Транзисторы. Принцип действия, классификация, области применения

Похожие презентации:

3D печать и 3D принтер

Видеокарта. Виды видеокарт

Анализ компании Apple

Трансформаторы тока и напряжения

Транзисторы

Устройство стиральной машины LG. Электрика

Конструкции распределительных устройств. (Лекция 15)

Электробезопасность. Правила технической эксплуатации электроустановок

Магнитные пускатели и контакторы

Работа на радиостанциях КВ и УКВ диапазонов. Антенны военных радиостанций. (Тема 5.1)

1. ТРАНЗИСТОРЫ

Принцип действия, классификация,
области применения
Транзи́ стор — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с
тремя выводами, способный от небольшого входного сигнала управлять значительным
током в выходной цепи, что позволяет его использовать для усиления, генерирования,
коммутации и преобразования электрических сигналов.
Транзисторы по структуре, принципу действия и параметрам делятся на два класса —
биполярные и полевые (униполярные).
В биполярном транзисторе используются полупроводники с обоими типами проводимости,
он работает за счет взаимодействия двух, близко расположенных на кристалле, p-n
переходов и управляется изменением тока через база-эмиттерный переход, при этом
вывод эмиттера всегда является общим для управляющего и выходного токов.
В полевом транзисторе используется полупроводник только одного типа проводимости,
расположенный в виде тонкого канала, на который воздействует электрическое поле
изолированного от канала затвора, управление осуществляется изменением напряжения
между затвором и истоком. Полевой транзистор, в отличие от биполярного, управляется
напряжением, а не током.

3. Биполярные транзисторы

Трехслойная полупроводниковая структура, состоящая из двух слоев полупроводника с
одинаковым типом проводимости, разделенных тонким слоем полупроводника с другим
типом проводимости, называется биполярным транзистором.
Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника, называемых «база» (Б),
«коллектор» (К), «эмиттер» (Э). Ток, протекающий через переход база — эмиттер (Iб) вызывает
изменения сопротивления зоны эмиттер — коллектор, соответственно изменяется ток
коллектора Iк, причем его значения больше нежели базового. Это основной принцип работы
биполярного транзистора. Поскольку материал транзистора полупроводник, то ток может
протекать только в одном направлении, определяемом типом перехода. Соответственно этим
определяется полярность подключения (тип проводимости) транзистора (прямая — p-n-p,
обратная — n-p-n.
n(+) – повышенная концентрация носителей => сильное легирование эмиттера
Транзисторы n-p-n типа распространены Существенно больше. Инжектируемыми
носителями в этом случае являются электроны, подвижность которых в несколько выше,
чем у дырок, что обусловливает большее быстродействие.

5. Принцип работы биполярного транзистора

6. Виды биполярных транзисторов

Стрелочка всегда направлена от дырок электронам и показывает направление
протекающего тока

7.

Режимы работы и схемы включения БП транзисторовКаждый из p-n переходов может быть включен как в прямом, так и в обратном
направлении. В связи с этим различают три режима работы.
Нормальный активный режим
Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база —
в обратном (закрыт) UЭБ>0; UКБ<0 (для транзистора p-n-pтипа), для транзистора n-p-n типа
условие будет иметь вид UЭБ<0;UКБ>0.
Инверсный активный режим
Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое.
Режим насыщения
Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и
коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении,
транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле
эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем,
создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб. В результате уменьшится потенциальный
барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнется проникновение
(инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор
транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (IЭ. нас) и коллектора (IК.нас).
Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (UКЭ.нас) — это падение напряжения на открытом
транзисторе (смысловой аналог RСИ.отк у полевых транзисторов). Аналогично напряжение
насыщения база-эмиттер (UБЭ.нас) — это падение напряжение между базой и эмиттером на
открытом транзисторе.
Режим отсечки
В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный
переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового
значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из
эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6—0,7 В). Режим отсечки
соответствует условию UЭБ<0,7 В, или IБ=0.
Барьерный режим
В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через
небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторнуюили в эмиттерную цепь транзистора
включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор
представляет из себя своеобразный диод, включенный последовательно с токозадающим
резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих,
хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур,
нечувствительностью к параметрам транзисторов
Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:
• Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.
• Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх.
Схема включения с общей базой
Среди всех трех конфигураций обладает наименьшим
входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет
коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой
коэффициент усиления по напряжению. Фаза сигнала не
инвертируется.
Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iэ = α [α<1].
Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх = Uбэ/Iэ.
Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и не
превышает 100 Ом для маломощных транзисторов, так как
входная цепь транзистора при этом представляет собой
открытый эмиттерный переход транзистора.
Достоинства
• Хорошие температурные и частотные свойства.
• Высокое допустимое напряжение
Недостатки схемы с общей базой
• Малое усиление по току, так как α < 1
• Малое входное сопротивление
• Два разных источника напряжения для питания.
Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:
• Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.
• Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх.
Схема включения с общим эмиттером
Iвых = Iк Iвх = Iб Uвх = Uбэ Uвых = Uкэ
Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iб = Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α)
= β [β>>1].
Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = Uбэ/Iб.
Достоинства
• Большой коэффициент усиления по току.
• Большой коэффициент усиления по напряжению.
• Наибольшее усиление мощности.
• Можно обойтись одним источником питания.
• Выходное
переменное
напряжение
инвертируется
относительно входного.
Недостатки
• Худшие температурные и частотные свойства по сравнению
со схемой с общей базой.
Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:
• Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.
• Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх.
Схема включения с общим эмиттером
Iвых = Iэ Iвх = Iб Uвх = Uбк Uвых = Uкэ
Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iэ/Iб = Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1-α)
= β [β>>1].
Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = (Uбэ + Uкэ)/Iб.
Достоинства
• Большое входное сопротивление.
• Малое выходное сопротивление.
Недостатки
• Коэффициент усиления по напряжению меньше 1.
Схему с таким включением называют «эмиттерным
повторителем».

12. Полевые транзисторы

Полевой транзистор – это полупроводниковый полностью
управляемый ключ, управляемый электрическим полем. Это
главное отличие с точки зрения практики от биполярных
транзисторов, которые управляются током. Электрическое поле
создается напряжением, приложенным к затвору относительно
истока. Полярность управляющего напряжения зависит от типа
канала транзистора.
В полевых транзисторах в зависимости от типа канала ток
осуществляется только одним типом носителей дырками или
электронами. В биполярных транзисторах ток формировался из двух
типов носителей зарядов – электронов и дырок, независимо от типа
приборов. Полевые транзисторы в общем случае можно разделить
на:
• транзисторы с управляющим p-n-переходом;
• транзисторы с изолированным затвором.
И те и другие могут быть n-канальными и p-канальными, к затвору
первых нужно прикладывать положительное управляющее
напряжение для открытия ключа, а для вторых – отрицательное
относительно истока.
У всех типов полевых транзисторов есть три вывода:
1. Исток (источник носителей заряда, аналог эмиттера на

биполярном).
2. Сток (приемник носителей заряда от истока, аналог коллектора
биполярного транзистора).
3. Затвор (управляющий электрод, аналог сетки на лампах и базы
на биполярных транзисторах).
Металл-оксид-полупроводник (МОП)
МДП-транзистор со встроенным каналом
МДП-транзистор с индуцированным каналом

English     Русский Правила

4.

2. Принцип действия транзистора | Электротехника

Внешние напряжения в нормальном активном режиме подключают к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение эмиттерного перехода в прямом направлении, а коллек­торного перехода – в обратном направлении. Это достигается с помощью двух источников напряжения

U_ЭБ и U_КБ  (рис. 4.3, б). Для p—n—p-транзистора напряжение U_ЭБ подключается положительным полю­сом к эмиттеру относительно базы, напряжение U_КБ  – отрицатель­ным полюсом к коллектору относительно базы (схема с общей базой).

В результате снижения потенциального барьера дырки из области эмиттера диффундируют через p—n-переход в область базы (инжекция дырок), а электроны – из области базы в область эмиттера. Так как удельное сопротивление базы высокое, дырочный поток носителей преобладает над электронным потоком.

Поэтому инжекцией из базы в эмиттер в первом приближении можно пренебречь. Для количественной оценки составляющих полного тока p—n-перехода используют коэффициент инжекции:

,

где  и  – дырочная и электронная составляющие тока эмиттерного перехода;  – полный ток эмиттерного перехода.

Дырки, инжектированные в базу, создают вблизи р-п-перехода электрический заряд, который в течение времени  компенсируется электронами, приходящими из внешней цепи от источника  

. Аналогично заряд электронов в эмит­тере компенсируется дополнительными дырками, но так как инжекция приближается к односторонней, то эти процессы можно не рассматривать. Приход электронов в базу из внешней цепи создает в последней электрический ток , который направлен из базы.

Вследствие разности концентраций (в диффузионных тран­зисторах) и разности концентраций и внутреннего электричес­кого поля (в дрейфовых) инжектированные в базу носители заряда и носители заряда, компенсировавшие их заряд и тем самым обеспечившие электронейтральность базы, движутся в глубь ее по направлению к коллектору.

Если бы база была достаточно толстой (W > 3L, где L – диффузионная длина неосновных носителей в базе), то все инжектированные носители заряда рекомбинировали бы в ней и в области, прилегающей к коллекторному p—n-переходу, их концентрация стала бы равновесной. Тогда через коллекторный переход протекал бы обратный ток, равный току обратносмещенного p—n-перехода. Однако во всех реальных транзисторах ширина базы W во много раз меньше диффузионной длины, т. е. W << 0,2L. Поэтому время жизни неосновных носителей заряда в базе во много раз больше времени, необходимого для прохождения ими базы

.

Большинство дырок, инжектированных в нее, не успевают рекомбинировать с электронами и, попав вблизи коллекторного p—n-перехода в ускоряющее поле, втягиваются в коллектор (экстракция дырок). Электроны, число которых равно числу дырок, ушедших через коллекторный переход, в свою очередь, уходят через базовый вывод, создавая ток , направленный в базу транзистора.

Таким образом, ток через базовый вывод транзистора определяют две встречно направленные составляющие тока. Если бы в базе процессы рекомбинации отсутствовали, то эти токи были бы равны между собой, а результирующий ток базы был бы равен нулю. Но так как процессы рекомбинации имеются в любом реальном транзисторе, то ток эмиттерного

p—n-перехода несколько больше тока коллек­торного p—n-перехода.

Относительное число неосновных носи­телей заряда, достигших коллекторного перехода транзистора, характеризуется коэффициентом переноса:

,

где _{73_2.gif>} ,  – концентрация дырок, прошедших через коллек­торный и эмиттерный переходы; ,  – токи коллекторного и эмиттерного переходов, созданные дырками.

Дырки в базе являются неосновными носителями заряда и свободно проходят через запертый коллекторный

p—n-переход в область коллектора. За время, определяемое постоянной времени диэлектрической релаксации (), они компенсируются электронами, создающими ток коллектора и приходящими из внешней цепи. Если бы рекомбинация в базе отсутствовала и существовала бы чисто односторонняя инжекция, то все носители заряда, инжектированные эмиттером, достигали бы коллекторного перехода и ток коллектора был бы равен току эмиттера.

В действительности только часть () тока эмиттера составляют дырки и только часть их (

) доходит до коллек­торного перехода. Поэтому дырочная составляющая тока коллектора, вызванная инжекцией неосновных носителей заряда через эмиттерный пе­реход, равна

;                 ,

где  – коэффициент передачи эмиттерного тока.

Кроме тока, вызванного инжектированными в базу неос­новными носителями заряда, через коллекторный p—n-переход, смещенный в обратном направлении, протекает обратный неуправляемый ток I_ко. Причины его возникновения те же, что и в единичном p—n-переходе. Поэтому результирующий ток коллекторной цепи равен:

.

                                                      (4.1)

Как известно, обратный ток создается дрейфом неосновных носителей за­ряда из близлежащих областей об­ратно включенного p—n-перехода. По­скольку концентрации неосновных носителей заряда зависят от темпе­ратуры, величина обратного тока также зависит от нее, поэтому этот ток часто называют тепловым. От величины тока эмиттера ток I_ко не зависит.

Изменение напряжения, приложенного к эмиттерному пе­реходу, вызывает изменение количества инжектируемых в базу неосновных носителей заряда и соответствующее изменение тока эмиттера и коллектора. Следовательно, для изменения по определенному закону коллекторного тока необходимо к эмиттерному

p—n-переходу приложить напряжение, изменя­ющее по этому закону ток эмиттера.

Рассмотрим качественную картину протекания токов через транзистор в рассматриваемой схеме (рис. 4.4). В соответствии с изложенным ток эмиттера () равен сумме дыроч­ной () и электронной () составляющих:

.

Ток кол­лектора () состоит из дырочной составляющей () и теплового тока ():

.

Ток базы (

) равен алгебраической сумме электронной составляющей тока эмиттера (), рекомбинационной дыроч­ной составляющей () и теплового тока ():

.

Управляющее свойство транзистора, характеризующее изменение выходного (коллекторного) тока () под действием подводи­мого входного тока  (или напряжения U^’_ЭБ), обусловливается измене­нием дырочной составляющей колл
екторного тока () за счет измене­ния дырочной составляющей эмиттерного тока  (рис. 4.4).

Таким об­разом, принцип действия биполярного транзистора основан на соз­дании транзитного (проходящего) потока носителей заряда из эмиттера в коллектор через базу и управлении коллекторным (вы­ходным) током за счет изменения эмиттерного (входного) тока, следовательно, биполярный транзистор управляется током.

Ток, текущий через эмиттерный переход (), яв­ляется управляющим током, or которого зависит ток  в цепи коллектора () – управляемый ток. Ток базы () представляет собой разность управляющего и управляемого токов (ток рекомбина­ции дырок в базе). Основные носители базы (электроны) при компенсации движения дырок через эмиттерный и коллектор­ный переходы движутся в выводе базы в различных направле­ниях.

Иначе говоря, в рассмотренном режиме через транзистор про­текает сквозной ток: от эмиттера через базу к коллектору. Некоторая, незначительная часть этого тока (I_бp) вследствие рекомбина­ции в толще базы ответвляется в цепь базы (рис. 4.4).

Вообще говоря, током, текущим через транзистор, можно управлять, изменяя напряжение на любом из двух электронно-дырочных переходов. Однако, степень зависимости эмиттерного, а следовательно, и коллекторного тока от напряжений  и  в активном режиме различна.

К эмиттерному переходу приложено прямое напряжение, и поэтому ток через этот переход, а значит и коллекторный ток сильно зависит от напряжения , возрастая с увеличением этого напряжения по экспоненциальному закону. Таким образом, изменяя напряжение на эмиттерном переходе, можно легко и в значительных пределах управлять током, текущим в транзисторе.

Иным образом зависит значение этого тока от обратного нап­ряжения на коллекторном переходе. Даже если напряжение  = 0, дырки, прошедшие через базу и приблизившиеся к коллек­торному переходу, увлекаются диффузионным полем перехода () в коллекторную область. Подключение обратного напряжения  приводит к увеличению поля в коллекторном переходе до величины:

,

где  – поле за счет подключения напряжения .

Однако при этом коллекторный ток практически не изме­няется, так как независимо от величины ускоряющего поля в коллектор переходят все дырки, которые приходят к коллектор­ному переходу и число которых определяется лишь числом инжек­тированных из эмиттера в базу дырок и их рекомбинацией в базе.

Таким образом, транзистор отвечает требованиям, которые предъявляются к электронным приборам (преобразователям электрических сигналов), он обладает: легкостью управления током в приборе сигналом в его входной цепи и по возможности меньшим влия­нием напряжения в выходной цепи на значение этого тока.

Основное соотношение для токов транзистора составляется по первому закону Кирхгофа:

          ,                                                      (4.2)

С учетом соотношения (4.1) ток  мож­но выразить через ток :                                  

.                                                (4.3)

Транзисторный триггер Шмитта Принцип работы

от Dejan

•

•

Электротехника

В предыдущем уроке мы объяснили, что такое триггер Шмитта и как он работает с использованием операционных усилителей. Теперь в этом уроке мы объясним триггер Шмитта на основе транзистора.

Вы можете посмотреть следующее видео или прочитать письменный учебник ниже.

Триггер Шмитта представляет собой тип логического входа, который обеспечивает гистерезис или два разных уровня порогового напряжения для нарастающего и спадающего фронта. Это полезно, потому что позволяет избежать ошибок, когда у нас есть шумные входные сигналы, из которых мы хотим получить прямоугольные сигналы. Схема транзисторного тригера Шмитта содержит два транзистора и пять резисторов. Для лучшего объяснения я назначу значения компонентам, а позже продемонстрирую и соберу эту схему на макетной плате, чтобы увидеть, как она работает на самом деле.

 

Начнем так. Предположим, что на входе Vin 0 В. Это означает, что транзистор T1 отключен и не проводит ток. С другой стороны, транзистор T2 является проводящим, потому что у нас есть напряжение около 1,98 В в узле B, поскольку мы можем рассматривать эту часть схемы как делитель напряжения и вычислять напряжение, используя эти выражения.

Таким образом, поскольку транзистор T2 является проводником, выходное напряжение будет низким, а напряжение на эмиттере будет примерно на 0,7 В ниже, чем напряжение на базе транзистора, или примерно на 1,28 В.

Эмиттер транзистора Т1 соединен с эмиттером транзистора Т2 так, что они находятся на одном уровне напряжения 1,28 В, что означает, что транзистор Т1 включится, когда напряжение Vin на его базе будет на 0,7 В выше этого значение 1,28 В, или около 1,98 В.

Таким образом, когда мы увеличиваем вход Vin и пересекаем это значение 1,98, транзистор T1 начинает проводить. Это вызовет падение напряжения на базе транзистора T2 и отключит транзистор. Поскольку транзистор T2 больше не проводит ток, выходное напряжение становится высоким.

Далее напряжение Vin на базе транзистора T1 начнет снижаться и закроет транзистор, когда напряжение базы будет на 0,7 В выше напряжения его эмиттера. Это произойдет, когда ток в эмиттере снизится до точки, при которой транзистор перейдет в режим прямой активности.

В этом режиме увеличится напряжение коллектора, что также увеличит напряжение на базе транзистора Т2. Это вызовет протекание небольшого количества тока через транзистор T2, что приведет к дальнейшему падению напряжения на эмиттерах и вызовет закрытие транзистора T1. В нашем случае входное напряжение Vin должно упасть примерно до 1,3 В, чтобы закрыть транзистор T1.

Вот и все. Теперь цикл повторяется снова и снова. Таким образом, мы получили два порога, верхний порог около 1,9 В и нижний порог около 1,3 В.

Демонстрация этой схемы на макетной плате и ее можно найти в конце видео, прикрепленного выше.

Рубрики Электротехника

Принцип работы транзистора — электрические концепции

25 апреля 2018 г. 30 октября 2016 г.

В этом посте я сосредоточусь на принципе работы транзистора с биполярным переходом, предполагая, что вы уже знакомы с деталями конструкции биполярного транзистора или просто транзистора.

Основная работа транзистора будет описана на примере транзистора pnp. Работа npn-транзистора точно такая же, если поменять местами роли электрона и дырки. На рисунке ниже транзистор pnp изображен без смещения база-коллектор. Эта ситуация аналогична ситуации с диодом с прямым смещением. Область обеднения была уменьшена по ширине из-за приложенного смещения, что привело к сильному потоку основных носителей от материала p-типа к материалу n-типа.

 

Как видно из рисунка выше, соединение эмиттер-база смещено в прямом направлении, поэтому основные носители, т. е. дырки со стороны эмиттера на сторону базы, начнут протекать, и, следовательно, установится ток от эмиттера к базе.

Теперь удалим смещение эмиттера к базе транзистора pnp, как показано на рисунке ниже. Обратите внимание на сходство между этой ситуацией и диодом с обратным смещением. Напомним, что поток основных носителей равен нулю, что приводит к потоку только неосновных носителей в случае диода с обратным смещением.

 

Таким образом, для описанной выше ситуации только неосновные носители, т. е. дырки, перетекают с n-стороны на p-сторону. Подводя итог, можно сказать, что один p-n переход транзистора смещен в обратном направлении, а другой в нормальном рабочем режиме смещен в прямом направлении.

Теперь объединим два рассмотренных выше сценария. На рисунке ниже оба потенциала смещения были приложены к p-n-p-транзистору с указанием результирующего потока основной и неосновной несущих. Обратите внимание на ширину областей истощения на рисунке, четко указывающих, какой переход смещен в прямом направлении, а какой — в обратном.

 

Как показано на рисунке, большое количество основных носителей, т. е. дырок, будет диффундировать через смещенный в прямом направлении p-n переход в материал n-типа. Тогда возникает вопрос, будут ли эти носители вносить вклад непосредственно в базовый ток I _B или перейдут непосредственно в материал p-типа.

Поскольку многослойный материал n-типа очень тонкий и имеет низкую проводимость, очень небольшое количество этих носителей, т. е. отверстий, пойдет по этому пути с высоким сопротивлением к базовой клемме. Величина базового тока обычно составляет порядка микроампер по сравнению с миллиамперами для токов эмиттера и коллектора. Большее количество этих основных носителей, т. е. дырок, будет диффундировать через переход с обратным смещением в материал p-типа, соединенный с выводом коллектора, как показано на рисунке. Причину относительной легкости, с которой основные носители могут пересекать переход с обратным смещением, легко понять, если учесть, что для диода с обратным смещением инжектированные основные носители будут проявляться как неосновные носители в материале n-типа. Другими словами, произошла инжекция неосновных носителей в материал базовой области n-типа. По этой причине дырки, попавшие в материал n-типа, не будут проходить как базовый ток I _B скорее будет пересекать np-переход с обратным смещением, чтобы разделить ток коллектора I _C .

Теперь, поняв это, мы можем получить некоторое математическое соотношение.