Site Loader

Содержание

Принцип работы транзистора

Принцип действия транзистора

В активном режиме работы, транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении. Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку.

В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере проходят через открытый переход эмиттер-база в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер.

Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и очень слабо легированной, большая часть электронов, инжектированная из эмиттера диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. 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 лучше транзистор. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер.

В широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β=α/(1-α)=(10-1000). Т.о. изменяя малый ток базы можно управлять значительно большим током коллектора.

Биполярный транзистор – электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, предназначенный для усиления, преобразования и генерации электрических сигналов. Вся конструкция выполняется на пластине кремния, либо германия, либо другого полупроводника, в которой созданы три области с различными типами электропроводности.

Средняя область называется базой, одна из крайних областей – эмиттером, другая – коллектором. Соответственно в транзисторе два p-n-перехода: эмиттерный – между базой и эмиттером и коллекторный – между базой и коллектором.

Область базы должна быть очень тонкой, гораздо тоньше эмиттерной и коллекторной областей (на рисунке это показано непропорционально). От этого зависит условие хорошей работы транзистора. Транзистор работает в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах.

При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, на коллекторном – обратное. В режиме отсечки на оба перехода подано обратное напряжение. Если на эти переходы подать прямое напряжение, то транзистор будет работать в режиме насыщения.

Типы биполярных транзисторов.

Биполярные транзисторы

Определение «биполярный» указывает на то, что работа транзистора связана с процессами, в которых принимают участие носители заряда двух типов — электроны и дырки.

Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов. В транзисторе используются оба типа носителей – основные и неосновные, поэтому его называют биполярным.

Биполярный транзистор состоит из трех областей монокристаллического полупроводника с разным типом проводимости: эмиттера, базы и коллектора.

  • Э — эмиттер,
  • Б — база,
  • К — коллектор,
  • ЭП — эмиттерный переход,
  • КП — коллекторный переход,
  • W — толщина базы.

Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора:

  1. Режим отсечки – оба p-n перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идет сравнительно небольшой ток
  2. Режим насыщения – оба p-n перехода открыты
  3. Активный режим – один из p-n переходов открыт, а другой закрыт

В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором невозможно. Эффективное управление транзистором осуществляется только в активном режиме. Этот режим является основным. Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное, то включение транзистора считают нормальным, при противоположной полярности – инверсным.

В нормальном режиме коллекторный p-n переход закрыт, эмиттерный – открыт. Ток коллектора пропорционален току базы.

Движение носителей заряда в транзисторе n-p-n типа показано на рисунке:

При подключении эмиттера к отрицательному зажиму источника питания возникает эмиттерный ток Iэ. Так как внешнее напряжение приложено к эмиттерному переходу в прямом направлении, электроны преодолевают переход и попадают в область базы. База выполнена из p-полупроводника, поэтому электроны являются для неё неосновными носителями заряда.

Электроны, попавшие в область базы, частично рекомбинируют с дырками базы. Однако базу обычно выполняют очень тонкой из p-проводника с большим удельным сопротивлением (малым содержанием примеси), поэтому концентрация дырок в базе низкая и лишь немногие электроны, попавшие в базу, рекомбинируют с её дырками, образуя базовый ток Iб.

Большинство же электронов вследствие теплового движения (диффузия) и под действием поля коллектора (дрейф) достигают коллектора, образуя составляющую коллекторного тока Iк.

Связь между приращениями эмиттерного и коллекторного токов характеризуется коэффициентом передачи тока

Как следует из качественного рассмотрения процессов, происходящих в биполярном транзисторе, коэффициент передачи тока всегда меньше единицы. Для современных биполярных транзисторов α = 0,9 ÷ 0,95

При Iэ ≠ 0 ток коллектора транзистора равен:

В рассмотренной схеме включения базовый электрод является общим для эмиттерной и коллекторной цепей. Такую схему включения биполярного транзистора называют схемой с общей базой, при этом эмиттерную цепь называют входной, а коллекторную – выходной. Однако такую схему включения биполярного транзистора применяют очень редко.

Режимы работы биполярного транзистора

В зависимости от способа подключения р-n-переходов транзистора к внешним источникам питания он может работать в режиме отсечки, насыщения или активном режиме.

Режим отсечки

Режим отсечки транзистора получается тогда, когда эмиттерный и коллекторный p-n-переходы подключены к внешним источникам в обратном направлении (рис. 5). В этом случае через оба p-n-перехода протекают очень малые обратные токи эмиттера () и коллектора (). В этом случае говорят, что
транзистор полностью закрыт или просто закрыт.

Рис. 5 — Транзистор в режиме отсечки

Ток базы равен сумме этих токов и в зависимости от типа транзистора находится в пределах от единиц микроампер — мкА (у кремниевых транзисторов) до единиц миллиампер — мА (у германиевых транзисторов).

Режим насыщения

Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения (рис. 6 ). Через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи насыщения эмиттера () и коллектора (). Величина этих токов в много раз больше токов в режиме отсечки.

Рис. 6 — Транзистор в режиме насыщения

При этом ток коллектора перестаёт зависеть от тока базы. Он перестаёт
увеличиваться, даже если продолжать увеличивать ток базы. В этом случае
говорят, что транзистор полностью открыт или просто открыт. Чем глубже
мы уходим в область насыщения — тем больше ломается зависимость .
Внешне это выглядит так, как будто коэффициент β уменьшается.

Есть такое понятие, как коэффициент насыщения. Он
определяется как отношение реального тока базы (того, который у вас есть
в данный момент) к току базы в пограничном состоянии между активным
режимом и насыщением.

Режимы отсечки и насыщения используются при работе транзисторов в импульсных схемах и в режиме переключения.

Активный режим

При работе транзистора в активном режиме (нормальном активном режиме) эмиттерный переход включается в прямом, а коллекторный — в обратном направлениях (рис. 7).

В активном режиме ток базы в десятки и сотни раз меньше тока коллектора и тока эмиттера.

Для токов коллектора и эмиттера выполняется соотношение:

Рис. 7 — Транзистор в активном режиме

Величина h21Б называется статическим коэффициентом передачи тока эмиттера. Для современных транзисторов h21Б=0,90…0,998. Активный режим используется при построении транзисторных усилителей.

Инверсный активный режим

Если на эмиттерном переходе обратное смещение, а на коллекторном — прямое, то транзистор попадает в инверсный активный режим. Этот режим является довольно экзотическим и используется редко.
Несмотря на то, что на рисунках эмиттер не отличается от коллектора и по сути они должны быть равнозначны, на самом деле у них есть конструктивные отличия (например в размерах) и равнозначными они не являются. Именно из-за этой неравнозначности и существует разделение на «нормальный активный режим» и «инверсный
активный режим».

Барьерный режим

Иногда ещё выделяют пятый, так называемый, «барьерный режим». В этом случае база транзистора
закорочена с коллектором. По сути правильнее было бы говорить не о
каком-то особом режиме, а об особом способе включения. Режим тут вполне
обычный — близкий к пограничному состоянию между активным режимом и
насыщением. Его можно получить и не только закорачивая базу с
коллектором. В данном конкретном случае при таком
способе включения, как бы мы не меняли напряжение питания или нагрузку —
транзистор всё равно останется в этом самом пограничном режиме. То есть
транзистор в этом случае будет эквивалентен диоду.

Использование транзисторов в конструкциях

Нужно изучать все требования к полупроводникам, которые собираетесь использовать в конструкции

Если планируете проводить управление обмоткой электромагнитного реле, то нужно обращать внимание на его мощность. Если она высокая, то использовать миниатюрные транзисторы типа КТ315 вряд ли получится: они не смогут обеспечить ток, необходимый для питания обмотки

Поэтому рекомендуется в силовой технике применять мощные полевые транзисторы или сборки. Ток на входе у них очень маленький, зато коэффициент усиления большой.

Не стоит применять для коммутации слабых нагрузок мощные реле: это неразумно. Обязательно используйте качественные источники питания, старайтесь напряжение выбирать таким, чтобы реле работало в нормальном режиме. Если напряжение окажется слишком низким, то контакты не притянутся и не произойдет включение: величина магнитного поля окажется маленькой. Но если применить источник с большим напряжением, обмотка начнет греться, а может и вовсе выйти из строя.

Обязательно используйте в качестве буферов транзисторы малой и средней мощности при работе с микроконтроллерами, если необходимо включать мощные нагрузки. В качестве силовых устройств лучше применять MOSFET-элементы. Схема подключения к микроконтроллеру такая же, как и у биполярного элемента, но имеются небольшие отличия. Работа транзисторного ключа с использованием MOSFET-транзисторов происходит так же, как и на биполярных: сопротивление перехода может изменяться плавно, переводя элемент из открытого состояния в закрытое и обратно.

Принцип действия

Полупроводники занимают промежуточное состояние между проводниками и диэлектриками. В обычном состоянии они не проводят электрический ток, но их сопротивление падает с ростом температуры. Чем она выше, тем больше энергии, которую получает вещество.

В атомах полупроводника электроны отрываются от «родительского» атома и улетают к другому, чтобы заполнить там «дырку», которую оставил такой же электрон. Получается, что внутри такого материала одновременно происходят два процесса: полет электронов (n-проводимость, от слова negative – отрицательный), и образование «дырок» (p-проводимость от слова positive – положительный). В обычном куске кремния эти процессы уравновешены: количество дырок равно количеству свободных электронов.

Если два таких материала приложить друг к другу, то в месте их соприкосновения образуется так называемый p-n переход. Дырки и электроны проходят через него, насыщая соседа. То есть там, где был избыток дырок, идет их заполнение электронами и наоборот.

В какой-то момент в месте соприкосновения не останется свободных носителей заряда и наступит равновесие. Это своего рода барьер, который невозможно преодолеть, этакая пустыня. Этот слой принято называть обедненным слоем.

Теперь, если приложить к такому материалу напряжение, то оно поведет себя интересным образом: при прямой его направленности обедненный слой истончится и через него пойдет электроток, а при обратном – наоборот, расширится.

Как говорится, если для чайников, то p-n переход обладает способностью пропускать ток только в одном направлении. Это своего рода «обратный клапан» для электрической сети. На этом их свойстве основана работа всех полупроводниковых приборов.

Существует две основные разновидности транзисторов: полевые (иногда их называют униполярными) и биполярными. Различаются они по устройству и принципу действия.

Подключение транзисторов для управления мощными компонентами

Типичной задачей микроконтроллера является включение и выключение определённого компонента схемы. Сам микроконтроллер
обычно имеет скромные характеристики в отношении выдерживаемой мощности. Так Ардуино, при выдаваемых на контакт 5 В
выдерживает ток в 40 мА. Мощные моторы или сверхъяркие светодиоды могут потреблять сотни миллиампер. При подключении
таких нагрузок напрямую чип может быстро выйти из строя. Кроме того для работоспособности некоторых компонентов требуется
напряжение большее, чем 5 В, а Ардуино с выходного контакта (digital output pin) больше 5 В не может выдать впринципе.

Зато, его с лёгкостью хватит для управления транзистором, который в свою очередь будет управлять большим током. Допустим, нам нужно подключить длинную светодиодную ленту, которая требует 12 В и при этом потребляет 100 мА:

Теперь при установке выхода в логическую единицу (high), поступающие на базу 5 В откроют транзистор и через ленту потечёт ток — она будет светиться. При установке выхода в логический ноль (low), база будет заземлена через микроконтроллер, а течение тока заблокированно.

Обратите внимание на R. Он необходим, чтобы при подаче управляющего напряжения
не образовалось короткое замыкание по маршруту микроконтроллер — транзистор — земля

Главное — не превысить допустимый
ток через контакт Ардуино в 40 мА, поэтому нужно использовать резистор номиналом не менее:

здесь Ud — это падение напряжения на самом транзисторе. Оно зависит от материала из которого он изготовлен и обычно составляет 0.3 – 0.6 В.

Но совершенно не обязательно держать ток на пределе допустимого. Необходимо лишь, чтобы показатель gain транзистора позволил управлять необходимым током. В нашем случае — это 100 мА. Допустим для используемого транзистора

hfe = 100, тогда нам будет достаточно управляющего тока в 1 мА

Нам подойдёт резистор номиналом от 118 Ом до 4.7 кОм. Для устойчивой работы с одной стороны и небольшой нагрузки на чип с другой, 2.2 кОм — хороший выбор.

Если вместо биполярного транзистора использовать полевой, можно обойтись без резистора:

это связано с тем, что затвор в таких транзисторах управляется исключительно напряжением: ток на участке микроконтроллер — затвор — исток отсутствует. А благодаря своим высоким характеристикам схема с использованием MOSFET позволяет управлять очень мощными компонентами.

Транзистор в режиме ключа

Транзистор в режиме ключа выполняет те же функции, что и электромагнитное реле или выключатель. Ток управления протекает следующим образом:

  1. От микроконтроллера через переход «база — эмиттер».
  2. При этом канал «коллектор — эмиттер» открывается.
  3. Через канал «коллектор — эмиттер» можно пропустить ток, величина которого в сотни раз больше, нежели базового.

Особенность транзисторных переключателей в том, что частота коммутации намного выше, нежели у реле. Кристалл полупроводника способен за одну секунду совершить тысячи переходов из открытого состояния в закрытое и обратно. Так, скорость переключения у самых простых биполярных транзисторов — около 1 млн раз в секунду. По этой причине транзисторы используют в инверторах для создания синусоиды.

Характеристики биполярного транзистора.

Выделяют несколько основных характеристик транзистора, которые позволяют понять, как он работает, и как его использовать для решения задач.

И первая на очереди – входная характеристика, которая представляет из себя зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер при определенном значении напряжения коллектор-эмиттер:

I_{б} = f(U_{бэ}), \medspace при \medspace U_{кэ} = const

В документации на конкретный транзистор обычно указывают семейство входных характеристик (для разных значений U_{кэ}):

Входная характеристика, в целом, очень похожа на прямую ветвь . При U_{кэ} = 0 характеристика соответствует зависимости тока от напряжения для двух p-n переходов включенных параллельно (и смещенных в прямом направлении). При увеличении U_{кэ} ветвь будет смещаться вправо.

Переходим ко второй крайне важной характеристике биполярного транзистора – выходной! Выходная характеристика – это зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном токе базы. I_{к} = f(U_{кэ}), \medspace при \medspace I_{б} = const

I_{к} = f(U_{кэ}), \medspace при \medspace I_{б} = const

Для нее также указывается семейство характеристик для разных значений тока базы:

Видим, что при небольших значениях U_{кэ} коллекторный ток увеличивается очень быстро, а при дальнейшем увеличении напряжения – изменение тока очень мало и фактически не зависит от U_{кэ} (зато пропорционально току базы). Эти участки соответствуют разным .

Для наглядности можно изобразить эти режимы на семействе выходных характеристик:

Участок 1 соответствует активному режиму работы транзистора, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Как вы помните, в данном режиме незначительный ток базы управляет током коллектора, имеющим бОльшую величину.

Для управления током базы мы увеличиваем напряжение U_{бэ}, что в соответствии со входными характеристиками приводит к увеличению тока базы. А это уже в соответствии с выходной характеристикой в активном режиме приводит к росту тока коллектора. Все взаимосвязано

Небольшое дополнение. На этом участке выходной характеристики ток коллектора все-таки незначительно зависит от напряжения U_{кэ} (возрастает с увеличением напряжения). Это связано с процессами, протекающими в биполярном транзисторе. А именно – при росте напряжения на коллекторном переходе его область расширяется, а соответственно, толщина слоя базы уменьшается. Чем меньше толщина базы, тем меньше вероятность рекомбинации носителей в ней. А это, в свою очередь, приводит к тому, что коэффициент передачи тока \beta, несколько увеличивается. Это и приводит к увеличению тока коллектора, ведь:

I_к = \beta I_б

Двигаемся дальше!

На участке 2 транзистор находится в режиме насыщения. При уменьшении U_{кэ} уменьшается и напряжение на коллекторном переходе U_{кб}. И при определенном значении U_{кэ} = U_{кэ \medspace нас} напряжение на коллекторном переходе меняет знак и переход оказывается смещенным в прямом направлении. То есть в активном режиме у нас была такая картина – эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. В режиме же насыщения оба перехода смещены в прямом направлении.

В этом режиме основные носители заряда начинают двигаться из коллектора в базу – навстречу носителям заряда, которые двигаются из эмиттера в коллектор. Поэтому при дальнейшем уменьшении U_{кэ} ток коллектора уменьшается. Кроме того, в режиме насыщения транзистор теряет свои усилительные свойства, поскольку ток коллектора перестает зависеть от тока базы.

Режим насыщения часто используется в схемах ключей на транзисторе. В одной из следующих статей мы как раз займемся практическими расчетами реальных схем и там используем рассмотренные сегодня характеристики биполярного транзистора!

И, наконец, область 3, лежащая ниже кривой, соответствующей I_{б} = 0. Оба перехода смещены в обратном направлении, протекание тока через транзистор прекращается. Это так называемый режим отсечки.

Все параметры транзисторов довольно-таки сильно зависят как друг от друга, так и от температуры, поэтому в документации приводятся характеристики для разных значений. Вот, например, зависимость коэффициента усиления по току (в зарубежной документации обозначается как h_{FE}) от тока коллектора для биполярного транзистора BC847:

Как видите, коэффициент усиления не просто зависит от тока коллектора, но и от температуры окружающей среды! Разным значениям температуры соответствуют разные кривые.

Виды полевых транзисторов

Полевой транзистор с n-р переходами подразделяется на несколько классов в зависимости:

  1. От типа каналов проводников: n или р. Каналы воздействую на знаки, полярности, сигналы управления. Они должны быть противоположны по знакам n-участку.
  2. От структуры приборов: диффузных, сплавных по р -n — переходам, с затворами Шоттки, тонкопленочными.
  3. От общего числа контактов: могут быть трех или четырех контактными. Для четырех контактных приборов, подложки также являются затворами.
  4. От используемых материалов: германия, кремния, арсенид галлия.

В свою очередь разделение классов происходит в зависимости от принципа работы транзистора:

  • устройства под управлениями р-n переходов;
  • устройства с изолированными затворами или с барьерами Шоттки.

Полевой транзистор

Если в биполярном транзисторе управление происходило с помощью тока, то в полевом – с помощью напряжения. Состоит он из пластинки полупроводника, которую называют каналом. С одной стороны к ней подключен исток – через него в канал входят носители электрического тока, а с другой сток – через него они покидают канал.

Сам канал как бы «зажат» между затвором, который обладает обратной проводимостью, то есть если канал имеет n-проводимость, то затвор – p-проводимость. Затвор электрически отделен от канала. Изменяя напряжение на затворе, можно регулировать зону p-n перехода. Чем она больше, тем меньше электрической энергии проходит через канал. Существует значение напряжения, при котором затвор полностью перекроет канал и ток между истоком и стоком прекратится.

Наиболее наглядная иллюстрация в этом случае – садовый шланг, который проходит через камеру небольшого колеса. В таком случае, даже когда в него подается небольшое давление воздуха (напряжение затвор-исток), оно значительно увеличивается в размерах и начинает пережимать шланг, перекрывается просвет шланга и прекращается подача воды (увеличивается зона p-n перехода и через канал перестает идти электроток).

Другой тип полевого триода имеет небольшое различие в конструкции затвора. На слое кремния с помощью окисления образуется слой диэлектрика оксида кремния. Уже на него методом напыления металла наносят затвор. Получаются чередующиеся слои Металл -Диэлектрик – Полупроводник или МДП-затвор.

Такой полевой транзистор с изолированным затвором обозначается латинскими буквами MOSFET.

Существует два вида МДП-затвора:

  1. МДП-затвор с индуцированным (или инверсным) каналом в обычном состоянии закрыт, то есть при отсутствии напряжения на затворе электроток через канал не проходит. Для того, чтобы открыть его, к затвору необходимо приложить напряжение.
  2. МДП-затвор со встроенным (или собственным) каналом в обычном состоянии открыт, то есть при отсутствии напряжения на затворе электроток через канал проходит. Для того, чтобы закрыть его, к затвору необходимо приложить напряжение.

Основные характеристики

Основная особенностью всех видов транзисторов является способность управлять мощным током с помощью небольшого по силе. Их отношение показывает насколько эффективен полупроводниковый прибор.

В биполярных транзисторах этот показатель называется статическим коэффициентом передачи тока базы. Он характеризует, во сколько раз основной коллекторный ток больше вызвавшего его тока базы. Этот параметр имеет очень широкое значение и может достигать 800.

Для полевых транзисторов схожий по типу параметр называется крутизной входной характеристики или проводимостью прямой передачи тока. Если вкратце, он показывает, на сколько изменится напряжение, проходящее через канал, если изменить напряжение затвора на 1 В.

Если на транзистор подать сигнал с определенной частотой, то он многократно усилит его. Это свойство полупроводниковых приборов применяется в радиоэлектронике. Однако существует предел усиления частоты, за которым триод уже не в состоянии усилить сигнал.

Еще одной показательной характеристикой транзистора является максимальная допустимая рассеиваемая мощность. Дело в том, что при работе любого электрического прибора вырабатывается тепло. Оно тем больше, чем выше значения силы тока и напряжения в цепи.

Отводится оно несколькими способами: с помощью специальных радиаторов, принудительного обдува воздухом и другими. Таким образом, существует некий предел количества теплоты для любого триода (для каждого он разный), который он может рассеять в пространство. Поэтому при выборе прибора исходят из характеристик электрической цепи, на который предстоит установить транзистор.

Цветовая и цифровая маркировка

Транзисторы, как и другие радиокомпоненты, маркируют с помощью цветового кода. Цветовой код состоит из изображения геометрических фигур (треугольников, квадратов, прямоугольников и др.), цветных точек и латинских букв.

Код наносится на плоских частях, крышке и других местах транзистора. По нему можно узнать тип транзистора, месяц и год изготовления. Места маркировки и расшифровка цветовых кодов некоторых типов транзисторов приведены на рис. 2…3 и в табл. 1…4. Практикуется также маркировка некоторых типов транзисторов цифровым кодом (табл. 4).

Таблица 1. Цветовая и кодовая маркировки маломощных среднечастотных и высокочастотных транзисторов.

Тип транзистора Группы транзисторов Месяц выпуска Год выпуска
Обозначение Маркировка Обозначение Маркировка Обозначение Маркировка Обозначение Маркировка
ян в. бежевая
А розовая фев. синяя 1977 бежевая
Б желтая март зеленая 1978 еалатовая
В синяя апр. красная 1979 оранжевая
Г бежевая май еалатовая 1980 электрик
Д оранжевая июнь серая 1981 бирюзовая
КТ3107 голубая Е электрик июль коричневая 1982 белая
Ж еалатовая авг. оранжевая 1983 красная
И зеленая сент. электрик 1984 коричневая
К красная окт. белая 1985 зеленая
Л серая ноябр. желтая 1986 голубая
декаб. голубая

Таблица 2.  Цветовая маркировка транзистора КТ3107 .

Рис. 2. Места цветовой и кодовой маркировки маломощных среднечастотных и высокочастотных транзисторов в корпусе КТ-26 (ТО-92).

Рис. 3. Места цветовой маркировки транзистора КТ3107 в корпусе КТ-26 (ТО-92).

Рис. 4. Места кодовой маркировки транзисторов в корпусе КТ-27 (ТО-126).

Таблица 3.  Цветовая и кодовая маркировки транзисторов.

Код Тип
4 КТ814
5 КТ815
6 КТ816
7 КТ817
8 КТ683
9 КТ9115
12 К. У112
40 КТ940
Год выпуска Код Месяц выпуска Код
1986 и Январь 1
1987 V Февраль 2
1988 W Март 3
1989 X Апрель 4
1990 А Май 5
1991 В Июнь 6
1992 С Июль 7
1993 D Август 8
1994 Е Сентябрь 9
1995 F Октябрь
1996 Н Ноябрь N
1997 1 Декабрь D
1998 К
1999 L
2000 М

Таблица 4. Кодовая маркировка мощных транзисторов.

Принцип работы транзистора

В современном значении транзистором называют полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им. У обычного полупроводникового триода имеется три вывода: база, на которую подаются сигналы управления, эмиттер и коллектор. Существуют также составные транзисторы большой мощности.

  • Устройство
  • Принцип действия
  • Классификация устройств
  • Устройство транзисторов
  • Принцип работы транзистора
  • Как работает транзистор — видео
  • Принцип работы биполярного транзистора
  • Типы полевых транзисторов
  • Режимы работы

Поражает шкала размеров полупроводниковых устройств – от нескольких нанометров (бескорпусные элементы, используемые в микросхемах), до сантиметров в диаметре мощных транзисторов, предназначенных для энергетических установок и промышленного оборудования. Обратные напряжения промышленных триодов могут достигать до 1000 В.

Устройство

Конструктивно триод состоит из полупроводниковых слоев, заключённых в корпусе. Полупроводниками служат материалы на основе кремния, германия, арсенида галлия и других химических элементов. Сегодня проводятся исследования, готовящие на роль полупроводниковых материалов некоторые виды полимеров, и даже углеродных нанотрубок.

Принцип действия

Основа работы прибора заключается в способности n-p перехода пропускать ток в одну сторону. При подаче напряжения на одном переходе возникает его прямое падение, а на другом обратное. Зона перехода с прямым напряжением обладает малым сопротивлением, а с обратным — большим. Между базой и эмиттером протекает небольшой ток управления. От значения этого тока изменяется сопротивление между коллектором и эмиттером.

Биполярный прибор бывает двух типов:

  • p-n-p;
  • n-p-n.

Отличие заключается лишь в основных носителях заряда, т. е. направлении тока.

Если соединить два полупроводника разного типа между собой, то на границе соединения возникает область или, как принято называть, p-n переход. Тип проводимости зависит от атомного строения материала, а именно насколько прочны связи в материале. Атомы в полупроводнике располагаются в виде решётки, и сам по себе такой материал не является проводником. Но если в решётку добавить атомы другого материала, то физические свойства полупроводника изменяются. Примешанные атомы образовывают, в зависимости от своей природы, свободные электроны или дырки.

Образованные свободные электроны формируют отрицательный заряд, а дырки — положительный. В области перехода существует потенциальный барьер. Он образуется контактной разностью потенциалов, и его высота не превышает десятые доли вольта, препятствуя протеканию носителей заряда вглубь материала. Если переход находится под прямым напряжением, то величина потенциального барьера уменьшается, а величина проходящего через него тока увеличивается. При прикладывании обратного напряжения, величина барьера увеличивается и сопротивление барьера прохождению тока возрастает. Понимая работу p-n перехода, можно разобраться, как устроен транзистор.

Классификация устройств

В первую очередь такие приборы разделяются на одиночные и составные. Существуют и так называемые комплексные радиоэлементы. Они имеют три вывода и выполненны, как единое целое. Такие сборки содержат как однотипные, так и разные по своему типу транзисторы.

Основное разделение приборов происходит по следующим признакам:

  1. Канальность. В зависимости от того, какие носители зарядов являются основными бывают p-типа и n-типа.
  2. Технологии изготовления. Выпускаются биполярными, полевыми, комбинированными.
  3. По типу полупроводника. В качестве материала для изготовления применяется кремний, германий и арсенид-галлия. В последнее время начали выпускаться транзисторы, использующие в качестве основы прозрачные полупроводники. Например, для построения дисплейных матриц. А также использующие в качестве материалов полимеры и углеродные нанотрубки.
  4. По рассеиваемой мощности. Разделяются на три типа: маломощные, средней мощности и мощные. Первые не превышают значения 0,1 Вт, вторые находятся в диапазоне 0,1−1 Вт, а к мощным относят все те, что превышают 1 Вт.
  5. По виду исполнению. Выделяют дискретные транзисторы, которые могут быть как корпусными, так и нет, и транзисторы, входящие в состав интегральных схем.

Устройство транзисторов

Наиболее популярный вид полупроводникового транзистора – биполярный.

В устройство транзистора этого типа входит монокристалл, разделенный на 3 зоны: база (Б), коллектор (К) и эмиттер (Э), каждая из которых имеет свой вывод.

  • Б – база, очень тонкий внутренний слой;
  • Э – эмиттер, предназначается для переноса заряженных частиц в базу;
  • К – коллектор, составляющая, которая имеет тип проводимости, одинаковый с эмиттером, предназначена для сбора зарядов, поступивших с эмиттера.

Типы проводимости:

  • n-типа — носителями зарядов являются электроны.
  • p-типа — носители зарядов – положительно заряженные «дырки».

Требуемый тип проводимости достигается путем легирования различных частей кремниевого монокристалла. Легирование – это добавление в состав материала различных примесей для улучшения физических и химических свойств этого материала. Транзисторы по типу проводимости раздаются на два типа: n-p-n и p-n-p.

Принцип работы транзистора

Транзистор работает в режимах «Открыто» и «Закрыто».

В таком транзисторе коллектор и эмиттер сильно легированы, база тонкая, содержит малое количество примесей.

Простое изложение принципа работы биполярного транзистора:

  • Подключение к зажимам одноименного напряжения к эмиттеру и базе (p подсоединяется к «+», а n – к «-») приводит к появлению тока между эмиттером и базой. В базе образуются носители зарядов. Чем выше напряжение, тем больше количество носителей зарядов появляется в базе. Ток, подаваемый на базу, называется управляющим.
  • Если к коллектору подключить обратное напряжение (n-коллектор подключается к плюсу, p-коллектор – к минусу), то между эмиттером и коллектором появится разница потенциалов, и между ними потечет ток. Чем больше носителей заряда скапливается в базе, тем сильнее будет ток между коллектором и эмиттером.
  • При увеличении управляющего напряжения на базе растет ток «эмиттер-коллектор». Причем несущественный рост напряжения приводит к значительному усилению тока «эмиттер-коллектор». Этот принцип используется при производстве усилителей.

Если к эмиттеру и базе подключают напряжение, противоположное по знаку, ток прекращается, и транзистор переходит в закрытое состояние.

Кратко принцип работы полупроводникового транзистора можно изложить так: при подключении к зажимам эмиттера и базы напряжения одноименного заряда прибор переходит в открытое состояние, при подключении к этим выводам обратных зарядов транзистор закрывается.

Как работает транзистор — видео

Принцип работы биполярного транзистора

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

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

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

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

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

-коэффициент усиления по току.

Его также обозначают как 

Исходы из выше сказанного транзистор может работать в четырех режимах:

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

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

Транзистор в ключевом режиме

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

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

На рисунке изображена схема работы транзистора в ключевом режиме.

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

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

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

Чтож, теперь давайте попробуем рассчитать значение базового резистора.

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

Т.е. I=U/R

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

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

Ток который нам нужен известен. Напряжение на базовом резисторе будет

Такое значение напряжения на резисторе получилось из-зи  того, что на переходе база-эмиттер высаживается 0,6В-0,7В и это надо не забывать учитывать.

В результате  мы вполне можем найти сопротивление резистора

Типы полевых транзисторов

1. С управляющим pn-переходом. В англоязычной литературе они обозначаются JFET или Junction FET, что можно перевести как «переходный полевой транзистор». Иначе они именуются JUGFET или Junction Unipolar Gate FET.

2. С изолированным затвором (иначе МОП- или МДП-транзисторы). По английски они обозначаются IGFET или Insulated Gate FET.

Внешне они очень похожи на биполярные, что подтверждает фото ниже.

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.

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 9 чел.
Средний рейтинг: 4.3 из 5.

Устройство и принцип работы транзистора биполярного

Транзистор (полупроводниковый триод) — это радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала (обычно с тремя выводами), способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет использовать его для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов.

Биполярные транзисторы являются более распространенным типом. К его базе подается небольшой ток, а он в свою очередь, управляет количеством тока, протекающего между коллектором и эмиттером. В данном обзоре будет подробно рассмотрены принцип работы и устройство такого транзистора. Детально разобравшись, как работает полупроводниковый триод, вы без труда разберетесь в терминологии и поймете всю суть процессов.

Устройство биполярного транзистора

Транзисторы — это довольно сложные устройства. Для лучшего понимания рассмотрим только наиболее простой тип радиоэлектронного компонента, с которыми радиолюбителям приходится сталкиваться чаще всего.

В устройство биполярного транзистора входит монокристалл, разделенный на три зоны, имеющие свой вывод:

Б – база, очень тонкий внутренний слой.
Э – эмиттер, предназначается для переноса заряженных частиц в базу.
К – коллектор, составляющая, которая имеет тип проводимости, одинаковый с эмиттером, предназначена для сбора зарядов, поступивших с эмиттера.

Расшифруем все эти определения и более детально погрузимся в мир транзисторов, изготовленных из полупроводника кремния (Si):

Каждый атом кремния образует связи с четырьмя соседними атомами кремния. Кремний имеет 4 электрона в своей валентной оболочке. И каждый электрон становится общим с соседним атомом кремния. Рассмотренная связь называется ковалентной.

Чистый кремний характеризуется низкой электропроводностью. И чтобы кремний смог проводить электричество, электроны должны поглотить некоторое количество энергии и стать свободными электронами.

Легирование кремниевой пластины

Метод легирования применяется для улучшения электропроводности полупроводников. Например вводится пяти валентный фосфор (P) или сурьма (Sb) — один электрон окажется свободным и сможет перемещаться в системе. Данный метод называется легирование донорной примесью или примесью n типа. Если ввести трех валентный бор (B), образуется свободное место (дырка), которое может занять электрон. Соседний электрон может занять дырку в любой момент. Такое движение электронов может быть представлено в виде движения дыр в противоположном направлении. Это называется легированием акцепторной примесью или примесью p типа.

Выполнив легирование кремниевой пластины данными способами получается транзистор, у которого имеются следующие типы проводимости:

  • n тип — носителями зарядов являются электроны.
  • p тип — носителями зарядов являются положительно заряженные дыры.

Транзисторы по типу проводимости раздаются на два типа: n-p-n и p-n-p:

Разобравшись с легированием кремниевой пластины и определившись с типами проводимости, можно переходить к рассмотрению принципа работы транзистора.

Принцип работы транзистора

Чтобы понять, как работает транзистор, нужно разобраться в том, что происходит с электронами его базового элемента (диода). Диод образуется если легировать одну часть кремния примесью p типа, а другую примесью n типа. На границе этих частей будет происходить следующее:

Многочисленные электроны n стороны будут стремиться занять дырки, находящиеся на p стороне. При этом граница p стороны будет иметь небольшой отрицательный заряд, в то время как с n стороны заряд будет положительным.
Электрическое поле, образующееся в результате этого процесса будет препятствовать дальнейшему естественному перемещению электронов.
Если к диоду подключить определенным образом внешний источник энергии, то электроны и дырки будут к нему притягиваться, и в данном случае протекание тока не возможно.
Однако если поменять стороны подключения источника энергии, ситуация изменится.
Предположим источник энергии имеет напряжение достаточное для того, чтобы преодолеть потенциальный барьер. Сразу можно заметить, что электроны будут отталкиваться отрицательным полюсом. Когда электроны пересекают потенциальный барьер, они теряют энергию и легко занимают дырки в p области. Но из-за притяжения к положительному полюсу эти электроны теперь могут перемещаться к соседним дыркам в p области и двигаться по внешнему контуру. Данное явление называется прямым смещением диода.

Зная вышеописанный принцип работы, можно легко понять как работает транзистор. Ведь фактически транзистор — это два зеркально соединенных диода с очень тонким и слаболегированным p слоем. Поэтому, как бы не был подключен источник питания, один диод будет всегда обратно смещенным и будет препятствовать прохождению тока. Это означает, что транзистор находится в закрытом состоянии. Посмотрим как это выглядит на схеме:

Транзистор находится в закрытом состоянии

Подключим второй источник энергии (смотреть схему). Напряжение его должно быть достаточным, чтобы преодолеть потенциальный барьер. Получаем обычный диод с прямым смещением, и большое количество электронов будет перемещаться из n области. Некоторые электроны займут свободные дырки и перемещаясь по соседним свободным дыркам будут двигаться к базе. Но электронов, перемещающихся в p область гораздо больше. И оставшиеся электроны будут притягиваться к положительному полюсу первого источника энергии и станут перемещаться далее.

Схема подключения второго источника энергии:

Принцип работы транзистора

Стоит обратить внимание на то, что p область транзистора очень узкая, и гарантирует отсутствие потока оставшихся электронов к положительному полюсу второго источника энергии. То есть слабый базовый ток усиливается к коллектору. Если увеличить базовый ток, то коллекторный ток увеличится пропорционально. Это простой пример усиления тока при помощи биполярного транзистора (β = Ic ⁄ Ib).

Материалы корпуса транзисторов

Транзисторы небольшой мощности изготавливают в прямоугольных корпусах из полимерных материалов или в металлических (цилиндрической формы). Можно найти десятки разных типов транзисторных корпусов совершенно отличных форм и размеров.

Сам полупроводник, основа транзистора, имеет размер песчинки или даже меньший. К нему практически невозможно подпаять провода, поэтому кристалл помещают в более просторный корпус из металла или пластика.

Рассмотрев принцип работы транзистора, можно отметить что несмотря на довольно простое устройство, данный полупроводниковый компонент играет важную роль в схемотехнике.

Как работает транзистор [ПРОСТО И КРАТКО]

Устройство транзисторов

Наиболее популярный вид полупроводникового транзистора – биполярный. В устройство транзистора этого типа входит монокристалл, разделенный на 3 зоны: база (Б), коллектор (К) и эмиттер (Э), каждая из которых имеет свой вывод.

  • Б – база, очень тонкий внутренний слой;
  • Э – эмиттер, предназначается для переноса заряженных частиц в базу;
  • К – коллектор, составляющая, которая имеет тип проводимости, одинаковый с эмиттером, предназначена для сбора зарядов, поступивших с эмиттера.

Типы проводимости:

  • n-типа — носителями зарядов являются электроны.
  • p-типа — носители зарядов – положительно заряженные «дырки».

Требуемый тип проводимости достигается путем легирования различных частей кремниевого монокристалла. Легирование – это добавление в состав материала различных примесей для улучшения физических и химических свойств этого материала. Транзисторы по типу проводимости раздаются на два типа: n-p-n и p-n-p.

Биполярные транзисторы

Так называется наиболее распространенный тип транзистора. Они делятся на npn и pnp типы. Материалом для них наиболее часто является кремний или германий. Поначалу транзисторы делались из германия, но они были очень чувствительны к температуре. Кремниевые приборы гораздо более стойки к ее колебаниям и дешевле в производстве.

Различные биполярные транзисторы показаны на фото ниже.

Принцип работы транзистора

Транзистор работает в режимах «Открыто» и «Закрыто». Рассмотрим, как работает транзистор биполярного типа на уровне «чайников», и на каких физических процессах основано его функционирование. В таком транзисторе коллектор и эмиттер сильно легированы, база тонкая, содержит малое количество примесей.

Простое изложение принципа работы биполярного транзистора:

  • Подключение к зажимам одноименного напряжения к эмиттеру и базе (p подсоединяется к «+», а n – к «-») приводит к появлению тока между эмиттером и базой. В базе образуются носители зарядов. Чем выше напряжение, тем больше количество носителей зарядов появляется в базе. Ток, подаваемый на базу, называется управляющим.
  • Если к коллектору подключить обратное напряжение (n-коллектор подключается к плюсу, p-коллектор – к минусу), то между эмиттером и коллектором появится разница потенциалов, и между ними потечет ток. Чем больше носителей заряда скапливается в базе, тем сильнее будет ток между коллектором и эмиттером.
  • При увеличении управляющего напряжения на базе растет ток «эмиттер-коллектор». Причем несущественный рост напряжения приводит к значительному усилению тока «эмиттер-коллектор». Этот принцип используется при производстве усилителей.

Если к эмиттеру и базе подключают напряжение, противоположное по знаку, ток прекращается, и транзистор переходит в закрытое состояние.

Кратко принцип работы полупроводникового транзистора можно изложить так: при подключении к зажимам эмиттера и базы напряжения одноименного заряда прибор переходит в открытое состояние, при подключении к этим выводам обратных зарядов транзистор закрывается.

Характеристики

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

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

У всех транзисторов есть следующие параметры:

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

У биполярных:

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

Режимы работы

В целом, можно выделить несколько режимов работы:

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

Зачем нужен транзистор?

У меня часто возникает вопрос: зачем нам транзистор? Почему бы не подключить светодиод и резистор напрямую к батарее?

Преимущество транзистора заключается в том, что вы можете использовать небольшой ток или напряжение для управления гораздо большим током и напряжением.

Это очень полезно, если вы хотите управлять такими вещами, как двигатели, мощные светодиоды, динамики, реле и многое другое при помощи микроконтроллера / Raspberry Pi / Arduino. Выход микроконтроллера может обеспечить всего несколько миллиампер при напряжении 5 В. Поэтому, если вы хотите управлять, например уличным освещением 230 В, вы не можете сделать это напрямую микроконтроллером

Вместо этого вы можете использовать реле. Но даже реле обычно требует большего тока, чем может обеспечить выход микроконтроллера. Поэтому вам понадобится транзистор для управления реле:

Немного о транзисторах…

Пожалуй, сегодня сложно представить себе современный мир без транзисторов, практически в любой электронике, начиная от радиоприёмников и телевизоров, заканчивая автомобилями, телефонами и компьютерами, так или иначе, они используются.

Различают два вида транзисторов: биполярные и полевые. Биполярные транзисторы управляются током, а не напряжением. Бывают мощные и маломощные, высокочастотные и низкочастотные, p-n-p и n-p-n структуры… Транзисторы выпускаются в разных корпусах и бывают разных размеров, начиная от чип SMD (на самом деле есть намного меньше чем чип) которые предназначены для поверхностного монтажа, заканчивая очень мощными транзисторами. По рассеиваемой мощности различают маломощные до 100 мВт, средней мощности от 0,1 до 1 Вт и мощные транзисторы больше 1 Вт.

Когда говорят о транзисторах, то обычно имеют в виду биполярные транзисторы. Биполярные транзисторы изготавливаются из кремния или германия. Биполярными они названы потому, что их работа основана на использовании в качестве носителей заряда как электронов, так и дырок. Транзисторы на схемах обозначаются следующим образом:

Одну из крайних областей транзисторной структуры называют эмиттером. Промежуточную область называют базой, а другую крайнюю — коллектором. Эти три электрода образуют два p-n перехода: между базой и коллектором — коллекторный, а между базой и эмиттером — эмиттерный. Как и обычный выключатель, транзистор может находиться в двух состояниях — во «включенном» и «выключенном». Но это не значит, что они имеют движущиеся или механические части, переключаются они из выключенного состояния во включенное и обратно с помощью электрических сигналов.

Транзисторы предназначены для усиления, преобразования и генерирования электрических колебаний. Работу транзистора можно представить на примере водопроводной системы. Представьте смеситель в ванной, один электрод транзистора — это труба до краника (смесителя), другой (второй) – труба после краника, там где у нас вытекает вода, а третий управляющий электрод – это как раз краник, которым мы будем включать воду. Транзистор можно представить как два последовательно соединенных диода, в случае NPN аноды соединяются вместе, а в случае PNP – соединяются катоды.

Различают транзисторы типов PNP и NPN, PNP транзисторы открываются напряжением отрицательной полярности, NPN — положительной. В NPN транзисторах основные носители заряда — электроны, а в PNP — дырки, которые менее мобильны, соответственно NPN транзисторы быстрее переключаются.

Uкэ = напряжение коллектор-эмиттер Uбэ = напряжение база-эмиттер Ic = ток коллектора Iб = ток базы

В зависимости от того, в каких состояниях находятся переходы транзистора, различают режимы его работы. Поскольку в транзисторе имеется два перехода (эмиттерный и коллекторный), и каждый из них может находиться в двух состояниях: 1) открытом 2) закрытом. Различают четыре режима работы транзистора. Основным режимом является активный режим, при котором коллекторный переход находится в закрытом состоянии, а эмиттерный – в открытом. Транзисторы, работающие в активном режиме, используются в усилительных схемах. Помимо активного, выделяют инверсный режим, при котором эмиттерный переход закрыт, а коллекторный — открыт, режим насыщения, при котором оба перехода открыты, и режим отсечки, при котором оба перехода закрыты.

При работе транзистора с сигналами высокой частоты время протекания основных процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. В результате способность транзистора усиливать электрические сигналы с ростом частоты ухудшается.

Некоторые параметры биполярных транзисторов

Постоянное/импульсное напряжение коллектор – эмиттер. Постоянное напряжение коллектор – база. Постоянное напряжение эмиттер – база. Предельная частота коэффициента передачи тока базы Постоянный/импульсный ток коллектора. Коэффициент передачи по току Максимально допустимый ток Входное сопротивление Рассеиваемая мощность. Температура p-n перехода. Температура окружающей среды и пр…

Граничное напряжение Uкэо гр. является максимально допустимым напряжение между коллектором и эмиттером, при разомкнутой цепи базы и токе коллектора. Напряжение на коллекторе, меньше Uкэо гр. свойственны импульсным режимам работы транзистора при токах базы, отличных от нуля и соответствующих им токах базы (для n-p-n транзисторы ток базы >0, а для p-n-p наоборот, Iб<0).

К биполярным транзисторам могут быть отнесены однопереходные транзисторы, таковым является например КТ117. Такой транзистор представляет собой трехэлектродный полупроводниковый прибор с одним р-n переходом. Однопереходный транзистор состоит из двух баз и эмиттера.

В последнее время в схемах часто стали применять составные транзисторы, называют их парой или транзисторами Дарлингтона, они обладают очень высоким коэффициентом передачи тока, состоят они из двух или более биполярных транзисторов, но выпускаются и готовые транзисторы в одном корпусе, таким является например TIP140. Включаются они с общим коллектором, если соединить два транзистора, то они будут работать как один, включение показано на рисунке ниже. Применение нагрузочного резистора R1 позволяет улучшить некоторые характеристики составного транзистора.

Некоторые недостатки составного транзистора: низкое быстродействие, особенно перехода из открытого состояния в закрытое. Прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер почти в два раза больше чем в обычном транзисторе. Ну и само собой, потребуется больше места на плате.

Проверка биполярных транзисторов

Поскольку транзистор состоит из двух переходов, причем каждый из них представляет собой полупроводниковый диод, проверить транзистор можно так же, как проверяют диод. Проверка транзистора обычно осуществляется омметром, проверяют оба p-n перехода транзистора: коллектор – база и эмиттер – база. Для проверки прямого сопротивления переходов p-n-p транзистора минусовой вывод омметра подключается к базе, а плюсовой вывод омметра – поочередно к коллектору и эмиттеру. Для проверки обратного сопротивления переходов к базе подключается плюсовой вывод омметра. При проверке n-p-n транзисторов подключение производится наоборот: прямое сопротивление измеряется при соединении с базой плюсового вывода омметра, а обратное сопротивление – при соединении с базой минусового вывода. Транзисторы так же можно прозванивать цифровым мультиметром в режиме прозвонки диодов. Для NPN красный щуп прибора «+» присоединяем к базе транзистора, и поочередно прикасаемся черным щупом «-» к коллектору и эмиттеру. Прибор должен показывать некоторое сопротивление, примерно от 600 до 1200. Затем меняем полярность подключения щупов, в этом случае прибор ничего не должен показывать. Для структуры PNP порядок проверки будет обратным.

MOSFET транзисторы

Несколько слов хочу сказать про MOSFET транзисторы (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor), (Метал Оксид Полупроводник (МОП)) – это полевые транзисторы, не путать с обычными полевиками! У полевых транзисторов три вывода: G — затвор, D — сток, S – исток. Различают N канальный и Р, в обозначении данных транзисторов имеется диод Шоттки, он пропускает ток от истока к стоку, и ограничивает напряжение сток – исток.

Применяются они в основном для коммутации больших токов, управляются они не током, как биполярные транзисторы, а напряжением, и как правило, имеет очень малое сопротивление открытого канала, сопротивление канала величина постоянная и не зависит от тока. MOSFET транзисторы специально разработаны для ключевых схем, можно сказать как замена реле, но в некоторых случаях можно и усиливать, применяются в мощных усилителях НЧ.

Плюсы у данных транзисторов следующие: Минимальная мощность управления и большой коэффициент усиления по току Лучшие характеристики, например большая скорость переключения. Устойчивость к большим импульсам напряжения. Схемы, где применяются такие транзисторы, обычно более простые.

Минусы: Стоят дороже, чем биполярные транзисторы. Боятся статического электричества. Наиболее часто для коммутации силовых цепей применяют MOSFET с N-каналом. Напряжение управления должно превышать порог 4 В, вообще, необходимо 10-12 В для надежного включения MOSFET. Напряжение управления — это напряжение, приложенное между затвором и истоком для включения MOSFET транзистора.

Рекомендации по эксплуатации транзисторов

Значения большинства параметров транзисторов зависят от реального режима работы и температуры, причем с увеличением температуры параметры транзисторов могут меняться. В справочнике приведены, как правило, типовые (усредненные) зависимости параметров транзисторов от тока, напряжения, температуры, частоты и т. п.

Для обеспечения надежной работы транзисторов необходимо принимать меры, исключающие длительные электрические нагрузки, близкие к предельно допустимым, например заменять транзистор на аналогичный но меньшей мощности не стоит, это касается не только мощностей, но и других параметров транзистора. В некоторых случаях для увеличения мощности транзисторы можно включать параллельно, когда эмиттер соединяется с эмиттером, коллектор с коллектором и база – с базой. Перегрузки могут быть вызваны разными причинами, например от перенапряжения, для защиты от перенапряжения часто применяют быстродействующие диоды.

Что касается нагрева и перегрева транзисторов, температурный режим транзисторов не только оказывает влияние на значение параметров, но и определяет надежность их эксплуатации. Следует стремиться к тому, чтобы транзистор при работе не перегревался, в выходных каскадах усилителей транзисторы обязательно нужно ставить на большие радиаторы. Защиту транзисторов от перегрева нужно обеспечивать не только во время эксплуатации, но и во время пайки. При лужении и пайке следует принимать меры, исключающие перегрев транзистора, транзисторы во время пайки желательно держать пинцетом, для защиты от перегрева.

Теги:
  • Транзистор

Типы полевых транзисторов

По английски они обозначаются FETs – Field Effect Transistors, что можно перевести как «транзисторы с полевым эффектом». Хотя есть много путаницы в названиях для них, но встречаются в основном два основных их типа:

1. С управляющим pn-переходом. В англоязычной литературе они обозначаются JFET или Junction FET, что можно перевести как «переходный полевой транзистор». Иначе они именуются JUGFET или Junction Unipolar Gate FET.

2. С изолированным затвором (иначе МОП- или МДП-транзисторы). По английски они обозначаются IGFET или Insulated Gate FET.

Читать также: Вал со шпонкой чертеж

Внешне они очень похожи на биполярные, что подтверждает фото ниже.

Применение транзисторов в жизни

Транзисторы применяются в очень многих технических устройствах. Самые яркие примеры:

  • Усилительные схемы.
  • Генераторы сигналов.
  • Электронные ключи.

Будет интересно➡ Что такое светодиод

Во всех устройствах связи усиление сигнала необходимо. Во-первых, электрические сигналы имеют естественное затухание. Во-вторых, довольно часто бывает, что амплитуды одного из параметров сигнала недостаточно для корректной работы устройства.

Информация передаётся с помощью электрических сигналов. Чтобы доставка была гарантированной и качество информации высоким, нам необходимо усиливать сигналы. Транзисторы способны влиять не только на амплитуду, но и на форму электрического сигнала. В зависимости от требуемой формы генерируемого сигнала в генераторе будет установлен соответствующий тип полупроводникового прибора. Электронные ключи нужны для управления силой тока в цепи. В состав этих ключей входит множество транзисторов. Электронные ключи являются одним из важнейших элементов схем.

На их основе работают компьютеры, телевизоры и другие электрические приборы, без которых в современной жизни не обойтись.


Эволюция транзистора

Биполярный СВЧ-транзистор [ править | править код ]

Биполярные СВЧ-транзисторы (БТ СВЧ) служат для усиления колебаний с частотой свыше 0,3 ГГЦ [7] . 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 [8] . По методу формирования переходов БТ СВЧ являются эпитаксиально-планарными. Все БТ СВЧ, кроме самых маломощных, имеют многоэмиттерную структуру (гребёнчатую, сетчатую) [9] . 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) [10] . Выпускается большое число узкоспециализированных типов БТ СВЧ [10] .

Страшное слово – Транзистор

Ну вот, собственно, миновав семь скучных и бесполезных глав о всякой муре =), мы дошли-таки до самого интересного и захватывающего. До транзистора.

Современная электроника не смогла бы существовать, если бы не этот элемент! Ведь даже самая навороченная микросхема, где-то в глубине своей силиконовой души состоит из тех же самых транзисторов. Только – очень маленьких.

Транзистор – это усилительный элемент. Он усиливает слабую энергию подаваемого на него сигнала за счет энергии дополнительного источника питания.

Поясняю. Все мы ездили хоть раз на поезде, на электричке или, хотя бы, на трамвае. Когда поезд тормозит, всегда слышно характерное шипение. Это работает пневматический привод тормозов. Иными словами, сжатый воздух идет от бака к тормозам. Тормозные колодки подключены к поршню. Когда на поршень начинает давить сжатый воздух – поршень движется вперед и прижимает колодки плотно к колесу. Поезд тормозит… А отчего воздух начинает поступать на поршень? Вероятно, так хочет машинист. Он открывает у себя в кабине вентиль, и воздух идет. Все до неприличия просто!

Небольшая поясняющая картинка:

Теперь зададимся вопросом, а смог бы машинист остановить поезд, если бы тормозной рычаг был непосредственно связан с тормозными колодками? Наверно, нет. Каким бы качком он не был, остановить поезд человеку не под силу. А сжатый воздух делает это запросто, достаточно лишь открыть вентиль.

Посмотрим, что получилось: машинист тратит маленькую энергию на то, чтоб нажать тормозной рычаг. Открывается клапан, и мощный поток сжатого воздуха, с много большей энергией, прижимает тормозные колодки. То есть, клапан можно назвать усилительным элементом, который усиливает слабую энергию, затрачиваемую человеком за счет сильной энергии сжатого воздуха.

Смею Вас заверить, в транзисторе все абсолютно так же. Только через него проходит не сжатый воздух, а электрический ток. У транзистора три вывода: коллектор, эмиттер и база.

Между коллектором и эмиттером течет сильный ток, он называется коллекторный ток (Iк), между базой и эмиттером – слабый управляющий ток базы (Iб). Величина коллекторного тока зависит от величины тока базы, так же как и напор сжатого воздуха зависит от того, насколько открыт клапан. Причем, коллекторый ток всегда больше тока базы в определенное количество раз. Эта величина называется коэффициент усиления по току, обозначается h31э

. У различных типов транзисторов это значение колеблется от единиц до сотен раз.

Итак, коэффициент усиления по току – это отношение коллекторного тока к току базы:

Для того, чтобы вычислить коллекторный ток, нужно умножить ток базы на коэффициент усиления:

В этой схеме транзистор управляет яркостью свечения лампочки. Иными словами, он регулирует ток, протекающий через лампочку. Поскольку лампочка подключена к коллектору транзистора, то и ток, текущий через нее является током коллектора.

Управляющий ток базы ограничивается резистором R1. Зная этот ток и коэффициент усиления транзистора (h31э), можно легко узнать ток коллектора. С другой стороны, зная, какой нам нужен ток коллектора, мы всегда можем вычислить ток базы и подобрать соответствующий резистор.

Пусть наша лампочка кушает ток 0,33 А, а транзистор имеет h31э = 100. Какой нужен ток базы, чтобы лампочка горела в полный накал? И каким при этом будет сопротивление R1?

Полный накал – это когда ток потребления равен номинальному. Номинальный – 0,33 А. Таким образом, необходимый ток коллектора – 0,33 А. Ток базы должен быть меньше коллекторного в h31э раз. То есть – в 100 раз. То есть, он должен быть равен 0,33/100 = 0,0033А = 3,3 мА. Ура, решили.

Теперь осталось вычислить сопротивление резистора в цепи базы. Вычисляем (по закону Ома):

U – нам известно – это напряжение питания, 9В I – только что нашли – 0,0033 А

Арифметика, 2 класс: R = 9/0,0033 = 2700 Ом = 2,7 кОм.

Ответ: сопротивление резистора = 2,7 кОм

Просто? Еще бы! Но – не обольщайтесь. Дальше – хуже! =)

В следующих нескольких параграфах мы поговорим о вещах, отвлеченных от транзистора. Но после этого, обязательно к нему вернемся, уже с новыми интересными знаниями. И сможем уже более широко использовать этот элемент.

Полевые

Суть этого прибора заключается в управлении параметрами электрического сигнала с помощью электрического поля. Оно появляется при подаче напряжения к какому-либо из выводов:

  • Затвор нужен для регулирования параметров сигнала, благодаря подаче напряжения на него.
  • Сток — вывод, через который из канала уходят носители заряда (дырки и электроны).
  • Исток — вывод, через который в канал приходят электроны и дырки.

Будет интересно➡ Что такое динистор?

Такой транзистор состоит из полупроводника с определённой проводимостью и двух областей, помещённых в него с противоположной проводимостью. При подаче напряжения на затвор между этими двумя областями появляется пространство, через которое протекает ток. Это пространство называется каналом. Ширина этого канала регулируется напряжением, которое мы подаём на затвор. Соответственно, можно увеличивать и уменьшать ширину канала и управлять протекающим током.


Транзистор.

Теперь поговорим о приборе с изолированным затвором. Разница в том, что в первом случае этот переход есть всегда, даже когда на затвор не подавалось напряжение. А при его подаче, переход и токопроводящий канал менялись в зависимости от полярности и амплитуды напряжения. Металлический затвор в таких транзисторах изолирован диэлектриком от полупроводниковой области. Их входное сопротивление гораздо больше.

Существует два вида приборов с изолированным затвором:

  • со встроенным каналом.
  • с индуцированным каналом.

Встроенный канал позволяет протекать электрическому току с определённой амплитудой. При подаче напряжения с определённой амплитудой и полярностью мы можем менять ширину канала и его проводимость. Этот канал встраивается в транзисторы на производственных предприятиях.

Индуцированный канал появляется между двумя областями, о которых мы говорили выше, только при подаче напряжения определённой полярности на затвор. То есть, когда на затвор напряжение не подаётся, ток в нем не протекает.

Все виды полевых транзисторов отличаются друг от друга по следующим параметрам:

  • Входное сопротивление.
  • Амплитуда напряжения.
  • Полярность.

Каждый из этих видов полевых транзисторов необходим для сборки определённых электрических и логических схем. Так как для реализации двух разных устройств необходимо разные электрические параметры.

Транзистор – прибор, предназначенный для управления током в электрической цепи. Применяется практически во всех моделях видео- и аудио аппаратуры. Полупроводниковые транзисторы пришли на смену морально устаревшим ламповым, которые устанавливались в старые телевизоры. Для изготовления полупроводниковых моделей ранее использовался германий, но сферы его применения ограничены из-за чувствительности к температурным колебаниям. На смену германию пришел кремний, т. к. кремниевые детали стоят дешевле германиевых и более устойчивы к скачкам температуры. Транзисторы небольшой мощности изготавливают в прямоугольных корпусах из полимерных материалов или в металлических цилиндрических. В этой статье мы постараемся простыми словами изложить, что такое транзистор, как он устроен и что делает.

Транзисторы

Принцип работы транзистора (подробный, понятный, иллюстрированный)

Во-первых, многие новички подумают, что триод представляет собой простую комбинацию двух PN-переходов (см. Рисунок 1). Эта идея неверна, комбинация двух диодов не может образовать триод. В качестве примера мы возьмем NPN-транзистор (см. Рис. 2). Два PN-перехода имеют общую P-область — базовую область. Базовая область чрезвычайно тонкая, всего от нескольких микрон до десятков микрон. PN-переход органически объединен в неделимое целое, и между ними существует взаимная связь и взаимодействие, что делает транзистор полностью отличным от характеристик двух отдельных PN-переходов. Под действием приложенного напряжения триод формирует базовый ток, ток коллектора и ток эмиттера и становится устройством усилителя тока.

 

 

 

 

Эффект усиления тока двух и трех транзисторов связан с их физической структурой.Физический процесс, выполняемый внутри транзистора, очень сложен, и новичкам пока не нужно его исследовать. С точки зрения применения, транзистор можно рассматривать как распределитель тока. После создания триода обычно определяется пропорциональная зависимость между его тремя токами (см. Рисунок 3), которая выражается формулой:

 

 

Β и α называются коэффициентами распределения тока триода, среди которых значение β знакомо каждому, и они называются коэффициентами усиления тока. Изменяется один из трех токов, а два других изменяются пропорционально. Например, величина изменения базового тока ΔI b = 10 мкА и β = 50. Согласно реляционному выражению ΔI c = βΔI b, величина изменения тока коллектора ΔI c = 50 × 10 = 500 мкА достигает усиления тока.
     
Сам триод не может превратить малый ток в большой ток, он просто играет управляющую роль, управляет источником питания в цепи и обеспечивает I b для триода в определенной пропорции. Три течения I c и I e. Чтобы было легче понять, давайте использовать воду в качестве метафоры для электричества (см. Рисунок 4). Это две толстые и тонкие водопроводные трубы. Толстая труба оснащена затвором. Затвор контролируется количеством воды в тонкой трубе. Если в тонкой трубе нет потока воды, затвор в толстой трубе закроется. Чем больше воды впрыскивается в тонкую трубу, тем больше будет открываться затвор, и тем больше воды будет течь через толстую трубу соответственно, что отражает принцип «управления малым с большим и сильным со слабым». Из рисунка видно, что вода в тонкой трубе и вода в толстой трубе сливаются в трубе на нижнем конце. Основание b, коллектор c и эмиттер e триода соответствуют тонкой трубе, толстой трубе и трубе толстой толщины на рисунке 4. Схема показана на рисунке 5. Если на транзистор подается определенное напряжение, то будут генерироваться токи I b, I c и I e. Регулировка потенциометра RP изменяет базовый ток I b, и I c изменяется соответственно. Так как I c = βI b, маленький I b контролирует I c, который в β раз больше его. I c не генерируется триодом, он обеспечивается источником питания V CC под управлением I b, поэтому триод играет роль преобразования энергии.

 


4. Как показано на рисунке 5, при условии β = 100 и RP = 200 К триода, Ib = 6 В / (200 к + 100 К) = 0,02 мА, Ic = βI b = 2 мА
Когда RP = 0, Ib = 6 В / 100 к = 0,06 мА, Ic = βI b = 2 мА. Вышеуказанные два состояния соответствуют Ic = βI b. Мы говорим, что триод находится в «области усиления». Предположим, что RP = 0, Rb = 1k, в это время Ib = 6v / 1k = 6 мА рассчитывается в соответствии с Ic = βI b, Ic должен быть равен 600 мА, фактически из-за наличия резистора, ограничивающего ток 300 Ом (Rc) на рисунке, фактический Ic = (6v / 300) ≈ 20 мА, в это время Ic ≠ βI b, и Ic больше не контролируется Ib, то есть в «области насыщения», когда RP и Rb достаточно велики, чтобы Ube <напряжение мертвой зоны (Кремниевая трубка составляет около 0,5 В, германиевая трубка составляет около 0,3). В это время соединение be находится в непроводящем состоянии. Если Ib = 0, то Ic = 0, и оно находится в «области отсечки».

 

 
5. С точки зрения «увеличения» мы надеемся, что чем больше значение β, тем лучше. Однако, когда триод подключен к общей схеме усилителя эмиттера (рис. 6), ток ток утечки всегда генерируется из коллектора c в эмиттер e трубки, который называется током проникновения I ceo, и его размер аналогичен значению β. Прямо пропорционально, чем больше значение β, тем больше I ceo. I ceo Этот паразитный ток не контролируется I b, но становится частью тока коллектора I c, I c = βI b + I ceo. Стоит отметить, что I-СЕО имеет тесную связь с температурой: с повышением температуры I-СЕО резко увеличивается, что нарушает стабильность работы схемы усилителя. Следовательно, при выборе триода, чем больше β, тем лучше, обычно β составляет от 40 до 150 для силиконовой трубки и от 40 до 80 для германиевой трубки.

 

 

 

6. При комнатной температуре ток проникновения германиевой трубки относительно велик, обычно от десятков микроампер до нескольких сотен микроампер, а ток проникновения кремниевой трубки относительно невелик, как правило, всего от нескольких десятков микроампер до нескольких микроампер. Хотя I ceo невелик, он тесно связан с температурой, они следуют так называемому «правилу удвоения». Это означает, что на каждые 10 ° C повышение температуры I ceo примерно удваивается. Например, определенная германиевая трубка имеет I ceo 20 мкА при нормальной температуре 20 ° C. Когда температура матрицы поднимается до 50 ° C во время использования, I ceo увеличивается примерно до 160 мкА. Схема измерения I ceo очень проста (рис. 7). База триода разомкнута, а источник питания V CC (6 В) подключен между коллектором и эмиттером. Указанное текущее значение — I ceo.

 

 

 

7. Строго говоря, бета-значение триода не является постоянной константой. При фактическом использовании при регулировке тока коллектора I триода значение β будет изменяться вместе с ним (рисунок 8). Вообще говоря, когда I c очень мало (например, несколько десятков микроампер) или очень велико (то есть близко к максимально допустимому току I CM коллектора), значение β относительно мало. Значения β относительно велики, поэтому при отладке схемы усилителя учащиеся должны определить соответствующий рабочий ток I c, чтобы получить наилучшее состояние усиления. Кроме того, значение β также тесно связано с температурой, как и другие параметры транзистора. По мере увеличения температуры значение β увеличивается соответственно. При каждом повышении температуры на 1 ° C значение β увеличивается на 0,5-1%.

 

 

Транзистор имеет предельный параметр, называемый максимально допустимым током коллектора, который выражается через I см. I CM часто называют номинальным током триода, поэтому люди часто ошибочно думают, что значение I CM превышено, и трубка перегорит из-за перегрева. Фактически, значение I CM определено, чтобы избежать чрезмерного уменьшения значения β, когда ток коллектора слишком велик. Обычно ток коллектора, когда значение β уменьшается примерно до половины его максимального значения, определяется как максимально допустимый ток коллектора I CM.

 

 

Коэффициент усиления тока транзистора также связан с рабочей частотой цепи. В определенном диапазоне частот можно считать, что значение β не изменяется с частотой (рисунок 9), но когда частота поднимается выше определенного значения, значение β, очевидно, будет уменьшаться. Чтобы гарантировать, что транзистор все еще обладает достаточной способностью усиления на высоких частотах, предусматривается, что когда частота увеличивается в 0,707 раза, а значение β падает до низкой частоты (1000 Гц) β 0, соответствующая частота называется частотой отсечки β. f β выражено. f β — максимально допустимая рабочая частота, когда триод подключен к общей цепи эмиттера.

Частота среза триода β f измеряется, когда триод подключен к общей схеме усилителя эмиттера. Если триод подключен к общей базовой цепи при увеличении частоты, коэффициент усиления тока α (α = I c / I e) уменьшается в 0,707 раза от значения низкой частоты (1000 Гц) α o. Соответствующая частота называется Частота отсечки α, выраженная как f α (рисунок 10). f α отражает ограничение частоты работы общей базы триода. В серии продуктов триода низкочастотная трубка и высокочастотная трубка часто делятся в соответствии с размером f α. Согласно национальным правилам, те, у которых f α <3 МГц, являются низкочастотными трубками, а те, у которых f α> 3 МГц, являются высокочастотными лампами.

 

 
Когда частота выше значения f β, частота будет продолжать увеличиваться, и значение β будет соответственно уменьшаться, пока β = 1, транзистор утратит свою способность усиления. По этой причине оговорено, что: в высокочастотных условиях частота, соответствующая β = 1, называется характеристической частотой и представляется как f T. f T часто используется в качестве важного параметра для обозначения частотных характеристик транзистора. При выборе триода характерная частота f T трубки должна быть в 3-5 раз выше, чем фактическая рабочая частота.
Физические значения f α и f β одинаковы, за исключением того, что методы подключения схем усилителя различны. Как теоретический анализ, так и эксперименты могут доказать, что значение f β одного и того же транзистора намного меньше значения f α.
f β =( 1 - α ) f α

Это показывает, что предельная рабочая частота общей эмиттерной цепи намного ниже, чем у общей базовой схемы. Поэтому в высокочастотных усилительных и колебательных цепях в основном используется общее базовое соединение.

Справочная статья: http://blog.163.com/[email protected]/blog/static/11977422201062643113845/

PNP транзистор. Устройство и принцип работы, схема подключения

Стоит отметить, что транзистор, в котором один полупроводник имеет n-тип и размещен между двумя полупроводниками p-типа, называют PNP-транзистор.

Данное устройство с управлением по току. Это означает, что ток базы контролирует ток эмиттера и коллектора. Транзистор PNP имеет два кристаллических диода, соединенных друг с другом. Левая сторона диода известна как диод на основе перехода эмиттер-база, а правая сторона диода известна как диод на основе коллекторного перехода.

Дырки являются основным носителем транзисторов PNP, которые составляют ток в нем. Ток внутри транзистора формируется изменением положения дырок, а на выводах — из-за потока электронов. Транзистор PNP включается, когда через базу протекает небольшой ток. Направление тока в PNP-транзисторе от эмиттера к коллектору.

Буква транзистора PNP указывает на напряжение, требуемое эмиттером, коллектором и базой. База транзистора PNP всегда была отрицательной по отношению к эмиттеру и коллектору. В PNP-транзисторе электроны перемещаются с базы. Ток, который входит в базу, усиливается на выводах коллектора.

Устройство PNP транзистора

Конструкция PNP-транзистора показана на рисунке ниже. Эмиттер-база соединены в прямом смещении, а коллектор-база соединены в обратном смещении. Эмиттер, который подключен в прямом смещении, притягивает электроны к базе и, следовательно, создается ток, протекающий по пути от эмиттера к коллектору.

База транзистора всегда остается положительной по отношению к коллектору, так что дырки не могут «мигрировать» от коллектора к базе. И переход база-эмиттер поддерживает ток, благодаря чему дырки из области эмиттера входят в базу, а затем в область коллектора, пересекая область истощения.

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор является одним из старейших, но самым известным типом транзисторов, и до сих пор находит применение в современной электронике. Транзистор незаменим, когда требуется управлять достаточно мощной нагрузкой, для которой устройство управления не может обеспечить достаточный ток. Они бывают разного типа и мощности, в зависимости от исполняемых задач. Базовые знания и формулы о транзисторах вы можете найти в этой статье.

Введение

Прежде чем начать урок, давайте договоримся, что мы обсуждаем только один тип способ включения транзистора. Транзистор может быть использован в усилителе или приемнике, и, как правило, каждая модель транзисторов производится с определенными характеристиками, чтобы сделать его более узкоспециализированым для лучшей работы в определённом включении.

Транзистор имеет 3 вывода: база, коллектор и эмиттер. Нельзя однозначно сказать какой из них вход, а какой выход, так как все они связаны и влияют друг на друга так или иначе. При включении транзистора в режиме коммутатора (управление нагрузкой) он действует так: ток базы контролирует ток от коллектора к эмиттеру или наоборот, в зависимости от типа транзистора.

Есть два основных типа транзисторов: NPN и PNP. Чтобы это понять, можно сказать, что основное различие между этими двумя типами это направления электрического тока. Это можно видеть на рисунке 1.А, где указано направление тока. В транзисторе NPN, один ток течет от основания внутрь транзистора, а другой ток течет от коллектора к эмиттеру, а в PNP транзисторе всё наоборот. С функциональной точки зрения, разница между этими двумя типами транзисторов это напряжение на нагрузке. Как вы можете видеть на рисунке, транзистор NPN обеспечивает 0В когда он открыт, а PNP обеспечивает 12В. Вы позже поймете, почему это влияет на выбор транзистора.

Для простоты мы будем изучать только NPN транзисторы, но всё это применимо к PNP, принимая во внимание, что все токи меняются на противоположные.

Рисунок ниже показывает аналогию между переключателем (S1) и транзисторным ключом, где видно, что ток базы закрывает или открывает путь для тока от коллектора к эмиттеру:

Точно зная характеристики транзистора, от него можно получить максимальную отдачу. Основным параметром является коэффициент усиления транзистора по постоянному току, который обычно обозначается Hfe или β. Также важно знать максимальный ток, мощность и напряжение транзистора. Эти параметры можно найти в документации на транзистор, и они помогут нам определить значение резистора на базе, о чем рассказано дальше.

Использование NPN транзистора как коммутатора

На рисунке показано включение NPN транзистора в качестве коммутатора. Вы встретите это включение очень часто при анализе различных электронных схем. Мы будем изучать, как запустить транзистор в выбранном режиме, рассчитать резистор базы, коэффициент усиления транзистора по току и сопротивление нагрузки. Я предлагаю самый простой и самый точный способ для этого.

1. Предположим, что транзистор находится в режиме насыщения: При этом математическая модель транзистора становится очень простой, и нам известно напряжение на точке Vc. Мы найдем значение резистора базы, при котором всё будет правильно.

2. Определение тока насыщения коллектора: Напряжение между коллектором и эмиттером (Vce) взято из документации транзистора. Эмиттер подключен к GND, соответственно Vce= Vc — 0 = Vc. Когда мы узнали эту величину, мы можем рассчитать ток насыщения коллектора по формуле:

Иногда, сопротивления нагрузки RL неизвестно или не может быть точным, как сопротивление обмотки реле; В таком случае, достаточно знать, необходимый для запуска реле ток. Убедитесь, что ток нагрузки не превышает максимальный ток коллектора транзистора.

3. Расчет необходимого тока базы: Зная ток коллектора, можно вычислить минимально необходимый ток базы для достижения этого тока коллектора, используя следующую формулу: Из неё следует что:

4. Превышение допустимых значений: После того как вы рассчитали ток базы, и если он оказался ниже указанного в документации, то можно перегрузить транзистор, путем умножения расчетного тока базы например в 10 раз. Таким образом, транзисторный ключ будет намного более устойчивым. Другими словами, производительность транзистора уменьшится, если нагрузка увеличится. Будьте осторожны, старайтесь не превышать максимальный ток базы, указанный в документации.

5. Расчёт необходимого значения Rb: Учитывая перегрузку в 10 раз, сопротивление Rb может быть рассчитано по следующей формуле: где V1 является напряжением управления транзистором (см. рис 2.а)

Но если эмиттер подключен к земле, и напряжение база-эмиттер известно (около 0,7В у большинстве транзисторов), а также предполагая, что V1 = 5V, формула может быть упрощена до следующего вида:

Видно, что ток базы умножается на 10 с учётом перегрузки. Когда значение Rb известно, транзистор «настроен» на работу в качестве переключателя, что также называется «режим насыщения и отсечки «, где «насыщение» — когда транзистор полностью открыт и проводит ток, а «отсечение» – когда закрыт и ток не проводит.

Примечание: Когда мы говорим , мы не говорим, что ток коллектора должен быть равным . Это просто означает, что ток коллектора транзистора может подниматься до этого уровня. Ток будет следовать законам Ома, как и любой электрический ток.

Расчет нагрузки

Когда мы считали, что транзистор находится в режиме насыщения, мы предполагали что некоторые его параметры не менялись. Это не совсем так. На самом деле эти параметры менялись в основном за счет увеличения тока коллектора, и поэтому он является более безопасным для перегрузки. В документации указано изменение параметров транзистора при перегрузке. Например, в таблице на рисунке 2.В показано два параметра которые значительно меняются:

HFE (β) меняется в зависимости от тока коллектора и напряжения VCEsat. Но VCEsat само меняется в зависимости от тока коллектора и базы, что показано в таблице дальше.

Расчет может быть очень сложным, так как все параметры тесно и сложно взаимосвязаны, поэтому лучше взять худшие значения. Т.е. наименьший HFE, крупнейший VCEsat и VCEsat.

Типичное применение транзисторного ключа

1. Управление реле

В современной электронике транзисторный ключ используется для контроля электромагнитных реле, которое потребляют до 200 мА. Если вы хотите управлять реле логической микросхемой или микроконтроллером то транзистор незаменим. На рисунке 3.A, сопротивления резистора базы рассчитывается в зависимости от необходимого для реле тока. Диод D1 защищает транзистор от импульсов, которые катушка генерирует при выключении.

2. Подключение транзистора с открытым коллектором:

Многие устройства, такие как семейство микроконтроллеров 8051 имеют порты с открытым коллектором. Сопротивление резистора базы внешнего транзистора рассчитывается, как описано в этой статье. Заметим, что порты могут быть более сложными, и часто используют полевые транзисторы вместо биполярных и называются выходами с открытым стоком, но всё остаётся точно таким же как на рисунке 3.B

3. Создание логического элемента ИЛИ-НЕ (NOR):

Иногда в схеме необходимо использовать один логический элемент, и вы не хотите использовать 14-контактную микросхему с 4 элементами либо из-за стоимости или местом на плате. Её можно заменить парой транзисторов. Отметим, что частотные характеристики таких элементов зависят от характеристик и типа транзисторов, но обычно ниже 100 кГц. Уменьшение выходного сопротивления (Ro) приведет к увеличению потребления энергии, но увеличит выходной ток. Вам надо найти компромисс между этими параметрами.

На рисунке выше показан логический элемент ИЛИ-НЕ построенный с использованием 2х транзисторов 2N2222. Это может быть сделано на транзисторах PNP 2N2907, с незначительными изменениями. Вы просто должны учитывать, что все электрические токи тогда текут в противоположном направлении.

Поиск ошибок в транзисторных схемах

При возникновении проблемы в цепях, содержащих много транзисторов, может быть весьма проблематично узнать, какой из них неисправен, особенно когда они все впаяны. Я даю вам несколько советов, которые помогут вам найти проблему в такой схеме достаточно быстро:

1. Температура: Если транзистор сильно греется, вероятно, где-то есть проблема. Необязательно что проблема в горячем транзисторе. Обычно дефектный транзистор даже не нагревается. Это повышение температуры может быть вызвано другим транзистором, подключенным к нему.

2. Измерение VCE транзисторов: Если они все одного типа и все работают, то они должны иметь приблизительно одинаковое VCE. Поиск транзисторов, имеющих различные VCE это быстрый способ обнаружения дефектных транзисторов.

3. Измерение напряжения на резисторе базы: Напряжение на резисторе базы достаточно важно (если транзистор включен). Для 5 В устройства управления транзистором NPN, падения напряжения на резисторе должно быть более 3В. Если нет падения напряжения на резисторе, то либо транзистор, либо устройство управления транзистора имеют дефект. В обоих случаях ток базы равен 0.

Оригинал статьи

Теги:
  • Перевод

Принцип работы PNP транзистора

Переход эмиттер-база соединен в прямом смещении, благодаря чему эмиттер выталкивает дырки в базу. Дырки и составляют ток эмиттера. Когда носители перемещаются в полупроводниковый материал или основу N-типа, они объединяются с электронами. База транзистора тонкая и слаболегированная. Следовательно, только несколько дырок в сочетании с электронами движутся в направлении слоя пространственного заряда коллектора. Отсюда получается ток базы.

Область основания коллектора соединена в обратном смещении. Дырки, которые накапливаются вокруг области истощения p-n перехода при воздействии отрицательной полярности, собираются или притягиваются коллектором. Таким образом создается ток коллектора. Полный ток эмиттера протекает через ток коллектора IC.

Arduino, DIY и немного этих ваших линуксов.

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

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

Биполярный транзистор

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

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

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

Работа биполярного транзистора

NPN и PNP биполярные транзисторы

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

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

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

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

Полевый транзистор

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

Полевые транзисторы имеют как минимум 3 вывода:

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

N канальные и P канальные полевые транзисторы

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

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

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

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

Схема усилителя.

В качестве эксперимента соберем простой усилитель на одном транзисторе и разберем его работу.

В коллекторную цепь транзистора VT1

включим высокоомный электромагнитный телефон
BF2
, между базой и минусом источника питания
GB
установим резистор

, и развязывающий конденсатор
Cсв
, включенный в базовую цепь транзистора.

Конечно, сильного усиления от такого усилителя мы не услышим, да и чтобы услышать звук в телефоне BF1

его придется очень близко преподнести к уху. Так как для громкого воспроизведения звука нужен усилитель как минимум с
двумя-тремя
транзисторами или так называемый
двухкаскадный
усилитель. Но чтобы понять сам принцип усиления, нам будет достаточно и усилителя, собранного на одном транзисторе или
однокаскадном
усилителе.

Усилительным каскадом

принято называть транзистор с резисторами, конденсаторами и другими элементами схемы, обеспечивающими транзистору условия работы как усилителя.

Какие бывают транзисторы

Мы не будем вводить вас в далекий экскурс с чего все начиналось, что электронные лампы были дедушками и бабушками современных транзисторов. Не будем рассказывать об электронной эмиссии. О том, что процесс в этих самых лампах схож с транзисторами. Не будем описывать и различия между ними. Мы сразу приступим к главному. Надеясь на то, что все мы пропустили хотя и останется темным пятном, но не станет обременяющим обстоятельством препятствующим пониманию того, как же все-таки работает транзистор. Итак, транзисторы бывают биполярные и полевые. Суть работы тех и других одинакова, разве что их кристаллы, вернее то как сращены разные типы кристаллов, различны.

В биполярных транзисторах это своеобразный гамбургер, если хотите пирог: p-n-p или n-p-n. То есть кристаллы с различной проводимостью напаяны последовательно друг за друга. Таким образуют они образуют своеобразный «бутерброд».

В полевых транзисторах есть также n кристалл и p кристалл, но они между спаяны не последовательно, а параллельно. При этом ток не проходит через разные типы проводимости кристаллов, а идет все время по одному типу. А запирается в этом случае проводимый кристалл с помощью электрического поля управляющего затвора. Отсюда и название полевой.

Еще транзисторы бывают низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные. А также могут работать с различными токами, но это все нюансы…

Как работают транзисторы – Concord Consortium

Микроэлектроника – это раздел электроники, изучающий очень маленькие электронные компоненты, схемы и системы. Основа информационных технологий, микроэлектроника, также занимает центральное место в нынешней нанотехнологической революции. Многие недавние инновации, такие как системы на кристалле, микроэлектромеханические системы, генные чипы и лаборатория на чипе, являются либо прямым следствием микроэлектроники, либо ее сочетанием с другими дисциплинами.

Несмотря на то, что курсы технологии и инженерии в средних школах и колледжах теперь включают микроэлектронику, преподавание этого предмета – непростая задача! Педагогическая проблема возникает потому, что микроэлектроника представляет собой синтез многих областей высокого уровня, включая физику твердого тела, квантовую механику, термодинамику, статистическую механику, электронику и обработку сигналов. В большинстве учебных материалов используются математические формулировки и дидактические инструкции. Хотя этот подход может сработать для продвинутых студентов колледжей, кривая обучения слишком крутая для большинства учащихся старших классов и колледжей.

Проект Electron Technologies, финансируемый NSF, исследует новые способы сделать микроэлектронику более доступной для более широкой аудитории. Наша стратегия использует компьютерное моделирование и визуализацию динамики электронов в микросистемах. Если видение — это вера, мы надеемся, что видение — это также и понимание, поскольку невидимый мир электронов становится видимым и динамичным.

В этом уроке мы представляем упражнение по изучению транзисторов, которое было создано с помощью нашей программы Molecular Workbench.

Важность транзисторов

Транзисторы являются строительными блоками цифровых электронных устройств. Работа вашего мобильного телефона, MP3-плеера и компьютера зависит от них. Транзисторы можно делать очень маленькими и массово производить с использованием передовой технологии микропроизводства. Если вы читаете электронную версию этой статьи, вы, вероятно, используете их миллионы — по состоянию на 2008 год микропроцессор Intel содержал почти 2 миллиарда транзисторов.

Изучение эффекта поля

Из курса физики учащиеся могли узнать: 1) электрические поля вызывают движение электронов и 2) изменение электрических зарядов может влиять на распределение электрических полей. Однако немногие студенты понимают, что электрические поля не только управляют электрическими токами, но и препятствуют им. Первая модель (рис. 1) в упражнении предназначена для демонстрации этих полевых эффектов.

Модель показывает поток электронов, представленный маленькими кружками со стрелками, указывающими их скорости вокруг отрицательно заряженного «острова», представленного большим серым кружком посередине. Студенты могут изменить общий заряд на острове и наблюдать, как это влияет на поток электронов. Из-за кулоновского отталкивания между электронами и островом вокруг острова есть область, в которую электронам вход воспрещен. Эта запрещенная зона показана в виде зеленого кружка с пунктирным контуром.

Рисунок 1. Этот интерактивный симулятор демонстрирует, как статическое электрическое поле препятствует прохождению электрического тока. Пунктирные линии — это линии траекторий некоторых электронов. Рисунок 2. На этой последовательности изображений показано, как выключается электрический ток в переходном полевом транзисторе.

Прежде чем приступить к работе с моделью, ответьте на следующие вопросы:

  • Что произойдет с запретной зоной, если количество заряда на «острове» увеличится или уменьшится?
  • Что произойдет, если остров переместится в другое место?

Размер запретной зоны определяет степень сужения и, следовательно, место, где может протекать электрический ток.

Эксперименты с полевым транзистором с переходом

Получив конкретное представление о полевом эффекте, учащиеся исследуют, как этот эффект можно использовать для включения и выключения электрического тока, подобно переключателю в полевом транзисторе с переходом (JFET) ( Фигура 2).

JFET состоит из объемного полупроводника, который обеспечивает носители заряда, истока, из которого втекают электроны, стока, через который вытекают электроны, и двух затворов, которые контролируют ток, протекающий от истока к стоку. Напряжение может быть приложено между затвором и истоком для создания эффекта поля. Когда напряжения нет или оно низкое, электроны текут через объемный полупроводник. Когда напряжение увеличивается, поток может быть затруднен. Когда напряжение достигает определенного значения, поток полностью перекрывается. Подобно садовому шлангу, который можно сжать, чтобы замедлить или остановить поток воды, JFET использует электрическое поле для достижения аналогичного эффекта.

Создание логических вентилей

В оставшейся части задания учащиеся изучают вентили И и вентили ИЛИ, построенные из двух полевых транзисторов, таким образом понимая, как можно использовать транзисторы для построения интегральных схем (чипов).

От микроэлектроники к наноэлектронике

Чем меньше один транзистор, тем больше мы можем встроить в чип и тем быстрее он будет выполнять вычисления. Последние четыре десятилетия стали свидетелями правления закона Мура в компьютерной индустрии, который гласит, что количество транзисторов на кристалле удваивается примерно каждые два года. Ожидается, что эта тенденция не прекратится еще как минимум десятилетие благодаря появлению наноэлектроники.

Когда транзисторы станут размером всего в несколько нанометров, мы вступим в область нанотехнологий. Науки быстро сходятся, смешиваются и объединяются на этом благодатном поле, которое вполне может стать главным локомотивом следующей промышленной революции. Сегодняшние учителя старших классов и колледжей должны готовить студентов к будущей профессии нанотехника.

Транзисторы: более пристальный взгляд — основы схем

В этой статье мы рассмотрим внутреннюю физику транзисторов.

На известной диаграмме, показывающей, как работает транзистор (рис. 1), «транзисторный человек» наблюдает за датчиком, измеряющим базовый ток (I B ), поступающий в транзистор. Затем он умножает ток базы на hFE транзистора и поворачивает потенциометр, чтобы установить ток коллектора (I C ) в соответствии со значением, определяемым выражением I C = hFE * I B .

Рисунок 1

Принцип работы транзисторов

Кремний — это полупроводниковый материал с четырьмя электронами на внешней электронной оболочке. Полупроводниковые свойства кремния можно улучшить, добавляя примеси, такие как фосфор или бор, в процессе, называемом легированием.

На рис. 2 ниже показан чистый кремний, четко связанный в кристаллической решетке. Точки — это электроны. На рис. 3 показана решетка при легировании кремния фосфором.

Атом фосфора имеет пять электронов, поэтому один электрон смещен. Этот электрон может свободно перемещаться в материале. Так изготавливаются полупроводниковые материалы N-типа. Приложение напряжения к материалу стимулирует поток электронов.

Рисунок 2 Рисунок 3 Рисунок 4

На рисунке 4 показано легирование бором, который имеет на один электрон меньше. Отсутствие электрона создает электронную дырку. Электронные дырки могут свободно перемещаться по решетке. Так изготавливаются полупроводниковые материалы P-типа.

В транзисторах эти полупроводниковые материалы N- и P-типа соединены вместе, что позволяет контролировать направление и протекание электрического тока.

Биполярный NPN-транзистор, показанный ниже, использует как электроны, так и электронные дырки в качестве носителей заряда:

Нижние P- и N-переходы расположены вместе. Верхняя секция N-типа имеет сильнолегированную и слаболегированную области. Сильно легированная секция подключена к выводу коллектора, секция P подключена к базе, а нижняя секция N подключена к эмиттеру.

Когда слои N- и P-типа соединены вместе таким образом, все свободные электроны в материале N-типа пересекают соединение и собираются на дне материала P-типа, заполняя электронные дыры:

Электронные дыры также образуются в нижнем N-слое, образуя так называемую обедненную область. Точно так же в верхнем слое N-типа также появляется обедненная область, что эффективно делает его высокоустойчивым.

Как показано на диаграмме ниже, поскольку у нас небольшой ток в базе и большой ток в коллекторе, мы фактически получаем усиление по току. Так работает BJT или биполярный транзистор. Версии NPN и PNP точно такие же, за исключением того, что все слои и приложенные напряжения меняются местами:

Предположим, что к базе приложено медленно возрастающее положительное напряжение. В этом случае ток не течет, но область истощения становится все тоньше и тоньше, пока примерно при 0,6 В барьер не будет преодолен и он не начнет проводить ток. Это позволяет электронам течь от эмиттера к базе:

Приложение положительного напряжения к коллектору также притянет электроны из нижней области N и начнет течь ток (синяя стрелка). Высоколегированная область формирует более низкое «сопротивление», чем слаболегированная область. Это создает разность потенциалов, которая концентрирует заряд вблизи перехода. Более высокий положительный заряд в слабо легированной области притягивает все свободные электроны в области с более низким N, которые устремляются к коллектору.

Полевые и МОП-транзисторы

Ниже показан типичный полевой транзистор JFET или Junction Field Effect Transistor. Хотя конструкция сильно отличается от биполярного транзистора, принцип работы очень похож.

Переход Полевой транзистор (JFET)

P- и N-переход, как и прежде, образует обедненную область, поэтому носители заряда недоступны для проведения. Следовательно, сток (D) и исток (S) имеют большое сопротивление между собой. Полевые транзисторы пробивают обедненный слой, прикладывая положительное напряжение к затвору (G), позволяя току течь между стоком и истоком (красная стрелка на схеме выше).

Полевые транзисторы на основе оксида металла или МОП-транзисторы имеют тонкий изолирующий слой из оксида металла, отделяющий затвор от материала P-типа. Приложение положительного напряжения к затвору создает поле в материале P-типа, которое снова очищает обедненную область, создавая канал проводимости. Это позволяет току течь между стоком и истоком.

Металлооксидный полевой транзистор (MOSFET)

Обозначения полевых транзисторов

Ниже приведены различные схематические обозначения для N-канальных и P-канальных JFET (слева) и MOSFET (справа):

Обратите внимание на направление стрелок. Они указывают, является ли транзистор P-типа или N-типа. Также обратите внимание на затвор, символически показанный отдельно от канала сток-исток в МОП-транзисторе.

Надеюсь, эта статья помогла вам понять, как работают транзисторы! Оставьте комментарий ниже, если у вас есть вопросы о чем-либо.


транзисторов

транзисторов 6
Биполярный переходной транзистор состоит из трех областей легированных полупроводников. Небольшой ток в центральной или базовой области можно использовать для управления большим током, протекающим между концевыми областями (эмиттер и коллектор). Устройство можно охарактеризовать как усилитель тока, имеющий множество применений для усиления и переключения.
Ограничения по эксплуатации Условия работы транзистора
Разновидности транзисторов Сведения о проводимости в транзисторах
Определение тока коллектора Подробная информация о переходе база-эмиттер
Индекс

Концепции полупроводников

Полупроводники для электроники

Концепции электроники

 
Гиперфизика***** Конденсированные вещества R Ступица
Назад

Больший ток коллектора I C пропорционален току базы I B согласно соотношению I C =βI B , точнее пропорционален напряжению база-эмиттер V БЭ . Меньший ток базы контролирует больший ток коллектора, обеспечивая усиление тока.

Иногда бывает полезна аналогия с клапаном. Меньший ток в базе действует как «клапан», контролирующий больший ток от коллектора к эмиттеру. «Сигнал» в виде изменения тока базы воспроизводится как большее изменение тока между коллектором и эмиттером, что приводит к усилению этого сигнала.

Ограничения по эксплуатации Комментарии к конструкции К версии pnp
Index

Semiconductor concepts

Semiconductors for electronics

Electronics concepts

Reference
Diefenderfer /Holton
p156

 
HyperPhysics***** Condensed Matter R Nave
Назад

Переходной транзистор Работа усилителя тока Ограничения по эксплуатации
Индекс

Концепции полупроводников

Полупроводники для электроники

Концепции электроники

 
Гиперфизика***** Конденсированные вещества R Ступица
Назад

Больший ток коллектора I C пропорционален току базы I B согласно соотношению I C =βI B , точнее пропорционален напряжению база-эмиттер V BE . Меньший ток базы контролирует больший ток коллектора, обеспечивая усиление тока.

Ограничения по эксплуатации До версии npn
Index

Semiconductor concepts

Semiconductors for electronics

Electronics concepts

 
HyperPhysics***** Condensed Matter R Nave
Назад
Жирный текст и «кнопки» являются активными ссылками на дополнительную информацию.
Index

Semiconductor concepts

Semiconductors for electronics

Electronics concepts

 
HyperPhysics***** Condensed Matter R Nave
Назад

Часть данных производителя транзисторов представляет собой набор максимальных значений, которые не должны превышаться при его эксплуатации. Они формируют некоторые ограничения на работу транзистора, которые являются частью конструкции любой схемы. Типовой набор для кремниевого транзистора 2N2222:

  • Напряжение коллектор-база = 60 В
  • Напряжение коллектор-эмиттер = 30 В
  • Напряжение база-эмиттер = 5 В
  • Рассеиваемая мощность = 500 мВт
  • Температура 125°С
Index

Semiconductor concepts

Semiconductors for electronics

Electronics concepts

 
HyperPhysics***** Condensed Matter R Nave
Вернуться

Как работают транзисторы: иллюстрации · Los Techies

29 августа 2014. Была пятница.


После безрезультатных поисков в книгах по электронике, учебниках по электротехнике, даже физике, пытаясь найти способ понять транзисторов (а не только где поставить один в схеме), я наткнулся на ответ, когда я не искал для этого.

Химия. Ответ в химии. В частности, это «Радость химии» Кэти Кобб и Монти Л. Феттерольфа.

Я рисую картинки, когда хочу что-то понять, так что вот.

Один из способов представить атом в виде солнечной системы с положительным ядром в центре, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны в дискретных оболочках, с правилами о том, сколько электронов может находиться в каждой оболочке. Периодическая таблица составлена ​​в соответствии с этой идеей. По мере того, как вы идете вправо, у каждого атома появляется еще один электрон в его самой внешней оболочке, пока вы не нажмете старый большой возврат каретки и не начнете заполнять следующую оболочку.

Самая внешняя электронная оболочка атома называется его валентной оболочкой, и от того, насколько она заполнена, зависят химические свойства атома.

Атом с заполненной валентной оболочкой стабилен и инертен. Благородные газы, самая правая колонка периодической таблицы, сидят там, где они есть, и ведут себя так, как они это делают, потому что их валентные оболочки заполнены. Атомы без заполненной внешней оболочки будут обмениваться электронами с другими атомами, чтобы попасть в это состояние.

Когда атомы обмениваются электронами, а затем прилипают друг к другу, как противоположно заряженные магниты, это ионная связь. Когда они делят электроны, это называется ковалентной связью (например, совместное использование валентных электронов).

Медь интересная.

Во-первых, это металл, а это значит, что он блестящий, гибкий и готов к металлическим соединениям. (Это третий вид связи.) Металлические связи похожи на ковалентные связи, только намного больше.

Когда много атомов меди собираются вместе, они так быстро делят электроны, что электроны образуют зону проводимости, охватывающую все атомы. Это делает медь отличным проводником электричества, поскольку электричество представляет собой поток заряженных частиц (например, электронов). Поэтому мы делаем провода в наших домах из меди. (Или алюминий, если ваш дом был построен в 70-х годах. Вздох.)

С другой стороны, мы делаем транзисторы в наших компьютерах из кремния.

Кремний имеет четыре валентных электрона, но его оболочка была бы заполнена, если бы у него было восемь. Это позволяет атомам кремния связываться с другими атомами кремния в сложной решетке, более причудливой, чем то, что я мог бы нарисовать здесь в 2D.

Кристаллы не проводят ток. Но если бы мы заменили один из этих атомов кремния чем-то другим, чем-то, что имело дополнительный электрон, или, может быть, что-то, у чего было свободное место для приема электрона, тогда у нас было бы что-то, что могло бы проводить. Во всяком случае, иногда. Это был бы… _полупроводник.

Добавление примесей в кремний для изменения его электрических свойств называется легированием. Хорошим выбором для легирования кремния являются атомы, расположенные по обе стороны от него в периодической таблице.

Алюминий находится на одну точку левее кремния, потому что у него на один электрон меньше. Фосфор на одну точку правее, потому что у него на один электрон больше. Наличие дополнительных электронов, которые легко выбить, а также «дырок», куда могут уйти запасные электроны, делает материал способным перемещать эти электроны. Другими словами, проводить электричество.

Кремний, легированный фосфором, образует полупроводник типа n . Кремний, легированный алюминием, дает р — полупроводниковый тип. Бок о бок они составляют компонент, называемый диодом.

Диоды полезны, когда вы хотите, чтобы ток мог течь по цепи только в одном направлении. Одним из практических приложений являются схемы с электромагнитами. Электромагниты, когда они отключены, могут отбрасывать ток обратно и повредить ваш микроконтроллер, поэтому вы помещаете диод между ними, позволяя микроконтроллеру посылать ток на электромагнит, но защищая его от обратного хода.

If a diode is an n plus a p , what do you get with n , p , and another n (or p , n , and p )?

Транзисторы подобны двум диодам, вставленным спина к спине. Поскольку диоды позволяют току течь только в одном направлении, это похоже на присоединение клапана, пропускающего жидкость только справа налево, к клапану, пропускающему ток только слева направо; т. е. вообще никакого потока. Это звучит как-то бесполезно.

Подача тока на полупроводник p-типа в среднем сегменте выбивает часть электронов, что приводит к тому, что он ведет себя как полупроводник n-типа. Теперь транзистор N-N-N вместо N-P-N, и через него может протекать ток.

Таким образом, транзистор действует как выключатель. Небольшой ток может перевернуть переключатель, разрешая или блокируя большой ток. Это именно то, что вам нужно, когда вы хотите, чтобы ваш микроконтроллер Arduino, который может выкачивать только 5 вольт со своих выходных контактов, решать, когда включать что-то с большей потребляемой мощностью, например двигатель или фонтанный насос.

Объединение транзисторов в компьютер оставлено читателю в качестве упражнения.

Посмотреть Радость химии. Это придает смысл не только транзисторам, но и многим другим вещам (например, , как смывает ваш унитаз?). В нем есть иллюстративные эксперименты, а затем, поскольку авторы знают, что их аудитория — взрослые, описания того, что произошло бы , если бы вы провели эксперимент. И мне нравится, что эта книга знает, что наука интересна сама по себе и не нуждается в милых отвлечениях или остротах, чтобы сделать книгу «увлекательной».

Теперь кто-нибудь может сказать мне, что это означает — означает — означает, а не только эффекты, которые вы наблюдаете — когда вывод микроконтроллера «плавает»?

ОБНОВЛЕНИЕ: Энди Филипс объясняет «плавающий» в комментариях.

Принцип работы транзистора | Electrical4U

by Electrical4U

На рынке доступны различные типы транзисторов, но для понимания мы рассмотрим общий режим эмиттера NPN-транзистора. Для этого напомним основные конструктивные особенности биполярного транзистора npn. Его эмиттерная область сильно легирована и шире, поэтому количество свободных электронов (основных носителей) здесь велико.

Область коллектора также шире, но умеренно легирована, поэтому количество свободных электронов меньше, чем в области эмиттера. Базовая область рассеяна между более широкой областью эмиттера и коллектора, но базовая область довольно тонкая по сравнению с внешней областью эмиттера и коллектора, а также она очень слабо легирована, поэтому количество дырок (основных носителей) здесь довольно мало. Теперь мы подключаем одну батарею между эмиттером и коллектором. Вывод эмиттера транзистора соединен с отрицательным выводом батареи. Следовательно, переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении. В этом состоянии через устройство не будет протекать ток. Прежде чем перейти непосредственно к работе устройства, напомним конструктивные и легирующие детали NPN-транзистора. Здесь эмиттерная область шире и очень сильно легирована. Следовательно, концентрация основных носителей (свободных электронов) в этой области транзистора очень высока.

Базовая область, с другой стороны, очень тонкая, ее размеры составляют несколько микрометров, тогда как области эмиттера и коллектора имеют размеры порядка миллиметра. Легирование среднего слоя p-типа очень низкое, и в результате в этой области присутствует очень небольшое количество дырок. Область коллектора шире, как мы уже сказали, и легирование здесь представляет собой умеренное и, следовательно, умеренное количество свободных электронов, присутствующих в этой области.

Все напряжение между эмиттером и коллектором падает в двух местах. Один находится на потенциале прямого барьера на переходе эмиттер-база, и это составляет около 0,7 вольт в случае кремниевых транзисторов. Остальная часть приложенного напряжения сбрасывается в качестве обратного барьера на переход база-коллектор.

Каким бы ни было напряжение на устройстве, потенциал прямого барьера на переходе эмиттер-база всегда остается равным 0,7 В, а остальная часть напряжения источника падает на переходе база-коллектор как обратный барьерный потенциал.

Это означает, что ни одно напряжение коллектора не может преодолеть потенциал прямого барьера. Следовательно, в идеале ни один из свободных электронов в эмиттерной области не может пересечь потенциал переднего барьера и попасть в базовую область. В результате транзистор будет вести себя как выключатель.

NB: – Поскольку в этом состоянии транзистор не проводит ток идеально, на внешнем сопротивлении не будет падения напряжения, поэтому все напряжение источника (V) будет падать на переходах, как показано на рисунке выше.

Теперь давайте посмотрим, что произойдет, если мы подадим положительное напряжение на базовый вывод устройства. В этой ситуации переход база-эмиттер получает прямое напряжение индивидуально и, безусловно, может преодолеть прямой потенциальный барьер и, следовательно, основные носители, т. е. свободные электроны в эмиттерной области, будут пересекать переход и попадать в базовую область, где очень мало отверстий для рекомбинации.

Но благодаря электрическому полю на переходе свободные электроны, мигрирующие из области эмиттера, получают кинетическую энергию. Базовая область настолько тонкая, что свободные электроны, исходящие из эмиттера, не получают достаточно времени для рекомбинации и, следовательно, пересекают область обеднения, смещенную в обратном направлении, и в конечном итоге попадают в зону коллектора. Поскольку на переходе база-коллектор имеется обратный барьер, он не будет препятствовать потоку свободных электронов от базы к коллектору, поскольку свободные электроны в области базы являются неосновными носителями.
Таким образом, электроны перетекают от эмиттера к коллектору, и, следовательно, начинает течь ток от коллектора к эмиттеру. Поскольку в базовой области мало дырок, некоторые электроны, поступающие из эмиттерной области, будут рекомбинировать с этими дырками и вносить вклад в базовый ток. Этот базовый ток значительно меньше тока коллектор-эмиттер.

Поскольку некоторые из электронов, мигрирующих из области эмиттера, вносят свой вклад в базовый ток, основная их часть вносит свой вклад в ток через область коллектора. Ток через эмиттер называется током эмиттера, ток через коллектор называется током коллектора, а крошечный ток, протекающий через клемму базы, называется током базы. Следовательно, здесь ток эмиттера представляет собой сумму тока базы и тока коллектора.

Теперь увеличим приложенное базовое напряжение. В этой ситуации из-за повышенного прямого напряжения на переходе эмиттер-база пропорционально больше свободных электронов будет поступать из области эмиттера в область базы с большей кинетической энергией. Это вызывает пропорциональное увеличение тока коллектора. Таким образом, управляя небольшим базовым сигналом, мы можем управлять достаточно большим сигналом коллектора. Это основной принцип работы транзистора.

Хотите учиться быстрее? 🎓

Каждую неделю получайте электротехнические товары в свой почтовый ящик.
Кредитная карта не требуется — это абсолютно бесплатно.

О Electrical4U

Electrical4U посвящен обучению и распространению всего, что связано с электротехникой и электроникой.

КАК РАБОТАЮТ ТРАНЗИСТОРЫ? (ВЕРСИЯ ДЛЯ НАЧИНАЮЩИХ) – PM

  • Автор сообщения: