Ключевой режим работы биполярного транзистора — Студопедия

Характер переходных процессов в транзисторе зависит от схемы включения и внутреннего сопротивления источников сигнала. Наибольшее распространение нашла схема ОЭ, поскольку она позволяет получить усиление по току. На рис.5 приведена схема простейшего транзисторного ключа. На рис.6 показано семейство статических выходных характеристик транзистора в схеме с ОЭ, нагрузочная характеристика и расположение рабочих точек А и В. Имеются три характерные области работы транзистора:

область выключения (отсечки) I, область активного режима II и область насыщения III. В ключевых схемах транзистор находится в активном режиме лишь в переходном состоянии. В области насыщения коллекторный переход смещен в прямом направлении и инжектирует носители в базу, граница между областями II и III определяется условием U_кб=0. На рис.6 показана выходная характеристика при токе базы I_бн, соответствующей этой границе.

Если на базу подано запирающее (положительное для

p-n-p-транзистора) напряжение E_б2, то ток базы равен I_б≈-I_кбо, а ток коллектора I’_к=I_кбо К коллекторному переходу приложено напряжение:

U_к = E_K – I’_к R_к≈ E_к

Рабочая точка на выходной характеристике находится в положении А, т.е. в режиме отсечки – транзистор закрыт. В точке А напряжение на электродах практически совпадает с эдс источников питания:

Uк » Eк;     Uб » Еб2

(6)

При подаче в цепь базы отпирающего тока I_б1 рабочая точка перемещается в положение B, в цепи коллектора протекает ток I_кн и напряжение коллектора становится равным

U_кн = E_к – I_кн R_к

Статические параметры ключа: остаточное напряжение U_кн во включенном состоянии (рис.6, точка В) и остаточный ток в выключенном (запертом) состоянии (точка А). В точке В токи электродов определяются параметрами внешних цепей:

Iб1» Еб1 Rб;  Iкн » Ек/ Rк;

(7)

Для перевода в режим насыщения необходимо выполнить условие

или, что то же

где В=I_кн/I_бн – коэффициент усиления тока базы в режиме большого сигнала. Силу неравенства (8) характеризуют особым параметром – степенью насыщения S:

S=I_б1/I_бн                                                 (9)

Рассмотрим переходные процессы, происходящие при переключении ключа из состояния «выключено» в состояние «включено» и обратно. Временные диаграммы напряжений, токов накопленного заряда базы при включении и выключении транзисторного ключа приведены на рис.7.

В исходном состоянии транзистор закрыт положительным напряжением Е_б2. Процесс отпирания транзистора при подаче на базу отрицательного напряжения Е_б1 можно разделить на три этапа: задержка фронта, формирование фронта и накопление заряда. Этап задержки фронта обусловлен зарядом входной емкости запертого транзистора от значения Е_б2  до напряжения открывания транзистора U* (для кремниевого транзистора U*» 0,6B, для германиевого U*» 0,2B). Этот процесс протекает с постоянной времени t_c

t_c=R

_бС_вх                   (10)

Входную емкость обычно принимают равной сумме барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов:

C_вх = С_{э бар}+ С_{к бар}             (11)

 

 

Время задержки фронта t_зф можно определять по формуле:

                                       (12)

В момент t₁ открывается эмиттерный переход и начинается инжекция носителей в базу, транзистор переходит в активный режим. На этом этапе коллекторный ток возрастает до значения I_кн. Процесс формирования фронта характеризуется эквивалентной постоянной времени t_оэ

:

(13)

где t– время жизни неосновных носителей в базе: — усредненная емкость коллекторного перехода. Длительность фронта t_ф= t₂ — t₁ определяется формулой:

(14)

при S >> 1 формула (14) упрощается:

В конце этапа формирования фронта в базе транзистора накапливается заряд Q_гр, а напряжение на переходе коллектор – база падает до нуля. После того, как транзистор начал работать в режиме насыщения, заметных внешних изменений в схеме ключа не происходит. Однако продолжается накопление заряда, причём на данном этапе заряд накапливается не только в базовом, но и в коллекторном слое. В конце этапа стационарный заряд

Q_ст. определяется выражением

Qст = Iб1 ,

(16)

где  – среднее время жизни носителей в базовом и коллекторном слоях. Длительность этого процесса составляет примерно 3 . Если длительность входного импульса меньше, чем 3 , накопленный заряд будет меньше стационарного значения.

Процесс выключения транзистора начинается в момент t₃ (рис.7), когда на базу подаётся запирающее напряжение. В момент переключения на обоих p-n-переходах сохраняются прямые смещения, близкие к

U*. При этом коллекторный ток не меняется и остаётся равным I_кн. Базовый ток принимает значение:

Iб2 = —(Еб2+U*)/ Rб

(17)

На первом этапе процесса выключения происходит рассасывание накопленного заряда током I_б2. Окончание этапа рассасывания характеризуется тем, что концентрация избыточных носителей на коллекторной границе базы падает до нуля и на коллекторном переходе восстанавливается обратное напряжение. Только после этого может начаться уменьшение коллекторного тока и формирование среза импульса. Длительность этого процесса называется временем рассасывания

t_рили временем задержки среза t_зс. В конце этого рассасывания в базе транзистора остаётся некоторый остаточный заряд Q_ост. Время рассасывания определяется выражением

(18)

Если запирающий ток настолько мал, что выполняются условия I_б2<< I_б1, I_б2<< I_бн , это выражение принимает вид

(19)

По окончании этапа рассасывания начинается последний этап переходного процесса – запирание транзистора. Длительность запирания обычно определяется процессом заряда коллекторной ёмкости, протекающей с постоянной времени , длительность среза по уровню

I_к= 0,1×I_кн равна

(20)

Общая инерционность транзисторного ключа характеризуется временами включения t_вкл и выключения t_выкл:

tвкл= tзф+ tф;	(21)
tвыкл= tр + tс;	(22)

При практическом определении времён t_зф, t_ф, t_р, t_с обычно используются уровни0,1I_кн и 0,9I_кн 

Основные понятия и определения электроники. Компонентная база электроники, страница 11

Транзисторный ключ работает следующим образом. При подаче необходимого значения входного напряжения U_вх начинает протекать ток базы и транзистор VT входит в режим насыщения, т. е. открывается. При этом напряжение между коллектором и эмиттером транзистора снижается практически до нуля, что соответствует замкнутому ключу. При уменьшении входного напряжения до нуля ток базы прекращается и транзистор входит в режим отсечки, т. е. закрывается. При этом напряжение между коллектором и эмиттером транзистора увеличивается до напряжения, близкого к напряжению питания

Е_пит, что соответствует разомкнутому ключу. Резисторы R₁ и R₂ ограничивают токи через транзистор. Их выбирают в соответствии с соотношениями:

R₂ = Eпит ;

I_к

                                                                                                               (3.1)

R1 = (Uвх —Uбэ) 0,7 h2.1.э ,

Iк

где I_к – требуемый ток коллектора транзистора; U_бэ – напряжение база-эмиттер; коэффициент 0,7 обеспечивает режим насыщения транзистора.

Аналогично биполярному транзистору, электронный ключ можно реализовать на полевом транзисторе или IGBT. При этом не требуется ограничительный резистор в цепи управления.

Электронные ключи применяют как в информационной, так и в силовой электронике. Ключевой режим транзистора имеет место в подавляющем большинстве случаев в современных электронных устройствах, поскольку в этом режиме работают транзисторы, входящие в состав цифровых интегральных микросхем, в том числе и микропроцессоров.

3.2. Усилитель по схеме с общим эмиттером

Усилителем называют устройство, предназначенное для увеличения параметров электрического сигнала (напряжения, тока, мощности). Усилители потребляют электроэнергию от источника питания (постоянного стабилизированного напряжения).

Схема усилителя с общим эмиттером приведена на рис. 3.2.

Схема работает следующим образом. Источник постоянного напряжения Е_пит, а также резисторы R₁, R₂ , R₃ обеспечивают активный нормальный режим работы биполярного транзистора VT. Входное переменное напряжение U_вх через конденсатор C₁, препятствующий проникновению постоянной составляющей входного напряжения, подается на базу транзистора. В результате изменяется значение тока базы. Ток базы усиливается транзистором в h_2.1.э раз, что приводит к возрастанию падения напряжения на резисторе R₃ , и, соответственно, к увеличению значения выходного напряжения U_вых на нагрузке R_н. Конденсатор C₂ препятствует проникновению постоянной составляющей выходного напряжения в нагрузку.

Коэффициент усиления такого усилителя рассчитывается по формуле

                                                                                                  h_2.1     R3⁺Rн

                                         k_ус = Uвых =_—         R3       ^Rн ,                       (3.2)

                                                                           Uвх                         h1.1

где h_2.1 – коэффициент передачи тока коллектора транзистора; h_1.1 – входное сопротивление транзистора.

Знак «–» в выражении (3.2) означает, что усилитель с общим эмиттером является инвертирующим, т. е. осуществляет поворот по фазе на 180 выходного напряжения относительно входного. Принцип работы рассматриваемого усилителя показан на совмещенных ВАХ транзистора и осциллограммах тока коллектора I_к и напряжения коллектор-эмиттер U_кэ, приведенных на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Совмещенные ВАХ транзистора и осциллограммы тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер для усилителя с общим эмиттером

На рис. 3.3 также показана линия нагрузки, пересекающая ВАХ. Точки пересечения этой линии и линий ВАХ называются рабочими точками. Они определяют режим работы транзистора в текущий момент времени. Крайние рабочие точки показывают границы работы транзистора в активном нормальном режиме. Если ток базы превысит эти границы и будет изменяться скачком от минимального до максимального значения, то транзистор перейдет в ключевой режим работы.

Биполярные транзисторы для чайников — Мастер Фломастер

Предлагаю тебе, мой уважаемый начинающий электронщик, прочесть эту статью, в которой я описал, пожалуй, самый основной из существующих электронных компонентов — транзистор.

Изобретение транзистора в ХХ веке по праву является одним из значимых событий, транзистор как электронный компонент пришел на смену электронным лампам. Электронные лампы на тот период времени, безраздельно служили во всех радиоэлектронных устройствах, при этом электронные лампы имели множество недостатков. Одним из самых значительных недостатков была их большая потребляемая мощность, так – же лампы имели очень большой вес и габариты, но при этом не отличались механической прочностью. Электронная аппаратура становилась все сложнее, большое количество электронных ламп требовало большего потребления энергии, возросло количество отказов техники — к примеру вычислительные машины (компьютеры того времени) собранные на лампах, могли работать без поломок лишь считанные минуты, а габариты этих “компьютеров” были таковы, что занимали целый многоэтажный дом.

Полупроводниковый транзистор лишен всех тех недостатков которые присущи электронным лампам и во многом превосходит их. Низкое энергопотребление, малый вес и размер, а механическая прочность такова, что если сбросить современный транзистор с высоты 10го этажа с ним ничего не случится.

Первый транзистор разработали ученые – физики У. Шокли, Д. Бардин и У. Брайтен, в 1956 году они были удостоены нобелевской премии. Теперь эти имена известны всему миру.

И так, давай поближе познакомимся с этим замечательным электронным компонентом.

Биполярный транзистор

Устройство биполярного транзистора.

Транзистор это — электронный прибор, корпус которого выполнен из металла или пластика. В корпусе находится кристалл кремния, который обработан специальным образом. Этот кристалл состоит из трех частей — коллектор, эмиттер, база, к ним подключены электроды которые выведены из корпуса транзистора. Рассмотрим условное обозначение транзистора, очень напоминает диод, (особенно выделенная часть). В принципе, транзистор, с натяжкой можно назвать диодом, так как транзистор тоже является полупроводником, но у транзистора есть дополнительный элемент – “база”.

База расположена между коллектором и эмиттером и является преградой для прохождения напряжения. Для того чтобы транзистор мог выполнять возложенные на него обязанности необходимо “активировать” базу, после чего транзистор будет работать как ключевой элемент, как усилитель тока, или напряжения.

Принцип работы транзистора.

Обычно в специальной литературе и интернет сайтах, описание работы транзистора сводится к разжевыванию теории электронно — дырочного перехода, диффузии и прочей нудной теории. Думаю, если бы мне, когда я только начинал увлекаться радиоэлектроникой, таким образом объяснили принцип работы транзистора, забросил бы я это дело и пошел с пацанами делать самопалы и пугачи, ну или в худшем случае в авиомодельный кружок). Но к счастью для меня в радиокружках того времени работали люди которые умели так преподать теорию, что было понятно и не напряжно. Постараюсь и я, все объяснить в простой и доступной форме.

И так, биполярные транзисторы бывают двух типов PNP транзистор и NPN транзистор еще их называют — “прямой” и “обратный” транзистор. P-N-P – это прямой транзистор (легко запомнить, первая буква Р -соответственно прямой), N-Р-N – обратный.

На схеме обозначаются:

Рассмотрим схему работы транзистора в ключевом режиме.

Транзистор типа N-P-N, на коллектор транзистора подан (+V) напряжение для питания лампочки накаливания, лампочка не будет светиться так как напряжение через транзистор не проходит в таком случае говорят транзистор “закрыт”. Для того чтобы транзистор “открылся” на базу транзистора так же необходимо подать напряжение (+Vбазы). Напряжение +Vбазы (зеленые стрелки), пройдет через выключатель К1, резистор R1, через базу на эмиттер и с эмиттера на минус источника питания. Транзистор откроется, напряжение +V (красные стрелки), пройдет через лампочку, коллектор и базу на эмиттер транзистора и с эмиттера на –V источника питания, цепь “замкнется” и лампочка будет светиться.

В этом примере транзистор работает как ключ, открывает и закрывает прохождение электрического тока.

Теперь рассмотрим работу в ключевом режиме транзистора типа P-N-P.

В этом случае, наша схема будет отличаться тем что, отрицательное напряжение питания подается через лампочку на коллектор, а плюс источника подключен к эмиттеру транзистора, на базу нужно подавать отрицательное напряжение –Vб. Отпирающее напряжение (зеленые стрелки) плюса источника питания через эмиттер через базу VT, резистор R1, выключатель пройдет на минус источника питания и транзистор откроется. Плюс источника питания (красные стрелки) через эмиттер, базу проходит на коллектор и через лапочку накаливания на минус питания, лампочка будет светиться.

Запомни простую истину – обратный транзистор открывается подачей положительного напряжения на базу, прямой отрицательного. Еще проще – обратный транзистор открывается плюсом, прямой минусом. Плюс питания у обратного транзистора подается на коллектор а минус на эмиттер, у прямого наоборот, минус на коллекторе плюс на эмиттере. Соответственно ток в обратном транзисторе течет от коллектора к эмиттеру в прямом транзисторе от эмиттера к коллектору.

Где можно применить работу транзистора в ключевом режиме?

Главное достоинство транзистора заключается еще и в том, что подавая на базу совсем небольшое напряжение всего в несколько десятков вольта, можно коммутировать мощные исполнительные устройства, например, вместо лампочки можно поставить реле, и оно будет своими контактами включать мощный электромотор тем самым используя низкое напряжение управления мы обеспечиваем безопасность человека.

Еще один пример.

На схеме изображен N-P-N транзистор в базу которого включен переменный резистор R1, при помощи этого резистора можно плавно изменять величину напряжения приложенного к базе транзистора. Перемещая ползунок резистора (вывод со стрелочкой) ближе к плюсу источника питания (в верх по схеме) мы тем самым будем увеличивать сопротивление резистора R1, соответственно величина напряжения на базе транзистора уменьшится, транзистор закроется, если ползунок перемещать в противоположную сторону, напряжение на базе увеличится. Ты догадался, что будет происходить с лампочкой? Очень надеюсь, что догадался, зря я что ли уже столько букв написал). Да, лампочка будет изменять интенсивность свечения. Чем больше напряжение на базе транзистора, тем ярче будет светиться лампочка. Эту схему можно с успехом применить, для регулировки свечения лампочки ручного фонарика).

Теперь разберемся с работой транзистора в режиме усиления.

Транзистор может работать не только как ключевой элемент, но и как усилитель тока, напряжения или того и другого одновременно. Существует несколько способов включения транзистора – это с общим коллектором, общей базой, и общим эмиттером. Схема с общим эмиттером получила наибольшее применение поэтому ее и рассмотрим.

Схема с транзистором работающем в режиме усиления, более сложная чем ключевая, но тем не менее разобраться с принципом ее работы не так сложно.

В ключевом режиме транзистор находится в режиме отсечки (закрыт) или в режиме насыщения (открыт) для того чтобы транзистор работал как усилитель его нужно заставить работать в “пограничном” режиме между отсечкой и насыщением. Помнишь, мы регулировали свечение лампочки, изменяя напряжение на базе транзистора при помощи переменного сопротивления (потенциометра). Когда лампочка горела в пол накала это и был “пограничный” режим, или если говорить другими (умными словами), мы задавали смещение на базу транзистора. Идем дальше. Допустим ты решил услышать, о чем говорят твои рыбки в аквариуме :), нашел подводный микрофон и поместил его к рыбкам, но микрофон выдает очень слабый сигнал и если подключить к нему наушники ничего не услышишь. Значит нужно усилить сигнал чтобы он был достаточной силы.

Схема усилителя. На этой схеме, различных электронных компонентов значительно больше чем в схеме где транзистор работает как ключ, но если ты читал мои предыдущие статьи в рубрике электроника для начинающих , ты знаешь, что такое электролитический конденсатор.

В схеме усилителя резистор R1 является самым главным, он задает ток смещения на базе Т1 чтобы отпереть транзистор, вывести его из режима отсечки в активный режим, или иными словами задать базовый ток. От того, какой номинал (величину сопротивления) резистора мы будем использовать, будет зависеть сила тока, который потечет через цепь +Uпит – R1 — база — эмиттер и на минус источника питания. Задавая нужный базовый ток резистором R1, мы выбираем режим работы нашего усилителя, при котором сигнал с микрофона не будет больше режима насыщения и отсечки, а будет примерно в середине активного режима транзистора. Микрофон выдает сигнала который представляет собой переменный ток, надеюсь ты уже знаешь, что переменный ток имеет как положительную, так и отрицательную полярность, соответственно на базу транзистора будет подаваться либо (+) либо (–) в зависимости от этого транзистор будет больше открываться или наоборот закрываться. Следовательно, напряжение на коллекторе в точке подключения конденсатора С2 так же будет меняться и на входе конденсатора С2 ты получишь копию входного микрофонного сигнала, только многократно усиленную.

Ведь на вход усилителя, мы подаем с микрофона очень маленькое напряжение, измеряемое в микровольтах, а на коллекторе транзистора, пульсация напряжения будет в несколько Вольт, теперь можно подключить наушники и услышать рыбок :).

Конечно, эту схему усилителя собирать не стоит, так как она имеет некоторые недостатки, но, как пример работы транзистора в качестве усилителя, очень даже годится. Теперь ты знаешь, как работает транзистор – это НЕ сложно!

Автор: Владимир Васильев · Опубликовано 9 сентября 2015 · Обновлено 29 августа 2018

Приветствую вас дорогие друзья! Сегодня речь пойдет о биполярных транзисторах и информация будет полезна прежде всего новичкам. Так что, если вам интересно что такое транзистор, его принцип работы и вообще с чем его едят, то берем стул по удобнее и подходим поближе.

Продолжим, и у нас тут есть содержание, будет удобнее ориентироваться в статье &#128578;

Виды транзисторов

Транзисторы бывают в основном двух видов: биполярные транзисторы и полевые транзисторы. Конечно можно было рассмотреть все виды транзисторов в одной статье, но мне не хочется варить кашу у вас в голове. Поэтому в этой статье мы рассмотрим исключительно биполярные транзисторы а о полевых транзисторах я расскажу в одной из следующих статей. Не будем все мешать в одну кучу а уделим внимание каждому, индивидуально.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор это потомок ламповых триодов, тех что стояли в телевизорах 20 -го века. Триоды ушли в небытие и уступили дорогу более функциональным собратьям — транзисторам, а точнее биполярным транзисторам.

Триоды за редким исключением применяют в аппаратуре для меломанов.

Биполярные транзисторы выглядеть могут так.

Как вы можете видеть биполярные транзисторы имеют три вывода и конструктивно они могут выглядеть совершенно по разному. Но на электрических схемах они выглядят простенько и всегда одинаково. И все это графическое великолепие, выглядит как-то так.

Это изображение транзисторов еще называют УГО (Условное графическое обозначение).

Причем биполярные транзисторы могут иметь различный тип проводимости. Есть транзисторы NPN типа и PNP типа.

Отличие n-p-n транзистора от p-n-p транзистора состоит лишь в том что является «переносчиком» электрического заряда (электроны или «дырки» ). Т.е. для p-n-p транзистора электроны перемещаются от эмиттера к коллектору и управляются базой. Для n-p-n транзистора электроны идут уже от коллектора к эмиттеру и управляются базой. В итоге приходим к тому, что для того чтобы в схеме заменить транзистор одного типа проводимости на другой достаточно изменить полярность приложенного напряжения. Или тупо поменять полярность источника питания.

У биполярных транзисторов есть три вывода: коллектор, эмиттер и база. Думаю, что по УГО будет сложно запутаться, а вот в реальном транзисторе запутаться проще простого.

Обычно где какой вывод определяют по справочнику, но можно просто прозвонить транзистор мультиметром. Выводы транзистора звонятся как два диода, соединенные в общей точке (в области базы транзистора).

Слева изображена картинка для транзистора p-n-p типа, при прозвонке создается ощущение (посредством показаний мультиметра ), что перед вами два диода которые соединены в одной точке своими катодами. Для транзистора n-p-n типа диоды в точке базы соединены своими анодами. Думаю после экспериментов с мультиметром будет более понятно.

Принцип работы биполярного транзистора

А сейчас мы попробуем разобраться как работает транзистор. Я не буду вдаваться в подробности внутреннего устройства транзисторов так как эта информация только запутывает. Лучше взгляните на этот рисунок.

Это изображение лучше всего объясняет принцип работы транзистора. На этом изображении человек посредством реостата управляет током коллектора. Он смотрит на ток базы, если ток базы растет то человек так же увеличивает ток коллектора с учетом коэффициента усиления транзистора h31Э. Если ток базы падает, то ток коллектора также будет снижаться — человек подкорректирует его посредством реостата.

Эта аналогия не имеет ничего общего с реальной работой транзистора, но она облегчает понимание принципов его работы.

Для транзисторов можно отметить правила, которые призваны помочь облегчить понимание. (Эти правила взяты из книги П. Хоровица У.Хилла «Искусство схемотехники»).

1. Коллектор имеет более положительный потенциал , чем эмиттер
2. Как я уже говорил цепи база — коллектор и база -эмиттер работают как диоды
3. Каждый транзистор характеризуется предельными значениями, такими как ток коллектора, ток базы и напряжение коллектор-эмиттер.
4. В том случае если правила 1-3 соблюдены то ток коллектора Iк прямо пропорционален току базы Iб. Такое соотношение можно записать в виде формулы.

Из этой формулы можно выразить основное свойство транзистора — небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

-коэффициент усиления по току.

Его также обозначают как

Исходы из выше сказанного транзистор может работать в четырех режимах:

1. Режим отсечки транзистора — в этом режиме переход база-эмиттер закрыт, такое может произойти когда напряжение база-эмиттер недостаточное. В результате ток базы отсутствует и следовательно ток коллектора тоже будет отсутствовать.
2. Активный режим транзистора — это нормальный режим работы транзистора. В этом режиме напряжение база-эмиттер достаточное для того, чтобы переход база-эмиттер открылся. Ток базы достаточен и ток коллектора тоже имеется. Ток коллектора равняется току базы умноженному на коэффициент усиления.
3. Режим насыщения транзистора — в этот режим транзистор переходит тогда, когда ток базы становится настолько большим, что мощности источника питания просто не хватает для дальнейшего увеличения тока коллектора. В этом режиме ток коллектора не может увеличиваться вслед за увеличением тока базы.
4. Инверсный режим транзистора — этот режим используется крайне редко. В этом режиме коллектор и эмиттер транзистора меняют местами. В результате таких манипуляций коэффициент усиления транзистора очень сильно страдает. Транзистор изначально проектировался не для того, чтобы он работал в таком особенном режиме.

Для понимания того как работает транзистор нужно рассматривать конкретные схемные примеры, поэтому давайте рассмотрим некоторые из них.

Транзистор в ключевом режиме

Транзистор в ключевом режиме это один из случаев транзисторных схем с общим эмиттером. Схема транзистора в ключевом режиме применяется очень часто. К этой транзисторной схеме прибегают к примеру когда нужно управлять мощной нагрузкой посредством микроконтроллера. Ножка контроллера не способна тянуть мощную нагрузку, а транзистор может. Получается контроллер управляет транзистором, а транзистор мощной нагрузкой. Ну а обо всем по порядку.

Основная суть этого режима заключается в том, что ток базы управляет током коллектора. Причем ток коллектора гораздо больше тока базы. Здесь невооруженным взглядом видно, что происходит усиление сигнала по току. Это усиление осуществляется за счет энергии источника питания.

На рисунке изображена схема работы транзистора в ключевом режиме.

Для транзисторных схем напряжения не играют большой роли, важны лишь токи. Поэтому, если отношение тока коллектора к току базы меньше коэффициента усиления транзистора то все окей.

В этом случае даже если к базе у нас приложено напряжение в 5 вольт а в цепи коллектора 500 вольт, то ничего страшного не произойдет, транзистор будет покорно переключать высоковольтную нагрузку.

Главное чтобы эти напряжения не превышали предельные значения для конкретного транзистора (задается в характеристиках транзистора).

Чтож, теперь давайте попробуем рассчитать значение базового резистора.

На сколько мы знаем, что значение тока это характеристика нагрузки.

Мы не знаем сопротивления лампочки, но мы знаем рабочий ток лампочки 100 мА. Чтобы транзистор открылся и обеспечил протекание такого тока, нужно подобрать соответствующий ток базы. Ток базы мы можем корректировать меняя номинал базового резистора.

Так как минимальное значение коэффициента усиления транзистора равно 10, то для открытия транзистора ток базы должен стать 10 мА.

Ток который нам нужен известен. Напряжение на базовом резисторе будет Такое значение напряжения на резисторе получилось из-зи того, что на переходе база-эмиттер высаживается 0,6В-0,7В и это надо не забывать учитывать.

В результате мы вполне можем найти сопротивление резистора

Осталось выбрать из ряда резисторов конкретное значение и дело в шляпе.

Теперь вы наверное думаете, что транзисторный ключ будет работать так как нужно? Что когда базовый резистор подключается к +5 В лампочка загорается, когда отключается -лампочка гаснет? Ответ может быть да а может и нет.

Все дело в том, что здесь есть небольшой нюанс.

Лампочка в том случае погаснет, когда потенциал резистора будет равен потенциалу земли. Если же резистор просто отключен от источника напряжения, то здесь не все так однозначно. Напряжение на базовом резисторе может возникнуть чудесным образом в результате наводок или еще какой потусторонней нечисти &#128578;

Чтобы такого эффекта не происходило делают следующее. Между базой и эмиттером подключают еще один резистор Rбэ. Этот резистор выбирают номиналом как минимум в 10 раз больше базового резистора Rб (В нашем случае мы взяли резистор 4,3кОм).

Когда база подключена к какому-либо напряжению, то транзистор работает как надо, резистор Rбэ ему не мешает. На этот резистор расходуется лишь малая часть базового тока.

В случае, когда напряжение к базе не приложено, происходит подтяжка базы к потенциалу земли, что избавляет нас от всяческих наводок.

Вот в принципе мы разобрались с работой транзистора в ключевом режиме, причем как вы могли убедиться ключевой режим работы это своего рода усиление сигнала по напряжению. Ведь мы с помощью малого напряжения в 5В управляли напряжением в 12 В.

Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель является частным случаем транзисторных схем с общим коллектором.

Отличительной чертой схемы с общим коллектором от схемы с общим эмиттером (вариант с транзисторным ключем) является то, что эта схема не усиливает сигнал по напряжению. Что вошло через базу, то и вышло через эмиттер, с тем же самым напряжением.

Действительно допустим приложили к базе мы 10 вольт, при этом мы знаем что на переходе база-эмиттер высаживается где-то 0,6-0,7В. Выходит что на выходе (на эмиттере, на нагрузке Rн) будет напряжение базы минус 0,6В.

Получилось 9,4В, одним словом почти сколько вошло столько и вышло. Убедились, что по напряжению эта схема нам сигнал не увеличит.

«В чем же смысл тогда таком включении транзистора?»- спросите вы. А вот оказывается эта схема обладает другим очень важным свойством. Схема включения транзистора с общим коллектором усиливает сигнал по мощности. Мощность это произведение тока на напряжение, но так как напряжение не меняется то мощность увеличивается только за счет тока! Ток в нагрузке складывается из тока базы плюс ток коллектора. Но если сравнивать ток базы и ток коллектора то ток базы очень мал по сравнению с током коллектора. Получается ток нагрузки равен току коллектора. И в результате получилась вот такая формула.

Теперь я думаю понятно в чем суть схемы эмиттерного повторителя, только это еще не все.

Эмиттерный повторитель обладает еще одним очень ценным качеством — высоким входным сопротивлением. Это означает, что эта транзисторная схема почти не потребляет ток входного сигнала и не создает нагрузки для схемы -источника сигнала.

Для понимания принципа работы транзистора этих двух транзисторных схем будет вполне достаточно. А если вы еще поэкспериментируете с паяльником в руках то прозрение просто не заставит себя ждать, ведь теория теорией а практика и личный опыт ценнее в сотни раз!

Где транзисторы купить?

Как и все другие радиокомпоненты транзисторы можно купить в любом ближайшем магазине радиодеталей. Если вы живете где-нибудь на окраине и о подобных магазинах не слышали (как я раньше) то остается последний вариант — заказать транзисторы в интернет- магазине. Я сам частенько заказываю радиодетали через интернет-магазины ведь в обычном оффлайн магазине может чего-нибудь просто не оказаться.

Впрочем если вы собираете устройство чисто для себя то можно не париться а добыть из старой, отслужившей свое техники и так сказать вдохнуть в старый радиокомпонет новую жизнь.

Чтож друзья, а на этом у меня все. Все, что планировал я сегодня вам рассказал. Если остались какие-либо вопросы, то задавайте их в комментариях, если вопросов нет то все равно пишите комментарии, мне всегда важно ваше мнение. Кстати не забывайте, что каждый кто впервые оставит комментарий получит подарок.

Также обязательно подпишитесь на новые статьи, потому что дальше вас ждет много интересного и полезного.

Желаю вам удачи, успехов и солнечного настроения!

Биполярные транзисторы это полупроводниковые приборы с тремя электродами, подключенными к трем последовательно находящимся слоям, с различной проводимости. В отличие от других транзисторов, которые переносят один тип заряда, он способен переносить сразу два типа.

Схемы подключения, использующие биполярные транзисторы, зависят от производимой работы и типа проводимости. Проводимость может быть электронной, дырочной.

Разновидности биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы разделяют по различным признакам на виды по:

• Материалу изготовления: кремний или арсенид галлия.
• Величине частоты: до 3 МГц – низкая, до 30 МГц – средняя, до 300 МГц – высокая, более 300 МГц – сверхвысокая.
• Наибольшей рассеиваемой мощности: 0-0,3 Вт, 0,3-3 Вт, свыше 3 Вт.
• Типу прибора: 3 слоя полупроводника с последовательной очередностью типа проводимости.

Устройство и работа

Слои транзистора, как внутренний, так и наружный, объединены с встроенными электродами, которые имеют свои названия в виде базы, эмиттера и коллектора.

Особых отличий по видам проводимости у коллектора и эмиттера не наблюдается, однако процент включения примесей у коллектора намного меньше, что позволяет повысить допустимое напряжение на выходе.

Средний слой полупроводника (база) имеет большую величину сопротивления, так как выполнена из слаболегированного материала. Она контактирует с коллектором на значительной площади. Это позволяет повысить теплоотвод, который необходим вследствие выделения тепла от смещения перехода в другую сторону. Хороший контакт базы с коллектором дает возможность легко проходить электронам, которые являются неосновными носителями.

Слои перехода выполнены по одному принципу. Однако биполярные транзисторы считаются несимметричными приборами. При чередовании крайних слоев местами с одной проводимостью нельзя образовать подобные параметры полупроводника.

Схемы подключения транзисторов выполнены таким образом, что могут обеспечить ему как закрытое, так и открытое состояние. При активной работе, когда полупроводник открыт, смещение эмиттера выполнено в прямом направлении. Для полного понимания этой конструкции, нужно подключить напряжение питания по изображенной схеме.

При этом граница на 2-м переходе коллектора закрыта, ток через нее не идет. Практически возникает обратное явление ввиду рядом расположенных переходов, их влияния друг на друга. Так как к эмиттеру подсоединен минусовой полюс батареи, то переход открытого вида дает возможность электронам проходить на базу, в которой осуществляется их рекомбинация с дырками, являющимися главными носителями. Появляется ток базы I_б. Чем выше базовый ток, тем больше выходной ток. В этом заключается принцип действия усилителей.

По базе протекает только диффузионное движение электронов, так как нет работы электрического поля. Из-за малой толщины этого слоя и значительном градиенте частиц, практически все они поступают на коллектор, хотя база имеет большое сопротивление. На переходе имеется электрическое поле, которое способствует переносу и втягивает их. Токи эмиттера и коллектора одинаковые, если не считать малой потери заряда от перераспределения на базе: I _э = I _б + I _к.

Характеристики

• Коэффициент усиления тока β = I_к / I_б.
• Коэффициент усиления напряжения U_эк / U_бэ.
• Сопротивление на входе.
• Характеристика частоты – возможность работы транзистора до определенной частоты, при выходе за границы которой процессы перехода опаздывают за изменением сигнала.

Режимы работ и схемы

Вид схемы влияет на режим действия биполярного транзистора. Сигнал может сниматься и отдаваться в двух местах для разных случаев, а электродов имеется три штуки. Следовательно, что один произвольный электрод должен быть сразу выходом и входом. По такому принципу подключаются все биполярные транзисторы, и имеют три вида схем, которые мы рассмотрим ниже.

Схема с общим коллектором

Сигнал проходит на сопротивление R_L, которое также включено в цепь коллектора.

Такая схема подключения дает возможность создать всего лишь усилитель по току. Достоинством такого эмиттерного повторителя можно назвать образование значительного сопротивления на входе. Это дает возможность для согласования каскадов усиления.

Схема с общей базой

Сигнал входа проходит через С₁, далее снимается в цепи выхода коллектора, где базовый электрод общий. В итоге образуется усиление напряжения по подобию с общим эмиттером.

В схеме можно найти недостаток в виде малого входного сопротивления. Схема с общей базой используется чаще всего в качестве генератора колебаний.

Схема с общим эмиттером

Чаще всего при использовании биполярных транзисторов выполняют схему с общим эмиттером. Напряжение проходит по сопротивлению нагрузки R_L, к эмиттеру питание подключается отрицательным полюсом.

Сигнал переменного значения приходит на базу и эмиттер. В цепи коллектора он становится по значению больше. Главными элементами схемы являются резистор, транзистор и выходная цепь усилителя с источником питания. Дополнительными элементами стали: емкость С₁, которая не дает пройти току на вход, сопротивление R₁, благодаря которому открывается транзистор.

В цепи коллектора напряжение транзистора и сопротивления равны значению ЭДС: E= Ik R k +Vk e .

Отсюда следует, что малым сигналом Ec определяется правило изменения разности потенциалов в переменное выходное транзисторного преобразователя. Такая схема дает возможность увеличению тока входа во много раз, так же, как напряжению и мощности.

Из недостатков такой схемы можно назвать малое сопротивление на входе (до 1 кОм). Как следствие, возникают проблемы в образовании каскадов. Сопротивление выхода равно от 2 до 20 кОм.

Рассмотренные схемы показывают действие биполярного транзистора. На его работу влияет частота сигнала и перегрев. Для решения этого вопроса применяют дополнительные отдельные меры. Эмиттерное заземление образует на выходе искажения. Для создания надежности схемы, выполняют подключение фильтров, обратных связей и т.д. После таких мер, схема работает лучше, но уменьшается усиление.

Режимы работы

На быстродействие транзистора оказывает влияние величина подключаемого напряжения. Рассмотрим разные режимы работы на примере схемы, в которой биполярные транзисторы подключаются с общим эмиттером.

Отсечка

Этот режим образуется при снижении напряжения V_БЭ до 0,7 вольта. В таком случае переход эмиттера закрывается, и ток на коллекторе отсутствует, так как в базе отсутствуют электроны, и транзистор остается закрытым.

Активный режим

При подаче напряжения, достаточного для открытия транзистора, на базу, возникает малый ток входа и большой выходной ток. Это зависит от размера коэффициента усиления. В этом случае транзистор работает усилителем.

Режим насыщения

Эта работа имеет свои отличия от активного режима. Полупроводник открывается до конца, коллекторный ток достигает наибольшего значения. Его повышения можно добиться только путем изменения нагрузки, либо ЭДС выходной схемы. При корректировке тока базы ток коллектора не изменяется. Режим насыщения имеет особенности в том, что транзистор открыт полностью и работает переключателем. Если объединить режимы насыщения и отсечки биполярных транзисторов, то можно создать ключи.

Свойства характеристик выхода влияют на режимы. Это изображено на графике.

При отложении на осях координат отрезков, соответствующих наибольшему току коллектора и размеру напряжения, и далее, объединения концов друг с другом, образуется красная линия нагрузки. По графику видно: точка тока и напряжения сместится по линии нагрузки вверх при повышении базового тока.

Участок между заштрихованной характеристикой выхода и осью V ke является работа отсечки. В этом случае транзистор закрыт, а обратная величина тока мала. Характеристика в точке А вверху пересекается с нагрузкой, после которой при последующем повышении I_В ток коллектора уже не меняется. На графике участком насыщения является закрашенная часть между осью I k и наиболее крутым графиком.

Биполярные транзисторы в различных режимах

Транзистор взаимодействует с сигналами разных видов во входной цепи. В основном транзистор применяется в усилителях. Входной переменный сигнал изменяет ток на выходе. В этом случае используются схемы с общим эмиттером или коллектором. В цепи выхода для сигнала необходима нагрузка.

Чаще всего для этого применяют сопротивление, установленное в цепи выхода коллектора. При его правильном выборе, значение напряжения на выходе будет намного больше, чем на входе.

Во время преобразования сигнала импульсов режим сохраняется таким же, как для синусоидальных сигналов. Качество изменения гармоник определяется характеристиками частоты полупроводников.

Режим переключения

Транзисторные ключи служат для бесконтактных переключений в электрических цепях. Эта работа заключается в прерывистой регулировке величины сопротивления полупроводника. Биполярные транзисторы наиболее применимы в устройствах переключения.

Полупроводники применяются в схемах изменения сигналов. Их универсальная работа и широкая классификация дает возможность использовать транзисторы в различных цепях, которые определяют их возможности работы. Основными применяемыми схемами являются усиливающие, а также переключающие цепи.

Ключевой режим работы полевых транзисторов.

Электроника Ключевой режим работы полевых транзисторов.

просмотров — 440

Ключевой режим работы полевых транзисторов широко используется в цифровых устройствах. Наиболее широко применяются транзисторы с индуцированным каналом, которые являются основным элементом МДП-транзисторных интегральных схем. На рис.32 показана схема ключа на транзисторе с индуцированным n-каналом и расположение рабочих точек на выходной характеристике.

На схеме рис.32а показана также емкость С_Н, на которую нагружена выходная цепь транзистора, которая определяет быстродействие ключа. В эту емкость кроме емкости нагрузки входит также емкость С_СП самого транзистора.

В точке A транзистор заперт, на затвор подано напряжение <U_ПОР, остаточный ток есть обратный ток стокового p-n-перехода при обратном смещении близком к E_C ток I_ост составляет не более 10^-8 – 10^-10А, в связи с этим падением напряжения I_CR_C можно пренебречь и считать напряжение в этой точке равным E_C

Для отпирания ключа на затвор подается напряжение >U_ПОР. Это напряжение должно быть достаточно большим, чтобы остаточное напряжение было как можно меньше. Тогда рабочий ток открытого ключа (ток насыщения) определяется, как и у биполярного транзистора, внешними элементами схемы:

I_СН=(E_С – U_ост)/R_С ≈ E_С/R_С (74)

Рабочая точка B лежит на начальном, квазилинœейном участке характеристики МДП-транзистора. По этой причине U_ост можно найти умножая ток насыщения (73) на сопротивление канала (63):

(75)

Переходные процессы.

Инерционность МДП-транзисторных ключей обусловлена главным образом перезарядом емкостей, входящих в состав комплексной нагрузки. Инерционность канала, характеризуемую постоянной времени t_S (70), при крайне важности можно учесть складывая t_S с постоянной времени перезаряда емкостей.

Переходные процессы в МДП-транзисторном ключе показаны на рис.33.

Пусть в исходном состоянии транзистор открыт и на нем падает небольшое остаточное напряжение. При поступлении запирающего напряжения ток в транзисторе уменьшается до нуля с весьма малой постоянной времени t_S – практически мгновенно. После запирания транзистора емкость С_Нзаряжается от источника питания E_C через резистор R_C с постоянной времени τ_С = R_C С_Н. Процесс заряда описывается простейшей экспоненциальной функцией:

Длительность фронта напряжения на уровне 0,9 E_C составляет

t_ф = 2,3 R_CC_Н (76)

Заменив сопротивление R_C отношением E_C /I_СН, можно записать (76) в более общем виде:

t_ф = 2,3 (E_C C_Н /I_СН)(76а)

Отпирание ключа и формирование среза импульса напряжения протекает несколько сложнее. После подачи отпирающего сигнала ток I_C практически мгновенно (с постоянной времени t_S) достигает значения, определяемого формулой (64):

Этим током начинает разряжаться емкость С_Н. По мере разряда емкости напряжение на стоке U_C уменьшается. До тех пор, пока оно остается больше напряжения насыщения U_НАС= —U_ПОР, транзистор работает на пологом участке характеристики и ток сохраняет значение I_C(0). Когда напряжение U_C становится меньше U_НАС, ток I_C начинает падать, стремясь в пределœе к значению I_СН. Длительность среза положительного импульса оказывается значительно меньше длительности фронта. Для расчетов принята приближенная формула

t_c=1,5[E_CC_Н / I_C(0)] (77)

Содержание задач контрольной работы

Задача 1.

По заданным статическим характеристикам биполярного транзистора (Приложение1, рис.П.1, П.2, П3) и табличным высокочастотным параметрам (Приложение 2, табл.1) выполнить следующие расчеты в заданной рабочей точке:

а) рассчитать низкочастотные малосигнальные h-параметры и построить эквивалентную схему прибора на низкой частоте;

б) рассчитать параметры физической эквивалентной схемы прибора на высокой частоте и построить ее для этой же рабочей точки.

Задача 2.

По заданным статическим характеристикам биполярного транзистора (Приложение1, рис.П.4, П.5) выполнить следующие графо-аналитические расчеты для усилительного каскада:

а) построить линию нагрузки;

б) построить на характеристиках временные диаграммы токов и напряжений и выявить наличие или отсутствие искажений формы сигнала;

в) рассчитать для линœейного (мало искажающего) режима входное сопротивление, а также коэффициенты усиления по току K_i, напряжению K_u и мощности K_p. Найти полезную мощность в нагрузке и мощность P_K, рассеиваемую в коллекторе.

Задача 3.

По заданным статическим характеристикам полевого транзистора (Приложение 1, рис.П.6, П.7) выполнить следующие графо-аналитические расчеты для усилительного каскада:

а) построить линию нагрузки;

б) построить на характеристиках временные диаграммы токов и напряжений и выявить наличие или отсутствие искажений формы сигнала;

в) рассчитать для линœейного (мало искажающего) режима коэффициент усиления по напряжению K_u.. Найти полезную мощность в нагрузке и мощность P_С, рассеиваемую в транзисторе.

Задача 4.

По заданным статическим характеристикам полевого транзистора (Приложение1, рис.П.6, П.7) и табличным высокочастотным параметрам (Приложение 2, табл.2) выполнить следующие расчеты в заданной рабочей точке:

а) рассчитать низкочастотные дифференциальные параметры,

б) рассчитать параметры физической эквивалентной схемы прибора на высокой частоте и построить ее для этой же рабочей точки,

в) найти граничную частоту крутизны и рассчитать активную и реактивную части входной проводимости на граничной частоте.

Задача 5.

По заданным статическим характеристикам биполярного транзистора (Приложение 1, рис.П.1, П.2, П3) выполнить следующие графо-аналитические расчеты для электронного ключа:

а) построить линию нагрузки;

б) рассчитать остаточное напряжение открытого ключа, считая инверсный коэффициент передачи тока базы Β_i=1, степень насыщения S=2÷5, сравнить со значением, найденным по характеристике, определить омическое сопротивление коллектора;

в) определить мощность, потребляемую входной цепью, мощность P_K, рассеиваемую в коллекторе, и сопротивление открытого ключа.

Задача 6.

По заданным статическим характеристикам полевого транзистора (Приложение 3, рис.П.7, П.8) выполнить следующие графо-аналитические расчеты для электронного ключа:

а) построить линию нагрузки;

б) рассчитать остаточное напряжение открытого ключа, сравнить со значением, найденным по характеристике,

в) определить мощность, потребляемую замкнутым ключом P₀, и мощность P_тр, рассеиваемую в открытом транзисторе;

г) определить продолжительность фронта и среза выходного импульса при емкости нагрузки С_Н=5пФ.

Выбор варианта задания

Студенты, имеющие нечетную предпоследнюю цифру номера зачетной книжки, выполняют задачи 1,3,5. Студенты, имеющие четную цифру, – задачи 2,4,6. Исходные данные к решаемым задачам определяется из таблиц 1 и 2 Приложения 3 по двум последним цифрам номера зачетной книжки

Читайте также

— Ключевой режим работы полевых транзисторов.

Ключевой режим работы полевых транзисторов широко используется в цифровых устройствах. Наиболее широко применяются транзисторы с индуцированным каналом, которые являются основным элементом МДП-транзисторных интегральных схем. На рис.32 показана схема ключа на… [читать подробенее]

О полупроводниковых элементах и устройствах

Полупроводниковые
приборы

2. Что такое полупроводники?

2

3. Валентность, электрическое состояние атома, ионизация, стабильность

3

4. Элементы для изготовления транзисторов

4

5. Кристаллическая решетка кремния и германия

5

6. Полупроводник n-типа

Примеси доноры (сурьма, мышьяк)
6

7. Полупроводник p-типа

Примеси акцепторы (индий, галлий)
7

8. p-n переход

n-тип
p-тип
Потенциальный барьер
8

9. Подача напряжения на p-n переход

n-тип
p-тип
Прямое напряжение
n-тип
p-тип
Обратное напряжение
9

10. Подача напряжения на p-n переход

10

11. ВАХ полупроводникового диода

Условное обозначение диода на схемах
11

12. Основные характеристики полупроводникового диода

Uобр max — максимально допустимое постоянное обратное напряжение,
Uобр и max — максимально допустимое импульсное обратное напряжение,
Iпр ср max — максимально допустимый средний прямой ток,
Iпр и max — максимально допустимый импульсный прямой ток,
tвос — время восстановления,
Pmax — максимальная рассеиваемая мощность,
Cд — ёмкость перехода,
fmax — максимально допустимая частота переключения,
Uпр при Iпр — постоянное прямое напряжение диода при указанном токе,
Iобр — постоянный обратный ток.
12
13

14. Умножитель напряжения

14

15. Другие типы полупроводниковых диодов

15

16. Биполярный транзистор

16

17. Реальная структура биполярного транзистора

17

18. Транзисторный эффект

Статический коэффициент передачи тока h31э (β)= 50
18

19. Принцип работы транзистора

1. Эмиттер должен иметь более положительный потенциал, чем коллектор
(для n-p-n-транзистора потенциал коллектора должен быть выше).
2. Цепи база – эмиттер и база – коллектор работают как диоды. Обычно диод
база – коллектор открыт, а диод база – эмиттер смещён в обратном
направлении, то есть приложенное напряжение препятствует протеканию через
него тока.
3. Каждый характеризуется максимальными значениями токов и напряжений.
В случае превышения значений транзистор выходит из строя.
4. В случае соблюдений правил 1 – 3 ток протекающий через коллектор
IК прямо пропорционален току базы IБ и соблюдается следующее соотношение:
Ik=Ib*h31e
данное правило определяет основное свойство транзистора: небольшой ток
базы управляет большим током коллектора.
Из правила 2 следует, что между базой и эммитером напряжение не должно
превышать 0,6…0,8 В (падение напряжения на диоде), иначе возникает очень
большой ток.
19

20. Режимы работы биполярного транзистора

Режим отсечки: ток на базовом выводе отсутствует и промежуток
коллектор – эммитер представляет собой очень
высокое сопротивление, а ток через коллектор пренебрежимо мал
(находится в пределах тока утечки диода).
Режим насыщения: на базу поступает значительный ток, а
напряжение между базой и эммитером UБЭ = 0,6…0,7 В (напряжение
падения на p-n-переходе). Соответственно между коллектором и
эммитером небольшое сопротивление.
Режим усиления: представляет собой промежуточное состояние,
при котором значения токов и напряжений на транзисторе могут
варьироваться от режима отсечки к режиму насыщения.
20

21. Ключевой режим работы транзистора

21

22. Ключевой режим работы транзистора

22

23. Ключевой режим работы транзистора

23

24. Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Достоинства:
Большой коэффициент усиления по току
Большой коэффициент усиления по
напряжению
Наибольшее усиление мощности
Выходное переменное напряжение
инвертируется относительно входного
Недостатки:
Худшие температурные и частотные
свойства по сравнению со схемой с общей
базой.
Iвых = Iк Iвх = Iб Uвх = Uбэ Uвых = Uкэ
Коэффициент усиления по току:
Iвых/Iвх = Iк/Iб = β [β>>1].
Входное сопротивление:
Rвх = Uвх/Iвх = Uбэ/Iб.
24

25. Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором

Достоинства:
Большое входное сопротивление
Малое выходное сопротивление
Недостатки:
Коэффициент усиления по напряжению
меньше 1
Схему с таким включением называют
«эмиттерным повторителем»
Iвых = Iэ Iвх = Iб Uвх = Uбк Uвых = Uкэ
Коэффициент усиления по току:
Iвых/Iвх = Iэ/Iб = (Iб+Iк)/Iб= β+1 [β>>1].
Входное сопротивление:
Rвх = Uвх/Iвх = (Uбэ + Uкэ)/Iб.
25

26. Схема включения биполярного транзистора с общей базой

Коэффициент усиления по току:
Iвых/Iвх = Iк/Iэ = α [α
Входное сопротивление
Rвх = Uвх/Iвх = Uэб/Iэ.
Входное сопротивление для схемы с
общей базой мало и не превышает 100 Ом
для маломощных транзисторов.
Достоинства:
Хорошие температурные и частотные
свойства.
Высокое допустимое напряжение
Недостатки:
Малое усиление по току, так как α
Малое входное сопротивление
26

27. Коэффициенты усиления биполярного транзистора

27

28. Классы мощных усилительных каскадов

Режим A
Режим B, двухтактный каскад
Режим B
28

29. Составные транзисторы

Общий коэффициент передачи тока будет равен:
h31e(ОБЩ) = h31e(VT1)*h31e(VT2)
Величину сопротивления R1 можно определить по формуле:
R1 ≤ UE min/ICBO(VT1)
29

30. Составные транзисторы

Максимально допустимый ток протекающий через такой составной
транзистор равен:
IKmax(общ) = IKmax(VT1) + IKmax(VT2)
Сопротивление симметрирующих резисторов R1 и R2 можно определить
по формуле
R1 = R2 ≈ 0,5n/IK,
где n – число параллельно соединенных транзисторов
IK — ток проходящий через коллектор.
30

31. Составные транзисторы

Эквивалентный транзистор будет иметь следующие параметры:
UCEmax(общ) = UCEmax(VT1) + UCEmax(VT2)
Для симметрирования напряжений, которые будут падать на переходе
коллектор – эмиттер транзисторов вводят резисторы R1 и R2
сопротивление, которых можно определить по формуле
R1 = R2
где IB – ток базы составного регулирующего транзистора.
31

32. Полевой транзистор

исток (source) — электрод, из которого в канал входят основные
носители заряда;
сток (drain) — электрод, через который из канала уходят основные
носители заряда;
затвор (gate) — электрод, служащий для регулирования поперечного
сечения канала.
32

33. Виды полевых транзисторов

Полевые транзисторы (FET: Field-Effect-Transistors):
— с управляющим PN-переходом (JFET: Junction-FET)
— с изолированным затвором (MOSFET: Metal-Oxid-Semiconductor-FET)
33

34. Структура полевых транзисторов

Устройство полевого транзистора
с управляющим p-n-переходом
Устройство полевого транзистора с
изолированным затвором
a) с индуцированным каналом,
b) со встроенным каналом
34

35. Принцип работы полевого транзистора

35

36. Главный параметр полевого транзистора

Параметр усилительной способности JFET – это крутизна стоко-затворной
характеристики (Mutual Transconductance). Обозначается gm или S, и
измеряется в mA/V (милиАмпер/Вольт).
36

37. Принцип работы МДП транзистора с индуцированным каналом

37

38. Принцип работы МДП транзистора с индуцированным каналом

38

39. Схемы включения полевого транзистора

39

40. Преимущества полевых транзисторов перед биполярными

• высокое входное сопротивление
• расходуют мало энергии
• усиление по току намного выше, чем у биполярных транзисторов
• скорость перехода между состояниями проводимости и
непроводимости тока на порядок выше, чем у биполярных
транзисторов
40

41. Недостатки полевых транзисторов перед биполярными

• меньшая предельная температура работы (150С), чем у
биполярных транзисторов (200С)
• на частотах выше, примерно, чем 1.5 GHz, потребление энергии у
МОП-транзисторов начинает возрастать по экспоненте
• чувствительность к статическому электричеству
41

Как определить режим работы транзистора

Существуют различные виды полупроводниковых приборов – тиристоры, триоды, они классифицируются по назначению и типу конструкции. Полупроводниковые биполярные транзисторы способны переносить одновременно заряды двух типов, в то время, как полевые только одного.

Конструкция и принцип работы

Ранее вместо транзисторов в электрических схемах использовались специальные малошумящие электронные лампы, но они были больших габаритов и работали за счет накаливания. Биполярный транзистор ГОСТ 18604.11-88 – это полупроводниковый электрический прибор, который является управляемым элементом и характеризуется трехслойной структурой, применяется для управления СВЧ. Может находиться в корпусе и без него. Они бывают p-n-p и n–p–n типа. В зависимости от порядка расположения слоев, базой может быть пластина p или n, на которую наплавляется определенный материал. За счет диффузии во время изготовления получается очень тонкий, но прочный слой покрытия.

Фото — мпринципиальные схемы включения

Чтобы определить, какой перед Вами транзистор, нужно найти стрелку эммитерного перехода. Если её направление идет в сторону базы, то структура pnp, если от неё – то npn. Некоторые полярные импортные аналоги (IGBT и прочие) могут иметь буквенное обозначение перехода. Помимо этого бывают еще биполярные комплементарные транзисторы. Это устройства, у которых одинаковые характеристики, но разные типы проводимости. Такая пара нашла применение в различных радиосхемах. Данную особенность нужно учитывать, если необходима замена отдельных элементов схемы.

Фото — конструкция

Область, которая находится в центре, называется базой, с двух сторон от неё располагаются эммитер и коллектор. База очень тонкая, зачастую её толщина не превышает пары 2 микрон. В теории существует такое понятие, как идеальный биполярный транзистор. Это модель, у которой расстояние между эммитерной и коллекторной областями одинаковое. Но, зачастую, эммиторный переход (область между базой и эммитером) в два раза больше коллекторного (участок между основой и коллектором).

Фото — пример

Например, при положительном открывается область p-n, а при отрицательном она закрывается. Главной особенностью действия транзисторов является то, что при смещении любой области база насыщается электронами или вакансиями (дырками), это позволяет снизить потенциал и увеличить проводимость элемента.

Существуют следующие ключевые виды работы:

1. Активный режим;
2. Отсечка;
3. Двойной или насыщения;
4. Инверсионный.

Перед тем, как определить режим работы в биполярных триодах, нужно разобраться, чем они отличаются друг от друга. Высоковольтные чаще всего работают в активном режиме (он же ключевой режим), здесь во время включения питания смещается переход эмиттера, а на коллекторном участке присутствует обратное напряжение. Инверсионный режим – это антипод активного, здесь все смещено прямо-пропорционально. Благодаря этому, электронные сигналы значительно усиливаются.

Во время отсечки исключены все типы напряжения, уровень тока транзистора сведен к нулю. В этом режиме размыкается транзисторный ключ или полевой триод с изолированным затвором, и устройство отключается. Есть еще также двойной режим или работа в насыщении, при таком виде работы транзистор не может выступать как усилитель. На основании такого принципа подключения работают схемы, где нужно не усиление сигналов, а размыкание и замыкание контактов.

Из-за разности уровней напряжения и тока в различных режимах, для их определения можно проверить биполярный транзистор мультиметром, так, например, в режиме усиления исправный транзистор n-p-n должен показывать изменение каскадов от 500 до 1200 Ом. Принцип измерения описан ниже.

Основное назначение транзисторов – это изменение определенных сигналов электрической сети в зависимости от показателей тока и напряжения. Их свойства позволяют управлять усилением посредством изменения частоты тока. Иными словами, это преобразователь сопротивления и усилитель сигналов. Используется в различной аудио- и видеоаппаратуре для управления маломощными потоками электроэнергии и в качестве УМЗЧ, трансформаторах, контроля двигателей станочного оборудования и т. д.

Видео: как работает биполярные транзисторы

Проверка

Самый простой способ измерить h31e мощных биполярных транзисторов – это прозвонить их мультиметром. Для открытия полупроводникового триода p-n-p подается отрицательное напряжение на базу. Для этого мультиметр переводится в режим омметра на -2000 Ом. Норма для колебания сопротивления от 500 до 1200 Ом.

Чтобы проверить другие участки, нужно на базу подать плюсовое сопротивление. При этой проверке индикатор должен показать большее сопротивление, в противном случае, триод неисправен.

Иногда выходные сигналы перебиваются резисторами, которые устанавливают для снижения сопротивления, но сейчас такая технология шунтирования редко используется. Для проверки характеристики сопротивления импульсных транзисторов n-p-n нужно подключать к базе плюс, а к выводам эммитера и коллектора — минус.

Технические характеристики и маркировка

Главными параметрами, по которым подбираются эти полупроводниковые элементы, является цоколевка и цветовая маркировка.

Фото — цоколевка маломощных биполярных триодов Фото — цоколевка силовых

Также используется цветовая маркировка.

Фото — примеры цветовой маркировки Фото — таблица цветов

Многие отечественные современные транзисторы также обозначаются буквенным шифром, в который включается информация о группе (полевые, биполярные), типе (кремниевые и т. д.,) годе и месяце выпуска.

Фото — расшифровка

Основные свойства (параметры) триодов:

1. Коэффициент усиления по напряжению тока;
2. Входящее напряжение;
3. Составные частотные характеристики.

Для их выбора еще используются статические характеристики, которые включают сравнение входных и выходных ВАХ.

Необходимые параметры можно вычислить, если произвести расчет по основным характеристикам (распределение токов каскада, расчет ключевого режима). Коллекторный ток: Ik=(Ucc-Uкэнас)/Rн

• Ucc – напряжение сети;
• Uкэнас – насыщение;
• Rн – сопротивление сети.

Потери мощности при работе:

Купить биполярные транзисторы SMD, IGBT и другие можно в любом электротехническом магазине. Их цена варьируется от нескольких центов до десятка долларов, в зависимости от назначения и характеристик.

На выходных характеристиках транзистора определяют и отмечают режим покоя, который характеризуется током покоя и напряжением покоя при В. Этот режим выбирается исходя из заданного значения амплитуды выходного напряжения и связанной с ней амплитудой тока .

Координаты точки покоя должны удовлетворять следующим условиям

и ,

где — коллекторное напряжение в режиме насыщения транзистора.

.

Ток покоя также определяется выражением

,

где — напряжение в цепи эмиттера, выбираемое в пределах .

Путем совместного решения двух последних выражений для тока покоя , определяют сопротивление в цепи коллектора

.

Значение обратного тока коллектора приводится в справочниках для . При температуре окружающей среды отличной от значение обратного тока коллектора необходимо скорректировать, воспользовавшись следующей формулой

,

где — для германиевых транзисторов,

— для кремниевых транзисторов.

Выбранной точке покоя и и отображенной на выходной характеристике транзистора соответствуют определенное значение тока покоя базы и напряжение покоя базы , определяемое по входной характеристике транзистора.

После определения параметров режима покоя выполняется проверка этого режима на соответствие допустимой рассеиваемой мощности коллектора

,

где — максимально допустимая мощность коллекторной цепи при заданной температуре окружающей среды

,

где — максимально допустимая температура коллекторного перехода транзистора (ориентировочно, для кремниевых транзисторов , для германиевых – ).

Сопротивление в эмиттерной цепи определяется из выражения

.

Значение сопротивления резистора установки нуля на выходе усилителя

.

Для уменьшения шунтирования входного сопротивления усилителя ток делителя в цепи базы транзистора принимается равным

.

После принятия значения тока делителя определяют величины сопротивлений резисторов делителя

и .

Коэффициент усиления каскада по напряжению

,

где — эквивалентное сопротивление одного плеча дифференциального усилителя с симметричным выходом

,

— входное сопротивление усилителя, которое при симметричном входе определяется выражением

.

Полученный коэффициент усиления сравнивают с требуемым коэффициентом

.

Расчет считается законченным при выполнении условия . Если же окажется, что , то для получения требуемого коэффициента усиления увеличивают сопротивление резистора в цепи коллектора или выбирают транзистор с большим коэффициентом передачи тока . После чего производят корректировку расчетов с учетом внесенных изменений. В случае значительного расхождения коэффициента усиления применяют еще один каскад.

Задача №3

АНАЛИЗ РАБОТЫ АНАЛОГОВЫХ И ЦИФРОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

В табл. 3 по двум последним цифрам учебного шифра выбираются вопросы, а из табл. 4 — содержание вопроса. Ответ на вопрос должен содержать не менее 3-4 страниц.

Вариант (последняя цифра шифра)

Номер вопроса

Вариант (предпоследняя цифра шифра)

Номер вопроса

Номер вопроса	Содержание вопроса
Назначение микропроцессора (МП). Структурная схема МП с названием элементов и их функциональным назначением.
Общие сведения о микропроцессорах. Базовые команды микропроцессоров и их типы.
Устройства ввода-вывода микропроцессора и вспомогательные аппаратные средства.
Устройство и принцип действия операционных усилителей (ОУ). Схематическое изображение и основные характеристики ОУ. Классификация ОУ и область применения.
Практическое применение операционных усилителей (ОУ). Инвертирующие и неинвертирующие усилители. Генерирующие устройства на ОУ, сумматоры и устройства сравнения.
Мультиплексор. Назначение, обобщенная схема и классификация. Интегральные микросхемы мультиплексоров, обозначение и основные параметры.
Демультиплексор. Назначение, обобщенная схема и классификация. Интегральные микросхемы демультиплексоров, схемное обозначение, функциональное назначение и основные параметры.
Продолжение табл. 4
Шифратор. Назначение и принцип построения. Интегральные микросхемы шифраторов, условное схематическое изображение, виды и назначение входных сигналов.
Дешифратор. Назначение и принцип построения. Схема дешифратора и его условное изображение. Принцип построения дешифратора на примере преобразования двоичного кода в унитарный. Интегральные микросхемы дешифраторов, их характеристики.
Виды аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и их особенности. Основные характеристики и структурные схемы АЦП. Интегральные схемы АЦП.
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) средних значений. Структурная схема АЦП и графики процесса преобразования. Основные характеристики интегрирующих АЦП.
Классификация интегральных аналого-цифровых преобразователей (АЦП). АЦП последовательного действия, структурная схема, графики процесса преобразования напряжения в цифровой код. АЦП параллельного действия. Структурная схема, принцип работы.
Назначение и виды цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП). Основные параметры, принцип построения, упрощенные схемы ЦАП и их работа преобразования. Серийные микросхемы ЦАП.
Регистры. Основные сведения, классификация, назначение, интегральные микросхемы регистров и их основные параметры. Привести схему регистра сдвига и временные диаграммы.
Счетчики. Основные определения и виды счетчиков. Классификация счетчиков, применение, схема и временные диаграммы. Интегральные микросхемы счетчиков (суммирующий, вычитающий).
Триггеры. Основные определения и виды триггеров, условное схематическое обозначение, принцип построения. Асинхронный RS-триггер: схема, временная диаграмма, таблица истинности.
Интегральные микросхемы триггеров и их функциональное обозначение. Синхронный JK-триггер: временная диаграмма, статические и динамические параметры.
Основные понятия и виды запоминающих устройств (ЗУ). Техническая классификация запоминающих устройств (оперативные ЗУ, постоянные ЗУ). Статические и динамические ЗУ. Основные параметры ЗУ.
Структурная схема статического и динамического оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). Принцип работы и основные свойства.
Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), структурная схема ПЗУ. Репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ), их устройство и принцип работы. Интегральные микросхемы запоминающих устройств (ЗУ). Условное схематическое изображение оперативных ЗУ(ОЗУ) и постоянных ЗУ (ПЗУ) и их краткая характеристика.

Теоретический материал приведен в [1,§§6.1-6.9,7.1-7.6; 2,§3.6; 3, §§16.3,17.1-17.5,17.9,18.1-18.2,21.1-21.8,23.1-23.8].

1. Электротехника и электроника. Учеб. для вузов. В 3-х кн. / Под ред. проф. В.Г.Герасимова. – М.: Энергоатомиздат, кн.3 – 1998.

2.П р я н и ш н и к о в В. А. Электроника: Курс лекций. – СПб.: КОРОНА принт,1998.

3. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс). Учеб. для вузов. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Под ред Глудкина О.П. М: – Горячая линия – Телеком. 2002г.

4. Б у р б а е в а Н.В., Д н е п р о в с к а я Т.С. Сборник задач по полупроводниковой электронике. М.: Физматлит., 2004г.

5. Основы электротехники и электроники в задачах с решениями. Учеб. пособие / Г.Г. Рекус.– М.: Высш. шк., 2005.

6. Сборник задач по электротехнике и основам электроники./Под ред. В.Г.Герасимова. – М.: Высш. шк., 1987.

7. Диоды: Справочник / О.П. Григорьев, В.Я. Замятин, С.Л. Пожидаев. – М.: Радио и связь, 1990.

8. П е р е л ь м а н В.Л. Полупроводниковые приборы. Справочник, –М.:СОЛОН, МИКРОТЕХ, 1996.

Примечание. Для выборатипа полупроводниковых элементов и определения их характеристик может быть использована любая соответствующая справочная литература.

Дата добавления: 2015-05-06 ; Просмотров: 800 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Кроме этих режимов существует ещё инверсный режим, который используется очень редко.

Когда напряжение между базой и эмиттером ниже, чем 0.6V — 0.7V, то p-n переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора практически отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

В активном режиме на базу подано напряжение, достаточное для того чтобы p-n переход между базой и эмиттером открылся. Возникают токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

Если увеличивать ток базы, то может наступить такой момент, когда ток коллектора перестанет увеличиваться, т.к. транзистор полностью откроется, и ток будет определяться только напряжением источника питания и сопротивлением нагрузки в цепи коллектора. Транзистор достигает режима насыщения. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечиваться источником питания при данном сопротивлении нагрузки, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы. В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен». Все эти режимы можно разъяснить с помощью выходных характеристик транзистора.

Рассмотрим каскад усиления на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (рис. 4.14). При изменении величины входного сигнала будет изменяться ток базы Iб . Ток коллектора Iк изменяется пропорционально току базы:

Рис. 4.14. Схема усилительного каскада (рисунок выполнен авторами)

Изменение тока коллектора можно проследить по выходным характеристикам транзистора (рис. 4.15). На оси абсцисс отложим отрезок, равный Е_К — напряжению источника питания коллекторной цепи, а на оси ординат отложим отрезок, соответствующий максимально возможному току в цепи этого источника:

Между этими точками проведем прямую линию, которая называется линией нагрузки и описывается уравнением:

Где U_КЭ — напряжение между коллектором и эмиттером транзистора; R_К — сопротивление нагрузки в коллекторной цепи.

Рис. 4.15. Режимы работы биполярного транзистора (рисунок выполнен авторами)

Из (4.5.3) следует, что

И, следовательно, наклон линии нагрузки определяется сопротивлением R_К. Из рис. 4.15 следует, что в зависимости от тока базы Iб, протекающего во входной цепи транзистора, рабочая точка транзистора, определяющая его коллекторный ток и напряжение U_КЭ, будет перемещаться вдоль линии нагрузки от самого нижнего положения (точки 1, определяемой пересечением линии нагрузки с выходной характеристикой при I_б=0), до точки 2, определяемой пересечением линии нагрузки с начальным крутовозрастающим участком выходных характеристик.

Зона, расположенная между осью абсцисс и начальной выходной характеристикой, соответствующей I_б=0, называется зоной отсечки и характеризуется тем, что оба перехода транзистора — эмиттерный и коллекторный смещены в обратном направлении. Коллекторный ток при этом представляет собой обратный ток коллекторного перехода — I_К0, который очень мал и поэтому почти все напряжение источника питания E_К падает между эмиттером и коллектором закрытого транзистора:

А падение напряжения на нагрузке очень мало и равно:

Говорят, что в этом случае транзистор работает в режиме отсечки. Поскольку в этом режиме ток, протекающий по нагрузке исчезающе мал, а почти все напряжение источника питания приложено к закрытому транзистору, то в этом режиме транзистор можно представить в виде разомкнутого ключа.

Если теперь увеличивать базовый ток I_б, то рабочая точка будет перемещаться вдоль линии нагрузки, пока не достигнет точки 2. Базовый ток, соответствующий характеристике, проходящей через точку 2, называется током базы насыщения I_б нас. Здесь транзистор входит в режим насыщения и дальнейшее увеличение базового тока не приведет к увеличению коллекторного тока I_К. Зона между осью ординат и круто изменяющимся участком выходных характеристик называется зоной насыщения. В этом случае оба перехода транзистора смещены в прямом направлении; ток коллектора достигает максимального значения и почти равен максимальному току источника коллекторного питания:

а напряжение между коллектором и эмиттером открытого транзистора оказывается очень маленьким. Поэтому в режиме насыщения транзистор можно представить в виде замкнутого ключа.

Промежуточное положение рабочей точки между зоной отсечки и зоной насыщения определяет работу транзистора в режиме усиления, а область, где она находится, называется активной областью. При работе в этой области эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном (Петрович В. П., 2008).

«>

Биполярные переходные транзисторы | Теория твердотельных устройств

Биполярный транзистор (BJT) был назван потому, что его работа связана с проводимостью двух носителей: электронов и дырок в одном кристалле. Первый биполярный транзистор был изобретен в Bell Labs Уильямом Шокли, Уолтером Браттейном и Джоном Бардином так поздно в 1947 году, что не был опубликован до 1948 года. Таким образом, многие тексты различаются по дате изобретения. Браттейн изготовил германиевый точечный транзистор , имеющий некоторое сходство с точечным диодом.Через месяц у Шокли появился более практичный переходной транзистор , который мы опишем в следующих параграфах. В 1956 году они были удостоены Нобелевской премии по физике за транзистор.

Биполярный переходной транзистор, показанный на рисунке ниже (а), представляет собой трехслойный полупроводниковый сэндвич NPN с эмиттером и коллектором на концах и базой между ними. Это как если бы к двухслойному диоду был добавлен третий слой. Если бы это было единственным требованием, у нас было бы не более пары встречных диодов.На самом деле гораздо проще построить пару встречных диодов. Ключ к созданию транзистора с биполярным переходом состоит в том, чтобы сделать средний слой, основание, как можно более тонким, без короткого замыкания внешних слоев, эмиттера и коллектора. Невозможно переоценить важность тонкой базовой области.

Соединения BJT

Устройство на рисунке ниже (а) имеет пару переходов, эмиттер-база и база-коллектор, а также две области истощения.

(а) Биполярный транзистор с переходом NPN.(b) Подайте обратное смещение к коллекторному переходу.

Обычно используется обратное смещение перехода база-коллектор биполярного переходного транзистора, как показано на (Рисунок выше (b). Обратите внимание, что это увеличивает ширину обедненной области. Напряжение обратного смещения может составлять от нескольких вольт до десятков вольт. для большинства транзисторов. В цепи коллектора нет протекания тока, кроме тока утечки.

На рисунке ниже (а) к базовой цепи эмиттера добавлен источник напряжения.Обычно мы смещаем в прямом направлении переход эмиттер-база, преодолевая потенциальный барьер 0,6 В. Это похоже на прямое смещение переходного диода. Этот источник напряжения должен превышать 0,6 В, чтобы основные носители (электроны для NPN) перетекали из эмиттера в базу, становясь неосновными носителями в полупроводнике P-типа.

Если бы область базы была толстой, как в паре встречных диодов, весь ток, входящий в базу, потек бы через вывод базы. В нашем примере с NPN-транзистором электроны, покидающие эмиттер для базы, будут объединяться с отверстиями в базе, освобождая место для создания большего количества отверстий на (+) клемме батареи на базе по мере выхода электронов.

Однако основание изготавливается тонким. Несколько основных носителей в эмиттере, введенные в качестве неосновных носителей в базу, фактически рекомбинируют. См. Рисунок ниже (b). Немногочисленные электроны, введенные эмиттером в базу NPN-транзистора, попадают в дырки. Кроме того, небольшое количество электронов, попадающих в базу, проходит непосредственно через базу к положительному выводу батареи. Большая часть эмиттерного тока электронов диффундирует через тонкое основание в коллектор. Более того, модуляция малого тока базы приводит к большему изменению тока коллектора.Если базовое напряжение для кремниевого транзистора падает ниже примерно 0,6 В, большой ток эмиттер-коллектор перестает течь.

Биполярный транзистор с NPN переходом и обратным смещением коллектор-база: (a) Добавление прямого смещения к переходу база-эмиттер приводит к (b) небольшому току базы и большим токам эмиттера и коллектора.

Усиление тока BJT

На рисунке ниже мы более подробно рассмотрим механизм усиления тока.У нас есть увеличенный вид транзистора с переходом NPN с акцентом на тонкую базовую область. Хотя это не показано, мы предполагаем, что внешние источники напряжения 1) смещают в прямом направлении переход эмиттер-база, 2) обратное смещение переходят между базой и коллектором. Ток уходит с эмиттера на (-) клемму аккумулятора. Ток базы соответствует токам, поступающим на клемму базы от (+) клеммы аккумулятора.

Расположение электронов, попадающих в базу: (а) потеряны из-за рекомбинации с дырками в базе.(b) Вытекает из основания. (c) Наиболее распространены из эмиттера через тонкое основание в обедненную область база-коллектор, и (d) быстро уносятся сильным электрическим полем обедненной области в коллектор.

Основными носителями в эмиттере N-типа являются электроны, которые становятся неосновными носителями при входе в базу P-типа. Эти электроны сталкиваются с четырьмя возможными судьбами, попадая в тонкую основу P-типа. Некоторые из них на рисунке выше (а) попадают в отверстия в основании, которые способствуют протеканию тока базы к (+) клемме батареи.Не показано, отверстия в базе могут диффундировать в эмиттер и объединяться с электронами, внося вклад в ток на клеммах базы. Немногочисленные в точке (b) протекают через базу к (+) клемме аккумулятора, как если бы база была резистором. Оба элемента (а) и (б) вносят свой вклад в очень небольшой базовый ток. Базовый ток обычно составляет 1% от тока эмиттера или коллектора для транзисторов с малым сигналом. Большая часть электронов эмиттера диффундирует прямо через тонкую базу (c) в область обеднения база-коллектор. Обратите внимание на полярность обедненной области, окружающей электрон в точке (d).Сильное электрическое поле быстро перемещает электрон в коллектор. Сила поля пропорциональна напряжению коллекторной батареи. Таким образом, 99% эмиттерного тока проходит в коллектор. Он контролируется базовым током, который составляет 1% от тока эмиттера. Это потенциальный коэффициент усиления по току 99, отношение I _C / I _B , также известное как бета, β.

Эта магия, диффузия 99% носителей эмиттера через базу, возможна только в том случае, если база очень тонкая.Какова будет судьба базовых неосновных авианосцев в базе в 100 раз толще? Можно было бы ожидать, что скорость рекомбинации электронов, попадающих в дырки, будет намного выше. Возможно, 99% вместо 1% упали бы в ямы, так и не дойдя до коллектора. Во-вторых, необходимо отметить, что базовый ток может контролировать 99% тока эмиттера, только если 99% тока эмиттера диффундируют в коллектор. Если все это вытекает из базы, управление невозможно.

Другая особенность, объясняющая прохождение 99% электронов от эмиттера к коллектору, заключается в том, что в реальных транзисторах с биполярным переходом используется небольшой сильно легированный эмиттер.Высокая концентрация эмиттерных электронов заставляет многие электроны диффундировать в базу. Более низкая концентрация легирования в базе означает, что меньше дырок диффундирует в эмиттер, что приведет к увеличению тока базы. Диффузия носителей от эмиттера к базе настоятельно рекомендуется.

Тонкая база и сильно легированный эмиттер помогают поддерживать эффективность эмиттера на высоком уровне, например, 99%. Это соответствует 100% -ному разделению эмиттерного тока между базой как 1% и коллектором как 99%.Эффективность эмиттера известна как α = I _C / I _E .

Типы БЮТ

Биполярные переходные транзисторы доступны как PNP, так и как NPN устройства. Мы представляем сравнение этих двух на рисунке ниже. Разница заключается в полярности диодных переходов база-эмиттер, что обозначено направлением стрелки эмиттера на схематическом символе. Он указывает в том же направлении, что и стрелка анода для переходного диода, вдоль тока. См. Диодный переход на предыдущем рисунке.Острие стрелки и полоски соответствуют полупроводникам P-типа и N-типа соответственно. Для излучателей NPN и PNP стрелка указывает в сторону основания соответственно. На коллекторе нет схематической стрелки. Однако переход база-коллектор имеет ту же полярность, что и переход база-эмиттер, по сравнению с диодом. Обратите внимание, мы говорим о диоде, а не о питании, полярности.

Сравните транзистор NPN в точке (a) с транзистором PNP в точке (b). Обратите внимание на направление стрелки эмиттера и полярность питания.

Источники напряжения для транзисторов PNP перевернуты по сравнению с транзисторами NPN, как показано на рисунке выше. В обоих случаях переход база-эмиттер должен иметь прямое смещение. База PNP-транзистора смещена отрицательно (b) по сравнению с положительным (a) для NPN. В обоих случаях переход база-коллектор имеет обратное смещение. Источник питания коллектора PNP является отрицательным по сравнению с положительным для транзистора NPN.

Биполярный переходной транзистор: (а) поперечное сечение дискретного устройства, (б) схематическое обозначение, (в) поперечное сечение интегральной схемы.

Обратите внимание, что биполярный транзистор на рисунке выше (а) имеет сильное легирование в эмиттере, что обозначено обозначением N +. База имеет нормальный уровень P-легирующей примеси. Основание намного тоньше, чем показано на поперечном сечении без соблюдения масштаба. Коллектор слегка легирован, как указано обозначением N. Коллектор должен быть слегка легирован, чтобы переход коллектор-база имел высокое напряжение пробоя. Это означает высокое допустимое напряжение источника питания коллектора. Кремниевые малосигнальные транзисторы имеют напряжение пробоя 60-80 В.Хотя для высоковольтных транзисторов он может достигать сотен вольт. Коллектор также должен быть сильно легирован, чтобы минимизировать омические потери, если транзистор должен выдерживать большой ток. Эти противоречивые требования удовлетворяются за счет более сильного легирования коллектора в области металлического контакта. Коллектор у базы слегка легирован по сравнению с эмиттером. Сильное легирование эмиттера дает основанию эмиттера низкое напряжение пробоя, примерно 7 В, в транзисторах с малым сигналом. Сильнолегированный эмиттер придает переходу эмиттер-база характеристики стабилитрона при обратном смещении.

BJT die , кусок нарезанной полупроводниковой пластины, монтируется коллектором вниз к металлическому корпусу для силовых транзисторов. То есть металлический корпус электрически подключен к коллектору. Маленькая сигнальная матрица может быть залита эпоксидной смолой. В силовых транзисторах алюминиевые соединительные провода соединяют базу и эмиттер с выводами корпуса. Матрицы малосигнальных транзисторов могут устанавливаться непосредственно на выводные провода. Несколько транзисторов могут быть изготовлены на одном кристалле, называемом интегральной схемой .Даже коллектор может быть прикреплен к проводу вместо корпуса. Интегральная схема может содержать внутреннюю разводку транзисторов и других интегральных компонентов. Интегрированный BJT, показанный на (Рисунок (c) выше), намного тоньше, чем рисунок «без масштаба». Область P + изолирует несколько транзисторов в одном кристалле. Слой металлизации алюминия (не показан) соединяет несколько транзисторов и другие компоненты. Область эмиттера сильно легирована N + по сравнению с базой и коллектором для повышения эффективности эмиттера.

Дискретные PNP-транзисторы почти такого же высокого качества, как и NPN-аналоги. Однако интегрированные PNP-транзисторы не так хороши, как NPN-транзисторы в одном кристалле интегральной схемы. Таким образом, интегральные схемы максимально используют разнообразие NPN.

ОБЗОР:

• Биполярные транзисторы проводят ток, используя как электроны, так и дырки в одном устройстве.
• Для работы биполярного транзистора в качестве усилителя тока требуется, чтобы переход коллектор-база был смещен в обратном направлении, а переход эмиттер-база был смещен в прямом направлении.
• Транзистор отличается от пары встречных диодов тем, что база, центральный слой, очень тонкая. Это позволяет основным носителям из эмиттера диффундировать в качестве неосновных носителей через базу в обедненную область перехода база-коллектор, где их собирает сильное электрическое поле.
• Эффективность эмиттера повышена за счет более сильного легирования по сравнению с коллектором. Эффективность излучателя: α = I _C / I _E , 0,99 для малосигнальных устройств
• Коэффициент усиления по току β = I _C / I _B , от 100 до 300 для малосигнальных транзисторов.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Какие три режима работы BJT? — MVOrganizing

Какие три режима работы BJT?

Учитывая, что есть два полезных режима p-n-перехода и два p-n перехода для каждого BJT (то есть CBJ и EBJ), BJT может быть в одном из четырех режимов! Мы обнаружим, что обратный активный режим имеет ограниченную полезность, и, таким образом, тремя основными рабочими режимами BJT являются Cutoff, Active и Saturation.

Каковы общие типы смещения для BJT?

Типы цепей смещения для усилителей класса А

• Фиксированное смещение.
• Смещение коллектора к базе.
• Фиксированное смещение с эмиттерным резистором.
• Делитель напряжения смещения или делитель напряжения.
• Смещение эмиттера.

В каких регионах работает BJT?

Биполярный переходной транзистор (BJT) имеет три рабочих региона:

• Отрезка (для NPN BJT)
• Активная область (для NPN)
• Насыщенный (для NPN)

В каком из следующих режимов можно использовать BJT?

Пояснение: BJT работает как усилители в активном режиме и как переключатель в режиме отсечки или насыщения.Объяснение: В режиме отсечки нет тока, протекающего через BJT, поэтому оба перехода должны быть смещены в обратном направлении, иначе, если любой из них смещен в прямом направлении, ток будет течь.

Какие режимы работы транзистора?

Режимы работы

• Насыщение — Транзистор действует как короткое замыкание.
• Отсечка — Транзистор действует как разомкнутая цепь.
• Активный — ток от коллектора к эмиттеру пропорционален току, протекающему в базе.
• Reverse-Active — Как и в активном режиме, ток пропорционален базовому току, но течет в обратном направлении.

Как BJT используется в качестве усилителя?

Транзистор действует как усилитель, увеличивая силу слабого сигнала. Напряжение смещения постоянного тока, приложенное к переходу базы эмиттера, заставляет его оставаться в прямом смещенном состоянии. Таким образом, небольшое входное напряжение приводит к большому выходному напряжению, что показывает, что транзистор работает как усилитель.

Какие бывают типы BJT?

Биполярный транзистор (bipolar junction transistor: BJT) состоит из трех полупроводниковых областей, образующих два перехода.Есть два типа структуры: npn и pnp. Доступны изделия с npn до 800 В и pnp до -600 В. Кроме того, существуют также встроенные транзисторы с резисторами смещения (БРТ).

Какова функция BJT?

Основная основная функция BJT — усиление тока, что позволит использовать BJT в качестве усилителей или переключателей для широкого применения в электронном оборудовании, включая мобильные телефоны, промышленное управление, телевидение и радиопередатчики.

Почему BJT называется транзисторным?

Устройство

… часто называют транзистором с биполярным переходом, потому что для его работы необходимо, чтобы отрицательно заряженные электроны и их положительно заряженные двойники (дырки, соответствующие отсутствию электронов в кристаллической решетке) сосуществовали в течение короткого времени в присутствии друг друга.

Что такое символ BJT?

Это твердотельное устройство, которое пропускает ток по двум клеммам, то есть коллектору и эмиттеру, и управляется третьим устройством, известным как клемма или базовая клемма. В отличие от обычного диода с p-n переходом, этот транзистор имеет два p-n перехода. Основные символы BJT — это n-тип и p-тип.

Что такое транзистор PNP?

PNP-транзистор — полная противоположность устройству NPN-транзистора, которое мы рассматривали в предыдущем руководстве. Затем транзисторы PNP используют небольшой базовый ток и отрицательное базовое напряжение для управления гораздо большим током эмиттер-коллектор.

Биполярный транзистор и транзистор одинаковы?

BJT представляет собой транзистор с биполярным переходом, тогда как MOSFET представляет собой полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника. Биполярный транзистор имеет три вывода, а именно базу, эмиттер и коллектор, а полевой МОП-транзистор имеет три вывода, а именно исток, сток и затвор.

Почему CMOS лучше, чем BJT?

Затворы

CMOS рассеивают мощность только при переключении, а НЕ когда они «открыты» (транзистор выключен) или «закрыт» (транзистор включен). Следовательно, снижено энергопотребление.Размеры устройств MOS можно легче уменьшить, и они имеют меньшую стоимость изготовления по сравнению с BJT.

В чем разница между JFET и BJT?

Ключевое различие между BJT и JFET состоит в том, что BJT — это устройство, в котором выходной ток управляется базовым током. Напротив, JFET — это устройство, выходной ток которого регулируется приложенным к нему входным напряжением.

В чем основное различие между BJT и FET?

BJT и FET — это два разных типа транзисторов, также известные как активные полупроводниковые устройства.Аббревиатура BJT — биполярный переходной транзистор, а FET — это полевой транзистор… Разница между BJT и FET.

BJT	полевой транзистор
BJT — устройство с управлением по току	FET — устройство, управляемое напряжением
BJT имеет шум	У полевого транзистора меньше шума

Почему FET предпочтительнее BJT?

полевые транзисторы — это чувствительные к напряжению устройства с высоким входным сопротивлением (порядка 107–1012 Ом).Поскольку этот входной импеданс значительно выше, чем у BJT, полевые транзисторы предпочтительнее BJT для использования в качестве входного каскада для многокаскадного усилителя. Полевые транзисторы, как правило, легче изготовить, чем биполярные транзисторы.

Почему BJT более шумный, чем FET?

BJT шумнее, чем полевые транзисторы. BJT имеет два pn перехода, тогда как полевой транзистор имеет только один pn переход. Следовательно, носители заряда должны будут пересечь больше обедненных областей в BJT, и, следовательно, возможность добавления теплового шума и неосновных носителей заряда намного выше.

Что означает полевой транзистор?

Транзистор полевой

В чем разница между полевым транзистором с каналом N и каналом P?

В N-канальном MOSFET исток соединен с землей, сток — с нагрузкой, и полевой транзистор включается, когда на затвор подается положительное напряжение. Это означает, что если вы хотите использовать МОП-транзистор с P-каналом для переключения напряжений выше 5 В, вам понадобится другой транзистор (какой-либо), чтобы включать и выключать его.

Что такое шум транзистора?

Шум в транзисторном усилителе определяется как избыточный шум, генерируемый усилителем, не тот шум, который усиливается от входа к выходу, а тот, который генерируется внутри усилителя.Это определяется путем измерения отношения сигнал / шум (S / N) на входе и выходе усилителя.

Что вызывает 1f звук?

1 / f-шум в токе или напряжении обычно связан с постоянным током, поскольку колебания сопротивления преобразуются в колебания напряжения или тока по закону Ома. В электронных устройствах это проявляется как низкочастотное явление, поскольку более высокие частоты затмеваются белым шумом от других источников.

Что такое эффект Миллера в БЮТ?

Из Википедии, бесплатной энциклопедии.В электронике эффект Миллера объясняет увеличение эквивалентной входной емкости инвертирующего усилителя напряжения из-за усиления эффекта емкости между входными и выходными клеммами.

Что такое точка Q транзистора?

Точка Q или рабочая точка устройства, также известная как точка смещения, или точка покоя — это установившееся постоянное напряжение или ток на определенной клемме активного устройства, такого как диод или транзистор, без подачи входного сигнала.

Что такое линия нагрузки и точка Q?

Линия нагрузки постоянного тока — это линия нагрузки эквивалентной схемы постоянного тока, определяемая уменьшением реактивных составляющих до нуля (замена конденсаторов разомкнутыми цепями и индукторов короткими замыканиями). Он используется для определения правильной рабочей точки постоянного тока, часто называемой точкой Q.

Какие факторы влияют на точку Q?

Основным фактором, влияющим на рабочую точку, является температура. Рабочая точка смещается из-за изменения температуры….Чтобы получить Q-балл:

• Точка Q лежит на линии нагрузки.
• Обычно средняя точка этой линии считается точкой Q для усиления, так что она может усиливать верхнюю и нижнюю часть входного сигнала.

В чем смысл диода?

Диод — это устройство, позволяющее току течь в одном направлении, но не в другом. Это достигается за счет встроенного электрического поля. Диод — это устройство, которое позволяет току течь в одном направлении, но не в другом.

Преобразует ли диод переменный ток в постоянный?

Выпрямитель — это электрическое устройство, преобразующее переменный ток (AC) в постоянный (DC), процесс, известный как выпрямление. Термин выпрямитель описывает диод, который используется для преобразования переменного тока в постоянный.

Работа PN-переходов и новое изобретение биполярных транзисторов — документация Elec2210 Class Fall 2013 1.0

Используйте панель навигации с правой стороны окна браузера для упрощения навигации .

Основы физики

Суть биполярный транзистор впрыск неосновного носителя .

Идеальный баланс дрейфа и рассеивания существует как для электронов, так и для дырок в переходе область PN-перехода при нулевом смещении или равновесии. Теперь давайте посмотрим, что происходит с этим балансом. когда применяется внешнее смещение, и как прямое смещение вызывает инжекция электронов на p-сторону и инжекция голограмм на n-сторона. В результате концентрация электронов увеличивается на p-стороне, концентрация дырок увеличена на стороне n, поэтому этот процесс называется впрыскивание неосновного носителя .

PN-переход с прямым смещением

Встроенное поле указывает с n-стороны на p-сторону, как силовые линии исходят от положительно заряженных ионизированных доноров, и оканчиваются на отрицательно заряженных ионизированных акцепторах.

Рассмотрите возможность применения прямого смещения, определяемого как напряжение на стороне p минус напряжение на стороне n разница. Применяемое поле противоположно встроенному полю, как показано ниже, таким образом ослабляя дрейф и вызывая чистая диффузия отверстий от стороны p к стороне n, и чистая диффузия электронов с n-стороны на p-сторону.Считается, что электроны, неосновные носители на p-стороне, инжектируются (со стороны n). Дырки, неосновные носители на n-стороне, как говорят, вводятся (со стороны p).

Рисунок 1: pn-переход с прямым смещением

На p-стороне много дырок, на n-стороне много электронов, поэтому этот ток может быть очень большим при достаточном прямом смещении. Фактически прямой ток увеличивается экспоненциально с увеличением, с тепловым напряжением, приблизительно 25 мВ при 300 К.

PN-переход с обратным смещением

Если, говорят, что соединение находится под обратным смещением. Применяемое поле имеет то же направление, что и встроенное поле, как показано ниже:

Рисунок 2: pn-переход с обратным смещением

Следовательно, дрейф преобладает над диффузией, как для электронов, так и для дырок. Тогда чистый ток будет течь от n-стороны к p-стороне, интуитивно удовлетворительно.

Обратный ток, однако, очень мал по величине. Электроны дрейфуют против поля, то есть от стороны p к стороне n.Однако на p-стороне электронов меньшинство, и, таким образом, у нас нехватка электронов. Точно так же дырки дрейфуют вдоль поля, от n-стороны к p-стороне, но на n-стороне очень мало дыр.

PN-переход с обратным смещением может пропускать ток!

PN-переход с обратным смещением может пропускать столько же тока, сколько и прямой смещенный PN переход может! Именно так мы делаем транзисторы из PN-переходов, как показано ниже.

Ключ в том, что обратносмещенный переход не пропускает ток из-за отсутствия источников питания.Если мы используем PN-переход с прямым смещением для подачи электронов на p-сторону PN-перехода с обратным смещением, все эти электроны пройдут через обратный PN-переход. Эта конфигурация известна как транзистор «NPN».

Например, в состоянии равновесия, если на стороне n, n =, но , в соответствии с законом о массовых действиях, с. Легко понять, почему обратный ток PN перехода мал.

Мы выделили электронные и дырочные токи в PN-переходе. С точки зрения схемы, как только эти токи выходят из устройства, они оба становятся электронный ток в металлической проволоке.Так какой смысл их различать вечером, если мы не можем разделить их?

А теперь подумайте об изобретении устройства, которое может разделить электронный и дырочный токи. Транзистор делает именно это.

Работа биполярного транзистора

Рассмотрим переход с прямым смещением (N слева, P справа — по-прежнему PN переход), и обратный смещенный переход, большой ток течет в прямом PN, и небольшой ток течет в PN с обратным смещением. Тогда приблизь их, так что p-области становятся единой p-областью, Теперь мы можем заставить протекать через обратный смещенный переход много тока!

Рисунок 3: сущность действия транзистора

Обратносмещенный переход имеет очень сильное электронное поле.Это электронное поле перемещает (притягивает) электроны к n-стороне второй N-области, но совсем не притягивает дырки. Это поддерживает очень низкую концентрацию электронов в конце p-области. Для всех практических целей это электронное поле является стоком для электронов, как и контакт.

Теперь мы отделили электронный ток от дырочного в прямом смещенном PN-переходе.

Первая N-область называется эмиттером (электронов), поскольку она испускает электроны, вторая N-область называется коллектором (электронов), поскольку она собирает электроны.

p-область называется базовой по историческим причинам. Биполярный транзистор NPN возрождается! Мы можем перерисовать предыдущую иллюстрацию работы транзистора, используя Терминология транзисторов следующая:

Рисунок 4: Работа транзистора в прямом активном режиме и эквивалентная схема

Мы можем спроектировать уровни легирования / ширину базы, эмиттера, чтобы увеличить ток коллектора. больше, чем ток коллектора, чтобы реализовать усиление тока.

Транзистор под общим предубеждением

Электронные и дырочные токи

В соответствии с общими ошибками, нам нужно будет рассмотреть профили концентрации неосновных носителей заряда. модулируется двумя смещениями перехода, VBE и VBC, соответственно.Согласно теории Шокли, концентрация неосновных носителей заряда модулируется экспоненциальный фактор в точках нагнетания, т.е. граница между истощением и нейтральные регионы, как показано ниже:

Рисунок 5: транзистор при произвольном смещении VBE и VBC

У нас будет два дырочных тока за счет инжекции дырок из базы p-типа в эмиттер и коллектор n-типа.

В каком направлении текут электроны, будет зависеть от того, где VBE или VBC выше. Если VBE> VBC, электроны диффундируют из E в C, а электронный ток течет из C в E.

Ток диффузии электронов, протекающий от точки C к точке E, можно рассчитать следующим образом:

Рисунок 6: Расчет тока переноса электронов между C и E для произвольных смещений VBE и VBC

Два дырочных диффузионных тока, которые текут от B к E и от B к C, могут быть рассчитывается аналогично.

Рисунок 7: ток отверстия от B к E и от B к E для произвольных смещений VBE и VBC

Мы часто выражаем токи насыщения дырочных токов через ток насыщения основного электронного тока, с двумя отношения, BF и BR.Их называют усилением прямого и обратного тока.

Режимы работы

Прямой активный режим

Когда VBE> 0, VBC <0, транзистор работает в прямом режиме. Коллекторный ток IC - это в основном электронный ток, подаваемый из эмиттера. Базовый ток - это в основном дырочный ток, вводимый в эмиттер из базы. Небольшое изменение в VBE, которое контролирует IB, также вызывает большое изменение в IC.

Обратный режим

Когда VBC> 0, VBE <0, транзисторы работают в обратном режиме.

Режим насыщенности

Когда VBE> 0 и VBC> 0, транзистор работает в режиме насыщения. VCE = VCB + VBE = -VBC + VBE мало, около 0,2 В для практических транзисторов. Между C и E может протекать большой ток. Эффективное сопротивление между C и E, таким образом, мало, и транзистор действует как замкнутый переключатель.

Режим отсечки

Когда VBE <0 и VBC <0, транзистор работает в режиме отсечки. Все равно значительного тока нет.

Практические режимы работы

Приведенные выше определения очень упрощены и на самом деле не отражают, как мы используем транзисторы в реальных схемах.Например, VBE 0,5 В и VBC -2 В не дадут много полезного тока, и это действительно условие отсечки для большинства практических схем.

Другой пример: VBE 0,8 В и VCE 0,3 В перейдут в режим насыщения, если вы следовать стандартному определению учебника, но на самом деле передний VBC (0,5 В) незначителен по сравнению с VBE (0,8 В) при определении тока переноса электронов между C и E. Это действительно в прямом активном режиме. Мы действительно используем такое смещение в усилителях, особенно с малым напряжение питания всего 1 В.

Как рассчитать открытие транзистора кт315. Основные режимы работы биполярных транзисторов

Транзисторные импульсные и цифровые технологии, основанные на работе транзистора как ключа. Замыкание и размыкание цепи нагрузки — основное предназначение транзистора, работающего в ключевом режиме. По аналогии с механическим ключом (реле, контактор) качество транзисторного ключа определяется в первую очередь падением напряжения (остаточным напряжением) на транзисторе в закрытом (открытом) состоянии, а также остаточным током транзистора в выключенное (закрытое) состояние.

Важность рассмотрения свойств транзисторного переключателя для пояснения последующего материала возникает из того факта, что, изменяя состояния транзистора в последовательной цепи с резистором и источником питания, также генерируются сигналы импульсной формы. так как осуществляются различные преобразования импульсных сигналов в схемах и узлах импульсной техники. Транзистор также используется как бесконтактный ключ в цепях постоянного и переменного тока для регулирования мощности, подаваемой на нагрузку.

В основе всех узлов и схем импульсной и цифровой техники лежит так называемая ключевая схема — каскад на транзисторе, работающий в ключевом режиме. Конструкция ключевой схемы аналогична каскаду усилителя. Транзистор в ключевой схеме может быть включен с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Самая распространенная схема OE. Этот тип включения биполярного транзистора используется в дальнейшем при рассмотрении ключевого режима его работы.

Рисунок 4.3 — Схема ключей на транзисторе и графическое определение режимов открытого и закрытого состояний транзистора

Схема ключей

на транзисторе типа пп, показана на рисунке 4.3, а . Транзистор Т выполняет функцию ключа в последовательной цепи с резистором R K и источником питания.

Для удобства изучения процессов в схеме в режимах открытого и закрытого состояний транзистора воспользуемся графоаналитическим методом, основанным на построении линии нагрузки a — b постоянным током (рисунок 4.3, б ).

Линия нагрузки описывается соотношением U ke = — ( E к — I до R k) и выполняется так же, как и для каскада усилителя. Точки пересечения линии нагрузки с вольт-амперной характеристикой транзистора определяют напряжение на элементах и ​​ток в последовательной цепи.

Режим синхронизации (режим отсечки) транзистора осуществляется подачей на его вход напряжения положительной полярности ( U, I> 0), показанного на рисунке 4.3, , но без скобок. Под действием входного напряжения эмиттерный переход транзистора запирается ( U BE> 0) и его ток I e = 0. Однако через резистор R b протекает обратный (тепловой) ток. коллекторный переход И к0. Закрытому состоянию транзистора соответствует точка M, h (см. Рисунок 4.3, b ).

Протекание через тепловую нагрузку I k0 из-за того, что транзистор в закрытом состоянии не полностью отключает нагрузочный резистор R от источника питания.Меньшее значение I k0 является одним из критериев выбора транзистора для ключевого режима работы.

Величина блокирующего входного напряжения U, в час, выберите из расчета так, чтобы при протекании через резистор R b тепловой ток обеспечивался условием:

U be = U дюйм — I k0 R b> 0.

Напряжение U 6e для германиевых транзисторов равно 0.5 … 2,0 В.

Открытое состояние транзистора достигается изменением полярности входного напряжения ( U inM o на линейной нагрузке.

Определяем необходимые условия для создания открытого состояния транзистора. Для этого предположим, что с U inI b постепенно увеличивается. Увеличение тока базы будет соответствовать увеличению тока коллектора и смещению рабочей точки из положения M s вверх по линии нагрузки.Напряжение U на транзисторе кэ при этом постепенно снижается. До определенного предельного значения основного тока I B.gr существует известная пропорциональная зависимость между I и I b.

Мы разобрались с основами усилителей, немного сказано об обратной связи и усилении. Был расчет схемы на операционном усилителе. Теперь мы готовы посмотреть немного глубже, чтобы понять основы основ.

Транзистор можно представить как переменное сопротивление.Положение регулятора зависит от тока, подаваемого на базу. Если ток не подается, сопротивление перехода коллектор-эмиттер очень велико. Когда к базе подается небольшой ток, сопротивление переменного резистора будет уменьшаться, и в цепях K-E ток протекает в h31 раз больше тока базы. h31 — величина усиления транзистора, находится в справочнике.

Если базовый ток постепенно увеличивать, сопротивление перехода будет постепенно уменьшаться, пока не станет близким к нулю.В этот момент транзистор будет полностью открыт, именно этот режим мы рассматривали в статье о подключении нагрузки с помощью транзистора.

На этот раз нас интересует промежуточное состояние, поскольку вход и выход взаимосвязаны, выходной сигнал будет копией входа, но усилен в несколько раз. Теперь займемся усилением. Дело в том, что h31, имеет довольно большой разброс для одного типа транзистора, может быть в пределах от 400 до 1000. Также это зависит от температуры.Поэтому существует типовая схема усиления, учитывающая все эти недостатки. Но для общего развития стоит рассказать, что это такое.

Напомним, что мы представили усилитель в виде черного ящика — две ножки входа и два выхода. В случае транзистора одна из ножек будет постоянно общей для входа и выхода. В зависимости от этого транзистор может быть включен в схему с общей базой, с общим коллектором и общим эмиттером.

Каждая из этих схем имеет свои достоинства и недостатки. Наша цель — рассмотреть возможность включения с помощью схемы с общим эмиттером, поскольку эта схема позволяет усиливать как ток, так и напряжение.

На самом деле информации с расчетом схемы с общим эмиттером в Интернете полно, но, на мой взгляд, она не подходит для человека, плохо представляющего, как выглядит транзистор. Здесь мы рассмотрим наиболее упрощенный вариант, который даст очень приблизительный, но, на мой взгляд, четкий результат.Поэтому мы постараемся, шаг за шагом, во всем разобраться.

Настоящий транзистор имеет несколько особенностей, которые необходимо учитывать при разработке схемы. Например, если на базу подать сигнал малой амплитуды, то на выходе ничего не будет — транзистор просто не откроется. Чтобы на выходе появился сигнал, его нужно немного приоткрыть, т.е. подать на базу напряжение смещения, около 0,7В. Обычно это напряжение подается с помощью делителя напряжения. На номиналы резисторов внимания не обращаем, расчет будет немного дальше.

В следующий момент, когда транзистор открывается, то по цепи коллектор-эмиттер течет ток, а когда транзистор полностью открыт, ток будет ограничиваться только источником питания. Следовательно, транзистор может загореться. Максимальный ток указан в справочнике, поэтому для ограничения тока в коллекторной цепи ставится токоограничивающий резистор (как для светодиода).

Осталось добавить резистор в цепь эмиттера.Смысл его в том, что при изменении выходного напряжения под действием температуры окружающей среды изменяется и ток коллектора. Поскольку ток коллектора и эмиттер одинаковы, напряжение на резисторе эмиттера также изменяется. Напряжения базы и эмиттера связаны соотношением U ba = U b — U e. Получается, что если выходное напряжение увеличится, то на базе оно уменьшится, и транзистор закроется и наоборот. Таким образом, транзистор саморегулируется, не позволяя изменяться напряжению под воздействием внешних факторов, т.е.е. Эмиттерный резистор играет роль отрицательной обратной связи.

Напомним, что коэффициент усиления находится в довольно большом диапазоне. Поэтому эмиттерный резистор, помимо обратной связи, позволяет управлять величиной коэффициента усиления схемы. Отношение сопротивления коллекторного резистора к эмиттеру, приблизительно, и есть коэффициент усиления Ku.

Любой источник сигнала имеет собственное внутреннее сопротивление, поэтому для того, чтобы ток от внешнего источника VCC не протекал через источник V1, устанавливается блокирующий конденсатор C1.В результате мы получили схему усилителя с общим эмиттером.

Во избежание искажения сигнала к базе должно быть приложено напряжение смещения, т.е. транзистор должен быть постоянно приоткрыт, поэтому даже при отсутствии сигнала на входе ток будет постоянно течь по цепи коллектор-эмиттер. Этот ток называется током покоя, его рекомендуемое значение 1-2 мА. Остановимся на 1 мА.

Теперь нужно выбрать резисторы R3 и R4. Их величина будет определять ток покоя, но необходимо учитывать, что транзистор не сможет усилить напряжение ниже 0.7 В, поэтому выходной сигнал обычно колеблется около определенной точки, которая обычно составляет половину напряжения питания. Следовательно, половина напряжения должна приходиться на эти резисторы, а вторая половина — на транзистор.

R3 + R4 = (Upit / 2) / Ik = 2,5 В / 0,001 = 2,5 кОм.
Требуемое усиление — 10, т.е. R3 должно быть больше R4 в 10 раз. Исходя из этого, есть два условия:
R3 + R4 = 2500
R3 = 10 * R4

Подставьте второе выражение в первую формулу.2 кОм

Пересчитать точку среднего напряжения на выходе с учетом выбранных резисторов:
Uk = Upit- (Rk * Ik) = 5-2,2 * 0,001 = 2,8V

Теперь нужно рассчитать ток базы, для транзистора BC547C h31min = 420
Ib = (Upit / (Rk + Re)) / h31 = (5 / (2200 + 220)) / 420 = 0,00000492А

Ток делителя R1, R2 должен быть в 5-10 раз больше тока базы, чтобы не влиять на него
Id = Ib * 10 = 0,0000492A

Рассчитать полное сопротивление делителя R1, R2
R12 = Upit / Id = 5 / 0,0000492 = 101692 Ом

Ube, характерное для всех транзисторов, находится в диапазоне 0.55-0,7В. По знакомой формуле рассчитываем напряжение на базе:
Uб = Uэ + Uб = 0,22 + 0,66 = 0,88В

Отсюда рассчитываем сопротивление R2:
Rb2 = (Rb1 + Rb2) * Ub / Ep = (101 * 0,88) / 5 = 17 776 или 18кОм на номинальном ряду

Из их суммы R1, R2 вы можете найти R1
R1 = R12-R2 = 101-18 = 83 кОм или 82 кОм от существующих

Остается только блокирующий конденсатор, его значение должно быть больше
C>> 1/2 * pi * f * R2 || R1 f — нижняя граница усиленной частоты, примем 20 Гц
C = 1 / (6.28 * 20 * 82000) = 0,09 мкФ, можно установить 0,47 мкФ

В результате мы получили следующую схему:

Как видите, выходной вольтметр показывает 432мВ, т.е. коэффициент усиления схемы оказался Ku = 432/50 ~ 8,5. Чуть меньше, чем ожидалось, но в целом неплохо. И еще, графики показывают, что сигнал, как уже было сказано, смещен от нуля, можно убрать постоянную составляющую, поставив на выход конденсатор. Также обратите внимание, что усиленный сигнал смещен относительно входа на 180 градусов.

Страшное слово — транзистор

Ну, собственно, пройдя семь скучных и бесполезных глав про всякую муру =), мы перешли к самому интересному и захватывающему. К транзистору.

Современная электроника не могла бы существовать, если бы не этот элемент! Ведь даже самая сложная микросхема где-то в глубине своей силиконовой души состоит из таких же транзисторов. Только — очень маленький.

Транзистор является усилительным элементом. Он усиливает слабую энергию подаваемого на него сигнала за счет энергии дополнительного источника питания.

Объясняю. Все мы хоть раз ехали поездом, поездом или хотя бы трамваем. Когда поезд замедляется, всегда можно услышать характерное шипение. Работает пневмопривод тормозов. Другими словами, сжатый воздух идет от бака к тормозам. Тормозные колодки соединены с поршнем. Когда сжатый воздух начинает давить на поршень — поршень движется вперед и плотно прижимает колодки к колесу. Поезд тормозит … А почему на поршень начинает поступать воздух? Наверное, так хочет машинист.Он открывает вентиль в своей каюте, и воздух выходит. Все непристойно просто!

Маленькая пояснительная фотография:

Теперь давайте спросим себя, смог бы машинист остановить поезд, если бы рычаг тормоза был напрямую соединен с тормозными колодками? Возможно нет. Каким бы тяжелым он ни был, остановить поезд человеку мало. А сжатый воздух делает это легко, просто откройте вентиль.

Посмотрим, что получилось: водитель тратит немного энергии, чтобы нажать на рычаг тормоза.Клапан открывается, и мощный поток сжатого воздуха с гораздо большей энергией прижимает тормозные колодки. То есть клапан можно назвать усилительным элементом, который усиливает слабую энергию, затрачиваемую человеком за счет сильной энергии сжатого воздуха.

Смею вас заверить, что в транзисторе все абсолютно так же. Только через него идет не сжатый воздух, а электричество. Транзистор имеет три выхода: коллекторный, эмиттерный и базовый.

Между коллектором и эмиттером протекает сильный ток, он называется коллекторным (Ik), между базой и эмиттером — слабый управляющий ток базы (Ib).Величина тока коллектора зависит от величины базового тока, так же как давление сжатого воздуха зависит от того, насколько открыт клапан. Более того, ток коллектора всегда в определенное количество раз превышает ток базы. Это значение называется текущим усилением и обозначается h31e . Для разных типов транзисторов это значение колеблется от единиц до сотен раз.

Итак, коэффициент усиления по току — это отношение тока коллектора к току базы:

h31e = Ik / Ib

Чтобы вычислить ток коллектора, умножьте ток базы на коэффициент усиления:

Ik = Ib * h31e

Рисуем схему.

В этой схеме транзистор регулирует яркость лампочки. Другими словами, он регулирует ток, протекающий через лампочку. Поскольку лампочка подключена к коллектору транзистора, ток, протекающий через нее, является током коллектора.

Ток управления базой ограничен резистором R1. Зная этот ток и коэффициент усиления транзистора (h31e), можно легко узнать ток коллектора. С другой стороны, зная, какой ток коллектора нам нужен, мы всегда можем рассчитать ток базы и выбрать подходящий резистор.

Немного посчитайте 🙂

.

Пусть наша лампочка питается током 0,33 А,
и у транзистора h31e = 100.
Какой базовый ток нужен для того, чтобы лампочка горела на полную мощность?
А какое сопротивление будет у R1?

Полный нагрев — это номинальное потребление тока.
Номинальный — 0,33 А. Таким образом, требуемый ток коллектора составляет 0,33 А.
Ток базы должен быть меньше коллекторного тока в h31e раз. То есть — 100 раз. То есть он должен быть равен 0.33/100 = 0,0033 А = 3,3 мА.
Ура, решился !!!

Ионно-биполярные транзисторы с переходом

Proc Natl Acad Sci U S A. 2010 Jun 1; 107 (22): 9929–9932.

Прикладные физические науки, нейробиология

Клас Тайбрандт

^a Университет Линчёпинга, Департамент науки и технологий, органическая электроника, SE-601 74 Норрчёпинг, Швеция; и

Карин К. Ларссон

^b Отделение неврологии, Каролинский институт, SE-171 77 Стокгольм, Швеция

Агнета Рихтер-Дальфорс

^b Отделение неврологии Каролинского института, SE-171 77 Стокгольм, Швеция

Магнус Берггрен

^a Университет Линчёпинга, Департамент науки и технологий, органическая электроника, SE-601 74 Норрчёпинг, Швеция; и

^a Университет Линчёпинга, Департамент науки и технологий, органическая электроника, SE-601 74 Норрчёпинг, Швеция; и

^b Отделение нейробиологии, Каролинский институт, SE-171 77 Стокгольм, Швеция

Отредактировано Говардом Рейссом, Калифорнийский университет, Лос-Анджелес, Калифорния, и утверждено 15 апреля 2010 г. (получено на рассмотрение 2 декабря 2009 г.) )

Автор: К.Т., К.С.Л., А.Р.-Д. и М.Б. спланированное исследование; К. и K.C.L. проведенное исследование; К. и K.C.L. проанализированные данные; и К.Т., К.С.Л., А.Р.-Д. и М.Б. написал газету.

Эта статья цитируется в других статьях в PMC.

Дополнительные материалы

Вспомогательная информация

GUID: C258BBE1-0BEE-4662-9BB8-E2E459D727B7

GUID: 51FEA52D-2110-46BF-A108-F3058E64648A

Abstract

Динамическое управление химической микросредой имеет важное значение для непрерывного развития во многих областях наук о жизни.Такой контроль может быть достигнут с помощью активных химических цепей доставки ионов и биомолекул. В качестве основы для такой схемы мы сообщаем о твердотельном ионно-биполярном переходном транзисторе (IBJT) на основе проводящих полимеров и тонких пленок анионо- и катион-селективных мембран. IBJT является ионным аналогом обычного полупроводникового BJT и производится с использованием стандартных технологий микротехнологии. Приведены характеристики транзистора и модель, описывающая принцип работы, в которой ток анионной базы усиливает ток катионного коллектора.Используя IBJT в качестве элемента биоэлектронной схемы для доставки нейромедиатора ацетилхолина, продемонстрирована его эффективность в модуляции передачи сигналов нервных клеток.

Ключевые слова: ионный транзистор , ионный транспорт, проводящие полимеры, передача сигналов клетками

Многочисленные биохимические, биомедицинские и клинические приложения требуют технологии, позволяющей осуществлять пространственно-временную управляемую доставку ионов и биомолекул. Чтобы получить динамический контроль над клеточными микросредами, требуется доставка вещества в сложных схемах с высоким разрешением, где каждая точка доставки имеет индивидуальную адресацию.По аналогии со схемами адресации в дисплеях с активной матрицей (1, 2), адресуемость в активных химических цепях может быть достигнута путем введения функциональности транзистора в каждую точку доставки. Транзисторы обычно представляют собой устройства с тремя выводами, в которых ток между первым и вторым выводами регулируется электрическим сигналом, подаваемым на третий. Полупроводниковый твердотельный транзистор (3) является ключевым компонентом, обеспечивающим усиление, адресацию и обработку электронных сигналов в схемах.Точно так же транзистор, основанный на переносе ионов, а не электронов, обеспечил бы такую ​​же функциональность возможной в химических цепях, например, для адресной доставки заряженных ионов и биомолекул. На сегодняшний день опубликовано несколько сообщений об активном контроле ионного транспорта, подобном транзистору (4–8). Принцип работы большинства этих устройств заключается в модуляции поверхностного заряда в наноканалах и нанопористых мембранах. Однако эти устройства обычно трудны в изготовлении, трудно интегрировать в схемы и плохо работают при высоких концентрациях ионов, необходимых для создания физиологически релевантных условий.

Транзисторы с биполярным переходом (BJT) (3) представляют собой основной класс транзисторов со своей собственной номенклатурой: входные, выходные и управляющие клеммы обозначаются соответственно эмиттером, коллектором и базой. pnp -BJT можно рассматривать как два pn -переходов, разделяющих узкую базовую область, где эмиттер и коллектор легированы p , а база — n . Селективные для анионов и катионов мембраны (9) являются ионными эквивалентами полупроводников, легированных n и p соответственно.Эти мембраны содержат фиксированные ионные группы, компенсированные подвижными ионами противоположного заряда (противоионами). Подвижные ионы с одинаковым зарядом (коионы) электростатически отталкиваются, когда концентрация окружающего электролита намного ниже, чем у фиксированных зарядов (исключение Доннана) (9). Биполярная мембрана (БМ) представляет собой сэндвич из анион- и катион-селективной мембраны (10). BM демонстрируют некоторые сходства с биполярными полупроводниковыми диодами с pn -переходом, например, с выпрямлением тока.Введение нейтрального промежуточного мембранного слоя, разделяющего две заряженные мембраны, поддерживает высокий коэффициент выпрямления тока (10, 11). BM, разделяющий два электролита, смещается в прямом направлении, когда положительное напряжение прикладывается к электролиту, контактирующему с катион-селективной стороной ( A ). Это вызывает накопление подвижных ионов между двумя заряженными мембранами, что приводит к высокому ионному току через BM. При обратном смещении область между мембранами обеднена подвижными ионами, и ионный ток значительно ниже (11).

Архитектура IBJT. ( A ) Основная структура устройства BM, включая нейтральный промежуточный мембранный слой. При обратном и прямом смещении подвижные ионы извлекаются из промежуточного слоя или накапливаются в нем соответственно. Это приводит к выпрямлению ионного тока. ( B ) IBJT смещен в соответствии с конфигурацией с общим эмиттером. PEDOT: электроды PSS с водными электролитами генерируют ионные токи внутри устройства. Эмиттер и коллектор (катион-селективный, L × W = 1.5 × 0,2 мм) встречаются с основанием (анион-селективным), определяющим переход. ( C ) Вертикальный разрез по конфигурации эмиттер-коллектор (не в масштабе). Эмиттер и коллектор (PSS толщиной ~ 250 нм) нанесены на поверхность подложки из полиэтилентерефталата. Сшитый гель ПЭГ (называемый переходом) используется в отверстии изолирующего слоя SU-8 толщиной 10 мкм. Основа (толщиной ∼20 мкм) контактирует с гелем и покрывается герметизирующим слоем PDMS. I _C — поток катионов (M ⁺ ) от эмиттера к коллектору, в то время как I _B , в устойчивом состоянии, в основном состоит из мигрирующих анионов (A ^— ). от базы до эмиттера.( D ) Вид сверху на IBJT. Эмиттер и коллектор разделены по горизонтали на 100 мкм, а основание покрывает всю площадь перехода. ( E ) Предлагаемое обозначение схемы pnp -IBJT.

Вдохновленные сходством pn -переходов и BM, мы разработали твердотельный ионный биполярный транзистор (IBJT). Его использование в качестве элемента цепи для доставки нейротрансмиттеров было продемонстрировано его динамическим контролем физиологического микроокружения нервных клеток посредством доставки ацетилхолина (ACh).На основе теории переноса ионов через селективные мембраны предлагается модель работы и сравнивается с характеристиками.

Результаты и обсуждение

Материалы и архитектура устройств.

IBJT состоит из двух BM, эмиттер-база и коллектор-база, с одной и той же базовой областью, разделяющей нейтральный промежуточный слой ( B и C ). Обе области эмиттера и коллектора являются катион-селективными, а основная область — анион-селективной.Таким образом, конфигурация электронного pnp эквивалентна -BJT. Устройство IBJT изготовлено из тонкой пленки проводящего полимера (12, 13) поли (3,4-этилендиокситиофена) (14) с добавлением полианиона поли (стиролсульфоната) (PEDOT: PSS), нанесенного на пластиковую (ПЭТ) фольгу. . Узорчатый PEDOT: электроды PSS (15) вместе с водными электролитами служат терминалами подачи ионов в соответствии с электрохимической реакцией PEDOT ⁺ : PSS ^— + M ⁺ (водный) + e ^— ⇔ PEDOT ⁰ + M ⁺ : PSS ^— .Катион-селективные области эмиттера и коллектора содержат сверхокисленный (16) PEDOT: PSS. Поверх рисунка ПЭДОТ: ПСС наносится изолирующая пленка СУ-8 с отверстиями, расположенными на электродах и на стыке ( D ). Затем эмиттер и коллектор соединяются переходом, состоящим из слоя геля нейтрального сшитого полиэтиленгликоля (ПЭГ) ( C и D ). Анионселективная мембрана Fumatech FAB наносится поверх геля PEG, определяя основу.Наконец, стопка герметизируется слоем полидиметилсилоксана (PDMS).

Режимы работы и транспортные уравнения.

На протяжении всей работы используется конфигурация транзистора с общим эмиттером ( B ). При работе в режиме отсечки диоды эмиттер-база (E-B) и коллектор-база (C-B) имеют обратное смещение. Концентрация ионов в основной части перехода ( c _J ) тогда мала, и, следовательно, ток между эмиттером и коллектором ( I _C ) невелик.После изменения напряжения смещения только диода E-B транзистор работает в активном режиме. По мере увеличения c _J возрастают как I _C , так и падение резистивного потенциала вдоль эмиттера (Δ V _E ). Это вызывает падение потенциала на переходе E-B до тех пор, пока базовый ток ( I _B ) не станет равным току утечки E-B (установившееся состояние). Поскольку Δ В _E является резистивным и по величине равно напряжению эмиттер-база ( В _EB ), току эмиттера ( I _E ) и, следовательно, I _C , как ожидается, будет линейно зависеть от V _EB : I _C = R _E · ( V _EB — EB V _T ) где V _T — пороговое напряжение.

Уравнения переноса заряда для BJT обычно выражаются в предположении одномерной модели, и здесь используется аналогичный подход. Если предположить, что В _EB только модулирует c _J и что c _J изменяется только в направлении от эмиттера к коллектору, модельную систему можно упростить до EJC. куча. Этот пакет может быть смоделирован с использованием теории переноса, разработанной для электролит-катион-селективных мембран (17) ( SI Text ).Линейный градиент диффузии создается от эмиттера к коллектору в объеме перехода (), и результирующий I _C пропорционален. На границе J-C формируется область пространственного заряда с низким значением c _J и высоким электрическим полем (18, 19). В режиме отсечки общее c _J низкое, и полное падение потенциала происходит через переход. И наоборот, в активном режиме c _J высокое, и падение потенциала более равномерно распределено по E-J-C.Когда В _EB приближается к В _EC /2, работа транзистора переходит в так называемый режим насыщения. В этом режиме работы происходит накопление ионов в области перехода, что приводит к нарушению селективности мембраны, вызывая высокое значение I _B .

Схематическое изображение концентраций ионов и электрических потенциалов вдоль эмиттера-коллектора в активном и отсечном режимах.Концентрация солей электролитов ( c ₀ ) ниже, чем концентрация отрицательных фиксированных зарядов в мембранах ( X _N ). В эмиттере и коллекторе концентрация подвижных катионов ( c _P ) высокая, а концентрация подвижных анионов ( c _N ) низкая. В режиме отсечки концентрация соли в переходе ( c _J ) мала, и поэтому падение потенциала () в основном происходит в этой области.В активном режиме c _J больше, и падение потенциала делится на эмиттер (Δ V _E ), коллектор и переход.

Описание IBJT.

Водные 0,1 М электролиты NaCl использовались для всех конфигураций электродов, и кривая переноса была получена путем измерения I _C , поддерживая В _EC = 10 В и сканировав В _EB вперед и назад между -0.От 5 до 4,5 В при скорости сканирования 2,5 мВ / с ( A ). Порог возникновения I _C происходит при V _T = 0,7 В, после чего I _C увеличивается линейно по сравнению с V _EB , как и прогнозировалось. Интересно, что при такой скорости сканирования присутствовал лишь незначительный гистерезис. Утечка I _B , в основном из-за анионов, выходящих через эмиттер, увеличивается по мере увеличения c _J .Кроме того, вольт-амперные характеристики были получены путем линейного нарастания В _EC для различных фиксированных значений В _EB ( B ). При поддержании В _EC /2> В _EB транзистор работает в активном режиме. Как и предполагалось, I _C является постоянным по отношению к V _EC и полностью модулируется V _EB .При В _EC = 10 В, коэффициент включения / выключения I _C между В _EB = 4 В и 0 В равен 100. Прирост при В _EB = 4 В составляет: г = I _C / I _B = 10.

Характеристики IBJT. ( A ) Передаточная кривая показывает линейную зависимость между I _C и V _EB , с небольшим гистерезисом. I _B выше при прямом сканировании из-за инжекции ионов в переход. ( B ) Выходные характеристики IBJT показывают насыщение ионного тока в активном режиме. На этих сканированиях избегают режима насыщения (серая область). ( C ) Величина анионного заряда в переходе ( Q _J ) по сравнению с различными V _EB . Линейная аппроксимация данных отображается красным цветом.( D ) Переходный процесс переключения для скачка напряжения в В _EB . Подъем и падение I _C коррелируют с положительным и отрицательным I _B соответственно. ( E ) Вольт-амперная характеристика диодной цепи эмиттер-база ( В _EC отключено). Наблюдается ожидаемое выпрямление ионного тока.

Ожидается, что количество анионного заряда в переходе ( Q _Дж ) будет линейно зависеть от I _C , которое, как было установлено, линейно зависит от V _EB (см. A ).Чтобы проверить это, IBJT сначала работал при В _EC = 10 В для различных фиксированных значений В _EB в установившемся режиме. В _EC и В _EB были затем переключены на 0 В и -2 В, соответственно, в то же время, когда I _B был записан для оценки К _Дж . Мы обнаружили линейную зависимость между Q _J и V _EB ( C ). Q _J при В _EB = 4 В соответствует концентрации 0,6 М NaCl на эмиттере, разумной концентрации для функциональных селективных мембран (9). Переходные процессы включения-выключения были измерены путем приложения ступенчатого напряжения к В _EB , сохраняя В _EC = 10 В ( D ). При включении I _C быстро поднимается после начальной задержки и достигает устойчивого состояния.Когда V _EB выключено, ионы покидают переход, после чего следует быстрое уменьшение I _C по мере истощения перехода. Время нарастания 90% для I _C составляет 12 с, а время спада на 10% составляет 5 с (см. D ). Диод E-B характеризовался отдельно отключением В _EC и сканированием В _EB от -5 В до 5 В (5 мВ / с) ( E ).Мы измеряем коэффициент выпрямления тока (| I _B (5 В) / I _B (-5 В) |), равный 39; что хорошо согласуется с ранее сообщенными ректификационными характеристиками БМ (20). Явной диссоциации воды с усилением поля не наблюдалось, так как I _B остается низким при обратном смещении для исследуемой здесь области напряжения.

В приведенной выше характеристике IBJT показывает хорошие характеристики при высоких концентрациях соли, что позволяет применять его в биологических условиях в физиологических условиях.Функциональность IBJT заключается в ионной селективности материалов, которая менее чувствительна к высокой концентрации соли, чем поверхностные эффекты, используемые в наножидкостных транзисторах и диодах (5–8, 21). Использование свойств объемного материала, а не поверхностных эффектов позволяет создавать устройства с характеристиками в десятки и сотни микрометров, обеспечивая стандартное параллельное микротехнологии. Однако вполне вероятно, что производительность IBJT может выиграть от миниатюризации, например, ожидается увеличение скорости переключения.Полимеры могут быть легко нанесены на наноразмерный рисунок (22) при условии, что материал имеет непрерывную фазу. На данный момент неясно, работает ли IBJT при этих размерах.

IBJT как активный элемент управления доставкой ACh.

Недавно мы продемонстрировали использование органических проводящих материалов в качестве коммуникационного интерфейса для преобразования электронных сигналов в точную доставку химических мессенджеров, таких как ионы (например, Na ⁺ , K ⁺ , Ca ²⁺ ) и нейротрансмиттеров. (е.г., АЧ) (23–25). Чтобы генерировать сложные паттерны передачи сигналов с высоким разрешением, типичные для передачи сигналов нейронных клеток, требуются системы доставки с матричной адресацией. Этого можно было бы достичь, если бы ионные транзисторы активно контролировали выброс из каждой точки доставки. Чтобы проверить, можно ли использовать IBJT в качестве адресуемой точки доставки для модуляции нейрональной передачи сигналов, водный раствор ACh помещали на эмиттерный электрод, тогда как клетки нейробластомы человека SH-SY5Y культивировали на коллекторном электроде ( A ).Поскольку клетки SH-SY5Y экспрессируют рецепторы ACh, они быстро реагируют на стимуляцию ACh открытием мембраносвязанных ионных каналов, что способствует притоку Ca ²⁺ (26). Изменения внутриклеточной концентрации Ca ²⁺ , [Ca ²⁺ ] _и можно отслеживать в режиме реального времени с помощью флуоресцентной микроскопии. Сохранение IBJT в выключенном состоянии ( В _EC = 10 В и В _EB = -1 В), [Ca ²⁺ ] были записаны базовые линии _и .Местная доставка ACh была инициирована подачей В _EB = 4 В на IBJT. Когда клетки, расположенные на выходе из коллектора, подвергались воздействию ACh, наблюдалось немедленное увеличение [Ca ²⁺ ] _i ( B ). Доставка ACh была прекращена переключением IBJT в выключенное состояние, что привело к быстрому снижению локальной концентрации ACh из-за диффузии в клеточную среду. Когда [Ca ²⁺ ] _i снизился и вернулся на более низкий уровень, ячейки были повторно подвергнуты воздействию ACh, приложив В _EB = 4 В, и снова Ca ²⁺ -ответ был вызван.В контрольных экспериментах, когда процедура повторялась с использованием NaCl (0,1 М) в качестве эмиттерного электролита, не наблюдалось внутриклеточного ответа Ca ²⁺ , тогда как быстрый ответ был инициирован ручным добавлением ACh к клеткам.

IBJT как адресуемая точка доставки для модуляции передачи сигналов нервных клеток. ( A ) Схематическое изображение IBJT в схеме. Клетки SH-SY5Y культивировали на коллекторном электроде, а ACh помещали на эмиттерный электрод.При включении устройства ACh мигрирует по цепи E-C и высвобождается в ячейки. ( B ) Внутриклеточная запись Ca ²⁺ стимулированных ACh клеток SH-SY5Y. Включение / выключение В _EB регулирует доставку ACh, которая затем модулирует клеточный ответ Ca ²⁺ .

На основе этого первого доказательного эксперимента доставки ACh к холинергическим клеткам, использование IBJT может быть расширено за счет включения огромного количества положительно заряженных биомолекул, действующих на различные клеточные рецепторы, к любому типу клеток или тканей. in vitro.Путем подключения большого количества IBJT в химический контур может быть получена адресная матрица доставки, которая обеспечивает новый интерфейс для биологических систем. Генерация контролируемых, сложных сигнальных паттернов с высоким разрешением будет иметь первостепенное значение для улучшения нашего понимания в таких областях, как межклеточная коммуникация в нейронных сетях.

Выводы

Несмотря на фундаментальные различия между селективными мембранами и полупроводниками, биполярные транзисторы на основе этих материалов демонстрируют поразительно много общего.Аналогия выпрямления тока между биполярными мембранами и полупроводниковыми pn -переходами хорошо известна. В этой работе мы расширяем аналогию на транзисторы и показываем, как твердотельный ионный транзистор с биполярным переходом, pnp -IBJT, может быть сконструирован аналогично его полупроводниковому аналогу pnp . На следующем этапе мы стремимся создать дополнительную версию, то есть npn -IBJT, для модуляции транспорта анионов. Это открывает возможность для адресных систем доставки как для положительно, так и для отрицательно заряженных ионов и биомолекул, а также для дополнительных ионных цепей.Принимая во внимание, что мы продемонстрировали использование IBJT для модуляции передачи сигналов нейронных клеток, мы предполагаем, что IBJT будет иметь большое влияние как ключевой компонент для усиления, адресации и обработки химических сигналов в сложных цепях доставки лекарств (27), лабораторная работа. -а-чип (28), сенсор (29) и электрохимия (30, 31).

Материалы и методы

Производство.

Поверхность PEDOT: PSS (AGFA-Gevaert Orgacon ™ F-350), нанесенная на подложку из полиэтилентерефталата (ПЭТ), очищали с использованием средства для удаления 1112A (Shipley), затем промывали ацетоном и деионизированной водой.Фоторезист Shipley 1805 был нанесен на поверхность PEDOT: PSS после предварительной обработки плазмой O ₂ и грунтовкой (гексаметилдисилазан). PEDOT: PSS формировали с помощью ступени плазменного травления O ₂ / CF ₄ . Образцы избыточного окисления PEDOT: PSS были получены путем воздействия на незапечатанные области PEDOT: PSS раствором гипохлорита натрия (1% (об. / Об.), 50 с). Слой SU-8 2010 (MicroChem) был нанесен поверх конфигурации электрода. Смесь поли (этиленгликольдиакрилата) ( M _n 575, Sigma) и 2% (мас. / Мас.) 1-гидроксициклогексилфенилкетона (Sigma) помещали в отверстие в SU-8 дифференциальным методом. смачивание и фотополимеризация (30 с, VL-208 BL 32 Вт, 365 нм) в атмосфере N ₂ .Полоску мембраны Fumatech FAB размером примерно 0,8 × 5 мм разрезали и ламинировали на устройстве путем нагревания снизу (нагревательная плита 110 ° C, 5 с). Пакет герметизировали смесью ПДМС (10À1 Sylgard 186) и отверждали при 80 ° C в течение 1 ч.

Характеристика.

Перед использованием устройства замачивали в деионизированной воде на 24 часа. Напряжения подавались с помощью измерителя источника Keithley 2602, управляемого через LabVIEW (частота дискретизации 5 Гц), и водные 0,1 М электролиты NaCl использовались на протяжении всей характеристики.Все устройства неоднократно включались и выключались, обычно около пяти раз, до достижения стабильной производительности. Каждый тип характеризации был повторен на разных устройствах не менее трех раз, представлены репрезентативные записи.

Культивирование клеток.

Клетки SH-SY5Y нейробластомы человека (номер АТСС: CRL-2266) размножали в соответствии с инструкциями поставщика. При 80% конфлюэнтности клетки пересевали в соотношении 1-5. За один-два дня до экспериментов клетки засевали в свежую среду на коллекторном электроде, предварительно покрытом бычьим фибронектином (5 мкг / см ² ) (Sigma), тогда как воду помещали на эмиттерный и основной электроды, чтобы обеспечить гидратацию полимера. .

Внутриклеточный Ca

²⁺ Записи.

Клетки загружали мембранопроницаемым Ca ²⁺ -чувствительным красителем FURA-2 AM. ACh (80 мкл, 10 мМ в 0,1 М NaCl, Fluka) применяли в качестве эмиттерного электролита и NaCl (80 мкл 0,1 М, Sigma) в качестве основного электролита. Клетки контролировали с помощью вертикального Nikon Eclipse 80i с эпифлуоресцентным объективом 40 × /0,80. Возбуждение на длинах волн 340 и 380 нм достигалось с помощью осветителя DeltaRAM и монохроматора DeltaRAM-V с компьютерным контроллером затвора SC500.Эмиссия (510 нм) регистрировалась каждые 13 с с помощью камеры Photometrics Coolsnap CCD. Данные были проанализированы с использованием программного обеспечения PTI ImageMaster3. Каждую серию экспериментов повторяли минимум три раза; представлена ​​одна репрезентативная запись.

Благодарности.

Авторы выражают благодарность профессору Роберту Форххаймеру, доктору Эдвину Ягеру и доктору Даниэлю Саймону из Университета Линчёпинга, а также доктору Матсу Сандбергу из Acreo AB за плодотворные обсуждения. Исследование финансировалось Шведским фондом стратегических исследований (Центр стратегических исследований OBOE в области органической биоэлектроники), Фондом Кнута и Алисы Валленберг, Шведской королевской академией наук и Фондом Оннесйо.

Ссылки

1. Choi BD, Kwon OK. Методы совместного использования данных и линий затвора для недорогих TFT-ЖК-дисплеев с высокой плотностью пикселей. Electron Lett. 2004. 40 (4): 240–241. [Google Scholar] 2. Dodabalapur A, et al. Органические умные пиксели. Appl Phys Lett. 1998. 73 (2): 142–144. [Google Scholar] 3. Зе С. Полупроводниковые приборы: физика и технология. 2-е изд. Нью-Йорк: John Wiley & Sons; 2002. [Google Scholar] 4. Бургмайер П., Мюррей Р.В. Электроды ионного затвора — полипиррол как переключаемая мембрана ионного проводника.J. Phys Chem. 1984. 88 (12): 2515–2521. [Google Scholar] 5. Карник Р. и др. Электростатический контроль ионов и молекул в наножидкостных транзисторах. Nano Lett. 2005; 5 (5): 943–948. [PubMed] [Google Scholar] 6. Канг М.С., Мартин ЧР. Исследование потенциально-зависимых потоков ионных пермеатов в мембранах нанотрубок золота, полученных темплатным методом. Ленгмюра. 2001. 17 (9): 2753–2759. [Google Scholar] 7. Нисидзава М, Менон В.П., Мартин ЧР. Мембраны из металлических нанотрубок с электрохимически переключаемой селективностью ионного транспорта.Наука. 1995. 268 (5211): 700–702. [PubMed] [Google Scholar] 8. Нам SW, Грачи MJ, Ким КБ, Росснагель СМ. Ионно-полевые транзисторы с множеством нанопор размером менее 10 нм. Nano Lett. 2009. 9 (5): 2044–2048. [PubMed] [Google Scholar] 9. Конттури К., Муртомаки Л., Мансанарес Я. Процессы ионного переноса: в электрохимии и мембрановедения. Оксфорд: Oxford Univ Press; 2008. [Google Scholar] 10. Mafe S, Ramirez P. Электрохимическая характеристика полимерных ионообменных биполярных мембран. Acta Polym. 1997. 48 (7): 234–250.[Google Scholar] 11. Strathmann H, Krol JJ, Rapp HJ, Eigenberger G. Ограничение плотности тока и диссоциации воды в биполярных мембранах. J Membr Sci. 1997. 125 (1): 123–142. [Google Scholar] 12. Чианг С.К. и др. Электропроводность легированного полиацетилена. Phys Rev Lett. 1977; 39 (17): 1098–1101. [Google Scholar] 13. Ронкали Дж. Конъюгированные поли (тиофены) — синтез, функционализация и применение. Chem Rev.1992; 92 (4): 711-738. [Google Scholar] 14. Heywang G, Jonas F. Поли (алкилендиокситиофены) s — Новые, очень стабильные проводящие полимеры.Adv Mater. 1992. 4 (2): 116–118. [Google Scholar] 15. Пей К., Цуккарелло Г., Альског М., Инганас О. Электрохромный и высокостабильный поли (3,4-этилендиокситиофен) переключается между непрозрачным сине-черным и прозрачным небесно-голубым. Полимер. 1994. 35 (7): 1347–1351. [Google Scholar] 16. Теграни П. и др. Создание рисунка пленок политиофена с помощью электрохимического окисления. Smart Mater Struct. 2005. 14 (4): 21–25. [Google Scholar] 17. Рубинштейн И., Зальцман Б., Кедем О. Электрические поля внутри и вокруг ионообменных мембран.J Membr Sci. 1997. 125 (1): 17–21. [Google Scholar] 18. Мансанарес Дж.А., Мерфи В.Д., Мафе С., Рейсс Х. Численное моделирование неравновесного диффузного двойного слоя в ионообменных мембранах. J. Phys Chem. 1993. 97 (32): 8524–8530. [Google Scholar] 19. Заболоцкий В.И., Мансанарес Я.А., Мафе С, Никоненко В.В., Лебедев К.А. Установившийся перенос ионов через трехслойную мембранную систему: математическая модель, учитывающая нарушение условия электронейтральности. Русс Ж Электрохим + 2002; 38 (8): 819–827. [Google Scholar] 20.Сокирко А.В., Рамирес П., Мансанарес Дж., Мафе С. Моделирование условий прямого и обратного смещения в биполярных мембранах. Ber Bunsen-Ges Phys Chem Chem Phys. 1993. 97 (8): 1040–1049. [Google Scholar] 21. Cheng LJ, Guo LJ. Выпрямление, пробой и переключение ионных токов в гетерогенных оксидных наножидкостных устройствах. САУ Нано. 2009. 3 (3): 575–584. [PubMed] [Google Scholar] 22. Ся Ю.Н., Уайтсайдс ГМ. Мягкая литография. Annu Rev Mater Sci. 1998. 28: 153–184. [Google Scholar] 23. Исакссон Дж. И др. Электронный контроль передачи сигналов Ca ²⁺ в нейронных клетках с использованием органического электронного ионного насоса.Nat Mater. 2007. 6 (9): 673–679. [PubMed] [Google Scholar] 24. Саймон Д.Т. и др. Органическая электроника для точной доставки нейромедиаторов для модуляции сенсорной функции млекопитающих. Nat Mater. 2009. 8 (9): 742–746. [PubMed] [Google Scholar] 25. Tybrandt K и др. Преобразование электронных токов в точную нейронную сигнализацию, индуцированную ацетилхолином, с использованием устройства для доставки органического электрофоретика. Adv Mater. 2009. 21 (44): 4442–4446. [Google Scholar] 26. Лукас Р.Дж., Норман С.А., Лусеро Л. Характеристика никотиновых рецепторов ацетилхолина, экспрессируемых клетками клональной линии sh-sy5y нейробластомы человека.Mol Cell Neurosci. 1993; 4 (1): 1–12. [PubMed] [Google Scholar] 28. Weigl BH, Bardell RL, Cabrera CR. Лаборатория на чипе для разработки лекарств. Adv Drug Delivery Rev.2003; 55 (3): 349–377. [PubMed] [Google Scholar] 29. Мабек Дж. Т., Маллиарас Г. Г.. Химические и биологические сенсоры на основе органических тонкопленочных транзисторов. Anal Bioanal Chem. 2006. 384 (2): 343–353. [PubMed] [Google Scholar] 30. Nilsson D, et al. Бистабильная и динамическая модуляция тока в электрохимических органических транзисторах. Adv Mater. 2002. 14 (1): 51–54.[Google Scholar] 31. Бернардс Д.А., Маллиарас Г.Г. Установившееся и переходное поведение органических электрохимических транзисторов. Adv Funct Mater. 2007. 17 (17): 3538–3544. [Google Scholar] Биполярный переходной транзистор

(BJT) | Scientific.Net

Монолитный D-триггер с температурой 500 ° C, реализованный по биполярной технологии 4H-SiC TTL

Авторы: Мухаммад Шакир, Шуо Бен Хоу, Карл Микаэль Зеттерлинг

Аннотация: В данной работе представлена ​​конструкция, собственное производство и электрические характеристики монолитного интегрированного триггера D-типа (DFF) среднего размера, интегрированного (MSI).Он состоит из 65 биполярных транзисторов n-p-n и 49 встроенных резисторов. Монолитный биполярный DFF реализуется с использованием базовых вентилей с использованием структурированного способа реализации, тогда как базовые вентили реализуются с использованием традиционной транзисторно-транзисторной логики (TTL). DFF, срабатывающий по положительному фронту, с синхронным сбросом с активным низким уровнем, работает в диапазоне температур 25-500 ° C. Схема протестирована в двух режимах работы; режим ввода данных и делитель тактовой частоты. Наблюдается немонотонная температурная зависимость между тактовым сигналом и выходом триггера с задержкой распространения (t _PCQ ), временем нарастания и временем спада; уменьшается с температурой в диапазоне от 25 ° C до 300 ° C, в то время как она увеличивается в диапазоне от 300 ° C до 500 ° C.Переходная характеристика также была измерена на тактовой частоте 100 кГц. При T = 400 ° C и V _CC = 15 В DFF потребляет минимальную энергию ≈ 234 нДж.

818

Калибровка модели TCAD высоковольтных биполярных переходных транзисторов 4H-SiC

Авторы: Даниэль Йоханнессон, Мухаммад Наваз, Ханс-Петер НИ

Аннотация: В этом проекте модель Technology CAD (TCAD) была откалибрована и проверена на соответствие экспериментальным данным биполярного переходного транзистора (BJT) из карбида кремния (SiC) на 15 кВ.Структура устройства высоковольтного БЮТ была реализована на платформе моделирования Synopsys Sentaurus TCAD, и были выполнены модели экспериментов для извлечения и точной настройки параметров устройства и параметров материала 4H-SiC для точного отражения экспериментальных результатов SiC BJT на 15 кВ. . Набор калиброванных параметров TCAD может служить основой для дальнейших исследований конструкции различных SiC-устройств и работы устройств в электрических цепях.

670

Электрические характеристики интегрированного 2-входного затвора TTL NAND при повышенной температуре, изготовленного по биполярной SiС-технологии

Авторы: Мухаммад Шакир, Хоссейн Элахипана, Рахеле Хедаяти, Карл Микаэль Зеттерлинг

Аннотация: В данной работе представлены конструкция и электрические характеристики двухвходового логического элемента И-НЕ собственного изготовления.Монолитный биполярный затвор NAND с 2 входами, использующий транзисторно-транзисторную логику (TTL), продемонстрирован в 4H-SiC и работает в широком диапазоне температур и напряжений питания. Изготовленная схема была исследована на пластине с помощью датчика с горячим патроном. станция от 25 ° C до 500 ° C. Схема также характеризуется в широком диапазоне напряжений, например от 11 до 20 В. Высокий запас по выходному шуму (NM _H ) и низкий запас по выходному шуму (NM _L ) также измеряются в широком диапазоне от температуры и напряжения питания с использованием характеристик передачи напряжения (VTC).Переходная характеристика была измерена с применением двух прямоугольных волн с частотой 5 кГц и 10 кГц. Показано, что динамические параметры схемы зависят от температуры. Двухвходовой логический элемент ТТЛ И-НЕ потребляет 20 мВт при 500 ° C и 15 В.

958

Разработка и моделирование архитектуры биполярной памяти 4H-SiC для высокотемпературных приложений

Авторы: Хазем Эльгабра, Амна Сиддики, Шакти Сингх

Аннотация: Растущий спрос на электронику в суровых условиях окружающей среды вдохновил на исследования устройств и схем на основе карбида кремния (SiC) из-за его превосходных электрических свойств.Несколько исследователей продемонстрировали жизнеспособность схем управления 4H-SiC, разработав маломасштабные логические схемы полностью на 4H-SiC. Однако разработка и проектирование элементов памяти, которые являются критически важным компонентом любой электронной системы, до сих пор полностью не изучены. Чтобы восполнить этот пробел, в данной статье представлен полный столбец биполярной статической оперативной памяти (SRAM), который включает в себя ячейку памяти и периферийную схему, предназначенную для использования уникальных свойств SiC. Результаты моделирования для предлагаемой памяти показывают стабильную работу в широком диапазоне температур (27 ° C — 500 ° C) с хорошим запасом шума и скоростью доступа при работе от напряжения питания всего 5 В.Эта работа подтверждает потенциал разработки архитектур памяти на основе 4H-SiC, открывая путь к реализации малогабаритных цифровых систем для суровых условий окружающей среды.

953

4H-SiC BJT с высоким коэффициентом усиления новой эпитаксиальной пассивационной структуры

Авторы: Ю Ран Чжан, Вэнь Ван, Мин Е Ли, Фэй Го, Цзюнь Тао Ли, Сюань Ли

Аннотация: В этой статье предлагается новая структура 4H-SiC BJT с высоким коэффициентом усиления с эпитаксиальным слоем p-типа поверх внешнего базового слоя.Текущее усиление новой структуры улучшено на 140% по сравнению с традиционной с помощью симулятора с количеством разумных граничных ловушек, которые можно было бы приписать эпитаксиальному слою, чтобы уменьшить поверхностную рекомбинацию во внешней основе. В статье также предлагается способ изготовления этой конструкции.

625

Высокотемпературный биполярный компаратор ведущий-ведомый и делитель частоты по технологии 4H-SiC

Авторы: Рахеле Хедаяти, Луиджа Ланни, Мухаммад Шакир, Араш Салеми, Карл Микаэль Зеттерлинг

Аннотация: В этой статье демонстрируется полностью интегрированный компаратор с эмиттерно-связанной логикой (ECL) ведущий-ведомый и делитель частоты, реализованный в биполярной технологии 4H-SiC.Компаратор состоит из двух каскадов с защелкой, двух устройств сдвига уровня и каскада выходного буфера. Цепи прошли испытания при температуре до 500 ° C. Размах несимметричного выхода компаратора составляет -7,73 В при 25 ° C и -7,63 В при 500 ° C с напряжением питания -15 В. Компаратор потребляет 585 мВт при 25 ° C. Делитель частоты, состоящий из двух защелок, показывает относительно постоянный размах выходного напряжения в широком диапазоне температур. Размах выходного напряжения составляет 7,62 В при 25 ° C и 7,32 В при 500 ° C.

681

Сравнение теплового напряжения при коротком замыкании в различных типах 1.SiC-транзисторы 2 кВ на основе экспериментов и моделирования

Авторы: Дайан Перле Садик, Чанг Квон Лим, Хуан Кольменарес, Митек Баковски, Ханс-Петер НИ

Аннотация: Представлено изменение температуры во время короткого замыкания в кристалле трех различных силовых устройств из карбида кремния на 1200 В. Неустановившееся тепловое моделирование было выполнено на основе реконструированной конструкции имеющихся в продаже устройств.Сравнивается расположение самой горячей точки в устройстве. Наконец, анализ подтверждает необходимость быстрого отключения событий короткого замыкания, чтобы защитить устройство после сбоя.

595

Модуляция проводимости коллектора в 4H-SiC BJT на 1200 В (моделирование)

Авторы: Павел А.Иванов, Валентин С. Юферев, Михаил Э. Левинштейн, Джон К. Чжан, Джон В. Палмур

Аннотация: Сопротивление коллекторного слоя БЮТ может быть резко снижено за счет эффективной инжекции неосновных носителей заряда (дырок) из базы в коллектор. В результате падение напряжения на BJT становится существенно меньше. Условиями, при которых может происходить этот процесс, являются короткое время нарастания и высокая амплитуда основного импульса.

563

Оптимизация структуры 4H-SiC BJT для обнаружения ультрафиолета с высоким оптическим усилением

Авторы: Юн Бай, Чэнчжан Ли, Хуа Цзюнь Шен, И Дан Тан, Синь Ю Лю

Аннотация: В данной статье предложен и оптимизирован 4H-SiC n-p-n БЮТ для обнаружения ультрафиолета с высоким оптическим усилением.Моделируется влияние структурных параметров фототранзистора 4H-SiC на характеристики детекторов и анализируется механизм воздействия. Результаты моделирования показывают, что фототранзисторы 4H-SiC обнаруживают УФ-свет с длиной волны отклика менее 380 нм. Предполагается, что базовые параметры важны для чувствительности 4H-SiC BJT. При оптимизированных параметрах УФ-фототранзистор 4H-SiC демонстрирует пиковую чувствительность до 4617 А / Вт, что соответствует квантовому усилению 2.2 × 10 ⁵ при напряжении смещения 5 В.

1036

Модификация удлинителя с травленым переходом для высоковольтных силовых устройств на основе 4H-SiC

Авторы: Хоссейн Элахипана, Араш Салеми, Карл Микаэль Зеттерлинг, Микаэль Эстлинг

Аннотация: Были изготовлены высоковольтные 4H-SiC транзисторы с биполярным переходом (BJT) с модифицированным удлинением окончания протравленного перехода (JTE) и оптимизированы с точки зрения длины (L _JTE ) и остаточной дозы (D _JTE ) JTE.Установлено, что для заданной общей длины оконечной нагрузки (Σ L _JTEi ) уменьшение длины JTE от самого внутреннего края до самого внешнего края мезы устройства приведет к лучшему изменению электрического поля. Напряжение пробоя (BV) 4,95 кВ было измерено для модифицированного устройства, которое демонстрирует повышение эффективности оконечной нагрузки на ~ 20% без дополнительных затрат или дополнительных этапов процесса. Были изготовлены БЮТ равных размеров на встречно-штыревом излучателе с разным количеством пальцев и шагом ячеек.Максимальный коэффициент усиления по току 40 достигается для устройства с одним пальцем с шириной эмиттера 40 мкм при I _C = 0,25 A (J _C = 310 A / см ² ), что соответствует R _ON = 33 мОм · см ² . Представлено, что коэффициент усиления по току уменьшается при увеличении числа пальцев, в то время как максимальный коэффициент усиления по току достигается при более высокой плотности тока.

978

Введение в BJT (биполярный транзистор)

Привет, ребята! Надеюсь, у вас все хорошо.Сегодня я собираюсь обсудить детали Introduction to BJT (Bipolar Junction Transistor) . Это электронный компонент, который в основном используется для усиления и переключения. Как следует из названия, он состоит из двух переходов, называемых переходом эмиттер-база и переходом коллектор-база.

Не путайте BJT с обычными транзисторами. Транзистор — это полупроводниковый прибор с тремя выводами, которые используются для внешнего соединения с электронными схемами. Транзистор называется транзистором, который используется в качестве переключателя или затвора для электронных сигналов.Слабые сигналы, подаваемые между одной парой его выводов, используются для управления гораздо более крупными сигналами на другой паре выводов.

На самом деле транзисторы делятся на две категории: униполярные транзисторы и биполярные транзисторы. Биполярный переходный транзистор использует два носителя заряда, то есть электроны и дырки, в то время как униполярный транзистор, такой как полевые транзисторы (полевые транзисторы), использует только один носитель заряда. Надеюсь, вам известен еще один тип транзисторов, называемый MOSFET.

Я постараюсь охватить все, что связано с этим биполярным переходным транзистором, чтобы вы могли найти всю информацию в одном месте.Давайте начнем.

Введение в BJT

• Представленный в 1948 году компанией Shockley, BJT представляет собой электронный компонент, в основном используемый для коммутации и усиления.
• Он состоит из трех выводов, называемых эмиттером, базой и коллектором, обозначенных буквами E, B и C соответственно.
• Этот транзистор имеет два PN перехода. PN-переход, существующий между эмиттером и базой, называется переходом эмиттер-база, а PN-переход, существующий между коллектором и базой, называется переходом коллектор-база.Переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база — в обратном направлении.
• Изначально биполярные транзисторы делались из германия, однако современные транзисторы изготавливаются из кремния.
• BJT бывает двух типов: транзистор NPN и транзистор PNP.
• Это биполярное устройство, в котором проводимость осуществляется обоими носителями заряда, то есть электронами и дырками. Количество электронов, рассеянных в базовой области, больше, чем количество дырок, рассеянных в области эмиттера.Электроны ведут себя как неосновные носители в базовой области.
• В нормальных условиях, когда переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, он позволяет току течь от эмиттера к коллектору. Когда на базовый вывод подается напряжение, оно смещается и потребляет ток, который напрямую влияет на ток на других выводах.
• BJT называется устройством с контролем тока, в котором небольшой ток на стороне базы используется для управления большим током на других клеммах. Все три терминала БЮТ различаются по концентрации легирования.Эмиттер сильно легирован по сравнению с базой и коллектором.

• Коллектор умеренно легирован, и его площадь больше по сравнению с площадью эмиттера, что позволяет ему выдерживать большую мощность.
• При приложении напряжения большая часть электронов из эмиттера диффундирует в базу, где эти электроны действуют как неосновные носители заряда, делая дырки в основной области основными носителями заряда.
• Поскольку основание очень тонкое и слегка легированное, оно не может удерживать количество электронов слишком долго, позволяя электронам диффундировать от базы к коллектору.
• Небольшое изменение напряжения, приложенного к клеммам база-эмиттер, может вызвать значительное изменение тока между клеммами эмиттера и коллектора.
• Это процесс, используемый для усиления .
• Когда переход эмиттер-база не смещен в прямом направлении, величина тока на клемме базы и коллектора равна нулю, независимо от того, какое напряжение приложено к клемме базы.
• Коэффициент усиления по току с общим эмиттером — это термин, который в основном используется для BJT.Это соотношение между током коллектора и током базы. Точно так же коэффициент усиления по току общей базы определяется как отношение между током коллектора и током эмиттера. Чаще всего его значение принимают за единицу.
• Конструкция BJT не является симметричной по своей природе. Отсутствие симметрии БЮТ связано с разницей в концентрации легирования между выводами.
• Обычно BJT работают в режиме прямого смещения. Перестановка эмиттера и коллектора позволяет переключить режим с прямым смещением в режим с обратным смещением.Этот обмен оказывает большое влияние на значения текущих коэффициентов усиления, делая их намного меньше, поскольку они находятся в режиме прямого смещения.
• Режим работы, при котором переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении, называется активной областью.

Типы BJT

BJT делятся на два типа в зависимости от природы и конструкции транзистора. Ниже приведены два основных типа BJT.

NPN

• NPN (отрицательно-положительно-отрицательный) — это тип BJT, в котором между двумя слоями материала, легированного азотом, находится слой полупроводника, легированного P.
• Область, легированная P, представляет собой базу транзисторов, а два других слоя представляют собой эмиттер и коллектор соответственно.
NPN-транзисторы
• также называют устройствами с неосновными носителями заряда, потому что неосновные носители заряда на стороне базы используются для управления большим током на других выводах транзистора.
• Ток движется от эмиттера к коллектору, где электроны действуют как неосновные носители на стороне базы.

PNP

• PNP (положительно-отрицательно-положительный) транзистор представляет собой тип BJT, в котором слой полупроводника с примесью азота, который действует как основа, расположен между двумя слоями материала с примесью P.
• База использует малый базовый ток и отрицательное базовое напряжение для управления большим током на стороне эмиттера и коллектора, а напряжение на стороне коллектора больше, чем напряжение на стороне базы.
• В транзисторе PNP направление тока и полярность напряжения меняются местами по сравнению с транзисторами NPN.
Транзисторы
• PNP работают аналогично транзисторам NPN, за некоторым исключением, то есть отверстия рассеиваются через базу от эмиттера и собираются коллектором.
• Этот транзистор редко используется в приложениях, поскольку проводимость за счет движения электронов считается быстрой и имеет большее значение как проводимость за счет движения дырок.

Области действия BJT

Транзисторы с биполярным переходом имеют разные области действия. Эти режимы работы задают тон току, протекающему от эмиттера к коллектору.

Прямой активный режим

• BJT имеет два перехода, называемых переходом эмиттер-база и переходом коллектор-база.Переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база — в обратном направлении.
• Для целей усиления большинство транзисторов имеют высокий коэффициент усиления по току общего эмиттера, который показывает точный коэффициент усиления по току и мощности, необходимый для усиления.
• Ток коллектор-эмиттер в значительной степени зависит от тока базы, где небольшой ток на стороне базы используется для управления большим током на стороне эмиттера и коллектора.

Обратный активный режим

• Переставляя эмиттер и коллектор местами, транзистор переходит из активного режима в обратный активный режим.
• Большинство транзисторов спроектированы так, чтобы обеспечить высокое усиление по току, но изменение роли эмиттера и коллектора делает усиление по току очень маленьким по сравнению с областью прямого смещения. Этот тип режима редко используется, если не требуется условие отказоустойчивости.

Saturation

• BJT демонстрирует режим насыщения, когда оба перехода смещены в прямом направлении. Этот режим работы называется замкнутой схемой, которая позволяет большому количеству тока течь от эмиттера к стороне коллектора.

Отсечка

• Когда переход эмиттер-база не смещен в прямом направлении, считается, что транзистор находится в области отсечки, где ток коллектора и ток базы будут равны нулю, независимо от того, какое напряжение приложено на базовый терминал.

Три основные конфигурации BJT

BJT — это устройство с контролем тока, которое в основном используется для усиления и переключения. Есть три способа подключения этого устройства к внешним электронным цепям:

1.Конфигурация с общей базой

2. Конфигурация с общим коллектором

3. Конфигурация с общим эмиттером

Природа тока, контролируемого на выходе, различна для разных конфигураций.

Общая базовая конфигурация

• Общая базовая конфигурация — это конфигурация, в которой общая база используется совместно между входным и выходным сигналами.
• Напряжение подается на переход эмиттер-база, и соответствующий выходной сигнал получается на выходе через переход база-коллектор.
• Базовое напряжение подключается к некоторому опорному напряжению или в некоторых случаях может быть заземлено с целью создания общей базы между входными и выходными сигналами.
• На следующем рисунке показана принципиальная схема общей базовой конфигурации.

• Ток на стороне эмиттера довольно велик, там, где электроны диффундируют в клемму базы. Эти электроны образуют пару с некоторыми дырками, присутствующими в базе, в то время как большинство из них покидают базу и собираются коллектором.
• Этот тип транзистора обладает замечательными высоковольтными характеристиками, что не делает его идеальным выбором для многих приложений. В этой конфигурации выходное и входное напряжение соответствуют друг другу. Входные характеристики этого транзистора полностью идентичны характеристикам прямого смещения диода, в то время как выходные характеристики аналогичны обычным диодам и имеют высокое отношение выходного сопротивления к входному сопротивлению.
• Коэффициент усиления по току общей базы — очень важный фактор, используемый в этой конфигурации, который представляет собой соотношение между током коллектора и током эмиттера.Обозначается α альфа.
• α = Ic / Ie
• Значение альфа находится в диапазоне от 0,95 до 0,99, однако большую часть времени его значение принимается за единицу. Высокочастотная характеристика общей базовой конфигурации делает его идеальным выбором для одноступенчатого усилителя.

Конфигурация с общим коллектором

• Эта конфигурация также известна как повторитель напряжения, где вход подается на клемму базы, а выход снимается с клеммы эмиттера.
• Эта конфигурация в основном используется для согласования импеданса, так как входное сопротивление этой конфигурации очень высокое, а выходное сопротивление очень низкое.
• Конфигурация с общим коллектором называется неинвертирующим усилителем, в котором выходной сигнал и входной сигнал находятся в фазе друг с другом.
• Коэффициент усиления по току этого транзистора очень велик, поскольку сопротивление нагрузки находится на приемном конце как тока коллектора, так и тока базы, что делает его подходящим для целей усиления.
• Следовательно, очень небольшое усиление напряжения, около единицы, может помочь в получении очень большого усиления тока.
• На следующем рисунке показана принципиальная схема конфигурации общего коллектора.

Конфигурация с общим эмиттером

• Эта конфигурация широко используется в транзисторных усилителях, где входной сигнал подается между эмиттером и базой, а выходной сигнал берется с эмиттера и коллектора.
• Эта конфигурация обеспечивает максимальный коэффициент усиления по току и мощности, что делает ее идеальным выбором для усиления. Входной импеданс подключен к смещенному в прямом направлении PN-переходу, который показывает низкое значение, в то время как выходной импеданс подключен к обратному смещенному PN-переходу, который показывает высокое значение.
• Большинство транзисторов обычно имеют общую конфигурацию эмиттера, поскольку она обеспечивает идеальную мощность и ток, необходимые для усиления.
• Конфигурация с общим эмиттером называется схемой инвертирующего усилителя, в которой входной сигнал не совпадает по фазе с выходным сигналом.
• На следующем рисунке показана принципиальная схема общей конфигурации эмиттера.

• Коэффициент усиления по току общего эмиттера этого транзистора очень велик по сравнению с коэффициентом усиления по току конфигурации с общей базой, который представляет собой соотношение между током коллектора и током базы.Он обозначается β β, который является мерой усиливаемого тока.
• β = Ic / Ib
• Выходной ток на стороне коллектора и эмиттера сильно зависит от тока на стороне базы.
• Ток на стороне эмиттера — это сумма тока на стороне базы и коллектора, потому что сторона эмиттера сильно легирована по сравнению с базой и коллектором.
• Ie = Ib + Ic
• Когда напряжение подается на клемму базы, это вызывает реакцию электронов, которая заставляет электроны двигаться к стороне коллектора.
• Любое небольшое изменение напряжения, приложенного к клемме базы, приводит к очень большому изменению тока, полученного на стороне коллектора.

Плюсы БЮТ

• Биполярный транзистор имеет большой коэффициент усиления.
• Этот тип транзистора обеспечивает лучший коэффициент усиления по напряжению.
• Этот транзистор может работать в четырех областях: активная область, обратный режим, насыщение и область отсечки.
• BJT обеспечивает лучший отклик на более высоких частотах.
• BJT также действуют как переключатель.

Минусы BJT

• BJT очень чувствительны к нагреву и в некоторых случаях издает шум.
• Коммутационная способность биполярных транзисторов очень мала по сравнению с униполярными транзисторами, такими как полевые транзисторы.

Приложения

• BJT имеют два основных приложения: усиление и переключение.
• Они являются строительными блоками большинства электронных схем, особенно там, где требуется усиление звука, тока или напряжения.
Транзисторы
• NPN предпочтительнее транзисторов PNP для целей усиления, потому что проводимость, осуществляемая за счет подвижности электронов, лучше, чем проводимость через подвижность дырок.

На сегодня все. Я изо всех сил старался разбить все, что связано с BJT, чтобы вы могли легко усвоить основную концепцию. Если вы не уверены или у вас есть какие-либо вопросы, вы можете задать мне их в разделе комментариев ниже.