Схема, принцип работы, характеристики биполярных транзисторов

Особенности устройства биполярного транзистора

Биполярный транзистор включает в себя три области:

• эмиттер;
• базу – очень тонкую, которая изготавливается из слаболегированного полупроводника, сопротивление этой области высокое;
• коллектор – его область больше по размерам, чем область эмиттера.

К каждой области припаяны металлоконтакты, служащие для подсоединения прибора в электроцепь.

Электропроводность коллектора и эмиттера одинакова и противоположна электропроводности базы. В соответствии с видом проводимости областей, различают p-n-p или n-p-n приборы. Устройства являются несимметричными из-за разницы в площади контакта – между эмиттером и базой она значительно ниже, чем между базой и коллектором. Поэтому К и Э поменять местами путем смены полярности невозможно.

ВРемонт.su — ремонт фото видео аппаратуры, бытовой техники, обзор и анализ рынка сферы услуг

Принцип работы биполярного транзистора

Этот тип транзистора имеет два перехода:

• электронно-дырочный между эмиттером и базой – эмиттерный;
• между коллектором и базой – коллекторный.

Дистанция между переходами маленькая. Для высокочастотных деталей она составляет менее 10 мкм, для низкочастотных – до 50 мкм. Для активации прибора на него подают напряжение от стороннего ИП. Принцип действия биполярных транзисторов с p-n-p и n-p-n переходами одинаков. Переходы могут функционировать в прямом и обратном направлениях, что определяется полярностью подаваемого напряжения.

Режимы работы биполярных транзисторов

Режим отсечки

Переходы закрыты, прибор не работает. Этот режим получают при обратном подключении к внешним источникам. Через оба перехода протекают обратные малые коллекторные и эмиттерные токи. Часто считается, что прибор в этом режиме разрывает цепь.

Активный инверсный режим

Является промежуточным. Переход Б-К открыт, а эмиттер-база – закрыт. Ток базы в этом случае значительно меньше токов Э и К. Усиливающие характеристики биполярного транзистора в этом случае отсутствуют. Этот режим востребован мало.

Режим насыщения

Прибор полностью открыт. Оба перехода подключаются к источникам тока в прямом направлении. При этом снижается потенциальный барьер, ограничивающий проникновение носителей заряда. Через эмиттер и коллектор начинают проходить токи, которые называют «токами насыщения».

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.

Будет интересно➡ SMD транзисторы

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.

Схемы включения биполярных транзисторов

В зависимости от контакта, на который подается источник питания, различают 3 схемы включения приборов.

С общим эмиттером

Эта схема включения биполярных транзисторов обеспечивает наибольшее увеличение вольтамперных характеристик (ВАХ), поэтому является самой востребованной. Минус такого варианта – ухудшение усилительных свойств прибора при повышении частоты и температуры. Это означает, что для высокочастотных транзисторов рекомендуется подобрать другую схему.

С общей базой

Применяется для работы на высоких частотах. Уровень шумов снижен, усиление не очень велико. Каскады приборов, собранные по такой схеме, востребованы в антенных усилителях. Недостаток варианта – необходимость в двух источниках питания.

С общим коллектором

Для такого варианта характерна передача входного сигнала обратно на вход, что существенно уменьшает его уровень. Коэффициент усиления по току – высокий, по напряжению – небольшой, что является минусом этого способа. Схема приемлема для каскадов приборов в случаях, если источник входного сигнала обладает высоким входным сопротивлением.

Физические процессы

Возьмем транзистор типа n-p-n в режиме без нагрузки, когда подключены только два источника постоянных питающих напряжений E1 и E2. На эмиттерном переходе напряжение прямое, на коллекторном – обратное. Соответственно, сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока достаточно напряжения E1 в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико и напряжение E2 составляет обычно десятки вольт.

Соответственно, как и раньше, темные маленькие кружки со стрелками – электроны, красные – дырки, большие кружки – положительно и отрицательно заряженные атомы доноров и акцепторов. Вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода представляет собой характеристику полупроводникового диода при прямом токе, а вольт-амперная характеристика коллекторного перехода подобна ВАХ диода при обратном токе.

Принцип работы транзистора заключается в следующем. Прямое напряжение эмиттерного перехода uб-э влияет на токи эмиттера и коллектора и чем оно выше, тем эти токи больше. Изменения тока коллектора при этом лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Получается, что напряжение на переходе база-эмиттер, т. е. входное напряжение, управляет током коллектора. На этом явлении основано усиление электрических колебаний с помощью транзистора. Основные биполярные транзисторы приведены в таблице ниже.

Таблица характеристик биполярных транзисторов.

При увеличении прямого входного напряжения uб-э понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и, соответственно, возрастает ток через этот переход iэ. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора.Поскольку коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды (на рисунке большие кружки). Между ними возникает электрическое поле, которое способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т. е. втягивают электроны в область коллекторного перехода.

Схема работы и устройства биполярного транзистора.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате этого возникает ток базы.

Ток база является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Именно поэтому базовую область делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать с дырками и, повторюсь, ток базы будет незначительным.

Когда к эмиттерному переходу не приложено напряжение, можно считать, что в этом переходе тока нет. Тогда область коллекторного перехода имеет значительное сопротивление постоянному току, поскольку основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе границы создаются области, обедненные этими носителями. Через коллекторный переход протекает очень небольшой обратный ток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей.

Будет интересно➡ Что такое NTC термисторы

Если же под действием входного напряжения возникает значительный ток эмиттера, то в базу со стороны эмиттера инжектируются электроны, для данной области являющиеся неосновными носителями. Они доходят до коллекторного перехода не успевая рекомбинировать с дырками при прохождении через базу.

Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллектору, тем меньше становится его сопротивление, следовательно, ток коллектора увеличивается. Аналогичные явления происходят в транзисторе типа p-n-p, надо только местами поменять электроны и дырки, а также полярность источников E1 и E2.

Как устроен транзистор.

Помимо рассмотренных процессов существует еще ряд явлений. Рассмотрим модуляцию толщины базы.При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение заряда, обусловленное в основном ударной ионизацией.

Это явление и туннельный эффект могут вызвать электрический пробой, который при возрастании тока может перейти в тепловой пробой. Все происходит также, как у диодов, но в транзисторе при чрезмерном коллекторном токе тепловой пробой может наступить без предварительного электрического пробоя.

Тепловой пробой может наступить без повышения коллекторного напряжения до пробивного. При изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах изменяется их толщина, в результате чего изменяется толщина базы.

Особенно важно учитывать напряжение коллектор-база, поскольку при этом толщина коллектора возрастает, толщина базы уменьшается. При очень тонкой базе может возникнуть эффект смыкания (так называемый “прокол” базы) – соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает и транзистор перестает нормально работать.

При увеличении инжекции носителей из эмиттера в базу происходит накопление неосновных носителей заряда в базе, т. е. увеличение концентрации и суммарного заряда этих носителей. А вот при уменьшении инжекции происходит уменьшение концентрации и суммарного заряда этих самых носителей в базе и сей процесс обозвали рассасыванием неосновных носителей зарядов в базе.

И напоследок одно правило: при эксплуатации транзисторов запрещается разрывать цепь базы, если не включено питание цепи коллектора. Надо также включать питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но не наоборот.

Схема устройства транзистора.

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор, состоящий из трех чередующихся областей полупроводника с различным типом проводимости (р-п-р или п-р-п) с выводом от каждой области. Рассмотрим работу транзистора n-р-n-типа. Чередующиеся области образуют два р-п-перехода база–эмиттер (БЭ) и база–коллектор (БК).

К переходу БЭ прикладывают прямое напряжение EБЭ, под действием которого электроны n-области эмиттера устремляются в базу, создавая ток эмиттера. Концентрацию примесей в эмиттере делают во много раз больше, чем в базе, а саму базу по возможности тоньше. Поэтому лишь незначительная часть (1–5%) испущенных эмиттером электронов рекомбинирует с дырками базы.

Большая же часть электронов, миновав узкую (доли микрона) область базы, “собирается” коллекторным напряжением Ек, представляющим обратное напряжение для перехода БК, и, устремляясь к плюсу внешнего источника Eк, создает коллекторный ток, протекающий по нагрузке Rн. Электроны, рекомбинировавшие с дырками базы, составляют ток базы IБ.

Ток коллектора, таким образом, определяется током эмиттера за вычетом тока базы. Аналогично работает транзистор р-n-р-типа, отличаясь лишь тем, что его эмиттер испускает в базу не электроны, а дырки, поэтому полярности прикладываемых к нему прямого UЭБ и обратного Ек напряжений должны быть противоположны транзистору п-р-п-типа.

Важное по теме. Как прозвонить транзистор.

На условном обозначении транзисторов стрелка ставится на эмиттере и направлена всегда от р-области к n-области. На рис. 1.8, б приведено условное обозначение транзистора п-р-п, а на рис. 1.9, б – р-п-р. Кружок вокруг транзистора означает, что транзистор изготовлен в самостоятельном корпусе, а отсутствие кружка – что транзистор выполнен заодно с другими элементами на пластинке полупроводника интегральной микросхемы.

Будет интересно➡ Что такое транзистор

Стрелку эмиттера удобно рассматривать как указатель полярности прямого напряжения, приложенного между базой и эмиттером, которое “открывает” (подобно выпрямительному диоду) транзистор. При использовании транзистора в электронных устройствах нужны два вывода для входного сигнала и два – для выходного.

Так как у транзистора всего лишь три вывода, один из них должен быть общим, принадлежащим одновременно и к входной, и к выходной цепи. Возможны три варианта схем включения транзисторов – с общей базой, общим эмиттером и с общим коллектором.

Переход в биполярном транзисторе.

Схема с общей базой

Схема включения транзистора с общей базой (ОБ) показана на рис. 1.10. Входным сигналом для схемы с ОБ является напряжение, поданное между эмиттером и базой UBX = = UЭБ; выходным – напряжение, выделяемое на нагрузке Uвых = IкRн; входным током – ток эмиттера Iвх = IЭ; выходным током – ток коллектора Iвых = Iк.

Входное напряжение UЭБ является управляющим для транзистора, поэтому небольшое его изменение (па доли вольт) приводит к изменению тока эмиттера в очень широких пределах – практически от нуля до максимального. Максимальный ток определяется назначением транзистора (маломощные, средней мощности и большой мощности) и соответствующей конструкцией.

Так как напряжение UΚБ является обратным, величина напряжения внешнего источника Ек может в десятки раз превышать значение напряжения UЭБ. Падение напряжения, выделяемого на нагрузке, будет тем больше, чем больше ток коллектора, при этом на самом транзисторе будет падать лишь небольшое напряжение UКБ, которое будет тем меньше, чем больше ток коллектора.

Таким образом, изменение на доли вольт входного напряжения приводит к изменению напряжения на нагрузке, чуть меньшего, чем напряжение Ек. Это положение определяет усилительные свойства транзистора.

Для оценки работы транзистора и его усилительных свойств в различных схемах включения рассматривают приращения входных и вызванные ими приращения выходных величин. Рассматривая транзистор как усилитель, принято характеризовать его свойства коэффициентами усиления и значением входного сопротивления. Различают три вида коэффициентов усиления:

• • коэффициент усиления по току КI = ΔIвых /ΔIвх;
• • коэффициент усиления по напряжению КU = ΔUвых/ΔUвх;
• • коэффициент усиления по мощности КР = КI • КU.

Отношение изменения входного напряжения к изменению входного тока: Rвх = ΔUвх/ΔIвх. Входное сопротивление любого усилителя приводит к искажению входного сигнала. Любой реальный источник сигнала обладает некоторым внутренним сопротивлением, и при подключении его к усилителю образуется делитель напряжения, состоящий из внутреннего сопротивления источника и входного сопротивления усилителя.

Поэтому чем выше входное сопротивление усилителя, тем большая часть сигнала будет выделяться на этом сопротивлении и усиливаться и тем меньшая его часть будет падать на внутреннем сопротивлении самого источника. Таким образом, КРБ тоже определяется соотношением сопротивлений. Так как коэффициент усиления схемы с ОБ по току КIБ оказывается меньше единицы, она применения не нашла.

Размеры биполярного транзистора.

Между простой переключающей схемой и линейным усилителем на транзисторе имеется очевидное различие. В нормально работающем линейном усилителе коллекторный ток всегда прямо пропорционален базовому току. В переключающей схеме, такой как на рис. 1., коллекторный ток определяется, главным образом, напряжением питания VCC и сопротивлением нагрузки RL. Режим насыщения транзистора является достаточно важным и заслуживает подробного обсуждения. Рис. 1. Иллюстрация режима насыщения. Транзистор действует как ключ для включения лампы. Рассмотрим, что происходит с коллекторным током в схеме на рис. 1, если базовый ток постепенно увеличивается, начиная от нуля. Когда ключ S1 разомкнут, базовый ток не течет и ток коллектора ничтожно мал. Замыкание S1 приводит к появлению тока базы IB = VCC/RB, где мы пренебрегли разностью потенциалов на переходе база-эмиттер. Ток коллектора, протекающий по нагрузке RL, равен IC=hFEVCC/RB. Для конкретной схемы, приведенной на рисунке, при hFE = 100 и при максимальном значении RB (50 кОм) получим: IC=100×10/5000 А=20 мА Падение напряжения на RL определяется произведением RLIC и в нашем случае равно 50 х 0,02 = 1 В. Транзистор при этом находится в линейном режиме; уменьшение RB приводит к увеличению тока базы, увеличению тока коллектора и, следовательно, к увеличению падения напряжения на RL. В этих условиях схема могла бы быть использована как усилитель напряжения. Теперь рассмотрим случай, когда RB=hFERL и ток базы равен IB=VCC/RB=VCC/(hFERL) Следовательно, коллекторный ток равен IC=(hFEVCC)/(hFERL)=VCC/RL С точки зрения нагрузки транзистор ведет себя как пара контактов ключа. Из закона Ома следует, что ток нагрузки в этой ситуации не может превышать величины VCC/RL. Поэтому дальнейшее увеличение тока базы не может увеличить ток коллектора, который определяется теперь только сопротивлением нагрузки и напряжением питания. Транзистор находится в насыщении. На практике при насыщении транзистора между коллектором и эмиттером всегда остается небольшое напряжение, обычно обозначаемое VCE(sat). Как правило, оно меньше 1 В и может доходить до 0,1 B y транзисторов, специально предназначенных для работы в качестве ключей. Обычно VCE(sat) уменьшается по мере того, как через переход база-эмиттер течет все больший ток, то есть в случае, когда отношение тока коллектора IC к току базы IB становится значительно меньше, чем коэффициент усиления тока транзистора hFE. Грубо говоря, глубокое насыщение (малое значение VCE(sat)) имеет место, когда IC/IB < hFE/5 Для схемы типа той, какая показана на рис. 1, когда ток базы задается просто подключением резистора к источнику питания, мы выбираем RB/RL < hFE/5 Следовательно, для схемы на рис. 1, принимая типичное для транзистора 2N3053 (аналог КТ630Б — см. аналоги отечественных и зарубежных транзисторов) значение коэффициента усиления тока hFE = 150, имеем RB/RL < 150/5 = 30. Следовательно, при RL = 50 Ом мы выбираем RB < 30 х 50 Ом = 1,5 кОм. Итак, если в качестве нагрузки используется лампа с сопротивлением 50 Ом, то для ее эффективного включения нам следует выбрать сопротивление базового резистора меньше 1,5 кОм. Если это невозможно, когда, например, в качестве RB используется фоторезистор с минимальным сопротивлением 10 кОм, то следует воспользоваться схемой Дарлингтона, чтобы увеличить коэффициент усиления тока. Если биполярный транзистор работает с током коллектора, близким к максимальному, и нужно поддержать напряжение VCE(sat) на уровне долей вольта, то из-за уменьшения hFE может понадобиться базовый ток больше, чем Iс/10. Возможно покажется неожиданным, что VCE(sat) может быть много меньше, чем напряжение VBE, которое у кремниевого транзистора равно примерно 0,6 В. Происходит это потому, что в режиме насыщения переход коллектор-база смещен в прямом направлении. Следовательно, мы имеем два р-n перехода, смещенных в прямом направлении, включенных навстречу друг другу так, что падения напряжения на них взаимно компенсируются. Эта способность биполярного транзистора иметь в режиме насыщения очень маленькое падение напряжения между коллектором и эмиттером, делает его весьма полезным переключающим прибором. Многие из наиболее важных применений электроники, включая обширную область цифровой электроники, используют переключающие схемы. В режиме переключений транзистор работает либо с фактически нулевым током коллектора (транзистор выключен) или с фактически нулевым напряжением на коллекторе (транзистор включен). В обоих случаях мощность, рассеиваемая на транзисторе, очень мала. Значительная мощность рассеивается только в то время, когда происходит переключение: в это время и напряжение коллектор-эмиттер и ток коллектора имеют конечные значения. Маломощный транзистор, такой как 2N3053, с максимально допустимой рассеиваемой мощностью менее одного ватта, может переключать мощность в нагрузке в несколько ватт. Следует обратить внимание на то, что максимальные значения коллекторного напряжения и тока не должны выходить за допустимые пределы; кроме того, желательно осуществлять переключения возможно быстрее, чтобы избежать рассеяния чрезмерно большой мощности.

2.5. Биполярные транзисторы.

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих между собойp—n -перехода. Техноло­гия изготовления биполярных транзисторов может быть различной — сплавливание, диффузия, эпитаксия, — что в значительной мере опре­деляет характеристики прибора.

В зависимости от последовательности чередования областей с раз­личным типом проводимости различают n—p—n -транзисторы и р-п-р —транзисторы.

Устройство плоскостного n—p-л-транзистора приведено на рис. 2.14 а, его условное обозначение — на рис. 2.14 б. Аналогичные представления для р-п-р -транзистора приведены на рис. 2.14 в, г.

Средняя часть рассматриваемых структур называется базой, одна крайняя область — коллектором, а другая — эмиттером.

Различают следующие режимы работы транзистора: линейный (усилительный), насыщения и отсечки. В линейном режиме работы транзистора эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом на­правлении, а в режиме отсечки — в обратном. Работа транзистора основана на управлении токами электродов в зависимости от прило­женных к его переходам напряжений. В линейном режиме, когда переход база-эмиттер открыт благодаря приложенному к нему напряже­нию, через него протекает ток базы i₆. Протекание тока базы приводит к инжекции зарядов из области коллектора в область базы, причем ток коллектора определяется как

i_k = Bi₆, где В — коэффициент пере­дачи тока базы. Входная и выходные вольт-амперные характеристики транзистора показаны на рис. 2.15 а и рис. 2.15 б соответственно.

Отметим некоторые особенности характеристик транзистора в линейной области.

1. Приращение тока коллектора пропорцио­нально изменению тока базы.

2. Ток коллектора почти не за­висит от напряжения на коллекторе.

3. напряжение на базе не зависит от напряжения на коллекторе и слабо зависит от тока базы.

Из сказанного следует, что в линейном режиме транзистор для малых приращений тока можно заменить источником тока коллектора, управ­ляемого током базы. При этом если пренебречь падением напряжения между базой и эмиттером, то можно считать этот переход коротким замыканием.

Для перехода из линейного режима в режим насыщения необходи­мо увеличивать ток базы до тех пор, пока напряжение на коллекторе не понизится до такого значения, при котором произойдет отпирание коллекторного перехода. Условием насыщения транзистора является равенство нулю напряжения и_КБ = u_КЭ

– u_БЭ = 0. При глубоком насыщении транзистора выполняется условие u_БЭ> 0. В любом случае при переходе в режим насыщения в базе протекает избыточный ток, т.е. ток базы превышает значение, необходимое для получения данного тока коллектора при работе транзистора в линейном режиме.

Выпол­нение условия и_бэ = 0 обычно называют граничным режимом, т. к. он характеризует переход транзистора из линейного режима в режим на­сыщения. Глубину насыщения транзистора характеризуют коэффици­ентом насыщения, который определяют как отношение тока базы

I_Б.hac транзистора в насыщенном режиме к току базы I_БПР в граничном ре­жиме. При глубоком насыщении транзистора в базе накапливается большое количество неосновных носителей, которые задерживают выключение транзистора. Поскольку в режиме насыщения напряже­ние между коллектором и эмиттером достаточно малое, то в этом ре­жиме транзистор можно заменить замкнутым ключом, на котором па­дает небольшое напряжение.

В справочных данных на транзисторы обычно приводится значение напряжения на насыщенном ключе.

Другим ключевым режимом биполярного транзистора является ре­жим отсечки. Перевести транзистор в режим отсечки можно приложе­нием между базой и эмиттером обратного напряжения. Граничным режимом в этом случае является выполнение условия u_БЭ = 0. В режи­ме отсечки транзистор можно заменить разомкнутым ключом. Таким образом, два ключевых режима транзистора — насыщения и отсеч­ки — позволяют использовать транзистор как замкнутый или разомк­нутый ключ.

Транзисторные

ключи находят широкое применение в различных электронных устройствах: измерительных усилителях для коммутации сигналов, в силовых преобразователях частоты и др. Во всех этих применениях транзистор попеременно переводится из режима насы­щения в режим отсечки и обратно. В связи с этим очень важным является скорость переключения такого ключа, которая обычно харак­теризуется временем переключения или максимальной частотой ком­мутации.

Процессы включения и выключения транзисторного ключа показа­ны на (рис. 2.16).

При включении транзистора в его базу подается прямоугольный импульс тока с крутым фронтом. Ток коллектора достигает установив­шегося значения не сразу после подачи тока в базу. Имеется некоторое время задержки

t_ЗАД, спустя которое появляется ток в коллекторе. Затем ток в коллекторе плавно нарастает и после времени t_НАР достигает ус­тановившегося значения.

При выключении транзистора на его базу подается обратное напря­жение, в результате чего ток базы меняет свое направление и становит­ся равным /_Б.

ВЫКЛ,. Пока происходит рассасывание неосновных носителей заряда в базе, этот ток не меняет своего значения. Время, в течение которого ток базы сохраняется постоянным, называется временем рас­сасывания (t_РАС). После окончания процесса рассасывания происходит спад тока базы, который продолжается в течение времени t_СП. Таким образом, время выключения транзистора равно t_ВЫКЛ = t_РАС+t_СП. Следует особо отметить, что при выключении транзистора, несмотря на измене­ния тока базы, транзистор в течение времени t_РАС остается включенным и коллекторный ток не меняет своего значения. Спад тока коллектора начинается одновременно со спадом тока базы и заканчиваются они практически одновременно.

Время рассасывания сильно зависит от степени насыщения транзи­стора перед его выключением. Минимальное время выключения получается при граничном режиме насыщения. Для ускорения процесса рассасывания в базу пропускают обратный ток, который зависит от обратного напряжения на базе. Однако прикладывать к базе большое обратное напряжение нельзя, т. к. может произойти пробой перехода база-эмиттер. Максимальное обратное напряжение на базе обычно не превышает

5…7 В.

В справочных данных обычно приводят времена включения, спада и рассасывания. Для наиболее быстрых транзисторов время рассасывания имеет значение 0,1…0,5 мкс, однако для многих силовых транзисторов оно достигает 10 мкс. Для уменьшения динамических потерь при пере­ключении и обеспечения надежной работы транзистора параллельно ему подключаются цепи формирования траектории (снабберы).

2. Транзисторы полевые

Как работают транзисторы BJT в состоянии насыщения?

\$\начало группы\$

Вот что я знаю о NPN BJT (транзисторах с биполярным переходом):

• Ток база-эмиттер усиливается в HFE в коллектор-эмиттер, так что Ice = Ibe * HFE
• Vbe это напряжение между база-эмиттер и, как и любой диод, обычно составляет около 0,65В. Однако я не помню про Vec .
• Если Vbe ниже минимального порога, то транзистор открыт и ток не проходит ни по одному из его контактов. (ладно, может несколько мкА тока утечки, но это не важно)

Но у меня остались вопросы:

• Как работает транзистор, когда он насыщен ?
• Возможно ли, чтобы транзистор был в открытом состоянии при каких-либо условиях, кроме Vbe ниже порогового значения?

Кроме того, не стесняйтесь указывать (в ответах) на любые ошибки, которые я допустил в этом вопросе.

Вопрос по теме:

• Меня не волнует, как работает транзистор, как заставить его работать?

• транзисторы
• бджт
• физика
• насыщение

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Насыщение просто означает, что увеличение тока базы не приводит к (или очень незначительному) увеличению тока коллектора.

Насыщение происходит, когда переходы B-E и C-B смещены в прямом направлении, это низкоомное состояние «Включено» устройства. Свойства транзистора во всех режимах, включая насыщение, можно предсказать по модели Эберса-Молля.

\$\конечная группа\$

5

\$\начало группы\$

Ваше \$I_{CE}\$ = \$I_{BE} \times h_{FE}\$ не совсем верно. Это уравнение показывает, какой ток коллектора может быть , если задано достаточное напряжение коллектора. Насыщение происходит, когда вы не даете ему достаточного напряжения. Следовательно, при насыщении \$I_{CE} \lt I_{BE} \times h_{FE}\$. Или вы можете посмотреть на это с другой стороны, то есть вы подаете больше тока базы, чем необходимо для обработки всего тока коллектора, который может обеспечить схема. Математически говоря, это \$I_{BE} \gt I_{CE} \mathbin{/} h_{FE}\$.

Поскольку коллектор NPN будет действовать как приемник тока, а при насыщении внешняя цепь не дает ему столько тока, сколько может пройти, напряжение коллектора упадет настолько низко, насколько это возможно. Насыщенный транзистор обычно имеет C-E около 200 мВ, но это также может сильно различаться в зависимости от конструкции транзистора и тока.

Одним из артефактов насыщения является медленное закрытие транзистора. В базе есть дополнительные «неиспользованные» заряды, которые требуют некоторого времени для слива. Это не очень научно и лишь приблизительно описывает физику полупроводников, но это достаточно хорошая модель, чтобы держать ее в уме как объяснение первого порядка.

Интересно, что коллектор насыщенного транзистора фактически находится ниже базового напряжения. Это выгодно используется в логике Шоттки. В транзистор от базы к коллектору встроен диод Шоттки. Когда коллектор становится низким, когда он почти находится в состоянии насыщения, он крадет ток базы, который удерживает транзистор как раз на краю насыщения. Напряжение в открытом состоянии будет немного выше, так как транзистор не полностью насыщен. Преимущество заключается в том, что он ускоряет переход в выключенное состояние, поскольку транзистор находится в «линейной» области, а не в состоянии насыщения.

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

1. При насыщении ток коллектора больше не превышает ток базы в \$h_{FE}\$ раз. Меньше, насколько, зависит от остальной схемы (я говорю о самой простой модели, которую только можно придумать). При насыщении напряжение \$V_{CE}\$ можно считать более или менее постоянным, и вы можете назвать его \$V_{CEsat}\$, скажем, около \$0,2\mathrm V\$. Ваш BJT насыщен, когда оба его соединения BE и BC активны. Это ограничивает ток \$I_C\$ значением менее \$I_B h_{FE}\$ и фиксирует падение напряжения \$V_{CE}\$ на \$V_{CEsat}\$.

2. Зачем вам держать BJT в открытом состоянии, если через него не проходит ток? Это как открыть кран, а в трубе нет воды 😀

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

Подключенное сопротивление эмиттера означает, что транзистор перейдет в состояние насыщения, но сопротивление базы и сопротивление коллектора останутся прежними. Вы рисуете схему и вычисляете ток базы, тогда вы получите хороший результат.

\$\конечная группа\$

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

бит — Как насытить транзистор NPN?

Транзистор переходит в режим насыщения, когда переходы база-эмиттер и база-коллектор смещены в прямом направлении. Таким образом, если напряжение коллектора падает ниже напряжения базы, а напряжение эмиттера ниже напряжения базы, то транзистор находится в состоянии насыщения.

Рассмотрим эту схему усилителя с общим эмиттером. Если ток коллектора достаточно высок, то падение напряжения на резисторе будет достаточно большим, чтобы снизить напряжение коллектора ниже базового напряжения. Но обратите внимание, что напряжение коллектора не может быть слишком низким, потому что тогда переход база-коллектор будет похож на диод с прямым смещением! Таким образом, у вас будет падение напряжения на переходе база-коллектор, но оно будет не обычным 0,7 В, а скорее 0,4 В.

Как вывести его из состояния насыщения? Вы можете уменьшить величину базового привода транзистора (либо уменьшить напряжение \$V_{be}\$, либо уменьшить ток \$I_b\$), что затем уменьшит ток коллектора, что означает падение напряжения на транзисторе. Сопротивление коллектора также будет уменьшено. Это должно увеличить напряжение на коллекторе и вывести транзистор из состояния насыщения. В «крайнем» случае это происходит при выключении транзистора. Базовый диск полностью удален. \$V_{be}\$ равно нулю, равно как и \$I_b\$. Следовательно, \$I_c\$ также равен нулю, а коллекторный резистор работает как подтягивающий, повышая напряжение коллектора до \$V_{CC}\$.

Дополнительный комментарий к вашему заявлению

Насыщается ли BJT повышение Vbe выше определенного порога? Сомневаюсь в этом, потому что BJT, как я понять их, являются управляемый током, не управляемый напряжением.

Существует несколько способов описания работы транзистора. Один из них заключается в описании соотношения между токами на разных клеммах:

$$I_c = \beta I_b$$

$$I_c = \alpha I_e$$

$$I_e = I_b + I_c$$ 9{\frac{V_{be}} {V_T}}$$

Глядя на это таким образом, ток коллектора контролируется базовым напряжением .