение эмиттерного перехода пропорционально отношению проводимость материала p относительно проводимости материала n.Мы знаем, что проводимость прямо пропорциональна уровень допинга. Если уровень легирования больше, проводимость больше. аналогично, если уровень легирования меньше, проводимость меньше.

В коммерческий транзистор, легирование эмиттера сделано намного больше, чем легирование базы. Следовательно, в pnp транзисторный ток эмиттера почти полностью состоит из дыры.

отверстия, пересекающие эмиттерный переход J _E и достигающие коллекторный переход J _C составляет дырочный ток Я _p C в коллекторе.

Нет все отверстия, пересекающие эмиттерный переход J _E достигает коллекторного перехода J _C, , потому что некоторые из они соединяются с электронами в базе n-типа.

ср знайте, что основание очень тонкое и слегка легированное. Так что только небольшой количество дырок в сочетании с электронами в базе n-типа, составляющий базовый ток I _P E — I _P C. Оставшееся большое количество отверстий пересекает базовую область и входит в коллекторную область, образуя отверстие ток I _p C дюйм коллекторский регион.

Рассмотрим, для момент, эмиттер разомкнутый, а коллектор соединение остается обратным смещением. Когда эмиттер открыт В цепи эмиттерный ток равен нулю I _E = 0 и поэтому дырочный ток в коллекторе также равен нулю I _p C = 0,

В В таком состоянии коллектор-база J _C действует как диод с обратным смещением и ток коллектора I _C равен равен обратному току насыщения или обратному насыщению ток коллектора I _CO .

Сейчас вернемся к ситуации, когда эмиттер идет вперед пристрастный.

Когда эмиттерный переход J _E смещен вперед и коллекторный переход J _C имеет обратное смещение, общая ток коллектора I _C будет суммой отверстий ток в коллекторе I _p C и обратное насыщение ток коллектора I _CO .

Я _С = I _p C + I _CO

напряжение — Как протекает ток через переход коллектор-база NPN-транзистора, работающего в режиме насыщения?

Краткий ответ: по той же причине, по которой диод BC с сильным обратным смещением пропускает большие токи, несмотря на обратное смещение, когда npn находится в активном режиме (а диоды с обратным смещением должны иметь незначительный ток)!

Длинный ответ: представьте себе тот же транзистор npn в конфигурации с общим эмиттером, эмиттер подключен к земле, коллектор — к Vcc = 10 В через резистор R, а база — к источнику переменного напряжения.Когда Vb ниже порогового напряжения Vt, скажем 0,5 В, транзистор выключен, поэтому Ic = Ie ~ 0 и на резисторе R нет падения напряжения, поэтому Vc ~ Vcc ~ 10V. Затем постепенно увеличивайте Vb, диод BE становится смещенным в прямом направлении, и, предполагая устройства с электронным управлением, BE отбирает большое количество электронов из земли (идущих противоположно обычному направлению тока) и подает их на p-конец BC. диод, который в настоящее время имеет обратное смещение. Однако BC здесь не является изолированным диодом, поэтому не ожидайте, что он будет работать как один.Поле перехода в BC перемещает все предоставленные электроны через переход, создавая большой нисходящий ток коллектор-эмиттер, в то время как BC имеет обратное смещение. Очевидно, это противоречит тому, что должен делать нормальный диод, но опять же, BC не является нормальным диодом; вы можете подумать, что это в некотором смысле «взломано». Для наглядности, E-поле в BC-диоде всегда от n (коллектор) до p (база).

По той же истории, при увеличении Vb увеличивается Ic, падение напряжения на R увеличивается, что приводит к уменьшению Vc, пока не достигнет Vb сверху.Теперь вы ожидаете, что Ic будет равным нулю, потому что разность потенциалов на CB равна нулю, но опять же, мы имеем дело со взломанным диодом. То же самое электрическое поле через его соединение (которое также уменьшается, но никогда не меняет направление) сметает все предоставленные электроны, непрерывно поддерживая нисходящий ток.

Продолжая, даже дальнейшее увеличение Vb затягивает Vc ниже, чем Vb, но внутреннее E-поле все еще не меняет направление (хотя и уменьшается по величине), действуя точно так же, как указано выше.Изображение с соединенными друг с другом диодами никогда не следует воспринимать буквально, то есть вы не можете сделать транзистор, подключив два дискретных диода друг к другу, потому что вы не можете сохранить биполярную природу носителей заряда (электронов и дырок), используя дискретные компоненты (все дырки и электроны станут электронами при прохождении через провод, соединяющий диоды).

Что касается тока, протекающего в направлении, противоположном напряжению, здесь вы имеете дело с активными устройствами, а не с пассивными.Активные устройства могут иметь отрицательную проводимость.

транзисторов — Почему ток течет от клеммы коллектора?

Ток течет по всем трем выводам транзистора.

Обычный ток течет между базой и эмиттером в направлении стрелки эмиттера.

Обычный ток течет между коллектором и эмиттером в направлении стрелки эмиттера.

Обычный ток в транзисторе — это сумма всех протеканий тока, включая положительные дырки, которые движутся в направлении обычного тока, и отрицательные электроны, которые движутся противоположно обычному току.

Почему стрелка есть только у эмиттера? Поскольку ток от двух других клемм в эмиттере совпадает, стрелка нужна только эмиттеру, стрелки на всех клеммах загромождают символ. Моя любимая теория заключается в том, что он отмечает важную часть транзистора, поскольку в области базы / эмиттера происходит все управление. Коллектор «просто» улавливает излучаемые им носители заряда, так же как и клемма «источника тока» с высоким импедансом. Подсказка кроется в названии терминала «коллектор».Точно так же полевые транзисторы и лампы имеют управляющий конец (затвор / исток, сетка / катод) и конец с высоким импедансом (сток, анод), хотя, конечно, работают по другому механизму.

Интересно отметить, что единственные люди, которые недовольны электронным потоком, — это студенты, которые впервые с ним сталкиваются. Это первый взгляд на загадочный мир электричества. Поскольку направление электронного потока и обычного тока противоположны, они очень огорчены тем, что им все это время «лгали».Модель Друде была разработана на рубеже прошлого века и рассматривает электроны как частицы, текущие под действием электрического поля и ударяющие по неподвижным атомам. Это довольно интуитивно привлекательно и довольно хорошо работает количественно для некоторых металлов, но совершенно не работает для других и вообще не моделирует высокочастотные эффекты. Имея металлы со смешанными характеристиками, он даже не начинает моделировать полупроводники. Чуть лучше гидравлической модели.

Инженеры, проектирующие на уровне схем, ученые, использующие оборудование, используют простейшую модель, которая подходит для работы, и это обычный ток.В зависимости от того, происходит ли проводимость в проводе, полупроводнике, плазме или электролите, существуют положительные и отрицательные носители заряда, движущиеся в разных направлениях, при этом полный ток является результатом суммы всех потоков. Ученые, разрабатывающие сами транзисторы и необходимые для них полупроводники, используют следующий простейший инструмент, который работает, и это квантовая механика, а не Друде.

Работа транзистора PNP

Работа транзистора PNP

Транзистор PNP работает практически так же, как транзистор NPN.Однако поскольку эмиттер, база и коллектор в транзисторе PNP изготовлены из материалов, которые в отличие от транзистора NPN, в транзисторе протекают разные носители тока. Блок ПНП. Большинство носителей тока в транзисторе PNP — это дырки. Это в в отличие от транзистора NPN, где большинство носителей тока — электроны. К поддерживают этот другой тип тока (поток дырок), батареи смещения меняются местами для транзистор PNP. Типичная установка смещения для транзистора PNP показана на рисунке 2-8.

Обратите внимание, что процедура, использованная ранее для правильного смещения транзистора NPN, также применима. здесь к транзистору PNP. Первая буква (P) в последовательности P NP указывает полярность напряжения, необходимого для эмиттера ( p ositive), а вторая буква (N) указывает полярность базового напряжения ( n egative). Поскольку соединение база-коллектор всегда имеет обратное смещение, тогда напряжение противоположной полярности ( отрицательное, ) необходимо использовать для коллектора.Таким образом, база транзистора P N P должна быть положительной n . по отношению к эмиттеру, а коллектор должен быть более отрицательным, чем база. Помните, что, как и в случае с NPN-транзистором, эта разница в питающем напряжении равна необходимо, чтобы ток (поток дырок в случае транзистора PNP) от эмиттер к коллектору. Хотя ток через отверстие является преобладающим типом протекания тока в PNP-транзистор, поток дырок происходит только внутри самого транзистора, в то время как электроны текут во внешней цепи.Однако именно внутренний поток дырок приводит к к потоку электронов во внешних проводах, подключенных к транзистору.

Рисунок 2-8. — Правильно смещенный транзистор PNP.

PNP СОЕДИНЕНИЕ ВПЕРЕД. — Теперь давайте посмотрим, что происходит, когда Переход эмиттер-база на рисунке 2-9 смещен в прямом направлении. При показанной настройке смещения положительный полюс батареи отталкивает эмиттерные отверстия к основанию, в то время как отрицательный вывод направляет базовые электроны к эмиттеру.Когда эмиттерное отверстие и базовый электрон встречаются, они соединяются. Для каждого электрона, который соединяется с дыркой, другой электрон покидает отрицательную клемму аккумулятора и попадает в базу. В то же время, электрон покидает эмиттер, создавая новую дырку, и попадает в положительную клемма аккумуляторной батареи. Это движение электронов в базу и из эмиттера. составляет базовый ток (I _B ), и путь, по которому проходят эти электроны, равен называется схемой эмиттер-база.

Рисунок 2-9. — Прямо смещенный переход в транзисторе PNP.

ОБРАТНОЕ СОЕДИНЕНИЕ PNP. — В разветвлении с обратным смещением (рис. 2-10) отрицательное напряжение на коллекторе и положительное напряжение на базовом блоке большинство Носители тока от пересечения перекрестка.

Однако это же отрицательное напряжение коллектора действует как прямое смещение для меньшинства . текущие отверстия в основании, которые пересекают переход и входят в коллектор.Меньшинство Текущие электроны в коллекторе также воспринимают прямое смещение — положительное основание напряжение — и переместимся в базу. Отверстия в коллекторе заполнены электронами, которые течь с минусовой клеммы АКБ. При этом электроны покидают отрицательный полюс батареи, другие электроны в основании разрывают свои ковалентные связи и введите положительный полюс аккумуляторной батареи. Хотя есть только меньшинство текущих расход в обратносмещенном переходе, он все еще очень мал из-за ограниченного количества неосновных носителей тока.

Рисунок 2-10. — Обратно-смещенный переход в PNP-транзисторе.

PNP ПЕРЕХОДНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ. — Взаимодействие между прямым и обратным смещением переходы в транзисторе PNP очень похожи на переходы в транзисторе NPN, за исключением того, что в В транзисторе PNP большинство носителей тока — это дырки. В показанном транзисторе PNP на рисунке 2-11 положительное напряжение на эмиттере отталкивает отверстия к основанию.Один раз в основании дырки объединяются с электронами базы. Но опять же, помните, что база область сделана очень тонкой, чтобы предотвратить рекомбинацию дырок с электронами. Следовательно, более 90 процентов отверстий, которые входят в основание, притягиваются к большим отрицательное напряжение коллектора и проходит прямо через базу. Однако для каждого электрона и дырки, которые объединяются в основной области, другой электрон покидает отрицательный вывод базовый аккумулятор (V _BB ) и поступает в базу как базовый ток (I _B ).На В то же время один электрон покидает отрицательную клемму батареи, другой электрон покидает эмиттер как IE (создающий новое отверстие) и входит в положительный вывод V _BB . Между тем в коллекторной цепи электроны от коллекторной батареи (V _CC ) введите коллектор как Ic и объедините с лишними отверстиями от основания. Для каждой лунки который нейтрализуется в коллекторе электроном, другой электрон покидает эмиттер и начинает свой путь обратно к положительной клемме V _CC .

Рисунок 2-11. — Работа транзистора PNP.

Хотя ток во внешней цепи транзистора PNP противоположен в направлении транзистора NPN, основные носители всегда текут из эмиттер к коллектору. Этот поток основных носителей также приводит к формированию две отдельные токовые петли в каждом транзисторе. Один контур — это путь базового тока, а другой контур — это путь коллекторного тока.Комбинация тока в обоих этих контуров (I _B + I _C ) приводит к общему току транзистора (I _E ). Самое важное, что нужно помнить о двух разных типах транзисторов, это то, что напряжение эмиттер-база транзистора PNP оказывает такое же управляющее воздействие на коллекторный ток как у NPN-транзистора. Проще говоря, увеличение Напряжение прямого смещения транзистора уменьшает барьер перехода эмиттер-база. Этот действие позволяет большему количеству носителей достигать коллектора, вызывая увеличение тока от эмиттера к коллектору и через внешнюю цепь.И наоборот, уменьшение в прямом смещении напряжение снижает ток коллектора.

Q.10 Каковы основные носители тока в транзисторе PNP?
Q.11 Какова взаимосвязь между полярностью напряжения, приложенного к PNP? транзистор, а что применено к транзистору NPN?
Q.12 Какое буквенное обозначение базового тока?
Q.13 Назовите две токовые петли в транзисторе.

Условный ток относительно потока электронов

Условный ток относительно потока электронов © 2015 Крис Э.ChaulkVTR1R2R3ITIT

Нажмите кнопку вверху.

Обычный ток предполагает, что ток течет от положительной клеммы, через цепь к отрицательной клемме источника. Это было условием, выбранным при открытии электричества. Они были не правы!

Электронный поток — это то, что происходит на самом деле, и электроны текут из отрицательной клеммы через цепь в положительную клемму источника.

Используются как обычный ток, так и поток электронов. Многие учебники доступны в обоих форматах.

Floyd, 1989, Принципы электрических цепей , 5-е издание, Версия для обычных токов.

Floyd, 1990, Принципы электрических цепей , 4-е издание, версия для электронного потока.

Фактически, не имеет значения, в каком направлении протекает ток, если он используется последовательно .Направление тока не влияет на его действия.

Как правило, программа Electron Flow используется в программах по физике средней школы и двухгодичных программах для технических специалистов.

Но трехлетние технологические и университетские инженерные программы используют обычный ток. Определенные символы (например, диоды и транзисторы) и правила (например, правила правой руки) были созданы с использованием обычного тока. Переход от обычного тока к электронному потоку вызовет некоторую путаницу для старых и новых студентов, и возникнут ошибки, поэтому традиционный ток был сохранен, чтобы не было путаницы с теми, кто уже обучался с обычным током.Две системы могут показаться сбивающими с толку, но пока их использование единообразно, на самом деле это не так!

Вы должны понимать, какое соглашение используется, потому что правила меняются. Бывший. Правила правой руки в обычном токе становятся правилами левой руки в электронном потоке. Пример

На протяжении всего курса используется обычный ток. Поэтому всегда предполагайте, что ток течет через положительный вывод источника.

ELTK1100

Npn-транзистор — обзор

Биполярные транзисторы

Традиционный линейный биполярный процесс, который все еще очень широко используется, предлагает npn-транзисторы с примерно 500 МГц F _t , боковые pnp-транзисторы с F _t 3–7 МГц и pnp подложки (часто ошибочно называемые вертикальными pnp) с F _t около 15 МГц.Ранние тексты IC цитировали боковой pnp-транзистор как устройство с очень низким коэффициентом усиления, но это неверно для современных процессов с хорошо отожженными поверхностными оксидами. Такой pnp, созданный на основе процесса типа операционного усилителя с эпи-материалом 5 Ом-см, теперь может иметь пиковый бета-коэффициент в диапазоне 50-200, и этот пик обычно возникает при токе коллектора около 10 мкА для небольшого устройства. При более низких токах бета уменьшается, но обычно все еще вполне пригодна для использования даже в диапазоне пикоампер. При больших токах инжекция высокого уровня резко снижает коэффициент усиления по току, делая боковой pnp крайне непригодным в качестве силового устройства, если он не сделан неоправданно большим.Кроме того, низкий F _t (и высокий избыток фазы) ограничивают этот транзистор низкочастотными приложениями. Подложка pnp, конечно, имеет свой коллектор, неизменно подключенный к отрицательному источнику питания (или, точнее, подложку p-типа, которая почти всегда должна быть отрицательным источником питания), но нашла применение в качестве повторителя выходного эмиттера благодаря своей улучшенной F _т. и грузоподъемность. Эти улучшения, однако, не являются существенными, и такой выходной каскад быстро выходит из строя при токах, значительно превышающих несколько десятков миллиампер, или на частотах выше нескольких мегагерц.

Несколько процессов развились из этого линейного биполярного процесса стандартного типа, который включает в себя многократно рассеянный pnp-транзистор с характеристиками, более близкими к npn-транзистору.

Обычный метод достижения этого — диффузия в p-лунке, которая действует как коллектор pnp, и дополнительная диффузия n-типа для базы pnp. Излучатель pnp обычно может использоваться как основание npn, а скрытый слой p-типа (если он есть) также использовался как часть диффузии изоляции.Диэлектрическая изоляция упрощает эту процедуру, и поэтому первые коммерчески успешные примеры такого процесса использовали этот тип изоляции. Еще один метод создания такого «дополнительного» процесса — перевернуть биполярный процесс с ног на голову, чтобы оптимизировать его для pnp-транзистора. Хотя это действительно усложняет изготовление npn-устройства, здесь можно воспользоваться большей свободой из-за неотъемлемого преимущества в производительности.

Такие процессы занимают от 10 до 18 шагов маски и обеспечивают pnp-транзисторы с F _t в диапазоне 150–600 МГц, что является значительным улучшением по сравнению с латеральными типами.

Еще одна тенденция — снижение напряжения питания для линейных интегральных схем. Если не требуется широкий динамический диапазон сигнала, этот подход позволяет изготавливать биполярные транзисторы значительно меньшего размера и, следовательно, быстрее. Кроме того, такие процессы позволяют интегрировать схемы «аналоговых БИС», а также позволяют комбинировать изрядное количество биполярной логики на одном кристалле.

Типичные низковольтные аналоговые биполярные процессы (обычно предусмотрен пробой 12 В для облегчения работы от источников питания ± 5 В) используют очень быстрые npn-транзисторы с F _t от 1.От 5 до 8 ГГц или около того. Из-за задействованной небольшой геометрии боковые pnp-транзисторы часто могут быть удивительно быстрыми, F _t 80 МГц не редкость.

Опять же, есть тенденция к интеграции действительно комплементарного pnp-транзистора, и теперь для некоторых из этих процессов доступны F _t 1–4 ГГц.

Обычная диэлектрическая изоляция (почти оксюморон) не может обеспечить контроль эпитаксиальной толщины, необходимый для этих процессов, поэтому все они в основном изолированы от стыка, хотя емкость боковых стенок часто снижается с помощью траншеи с плазменным или реактивно-ионным травлением.Последние достижения в области кислородной имплантации и соединения пластин показывают, что диэлектрически изолированные версии этих процессов скоро станут реальностью, но я быстро выхожу за рамки этой главы.

В NMOS течет ли ток от истока к стоку или наоборот?

Когда в МОП-транзисторе существует канал, ток может течь от стока к истоку или от истока к стоку — это функция того, как устройство подключено в цепи. Канал проводимости не имеет внутренней полярности — в этом отношении он как резистор.

Внутренний диод внутри полевого МОП-транзистора, однако, параллелен каналу проводимости. Когда канал проводимости присутствует, диод шунтируется, и ток течет по пути наименьшего сопротивления (канал). Когда канал выключен, диод включен в цепь и будет либо проводить, либо блокировать в зависимости от полярности тока сток-исток.

Как показано на вашем рисунке, существуют устройства как с N-каналом, так и с P-каналом, а также устройства с режимом улучшения и режима истощения.Во всех этих случаях ток может течь от истока к стоку, а также от стока к истоку — это просто вопрос того, как устройство подключено к цепи.

На вашем изображении , а не , показан внутренний диод в устройствах — стрелка в направлении или от ворот указывает тип канала (N-канал указывает на затвор, P-канал указывает от затвора).

Этот символ указывает на наличие диода между стоком и истоком.

N-канальным устройствам улучшения требуется напряжение на затворе выше , чем у источника, чтобы создать канал проводимости. (Устройства улучшения не имеют канала автоматически, и для его создания требуется напряжение затвора, потому что для этого нужен N-канал \ $ V_ {gate}> V_ {source} \ $.)

Устройствам расширения P-канала требуется напряжение на затворе ниже , чем у источника, чтобы создать канал проводимости. (Устройства улучшения не имеют канала автоматически, и для его создания требуется напряжение затвора, потому что для этого нужен P-канал \ $ V_ {gate}

Устройства с N-канальным разделением каналов по умолчанию имеют канал, и им необходимо, чтобы на затворе было напряжение ниже , чем у источника, чтобы выключить канал . Канал может быть до некоторой степени расширен за счет увеличения напряжения затвор-исток выше 0.

Устройства истощения P-канала

также имеют канал по умолчанию, и им необходимо, чтобы напряжение на затворе было выше , чем у источника, чтобы выключить канал . Канал можно до некоторой степени расширить, уменьшив напряжение затвор-исток ниже 0.

Обычный ток течет от стока к источнику в полевом МОП-транзисторе с N каналом.
Стрелка показывает направление основного диода в полевом МОП-транзисторе с парситовым диодом между истоком и стоком через подложку. Этот диод отсутствует в кремнии на сапфире.

2a — это JFet, поэтому другая топология.

2d — это полевой МОП-транзистор без внутреннего диода. Я никогда не видел

\ 2e — полевой транзистор в режиме истощения — он включен без напряжения на затворе и принимает отрицательное напряжение для выключения полевого транзистора.Таким образом, диод имеет другую полярность, иначе основной диод будет проводить всякий раз, когда есть напряжение затвора.

Я не изучал никаких классов полупроводников, но если вас интересует ответ, ограниченный работой на уровне схемы, быстрый ответ:

с NMOS , ток течет от Сток к источнику (стрелка указывает от устройства к источнику) с PMOS , ток течет от Исток-сток (стрелка указывает на устройство в Источнике)

На схеме выше слова P-канал относятся к типу канала, который формируется под воротами.P означает, что канал формируется на полупроводнике P-типа, а N означает полупроводник N-типа.

По поводу неразберихи. ты прав, это сбивает с толку. То, что вы видите, известно как терминал с привязкой к телу источника. В некоторых приложениях это полезно (подробнее см. Ниже). Пока не обращайте на это внимания.

Как правило, при изучении схемы аналоговой схемы обычно видны стрелки на выводе истока транзистора.

При изучении схем цифровых транзисторов (в отличие от схем на уровне затвора, т.е.е. Элементы И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ) стрелок условно нет. Отличительным аспектом является то, что PMOS будет иметь небольшой пузырек на терминале Gate, в то время как NMOS не будет иметь пузыря. Будьте уверены, что на самом деле это одни и те же транзисторы (как PMOS, так и NMOS) как в аналоговых, так и в цифровых приложениях. Но то, как они работают, совсем другое.

Интересный факт для новичка Транзистор представляет собой четырехполюсное устройство: затвор, сток, исток и корпус. В качестве введения в микроэлектронику принято сначала игнорировать вывод на корпусе, а только для того, чтобы помочь вам познакомиться с основными уравнениями.Однако существует полупроводниковое явление, известное как эффект тела, которое вносит дополнительный уровень сложности в ручные вычисления в отношении вычисления рабочей точки покоя транзистора (рабочая точка покоя — важное слово, с которым вы столкнетесь; это просто причуда слово, обозначающее рабочую точку IV или вольт-амперную характеристику рассматриваемого транзистора.)

Моделирование транзистора — очень сложная задача и сама по себе является дисциплиной в области электротехники или прикладной физики.Любой вводный учебник по микроэлектронике обычно начинается с главы, в которой упоминаются p-n-переходы (разновидность легированного кремниевого полупроводника).

Если вы действительно заинтересованы и имеете базовые знания о квадратных уравнениях и алгебре, вы можете взглянуть на отличный вводный учебник, написанный Бехзадом Разави.