Site Loader

Содержание

Как работают транзисторы MOSFET | hardware

Мощные транзисторы MOSFET хорошо известны своей исключительной скоростью переключения при весьма малой мощности управления, которую нужно прикладывать к затвору. Основная причина в том, что затвор изолирован, поэтому требуется мощность только на перезаряд емкости затвор-исток, и в статическом режиме цепь затвора практически не потребляет тока. В этом отношении мощные MOSFET по своим характеристикам приближаются к «идеальному переключателю». Основные недостатки, которые не дают MOSFET стать «идеальным», это сопротивление открытого канала RDS(on), и значительная величина положительного температурного коэффициента (чем выше температура, тем выше сопротивление открытого канала). В этом апноуте обсуждаются эти и другие основные особенности высоковольтных N-канальных мощных MOSFET, и предоставляется полезная информация по выбору транзисторов и их применению (перевод статьи [1]).

Для того, чтобы было проще понять работу полевого N-канального транзистора MOSFET, его стоит сравнить с широко распространенным биполярным кремниевым транзистором структуры NPN.

Электроды у биполярного транзистора называются база, коллектор, эмиттер, а у полевого транзистора затвор, сток, исток.

База выполняет те же функции, что и затвор, коллектор соответствует стоку, а эмиттер соответствует истоку.

Давайте рассмотрим простейшую схему включения транзистора NPN:

Когда входной ключ разомкнут, то через эмиттерный переход транзистора T1 ток не течет, и канал коллектор-эмиттер имеет высокое сопротивление. Говорят, что транзистор закрыт, через его канал коллектор-эмиттер ток практически не течет. Когда замыкается входной ключ, то от батарейки B1 через резистор R1 и эмиттерный переход транзистора течет открывающий ток. Когда транзистор открыт, то его сопротивление канала коллектор-эмиттер уменьшается, и почти все напряжение батареи B2 оказывается приложенным к нагрузке R3. Т. е. когда во входной цепи течет ток (через R1), то в выходной цепи тоже течет ток (через R3), но в выходной цепи ток и напряжение (т.

е. действующая мощность) в несколько раз больше. Здесь как раз и проявляются усиливающие свойства транзистора — маленькая мощность на входе позволяет управлять большой мощностью на выходе.

А так будет в этой схеме работать транзистор MOSFET:

На первый взгляд все то же самое — когда на входе есть управляющая мощность, она также появляется и на выходе (обычно усиленная во много раз). В этом смысле биполярный транзистор и MOSFET-транзистор очень похожи. Но есть два самых важных различия:

• Биполярный транзистор управляется током, а полевой транзистор напряжением.

Примечание: отсюда, кстати и пошло название полевого транзистора: его канал управляется не током, а электрическим полем затвор-исток.

Это означает, что входное сопротивление биполярного транзистора мало, а входное сопротивление MOSFET-транзистора очень велико. Обратите внимание на входной ток биполярного транзистора — 0.3 мА, этот ток в основном определяется сопротивлением резистора R1. Причина проста: на входе у биполярного транзистора имеется эмиттерный переход, который по сути обыкновенный диод, смещенный в прямом направлении. Если ток через этот диод есть, то транзистор открывается, если нет, то закрывается. Открытый диод имеет малое сопротивление, и максимальное падение напряжения на нем составляет около 0.7V. Поэтому практически все напряжение B1 (если быть точным, то 3.7 — 0.7 = 3V) оказывается приложенным к резистору R1. Этот резистор играет роль ограничителя входного тока биполярного транзистора.

У полевого транзистора MOSFET в этом отношении все по-другому. Входной ток определяется главным образом сопротивлением резистора R2, поэтому входной ток очень мал. Практически все входное напряжение оказывается приложенным к R2 и к переходу затвор — исток полевого транзистора. Причина проста: затвор и исток изолированы друг от друга слоем оксида кремния, по сути это конденсатор, поэтому ток через затвор практически не течет.

По этой причине на низких частотах, когда входная емкость не шунтирует источник сигнала, полевой транзистор имеет гораздо большее усиление по мощности в сравнении с биполярным транзистором.

И действительно, в нашем примере входная мощность у биполярного транзистора составляет 0.3 мА * 3.7V = 1.11 мВт, а у полевого транзистора входная мощность составит всего лишь 0.00366 мА * 3.7V = 0.0135 мВт, т. е. в 82 раза меньше! Это соотношение могло бы быть еще больше не в пользу биполярного транзистора, если увеличить сопротивление резистора R2.

• Падение напряжения на выходном канале у полевого транзистора намного меньше, чем у биполярного.

Для данного примера падение напряжения коллектор-эмиттер биполярного транзистора составит примерно 0.3V, а у полевого 0.1V и даже меньше. Обычно выходное сопротивление у полевого транзистора намного меньше, чем у биполярного.

В исходном состоянии, когда на затворе относительно истока нулевое положительное напряжение, сопротивление канала определяется количеством неосновных носителей в полупроводнике, и очень велико. Когда к затвору прикладывается положительное напряжение относительно истока, то появляется проводящий ток канал сток-исток.

Поэтому MOSFET иногда называют полевым транзистором с индуцированным каналом.

[Структура мощного транзистора MOSFET]

На рис. 1 показан срез структуры N-канального транзистора MOSFET компании Advanced Power Technology (APT). (Здесь рассматриваются MOSFET только N-структуры, как самые популярные.) Положительное напряжение, приложенное от вывода истока (source) к выводу затвора (gate), заставляет электроны притянуться ближе к выводу затвора в области подложки. Если напряжение исток-затвор равно или больше определенного порогового напряжения, достаточного для накапливания нужного количества электронов для достижения инверсии слоя n-типа, то сформируется проводящий канал через подложку (говорят, что канал MOSFET расширен). Электроны могут перетекать в любом направлении через канал между стоком и истоком. Положительный (или прямой) ток стока втекает в сток, в то время как электроны перемещаются от истока к стоку. Прямой ток стока будет заблокирован, как только канал будет выключен, и предоставленное напряжение сток-исток будет прикладываться в обратном направлении к p-n переходу подложка-сток.

В N-канальных MOSFET только электроны формируют проводимость, здесь нет никаких не основных носителей заряда. Скорость переключения канала ограничена только длительностью перезаряда паразитных емкостей между электродами MOSFET. Поэтому переключение может быть очень быстрым, приводя к низким потерям при переключении. Этот фактор делает мощные MOSFET такими эффективными для работы на высокой частоте переключения.

Рис. 1. Срез рабочей структуры транзистора MOSFET.

RDS(on). Основные составляющие, которые входят в сопротивление открытого канала RDS(on), включают сам канал, JFET (аккумулирующий слой), область дрейфа Rdrift, паразитные сопротивления (металлизация, соединительные провода, выводы корпуса). При напряжениях приблизительно выше 150V в сопротивлении открытого канала доминирует область дрейфа. Эффект RDS(on) относительно невелик на высоковольтных транзисторах MOSFET. Если посмотреть на рис. 2, удвоение тока канала увеличивает RDS(on) только на 6%.

Рис. 2. Зависимость R

DS(on) от тока через канал.

Температура, с другой стороны, сильно влияет на RDS(on). Как можно увидеть на рис. 3, сопротивление приблизительно удваивается при возрастании температуры от 25°C до 125°C. Температурный коэффициент RDS(on) определяется наклоном кривой графика рис. 3, и он всегда положителен для большинства поставщиков транзисторов MOSFET. Большой положительный температурный коэффициент RDS(on) определяется потерями на соединении I2R, которые увеличиваются с ростом температуры.

Рис. 3. Зависимость RDS(on) от температуры.

Положительный температурный коэффициент RDS(on) очень полезен, когда нужно параллельно включать транзисторы MOSFET, поскольку это обеспечивает их температурную стабильность и равномерное распределение рассеиваемой мощности между транзисторами.

Этим MOSFET выгодно отличаются от традиционных биполярных транзисторов. Но это не гарантирует, что параллельно соединенные транзисторы будут равномерно распределять между собой общий ток. Это широко распространенное заблуждение [2]. То, что действительно делает MOSFET простыми для параллельного включения — это их относительно малый разброс по параметрам между отдельными экземплярами в пределах серии, в частности по параметру RDS(on), в комбинации с более безопасными свойствами канала в контексте перегрузки по току, когда благодаря положительному температурному коэффициенту RDS(on) сопротивление канала растет при повышении температуры.

Для любого заданного размера кристалла RDS(on) также увеличивается с увеличением допустимого напряжения V(BR)DSS, как это показано на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость нормализированного RDS(on) от V(BR)DSS.

Кривая нормализированного RDS(on) в зависимости от V(BR)DSS для Power MOS V и Power MOS 7 MOSFET показывает, что RDS(on) растет пропорционально квадрату V(BR)DSS. Эта нелинейная зависимость между RDS(on) и V(BR)DSS является побудительным стимулом для исследования технологий с целью уменьшить потери проводимости мощных транзисторов [3].

[Внутренние и паразитные элементы]

JFET. В структуре MOSFET Вы можете представить себе встроенный JFET, как это показано на рис. 1. JFET оказывает значительное влияние на RDS(on), и является частью нормального функционирования MOSFET.

Внутренний диод на подложке (Intrinsic body diode)

. Переход p-n между подложкой и стоком формирует внутренний диод, так называемый body diode (см. рис. 1), или паразитный диод. Обратный ток стока не может быть блокирован, потому что подложка замкнута на исток, предоставляя мощный путь для тока через body diode. Расширение канала транзистора (при положительном напряжении на затворе относительно истока) уменьшает потери на прохождение обратного тока стока, потому что электроны проходят через канал в дополнение к электронам и неосновным носителям, проходящим через  body diode.

Наличие внутреннего диода на подложке удобно в схемах, для которых требуется путь для обратного тока стока (часто называемого как ток свободного хода), таких как схемах мостов. Для таких схем предлагаются транзисторы FREDFET

, имеющие улучшенные восстановительные характеристики (FREDFET это просто торговое имя компании Advanced Power Technology, используемое для выделения серий MOSFET с дополнительными шагами в производстве, направленными на ускорение восстановления intrinsic body diode). В FREDFET нет отдельного диода; это тот же MOSFET intrinsic body diode. Для управления временем жизни неосновных носителей во внутреннем диоде применяется либо облучение электронами (наиболее часто используемый вариант) или легирование платиной, что значительно уменьшает заряд обратно смещенного перехода и время восстановления.

Побочный эффект от обработки FREDFET — повышенный ток утечки, особенно на высоких температурах. Однако, если учесть, что MOSFET имеет очень малый начальный ток утечки, то добавленный через FREDFET ток утечки остается допустимым до температур перехода ниже 150°C. В зависимости от дозы облучения FREDFET может иметь RDS(on) больше, чем у соответствующего MOSFET. Прямое напряжение для паразитного диода для FREDFET также немного больше. Заряд затвора и скорость переключения у MOSFET и FREDFET идентичны. Поэтому термин MOSFET здесь будет использоваться всегда для обоих типов MOSFET и FREDFET, если специально не оговорено что-то другое.

Скорость восстановления для паразитного диода у MOSFET или даже у FREDFET намного хуже в сравнении со скоростью быстрого дискретного диода. В приложениях, где жесткие рабочие условия с температурой порядка 125°C, потери на включение из-за восстановления из обратного смещения примерно в 5 раз выше, чем у быстрых дискретных диодов. НА это есть 2 причины:

1. Рабочая область паразитного диода совпадает с рабочей областью MOSFET или FREDFET, и рабочая область у дискретного диода для той же функции намного меньше, поэтому у дискретного диода намного меньше заряд восстановления.

2. Паразитный диод MOSFET или даже FREDFET не оптимизирован под обратное восстановление, как это сделано для дискретного диода.

Как и любой стандартный кремниевый диод, у паразитного диода заряд восстановления и время зависит от температуры, di/dt (скорости изменения тока), и величины тока. Прямое напряжение паразитного диода, VSD, уменьшается с ростом температуры по коэффициенту примерно 2.5 mV/°C.

Паразитный биполярный транзистор. Разделенная на слои структура MOSFET также формирует паразитный биполярный транзистор (BJT) структуры NPN, и его включение на является частью нормального функционирования. Если BJT откроется и войдет в насыщение, то это может вызвать самоблокировку, при которой MOSFET не может быть выключен кроме как через внешний разрыв цепи тока стока. Высокая мощность рассеивания (например, при возникновении сквозного тока в плече моста) при самоблокировке может вывести MOSFET из строя.

База паразитного BJT замкнута на исток, чтобы предотвратить самоблокировку, и потому что напряжение пробоя (breakdown voltage) было бы значительно уменьшено (для того же самого значения RDS(on)), если бы база была оставлена плавающей. Существует теоретическая возможность самоблокировки при очень большой скорости dv/dt в момент выключения. Однако для современных стандартных мощных транзисторов очень трудно создать схему, где будет достигнута такое высокое dv/dt.

Есть риск включения паразитного BJT, если внутренний диод проводит, и затем выключается с чрезмерно высоким изменением dv/dt. Мощная коммутация dv/dt вызывает высокую плотность неосновных носителей заряда (положительные носители, или дырки) в подложке, что может создать напряжение на подложке, достаточное для включения паразитного BJT. По этой причине в даташите указано ограничение пиковой коммутации (восстановление встроенного диода) dv/dt. Пиковая коммутация dv/dt для FREDFET выше в сравнении с MOSFET, потому что у FREDFET снижено время жизни неосновных носителей заряда.

[На что влияет температура]

Скорость переключения. Температура практически не влияет на скорость переключения и потери, потому что (паразитные) емкости мало зависят от температуры. Однако ток обратного восстановления в диоде увеличивается с температурой, так что температурные эффекты внешнего диода (это может быть дискретный диод, или внутренний диод в MOSFET или FREDFET) влияют на потери включения мощных схем.

Пороговое напряжение, или напряжение отсечки (Threshold voltage). Напряжение отсечки затвора, обозначаемое как VGS(th), является важным стандартным параметром. Оно говорит, насколько много миллиампер через сток будет течь при пороговом напряжении на затворе, когда транзистор в основном выключен, но находится на пороге включения. У напряжения отсечки есть отрицательный температурный коэффициент; это означает, что напряжение отсечки уменьшается с ростом температуры. Температурный коэффициент влияет на время задержки включения и выключения, и следовательно влияет на выбор «мертвого времени» в мостовых схемах.

Переходная характеристика (Transfer characteristic). На рис. 5 показана переходная характеристика MOSFET-транзистора APT50M75B2LL.

Рис. 5. Пример переходной характеристики MOSFET.

Переходная характеристика зависит как от температуры, так и от тока стока. На рис. 5 при токе ниже 100 A напряжение затвор-исток имеет отрицательный температурный коэффициент (при заданном токе стока уменьшается напряжение затвор-исток при повышении температуры). При токе выше 100 A температурный коэффициент становится положительным. Температурный коэффициент напряжения затвор-исток и ток стока в том месте, где коэффициент меняет знак, важен для проектирования работы схем в линейном режиме [4].

Напряжение пробоя (Breakdown voltage). Напряжение пробоя имеет положительный температурный коэффициент, этот будет обсуждаться в секции Walkthrough.

Устойчивость к перегрузке по току (Short circuit capability). Возможность противостояния коротким замыканиям не всегда встречается в даташите. Причина понятна — MOSFET стандартной мощности не подходят для устойчивой работы в режиме перегрузки по току в сравнению с IGBT или другими транзисторами, работающими с высокой плотностью тока. Само собой разумеется, что MOSFET и FREDFET (в некотором смысле) устойчивы к перегрузке по току.

[Обзор параметров даташита. Максимальные предельные значения]

Назначение даташитов, предоставляемых APT, состоит в предоставлении соответствующей информации, которая полезна и удобна для выбора подходящего устройства в конкретном приложении. Предоставляются графики, чтобы можно было экстраполировать от одного набора рабочих условий к другому. Следует отметить, что графики предоставляют типичную производительность, но не минимумы или максимумы. Производительность также зависит кое в чем от схемы; различные тестовые схемы приведут к отличающимся результатам.

VDSS, напряжение сток-исток. Это оценка максимального напряжения сток-исток не вызывая лавинного пробоя (avalanche breakdown) с затвором, замкнутым на исток при температуре 25°C. В зависимости от температуры напряжение лавинного пробоя могло бы быть фактически меньше, чем параметр VDSS. См. описание V(BR)DSS в разделе «Статические электрические характеристики».

VGS, напряжение затвор-исток. Это предельное напряжение между выводами затвора и истока. Назначение этого параметра — предотвратить повреждение изолирующего оксидного слоя затвора (например, от статического электричества). Фактическая устойчивость оксидной пленки затвора намного выше, чем заявленный параметр VGS, но он варьируется в зависимости от производственных процессов, так что если укладываться в предел VGS, то это гарантирует надежную работу приложения.

ID, непрерывный ток стока. ID определяет максимальный уровень продолжающегося постоянного тока, когда транзистор выходит из строя при максимальной температуре перехода TJ(max), для случая 25°C, и иногда для более высокой температуры. Он основан на термосопротивлении между корпусом и переходом RӨJC, и для случая температуры TC может быть вычислен по формуле:

Это выражение просто говорит о том, какая максимальная мощность может рассеиваться

при максимальной генерируемой теплоте из-за потерь в соединении I2D X RDS(on)@TJ(max), где RDS(on)@TJ (max) сопротивление открытого канала при максимальной температуре перехода. Отсюда можно вывести ID:

Обратите внимание, что в ID не входят никакие потери на переключение, и случай с температурой 25°C на практике встречается редко. По этой причине в приложениях, где MOSFET часто переключается, фактический коммутируемый ток обычно меньше половины ID @ TC = 25°C; обычно между 1/4 до 1/3.

Зависимость ID от TC. Этот график просто отражает формулу 2 для диапазона температур. Здесь также не учтены потери на переключение. На рис. 6 приведен пример такого графика. Обратите внимание, что в некоторых случаях выводы корпуса транзистора ограничивают максимально допустимый продолжительный ток (переключаемый ток может быть больше): 100 A для корпусов TO-247 и TO-264, 75 A для TO-220 и 220 A для SOT-227.

Рис. 6. Максимальный ток стока в зависимости от температуры.

IDM, импульсный ток стока. Этот параметр показывает, какой импульс тока может выдержать устройство. Этот ток может значительно превышать максимально допустимый постоянный ток. Назначение этого параметра IDM состоит в том, чтобы удержать рабочий омический регион в пределе выходных характеристик. Посмотрите на рис. 7:

Рис. 7. Выходная характеристика MOSFET.

На этом графике есть максимальный ток стока для соответствующего напряжения затвор-исток, когда транзистор MOSFET открыт. Если рабочая точка при данном напряжении затвор-исток переходит выше омического региона «колена» рис. 7, то любое дальнейшее увеличение тока через сток приведет к значительному увеличению напряжения сток-исток (транзистор переходит из режима насыщения в линейный режим) и последующей потере проводимости. Если мощность рассеивания станет слишком велика, и это будет продолжаться довольно долго, то устройство может выйти из строя. Параметр IDM нужен для того, чтобы установить рабочую точку ниже «колена» для типичных применений транзистора в ключевом режиме.

Нужно ограничить плотность тока, чтобы предотвратить опасный нагрев, что иначе может привести к необратимому перегоранию MOSFET.

Чтобы избежать проблем с превышением тока через соединительные провода иногда применяют плавкие предохранители. В случае перегрузки по току выгорят именно они вместо транзистора.

Относительно температурных ограничений на IDM, рост температуры зависит от длительности импульса тока, интервала времени между импульсами, интенсивности рассеивания тепла, сопротивления открытого канала RDS(on), а также и от формы и амплитуды импульса тока. Если просто удержаться в пределах IDM, то это еще не означает, что температура перехода не будет превышена. См. обсуждение переходного теплового сопротивления в разделе «Температурные и механические характеристики», чтобы узнать способ оценки температуры перехода во время импульса тока.

PD, общая мощность рассеивания. Этот параметр определяет максимальную мощность, которую может рассеивать устройство, и он основан на максимально допустимой температуре перехода и термосопротивлении RӨJC для случая температуры 25°C.

Линейный коэффициент снижения мощности это просто инверсия RӨJC.

TJ, TSTG: рабочий и складской диапазон температур перехода. Этот параметр ограничивает допустимую температуру кристалла устройства во время работы и во время хранения. Установленные пределы гарантируют, что будут соблюдены гарантийные эксплуатационные сроки устройства. Работа в пределах этого диапазона может значительно увеличить срок службы.

EAS, лавинная энергия одиночного импульса. Если импульс напряжения (возникающий обычно из-за утечки и случайной индуктивности) не превышает напряжение пробоя, то не будет лавинного пробоя устройства, так что нет необходимости рассеивать энергию пробоя. Параметр максимальной лавинной энергии оценивает устройство в плане рассеивания мощности режима лавинного пробоя при переходных процессах с повышенным напряжением.

Все устройства, которые оценены по лавинной энергии, имеют параметр EAS. Лавинная энергия связана с параметром разблокированного индуктивного переключения (unclamped inductive switching, UIS). EAS показывает, сколько лавинной энергии устройство может поглотить. Условия для схемы тестирования Вы можете найти в документации по ссылкам, и EAS вычисляется по формуле:

Здесь L величина индуктивности, из которой поступает импульс тока iD, случайно поступающий в на закрытый переход транзистора через сток при тесте. Индуцируемое напряжение превышает напряжение пробоя MOSFET, что вызывает лавинный пробой. Лавинный пробой позволяет импульсу тока от индуктивности течь через MOSFET, даже если он закрыт. Энергия, запасенная в индуктивности, аналогична энергии, сохраненной в утечке и/или случайной индуктивности, и она должна быть рассеяна в MOSFET.

Когда транзисторы MOSFET соединены параллельно, это совершенно не означает, что у них одинаковое напряжение пробоя. Обычно пробьется только один транзистор, и только на него поступит вся энергия тока лавинного пробоя.

EAR, повторная лавинная энергия. Этот параметр стал «промышленным стандартом», но он не имеет смысла без информации о частоте, других потерях и эффективности охлаждения. Рассеивание тепла (охлаждение) часто ограничивает значение повторной рассеиваемой энергии. Также трудно предсказать, сколько энергии находится в лавинном событии. То, о чем говорит EAR в действительности, означает, что устройство может выдерживать повторяющиеся лавинные пробои без какого-либо ограничения по частоте, если устройство не перегрето, что в принципе верно для любого устройства, которое может испытать лавинный пробой. Во время анализа проекта хорошей практикой является измерение температуры устройства или его радиатора во время работы — чтобы увидеть, что MOSFET не перегрет, особенно если возможны условия лавинного пробоя.

IAR, ток лавинного пробоя. Для некоторых устройств, которые могут выйти из строя во время лавинного пробоя, этот параметр дает лимит на максимальный ток пробоя. Так что это как бы «точный отпечаток» спецификаций лавинной энергии, показывающий реальные возможности устройства.

[Статические электрические характеристики]

V(BR)DSS, Drain-source breakdown voltage, напряжение пробоя сток-исток. Параметр V(BR)DSS (иногда его называют BVDSS) определяет максимальное напряжение сток-исток, при котором через канал сток-исток будет течь ток не больше допустимого при заданной температуре и нулевом напряжении между затвором и истоком. Фактически этот параметр соответствует напряжению лавинного пробоя канала сток-исток закрытого транзистора. 

Как показано на рис. 8, у параметра V(BR)DSS есть положительный температурный коэффициент. Таким образом, MOSFET может выдержать больше напряжение, если он нагрет, по сравнению с холодным состоянием. Фактически в охлажденном состоянии V(BR)DSS будет меньше, чем предельно допустимое напряжение сток-исток VDSS, указанное для температуры 25°C. В примере, показанном на рис. 8 при -50°C, напряжение V(BR)DSS будет составлять 90% от максимально допустимого VDSS, указанного для температуры 25°C. 

Рис. 8. Нормализованная зависимость напряжения пробоя от температуры. 

VGS(th), Gate threshold voltage, напряжение отсечки затвора. Это пороговое напряжение затвор-исток, при превышении которого транзистор начнет открываться. Т. е. при напряжении на затворе выше VGS(th) транзистор MOSFET начинает проводить ток через канал сток-исток. Для параметра VGS(th) также указываются условия проверки (ток стока, напряжение сток-исток и температура кристалла). Все транзисторы MOSFET допускают некоторый разброс порогового напряжения отсечки затвора от устройства к устройству, что вполне нормально. Таким образом, для VGS(th) указывается диапазон (минимум и максимум), в который должны попасть все устройства указанного типа. Как уже обсуждалось ранее в разделе «На что влияет температура», VGS(th) имеет отрицательный температурный коэффициент. Это значит, что с увеличением нагрева MOSFET откроется при более низком напряжении затвор-исток. 

RDS(on), ON resistance, сопротивление в открытом состоянии. Этот параметр определяет сопротивление открытого канала сток-исток при указанном токе (обычно половина от тока ID), напряжении затвор-исток (обычно 10V) и температуре 25°C, если не указано что-либо другое. 

IDSS, Zero gate voltage drain current, ток утечки канала. Это ток, который может течь через закрытый канал сток-исток, когда напряжение на затвор-исток равно нулю. Поскольку ток утечки увеличивается с температурой, то IDSS указывается для комнатной температуры и для нагретого состояния. Потери мощности из-за тока утечки IDSS через канал сток-исток обычно незначительны. 

IGSS, Gate-source leakage current, ток утечки затвора. Это ток, который может через затвор при указанном напряжении затвор-исток. 

[Динамические характеристики

Рис. 9 показывает месторасположения внутренних емкостей транзистора MOSFET. Величина этих емкостей определяется структурой MOSFET, используемыми материалами и приложенными напряжениями. Эти емкости не зависят от температуры, так что температура не влияет на скорость переключения MOSFET (за исключением незначительного эффекта, связанного с пороговым напряжением, которое зависит от температуры). 

Рис. 9. Паразитные емкости транзистора MOSFET в структуре кристалла. 

Емкости Cgs и Cgd меняются в зависимости от приложенного к ним напряжений, потому что они затрагивают обедненные слои в устройстве [8]. Однако на Cgs намного меньше меняется напряжение в сравнении с Cgd, так что емкость Cgs изменяется меньше. Изменение Cgd при изменении напряжения сток-затвор может быть больше, потому что напряжение может меняться в 100 раз или больше. 

На рис. 10 показаны внутренние емкости MOSFET с точки зрения схемотехники. Емкости затвор-сток и затвор-исток могут повлиять на схему управления, и вызвать нежелательные эффекты при быстрых переключениях в мостовых схемах. 

Рис. 10. Паразитные емкости транзистора MOSFET в рабочей схеме. 

Если кратко, то чем меньше Cgd, тем будет меньше влияние на схему управления при перепаде напряжения при включении транзистора. Также емкости Cgs и Cgd формируют емкостный делитель напряжения, и при большом соотношении Cgs к Cgd желательно защитить схему управления от паразитных помех от перепадов напряжения, возникающих при переключении. Это соотношение, умноженное на пороговое напряжение, определяет качество защиты схемы управления от переключений в выходной цепи, и силовые транзисторы MOSFET компании APT лидируют в индустрии по этому показателю. 

Ciss, Input capacitance, входная емкость. Это емкости, измеренная между выводами затвора истока, когда по переменному напряжению сток замкнут на исток. Ciss состоит из параллельно соединенных емкостей Cgd (емкость затвор-сток) и Cgs (емкость затвор-исток): 

Входная емкость должна быть заряжена до порогового напряжения перед тем, как транзистор начнет открываться, и разряжена до напряжения общего провода перед тем, как транзистор выключится. Таким образом, сопротивление управляющей схемы и емкость Ciss образуют интегрирующую цепь, которая напрямую влияет на задержки включения и выключения. 

Coss — Output capacitance, выходная емкость. Это емкость, измеренная между стоком и истоком, когда затвор замкнут по переменному току на сток. Coss состоит из параллельно соединенных емкостей Cds (емкость сток-исток) и Cgd (емкость затвор-сток):

Для приложений с мягким переключением параметр Coss важен, потому что влияет на резонанс схемы. 

Crss, Reverse transfer capacitance, обратная переходная емкость. Это емкость, измеренная между стоком и затвором, когда исток соединен с землей. Обратная переходная емкость эквивалентна емкости затвор-сток. 

Обратная переходная емкость часто упоминается как емкость Миллера. Это один из главных параметров, влияющих на время нарастания и спада напряжения во время переключения. Он также влияет на эффекты времени задержки выключения. 

На рис. 11 показан пример зависимости типичных значений емкости от напряжения сток-исток. 

Рис. 11. Зависимость емкости от напряжения. 

Емкости уменьшаются при увеличении напряжения сток-исток, особенно это влияет на выходную и обратную переходную емкости.

Qgs, Qgd и Qg, Gate charge, заряд затвора. Значения заряда отражают заряд, сохраненный на внутренних емкостях, описанных ранее. Заряд затвора используется для разработки схемы управления, поскольку нужно учитывать изменения емкости при изменении напряжения на переходах переключения [9, 10].

На рис. 12 показано, что Qgs заряжается от начала координат до первого перегиба и далее заряжается до второго перегиба кривой (этот заряд известен как заряд Миллера), и Qg является зарядом от начала координат до точки, где VGS равно указанному управляющему напряжению затвора. 

Рис. 12. VGS как функция заряда затвора. 

Заряд затвора незначительно изменяется с током стока и напряжением сток-исток, но не зависит от температуры. Для этого параметра указываются условия тестирования. График заряда затвора, обычно приведенный в даташите, показывает кривые заряда затвора для фиксированного тока стока и различных напряжений сток-исток. Напряжение горизонтального участка VGS(pl), «плато», показанное на рис. 12, незначительно увеличивается с ростом тока (и соответственно уменьшается при снижении тока). Напряжение  также имеет прямо пропорциональную зависимость от порогового напряжения, так что изменения порогового напряжения коррелирует и изменением напряжения плато. 

[Резистивные параметры времени переключения (данные resistive switching)]

Эти параметры имеются в даташите по чисто историческим причинам. 

td(on), Turn-on delay time, время задержки включения. Это время от момента, когда напряжение затвор-исток на 10% превысит напряжение отсечки затвора до момента времени, когда ток стока вырастет больше 10% от указанного выходного тока. Это показывает задержку начала поступления тока в нагрузку.

td(off), Turn-off delay Time, время задержки выключения. Это время от момента, когда напряжение затвор-исток упадет ниже 90% напряжения отсечки затвора до момента, когда ток стока упадет ниже 90% от указанного выходного тока. Это показывает задержку отключения тока в нагрузке.

tr, Rise time, время нарастания. Это время, за которое ток стока вырастет от 10% до 90% (значение тока указывается).

tf, Fall time, время спада. Это время, за которое ток стока спадет от 90% до 10% (значение тока указывается). 

[Энергии переключения в индуктивностях

Из-за того, что данные resistive switching трудно использовать для предсказания потерь на переключение в реальных рабочих условиях мощных преобразователей, компания Advanced Power Technology включает во многие даташиты транзисторов MOSFET и FREDFET данные энергии переключения в индуктивностях. Это предоставляет разработчику ключевых блоков питания удобный способ сравнения быстродействия транзисторов MOSFET или FREDFET с другими транзисторами, даже если они выполнены по другой технологии наподобие IGBT. Поэтому можно использовать для разработки самый подходящий по качеству мощный транзистор. 

На рис. 13 показана схема тестирования переключения транзистора с учетом потерь в индуктивностях. Это импульсный тест, где применяется очень короткий по длительности цикл открытого состояния транзистора, так что энергия, запасенная в индуктивности, успеет рассеяться намного раньше поступления последующих импульсов, и саморазогрев можно не учитывать. Температура транзистора и фиксирующего диода во время теста регулируется принудительно от внешнего термостата. 

Рис. 13. Схема тестирования потерь на индуктивности.

В таблице динамических характеристик указываются следующие условия тестирования: VDD на рис. 13, ток теста, напряжение управления для затвора, сопротивление затвора и температура кристалла. Обратите внимание, то сопротивление затвора может включать сопротивление выхода микросхемы драйвера. Поскольку время переключения и энергии меняются с температурой (главным образом из-за диода в тестовой схеме), то данные предоставляются как для комнатной температуры, так и для разогретого состояния диода и тестируемого транзистора. Также предоставляется график зависимости между временем переключения и энергиями тока стока, и сопротивлением затвора. Определения времени задержки (включения) и времени нарастания и спада тока совпадают с аналогичными временами для данных resistive switching. 

Фактические формы сигнала при переключениях используются в даташите для определения различных измеренных параметров. Рис. 14 показывает форму сигнала включения и определения, связанные с ним. Энергия переключения может быть масштабирована напрямую для изменений между напряжением в приложении и энергией при тестовом напряжении, указанном в даташите. Так что, к примеру, если тесты в даташите были проведены при напряжении 330V, и в приложении применяется напряжение 400, то для масштабирования нужно просто умножить энергию переключения из даташита на коэффициент 400/330. 

Рис. 14. Формы сигналов включения и соответствующие определения. 

Времена переключения и энергии очень зависят от других компонентов и случайных (паразитных) индуктивностей в схеме. Диод сильно влияет на энергию включения. Паразитная индуктивность, включенная последовательно с истоком, является частью пути возвратного управляющего тока, и поэтому значительно влияет на времена переключения и энергии. Таким образом, время переключения и значения энергии, представленные в даташите, могут отличаться от того, что наблюдается в реальном приложении силового узла блока питания или ключа управления мотором. 

Eon, Turn-on switching energy with diode, энергия включения с диодом. Это зафиксированная индуктивная энергия включения, которая включает индуктивный коммутирующий реверсивный ток восстановления диода в тестируемом транзисторе, и она учитывает потери при включении. Обратите внимание, что транзисторы FREDFET в схемах мостов получают жесткие условия переключения, где паразитный диод сложно коммутируется, и энергия включения примерно в 5 раз выше, чем если бы использовался дискретный диод с быстрым восстановлением, наподобие того как показано в схеме рис. 13. 

Энергия включения является интегралом результата от тока стока и напряжения сток-исток на интервале от момента, когда ток стока вырастет больше 5% или 10% от тестового тока, то момента, когда напряжение спадет ниже 5% от тестового напряжения, как это показано на рис. 14. 

Eoff, Turn-off switching energy, энергия выключения. Это параметр, характеризующий фиксацию потерь на индуктивности при выключении. На рис. 13 показана схема тестирования, и рис. 15 показывает форму сигнала и определения. Eoff является интегралом результата от тока стока и напряжением сток-исток на интервале времени от момента, когда напряжение затвор-исток упадет ниже 90% до момента, когда ток стока станет нулевым. Это соответствует измерениям энергии выключения по JEDEC-стандарту 24-1. 

Рис. 15. Формы сигналов выключения и соответствующие определения. 

[Температурные и механические характеристики]

RƟJC, Junction to case thermal resistance, тепловое сопротивления между подложкой и корпусом. Этот параметр характеризует эффективность передачи тепла от кристалла к внешнему корпусу транзистора. Выделяющееся тепло является результатом потерь мощности в самом транзисторе. Обратите внимание, что тесты компании APT показывают температуры пластмассы, совпадающую с металлической частью корпуса дискретного компонента. 

Максимальное значение RƟJC включает допуск, учитывающий погрешности изменения для обычного процесса производства. Из-за улучшений производственного процесса в индустрии есть тенденция сокращения разницы между максимальным значением RƟJC и его реальным значением. 

ZƟJC, Junction to case transient thermal impedance, переходной термический импеданс между подложкой и корпусом. Этот параметр учитывает теплоемкость устройства, так что он может использоваться для оценки мгновенных температур из-за потерь мощности. 

В условиях проведения теста на термоимпеданс на тестируемый транзистор прикладываются импульсы мощности различной длительности, и при этом ждут спада температуры между каждым импульсом. Это дает измерение переходного термосопротивления для «одиночного импульса». Из этого строится модель резистор-емкость (RC) по кривой изменения температуры. Рис. 16 показывает такую RC-модель переходного термосопротивления. Некоторые даташиты могут показывать конденсаторы и резисторы, включенные параллельно, но это будет ошибкой. Конденсаторы «заземлены», как это показано на рис 16, и значения компонента остаются такими же. Нет никакого физического значения для промежуточных узлов в модели. Разное количество пар резистор-конденсатор используется просто для того, чтобы создать хорошую подгонку к фактическим измененным данным термосопротивления. 

Рис. 16. RC-модель переходного термосопротивления. 

Чтобы симулировать возрастание температуры с помощью RC-модели, Вы прикладываете источник тока с магнитудой, соответствующей рассеиваемой мощности в MOSFET. Таким образом, Вы можете использовать систему PSPICE или другой программный симулятор электронных схем, чтобы применить ввод произвольных потерь мощности. Из этого Вы можете оценить повышение температуры участка подложка-корпус как напряжение на ступеньках лестницы, установив ZEXT в ноль, как это показано на рис. 16. Вы можете расширить модель, чтобы включить теплоотвод, добавив дополнительные конденсаторы и/или резисторы. 

Переходное термосопротивление в виде семейства кривых, опубликованное в даташите, это просто симуляция прямоугольного импульса, основанная на RC-модели термосопротивления. Рис. 17 показывает пример. Вы можете использовать семейство кривых для оценки пикового нарастания температуры для прямоугольных импульсов мощности, которые являются обычными в источниках питания. Однако из за того, что минимальная длительность импульса 10 мкс, график имеет значение только для частот ниже 100 кГц. На более высоких частотах Вы будете просто использовать термосопротивление RƟJC.

Рис. 17. Семейство кривых термосопротивления.

[Пример анализа даташита]

Предположим, что в реальном приложении ключевого блока питания Вы хотите применить жесткое переключение тока 15A на частоте 200 кГц при напряжении 400V, при средней скважности 35%. Напряжение управления затвора 15V, и сопротивление цепи управления затвора составляет 15Ω для включения и 5Ω для выключения. Также предположим, что Вы хотите позволить максимальную температуру перехода 112°C, с удержанием температуры корпуса транзистора 75°C. С транзистором, рассчитанным на 500V, есть запас только в 100V между напряжением в приложении и VDSS. С учетом скачков напряжения на шине питания 400V узкий запас по напряжению все равно достаточен, потому что у транзистора MOSFET есть эффект лавинного пробоя, который дает «безопасную цепь». Это конфигурация с продолжительной проводимостью, так что быстро восстанавливающийся диод FREDFET не нужен, MOSFET будет работать достаточно хорошо. Такой транзистор Вам следует выбрать? 

Поскольку это приложение с довольно высокой частотой переключения, то лучшим выбором будет серия Power MOS 7. Посмотрим на транзистор APT50M75B2LL. Его расчетный ток 57A, что больше чем в 3 раза переключаемого тока — хорошая стартовая точка, учитывая высокую частоту и жесткое переключение. Давайте оценим потери проводимости, потери переключения, и посмотрим, будет ли тепло рассеиваться достаточно быстро. Общая мощность, которую можно рассеять: 

При 112°C сопротивление RDS(on) примерно в 1.8 раз больше, чем при комнатной температуре (см. рис. 3). Так что потери на проводимость составят: 

Pconduction = (1.8*0.075Ω * 15A) * 15A = 30.4 Вт 

Для оценки потерь на включение мы можем посмотреть на график зависимости потерь переключения от тока при температуре 125°C, показанный на рис. 18. Даже при том, что наше приложение требует максимальную температуру перехода 112°C, этот график будет достаточно точен, потому что энергия переключения MOSFET не чувствительна к температуре, за исключением изменений температуры, связанных с диодом в схеме. Поэтому не будет больших изменений при переходе от 112°C к 125°C. В любом случае, наша оценка будет консервативной. 

Рис. 18. Индуктивные потери переключения. 

По рис. 18 на токе 15A значение Eon будет около 300 μJ, и Eoff около 100 μJ. Значения были измерены при 330V, а в нашем приложении на шине питания 400V. Так что мы можем просто сделать масштабирование энергий переключения по напряжению:

Данные на рис. 18 были также измерены при сопротивлении затвора 5Ω, и мы будем использовать 15Ω при включении. Поэтому мы можем использовать график зависимости энергии переключения от данных сопротивления затвора, показанный на рис. 19, чтобы снова сделать масштабирование энергии. 

Рис. 19. Зависимость энергии переключения от сопротивления затвора. 

Даже при том, что тестовый ток на рис. 19 больше, чем в нашем приложении, разумно учесть соотношение в изменении энергии переключения между рис. 19 и нашим случаем. От 5Ω до 15Ω значение Eon поменяется с коэффициентом около 1.2 (1500μJ / 1250μJ, см. рис. 19). Применим это с данным, скорректированным по напряжению, которые мы видим на рис. 18, и получим Eon = 1.2*364μJ = 437μJ. 

Потери на переключение составят: 

Pswitch = fswitch — ( Eon + Eoff) = 200kHz — (437μJ +121μJ) = 112 Вт

Pconduction + Pswitch = 142.4 Вт, что дает возможность сохранить температуру перехода ниже 112°C в случае корпуса, охлажденного до 75°C. Так что APT50M70B2LL будет удовлетворять требованиям этого примера применения. Такая же техника может использоваться для менее мощных транзисторов MOSFET. На практике потери часто больше всего бывают на переключении. Чтобы поместить транзистор на радиатор и поддерживать температуру корпуса 75°C вероятно потребуется керамическая прокладка (для электрической изоляции) между корпусом и теплоемким радиатором. Преимущество MOSFET состоит в том, что могут применяться демпферы и/или техники резонанса для уменьшения потерь на переключение, причем с транзисторами MOSFET не нужно беспокоиться о влиянии на переключение эффектов зависимости от напряжения или температуры.

[UPD160207. Figure-of-merit]

Для оценки транзисторов FET применяют так называемый показатель качества, Figure of merit (FOM) [11]. Он учитывает одновременно потери на включенном транзисторе и потери на переключение. Обычно FOM вычисляется как произведение сопротивления канала сток-исток открытого транзистора R(DS)ON на заряд затвора QG. QG это заряд, который надо поместить на затвор транзистора MOSFET, чтобы он полностью открылся. С точки зрения рационального дизайна трудно одновременно снизить оба параметра, так что они хороши для оценки качества разработки ключа на полевом транзисторе.

Конечно, сравнение имеет смысл делать только в неком стандартном наборе условий. Это означает, что не только напряжение между затвором и истоком VGS поставляет заряд, также и напряжение сток-исток VDS влияет на сопротивление R(DS). (Это означает, что не просто канал полностью открыт, а то, что сопротивление R(DS) изменяется вверх и вниз.) Усложненный анализ учитывает, что R(DS)ON немного меняется с током стока, так что при сравнении переключающихся транзисторов рабочий ток стока ID также должен быть определен.

Иногда Вы увидите незначительно отличающийся показатель качества FOM: FOMSW, который будет произведением от which R(DS)ON и Q. Он характеризует заряд переключения, который немного меньше QG.

[Ссылки]

1. Power MOSFET tutorial site:eetimes.com.
2. R. Severns, E. Oxner; «Parallel Operation of Power MOSFETs», technical article TA 84-5, Siliconix Inc. 
3. J. Dodge; «Latest Technology PT IGBTs vs. Power MOSFETs», application note, Advanced Power Technology.
4. R. Frey, D. Grafham — APT, T. Mackewicz — TDIDynaload; «New 500V Linear MOSFETs for a 120 kW Active Load», application note APT0002, Advanced Power Technology.
5. Реле и транзисторы: как они работают в качестве электронных переключателей.
6. JFET site:wikipedia.org.
7. Bipolar junction transistor site:wikipedia.org.
8. N. Mohan, T. Undeland, W. Robbins; «Power Electronics » Converters Applications, and Design», text book published by Wiley.
9. K. Dierberger, «Gate Drive Design for Large Die MOSFETs», application note APT9302, Advanced Power Technology.
10. R. McArthur, «Making Use of Gate Charge Information in MOSFET and IGBT Datasheets», application note APT0103, Advanced Power Technology.
11. Оценка качества транзисторов MOSFET.

Устройство, принцип работы и различие N-P-N и P-N-P транзисторов | Энергофиксик

Существуют два основных вида транзисторов: полевые и биполярные. Биполярные транзисторы, в свою очередь, также разделяются на тип с P-N-P и N-P-N переходом. В этом материале я вам расскажу об устройстве биполярных транзисторов и мы поговорим о принципе работы и в чем их основное различие. Итак, поехали.

Немного истории

Согласно записям официальной истории дату 16.12.1947 года можно считать официальным днем рожденья одного из главных элементов всей электроники современности. Именно в этот день был представлен общественности первый транзистор, который был собран тремя учеными, а именно: Д. Бардин, У. Шокли и У. Браттейн.

yandex.ru

yandex.ru

Появление биполярного транзистора позволило отказаться от использования электронных ламп. Вся современная электроника была бы невозможна без этого изделия. Вот такое важное открытие было совершено в середине 20-го столетия. Теперь от истории перейдем к нашим биполярным транзисторам.

Как устроен биполярный транзистор

Итак, биполярный транзистор схематически можно представить следующим образом:

Посмотрите внимательно на изображение, вам оно ничего не напоминает? Да, вы правы, если присмотреться и мысленно разделить зону N – перехода, то перед нами два соединенных между собой диода (запомните этот момент, в дальнейшем он нам понадобится).

Для определения какой проводимости перед нами диод, достаточно прочитать направление P-N перехода. На рисунке выше у нас проводимость типа P-N-P. Это означает, что перед нами транзистор прямой проводимости (так как принято считать, что ток проходит от плюса к минусу).

А вот у транзистора N-P-N типа проводимость обратная

Вы заметили, что в обоих вариантах исполнения присутствуют три вывода под названием:

Эмиттер (источник, генератор), База (основа) и Коллектор (сборщик, накопитель).

Схематическое обозначение транзисторов

Из всего выше написанного вы уже наверняка поняли, что есть транзисторы обратной и прямой последовательности, а это значит, что и на схемах такие элементы должны иметь различия. Давайте их рассмотрим.

Итак, обозначение транзистора прямой проводимости на схемах будет следующее:

А вот транзистор обратной проводимости обозначается уже так:

В старых советских мануалах транзисторы маркировались буквой «Т», а теперь обозначение сменили на «VT».

Как по схеме определить N-P-N или P-N-P транзистор перед вами

На самом деле определить по схеме тип биполярного транзистора довольно просто, достаточно помнить следующее правило:

Как известно в N – полупроводнике имеется большое количество свободных электронов, а в полупроводнике P–типа расположены «дырки» — положительно заряженные частицы. А по общепринятой теории ток протекает от «плюса» к «минусу».

Если вы посмотрите на схему, то увидите, что эмиттер изображен со стрелкой, которая либо направлена к базе либо от нее. Так вот если транзистор N-P-N типа, то есть база выполнена из P– полупроводника, то ток течет от базы (стрелка эмиттера от базы). Если же база выполнена из N — полупроводника, то ток (стрелка) втекает в базу.

Как работает P-N-P транзистор

С обозначением и устройством вроде все понятно, а вот как он работает давайте разбираться:

Давайте представим биполярный транзистор в виде водяной трубы с задвижкой с пружинным механизмом.

Как видно из рисунка сверху беспрепятственному протеканию воды по трубе мешает задвижка с пружинным механизмом, если мы приложим небольшое усилие (откроем задвижку сжав пружину), то вода беспрепятственно потечет по трубе. Если же мы отпустим пружину, то она распрямится и вернет задвижку на место, тем самым перекрыв трубу и поток воды будет остановлен.

Теперь вообразите, что данная труба — это транзистор P-N-P типа, значит его выводы можно представить следующим образом:

Получается, чтобы ток протекал от эмиттера к коллектору (напоминаю, что направление тока совпадает с направлением стрелки на эмиттере) нужно сделать так, чтобы ток выходил из базы, или говоря по простому: подать на базу минус.

Давайте наглядно проверим работу такого транзистора. Для этого возьмем КТ814Б и соберем простенькую схему с двумя источниками питания.

Для того, чтобы правильно подключить транзистор необходимо знать какой вывод является эмиттером, базой и коллектором. Для этого находим техническую документацию и определяем:

Лампочку я буду использовать самую обычную автомобильную, рассчитанную на 12 Вольт. Собранная схема будет выглядеть так:

Итак, чтобы наша схема заработала выставляем на источнике питания №2 12 Вольт. А на первом источнике питания начинаем очень плавно (с нуля) поднимать напряжение ровно до того момента, пока не загорится наша лампа.

Схема заработала при напряжении 0,66 Вольт на первом источнике.

То есть произошло «открытие» транзистора и через цепь эмиттер-коллектор начал проходить ток.

Иначе говоря, напряжение, которое открыло наш транзистор — это ни что иное как падение напряжения на P-N переходе база-эмиттер, которое как раз и находится в пределах от 0,5 до 0,7 В для кремниевых транзисторов.

А как дела обстоят с транзисторами, где используется N-P-N переход.

Принцип работы N-P-N транзистора

Если внимательно посмотреть на техническую документацию к транзистору КТ814Б, то можно найти запись о том, что комплиментарной парой к этому транзистору является КТ815Б, а он различается лишь тем что здесь используется N-P-N переход.

yandex.ru

yandex.ru

И схема подключения будет выглядеть так:

Посмотрите внимательно на эту схему и схему включения КТ814Б, вы ничего не заметили? Все верно, единственное различие между этими двумя транзисторами заключено в том, что транзистор с P-N-P переходом открывается «минусом» (так как на базу подается отрицательный потенциал), а вот транзистор N-P-N открывается «плюсом».

Заключение

В этом материале мы с вами познакомились с устройством биполярных транзисторов, их устройстве и принципе работы, а также с тем как они обозначаются на схемах. Если статья оказалась вам интересна или полезна, то оцените ее лайком. Спасибо за ваше внимание!

Биполярный транзистор bc337-40 (Набор — 5 шт.)

Набор биполярных транзисторов n-p-n типа bc337-40 —  5 шт.

Технические характеристики:


Тип (структура) — NPN
Макс. напр. коллектор-база при заданном обратном токе коллектора и разомкнутой цепи э.(Uкб макс) — 50 В;
Макс. напр. коллектор-эмиттер при заданном токе коллектора и разомкнутой цепи б.(Uкэ макс) — 45 В;
Максимально допустимый ток к (Ік.макс.) — 500 мА;
Пиковый ток коллектора (Ік.пик.) — 1 А;
Пиковый ток базы (Іб.пик.) — 250 мА;
Максимальная рассеиваемая мощность — 0,625 Вт;
Корпус — ТО92

Документация:

bc337-40.pdf

Что такое транзистор и как он работает?

Транзистор — это электронный компонент из полупроводникового материала, способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет его использовать для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов. В настоящее время транзистор является основой подавляющего большинства электронных устройств.

Биполярный транзистор n-p-n типа наиболее популярен в аналоговой электронике. Его обозначение на принципиальных схемах, а так же наименование контактов показаны на рисунке справа. У транзистора есть три ножки и каждая из них имеет свое наименование. Если повернуть транзистор в корпусе ТО92 плоской частью к себе, то слева направо ножки обозначаются так: коллектор, база, эмиттер. Транзисторы n-p-n типа открываются положительным напряжением (относительно эмиттера), приложенным к базе.

Если подключить к коллектору (обозначен буквой «к») «плюс» от источника питания, а к эмиттеру (буква «э» ) — «минус», то ток через транзистор не пойдет. Но если на базу (обозначена буквой «б») подать небольшое напряжение, то через транзистор от базы к эмиттеру пойдет небольшой ток, который откроет транзистор, и тогда от коллектора к эмиттеру тоже потечет ток. Как только мы прекратим подачу напряжения на базу, то транзистор тут же закроется.

Что бы проще понять какой транзистор изображен на схеме, необходимо посмотреть куда указывает стрелка на его условном изображении. Стрелка всегда указывает куда должен пойти ток, что бы транзистор открылся. В данном вариант ток должен пойти от базы к эмиттеру и транзистор откроется.

Более подробно о биполярных транзисторах, их использовании и применении рассказано в Стартовом и Основном наборе 1-ого уровня конструкторов Эвольвектор. В указанных наборах вы сможете на практике исследовать работу транзистора применить его в мини проектах.

Транзистор биполярный, описание транзисторов, функция транзистора, npn-транзистор, pnp-транзистор, типы транзисторов


Описание транзисторов

Описание транзисторов удобно начать с описания функции, которую они выполняют. Основная функция биполярного транзистора — усиливать ток и напряжение. Например, они могут усиливать слаботочные выходные сигналы интегральных микросхем таким образом, чтобы ими можно было управлять лампой, реле и т.д. Во многих схемах транзистор служит для преобразования изменяющегося тока в изменяющееся напряжение. Т.е. транзистор работает как усилитель напряжения.

Транзистор может работать как ключ (либо полностью открыт и через него может течь максимально возожный ток, либо полностью закрыт и ток через него не течёт) или как усилитель (всегда частично открыт)

npn-транзистор, pnp-транзистор

Существуют следующие типы транзисторов: npn и pnp с различным обозначением на схемах. Буквы, обозначающие выводы транзистора, относятся к слоям полупроводника, из которого сделан транзистор. Большинство биполярных транзисторов, используемых сегодня, являются npn-транзисторами потому, что они самые простые в производстве из кремния. Если Вы новичок в электронике, лучше всего начинать изучение с npn-транзисторов.

Пожалуй, одним из самых известных отечественных транзисторов структуры npn является транзистор КТ315, а структуры pnp — транзистор КТ361.

Выводы биполярного транзистора обозначаются следующими буквами: B — (база), C — (коллектор), E — (эмиттер), в русском варианте, соответсвенно Б, К и Э. Эти термины относятся к внутренней организации транзистора, но не помогают понять, как транзистор работает. Поэтому, просто запомните их.

В добавление к pnp-транзисторам и npn-транзисторам (имеющим общее название — транзисторы биполярные) существуют полевые транзисторы, часто называемые FETs. Они имеют другое схематическое обозначение и характеристики.

Биполярный транзистор, что собой представляет, как устроен и работает

Структура, носители, принципы и режимы работы: нормальный режим (в активной области), режимы отсечки и насыщения. Как и за счёт чего усиливает биполярный транзистор?

Сначала хотел приписать в названии темы: «для начинающих» или «для чайников», но, поразмыслив, пришёл к выводу: «А ведь далеко не каждый электронщик, считающий себя продвинутыми, понимает: как технологически устроен биполярный транзистор, за счёт чего он обладает усилительными свойствами, что влияет на характеристики транзистора и откуда появился этот загадочный зверь — «дырка»«.

Начнём с определения: Биполярный транзистор — это полупроводниковый электронный прибор, работающий по принципу взаимодействия двух, вплотную расположенных на кристалле p-n переходов. А коли прибор полупроводниковый, то это значит, что, как ни крути, а изготовлен транзистор из полупроводниковых материалов таких как: кремний, германий, индий и т.д. А что это такое — полупроводниковый материал или по-простому полупроводник?

Полупроводники по своим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. При температурах, не сильно отличающихся от абсолютного нуля (-273,15°C), полупроводники обладают свойствами диэлектриков. Однако даже при незначительном повышении температуры, сопротивление полупроводника быстро уменьшается, и он начинает проводить электрический ток — т.е. становится проводящим. За счёт чего это происходит?

С ростом температуры кристалл полупроводника получает некоторую долю энергии в виде тепла, достаточную для того, чтобы часть отрицательно заряженных электронов покинуло свои атомы и перешло в межатомное пространство. Такие электроны называются свободными, а атомы кристаллической решётки, от которых отпочковались электроны, приобретают несбалансирован- ный положительный заряд и получают условное название — «дырка».

Таким образом, при температурах выше -273,15°C в кристалле чистого полупроводника содержится некоторое количество зарядов обоих знаков — свободные электроны и дырки. Если кристалл не содержит примесей, то в любой момент времени количество свободных электронов равно числу имеющихся в кристалле дырок.
Другое дело, если к чистому полупроводнику подмешать некое вещество! В зависимости от свойств этой примеси мы можем получить: либо концентрацию дырок, намного превышающую концентрацию электронов (полупроводник p-типа), либо наоборот — превышение концентрации электронов над концентрацией дырок (полупроводник n-типа).

Итак, p-полупроводник (от англ. positive) — это полупроводник с положительным дырочным типом проводимости, а n-полупроводник (от англ. negative) — с отрицательным электронным типом проводимости.

Ну вот, а теперь можно переходить к описанию структурной схемы транзистора.


Рис.1

Как следует из рисунка Рис.1, биполярные транзисторы — это приборы, изготовленные на основе трёхслойной полупроводниковой структуры. В зависимости от порядка чередования областей, различают изделия двух типов проводимости: прямой (p-n-p) и обратной (n-p-n).
Легко заметить, что подобная комбинация полупроводников в транзисторе напоминает встречно-последовательное соединение двух диодов с общим катодом (p-n-p) либо анодом (n-p-n). Эта аналогия справедлива лишь в одном случае — она позволяет легко тестировать транзистор на предмет его живучести при помощи обычного омметра или мультиметра.

Рассмотрим цепь, иллюстрирующую работу n-p-n транзистора типа в различных режимах.

Рис.2 а) Режим отсечки тр-ра б) Активный режим тр-ра в) Режим насыщения тр-ра

На Рис.2 приведено классическое включение транзистора n-p-n типа по схеме с общим эмиттером. Положительный вывод источника питания через нагрузку (в качестве которой в нашем случае выступает светодиод) подключается к коллектору транзистора, отрицательный — к эмиттеру полупроводника и для кучи — к земляной шине.

Подадим нулевое смещение на базу транзистора (Рис.2 а)), посредством чего введём его в режим отсечки, соответствующий условию Uэб . В этом случае и эмиттерный, и коллекторный p-n-переходы оказываются запертыми, и в коллекторной цепи будет протекать лишь незначительный обратный ток Iко ≈ току обратно смещённого диода. Основные носители заряда (электроны в коллекторной/эмиттерной областях и дырки в базовой) сидят в отведённых областях и никуда выбираться не собираются, ввиду отсутствия воздействия на них какого-либо электрического поля.

Другое дело если мы подадим между базой и эмиттером транзистора небольшое напряжение Uэб > 0,6—0,7 В (Рис.2 б)) и тем самым переведём его в активный (нормальный) режим. В данном режиме переход база-эмиттер оказывается включённым в прямом направлении (открыт), а переход база-коллектор — в обратном (закрыт):
Поскольку прослойка р-полупроводника базы технологически сделана очень тонкой, положительное напряжение, приложенное к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до значительно большей по размеру n-области эмиттера. Под действием этого поля электроны из эмиттера направляются к базе и проникают внутрь неё. Малая часть электронов встречается и рекомбинирует (нейтрализуется) с дырками, являющимися основными носителями базы, но в связи с её малыми размерами (а соответственно и малым количеством дырок) бОльшая часть электронов проходит сквозь базу и доходит-таки до коллекторного перехода.
Уменьшение числа дырок в базе, происходящее в результате рекомбинации, компенсируется источником питания Bat2 и обуславливает ток базы, который, как мы уже поняли — значительно меньше тока эмиттера, который находится в прямой зависимости к интенсивности потока электронов.
Далее под действием электрического поля, создаваемого положительным потенциалом источника Bat1, электроны проникают из базы через p-n-переход в коллектор транзистора, выходят наружу и через источник питания замыкаются обратно в область эмиттера.
Если дальше повышать напряжение на базе, то количество электронов, участвующих в процессе циркуляции по цепи также увеличится. Результатом будет являться незначительное (в абсолютном выражении) увеличение тока базы и значительное увеличение тока коллектора.
А поскольку ток в цепи прямопропорционален интенсивности потока носителей заряда, то, исходя из всего вышесказанного и в соответствии с первым законом Кирхгофа, в транзисторе всегда существует следующее соотношение между токами: Iк = Iэ — Iб.
Величина отношения токов коллектора и эмиттера характеризует такой параметр транзистора, как — коэффициент передачи тока α = Iк / Iэ. Из формул следует, что коэффициент передачи тока транзистора всегда меньше единицы и принимает значение ≈ 0,9-0,99.

Усиливающее свойство транзистора заключается в том, что посредством относительно малого тока базы можно управлять большим током коллектора. Причём, в активном режиме — изменение тока коллектора прямо пропорционально изменению тока базы: ΔIк = ΔIб x h21э , где h31э (или β) — статический коэффициент передачи тока транзистора. Этот параметр является справочным и для разных полупроводников составляет величину от 10—12 до 200—300.

И последний режим работы транзистора — режим насыщения (Рис 2 в)) или по-умному — режим двойной инжекции.
При дальнейшем повышении уровня напряжения на базе, ток в коллекторной цепи Iк также увеличивается, что приводит (согласно закону Ома) к пропорциональному увеличению падения напряжения на нагрузке и, как следствие — уменьшению напряжения Uк.
При определённом уровне этого напряжения Uк, коллекторный переход база-коллектор начнёт переходить в прямосмещённое (открытое) состояние, т.е. оба p-n перехода транзистора окажутся открытыми. Уровень напряжения на базе, при котором начинается этот процесс, называется Uбэ.нас, является справочной величиной и указывается при неком фиксированном токе коллектора.
Физически, это прямое смещение КП приводит к тому, что не только эмиттер будет засылать (инжектировать) электроны в базу, но и коллектор — тоже. Движение этих коллекторных электронов противоположно направлению диффузионного тока эмиттера и активно препятствует дальнейшему повышению тока транзистора.
В результате этого противостояния, ток коллектора практически перестаёт зависеть от дальнейшего увеличения уровня напряжения на базе и фиксируется на уровне, называемом Iк.нас. Ещё один паспортный параметр, характеризующий работу транзистора в режиме насыщения — Uкэ.нас показывает величину падения напряжения между коллектором и эмиттером при заданном токе коллектора.
В связи с тем, что величина тока Iк.нас может принимать значения, значительно превышающие токи транзистора, находящегося линейном режиме, следует внимательно относиться к выбору коллекторной нагрузки, чтобы не превысить максимально допустимых значений мощностей как самого транзистора, так и нагрузки. В случае, изображённом на Рис 2 в), этот выходной ток будет явно выше 20мА, допустимых для светодиода, что собственно говоря, и отображено на схеме.

Рис.3

Ну и под занавес приведу пример работы транзисторного каскада ОЭ в активном режиме (Рис.3).
Переменный резистор R1 принимает значения от 0 (в верхнем положении) до 680кОм (в нижнем).
В первом приближении — изменением значения напряжения Uбэ можно пренебречь и считать его равным Uбэ ≈ 0,6 В.
Тогда, согласно закону Ома, в верхнем положении потенциометра ток базы будет равен:
Iб ≈ (UBat1 — Uбэ)/(R1+R2) = (9в-0,6в)/51к = 0,16 мА,
а в нижнем:
Iб ≈ (UBat1 — Uбэ)/(R1+R2) = (9в-0,6в)/(51к +680к) = 0,011 мА,
А поскольку мы помним, что Iк = Iб x h21э, то в верхнем положении R1 — Iк = 16мА, т.е. яркость светодиода близка к максимальной.
В нижнем положении R1 — Iк = 1,1мА, т.е. светодиод не светится, либо светится очень слабо.
В промежуточных положениях ручки потенциометра — токи, а соответственно и яркость свечения, также принимают промежуточные значения.

На следующей странице рассмотрим эквивалентную схему транзистора, а также свойства и характеристики различных типов усилительных каскадов.

 

Принцип работы и схема биполярного транзистора.

На нашем сайте вышел обновленный курс по электронике! Мы рады предложить Вам новые статьи по этой теме:

Всем доброго времени суток! Мы продолжаем изучать основы электроники и сегодня пришло время разобраться как работает транзистор и что это вообще за зверь такой. Сразу отметим, что они делятся на два больших класса – биполярные и полевые, так вот в этой статье речь пойдет исключительно о биполярных транзисторах. Полевые пока немного подождут, но и до них мы доберемся 🙂

Итак, приступаем!

Биполярный транзистор является одним из самых важных и основных активных компонентов. Основная цель работы биполярного транзистора заключается в увеличении сигнала по мощности. Естественно, мощность не может появиться просто из воздуха, законы физики никто не отменял, поэтому в транзисторе увеличение мощности входного сигнала достигается за счет внешнего источника питания. Еще раз повторюсь и уточню, что усиление заключается именно в увеличении мощности, в отличие от трансформатора, который может усиливать по напряжению, но при этом происходит ослабление тока, и мощность на выходе равна мощности на входе.

Двигаемся дальше. Биполярники бывают двух типов – n-p-n и p-n-p. Какого бы типа не был биполярный транзистор, он имеет три вывода (электрода), которые называются:

  • коллектор
  • эмиттер
  • база

Схема биполярного транзистора.

Мы будем все обсуждать на примере n-p-n БТ, но в принципе для p-n-p все правила и законы точно такие же, но надо учитывать, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные.

Переходы база-эмиттер и база-коллектор представляют собой не что иное, как диоды (вот, кстати, статья о диодах), и в обычном рабочем режиме диод база-эмиттер открыт, а диод база-коллектор закрыт. Давайте посмотрим на визуальное представление схемы биполярного транзистора в виде комбинации диодов. Но тут необходимо уточнить, что в реальности биполярный транзистор не эквивалентен двум диодам. Представление транзистора в виде пары диодов используется только для облегчения понимания принципа его работы.

Теперь давайте на основе диодной модели, составим основные правила работы биполярного транзистора. Как уже упоминалось, диод база-эмиттер должен быть открыт, а, следовательно, напряжение на базе должно превышать напряжение на эмиттере на значение прямого напряжения диода (0.6 – 0.8 В). Таким образом:

U_б = U_э + 0.6\medspaceВ

Кстати, совсем забыл уточнить. Когда мы говорим «напряжение на коллекторе/эмиттере/базе», то подразумевается напряжение на соответствующем электроде, взятое по отношению к потенциалу земли(!). Ну и, соответственно, если мы говорим о напряжении U_{бэ}, например, то имеется в виду напряжение между базой и эмиттером, то же самое относится к U_{бк} и U_{кэ} .

Возвращаемся обратно к работе биполярного транзистора!

С диодом база-эмиттер разобрались, теперь диод коллектор-база. Он должен быть смещен в обратном направлении для нормальной работы транзистора, поэтому потенциал коллектора должен быть более положительным, чем потенциал базы (для p-n-p полярности должны быть противоположными). Таким образом, если выполнены эти условия, то биполярный транзистор находится в режиме нормальной работы, при котором ток коллектора:

I_k = h_{21э}\medspace I_b

Величина h_{21э} – это коэффициент усиления по току. Вот мы и пришли к основному принципу работы транзистора, а именно: большой ток коллектора управляется небольшим значением тока базы.

С устройством БТ разобрались, уделили внимание схеме биполярного транзистора, давайте теперь рассмотрим парочку схем посложнее!

Схема ключа на биполярном транзисторе.

Вот такая вот несложная, но безумно полезная схема! Будем разбираться, как она работает.

Пусть нагрузка у нас потребляет ток 100 мА при 12 В. Если на входе у нас ничего нету, то потенциал базы равен потенциалу эмиттера и равен нулю. При таком раскладе у нас диод база-эмиттер закрыт и, следовательно, тока на выходе тоже нет. Транзистор тут находится в режиме отсечки (это значит, что оба перехода – база-коллектор и база-эмиттер – закрыты).

Подаем на вход положительное напряжение (ну, например, с ножки контроллера) и сразу же начинается движуха 🙂 Напряжение на базе составит около 0.6 В (диод база-эмиттер открыт) и в схеме начинает протекать ток базы. И к чему же это приведет? А вот к чему. Так как диод база-эмиттер открыт, а диод база-коллектор закрыт, то БТ находится в режиме усиления, а значит, через нагрузку потечет коллекторный ток. Соответственно, на нагрузке появится напряжение.

А это в свою очередь приведет к тому, что напряжение на коллекторе будет уменьшаться (смотрите сами, напряжение коллектора + напряжение на нагрузке в сумме должны составлять 12 В, если увеличивается одно из этих значений, второе уменьшается, чистая математика 🙂 ). В итоге, когда ток коллектора увеличится до 100 мА, падение напряжения на нагрузке составит около 12 В (таковы параметры нагрузки у нас), и соответственно напряжение на коллекторе станет меньше, чем на базе. А это значит, что диод база-коллектор откроется и биполярный транзистор перейдет в режим насыщения (оба диода открыты), и дальнейшего роста тока не будет происходить.

Короче, пока на входе ничего нет – режим отсечки, подаем сигнал, транзистор, очень быстро минуя режим усиления, переходит в режим насыщения. В этом и заключается принцип работы биполярного транзистора в качестве ключа.

Есть тут, кстати, еще одна важная фишка. Пусть, к примеру, резистор в цепи базы имеет сопротивление 1 КОм. Пусть на базу подается 10 В. Тогда на этом резисторе будет напряжение 9.4 В (10 В минус прямое напряжение диода база-эмиттер). Рассчитаем ток базы – делим 9.4 В на 1 КОм и получаем 9.4 мА. Пусть коэффициент усиления транзистора равен 50. Находим коллекторный ток: 9.4 мА * 50 = 470 мА. Вот такой получили расчет. Вроде бы все верно, но на самом деле все совсем не так и таким образом рассчитывать нельзя! Давайте разбираться, в чем тут ошибка.

Вспоминаем, что при значении тока коллектора 100 мА напряжение на нем становится мало относительно базы и биполярный транзистор насыщается. А значит дальнейшего роста тока быть не может! Таким образом, рассчитанные 470 мА на нагрузке мы не увидим, просто образуется так называемый избыток тока базы.

Итак, сегодня мы обсудили суть работы биполярного транзистора и его схему. Хотел я еще рассказать в этой статье про эмиттерный повторитель, но как то получилось объемно, а про повторитель надо поговорить обстоятельно и обширно, так что через пару дней в новой статье обязательно вернемся к биполярникам. До скорой встречи, следите за новостями 🙂

Биполярный или МОП-транзистор – приложение диктует выбор — Компоненты и технологии

В последние годы, благодаря большим инвестициям и энергичному продвижению на рынок, технология МОП-транзисторов развилась до такой степени, что многие разработчики считают технологию и производство биполярных транзисторов устаревшей. Но между тем технология биполярных транзисторов продолжает развиватся, конкурирует, а в рде приложений и превосходит МОП-технологию. Именно поэтому очень важно сравнить характеристики и выявить преимущества каждой из технологий.

Основная характеристика, которой разработчики уделяют очень большое внимание — это сопротивление открытого канала при напряжении пробоя. Благодаря технологии производства МОП-транзисторов Trench появилась возможность создавать очень низкое сопротивление канала за счет его высокой плотности. Это позволило существенно улучшить характеристики транзисторов с низким напряжением пробоя, но тем не менее электрический ток остается сконцентрированным в узких областях канала. МОП-транзисторы с высокими напряжениями также зависят от высоких сопротивлений слаболегированных стоковых областей таким образом, что сопротивление канала возрастает при увеличении напряжения пробоя:

При одинаково заданных условиях нет ничего удивительного в том, что биполярные транзисторы превосходят МОП-транзисторы, если говорить в понятиях сопротивления в открытом состоянии на единицу площади кристалла (удельное сопротивление, рис. 1). При оптимизации технологического процесса биполярного транзистора напряжение смещения и ток равномерно распределяются по всей площади кристалла. При этом достигается максимальная эффективность используемого кремния. Более того, биполярные транзисторы имеют дополнительное преимущество при их работе в качестве ключа в насыщении благодаря модуляции проводимости в активной коллекторной зоне, что значительно снижает их сопротивление Rce(sat). МОП-транзисторы не обладают ни одним схожим свойством, что дает биполярным транзисторам неоспоримое преимущество. На графике (рис. 2) отражена зависимость между напряжением пробоя и напряжением насыщения для третьего поколения транзисторов Zetex:

Разница в величине экспоненты в формулах 1 и 2 доказывает преимущество биполярных транзисторов перед МОП-транзисторами в отношении удельного сопротивления при увеличении напряжений пробоя. Например, NPN-транзистор FMMT459 фирмы Zetex c номинальным напряжением 450 В имеет максимальный ток 150 мА при типовом значении сопротивления Rce(sat) только 1,4 Ом, что позволяет использовать корпус SOT-23. Схожий по классу МОП-транзистор имеет настолько высокое сопротивление и низкую плотность тока, что для него необходимо использовать корпус типа D-PAK, чтобы поместить кристалл кремния необходимой площади и достичь требуемых параметров. Также необходимо помнить, что биполярные транзисторы блокируют напряжение в двух направлениях, что задается их характеристиками BVebo и BVeco. И в тех случаях, когда требуется двусторонняя блокировка, это свойство биполярных транзисторов исключает необходимость использования дополнительных элементов, таких, как последовательный диод или компенсирующая пара МОП-транзисторов, что снижает дополнительные потери (см. пример 1).

Зависимость сопротивления от температуры — другой важный фактор в определении токовой характеристики силового ключа. Поскольку с изменением температуры коэффициент усиления биполярного транзистора увеличивается и снижается значение Vbe, которое является составляющей Vce(sat), то происходит увеличение сопротивления Rce(sat) биполярного транзистора, которое в общем случае составляет половину аналогичного сопротивления Rds(on) МОП-транзистора. Данная характеристика позволяет биполярным транзисторам быть более холодными при высоком непрерывном токе по сравнению с МОП-транзисторами в сопоставимых областях кристалла.

Требования по управлению биполярными и МОП-транзисторами различны. Поэтому при сравнении двух технологий необходимо обращать на это внимание. Например, биполярные транзисторы требуют соответствующего тока базы, чтобы достигнуть наиболее низкого значения Rce(sat), а потери на базе должны учитываться при расчете рассеиваемой мощности. Приборы с высоким коэффициентом усиления минимизируют такие потери, и тот факт, что для открытия биполярного транзистора требуется менее одного вольта, и что он обладает лучшей температурной стабильностью, позволяет использовать его в низковольтных приборах и приборах с батарейным питанием. В свою очередь, для МОП-транзистора требуется ток затвора только лишь для заряда и разряда затворной емкости. Но величина напряжения на затворе является критичной для достижения наиболее низкого значения Rds(on), и сопротивление канала очень быстро возрастает, когда напряжение на затворе приближается к пороговому значению. Исходя из сказанного выше, для наиболее качественного сравнения этих двух типов приборов были выбраны управляющие токи и напряжения, при которых достигаются наилучшие параметры обеих технологий, что отражено на рис. 1.

МОП-транзисторы могут переключаться при частотах свыше 1 МГц за счет высокотоковой схемы управления, которая заряжает и разряжает паразитные емкости. Очень часто для управления МОП-транзисторами используются биполярные транзисторы, которые могут обеспечить необходимый управляющий ток и высокую частоту переключения (см. пример 2). Однако когда биполярный транзистор работает как ключ по насыщению, то накопление и удаление остаточного заряда в процессе каждого цикла переключения увеличивает время включениявыключения, что ограничивает частоту до нескольких сотен килогерц.

МОП-транзисторы чувствительны к электростатическому заряду, особенно когда он является причиной превышения допустимого напряжения. При хорошей качественной сборке существует возможность минимизировать, но не избежать потенциальных отказов из-за этого. Биполярный транзистор является более устойчивым и не испытывает трудностей при прохождении стандартного ESD-теста.

И последнее: многие из обсуждаемых здесь факторов влияют на общую стоимость схемы. Понимая все преимущества и недостатки каждой технологии, можно сделать соотношение «цена — качество» максимальным. В таблице 1 приведены ключевые параметры биполярных и МОП-транзисторов.

Таблица 1. Сравнение параметров между МОП и биполярными транзисторами

Пример 1. Зарядное устройство батареи

Линейные зарядные устройства просты в исполнении, малы по размерам и не создают никаких электромагнитных помех (EMI), что дает им право быть использованными в системах с критичными требованиями по шумам. В них используется внешний пассивный элемент, на котором происходит падение разницы напряжений между напряжением источника питания и напряжением батареи, что приводит к большой рассеиваемой мощности. Ниже представлена схема такого устройства с использованием транзистора ZXT13P20 (Zetex). Потери мощности на транзисторе определяются потерями на коллектор-эммитере.

где VSENSE = ICHG × RCHG.

Критерии выбора элементов для схемы включают в себя значение максимального протекающего тока, коэффициент усиления по току, цену и потери на корпусе. Биполярные PNP-транзисторы являются приоритетными в приложениях такого типа из-за их способности блокировать напряжение в двух направлениях. МОП-транзистору необходимо последовательное подключение диода Шотки для предотвращения утечки тока в обратном направлении через его внутренний диод.

Пример 2. Схема управления МОП-транзистора

Высокотоковые МОП-транзисторы с низким Rds(on) обладают затворными емкостями, которые требуют высокого управляющего тока для работы на высоких частотах. Обычно управляющее устройство питает МОП-транзистор через резистор, поэтому напряжение на затворе имеет характеристику с постоянной времени RC. Это время должно быть достаточно мало, чтобы находиться в линейной зоне для избежания дополнительных потерь, но и не настолько коротким, чтобы спровоцировать электромагнитные помехи.

Средняя величина тока затвора во время включения может быть вычислена по формуле:

Ig = Q/t,

где Ig — средняя величина тока затвора; Q — суммарный заряд затвора (Qgs + Qgd) ; t — время переключения (ton или toff).

Например, суммарный заряд для МОП-транзистора с типичными параметрами 100 В, 35 мОм составляет примерно 50 нКл, поэтому для того, чтобы переключить такой транзистор за 20 нс, необходимо на затворе иметь ток 2,5 А.

В качестве устройства управления МОП-транзистором могут быть использованы специализированные ИС, логические ИС, дискретные МОП и биполярные транзисторы. Критерии выбора включают скорость переключения, мощность тока, коэффициент усиления по току, цену и размер. В этом смысле биполярные транзисторы являются наиболее подходящими, так как обладают способностью быстро переключаться в линейной области. Они также обладают высоким импульсным током, малыми размерами и ценой.

Одним из наиболее популярных и разумных по цене устройств является биполярное безинверторное двухполюсное управление.

Если при частоте 1 МГц (см. пример 2) МОП-транзистор начинает переключаться при напряжении от 5 В, то мощность рассеяния в каждом управляющем транзисторе рассчитывается так:

Допуская, что величина тока базы зависит от управляющего напряжения Vdrive, общие потери управляющей цепи составляют

И это при двух устройствах, рассеивающих только 256 мВт. В этом случае объединение двух транзисторов в одном корпусе является идеальным решением от производителей, таких, как Zetex.

Как работают биполярные переходные транзисторы.

  • Изучив этот раздел, вы сможете:
  • • Опишите основную работу кремниевого планарного транзистора.
  • • Понять работу переходов база / эмиттер и база / коллектор.
  • • Опишите эффекты легирования материалов транзисторов.

Рис 3.3.1 Как легируют транзистор BJP.

Все дело в допинге

Принцип работы транзистора можно описать со ссылкой на рис. 3.3.1, на котором показано основное легирование переходного транзистора, и на рис. 3.3.2, показывающий, как работает BJT.

Работа транзистора очень зависит от степени легирования различных частей полупроводникового кристалла. Эмиттер N-типа очень сильно легирован, чтобы обеспечить много свободных электронов в качестве основных носителей заряда.Слаболегированная базовая область P-типа чрезвычайно тонкая, а коллектор N-типа очень сильно легирован, чтобы придать ему низкое удельное сопротивление, за исключением слоя менее сильно легированного материала рядом с базовой областью. Это изменение удельного сопротивления коллектора гарантирует, что в материале коллектора рядом с основанием присутствует большой потенциал. Важность этого станет очевидной из следующего описания.

Рис. 3.3.2. Как транзистор усиливает ток.

Во время нормальной работы на переход база / эмиттер прикладывается потенциал, так что база примерно на 0,6 В положительнее, чем эмиттер, это делает переход база / эмиттер смещенным вперед.

К переходу база / коллектор прикладывается гораздо более высокий потенциал с относительно высоким положительным напряжением, приложенным к коллектору, так что переход база / коллектор сильно смещен в обратном направлении. Это делает слой истощения между базой и коллектором довольно широким после подачи питания.

Как упоминалось выше, коллектор состоит в основном из сильно легированного материала с низким удельным сопротивлением и тонкого слоя легированного материала с высоким сопротивлением рядом с переходом база / коллектор. Это означает, что большая часть напряжения между коллектором и базой вырабатывается через этот тонкий слой с высоким удельным сопротивлением, создавая высокий градиент напряжения рядом с переходом коллектор-база.

Когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, в базу будет течь небольшой ток.Поэтому в материале P-типа вводятся отверстия. Эти дырки притягивают электроны через смещенный вперед переход база / эмиттер для объединения с дырками. Однако, поскольку эмиттерная область очень сильно легирована, в базовую область P-типа пересекает гораздо больше электронов, чем может объединиться с доступными дырками. Это означает, что в области базы имеется большая концентрация электронов, и большая часть этих электронов проходит прямо через очень тонкую базу и попадает в обедненный слой база / коллектор.Оказавшись здесь, они попадают под влияние сильного электрического поля на переходе база / коллектор. Это поле настолько сильное из-за большого градиента потенциала в материале коллектора, упомянутого ранее, что электроны перемещаются через обедненный слой в материал коллектора и, таким образом, в сторону вывода коллектора.

Изменение тока, протекающего в базе, влияет на количество электронов, притягиваемых эмиттером. Таким образом, очень небольшие изменения тока базы вызывают очень большие изменения тока, протекающего от эмиттера к коллектору, поэтому происходит усиление тока.

Посмотрите наше видео о том, как делаются биполярные транзисторы и как они работают.

Начало страницы

Конструкция

, типы и применение

BJT был изобретен в 1948 году Уильямом Шокли, Браттейном и Джоном Бардином, который изменил не только мир электроники, но и нашу повседневную жизнь. Транзистор с биполярным переходом использует как носители заряда, так и электроны, и дырки. Безразлично, униполярные транзисторы, такие как полевые транзисторы, используют только один вид носителей заряда.Для рабочих целей BJT использует два типа полупроводников n-типа и p-типа между двумя переходами. Основная основная функция BJT — усиление тока, что позволит использовать BJT в качестве усилителей или переключателей для широкого применения в электронном оборудовании, включая мобильные телефоны, промышленное управление, телевидение и радиопередатчики. Доступны два разных типа BJT: NPN и PNP.

Что такое биполярный переходной транзистор (BJT)?

Транзистор с биполярным переходом — это твердотельное устройство, и в этих транзисторах ток в двух выводах является эмиттерным и коллекторным, а поток тока, управляемый третьим выводом, является выводом базы.Он отличается от транзистора другого типа, т.е. Полевой транзистор, выходной ток которого регулируется входным напряжением. Базовый символ БЮТ n-типа и p-типа показан ниже.


BJT или символ биполярного переходного транзистора

Почему BJT называется биполярным?

BJT — это 3-контактное полупроводниковое устройство, как следует из названия, термин биполярный взят из того факта, что этот тип транзистора включает два типа полупроводниковых материалов, таких как P-тип (положительный тип) и n-тип (отрицательный). тип), где ток течет из этих областей. Обычно эти транзисторы содержат кремний.

Конструкция биполярного переходного транзистора

Конструкция BJT будет определять его рабочие характеристики. Таким образом, конструкция BJT может быть выполнена с помощью трех легированных полупроводниковых секций, разделенных двумя PN-переходами. Этот транзистор состоит из трех слоев: базы, эмиттера и коллектора. Эти транзисторы доступны в двух типах, а именно PNP и NPN, и их физическая структура показана ниже.

Конструкция биполярного переходного транзистора

В NPN он включает две N-области, разделенные одной P-областью, тогда как в PNP она включает две P-области и разделяется одной N-областью.В BJT термин биполярный относится к использованию как носителей заряда, таких как электроны, так и дырки, внутри структуры.

Когда PN-переход соединяет базу и эмиттерную область, это называется BE-переходом. Точно так же, как только pn-переход соединяет основание и коллектор, он известен как BC-переход. Проволочный вывод соединяется с каждой областью, и эти выводы имеют маркировку C, B и E для коллектора, базы и эмиттера соответственно.

База (B) — область слегка легирована и чрезвычайно тонка по сравнению с выводом эмиттера, который сильно легирован, и несколько легированной областью коллектора.Схематические символы NPN и PNP BJT включают следующее.

Клеммы BJT

BJT включает в себя три клеммы, такие как база, эмиттер и коллектор, которые описаны вкратце. Символьное представление транзисторов NPN и PNP может быть выполнено следующим образом. Символ стрелки на выводе эмиттера всегда присутствует, а направление стрелки будет представлять ток, протекающий из-за носителей заряда.

Вывод эмиттера

Вывод эмиттера испускает носители заряда, такие как дырки или электроны, на два других вывода.Базовый терминал всегда смещен в обратном направлении по отношению к другим терминалам, таким как эмиттер, так что он может производить огромное количество несущих. В БЮТ эмиттер — это наиболее сильно легированная область.

Переход эмиттер-база должен быть подключен с прямым смещением в обоих транзисторах, таких как PNP и NPN. Вывод эмиттера направляет электроны к EB-переходу внутри NPN-транзистора, в то время как он подает носители заряда, такие как дырки, к тому же переходу внутри PNP-транзистора.

Коллекторный вывод

Часть на обратной стороне эмиттерного вывода будет собирать излучаемые носители заряда, называемые коллектором.Таким образом, этот вывод сильно легирован, однако уровень легирования этого вывода находится среди выводов базы, которые являются слабо легированными и сильно легированными выводами эмиттера. CB-переход должен иметь обратное смещение в обоих транзисторах.

Основной причиной этого смещения является устранение носителей заряда из CB-перехода. Коллекторный вывод NPN-транзистора предназначен для сбора электронов, которые испускаются через вывод эмиттера, тогда как в транзисторе PNP он собирает отверстия, которые испускаются через вывод эмиттера.

Базовый терминал

Базовый терминал является центральной частью среди терминалов коллектора и эмиттера, которая образует между ними два PN-перехода. Вывод базы — это сегмент транзистора с наиболее легким легированием. Таким образом, будучи центральной частью BJT, он сможет управлять потоком носителей заряда между выводами эмиттера и коллектора. Переход BE показывает высокое сопротивление, поскольку этот переход может быть подключен с обратным смещением.

Работа BJT

Биполярный переходной транзистор подразделяется на два типа, а именно PNP и NPN, в зависимости от типа легирования выводов.В NPN-транзисторе есть два полупроводниковых перехода, которые имеют тонкую анодную область, легированную «P», тогда как PNP-транзистор включает в себя два полупроводниковых перехода, которые включают в себя тонкую катодную область, легированную «N».

Поток заряда внутри транзистора происходит из-за диффузии носителей заряда между двумя секциями, которые принадлежат разным концентрациям носителей заряда. Эмиттерная секция сильно легирована по сравнению с остальными слоями.

Оба слоя, такие как база и коллектор, содержат одинаковые концентрации носителей заряда.Таким образом, между этими тремя переходами соединение BE может быть подключено с прямым смещением, а соединение BC — с обратным смещением. BJT может работать в трех разных областях, таких как активная, насыщенная и отсеченная.

Активная область

В этой области один переход подключен с прямым смещением, а другой — с обратным смещением. Здесь базовый ток (Ib) используется для управления величиной Ic (ток коллектора). Таким образом, активная область может в основном использоваться для усиления везде, где этот транзистор работает как усилитель за счет коэффициента усиления «β» со следующим уравнением;

Ic = β x Ib

Активная область также называется линейной областью, которая находится между двумя областями, такими как отсечка и насыщение.Типичная работа этого транзистора происходит в этой области.

Область насыщения

В этой области транзисторы оба перехода соединены с прямым смещением. Таким образом, эта область в основном используется для включенного состояния переключателя, где бы он ни находился;

Ic = Isat

Здесь «Isat» — это ток насыщения, и это наибольшая величина тока, протекающего между двумя выводами, такими как эмиттер, а также коллектор, когда этот транзистор подключен в области насыщения.Поскольку эти переходы соединены прямым смещением, транзистор работает как короткое замыкание.

Область отсечки

В этой области оба перехода транзистора соединены с обратным смещением. Здесь этот транзистор работает как выключенное состояние переключателя, где

Ic = 0

В области отсечки операция полностью обратная по сравнению с областью насыщения. Таким образом, внешние источники питания не подключены. Если нет тока коллектора, значит нет тока эмиттера.
В этом методе транзистор работает как выключенное состояние переключателя, и этот режим может быть достигнут путем уменьшения базового напряжения до уровня ниже напряжения как эмиттера, так и коллектора.
Vbe <0,7

Типы биполярных переходных транзисторов

Как мы видели, полупроводник обеспечивает меньшее сопротивление протеканию тока в одном направлении, а высокое сопротивление — в другом направлении, и мы можем назвать транзистор режимом устройства полупроводника. Биполярный переходной транзистор состоит из двух типов транзисторов.Который нам дал

  • Точечный контакт
  • Переходный транзистор

При сравнении двух транзисторов переходные транзисторы используются больше, чем точечные транзисторы. Кроме того, переходные транзисторы подразделяются на два типа, которые приведены ниже. Для каждого переходного транзистора имеется по три электрода: эмиттер, коллектор и база

  • Переходные транзисторы PNP
  • Переходные транзисторы NPN

Переходные транзисторы PNP

В транзисторах PNP эмиттер более положительный по отношению к базе, а также по отношению к коллекционеру.Транзистор PNP — это трехконтактное устройство, изготовленное из полупроводникового материала. Три клеммы — это коллектор, база и эмиттер, а транзистор используется для коммутации и усиления. Ниже показана работа транзистора PNP.

Обычно клемма коллектора подключается к положительной клемме, а эмиттер — к отрицательному источнику питания с помощью резистора в цепи эмиттера или коллектора. К клемме базы подается напряжение, и транзистор работает в состоянии ВКЛ / ВЫКЛ.Транзистор находится в выключенном состоянии, когда базовое напряжение совпадает с напряжением эмиттера. Режим транзистора находится в состоянии ВКЛ, когда напряжение базы уменьшается по отношению к эмиттеру. Используя это свойство, транзистор может работать как с переключателем, так и с усилителем. Базовая схема транзистора PNP показана ниже.

Соединительный транзистор NPN

Транзистор NPN прямо противоположен транзистору PNP. Транзистор NPN содержит три вывода, которые идентичны транзистору PNP: эмиттер, коллектор и база.Работа NPN-транзистора:

Обычно положительное питание подается на вывод коллектора, а отрицательное питание — на вывод эмиттера с помощью резистора либо эмиттера, либо коллектора, либо цепи эмиттера. К клемме базы подается напряжение, и она работает как состояние ВКЛ / ВЫКЛ транзистора. Транзистор находится в выключенном состоянии, когда напряжение базы такое же, как и на эмиттере. Если напряжение базы увеличивается относительно эмиттера, то режим транзистора находится в состоянии ВКЛ.Используя это условие, транзистор может работать как в усилителе, так и в переключателе. Базовый символ и диаграмма конфигурации NPN, как показано ниже.

Биполярный переходной транзистор PNP и NPN

Гетеро-биполярный переход

Гетеро-биполярный переходный транзистор также является типом биполярного переходного транзистора. Он использует различные полупроводниковые материалы для эмиттерной и базовой области и создает гетеропереход. HBT может обрабатывать одиночные сигналы очень высоких частот в несколько сотен ГГц, как правило, он используется в сверхбыстрых цепях и в основном используется в радиочастотах.Его приложения используются в сотовых телефонах и усилителях мощности RF.

Принцип работы BJT

Соединение BE — это соединение с прямым смещением, а CB — соединение с обратным смещением. Ширина обедненной области CB-перехода больше, чем BE-перехода. Прямое смещение в BE-переходе снижает потенциал барьера и заставляет электроны течь от эмиттера к базе.

База тонкая и слегка легированная, в ней очень мало дырок и меньше электронов из эмиттера, около 2% он рекомбинирует в области базы с дырками, а из клеммы базы будет вытекать.Это инициирует ток в базе из-за комбинации электронов и дырок. Оставшееся большое количество электронов пройдет через коллекторный переход обратного смещения, чтобы инициировать ток коллектора. Используя KCL, мы можем наблюдать математическое уравнение

I E = I B + I C

Базовый ток очень меньше по сравнению с током эмиттера и коллектора

I E ~ I C

Здесь работа транзистора PNP такая же, как и у транзистора NPN, единственная разница только дырки вместо электронов.На приведенной ниже диаграмме показан PNP-транзистор области активного режима.

Принцип работы BJT

Конфигурация BJT

Биполярный переходной транзистор включает в себя трехконтактное устройство, поэтому его можно подключать к цепи тремя способами: одна клемма является общей между другими, что означает, что одна клемма находится между входом и выходом. обычное дело. Каждое соединение просто по-разному реагирует на входной сигнал.

Общая базовая конфигурация

В конфигурации транзистора CB клемма базы является общей для входных и выходных сигналов.Здесь входной сигнал может быть подан между двумя терминалами, такими как база и эмиттер, тогда как выходной сигнал может быть получен между двумя терминалами, такими как база и коллектор. На выводе коллектора выходной сигнал низкий по сравнению с входным сигналом на выводе эмиттера.

Конфигурация CB

Таким образом, его коэффициент усиления меньше 1, поэтому он ослабляет сигнал. Этот выход этой конфигурации не инвертирующий, поэтому оба входа, а также выходные сигналы будут синфазными. Эта общая базовая конфигурация обычно не используется из-за высокого коэффициента усиления по напряжению.Из-за чрезвычайно высокочастотной характеристики такая конфигурация используется только для однофазного усилителя. Эти однофазные усилители могут использоваться в качестве ВЧ-усилителей и микрофонных предусилителей.

Коэффициенты усиления конфигурации CB

Коэффициент усиления напряжения = Av = Vout / Vin = Ic x RL / IE X RIN

Коэффициент усиления по току = Ic / ie

Коэффициент усиления сопротивления = RL / Rin

Общий эмиттер Конфигурация

В этой конфигурации вывод эмиттера является общим для ввода и вывода.Вход подается между двумя клеммами, такими как база и эмиттер, тогда как выход может быть получен между клеммами коллектора и эмиттера.

Его можно легко идентифицировать, наблюдая за схемой. Когда клемма эмиттера подключена к GND, тогда вход и выход получаются от клемм базы и коллектора соответственно. Конфигурация CE включает максимальный ток и усиление мощности между всеми типами конфигураций.

Конфигурация CE

Основная причина заключается в том, что вход на переходе прямого смещения, поэтому его входное сопротивление чрезвычайно мало, тогда как выход может быть получен от перехода обратного смещения.Таким образом, его выходной импеданс чрезвычайно высок. В конфигурации CE ток эмиттера эквивалентен сумме токов базы и коллектора. Таким образом, уравнение:

Ie = Ic + Ib

Из приведенного выше уравнения «Ie» — это ток эмиттера. Таким образом, эта конфигурация имеет максимальное усиление по току, такое как Ic / Ib, потому что сопротивление нагрузки может быть подключено последовательно через клемму коллектора.
Из приведенного выше уравнения можно увидеть, что небольшое увеличение в пределах базового тока повлияет на очень высокий ток в выходной области.

Эта конфигурация CE работает как инвертирующий усилитель, когда выходной сигнал полностью противоположен по полярности входному сигналу. Таким образом, выходной сигнал может быть сдвинут на 180 ° по отношению к входному сигналу.

Конфигурация общего коллектора

Конфигурация CC также называется эмиттерным повторителем или повторителем напряжения, который включает в себя заземленный коллектор. В конфигурации CC соединение клеммы коллектора может быть выполнено с заземлением по направлению к источнику питания.

CC Конфигурация

Для входа и выхода клемма коллектора является общей. Выходной сигнал поступает от эмиттера через нагрузку, которая подключена последовательно, тогда как вход направляется непосредственно к клемме базы. Эта конфигурация включает в себя высокое входное и выходное сопротивление.

Это позволяет ему работать как устройство согласования импеданса. Таким образом, такая конфигурация чрезвычайно полезна в методе согласования импеданса.

Характеристики биполярного транзистора

Поведение биполярного транзистора в каждой конфигурации схемы сильно различается и создает несходные характеристики схемы в отношении входного и выходного импедансов и коэффициентов усиления, таких как напряжение, мощность и ток.Фиксированные характеристики BJT можно разделить на три основные группы, которые упомянуты ниже.

Входные характеристики

Общая база (CB) = ΔVEB / ΔIE
Общий эмиттер (CE) = ΔVBE / ΔIB

Выходные характеристики

Общая база (CB) = ΔVC / ΔIC
Общий эмиттер (CE) = ΔVC / ΔIC

Передаточные характеристики

Общая база (CB) = ΔIC / ΔIE
Общий эмиттер (CE) = ΔIC / ΔIB

Характеристики различных конфигураций транзисторов приведены ниже.

Низкое 90 264

Средний

Характеристики

CB CE

CC

Входное сопротивление

Среднее

902

Низкое

Низкое

Выходной импеданс

Очень высокий Низкий

Низкий

Фазовый угол

0 o 180

Коэффициент усиления напряжения

Высокий Средний Низкий
Коэффициент усиления по току Низкий Средний

6 Высокий

9026 9026 9026 Мощность
Очень высокое
Преимущества BJT

Основные преимущества биполярных переходных транзисторов включают следующее.

  • Высокая управляемость
  • Высокочастотный режим
  • Семейство цифровых логических схем имеет логику с эмиттерной связью, используемую в BJT в качестве цифрового переключателя
  • Он имеет широкую полосу пропускания
  • Он обеспечивает хорошую производительность на высоких частотах
  • Коэффициент усиления по напряжению хороший
  • Он работает в приложениях с низким или высоким энергопотреблением
  • Он включает максимальную плотность тока.
  • Низкое прямое падение напряжения

Недостатки

Основные недостатки биполярных переходных транзисторов включают следующее.

  • Термическая стабильность меньше
  • Он генерирует больше шума
  • BJT больше подвержен воздействию излучения.
  • Меньшая частота переключения
  • Базовое управление сложное, поэтому требует умелого обращения.
  • Время переключения невелико по сравнению с высокой частотой мигания напряжения и тока.
Приложения BJT

Ниже приведены два различных типа приложений в BJT:

  • Коммутация
  • Усиление
  • Преобразователи
  • Автоматический переключатель
  • Датчики температуры
  • Электронные переключатели
  • Усилители Высокая мощность
  • Схемы обнаружения
  • Высокочастотный режим
  • Демодулятор и модулятор
  • Цифровой переключатель
  • Клипперы
  • Колебательная цепь

В этой статье представлена ​​информация о том, что такое биполярные переходные транзисторы, их типах, преимуществах, применении и характеристиках. биполярные переходные транзисторы.Таким образом, это все о биполярном переходном транзисторе. Это наиболее широко используемые устройства для усиления всех видов электрических сигналов в дискретных схемах, которые разработаны с отдельными компонентами вместо микросхем. Они доступны в нескольких типах и различных формах, например, BUH515, 2N3055, 2N2219, 2N6487, BD135, BD136 и 2N222. Вот вам вопрос, какие типы транзисторов доступны на рынке?

Я надеюсь, что данная информация в статье будет полезна для получения хорошей информации и понимания проекта.Кроме того, если у вас есть какие-либо вопросы относительно этой статьи или проектов в области электротехники и электроники, вы можете прокомментировать их в разделе ниже. Вот вам вопрос, если транзисторы используются в цифровых схемах, они вообще работают в каком регионе?

Знакомство с биполярным переходным транзистором (БЮТ)

ОСНОВНЫЕ ЗНАНИЯ — БИПОЛЯРНЫЙ ПЕРЕХОДНЫЙ ТРАНЗИСТОР Знакомство с биполярным переходным транзистором (БЮТ)

Редактор: Эрика Гранат

Изобретенный в начале 1950-х годов биполярный транзистор (BJT) произвел революцию в области электроники.Транзистор является основой компьютерной памяти, микропроцессоров и других интегральных схем.

Связанные компании

Биполярный транзистор (биполярный транзистор или BJT) — это тип транзистора, который использует как электроны, так и дырки в качестве носителей заряда.

(Источник: © tilialucida — stock.adobe.com)

Биполярный переходной транзистор, также называемый биполярными транзисторами, представляет собой трехконтактное устройство, которое может функционировать как электронные переключатели или усилители сигналов.В этой статье мы рассмотрим основы этого типа транзисторов.

Что такое биполярный переходной транзистор (BJT)?

Проще говоря, BJT — это трехконтактный полупроводниковый прибор. Название «биполярный» происходит от того факта, что этот тип транзистора содержит два типа полупроводникового материала — один положительный тип (p-тип) и один отрицательный тип (n-тип), через которые протекает ток. Транзисторы с биполярным переходом обычно содержат кремний. Более того, примеси обычно добавляются к кремнию путем легирования, чтобы слои вели себя желаемым образом.

Это слои p-типа в BJT, которые привлекают электроны, которые входят в транзистор через его входную цепь. С другой стороны, слои n-типа должны побуждать электроны выходить из транзистора. Этот двухтактный эффект между слоями позволяет усиливать и контролировать электрический ток.

Конфигурация слоев в BJT определяет поток электрического тока и гарантирует, что заряд не может вернуться в том же направлении, что и пришел.Такая установка защищает систему от перегрева или повреждения.

Трехслойный сэндвич

BJT создаются путем наслоения кремния p-типа и n-типа для образования трехслойного «сэндвича»:

  • База, к которой присоединен небольшой пусковой ток
  • Эмиттер, излучающий электроны
  • Коллектор, собирающий электроны, которые были усилены. Электроны проходят от эмиттера к базе.

Работа биполярного переходного транзистора (BJP).

(Источник: Electronics Tutorials)

Есть два типа бутербродов: NPN (отрицательно-положительно-отрицательно) и PNP (положительно-отрицательно-положительно). Первый включается, когда ток течет через базу, а второй включается только тогда, когда в базе нет тока. Когда электрические контакты размещены на всех трех слоях кремния и включен ток, электроны в токе будут течь между слоями кремния n-типа и p-типа.

В сэндвиче NPN усиление происходит, когда небольшой положительный ток присоединяется к слою p-типа (основанию). Здесь один из слоев n-типа (эмиттер) заряжен отрицательно, а другой (коллектор) — положительно. В NPN-сэндвиче электроны притягиваются к базе от эмиттера. Затем электроны переходят от эмиттера к коллектору; это движение создает более сильный ток между двумя слоями n-типа.

Основной доклад на PCIM Digital Days 2021

Не пропустите ключевой доклад «Концепции трехфазных инверторов с регулируемой частотой вращения SiC / GaN нового поколения» от Иоганна Вальтера Колара, профессора и директора лаборатории силовых электронных систем, ETH Zurich , CH на PCIM Digital Days с 3 по 7 мая 2021 года.

Откройте для себя всю программу!

Разработка BJT

Изобретенный физиком Уильямом Шокли в 1947 году, BJT претерпел ряд итераций на протяжении многих лет. До 1960-х годов в слоях использовался германий. К концу века германий был заменен кремнием — материалом, который показал более высокую термостойкость. Скорость BJT постепенно увеличивалась в процессе легирования, что привело к изобретению вариантов BJT, таких как:

  • диффузный транзистор, который, как следует из названия, работает путем диффузии примесей в полупроводник, и
  • планарный транзистор, который позволил массовое производство интегральных схем, тем самым положив начало буму бытовой электроники.

Базовые приложения

BJT часто комбинируются с MOSFET-транзисторами для обеспечения высокоскоростной цифровой логики, которая необходима для работы радиочастотной технологии и микропроцессорных микросхем высокого класса. Более того, BJT в сочетании с MOSFET позволяет сделать чипы радиационной стойкостью для использования в спутниках, ядерных реакторах и ускорителях частиц.

BJT также служат основой для имеющихся в продаже электронных усилителей и датчиков температуры.Наконец, BJT могут использоваться в качестве логарифмических преобразователей, которые сжимают динамический диапазон сигнала, чтобы сделать его более управляемым для других схем.

Следуйте за нами в LinkedIn

Вам понравилось читать эту статью? Тогда подпишитесь на нас в LinkedIn и будьте в курсе последних событий в отрасли, продуктов и приложений, инструментов и программного обеспечения, а также исследований и разработок.

Следуйте за нами здесь!

(ID: 46388102)

Работа транзистора в качестве переключателя

В этом руководстве по транзистору мы узнаем о работе транзистора в качестве переключателя.Переключение и усиление — это две области применения транзисторов и транзисторов, поскольку коммутатор является основой для многих цифровых схем. Мы изучим различные режимы работы (активный, насыщенный и отключенный) транзистора, то, как транзистор работает как переключатель (как NPN, так и PNP), а также некоторые практические прикладные схемы, использующие транзистор в качестве переключателя.

Введение

Транзисторы — это трехслойное полупроводниковое устройство с тремя выводами, которое часто используется в операциях усиления и переключения сигналов.Как одно из важных электронных устройств, транзистор нашел применение в огромном количестве приложений, таких как встроенные системы, цифровые схемы и системы управления.

Транзисторы можно найти как в цифровой, так и в аналоговой областях, поскольку они широко используются для различных применений, таких как схемы переключения, схемы усилителя, схемы источника питания, схемы цифровой логики, регуляторы напряжения, схемы генератора и т. Д.

В этой статье основное внимание уделяется переключающему действию транзистора и дается краткое объяснение транзистора как переключателя.

Краткое описание BJT

Существует два основных семейства транзисторов: биполярные переходные транзисторы (BJT) и полевые транзисторы (FET). Биполярный транзистор или просто БЮТ представляет собой трехслойное полупроводниковое устройство с тремя выводами и двумя переходами. Он состоит из двух PN-переходов, соединенных спина к спине с общим средним слоем.

Когда мы говорим термин «транзистор», он часто относится к BJT. Это устройство с контролем тока, в котором выходной ток регулируется входным током.Название биполярное указывает на то, что два типа носителей заряда, то есть электроны и дырки, проводят ток в BJT, где дырки являются носителями положительного заряда, а электроны — носителями отрицательного заряда.

Транзистор имеет три области, а именно базу, эмиттер и коллектор. Эмиттер представляет собой сильно легированный вывод и испускает электроны в базу. Вывод базы слегка легирован и передает электроны, инжектированные эмиттером, на коллектор. Вывод коллектора умеренно легирован и собирает электроны с базы.Этот коллектор больше по сравнению с двумя другими областями, поэтому он может рассеивать больше тепла.

BJT бывают двух типов: NPN и PNP. Оба они работают одинаково, но различаются по смещению и полярности источника питания. В транзисторе PNP материал N-типа зажат между двумя материалами P-типа, тогда как в случае транзистора NPN материал P-типа зажат между двумя материалами N-типа.

Эти два транзистора могут иметь разные типы, такие как общий эмиттер, общий коллектор и общая базовая конфигурация.

Если вы хотите работать с MOSFET в качестве коммутатора, сначала изучите основы MOSFET.

Режимы работы транзисторов

В зависимости от условий смещения, таких как прямое или обратное, транзисторы имеют три основных режима работы, а именно области отсечки, активности и насыщения.

Активный режим

В этом режиме транзистор обычно используется как усилитель тока. В активном режиме два перехода смещены по-разному, что означает, что переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, тогда как переход коллектор-база смещен в обратном направлении.В этом режиме ток течет между эмиттером и коллектором, и величина протекающего тока пропорциональна базовому току.

Режим отсечки

В этом режиме коллекторный базовый переход и эмиттерный базовый переход смещены в обратном направлении. Поскольку оба PN-перехода имеют обратное смещение, ток почти не протекает, за исключением небольших токов утечки (обычно порядка нескольких наноампер или пикоампер). BJT в этом режиме выключен и, по сути, представляет собой разомкнутую цепь.

Область отсечки в основном используется в коммутационных и цифровых логических схемах.

Режим насыщения

В этом режиме работы переходы эмиттер-база и коллектор-база смещены в прямом направлении. Ток свободно течет от коллектора к эмиттеру с почти нулевым сопротивлением. В этом режиме транзистор полностью включен и представляет собой замкнутую цепь.

Область насыщения также в основном используется в коммутационных и цифровых логических схемах.

На рисунке ниже показаны выходные характеристики BJT. На приведенном ниже рисунке область отсечки имеет рабочие условия, когда выходной ток коллектора равен нулю, нулевой базовый входной ток и максимальное напряжение коллектора.Эти параметры приводят к образованию большого обедненного слоя, который также не позволяет току течь через транзистор. Следовательно, транзистор полностью выключен.

Точно так же в области насыщения транзистор смещен таким образом, что прикладывается максимальный ток базы, что приводит к максимальному току коллектора и минимальному напряжению коллектор-эмиттер. Это приводит к уменьшению размера обедненного слоя и пропусканию максимального тока через транзистор. Следовательно, транзистор полностью открыт.

Следовательно, из приведенного выше обсуждения мы можем сказать, что транзисторы можно заставить работать как твердотельный переключатель ВКЛ / ВЫКЛ, работая транзистором в областях отсечки и насыщения. Этот тип приложения переключения используется для управления светодиодами, двигателями, лампами, соленоидами и т. Д.

Транзистор в качестве переключателя

Транзистор может использоваться для переключения для размыкания или замыкания цепи. Твердотельное переключение этого типа обеспечивает значительную надежность и меньшую стоимость по сравнению с обычными реле.

В качестве переключателей можно использовать транзисторы NPN и PNP. В некоторых приложениях в качестве переключающего устройства используется силовой транзистор, при этом может потребоваться другой транзистор уровня сигнала для управления мощным транзистором.

NPN-транзистор как переключатель

На основе напряжения, приложенного к клемме базы, выполняется операция переключения транзистора. Когда между базой и эмиттером приложено достаточное напряжение (V IN > 0,7 В), напряжение коллектор-эмиттер примерно равно 0.Следовательно, транзистор действует как короткое замыкание. Коллекторный ток V CC / R C протекает через транзистор.

Точно так же, когда на входе нет напряжения или нулевого напряжения, транзистор работает в области отсечки и действует как разомкнутая цепь. В этом типе коммутационного соединения нагрузка (здесь светодиод используется в качестве нагрузки) подключается к коммутационному выходу с контрольной точкой. Таким образом, когда транзистор включен, ток будет течь от источника к земле через нагрузку.

Пример транзистора NPN в качестве переключателя

Рассмотрим пример ниже, где сопротивление базы R B = 50 кОм, сопротивление коллектора R C = 0,7 кОм, V CC составляет 5 В, а значение бета равно 125. В основании подается входной сигнал в диапазоне от 0 В до 5 В. Мы собираемся увидеть выход на коллекторе, изменяя напряжение V I в двух состояниях: 0 и 5 В, как показано на рисунке.

I C = V CC / R C , когда V CE = 0

I C = 5 В / 0.7 кОм

I C = 7,1 мА

Базовый ток I B = I C / β

I B = 7,1 мА / 125

I B = 56,8 мкА

Из выше расчетов, максимальное или пиковое значение тока коллектора в цепи составляет 7,1 мА, когда V CE равен нулю. И соответствующий ток базы для этого тока коллектора составляет 56,8 мкА.

Итак, понятно, что при увеличении тока базы выше 56.8 мкА, тогда транзистор переходит в режим насыщения.

Рассмотрим случай, когда на входе подано нулевое напряжение. Это приводит к тому, что базовый ток равен нулю, и, поскольку эмиттер заземлен, базовый переход эмиттера не смещен в прямом направлении. Следовательно, транзистор находится в выключенном состоянии, а выходное напряжение коллектора равно 5 В.

Когда V I = 0 В, I B = 0 и I C = 0,

V C = V CC — (I C * R C )

= 5V — 0

= 5V

Предположим, что приложенное входное напряжение составляет 5 вольт, тогда базовый ток можно определить, применив закон Кирхгофа для напряжения.

Когда V I = 5 В,

I B = (V I — V BE ) / R B

Для кремниевого транзистора V BE = 0,7 В

Таким образом, I B = (5 В — 0,7 В) / 50 кОм

= 86 мкА, что больше 56,8 мкА

Следовательно, поскольку ток базы превышает ток 56,8 мкА, транзистор будет доведен до насыщения, т. Е. , он полностью включен, когда на входе подается 5В.Таким образом, выход на коллекторе становится примерно нулевым.

Транзистор PNP как переключатель

Транзистор PNP работает так же, как NPN для операции переключения, но ток течет от базы. Этот тип переключения используется для конфигураций с отрицательным заземлением. Для транзистора PNP клемма базы всегда смещена отрицательно по отношению к эмиттеру.

При этом переключении базовый ток протекает, когда базовое напряжение более отрицательное. Проще говоря, низкое напряжение или более отрицательное напряжение вызывает короткое замыкание транзистора, в противном случае это будет разомкнутая цепь.

В этой связи нагрузка подключается к транзисторному коммутационному выходу с опорной точкой. Когда транзистор включен, ток течет от источника через транзистор к нагрузке и, наконец, к земле.

Пример транзистора PNP в качестве переключателя

Подобно схеме транзисторного переключателя NPN, вход схемы PNP также является базой, но эмиттер подключен к постоянному напряжению, а коллектор подключен к земле через нагрузку, как показано на рисунке .

В этой конфигурации база всегда смещена отрицательно по отношению к эмиттеру за счет соединения базы на отрицательной стороне и эмиттера на положительной стороне входного источника питания. Итак, напряжение V BE отрицательное, а напряжение питания эмиттера относительно коллектора положительное (V CE положительное).

Следовательно, для проводимости транзистора эмиттер должен быть более положительным как по отношению к коллектору, так и по отношению к базе. Другими словами, база должна быть более отрицательной по отношению к эмиттеру.

Для расчета токов базы и коллектора используются следующие выражения.

I C = I E — I B

I C = β * I B

I B = I C / β

Рассмотрим пример выше, что нагрузка требует тока 100 мА, а бета-значение транзистора равно 100. Тогда ток, необходимый для насыщения транзистора, равен

Минимальный базовый ток = ток коллектора / β

= 100 мА / 100

= 1 мА

Следовательно, когда базовый ток равен 1 мА, транзистор будет полностью открыт.Но для гарантированного насыщения транзистора требуется практически на 30 процентов больше тока. Итак, в этом примере требуемый базовый ток составляет 1,3 мА.

Практические примеры транзистора в качестве переключателя

Транзистор для переключения светодиода

Как обсуждалось ранее, транзистор можно использовать в качестве переключателя. На схеме ниже показано, как транзистор используется для переключения светоизлучающего диода (LED).

  • Когда переключатель на клемме базы разомкнут, ток через базу не течет, поэтому транзистор находится в состоянии отсечки.Таким образом, транзистор работает как разомкнутый контур, и светодиод гаснет.
  • Когда переключатель замкнут, базовый ток начинает течь через транзистор, а затем достигает насыщения, в результате чего загорается светодиод.
  • Резисторы устанавливаются для ограничения токов, протекающих через базу и светодиоды. Также можно изменять интенсивность светодиода, изменяя сопротивление на пути тока базы.

Транзистор для работы реле

Также можно управлять работой реле с помощью транзистора.С помощью небольшой схемы транзистора, способного возбуждать катушку реле, так что внешняя нагрузка, подключенная к ней, управляется.

  • Рассмотрим схему ниже, чтобы узнать, как работает транзистор для подачи питания на катушку реле. Входной сигнал, приложенный к базе, приводит к переходу транзистора в область насыщения, в результате чего в цепи происходит короткое замыкание. Таким образом, на катушку реле подается напряжение и срабатывают контакты реле.
  • При индуктивных нагрузках, особенно при переключении двигателей и катушек индуктивности, внезапное отключение питания может поддерживать высокий потенциал на катушке.Это высокое напряжение может привести к значительному повреждению остальной цепи. Следовательно, мы должны использовать диод параллельно с индуктивной нагрузкой, чтобы защитить схему от индуцированных напряжений индуктивной нагрузки.

Транзистор для управления двигателем
  • Транзистор также может использоваться для однонаправленного управления и регулирования скорости двигателя постоянного тока путем переключения транзистора через равные промежутки времени, как показано на рисунке ниже.
  • Как упоминалось выше, двигатель постоянного тока также является индуктивной нагрузкой, поэтому мы должны разместить на нем диод свободного хода для защиты цепи.
  • Переключая транзистор в областях отсечки и насыщения, мы можем многократно включать и выключать двигатель.
  • Также можно регулировать скорость двигателя от состояния покоя до полной скорости, переключая транзистор на различных частотах. Мы можем получить частоту переключения от управляющего устройства или микросхемы, например микроконтроллера.

У вас есть четкое представление о том, как транзистор можно использовать в качестве переключателя? Мы надеемся, что предоставленная информация с соответствующими изображениями и примерами проясняет всю концепцию переключения транзисторов.Далее, если у вас есть сомнения, предложения и комментарии, вы можете написать ниже.

Заключение

Полное руководство по использованию транзистора в качестве переключателя. Изучите основы биполярного переходного транзистора, области работы транзистора, работу транзисторов NPN и PNP в качестве переключателя, практическое применение переключающего транзистора.

Обзор биполярных транзисторов

Биполярный транзистор, полное название биполярного переходного транзистора (BJT), представляет собой электронное устройство с тремя выводами, состоящее из трех частей полупроводников с различными уровнями легирования.Поток заряда в транзисторе происходит в основном за счет диффузионного и дрейфового движения носителей в PN-переходе …

Bipolar T ransistor , full name bipolar junction transistora> (BJT), представляет собой электронное устройство с тремя клеммы, изготовленные из трех частей полупроводников с разным уровнем легирования. Поток заряда в транзисторе в основном происходит из-за диффузионного и дрейфового движения носителей в PN-переходе.

Работа этого типа транзистора связана с потоком электронов и дырок, поэтому он является биполярным и называется биполярным транзистором-носителем.Этот режим работы отличается от униполярных транзисторов, таких как полевые транзисторы, которые включают дрейф только одного типа несущей. Граница между двумя различными областями накопления примеси образована PN-переходом.

Биполярные транзисторы

могут усиливать сигналы и обладают хорошим регулированием мощности, высокой скоростью работы и долговечностью, поэтому их часто используют для формирования схем усилителя или привода динамиков, двигателей и другого оборудования. Они также широко используются в аэрокосмической технике, медицинском оборудовании и роботах.

Основы биполярных транзисторов

Каталог

I Транзистор биполярный и униполярный

Биполярный транзистор — революционное изобретение в истории электроники. Его изобретатели Уильям Шокли, Джон Бардинг и Уолтер Брэтон были удостоены Нобелевской премии по физике в 1956 году.

Работа этого типа транзистора включает поток как электронных, так и дырочных носителей, поэтому он является биполярным и называется биполярным транзистором-носителем.Этот режим работы отличается от униполярных транзисторов, таких как полевые транзисторы, которые включают дрейф только одного типа несущей. Граница между двумя различными областями накопления легирующей примеси образована PN-переходом.

БЮТ

полевой транзистор

Устройство контроля тока

Устройство контроля напряжения

Имеет низкое входное сопротивление

Имеет очень высокий входной импеданс

Биполярное устройство

Устройство униполярное

Более шумный

Менее шумный

Менее термостабильный

Более стабильная температура

Обычно большой размер

Обычно маленькие по размеру

Биполярные транзисторы

состоят из трех частей полупроводников с различными уровнями легирования .Поток заряда в транзисторе в основном происходит из-за диффузионного и дрейфового движения носителей в PN-переходе. Если взять в качестве примера NPN-транзистор, согласно конструкции, электроны в высоколегированной области эмиттера перемещаются к базе посредством диффузии. В основной области дырки являются основными носителями, а электроны — неосновными носителями. Поскольку площадь основания очень тонкая, эти электроны достигают коллектора посредством дрейфующего движения, тем самым формируя ток коллектора, поэтому биполярные транзисторы классифицируются как устройства с неосновными носителями.

Биполярные транзисторы

могут усиливать сигналы и обладают хорошим регулированием мощности, возможностью высокоскоростной работы и долговечностью, поэтому они часто используются для формирования схем усилителя или привода динамиков, двигателей и другого оборудования и широко используются в аэрокосмической технике, медицинском оборудовании. и роботы.

II Как работает биполярный транзистор?

Здесь мы берем биполярный транзистор NPN в качестве цели для обсуждения принципа работы биполярных транзисторов.

Биполярный транзистор типа NPN можно рассматривать как два диода с общим анодом, соединенных вместе. При нормальной работе биполярного транзистора переход база-эмиттер («коллекторный переход») находится в состоянии прямого смещения, в то время как база-коллектор («коллекторный переход») находится в состоянии обратного смещения.

Рисунок 1. Поперечное сечение биполярного транзистора PNP

Когда нет приложенного напряжения, концентрация электронов в N-области эмиттерного перехода (большинство носителей в этой области) больше, чем концентрация электронов в P-области, и часть электронов будет диффундировать в P-область. .Таким же образом часть отверстий в области P также будет распространяться в область N. Таким образом, на эмиттерном переходе образуется область пространственного заряда (также известная как обедненный слой), генерирующая внутреннее электрическое поле, направление которого — от области N к области P. Это электрическое поле будет препятствовать дальнейшему протеканию вышеупомянутого процесса диффузии и достичь динамического баланса.

В это время, если прямое напряжение приложено к эмиттерному переходу, динамический баланс между вышеупомянутой диффузией носителей заряда и внутренним электрическим полем в обедненном слое будет нарушен, что вызовет инжекцию термически возбужденных электронов в базовый регион.В NPN-транзисторе базовая область легирована P-типом, где дырки являются основной примесью, поэтому электроны в этой области называются «неосновными носителями».

С одной стороны, электроны, инжектированные из эмиттера в базовую область, здесь рекомбинируют с дырками основных носителей заряда, с другой стороны, потому что базовая область слабо легирована с тонким физическим размером, а коллекторный переход находится в обратном смещении. В таком состоянии большая часть электронов достигнет области коллектора посредством дрейфующего движения, образуя ток коллектора.

Чтобы минимизировать рекомбинацию электронов до того, как они достигнут коллекторного перехода, базовая область транзистора должна быть сделана достаточно тонкой, чтобы время, необходимое для диффузии носителей, было меньше, чем время жизни неосновных полупроводниковых носителей.

В то же время толщина базы должна быть намного меньше диффузионной длины электронов (см. Закон Фика). В современных биполярных транзисторах толщина базовой области обычно составляет несколько десятых микрон.

Следует отметить, что хотя коллектор и эмиттер легированы N-типом, степень легирования и физические свойства у них не одинаковы. Следовательно, биполярный транзистор следует отличать от двух диодов, соединенных последовательно в противоположных направлениях.

III Типы биполярных транзисторов

Биполярный транзистор состоит из трех различных областей легированного полупроводника, которые представляют собой эмиттерную область , базовую область и коллекторную область .Эти области представляют собой полупроводники N-типа, P-типа и N-типа в транзисторах типа NPN и полупроводники P-типа, N-типа и P-типа в транзисторах типа PNP. У каждой полупроводниковой области есть штыревой конец, обычно с буквами E, B и C, обозначающими эмиттер, базу и коллектор.

База физически расположена между эмиттером и коллектором и сделана из легированных материалов с высоким удельным сопротивлением. Коллектор окружает основание. Из-за обратного смещения коллекторного перехода электроны отсюда трудно инжектировать в область базы.Это приводит к тому, что коэффициент усиления по току общей базы становится примерно равным 1, в то время как коэффициент усиления по току общего эмиттера больше. Числовое значение.

В биполярном транзисторе NPN площадь коллекторного перехода больше, чем эмиттерного перехода. Кроме того, эмиттер имеет относительно высокую концентрацию легирования.

В нормальных условиях некоторые области биполярных транзисторов имеют асимметричные физические свойства и геометрические размеры. Предполагая, что транзистор, включенный в схему, расположен в области прямого усилителя, если в это время соединение коллектора и эмиттера транзистора в схеме поменять местами, транзистор выйдет из области прямого усилителя и войдет в рабочую область обратного направления.

Внутренняя структура транзистора определяет, что он подходит для работы в области прямого усилителя, поэтому коэффициент усиления по току общей базы и коэффициент усиления по току общего эмиттера в обратной рабочей области намного меньше, чем в области прямого усилителя.

Эта функциональная асимметрия в основном связана с разными уровнями легирования эмиттера и коллектора. Следовательно, в NPN-транзисторе, хотя коллектор и эмиттер оба легированы N-типом, электрические свойства и функции обоих не могут быть изменены местами вообще.

Эмиттерная область имеет наивысшую степень легирования , коллекторная область является второй, а базовая область имеет наименьшую степень легирования. Кроме того, физические размеры трех регионов также различаются. Базовая область очень тонкая, а площадь коллектора больше, чем площадь эмиттера. Поскольку биполярный транзистор имеет такую ​​структуру материала, он может обеспечивать обратное смещение для коллекторного перехода, но при этом предполагается, что обратное смещение не может быть слишком большим, иначе транзистор будет поврежден.Целью сильного легирования эмиттера является повышение эффективности инжекции электронов из эмиттера в базовую область для достижения максимально возможного усиления по току.

При соединении биполярных транзисторов с общим эмиттером небольшие изменения напряжения, приложенного к базе и эмиттеру, вызовут значительные изменения тока между эмиттером и коллектором. Используя это свойство, вы можете усилить входной ток или напряжение.

Что касается базы биполярного транзистора в качестве входа и коллектора в качестве выхода, двухпортовая сеть может быть проанализирована с помощью теоремы Тевенина.Используя принцип эквивалентности, биполярный транзистор можно рассматривать как источник тока, управляемый напряжением, или источник напряжения, управляемый током.

1.

NPN Тип

NPN-транзистор — это один из двух типов биполярных транзисторов. Он состоит из двух слоев легированных областей N-типа и слоя легированного полупроводника P-типа (основы) между ними. Крошечный ток, подаваемый на базу, будет усилен, создавая больший ток коллектор-эмиттер.

Когда базовое напряжение NPN-транзистора выше, чем напряжение эмиттера, а напряжение коллектора выше, чем базовое напряжение, транзистор находится в состоянии прямого усилителя.В этом состоянии между коллектором и эмиттером транзистора есть ток. Усиленный ток является результатом того, что электроны инжектируются эмиттером в базовую область (неосновные носители в базовой области) и перемещаются к коллектору под действием электрического поля. Поскольку подвижность электронов выше подвижности дырок , большинство используемых сегодня биполярных транзисторов относятся к типу NPN.

Электрический символ биполярного транзистора NPN показан справа, а стрелка между базой и эмиттером указывает на эмиттер.

Рис. 2. a) Обозначение биполярного транзистора NPN b) Обозначение биполярного транзистора PNP

2.

PNP Тип

Другой тип — биполярный транзистор PNP, который состоит из двух слоев легированных областей P-типа и слоя легированных полупроводников N-типа между ними. Крошечный ток, протекающий через базу, может быть усилен на конце эмиттера. Другими словами, когда базовое напряжение PNP-транзистора ниже, чем у эмиттера, напряжение коллектора ниже, чем базовое напряжение, и транзистор находится в области прямого усилителя.

В символе биполярного транзистора стрелка между базой и эмиттером указывает направление тока. В отличие от типа NPN, стрелка транзистора типа PNP указывает от эмиттера к базе.

3.

Гетеропереход Биполярный транзистор с гетеропереходом

— это улучшенный биполярный транзистор, способный работать с высокой скоростью . Исследования показали, что этот транзистор может обрабатывать сверхвысокочастотные сигналы с частотами до нескольких сотен ГГц, поэтому он подходит для приложений, требующих жестких рабочих скоростей, таких как усилители мощности ВЧ и драйверы лазеров.

Гетеропереход — это тип PN-перехода. Два конца этого перехода изготовлены из различных полупроводниковых материалов . В этом типе биполярного транзистора эмиттерный переход обычно имеет структуру гетероперехода, то есть материал с широкой запрещенной зоной используется в области эмиттера, а материал с узкой запрещенной зоной используется в области базы. Обычный гетеропереход использует GaAs для создания основной области и AlxGa1-xAs для создания области эмиттера. С такой структурой гетероперехода эффективность инжекции биполярного транзистора может быть улучшена, а коэффициент усиления по току также может быть увеличен на несколько порядков.

Концентрация легирования в базовой области биполярного транзистора с гетеропереходом может быть значительно увеличена, так что сопротивление базового электрода и ширина базовой области могут быть уменьшены. В традиционном биполярном транзисторе, то есть транзисторе с гомопереходом, эффективность инжекции носителей из эмиттера в базу в основном определяется соотношением легирования эмиттера и базы. В этом случае, чтобы получить более высокую эффективность инжекции, базовая область должна быть слегка легирована, что неизбежно увеличивает базовое сопротивление.

В базовой области состав полупроводникового материала распределен неравномерно, что приводит к постепенному изменению ширины запрещенной зоны в базовой области. Эта медленно изменяющаяся ширина запрещенной полосы может создавать внутреннее электрическое поле для неосновных носителей, ускоряющее их через базовую область. Это дрейфовое движение будет иметь синергетический эффект с диффузионным движением, чтобы уменьшить время прохождения электронов через базовую область, тем самым улучшая высокочастотные характеристики биполярного транзистора.

Параметры

Si Биполярный

SiGe HBT

GaAs полевой транзистор

GaAs HEMT

GaAs HBT

Прирост

Нормальный

Хорошо

Хорошо

Хорошо

Хорошо

Плотность мощности

Хорошо

Хорошо

Нормальный

Отлично

Хорошо

КПД

Нормальный

Хорошо

Отлично

Хорошо

Хорошо

Знак отличия

Отлично

Хорошо

Отлично

Отлично

Хорошо

Напряжение пробоя

Отлично

Отлично

Хорошо

Хорошо

Хорошо

Одиночный источник питания

×

×

Хотя для создания транзисторов с гетеропереходом можно использовать множество различных полупроводников, чаще используются транзисторы с гетеропереходом кремний-германий и транзисторы с гетеропереходом на основе арсенида алюминия и галлия.Процесс изготовления транзисторов с гетеропереходом представляет собой кристаллическую эпитаксию, такую ​​как эпитаксия из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD) и молекулярно-лучевая эпитаксия.

IV Параметры

1.

Рассеиваемая мощность коллектора

Максимальная рассеиваемая мощность коллектора биполярного транзистора — это максимальная мощность, при которой устройство может нормально работать при определенной температуре и условиях рассеивания тепла. В тех же условиях, если фактическая мощность превышает это значение, температура транзистора превысит максимально допустимое значение, что ухудшит производительность устройства и даже вызовет физическое повреждение.

2.

Ток и напряжение

Когда ток коллектора увеличивается до определенного значения, хотя биполярный транзистор не будет поврежден, коэффициент усиления по току будет значительно уменьшен. Чтобы транзистор нормально работал, как задумано, необходимо ограничить значение тока коллектора. Кроме того, поскольку биполярные транзисторы имеют два PN перехода, их обратное напряжение смещения не может быть слишком большим, чтобы предотвратить обратный пробой PN перехода.Эти параметры подробно перечислены в таблице данных биполярного переходного транзистора.

Когда напряжение обратного смещения коллектора силового биполярного транзистора превышает определенное значение, а ток, протекающий через транзистор, превышает определенный допустимый диапазон, в результате чего мощность транзистора превышает критическую мощность вторичного пробоя, возникает своего рода возникнет опасное явление « секунд поломки ». В этом случае ток, выходящий за пределы расчетного диапазона, вызовет локальный температурный дисбаланс в различных областях внутри устройства, а температура в некоторых областях выше, чем в других областях.

Поскольку легированный кремний имеет отрицательный температурный коэффициент , его проводимость выше, когда он находится при более высокой температуре. Таким образом, более горячая часть может проводить больше тока, и эта часть тока будет генерировать дополнительное тепло, в результате чего локальная температура превысит нормальное значение, и устройство не сможет нормально работать.

Вторичный пробой — это разновидность теплового разгона. При повышении температуры проводимость будет еще больше увеличиваться, вызывая порочный круг и в конечном итоге серьезно разрушая структуру транзистора.Весь процесс вторичной поломки может быть завершен за миллисекунды или микросекунды.

Если эмиттерный переход биполярного транзистора обеспечивает обратное смещение, которое превышает допустимый диапазон и не ограничивает ток, протекающий через транзистор, в эмиттерном переходе произойдет лавинный пробой, который приведет к повреждению устройства.

3.

Температурный дрейф

Как аналоговое устройство, все параметры биполярных транзисторов в той или иной степени зависят от температуры, особенно на коэффициент усиления по току.Согласно исследованиям, каждый раз при повышении температуры на 1 градус Цельсия коэффициент усиления тока увеличивается примерно на 0,5–1%.

4.

Радиационная стойкость

Биполярные транзисторы более чувствительны к ионизирующему излучению . Если транзистор находится в среде ионизирующего излучения, устройство будет повреждено излучением. Повреждение происходит из-за того, что излучение вызывает дефекты в области основания, которые образуют центры рекомбинации в энергетической зоне.Это приведет к более короткому сроку службы неосновных носителей, которые работают в устройстве, что, в свою очередь, постепенно снизит производительность транзистора.

Биполярные транзисторы типа

NPN имеют большую эффективную площадь рекомбинации носителей в радиационной среде, и отрицательное влияние более значимо, чем у транзисторов типа PNP. В некоторых специальных приложениях, таких как электронные системы управления в ядерных реакторах или космических кораблях, должны использоваться специальные меры для смягчения негативного воздействия ионизирующего излучения.

В Рабочая область

В зависимости от состояния смещения трех выводов транзистора можно определить несколько различных рабочих областей биполярного транзистора. В полупроводниках NPN (примечание: профили напряжения PNP-транзисторов и NPN-транзисторов прямо противоположны) по смещению эмиттерного перехода и коллекторного перехода рабочую область можно разделить на:

1.

Область усилителя биполярного транзистора

(1) Область прямого усилителя

Когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный переход — в обратном, транзистор работает в области усилителя.Конструктивная цель большинства биполярных транзисторов — получить максимальный коэффициент усиления по току с общим эмиттером баррелей в зоне прямого усилителя. Когда транзистор работает в этой области, ток коллектор-эмиттер и ток базы примерно линейны. Из-за усиления тока, когда ток базы немного нарушен, ток коллектор-эмиттер значительно изменится.

(2) Область обратного усилителя

Если вышеупомянутые напряжения смещения эмиттера и коллектора транзистора в области прямого усилителя поменять местами, биполярный транзистор будет работать в области обратного усилителя.В этом режиме работы области эмиттера и коллектора полностью противоположны функциям в области прямого усилителя. Однако, поскольку концентрация легирования коллектора транзистора ниже, чем у эмиттера, эффект, производимый областью обратного усилителя, не такой, как в области прямого усилителя.

Целью разработки большинства биполярных транзисторов является получение максимального усиления по току прямого усилителя. Следовательно, коэффициент усиления по току в области обратного усилителя будет меньше, чем в области прямого усилителя.Фактически, этот режим работы вряд ли принят, но для предотвращения повреждения устройства или других опасностей, вызванных неправильным подключением, его необходимо учитывать при проектировании. Кроме того, некоторые типы биполярных логических устройств также учитывают область обратного усилителя.

Рис. 3. Отсечка и насыщение в прямом и обратном направлении BJT

2. Область насыщенности

Когда два PN перехода в биполярном транзисторе оба смещены в прямом направлении, транзистор будет в области насыщения.В это время ток от эмиттера до коллектора транзистора достигает максимального значения. Даже если базовый ток увеличится, выходной ток больше не будет увеличиваться. Область насыщения может использоваться для обозначения высокого уровня логических устройств.

3.

Обрезка

Если смещение двух PN переходов биполярного транзистора точно противоположно смещению в области насыщения, то транзистор будет в области отсечки.В этом режиме работы выходной ток очень мал (менее 1 микроампера для маломощных кремниевых транзисторов и менее даже микроампера для германиевых транзисторов), что может быть использовано для представления низких уровней в цифровой логике.

4.

Лавина

Когда обратное смещение, приложенное к коллекторному переходу, превышает диапазон, который может выдержать коллекторный переход, PN-переход будет поврежден. Если сила тока достаточно велика, устройство выйдет из строя.

Кроме того, когда мы анализируем и проектируем схемы биполярных транзисторов, следует отметить, что максимальная мощность рассеяния коллектора Pcm биполярного транзистора не может быть превышена. Если рабочая мощность транзистора меньше этого значения, совокупность этих рабочих состояний называется безопасной рабочей зоной. Если рабочая мощность транзистора превышает этот предел, температура устройства выйдет за пределы нормального диапазона, и производительность устройства значительно изменится и даже вызовет повреждение.

Допустимая температура перехода кремниевых транзисторов составляет от 150 до 200 градусов Цельсия. Максимально допустимое рассеивание мощности может быть увеличено за счет уменьшения внутреннего теплового сопротивления, использования радиаторов и принятия таких мер, как воздушное охлаждение, водяное охлаждение и охлаждение масла.

Фактически, нет абсолютной границы между вышеупомянутыми рабочими регионами. В пределах диапазона небольших изменений напряжения (менее нескольких сотен милливольт) между различными областями может быть определенное перекрытие.

Рекомендуемый артикул:

Введение в TFT-дисплеи

Устройство и принцип работы полевых транзисторов

Какие методы тестирования и типы транзисторов?

Режимы работы БЮТ

BJT операция режимы


г. Транзистор может работать в трех режимах:

  • Режим отключения
  • Насыщенность режим
  • Активный режим

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

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

Режим отсечки

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

г. режим отсечки транзистора используется в режиме переключения для выключения приложения.

Насыщенность режим

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

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

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

г. насыщенность режим транзистора используется в режиме переключения для включить приложение.

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

Активный режим

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

г. активный режим работы используется для усиления Текущий.

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


Транзисторы — learn.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 77

Введение

Транзисторы

вращают наш мир электроники.Они критически важны как источник управления практически в каждой современной цепи. Иногда вы их видите, но чаще всего они спрятаны глубоко внутри кристалла интегральной схемы. В этом уроке мы познакомим вас с основами самого распространенного транзистора: биполярного транзистора (BJT).

В небольших дискретных количествах транзисторы могут использоваться для создания простых электронных переключателей, цифровой логики и схем усиления сигналов. В количествах тысяч, миллионов и даже миллиардов транзисторы соединены между собой и встроены в крошечные микросхемы для создания компьютерной памяти, микропроцессоров и других сложных ИС.

рассматривается в этом учебном пособии

После прочтения этого руководства мы хотим, чтобы вы получили широкое представление о том, как работают транзисторы. Мы не будем слишком углубляться в физику полупроводников или эквивалентные модели, но мы достаточно углубимся в предмет, чтобы вы поняли, как транзистор можно использовать в качестве переключателя или усилителя .

Это руководство разделено на несколько разделов, охватывающих:

Существует два типа базовых транзисторов: биполярный переход (BJT) и металлооксидный полевой транзистор (MOSFET).В этом уроке мы сфокусируемся на BJT , потому что его немного легче понять. Если копать еще глубже в типы транзисторов, на самом деле существует две версии BJT: NPN и PNP . Мы сфокусируемся еще больше, ограничив наше раннее обсуждение NPN. Если сузить фокус — получить твердое представление о NPN — будет легче понять PNP (или даже MOSFET), сравнив, чем он отличается от NPN.

и nbsp

и nbsp

Рекомендуемая литература

Перед тем, как углубиться в это руководство, мы настоятельно рекомендуем просмотреть эти уроки:

  • Закон напряжения, тока, сопротивления и Ома — Введение в основы электроники.
  • Основы электричества — Мы немного поговорим об электричестве как потоке электронов. Узнайте, как текут эти электроны, в этом уроке.
  • Electric Power — Одно из основных применений транзисторов — усиление — увеличение мощности сигнала. Увеличение мощности означает, что мы можем увеличивать ток или напряжение, узнайте почему в этом руководстве.
  • Диоды — Транзистор — это полупроводниковый прибор, похожий на диод. В некотором смысле это то, что вы получили бы, если бы сложили два диода вместе и связали их аноды вместе.Понимание того, как работает диод, во многом поможет раскрыть принцип работы транзистора.

Хотите изучить транзисторы?

Символы, булавки и конструкция

Транзисторы — это в основном трехконтактные устройства. На биполярном переходном транзисторе (BJT) эти контакты обозначены как коллектор (C), база (B) и эмиттер (E). Обозначения схем как для NPN, так и для PNP BJT приведены ниже:

Единственная разница между NPN и PNP — это направление стрелки на эмиттере.Стрелка на NPN указывает, а на PNP указывает. Полезная мнемоника для запоминания:

NPN:

N от P от N

Обратная логика, но работает!

Конструкция транзистора

Транзисторы

полагаются на полупроводники, чтобы творить чудеса. Полупроводник — это не совсем чистый проводник (например, медный провод), но и не изолятор (например, воздух). Проводимость полупроводника — насколько легко он позволяет электронам течь — зависит от таких переменных, как температура или наличие большего или меньшего количества электронов.Заглянем вкратце под капот транзистора. Не волнуйтесь, мы не будем углубляться в квантовую физику.

Транзистор как два диода
Транзисторы

— это своего рода продолжение другого полупроводникового компонента: диодов. В некотором смысле транзисторы — это всего лишь два диода со связанными вместе катодами (или анодами):

Диод, соединяющий базу с эмиттером, здесь важен; он соответствует направлению стрелки на схематическом символе и показывает , в каком направлении должен течь ток через транзистор.

Изображение диода — хорошее место для начала, но оно далеко не точное. Не основывайте свое понимание работы транзистора на этой модели (и определенно не пытайтесь воспроизвести ее на макете, это не сработает). Существует множество странных вещей на уровне квантовой физики, управляющих взаимодействием между тремя терминалами.

(Эта модель полезна, если вам нужно проверить транзистор. Используя функцию проверки диодов (или сопротивления) на мультиметре, вы можете провести измерения на клеммах BE и BC, чтобы проверить наличие этих «диодов».)

Структура и работа транзистора
Транзисторы

состоят из трех разных слоев полупроводникового материала. В некоторые из этих слоев добавлены дополнительные электроны (процесс, называемый «легированием»), а в других электроны удалены (допирование «дырками» — отсутствие электронов). Полупроводниковый материал с дополнительными электронами называется n-типа ( n для отрицательного заряда, потому что электроны имеют отрицательный заряд), а материал с удаленными электронами называется p-типа (для положительного).Транзисторы создаются путем наложения n поверх p поверх n или p поверх n поверх p .

Упрощенная схема структуры NPN. Заметили происхождение каких-либо аббревиатур?

Если немного помахать рукой, мы можем сказать, что электронов могут легко перетекать из n областей в p областей , если у них есть небольшая сила (напряжение), толкающая их.Но переход от области p к области n действительно затруднен (требуется лот напряжения). Но особенность транзистора — та часть, которая делает нашу модель с двумя диодами устаревшей — это тот факт, что электронов могут легко течь от базы p-типа к коллектору n-типа, пока база- эмиттерный переход смещен в прямом направлении (это означает, что база находится под более высоким напряжением, чем эмиттер).

Транзистор NPN предназначен для передачи электронов от эмиттера к коллектору (поэтому обычный ток течет от коллектора к эмиттеру).Эмиттер «испускает» электроны в базу, которая контролирует количество электронов, испускаемых эмиттером. Большая часть испускаемых электронов «собирается» коллектором, который отправляет их в следующую часть цепи.

PNP работает таким же, но противоположным образом. База по-прежнему контролирует ток, но этот ток течет в противоположном направлении — от эмиттера к коллектору. Вместо электронов эмиттер испускает «дырки» (концептуальное отсутствие электронов), которые собираются коллектором.

Транзистор похож на электронный клапан . Базовый штифт похож на ручку, которую вы можете отрегулировать, чтобы позволить большему или меньшему количеству электронов течь от эмиттера к коллектору. Давайте исследуем эту аналогию дальше …


Расширение аналогии с водой

Если вы в последнее время читали много руководств по концепциям электричества, вы, вероятно, уже привыкли к аналогиям с водой. Мы говорим, что ток аналогичен скорости потока воды, напряжение — это давление, проталкивающее воду по трубе, а сопротивление — это ширина трубы.

Неудивительно, что аналогия с водой может быть распространена и на транзисторы: транзистор похож на водяной клапан — механизм, который мы можем использовать для управления скоростью потока .

Есть три состояния, в которых мы можем использовать клапан, каждое из которых по-разному влияет на скорость потока в системе.

1) Вкл — короткое замыкание

Клапан может быть полностью открыт, позволяя воде свободно течь — проходить, как если бы клапана даже не было.

Аналогичным образом, при определенных обстоятельствах, транзистор может выглядеть как короткое замыкание между выводами коллектора и эмиттера. Ток может свободно течь через коллектор и выходить из эмиттера.

2) Выкл. — обрыв цепи

Когда он закрыт, клапан может полностью перекрыть поток воды.

Таким же образом можно использовать транзистор для создания разомкнутой цепи между выводами коллектора и эмиттера.

3) Линейное управление потоком

С некоторой точной настройкой клапан может быть отрегулирован так, чтобы точно регулировать расход до некоторой точки между полностью открытым и закрытым.

Транзистор может делать то же самое — линейно регулирует ток через цепь в какой-то момент между полностью выключенным (разомкнутая цепь) и полностью включенным (короткое замыкание).

Из нашей аналогии с водой, ширина трубы аналогична сопротивлению в цепи. Если клапан может точно регулировать ширину трубы, то транзистор может точно регулировать сопротивление между коллектором и эмиттером. Таким образом, транзистор подобен регулируемому резистору .

Усилительная мощность

Есть еще одна аналогия, которую мы можем провести здесь. Представьте себе, если бы с легким поворотом клапана вы могли контролировать скорость потока затворов плотины Гувера. Ничтожное усилие, которое вы можете приложить для поворота ручки, может создать усилие в тысячи раз сильнее. Мы расширяем аналогию до предела, но эта идея распространяется и на транзисторы. Транзисторы особенные, потому что они могут усиливать электрических сигналов, превращая сигнал малой мощности в аналогичный сигнал гораздо большей мощности.


Вид. Это еще не все, но это хорошее место для начала! В следующем разделе вы найдете более подробное объяснение работы транзистора.


Режимы работы

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

Четыре режима работы транзистора:

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

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

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

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

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

Режим насыщенности

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

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

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

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

Режим отсечки

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

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

На самом деле, V BE может быть где угодно между 0 В и V th (~ 0,6 В) для достижения режима отсечки.

Активный режим

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

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

Усиление в активном режиме

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

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

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

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

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

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

Вы можете использовать β для вычисления α или наоборот:

Если, например, β равно 100, это означает, что α равно 0,99. Так, если, например, I C равен 100 мА, то я E равен 101 мА.

Реверс активен

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

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

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

Относительно PNP

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

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

Итого:

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

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


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


Приложения I: переключатели

Одно из самых фундаментальных применений транзистора — использовать его для управления потоком энергии к другой части схемы — используя его в качестве электрического переключателя.Управляя им либо в режиме отсечки, либо в режиме насыщения, транзистор может создавать двоичный эффект включения / выключения переключателя.

Транзисторные переключатели являются важными блоками для построения схем; они используются для создания логических вентилей, которые используются для создания микроконтроллеров, микропроцессоров и других интегральных схем. Ниже приведены несколько примеров схем.

Транзисторный переключатель

Давайте посмотрим на самую фундаментальную схему транзисторного переключателя: переключатель NPN. Здесь мы используем NPN для управления мощным светодиодом:

Наш управляющий вход проходит в базу, выход привязан к коллектору, а на эмиттере поддерживается фиксированное напряжение.

В то время как для обычного переключателя требуется физическое переключение исполнительного механизма, этот переключатель управляется напряжением на базовом выводе. Вывод микроконтроллера ввода / вывода, как и на Arduino, может быть запрограммирован на высокий или низкий уровень для включения или выключения светодиода.

Когда напряжение на базе превышает 0,6 В (или любое другое значение V th на вашем транзисторе), транзистор начинает насыщаться и выглядит как короткое замыкание между коллектором и эмиттером. Когда напряжение на базе меньше 0.6V транзистор находится в режиме отсечки — ток не течет, потому что это похоже на разрыв цепи между C и E.

Схема, приведенная выше, называется переключателем низкого уровня , потому что переключатель — наш транзистор — находится на стороне низкого (заземления) цепи. В качестве альтернативы мы можем использовать транзистор PNP для создания переключателя верхнего плеча:

Как и в схеме NPN, база — это наш вход, а эмиттер подключен к постоянному напряжению. Однако на этот раз эмиттер подключен к высокому уровню, а нагрузка подключена к транзистору со стороны земли.

Эта схема работает так же хорошо, как и переключатель на основе NPN, но есть одно огромное отличие: чтобы включить нагрузку, база должна быть низкой. Это может вызвать сложности, особенно если высокое напряжение нагрузки (V CC — 12 В, подключенное к эмиттеру V E на этом рисунке) выше, чем высокое напряжение нашего управляющего входа. Например, эта схема не будет работать, если вы попытаетесь использовать Arduino с напряжением 5 В для выключения двигателя 12 В. В этом случае было бы невозможно выключить переключатель , потому что V B (соединение с управляющим контактом) всегда будет меньше, чем V E .

Базовые резисторы!

Вы заметите, что каждая из этих схем использует последовательный резистор между управляющим входом и базой транзистора. Не забудьте добавить этот резистор! Транзистор без резистора на базе похож на светодиод без токоограничивающего резистора.

Напомним, что в некотором смысле транзистор — это просто пара соединенных между собой диодов. Мы смещаем диод база-эмиттер в прямом направлении, чтобы включить нагрузку. Для включения диоду требуется всего 0,6 В, большее напряжение означает больший ток.Некоторые транзисторы могут быть рассчитаны только на ток, протекающий через них не более 10–100 мА. Если вы подаете ток выше максимального номинала, транзистор может взорваться.

Последовательный резистор между нашим источником управления и базой ограничивает ток в базе . Узел база-эмиттер может получить свое счастливое падение напряжения 0,6 В, а резистор может снизить оставшееся напряжение. Значение резистора и напряжение на нем определяют ток.

Резистор должен быть достаточно большим, чтобы эффективно ограничить ток, но достаточно маленьким, чтобы питать базу достаточным током .Обычно достаточно от 1 мА до 10 мА, но чтобы убедиться в этом, проверьте техническое описание транзистора.

Цифровая логика

Транзисторы

можно комбинировать для создания всех наших основных логических вентилей: И, ИЛИ, и НЕ.

(Примечание: в наши дни полевые МОП-транзисторы с большей вероятностью будут использоваться для создания логических вентилей, чем биполярные транзисторы. Полевые МОП-транзисторы более энергоэффективны, что делает их лучшим выбором.)

Инвертор

Вот схема транзистора, которая реализует инвертор или НЕ затвор:

Инвертор на транзисторах.

Здесь высокое напряжение на базе включает транзистор, который эффективно соединяет коллектор с эмиттером. Поскольку эмиттер напрямую подключен к земле, коллектор тоже будет (хотя он будет немного выше, где-то около V CE (sat) ~ 0,05-0,2 В). С другой стороны, если на входе низкий уровень, транзистор выглядит как разомкнутая цепь, а выход подтянут до VCC

.

(На самом деле это фундаментальная конфигурация транзистора, называемая общим эмиттером .Подробнее об этом позже.)

И Ворота

Вот пара транзисторов, используемых для создания логического элемента И с двумя входами :

2-входной логический элемент И на транзисторах.

Если какой-либо из транзисторов выключен, то на выходе коллектора второго транзистора будет установлен низкий уровень. Если оба транзистора включены (на обоих базах высокий уровень), то выходной сигнал схемы также высокий.

OR Выход

И, наконец, вот логический элемент ИЛИ с двумя входами :

Затвор ИЛИ с 2 входами, построенный на транзисторах.

В этой схеме, если один (или оба) A или B имеют высокий уровень, соответствующий транзистор включается и подтягивает выходной сигнал к высокому уровню. Если оба транзистора выключены, то через резистор выводится низкий уровень.

Н-образный мост

H-мост — это транзисторная схема, способная приводить в движение двигатели как по часовой, так и против часовой стрелки . Это невероятно популярная трасса — движущая сила бесчисленных роботов, которые должны уметь двигаться как вперед на , так и на назад.

По сути, H-мост представляет собой комбинацию четырех транзисторов с двумя входными линиями и двумя выходами:

Вы можете догадаться, почему это называется H-мостом?

(Примечание: обычно у хорошо спроектированного H-моста есть нечто большее, включая обратные диоды, базовые резисторы и триггеры Шмидта.)

Если оба входа имеют одинаковое напряжение, выходы двигателя будут иметь одинаковое напряжение, и двигатель не сможет вращаться. Но если два входа противоположны, двигатель будет вращаться в одном или другом направлении.

H-мост имеет таблицу истинности, которая выглядит примерно так:

Вход A Вход B Выход A Выход B Направление двигателя
0 0 1 1 Остановлено (торможение) 1 0 По часовой стрелке
1 0 0 1 Против часовой стрелки
1 1 0 0

Осцилляторы

Генератор — это схема, которая генерирует периодический сигнал, который колеблется между высоким и низким напряжением.Генераторы используются во всевозможных схемах: от простого мигания светодиода до генерации тактового сигнала для управления микроконтроллером. Есть много способов создать схему генератора, включая кварцевые кристаллы, операционные усилители и, конечно же, транзисторы.

Вот пример колебательного контура, который мы называем нестабильным мультивибратором . Используя обратную связь , мы можем использовать пару транзисторов для создания двух дополняющих осциллирующих сигналов.

Помимо двух транзисторов, конденсаторы являются настоящим ключом к этой схеме.Колпачки поочередно заряжаются и разряжаются, в результате чего два транзистора поочередно включаются и выключаются.

Анализ работы этой схемы — отличное исследование работы как конденсаторов, так и транзисторов. Для начала предположим, что C1 полностью заряжен (сохраняется напряжение около V CC ), C2 разряжен, Q1 включен, а Q2 выключен. Вот что происходит после этого:

  • Если Q1 включен, то левая пластина C1 (на схеме) подключена примерно к 0 В. Это позволит C1 разряжаться через коллектор Q1.
  • Пока C1 разряжается, C2 быстро заряжается через резистор меньшего номинала — R4.
  • Как только C1 полностью разрядится, его правая пластина будет подтянута примерно до 0,6 В, что включит Q2.
  • На этом этапе мы поменяли местами состояния: C1 разряжен, C2 заряжен, Q1 выключен, а Q2 включен. Теперь танцуем в другую сторону.
  • Включенный Q2 позволяет C2 разряжаться через коллектор Q2.
  • Когда Q1 выключен, C1 может относительно быстро заряжаться через R1.
  • Как только C2 полностью разрядится, Q1 снова включится, и мы вернемся в состояние, в котором мы начали.

Может быть трудно осознать. Вы можете найти еще одну отличную демонстрацию этой схемы здесь.

Выбирая определенные значения для C1, C2, R2 и R3 (и сохраняя R1 и R4 относительно низкими), мы можем установить скорость нашей схемы мультивибратора:

Итак, при значениях для конденсаторов и резисторов, установленных на 10 мкФ и 47 кОм соответственно, частота нашего генератора будет около 1.5 Гц. Это означает, что каждый светодиод будет мигать примерно 1,5 раза в секунду.


Как вы, наверное, уже заметили, существует тонны схем, в которых используются транзисторы. Но мы почти не коснулись поверхности. Эти примеры в основном показывают, как транзистор можно использовать в режимах насыщения и отсечки в качестве переключателя, но как насчет усиления? Пришло время увидеть больше примеров!


Applications II: Усилители

Некоторые из самых мощных транзисторных приложений включают усиление: преобразование сигнала малой мощности в сигнал большей мощности.Усилители могут увеличивать напряжение сигнала, беря что-то из диапазона мкВ и преобразовывая его в более полезный уровень в мВ или В. Или они могут усиливать ток, что полезно для превращения мкА тока, создаваемого фотодиодом, в ток гораздо большей величины. Существуют даже усилители, которые принимают ток и производят более высокое напряжение или наоборот (называемые транссопротивлением и крутизной соответственно).

Транзисторы

— ключевой компонент многих усилительных схем. Существует бесконечное количество разнообразных транзисторных усилителей, но, к счастью, многие из них основаны на некоторых из этих более примитивных схем.Запомните эти схемы, и, надеюсь, с небольшим сопоставлением с образцом вы сможете понять более сложные усилители.

Общие конфигурации

Три основных транзисторных усилителя: общий эмиттер, общий коллектор и общая база. В каждой из трех конфигураций один из трех узлов постоянно связан с общим напряжением (обычно с землей), а два других узла являются либо входом, либо выходом усилителя.

Общий эмиттер

Общий эмиттер — одна из наиболее популярных схем транзисторов.В этой схеме на эмиттер подается напряжение, общее как для базы, так и для коллектора (обычно это земля). База становится входом сигнала, а коллектор становится выходом.

Схема с общим эмиттером популярна, потому что она хорошо подходит для усиления напряжения , особенно на низких частотах. Например, они отлично подходят для усиления аудиосигналов. Если у вас небольшой входной сигнал с размахом 1,5 В, вы можете усилить его до гораздо более высокого напряжения, используя немного более сложную схему, например:

Одна особенность обычного эмиттера заключается в том, что он инвертирует входной сигнал (сравните его с инвертором с последней страницы!).

Общий коллектор (эмиттерный повторитель)

Если мы подключим коллектор к общему напряжению, используем базу как вход, а эмиттер как выход, то получится общий коллектор. Эта конфигурация также известна как эмиттерный повторитель .

Общий коллектор не усиливает напряжение (фактически, выходное напряжение будет на 0,6 В ниже входного). По этой причине эту схему иногда называют повторителем напряжения .

Эта схема действительно имеет большой потенциал в качестве усилителя тока .В дополнение к этому высокий коэффициент усиления по току в сочетании с коэффициентом усиления по напряжению, близким к единице, делает эту схему отличным буфером напряжения . Буфер напряжения предотвращает нежелательные помехи цепи нагрузки цепи, управляющей ею.

Например, если вы хотите подать 1 В на нагрузку, вы можете пойти простым путем и использовать делитель напряжения, или вы можете использовать эмиттерный повторитель.

По мере увеличения нагрузки (что, наоборот, означает уменьшение сопротивления) выход схемы делителя напряжения падает.Но выходное напряжение эмиттерного повторителя остается стабильным, независимо от нагрузки. Большие нагрузки не могут «нагружать» эмиттерный повторитель, как это могут быть цепи с большим выходным сопротивлением.

Общая база

Мы поговорим об общей базе, чтобы завершить этот раздел, но это наименее популярная из трех основных конфигураций. В усилителе с общей базой эмиттер является входом, а коллектор — выходом. База общая для обоих.

Общая база похожа на антиэмиттер-повторитель.Это приличный усилитель напряжения, и ток на входе примерно равен выходному току (на самом деле ток на входе немного больше, чем на выходе).

Цепь с общей базой лучше всего работает как токовый буфер . Он может принимать входной ток с низким входным сопротивлением и подавать почти такой же ток на выход с более высоким сопротивлением.

Вкратце

Эти три конфигурации усилителей лежат в основе многих более сложных транзисторных усилителей. У каждого из них есть приложения, где они сияют, будь то усиление тока, напряжения или буферизация.

88 Усиление по току 26
Общий эмиттер Общий коллектор Общая база
Коэффициент усиления по напряжению Средний Низкий Высокий
918 Среднее Среднее Высокое Низкое
Выходное сопротивление Среднее Низкое Высокое

Многокаскадные усилители

Мы могли бы продолжать говорить о большом разнообразии транзисторных усилителей.Вот несколько быстрых примеров, демонстрирующих, что происходит, когда вы комбинируете одноступенчатые усилители, указанные выше:

Дарлингтон

Усилитель Дарлингтона соединяет один общий коллектор с другим для создания усилителя с высоким коэффициентом усиления по току .

Выходное напряжение составляет примерно равно входному напряжению (минус примерно 1,2–1,4 В), но коэффициент усиления по току является произведением двух коэффициентов усиления транзистора . Это β 2 — более 10 000!

Пара Дарлингтона — отличный инструмент, если вам нужно управлять большой нагрузкой с очень малым входным током.

Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель вычитает два входных сигнала и усиливает эту разницу. Это важная часть цепей обратной связи, где вход сравнивается с выходом для получения будущего выхода.

Вот и основа дифференциального усилителя:

Эту схему также называют длинной хвостовой парой . Это пара схем с общим эмиттером, которые сравниваются друг с другом для получения дифференциального выхода.Два входа подаются на базы транзисторов; выход представляет собой дифференциальное напряжение на двух коллекторах.

Двухтактный усилитель

Двухтактный усилитель — это полезный «заключительный каскад» во многих многокаскадных усилителях. Это энергоэффективный усилитель мощности, часто используемый для управления громкоговорителями.

Основной двухтактный усилитель использует транзисторы NPN и PNP, оба сконфигурированы как общие коллекторы:

Двухтактный усилитель на самом деле не усиливает напряжение (выходное напряжение будет немного меньше входного), но усиливает ток.Это особенно полезно в биполярных схемах (с положительным и отрицательным питанием), потому что оно может как «проталкивать» ток в нагрузку от положительного источника питания, так и «вытягивать» ток и погружать его в отрицательный источник питания.

Если у вас есть биполярный источник питания (или даже если у вас его нет), двухтактный — отличный конечный каскад для усилителя, действующий как буфер для нагрузки.

Собираем их вместе (операционный усилитель)

Давайте рассмотрим классический пример многокаскадной транзисторной схемы: операционный усилитель.Умение распознавать общие транзисторные схемы и понимание их назначения может очень помочь! Вот схема внутри LM3558, действительно простого операционного усилителя:

Внутреннее устройство операционного усилителя LM358. Узнали какие-то усилители?

Здесь определенно больше сложности, чем вы можете быть готовы усвоить, однако вы можете увидеть некоторые знакомые топологии:

  • Q1, Q2, Q3 и Q4 образуют входной каскад. Очень похоже на общий коллектор (Q1 и Q4) на дифференциальный усилитель , верно? Он просто выглядит перевернутым, потому что использует PNP.Эти транзисторы образуют входной дифференциальный каскад усилителя.
  • Q11 и Q12 являются частью второго этапа. Q11 — это общий коллектор, а Q12 — это общий эмиттер . Эта пара транзисторов буферизует сигнал с коллектора Q3 и обеспечивает высокий коэффициент усиления, когда сигнал поступает на конечный каскад.
  • Q6 и Q13 являются частью финальной стадии, и они тоже должны выглядеть знакомо (особенно если не обращать внимания на R SC ) — это двухтактный ! Этот этап буферизует выходной сигнал, позволяя ему управлять большими нагрузками.
  • Есть множество других распространенных конфигураций, о которых мы не говорили. Q8 и Q9 сконфигурированы как токовое зеркало , которое просто копирует величину тока, проходящего через один транзистор, в другой.

После этого ускоренного курса по транзисторам мы не ожидаем, что вы поймете, что происходит в этой схеме, но если вы можете начать определять общие транзисторные схемы, вы на правильном пути!


Покупка транзисторов

Теперь, когда вы контролируете источник управления, мы рекомендуем SparkFun Inventor’s Kit, чтобы воплотить в жизнь полученные вами новые знания.Мы также предоставили ссылки на комплект полупроводников и одиночные транзисторы для использования в ваших собственных проектах.

Наши рекомендации:

N-канальный полевой МОП-транзистор 60 В, 30 А

В наличии COM-10213

Если вы когда-нибудь задумывались, как управлять фарами автомобиля с помощью микроконтроллера, MOSFET — это то, что вам нужно.Это ве…

4

Пакет дополнений SparkFun Inventor’s Kit — v4.0

На пенсии КОМПЛЕКТ-14310

С помощью Add-On Pack вы сможете включить некоторые из старых частей, которые раньше были включены в SIK, которые были обновлены…

На пенсии

Ресурсы и дальнейшее развитие

Если вы хотите глубже изучить транзисторы, мы рекомендуем следующие ресурсы:

  • Начало работы в электронике , Форрест Мимс — Мимс — мастер объяснения электроники в простой для понимания и применимости манере.Обязательно посмотрите эту книгу, если вы хотите более подробно познакомиться с транзисторами.
  • LTSpice и Falstad Circuit — это бесплатные программные инструменты, которые вы можете использовать для моделирования цепей. Цифровые эксперименты со схемами — отличный способ научиться. Вы получаете все эксперименты, без боли макетирования или страха взорвать все. Попробуйте собрать воедино то, о чем мы говорили!
  • 2N3904 Техническое описание — Еще один способ узнать о транзисторах — это изучить их техническое описание.2N3904 — действительно распространенный транзистор, который мы используем постоянно (а 2N3906 — его брат по PNP). Ознакомьтесь с таблицей данных, чтобы узнать, узнаете ли вы какие-нибудь знакомые характеристики.

Кроме того, наш собственный технический директор Пит выпустил серию видеороликов «По словам Пита», в которых основное внимание уделяется транзисторам и транзисторным усилителям. Обязательно посмотрите его видео о диодах и транзисторах:

.

Затем вы можете перейти к: Конфигурации смещения транзисторов, часть 1 и часть 2, и, наконец, текущие зеркала.Качественный товар!

Дальше

Или, если вам не терпится узнать больше об электронике в целом, ознакомьтесь с некоторыми из этих руководств по SparkFun:

    Интегральные схемы
  • — Что вы получите, если объедините тысячи транзисторов и поместите их в черный ящик? IC!
  • Регистры сдвига — регистры сдвига являются одними из наиболее распространенных интегральных схем. Узнайте, как с помощью транзистора мигать десятки светодиодов всего за несколько входов.
  • Mini FET Shield Hookup Guide — Это действительно простой щит Arduino, который использует 8 полевых МОП-транзисторов для управления 8 сильноточными выходами.Это хороший пример использования транзистора в качестве переключателя из реальной жизни.
  • Проектирование печатных плат с EAGLE — Выведите свои новые навыки работы с транзисторами на новый уровень. Сделайте из них печатную плату! В этом руководстве объясняется, как использовать бесплатное программное обеспечение (Eagle) для проектирования печатных плат.
  • Как паять. Если вы разрабатываете печатную плату, вам также нужно знать, как паять. Узнайте, как паять через отверстия в этом руководстве.

Или посмотрите некоторые из этих сообщений в блоге, чтобы найти идеи:

.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *