Site Loader

Содержание

Режимы работы и схемы включения биполярных транзисторов

 

Анализируя возможность использования биполярных транзисторов для усиления электрических сигналов, мы ограничивались только одним частным случаем подачи на электроды транзистора определенных напряжений и не рассматривали некоторые достаточно важные физические процессы в полупроводнике. Но помимо уже описанной ситуации возможны и другие, приводящие, например, к протеканию в \(n\)-\(p\)-\(n\)-структуре тока не от коллектора к эмиттеру, а, наоборот, от эмиттера к коллектору и т.п. В общем случае для биполярного транзистора возможны четыре устойчивых состояния (режима). Они отличаются друг от друга тем, в каком состоянии (прямое или обратное смещение) находятся эмиттерный и коллекторный переходы транзистора. Приведем их полное описание.

Активный режим — соответствует случаю, рассмотренному при анализе усилительных свойств транзистора. В этом режиме прямосмещенным оказывается эмиттерный переход, а на коллекторном присутствует обратное напряжение. Именно в активном режиме транзистор наилучшим образом проявляет свои усилительные свойства. Поэтому часто такой режим называют

основным или нормальным.

Инверсный режим — полностью противоположен активному режиму, т.е. обратносмещенным является эмиттерный переход, а прямосмещенным — коллекторный. В таком режиме транзистор также может использоваться для усиления. Однако из-за конструктивных различий между областями коллектора и эмиттера усилительные свойства транзистора в инверсном режиме проявляются гораздо хуже, чем в режиме активном. Поэтому на практике инверсный режим практически не используется.

Режим насыщения (режим двойной инжекции) — оба перехода транзистора находятся под прямым смещением. В этом случае выходной ток транзистора не может управляться его входным током, т.е. усиление сигналов невозможно. Режим насыщения используется в ключевых схемах, где в задачу транзисторов входит не усиление сигналов, а замыкание/размыкание разнообразных электрических цепей.

Режим отсечки — к обоим переходам подведены обратные напряжения. Такой режим также используется в ключевых схемах. Поскольку в нем выходной ток транзистора практически равен нулю, то он соответвует размыканию транзисторного ключа.

Заметим, что кроме названных основных рабочих режимов в транзисторе возможен режим пробоя на различных переходах. Обычно он возникает только в случае аварии и не используется в работе, однако существуют специальные лавинные биполярные транзисторы, в которых режим пробоя является как раз основным рабочим режимом.

Помимо режима работы для эксплуатации биполярных транзисторов имеет значение то, каким образом транзистор включен в каскад усиления (как поданы питающие напряжения на его электроды, в какие цепи включены нагрузка и источник сигнала). Различают три основных способа (рис. 1.3):

схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общим коллектором (ОК) и схема с общей базой (ОБ).

 

Рис. 1.3. Схемы включения биполярных транзисторов (направления токов соответствуют активному режиму работы)

 

 

< Предыдущая   Следующая >

Активный режим работы биполярного транзистора

Добавлено 30 сентября 2017 в 15:13

Сохранить или поделиться

Когда транзистор находится в полностью выключенном (закрытом) состоянии (как разомкнутый ключ), говорится, что он в режиме отсечки. И наоборот, когда он полностью проводит ток между эмиттером и коллектором (пропускает ток такой величины, какую могут позволить источник питания и нагрузка), говорится, что он находится в режиме

насыщения. Эти два режима работы были изучены ранее при использовании транзистора в качестве ключа.

Однако биполярные транзисторы не должны ограничиваться этими двумя экстремальными режимами работы. Как мы узнали в предыдущем разделе, ток базы «открывает клапан» для ограниченного количества тока через коллектор. Если это ограничение для управляемого тока больше нуля, но меньше максимального значения, разрешенного источником питания и схемой нагрузки, транзистор «удерживает» значение тока коллектора в режиме где-то между режимами отсечки и насыщения. Этот режим работы называется активным режимом.

По аналогии с автомобилем: отсечка – это состояние отсутствия движущей силы, создаваемой механическими частями автомобиля, чтобы заставить его двигаться. В режиме отсечки включается тормоз (нулевой ток базы), предотвращающий движение (ток коллектора).

Активный режим – это режим круиз-контроль автомобиля на постоянной контролируемой скорости (постоянный, контролируемый ток коллектора), которую устанавливает водитель. Насыщение – это подъем автомобиля на крутой холм, который мешает ему двигаться так быстро, как пожелает водитель. Другими словами «насыщенный» автомобиль – это автомобиль с полностью вдавленной в пол педалью газа (ток базы допускает протекание тока коллектора, большего, чем может быть обеспечено схемой источника питания и нагрузки).

Давайте соберем схему для моделирования в SPICE, чтобы продемонстрировать, что происходит, когда транзистор находится в активном режиме работы.

Схема для SPICE моделирования «активного режима» (список соединений приведен ниже)
bipolar transistor simulation
i1 0 1 dc 20u
q1 2 1 0 mod1
vammeter 3 2 dc 0
v1 3 0 dc
.model mod1 npn
.dc v1 0 2 0.05 
.plot dc i(vammeter) 
.end 

«Q» – это стандартное буквенное обозначение для транзистора на принципиальной схеме (в России по ГОСТу принято обозначение VT), так же как «R» для резистора, а «C» для конденсатора. В этой схеме у нас есть NPN-транзистор, питаемый от батареи (V1) и управляемый источником тока (I1). Источник тока – это устройство, которое выдает заданную величину тока, генерируя такое напряжение на своих выводах, которое необходимо, чтобы обеспечить точную величину тока, протекающего через него. Как известно, источники тока трудно найти в природе (в отличие от источников напряжения, которые, наоборот, пытаются поддерживать постоянное значение напряжения, выдавая необходимое значение тока для выполнения этой задачи), но могут быть смоделированы с помощью небольшого набора электронных компонентов. Как мы сейчас увидим, транзисторы сами имеют тенденцию имитировать поведение, поддерживающее постоянную величину тока, как и источники тока, с помощью своей способности

стабилизировать ток на фиксированном значении.

При SPICE моделировании мы установим источник тока в постоянное значение 20 мкА, затем будем изменять напряжение источника напряжения (V1) в диапазоне от 0 до 2 вольт и наблюдать, какой ток будет проходить через него. «Фиктивная» батарея (Vамперметр) на рисунке выше с выходным напряжением 0 вольт служит только для того, чтобы предоставить SPICE программе элемент схемы для измерения тока.

Изменение напряжения коллектора от 0 до 2 В при постоянном токе базы 20 мкА дает в результате постоянный ток коллектора 2 мА в режиме насыщения

Постоянный ток базы 20 мкА устанавливает предельное значение для тока коллектора в 2 мА, что в точности в 100 раз больше. Обратите внимание, как выравнивается график тока коллектора (на рисунке выше) при изменении напряжения батареи от 0 до 2 вольт. Единственные исключение из этого совершенно ровного графика – в самом начале, когда напряжение батареи увеличивается от 0 до 0,25 вольта. На этом участке ток коллектора быстро растет от 0 до предельных 2 мА.

Посмотрим, что произойдет, если мы будем изменять напряжение батареи в более широком диапазоне, на этот раз от 0 до 50 вольт. Ток базы будем поддерживать на постоянном уровне 20 мкА (рисунок ниже).

Изменение напряжения коллектора от 0 до 50 В при постоянном токе базы 20 мкА дает в результате постоянный ток коллектора 2 мА (список соединений приведен ниже)
bipolar transistor simulation
i1 0 1 dc 20u
q1 2 1 0 mod1
vammeter 3 2 dc 0
v1 3 0 dc
.model mod1 npn
.dc v1 0 50 2
.plot dc i(vammeter) 
.end 

Тот же результат! Ток коллектора на рисунке выше удерживается точно на значении 2 мА, хотя напряжение (V1) изменяется от 0 до 50 вольт. Из нашего примера моделирования видно, что напряжение коллектор-эмиттер мало влияет на ток коллектора, за исключением очень низких уровней (чуть выше 0 вольт). Транзистор действует как стабилизатор тока, обеспечивая протекание через коллектор тока величиной 2 мА и не более.

Теперь давайте посмотрим, что произойдет, если мы будем увеличивать управляющий ток (I1) от 20 мкА до 75 мкА, снова изменяя напряжение батареи (V1) от 0 до 50 вольт, и выводя на график значения тока коллектора (рисунок ниже).

Изменение напряжения коллектора от 0 до 50 В (.dc v1 0 50 2) при постоянном токе базы 75 мкА дает в результате постоянный ток коллектора 7,5 мА. Другие графики генерируются при изменении значений тока (i1 15u 75u 15u) в операторе анализа DC (.dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u) (список соединений приведен ниже)
bipolar transistor simulation i1 0 1 dc 75u q1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 npn .dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u .plot dc i(vammeter) .end

Неудивительно, что SPICE дает нам аналогичный график: прямая линия, закрепившаяся на этот раз на 7,5 мА – ровно в 100 раз больше тока базы – в диапазоне напряжений батареи от чуть выше 0 вольт до 50 вольт. По-видимому, ток базы является решающим фактором для тока коллектора, напряжение батареи V1 не имеет значения, если оно превышает определенный минимальный уровень.

Эта связь между напряжением и током полностью отличается от того, что мы привыкли видеть на резисторе. Для резистора ток увеличивается линейно по мере увеличения напряжения. Здесь, для транзистора, ток от эмиттера к коллектору остается ограниченным на фиксированном максимальном значении независимо от того, насколько сильно увеличивается напряжение между эмиттером и коллектором.

Часто полезно накладывать несколько характеристик зависимости ток коллектора / напряжение для разных токов базы на одном графике, как на рисунке ниже. Набор характеристик, подобный этому (для каждого значения тока базы построен отдельный график), для конкретного транзистора называется выходными характеристиками транзистора:

Зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером для разных токов базы

Каждая кривая на графике отражает ток коллектора транзистора, построенный для диапазона напряжений коллектор-эмиттер, для заданного значения тока базы. Поскольку транзистор стремится действовать как стабилизатор тока, ограничивая ток коллектора до пропорции, установленной током базы, полезно выразить эту пропорцию в качестве стандартного показателя работы транзистора. В частности, отношения тока коллектора к току базы известно как коэффициент

бета (обозначенный греческой буквой β):

\[\beta = {I_{коллектор} \over I_{база}}\]

β также известен как hfe или h21э

Иногда коэффициент β обозначается как «hfe» или «h21э«, метка, используемая в ветви математического анализа полупроводниковых приборов, известной как «гибридные параметры» или h-параметры, которая стремится достичь точных прогнозов работы транзисторов с помощью подробных уравнений. Переменных гибридных параметров много, но каждый из них обозначается буквой «h» и конкретным индексом. Переменная «hfe» («h21э«) представляет собой просто еще один (стандартизированный) способ выражения отношения тока коллектора к току базы и взаимозаменяема с “β”. Коэффициент β является безразмерной величиной.

β для любого транзистора определяется его конструкцией: он не может быть изменен после изготовления. Редко бывает, что β у двух транзисторов одной и той же конструкции точно совпадают из-за различий физических переменных, влияющих на этот коэффициент. Если работа схемы зависит от равенства β у нескольких транзисторов, за дополнительную плату могут быть приобретены «согласованные наборы» транзисторов. Однако, как правило, проектирование с такими зависимостями считается плохой практикой.

β транзистора не остается одинаковым во всех условиях эксплуатации. Для реального транзистора коэффициент β может изменяться в 3 раза в пределах его рабочих токов. Например, транзистор с объявленным значением β, равным 50, в реальных тестах отношения Iк/Iб может дать значения от 30 до 100, в зависимости от величины тока коллектора, температуры транзистора, частоты усиливаемого сигнала и других факторов. Для целей обучения для любого заданного транзистора достаточно принимать коэффициент β постоянным; и понимать, что реальная жизнь не так проста!

Иногда для понимания полезно «моделировать» сложные электронные компоненты с помощью набора более простых и понятных компонентов. Модель на рисунке ниже используется во многих вводных текстах по электронике.

Простая диодно-резисторная модель транзистора

Эта модель отображает транзистор как комбинацию диода и реостата (переменного резистора). Ток через диод база-эмиттер управляет сопротивлением реостата коллектор-эмиттер (как подразумевается пунктирной линией, соединяющей два компонента), тем самым контролируя ток коллектора. На рисунке приведена модель NPN-транзистора, но PNP-транзистор будет отличаться не сильно (будет изменено только направление диода база-эмиттер). Эта модель преуспевает в пояснении базовой концепции усиления транзистора: как сигнал тока базы может осуществлять управление током коллектора. Однако мне эта модель не нравится, потому что она неверно передает понятие установленного значения сопротивления коллектор-эмиттер для заданного значения тока базы. Если бы она была верна, транзистор не стабилизировал бы ток коллектора, как показывают графики выходных характеристик. Вместо характеристик тока коллектора, выровненных на графике после быстрого роста по мере увеличения напряжения коллектор-эмиттер, ток коллектора продолжал бы расти прямо пропорционально напряжению коллектор-эмиттер, и мы бы увидели на графике неуклонно растущие прямые.

В более продвинутых учебниках часто встречается более подходящая модель транзистора (рисунок ниже).

Модель транзистора на основе источника тока

Она отображает транзистор в виде комбинации диода и источника тока, причем выход источника тока задается умножением тока базы на коэффициент β. Эта модель гораздо более точна при отображении истинных входных/выходных характеристик транзистора: ток базы устанавливает определенное значение тока коллектора, а не определенное сопротивление коллектор-эмиттер, как предполагает первая модель. Кроме того, эта модель предпочтительна при проведении анализа транзисторных схем, причем источник тока является хорошо понятным теоретическим компонентом. К сожалению, использование источника тока для моделирования контролирующего ток поведения транзистора может вводить в заблуждение: транзистор никогда не будет служить источником электрической энергии. Источник тока не моделирует тот факт, что его источником энергии является внешний источник питания, как у усилителя.

Подведем итоги:

  • Говорят, что транзистор находится в активном режиме, если он работает где-то между полностью открытым режимом (насыщение) и полностью закрытым режимом (отсечка).
  • Ток базы регулирует ток коллектора. Под регулированием мы подразумеваем, что ток коллектора не может превышать значение, которое устанавливаемое током базы.
  • Отношение между током коллектора и током базы называется «бета» (β) или hfe или h21э.
  • Коэффициенты β у всех транзисторов различны; β изменяется в зависимости от условий эксплуатации.

Оригинал статьи:

Теги

Активный режимБиполярный транзисторОбучениеРежим насыщенияРежим отсечкиЭлектроника

Сохранить или поделиться

Биполярные транзисторы. For dummies / Хабр

Предисловие

Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.

Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история


Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики


Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.

Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h31. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.

Также параметрами биполярного транзистора являются:

  • обратный ток коллектор-эмиттер
  • время включения
  • обратный ток колектора
  • максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.


  1. Инверсный активный режим. Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
  2. Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.
  3. Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
  4. Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.


Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.

Тем не менее (спасибо

wrewolf

за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Маркировка

Поскольку статья уже разрослась до неприлично большого объема, то в этом пункте я просто дам две хорошие ссылки, по которым подробно расписаны основные системы маркировки полупроводниковых приборов (в том числе и транзисторов):

http://kazus.ru/guide/transistors/mark_all.html

и

файл .xls (35 кб)

.

Список источников:
http://ru.wikipedia.org
http://www.physics.ru
http://radiocon-net.narod.ru
http://radio.cybernet.name
http://dvo.sut.ru

Полезные комментарии:
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133136/#comment_4419173

Режимы работы биполярного транзистора | Основы электроакустики

Биполярный транзистор – полупроводниковый элемент с двумя p-n переходами и тремя выводами, который служит для усиления или переключения сигналов. Они бывают p-n-p и n-p-n типа. На рис.7.1, а и б показаны их условные обозначения.

 Рис.7.1. Биполярные  транзисторы  и  их  диодные  эквивалентные   схемы:  а) p-n-p, б) n-p-n транзистор

Транзистор состоит из двух противоположно включенных диодов, которые обладают одним общим p- или n- слоем. Электрод, связанный с ним, называется базой Б. Два других электрода называются эмиттером Э и коллектором К. Диодная эквивалентная схема, приведенная рядом с условным обозначением, поясняет структуру включения переходов транзистора. Хотя эта схема не характеризует полностью функции транзистора, она дает возможность представить действующие в нем обратные и прямые напряжения. Обычно переход эмиттер – база смещен в прямом направлении (открыт), а переход база – коллектор – в обратном (заперт). Поэтому источники напряжения должны быть включены, как показано на рис.7.2.

Рис.7.2. Полярность включения: а) n-p-n, б) p-n-p транзистора 

Транзисторы n-p-n типа подчиняются следующим правилам (для транзисторов p-n-p типа правила сохраняются, но следует учесть, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные):

1. Коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер.

2. Цепи база-эмиттер и база-коллектор работают как диоды (рис.7.1). Обычно переход база-эмиттер открыт, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении, т.е. приложенное напряжение препятствует протеканию тока через него. Из этого правила следует, что напряжение между базой и эмиттером нельзя увеличивать неограниченно, так как потенциал базы будет превышать потенциал эмиттера более чем на 0,6 – 0,8 В (прямое напряжение диода), при этом возникает очень большой ток. Следовательно, в работающем транзисторе напряжение на базе и эмиттере связаны следующим соотношением: UБ ≈ UЭ+0,6В; (UБ = UЭ + UБЭ).   

3. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями IК, IБ, UКЭ. В случае превышения этих параметров необходимо использовать еще один транзистор. Следует помнить и о предельных значениях других параметров, например рассеиваемой мощности РК, температуры, UБЭ и др.

4. Если правила 1-3 соблюдены, то ток коллектора прямо пропорционален току базы. Соотношение токов коллектора и эмиттера приблизительно равно 

IК = αIЭ,    где α=0,95…0,99 – коэффициент передачи тока эмиттера. Разность между эмиттерным и коллекторным токами в соответствии с первым законом Кирхгофа (и как видно из рис. 7.2, а) представляет собой базовый ток IБ = IЭ – IК.    Ток коллектора зависит от тока базы в соответствии с выражением: IК = βIБ,   где β=α/(1-α) – коэффициент передачи тока базы, β >>1.

Правило 4 определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Режимы работы транзистора. Каждый переход биполярного транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают следующие четыре режима работы транзистора.

Усилительный или активный режим – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Именно этот режим работы транзистора соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока эмиттера. Ток коллектора пропорционален току базы, обеспечиваются минимальные искажения усиливаемого сигнала.

Инверсный режим – к коллекторному переходу подведено прямое напряжение, а к эмиттерному – обратное. Инверсный режим приводит к значительному уменьшению коэффициента передачи тока базы транзистора по сравнению с работой транзистора в активном режиме и поэтому на практике используется только в ключевых схемах.

Режим насыщения – оба перехода (эмиттерный и коллекторный) находятся под прямым напряжением. Выходной ток в этом случае не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузки. Из-за малого напряжения между выводами коллектора и эмиттера режим насыщения используется для замыкания цепей передачи сигнала.

Режим отсечки – к обоим переходам подведены обратные напряжения. Так как выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулю, этот режим используется для размыкания цепей передачи сигналов.

Основным режимом работы биполярных транзисторов в аналоговых устройствах является активный режим. В цифровых схемах транзистор работает в ключевом режиме, т.е. он находится только в режиме отсечки или насыщения, минуя активный режим.

 

 

Как работает биполярный транзистор | Volt-info

Если рассматривать механические аналоги, то работа транзисторов напоминает принцип действия гидравлического усилителя руля в автомобиле. Но, сходство справедливо только при первом приближении, поскольку в транзисторах нет клапанов. В этой статье мы отдельно рассмотрим работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора

Основой устройства биполярного транзистора является полупроводниковый материал. Первые полупроводниковые кристаллы для транзисторов изготавливали из германия, сегодня чаще используется кремний и арсенид галлия. Сначала производят чистый полупроводниковый материал с хорошо упорядоченной кристаллической решеткой. Затем придают необходимую форму кристаллу и вводят в его состав специальную примесь (легируют материал), которая придаёт ему определённые свойства электрической проводимости. Если проводимость обуславливается движением избыточных электронов, она определяется как донорная (электронная) n-типа. Если проводимость полупроводника обусловлена последовательным замещением электронами вакантных мест, так называемых дырок, то такая проводимость называется акцепторной (дырочной) и обозначается проводимостью p-типа.

 Рисунок 1.

Кристалл транзистора состоит из трёх частей (слоёв) с последовательным чередованием типа проводимости (n-p-n или p-n-p). Переходы одного слоя в другой образуют потенциальные барьеры. Переход от базы к эмиттеру называется эмиттерным (ЭП), к коллектору – коллекторным (КП). На рисунке 1 структура транзистора показана симметричной, идеализированной. На практике при производстве размеры областей значительно ассиметричны, примерно как показано на рисунке 2. Площадь коллекторного перехода значительно превышает эмиттерный. Слой базы очень тонкий, порядка нескольких микрон.

 Рисунок 2.

Принцип действия биполярного транзистора

Любой p-n переход транзистора работает аналогично диоду. При приложении к его полюсам разности потенциалов происходит его «смещение». Если приложенная разность потенциалов условно положительна, при этом p-n переход открывается, говорят, что переход смещён в прямом направлении. При приложении условно отрицательной разности потенциалов происходит обратное смещение перехода, при котором он запирается. Особенностью работы транзистора является то, что при положительном смещении хотя бы одного перехода, общая область, называемая базой, насыщается электронами, или электронными вакансиями (в зависимости от типа проводимости материала базы), что обуславливает значительное снижение потенциального барьера второго перехода и как следствие, его проводимость при обратном смещении.

Режимы работы

Все схемы включения транзистора можно разделить на два вида: нормальную и инверсную.

 Рисунок 3.

Нормальная схема включения транзистора предполагает изменение электрической проводимости коллекторного перехода путём управления смещением эмиттерного перехода.

Инверсная схема, в противоположность нормальной, позволяет управлять проводимостью эмиттерного перехода посредством управления смещением коллекторного. Инверсная схема является симметричным аналогом нормальной, но в виду конструктивной асимметрии биполярного транзистора малоэффективна для применения, имеет более жёсткие ограничения по максимально допустимым параметрам и практически не используется.

При любой схеме включения транзистор может работать в трёх режимах: Режим отсечки, активный режим и режим насыщения.

Для описания работы направление электрического тока в данной статье условно принято за направление электронов, т.е. от отрицательного полюса источника питания к положительному. Воспользуемся для этого схемой на рисунке 4.

Рисунок 4.

Режим отсечки

Для p-n перехода существует значение минимального напряжения прямого смещения, при котором электроны способны преодолеть потенциальный барьер этого перехода. То есть, при напряжении прямого смещения до этой пороговой величины через переход не может протекать ток. Для кремниевых транзисторов величина такого порога равна примерно 0,6 В. Таким образом, при нормальной схеме включения, когда прямое смещение эмиттерного перехода не превышает 0,6 В (для кремниевых транзисторов), ток через базу не протекает, она не насыщается электронами, и как следствие отсутствует эмиссия электронов базы в область коллектора, т.е. ток коллектора отсутствует (равен нулю).

Таким образом, для режима отсечки необходимым условием являются тождества:

UБЭ<0,6 В

или

IБ=0

Активный режим

В активном режиме эмиттерный переход смещается в прямом направлении до момента отпирания (начала протекания тока) напряжением больше 0,6 В (для кремниевых транзисторов), а коллекторный – в обратном. Если база обладает проводимостью p-типа, происходит перенос (инжекция) электронов из эмиттера в базу, которые моментально распределяются в тонком слое базы и почти все достигают границы коллектора. Насыщение базы электронами приводит к значительному уменьшению размеров коллекторного перехода, через который электроны под действием отрицательного потенциала со стороны эмиттера и базы вытесняются в область коллектора, стекая через вывод коллектора, обуславливая тем самым ток коллектора. Очень тонкий слой базы ограничивает её максимальный ток, проходящий через очень малое сечение поперечного разреза в направлении вывода базы. Но эта малая толщина базы обуславливает её быстрое насыщение электронами. Площадь переходов имеет значительные размеры, что создаёт условия для протекания значительного тока эмиттер-коллектор, в десятки и сотни раз превышающий ток базы. Таким образом, пропуская через базу незначительные токи, мы можем создавать условия для прохождения через коллектор токов гораздо большей величины. Чем больше ток базы, тем больше её насыщение, и тем больше ток коллектора. Такой режим позволяет плавно управлять (регулировать) проводимостью коллекторного перехода соответствующим изменением (регулированием) тока базы. Это свойство активного режима транзистора используется в схемах различных усилителей.

В активном режиме ток эмиттера транзистора складывается из тока базы и коллектора:

IЭ=IК+IБ

Ток коллектора можно выразить соотношением:

IК=αIЭ

где α – коэффициент передачи тока эмиттера

Из приведённых равенств можно получить следующее:

где β – коэффициент усиления тока базы.

Режим насыщения

Предел увеличения тока базы до момента, когда ток коллектора остаётся неизменным определяет точку максимального насыщения базы электронами. Дальнейшее увеличение тока базы не будет изменять степень её насыщения, и ни как не будет влиять на ток коллектора, может привести к перегреву материала в области контакта базы и выходу транзистора из строя. В справочных данных на транзисторы могут быть указаны величины тока насыщения и максимально допустимого тока базы, либо напряжения насыщения эмиттер-база и максимально допустимого напряжения эмиттер-база. Эти пределы определяют режим насыщения транзистора при нормальных условиях его работы.

Режим отсечки и режим насыщения эффективны при работе транзисторов в качестве электронных ключей для коммутации сигнальных и силовых цепей.

 

Отличие в принципе работы транзисторов с различными структурами

Выше был рассмотрен случай работы транзистора n-p-n структуры. Транзисторы p-n-p структуры работают аналогично, но есть принципиальные отличия, которые следует знать. Полупроводниковый материал с акцепторной проводимостью p-типа обладает сравнительно низкой пропускной способностью электронов, так как основан на принципе перехода электрона от одного вакантного места (дырки) к другому. Когда все вакансии замещены электронами, то их движение возможно только по мере появления вакансий со стороны направления движения. При значительной протяжённости участка такого материала он будет обладать значительным электрическим сопротивлением, что приводит к большим проблемам при его использовании в качестве наиболее массивных коллекторе и эмиттере биполярных транзисторов p-n-p типа, чем при использовании в очень тонком слое базы транзисторов n-p-n типа. Полупроводниковый материал с донорной проводимостью n-типа обладает электрическими свойствами проводящих металлов, что делает его более выгодным для использования в качестве эмиттера и коллектора, как в транзисторах n-p-n типа.

Эта отличительная особенность различных структур биполярных транзисторов приводит к большим затруднениям при производстве пар компонент с различными структурами и аналогичными друг другу электрическими характеристиками. Если обратить внимание на справочные данные характеристик пар транзисторов, можно заметить, что при достижении одинаковых характеристик двух транзисторов различных типов, например КТ315А и КТ361А, несмотря на их одинаковую мощность коллектора (150 мВт) и примерно одинаковый коэффициент усиления по току (20-90), у них отличаются максимально допустимые токи коллектора, напряжения эмиттер-база и пр.

 

P.S. Данное описание принципа действия транзистора было интерпретировано с позиции Русской Теории, поэтому здесь нет описания действия электрических полей на вымышленные положительные и отрицательные заряды. Русская Физика даёт возможность пользоваться более простыми, понятными механическими моделями, наиболее приближенными к действительности, чем абстракции в виде электрических и магнитных полей, положительных и электрических зарядов, которые вероломно подсовывает нам традиционная школа. По этой причине не рекомендую без предварительного анализа и осмысления пользоваться изложенной теорией при подготовке к сдаче контрольных, курсовых и иных видов работ, Ваши преподаватели могут просто не принять инакомыслие, даже конкурентоспособное и вполне состоятельное с точки зрения здравого смысла и логики. Кроме того, с моей стороны это первая попытка описания работы полупроводникового прибора с позиции Русской Физики, может уточняться и дополняться в дальнейшем.

Устройство и принцип работы биполярного транзистора.

Всем доброго времени суток! В сегодняшней статье мы положим начало обсуждению очень важной и обширной темы, а именно транзисторам 🙂 Разберем теоретические аспекты работы, устройство, виды, рассмотрим принцип работы на практических примерах, методику расчета схем, в общем, постараемся затронуть абсолютно все!

Чтобы обсуждение было максимально структурированным и понятным, материал будет разбит на четкие разделы и разные статьи. А, поскольку транзисторы сразу же можно разделить на два крупных класса, а именно – биполярные и полевые, то так и поступим – начнем с подробного разбора биполярных и, изучив их полностью, перейдем к полевым.

Устройство биполярного транзистора.

И, первым делом, мы рассмотрим устройство биполярного транзистора и химические процессы, протекающие в нем. И в этом нам очень поможет статья о p-n переходе (ссылка), поскольку ключевые понятия мы будем использовать те же самые. Ведь транзистор есть ни что иное как три полупроводниковые области, которые формируют между собой два p-n перехода.

Кстати транзистор называется биполярным, потому что в переносе заряда участвуют и дырки, и электроны.

Итак, биполярный транзистор состоит из 3-х полупроводниковых областей. Причем тип примесной проводимости у этих областей чередуется:

То есть мы получаем два вида биполярных транзисторов – n-p-n и p-n-p. Давайте дальше все обсуждение строить на примере n-p-n транзисторов, суть для p-n-p будет такой же:

Называются эти три полупроводниковые области:

  • эмиттер
  • база
  • коллектор

Тип проводимости эмиттера и коллектора одинаковый, но технологически они отличаются довольно значительно. Во-первых, общая область перехода база-эмиттер намного меньше общей области перехода база-коллектор. Зачем так сделано мы разберемся чуть позже. И, во-вторых, область коллектора содержит намного меньше примесей, чем область эмиттера.

Принцип работы биполярного транзистора.

Итак, транзистор содержит два p-n перехода (эмиттер-база и база-коллектор). Если не прикладывать к выводам транзистора никаких внешних напряжений, то на каждом из p-n переходов формируются области, обедненные свободными носителями заряда. Все в точности так же как здесь 🙂

В активном же режиме переход эмиттер-база (эмиттерный переход) имеет прямое смещение, а коллекторный переход – обратное.

Так как переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, то внешнее электрическое поле будет перемещать электроны из области эмиттера в область базы. Там они частично будут вступать во взаимодействие с дырками и рекомбинировать.

Но большая часть электронов доберется до перехода база-коллектор (это связано с тем, что область базы конструктивно выполняется очень тонкой и содержит небольшой количество примесей), который смещен уже в обратном направлении. И в этом случае внешнее электрическое поле снова будет содействовать электронам, а именно помогать им проскочить в область коллектора.

В результате получается, что ток коллектора приблизительно равен току эмиттера:

I_к = \alpha I_э

Коэффициент \alpha численно равен 0.9…0.99. В то же время:

I_э = I_б + I_к

А что произойдет, если мы увеличим ток базы? Это приведет к тому, что переход эмиттер-база откроется еще сильнее, и большее количество электронов смогут попасть в область коллектора (все по тому же маршруту, который мы обсудили 🙂 ). Давайте выразим ток эмиттера из первой формулы, подставим во вторую и получим:

I_э = \frac{I_к}{\alpha}

\frac{I_к}{\alpha} = I_б + I_к

Выражаем ток коллектора через ток базы:

I_к = \frac{\alpha}{1 – \alpha} I_б = \beta I_б

Коэффициент \beta обычно составляет 100-500. Таким образом, незначительный ток базы управляет гораздо большим током коллектора. В этом и заключается принцип работы биполярного транзистора!

Коэффициент, связывающий величину тока коллектора с величиной тока базы называют коэффициентом увеличения по току и обозначают h_{21}. Этот коэффициент является одной из основных характеристик биполярного транзистора. В следующих статьях мы будем рассматривать схемы включения транзисторов и подробнее разберем этот параметр и его зависимость от условий эксплуатации.

Режимы работы биполярного транзистора.

Итак, мы рассмотрели активный режим работы транзистора (переход эмиттер-база открыт, переход коллектор-база закрыт), не обойдем вниманием и другие 🙂

Режим отсечки. Оба p-n перехода закрыты. Причем важно отметить, что переход эмиттер-база открывается начиная с некоторого значения приложенного прямого напряжения (не с нуля). Это напряжение обычно составляет около 0.6 В. То есть в режиме отсечки либо оба перехода смещены в обратном направлении, либо коллекторный переход – в обратном, а эмиттерный – в прямом, но величина напряжения не превышает 0.6 В.

В данном режиме переходы сильно обеднены свободными носителями заряда и протекание тока практически полностью прекращается. Исключение составляют только малые побочные токи переходов. В идеальном случае (без токов утечки) транзистор в режиме отсечки эквивалентен обрыву цепи.

Режим насыщения. Оба перехода открыты, и в результате основные носители заряда активно перемещаются из коллектора и эмиттера в базу. В базе возникает избыток носителей заряда, ее сопротивление и сопротивление p-n переходов уменьшается и между эмиттером и коллектором начинает течь ток. В идеальном случае транзистор в таком режиме эквивалентен замыканию цепи.

Барьерный режим. Его мы обязательно еще разберем подробнее, вкратце, идея заключается в том, что база напрямую или через небольшое сопротивление соединена с коллектором. Это эквивалентно использованию диода с последовательно подключенным сопротивлением.

Вот и все самые основные режимы работы биполярного транзистора!

Еще очень многое нам предстоит обсудить в рамках изучения транзисторов, а на сегодня, заканчиваем статью! Спасибо за внимание и ждем вас на нашем сайте снова!

Биполярный транзистор: принцип работы, характеристики, схемы

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов. В полупроводниковой структуре сформированы два p-n-перехода, перенос заряда через которые осуществляется носителями двух полярностей — электронами и дырками. Именно поэтому прибор получил название «биполярный» (от англ. bipolar), в отличие от полевого (униполярного) транзистора.

Применяется в электронных устройствах для усиления или генерации электрических колебаний, а также в качестве коммутирующего элемента (например, в схемах ТТЛ).

Внешний вид биполярного транзистора средней мощности и его цоколевка

Содержание статьи

Устройство

Биполярный транзистор состоит из трёх полупроводниковых слоёв с чередующимся типом примесной проводимости: эмиттера (обозначается «Э», англ. E), базы («Б», англ. B) и коллектора («К», англ. C). В зависимости от порядка чередования слоёв различают n-p-n (эмиттер — n-полупроводник, база — p-полупроводник, коллектор — n-полупроводник) и p-n-p транзисторы. К каждому из слоёв подключены проводящие невыпрямляющие контакты.

Обозначение биполярных транзисторов на схемах и их структура. Направление стрелки показывает направление тока через эмиттерный переход, и служит для идентификации n-p-n и p-n-p транзисторов. Наличие окружности символизирует транзистор в индивидуальном корпусе, отсутствие — транзистор в составе микросхемы.

PNP — транзистор прямой проводимости.

NPN — транзистор обратной проводимости.

Определить структура транзистора и проверить его исправность можно при помощи мультиметра.

С точки зрения типов проводимостей эмиттерный и коллекторный слои не различимы, но при изготовлении они существенно различаются степенью легирования для улучшения электрических параметров прибора. Коллекторный слой легируется слабо, что повышает допустимое коллекторное напряжение. Эмиттерный слой — сильно легированный: величина пробойного обратного напряжения эмиттерного перехода не критична, так как обычно в электронных схемах транзисторы работают с прямосмещённым эмиттерным переходом. Кроме того, сильное легирование эмиттерного слоя обеспечивает лучшую инжекцию неосновных носителей в базовый слой, что увеличивает коэффициент передачи по току в схемах с общей базой. Слой базы легируется слабо, так как располагается между эмиттерным и коллекторным слоями и должен иметь большое электрическое сопротивление.

Упрощенная схема поперечного разреза планарного биполярного n-p-n транзистора

Общая площадь перехода база-эмиттер выполняется значительно меньше площади перехода коллектор-база, что увеличивает вероятность захвата неосновных носителей из базового слоя и улучшает коэффициент передачи. Так как в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включён с обратным смещением, в нём выделяется основная доля тепла, рассеиваемого прибором, и повышение его площади способствует лучшему охлаждению кристалла. Поэтому на практике биполярный транзистор общего применения является несимметричным устройством (то есть инверсное включение, когда меняют местами эмиттер и коллектор, нецелесообразно).

Для повышения частотных параметров (быстродействия) толщину базового слоя делают меньше, так как этим, в том числе, определяется время «пролёта» (диффузии в бездрейфовых приборах) неосновных носителей. Но при снижении толщины базы снижается предельное коллекторное напряжение, поэтому толщину базового слоя выбирают исходя из разумного компромисса.

В первых транзисторах в качестве полупроводникового материала использовался металлический германий. Полупроводниковые приборы на его основе имеют ряд недостатков, и в настоящее время биполярные транзисторы изготавливают в основном из монокристаллического кремния и монокристаллического арсенида галлия. Благодаря очень высокой подвижности носителей в арсениде галлия приборы на его основе обладают высоким быстродействием и используются в сверхбыстродействующих логических схемах и в схемах СВЧ-усилителей.

Принцип работы

В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт).

В транзисторе типа n-p-n основные носители заряда в эмиттере (электроны) проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того, что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, бо́льшая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора, так как время рекомбинации относительно велико. Сильное электрическое поле обратносмещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны) и переносит их в коллекторный слой. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк).

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ), называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α = 0,9—0,999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α/(1 − α), от 10 до 1000. Таким образом, малый ток базы управляет значительно большим током коллектора.

Режимы работы

Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении[2] (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт):

UЭБ>0; UКБ<0 (для транзистора n-p-n типа), для транзистора p-n-p типа условие будет иметь вид UЭБ<0; UКБ>0.

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход — прямое: UКБ>0; UЭБ<0 (для транзистора n-p-n типа).

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 начнётся 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 напряжения 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<0,6—0,7 В, или IБ=0[5][6].

Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет собой 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.

Схемы включения

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 трёх конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по

    Схема включения с общей базой

    току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Не инвертирует фазу сигнала.

  • Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iэ = α [α<1].
  • Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх = Uэб/Iэ.

Входное сопротивление (входной импеданс) усилительного каскада с общей базой мало зависит от тока эмиттера, при увеличении тока — снижается и не превышает единиц — сотен Ом для маломощных каскадов, так как входная цепь каскада при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Достоинства
  • Хорошие температурные и широкий частотный диапазон, так как в этой схеме подавлен эффект Миллера.
  • Высокое допустимое коллекторное напряжение.
Недостатки
  • Малое усиление по току, равное α, так как α всегда немного менее 1.
  • Малое входное сопротивление.

Схема включения с общим эмиттером

  • Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iб = Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1].

    Схема включения с общим эмиттером

  • 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

Имеет меньшую температурную стабильность. Частотные свойства такого включения по сравнению со схемой с общей базой существенно хуже, что обусловлено эффектом Миллера.

Схема с общим коллектором

  • Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iэ/Iб = Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1-α) = β+1 [β>>1].

    Схема включения с общим коллектором

  • Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = (Uбэ + Uкэ)/Iб.
Достоинства
  • Большое входное сопротивление.
  • Малое выходное сопротивление.
Недостатки
  • Коэффициент усиления по напряжению немного меньше 1.

Схему с таким включением часто называют «эмиттерным повторителем».

Основные параметры

  • Коэффициент передачи по току.
  • Входное сопротивление.
  • Выходная проводимость.
  • Обратный ток коллектор-эмиттер.
  • Время включения.
  • Предельная частота коэффициента передачи тока базы.
  • Обратный ток коллектора.
  • Максимально допустимый ток.
  • Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:

  • коэффициент усиления по току α;
  • сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току rэrкrб, которые представляют собой:
    • rэ — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;
    • rк — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;
    • rб — поперечное сопротивление базы.

Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».

Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

h11 = Um1/Im1, при Um2 = 0

Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

h12 = Um1/Um2, при Im1 = 0.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

h21 = Im2/Im1, при Um2 = 0.

Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

h22 = Im2/Um2, при Im1 = 0.

Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:

Um1 = h11Im1 + h12Um2;
Im2 = h21Im1 + h22Um2.

В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам h-параметров добавляются буквы: «э» — для схемы ОЭ, «б» — для схемы ОБ, «к» — для схемы ОК.

Для схемы ОЭ: Im1 = IIm2 = IUm1 = Umб-эUm2 = Umк-э. Например, для данной схемы:

h21э = I/I = β.

Для схемы ОБ: Im1 = IIm2 = IUm1 = Umэ-бUm2 = Umк-б.

Собственные параметры транзистора связаны с h-параметрами, например для схемы ОЭ:

;

;

;

.

С повышением частоты заметное влияние на работу транзистора начинает оказывать ёмкость коллекторного перехода Cк. Его реактивное сопротивление уменьшается, шунтируя нагрузку и, следовательно, уменьшая коэффициенты усиления α и β. Сопротивление эмиттерного перехода Cэ также снижается, однако он шунтируется малым сопротивлением перехода rэ и в большинстве случаев может не учитываться. Кроме того, при повышении частоты происходит дополнительное снижение коэффициента β в результате отставания фазы тока коллектора от фазы тока эмиттера, которое вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эммитерного перехода к коллекторному и инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Частоты, на которых происходит снижение коэффициентов α и β на 3 дБ, называются граничными частотами коэффициента передачи тока для схем ОБ и ОЭ соответственно.

В импульсном режиме ток коллектора изменяется с запаздыванием на время задержки τз относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем пробега носителей через базу. По мере накопления носителей в базе ток коллектора нарастает в течение длительности фронта τфВременем включения транзистора называется τвкл = τз + τф.

Биполярный СВЧ-транзистор

Биполярные СВЧ-транзисторы (БТ СВЧ) служат для усиления колебаний с частотой свыше 0,3 ГГЦ. Верхняя граница частот БТ СВЧ с выходной мощностью более 1 Вт составляет около 10 ГГц. Большинство мощных БТ СВЧ по структуре относится к n-p-n типу. По методу формирования переходов БТ СВЧ являются эпитакcиально-планарными. Все БТ СВЧ, кроме самых маломощных, имеют многоэмиттерную структуру (гребёнчатую, сетчатую). По мощности БТ СВЧ разделяются на маломощные (рассеиваемая мощность до 0,3 Вт), средней мощности (от 0,3 до 1,5 Вт) и мощные (свыше 1,5 Вт). Выпускается большое число узкоспециализированных типов БТ СВЧ.

Биполярный СВЧ-транзистор КТ3109А (PNP)

Технологии изготовления транзисторов

  • Эпитаксиально-планарная.
  • Диффузионно-сплавная.

Применение транзисторов

  • Усилители, каскады усиления
  • Генератор сигналов
  • Модулятор
  • Демодулятор (детектор)
  • Инвертор (лог. элемент)
  • Микросхемы на транзисторной логике (см. транзисторно-транзисторная логика, диодно-транзисторная логика, резисторно-транзисторная логика)

Работа в активном режиме (BJT) | Биполярные переходные транзисторы

Когда транзистор находится в полностью выключенном состоянии (например, разомкнутый переключатель), говорят, что это отсечка . И наоборот, когда он полностью проводящий между эмиттером и коллектором (пропускает через коллектор столько тока, сколько позволяют источник питания коллектора и нагрузка), он считается насыщенным . Это два режима работы , исследованные до сих пор при использовании транзистора в качестве переключателя.

Однако биполярные транзисторы не должны ограничиваться этими двумя крайними режимами работы. Как мы узнали в предыдущем разделе, базовый ток «открывает ворота» для ограниченного количества тока через коллектор. Если этот предел для регулируемого тока больше нуля, но меньше максимального, разрешенного цепью питания и нагрузки, транзистор будет «дросселировать» ток коллектора в режиме где-то между отсечкой и насыщением. Этот режим работы называется активным режимом.

Отсечка, насыщенность и активный режим

Автомобильная аналогия для работы транзистора выглядит следующим образом:

Режим отключения — — это состояние отсутствия движущей силы, создаваемой механическими частями автомобиля, чтобы заставить его двигаться. В режиме отсечки тормоз включен (нулевой базовый ток), предотвращая движение (ток коллектора).

Активный режим — это автомобиль, движущийся с постоянной контролируемой скоростью (постоянный контролируемый ток коллектора) в соответствии с указаниями водителя.

S aturation Автомобиль, движущийся по крутому склону, не позволяет ему двигаться так быстро, как желает водитель. Другими словами, «насыщенный» автомобиль — это автомобиль с нажатой педалью акселератора (базовый ток требует большего тока коллектора, чем может обеспечить цепь питания / нагрузки). Давайте настроим схему для моделирования SPICE, чтобы продемонстрировать, что происходит, когда транзистор находится в активном режиме работы.(Рисунок ниже)

 
моделирование биполярного транзистора
i1 0 1 постоянного тока 20u
q1 2 1 0 mod1
вамметр 3 2 постоянного тока 0
v1 3 0 постоянного тока
.model mod1 npn
.dc v1 0 2 0,05
.plot dc i (вамметр)
.конец
 

Схема для моделирования SPICE в «активном режиме» и список соединений.

«Q» — это стандартное буквенное обозначение транзистора на принципиальной схеме, точно так же, как «R» — для резистора, а «C» — для конденсатора. В этой схеме у нас есть NPN-транзистор, питаемый от батареи (V1) и управляемый током через источник тока (I1).

Источник тока — это устройство, которое выводит определенное количество тока, генерируя такое же или меньшее напряжение на своих выводах, чтобы обеспечить точное количество тока через него. Источники тока, как известно, трудно найти в природе (в отличие от источников напряжения, которые, напротив, пытаются поддерживать постоянное напряжение, выдавая как можно больше или меньше тока для выполнения этой задачи), но их можно смоделировать с помощью небольшого набора электронных компонентов. . Как мы скоро увидим, сами транзисторы имеют тенденцию имитировать поведение источника тока при постоянном токе в своей способности регулировать ток при фиксированном значении.

В моделировании SPICE мы установим источник тока (I1) на постоянное значение 20 мкА, затем изменим источник напряжения (V1) в диапазоне от 0 до 2 вольт и будем отслеживать, сколько тока проходит через него. «Пустая» батарея (вамметр) на рисунке выше с ее выходом 0 В служит просто для обеспечения SPICE схемным элементом для измерения тока.

A Переменное напряжение коллектора от 0 до 2 В при постоянном токе базы 20 мкА дает постоянный ток коллектора 2 мА в области насыщения.

Постоянный базовый ток 20 мкА устанавливает ограничение тока коллектора в 2 мА, что ровно в 100 раз больше. Обратите внимание, насколько плоская кривая (рисунок выше) для тока коллектора в диапазоне напряжения батареи от 0 до 2 вольт. Единственное исключение из этого невыразительного графика — в самом начале, когда батарея увеличивается с 0 вольт до 0,25 вольт. Здесь ток коллектора быстро увеличивается от 0 ампер до своего предельного значения 2 мА.

Давайте посмотрим, что произойдет, если мы изменим напряжение батареи в более широком диапазоне, на этот раз от 0 до 50 вольт.Мы сохраним базовый ток на уровне 20 мкА. (Рисунок ниже)

моделирование биполярного транзистора
i1 0 1 постоянного тока 20u
q1 2 1 0 mod1
вамметр 3 2 постоянного тока 0
v1 3 0 постоянного тока
.model mod1 npn
.dc v1 0 50 2
.plot dc i (вамметр)
.конец
 

Переменное напряжение коллектора от 0 до 50 В при постоянном токе базы 20 мкА дает постоянный ток коллектора 2 мА.

Тот же результат! Ток коллектора на рисунке выше стабильно составляет 2 мА, хотя напряжение аккумулятора (v1) варьируется от 0 до 50 вольт.Из нашего моделирования может показаться, что напряжение между коллектором и эмиттером мало влияет на ток коллектора, за исключением очень низких уровней (чуть выше 0 вольт). Транзистор действует как регулятор тока, пропуская через коллектор ровно 2 мА и не более.

Теперь посмотрим, что произойдет, если мы увеличим управляющий ток (I1) с 20 мкА до 75 мкА, снова изменив напряжение аккумулятора (V1) с 0 до 50 вольт и построив график тока коллектора на рисунке ниже.

моделирование биполярного транзистора
i1 0 1 постоянного тока 75u
q1 2 1 0 mod1
вамметр 3 2 постоянного тока 0
v1 3 0 постоянного тока
.модель mod1 npn
.dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u
.plot dc i (вамметр)
.конец
 

Качающееся напряжение коллектора от 0 до 50 В (.dc v1 0 50 2) при постоянном токе базы 75 мкА дает постоянный ток коллектора 7,5 мА. Другие кривые генерируются с помощью развертки по току (i1 15u 75u 15u) в операторе анализа постоянного тока (.dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u).

Неудивительно, что SPICE дает нам похожий график: ровная линия, на этот раз стабильная на уровне 7,5 мА — ровно в 100 раз больше базового тока — в диапазоне напряжений батареи от чуть выше 0 вольт до 50 вольт.Похоже, что базовый ток является решающим фактором для тока коллектора, напряжение батареи V1 не имеет значения, пока оно выше определенного минимального уровня.

Это соотношение напряжение / ток полностью отличается от того, что мы привыкли видеть на резисторе. С резистором ток увеличивается линейно с увеличением напряжения на нем. Здесь, с транзистором, ток от эмиттера к коллектору остается ограниченным на фиксированном максимальном значении независимо от того, насколько высоко увеличивается напряжение на эмиттере и коллекторе.

Часто бывает полезно наложить несколько графиков ток / напряжение коллектора для разных базовых токов на один график, показанный на рисунке ниже. Набор подобных кривых — по одной кривой, построенной для каждого отдельного уровня тока базы — для конкретного транзистора называется характеристическими кривыми транзистора :

Зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер для различных токов базы.

Каждая кривая на графике отражает ток коллектора транзистора, построенный в диапазоне напряжений между коллектором и эмиттером для заданной величины тока базы.Поскольку транзистор имеет тенденцию действовать как регулятор тока, ограничивая ток коллектора до пропорции, установленной током базы, полезно выразить эту пропорцию как стандартную меру производительности транзистора. В частности, отношение тока коллектора к току базы известно как коэффициент Beta (обозначается греческой буквой β):

Иногда коэффициент β обозначается как «h fe », — это метка, используемая в области математического анализа полупроводников, известной как « гибридных параметров », которая стремится достичь точного прогнозирования характеристик транзистора с помощью подробных уравнений.Переменных гибридных параметров много, но каждая помечена общей буквой «h» и определенным нижним индексом. Переменная «hfe» — это просто еще один (стандартизованный) способ выражения отношения тока коллектора к току базы, и она взаимозаменяема с «β». Коэффициент β безразмерный.

β для любого транзистора определяется его конструкцией: он не может быть изменен после изготовления. Редко бывает, чтобы два транзистора одной конструкции точно совпадали из-за физических переменных, влияющих на β.Если конструкция схемы основана на равных отношениях β между несколькими транзисторами, «согласованные наборы» транзисторов могут быть приобретены за дополнительную плату. Однако обычно считается плохой практикой проектирования конструировать схемы с такими зависимостями.

β транзистора не остается стабильным для всех условий эксплуатации . Для реального транзистора коэффициент β может изменяться более чем в 3 раза в пределах его рабочего тока. Например, транзистор с заявленным β, равным 50, может тестироваться с отношениями Ic / Ib от 30 до 100, в зависимости от величины тока коллектора, температуры транзистора и частоты усиленного сигнала, среди других факторов.Для учебных целей достаточно принять постоянное значение β для любого данного транзистора; поймите, что реальная жизнь не так проста!

Иногда для понимания полезно «смоделировать» сложные электронные компоненты с помощью набора более простых и понятных компонентов. Модель на рисунке ниже используется во многих вводных текстах по электронике.

Модель элементарного диодно-резисторного транзистора.

В этой модели транзистор представляет собой комбинацию диода и реостата (переменного резистора).Ток через диод база-эмиттер контролирует сопротивление реостата коллектор-эмиттер (как показано пунктирной линией, соединяющей два компонента), тем самым управляя током коллектора. NPN-транзистор смоделирован на показанном рисунке, но PNP-транзистор будет немного отличаться (только диод база-эмиттер будет перевернут).

Эта модель успешно иллюстрирует основную концепцию транзисторного усиления: как сигнал тока базы может влиять на ток коллектора.Однако модель неверно передает понятие установленной величины сопротивления коллектор-эмиттер для данной величины базового тока. Если бы это было правдой, транзистор вообще не регулировал бы ток коллектора , как показывают характеристические кривые. Вместо того, чтобы кривые коллекторного тока сглаживались после их кратковременного подъема по мере увеличения напряжения коллектор-эмиттер, коллекторный ток был бы прямо пропорционален напряжению коллектор-эмиттер, постоянно возрастая по прямой линии на графике.

Лучшая модель транзистора, часто встречающаяся в более продвинутых учебниках, показана на рисунке ниже.

Модель источника тока транзистора.

Транзистор представляет собой комбинацию диода и источника тока, при этом выход источника тока установлен на кратное (коэффициент β) базовому току. Эта модель гораздо точнее отображает истинные входные / выходные характеристики транзистора: ток базы устанавливает определенную величину тока коллектора , а не определенную величину сопротивления коллектора-эмиттера , как предполагает первая модель.Кроме того, эта модель предпочтительна при выполнении сетевого анализа транзисторных схем, поскольку источник тока является хорошо изученным теоретическим компонентом. К сожалению, использование источника тока для моделирования поведения транзистора по управлению током может ввести в заблуждение: транзистор никоим образом не будет действовать как источник электрической энергии. Источник тока не моделирует тот факт, что его источником энергии является внешний источник питания, подобный усилителю.

ОБЗОР:

  • Транзистор находится в активном режиме , если он работает где-то между полностью включенным (насыщение) и полностью выключенным (отсечка).
  • Базовый ток регулирует ток коллектора. Под , регулирующим , мы подразумеваем, что не может существовать ток коллектора, превышающий допустимый током базы.
  • Соотношение между током коллектора и током базы называется «бета» (β) или «hfe».
  • β отношения различны для каждого транзистора, а
  • β изменяется для разных условий эксплуатации.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

5.2 Биполярный транзистор — принцип работы

5.2 Биполярный транзистор — принцип работы

Содержание — 1 2 3 4 5 6 7 8 9 R S — ®


Транзистор с биполярным переходом состоит из двух p-n-переходов, которые имеют общую тонкую область шириной w B . Контакты сделаны со всеми тремя областями: две внешние области, называемые эмиттером и коллектором, и средняя область, называемая базой. Структура биполярного транзистора NPN показана на рисунке 5.1 (а). Устройство называется «биполярным», поскольку в его работе задействованы оба типа мобильных носителей: электроны и дырки.

(а)

б)

Рис. 5.1 (a) Структура и условные обозначения биполярного транзистора NPN. (b) Поток электронов и дырок при прямом активном смещении, V BE > 0 и V BC = 0.

Поскольку устройство состоит из двух встречных диодов, между квазинейтральными областями есть обедненные области.Ширина квазинейтральных областей в эмиттере, базе и коллекторе обозначена символами w E , w B и w C и рассчитано от

(5,1)

(5,2)

(5.3)

, где ширина обедненной области определяется по формуле:

(5,4)

(5,5)

(5.6)

(5,7)

Знаки токов и напряжений показаны на Рисунке 5.1 (а). Ток базы и коллектора положительный, если положительный ток идет на контакт базы или коллектора. Ток эмиттера положительный для тока, выходящего из контакта эмиттера.Это также означает, что:

(5,8)

Напряжение база-эмиттер и напряжение база-коллектор являются положительными, если на контакт базы подается более положительное напряжение.

Принцип работы устройства показан на Рисунке 5.1 (б). Мы рассматриваем режим прямого активного смещения, полученный путем прямого смещения перехода база-эмиттер и обратного смещения перехода база-коллектор.Чтобы упростить дальнейшее обсуждение, мы также устанавливаем V CE = 0. Электроны диффундируют из эмиттера в базу, а дырки диффундируют из базы в эмиттер. Эта диффузия носителей идентична диффузии в p-n-переходе. Однако отличие состоит в том, что электроны могут диффундировать как неосновные носители через квазинейтральную область в базе. Как только электроны достигают обедненной области базового коллектора, они проходят через обедненный слой из-за электрического поля.Эти электроны вносят вклад в ток коллектора. Кроме того, есть еще два тока: базовый рекомбинационный ток и рекомбинация обедненного слоя.

Таким образом, полный ток эмиттера складывается из тока диффузии электронов, I E, n , тока диффузии дырок, I E, p , и тока рекомбинации обедненного слоя, I r, d .

(5,9)

Полный ток коллектора — это ток диффузии электронов, I E, n , минус ток рекомбинации базы, I r, B .

Базовый ток представляет собой сумму дырочного диффузионного тока, I E, p , базового рекомбинационного тока, I r, B и тока рекомбинации обедненного слоя, I r, d .

(5,11)

Коэффициент переноса определяется как соотношение тока коллектора и эмиттера:

Используя текущий закон Кирхгофа и знаковое соглашение, показанное на рисунке 5.1 (а), мы находим, что базовый ток равен разности между токами эмиттера и коллектора. Коэффициент усиления по току определяется как отношение тока коллектора к току базы и составляет:

(5,13)

Это объясняет, как биполярный переходной транзистор может обеспечить усиление тока. Если ток коллектора почти равен току эмиттера, коэффициент переноса, a , приближается к единице.Текущее усиление, b , поэтому может стать намного больше единицы.

Чтобы облегчить дальнейший анализ, мы теперь перепишем коэффициент переноса a как произведение эффективности эмиттера, г E , базового коэффициента переноса, a T , и коэффициента рекомбинации слоя обеднения , г г .

(5,14)

Эффективность эмиттера, г E , определяется как отношение электронного тока в эмиттере, I E, n , к сумме электронного и дырочного тока, диффундирующего по базе. эмиттерный переход, I E, n + I E, p .

Базовый коэффициент переноса, a T , равен отношению тока, обусловленного электронами, введенными в коллектор, к току, обусловленному электронами, введенными в базу.

Рекомбинация в обедненной области перехода база-эмиттер дополнительно снижает коэффициент усиления по току, поскольку увеличивает ток эмиттера без увеличения тока коллектора. Коэффициент рекомбинации обедненного слоя, d r , равен отношению тока, обусловленного диффузией электронов и дырок через переход база-эмиттер, к полному току эмиттера:

(5.17)


5.1 ® 5.

© Барт Дж. Ван Зегбрук, 1996, 1997, 1998


Режимы работы БЮТ

BJT операция режимы


Транзистор может работать в трех режимах:

  • Режим отключения
  • Насыщенность режим
  • Активный режим

В чтобы транзистор работал в одной из этих областей, у нас есть для подачи постоянного напряжения на npn или pnp транзистор.На основе полярность приложенного постоянного напряжения, транзистор работает в любом из этих регионов.

Применение постоянное напряжение на транзисторе — это не что иное, как смещение транзистор.

Режим отключения

В режим отсечки, оба перехода транзистора (эмиттер к базе и коллектор к базе) обратны пристрастный.Другими словами, если предположить, что два p-n переходы как два p-n переходные диоды, оба диода имеют обратное смещение в режим отсечки. Мы знаем, что в условиях обратного смещения ток протекает через устройство. Следовательно, ток не течет через транзистор. Следовательно, транзистор выключен. состояние и действует как открытый переключатель.

режим отсечки транзистора используется в режиме переключения для выключения приложения.

Насыщенность режим

В режим насыщения, оба перехода транзистора (эмиттер к базе и коллектор к базе) вперед пристрастный. Другими словами, если мы предположим два p-n перехода как два диода с p-n переходом, оба диода смещены в прямом направлении в режиме насыщения. Мы знаем, что в условиях прямого смещения через устройство протекает ток.Следовательно, электрический ток протекает через транзистор.

В насыщенность режим, бесплатно электроны (носители заряда) текут от эмиттера к базе а также от коллектора к базе. В результате огромное течение потечет к базе транзистора.

Следовательно, то транзистор в режиме насыщения будет во включенном состоянии и будет работать как замкнутый переключатель.

насыщенность режим транзистора используется в режиме переключения для включить приложение.

От приведенное выше обсуждение, мы можем сказать, что, управляя транзистор в области насыщения и отсечки, мы можем использовать транзистор в качестве переключателя ВКЛ / ВЫКЛ.

Активный режим

В активный режим, один переход (эмиттер к базе) вперед смещен и другой переход (коллектор к базе) обратный пристрастный.Другими словами, если мы примем два p-n перехода как два p-n-переходные диоды, один диод будет смещен в прямом направлении и другой диод будет иметь обратное смещение.

активный режим работы используется для усиления Текущий.

От Из приведенного выше обсуждения можно сказать, что транзистор работает как переключатель ВКЛ / ВЫКЛ в режимах насыщения и отсечки, тогда как он работает как усилитель тока в активном режиме.


Транзисторы — learn.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 79

Режимы работы

В отличие от резисторов, которые обеспечивают линейную зависимость между напряжением и током, транзисторы являются нелинейными устройствами.У них есть четыре различных режима работы, которые описывают протекающий через них ток. (Когда мы говорим о токе, протекающем через транзистор, мы обычно имеем в виду ток , протекающий от коллектора к эмиттеру NPN ).

Четыре режима работы транзистора:

  • Насыщение — Транзистор действует как короткое замыкание . Ток свободно течет от коллектора к эмиттеру.
  • Отсечка — Транзистор действует как разомкнутая цепь .Нет тока от коллектора к эмиттеру.
  • Активный — Ток от коллектора к эмиттеру пропорционален току, протекающему в базу.
  • Reverse-Active — Как и в активном режиме, ток пропорционален базовому току, но течет в обратном направлении. Ток течет от эмиттера к коллектору (не совсем то, для чего были предназначены транзисторы).

Чтобы определить, в каком режиме находится транзистор, нам нужно посмотреть на напряжения на каждом из трех выводов и на то, как они соотносятся друг с другом.Напряжения от базы к эмиттеру (V BE ) и от базы к коллектору (V BC ) устанавливают режим транзистора:

Упрощенный квадрантный график выше показывает, как положительное и отрицательное напряжение на этих клеммах влияет на режим. На самом деле все немного сложнее.

Давайте рассмотрим все четыре режима транзистора по отдельности; мы исследуем, как перевести устройство в этот режим и как это влияет на ток.

Примечание: Большая часть этой страницы посвящена NPN транзисторам .Чтобы понять, как работает транзистор PNP, просто поменяйте полярность или знаки> и <.

Режим насыщенности

Насыщенность — это в режиме транзистора. Транзистор в режиме насыщения действует как короткое замыкание между коллектором и эмиттером.

В режиме насыщения оба «диода» в транзисторе смещены в прямом направлении. Это означает, что V BE должен быть больше 0, и , поэтому должен быть V BC . Другими словами, V B должен быть выше, чем V E и V C .

Поскольку переход от базы к эмиттеру выглядит как диод, на самом деле V BE должен быть больше, чем пороговое напряжение , чтобы войти в насыщение. Есть много сокращений для этого падения напряжения — V th , V γ и V d несколько — и фактическое значение варьируется между транзисторами (и даже больше в зависимости от температуры). Для многих транзисторов (при комнатной температуре) это падение может составить около 0,6 В.

Еще один облом реальности: между эмиттером и коллектором не будет идеальной проводимости.Между этими узлами образуется небольшое падение напряжения. В технических характеристиках транзисторов это напряжение определено как CE напряжение насыщения V CE (sat) — напряжение от коллектора к эмиттеру, необходимое для насыщения. Это значение обычно составляет 0,05-0,2 В. Это значение означает, что V C должно быть немного больше, чем V E (но оба все еще меньше, чем V B ), чтобы транзистор перешел в режим насыщения.

Режим отсечки

Режим отсечки противоположен насыщению.Транзистор в режиме отсечки — , а — нет тока коллектора и, следовательно, нет тока эмиттера. Это почти похоже на обрыв цепи.

Чтобы перевести транзистор в режим отсечки, базовое напряжение должно быть меньше, чем напряжение эмиттера и коллектора. Оба V BC и V BE должны быть отрицательными.

На самом деле, V BE может находиться в диапазоне от 0 В до и (~ 0,6 В) для достижения режима отсечки.

Активный режим

Для работы в активном режиме значение V BE транзистора должно быть больше нуля, а значение V BC должно быть отрицательным.Таким образом, базовое напряжение должно быть меньше, чем на коллекторе, но больше, чем на эмиттере. Это также означает, что коллектор должен быть больше эмиттера.

На самом деле нам нужно ненулевое прямое падение напряжения (сокращенно V th , V γ или V d ) от базы к эмиттеру (V BE ), чтобы «включить» транзистор. Обычно это напряжение обычно составляет около 0,6 В.

Усиление в активном режиме

Активный режим — самый мощный режим транзистора, потому что он превращает устройство в усилитель .Ток, идущий на вывод базы, усиливает ток, идущий в коллектор и выходящий из эмиттера.

Наше сокращенное обозначение для усиления (коэффициент усиления) транзистора — β (вы также можете увидеть его как β F или h FE ). β линейно связывает ток коллектора ( I C ) с базовым током ( I B ):

Фактическое значение β зависит от транзистора.Обычно это около 100 , но может варьироваться от 50 до 200 … даже 2000, в зависимости от того, какой транзистор вы используете и сколько тока проходит через него. Если, например, у вашего транзистора β = 100, это будет означать, что входной ток в 1 мА на базу может производить ток 100 мА через коллектор.

Модель с активным режимом. V BE = V th и I C = βI B .

А как насчет тока эмиттера, I E ? В активном режиме токи коллектора и базы идут в устройство , а выходит I E .Чтобы связать ток эмиттера с током коллектора, у нас есть другое постоянное значение: α . α — коэффициент усиления по току общей базы, он связывает эти токи как таковые:

α обычно очень близко, но меньше 1. Это означает, что I C очень близко, но меньше I E в активном режиме.

Вы можете использовать β для вычисления α или наоборот:

Если, например, β равно 100, это означает, что α равно 0.99. Итак, если I C , например, 100 мА, то I E равен 101 мА.

Реверс Активный

Так же, как насыщение противоположно отсечке, обратный активный режим противоположен активному режиму. Транзистор в обратном активном режиме проводит, даже усиливает, но ток течет в обратном направлении, от эмиттера к коллектору. Обратной стороной активного режима является то, что β (β R в данном случае) на намного меньше на .

Чтобы перевести транзистор в обратный активный режим, напряжение на эмиттере должно быть больше, чем на базе, которая должна быть больше, чем на коллекторе (V BE <0 и V BC > 0).

Обратный активный режим обычно не является состоянием, в котором вы хотите управлять транзистором. Приятно знать, что он есть, но он редко превращается в приложение.

Относительно PNP

После всего, о чем мы говорили на этой странице, мы все еще покрыли только половину спектра BJT. А как насчет транзисторов PNP? Работа PNP очень похожа на работу NPN — у них те же четыре режима, но все изменилось. Чтобы узнать, в каком режиме находится транзистор PNP, поменяйте местами все знаки <и>.

Например, чтобы перевести PNP в режим насыщения, V C и V E должны быть выше, чем V B . Вы опускаете базу ниже, чтобы включить PNP, и поднимаете ее выше, чем коллектор и эмиттер, чтобы выключить его. И, чтобы перевести PNP в активный режим, V E должен иметь более высокое напряжение, чем V B , которое должно быть выше, чем V C .

Итого:

Соотношение напряжений Режим NPN Режим PNP
В E B C Активный Обратный
V E B > V C Насыщенность Отсечка
V E > V B C Отсечка Насыщенность
V E > V B > V C Задний ход Активный

Другой противоположной характеристикой NPN и PNP является направление тока.В активном режиме и режиме насыщения ток в PNP протекает от эмиттера к коллектору . Это означает, что эмиттер обычно должен иметь более высокое напряжение, чем коллектор.


Если вы перегорели концептуальными вещами, перейдите к следующему разделу. Лучший способ узнать, как работает транзистор, — это изучить его в реальных схемах. Давайте посмотрим на некоторые приложения!



← Предыдущая страница
Расширение аналогии с водой Транзистор

NPN: что это такое? (Символ и принцип работы)

Что такое транзистор NPN

Транзистор NPN является наиболее часто используемым транзистором с биполярным переходом и создается путем размещения полупроводника P-типа между двумя полупроводниками N-типа.Транзистор NPN имеет три вывода — коллектор, эмиттер и базу. Транзистор NPN ведет себя как два диода с PN-переходом, соединенных спина к спине.

Эти встречные диоды с PN переходом известны как переход коллектор-база и переход база-эмиттер.

Что касается трех выводов транзистора NPN, эмиттер — это область, используемая для подачи носителей заряда в коллектор через базовую область. Область коллектора собирает больше всего носителей заряда, испускаемых эмиттером.Область Base запускает и контролирует количество тока, протекающего через эмиттер к коллектору.

Эквивалентная схема NPN-транзистора показана на рисунке ниже.

Эквивалентная схема NPN-транзистора

Напомним, полупроводник N-типа — это полупроводник, в котором доступно большое количество свободных электронов, и он действует как основной носитель заряда. Под действием разности потенциалов электроны получают достаточную энергию и переходят из валентной зоны в зону проводимости.Из-за движения электронов через полупроводник N-типа будет протекать ток.

И наоборот, в полупроводниках P-типа электроны недоступны, и дырка действует как основной носитель заряда. Из-за движения дырок ток будет течь через полупроводник P-типа.

Конструкция NPN-транзистора

Как обсуждалось выше, NPN-транзистор имеет два перехода и три вывода. Конструкция транзистора NPN показана на рисунке ниже.

Конструкция NPN-транзистора

Слои эмиттера и коллектора шире по сравнению с базой. Излучатель сильно легирован. Следовательно, он может инжектировать в базу большое количество носителей заряда.

Основание слегка легировано и очень тонкое по сравнению с двумя другими областями. Больше всего переносчиков заряда он передает на коллектор, который излучается эмиттером.

Коллектор умеренно легирован и собирает носители заряда из базового слоя.

Обозначение транзистора NPN

Обозначение транзистора NPN показано на рисунке ниже.Стрелка показывает обычное направление тока коллектора (I C ), тока базы (I B ) и тока эмиттера (I E ).

Обозначение транзистора NPN

Как работает транзистор NPN

Переход база-эмиттер подключен в состоянии прямого смещения напряжением питания V EE . И переход коллектор-база подключен в состоянии обратного смещения напряжением питания V CC .

В состоянии прямого смещения отрицательная клемма источника питания (V EE ) подключена к полупроводнику N-типа (эмиттер).Аналогично, в состоянии обратного смещения положительный вывод источника питания (V CC ) подключен к полупроводнику N-типа (коллектор).

Работа NPN-транзистора

Область истощения области эмиттер-база тонкая по сравнению с областью истощения перехода коллектор-база (обратите внимание, что область истощения — это область, где нет подвижных носителей заряда, и она ведет себя как барьер. который противодействует течению тока).

В эмиттере N-типа основной носитель заряда — электроны.Следовательно, электроны начинают течь от эмиттера N-типа к базе P-типа. И из-за электронов ток начнет течь по переходу эмиттер-база. Этот ток известен как ток эмиттера I E .

Эти электроны движутся дальше к базе. База — полупроводник P-типа. Следовательно, в нем есть дыры. Но основная область очень тонкая и слегка легированная. Итак, у него есть несколько дырок для рекомбинации с электронами. Следовательно, большая часть электронов пройдет базовую область, и лишь немногие из них рекомбинируют с дырками.

Из-за рекомбинации ток будет течь по цепи, и этот ток известен как базовый ток I B . Базовый ток очень мал по сравнению с током эмиттера. Обычно это 2-5% от общего тока эмиттера.

Большая часть электронов проходит через обедненную область перехода коллектор-база и проходит через коллекторную область. Ток, протекающий через оставшиеся электроны, известен как ток коллектора I C . Ток коллектора велик по сравнению с током базы.

Схема транзистора NPN

Схема транзистора NPN показана на рисунке ниже.

Цепь транзистора NPN

Источники напряжения подключены к транзистору NPN, как показано на рисунке выше. Коллектор соединен с плюсовой клеммой напряжения питания V CC с сопротивлением нагрузки R L . Сопротивление нагрузки также используется для уменьшения максимального тока, протекающего через устройство.

Клемма базы подключена к положительной клемме напряжения питания базы V B с сопротивлением базы R B .Базовое сопротивление используется для ограничения максимального базового тока.

Когда транзистор включен, через устройство между коллектором и выводами эмиттера протекает большой ток коллектора. Но для этого небольшое количество базового тока должно течь через базовый вывод транзистора.

Согласно KCL, ток эмиттера складывается с током базы и током коллектора.

Режим работы транзистора

Транзистор работает в разных режимах или областях в зависимости от смещения переходов.Имеет три режима работы.

  • Режим отсечки
  • Режим насыщения
  • Активный режим

Режим отсечки

В режиме тока тока оба перехода имеют обратное смещение. В этом режиме транзистор ведет себя как разомкнутая цепь. И не позволит току течь через устройство.

Режим насыщения

В режиме насыщения транзистора оба перехода соединены прямым смещением. Транзистор ведет себя как замкнутая цепь, и ток течет от коллектора к эмиттеру, когда напряжение база-эмиттер высокое.

Активный режим

В этом режиме транзистора соединение база-эмиттер имеет прямое смещение, а соединение коллектор-база — обратное. В этом режиме транзистор работает как усилитель тока.

Ток протекает между эмиттером и коллектором, и величина тока пропорциональна току базы.

Режим работы транзистора

Переключатель транзистора NPN

Транзистор работает как включенный в режиме насыщения и выключенный в режиме отсечки.

Когда оба перехода соединены в состоянии прямого смещения и на вход подается достаточное напряжение. В этом состоянии напряжение коллектор-эмиттер близко к нулю, и транзистор работает в режиме короткого замыкания.

В этом состоянии ток начнет течь между коллектором и эмиттером. Значение тока, протекающего в этой цепи, составляет

Режим насыщения транзистора

Когда оба перехода соединены с обратным смещением, транзистор ведет себя как разомкнутая цепь или выключатель.В этом состоянии входное напряжение или базовое напряжение равно нулю.

Следовательно, все напряжение Vcc появляется на коллекторе. Но из-за обратного смещения области коллектор-эмиттер ток не может протекать через устройство. Следовательно, он ведет себя как выключатель.

Принципиальная схема транзистора в области отсечки показана на рисунке ниже.

Режим отключения транзистора

Распиновка NPN-транзистора

Транзистор имеет три вывода; коллектор (C), эмиттер (E) и база (B).В большинстве конфигураций средний вывод предназначен для базы.

Для идентификации выводов эмиттера и коллектора есть точка на поверхности транзистора SMD. Вывод, который находится точно под этой точкой, является коллектором, а оставшийся вывод — выводом эмиттера.

Если точка отсутствует, все булавки будут размещены с неравномерным пространством. Здесь средний штифт — основание. Ближайший штифт среднего штифта — эмиттер, а оставшийся штифт — коллектор.

NPN и PNP-транзистор

Основные различия при сравнении NPN-транзисторов и PNP-транзисторов суммированы в таблице ниже:

находится в прямом смещении, а переход коллектор-база — в обратном.
NPN-транзистор PNP-транзистор Структура 9025 имеет два полупроводника N-типа и один полупроводник P-типа. Имеет один полупроводник N-типа и два полупроводника P-типа.
Направление тока Ток будет течь через коллектор к эмиттеру. Ток будет течь через эмиттер к коллектору.
Мажоритарный носитель заряда Электрон Отверстия
Носитель второстепенного заряда Отверстия Электроны
Время переключения Основание Медленный переход Переход эмиттер-база в обратном смещении, а переход коллектор-база в прямом смещении.
Символ
Напряжение коллектор-эмиттер Положительный Отрицательный
Стрелка эмиттера Указывается 902 Переключатель в качестве транзистора 9025

При использовании в качестве усилителя переменного сигнала напряжение смещения базы транзисторов прикладывается таким образом, что оно всегда работает в своей «активной» области, то есть используется линейная часть кривых выходных характеристик.

Тем не менее, биполярные транзисторы типа NPN и PNP можно заставить работать как твердотельный переключатель типа «ВКЛ / ВЫКЛ», смещая вывод базы транзистора иначе, чем в усилителе сигнала.

Твердотельные переключатели — одно из основных применений транзисторов для переключения выхода постоянного тока в положение «ВКЛ» или «ВЫКЛ». Некоторым устройствам вывода, таким как светодиоды, требуется всего несколько миллиампер при напряжении постоянного тока логического уровня, и поэтому они могут управляться непосредственно выходом логического элемента.Однако мощным устройствам, таким как двигатели, соленоиды или лампы, часто требуется больше энергии, чем от обычного логического элемента, поэтому используются транзисторные переключатели.

Если в схеме используется биполярный транзистор в качестве переключателя , то смещение транзистора, NPN или PNP, настраивается для работы транзистора по обе стороны кривых «ВАХ», которые мы видели ранее.

Рабочие зоны транзисторного переключателя известны как область насыщения и область отсечки .Это означает, что мы можем игнорировать рабочую схему смещения точки Q и делителя напряжения, необходимую для усиления, и использовать транзистор в качестве переключателя, перемещая его вперед и назад между его положениями «полностью выключено» (отсечка) и «полностью отключено». ON ”(насыщенность), как показано ниже.

Операционные регионы

Розовая заштрихованная область внизу кривых представляет область «отсечки», а синяя область слева представляет область «насыщенности» транзистора.Обе эти области транзистора определены как:

1. Обрезка

Здесь рабочими условиями транзистора являются нулевой входной базовый ток (I B ), нулевой выходной ток коллектора (I C ) и максимальное напряжение коллектора (V CE ), что приводит к большому обедненному слою и отсутствию тока. протекает через устройство. Поэтому транзистор полностью выключен.

Характеристики отсечки

  • • Вход и база заземлены (0 В)
  • • Напряжение база-эмиттер В BE <0.7в
  • • Переход база-эмиттер имеет обратное смещение
  • • Соединение база-коллектор имеет обратное смещение
  • • Транзистор полностью выключен (область отключения)
  • • Нет тока коллектора (I C = 0)
  • • V ВЫХОД = V CE = V CC = ”1 ″
  • • Транзистор работает как «открытый переключатель»

Затем мы можем определить «область отсечки» или «режим выключения» при использовании биполярного транзистора в качестве переключателя, когда оба перехода смещены в обратном направлении, V B <0.7v и I C = 0. Для транзистора PNP потенциал эмиттера должен быть отрицательным по отношению к базе.

2. Область насыщенности

Здесь транзистор будет смещен так, что будет приложена максимальная величина базового тока, что приведет к максимальному току коллектора, что приведет к минимальному падению напряжения на коллектор-эмиттер, в результате чего слой обеднения будет как можно меньшим, а через транзистор будет протекать максимальный ток. Поэтому транзистор включен «полностью».

Характеристики насыщенности

  • • Вход и база подключены к V CC
  • • Напряжение база-эмиттер В BE > 0,7 В
  • • Переход база-эмиттер смещен в прямом направлении
  • • Соединение база-коллектор смещено вперед
  • • Транзистор «полностью открыт» (область насыщения)
  • • Максимальный ток коллектора (I C = Vcc / R L )
  • • V CE = 0 (идеальная насыщенность)
  • • V ВЫХОД = V CE = ”0 ″
  • • Транзистор работает как «замкнутый переключатель»

Затем мы можем определить «область насыщения» или «режим включения» при использовании биполярного транзистора в качестве переключателя, когда оба перехода смещены в прямом направлении, V B > 0.7v и I C = Максимум. Для транзистора PNP потенциал эмиттера должен быть положительным по отношению к базе.

Тогда транзистор работает как твердотельный переключатель «однополюсный однопроходный» (SPST). Когда нулевой сигнал подается на базу транзистора, он выключается, действуя как разомкнутый переключатель, и течет нулевой ток коллектора. При подаче положительного сигнала на базу транзистора он включается, действуя как замкнутый переключатель, и через устройство протекает максимальный ток цепи.

Самый простой способ переключения мощности от умеренной до высокой — использовать транзистор с выходом с открытым коллектором и вывод эмиттера транзистора, подключенный непосредственно к земле. При таком использовании выход с открытым коллектором транзистора может, таким образом, «сливать» подаваемое извне напряжение на землю, тем самым контролируя любую подключенную нагрузку.

Пример транзистора NPN в качестве переключателя, используемого для управления реле, приведен ниже. При индуктивных нагрузках, таких как реле или соленоиды, диод маховика помещается поперек нагрузки для рассеивания обратной ЭДС, генерируемой индуктивной нагрузкой, когда транзистор переключается в положение «ВЫКЛ», и таким образом защищает транзистор от повреждения.Если нагрузка имеет очень высокий ток или напряжение, например двигатели, нагреватели и т. Д., То ток нагрузки можно контролировать с помощью подходящего реле, как показано на рисунке.

Базовая схема переключения транзисторов NPN

Схема напоминает схему с общим эмиттером , которую мы рассматривали в предыдущих руководствах. На этот раз разница в том, что для работы транзистора в качестве переключателя транзистор должен быть либо полностью выключен (отключен), либо полностью включен (насыщен).Идеальный транзисторный переключатель имел бы бесконечное сопротивление цепи между коллектором и эмиттером, когда он был полностью выключен, что приводило к нулевому току, протекающему через него, и нулевому сопротивлению между коллектором и эмиттером, когда он был полностью включен, что приводило к максимальному протеканию тока.

На практике, когда транзистор выключен, через транзистор протекают небольшие токи утечки, а когда он полностью включен, устройство имеет низкое значение сопротивления, вызывающее небольшое напряжение насыщения (V CE ) на нем.Несмотря на то, что транзистор не является идеальным переключателем, как в области отсечки, так и в области насыщения мощность, рассеиваемая транзистором, минимальна.

Для протекания тока базы необходимо сделать входную клемму базы более положительной, чем у эмиттера, увеличив ее выше 0,7 В, необходимых для кремниевого устройства. Изменяя это напряжение база-эмиттер V BE , также изменяется базовый ток, который, в свою очередь, регулирует величину тока коллектора, протекающего через транзистор, как обсуждалось ранее.

Когда протекает максимальный ток коллектора, транзистор считается насыщенным . Величина базового резистора определяет, какое входное напряжение требуется и соответствующий базовый ток для полного включения транзистора.

Транзистор как пример переключателя No1

Используя значения транзисторов из предыдущих руководств: β = 200, Ic = 4 мА и Ib = 20 мкА, найдите значение базового резистора (Rb), необходимое для полного включения нагрузки, когда напряжение на входных клеммах превышает 2.5в.

Следующее наименьшее предпочтительное значение: 82 кОм, это гарантирует, что транзисторный ключ всегда находится в состоянии насыщения.

Транзистор как пример переключателя No2

Опять же, используя те же значения, найдите минимальный базовый ток, необходимый для включения транзистора «полностью» (насыщения) для нагрузки, которая требует 200 мА тока при увеличении входного напряжения до 5,0 В. Также рассчитайте новое значение Rb.

Базовый ток транзистора:

Базовое сопротивление транзистора:

Транзисторные переключатели

используются для широкого спектра применений, таких как сопряжение устройств с большим током или высоким напряжением, таких как двигатели, реле или лампы, с низковольтными цифровыми ИС или логическими вентилями, такими как вентили И или вентили ИЛИ.Здесь выходной сигнал цифрового логического элемента составляет всего + 5 В, но управляемому устройству может потребоваться питание 12 или даже 24 В. Или для нагрузки, такой как двигатель постоянного тока, может потребоваться регулирование скорости с помощью серии импульсов (широтно-импульсная модуляция). Транзисторные переключатели позволят нам сделать это быстрее и проще, чем с помощью обычных механических переключателей.

Цифровой логический транзисторный переключатель

Базовый резистор Rb необходим для ограничения выходного тока логического элемента.

Транзисторный переключатель PNP

Мы также можем использовать транзисторы PNP в качестве переключателя, разница на этот раз в том, что нагрузка подключена к земле (0 В), а транзистор PNP переключает на нее питание. Чтобы включить транзистор PNP, работающий как переключатель, клемма базы подключается к земле или к нулевому напряжению (LOW), как показано.

Цепь переключения транзистора PNP

Уравнения для расчета сопротивления базы, тока коллектора и напряжений точно такие же, как и для предыдущего транзисторного переключателя NPN.На этот раз разница в том, что мы переключаем мощность с помощью транзистора PNP (ток источника) вместо переключения заземления с помощью транзистора NPN (ток стока).

Транзисторный переключатель Дарлингтона

Иногда коэффициент усиления постоянного тока биполярного транзистора слишком мал для прямого переключения тока или напряжения нагрузки, поэтому используются несколько переключающих транзисторов. Здесь один маленький входной транзистор используется для включения или выключения гораздо большего выходного транзистора управления током. Чтобы максимизировать усиление сигнала, два транзистора соединены в «Конфигурации комплементарного усиления» или, что чаще называют «конфигурацией Дарлингтона », где коэффициент усиления является произведением двух отдельных транзисторов.

Транзисторы Дарлингтона просто содержат два отдельных биполярных транзистора типа NPN или PNP, соединенных вместе, так что коэффициент усиления по току первого транзистора умножается на коэффициент усиления по току второго транзистора, чтобы создать устройство, которое действует как один транзистор с очень высокий коэффициент усиления по току для гораздо меньшего тока базы. Общий коэффициент усиления по току Beta (β) или значение hfe устройства Дарлингтона является произведением двух отдельных коэффициентов усиления транзисторов и дается как:

Таким образом, транзисторы Дарлингтона с очень высокими значениями β и большими токами коллектора возможны по сравнению с переключателем на одном транзисторе.Например, если первый входной транзистор имеет коэффициент усиления по току 100, а второй переключающий транзистор имеет коэффициент усиления по току 50, то общий коэффициент усиления по току будет 100 * 50 = 5000. Так, например, если ток нагрузки сверху равен 200 мА. , то базовый ток Дарлингтона составляет всего 200 мА / 5000 = 40 мкА. Значительное снижение по сравнению с предыдущим 1 мА для одного транзистора.

Ниже приведены примеры двух основных типов конфигураций транзисторов Дарлингтона.

Конфигурации транзисторов Дарлингтона

Вышеупомянутая конфигурация транзисторного переключателя Дарлингтона NPN показывает коллекторы двух транзисторов, соединенных вместе с эмиттером первого транзистора, подключенным к клемме базы второго транзистора, поэтому ток эмиттера первого транзистора становится током базы второго транзистора. переключив его в положение «ВКЛ».

Первый или «входной» транзистор принимает входной сигнал на свою базу. Этот транзистор усиливает его обычным образом и использует его для управления вторыми более крупными «выходными» транзисторами. Второй транзистор снова усиливает сигнал, что дает очень высокий коэффициент усиления по току. Одной из основных характеристик транзисторов Дарлингтона является их высокий коэффициент усиления по току по сравнению с одиночными биполярными транзисторами.

Помимо повышенных возможностей переключения тока и напряжения, еще одним преимуществом «транзисторного переключателя Дарлингтона» является его высокая скорость переключения, что делает его идеальным для использования в цепях инвертора, цепях освещения и в системах управления двигателями постоянного тока или шаговыми двигателями.

Одно отличие, которое следует учитывать при использовании транзисторов Дарлингтона по сравнению с обычными одинарными биполярными типами при использовании транзистора в качестве переключателя, заключается в том, что входное напряжение база-эмиттер (V BE ) должно быть выше примерно на 1,4 В для кремниевых устройств из-за последовательное соединение двух PN-переходов.

Транзистор как коммутатор Сводка

Затем, чтобы подвести итог, при использовании транзистора в качестве коммутатора применяются следующие условия:

  • Транзисторные переключатели могут использоваться для включения и управления лампами, реле или даже двигателями.
  • При использовании биполярного транзистора в качестве переключателя они должны быть либо «полностью выключены», либо «полностью включены».
  • Транзисторы, которые полностью включены, считаются находящимися в области насыщенности .
  • Считается, что транзисторы
  • , которые полностью выключены, находятся в области отсечки .
  • При использовании транзистора в качестве переключателя небольшой ток базы управляет гораздо большим током нагрузки коллектора.
  • При использовании транзисторов для переключения индуктивных нагрузок, таких как реле и соленоиды, используется «диод маховика».
  • Когда необходимо контролировать большие токи или напряжения, можно использовать транзисторы Дарлингтона .

В следующем уроке о Transistors мы рассмотрим работу переходного полевого транзистора, известного как JFET. Мы также построим кривые выходных характеристик, обычно связанные со схемами усилителя JFET, в зависимости от напряжения источника и напряжения затвора.

Основы транзистора

PNP — конструкция, принцип работы и применение

Транзистор

PNP — это один из видов транзисторов с биполярным переходом, который включает в себя три клеммы, известные как коллектор, эмиттер и база.По сравнению с NPN эта структура транзистора полностью отличается, поскольку вместо двух полупроводников n-типа здесь используются два полупроводника p-типа. Отдельная область между этими полупроводниками обусловлена ​​n-типом. Большинство носителей заряда этого транзистора — дырки, потому что в процессе используются два полупроводника p-типа. Конструкция обоих транзисторов может отличаться, но их работа и соответствующие характеристики остаются неизменными. Этот транзистор PNP также известен как устройство управления током.В этой статье обсуждается обзор транзистора PNP и его работы.

Что такое транзистор PNP?

Транзистор PNP может быть определен как формирование биполярного переходного транзистора из-за соединения, установленного между двумя p-типами и одним n-типом в его середине. Это называется транзистором PNP. Таким образом, мы можем определить транзистор PNP. Этот транзистор N-P-N является предпочтительным для приложений переключения и усиления сигналов.Обозначение транзистора PNP состоит из трех выводов: эмиттера, базы и коллектора. Стрелка резко указывает на базу, указывая на поток тока от вывода эмиттера к базе.

Обозначение транзистора P-N-P

Конструкция транзистора PNP

Его конструкция аналогична конструкции транзистора N-P-N, но здесь различия возникают в полярностях приложенных напряжений. Характеристики имеют тенденцию различаться, потому что здесь напряжение, приложенное между клеммной базой, отрицательное, а напряжение эмиттера — положительное.

Формирование транзистора PNP происходит из-за большинства p-типов и одного n-типа в нем. Поскольку большинство носителей заряда здесь являются дырками, образование тока в них происходит из-за движения в дырках.

Здесь соединение, образованное клеммной базой и эмиттером, должно оставаться положительным, потому что это связано с тем, что отверстия в клеммном коллекторе не должны попадать в основание. Соединение, образованное клеммным коллектором и базой, имеет обратное смещение, но база должна оставаться положительной по сравнению с коллектором.Следовательно, отверстия от коллектора не должны входить в основание.

Следовательно, мы можем сделать вывод относительно источников напряжения таким образом, что на эмиттер должно подаваться положительное напряжение по сравнению с напряжениями коллектора и базы. Это указывает на то, что смещение эмиттера должно быть положительным по отношению к смещению коллектора и базы.

Рабочий

Соединение образовано здесь потому, что его выводы являются эмиттером и базой, а также коллектором и базой.Переход между выводами эмиттера и базы смещен в условиях пересылки.

Так как в режиме пересылки большинство носителей здесь — это отверстия, которые вставляются в базовую область. Следовательно, в эмиттере возникает ток. Поскольку в этом транзисторе используется база n-типа, в ней присутствуют электроны. Эти электроны объединяются с дырками, введенными в эту область, которая вставлена ​​в основание.

Часть электронов объединяется, оставшаяся стремится двигаться к коллектору.Причина этого в том, что база транзистора PNP легирована концентрацией света. Следовательно, это приводит к возникновению тока на базовом выводе.

Поскольку переход, образованный выводами коллектора и базы, находится в режиме обратного смещения. Введенные в него электроны собираются. Следовательно, происходит генерация тока на коллекторе.

Транзистор P-N-P как переключатель

Чтобы транзистор работал как переключатель, он должен работать в определенных регионах.Как уже известно, в транзисторах с биполярным переходом есть три рабочих области, это может быть NPN или PNP.

Есть три вывода: эмиттер, база и коллектор, в которых сформированы два перехода, потому что вывод базы находится посередине и является обычным местом взаимодействия эмиттера и коллектора. Исходя из этого, способ смещения осуществляется для переходов, в которых расположены области транзисторов.

Этими тремя областями являются:

  • Активная область — в этом случае один из переходов должен находиться в режиме прямого смещения, а другой переход — в режиме обратного смещения.Этот тип рабочей области в транзисторе называется активной областью.
  • Область насыщения — В этом случае оба перехода, образованные из-за взаимодействия выводов, должны находиться в режиме прямого смещения. Этот тип области полностью активен для обоих переходов, называемых областью насыщения.
  • Область отсечки — Образованный переход из-за клемм должен оставаться в режиме обратного смещения. Это указывает на то, что ни на одну из клемм не подается внешнее питание.Следовательно, этот тип области называется зоной отсечения.

Конструкция транзистора P-N-P как переключатель

Все эти области сформированы в транзисторах. Для того, чтобы транзистор работал как переключатель, предпочтительны только два транзистора, либо оба перехода должны быть полностью включены, что является режимом насыщения, либо переходы должны быть полностью отключены, что находится в режиме отсечки. Этот процесс работы называется переключением. Но активная область не используется для этой цели, потому что q-точка в этой области находится в центре.

Применения транзистора PNP

Применения транзистора PNP следующие:

  • Эти транзисторы используются, когда выход устройства требует тока. Таким образом, коллектор собирает ток.
  • Применение этого типа транзистора таково, что он может быть реализован как переключатель.
  • Он также может быть предпочтительным при схемах усиления.

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *