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 содинаковым 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) вызываетизменения 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 направлениепротекающего тока
7.
Режимы работы и схемы включения БП транзисторовКаждый из p-n переходов может быть включен как в прямом, так и в обратномнаправлении. 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 транзисторпредставляет 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 полностьюуправляемый 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
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 | ЭлектротехникаВнешние 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
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.
,
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
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
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
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 (
; ,
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 Iко. Причины его возникновения те же, что и в единичном p—n-переходе. Поэтому результирующий ток коллекторной цепи равен:
.
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 Iко 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
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 (
.
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 (Iбp) 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 ЭлектротехникаПринцип работы транзистора — электрические концепции
